(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の第１主面上に配置されたメサ部を有する発光部と、
前記基板の第１主面上に配置されたメサ部を有する第１の受光部と、
前記発光部及び前記第１の受光部の上部に配置された第１の光反射部と、を備え、
前記発光部のメサ部の一の側面と前記第１の受光部のメサ部の一の側面とは向かい合っており、
前記発光部のメサ部及び前記第１の受光部のメサ部を含む縦断面において、前記発光部のメサ部の前記一の側面と前記第１の受光部のメサ部の前記一の側面と前記第１の光反射部と前記基板とで囲まれた領域に被検出ガスが導入される空間を有し、
前記発光部と前記第１の受光部と前記第１の光反射部とは、前記発光部から放射された光の一部が、前記空間を伝搬して前記第１の受光部に入射する位置関係にある受発光装置。
【請求項２】
前記発光部は、当該発光部のメサ部の前記一の側面を除く側面の少なくとも一部に反射層をさらに有する請求項１に記載の受発光装置。
【請求項３】
前記基板の第１主面上であり且つ前記発光部と前記第１の受光部との間に、第２の光反射部をさらに備える請求項１又は請求項２に記載の受発光装置。
【請求項４】
前記発光部及び前記第１の光反射部は、前記第１の光反射部を保持する保持部を備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の受発光装置。
【請求項５】
前記第１の光反射部は、
当該第１の光反射部に入射した光のうち一部の波長の光のみを反射する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の受発光装置。
【請求項６】
前記基板の、前記第１主面とは逆側の第２主面上に、前記発光部から放射された光を反射する第３の光反射部をさらに備える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の受発光装置。
【請求項７】
前記基板の第１主面上の前記空間の外に配置されたメサ部を有する第２の受光部と、
前記基板の第１主面上に配置された光遮断部と、をさらに備え、
前記第２の受光部のメサ部及び前記発光部のメサ部を含む縦断面において、前記第２の受光部のメサ部と前記発光部のメサ部との間に前記光遮断部が配置される請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の受発光装置。
【請求項８】
前記第２の受光部は直列接続された複数の受光素子からなる請求項７に記載の受発光装置。
【請求項９】
前記第１の受光部は直列接続された複数の受光素子からなる請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の受発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光素子は、多くの用途に用いられており、例えば、発光素子と受光素子とを組み合わせ、発光素子と受光素子とが配置された空間内の物体を検知するガスセンサ等にも用いられている。
例えば、特許文献１に記載の気体成分検出装置では、発光部から出射された赤外線を含む光が、測定対象のガスが導入されるセルを通過し、その後、受光部に入光し、受光部の出力信号に応じて測定対象のガスの有無や濃度を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２０１２／１４０４８５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、前述のような気体成分検出装置では、内部にガスを導入するためのセルを設けており、このようにセルを設けた場合、装置の大型化や部品点数の増加等につながる。
そこでこの発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、より小型であり、且つ、部品点数の削減が可能な受発光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様による受発光装置は、基板と、前記基板の第１主面上に配置されたメサ部を有する発光部と、前記基板の第１主面上に配置されたメサ部を有する第１の受光部と、前記発光部及び前記第１の受光部の上部に配置された第１の光反射部と、を備え、前記発光部のメサ部の一の側面と前記第１の受光部のメサ部の一の側面とは向かい合っており、前記発光部のメサ部及び前記第１の受光部のメサ部を含む縦断面において、前記発光部のメサ部の前記一の側面と前記第１の受光部のメサ部の前記一の側面と前記第１の光反射部と前記基板とで囲まれた領域に被検出ガスが導入される空間を有し、前記発光部と前記第１の受光部と前記第１の光反射部とは、前記発光部から放射された光の一部が、前記空間を伝搬して前記第１の受光部に入射する位置関係にあることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の一態様によれば、従来と比して小型で、且つ、部品点数の削減が可能な受発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
【図７】本発明の第７実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
