(57)【要約】【課題】光検出精度の優れたセンサ装置を提供する。【解決手段】一導電型の半導体材料から成り、一主面（２Ａ）に並列に位置する第１領域（２ａ）および第２領域（２ｂ）を有する基板（２）と、第１領域（２ａ）に設けられたフォトダイオード（５）と、第２領域（２ｂ）に設けられた第１発光ダイオード（３）と第２発光ダイオード（４）と、第１発光ダイオード（３）と基板（２）の一主面（２Ａ）の上方に位置する測定対象体との間に配置され、第１発光ダイオード（３）からの光を測定対象体に照射し、正反射光の一部をフォトダイオード（５）に導く第１光学系（８）と、第２発光ダイオード（４）と測定対象体との間に配置され、第２発光ダイオード（４）からの光を測定対象体に照射し、正反射光をフォトダイオード（５）を除く領域に導くとともに散乱反射光の一部をフォトダイオード（５）に導く第２光学系（９）とを有する。
2013065731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型の半導体材料から成り、一主面に並列に位置する第１領域および第２領域を有する基板と、
前記第１領域に設けられた、前記基板の前記一主面に不純物がドーピングされて形成された逆導電型半導体部を含むフォトダイオードと、
前記第２領域に設けられた、前記基板の前記一主面に積層された半導体層の積層体で構成された第１発光ダイオードおよび第２発光ダイオードと、
前記第１発光ダイオードと前記基板の前記一主面の上方に位置する測定対象体との間に配置され、前記第１発光ダイオードからの光を前記測定対象体に照射して正反射光の一部を前記フォトダイオードに導く第１光学系と、
前記第２発光ダイオードと前記測定対象体との間に配置され、前記第２発光ダイオードからの光を前記測定対象体に照射して正反射光を前記フォトダイオードを除く領域に導くとともに散乱反射光の一部を前記フォトダイオードに導く第２光学系とを有し、
前記第１発光ダイオードからの光の正反射光の一部および前記第２発光ダイオードからの光の散乱反射光の一部による前記フォトダイオードからの出力電流を検出するセンサ装置。
【請求項２】
前記１発光ダイオードは、前記第２発光ダイオードと前記フォトダイオードとの間に配置されている、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記フォトダイオードの直上に位置し、入射される光を前記フォトダイオードへと導く第３光学系をさらに有し、
前記第１光学系および前記第２光学系は、それぞれ前記第１発光ダイオードおよび前記第２光学系の直上の前記第３光学系と同じ高さに配置されており、
前記フォトダイオード，前記第１発光ダイオードおよび前記第２発光ダイオードの配列方向において、前記フォトダイオードの中心と前記第１発光ダイオードの中心との中間点を基準としたときに、前記中間点を挟んで前記第２発光ダイオードと対称の位置よりも前記中間点側に前記フォトダイオードが位置する、請求項２記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記フォトダイオード，前記第１発光ダイオードおよび前記第２発光ダイオードの配列方向において、前記中間点を基準としたときに、該中間点を挟んで前記第２発光ダイオードと対称の位置よりも前記中間点側に前記基板の端部が位置する、請求項３に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記第１領域および前記第２領域は、それぞれ長手方向を有して、該長手方向に直交する方向に並列に位置しており、前記フォトダイオード，前記第１発光ダイオードおよび前記第２発光ダイオードは、それぞれ複数個が前記長手方向にそれぞれ直線状に配列されている、請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記第１発光ダイオードおよび前記第２発光ダイオードを外部回路に接続するための配線が、前記第２領域のうち前記第１領域側とは反対側に引き出されている、請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記長手方向の配列に沿って、前記第１発光ダイオードおよび前記第２発光ダイオードをそれぞれＮ個（Ｎは２以上の自然数）ずつ含むグループに分けたときに、
同じグループ内の前記第１発光ダイオードの一方電極同士が共通に接続されるパッドＫ１と、
同じグループ内の前記第２発光ダイオードの一方電極同士が共通に接続されるパッドＫ２と、
同じグループ内における前記第１発光ダイオードと前記第２発光ダイオードとのＮ組の組合せのそれぞれについて異なるグループ間同士で共通に他方の電極が接続されるＮ個のパッドＡとを有し、これらのパッドＫ１，パッドＫ２およびパッドＡが、前記第２領域のうち前記第１領域側とは反対側に配置されている、請求項５に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子と受光素子とが同一基板上に一体形成された受発光素子を備えたセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光素子から測定対象へ光を照射し、その測定対象からの反射光を受光素子で検出して、測定対象の光学的特性を測定するセンサ装置が、広い分野で利用されている。たとえば、フォトインタラプタ、フォトカプラ、リモートコントロールユニット、ＩｒＤＡ（Infrared Data Association）通信デバイス、光ファイバ通信用装置、さらには原稿サイズセンサなど多岐にわたるアプリケーションで用いられている。【０００３】
このようなセンサ装置において、例えば、カラーとモノクロとの双方のトナーを感知するトナーセンサ等、発光素子から測定対象に照射した光の正反射光および散乱反射光（拡散反射光）の双方を受光する必要がある場合には、特開２００６−３４９７１５号公報に示すように受光素子を２つ設けていた。
【発明の概要】
【０００４】
