CN104919731A - 光互联装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光互联装置，其能够提高基板上的发光元件或受光元件的对准精确度，即使在转接一个基板进行光信号的接收和发送的情况下，也能够以比较简单的制造工序来形成，即使以高密度配置发光元件或受光元件的情况下也抑制基板之间信号传输的串扰。本发明的光互联装置(1)在层叠配置的多个半导体基板(10)之间进行光信号的接收和发送，其中，配置于一个半导体基板(10)的发光元件(2)或受光元件(3)具备将半导体基板(10)作为共同的半导体层的pn接合部(10pn)，且形成于半导体基板(10)的一面侧，在不同的半导体基板(10)之间进行光信号的接收和发送的一对发光元件(2)和受光元件(3)中，由该发光元件(2)发出的光透过半导体基板(10)而被该受光元件(3)接收。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够实现基板之间的光互联的光互联装置。
背景技术
在利用光纤的长距离信号传输领域中，光互联发挥高速、大容量的传输、优异的耐噪音性、电缆细径化等特征，目前正广为普及。另一方面，为了进一步推进信息处理装置内的信息处理速度的高速化，所谓板之间、芯片之间或芯片内的极短距离的光互联必不可少，为此目前正在进行技术开发。
近年来，为了实现半导体基板的高密度安装，提出有一种层叠配置半导体基板的3维安装技术。基板之间的光互联作为不进行基于导电线的连接或利用光纤的连接便实现该被层叠配置的半导体基板之间的信号传输的技术而备受关注。下述专利文献1中所记载的以往技术中示出，层叠配置多个光传输基板，在设置于一个基板的发光元件与设置于另一基板的受光元件之间进行光信号的接收和发送。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2000-277794号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
当层叠配置多个基板，在设置于一个基板的发光元件与设置于另一基板的受光元件之间进行光信号的接收和发送时，需要使进行接收和发送的发光元件和受光元件的位置在不同的基板上进行高精确度的对位，发光元件或受光元件在基板上的对准精确度便成为问题。尤其，在基板上安装发光元件或受光元件时，需要在进行高精确度的对位之后在基板上安装发光元件或受光元件，存在制造工序变得复杂的问题。
在层叠配置多个基板的光互联中，尤其，当转接一个基板来接收从一个基板传送过来的光信号并向另一基板发送时，需要在一个基板的一面侧配置受光元件，而在另一面侧配置发光元件，由于需要在基板的两侧形成发光元件或受光元件，因此存在制造工序变得更复杂的问题。
并且，在基板上高密度地配置发光元件或受光元件时，即使在不同的基板之间以高精确度被对位的一对发光元件与受光元件之间进行光信号的接收和发送时，有时发光元件和受光元件的定向性较弱，存在产生信号的误传输(串扰)的问题，即受光元件接收原本不应接收的从一个发光元件发出的光信号的问题。
本发明将应对这种问题作为课题的一例。即，本发明的目的在于，以比较简单的制造工序能够提高基板上的发光元件或受光元件的对准精确度，即使在转接一个基板进行光信号的接收和发送时也能够以比较简单的制造工序形成，即使在高密度地配置发光元件或受光元件的情况下也能够抑制基板之间信号传输的串扰等。
用于解决技术课题的手段
为了实现这种目的，基于本发明的光互联装置至少具备以下结构。
一种光互联装置，其在层叠配置的多个半导体基板之间进行光信号的接收和发送，其中，配置于一个所述半导体基板的发光元件或受光元件具备将所述半导体基板作为共同的半导体层的pn接合部，且形成于所述半导体基板的一面侧，在不同的所述半导体基板之间进行光信号的接收和发送的一对所述发光元件和所述受光元件中，由该发光元件发出的光透过所述半导体基板而被该受光元件接收。
发明效果
根据具有这种特征的光互联装置，多个发光元件或受光元件具备将半导体基板作为共同的半导体层的pn接合部，并且利用半导体光刻技术在一个半导体基板上制造，因此能够以比较简单的制造工序来提高发光元件或受光元件在半导体基板中的对准精确度。