【図８】複数の受光素子を直列に接続した場合の配線関係を説明するための断面図である。
【図９】第６実施形態における受発光装置の変形例を示す構成図である。
【図１０】変形例における受発光装置に適用される信号処理部の一例を示す構成図である。
【図１１】受発光装置の製造工程の一例を示す説明図である。
【図１２】受発光装置の製造工程の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という）について説明する。
なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
［受発光装置］
本実施形態に係る受発光装置は、基板と、基板の第１主面上に配置されたメサ部を有する発光部と、基板の第１主面上に配置されたメサ部を有する第１の受光部と、発光部及び第１の受光部の上部に配置された第１の光反射部と、を備え、発光部のメサ部の一の側面と第１の受光部のメサ部の一の側面とは向かい合っており、発光部のメサ部及び第１の受光部のメサ部を含む縦断面において、発光部のメサ部の一の側面と第１の受光部のメサ部の一の側面と第１の光反射部と基板とで囲まれた領域に被検出ガスが導入される空間を有し、発光部と第１の受光部と第１の光反射部とは、発光部から放射された光の一部が、空間を伝搬して第１の受光部に入射する位置関係にあるものである。
【００１０】
光を放射するための発光部のメサ部の側面と、光を入射するための第１の受光部のメサ部の側面のうちの互いに向かい合う側面どうしと、これら発光部及び第１の受光部が配置される基板と、第１の光反射部とで囲まれた領域に、被検出ガスが導入される空間を形成し、この空間内で光を伝搬させるようにしている。そのため、別途被検出ガスを導入するためのセルを設けることなく、被検出ガスが導入される空間を得ることができる。
その結果、セル等を設ける場合に比較して小型化を図ることができ且つ部品点数を削減した受発光装置を提供することができる。
【００１１】
ここで、「発光部のメサ部及び第１の受光部のメサ部を含む縦断面」とは、すなわち発光部のメサ部の側面のうち第１の受光部と向かい合う一の側面と第１の受光部のメサ部の側面のうち発光部と向かい合う一の側面とをその一部に含む垂直な面で受発光装置を切断した縦断面である。
また、「発光部のメサ部の一の側面と第１の受光部のメサ部の一の側面と第１の光反射部と基板とで囲まれた領域に被検出ガスが導入される空間」とは、前述の縦断面において、発光部のメサ部の側面のうち第１の受光部と向かい合う一の側面と第１の受光部のメサ部の側面のうち発光部と向かい合う一の側面と第１の光反射部と基板との間に被検出ガスを導入することが可能な領域がその一部にでもあることを意味する。つまり、この領域の中に、例えば後述のような第２の光反射部等があってもよい。
【００１２】
さらに「発光部と第１の受光部と第１の光反射部とは、発光部から放射された光の一部が、空間を伝搬して第１の受光部に入射する位置関係にある」とは、発光部から放射された光の少なくとも一部が、前述の空間の少なくとも一部を伝搬して第１の受光部に入射されるような位置関係であれば特に限定はされず、第１の受光部に入射する過程で後述の第３の光反射部で反射される等、どのような光路を通ってもよい。
また本実施形態に係る受発光装置は、基板の第１主面上の空間の外に配置されたメサ部を有する第２の受光部と、基板の第１主面上に配置された光遮断部と、をさらに備え、第２の受光部のメサ部及び発光部のメサ部を含む縦断面において、第２の受光部のメサ部と発光部のメサ部との間に光遮断部が配置されていてもよい。
【００１３】
第２の受光部及び光遮断部をさらに備えることで、第２の受光部に入射する光の大半は基板の内部を伝搬することとなり、被検出ガスによる吸収がほぼ無い場合の発光部の強度を測定することが可能となる。これにより例えば、第２の受光部を、ガスセンサの参照用センサとして利用することが可能であり、これによりガス濃度の測定の精度を高めることができる。第１の受光部には、前述の空間を伝搬した光及び基板の内部を伝搬した光のいずれの光も入射する。この場合、例えば、第１の受光部の出力と第２の受光部の出力との差を取ることで、被検出ガスによる吸収がある領域のみを伝搬した光の強度が得られるので、より正確に被検出ガスの濃度が測定できる。
【００１４】
光遮断部の具体的な形態は、発光部から放射された光が、発光部のメサ部と第２の受光部のメサ部と第１の光反射部と基板とで囲まれた領域を伝搬して第２の受光部に入射しないように遮断可能なものであれば特に限定されない。例えば、発光部のメサ部の側面の一部に光を遮断可能な反射層をさらに設けてもよい。この反射層としては例えば、金ＡｕやアルミニウムＡｌのような光の透過率の低い金属を利用することができる。一般的には発光部の活性層付近に直接金属でコーティングしてしまうと、電気的なリークパスが発生し、発光効率が低下するので、導電性の反射材料を光遮断層として利用する場合、第２の受光部のメサ部の側面と光遮断層との間に絶縁層を設けてもよい。絶縁層としては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ等）や酸化シリコン（ＳｉＯ等）、等を用いることができる。
