(57)【要約】    【課題】  半導体素子を用いて構成されており、小型かつ高精度であり、安価な反射型センサを提供する。    【解決手段】  発光部１０から発した光が被検出物体２７で反射され、反射された光が受光部１１で受光されることによって被検出物体２７が検出される反射型センサにおいて、発光部１０及び受光部１１を同じ基板８の上面９側半導体素子領域として構成されており、前記受光部１１が前記発光部１０の外周に沿って連続的に配置されている反射型センサ１。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部と、受光部と、前記発光部及び前記受光部が構成される基板とを備えた反射型センサにおいて、発光部と受光部が、同じ基板の上面側に半導体素子領域としてそれぞれ構成されているとともに、前記受光部が前記発光部の外周に沿って連続的に配置されていることを特徴とする反射型センサ。
【請求項２】
前記発光部及び前記受光部の上方には、発光部及び受光部を覆うように凸型レンズが設けられている、請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項３】
前記受光部と凸型レンズとの距離が前記凸型レンズの焦点距離よりも大きくなる位置に、前記凸型レンズが配置されている、請求項２に記載の反射型センサ。
【請求項４】
前記発光部及び前記受光部は、異なる材料系で形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の反射型センサ。
【請求項５】
前記発光部は、窒化物系化合物半導体材料で形成されており、前記受光部は、Ｓｉ系材料で形成されている、請求項４に記載の反射型センサ。
【請求項６】
前記発光部は、プロセス温度を７５０℃以下にしたものであるプラズマ励起ＭＢＥ法又はガスソースＭＢＥ法で形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の反射型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出物体の有無などの検出を行うための反射型センサ、特に、被検出物体の位置の検出も可能な反射型センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、反射型センサでは、発光部から発した光が被検出物体で反射され、反射された光が受光部で受光されることによって被検出物体が検出される。
【０００３】
図１６は、従来の反射型センサの一例を示す模式図である。図１６に示した反射型センサ３０では、発光素子チップ３１及び受光素子チップ３２がそれぞれ異なるフレーム３３、３４に搭載されている。発光素子チップ３１及び受光素子チップ３２は、互いの光軸３５、３６が交差するように配置されており、光軸３５、３６の交差付近の空間に存在する被検出物体３７が検出される。また、発光素子チップ３１及び受光素子チップ３２には、それぞれ集光のための凸型レンズ３８、３９が備えられている。
【０００４】
下記の特許文献１には、図１７（ａ）、（ｂ）に示した反射型センサが開示されている。図１７（ａ）、（ｂ）に示した反射型センサ４０では、ステム４１の上面中央付近に、発光素子チップ４２が搭載されている。発光素子チップ４２の外側には複数の受光素子チップ４３が搭載されている。また、発光素子チップ４２及び受光素子チップ４３の上方に、凸型レンズ４４が配置されている。発光素子チップ４２から発した光は、凸型レンズ４４で集光され、被検出物体４５で反射される。反射された光は、再び前記凸型レンズ４４で集光され、受光素子チップ４３で受光される。このようにして、凸型レンズ４４の上方に位置する被検出物体４５が検出される。
【０００５】
他方、下記の特許文献２には、発光部及び受光部が同一基板を用いて作製されている反射型センサが開示されている。発光部及び受光部は、同一材料系（ＡｌＧａＡｓ系）の半導体で構成されており、かつ、同時に構成されている。
【０００６】
特許文献２に開示された反射型センサは、化合物半導体の組成の違いによるエネルギーバンドギャップの違いを利用している。ｐｎ接合を順バイアスしたときにはｎ型領域に接する側の接合部が中心となって発光し、ｐｎ接合を逆バイアスしたときにはｐ型領域に接する側の接合部で生成された電子・ホール対が中心となって光電流を生じる。このため、ｎ型領域に接する側の接合部のエネルギーバンドギャップをｐ型領域に接する側のエネルギーバンドギャップよりも大きくすることにより、発光波長と受光波長が重なるように構成されている。同一基板内に複数個存在するこのようなｐｎ接合の素子の少なくとも１つの素子が発光部に、他の少なくとも１つの素子が受光部に用いられている。
【特許文献１】特開２００２−５５１７４