しかし、一般に、受光素子は発光素子に比べて大きいため、受光素子を２つ設けることによってセンサ装置の大型化を招いていた。そこで、正反射光および散乱反射光の双方を受光することのできる、小型なセンサ装置が求められていた。
【０００５】
本発明の一実施形態に係るセンサ装置は、一導電型の半導体材料から成り、一主面に並列に位置する第１領域および第２領域を有する基板と、前記第１領域に設けられ、前記基板の前記一主面に不純物がドーピングされて形成された逆導電型半導体部を含むフォトダイオードと、前記第２領域に設けられた、前記基板の前記一主面に積層された半導体層の積層体で構成された第１発光ダイオードおよび第２発光ダイオードと、前記第１発光ダイオードと前記基板の前記一主面の上方に位置する測定対象体との間に配置され、前記第１発光ダイオードからの光を前記測定対象体に照射し、正反射光の一部を前記フォトダイオードに導く第１光学系と、前記第２発光ダイオードと前記測定対象体との間に配置され、前記第２発光ダイオードからの光を前記測定対象体に照射し、正反射光を前記フォトダイオードを除く領域に導くとともに散乱反射光の一部を前記フォトダイオードに導く第２光学系とを有し、前記第１発光ダイオードからの光の正反射光の一部および前記第２発光ダイオードからの光の散乱反射光の一部による前記フォトダイオードからの出力電流を検出するものである。
【０００６】
本発明によれば、小型のセンサ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すセンサ装置の上面図である。
【図３】図１，２に示すセンサ装置の発光ダイオードの要部拡大断面図である。
【図４】測定対象体の一点Ｐにおける光の入射および反射を示す概略図である。
【図５】図１に示すセンサ装置における各構成要素の位置関係を説明する概略図である。
【図６】図１に示すセンサ装置の変形例を示す要部平面図である。
【図７】図１に示すセンサ装置の変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明に係るセンサ装置の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【０００９】
図１は本発明のセンサ装置１０一実施形態を示す断面図であり、図２はセンサ装置１０の上面図であり、図３はセンサ装置１０の第１発光ダイオード３の要部拡大断面図である。なお、各図において、構成の明確な図示のために、各構成要素の大きさの比率は実際の寸法と異なることがある。また、図２において、各部位の構成の明確な図示のために、受発光素子１の上方に位置する構成要素の図示を省略している。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線における矢視断面図である。
【００１０】
図１〜図３に示すように、センサ装置１０は、受発光素子１と第１光学系８と第２光学系９とを有する。受発光素子１は、基板２と、基板２の一方の主面２Ａに配置された複数の第１発光ダイオード３と、複数の第２発光ダイオード４と、複数のフォトダイオード５とを有する。以下、発光ダイオードをＬＥＤと、フォトダイオードをＰＤと記す。ここで、受発光素子１とは、基板２の一方の主面に少なくとも１つの受光素子（ＰＤ）および少なくとも１つの第１発光素子（ＬＥＤ）および第２発光素子とを設けたものをいう。言い換えると、１つの受光素子に対して２つの発光素子の組合せを複数有するものである。
【００１１】
基板２は、一導電型の半導体材料からなる。一導電型の不純物濃度に限定はないが、例えば１０Ω以下、より好ましくは１〜５Ωの電気抵抗を有することが好ましい。この例では、ｎ型のシリコン基板を用いている。以下、ｎ型を一導電型とし、ｐ型を逆導電型とする。
【００１２】
そして、この基板２の一主面には、並列して第１領域２ａ，第２領域２ｂが位置している。第１領域２ａ，第２領域２ｂはそれぞれ長手方向（Ｄ１方向）を有する形状となっており、この長手方向に直交する方向に並列に位置している。この例では矩形状となっており、矩形を構成する短辺方向（Ｄ２方向）に並んで配列されている。
【００１３】
このような基板２の第１領域２ａにＰＤ５が配置されている。この例では、複数のＰＤ５は、第１領域２ａの長手方向に沿って直線状に配列している。
【００１４】
基板２の第２領域２ｂには、第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４が位置している。この例では、複数の第１ＬＥＤ３が第２領域２ｂの長手方向（Ｄ１方向）に直線状に配列している。同様に複数の第２ＬＥＤ４が第２領域２ｂの長手方向（Ｄ１方向）に直線状に配列している。すなわち、ＬＥＤが２列並んでいる。そして、第１ＬＥＤ３の列が第２ＬＥＤ４の列よりも第１領域２ａ側に位置している。この例では、個々のＰＤ５，第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤがＤ２方向において一直線上に配置されている。言い換えると、第１ＬＥＤ３は、最も近接する第２ＬＥＤ４とＰＤ５との間に位置している。
【００１５】
第１光学系８と第２光学系９とは、基板２の一主面の法線方向に出射するＬＥＤ３，４の光を屈折させることで光路を変換させ、測定対象体の一点Ｐに照射し、一点Ｐからの反射光をＰＤ５によって受光させるためのものである。
【００１６】
第１光学系８は、第１ＬＥＤ３からの光を測定対象体Ｖに照射し、その正反射光をＰＤ５に導く。第２光学系９は、第２ＬＥＤ４からの光を測定対象体Ｖに照射し、その正反射光をＰＤ５の外側に導き、かつその散乱反射光の少なくとも一部をＰＤ５に導くものである。言い換えると、第２光学系９は、正反射光をＰＤ５が配置されていない領域に導き、散乱反射光の少なくとも一部をフォトダイード５に導くものである。ここで、第２光学系９は、ＰＤ５を中心としてＤ２方向において、第１ＬＥＤ３が配置されていない側に正反射光を導くことが好ましい。
【００１７】