また、メサ部の側面に設ける光遮断層は、金属以外にも、例えば樹脂製のコーティング層でも良い。また例えば、基板の第１主面上の、発光部と第２の受光部との間の領域に光を遮断可能な遮断機構（例えば金属壁）を設置してもよい。
【００１５】
［基板］
基板の第１主面上には、メサ部を有する発光部と、メサ部を有する第１の受光部とが形成されている。基板の材料は特に制限されない。基板の材料としては、例えばシリコンＳｉ、ガリウム砒素ＧａＡｓ、サファイヤ、リン化インジウムＩｎＰ、インジウム砒素ＩｎＡｓ、ゲルマニウムＧｅ等が挙げられるがこの限りではなく、使用する波長帯に応じて選択すればよい。半絶縁性基板が使用可能であり、大口径化が可能で、また、長波長の赤外線を後述の第２の受光部を設けた受発光装置で利用した場合、高い透過率を持つという観点から、ＧａＡｓ基板は特に好ましい。
【００１６】
また基板の第１主面上には、空間と重複しない位置に配置された、メサ部を有する第２の受光部がさらに形成されていてもよい。第１の受光部及び第２の受光部は、発光部から出射された光のうち基板の第２主面で反射する光を受光することができる。ここで測定感度向上の観点から、基板の材料は、発光部から出力される光の透過性が高いものであることが好ましい。また、発光部の出力変動を高精度に補償する観点から、基板の材料は、第２主面において発光部から出力された光の一部を反射する材料であることが好ましい。
基板は、基板の第１主面上であって、且つ、発光部及び第１の受光部の間に後述の第２の光反射部をさらに備えてもよい。第２の光反射部をさらに備えることで、発光部から放射された光の一部は第２の光反射部で反射され第１の受光部に入射することとなり、第１の受光部の出力のＳＮ比（ＳＮＲ：信号に対するノイズ(雑音)の比、又は信号に対するノイズ(雑音)の量を対数で表したもの）をより高めることが可能となる。ここで第２の光反射部の具体的な形態としては、例えば、アルミニウムＡｌや金ＡｕやクロムＣｒのような光の反射率の高い金属を利用することができるが、特にこれには限定されない。必要に応じて、基板と第２の光反射部との密着性を向上させるための密着層（例えば、Ｔｉ等）を設けても良い。また必要に応じて、第２の光反射部の表面に酸化防止用の保護層を設けても良い。
【００１７】
基板は、基板の、第１主面とは逆側の第２主面上に、発光部から放射された光を反射する第３の光反射部をさらに備えてもよい。第３の光反射部をさらに備えることで、発光部から放射された光の一部が基板の第２主面に伝搬した場合、第３の光反射部によって再度基板の内部方向に反射され、第１の受光部に入射する。これによって第１の受光部の出力のＳＮ比をさらに高めることが可能となる。
ここで第３の光反射部の具体的な形態としては、例えば、アルミニウムＡｌや金ＡｕやクロムＣｒのような光の反射率の高い金属を利用することができるが特にこれには限定されない。
【００１８】
［発光部］
発光部は基板の第１主面上に形成され、メサ部を有する。
ここでメサ部は、単層又は複数層からなる半導体積層構造を持ち、その側面が所定の傾きとなるよう形成されたものであれば特に限定されない。
発光部は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。具体的な例としては、発光ダイオードＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）が挙げられる。その中で、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものであることが好ましい。具体的には、発光波長帯をアクティブ層（通称：活性層）のバンドギャップでコントロールできるということから、ＬＥＤ構造が望ましい場合がある。
【００１９】
発光部は分子線エピタキシー法ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）又は化学気相成長ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような成膜方法を用いて成膜したＰＮ接合又はＰＩＮ接合の積層構造部を持つことが好ましい。この積層構造部に電力を供給することによって、発光ダイオードＬＥＤとして動作し、活性層となるＩ層の材料のバンドギャップに応じた波長の光を放出することができる。積層構造は、少なくともＰ型半導体とＮ型半導体の２種類の層からなるダイオード構造であり、且つ、活性層はインジウム又はアンチモンのいずれかの材料を含むことが好ましい。活性層がインジウム又はアンチモンを含むことにより赤外線領域の光、すなわち赤外線を発光させることが可能になる。具体的には、活性層にＩｎＳｂやＩｎＡｌＳｂやＩｎＡｓＳｂを用いることにより、１μｍ以上１０μｍ以下の波長を出力することができる。
【００２０】
被検出ガスが二酸化炭素の場合、二酸化炭素ガスは波長４．３μｍ付近に強い吸収を示すため、活性層にＩｎＡｌＳｂを利用することが好ましい。ここで、アルミニウムＡｌの含有量を発光ダイオードＬＥＤの発光ピークが４．３μｍになるようにチューニングすることで高感度・高分解能のガスセンサを実現することができる。この場合、ＩｎＡｌＳｂ内のＡｌ含有量を０％以上５％以下にすると好ましい場合がある。また被検出ガスがメタンの場合、二酸化炭素の場合と同様に活性層にＩｎＡｌＳｂを利用することが好ましい。メタンは３．５μｍ付近に強い吸収を示すため、活性層のＡｌ組成を高くすることで、高感度・高分解能のガスセンサが実現できる。また、数μｍ以上１０μｍ以下付近に吸収のあるＣＯ結合を持つガス、例えば、１０μｍ付近に吸収がある気化したアルコールであれば、活性層にＩｎＡｓＳｂを利用することが好ましい。
