JP2000298218A

JP2000298218A - 光インターコネクト装置およびその製造方法

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Publication number: JP2000298218A
Application number: JP10563299A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Kiyota; 幸弘清田; Katsuyoshi Washio; 勝由鷲尾
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】導波路を形成した基板に他の基板から切り出し
た光素子を貼り付ける従来の方法は導波路や光素子の端
面における散乱をさけられない。また，光素子をハンド
リングする必要があるため、装置の微細化は困難であ
る。【解決手段】本願発明は、光導波路を形成した半導体基
板に発光素子あるいは受光素子となる半導体層を選択的
に成長させ、光導波路の少なくともコア層と発光素子あ
るいは受光素子の端面を直接接触させるものである。更
には、本願発明は、所望基板に光導波路を形成した後に
光素子を選択エピタキシャル成長によって形成すること
によって、光導波路のコア領域と発光素子の発光面ある
いは受光面を接触させる製造方法を提供するものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は光インターコネク
ト装置及びその製造方法に関するものである。より具体
的には、本願発明は、特に発光素子や受光素子と光導波
路との光結合を高効率になす方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の光インターコネクト装置として、
超格子を用いた光導波路型受光器と光ファイバーを結合
させた例、超格子を用いた面受光型器と光ファイバーを
結合させた例、受光器と光ファイバーとをハイブリッド
装置とした例などが知られている。

【０００３】第１の例は、Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子からな
る導波路型受光素子７に光ファイバから光を結合させる
例である。この例を図１７を用いて説明する。

【０００４】本例は、半導体基板１に上部に受光素子７
が形成された例で、当該半導体基板１を基材としてコア
層４０，クラッド層４１からなる光ファイバが搭載され
ている。本例ではコア層４０，クラッド層４１からなる
光ファイバ５０をＳｉ基板１に形成したＶ字型の溝に固
定し，隣接する受光素子７に光を導入している。即ち、
光ファイバ５０から受光素子に入射した光は、受光素子
７の下部にあるＮ型低濃度層３を通り，酸化膜４２の側
壁を介して受光素子７に入射する。また，Ｎ型低濃度層
３を光導波路コア層として用いて，受光素子の下部まで
延ばすことによって，光と受光素子との間にエバネッセ
ント結合を生じさせる構造となっている。

【０００５】この場合、光導波路のコア層３と受光素子
７は受光素子下部でのみ接触している。また導波路型受
光素子は，シリコン基板中にドライエッチングによって
形成された孔に成長されている。なお，本技術はテクニ
カル・ダイジェスト・オブ・インターナショナル・エレ
クトロン・デバイセズ・ミーティング１９９５年ｐｐ．
５８３ー５８６（Technical Digest of 1995 Internati
onal Electron Devices Meeting, pp. 583-586），ある
いは公開特許公報，平８−３１６４４９号に述べられて
いる。

【０００６】また別な例を図１８を用いて説明する。こ
れはシリコン基板上にＳｉＯ₂からなる光導波路５と化
合物半導体からなる受光素子４６，発光素子４７をハイ
ブリッドに実装した例で，いわゆるプレーナ・ライトウ
ェイブ・サーキットである。ここではシリコン基板上に
導波路を形成した後に，化合物半導体基板上に形成した
受光素子，発光素子をシリコン基板上に接着層４５を介
して貼り付けている。導波路層の端面４８はドライエッ
チングで形成されている。本技術はアイ・イー・アイ・
シー・イー・トランザクション・オブ・エレクトロニク
ス・Ｅ８０―Ｃ，ｐｐ．６０９−６１８（IEICE Trans.
Electron., E80-C, pp. 609-618）に述べられている。

【０００７】また別の従来例を図１８を用いて説明す
る。これはＳｉ／ＳｉＧｅ超格子からなる面受光型受光
素子７に光ファイバから光を結合させる例である。光フ
ァイバから直接受光素子７に入射させるため，受光素子
７の面積は８０ミクロン角程度になっている。なお，本
技術はテクニカル・ダイジェスト・オブ・インターナシ
ョナル・エレクトロン・デバイセズ・ミーティング１９
９６年ｐｐ．６６１ー６６４（Technical Digest of 19
96 International Electron Devices Meeting, pp. 661
-664）に述べられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本願発明の課題は、受
光素子ないしは発光素子などの光素子と光導波路との光
結合を高効率ならしめることである。本願発明の別な課
題は、当該光インターコネクタ装置に搭載する諸光素子
を微細に実現することである。本願発明の光インターコ
ネクタ装置には諸部材の集積を容易にならしめることが
出来る。本願発明の別な課題は、良質の光素子を当該光
インターコネクタ装置に搭載することである。以下にこ
れらの課題について補足説明する。