在不同的半导体基板之间进行光信号的接收和发送的一对发光元件和受光元件中，由该发光元件发出的光透过半导体基板而被该受光元件接收，因此仅在半导体基板的一面侧配置发光元件或受光元件而能够形成中继基板。由此，也能够以比较简单的制造工序形成具备发光元件或受光元件的中继基板。
在不同的半导体基板之间进行光信号的接收和发送的一对发光元件和受光元件分别进行共同波长的发光和受光，从而，即使在高密度地配置发光元件或受光元件的情况下，也能够抑制基板之间(芯片之间)信号传输的串扰。
在不同的半导体基板之间进行光信号的接收和发送的一对发光元件和受光元件中，由该发光元件发出的光经由聚光机构而被该受光元件接收，从而，即使在高密度地配置发光元件或受光元件的情况下，也能够抑制基板之间(芯片之间)信号传输的串扰。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的说明图。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的说明图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置中的发光元件或受光元件的结构例的说明图。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的发光元件或受光元件的形成方法的说明图。
图5是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置中的发光元件或受光元件的具体例的说明图((a)表示剖面结构，(b)表示平面结构)。
图6是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的发光元件或受光元件的具体的形成方法的说明图((a)、(b)、(c)、(d)表示各工序)。
图7是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的方式例的说明图。
图8是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的方式例的说明图。
图9是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的方式例的说明图。
图10是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的方式例的说明图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。图1及图2是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的说明图。光互联装置1具备层叠配置的多个半导体基板10(10-1、10-2)，并在多个半导体基板10(10-1、10-2)之间进行光信号的接收和发送。图示例中，层叠配置有2片半导体基板10，但并不限于此，层叠配置2片以上的半导体基板10即可。
一个半导体基板10上配置有发光元件2或受光元件3。发光元件2或受光元件3可为多个也可为一个。配置多个发光元件2或受光元件3时的配置方式并无特别的限定，包括点阵形状排列、条纹状排列、直线状排列等任意排列。并且，也可在一个半导体基板10上仅配置发光元件2，而在另一半导体基板10上仅配置受光元件3。各半导体基板10上，除了发光元件2和受光元件3以外，还能够形成或安装用于驱动发光元件2或受光元件3的驱动电路、向发光元件2的驱动电路输出信号的运算处理电路(集成电路)、输入来自受光元件3的驱动电路的信号的运算处理电路(集成电路)等。
在光互联装置1中，配置于一个半导体基板10的发光元件2或受光元件3具备将半导体基板10作为共同的半导体层的pn接合部10pn。除此之外，配置于一个半导体基板10的发光元件2或受光元件3形成于半导体基板10的一面侧。