【特許文献２】特開昭６２−３７９７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１６に示した反射型センサ３０では、発光素子チップ３１と受光素子チップ３２がそれぞれ必要で、かつ離して設置する必要があるため、反射センサを小型化することや、生産コストを低く抑えることが困難であった。また、交差させた光軸３５，３６にずれが生じることによって性能にばらつきが発生していた。
【０００８】
一方、図１７に示した反射型センサ４０では、発光素子チップ４２及び受光素子チップ４３が同一のステム４１に搭載されており、光軸にずれが生じるおそれがない。しかし、発光素子チップ４２の外側に沿って複数の受光素子チップ４３が非連続的に配置されているため受光面積が狭く、反射光を効率良く受光することができなかった。
【０００９】
さらに、図１６又は図１７に示した各反射型センサ３０、４０は、いずれも別部材としての発光素子チップ３１、４２や受光素子チップ３２、４３をフレーム３３、３４やステム４１に搭載したものであるため、部品点数が多く煩雑な組立工程を必要としていた。
【００１０】
他方、特許文献２に開示された反射型センサでは、発光部と受光部が、同一基板を用いて作製された半導体素子によって構成されているため、部品点数は少ない。
【００１１】
しかし、発光部と受光部が同一材料系で同時に構成されるため、発光波長と受光感度波長が少しでも重なるよう工夫はなされているものの、その分、発光強度や受光感度が最適でなくなるので、良好な特性を得ることができなかった。本来、発光部と受光部は、最適な構成条件が異なるためそれぞれの構成条件に適したプロセス温度範囲の工程で構成されることが望ましい。ところが、同一基板上に同一材料系で構成する場合、プロセス温度範囲が一致してしまうため、一方の工程時にもう一方の特性が変化するので、それぞれを最適な条件で構成することは困難であった。
【００１２】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、小型、かつ、高精度であり安価な反射型センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、発光部と、受光部と、前記発光部及び前記受光部が構成される基板とを備えた反射型センサにおいて、発光部と受光部が、同じ基板の上面側に半導体素子領域としてそれぞれ構成されているとともに、前記受光部が前記発光部の外周に沿って連続的に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る反射型センサの他の特定の局面では、前記発光部及び前記受光部の上方には、発光部及び受光部を覆うように凸型レンズが設けられている。
【００１５】
また、本発明に係る反射型センサのさらに他の特定の局面では、前記受光部と凸型レンズとの距離が前記凸型レンズの焦点距離よりも大きくなる位置に、前記凸型レンズが配置されている。
【００１６】
本発明に係る反射型センサの他の特定の局面では、前記発光部及び前記受光部は、異なる材料系で形成されている。
【００１７】
本発明に係る反射型センサのさらに他の特定の局面では、前記発光部は、窒化物系化合物半導体材料で形成されており、前記受光部は、Ｓｉ系材料で形成されている。
【００１８】
本発明に係る反射型センサのさらに他の特定の局面では、前記発光部は、プロセス温度を７５０℃以下にしたものであるプラズマ励起ＭＢＥ法又はガスソースＭＢＥ法で形成されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る反射型センサでは、基板の上面側において発光部及び受光部としての各半導体素子領域を構成することにより、発光部と受光部が同じ半導体基板の上面側に構成されている。そのため部材点数が少なくて済み、反射型センサを小型化することができるとともに生産コストを低く抑えることができる。さらに、光軸を交差させるための調整が不要で、光軸がずれるおそれも少なく性能のばらつきが少ない。
【００２０】
しかも、受光部が発光部の外周に沿って連続的に配置されているため、上述した特許文献１に開示された反射型センサよりも受光部の面積を広く確保することができ、効率よく反射光を受光することができるため検出精度が高い。
【００２１】
発光部及び受光部の上方を覆うようにして凸型レンズが設けられている場合には、発光部と受光部とが１つの凸型レンズを共用することができ、部材点数がより少なくて済む。
【００２２】
さらに、凸型レンズを、受光部と凸型レンズとの距離が前記凸型レンズの焦点距離よりも大きくなる位置に配置した場合には、受光部がレンズの焦点距離よりも離れた集光系となり、距離と受光量の関係が非線形となるため、限定反射型センサとして使用することができる。
【００２３】
加えて、発光部及び受光部が、異なる材料系で形成されている場合には、別々の工程で発光部と受光部を構成して、それぞれの特性を引き出すことができる。従って、上述した特許文献２に開示された反射型センサに比べて、良好な発光波長と受光感度特性を保ちつつ、発光波長と受光感度波長とを十分に重ねることができるので、良好な特性を得ることができる。