このような光学系８，９は、一般的なレンズによって実現できる。例えばプリズムや集光レンズ等が挙げられる。このような光学系の設計は、光線追跡法を用いて行なわれ、所望の形状を有するものを形成することができる。なお、このような第１光学系８は、個々の第１ＬＥＤ３に対して設けてもよいし、複数の第１ＬＥＤ３に対して共通のものとしてもよい。同様に、第２光学系９は、個々の第２ＬＥＤ４に対して設けてもよいし、複数の第２ＬＥＤ４に対して共通のものとしてもよい。
【００１８】
ここで、正反射光とは、入射角と反射角とが等しいものである。図４に示すように、実際には一点Ｐへの入射光および一点Ｐからの反射光は広がりを持っている。言い換えると、入射光の入射角、反射光の反射角には角度の広がりを有する。この場合には、入射光の分布のうち、最も強度の強いピーク位置における入射角と、出射光の分布のうち最も強度の強いピーク位置における出射角とが等しい場合には、正反射とみなす。また、正反射光の場合には、入射光の広がりと出射光の広がりとの分布の様子が相似関係にある。散乱反射光の場合には、入射光の広がりと出射光の広がりとの分布の様子に相似関係はなく、入射光の分布のうちピーク位置における入射角と、出射光の分布のうちピーク位置における出射角とが一致しない。なお、散乱反射光の場合には、出射光の分布にピークが複数あったり、分布がブロードとなって明確なピークが確認できなかったりする場合もある。
【００１９】
上述のような関係を満たす具体的な位置関係について、図５を用いて説明する。
【００２０】
図１に示す例では、ＬＥＤ３，４は基板２の第１主面の法線方向に発光する。このため、第１光学系８および第２光学系９はそれぞれＬＥＤ３，４の直上に設けられる。この例では、さらに第１光学系８および第２光学系９が、同じ高さ位置に設けられている。具体的には、基板２の一主面２Ａを基準として高さａの位置に配置されている。
【００２１】
そして、測定対象物上の一点Ｐと対向する基板２上の点Ｐａを基準に、第１ＬＥＤ３の中心までの距離をｘ１、第２ＬＥＤ４の中心までの距離をｘ２、ＰＤ５の中心までの距離をｘ３とする。
【００２２】
第１光学系８は、基板２の一主面の法線方向に出射された第１ＬＥＤ３からの光を角度θ１で変化させて測定対象体の一点Ｐに入射角θ１で導き、反射角θ１で正反射した光をＰＤ５に導く。
【００２３】
このような光学系を用いる場合には、距離ｘ３が（ｓｉｎθ１／ｃｏｓθ１）ａ＋ｘ１となるように第１ＬＥＤ３とＰＤ５との位置を調整する。
【００２４】
第２光学系９は、基板２の一主面の法線方向に出射された第２ＬＥＤ４からの光を角度θ２で変化させて測定対象体の一点Ｐに入射角θ２で導き、反射角θ２で正反射した光をＰＤ５以外の領域に導く。
【００２５】
このような光学系を用いる場合には、距離ｘ２が（ｃｏｓθ１／ｓｉｎθ１）（ｓｉｎθ２／ｃｏｓθ２）ｘ１となり、ｘ３が（ｓｉｎθ２／ｃｏｓθ２）ａ＋ｘ２よりも小さくなるように第２ＬＥＤ４の位置を調整する。
【００２６】
このような構成とすることにより、第１ＬＥＤ３からの光を検出して、鏡面反射光の変化を確認することができる。すなわち、プリンタ用のトナーセンサとして用いる場合には、黒トナーの付着によって鏡面反射光（正反射光）が大幅に減少する現象に着目し、第１ＬＥＤ３の正反射光の光量を検出することによって黒トナーの付着の有無、トナーの濃度を検出することができる。さらに、第２ＬＥＤ４からの光を検出して、散乱反射光の変化を確認することができる。すなわち、プリンタ用のトナーセンサとして用いる場合には、カラートナーの付着によって散乱反射光が大幅に増加する現象に着目し、第２ＬＥＤ４の散乱反射光の光量を検出することによってカラートナーの付着の有無、トナーの濃度を検出することができる。以上より、黒トナーを検出する際には、第１ＬＥＤ３のみを発光させ、カラートナーを検出する際には第２ＬＥＤ４のみを発光させるように切り替えて制御することができる。なお、図１において、（ａ）は第１ＬＥＤ３、第２ＬＥＤ４の正反射光の軌跡を示し、（ｂ）は第２ＬＥＤ４の散乱反射光の軌跡を示している。この図において、第１ＬＥＤ３からの光の軌跡を破線で、第２ＬＥＤ４からの光の軌跡を長鎖線で示している。このように、２つの発光素子（ＬＥＤ３，４）を用いることにより、１つの受光素子（ＰＤ５）であっても２つの反射光（正反射光，散乱反射光）の変化の様子を確認することができる。
【００２７】
特に、受光素子を複数必要としないことから、従来の構成に比べて小型なセンサを提供することができる。さらに、受発光素子１を用いていることから、受光素子、発光素子を別部品で構成する場合に比べて、著しく小型化することができる上に、複数のＬＥＤ３，４，ＰＤ５を近接配置することにより、正確に散乱反射光を検出することができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、半導体基板２に直接第１および第２ＬＥＤ３，４およびＰＤ５を作りこんでおり、別部品を基板上に実装するものに比べ、大幅に小型化することができ、狭ピッチでアレイ化が可能となる。また、別部品を接合剤を介して実装するものに比べ、第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４およびＰＤ５の配置位置の精度を高めることができる。また、アレイ化することで受光量の測定量の平均化が可能となる。さらに、トナー塗布範囲を狭くすることができるのでトナー塗布量を減少させることができる。
【００２９】
以下に、各部位の詳細な構成について説明する。
【００３０】
基板２は、半導体材料からなり、ＬＥＤ３，４からの発光波長に対して検出可能なＰＤ５を形成できれば特に限定はされないが、例えばＳｉ、ＩｎＰ等を用いることができる。この例では、ｎ型のＳｉ基板を用いている。Ｓｉ基板は、一導電型の不純物としてＰ（リン）を含んでおり、その濃度は１×１０１４〜２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。