在不同的半导体基板10(半导体基板10-1和半导体基板10-2)之间进行光信号的接收和发送的一对发光元件2和受光元件3中，由发光元件2发出的光透过半导体基板10而被受光元件3接收。通过发光元件2和受光元件3能够形成2个形态的收发部11(11a、11b)。在收发部11a中，由发光元件2发出的光透过形成有该发光元件2的半导体基板10而被形成于另一半导体基板10的受光元件3接收。并且，在收发部11b中，由发光元件2发出的光透过另一半导体基板10而被形成于该半导体基板10的受光元件3接收。
图2所示的光互联装置1中，在不同的半导体基板10(10-1、10-2)之间进行光信号的接收和发送的一对发光元件2(2-1、2-2)和受光元件3(3-1、3-2)分别进行共同波长的发光和受光。具体而言，当为半导体基板10-1中的一个发光元件2-1和半导体基板10-2中的一个受光元件3-1进行光信号的发送和接收时，发光元件2-1具有发射波长为λ1的光的功能，受光元件3-1具有仅接收波长为λ1的光的功能。在此，所谓波长为λ1的光包括具有中心波长接近λ1的波长频带的光。
并且，相邻配置于一个半导体基板10-1的发光元件2-1、2-2进行不同波长的发光，相邻配置于一个半导体基板10-2的受光元件3-1、3-2进行不同波长的受光。即，在半导体基板10-1中发光元件2-1、2-2相邻配置，且在半导体基板10-2中与发光元件2-1、2-2对应的受光元件3-1、3-2相邻配置时，发光元件2-1以波长λ1发光，受光元件3-1仅接收波长为λ1的光，发光元件2-2以波长λ2发光，受光元件3-2仅接收波长为λ2的光。
在此，关键在于波长λ1与波长λ2为能够透过半导体基板10的波长。例如，当半导体基板10为Si基板时，波长λ1、λ2的光为近红外以上的长波长光。
在图2所示的光互联装置1中，在不同的半导体基板10(10-1、10-2)之间进行光信号的接收和发送的一对发光元件2和受光元件3中，由发光元件2发出的光经由聚光机构4被受光元件3接收。图示例中，聚光机构4由透镜部4A构成，在一面侧形成有发光元件2或受光元件3的半导体基板10的另一面侧形成有透镜部4A。该透镜部4A能够通过以蚀刻等加工半导体基板10的表面而形成。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置中的发光元件或受光元件的结构例的说明图。在光互联装置1中，配置于半导体基板10的发光元件2或受光元件3具备将半导体基板10作为共同的半导体层的pn接合部10pn。具体而言，在半导体基板10形成有作为共同的半导体层的第1半导体层10n和第2半导体层10p，在第1半导体层10n和第2半导体层10p的边界附近形成有pn接合部10pn。
若举出具体例，则半导体基板10为Si(硅)基板(单晶基板)，第1半导体层10n为对半导体基板10掺杂选自15族元素例如As(砷)、P(磷)、Sb(锑)的杂质的n型Si层，第2半导体层10p为对第1半导体层10n掺杂选自13族元素例如B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)的杂质的p型半导体层。
发光元件2或受光元件3中，按每一个各发光元件2或受光元件3被隔离的第2半导体层10p的周围被绝缘膜5划分，在第2半导体层10p连接有电极6。在发光元件2中，对pn接合部10pn施加正向电压而驱动发光元件2的驱动电路7连接在电极6上。在受光元件3中，检测通过光入射到pn接合部10pn而产生的电压来驱动受光元件3的驱动电路7连接在电极6上。第1半导体层10n在图示例中接地。
4图是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的发光元件或受光元件的形成方法的说明图。形成于半导体基板10的发光元件2或受光元件3将S i(硅)基板用作半导体基板10，对Si基板掺杂选自15族元素例如As(砷)、P(磷)、Sb(锑)的杂质而形成成为共同的n型Si层的第1半导体层10n，通过在该第1半导体层10n掺杂杂质而形成第2半导体层(p型半导体层)10p。
硅(Si)是间接跃迁型半导体且发光效率较低，仅通过形成pn接合部则无法获得有用的发光，但是以光辅助状态对Si基板进行退火而在pn接合部附近产生修整光子，使作为间接跃迁型半导体的Si变化成犹如直接跃迁型半导体，由此得以实现高效率、高输出的pn接合型发光或pn接合型受光功能。
