JP2001189445A - 特定の用途用オプトエレクトロニクス集積回路 - Google Patents

特定の用途用オプトエレクトロニクス集積回路

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、特定の用途用のｒｆオプトエレク
トロニクス回路を提供することを目的とする。 【解決手段】 所定のパターンのビルディングブロック
部品１３が配置されたチップ部材１２と、このチップの
部材１２の外部接続点に接続される基板部材１４とを具
備し、ビルディングブロック部品１３は互いに分離して
独立し、外部接続点を有しており、基板部材１４はビル
ディングブロック部品１３中の選択されたビルディング
ブロック部品１３を選択的に接続および変更して特定の
用途用の集積回路を規定するための予め定められたパタ
ーンの回路セクション２８を有していることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に集積オプ
トエレクトロニクス回路装置および集積マイクロ波装置
および特に２つの部分のオプトエレクトロニクス回路に
関する。
【０００２】
【従来の技術】オプトエレクトロニクスは光プロセスと
電子プロセスの相互作用に関係する。この相互作用は典
型的に電気信号と光信号の間のエネルギー変換に関連す
る。オプトエレクトロニクス装置、例えばレーザ、光検
出器、光変調器、および光スイッチは相互作用が行われ
るの装置の例である。
【０００３】オプトエレクトロニクス／マイクロ波モジ
ュールの集積化は一般に２つの経路、ハイブリッドおよ
びモノリシックに従う。ハイブリッド集積化は電気相互
接続によってディスクリートな装置を接続する。多数の
個々の装置は支持体上に別々にして取付けられる。装置
間の相互接続は支持基板上に形成された結合ワイヤある
いは金属通路によって達成される。このアプローチは装
置が所定の用途の必要性により選択され、相互接続され
るから高い柔軟性を有する。しかしながら、このアプロ
ーチは一般的にモノシリックな回路と比較して大きい回
路サイズおよび高い寄生を生じる。利点は半導体材料お
よび製造プロセスが各装置の性能を高めるよう独立して
選択される。
【０００４】ハイブリッドのアプローチは原型を作成す
るのに適している。生産コストは回路が多数装置および
相互接続を含む場合には増加する。さらに、多数の別々
の装置は別々にテストし、設置しなければならない。
【０００５】モノリシック集積化は同じ基板上の全て能
動および受動部品を配置する。全回路の大きさを縮小す
るに加えて、このプロセスは回路相互接続構造の長さを
短くするので寄生インダクタンスおよびキャパシタンス
を減少する。モノシリック回路は典型的に電気相互接続
におけるマイクロ波損失および漏話を減少する高比抵抗
の基体の実現を本質的に容易にする例えばガリウムアル
ミニウム砒化物（GaAlAs）、リン化インジウム（IｎP）
のような化合物の半導体族で形成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】モノシリック集積アプ
ローチは特に高容積応用には適している。多数の回路チ
ップは単一のウエハから得ることができ、数個のウエハ
は所定の製造動作中に処理可能であり、製造コストは製
造された多数の装置間で分配される。しかしながら、特
定の目的に対してそれぞれ集積回路が設計されなければ
ならない。それ故、異なる応用には全く新しいチップを
設計および製造して対応しなければならない。各新しい
応用に関連した製造工具のコストは高く、小さい容積が
必要な場合はうまくはいかない。
【０００７】本発明の目的は特定の用途のｒｆオプトエ
レクトロニクス回路を提供することである。本発明の別
の目的は特定用途のｒｆ-オプトエレクトロニクス回路
の設計および製造の柔軟性を維持することである。本発
明のさらに別の目的は、２つの部分のｒｆ-オプトエレ
クトロニクス回路を提供することである。