【００３１】
第１および第２ＬＥＤ３，４は、基板２上に、バッファ層３１，４１，ｎ型コンタクト層３２，４２，ｎ型クラッド層３３，４３，活性層３４，４４，ｐ型クラッド層３５，４５，ｐ型コンタクト層３６，４６，キャップ層３７，４７を基板２側からこの順に積層して形成されている。なお、バッファ層３１，４１の下には、後述するように基板２に不純物を拡散して形成したｎ型不純物拡散領域２ｎが存在している。
【００３２】
バッファ層３１，４１は、不純物がドーピングされていないＧａＡｓからなり、２〜３μｍの厚さを有している。
【００３３】
ｎ型コンタクト層３２，４２はｎ型の不純物がドーピングされたＧａＡｓからなり、０．８〜１μｍの厚さを有している。ｎ型の不純物としては、例えばＳｉが挙げられ、ｎ型コンタクト層３２，４２のドーピング濃度を１×１０１８〜２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。図３に示すように、ｎ型コンタクト層３２，４２の上面の一部分は、ｎ型クラッド層３３，４３，活性層３４，４４，ｐ型クラッド層３５，４５，ｐ型コンタクト層３６，４６，キャップ層３７，４７から露出しており、この露出した部分に後述する第２電極１１が接続されている。
【００３４】
ｎ型クラッド層３３，４３は、ｎ型の不純物がドーピングされたＡｌＧａＡｓからなり、０．３〜０．５μｍの厚さを有している。ｎ型の不純物としては、例えばＳｉが挙げられ、ｎ型クラッド層３３，４３のドーピング濃度を１×１０１７〜５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。
【００３５】
活性層３４，４４は、不純物がドーピングされていないＡｌＧａＡｓからなり、０．３〜０．５μｍの厚さを有している。
【００３６】
ｐ型クラッド層３５，４５は、ｐ型の不純物がドーピングされたＡｌＧａＡｓからなり、０．３〜０．５μｍの厚さを有している。ｐ型の不純物としては、例えばＺｎが挙げられ、ｐ型クラッド層３５，４５のドーピング濃度を１×１０１８〜２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。
【００３７】
ｐ型コンタクト層３６，４６は、ｐ型の不純物がドーピングされたＡｌＧａＡｓからなり、０．３〜０．５μｍの厚さを有している。ｐ型の不純物としては、例えばＭｇが挙げられ、ｐ型コンタクト層３６，４６のドーピング濃度を１×１０１９〜５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。
【００３８】
キャップ層３７，４７は、不純物がドーピングされていないＧａＡｓからなり、０．０１〜０．０３μｍの厚さを有している。
【００３９】
第１および第２ＬＥＤ３，４を構成する上記の各半導体層は、例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Metal-organic Chemical Vapor Deposition）法を用い、基板３上にエピタキシャル成長させることによって形成される。
【００４０】
キャップ層３７，４７の上面の一部分には、第１電極６が接続されている。この第１電極６は、絶縁膜１３上に延び、各ＬＥＤ３，４のキャップ層３７，４７に対して個別に設けられている。また、第１電極６は、例えば、ＡｕやＡｌと、密着層であるＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉとを組み合わせたＡｕＮｉ、ＡｕＣｒ、ＡｕＴｉ、ＡｌＣｒ合金等で、その厚さが０．５〜５μｍで形成されている。
【００４１】
ｎ型コンタクト層３２，４２の上面の一部分には、第２電極１１が接続されている。この第２電極１１は、絶縁膜１３上に延び、図２に示すように列状に配置された各ＬＥＤ３，４のｎ型コンタクト層３２，４２間を接続している。なお、図２では、説明の便宜上、絶縁膜１３の図示を省略している。また、第２電極１１は、例えば、ＡｕＳｂ合金、ＡｕＧｅ合金やＮｉ系合金等を用いて、その厚さが０．５〜５μｍで形成されている。
【００４２】
第１電極６および第２電極１１は、図示しない外部の定電流駆動回路に接続されており、両電極間に順方向電圧を印加することによって、ｐ型クラッド層３５，４５とｎ型クラッド層３３，４３とでｐｎ接合を形成するＬＥＤ３，４に電流が供給され、活性層３４，４４が発光するようになっている。このとき、複数の第１電極６のうちから任意のいくつかを選択し、選択された第１電極６と第２電極１１との間に順方向電圧を印加することで、選択された第１電極６に接続されたＬＥＤ３，４を発光させることができる。
【００４３】
なお、ＬＥＤ３，４は、図３に示すように、第２電極１１とｎ型コンタクト層３２，４２との接触部分、並びに第１電極６とキャップ層３７，４７との接触部分を除いて、透光性を有する絶縁膜１３で被覆されており、第１電極６および第２電極１１との絶縁性を確保している。また、同様に、基板２の表面上にも絶縁膜１３が形成されており、基板２と、第１電極６および第２電極１１との絶縁性が確保されている。この絶縁膜１３は、例えば、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ２等の無機絶縁膜や、ポリイミド等の有機絶縁膜等を用い、その厚さが０．１〜５μｍで形成されている。
【００４４】
次に、基板２に設けられた複数のＰＤ５について説明する。図２に示すように、ＰＤ５は、ＬＥＤ３，４から離して設けられ、ＬＥＤ３，４の配列方向に沿って、各ＬＥＤ３，４と対応するように半導体基板２に列を成して配置されている。各ＰＤ５は、図３に示すように、基板２の上面（一方の主面）２Ａに形成されたｐ型半導体領域５ｐを設けることにより、ｎ型の基板２とでｐｎ接合を形成して構成される。
【００４５】
