(57)【要約】  【課題】  センシング性能の高い受発光素子を提供する。  【解決手段】  一導電型の半導体基板２と、半導体基板２の上面にバッファ層３０ａ、第１コンタクト層３０ｂ、第１クラッド層３０ｃ、活性層３０ｄ、第２クラッド層３０ｅおよび第２コンタクト層３０ｆを積層した発光素子３ａと、半導体基板２の上面側に逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型半導体領域３２を有する受光素子３ｂとを備え、バッファ層３０ａは、逆導電型を呈する不純物を含んだ逆導電型であり、第１コンタクト層３０ｂおよび第１クラッド層３０ｃは一導電型であり、第２クラッド層３０ｅおよび第２コンタクト層３０ｆは逆導電型である、受発光素子１である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型の半導体基板と、該半導体基板の上面にバッファ層、第１コンタクト層、第１クラッド層、活性層、第２クラッド層および第２コンタクト層を積層した発光素子と、前記半導体基板の上面側に逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型半導体領域を有する受光素子とを備え、
前記バッファ層は、逆導電型を呈する不純物を含んだ逆導電型であり、
前記第１コンタクト層および第１クラッド層は一導電型であり、前記第２クラッド層および前記第２コンタクト層は逆導電型である、受発光素子。
【請求項２】
前記バッファ層は、ＧａＡｓ系半導体層であり、前記不純物としてＺｎを含む、請求項１に記載の受発光素子。
【請求項３】
前記バッファ層のキャリア密度は１×１０１６／ｃｍ２以上であり、その膜厚は４μｍ以下である、請求項１または２に記載の受発光素子。
【請求項４】
前記バッファ層の転位密度が１×１０７／ｃｍ２以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受発光素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の受発光素子を用いたセンサ装置であって、
前記発光素子から被照射物に光を照射し、該被照射物からの反射光に応じて出力される前記受光素子からの出力電流に応じて前記被照射物の位置情報、距離情報、表面情報および濃度情報のうち少なくとも１つを検出することを特徴とするセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子と発光素子とが同一基板上に配置された受発光素子およびこれを用いたセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光素子から被照射物へ光を照射し、被照射物へ入射する光に対する正反射光と拡散反射光とを受光素子によって受光することで被照射物の特性を検出するセンサ装置が種々提案されている。このセンサ装置は広い分野で利用されており、例えば、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、発光素子から被照射物に照射した光の正反射光を受光素子で受光する場合など、受光素子によってより正確な正反射光を受光するためには、発光素子と受光素子とがより近い位置に配置されていることが好ましい。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、シリコンからなる半導体基板の一方の表面に不純物をドーピングし、受光機能を担う浅いｐｎ接合領域と、発光機能を担う深いｐｎ接合領域とを隣接して形成した受発光素子が記載されている。
【０００５】
しかし、同一のシリコン基板上に受光素子と発光素子とを一体的に形成した場合には、発光素子を駆動させると漏れ電流（いわゆるノイズ電流）が発生し、シリコン基板を介して受光素子に流れ込む場合がある。この漏れ電流は、受光素子からの出力電流（受光強度に応じて出力される電流）に誤差成分（ノイズ）として混入する。そのため、従来の受発光素子では、このようなノイズ電流の発生によって、受光素子による反射光の検知精度が低下してしまうという課題があった。受光素子と発光素子とを近づけて配置するほど、この漏れ電流は大きくなる。すなわち、受光素子によって正確な正反射光を受光するためには、発光部分と受光部分とがより近いことが望まれるが、反面、漏れ電流が大きくなる。このため、従来の受発光素子では、検出精度を高くすることができないといった課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−４６２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、センシング性能の高い受発光素子およびこれを用いたセンサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の受発光素子は、一導電型の半導体基板と、該半導体基板の上面にバッファ層、第１コンタクト層、第１クラッド層、活性層、第２クラッド層および第２コンタクト層を積層した発光素子と、前記半導体基板の上面側に逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型半導体領域を有する受光素子とを備え、前記バッファ層は、逆導電型を呈する不純物を含んだ逆導電型であり、前記第１コンタクト層および第１クラッド層は一導電型であり、前記第２クラッド層および前記第２コンタクト層は逆導電型である。