【００２１】
発光部は、発光部のメサ部の側面のうち、第１の受光部のメサ部の側面と向かい合う側面を除く側面の少なくとも一部に反射層をさらに有してもよい。発光部から放射された光のうち、第１の受光部が配置された方向を除く方向に放射された光が反射層によって反射されることで、第１の受光部に入射する光の強度を高めることが可能となる。
ここで反射層の具体的な形態としては、発光部の側面の一部に形成可能で、発光部から放射される光のうち一部光を遮光又は反射することの可能なものであれば特に限定されない。反射層としては例えば、金Ａｕ、アルミニウムＡｌやチタンＴｉのような光の反射率の高い金属を利用することができる。一般的には発光部の活性層付近に直接金属でコーティングしてしまうと、電気的なリークパスが発生し、発光効率が低下するので、導電性の反射層を利用する場合、メサ部の側面と反射層の間に絶縁層（例えばＳｉＮやＳｉＯ、等）を設けても良い。絶縁層を設けることで、活性層に電流のリークパスを発生することなく、高効率の発光が実現できる。
【００２２】
発光部は、第１の光反射部を保持する後述の保持部をさらに有してもよい。発光部が保持部を備えることで、第１の光反射部を固定することが可能となる。保持部の具体的な形態としては、例えば、感光性ポリイミドや他の感光性樹脂材料を利用することができるが特にこれには限定されない。また保持部は感光性の材質を利用することで、例えばフォトリソグラフィーを利用してウエハーレベルで加工することが可能であるため、量産性の観点から好ましい場合がある。
【００２３】
［第１の受光部］
第１の受光部は、基板の第１主面上に形成され、メサ部を有する。
ここでメサ部は、単層又は複数層からなる半導体積層構造を持ち、その側面が所定の傾きとなるよう形成されたものであれば特に限定されない。
第１の受光部は、発光部の放射する光に対して感度を有するものであれば特に限定されない。信号処理の応答速度の観点から、第１の受光部の積層構造としては、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のダイオード構造であり、インジウム又はアンチモンの何れかの材料を含んでも良い。さらに、被検出ガスの吸収波長に応じてガリウムＧａ、アルミニウムＡｌ、砒素Ａｓからなる群より選択される少なくとも１つの材料をさらに含む混晶系の材料を含んでも良い。
【００２４】
また第１の受光部は、感度が最大値の１０％以上となる波長帯が１μｍ以上１０μｍ以下の範囲に含まれてもよい。第１の受光部が二酸化炭素ガス等の環境ガスの光吸収帯に感度を持つことで、第１の受光部の出力を環境ガスの濃度測定のために用いることが可能となる。
また、量産性の観点から、第１の受光部の材料及び積層構造は、発光部の材料及び積層構造と同様のものであることが好ましい。
【００２５】
第１の受光部は、後述の第１の光反射部を保持する保持部をさらに有してもよい。保持部をさらに有することで、第１の光反射部を固定することが可能となる。保持部の具体的な形態としては、例えば、感光性ポリイミドや他の感光性樹脂のような材料を利用することができるが特にこれには限定されない。また保持部は例えばフォトリソグラフィーのような工程で発光部に形成することができる。
第１の受光部は直列接続された複数の受光素子からなってもよい。複数の受光素子を直列接続する形態とすることで、同一の面積に受光素子を形成する場合にも、第１の受光部全体の出力のＳＮ比を高めることが可能となる。第１の受光部を回路（増幅器）に接続した場合のＳＮ比の観点から、多数の受光素子を設けることによって、受光部全体の内部抵抗を大きくすることができるため、増幅器に接続した場合、高いＳＮ比が実現できる。そのため、第１の受光部は、受光素子を複数直列接続した形態であることが好ましい。
【００２６】
［第２の受光部］
第２の受光部は、メサ部を有し、基板の第１主面上であって、前述の空間と重複しない位置、すなわち空間の外側に配置される。
ここでメサ部は、単層又は複数層からなる半導体積層構造を持ち、その側面が所定の傾きとなるよう形成されたものであれば特に限定されない。
第２の受光部は、発光部の放射する光に対して感度を有するものであれば特に限定されない。信号処理の応答速度の観点から、第２の受光部の積層構造としては、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のダイオード構造であり、インジウム又はアンチモンの何れかの材料を含んでも良い。さらに被検出ガスの吸収波長に応じてガリウムＧａ、アルミニウムＡｌ、砒素Ａｓからなる群より選択される少なくとも１つの材料をさらに含む混晶系の材料を含んでも良い。
【００２７】
また第２の受光部は、感度が最大値の１０％以上となる波長帯が１μｍ以上１０μｍ以下の範囲に含まれてもよい。第２の受光部が二酸化炭素ガス等の環境ガスの光吸収帯に感度を持つことで、第１の受光部の出力を環境ガスの濃度測定のために用いることが可能となる。