更具体而言，对掺杂有选自15族元素例如As(砷)、P(磷)、Sb(锑)的杂质的n型Si层(第1半导体层10n)，以高浓度掺杂选自13族元素例如B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)的杂质而形成第2半导体层(p型半导体层)10p。之后，形成包围第2半导体层10p的绝缘膜5，对连接于第2半导体层10p的电极施加正向电压Va而使电流流过pn接合部10pn，以由该电流而产生的焦耳热对第2半导体层10p实施退火处理。
以退火处理使选自13族元素例如B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)的杂质扩散的过程中，向pn接合部10pn照射特定波长λ的光。通过退火过程中的光照射，能够在pn接合部10pn附近产生修整光子。这样产生修整光子的pn接合部10pn，若向pn接合部10pn施加正向电压，则发出与退火过程中所照射的光的波长λ相同波长的光。并且，pn接合部10pn作为对波长λ的光具有峰值灵敏度的受光部而发挥作用。此时，作为13族元素的杂质而选择B(硼)时的掺杂条件的一例为，掺杂密度：5×1013/cm2，打入时加速能量：700keV。
在不同的半导体基板10(10-1、10-2)之间分别形成进行光信号的接收和发送的一对发光元件2和受光元件3时，将前述退火处理过程中所照射的光的波长设为相同波长λ。由此，通过所述退火处理过程中照射的光的波长，发光元件2的发光波长和受光元件3的受光波长被确定为λ。在此被选择的波长λ为能够透过半导体基板10的光的波长，当半导体基板10为Si基板时，选择近红外以上的长波长光。
在此，发光元件2和受光元件3具备相同结构，由此能够使作为发光元件2而发挥作用的元件作为受光元件3发挥作用，与此相反，能够使作为受光元件3而发挥作用的元件作为发光元件2发挥作用。该切换能够通过光互联装置1的外围电路进行任意切换，通过该切换能够任意地改变光信号的传输路径。
图5是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置中的发光元件或受光元件的具体例的说明图。(a)表示剖面结构，(b)表示平面结构。发光元件2或受光元件3中，分别在半导体基板10具备包围pn接合部10pn的绝缘性元件分离层20，在半导体基板10的一面侧，在元件分离层20的内侧配置成为p层电极和n层电极中的一个电极的第1电极21，并且在元件分离层20的外侧配置成为p层电极和n层电极中的另一个电极的第2电极22。
更具体而言，第1电极21为透光性p层电极21p，第2电极22为金属制n层电极22n，在元件分离层20的外周部具备连接于第2电极22的n+扩散层23。在第1电极21与第2电极22上分别连接有引出配线21a、22a，包括该引出配线21a、22a在内，为了确保在第1电极21与第2电极22之间的电绝缘，层叠配备有第1层间绝缘膜24和第2层间绝缘膜25((b)中省略图示第1层间绝缘膜24和第2层间绝缘膜25)。
具备这种结构的发光元件2或受光元件3在第1电极21上形成有发光部2S或受光部3S，在发光部2S或受光部3S中的半导体基板10的另一面侧(未形成有第1电极21的一侧)形成有透光部10S。由此，可进行经由半导体基板10的透光部10S的发光或受光。在此，从第1电极21朝向第2电极22的电流的流动沿n+扩散层23形成有流路，因此在发光部2S或受光部3S内能够获得比较均匀的发光或受光特性。所述n+扩散层23形成于包围pn接合部10pn的元件分离层20的外周部。
第6图是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的发光元件或受光元件的具体的形成方法的说明图。首先，如(a)所示，加工半导体基板10(Si基板)而形成用于形成元件分离层20的槽部20e。该槽部20e例如能够通过各向异性蚀刻等形成，以包围发光部或受光部的方式形成。在形成槽部20e之后，通过n型杂质的离子注入等而形成n+扩散层23。n+扩散层23在槽部20e的底部以及外侧形成通道扩散层23a，另外，在半导体基板10的表面形成用于保持与第2电极22的连接的接触扩散层23b。