【０００９】
本発明のセンサ装置は、上述した受発光素子を用いたセンサ装置であって、前記発光素子から被照射物に光を照射し、該被照射物からの反射光に応じて出力される前記受光素子からの出力電流に応じて前記被照射物の位置情報、距離情報、表面情報および濃度情報のうち少なくとも１つを検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の受発光素子によれば、センシング性能の高い受発光素子およびセンサ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、本発明の受発光素子の実施の形態の一例を示す平面図である。（ｂ）は、図１（ａ）の１Ｉ−１Ｉ線に沿った概略断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示した受発光素子を構成する発光素子の断面図である。（ｂ）は、図１に示した受発光素子を構成する受光素子の断面図である。
【図３】図１に示した受発光素子を用いたセンサ装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。
【図４】実施例と比較例に係る受発光素子において、バッファ層の厚みおよびキャリア密度に対するリーク電流の有無をまとめた図である。
【図５】実施例と比較例１に係る受発光素子において、発光素子を構成する半導体層の表面状態を観察した図である。
【図６】実施例に係る受発光素子において、発光素子の連続通電時間に対する発光強度の変化の様子を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の受発光素子およびこれを用いたセンサ装置の実施の形態の例について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の例は本発明の実施の形態を例示するものであって、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１３】
（受発光素子）
図１（ａ）および（ｂ）に示す受発光素子１は、たとえば、コピー機やプリンタなどの画像形成装置に組み込まれて、トナーやメディアなどの被照射物の位置情報、距離情報または濃度情報などを検出するセンサ装置として機能する。
【００１４】
受発光素子１は、一導電型の半導体基板２と、半導体基板２の上面に積層した複数の半導体層を有する発光素子３ａと、半導体基板２の上面側に逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型半導体領域３２を有する受光素子３ｂとを有している。
【００１５】
半導体基板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。本例では、シリコン（Ｓｉ）基板に一導電型の不純物としてリン（Ｐ）を１×１０１７〜２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の濃度で含むｎ型のシリコン（Ｓｉ）基板を用いている。ｎ型不純物としては、リン（Ｐ）の他に、例えば窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）などが挙げられ、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とされる。
【００１６】
なお、本例では一導電型はｎ型であり、逆導電型はｐ型である。
【００１７】
半導体基板２の上面に、発光素子３ａが配置されており、発光素子３ａに対応して受光素子３ｂが配置されている。発光素子３ａは被照射物に照射する光の光源として機能する。そして、発光素子３ａから発せられた光が、被照射物で反射されて受光素子３ｂに入射する。受光素子３ｂは、光の入射を検出する光検出部として機能する。
【００１８】
発光素子３ａは、図２（ａ）に示すように、ｎ型の半導体基板２の上面に複数の半導体層が積層されて形成されている。
【００１９】
まず、ｎ型の半導体基板２の上面には、ｎ型の半導体基板２とｎ型の半導体基板２の上面に積層される半導体層（本例の場合は後に説明するｎ型の第１コンタクト層３０ｂ）との格子定数の差を緩衝するバッファ層３０ａが形成されている。バッファ層３０ａは、ｎ型の半導体基板２とｎ型の半導体基板２の上面に形成される半導体層との格子定数の差を緩衝することによって、ｎ型の半導体基板２と発光素子３ａを構成する半導体層との間に発生する格子歪などの格子欠陥を少なくし、ひいてはｎ型の半導体基板２の上面に形成される発光素子３ａを構成する半導体層全体の格子欠陥または結晶欠陥を少なくする機能を有する。
【００２０】