また、量産性の観点から、第２の受光部の材料及び積層構造は、発光部の材料及び積層構造と同様のものであることが好ましい。
第２の受光部は直列接続された複数の受光素子からなってもよい。複数の受光素子を直列接続する形態とすることで、同一の面積に受光素子を形成する場合にも、第２の受光部全体の出力のＳＮ比を高めることが可能となる。第２の受光部を回路（増幅器）に接続した場合のＳＮ比の観点から、多数の受光素子を設けることによって、受光部全体の内部抵抗を大きくすることができるため、増幅器に接続した場合、高いＳＮ比が実現できる。そのため、第２の受光部は、受光素子を複数直列接続した形態であることが好ましい。
【００２８】
［第１の光反射部］
第１の光反射部は、発光部及び第１の受光部の上部に配置される。
ここで発光部及び第１の受光部の上部とは、ある受発光装置の縦断面において、第１の光反射部の少なくとも一部が発光部及び第１の受光部よりも高い位置にあることを意味する。第１の光反射部は前述のように発光部が有する保持部及び第１の受光部が有する保持部によって保持される等、種々の形態で保持されることができる。例えば、基板上に別途第１の光反射部を保持するための機構を形成してもよい。
【００２９】
第１の光反射部は、第１の光反射部に入射した光のうち一部の波長の光のみを反射してもよい。例えば、第１の光反射部が、第１の光反射部に入射した光のうち被検出ガスによる吸収が強い波長帯の光のみを反射することで、ガス測定の感度を向上させることができ、高精度のガスセンサを実現することが可能となる。第１の光反射部は例えば、シリコンＳｉやガラス基板上に形成された、屈折率の異なる材料（例えば、ＺｎＳｅ、Ｇｅ、ＺｎＳ、等）を利用した反射型フィルタでもよいし、グレーティング構造を持ったミラーでも良い。
反射型フィルタ（ノッチフィルタ等）又はグレーティング構造の場合、一部の波長の光のみを反射させることが可能となるので、特にガスセンサへの用途に於いては、被対象ガス以外の吸収によるノイズを抑制することができ、高ＳＮ比、高精度の観点から好ましい場合がある。
【００３０】
＜実施形態の具体例＞
次に、図面を参照して本実施形態の具体例について説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第１実施形態では、まず基板１の第１主面１ａ上に発光部２及び第１の受光部３が形成される。発光部２及び第１の受光部３は、例えば、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合の積層構造を有する。発光部２及び第１の受光部３は同一積層構造であっても良い。この場合、量産性の観点から好ましい場合がある。
【００３１】
また、発光部２及び第１の受光部３は半導体材料から成る２段メサ構造を持っていても良い。例えば基板１上に第１メサとなるＮ層を形成後、その上に活性層とＰ層を順に積層しても良い。この２段のメサ構造は、基板１上に多層構造を積層後に、フォトレジストを利用した選択性のあるエッチング工程を２回行うことによって実現できる。また、発光部２及び第１の受光部３の上部には第１の光反射部４が設けられる。
これにより、図１に示すように縦断面において、基板１と発光部２と第１の光反射部４と第１の受光部３とで囲まれる空間が、基板１と第１の光反射部４との間に形成され、第１の光反射部４を設けることにより、発光部２の活性層の側面を含むメサ部側面２ａから、第１の受光部３の活性層の側面を含むメサ部側面３ａへ効率よく光を導くことができる。
【００３２】
本発明の第１実施形態に係る受発光装置によれば、発光部２及び第１の受光部３のメサ部の間の空間を光路として利用することで、内部に被検出ガスを導入するためのセル等が不要となり、従来と比して小型で、且つ、部品点数の削減が可能となる。
例えば、図１に示す受発光装置全体をモールド樹脂等により覆うと共に、その際に被検出ガスの導入口及び排出口を設けることにより、被検出ガスの導入口及び排出口を備えた、ガスセンサとしての受発光装置を構成すればよい。
【００３３】
［第２実施形態］
図２は本発明の第２実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第２実施形態は、発光部２のメサ部の一部に反射層５が設けられている点以外の構成は、第１実施形態と同様である。
反射層５は、発光部２のメサ部の側面のうち、第１の受光部３と向かい合う面を除く側面に形成される。
発光部２のメサ部の側面に反射層５を形成することによって、反射層５が形成された側へ放射された光は反射層５により反射されるため、反射層５が形成されていない側からの光の放射量が増える。言い換えれば、反射層５を形成することにより発光の指向性を制御することが可能となる。反射層５を発光部２のメサ部の一部のみに設けることによって、一方向、すなわち第１の受光部３方向への発光効率を高めることが可能となり、受発光装置のＳＮ比を高めることが可能となる。
なお、ここでは省略しているが、第１の受光部３側にも反射層５を設けても良い。つまり、第１の受光部３のメサ部の側面のうち、発光部２と向かい合う面を除く側面にも反射層５を設けてもよい。
【００３４】
［第３実施形態］