【０００９】図１７の例は、光インターコネクト装置と
して、超格子を用いた光導波路型受光器と光ファイバー
を結合させた例である。この例では、半導体基板１上に
高濃度不純物層２、低濃度不純物層３が形成され、この
低濃度不純物層３に光素子部７が形成されている。尚、
図中４２は酸化物層である。こうした光素子部に対して
クッラド層４１、コア層４０で構成される光ファイバ５
０が接続されている。

【００１０】図１７に見られるように光導波路のコア層
４０と受光素子７が受光素子下部でのみ接触している場
合は，それらの結合はエバネッセント結合となり，直接
受光素子端面に入射する場合に比べて効率は低い。ま
た，受光素子はドライエッチングで形成されたシリコン
基板内の孔に成長させるため，結晶性の悪化を招きやす
い。

【００１１】別な例は超格子を用いた面受光型器と光フ
ァイバーを結合させるものである。図１８は受光素子４
５や発光素子４７を基板６０上に接着層４５によって貼
り付け、光導波路層４８と光結合を行なった例である。
光導波路層５５にコア部５０を直線で示している。図中
の矢印は光の授受を示している。

【００１２】しかし、この方法は、上記各素子の貼り付
け位置の微調整が必要なので工程が複雑になる上，歩留
まり低下を招きやすい。また，発光素子や受光素子を実
装する際に何らかの形でハンドリングする必要があるた
め，素子を微細化しにくい。更に、受光素子や発光素子
をまったく別の工程を経て作成する必要があるのでコス
ト低減が困難である、光導波路層５５の端面４８はドラ
イエッチングにて形成されているので，光の散乱を起こ
しやすく，効率低下を招いてしまうなど、種々の難点を
有している。

【００１３】更に、別な例は、超格子を用いた面受光型
器と光ファイバーを結合させたものである。図１９に例
示するように、この例は半導体基板１の上部に絶縁膜層
１０を介してＮ型高濃度層２及びＮ型低濃度層３が形成
され、このＮ型低濃度層３に光素子部７が形成されてい
る。尚、金属電極９が光窓を残して設けられている。当
該装置の上面は酸化物層４２が形成されている。この例
のように面受光型の受光素子では，素子寸法が光ファイ
バの径で決まるため，微細化が困難であり，従って寄生
容量の低減も困難である。また，前述の図１５の例と同
様，ドライエッチングで形成されたシリコン基板内の孔
に受光素子を成長させるため，結晶性の悪化を招きやす
い。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願発明の目的は、受光
素子ないしは発光素子などの光素子と光導波路との光結
合を高効率ならしめた光インターコネクト装置を提供す
ることである。

【００１５】本願発明の別な目的は、諸部材の高集積化
を図り得る光インターコネクタ装置を提供することであ
る。本願発明の別な課題は、良質の光素子を搭載した光
インターコネクタ装置を提供することである。

【００１６】本願発明の骨子は、導波路を形成した半導
体基板に発光素子あるいは受光素子となる半導体層を選
択的に成長させ，光導波路のコア層と発光素子あるいは
受光素子の端面を直接接触させるものである。ここでの
直接の接触は結晶成長によって結晶が接続する状態を称
している。

【００１７】この技術により発光素子あるいは受光素子
と導波路間で光を結合させる際の散乱による損失を低減
することができる。さらに微細な光素子を形成できるの
で光素子の寄生容量を低減する事ができる。また，導波
路と発光受光素子を同一基板上にモノリシックに形成で
きるので，ハイブリッドに実装する従来法に比べて簡便
で安価に作成することができる。

【００１８】次に、本願発明の主な形態を列挙すると次
の通りである。

【００１９】第１は、半導体基板に、光導波路と、発光
素子と受光素子との少なくとも一者とを有し、該光導波
路は屈折率の高いコア領域と屈折率の低いクラッド領域
とを有し、当該光導波路の少なくともコア領域端面と前
記発光素子の発光面あるいは該受光素子の受光面が接触
していることを特徴とする光インターコネクト装置であ
る。後述するように、当該接触は半導体材料の結晶成長
によって光導波路の少なくともコア領域端面が接触ある
いは覆われる形態が好ましい。本願の光インターコネク
ト装置には、光導波路と発光素子および受光素子の両
者，あるいは光導波路と発光素子，あるいは光導波路と
受光素子とが配置された３つの形態がある。、上記半導
体基板は、シリコンあるいはシリコンとゲルマニウムの
合金あるいはゲルマニウムであるのが一般的で、好まし
い例である。又、上記半導体基板が，絶縁膜を半導体材
料では挟んだ、いわゆるＳＯＩ基板をも用いることが出
来る。