本例のバッファ層３０ａは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなり、その厚さが２〜１０μｍ程度とされている。より好ましくは、２〜３μｍ程度とされている。そして、バッファ層３０ａは、ＧａＡｓに含まれてｐ型を呈する不純物を含んだｐ型であることが重要である。理由は後ほど説明する。
【００２１】
バッファ層３０ａの上面には、ｎ型の第１コンタクト層３０ｂが形成されている。ｎ型の第１コンタクト層３０ｂは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）にｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とされるとともに、その厚さが０．８〜１μｍ程度とされている。
【００２２】
本例では、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が１×１０１８〜２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のドーピング濃度でドーピングされている。ｎ型の第１コンタクト層３０ｂの上面の一部は露出しており、この露出している部分は発光素子側第１電極３１ａを介して、発光素子側第１電極パッド３１Ａに接続されている。本例では、図示はしないが、金（Ａｕ）線によるワイヤボンディングによって発光素子側第１電極パッド３１Ａと外部電源が接続されている。当然のことながら、金（Ａｕ）線の代わりにアルミニウム（Ａｌ）線、銅（Ｃｕ）線などのワイヤを選択することも可能である。
【００２３】
また、本例ではワイヤボンディングによって発光素子側第１電極パッド３１Ａと外部電源とを接続しているが、ワイヤボンディングの代わりに、電気配線をはんだなどによって発光素子側第１電極パッド３１Ａと接合してもよいし、発光素子側第１電極パッド３１Ａの上面に金スタッドバンプを形成して、電気配線をはんだなどによってこの金（Ａｕ）スタッドバンプと接合してもよい。ｎ型の第１コンタクト層３０ｂは、ｎ型の第１コンタクト層３０ｂに接続される発光素子側第１電極３１ａとの接触抵抗を下げる機能を有している。
【００２４】
発光素子側第１電極３１ａおよび発光素子側第１電極パッド３１Ａは、例えば金（Ａｕ）アンチモン（Ｓｂ）合金、金（Ａｕ）ゲルマニウム（Ｇｅ）合金またはＮｉ系合金などを用いて、その厚さが０．５〜５μｍ程度で形成される。それとともに、発光素子側第１電極３１ａおよび発光素子側第１電極パッド３１Ａは、半導体基板２の上面からｎ型の第１コンタクト層３０ｂの上面を覆うように形成される絶縁層８の上に配置されているため、半導体基板２およびｎ型コンタクト層３０ｂ以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。
【００２５】
絶縁層８は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）または酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの
無機絶縁膜や、ポリイミドなどの有機絶縁膜などで形成され、その厚さが０．１〜１μｍ程度とされている。
【００２６】
ｎ型の第１コンタクト層３０ｂの上面には、ｎ型の第１クラッド層３０ｃが形成されており、このｎ型の第１クラッド層３０ｃは、後に説明する活性層３０ｄに正孔を閉じ込める機能を有している。ｎ型の第１クラッド層３０ｃは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。本例では、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が１×１０１７〜５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のドーピング濃度でドーピングされている。
【００２７】
ｎ型の第１クラッド層３０ｃの上面には、活性層３０ｄが形成されており、この活性層３０ｄは、電子や正孔などのキャリアが集中して、再結合することによって光を発する発光層として機能する。活性層３０ｄは、不純物を含まないアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）であるとともに、その厚さが０．１〜０．５μｍ程度とされている。なお、本例の活性層３０ｄは、不純物を含まない層であるが、ｐ型不純物を含むｐ型活性層であっても、ｎ型不純物を含むｎ型活性層であってもよく、活性層のバンドギャップがｎ型の第１クラッド層３０ｃおよび後に説明するｐ型の第２クラッド層３０ｅのバンドギャップよりも小さくなっていればよい。
【００２８】
活性層３０ｄの上面には、ｐ型の第２クラッド層３０ｅが形成されており、活性層３０ｄに電子を閉じ込める機能を有している。ｐ型の第２クラッド層３０ｅは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。本例では、ｐ型不純物として亜鉛（Ｚｎ）が１×１０１９〜５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のドーピング濃度でドーピングされている。
【００２９】