図３は本発明の第３実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第３実施形態は、図３に示すように、縦断面において、基板１の第１主面１ａ上の、発光部２と第１の受光部３との間に第２の光反射部６が設けられている点以外の構成は、第１実施形態と同様である。
発光部２から第１の受光部３への光路の途中に第２の光反射部６が配置されるため、発光部２から第１の受光部３への光伝搬効率を高めることができる。
【００３５】
［第４実施形態］
図４は本発明の第４実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第４実施形態は、発光部２及び第１の受光部３のそれぞれが第１の光反射部４を保持する保持部７をさらに有する点以外の構成は、第１実施形態と同様である。
保持部７を設けることで、基板１と第１の光反射部４との間の間隔を広げることができ、すなわちガス導入用の空間を広げることができると共に、その分、ガスを吸収するための光路を延ばすことができるため、特にガスセンサの用途に於いては、高感度化という観点から好ましい場合がある。
【００３６】
この保持部７は絶縁性の良い材質で形成してもよい。また、感光性の樹脂材料を利用することで、フォトリソグラフィー技術を利用して容易に形成することができる。
発光部２及び第１の受光部３のそれぞれに保持部７を設けることによって、第１の光反射部４を固定することができる。また、図４に示すように、発光部２及び第１の受光部３の外側、すなわち被検出ガスが導入される空間とは逆側の面を覆うように、保持部７を形成することによって、第１の光反射部４を固定すると共に、発光部２及び第１の受光部３の側面を保護することができる。
【００３７】
［第５実施形態］
図５は本発明の第５実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第５実施形態は、基板１の第２主面１ｂ上に第３の光反射部８が形成される点以外の構成は、第１実施形態と同様である。
この第３の光反射部８は、基板１よりも屈折率の低い材料や金属材料のような材料を利用してもよいが、反射効率が良ければ材料は制限されない。基板１よりも屈折率の低い材料としては、例えば、基板１がＧａＡｓ基板の場合には、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＴｉＯ２等を適用することができる。また、金属材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ等を適用することができる。
第３の光反射部８を設けることで、発光部２から放射された光の一部は基板１の内部を伝搬し、第３の光反射部８で反射した後に第１の受光部３に入射することが可能となり、受発光装置のＳＮ比をさらに高めることが可能となる。
また、第２の光反射部６及び、第３の光反射部８は、第１の光反射部４と同様に、一部の波長の光のみに対して高い反射率を有していても良い。
【００３８】
［第６実施形態］
図６は本発明の第６実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第６実施形態は、基板１の第１主面１ａ上に、さらに第２の受光部９が設けられている点以外の構成は、第２実施形態と同様である。
発光部２のメサ部の側面には、第１の受光部３と向かい合う側面とは逆側の側面に、反射層５が形成されている。第１の受光部３は、発光部２の反射層５が形成されていない側に形成されており、第２の受光部９は発光部２の反射層５が形成された側に形成されている。
【００３９】
また、第１の光反射部４は、発光部２、第１の受光部３、第２の受光部９を覆うように、その上部に設けられる。そのため、発光部２と第２の受光部９と基板１と第１の光反射部４とに囲まれた空間が形成される。発光部２から放射された光が通過する第１の受光部３と発光部２との間に形成される空間と、発光部２から放射された光が通過しない第２の受光部９と発光部２との間に形成される空間とに被検出ガスを導入し、第１の受光部３及び第２の受光部９の出力信号を得る。
第２の受光部９には、発光部２のメサ部と第２の受光部９のメサ部との間の空間を伝搬する光は入射しないため、第２の受光部９の出力を利用して第１の受光部３の出力を補正することが可能となる。またここで、基板１の内部を伝搬する光のうち、第１の受光部３に入射する光と第２の受光部９に入射する光の強度が等しくなるように、第１の受光部３と第２の受光部９とを配置しても良い。また、第１の受光部３の出力信号と第２の受光部９の出力信号との差分演算を行っても良い。この差分演算をすることで、第１、第２の受光部３、９の温度特性による変動分を低減することができる。例えば第１の受光部３及び第２の受光部９が特にナローギャップ半導体からなる場合には、差分演算を行うことは効果的である。
【００４０】
なお、図６では、第１の光反射部４が発光部２、第１の受光部３、第２の受光部９を覆うように、その上部に設けられる形態について図示したが、第１の光反射部４が第２の受光部９を覆っていない形態においても本実施形態と同様の効果を奏する。但し、接着強度を高めるという観点や、両方の受光素子の熱容量や感度の温度特性が等しくなるという観点から、第１の光反射部４が発光部２、第１の受光部３、第２の受光部９を覆うようにしたほうが好ましい場合がある。
