CN111418074A - 光半导体装置 - Google Patents

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Abstract

目的在于得到一种能够削减部件数量以及制造工序数、能够小型化的对光进行处理的光半导体装置。本发明的光半导体装置(50)具有：半导体基板(11)；光通信部，其设置于半导体基板(11)，是接受光信号(8a、8b)的受光部(12)或者发出光信号(9a、9b)的发光部(91)；层间膜(31)，其覆盖半导体基板(11)以及光通信部；菲涅尔透镜(61)，其设置于层间膜(31)的在远离半导体基板(11)侧被平坦化的面，供光信号穿过；以及保护膜(81)，其覆盖菲涅尔透镜(61)以及层间膜(31)，且折射率大于层间膜(31)，保护膜(81)的远离层间膜(31)侧的面被平坦化。

Description

光半导体装置
技术领域
本发明涉及一种对光进行处理的半导体装置即光半导体装置，该光半导体装置是接受(接收)光的平面受光半导体装置、发出(发送)光的平面发光半导体装置、包含接受光的平面受光元件以及发出光的平面发光元件等光元件的半导体装置等。
背景技术
在专利文献1中公开了一种光学式距离传感器，其采用了混合集成电路(模块)的方式，即，将发光元件、位置检测受光元件、控制处理用集成电路安装于引线框，在发光元件以及位置检测受光元件的上方分别组合了发光侧透镜以及受光侧透镜。在专利文献2中公开了一种光半导体元件(半导体装置)，其采用了混合集成电路(模块)的方式，即，在半导体基板的外延层形成光元件以及电气功能元件，在半导体基板的上方配置形成有微透镜的盖基板，针对半导体基板和盖基板，通过在外周侧形成的封装构造而对内部进行封装。在专利文献3中公开了一种受光模块，其在形成有配线图案的有机膜内，加热以及加压而埋入了集成电路部件、光电转换元件，在光电转换元件上方的有机膜表面形成有凸透镜。在专利文献4中公开了一种红外线受光集成电路，其在安装有红外线受光元件的硅晶片背面形成有透镜。
专利文献1：日本特开2009-97872号公报(图1)
专利文献2：日本专利4984170号公报(图1)
专利文献3：日本专利4152684号公报(图3)
专利文献4：日本特表2016-526155号公报
发明内容
迄今为止，就半导体集成电路而言，通常进行与使用了铝等金属配线的功能电路间的信号传输相伴的信号处理。但是，随着传递信息量的扩大化、通信速度的高速化，就使用了基于金属配线的电信号的半导体集成电路而言，消耗电力的增大、信号处理速度的极限迫近，例如能够进行基于光信号的功能电路间传输的光半导体装置的实用化成为当务之急。具有专利文献1～3所公开的发光元件或者受光元件的以往的光半导体装置采取混合集成电路的方式，因此为了对发光元件或/及受光元件的光信号进行会聚，除了半导体装置以外，需要在半导体装置制造后另行安装透镜。因此，以往的光半导体装置随着部件数量的增加，制造工序数增加，小型化也有限。
本发明就是为了解决上述问题而提出的，目的在于得到一种能够削减部件数量以及制造工序数、能够小型化的对光进行处理的光半导体装置。
本发明的光半导体装置具有：半导体基板；光通信部，其设置于半导体基板，是接受光信号的受光部或者发出光信号的发光部；层间膜，其覆盖半导体基板以及光通信部；菲涅尔透镜，其设置于层间膜的在远离半导体基板侧被平坦化的面，供光信号穿过；以及保护膜，其覆盖菲涅尔透镜以及层间膜，且折射率大于层间膜，保护膜的远离层间膜侧的面被平坦化。
发明的效果
本发明的光半导体装置在对接受或者发出光信号的光通信部进行覆盖的层间膜的被平坦化的面设置有供光信号穿过的菲涅尔透镜，被平坦化的保护膜覆盖菲涅尔透镜以及层间膜，因此，能够削减部件数量以及制造工序数，能够小型化。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。
图2是说明图1的光半导体装置的晶片制造工序的图。
图3是说明图1的光半导体装置的晶片制造工序的图。
图4是说明图1的光半导体装置的晶片制造工序的图。
图5是说明图1的光半导体装置的晶片制造工序的图。
图6是说明图1的光半导体装置的晶片制造工序的图。
图7是说明图1的光半导体装置的晶片制造工序的图。
图8是表示图1的菲涅尔透镜的上表面形状的第一例的图。
图9是表示图1的菲涅尔透镜的上表面形状的第二例的图。
图10是表示图1的菲涅尔透镜的上表面形状的第三例的图。
图11是表示本发明的实施方式2所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。
图12是表示本发明的实施方式3所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。
图13是表示本发明的实施方式4所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。
图14是表示本发明的实施方式4所涉及的其他光半导体装置的剖面构造的示意图。
图15是表示本发明的实施方式5所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。
图16是表示本发明的实施方式5所涉及的其他光半导体装置的剖面构造的示意图。
图17是表示本发明的实施方式6所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。
图18是表示图17的单侧菲涅尔透镜的上表面形状的图。
图19是表示本发明的实施方式6所涉及的其他光半导体装置的剖面构造的示意图。
图20是表示本发明的实施方式7所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。
图21是说明图20的光半导体装置的晶片制造工序的图。
图22是说明图20的光半导体装置的晶片制造工序的图。
图23是表示图20的菲涅尔透镜的上表面形状的图。
图24是表示本发明的实施方式8所涉及的菲涅尔透镜的上表面形状的图。
图25是表示本发明的实施方式8所涉及的透镜阵列的上表面形状的图。
图26是表示本发明的实施方式8所涉及的光半导体装置的上表面的示意图。
图27是表示图26的光半导体装置的剖面构造的示意图。
具体实施方式
这里，关于光的信号即光信号，将“接收光信号”表示为“接受光信号”，将“发送光信号”表示为“发出光信号”。
实施方式1.