ｐ型の第２クラッド層３０ｅの上面には、ｐ型の第２コンタクト層３０ｆが形成されている。ｐ型の第２コンタクト層３０ｆは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。
【００３０】
ｐ型の第２コンタクト層３０ｆは、発光素子側第２電極３１ｂを介して、発光素子側第２電極パッド３１Ｂに接続されている。発光素子側第２電極パッド３１Ｂは、発光素子側第１電極パッド３１Ａと同様に、ワイヤボンディングによって外部電源と電気的に接続されている。接続方法と接合形態のバリエーションは発光素子側第１電極パッド３１Ａの場合と同様である。ｐ型の第２コンタクト層３０ｆは、ｐ型の第２コンタクト層３０ｆに接続される発光素子側第２電極３１ｂとの接触抵抗を下げる機能を有している。
【００３１】
なお、ｐ型の第２コンタクト層３０ｆの上面には、ｐ型の第２コンタクト層３０ｆの酸化を防止する機能を有するキャップ層を形成してもよい。キャップ層は、例えば不純物を含まないガリウム砒素（ＧａＡｓ）で形成して、その厚さを０．０１〜０．０３μｍ程度とすればよい。
【００３２】
発光素子側第２電極３１ｂおよび発光素子側第２電極パッド３１Ｂは、例えば金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）と、密着層であるニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）とを組み合わせたＡｕＮｉ、ＡｕＣｒ、ＡｕＴｉまたはＡｌＣｒ合金などで形成されており、その厚さが０．５〜５μｍ程度とされる。そして、発光素子側第２電極３１ｂおよび発光素子側第２電極パッド３１Ｂは、半導体基板２の上面からｐ型の第２コンタクト層３０ｆの上面を覆うように形成される絶縁層８の上に配置されているため、半導体基板２およびｐ型の第２コンタクト層３０ｆ以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。
【００３３】
このようにして構成された発光素子３ａは、発光素子側第１電極パッド３１Ａと発光素子側第２電極パッド３１Ｂとの間にバイアスを印加することによって、活性層３０ｄが発光して、光の光源として機能する。
【００３４】
受光素子３ｂは、図２（ｂ）に示すように、ｎ型の半導体基板２の上面にｐ型である逆導電型半導体領域３２を設けることによって、ｐ型半導体領域３２とｎ型の半導体基板２とでｐｎ接合を形成して構成される。ｐ型である逆導電型半導体領域３２は、ｎ型の半導体基板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、例えば亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられ、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とされる。本例では、ｐ型である逆導電型半導体領域３２の厚さが０．５〜３μｍ程度となるように、ホウ素（Ｂ）がｐ型不純物として拡散されている。
【００３５】
ｐ型半導体領域３２は、受光素子側第１電極３３ａを介して受光素子側第１電極パッド３３Ａと電気的に接続されており、ｎ型の半導体基板２には、受光素子側第２電極パッド３３Ｂが電気的に接続されている。
【００３６】
受光素子側第１電極３３ａおよび受光素子側第１電極パッド３３Ａは、ｎ型の半導体基板２の上面に絶縁層８を介して配置されているため、ｎ型の半導体基板２と電気的に絶縁されている。一方、受光素子側第２電極パッド３３Ｂはｎ型の半導体基板２の上面に配置されている。
【００３７】
受光素子側第１電極３３ａ、受光素子側第１電極パッド３３Ａ、受光素子側第２電極パッド３３Ｂは、例えば金（Ａｕ）アンチモン（Ｓｂ）合金、金（Ａｕ）ゲルマニウム（Ｇｅ）合金またはＮｉ系合金などを用いて、その厚さが０．５〜５μｍ程度で形成される。
【００３８】
このように構成された受光素子３ｂは、ｐ型である逆導電型半導体領域３２に光が入射すると、光電効果によって光電流が発生して、この光電流を受光素子側第１電極パッド３３Ａを介して取り出すことによって、光検出部として機能する。なお、受光素子側第１電極パッド３３Ａと受光素子側第２電極パッド３３Ｂとの間に逆バイアスを印加すれば、受光素子３ｂの光検出感度が高くなるので好ましい。
【００３９】
ここで、発光素子側第１電極パッド３１Ａ、発光素子側第２電極パッド３１Ｂ、受光素子側第１電極パッド３３Ａおよび受光素子側第２電極パッド３３Ｂの配置について説明する。
【００４０】
本例の場合、発光素子３ａと受光素子３ｂとの間における半導体基板２の上面に絶縁層８を介して発光素子側第２電極パッド３１Ｂが配置されている。そして、発光素子側第１電極パッド３１Ａと、発光素子側第２電極パッド３１Ｂとは、発光素子３ａを挟むように、受光素子側第１電極パッド３３Ａおよび受光素子側第２電極パッド３３Ｂと、発光素子側第２電極パッド３１Ｂとは、受光素子３ｂを挟むように配置されている。発光素子側第１電極パッド３１Ａおよび受光素子側第１電極パッド３３Ａは半導体基板２の上面に絶縁層８を介して、受光素子側第２電極パッド３３Ｂは半導体基板２の上面に配置されている。