【０００８】本発明のさらに別の目的は、定義基板と組
合わせて少なくとも１つの一般チップを使用することで
あり、定義基板は回路の全機能を決定する。本発明のさ
らに別の目的は特定の用途用定義基板の安価で比較的迅
速な製造が維持されることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、特定の用途用
回路部品およびパターンを有する定義基板と共通のビル
ディングブロック部品を有する少なくとも１つの一般チ
ップを組合せることによって特定の用途用ｒｆ-オプト
エレクトロニクス回路を容易に得ることを可能にする。
このように同じ一般チップは多数の異なる用途に使用さ
れ、定義基板は各用途に対して特定される。
【００１０】一般チップは例えば光検出および発生、光
変調、電気的スイッチングおよびラッチングおよび光増
幅のような機能を行うビルディングブロック部品を含む
が、それに限定されない。一般チップは一般チップの外
部通路が一般チップ上のビルディングブロック回路部分
に接続するという事実によってあらゆる応用に使用され
ることができる。
【００１１】定義基板は例えばキャパシタ、インダク
タ、抵抗器および伝送線素子のような受動電子およびマ
イクロ波部品から成るがそれらに制限されない。これら
の受動部品は一般チップ上の選択されたビルディングブ
ロック部品間の電気的および光学的相互接続を提供し、
結合されたチップ／基板回路の特定の機能を定める。
【００１２】例えば、定義基板上の部品は特定の用途の
必要性によって利得、周波数応答特性、入力／出力イン
ピーダンス、論理機能、および光学インターフェイスを
決定できる。定義基板は特定用途機能の変化をするため
に定義基板の異なる変形形式のものとの組合せを使用で
きる。
【００１３】本発明の利点は、原型および生産型のオプ
トエレクトロニクスおよびｒｆ回路が迅速に設計され、
製造されることができることである。別の利点は多数の
異なる用途では同じ一般チップの使用と関係したコスト
の減少が可能なことである。さらに、別の利点は定義基
板を製造することによって特定の用途に対する必要性に
合致する柔軟性である。定義基板は受動成分のみを含む
ので、その製造は非常に迅速で容易である。
【００１４】本発明のその他の利点、目的および特徴
は、特許請求の範囲および添付図面に関連する好ましい
実施形態の詳細な説明の観点から明らかになるであろ
う。本発明をより理解されるために、添付図面を参照と
して例示として１あるいは以上の実施形態が説明され
る。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１を参照にすると、本発明のｒ
ｆ-オプトエレクトロニクス１０の分解図が示されてい
る。回路１０は２つの主要なセグメントを有する。１つ
のセグメントは以下にさらに詳細に説明されるビルディ
ングブロック回路部品を含む一般チップ１２である。第
２のセグメントは応用特定回路セクションを含んでいる
定義基板１４である。２つのセグメント１２および１４
は好ましくははんだ隆起１６によって電気的および物理
的に共に接続され、小さく、制御可能で、良好な特徴的
な寄生を有する。
【００１６】一般装置のビルディングブロック回路部分
１８は好ましくは光検出器、オプトエレクトロニクス変
調器、あるいは光エミッタのような能動素子である。ビ
ルディングブロック回路部分１８は増幅器段、ｒｆスイ
ッチ、論理ゲートおよびラッチのような能動素子である
ことができる。図１では、例えば光検出器２０、変調器
２２、入力増幅器段２４、および出力バッファ２６によ
って示される。種々のビルディングブロック回路部分１
８は電気的に互いに分離し、一般チップ１２の外部通路
によって相互接続される。
【００１７】本発明の装置１０の第２のセグメントは受
動成分である特定用途用の回路セクション２８を有する
定義基板１４である。回路セクション２８は伝送線、共
振器、キャパシタ、インダクタ、抵抗器および同調スタ
ブのような受動マイクロ波成分であってもよい。回路セ