【００２４】
発光部を、窒化物系化合物半導体材料で形成し、受光部を、Ｓｉ系材料で形成した場合には、ヘテロ成長に伴う転位と発光効率の関係で、発光部にＧａＡｓ系化合物半導体材料を用いた場合と比べて高効率かつ長寿命な発光が期待できる。
【００２５】
発光部が、プロセス温度を７５０℃以下にしたものであるプラズマ励起ＭＢＥ法又はガスソースＭＢＥ法で形成されている場合には、発光部を形成する際の温度の影響を受けて受光部の機能が低下し難い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２７】
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る反射型センサの平面図及び側面図を示している。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、反射型センサ１は、複数本のリード端子２、半導体素子３及びパッケージ４を有する。
【００２８】
図２乃至４は、前記反射型センサの製造過程における状態を示す平面図を示している。図２に示すように、金属板を打抜くことにより、複数本のリード端子２と素子取付部２ａとを有する構造が金属板の長手方向に沿って配置されたリードフレーム５が得られる。複数本のリード端子２の内の一本のリード端子２の端部は、素子取付部２ａに連ねられている。
【００２９】
各素子取付部２ａ上面には、図３に示すように、半導体素子３が銀ペーストを用いて実装される。また、半導体素子３と、素子取付部２ａに連ねられていないリード端子２とを接続するために、Ａｕワイヤ６がボンディングされる。
【００３０】
パッケージ４は、図４に示すように、半導体素子３のまわりを透明な樹脂でモールドパッケージした後、パッケージ４まわりのバリを除去することにより形成される。なお、リードフレーム２の不要な部分もその際に切断される。
【００３１】
パッケージ４には、凸型レンズ７が一体に形成される。前記凸型レンズ７は、凸型レンズ７と半導体素子３との距離が凸型レンズ７の焦点距離よりも短くなるように形成される。
【００３２】
なお、パッケージ４は、図５に示すように、凸型レンズ７と半導体素子３との距離が、前記凸型レンズ７の焦点距離よりも長くなるように形成しても良い。
【００３３】
図６（ａ）、（ｂ）は、半導体素子３の平面図及びＡ−Ａ線に沿う断面図、図７（ａ）〜図１２（ａ）は、前記半導体素子３の製造過程における状態を示す各平面図、図７（ｂ）〜図１２（ｂ）は、図７（ａ）〜図１２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う各断面図である。
【００３４】
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体素子３は、基板８、発光部１０及び受光部１１を備えている。基板８は、半導体基板としてのｎ型の低抵抗のＳｉ（１１１）基板からなる。基板８の上面９側には、発光部１０及び受光部１１が構成される。発光部１０は、基板８の中央やや長手方向一方寄りの位置に円形の領域として配置され、受光部１１は、発光部１０の領域の外周に沿って連続的に配置される。
【００３５】
受光部１１は、Ｓｉ半導体によるフォトダイオードからなる。受光部１１を構成する工程では、まず、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、基板８に対してパターニング工程及び熱拡散工程によりｐ型不純物が拡散され、ｐ型領域１２が構成される。さらに、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ｎ型不純物を拡散してｎ型領域１３が構成される。このとき、ｎ型の拡散深さｄ１は、ｐ型の拡散深さｄ２よりも浅くなるように、かつ、ｎ型領域１３がｐ型領域１２からはみ出さないようにｎ型領域１３が構成される。
【００３６】
なお、受光部１１は、ｐｎ接合型のフォトダイオードとしたが、ｐｉｎ接合型のフォトダイオードとしても良く、また、フォトトランジスタの構造であっても良い。
【００３７】
次に、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、発光部形成時のプロセスダメージから受光部１１を守るために、保護膜としてのＳｉＮｘ膜１４が構成される。なお、基板８の上面９側において発光部１０が構成される領域には、ＳｉＮｘ膜１４は構成されない。
【００３８】
発光部１０は、プラズマ励起ＭＢＥ法で成長した窒化物系化合物半導体によるＬＥＤである。発光部１０の形成に際して、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、基板８の上面９側全面に、プラズマ励起ＭＢＥ法で下クラッド層のｎ型ＧａＮ膜１６、活性層のＩｎＧａＮ膜１７、上クラッド層のｐ型ＡｌＧａＮ膜１８及びｐ型ＧａＮ膜１９を順次成長させる。次に、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、ＳｉＮｘ膜１４をエッチング除去することでＳｉＮｘ膜１４の上部の成長膜を除去し、発光部１０が窒化物系半導体のｐｎ接合（ダブルヘテロ構造）として構成される。