【００２０】上記受光素子は、シリコンあるいはシリコ
ンとゲルマニウムの合金あるいはゲルマニウムであるの
が一般的で、好ましい例である。又、上記受光素子は、
ＩＩＩ族元素とＶ族元素の合金、あるいはＩＩ族元素と
ＶＩ族元素の合金をも用いることが出来る。即ち、一般
に光素子に用いられているＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材
料やＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料を用いることが出来
る。

【００２１】上記発光素子の材料も同様である。即ち、
シリコンあるいはシリコンとゲルマニウムの合金あるい
はゲルマニウムであるのが一般的で、好ましい例であ
る。又、上記発光素子は、ＩＩＩ族元素とＶ族元素の合
金あるいはＩＩ族元素とＶＩ族元素の合金をも用いるこ
とが出来る。即ち、一般に光素子に用いられているＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体材料やＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
材料を用いることが出来る。

【００２２】更に、前記光インターコネクト装置におい
て，受光素子に電圧を印加するための電極が，受光素子
を透過した光を反射して受光素子に再度入射させる作用
を持つ形態も可能である。電極に金属を用い、光の反射
の役割をも持たせるこのが出来る利点がある。即ち、言
葉を変えると、この形態は、半導体基板に、光の進行経
路に沿って第１の光導波路、受光素子部および第２の光
導波路とを少なくとも有し、前記第１の光導波路の少な
くともコア領域と前記受光部の光が通過する第１の端面
とは接触し、前記第２の光導波路の少なくともコア領域
と前記受光部の光が通過する第２の端面とは接触し、且
つ前記第１の光導波路あるいは第２の光導波路の前記受
光部と接触する第１あるいは第２の端面いずれかの端面
に対して反対側の光導波路端面に反射面を有することを
特徴とする前記光インターコネクト装置である。

【００２３】当該光導波路自体は通例の半導体基板上に
用いられているもので十分である。言うまでもないが、
この光導波路は、屈折率の高いコア領域を屈折率の低い
クラッド領域で挟む，あるいは囲んだ構造を有する。

【００２４】製造方法に関しては、次の製造方法を用い
ることによって、極めて良好な光伝達特性を有する光イ
ンターコネクト装置を実現することが出来る。即ち、所
望基板に設けられた導波路を構成する絶縁膜の積層膜を
部分的に除去する工程と，該積層膜が除去され，半導体
基板表面が露出した部分に化学的気相堆積法によって半
導体膜を選択成長させる工程によって、該光導波路のコ
ア領域端面と該発光素子の発光面あるいは該受光素子の
受光面が接触した構造を形成するものである。

【００２５】尚、前記絶縁膜の積層膜を部分的な除去工
程には、通例のホトリソグラフィ技術とドライエッチン
グの方法を用いて十分である。又、光導波路層を形成す
る工程の後に，発光素子，あるいは受光素子を結晶の選
択成長によって形成することが好ましい。結晶の選択成
長によって、当該光導波路のコア領域端面と該発光素子
の発光面あるいは該受光素子の受光面の接触を十分なら
しめることが出来る。

【００２６】尚、上記光インターコネクト装置は、目的
に応じて、トランジスタ，受動素子などからなる電子回
路と同一基板上にモノリシックに形成されても良いこと
は言うまでもない。

【００２７】こうした本願発明に係る光インターコネク
ト装置は大型計算機の部材として使用されて好ましい。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１，図２および図３は本発明の
一つの実施の形態を示す断面図である。各図は光の進行
方向に平行な面での断面である。図１は所望構成の半導
体基体の上部に光導波路が搭載された例、図２は当該光
導波路のクラッド層が前記半導体基体上の半導体層に設
けられた凹部に搭載された例、図３は光素子の寄生容量
を減少させる為、当該光素子の下部にアイソレーション
領域を設けた例である。これらの各例はシリコン基板上
に光導波路と受光素子を形成した例である。ここでは基
板にシリコンを用いた例を示すが，化合物半導体基板を
用いても同様の効果が得られる。

【００２９】シリコン基板１にＮ型高濃度層２及びＮ型
低濃度層３が形成されている。ここでＮ型高濃度層２は
砒素あるいはリンのイオン注入法あるいは熱拡散法など
で，またＮ型低濃度層３は常圧あるいは減圧のエピタキ
シャル成長法などによって形成される。ここで高濃度層
２は１０¹⁹ｃｍ^-3から１０²¹ｃｍ^-3の不純物を、低濃度
層３はから１０¹⁵ｃｍ^-3から１０¹⁶ｃｍ^-3の不純物を含
んでいる。なお，これらはそれぞれ逆導伝型の半導体
層、即ちＰ型高濃度層，Ｐ型低濃度層を用いてもよい。