【００４１】
発光素子側第２電極パッド３１Ｂを発光素子３ａと受光素子３ｂとの間における半導体基板２の上面に絶縁層８を介して配置することにより、発光素子３ａから発せられて受光素子３ｂに向かう光は、発光素子側第２電極パッド３１Ｂの上面に接合されたワイヤボンディングのネイルヘッドなどによって遮られる。よって、発光素子３ａの発する光が直接受光素子３ｂに照射されることを抑制することができ、センシング性能の高い受発光素子を実現することができる。
【００４２】
なお、本例では発光素子３ａと受光素子３ｂとの間における半導体基板２の上面に絶縁層８を介して発光素子側第２電極パッド３１Ｂを配置したが、発光素子側第１電極パッド３１Ａ、受光素子側第１電極パッド３３Ａまたは受光素子側第２電極パッド３３Ｂのいずれかを配置してもよい。受光素子側第２電極パッド３３Ｂを配置する場合には、絶縁層８を介することなく半導体基板２の上面に配置することに留意する。
【００４３】
また、本例では発光素子３ａおよび受光素子３ｂはそれぞれ１つであるが、いずれか一方またはいずれもが複数であってもよい。
【００４４】
また、発光素子側第２電極パッド３１Ｂは、発光素子３ａと受光素子３ｂとの間に位置させなくてもよい。この場合には、発光素子３ａと受光素子３ｂとを近接配置することができ、受発光素子１を小型にすることができる。
【００４５】
ここで、本例のバッファ層３０ａがｐ型不純物を含み、ｐ型を呈することが重要である理由を説明する。
【００４６】
一般的にバッファ層は、バッファ層の上下に位置する半導体基板および半導体層の格子定数の差を緩衝するために設けられるものであることから、あえて格子歪の原因となる不純物を含まない。
【００４７】
また、漏れ電流を抑制するという観点からもバッファ層の抵抗を高めることが有効と考えられる。すなわち、ｎ型の第１コンタクト層とｐ型の第２コンタクト層とにバイアスを印加した場合に、ｎ型の第１コンタクト層からバッファ層を介して半導体基板側に電流が流れるのを抑制するためには、バッファ層の抵抗を高めることが有効である。バッファ層の抵抗を高めるためには、不純物を含めずにｉ層とすることが一般的である。
【００４８】
しかしながら、実際にはバッファ層をノンドープで形成したときにも漏れ電流が発生していた。このような現象に対して発明者が鋭意検討を重ねた結果、「バッファ層の抵抗を高め、かつ格子歪を発生させないために、不純物を含ませない」という技術常識に反し、一定量を超えるｐ型不純物を含ませて、バッファ層３０ａの導電型をｐ型（逆導電型）とすることでリーク電流（漏れ電流）の発生を抑制することができることを見出した。以下、そのメカニズムについて詳述する。
【００４９】
リーク電流には以下の発生要因が考えられる。まず、発光素子３ａの駆動に伴い駆動電流がバッファ層３０ａを介して半導体基板２に到達することによるものである。次に、受光素子３ｂからの暗電流が半導体基板２およびバッファ層３０ａを介して発光素子３ａ側に流れるものである。
【００５０】
ここで、バッファ層３０ａ形成時に抵抗値を高く設計しても、リーク電流を抑制することができなかった。これは、活性層３０ｄからの光がバッファ層３０ａに入射して、バッファ層３０ａの抵抗値が変化することによるものと推察する。このため、バッファ層３０ａ単体の抵抗値を調整しても、半導体基板２に発光素子３ａと受光素子３ｂとを一体形成
した受発光素子１では、リーク電流の発生を完全に抑制することはできない。
【００５１】
そこで、バッファ層３０ａと、一導電型の半導体基板２との間、第１コンタクト層３０ｂとの間に電子障壁を形成することで、発光素子３ａの駆動によらず、安定して発光素子３ａと半導体基板２との間の電気的に分離することができると考えた。すなわち、バッファ層３０ａを逆導電型とすることで、半導体基板２，バッファ層３０ａ，第１コンタクト層３０ｂとで、ｎｐｎ型のトランジスタか、逆向きに接続した２つのダイオードを構成するように設計することで、発光素子３ａと半導体基板２との間の電気的に分離することができると考えた。
【００５２】
ここで、発明者は、バッファ層３０ａとして、一導電型の元素を不足させ、不純物を含有させることなく逆導電型とする構成と、逆導電型の不純物を含有させて逆導電型とする構成と、を形成して特性を比較した。その結果、前者の場合にはリーク電流を抑制することができず、後者の場合に初めてリーク電流を抑制できることを見出した。これは、リーク電流を抑制するために必要な電子障壁が、前者の場合は不十分であり、後者のように、十分な不純物密度が必要なためと推察される。なお、後者の場合であっても、その上に形成する半導体層の品質に悪影響を与えないことを確認した。
【００５３】
さらに、特に、バッファ層３０ａに含有させる不純物としてＺｎを用いた場合には、バッファ層３０ａの厚みを薄くしてもリーク電流を抑制することができるとともに、その上に形成する半導体層の品質も保持することができる。また、Ｚｎを用いることにより、ドープ量を多くしてキャリア密度を高めても、原子半径が大きくないため、その上に形成する半導体層へ与える品質の影響も小さくすることができる。
【００５４】