下面，说明本发明的一个实施方式即雪崩光电二极管(APD)等受光用光半导体装置。图1是表示本发明的实施方式1所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。图2～图7是说明图1的光半导体装置的晶片制造工序的图。图8～图10是表示图1的菲涅尔透镜的上表面形状的第一例～第三例的图。实施方式1的光半导体装置50具有：
半导体基板11；受光部12，其设置于半导体基板11，接受光信号8a、8b；SiO2类膜的层间膜31；菲涅尔透镜61，其设置于层间膜31的表面；以及SiN膜的保护膜81，其覆盖菲涅尔透镜61。半导体基板11是由单一元素或者化合物构成的半导体基板。受光部是进行光信号通信的光通信部中的具有接收功能的接收部。
说明实施方式1的光半导体装置50的晶片制造工序。首先，作为透镜形成前基板制造工序，如图2所示，在半导体基板11形成受光部12。形成有受光部12的半导体基板11是透镜形成前基板。如图3所示，在形成有受光部12的半导体基板11，通过CVD(ChemicalVaporDeposition)法等形成膜厚1.0～5.0μm的SiO2类膜(硅类氧化膜)的层间膜即层间膜21。层间膜21由于在下方的半导体基板11形成的受光部12、配线电极(未图示)的厚度而在层间膜21的表面具有凹凸。如图4所示，通过CMP(Chemical Mechanical Polish)法(化学机械磨削法)对层间膜21的表面进行磨削，将膜厚平坦化至0.5～3.0μm。被平坦化的层间膜21的标号标记为31。此外，在图1～图7中，示出了受光部12的表面和半导体基板11的表面平坦的例子，但是，有时受光部12的表面位于比半导体基板11的表面高的位置(菲涅尔透镜61侧)，或者受光部12的表面位于比半导体基板11的表面低的位置(接近半导体基板11背面侧的位置)。
接着，为了在层间膜31的表面形成菲涅尔透镜61，通过基于电子束法(EB(Electron Beam)法)的多重曝光实现的光刻技术来制作用于形成菲涅尔透镜的抗蚀层图案41。抗蚀层图案41以与菲涅尔透镜61的凹部的形状相匹配，例如凹部的深的部分的膜厚变薄而凹部的浅的部分的膜厚变厚的方式形成为阶梯状。如图5所示，通过干蚀刻法在层间膜31形成菲涅尔透镜61的凹部，从而形成凸部62a、62b、62c、62d。图15示出了菲涅尔透镜61的凹部的蚀刻中途，示出了随着凹部被蚀刻离子15蚀刻，凹部的深的部分所用的抗蚀层逐渐消失，在菲涅尔透镜61的凸部处抗蚀层图案41残留下来的状态。
如果层间膜31的蚀刻工序结束，去除了抗蚀层图案41，则在层间膜31的表面形成图6所示的具有凸部62a、62b、62c、62d的菲涅尔透镜61。图8～图10示出菲涅尔透镜61的上表面形状。图8的第一例是同心圆状形状，图9的第二例是在正方形的四角设有曲率的形状，图10的第三例是在长方形的四角设有曲率的形状。第一例～第三例的上表面形状均为同心环状。通常使用同心圆状形状的菲涅尔透镜61，但菲涅尔透镜61的上表面形状根据受光部12的形状而选择第二例的形状、第三例的形状、其他形状。就抗蚀层图案41而言，与菲涅尔透镜61的上表面形状相匹配地微细地形成抗蚀层残留宽度。用于形成图8～图10的上表面形状的抗蚀层图案41形成为，用于形成中央的凸部62a的抗蚀层残留宽度比其他凸部62b、62c、62d所用的抗蚀层残留宽度宽，用于形成凸部62b、62c、62d的抗蚀层残留宽度逐渐变窄。
在如图6所示形成了菲涅尔透镜61之后，如图7所示，为了确保耐湿性，通过CVD法等以将形成有菲涅尔透镜61的层间膜31覆盖的方式形成保护膜71，该保护膜71是折射率比SiO2类膜的层间膜31大的膜厚1.0～3.0μm的SiN膜(氮化硅膜)。由于下方的菲涅尔透镜61的凹凸形状，保护膜71的表面具有凹凸形状。保护膜71覆盖作为石英玻璃的SiO2类膜，因此也可以称为玻璃涂层膜。通过CMP法对具有凹凸形状的保护膜71的表面进行磨削，使膜厚平坦化至0.5～1.0μm。图1示出保护膜71被平坦化、晶片制造工序完成后的光半导体装置50。被平坦化的保护膜71的标号标记为81。
说明实施方式1的光半导体装置50的作用以及效果。就图1所示的雪崩光电二极管(APD)等受光用光半导体装置而言，光信号8a入射至被平坦化的SiN膜的保护膜81，通过在保护膜81下方的SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61而会聚后的光信号8b由受光部12接受。保护膜81的折射率为1.9，层间膜31的折射率为1.4，因此实施方式1的光半导体装置50与以往的使用了SiO2单层透镜的APD相比，能够使角度广的光信号会聚。另外，根据光信号8a、8b的波长，通过层间膜31的膜厚、菲涅尔透镜61的图案的同心圆间隔以及干蚀刻深度来调整菲涅尔透镜61的焦距，由此，实施方式1的光半导体装置50能够提高受光部12的受光灵敏度。另外，实施方式1的光半导体装置50由于在最上方存在保护膜81，因此确保了充分的耐湿性。
此外，菲涅尔透镜61的图案的同心圆间隔与凸部62b、62c、62d的宽度相当。以图8所示的菲涅尔透镜61的上表面形状进行说明。中央部的圆(第一圆)是凸部62a的外周圆(凸部62b的内周圆)，其外侧的圆(第二圆)是凸部62b的外周圆(凸部62c的内周圆)，其外侧的第三个圆(第三圆)是凸部62c的外周圆(凸部62d的内周圆)，最外周即第四个圆(第四圆)是凸部62d的外周圆。图8的菲涅尔透镜61的图案的第一圆与第二圆之间的间隔相当于凸部62b的宽度。同样地，图8的菲涅尔透镜61的图案中的第二圆与第三圆的间隔相当于凸部62c的宽度，第三圆与第四圆的间隔相当于凸部62d的宽度。
实施方式1的光半导体装置50与需要将受光用光半导体装置和外部透镜组装至外部封装体的以往的APD不同，在受光用光半导体装置的晶片制造工序中形成了菲涅尔透镜61，因此与以往相比，能够减少部件数量，能够小型化。另外，实施方式1的光半导体装置50由于在受光用半导体装置的晶片制造工序中形成了菲涅尔透镜61，因此能够省略将外部透镜组装至外部封装体的工序，能够削减制造工序数。实施方式1的光半导体装置50通过削减部件数量以及制造工序数，能够低成本化。并且，实施方式1的光半导体装置50由于受光灵敏度提高，因此还能够低消耗电力化。
如上所述，实施方式1的光半导体装置50具有：半导体基板11；光通信部，其设置于半导体基板11，是接受光信号8a、8b的受光部12；层间膜31，其覆盖半导体基板11以及光通信部；菲涅尔透镜61，其设置于层间膜31的在远离半导体基板11侧被平坦化的面，供光信号8a、8b穿过；以及保护膜81，其覆盖菲涅尔透镜61以及层间膜31，且折射率大于层间膜31，保护膜81的远离层间膜31侧的面被平坦化。实施方式1的光半导体装置50在将接受(或者发出)光信号8a、8b的光通信部覆盖的层间膜31的被平坦化的面设置供光信号8a、8b穿过的菲涅尔透镜61，被平坦化的保护膜81覆盖菲涅尔透镜61以及层间膜31，因此，能够削减部件数量以及制造工序数，能够小型化。
实施方式2.
图11是表示本发明的实施方式2所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。实施方式2的光半导体装置50是激光二极管或者发光二极管等发光用半导体装置的例子。实施方式2的光半导体装置50具有：半导体基板11；发光部91，其设置于半导体基板11，发出光信号9a、9b；SiO2类膜的层间膜31；菲涅尔透镜61，其设置于层间膜31的表面；以及SiN膜的保护膜81，其覆盖菲涅尔透镜61。发光部是进行光信号的通信的光通信部中的具有发送功能的发送部。实施方式2的光半导体装置50与实施方式1的光半导体装置50的不同点在于，取代受光部12而在半导体基板11形成有发光部91。实施方式2的光半导体装置50的晶片制造工序与实施方式1相同。此外，在透镜形成前基板制造工序中，在半导体基板11形成发光部91。形成有发光部91的半导体基板11是透镜形成前基板。
说明实施方式2的光半导体装置50的作用以及效果。就图11所示的激光二极管或者发光二极管等发光用半导体装置而言，从发光部91发出的光信号9a被在SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61折射，穿过在其上方形成的SiN膜的保护膜81向外部射出。由于保护膜81的折射率为1.9，保护膜81的折射率大于层间膜31的折射率1.4，因此在层间膜31与保护膜81的边界，光信号被进一步向中心侧折射，因此能够防止光信号9a、9b的分散、减少。
实施方式2的光半导体装置50与需要将发光用半导体装置和外部透镜组装至外部封装体的以往的光半导体装置不同，在发光用半导体装置的晶片制造工序中形成了菲涅尔透镜61，因此，与以往相比，能够减少部件数量，能够小型化。另外，实施方式2的光半导体装置50由于在发光用半导体装置的晶片制造工序中形成了菲涅尔透镜61，因此能够省略将外部透镜组装至外部封装体的工序，能够削减制造工序数。实施方式2的光半导体装置50通过削减部件数量以及制造工序数，能够低成本化。并且，实施方式2的光半导体装置50由于能够防止光信号9a、9b的分散、减少，因此还能够低消耗电力化。
如上所述，实施方式2的光半导体装置50具有：半导体基板11；光通信部，其设置于半导体基板11，是发出光信号9a、9b的发光部91；层间膜31，其覆盖半导体基板11以及光通信部；菲涅尔透镜61，其设置于层间膜31的在远离半导体基板11侧被平坦化的面，供光信号9a、9b穿过；以及保护膜81，其覆盖菲涅尔透镜61以及层间膜31，且折射率大于层间膜31，保护膜81的远离层间膜31侧的面被平坦化。实施方式2的光半导体装置50在将发出光信号9a、9b的光通信部覆盖的层间膜31的被平坦化的面设置有供光信号9a、9b穿过的菲涅尔透镜61，被平坦化的保护膜81覆盖菲涅尔透镜61以及层间膜31，因此，能够削减部件数量以及制造工序数，能够小型化。
实施方式3.