【００３０】図１の例では、基板１上には光導波路の下
部クラッド層４，コア層５，上部クラッド層６が積層さ
れている。ここで図２に示すようにシリコン基板１を削
って下部クラッド層４を厚く形成してもよい。これらの
光導波路の各層は周知の火炎堆積法やＣＶＤ法などによ
りボロンやリンを含んだ二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜
を堆積することによって形成された。ここで下部クラッ
ド層４と上部クラッド層６の屈折率はほぼ同程度であ
り，コア層５の屈折率はそれよりもやや高く形成されて
いる。これらの屈折率はＳｉＯ₂中のボロンやリン濃度
を変えることで制御することができた。こうした光導波
路の構成自体は通例のものに従って十分である。

【００３１】これら上部クラッド層６，コア層５，下部
クラッド層４の積層膜に、周知のホトリソグラフィおよ
びエッチング法によって光受光素子の寸法の開口部を設
け，開口部に受光素子７を形成した。受光素子７自体
は、通例の構成で十分であり、目的に応じて種々の構成
を取ることが出来る。選択エピタキシャル成長法を用い
てシリコンあるいはシリコンとゲルマニウムの合金層，
あるいはこれらの積層膜からなる受光素子７が形成され
る。選択成長は常圧や減圧，あるいは超高真空中におけ
る化学的気相堆積法で行われ，ジシランガス（Ｓｉ
₂Ｈ₆），ゲルマンガス（ＧｅＨ₄），塩酸ガス（ＨＣ
ｌ）などを用いた。

【００３２】ここで、選択結晶成長法を用いることが肝
要で、この方法によることで受光素子７の受光面と光導
波路のコア層５を直接接触させることができた。尚、選
択エピタキシャル成長層の最上層はＰ型高濃度層とする
ことで金属電極９との接触抵抗を低減した。なお，基板
にＰ型層を用いた場合は選択エピタキシャル成長層最上
層はＮ型とすればよい。また，エピタキシャル成長膜の
組成を変えることで受光作用のみならず発光作用を持た
せることも可能であることは言うまでもない。

【００３３】図３は前述のように、Ｎ型高濃度層２及び
Ｎ型低濃度層３にアイソレーション用溝を設け，絶縁膜
２０を埋め込んだ例である。この例では、このアイソレ
ーション領域によって、光素子領域を他の半導体層領域
から電気的に分離され、もって光素子の寄生容量を低減
することが可能である。尚、図５の他の構造は基本的に
図１のものと同様である。その製造に当っては、半導体
基板１上に半導体層２、３を形成し、次いで前記アイソ
レーション用溝およびこれへの絶縁膜形成を行なえば良
い。この方法自体はいわゆる半導体装置の分野で行われ
ている方法で十分である。

【００３４】図４は本発明の他の実施の形態である。本
例はいわゆるにＳＯＩ（Semiconductor On Insulator）
構造を基板に用いた例である。即ち、半導体基板１およ
びＮ型高濃度層２の間に絶縁膜層１０を挟んだいわゆる
ＳＯＩ構造上に光導波路や光素子が形成されてている。
この例では、絶縁膜層１０が光の反射層として作用する
ため，受光素子７に効率よく光を吸収させることができ
た。

【００３５】図５は本発明の別な実施の形態である。本
例はクラッド層の工夫によって低損失にて行なうことが
出来る。本例ではクラッド層の工夫によって光導波路か
ら受光素子７への入射を低損失に行なうころが出来る。
即ち、下部クラッド層４を形成する前に，Ｎ型低濃度層
３とＮ型高濃度層２を削ることによって下部クラッド層
４と絶縁膜層１０を接触させている。図の左方から入射
した光はコア層５を主に通るが，そのエバネッセント成
分がＮ型高濃度層２やＮ型低濃度層３といった半導体層
を通らずに下部クラッド層４内に閉じ込められて受光素
子７に入射するため損失が少ない。従って、光伝送の高
効率化を図ることができた。

【００３６】図６は別な実施の形態である。この例で
は、金属電極９１が半導体積層体の上部よりＮ型高濃度
層２まで深く延ばした構造になっている。第１の導波路
層３０に入射した光は受光素子７で吸収されるが、受光
素子７を透過した成分は第２の導波路層３１に入射す
る。第２のを反射して、再度受光素子に入射し、吸収さ
れる。このように、受光素子７を透過した成分は第２の
導波路層３１に入射する。第２の導波路層３１を伝搬し
た光は金属電極９１で反射され，再度第２の導波路層３
１を介して受光素子７に入射し吸収される。このように
受光素子を透過した光を反射して再度受光素子に入射さ
せることで効率の向上が図られた。