このように、バッファ層３０ａとして、逆導電型の不純物を含有させて逆導電型を呈するものとすることが重要である。
【００５５】
なお、バッファ層３０ａの逆導電型の不純物濃度は、半導体基板２および第１コンタクト層３０ｂと同程度としてもよい。電子障壁を大きくすることができるからである。具体的には、１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすればよい。
【００５６】
そして、バッファ層３０ａの転位密度は１×１０７／ｃｍ２以下であることが好ましい。なぜならば、バッファ層３０ａの極性をｐ型にするために、ｐ型不純物をドーピングしたりするため、バッファ層３０ａ中には格子欠陥が多くなる傾向にある。しかしながら、バッファ層３０ａは半導体基板２と第１コンタクト層３０ｂとの格子整合を行なうために設けられるものであるから、格子欠陥が多くなれば格子整合はおろか、バッファ層３０ａの上に形成される第１コンタクト層３０ｂ、第１クラッド層３０ｃ、活性層３０ｄ、第２クラッド層３０ｅ、第２コンタクト層３０ｆなどの半導体層中にも欠陥が多くなり、発光素子の発光特性に悪影響を与えることになるためである。
【００５７】
なお、上述の例では、半導体基板２と第１コンタクト層３０ｂとの電位差については言及していないが、これらの間に電位差があってもよい。このような電位差として、例えば受光素子３ｂを効率的に機能させるためにバイアス電圧を印加することにより、半導体基板２の電位が上がり、第１コンタクト層３０ｂを発光素子３ａのカソード電極として機能させるために基準電位に接続する場合がある。
【００５８】
このような場合には、従来構成であれば、バッファ層３０ａの抵抗値の変化により半導体基板２の電位が変わり、それによりバイアス電圧が変化し、受光素子３ｂからの出力に誤差が生じる虞がある。
【００５９】
しかしながら、受発光素子１によれば、半導体基板２と第１コンタクト層３０ｂとの間に電位差があったとしても、半導体基板２と第１コンタクト層３０ｂとの間の電流を遮断することにより、半導体基板２の電位を一定に保つことができる。これにより、光検出精度の高い受発光素子１を提供することができる。
【００６０】
（変形例）
上述の例では、バッファ層３０ａと第１コンタクト層３０ｂとの間や、第１コンタクト層３０ｂと第１クラッド層３０ｃとの間には介在物は存在しない例を用いて説明したが、活性層３０ｄで発生する波長の光を活性層３０ｄ側に反射させる反射膜を含ませてもよい。その場合には、バッファ層３０ａに透過する光量を低減することができる。これにより、光の吸収に起因するバッファ層３０ａの抵抗値の低下を抑制しつつ、低下した場合であっても、バッファ層３０ａを通る電流を遮断することができるため、高強度で発光させた場合であっても、光検出精度の高い受発光素子１を提供することができる。
【００６１】
このような反射膜としては反射させる光の波長の１／４の厚みの屈折率の異なる層を多層積層させた、いわゆるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）を用いることもできる
。
【００６２】
（受発光素子の製造方法）
次に、受発光素子１の製造方法の例を示す。
【００６３】
まず、ｎ型の半導体基板２としてｎ型不純物であるリン（Ｐ）がドーピングされたｎ型シリコン（Ｓｉ）基板を準備する。本例のリン（Ｐ）の不純物濃度は、１×１０１７〜２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の濃度である。ｎ型不純物としては、リン（Ｐ）の他に、例えば窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）などが挙げられ、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とされる。
【００６４】
次に、従来周知の熱酸化法を用いて、ｎ型の半導体基板２の上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる拡散阻止膜Ｓ（図示せず）を形成する。
【００６５】
拡散阻止膜Ｓ上にフォトレジストを塗布して、従来周知のフォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、従来周知のウェットエッチング法によって、ｐ型半導体領域３２を形成するための開口部Ｓａ（図示せず）を拡散阻止膜Ｓ中に形成する。開口部Ｓａは、必ずしも拡散阻止膜Ｓを貫通している必要はない。
【００６６】
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を介して、ポリボロンフィルム（ＰＢＦ）に含まれているホウ素（Ｂ）をｎ型の半導体基板２の内部に拡散させ、ｐ型半導体領域３２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０．１〜１μｍとし、窒素（Ｎ２）および酸素（Ｏ２）を含む雰囲気中で７００〜１２００℃の温度で熱拡散させる。その後、拡散阻止膜Ｓを除去する。
【００６７】