图12是表示本发明的实施方式3所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。实施方式3的光半导体装置50是具有集成电路、发光部、受光部的光传感器等高功能光半导体装置的例子。实施方式3的光半导体装置50具有：半导体基板101，其形成有信号处理电路等集成电路104、电源电路等集成电路105；发光部102，其设置于(形成或者安装于)半导体基板101，发出光信号9a、9b；受光部103，其设置于(形成或者安装于)半导体基板101，接受光信号8a、8b；SiO2类膜的层间膜31；菲涅尔透镜61a、61b，它们设置于层间膜31的表面；以及SiN膜的保护膜81，其覆盖菲涅尔透镜61a、61b。发光部102是激光二极管或者发光二极管等平面发光构造部。受光部103是雪崩光电二极管(APD)等平面受光构造部。菲涅尔透镜61a是在受光部103的上方即层间膜31的表面(与半导体基板101相反侧的面)形成的受光用菲涅尔透镜。菲涅尔透镜61b是在发光部102的上方即层间膜31的表面(与半导体基板101相反侧的面)形成的发光用菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的标号统一地使用61，在进行区别的情况下使用61a、61b。集成电路104将由受光部103接受到的光信号8a、8b转换为电信号而进行信号处理，或者生成作为由发光部102发出的光信号9a、9b的基础的电信号。
实施方式3的光半导体装置50与实施方式1的光半导体装置50的不同点在于，发光部102、集成电路104、105与受光部103一起形成于半导体基板101。实施方式3的光半导体装置50的晶片制造工序中的被平坦化的层间膜31、菲涅尔透镜61、被平坦化的保护膜81的制造工序与实施方式1相同。在透镜形成前基板制造工序中，在半导体基板101形成集成电路104、105，然后在半导体基板101形成或者安装发光部102以及受光部103。形成有集成电路104、105且形成或者安装有发光部102以及受光部103的半导体基板11是透镜形成前基板。在将发光部102以及受光部103安装于半导体基板101的情况下，将形成为芯片状的平面发光构造部以及平面受光构造部安装于半导体基板101。此外，集成电路104、105例如形成于图12中的纸面里侧，因此通过虚线框表示。
说明实施方式3的光半导体装置50的作用以及效果。从图12所示的激光二极管或者发光二极管等平面发光构造部即发光部102发出的光信号9a被在SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61b折射，穿过在其上方形成的SiN膜的保护膜81而向外部射出。由于保护膜81的折射率为1.9，保护膜81的折射率大于层间膜31的折射率1.4，因此在层间膜31与保护膜81的边界，光信号被进一步向中心侧折射，因此能够防止光信号9a、9b的分散、减少。
从发光部102发出的光信号9b碰到障碍物、门等对象物而反射。该反射后的光信号作为光信号8a入射至光半导体装置50。光信号8a入射至被平坦化的SiN膜的保护膜81，通过在保护膜81下方的SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61而会聚后的光信号8b被半导体基板101之上形成或者安装的雪崩光电二极管(APD)等平面受光构造部即受光部103接受。保护膜81的折射率为1.9，层间膜31的折射率为1.4，因此实施方式3的光半导体装置50与以往的使用了SiO2单层透镜的APD相比，能够使角度广的光信号会聚，能够提高受光部103的受光灵敏度。因此，即使光信号8a、8b微弱，实施方式3的光半导体装置50也能够检测到。
接受到的光信号8b由在半导体基板101形成的信号处理电路等集成电路104进行模拟或数字信号处理，由集成电路104计算对象物的存在、距离、位置，将对象物的存在、距离、位置传送至光半导体装置50的外部的其他控制系统。另外，根据光信号8a、8b、9a、9b的波长，通过SiO2类膜的层间膜31的厚度、菲涅尔透镜61a、61b的图案的同心圆间隔以及干蚀刻深度来调整菲涅尔透镜61a、61b的焦距。另外，实施方式3的光半导体装置50由于在最上方存在保护膜81，因此确保了充分的耐湿性。
实施方式3的光半导体装置50与需要采用将具有平面发光元件、平面受光元件的半导体装置和外部透镜组装至外部封装体的模块的方式的以往的光半导体装置不同，在同一半导体基板101之上形成或者安装有发光部102和受光部103，且形成有集成电路104、103，在光半导体装置的晶片制造工序中形成了菲涅尔透镜61，因此，与以往相比，能够减少部件数量，能够小型化。实施方式3的光半导体装置50由于在光半导体装置的晶片制造工序中形成了菲涅尔透镜61，因此能够省略将外部透镜组装至外部封装体的工序，能够削减制造工序数，能够简化制造工序。实施方式3的光半导体装置50通过减少部件数量以及制造工序数，能够低成本化。即使光信号8a、8b微弱，实施方式3的光半导体装置50也能够检测到，受光部103的受光灵敏度提高，因此还能够低消耗电力化。通过像实施方式3的光半导体装置50这样构成，能够得到具有如下特性的光传感器等高功能光半导体装置，即，与以往相比，制造工序简化，能够小型化、低成本化，并且，通过防止从发光部102发出的光信号9a、9b的分散、减少，还能够高灵敏度化、低消耗电力化。
实施方式4.