接着，如(b)所示，在槽部20e中埋入氧化膜等绝缘膜而形成元件分离层20。并且，如(c)所示，在形成第1层间绝缘膜24并形成对n+扩散层23的接触开口之后，形成第2电极22的图形。之后，形成第2层间绝缘膜25，对成为发光部或受光部的元件分离层20的内侧进行开口，注入选自13族元素例如B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)的杂质而在元件分离层20的内侧形成pn接合部10pn。
之后，在半导体基板10上成膜ITO等透明导电膜而形成图形，由此形成第1电极21，另外，形成其他电路结构。并且，在第1电极21与第2电极22之间施加正向电压Va以使电流在pn接合部10pn流过，在以该电流产生的焦耳热进行的退火处理注入到半导体基板10的选自13族元素例如B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)的杂质扩散的过程中，对pn接合部10pn照射特定波长λ的光，通过这种退火过程中的光照射而在pn接合部10pn附近产生修整光子。
图7～图10是表示本发明的实施方式所涉及的光互联装置的方式例的说明图。图7、图8、图9在3个以上的多个半导体基板10(10-A、10-B、10-C)之间能够进行光信号的接收和发送。图5所示的方式与第2图所示的例子相同，具备作为聚光机构4的透镜部4A。透镜部4A形成于在一面侧形成有发光元件2或受光元件3的半导体基板10的另一面侧。图8所示的方式具备作为聚光机构4的单透镜4B或透镜阵列4M，单透镜4B或透镜阵列4M配置于层叠配置的半导体基板10(10-A、10-B、10-C)之间。图9所示的方式具备作为聚光机构4的菲涅耳带片4C等衍射光学元件，与图7所示的例子相同，在一面侧形成有发光元件2或受光元件3的半导体基板10的另一面侧形成有菲涅耳带片4C等衍射光学元件。
图7～图9所示的例中，在多个半导体基板10(10-A、10-B、10-C)分别形成有多个发光元件2和多个受光元件3。夹在半导体基板10-A与半导体基板10-C之间的半导体基板10-B具备接收从半导体基板10-A的发光元件2(2-3)发送的光信号的受光元件3(3-3)，并且具备用于将该接收到的信号发送给半导体基板10-C的受光元件3(3-4)的发光元件2(2-4)。此时，半导体基板10-B作为中继基板而发挥作用。
并且，夹在半导体基板10-A与半导体基板10-C之间的半导体基板10-B具备接收从半导体基板10-A的发光元件2(2-5)以及半导体基板10-C的发光元件2(2-6)发送的光信号的受光元件3(3-5)，并且具备向半导体基板10-A的受光元件3(3-6)和半导体基板10-C的受光元件3(3-7)该两者发送光信号的发光元件2(2-7)。此时，半导体基板10-B作为信号汇集或信号发送源而发挥作用。
图10所示的例中，一对半导体基板10(10-X、10-Y)中的一个基板上形成有多个发光元件2，而在另一个基板上形成有多个受光元件3。半导体基板10-X中多个发光元件2的排列位置与半导体基板10-Y中多个受光元件3的排列位置的关系为关于透镜部4A的共轭关系，通过透镜部4A在半导体基板10-Y上的多个受光元件3上形成半导体基板10-X中的多个发光元件2的图像。此时，进行光信号的接收和发送的一对发光元件2和受光元件3位于共轭的位置，从发光元件2-A、2-B、2-C、2-D发出的光信号分别被位于对角位置的受光元件3-D、3-C、3-B、3-A接收。
以上说明的本发明的实施方式所涉及的光互联装置中，多个发光元件2或受光元件3具备将半导体基板10作为共同的半导体层的pn接合部10pn，利用半导体光刻技术在一个半导体基板10被制造出来，因此能够以比较简单的制造工序来提高发光元件2或受光元件3在半导体基板10中的对准精确度。并且，在不同的半导体基板10之间进行光信号的接收和发送的一对发光元件2和受光元件3分别进行共同波长的发光和受光，因此能够抑制半导体基板10之间(芯片之间)的信号传输串扰。