クションは光ファイバ３２を保持するための導波管、反
射器および溝３０のような受動光部品である。
【００１８】図２を参照にすると、本発明の例示的な一
般チップ１２の例示的ばレイアウトが示される。示され
た設計は例えば応用のみおよび応用できる多数の他のレ
イアウトであることが注意されるべきである。一般的
に、一般チップ１２は定義基板（示されていない）に結
合された場合、完全なオプトエレクトロニクス回路を形
成する組合せに適切な方法で配置され、チップ１２を通
じて分散された分離ビルディング回路部品を含む。
【００１９】図２は本発明の一般チップ１２の多数の可
能な設計の１つを示す。チップ１２は個々のセル３４の
アレイとして整列される。本例では、セル３４の１つの
列は表面に垂直な光結合のための光検出器２０および変
調器２２の交互のシーケンスを含む。各装置は陰極接続
点、陽極接続点、および接地接続点（示されていない）
を有する。別のセルの列はトランスインピーダンス増幅
器ブロック４０およびドライバブロック４２を含む。増
幅器４０のフィードバック抵抗器およびドライバ４２の
電流容量あるいは出力インピーダンスはできるだけ一般
的として一般チップ１２を残すように定義基板上に各外
部接続点４１、４３によって調節される。
【００２０】別のセル列はバッファ段４４および２つの
ＰＩＮダイオードスイッチ４６、４８を含み、全て外部
接続点５０を有する。各外部接続点５０ははんだバンプ
適合パッドとして示されている。セル３４のパターンは
上記に記載された１つのように、何度も繰り返されるこ
とが可能である。また、例えば導波管に結合されたオプ
トエレクトロニクス装置のような別の装置、および別の
回路ブロックは本例に示されていないが、一般チップ１
２上に含まれることができる。
【００２１】一般チップ１２はバイポーラトランジスタ
および電界効果トランジスタのような電子装置に光検出
器、変調器あるいはレーザのようなモノシリックな集積
オプトエレクトロニクス装置の既知な方法によって製造
される。一般チップ１２を製造する別の方法は参考文献
である米国特許出願PD970599で明らかにされている。こ
の特許出願には同じエピタキシャル層から形成されたオ
プトエレクトロニクスおよび高性能電気装置のモノシリ
ックオプトエレクトロニクストランジスタを製造するた
めの方法が記載されている。
【００２２】特定の用途用の定義基板１４は図３の
（ａ）および（ｂ）図４の（ａ）および（ｂ）を参照に
して記載される。基板１４は低損失、高性能受動部品の
構造と両立性の材料から形成されることが好ましい。回
路が高周波数信号を伝送する場合、各基板材料はアルミ
ナ、半絶縁体ＧａＡｓ、高比抵抗シリコンおよび石英を
含む。受動部品は、通常知られている集積回路処理技術
を使用して基板材料上に形成される。代表的受動部品は
伝送線（すなわち同一平面上の導波体）、キャパシタ、
（例えば、金属-絶縁体-金属構造）、インダクタ、（例
えば螺旋）、および抵抗器（制御された比抵抗の薄膜で
作られた）である。
【００２３】定義基板１４上の回路部品および外部接続
点のパターンは一般チップ１２上のビルディングブロッ
クの全体のパターンを結合する。それ故、定義基板１４
上の回路部分の設計は３次元である。
【００２４】例えば、図３の（ａ）は２から１への切換
可能なオプトエレクトロニクス受信器５２の概略設計図
である。受信器５２は２つの光検出器５６および５８に
対する光入力でｒｆ変調された光信号５４を受信する。
光信号５４は増幅器６０および６２によって増幅され、
ＰＩＮスイッチ６４および６６を通って送られる。スイ
ッチの制御電圧によって、増幅された光電流信号の一方
あるいは両方が電気的出力６７に送られる。光検出器５
６、５８、増幅器６０、６２およびスイッチ６４、６６
は一般チップ１２上のビルディングブロック部品であ
り、図３の（ｂ）の破線で示される。
【００２５】受動部品、負荷抵抗器Ｒ１、Ｒ２、および
Ｒ３、帰還抵抗器ＲＦ１、ＲＦ２、キャパシタＣ１、Ｃ