图13是表示本发明的实施方式4所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。实施方式4的光半导体装置50是具有2个具有集成电路、发光部、受光部的实施方式3的高功能光半导体装置，相互通过发光部、受光部来收发光信号(进行光信号的通信)的光半导体装置的例子。实施方式4的光半导体装置50是具有2个光收发器51、52，通过有机类或者无机类材质的层间膜113将光收发器51、52贴合后的光半导体装置。光收发器51具有：半导体基板111，其形成有信号处理电路等集成电路104、电源电路等集成电路105；发光部102，其设置于(形成或者安装于)半导体基板111，发出光信号13a；受光部103，其设置于(形成或者安装于)半导体基板111，接受光信号13b；SiO2类膜的层间膜31；菲涅尔透镜61a、61b，它们设置于层间膜31的表面；以及SiN膜的保护膜81，其覆盖菲涅尔透镜61a、61b。与实施方式3同样地，发光部102是激光二极管或者发光二极管等平面发光构造部。与实施方式3同样地，受光部103是雪崩光电二极管(APD)等平面受光构造部。光收发器51的菲涅尔透镜61a是在垂直方向上远离受光部103的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板111相反侧的面)形成的受光用菲涅尔透镜。光收发器51的菲涅尔透镜61b是在垂直方向上远离发光部102的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板111相反侧的面)形成的发光用菲涅尔透镜。
光收发器52具有：半导体基板112，其形成有信号处理电路等集成电路104、电源电路等集成电路105；发光部114，其设置于(形成或者安装于)半导体基板112，发出光信号13b；受光部115，其设置于(形成或者安装于)半导体基板112，接受光信号13a；SiO2类膜的层间膜31；菲涅尔透镜61a、61b，它们设置于层间膜31的表面；以及SiN膜的保护膜81，其覆盖菲涅尔透镜61a、61b。与实施方式3同样地，发光部114是激光二极管或者发光二极管等平面发光构造部。与实施方式3同样地，受光部115是雪崩光电二极管(APD)等平面受光构造部。光收发器52的发光部114、受光部115以分别与光收发器51的受光部103、发光部102相对的方式配置。光收发器52的菲涅尔透镜61a是在垂直方向上远离受光部115的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板112相反侧的面)形成的受光用菲涅尔透镜。光收发器52的菲涅尔透镜61b是在垂直方向上远离发光部102的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板112相反侧的面)形成的发光用菲涅尔透镜。
图13示出了通过有机类或者无机类材质的层间膜113将2个光收发器51、52贴合后的光半导体装置50的例子。但是，由于光收发器51、52的在垂直方向上远离半导体基板111、112的最远方的表面是被平坦化的保护膜81，因此如图14所示，也可以通过范德华力直接将光收发器51与光收发器52密接贴合。图14是表示本发明的实施方式4所涉及的其他光半导体装置的剖面构造的示意图。图14所示的其他光半导体装置50与图13所示的光半导体装置50的不同点在于，没有层间膜113，光收发器51与光收发器52通过范德华力直接密接贴合。
说明实施方式4的光半导体装置50的作用以及效果。从图13所示的激光二极管或者发光二极管等平面发光构造部即发光部102发出的光信号13a被在SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61b折射，穿过在其行进方向的远方部形成的SiN膜的保护膜81。由于保护膜81的折射率为1.9，保护膜81的折射率大于层间膜31的折射率1.4，因此在层间膜31与保护膜81的边界，光信号被进一步向中心侧折射，因此能够防止光信号13a的分散、减少。
从发光部102发出的光信号13a穿过有机类或者无机类材质的层间膜113，被在光收发器52的半导体基板112形成或安装的雪崩光电二极管(APD)等平面受光构造部即受光部115接受。入射至光收发器52的光信号13a首先入射至被平坦化的SiN膜的保护膜81，通过在与保护膜81相比更靠半导体基板112侧的SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61a会聚，由受光部115接受。保护膜81的折射率为1.9，层间膜31的折射率为1.4，因此光收发器52的受光部115与以往的使用了SiO2单层透镜的APD相比，能够使角度广的光信号会聚，能够提高受光部115的受光灵敏度。因此，即使光信号13a微弱，光收发器52的受光部115也能够检测到。
由光收发器52的受光部115接受的光信号13a由在半导体基板112形成的信号处理电路等集成电路104进行模拟或者数字信号处理，作为光信号13b从发光部114发送。从光收发器52的发光部114发出的光信号13b以与光信号13a相反的方向穿过在SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61b、SiN膜的保护膜81、以及有机类或者无机类材质的层间膜113，被在光收发器51的SiN膜的保护膜81、SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61a会聚，被受光部103接收。
实施方式4的光半导体装置50由于两个光收发器51、52间的光通信以最短路径进行，因此能够将光信号13a、13b的输出抑制为最小限度。另外，实施方式4的光半导体装置50根据光信号13a、13b的波长以及路径，通过SiO2类膜的层间膜31的膜厚和菲涅尔透镜61a、61b的图案的同心圆间隔以及干蚀刻深度，将菲涅尔透镜61a、61b的焦距调整到最佳。另外，就实施方式4的光半导体装置50而言，在光收发器51、52的垂直方向上远离半导体基板111、112的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板111、112相反侧的面)存在保护膜81，因此确保了充分的耐湿性。
如上所述，就半导体集成电路而言，通常进行与使用了铝等金属配线的功能电路间的信号传输相伴的信号处理。即使是对光进行处理的半导体装置即光半导体装置，形成有半导体集成电路的以往的光半导体装置与包含光半导体装置的其他半导体装置之间的通信也是通过使用了金属配线的电信号进行的。基于使用了金属配线的电信号实现的通信存在发热、通信速度极限的问题，需要抑制以光信号进行通信的光半导体装置的发热，提高通信速度。在光半导体装置间实施光通信的情况下，存在光波导、光纤等部件数量的增多和平面面积的增加的问题。
与此相对，实施方式4的光半导体装置50是将两种半导体装置例如光收发器51、52贴合，在双方的通信中使用光信号，因此能够大幅削减部件数量和缩小面积。光收发器51、52在晶片制造工艺(晶片制造工序)中，在分别发送光信号的发光部102、114以及接收光信号的受光部103、115的对应的垂直方向上远离半导体基板111、112的远方侧形成了菲涅尔透镜61a、61b，因此，能够实现作为光半导体装置的光收发器51、52的小型化、低消耗电力化、低成本化。并且，将两种半导体装置例如光收发器51、52贴合后的实施方式4的光半导体装置50也能够小型化、低消耗电力化、低成本化。
实施方式4的光半导体装置50具有相互进行光通信的光收发器51、52，光收发器52的发光部114、受光部115以分别与光收发器51的受光部103、发光部102相对的方式配置，因此与以往相比能够抑制发热，能够提高通信速度。另外，实施方式4的光半导体装置50由于各个光收发器51、52具有在晶片制造工序中一体形成的发光部、受光部、菲涅尔透镜，因此能够削减各光收发器51、52的部件数量以及制造工序数，能够实现各光收发器51、52的小型化、低成本化，并且作为整体能够小型化、低成本化。
实施方式5.
图15是表示本发明的实施方式5所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。实施方式5的光半导体装置50是具有两个具有集成电路、发光部、受光部的高功能光半导体装置，相互通过发光部、受光部收发光信号(进行光信号的通信)的光半导体装置的例子。实施方式5的光半导体装置50具有：光收发器51，其具有集成电路、发光部、受光部、与外部系统电连接的电连接结构以及与外部系统进行光通信的光通信结构(外部系统光通信部)；以及光收发器52，其具有集成电路、发光部、受光部以及与光收发器51的电连接结构，光收发器51、52通过有机类或者无机类材质的层间膜113贴合。