次に、半導体基板２をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Metal-organic Chemical Vapor Deposition）装置の反応炉内で熱処理することによって、ｎ型の半導体基板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℃の温度で１０分間程度行なう。
【００６８】
そして、ＭＯＣＶＤ法を用いて、発光素子３ａを構成する各々の半導体層（バッファ層３０ａ、第１コンタクト層３０ｂ、第１クラッド層３０ｃ、活性層３０ｄ、第２クラッド層３０ｅ、第２コンタクト層３０ｆ）を半導体基板２上に順次積層する。バッファ層３０
ａの成膜時には、たとえばＺｎをＭＯＣＶＤ装置に導入されるキャリアガス中に導入させて成膜することで、逆導電型とする。そして、積層された半導体層Ｌ（図示せず）上にフォトレジストを塗布し、従来周知のフォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、従来周知のウェットエッチング法によって発光素子３ａを形成する。なお、第１コンタクト層３０ｂの上面の一部が露出するように、複数回のエッチングを行なう。その後、フォトレジストを除去する。
【００６９】
次に、従来周知の熱酸化法、スパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法などを用いて、発光素子３ａの露出面および半導体基板２（ｐ型半導体領域３２を含む）の上面を覆うように絶縁層８を形成する。続いて、絶縁層８上にフォトレジストを塗布し、従来周知のフォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、従来周知のウェットエッチング法によって、後に説明する発光素子側第１電極３１ａおよび発光素子側第２電極３１ｂならびに受光素子側第１電極３３ａを、それぞれｎ型の第１コンタクト層３０ｂおよびｐ型の第２コンタクト層３０ｆならびにｐ型半導体領域３２に接続するための開口を、絶縁層８に形成する。その後、フォトレジストを除去する。
【００７０】
次に、絶縁層８上にフォトレジストを塗布し、従来周知のフォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、従来周知の抵抗加熱法やスパッタリング法などを用いて、発光素子側第１電極３１ａ、発光素子側第１電極パッド３１Ａ、受光素子側第１電極３３ａ、受光素子側第１電極パッド３３Ａおよび受光素子側第２電極パッド３３Ｂを形成するための合金膜を形成する。そして、従来周知の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、発光素子側第１電極３１ａ、発光素子側第１電極パッド３１Ａ、受光素子側第１電極３３ａ、受光素子側第１電極パッド３３Ａおよび受光素子側第２電極パッド３３Ｂを所望の形状に形成する。同様に発光素子側第２電極３１ｂおよび発光素子側第２電極パッド３３Ｂもそれぞれ同様の工程によって形成する。
【００７１】
（センサ装置）
次に、受発光素子１を備えたセンサ装置１００について説明する。以下では、受発光素子１を、コピー機やプリンタなどの画像形成装置における、中間転写ベルトＶ上に付着したトナーＴ（被照射物）の位置を検出するセンサ装置に適用する場合を例に挙げて説明する。
【００７２】
図３に示すように、本例のセンサ装置１００は、受発光素子１の発光素子３ａおよび受光素子３ｂが形成された面が、中間転写ベルトＶに対向するように配置される。そして、発光素子３ａから中間転写ベルトＶまたは中間転写ベルトＶ上のトナーＴへ光が照射される。本例では、発光素子３ａの上方にプリズムＰ１を、また受光素子３ｂの上方にプリズムＰ２を配置して、発光素子３ａから発せられた光が、プリズムＰ１で屈折して中間転写ベルトＶまたは中間転写ベルトＶ上のトナーＴに入射する。そして、この入射光Ｌ１に対する正反射光Ｌ２が、プリズムＰ２で屈折して、受光素子３ｂによって受光される。受光素子３ｂには、受光した光の強度に応じて光電流が発生し、受光素子側第１電極３３ａなどを介して、外部装置でこの光電流が検出される。
【００７３】
本例のセンサ装置１００では、以上のように中間転写ベルトＶまたはトナーＴからの正反射光の強度に応じた光電流を検出することができる。そのため、例えば受光素子３ｂで検出される光電流値に応じて、トナーＴが所定場所に位置するか否かを検出することができる。つまり、トナーＴの位置を検出することができる。なお、正反射光の強度はトナーＴの濃度にも対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、トナーＴの濃度を検出することも可能である。同様に、正反射光の強度は、受発光素子１からトナーＴとの距離にも対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、受発光素子１とトナーＴとの距離を検出することも可能である。
【００７４】
本例のセンサ装置１００によれば、受発光素子１の有する上述の効果を奏することができる。
【００７５】