２、Ｃ３およびＣ４、インダクタＩ１、Ｉ２および出力
６７は定義基板１４上の回路部品である。定義基板上の
回路部品と一般チップ上のビルディングブロックの間の
３次元通路は定義基板１４上に定められている。電気的
通路および受動部品は特定の用途用の集積されたオプト
エレクトロニクス回路を生成する一般チップ上の特定の
ビルディングブロックの特性を定める。
【００２６】図３の（ｂ）は一般チップと整列されたと
きのオプトエレクトロニクス受信器５２の定義基板の物
理的レイアウトを示す。図３の（ａ）の部品を説明して
いる符号は、概略と定義基板パターンの間の相関を示す
ために図３の（ｂ）の部品にも同様に記載される。一般
チップ１２は破線で示されている。基板１４によって定
められた通路は一般チップの外部にある。
【００２７】定義基板パターンの別の例は図４（ａ）お
よび（ｂ）に示される。図４の（ａ）はオプトエレクト
ロニクス中継器の概略図である。図４の（ｂ）は一般チ
ップ（図４の（ｂ）で破線で示されている。）に組立て
られる中継器に対する定義基板の物理的レイアウトを示
す。同じ参照番号が図４の（ａ）および（ｂ）の両方の
部品を示している。定義基板は一般チップ１２上のトラ
ンスインピーダンス増幅器７０の直列接続に、一般チッ
プ１２の入力光検出器６８に接触する。増幅器７０は定
義基板１４上のｒｆフィルタ７２および一般チップ１２
上のドライバ７４に接続される。定義基板上の外部の抵
抗器ＲFは増幅器の利得を調整する。ドライバ７４はオ
プトエレクトロニクス変調器７６を変調し、変調器７６
のインピーダンスを整合するために外部部品ＺMATCHに
よって設定された出力インピーダンスを有する。
【００２８】光入力および出力両方は光ファイバ（示さ
れていない）を通って一般チップの適切な装置と結合さ
れる。定義基板は溝７８、８０を有し、それらの溝は好
ましくはＶ型で端部にビーム反射ミラー７９、８１を有
する。溝７８、８０は光ファイバ（示されていない）を
保持し、整列するために設けられている。この例は電気
的通路だけでなく基板によって定められる光通路を示し
ている。定義基板は全く同一の一般チップに結合され、
本発明の柔軟性を示すことに注目すべきである。
【００２９】定義基板は参照文献である米国特許第5,61
1,008号明細書に記載された方法を利用して製造され
る。低損失の基板は少なくとも基板の一部分上の誘電体
層を有するよう設けられる。マイクロ波伝送部材および
受動マイクロ波部品は誘電体層上に直接組立てられる。
【００３０】一般チップと定義基板の間の相互接続は本
来の回路を規定する。一般チップおよび定義基板の組合
わせによって定められる性能特性には利得、周波数応
答、論理機能、入力／出力変換型式、および入力／出力
インピーダンスが含まれる。相互接続の電気的特性は組
立てられた装置を正確に特徴づけ、それらの組立てられ
た装置の再現性を得られたことが重要である。好ましく
は、相互接続ははんだあるいは金属バンプ相互接続を有
するフリップチップによって行われる。これらの組立て
方法は一般に実用されており、詳細に説明しない。
【００３１】図５ははんだバンプ接続の横断図を示す。
定義基板１４は絶縁層８２、金属層８４、はんだに対し
て抵抗性の層８６（ダムとして知られている）、および
はんだバンプパッド８８を有する。一般チップは金属層
８４、はんだダム８６、およびはんだバンプパッド８８
を有する。はんだバンプ９０は定義基板１４および一般
チップ１２の両者のはんだバンプパッド８８と接触す
る。
【００３２】１つの製造技術では、はんだバンプ９０は
定義基板１４を形成するための手順の１部として形成さ
れる。結合された回路の組立ては基板１４上に一般チッ
プ１２を単一に整列して配置することによって行われ
る。チップ１２および基板１４は接続を形成するために
はんだを再溶融するために短時間加熱される。これは組
立てを非常に高速にし、高い収率が得られる。
【００３３】一般チップのビルディングブロックおよび
はんだバンプ接続の物理的特性の性能は特定の用途用回