并且，形成于半导体基板10的发光元件2或受光元件3只要形成于半导体基板10的一面侧即可，因此与在半导体基板10的两面形成发光元件或受光元件相比，能够简单地形成。
并且，通过经由聚光机构4使受光元件3接收由发光元件2发出的光，即使在半导体基板10高密度地配置发光元件2或受光元件3的情况下，也能够抑制半导体基板10之间(芯片之间)的信号传输串扰。
尤其，如图7～图9所示，即使在一个半导体基板10(10-B)与配置于其两面侧的半导体基板10(10-A、10-C)之间进行光信号的接收和发送的情况下，也能够透过半导体基板10而进行光信号的接收和发送，因此可以为在一个半导体基板10中仅在一面侧配置发光元件2或受光元件3的方式，包括元件之间的对准等在内能够进行比较简单的制造。
以上，参考附图对于本发明的实施方式进行了详细的叙述，但具体结构并不限于这些实施方式，即使在不脱离本发明宗旨的范围内有设计变更等，也包含于本发明中。并且，上述各实施方式只要其目的及结构等不存在特别矛盾或问题，就可以沿用相互的技术进行组合。
附图标记说明
1-光互联装置，2-发光元件，2S-发光部，3-受光元件，3S-受光部，4-聚光机构，5-绝缘膜，6-电极，7-驱动电路，10-半导体基板，10n-第1半导体层(n型Si层)，10p-第2半导体层(p型半导体层)，10pn-pn接合部，20-元件分离层，21-第1电极，22-第2电极，23-n+扩散层，24-第1层间绝缘层，25-第2层间绝缘层。
Claims (11)
1.一种光互联装置，其在被层叠配置的多个半导体基板之间进行光信号的接收和发送，该光互联装置的特征在于，
配置于一个所述半导体基板的发光元件或受光元件具备将所述半导体基板作为共同的半导体层的pn接合部，且形成于所述半导体基板的一面侧，
在不同的所述半导体基板之间进行光信号的接收和发送的一对所述发光元件和所述受光元件中，由该发光元件发出的光透过所述半导体基板而被该受光元件接收。
2.根据权利要求1所述的光互联装置，其特征在于，
在不同的所述半导体基板之间进行光信号的接收和发送的一对所述发光元件和所述受光元件分别进行共同波长的发光和受光。
3.根据权利要求1或2所述的光互联装置，其特征在于，
在不同的所述半导体基板之间进行光信号的接收和发送的一对所述发光元件和所述受光元件中，由该发光元件发出的光经由聚光机构被该受光元件接收。
4.根据权利要求3所述的光互联装置，其特征在于，
所述聚光机构形成于所述半导体基板的另一面侧。
5.根据权利要求3所述的光互联装置，其特征在于，
所述聚光机构配置于一对所述半导体基板之间。
6.根据权利要求3所述的光互联装置，其特征在于，
所述聚光机构为透镜。
7.根据权利要求3所述的光互联装置，其特征在于，
所述聚光机构为衍射光学元件。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的光互联装置，其特征在于，
所述pn接合部通过对作为所述共同的半导体层的第1半导体层以高浓度掺杂杂质而获得的第2半导体层边照射光，边实施退火处理而获得，
所述发光元件或所述受光元件的发光波长或受光波长分别通过在所述退火处理中照射的光的波长而被确定。
9.根据权利要求8所述的光互联装置，其特征在于，
所述半导体基板为Si基板，
所述第1半导体层为对所述半导体基板掺杂15族元素的n型半导体层，
所述第2半导体层为作为所述杂质而掺杂13族元素的p型半导体层。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的光互联装置，其特征在于，
所述发光元件或所述受光元件分别具备在所述半导体基板上包围所述pn接合部的绝缘性元件分离层，
在所述半导体基板的一面侧，在所述元件分离层的内侧配置成为p层电极和n层电极中的一个电极的第1电极，并且，在所述元件分离层的外侧配置成为p层电极和n层电极中的另一个电极的第2电极。
11.根据权利要求10所述的光互联装置，其特征在于，
所述第1电极为透光性p层电极，
所述第2电极为金属制n层电极，
在所述元件分离层的外周部具备连接于所述第2电极的n+扩散层。
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