ｐ型半導体領域５ｐは、半導体基板２にｐ型不純物を高濃度に拡散させて形成されている。ｐ型不純物としては、例えばＺｎ，Ｍｇ，Ｃ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ等が挙げられる。本実施形態では、ｐ型不純物としてＢを０．５〜３μｍの厚さとなるように拡散させ、ｐ型半導体領域７ｐのドーピング濃度を１×１０１８〜１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。
【００４６】
ｐ型半導体領域５ｐには、第３電極１５が接続されている。より詳細には、第３電極１５は、ｐ型半導体領域５ｐの周縁部に接合されている。第３電極１５は、例えば、ＡｕとＣｒ、ＡｌとＣｒ、ＰｔとＴｉの合金等で、その厚さが０．５〜５μｍで形成されている。そして、第３電極１５は、図示しない外部回路に接続される。なお、第３電極１５は、絶縁膜１３によって基板２との絶縁性が確保されている。
【００４７】
このとき、ＰＤ５に光が入射すると、光電流が発生し、第３電極１５によってこの光電流を取り出すことができる。
【００４８】
ここで、本実施形態では、基板２の一主面には、第１領域２ａと第２領域２ｂとの間に逆導電型の遮断領域２ｃが形成されている。
【００４９】
遮断領域２ｃは、ＬＥＤ３、４が配置された第２領域２ｂとＰＤ５が配置された第１領域２ａとが対向する部分に連続して設けられればよい。ＬＥＤ３，４およびＰＤ５が複数ある場合には、ＬＥＤ３，４に対して、複数のＰＤ５のうち最も近接配置されているＰＤ５との間に設ければよいが、この例では、複数のＬＥＤ３，４の配列方向と複数のＰＤ５と配列方向とに沿って、連続して設けられている。
【００５０】
ここで遮断領域２ｃは、基板２と逆導電型（ｐ型）の半導体領域となっている。このため、基板２上においてＬＥＤ３，４からＰＤ５までの結ぶ経路の途中に逆導電型の半導体領域が存在することとなり、ＬＥＤ３，４からの漏れ電流がＰＤ５に到達することを抑制することができる。
【００５１】
より詳細には、この遮断領域２ｃは、外部の駆動回路からＬＥＤ３，４へ供給された電流が、半導体基板２を介してＰＤ５へ流入するのを抑制するためのものである。こうすることで、ＬＥＤ３，４からの漏れ電流が、ＰＤ５から出力される電流にノイズとして混入するのを抑制し、ＰＤ５による受光強度の測定をよって精度良く行なうことが可能になる。すなわち、このような遮断領域２ｃにより、感度の高い受発光素子１を提供することができる。
【００５２】
具体的には、遮断領域２ｃは、半導体基板２にｐ型不純物を高濃度に拡散させて形成されている。ｐ型不純物としては、例えばＺｎ，Ｍｇ，Ｃ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ等が挙げられる。本実施形態では、ｐ型不純物としてＢを５μｍの厚さとなるように拡散させ、ドーピング濃度を１×１０１８〜１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。
【００５３】
遮断領域２ｃの好適な深さ方向における厚みは、基板２の材質や抵抗率等によって変わる。ＬＥＤ３，４からの漏れ電流は主に基板２の表面に流れるため、基板２の上面２Ａ側に存在していればよいが、より好ましくは、本実施形態のように、ｐ型半導体領域５ｐの深さ方向における厚みよりも大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、基板２の表面２Ａを伝う漏れ電流に加え、基板２の内部を通りｐ型半導体領域５ｐに到達する漏れ電流を遮断することができる。
【００５４】
また、遮断領域２ｃの厚み方向（深さ方向）において不純物濃度の濃度分布がある場合には、最も不純物濃度が高い領域の深さ位置が、ｐ型半導体領域５ｐが存在する深さ範囲と重複することが好ましい。
【００５５】
遮断領域２ｃの、ＬＥＤ３，４とＰＤ５とが離れている方向における好適な幅（図２における左右方向の幅）は、ＬＥＤ３，４からＰＤ５に向かってｎｐｎ構造となっていればよいので特に限定されない。ただし、遮断領域２ｃを熱拡散によって形成する場合には、深さ方向と同程度横方向にも拡散されるため、深さ方向の厚みの２倍以上の幅を有するものとなる。このため、下限値は、深さ方向における厚みの２倍以上となる。上限値は、ＬＥＤ３と最も近接するＰＤ５との距離未満であり、ＬＥＤ３からＰＤ５に向かってｎｐｎ構造となっていれば特に限定されないが、例えば、複数のＬＥＤ３や複数のＰＤ５のピッチ幅以下とすればよい。通常これらのピッチ幅はＬＥＤ３と最も近接するＰＤ５との距離に比べ小さいものとなっている。なお、この「ＬＥＤ３とＰＤ５とが離れている方向における幅」は、複数のＬＥＤ３の配列方向と直交する方向における幅と言い換えることもできる。
【００５６】
特に、本実施形態のように、遮断領域２ｃの上面が、基板２の上面２Ａと同一面となっているときには、基板２の上面２Ａを通る漏れ電流を確実に遮断することができる。
【００５７】
次いで、以上のように構成された受発光素子１の製造方法の一実施形態について説明する。
【００５８】
まず、基板２を準備する。そして、熱酸化法を用いて基板２上にＳｉＯ２からなる拡散阻止膜Ｓを形成する。
【００５９】
次に、拡散阻止膜Ｓ上に図示しないフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって所望のパターンを露光、現像した後、ウェットエッチング法により、ｐ型半導体領域５ｐ，遮断領域２ｃを形成するための開口部Ｓａを拡散阻止膜Ｓに形成する。開口部Ｓａに代えて、厚みを周辺よりも薄くする薄層化部を形成してもよい。
【００６０】
そして、拡散阻止膜Ｓ上にポリボロンフィルムＰＢＦを塗布する。続いて、熱拡散法を用いて、拡散阻止膜Ｓの開口部Ｓａまたは薄層化部を介し、ポリボロンフィルムＰＢＦに含まれるＢを基板２の内部に拡散させ、ｐ型半導体領域５ｐおよび遮断領域２ｃを形成する。このとき、例えば、ポリボロンフィルムＰＢＦの厚さを１０００Å〜１μｍとし、窒素および酸素を含む雰囲気中で７００〜１２００度の温度で熱拡散させる。その後、拡散阻止膜Ｓを除去する。