【００４１】
［第７実施形態］
図７は本発明の第７実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第７実施形態は、第１の受光部３及び第２の受光部９のそれぞれが、直列に接続された複数の受光素子１１を含んで構成される点以外の構成は、第６実施形態と同様である。なお、図７では、第１の光反射部４を省略している。
このように、直列に接続された複数の受光素子１１により第１の受光部３及び第２の受光部９を構成することにより、第１の受光部３及び第２の受光部９それぞれにおいて、全体の内部抵抗が大きくなり、増幅器、例えば電流−電圧変換アンプで信号増幅を行う場合、高いＳＮ比を実現することができる。
【００４２】
なお、直列に接続された複数の受光素子１１とは、一番目の受光素子１１の一方の電極と二番目の受光素子１１の一方の電極とを接続し、二番目の受光素子１１の他方の電極と三番目の受光素子１１の一方の電極とを接続し、というように、隣り合う受光素子１１の電極どうしを順に接続することで、複数の受光素子１１を一連に接続することをいう。
なおこの場合、被検出ガスが複数の受光素子１１の間を介して、発光部２と第１の受光部３及び第２の受光部９の間に素早く侵入することが可能となり、ガスの入り替え速度を高めるという観点から好ましい場合がある。
【００４３】
図８は複数の受光素子１１を直列に接続した場合の配線関係を説明するための断面図である。図８では、複数の受光素子１１は同一基板１上に形成され、受光素子１１はＮ層２３（ｎ型半導体層）、Ｉ層２４（Ｉ型半導体層）、バリア層２５（キャリア拡散用の半導体層）、Ｐ層２６（ｐ型半導体層）からなるＰＩＮ構造となっている。また、隣り合う受光素子１１のＰ層とＮ層は互いに配線層２２（Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ等を含む単層又は多層の金属からなる層）によって接続される。またここで、ＰＩＮ構造上に、絶縁層２１（ＳｉＮやＳｉＯ等）が形成され、Ｐ層及びＮ層以外の部分に金属配線が接触しないように設計されている。またＰＩＮの積層構造の側面のうち光の入射面となる斜面には配線層２２を形成しなくても良い。またここでは、受光素子１１上に保持部７を形成している。
【００４４】
さらに、図示はしてはいないが、保持部７上に第１の光反射部４を設けても良い。第１の光反射部４と保持部７との接着方法は特に制限されないが、具体的な方法としては、金属―金属接合が挙げられる。第１の光反射部４と保持部７とを金属−金属（例えば、Ａｕ-Ａｕ、Ｉｎ−Ｉｎ、等）接合を用いて接着する場合には、第１の光反射部４側及び保持部７側に金属層を設ける必要ある。
なお図示してはいないが、発光部２と第１の受光部３とは同様の積層構造を持っても良い。また、発光部２と駆動部１２、及び第１の受光部３と信号処理部１３との接続用に基板１上に配線層２２に繋がるパッドを設けても良い。駆動部１２と信号処理部１３との間はワイヤーボンディング装置を利用して形成されたワイヤーを利用しても良い。
【００４５】
また、被対象ガスは腐食性のガスセンサという用途の場合、半導体部を保護するという観点から、絶縁層はＳｉＮやＳｉＯ等であっても良いし、配線層の露出される金属を金や白金やアルミニウムであっても良い。
なお、図７では、図示しないが、発光部２も発光素子を多段化した構成としてもよい。ナローギャップ半導体からなる発光素子の場合、内部抵抗が小さくなるので、多段化することで、内部抵抗を高めることができ、効率の良い駆動が可能となる。
図７において、駆動部１２は、発光部２に駆動電流を供給する。信号処理部１３は、第１の受光部３、第２の受光部９からの出力信号を処理する。なお、第１から第６実施形態における受発光装置も、発光部２に駆動電流を供給する駆動部１２、第１の受光部３からの出力信号を処理する信号処理部１３を備えている。
【００４６】
また、図７では、図６に示す第６実施形態に係る受発光装置において、第１の受光部３及び第２の受光部９を複数の受光素子を含んで構成した場合について説明したが、図１から図５に示す第１から第６の実施形態に係る受発光装置において、第１の受光部３を、直列に接続した複数の受光素子を含んで構成することも可能であり、また発光部２を、発光素子を多段化した構成としてもよい。
また、同一基板上に第１の受光部３と第２の受光部９とを設ける場合、それぞれの受光部が複数の受光素子１１を直列接続した構造を備えていても良い。また、このようにそれぞれの受光部が複数の受光素子１１を備える場合、差分の演算処理は基板１上で行っても良いし、基板外部にある信号処理部１３で行っても良い。差分の演算を基板１上で行う場合、第１の受光部３の一端の素子のＮ極側を第２の受光部９の一端の素子のＰ極側に接続し、第１の受光部３の他端の素子のＰ極側及び、第２の受光部９の他端の素子のＮ極側を信号処理部１３に接続しても良い。この場合、基板１上で差分処理が行われ、システムの簡略化の観点から、好ましい場合がある。
【００４７】
［変形例］
図６に示す、第１の受光部３と発光部２と第２の受光部９とを備えた第６実施形態における受発光装置において、図９に示すように、第１の受光部３と発光部２との間、発光部２と第２の受光部９との間それぞれの間隔を異なる値としてもよい。またその際、発光部２から第１の受光部３への光路の途中に第２の光反射部６を設けてもよい。