【００３９】
フォトダイオード部のｐｎ構造をＳｉ基板上に構成するときには、不純物を拡散させるために基板温度を１０００℃以上にする必要がある。逆に考えると、８００℃程度を下回る温度、少なくとも７５０℃以下であれば、Ｓｉ基板上に構成したｐｎ構造はほとんど破壊されない。
【００４０】
窒化物系化合物半導体は、一般には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で形成されるが、この方法では、基板温度が１０００℃以上になる。それに対して、プラズマ励起ＭＢＥ法で形成すれば、７００℃程度で構成可能である。このように、Ｓｉ基板上に受光部１１を形成後、プラズマ励起ＭＢＥ法を用いれば、受光部１１を破壊することなく、窒化物系化合物の発光部１０を構成することができる。
【００４１】
基板温度を７００℃以下に保ち、窒素源には２３０ＷのＲＦプラズマ源で活性化された窒素を用い、III族（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）源とドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ、
Ｓｉなど）としてはクヌーンセンセルで加熱された分子線を用いる。各元素の分子線量をクヌーンセンセルの温度で調整し、分子線量と基板温度を最適化することで、組成比や導電型、キャリア濃度が制御された高品質な窒化物系化合物半導体結晶がＳｉ（１１１）基板上に成長する。成長速度は、およそ０．１５μｍ／時間である。窒素源には、ＲＦプラズマ源のかわりに、ＥＣＲプラズマ源を利用しても良い。代表的な成長条件を下記の表１に示す。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
なお、ＲＦプラズマ励起で窒素源を供給するプラズマソースＭＢＥ法で窒化物系化合物半導体を形成したが、アンモニアガスなどの熱分解で窒素源を供給するガスソースＭＢＥ法で形成しても良い。
【００４４】
また、窒化物系化合物半導体からなる発光部１０の構造として、ＩｎＧａＮ活性層をｎ−ＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮのクラッド層で挟んだ単一量子井戸構造を示したが、活性層は、ＩｎxＧａ1-xＮ／ＩｎyＧａ1-yＮなどの多重量子井戸構造であっても良い。
【００４５】
さらに、下クラッド層のｎ―ＧａＮ層と活性層の間に、ｎ−ＡｌＧａＮ層を加えてもよく、さらにまた、上クラッド層と電極との間に、コンタクト層としてＩｎＧａＮ層を加えても良い。下クラッド層と基板との間には、ＡｌＮやＺｎＯなどの中間層や、ＡｌＮ／ＧａＮなどからなる多層反射膜層などを挟んでも良い。ＩｎＧａＮ活性層には、ドナー不純物やアクセプタ不純物を入れても良い。
【００４６】
基板８には、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、電極とのコンタクト部分以外へ絶縁層２１が構成された後、図６に示すように、発光部１０の透明電極２２、ボンディングパッド２３、裏面電極２４、受光部のボンディングパッド２５、２６が形成されてアニールされる。このようにして、反射型センサ１が完成される。
【００４７】
図１３（ａ）、（ｃ）、（ｅ）は、被検出物体２７が発光部１０の光を受ける領域２８ａ、２８ｃ、２８ｅを説明する図、図１３（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は、受光部１１が反射光を受ける領域２８ｂ、２８ｄ、２８ｆを説明する図である。
【００４８】
発光部１０から発した光は、凸型レンズ７を通って所定の設計位置に集光する。凸型レンズ７の上方に被検出物体２７が存在する場合、被検出物体２７で反射された光は、再び凸型レンズ７を通って半導体素子３に集光する。
被検出物体２７が設計位置に存在する場合、図１３（ａ）に示したように、被検出物体２７が光を受ける領域２８ａは狭い。そのため、反射光の集光性が良く、図１３（ｂ）に示したように、半導体素子３が受ける反射光の領域２８ｂは発光部１０付近の狭い範囲であり、受光部１１が受ける光の量はさほど多くない。
【００４９】
被検出物体２７が設計位置よりわずかにずれた場合、図１３（ｃ）に示したように、被検出物体２７が光を受ける領域２８ｃは広がる。そのため、反射光が集光しにくくなり、図１３（ｄ）に示したように、受光部１１が光を受ける領域２８ｄは広がる。したがって、受光部１１の受光量は増加する。
【００５０】