また、上述の例では、センサ装置１００を用いて、トナーの濃度や距離を検出する例を説明したが、その他、被照射物の凹凸情報等の表面情報をセンシングすることもできる。
【００７６】
以上、本発明の具体的な実施の形態の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
【実施例】
【００７７】
図１に示す受発光素子１を製造し、発光素子３ａと半導体基板２とのリーク電流を測定した。
【００７８】
具体的には、半導体基板２としてｎ型のＳｉ基板を用い、ＧａＡｓ系の半導体層を積層して発光素子３ａを形成した。受光素子３ｂにおいては、半導体基板２にＢを拡散させて逆導電型半導体領域３２を形成した。
【００７９】
ここで、実施例としてバッファ層３０ａは、その膜厚を２．５μｍ〜５．０μｍ、不純物濃度を１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とした。
【００８０】
また、比較例１として、バッファ層の厚みを２．５μｍとして、ノンドープで形成したもの、比較例２として、バッファ層の厚みを２．５μｍ〜３μｍ、一導電型（ｎ型）のキャリア密度を１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３として形成した。さらに比較例３として、バッファ層をノンドープで形成した後に、半導体基板または半導体層とバッファ層との界面付近に発生した格子欠陥による歪、およびバッファ層内に発生した格子欠陥による歪を緩和させる目的で熱処理が施すことで、Ａｓを蒸発させてｐ型としたものを形成した。
【００８１】
比較例１〜３ではリーク電流が発生したのに対して、実施例においては、いずれもリーク電流が発生することはなかった。なお、実施例にかかる発光素子３ａの第１コンタクト層３０ｂと半導体基板２との間の抵抗値を測定したところ、いずれもオーバーレンジとなり、高い抵抗値を実現していることを確認した。
【００８２】
図４に実施例と比較例の発光素子において、バッファ層の厚みとバッファ層のキャリア密度とを変化させてリーク電流の有無を確認した結果を示す。図４からも明らかなように、実施例の発光素子は、リーク電流を抑制できていることが確認できる。さらに、実施例の発光素子はバッファ層３０ａの厚みが薄い場合であっても、リーク電流を抑制できることを確認した。また、バッファ層をｐ型としてもキャリア密度が低い場合には、電子障壁が小さくなりリーク電流が発生することを確認した。
【００８３】
また、実施例における発光素子３ａの表面と比較例１における発光素子との表面モホロジーを確認した。具体的には、光学顕微鏡（ノマルスキー型微分干渉顕微鏡）にて倍率を５０倍に設定して観察した。観察試料は、実施例として、バッファ層３０ａの膜厚、キャリア密度を以下の４条件としたものを観察した。
【００８４】
条件１：膜厚  ２．５μｍ，キャリア密度  ４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
条件２：膜厚  ２．５μｍ，キャリア密度  ４．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
条件３：膜厚  ３．０μｍ，キャリア密度  ４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
条件４：膜厚  ３．０μｍ，キャリア密度  ４．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
その結果を、図５に示す。図５からも明らかなように、実施例の表面状態は比較例１と差異はなかった。このことから、バッファ層３０ａに不純物を含有させても、この例ではその上に成膜する半導体層に欠陥等が発生していないことを確認できた。
【００８５】
さらに、実施例における発光素子３ａを連続通電させてその発光強度の変化率を求めた。具体的には１０ｍＡで１０００ｍｉｎ通電させたときの発光強度の変化の様子を調べた。その結果、図６に示すように、変化率は６．１％であり、１０％以内という一般的な規格を満たすことを確認した。このことからも、バッファ層３０ａに不純物を含有させてもこの例ではその上に成膜する半導体層に影響はなく、安定した発光強度を得る発光素子３ａを実現できていることを確認した。
【符号の説明】
【００８６】
１  受発光素子
２  半導体基板
３ａ  発光素子
３ｂ  受光素子
３０ａ  バッファ層
３０ｂ  第１コンタクト層
３０ｃ  第１クラッド層
３０ｄ  活性層
３０ｅ  第２クラッド層
３０ｆ  第２コンタクト層
３１Ａ  発光素子側第１電極パッド
３１Ｂ  発光素子側第２電極パッド
３１ａ  発光素子側第１電極
３１ｂ  発光素子側第２電極
３２  逆導電型半導体領域（ｐ型半導体領域）
３３Ａ  受光素子側第１電極パッド
３３Ｂ  受光素子側第２電極パッド
３３ａ  受光素子側第１電極
３３ｂ  受光素子側第２電極
１００  センサ装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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