すなわち、図９に示す第１の受光部３と第２の受光部９とを含む縦断面において、第１の受光部３のメサ部の中心と発光部２のメサ部の中心との距離ｄ１及び第２の受光部９のメサ部の中心と発光部２のメサ部の中心ｄ２とは異なっても良い。図９に示す構造はガスセンサ用途では有効である。例えば、ｄ１＞ｄ２である場合には、ガス吸収用の光路を延ばすことができるため、小型化・高感度・高ＳＮＲの観点から、特にガスセンサの用途では好ましい場合がある。具体的には、ｄ１＝β×ｄ２とした場合、βは１．５倍でよいし、２倍以上でも良い。ガスセンサの用途に於いて、βが５倍、又は１０倍以上の場合、ガス濃度変化に対して、第１の受光部３の出力信号の変化（つまり、感度）が改善されるため、好感度化の観点から好ましい場合がある。
この場合、基板内部反射経由で第１の受光部３に入射する光は第２の受光部９に入射する光より小さくなるため、図１０で示す信号処理方法が有効である。
【００４８】
図１０では、信号処理部は、ゲインがαである増幅器５１と、差分演算器５２とを備え、第１の受光部３からの信号がαというゲインで増幅されてから、第２の受光部９の信号から差し引かれる構成となっている。
具体的には、第１の受光部３の出力信号が（ＳＷＡＦＥＲ＋ＳＡＩＲ）、つまり基板内部経由の信号ＳＷＡＦＥＲ及び空間経由のＳＡＩＲという信号から成り、第２の受光部９の出力信号が（ＳＷＡＦＥＲ’）となる。つまり、図１０で示す信号処理部の出力がα×（ＳＷＡＦＥＲ＋ＳＡＩＲ）−（ＳＷＡＦＥＲ’）となる。そこで、α＝ＳＷＡＦＥＲ’／ＳＷＡＦＥＲと設定すれば、信号処理部の出力がα×ＳＡＩＲとなる。つまり、基板内部の成分をキャンセルすることができるため、受発光装置のダイナミックレンジの改善という観点からみれば、好ましい場合がある。
【００４９】
＜製造方法＞
次に、本発明の一実施形態における受発光装置の具体的な製造方法を、図１１、図１２を伴って説明する。ここでは、図６に示すように、第１及び第２の受光部３、９を備えた受発光装置を作製する場合について説明する。なお、他の実施形態における受発光装置も同様の手順で作製すればよい。
図１１（ａ）は基板１上にＰＩＮ構造２０を積層したウエハーの断面図を示す。
ＰＩＮ構造２０が積層されたウエハーに対し、図１１（ｂ）に示すように、２段のエッチングを行って、発光部２、第１の受光部３及び第２の受光部９のメサ部を形成する。
【００５０】
次に、発光部２、第１の受光部３及び第２の受光部９のメサ部が形成されたウエハーの全面に絶縁層２１を形成した後、各部において、メサ部の上面（Ｐ層）及びメサ部の底層（Ｎ層）に相当する領域にコンタクト穴３１を形成する（図１１（ｃ））。
次に、リフトオフ等を利用して、コンタクト穴３１を含む領域に金属配線からなる配線層２２を選択的に形成する（図１２（ａ））。
次に、各部において、メサ部の上面に形成された金属配線層２２上に、保持部７さらに保持部７の上に接着用に接着層（例えばＡｕ／Ｔｉ）３２からなる積層構造を選択的に形成する（図１２（ｂ））。
【００５１】
次に、別途作製した、第１の光反射部４となる例えばＡｕコーティング済みの反射層、すなわちＡｕコーティング層３３が形成された反射層を、Ａｕコーティング層３３と接着層３２とが向かい合うように配置してＡｕ−Ａｕボンディング法を利用して、接着層３２の上部に吸着させる（図１２（ｃ））。
なお、第１の光反射部４が一部の波長のみを反射するような構造を持つ場合、接着層のＡｕ/Ｔｉ層は選択的に（つまり、接着領域の部分のみ）形成してもよい。
【００５２】
＜その他＞
本発明は、以上に記載した実施形態に限定されるものではない。その技術的思想の範囲内において、当業者の知識に基づいて実施形態に設計の変更等を加えてもよく、また、第１から第７実施形態を任意に組み合わせてもよく、そのような変更が加えられた態様も本発明の範囲に含まれる。
また、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
【符号の説明】
【００５３】
１  基板
１ａ  第１主面
１ｂ  第２主面
２  発光部
３  第１の受光部
４  第１の光反射部
５  反射層
６  第２の光反射部
７  保持部
８  第３の光反射部
９  第２の受光部
１０  受発光装置
１１  受光素子
１２  駆動部
１３  信号処理部
２０  ＰＩＮ構造
２１  絶縁層
２２  配線層
２３  Ｎ層
２４  Ｉ層
２５  バリア層
２６  Ｐ層
３１  コンタクト穴
３２  接着層
３３  Ａｕコーティング層
５１  増幅器
５２  差分演算器
【図１】
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【図２】
0006533719.tif 000003
【図３】
0006533719.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0006533719.tif 000009
【図９】
0006533719.tif 000010
【図１０】
0006533719.tif 000011
【図１１】
0006533719.tif 000012
【図１２】
0006533719.tif 000013