路設計全体に影響する。それ故、正確な特徴および設計
にしなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一般チップおよび定義基板を示す
本発明のｒｆ-オプトエレクトロニクスのアセンブリの
分解斜視図。
【図２】本発明の一般チップ上のビルディングブロック
部品の例示的なレイアウト。
【図３】切換え可能なオプトエレクトロニクスの受信機
の概略図と一般チップと共に組立てられたときの受信機
を生成する定義基板の概略図。
【図４】オプトエレクトロニクスの中継器の概略図と一
般チップと共に組立てられたときその中継器を生成する
別の定義基板の概略図。
【図５】一般チップと定義基板の間の接続の１つの実施
形態を示している本発明の装置の側面図。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 予め定められたパターンを有するビルデ
    ィングブロック部品がその上に配置された少なくとも１
    つのチップ部材と、 前記少なくとも１つのチップの部材の予め決められた外
    部接続点に接続される基板部材とを具備し、前記ビルデ
    ィングブロック部品は互いに分離して独立し、外部接続
    点を有しており、 前記基板部材は前記予め定められたパターンのビルディ
    ングブロック部品中の選択されたビルディングブロック
    部品を選択的に接続および変更するための回路セクショ
    ンの予め定められたパターンを有し、それによって特定
    の用途用の集積回路を規定していることを特徴とする集
    積回路。
  2. 【請求項２】 前記回路セクションはさらに受動部品を
    含んでいる請求項１記載の集積回路。
  3. 【請求項３】 前記受動部品は伝送線、キャパシタ、イ
    ンダクタ、抵抗器、共振器、同調スタブ、およびｒｆフ
    ィルタ、導波体、反射器、および光ファイバ保持手段か
    らなるグループから選択されている請求項２記載の集積
    回路。
  4. 【請求項４】 前記光ファイバ保持手段はさらに光ファ
    イバを保持するための少なくとも１つの溝を具備してい
    る請求項３記載の集積回路。
  5. 【請求項５】 前記ビルディングブロックは能動素子で
    ある請求項１記載の集積回路。
  6. 【請求項６】 前記能動部品は光検出器、オプトエレク
    トロニクス変調器、光エミッタ、増幅器段、バッファ、
    ドライバ、スイッチ、論理ゲートおよびラッチからなる
    グループから選択されている請求項５記載の集積回路。
  7. 【請求項７】 一般チップ部材上のビルディングブロッ
    クの予め決められたパターンから予め決められたビルデ
    ィングブロックを選択し、 基板部材上の回路セクションの特定の用途用パターンを
    規定し、 前記少なくとも１つの一般チップ部材と前記基板部材と
    を整列させ、 前記基板部材および少なくとも前記１つのチップ部材を
    接続して、それによって特定の用途用オプトエレクトロ
    ニクス集積回路を規定するステップを含んでいるオプト
    エレクトロニクス回路の集積方法。
  8. 【請求項８】 前記基板部材および前記少なくとも１つ
    のチップ部材を接続する前記ステップはさらに前記基板
    部材上の外部接続点に前記チップ部材上に外部接続点を
    はんだ付けするステップを含んでいる請求項７記載の方
    法。
  9. 【請求項９】 同じ誘電体層上にマイクロ波伝送部材お
    よび受動マイクロ波部品を有する基板部材を製造するス
    テップを含んでいる請求項７記載の方法。
  10. 【請求項１０】 同じ一般チップ上に電子的装置および
    オプトエレクトロニクス装置を有する一般チップ部材を
    製造するステップを含んでいる請求項７記載の方法。
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