【００３７】次に、本願発明の光インターコネクト装置
の製造方法を説明する。図７より図１１はその製造方法
を示している。各図は光の進行方向に平行な面での断面
である。尚、ここではシリコン基板を用いた例を示す
が，ＧａＡｓやＩｎＰといった化合物半導体においても
同様の方法で製造することができる。

【００３８】シリコン基板１に砒素やリン，アンチモン
などの元素をイオン注入や熱拡散などの方法で導入し，
Ｎ型高濃度層２を形成した後にＳｉＨ４ガスを原料とし
た減圧エピタキシャル成長法でＮ型低濃度層３を形成し
た（図７）。次に光導波路の下部クラッド層４をＳｉＣ
ｌ₄，ＢＣｌ₃，ＰＣｌ₃，Ｈ₂，Ｏ₂ガスなどを用いた周
知の火炎堆積法によって形成した。ここで成膜には化学
的気相堆積法を用いてもよい。膜厚は数ミクロンから数
十ミクロンである。下部クラッド層４は堆積後に１２０
０℃以上の温度で焼結し，透明化した（図８）。

【００３９】次に電子ビーム蒸着法あるいは化学的気相
堆積法などによりＳｉＯ₂とＴｉＯ₂を含むコア層５を堆
積する。この後，通例のフォトリソグラフィ法とドライ
エッチング法によりコア層５を所望形状にパターニング
した。当該コア層の厚さおよび幅は５ミクロンから１０
ミクロン程度である。その後、上部クラッド層６を火炎
堆積法により形成した（図９）。次に、こうして準備し
た半導体積層体を通例のフォトリソグラフィ法とドライ
エッチング法を用いて、受光素子あるいは発光素子を選
択成長により形成するための孔を形成した。孔の寸法は
コア層の幅より大きい方がよい。次に受光素子７をＳｉ
₂Ｈ₆，ＳｉＨ₄，ＧｅＨ₄，Ｈ₂，ＨＣｌガスなどを用い
た選択エピタキシャル成長法によって形成した。成長は
超高真空中あるいは常圧にて行われ，成長温度は摂氏５
００度から６００度である。成長前に真空中あるいは水
素で摂氏８００度から１０００度のブリ−チングを行な
うと成長層の結晶性が向上し、受光感度が増大する。こ
のとき，ＳｉのみあるいはＧｅのみを成長させてもよ
く，あるいはＳｉＧｅの合金を成長させてもよく，ある
いはこれらの積層膜を成長させてもよい。積層膜の場合
は、Ｇｅを２０％含むＳｉＧｅ層５ｎｍとＳｉ層２０ｎ
ｍとを交互に２０回から３０回成長することで受光感度
を向上させることができる。それらの選択は当該装置の
目的によって選択される（図１０）。なお，選択エピタ
キシャル成長層の最上層はＢ₂Ｈ₆ガスを用いてボロンを
ドーピングすることによって，金属電極９との接触抵抗
を低減することができた。

【００４０】光素子７を形成した後に絶縁膜８を化学的
気相堆積法により堆積し，ホトリソグラフィ法とドライ
エッチングを用いて絶縁膜８を部分的に除去して、電極
孔を開孔する。そして、この孔を通して電極９を形成す
る。こうして、光素子７に金属電極９を接触させること
で高効率受光素子を形成した（図１１）。

【００４１】このような製造方法によって導波路コア層
５の端面と受光素子７の受光面を接触させ，光の散乱に
よる損失を低減する事ができた。

【００４２】次に、本願の光インターコネクト装置の適
用例を説明する。

【００４３】図１２より図１８は本発明の別な実施の形
態およびその適用例を説明する図である。

【００４４】図１２は、シリコン基板１上に、導波路層
５と、トランジスタ、抵抗素子、受光素子や発光素子な
どを同一基板上に形成した例を示す平面図である。こう
することによって、光素子の容量のみならず光素子と電
子素子間の配線容量をも大幅の低減することが出来た。
図に見られるように、バイポーラトランジスタや抵抗素
子からなる集積回路５０を同一基板上に形成し，受光素
子４６や発光素子４７と集積回路５０とを，金属配線で
結合した。このとき受光素子下部の高濃度Ｎ型層２や低
濃度Ｎ型層３はそれぞれバイポーラトランジスタの高濃
度サブコレクタ層，低濃度コレクタ層として動作させて
もよい。また金属配線は金属膜の付着，ホトリソグラフ
ィおよびドライエッチング工程や化学的機械的研磨等を
含む工程によって形成された。また集積回路５０は，例
えば、図１３に例示されたような，受光素子４６の出力
を増幅する作用を持つ回路である。本実施例のように導
波路，光素子，電子素子を微細化して同一基板上に形成
することで，光素子の容量のみならず光素子と電子素子
間の配線容量をも大幅に低減することができた。