光收发器51具有：半导体基板121，其形成有信号处理电路等集成电路104、电源电路等集成电路105；发光部102，其设置于(形成或者安装于)半导体基板121，发出光信号13a；受光部103，其设置于(形成或者安装于)半导体基板121，接受光信号13b；发光部122，其设置于(形成或者安装于)半导体基板121，且从光收发器51向外部系统发送(发出)光信号13c；受光部123，其设置于(形成或者安装于)半导体基板121，且接收(接受)从外部系统向光收发器51发送(发出)的光信号13d；电极部106，其与和光收发器51相对的光收发器52电连接；电极部107，其与外部系统电连接；SiO2类膜的层间膜31；菲涅尔透镜61a、61b，它们设置于层间膜31的表面；以及SiN膜的保护膜81，其覆盖菲涅尔透镜61a、61b。与实施方式3同样地，发光部102、122是激光二极管或者发光二极管等平面发光构造部。与实施方式3同样地，受光部103、123是雪崩光电二极管(APD)等平面受光构造部。光收发器51的2个菲涅尔透镜61a是在垂直方向上远离受光部103、123的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板121相反侧的面)形成的受光用菲涅尔透镜。光收发器51的2个菲涅尔透镜61b是在垂直方向上远离发光部102、122的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板121相反侧的面)形成的发光用菲涅尔透镜。发光部122是与外部系统进行光信号通信的外部系统光通信部中的具有发送功能的发送部。受光部123是与外部系统进行光信号通信的外部系统光通信部中的具有接收功能的接收部。与外部系统通信的发光部也能够称为外部系统发光部，与外部系统通信的受光部也能够称为外部受光部。
电极部106具有：配线电极116，其配置于半导体基板121；配线电极117，其配置于层间膜31的表面侧；连接金属118，其连接配线电极116与配线电极117；以及凸块电极124，其与配线电极117连接，以从保护膜81露出的方式配置。电极部107具有与电极部106同样的构造，具有：配线电极116，其配置于半导体基板121；配线电极117，其配置于层间膜31的表面侧；连接金属118，其连接配线电极116与配线电极117；以及凸块电极125，其与配线电极117连接，以从保护膜81露出的方式配置。电极部106与光收发器52的电极部108连接，电极部106是向光收发器52的电源供给所用、与同光收发器52的光通信无关的信号处理所用的电极部。电极部107是外部系统与光收发器51之间的电源供给所用、信号处理所用的电极部。此外，电源供给用电极部和信号处理用电极部是分开的电极部，在图15中示出了一个电极部106和一个电极部107。
光收发器52具有：半导体基板126，其形成有信号处理电路等集成电路104；发光部114，其设置于(形成或者安装于)半导体基板126，发出光信号13b；受光部115，其设置于(形成或者安装于)半导体基板126，接受光信号13a；电极部108，其与和光收发器52相对的光收发器51电连接；SiO2类膜的层间膜31；菲涅尔透镜61a、61b，它们设置于层间膜31的表面；以及SiN膜的保护膜81，其覆盖菲涅尔透镜61a、61b。与实施方式3同样地，发光部114是激光二极管或者发光二极管等平面发光构造部。与实施方式3同样地，受光部115是雪崩光电二极管(APD)等平面受光构造部。光收发器52的发光部114、受光部115以分别与光收发器51的受光部103、发光部102相对的方式配置。光收发器52的菲涅尔透镜61a是在垂直方向上远离受光部115的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板126相反侧的面)形成的受光用菲涅尔透镜。光收发器52的菲涅尔透镜61b是在垂直方向上远离发光部114的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板126相反侧的面)形成的发光用菲涅尔透镜。
电极部108具有：配线电极128，其配置于半导体基板126；配线电极129，其配置于层间膜31的表面侧；连接金属130，其连接配线电极128与配线电极129；以及凸块电极127，其与配线电极129连接，以从保护膜81露出的方式配置。电极部108与光收发器51的电极部106连接，电极部108是来自光收发器51的电源供给所用、与同光收发器51的光通信无关的信号处理所用的电极部。此外，电源供给用电极部与信号处理用电极部是分开的电极部，但在图15中示出了一个电极部108。
图15示出了通过有机类或者无机类材质的层间膜113将2个光收发器51、52贴合后的光半导体装置50的例子。但是，由于光收发器51、52的在垂直方向上远离半导体基板121、126的最远方的表面是被平坦化的保护膜81，因此如图16所示，也可以通过范德华力直接将光收发器51与光收发器52密接贴合。图16是表示本发明的实施方式5所涉及的其他光半导体装置的剖面构造的示意图。图16所示的其他光半导体装置50与图15所示的光半导体装置50的不同点在于，没有层间膜113，光收发器51与光收发器52通过范德华力直接密接贴合。
说明实施方式5的光半导体装置50的作用以及效果。实施方式5的光半导体装置50是将与外部系统电连接的电连接结构以及与外部系统进行光通信的光通信结构(外部系统光通信部)追加至在2个光收发器51、52间进行光通信的实施方式4的光半导体装置50。与实施方式4的光半导体装置50同样地，从激光二极管或者发光二极管等平面发光构造部即发光部102发出的光信号13a被在SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61b折射，穿过在其行进方向的远方部形成的SiN膜的保护膜81。由于保护膜81的折射率为1.9，保护膜81的折射率大于层间膜31的折射率1.4，因此在层间膜31与保护膜81的边界，光信号被进一步向中心侧折射，因此能够防止光信号13a的分散、减少。
从发光部102发出的光信号13a穿过有机类或者无机类材质的层间膜113，被在光收发器52的半导体基板126形成或者安装的雪崩光电二极管(APD)等平面受光构造部即受光部115接受。入射至光收发器52的光信号13a首先入射至被平坦化的SiN膜的保护膜81，通过在与保护膜81相比更靠半导体基板126侧的SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61a会聚，由受光部115接受。保护膜81的折射率为1.9，层间膜31的折射率为1.4，因此光收发器52的受光部115与以往的使用了SiO2单层透镜的APD相比，能够使角度广的光信号会聚，能够提高受光部115的受光灵敏度。因此，即使光信号13a微弱，光收发器52的受光部115也能够检测到。
由光收发器52的受光部115接受的光信号13a通过在半导体基板126形成的信号处理电路等集成电路104进行模拟或者数字信号处理，作为光信号13b从发光部114发送。从光收发器52的发光部114发出的光信号13b以与光信号13a相反的方向穿过在SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61b、SiN膜的保护膜81、有机类或者无机类材质的层间膜113，被在光收发器51的SiN膜的保护膜81、SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜61a会聚，被受光部103接收。
实施方式5的光半导体装置50由于两个光收发器51、52间的光通信以最短路径进行，因此能够将光信号13a、13b的输出抑制为最小限度。另外，实施方式5的光半导体装置50根据光信号13a、13b的波长以及路径，通过SiO2类膜的层间膜31的膜厚和菲涅尔透镜61a、61b的图案的同心圆间隔以及干蚀刻深度，将菲涅尔透镜61a、61b的焦距调整到最佳。另外，就实施方式5的光半导体装置50而言，在光收发器51、52的垂直方向上远离半导体基板121、126的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板121、126相反侧的面)存在保护膜81，因此确保了充分的耐湿性。
在光收发器51形成电极部107，进行来自外部系统的电源供给和与外部系统的电信号传输。在光收发器51形成的电极部106与在光收发器52形成的电极部108连接。从电源供给用电极部106经由电极部108向光收发器52供给电源电压以及电源电流。在电信号传输用电极部106与电信号传输用电极部107之间，传输与光通信无关的信号。
实施方式5的光半导体装置50例如沿箭头14a的方向从在光收发器51的半导体基板121形成或者安装的发光部122向外部系统发送光信号13c，由在光收发器51的半导体基板121形成或者安装的受光部123例如沿箭头14b的方向从外部系统接收光信号13d。这样，实施方式5的光半导体装置50也能够与外部系统进行光通信。
实施方式5的光半导体装置50除了实施方式4的光半导体装置50的效果之外，还能够通过电信号以及光信号与外部系统进行通信。实施方式5的光半导体装置50能够通过电信号以及光信号与外部系统进行通信，因此与将处理大量光信号的光半导体装置、不处理光信号的半导体装置、以及部件模块化而成的以往的光模块相比，各级都是小型的，并且能够应对传送信息量的增大化、通信速度的高速化。另外，实施方式5的光半导体装置50是小型的，并且能够应对传送信息量的增大化、通信速度的高速化，因此能够使外部系统小型化、低消耗电力化、低成本化。
实施方式6.