【００６１】
次に、基板２をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内でＨ２ガス雰囲気において熱処理することにより、基板２の表面に形成された自然酸化膜を除去する。この熱処理は、例えば、１０００度の温度で１０分間行なう。
【００６２】
次いで、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＬＥＤ３，４を構成する各半導体層を基板２上に順次積層する。そして、積層された半導体層Ｌ上に図示しないフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって所望のパターンを露光、現像した後、ウェットエッチング法により、ＬＥＤ３，４を形成する。なお、このとき、ｎ型コンタクト層３２，４２の上面が露出するように、２段階でエッチングを行なう。その後、フォトレジストを除去する。
【００６３】
次に、熱酸化法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法等を用いて、ＬＥＤ３，４の露出面および半導体基板２の上面に、これらの面を被覆する絶縁膜１３を形成する。続いて、絶縁膜１３上に図示しないフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって所望のパターンを露光、現像した後、ウェットエッチング法によって、後述する第１電極６、第２電極１１、第３電極１５を配置するための孔を絶縁膜１３に形成する。その後、フォトレジストを除去する。
【００６４】
次に、絶縁膜１３上に図示しないフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー法によって所望のパターンを露光、現像した後、抵抗加熱蒸着法やスパッタリング法等を用いて、第１電極６および第３電極１５を形成するための合金膜を形成する。そして、リフトオフ法を用いて、フォトレジストを除去するとともに、各電極６，１５を所望の形状に形成する。また、第２電極１１も同様の工程によって形成する。
【００６５】
なお、本実施形態に係る受発光素子１は、円板状のウエハに複数の受発光素子１を作り込んだ後、ダイシングによって分割されたものである。
【００６６】
ここで、受発光素子１のように、遮断領域１２ｃの厚みをｐ型半導体領域５ｐに比べて厚くするためには、上述のｐ型半導体領域５ｐおよび遮断領域２ｃを形成する工程において、まず、遮断領域２ｃを形成する領域のみにｐ型の不純物を拡散させた後、次にｐ型半導体領域５ｐ，遮断領域２ｃを形成する領域にｐ型の不純物を拡散させればよい。このようにｐ型不純物の拡散を２段階に分けて行なうことにより、遮断領域２ｃの厚みをｐ型半導体領域５ｐの厚みよりも厚くすることができる。
【００６７】
また、ｐ型不純物の拡散を２段階に分けて行なう他にも、拡散防止膜の厚みで調整してもよい。具体的には、ｐ型半導体領域５ｐを形成する領域において拡散防止膜を薄層化し、遮断領域２ｃを形成する領域において開口部としたり、拡散防止膜の厚みを、ｐ型半導体領域５ｐを形成する領域において、ｐ型半導体領域５ｐを形成する領域よりも薄くなるようにしたりしてもよい。
【００６８】
本実施形態に係る受発光素子１によれば、半導体基板２の上面（一方の主面）２ＡにおけるＬＥＤ３，４とＰＤ５との間の位置に遮断領域２ｃが形成されているため、ＬＥＤ３，４の駆動時に供給された電流が、半導体基板２を介してＰＤ５へ流入するのを抑制することができる。
【００６９】
また、本実施形態に係る受発光素子１によれば、ＰＤ５がｐｎ型のＰＤを構成している。このような構成のＰＤはＰＩＮ型のＰＤに比べ微少電流の測定が可能であるため、漏れ電流の混入を抑制することが重要である。特に、ＬＥＤ３，４からの正反射光に加え拡散反射光をも検出するときに、遮断領域２ｃによって漏れ電流の混入を抑制し、微少な光量変化も測定できるものとすることができる。
【００７０】
また、本実施形態に係る受発光素子１によれば、半導体からなる基板２にＬＥＤ３，４およびＰＤ５を薄膜プロセスおよび半導体プロセスによって作りこんでいる。このような構成により、ＬＥＤ３，４とＰＤ５とを近接配置し、装置の小型化を実現できる。そして、同様のプロセスにより、このように近接配置されたＬＥＤ３，４とＰＤ５との間に遮断領域２ｃを形成できることから、小型でかつ検出精度に優れた受発光素子１を提供することができる。
【００７１】
さらに、本実施形態に係る受発光素子１の製造方法によれば、ｐ型半導体領域５ｐの製造と同時に遮断領域２ｃを形成することができるので、受発光素子１の製造工程を簡略化することができ、生産性の高いものとすることができる。
【００７２】
そして、このような受発光素子１を用いたセンサ装置１０によれば、小型で高感度のものとすることができる。
【００７３】
以下、上述の実施形態に係るセンサ装置の使用方法について説明する。なお、以下では、受発光素子１を、コピー機やプリンタ等の画像形成装置における測定対象体である中間転写ベルトＶ上に付着したトナーＴ（被照射体）の位置を検出するセンサ装置に適用する場合を例に説明する。
【００７４】
受発光素子１の基板２の主面と垂直方向に間隔をあけて、ＬＥＤ３，４，ＰＤ５に対応する第１および第２光学系８，９を配置する。光学系として、例えばプリズムや集光レンズ等が挙げられる。すなわち、受発光素子１の図２における上方において光学系８，９を配置する。そして、ＬＥＤ３，４からの発光は、この光学系を介して、受発光素子１の基板２の主面２Ａと対向して配置される照射体である中間転写ベルトＶに照射される。中間転写ベルトＶ上のトナーＴからの反射光（正反射光、散乱反射光を含む）を光学系８，９を介してＰＤ５によって受光する。ＰＤ５には、受光した光の強度に応じて光電流が発生し、外部の検出回路で光電流が検出される。この反射光の強度はトナーＴの濃度と対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、各部位のトナー濃度を検出することができる。