【００４５】半導体基板１の上にＮ型高濃度層２及びＮ
型低濃度層３が形成されている。ここでＮ型高濃度層２
は砒素あるいはリンのイオン注入法あるいは熱拡散法な
どで，またＮ型低濃度層３は常圧あるいは減圧のエピタ
キシャル成長法などによって形成される。なお，これら
はそれぞれ逆導伝型の半導体層、即ちＰ型高濃度層，Ｐ
型低濃度層を用いてもよい。この上部にこれまで説明し
てきた光導波路領域として、クラッド層４、コア層５、
およびクラッド層６を形成する。更に、この領域の所望
部分を除去し、光素子部４６を結晶成長し、素子を形成
する。一方、この光素子部と同一基板に半導体装置が集
積されている。図１４の例の半導体装置はバイポーラ・
トランジスタの例である。６１が隣接する光素子４６の
電極と当該バイポーラ・トランジスタのコレクタ電極と
を兼ねた電極である。６２はバイポーラ・トランジスタ
のエミッタ電極、６３はバイポーラ・トランジスタのベ
ース電極、６４はエミッタ用の多結晶シリコン、６５は
バイポーラ・トランジスタのベース電極である。また、
６６は第１の絶縁膜、６７は第２の絶縁膜、６８は第３
の絶縁膜、６９は第４の絶縁膜である。

【００４６】本実施の形態のように光導波路、光素子、
電子素子等を微細化して同一基板上に形成することで、
光素子の容量のみならず光素子と電子素子間の配線容量
をも大幅に低減することが出来た。さらに、本実施例の
形態は安価なシリコン基板上に通常の電子集積回路の製
造プロセスと同様のプロセスを用いて電子素子と光素子
とを集積化するもので、従来のハイブリッドな光集積回
路に比べて、製造コストを大幅に低減することが出来
る。

【００４７】図１５は本願発明の他の実施の形態を示す
もので、本発明による光インタコネクト装置を用いた計
算機の概略構成図を示す。本例は、本願発明を実施した
光コネクタ装置を命令や演算を処理するプロセッサ５０
０が複数個並列に接続された高速大型計算機に適用した
例である。図１５はその一部を模式的に例示するもので
ある。この光インタコネクト装置の例はシリコン半導体
集積回路を同一基板に搭載して構成されている。

【００４８】本例では，適用した高速シリコン半導体集
積回路の集積度が高いため，命令や演算を処理するプロ
セッサ５００や，システム制御装置５０１や主記憶装置
５０２などを，一辺が１０〜３０ｍｍのシリコン半導体
チップで構成できた。図における枠５０８は中央処理ユ
ニットを示している。命令や演算を処理するプロセッサ
５００と，システム制御装置５０１と，データ通信イン
ターフェイス５０３を同一セラミック基板５０６に実装
した。また，データ通信インターフェイス５０３と，デ
ータ通信制御装置５０４を同一セラミック基板５０７に
実装した。実装されたセラミック基板５０６の複数枚が
例示されている。データ通信インターフェイス５０３に
はトランジスタ、抵抗素子、受光素子や発光素子などを
同一基板上に形成された光インタコネクト装置が用いら
れている。こうした光インターコネクト装置は、例えば
図１４に例示した集積回路を同一基板に形成されてい
る。

【００４９】これらセラミック基板５０６並びに５０７
と，主記憶装置５０２を実装したセラミック基板を大き
さが一辺約５０ｃｍ程度，あるいはそれ以下の基板に実
装し，大形計算機の中央処理ユニット５０８を形成し
た。この中央処理ユニット５０８内データ通信や複数の
中央処理ユニット間データ通信，あるいはデータ通信イ
ンターフェイス５０３と入出力プロセッサ５０５を実装
した基板５０９との間のデータ通信は，図中の両端矢印
線で示される光ファイバ５１０を介して行われた。

【００５０】尚、この計算機の他の構成は、その詳細は
省略したが、通例のものを用いて十分である。

【００５１】この計算機では，命令や演算を処理するプ
ロセッサ５００やシステム制御装置５０１や主記憶装置
５０２などのシリコン半導体集積回路が並列に高速で動
作し，また，データの通信を光を媒体として行ったため
に，１秒間当りの命令処理回数を大幅に増加することが
できた。

【００５２】図１６は本発明の別な実施の形態である。
この例では微細な受光素子８０に光ファイバから光を入
射させるものである。この例では数ミクロンの微細な入
射窓より光を入射することが可能となる。