被検出物体２７が設計位置よりさらに離れた場合、図１３（ｅ）に示したように、被検出物体２７が光を受ける領域２８ｅはさらに広がる。そのため、反射光はさらに集光しなくなり、図１３（ｆ）に示したように、反射光を受ける領域２８ｆが受光部１１の外側にまで及ぶようになるため、受光量は一転して少なくなる。
【００５１】
被検出物体２７の位置と受光量の関係をまとめると図１４（ａ）のグラフのようになる。従って、設計位置での受光量よりわずかに低いレベル２９ａに反射型センサ１のしきい値を設定すれば、通常の限定反射型センサとして働く。もう少し、高いレベル２９ｂに反射型センサ１のしきい値を設定すると、検出領域を２つ持った限定反射型センサとして使用することもできる。
【００５２】
被検出物体２７の位置と受光量の関係は、発光部と受光部の大きさ・形状や両者の間隔を変えることで調整することも可能である。図１４（ａ）の特性が得られる場合の、発光部１０と受光部１１の平面形状を図１５（ａ）に示す。受光部１１の大きさ・形状を変更し、例えば図１５（ｂ）、（ｃ）に示すような平面形状にすることにより、それぞれ図１４（ｂ）、（ｃ）のグラフに示す特性が得られる。
【００５３】
図１４に示す特性が得られる限定反射型センサを利用すると、設計位置からのずれが最大受光量となるまでの範囲内であれば、被検出物体２７の位置ずれ量に応じて受光量が増える関係が得られるので、受光量をフィードバックして制御することで位置制御も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の一実施形態に係る反射型センサの平面図及び側面図。
【図２】図１に示した反射型センサの製造過程で用意されるリードフレームを示す平面図。
【図３】半導体素子が実装されたリードフレームを示す平面図。
【図４】半導体素子実装後に、樹脂でモールドパッケージされたリードフレームを示す平面図。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ凸型レンズと半導体素子との距離が、凸型レンズの焦点距離よりも大きい反射型センサの平面図及び側面図。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ半導体素子の平面図及びＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図６に示した半導体素子の製造過程におけるｐ型領域構成後の基板を示す平面図及びＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図６に示した半導体素子の製造過程におけるｎ型領域構成後の基板を示す平面図及びＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図６に示した半導体素子の製造過程におけるＳｉＮｘ膜構成後の基板を示す平面図及びＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図６に示した半導体素子の製造過程におけるｎ型ＧａＮ膜、ＩｎＧａＮ膜、ｐ型ＡｌＧａＮ膜及びｐ型ＧａＮ膜を構成後の基板を示す平面図及びＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図６に示した半導体素子の製造過程におけるＳｉＮｘ膜エッチング除去後の基板を示す平面図及びＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図６に示した半導体素子の製造過程における絶縁層構成後の基板を示す平面図及びＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図１３】（ａ）、（ｃ）、（ｅ）は、被検出物体が発光部の光を受光する領域を説明する図、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は、受光部が反射光を受光する領域を説明する図。
【図１４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ被検出物体の位置と受光部の受光量との関係を説明する図。
【図１５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ発光部及び受光部の平面形状を示す概略図。
【図１６】発光素子チップ及び受光素子チップが異なるフレームに搭載された従来の反射型センサの一例を示す模式図。
【図１７】発光素子チップ及び受光素子チップが同じステムに搭載された従来の反射型センサの一例を示す平面図及びＡ−Ａ線に沿う断面図。
【符号の説明】
【００５５】
１…反射型センサ
７…凸型レンズ
８…基板
９…基板の上面
１０…発光部
１１…受光部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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