图17是表示本发明的实施方式6所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图，图18是表示图17的单侧菲涅尔透镜的上表面形状的图。实施方式6的光半导体装置50是具有光发送器和光接收器的光半导体装置的例子，该光发送器具有发出多个波长的光的发光部，该光接收器具有与从光发送器发出的波长相应的多个受光部。实施方式6的光半导体装置50具有光发送器53、光接收器54，是通过有机类或者无机类材质的层间膜113将光发送器53、光接收器54贴合后的光半导体装置。光发送器53具有：半导体基板131，其形成有信号处理电路等集成电路104、电源电路等集成电路105；发光部132，其设置于(形成或者安装于)半导体基板131且同时或者以时分方式发出包含多个波长的光信号在内的光信号16；SiO2类膜的层间膜31；SiN膜的保护膜81，其设置于层间膜31的表面，覆盖单侧菲涅尔透镜133。发光部132是同时或以时分方式发出多个波长的光信号的激光二极管等平面发光构造部。光发送器53的单侧菲涅尔透镜133是在垂直方向上远离发光部132的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板131相反侧的面)形成的发光用菲涅尔透镜。
单侧菲涅尔透镜133在虚线143a与虚线143b之间具有4个凸部142a、142b、142c、142d。凸部142a、142b、142c、142d分别相当于图6的菲涅尔透镜61的凸部62a、62b、62c、62d不是环状而是开放的形状，例如如图18所示，成为狭缝状的形状。相邻的凸部的边界成为最大的台阶，各凸部朝向图19的左侧缓慢地向上侧(垂直方向上远离半导体基板131的远方侧)凸出。换言之，被各凸部夹着的凹部均在图19的右侧最深，朝向图19的左侧逐渐变浅。
光接收器54具有：半导体基板134，其形成有信号处理电路等集成电路104、电源电路等集成电路105；受光部135，其设置于(形成或者安装于)半导体基板134，接受短波长的光信号17a；受光部136，其设置于(形成或者安装于)半导体基板134，接受波长的光信号17b；以及SiO2类膜的层间膜31。受光部135、136是雪崩光电二极管(APD)等平面受光构造部。
光发送器53的制造工序与实施方式1所示的制造工序相同。在单侧菲涅尔透镜133的制造工序中，抗蚀层图案的上表面形状是与图18的单侧菲涅尔透镜133的上表面形状相匹配的形状，抗蚀层图案的剖面形状形成为从图5的抗蚀层图案41的凸部62a(参照图6)的中央至右侧的形状。光接收器54的制造工序与实施方式1所示的制造工序中的直至层间膜31的平坦化为止的制造工序相同。
在图17中，示出了通过有机类或者无机类材质的层间膜113将光发送器53、光接收器54贴合后的光半导体装置50的例子。但是，由于光发送器53的在垂直方向上远离半导体基板131的最远方的表面是被平坦化的保护膜81，光接收器54的在垂直方向上远离半导体基板134的最远方的表面是被平坦化的层间膜31，因此如图19所示，也可以通过范德华力直接将光发送器53与光接收器54密接贴合。图19是表示本发明的实施方式6所涉及的其他光半导体装置的剖面构造的示意图。图19所示的其他光半导体装置50与图17所示的光半导体装置50的不同点在于，没有层间膜113，光发送器53与光接收器54通过范德华力直接密接贴合。此外，在图17、图19所示的例子中，示出了2个波长的事例，但通过增加受光部的数量，也能够应用于多个波长的情况。
说明实施方式6的光半导体装置50的作用以及效果。在通过激光二极管等平面发光构造部即发光部132发出包含2个波长的光信号17a、17b在内的光信号16的情况下，如图17、图19所示，光信号17a、17b通过在SiO2类膜的层间膜31形成的单侧菲涅尔透镜133的分光效果而以与波长相应的角度折射，穿过在其行进方向的远方部形成的SiN膜的保护膜81。保护膜81的折射率为1.9，保护膜81的折射率大于层间膜31的折射率1.4，因此在层间膜31与保护膜81的边界，光信号被进一步向单侧菲涅尔透镜133的中心侧(虚线143a侧)折射，因此能够扩大2个波长的光信号17a、17b的分离角度。
根据波长而分离开的光信号17a、17b入射至相对的光接收器54，短波长的光信号17a由受光部135接受，长波长的光信号17b由受光部136接受。在半导体基板134被进行模拟或者数字信号处理。由受光部135、136接受的各波长的光信号17a、17b被在半导体基板134形成的信号处理电路等集成电路104进行模拟或者数字信号处理，以电气方式或者光学方式向外部系统发送。此外，在将处理后的信号以电气方式向外部系统发送的情况下，从在光接收器54配置的未图示的电极部107(参照图15)发送。在将处理后的信号以光学方式向外部系统发送的情况下，从在半导体基板134形成或者安装的未图示的发光部122(参照图15)发送。
实施方式6的光半导体装置50由于光发送器53与光接收器54之间的光通信以最短路径进行，因此能够将光信号16、17a、17b的输出抑制为最小限度。另外，实施方式6的光半导体装置50根据光信号17a、17b的波长以及路径，通过SiO2类膜的层间膜31的膜厚和单侧菲涅尔透镜133的图案的凸部间隔以及干蚀刻深度，将单侧菲涅尔透镜133的焦距调整为最佳。另外，就实施方式6的光半导体装置50而言，在光发送器53的垂直方向上远离半导体基板131的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板131相反侧的面)存在保护膜81，因此确保了光发送器53的耐湿性。另外，就实施方式6的光半导体装置50而言，光接收器54的在垂直方向上远离半导体基板134的远方部即层间膜31的表面(与半导体基板134相反侧的面)隔着有机类或者无机类材质的层间膜113被光发送器53的保护膜81覆盖，或者直接被光发送器53的保护膜81覆盖，因此确保了光接收器54的耐湿性。
实施方式6的光半导体装置50将从光发送器53的发光部132发出的包含多个波长在内的光信号16通过在层间膜31形成的单侧菲涅尔透镜133进行分光，通过与光接收器54的波长相应的受光部135、136接受而进行信号处理，从而光信号的通信信道与波长的数量相应地倍增为多倍，因此通信速度增加。另外，实施方式6的光半导体装置50的光信号的通信信道与波长数相应地倍增为多倍，因此与以往相比，能够小型化、低成本化。并且，实施方式6的光半导体装置50由于能够防止光信号16、17a、17b的分散、减少，因此还能够低消耗电力化。
实施方式6的光半导体装置50与实施方式4同样地，将两种半导体装置即光发送器53、光接收器54贴合，在从光发送器53向光接收器54的通信中使用光信号，因此能够大幅削减部件数量和缩小面积。在光发送器53的发送光信号的发光部132的垂直方向上远离半导体基板131的远方侧，通过晶片制造工艺(晶片制造工序)形成单侧菲涅尔透镜133，因此能够实现作为光半导体装置的光发送器53的小型化、低消耗电力化、低成本化。另外，光接收器54在接收光信号的受光部135、136的垂直方向上远离半导体基板134的远方侧的层间膜31的表面(与半导体基板134相反侧的面)没有形成透镜，因此能够实现作为光半导体装置的光接收器54的小型化、低消耗电力化、低成本化。并且，将两种半导体装置即光发送器53、光接收器54贴合后的实施方式6的光半导体装置50也能够小型化、低消耗电力化、低成本化。
实施方式7.