【００５３】図１７は前述した従来の光受光装置の断面
図である。この受光部７の光入射窓の外部に電極９が形
成されている。しかし、こうした例では、光ファイバか
ら直接受光素子７に入射する場合、受光素子の寸法を直
径数十ミクロン以上の光ファイバの寸法程度にしなくて
はならない。従って、受光素子７の微細化が困難とな
る。

【００５４】図１６の例では、前記Ｎ型低濃度層３を部
分的にＫＯＨなどでエッチングし，光を反射させるため
のテーパ形状を形成している。ここに反射金属膜７０を
形成した後，下部クラッド層４，コア層５，上部クラッ
ド層６を順次堆積し，表面を化学的機械的研磨によって
平坦にした。

【００５５】この例は、半導体基板１の上にＮ型高濃度
層２及びＮ型低濃度層３が形成され、この層３に光素子
および光導波路などが搭載される。尚、図中４０は光フ
ァイバのコア部、４１はクラッド部である。

【００５６】ここで反射金属膜はＡｌ、Ｗ、Ａｕなどで
ある。スッパタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法で形成され
る。膜厚は１００ｎｍから５００ｎｍである。テ−パ部
のみに金属反射膜を形成するためには、全面に膜を形成
した後、通常のホトリソグラフィー技法とドライエッチ
ング法を用いれば良い。クラッド層４はＳｉＣｌ₄、Ｂ
Ｃｌ₃、ＰＣｌ₃、Ｈ₂Ｏ₂などのガスを用いた周知の火炎
堆積法あるいはＣＶＤ法により数ミクロンの厚さに堆積
する。これら周知の堆積方法は、基板の形状に忠実に
（ｃｏｎｆｏｒｍａｌに）堆積することができるので、
テ−パ部と平坦部で同じ膜厚となる。

【００５７】次にコア層も同様の方法により、膜中のボ
ロンあるいはリン濃度を変化させてクラッド層４よりも
屈折率が高くなるように堆積する。上部クラッド層６は
クラッド層６はクラッド層４と同様の組成でよい。

【００５８】以上の工程により、全面に導波路層となる
絶縁膜が堆積された基板を化学的機械的研磨によって平
坦化する。このとき、絶縁膜を研磨し、シリコン基板を
研磨しない研磨材を用いる。即ち、Ｎ型低濃度層３を研
磨ストッパとして用いることによって平坦化が可能とな
る。

【００５９】そして、その後、前述した方法によって受
光素子７を形成した。即ち、基板に形成された導波路を
構成する絶縁膜の積層膜を部分的に除去し、この積層膜
が除去され半導体基板表面が露出した部分に周知の化学
的気相堆積法によって半導体膜を選択成長させる工程に
よって、光導波路のコア領域端面と受光素子の受光面が
接触した構造を形成するものである。本例では、受光素
子の寸法を数ミクロンまで微細化することができ，また
効率よく光を受光させることができた。

【００６０】

【発明の効果】本願発明は、受光素子や発光素子などの
光素子と光導波路との光結合効率が良好ならしめた光イ
ンターコネクト装置を提供することが出来る。

【００６１】また、本願発明の方法は、本願の光インタ
ーコネクト装置を簡便で安価に製造する方法を提供する
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本願発明の第１の実施の形態を示す装置
の断面図である。