【００７５】
なお、本発明に係るセンサ装置は、アレイ化に適した構成となっている。より詳しくは、複数のＬＥＤ（３，４）、複数のＰＤ（５）を有するときの配線配置の観点でアレイ化に適した構成となっている。
【００７６】
具体的には、本発明に係るセンサ装置によれば、ＬＥＤ３，４の配線はＰＤ５の配置された第１領域２ａと反対側に、ＰＤ５の配線はＬＥＤ３，４が配置された第２領域２ｂと反対側に、引き出すことができる。これにより、不図示の外部回路とボンディングワイヤによって接続することができる。また、ＬＥＤ３，４の第１電極６は、例えば絶縁膜を介して立体配線させることにより、遮断領域２ｃに対してＬＥＤ３，４両方の外側に延ばすことができる。これにより、さらにアレイ化した際に外部回路との接続が容易となる。
【００７７】
また、本発明に係るセンサ装置によれば、ＬＥＤ３，４，ＰＤ５を外部回路へと接続するためのパッドを減らすことができる。
【００７８】
ＰＤ５は個々に出力を確認する必要がある。このため、１つのＰＤ５に対して、２つのパッド（電気配線）が必要である。このため、従来のような１つの発光素子に対して２つの受光素子を用いる構成の場合にはパッドを減らすことはできなかった。これに対して、第１および第２ＬＥＤ３，４はいわゆるマトリックス型の配線を行なうことによって個別動作が可能となる。すなわち、時分割駆動可能な配線とすることができる。この場合には１つのＰＦ５に対して２つのＬＥＤ３，４を用いているにもかかわらず、パッド数を減らすことができる。
【００７９】
以上の構成について具体的に実現した配線図を図６に示す。図６において、配線に特徴のある第２領域２ｂの一部のみ図示している。また第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４をそれぞれ８個有するものとする。
【００８０】
まず、第１ＬＥＤ３と第２ＬＥＤ４とで対称構造となるようにする。具体的には、第２電極１１の取り出し方向が、第１ＬＥＤ３と第２ＬＥＤ４との間とは反対側となるように配置する。すなわち、互いの第２電極１１が外側に、第１電極６が内側に位置するように配置する。
【００８１】
次に、複数の第１ＬＥＤ３および第２ＬＥＤ４を配列方向に沿って複数のグループに分ける。各グループにはＮ個の第１ＬＥＤ３とＮ個の第２ＬＥＤ４とを含む。ここで、Ｎは２以上の自然数である。その最適な数は、ＬＥＤ３，４の総数等によって変わるが、４〜１０程度が好ましい。この例では第１ＬＥＤ３を４個、第２ＬＥＤ４を４個で１つのグループとしている。
【００８２】
そして、同じグループ内で、４つの第１ＬＥＤ３の一方の電極である第２電極１１同士を電気的に接続して共通のパッドＫ１１、Ｋ１２・・・に接続する。同様に、同じグループ内で、４つの第２ＬＥＤ４の一方の電極である第２電極１１同士を電気的に接続して共通のパッドＫ２１，Ｋ２２・・・に接続する。すなわち、１つのグループ毎に第１ＬＥＤ３の一方の電極が共通に接続されたパッドＫ１と第２ＬＥＤ４の一方の電極が共通に接続されたパッドＫ２とを設ける。
【００８３】
次に、１つの第１ＬＥＤ３の他方の電極である第１電極６と１つの第２ＬＥＤ４の他方の電極である第１電極６とを電気的に接続する。これにより、１つのグループ内にＮ組の他方の電極同士が接続された第１ＬＥＤ３と第２ＬＥＤ４との組合せができる。
【００８４】
このＮ組の他方の電極同士が接続された第１ＬＥＤ３と第２ＬＥＤ４との組合せのそれぞれを、異なるグループ間で接続し、Ｎ個のパッドＡに接続する。
【００８５】
この例では、複数のグループ間で、グループ内における配列方向の１番目に位置する第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４の第１電極６同士を電気的に接続し、共通のパッドＡ１に接続する。同様に、配列方向２番目に位置するＬＥＤ３，４の第１電極６同士を共通のパッドＡ２に接続する。以下、配列方向３番目、４番目についても同様である。
【００８６】
本来であれば、第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４併せて１６個のＬＥＤを個別駆動させるためには１つのＬＥＤに２つのパッドを用いるので、パッドは３２個必要である。仮に図２のようにＬＥＤの一方の電極を共通電極とした場合でも、パッドが１８個必要である。これに対して、図６に示す例では、第１ＬＥＤ３と第２ＬＥＤ４とを併せて１６個のＬＥＤを個別駆動させるために必要なパッド数を８個とすることができる。このため、パッドを無理なく配置することができる。
【００８７】
以上より、このように電気的に接続することによって、個々のＬＥＤ３，４を個別に制御することができるとともに、全てのパッドＫ１１，Ｋ１２・・・，Ｋ２１，Ｋ２２・・・，Ａ１，Ａ２・・・を、第２領域のうち第１領域側とは反対側の外側に配置することができる。このような構成により、これらのパッドにボンディングワイヤを接続しても、第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４からの発光を遮ることがない。
【００８８】
（変形例）
次に図７を用いて、図１に示すセンサ装置の変形例について説明する。
【００８９】
図７に示すセンサ装置は、基板２の一主面１Ａを基準としたときに、第１および第２光学系８，９と同じ高さ位置に配置される第３光学系２１をさらに有する。第３光学系２１は、第３光学系２１が配置された位置に入射する光をＰＤ５に導く。この例では、第３光学系２１はＰＤ５の直上に位置する。このような第３光学系２１は、プリズム、集光レンズ等を用いることができる。
【００９０】