图20是表示本发明的实施方式7所涉及的光半导体装置的剖面构造的示意图。图21、图22是说明图20的光半导体装置的晶片制造工序的图。图23是表示图20的菲涅尔透镜的上表面形状的图。实施方式7的光半导体装置50是具有集成电路、红外线受光部、菲涅尔透镜的红外线传感器等高功能光半导体装置的例子。实施方式7的光半导体装置50具有：半导体基板151，其形成有信号处理电路等集成电路104、电源电路等集成电路105；红外线受光部152，其形成于半导体基板151之上；SiO2类膜的层间膜31；多晶硅或者非晶硅膜的菲涅尔透镜171，其设置于层间膜31的表面；以及SiN膜的保护膜81，其覆盖菲涅尔透镜171。红外线受光部152是接受红外线的平面受光构造部。接受红外线信号的红外线受光部是接受红外线的光信号的受光部。
说明实施方式7的光半导体装置50的晶片制造工序。如图21所示，在形成有信号处理电路等集成电路104、电源电路等集成电路105的半导体基板151之上形成红外线受光部152。形成有集成电路104、105、红外线受光部152的半导体基板151是透镜形成前基板。然后，如实施方式1所说明的那样，形成被平坦化的SiO2类膜的层间膜31，在该层间膜31的表面形成成为菲涅尔透镜171的材料的多晶硅或者非晶硅的硅膜153。硅膜153的膜厚为0.1～1.0μm。
接下来，如图22所示，为了在硅膜153的表面形成菲涅尔透镜171，通过使用电子束法(EB(电子束)法)的多重曝光实现的光刻技术来制作用于形成菲涅尔透镜的抗蚀层图案161。抗蚀层图案161以残留凸部172a、172b、172c、172d的方式配置。另外，抗蚀层图案161以与相邻的凸部间的凹部的形状相匹配，例如凸部的高度低的部分的膜厚变薄、凸部的高度高的部分的膜厚变厚的方式形成为阶梯状。另外，抗蚀层图案161以使得菲涅尔透镜171的区域之外的硅膜153被去除的方式配置。如图22所示，通过干蚀刻法形成菲涅尔透镜171的凸部172a、172b、172c、172d。图22示出了菲涅尔透镜171的凸部的蚀刻中途，示出了随着通过蚀刻离子15对凸部进行蚀刻，凸部的高度低的部分所用的抗蚀层逐渐消失，在菲涅尔透镜171的凸部处抗蚀层图案161残留下来的状态。
菲涅尔透镜171的上表面形状例如为图23所示的同心圆状形状。菲涅尔透镜171的上表面形状通常使用如图23所示的同心圆状形状。另外，与图9、图10同样地，菲涅尔透镜171的上表面形状可以是在正方形的四个角设有曲率的形状、在长方形的四个角设有曲率的形状，也可以是其他形状。根据红外线受光部152的形状选择菲涅尔透镜171的形状。就抗蚀层图案161而言，与菲涅尔透镜171的上表面形状相匹配地微细地形成抗蚀层残留宽度。用于形成图23的上表面形状的抗蚀层图案161形成为，用于形成中央的凸部172a的抗蚀层残留宽度比其他凸部172b、172c、172d所用的抗蚀层残留宽度宽，用于形成凸部172b、172c、172d的抗蚀层残留宽度逐渐变窄。
在菲涅尔透镜171的蚀刻工序结束，去除了抗蚀层图案161之后，为了确保耐湿性，以覆盖菲涅尔透镜171以及层间膜31的方式，通过CVD法等形成保护膜81而平坦化，该保护膜81是折射率大于SiO2类膜的层间膜31、膜厚1.0～3.0μm的SiN膜。此外，就菲涅尔透镜171而言，虽然已说明了如多晶硅、非晶硅膜那样使用了硅元素的例子，但也可以使用由锗元素、锗与硅的化合物构成的材料。
说明实施方式7的光半导体装置50的作用以及效果。波长λ为1.1～1.5μm的红外线信号173a入射至被平坦化的SiN膜的保护膜81，通过在保护膜81的下方的SiO2类膜的层间膜31的表面形成的菲涅尔透镜171而会聚后的红外线信号173b被红外线受光部152接受。保护膜81的折射率为1.9，层间膜31的折射率为1.4，因此，实施方式7的光半导体装置50能够使角度广的红外线信号会聚，由此，即使是微弱的信号也能够检测到。另外，就实施方式7的光半导体装置50而言，除了波长λ为1.1～1.5μm以外的不需要的红外线信号被菲涅尔透镜171反射或者吸收，因此不需要的红外线信号不会被红外线受光部152接受，特定波长即波长λ为1.1～1.5μm的红外线信号173b的受光灵敏度提高。
接受到的红外线信号173b由在半导体基板151形成的信号处理电路等集成电路104进行模拟或者数字信号处理，计算红外线发光对象物的存在、距离、位置，对象物的存在、距离、位置被传送至光半导体装置50的外部的其他控制系统。另外，根据红外线信号173a、173b的波长，通过SiO2类膜的层间膜31的厚度、菲涅尔透镜171的图案的同心圆间隔以及干蚀刻深度，调整菲涅尔透镜171的焦距。另外，实施方式7的光半导体装置50由于在最上方存在保护膜81，因此确保了充分的耐湿性。
以往的红外线传感器需要采用不使用红外线聚光透镜或者将外部透镜组装至外部封装体的模块的方式。与此不同，实施方式7的光半导体装置50由于在具有红外线受光部152的光半导体装置的晶片制造工序中形成了菲涅尔透镜171，因此与以往相比，制造工序简化，能够减少部件数量，能够小型化。实施方式7的光半导体装置50由于在具有红外线受光部152的光半导体装置的晶片制造工序中形成了菲涅尔透镜171，因此能够省略将外部透镜组装至外部封装体的工序，能够削减制造工序数。实施方式7的光半导体装置50通过削减部件数量以及制造工序数，能够低成本化。并且，实施方式7的光半导体装置50通过反射或者吸收不需要的红外线，还能够高灵敏度化、低消耗电力化。
实施方式8.
图24是表示本发明的实施方式8所涉及的菲涅尔透镜的上表面形状的图，图25是表示本发明的实施方式8所涉及的透镜阵列的上表面形状的图。图26是表示本发明的实施方式8所涉及的光半导体装置的上表面的示意图，图27是表示图26的光半导体装置的剖面构造的示意图。图27是表示沿图26的A-A切断后的剖面构造的示意图。实施方式8的光半导体装置50是具有正六边形的菲涅尔透镜阵列的太阳能电池单元等光半导体装置的例子。实施方式8的光半导体装置50具有：作为半导体基板的太阳能电池单元基板191；受光部192，其设置(形成)于太阳能电池单元基板191，接受太阳光；SiO2类膜的层间膜31；菲涅尔透镜193，其设置于层间膜31的表面；以及SiN膜的保护膜81，其覆盖菲涅尔透镜193。就实施方式8的光半导体装置50而言，以受光部192存在于正六边形的菲涅尔透镜193的正下方的方式，在太阳能电池单元基板191的表面进行受光部192的图案布局。受光部192是雪崩光电二极管(APD)等平面受光构造部。
菲涅尔透镜193的上表面的外周195的形状是正六边形，具有形成为同心圆状的4个凸部194a、194b、194c、194d。凸部194a、194b、194c、194d与实施方式1的菲涅尔透镜61的凸部62a、62b、62c、62d相同。实施方式8的光半导体装置50的制造工序与实施方式1中说明的制造工序相同。
说明实施方式8的光半导体装置50的作用以及效果。在太阳能电池中，需要提高太阳光的入射效率。但是，实施方式1所示的菲涅尔透镜的基本构造是同心环状构造，在这样的同心环状的上表面形状的情况下，不能填满整个平面。因此，在将菲涅尔透镜应用于太阳能电池的受光用光半导体装置即太阳能电池单元的情况下，如图24所示，将菲涅尔透镜的单位形状设为正六边形，将该正六边形的菲涅尔透镜193如图25所示交错地布局成阵列形状，由此，能够最大限度地有效运用太阳能电池单元的面积，即，能够提高包含受光部192以及菲涅尔透镜193在内的基本构造相对于太阳能电池单元的面积的填充比例(填充率)。图25所示的透镜阵列196是配置有13个菲涅尔透镜193的例子。
如图27所示，太阳光174a入射至被平坦化的SiN膜的保护膜81，由受光部192接受通过在保护膜81的下方的SiO2类膜的层间膜31形成的菲涅尔透镜193而会聚的太阳光174b。保护膜81的折射率为1.9，层间膜31的折射率为1.4，因此，实施方式8的光半导体装置50与以往的不使用透镜的太阳能电池单元相比，能够使角度广的太阳光会聚。另外，就实施方式8的光半导体装置50而言，根据太阳光174a、174b的波长，通过SiO2类膜的层间膜31的膜厚和菲涅尔透镜193的图案的同心圆间隔以及干蚀刻深度，调整菲涅尔透镜193的焦距，由此，太阳能电池单元的太阳光吸收效率提高。另外，实施方式8的光半导体装置50由于在最上方存在保护膜81，因此确保了充分的耐湿性。