【図２】図２は本願発明の第２の実施の形態を示す装置
の断面図である。

【図３】図３は本願発明の第３の実施の形態を示す装置
の断面図である。

【図４】図４は本願発明の第４の実施の形態を示す装置
の断面図である。

【図５】図５は本願発明の第５の実施の形態を示す装置
の断面図である。

【図６】図６は本願発明の第６の実施の形態を示す装置
の断面図である。

【図７】図７は本発明の光インターコネクト装置の製造
方法を工程順に示す第１の断面図である。

【図８】図８は本発明の光インターコネクト装置の製造
方法を工程順に示す第２の断面図である。

【図９】図９は本発明の光インターコネクト装置の製造
方法を工程順に示す第３の断面図である。

【図１０】図１０は本発明の光インターコネクト装置の
製造方法を工程順に示す第４の断面図である。

【図１１】図１１は本発明の光インターコネクト装置の
製造方法を工程順に示す第５の断面図である。

【図１２】図１２は本発明の別な実施の形態を示す装置
の平面図である。

【図１３】図１３は本発明の別な実施の形態を示す装置
内の回路構成を示す図である。

【図１４】図１４は本発明の光インターコネクト装置を
用いた大型計算機の概略構成を示す図である。

【図１５】図１５は本発明の別な実施の形態を示す装置
の断面図である。

【図１６】図１６は本発明の別な実施の形態を示す装置
の断面図である。

【図１７】図１７は従来例を示す装置の断面図である。

【図１８】図１８は従来例を示す装置の斜視図である。

【図１９】図１９は従来例を示す装置の断面図である。

【符号の説明】

１・・半導体基板，２・・Ｎ型高濃度層，３・・Ｎ型
低濃度層，４・・下部クラッド層，５・・コア層，６・
・上部クラッド層，７・・受光層あるいは発光層，８・
・絶縁膜，９・・金属電極，１０・・絶縁膜層，２０・
・アイソレーション用溝，３０・・第１の導波路層，３
１・・第２の導波路層，４０・・光ファイバコア層，４
１・・光ファイバクラッド層，４２・・酸化膜側壁，４
５・・接着層，４６・・受光素子，４７・・発光素子，
４８・・導波路層端面，５０・・集積回路，６０・・受
光素子電極，６１・・受光素子およびバイポーラトラン
ジスタコレクタ電極，６２・・バイポーラトランジスタ
エミッタ電極，６３・・バイポーラトランジスタベース
電極，６４・・エミッタ多結晶シリコン，６５・・ベー
ス多結晶シリコン，７０・・反射金属膜，５００・・シ
リコン半導体集積回路から成る命令や演算を処理するプ
ロセッサ，５０１・・シリコン半導体集積回路から成る
システム制御装置，５０２・・シリコン半導体集積回路
から成る主記憶装置，５０３・・データ通信インタフェ
イス，５０４・・データ通信制御装置，５０５・・入出
力プロセッサ，５０６・・セラミック基板，５０７・・
セラミック基板，５０８・・中央処理ユニット，５０９
・・入出力プロセッサ実装基板，５１０・・データ通信
用光ファイバである。

フロントページの続きＦターム(参考） 2H047 KA04 KA12 MA07 PA21 PA24 QA04 QA07 RA00 TA00 4M118 AA10 AB05 BA02 BA06 EA01 FC01 FC16 FC17 FC18 GA09 HA23 5F089 BC16 CA21 DA14 DA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板に、光導波路と、発光素子と
受光素子との少なくとも一者とを有し、該光導波路は屈
折率の高いコア領域と屈折率の低いクラッド領域とを有
し、当該光導波路の少なくともコア領域端面と前記発光
素子の発光面あるいは該受光素子の受光面が接触してい
ることを特徴とする光インターコネクト装置。
【請求項２】上記半導体基板がシリコン、シリコンと
ゲルマニウムの合金、ゲルマニウムおよびＳＯＩの群か
ら選ばれた一者であることを特徴とする請求項１記載の
光インターコネクト装置。
【請求項３】上記受光素子がシリコン、シリコンとゲ
ルマニウムの合金、ゲルマニウムの群から選ばれた少な
くとも一者を有してなることを特徴とする請求項１記載
の光インターコネクト装置。
【請求項４】上記受光素子がＩＩＩ― Ｖ族化合物半
導体材料あるいはＩＩ―ＶＩ族化合物半導体材料を有し
てなることを特徴とする請求項１記載の光インターコネ
クト装置。
【請求項５】上記発光素子がＩＩＩ― Ｖ族化合物半
導体材料あるいはＩＩ―ＶＩ族化合物半導体材料を有し
てなることを特徴とする請求項１記載の光インターコネ
クト装置。
【請求項６】半導体基板に、光の進行経路に沿って第
１の光導波路、受光素子部および第２の光導波路とを少
なくとも有し、前記第１の光導波路の少なくともコア領
域と前記受光部の光が通過する第１の端面とは接触し、
前記第２の光導波路の少なくともコア領域と前記受光部
の光が通過する第２の端面とは接触し、且つ前記第１の
光導波路あるいは第２の光導波路の前記受光部と接触す
る第１あるいは第２の端面いずれかの端面に対して反対
側の光導波路端面に反射面を有することを特徴とする請
求項１記載の光インターコネクト装置。
【請求項７】前記半導体基板に半導体装置が更にモノ
リシックに形成されたことを特徴とする請求項１より請
求項６のいずれかに記載の光インターコネクト装置。
【請求項８】少なくとも光信号と電子信号の変換部
に、請求項１より請求項７のいずれかに記載の光インタ
ーコネクト装置を有する電子計算機。
【請求項９】半導体基板の上部に、光導波路を形成す
る工程、前記光導波路に少なくとも光素子部を形成する
為の所望領域を部分的に除去する工程，当該光導波路が
除去され前記半導体基板表面が露出した部分に化学的気
相堆積法によって半導体膜を選択成長させる工程、およ
び前記半導体膜に前記光素子部を形成する工程、を有す
ることを特徴とする光インターコネクト装置の製造方
法。