このような第１〜第３光学系８，９，２１は、基板２の一主面１ａ上に配置されるパッケージ２２によって保持される。パッケージ２２はキャップ状となっており、一定間隔を開けて一主面１ａと対向配置する蓋部２２ａを有している。蓋部２２ａには、孔が３つ形成され、この孔にそれぞれ第１〜第３光学系８，９，２１が保持される。これらの孔は、平面視で、第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４，ＰＤ５の配置された位置と重なる位置に形成されている。
【００９１】
なお、ＰＤ５は孔に比べて大きいが、ＰＤ５の重心と孔の中心とを合わせるように配置すればよい。
【００９２】
このようなパッケージを用いることで基板２の主面１ａを基準として、全ての構成要素（第１，第２ＬＥＤ３，４，ＰＤ５，第１〜第３光学系８，９，２１）を配置することができるので、位置精度の高いセンサ装置とすることができる。
【００９３】
上述のような構成の場合を実現する具体的な位置関係について説明する。
【００９４】
ここで、図５と同様に、基板２の一主面２Ａを基準とした第１〜第３光学系８，９，２１が配置される高さをａとし、測定対象物上の一点Ｐと対向する基板２上の点Ｐａを基準とした、第１ＬＥＤ３までの距離をｘ１、第２ＬＥＤ４までの距離をｘ２、ＰＤ５までの距離をｘ３とし、第１光学系８が測定対象体の一点Ｐに導く光の入射角をθ１、第２光学系９が測定対象体の一点Ｐに導く光の入射角をθ２とする。
【００９５】
図７に示す例では距離ｘ１と距離ｘ３とは等しくなる。すなわち、ＰＤ５の重心（本例ではＰＤ５は円形のため中心と同義である）と第１ＬＥＤ３との中間点が点Ｐａとなる。そして、ＰＤ５，第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４の配列方向（短辺方向，Ｄ２方向）において、この点Ｐａを中心に第２ＬＥＤ４から離れる方向に距離ｘ３離れた位置においてＰＤ５が配置されないように調整する。言い換えると、ＰＤ５，第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４の配列方向において点Ｐａを中心に第２ＬＥＤ４から離れる方向に距離ｘ３離れた位置よりも手前にＰＤ５を形成する。さらに言い換えると、点Ｐａを挟んで第２ＬＥＤ４と対称の位置よりも内側（点Ｐａ側）にＰＤ５を配置する。より好ましくは、基板２の端部が点Ｐａを中心に第２ＬＥＤ４から離れる方向に距離ｘ３離れた位置よりも内側にくるように設計することが好ましい。
【００９６】
このような構成とすることにより、第２ＬＥＤ４からの正反射光がＰＤ５に入射することを抑制することができる。
【００９７】
なお、基板２からパッケージ２２の蓋部２２ａまでの高さａを１ｍｍとした場合に上述の位置関係を満たす実際の配置例の組合せを表１に示す。
【００９８】
【表１】
2013065731.tif 000003
【００９９】
表１において、パッケージ２２から測定対象物までの高さ方向の距離をｚ１とし、ＰＤ５の直径をｄ１とし、センサ装置１のチップサイズの一辺（短辺側）の長さをｄ２としている。
【０１００】
表１から、第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４，ＰＤ５，第１〜第３光学系８，９，２１の配置を調整することによって本発明のセンサ装置が実現可能であることを確認できる。
【０１０１】
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【０１０２】
例えば、上述の例では、第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４およびＰＤ５がそれぞれ複数ある場合を例に説明したが、それぞれを１つずつ有するものとしてもよい。
【０１０３】
また、上述の例では、複数の第１ＬＥＤ３，複数の第２ＬＥＤ４はそれぞれ直線状に配置されていたが、いわゆる千鳥状であってもよい。また、上述の例では、第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４の２列としたが、第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４を交互に一直線上に並べた１列としてもよい。さらに、上述の例では、個々の第１ＬＥＤ３，第２ＬＥＤ４，ＰＤ５が一直線上に並ぶ配置としたが、一直線上に並ばなくてもよい。例えば、複数の第１ダイオード３と複数の第２ダイオードとを交互に千鳥状に配置させてもよい。
【０１０４】
また、上述の例では基板２の第１領域２ａと第２領域２ｂとの間に遮断領域２ｃを形成したが、図５に示すように、遮断領域２ｃに代えて溝２ｄを形成してもよい。溝２ｄにより、第２領域２ｂに配置されたＬＥＤ３，４からの漏れ電流が第１領域２ａに配置されたＰＤ５へ到達することを防ぐことができる。
【０１０５】
また、上記実施形態では、ＰＤ５はｐｎ型としたが、ｐ型半導体領域５ｐと、このｐ型半導体領域５ｐから離して基板２の上面２Ａに形成されたｎ型半導体領域とを有するようにし、これによってＰＩＮ型のＰＤを構成してもよい。
【０１０６】
また、一導電型および逆導電型を逆としてもよい。
【符号の説明】
【０１０７】
１  受発光素子
２  半導体基板
２Ａ  一方の主面（上面）
２ａ  第１領域
２ｂ  第２領域
２ｃ  遮断領域
２ｄ  溝
３  第１発光ダイオード
４  第２発光ダイオード
５  フォトダイオード
５ｐ  ｐ型半導体領域
８    第１光学系
９    第２光学系
１０  センサ装置
【図１】
2013065731.tif 000004
【図２】
2013065731.tif 000005
【図３】
2013065731.tif 000006
【図４】
2013065731.tif 000007
【図５】
2013065731.tif 000008
【図６】
2013065731.tif 000009
【図７】
2013065731.tif 000010
【国際調査報告】
2013065731.tif 000011
2013065731.tif 000012
2013065731.tif 000013
2013065731.tif 000014