此外，作为具有正六边形的菲涅尔透镜阵列的光半导体装置50的例子，说明了太阳能电池单元，但是不限于接受太阳光的受光部192，也可以在接受其他光信号、红外线信号等的受光部将多个菲涅尔透镜布局成阵列状。在正六边形的菲涅尔透镜193的正下方配置有接受光信号、红外线信号等的受光部的光半导体装置50也起到与实施方式8的光半导体装置50同等的作用。
实施方式8的光半导体装置50通过在太阳能电池单元的晶片制造工序中形成正六边形的菲涅尔透镜193，能够有效地运用太阳能电池单元表面的受光面积。如果将本实施方式8的透镜配置结构应用于太阳能电池，则能够增大单位面积的太阳光的聚光率，能够提高太阳能电池的电力转换效率。此外，在正六边形的菲涅尔透镜193的正下方配置有多个接受光信号、红外线信号等的受光部或/及发出光信号、红外线信号等的发光部的光半导体装置50能够提高包含受光部以及菲涅尔透镜在内的基本构造、包含发光部以及菲涅尔透镜在内的基本构造的填充比例(填充率)，能够减小光半导体装置的面积。
此外，本发明在不矛盾的范围内，能够自由地对各实施方式进行组合，或者适当地对各实施方式进行变形、省略。
符号的说明
8a、8b…光信号，9a、9b…光信号，11…半导体基板，12…受光部，13a、13b、13c、13d…光信号，16…光信号，17a、17b…光信号，21…层间膜，31…层间膜，50…光半导体装置，51…光收发器，52…光收发器，53…光发送器，54…光接收器，61、61a、61b…菲涅尔透镜，71…保护膜，81…保护膜，91…发光部，101…半导体基板，102…发光部，103…受光部，104…集成电路，105…集成电路，113…层间膜，114…发光部，115…受光部，121…半导体基板，122…发光部(外部系统发光部)，123…受光部(外部系统受光部)，131…半导体基板，132…发光部，133…单侧菲涅尔透镜，135…受光部，136…受光部，151…半导体基板，152…红外线受光部，171…菲涅尔透镜，173a、173b…红外线信号(光信号)，174a、174b…太阳光，191…太阳能电池单元基板(半导体基板)，192…受光部，193…菲涅尔透镜。

Claims (16)

1.一种光半导体装置，其具有：
半导体基板；
光通信部，其设置于所述半导体基板，是接受光信号的受光部或者发出所述光信号的发光部；
层间膜，其覆盖所述半导体基板以及所述光通信部；
菲涅尔透镜，其设置于所述层间膜的在远离所述半导体基板侧被平坦化的面，供所述光信号穿过；以及
保护膜，其覆盖所述菲涅尔透镜以及所述层间膜，且折射率大于所述层间膜，所述保护膜的远离所述层间膜侧的面被平坦化。
2.一种光半导体装置，其具有：
半导体基板；
受光部，其设置于所述半导体基板，接受光信号；
发光部，其设置于所述半导体基板，发出所述光信号；
层间膜，其覆盖所述半导体基板、所述受光部以及所述发光部；
菲涅尔透镜，其设置于所述层间膜的在远离所述半导体基板侧被平坦化的面，供所述光信号穿过；以及
保护膜，其覆盖所述菲涅尔透镜以及所述层间膜，且折射率大于所述层间膜，所述保护膜的远离所述层间膜侧的面被平坦化。
3.根据权利要求1所述的光半导体装置，其特征在于，
具有在所述半导体基板设置的集成电路，
所述光通信部是所述受光部，
所述集成电路将由所述受光部接受的所述光信号转换为电信号而进行信号处理。
4.根据权利要求1所述的光半导体装置，其特征在于，
具有在所述半导体基板设置的集成电路，
所述光通信部是所述发光部，
所述集成电路生成作为由所述发光部发出的所述光信号的基础的电信号。
5.根据权利要求2所述的光半导体装置，其特征在于，
具有在所述半导体基板设置的集成电路，
所述集成电路将由所述受光部接受的所述光信号转换为电信号而进行信号处理，并且生成作为由所述发光部发出的所述光信号的基础的电信号。
6.一种光半导体装置，其特征在于，
具有2个权利要求5所述的光半导体装置即第一光收发器以及第二光收发器，
配置为，所述第一光收发器的所述受光部与所述第二光收发器的所述发光部相对，且所述第一光收发器的所述发光部与所述第二光收发器的所述受光部相对，
在所述第一光收发器与所述第二光收发器之间对所述光信号进行通信。
7.根据权利要求6所述的光半导体装置，其特征在于，
所述第一光收发器具有：
外部系统受光部，其接受来自除了所述第二光收发器以外的外部系统的光信号；或者
外部系统光通信部，其是向所述外部系统发出光信号的外部系统发光部。
8.根据权利要求6所述的光半导体装置，其特征在于，
所述第一光收发器具有：
外部系统受光部，其接受来自除了所述第二光收发器以外的外部系统的光信号；以及
外部系统发光部，其向所述外部系统发出光信号。
9.一种光半导体装置，其特征在于，具有：
光发送器，其同时或者以时分方式发出包含多个波长的光信号；以及
光接收器，其以与所述光发送器相对的方式配置，与所述波长相应地接受来自所述光发送器的所述光信号，
所述光发送器具有：
第一半导体基板；
发光部，其设置于所述第一半导体基板，发出所述光信号；
第一层间膜，其覆盖所述第一半导体基板以及所述发光部；
单侧菲涅尔透镜，其形成于所述第一层间膜的在远离所述第一半导体基板侧被平坦化的面，供所述光信号穿过；以及
第一保护膜，其覆盖所述单侧菲涅尔透镜以及所述第一层间膜，且折射率大于所述第一层间膜，所述第一保护膜的远离所述第一层间膜侧的面被平坦化，
所述光接收器具有：
第二半导体基板；
多个受光部，它们设置于所述第二半导体基板，接受由所述光发送器的所述单侧菲涅尔透镜与各波长相应地变更了折射角度的所述光信号；以及
第二层间膜，其覆盖所述第二半导体基板以及多个所述发光部。
10.根据权利要求1所述的光半导体装置，其特征在于，
所述光通信部是接受红外线的所述光信号的所述受光部，所述菲涅尔透镜通过多晶硅或者非晶硅形成。
11.根据权利要求10所述的光半导体装置，其特征在于，
具有在所述半导体基板设置的集成电路，
所述集成电路将由所述受光部接受的所述光信号转换为电信号而进行信号处理。
12.根据权利要求1、3、10、11中任一项所述的光半导体装置，其特征在于，
所述光通信部是接受所述光信号的所述受光部，
多个所述受光部设置于所述半导体基板，
针对每个所述受光部设置的所述菲涅尔透镜的与所述半导体基板平行的面的外周是正六边形，
相邻的所述菲涅尔透镜以所述外周相接的方式配置。
13.根据权利要求2或5所述的光半导体装置，其特征在于，
多个所述受光部设置于所述半导体基板，
针对每个所述受光部设置的所述菲涅尔透镜的与所述半导体基板平行的面的外周是正六边形，
相邻的所述菲涅尔透镜以所述外周相接的方式配置。
14.根据权利要求7所述的光半导体装置，其特征在于，
所述外部系统光通信部是所述外部系统受光部，
多个所述外部系统受光部设置于所述半导体基板，
针对每个所述外部系统受光部设置的所述菲涅尔透镜的与所述半导体基板平行的面的外周是正六边形，
相邻的所述菲涅尔透镜以所述外周相接的方式配置。
15.根据权利要求8所述的光半导体装置，其特征在于，
多个所述外部系统受光部设置于所述半导体基板，
针对每个所述外部系统受光部设置的所述菲涅尔透镜的与所述半导体基板平行的面的外周是正六边形，
相邻的所述菲涅尔透镜以所述外周相接的方式配置。
16.一种光半导体装置，其具有：
半导体基板；
受光部，其设置于所述半导体基板，接受太阳光；
层间膜，其覆盖所述半导体基板以及所述受光部；
菲涅尔透镜，其设置于所述层间膜的在远离所述半导体基板侧被平坦化的面，供所述太阳光穿过；以及
保护膜，其覆盖所述菲涅尔透镜以及所述层间膜，且折射率大于所述层间膜，所述保护膜的远离所述层间膜侧的面被平坦化。
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