JP2005093722A - Optical function device and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光機能素子および光機能素子の製造方法に関し、特には直接遷移型の半導体を用いた光機能素子および光機能素子の製造方法に関する。 The present invention relates to an optical functional element and an optical functional element manufacturing method, and more particularly to an optical functional element using a direct transition type semiconductor and an optical functional element manufacturing method.
光電気複合基板を用いた光機能素子の研究や実用化は,通信容量の増大とともに重要になってきている。光機能素子は、例えば基本構成として,半導体レーザ(LD: Laser Diode)や発光ダイオード(Light Emitting Diode)などの光信号を生成する発光部や、pin光ダイオードやアバランシェダイオード(APD: Avalanche Photo Diode)などのフォトディテクタ(PD: Photo-Detector)による光信号受信部(受光部)など光電変換を行う光電変換素子を有している。 Research and practical application of optical functional devices using opto-electric composite substrates are becoming important as communication capacity increases. The optical functional element has, for example, a light emitting unit that generates an optical signal, such as a semiconductor laser (LD) or a light emitting diode (LD), a pin photodiode or an avalanche diode (APD) as a basic configuration. And a photoelectric conversion element that performs photoelectric conversion, such as an optical signal receiving unit (light receiving unit) using a photo-detector (PD).
また、さらに光機能素子は、例えば発光部や受光部などの素子を結合する結合部分や、発光部や受光部の駆動部分である制御素子から構成されている。 Further, the optical functional element is composed of a coupling part that couples elements such as a light emitting part and a light receiving part, and a control element that is a driving part of the light emitting part and the light receiving part.
図1(A)には、従来の光機能素子を模式的に示した斜視図を示し、図1(B)には当該光機能素子の光電変換素子が形成された部分の拡大図を示す。 FIG. 1A is a perspective view schematically showing a conventional optical functional element, and FIG. 1B is an enlarged view of a portion where the photoelectric conversion element of the optical functional element is formed.
図1(A)を参照するに、光機能素子10は、光電変換素子を含むチップ10Aと、当該光電変換素子の制御素子を含むチップ10Bを含み、チップ10Aとチップ10Bは配線部11で電気的に接続されている。チップ10Aには、光電変換素子が形成された基板を含む受発光部10aが形成されている。
Referring to FIG. 1A, the optical
図1(B)は、前記受発光部10aを拡大して模式的に示した図であるが、前記受発光部10aは、直接遷移型半導体基板1上に形成された光電変換素子2と、電極パッド4、当該電極パッドに電気的に接続されるワイヤ5からなる。
FIG. 1B is an enlarged schematic view of the light emitting / receiving
また、前記チップ10Bに形成された、光電変換素子を制御する制御部10bには、例えばSiなどの間接遷移型半導体基板上に、例えばMOSトランジスタなどの光電変換素子を制御する制御素子が形成されている。
Further, in the
このように、従来は光電変換素子が形成されたチップと、制御素子が形成されたチップが別個に形成され、光電変換素子と制御素子が形成されたチップが配線されて、光機能素子として用いられてきた。 Thus, conventionally, a chip on which a photoelectric conversion element is formed and a chip on which a control element is formed are formed separately, and the chip on which the photoelectric conversion element and the control element are formed is wired and used as an optical functional element. Has been.
例えば、光電変換素子のうち、特に発光素子であるLDやLEDの形成には,半導体のバンド間の電子とホールの再結合が直接起こる直接遷移型半導体が用いられる。具体的には、発光素子にはGaAsや、InGaAs,InGaAsP,GaNなどが用いられることが知られており、このような3元,4元半導体の混合割合から利得が得られる波長帯が制御され,共振器の条件によって、レーザの発振波長が決定される。 For example, among the photoelectric conversion elements, a direct transition type semiconductor in which recombination of electrons and holes between semiconductor bands directly is used to form a light emitting element such as an LD or LED. Specifically, it is known that GaAs, InGaAs, InGaAsP, GaN, or the like is used for the light emitting element, and the wavelength band where gain is obtained is controlled from the mixing ratio of such ternary and quaternary semiconductors. The oscillation wavelength of the laser is determined by the condition of the resonator.
一方、このような光電変換素子の制御素子は、電気集積回路の技術を転用して、例えば間接遷移型半導体である、SiによるMOSトランジスタによる集積回路が用いられ、またさらに高速動作を必要とする場合には、同様に間接遷移型半導体であるSiGeを用いたMOSトランジスタを用いる。 On the other hand, the control element of such a photoelectric conversion element uses an integrated circuit technology, for example, an indirect transition type semiconductor integrated circuit using a MOS MOS transistor, and requires a higher speed operation. In this case, a MOS transistor using SiGe, which is an indirect transition semiconductor, is used.
このように、光機能素子の光電気複合基板を構成する場合には、異なる半導体材料からなる素子を、集積させる必要が有る。 As described above, when an optoelectric composite substrate of an optical functional element is configured, elements made of different semiconductor materials need to be integrated.
しかし、光機能素子内で、光電変換素子と、当該光電変換素子の制御素子を集積しようとした場合、光電変換素子と、制御素子はこれらを構成する半導体材料が異なるため、同一基板上にモノシリックに形成することが困難であり、高集積化が困難である問題が生じていた。 However, when an attempt is made to integrate a photoelectric conversion element and a control element of the photoelectric conversion element in the optical functional element, the photoelectric conversion element and the control element are different from each other in the semiconductor material constituting them. However, it has been difficult to form a high integration, and it has been difficult to achieve high integration.
例えば、光電変換素子のうち、発光素子であるLDには、直接遷移型半導体基板上に結晶成長により形成された発光素子を用いるために、結晶成長による積層構造を形成したあとの直接遷移型半導体基板上に、従来のMOSトランジスタなどの制御素子を形成することは困難であり、光電変換素子と制御素子を用いた素子を高集積化する上での問題となっていた。 For example, among the photoelectric conversion elements, the direct-transition semiconductor after forming a stacked structure by crystal growth in order to use a light-emitting element formed by crystal growth on a direct-transition semiconductor substrate for an LD that is a light-emitting element It is difficult to form a control element such as a conventional MOS transistor on a substrate, which has been a problem in highly integrating elements using a photoelectric conversion element and a control element.
このように、異種半導体からなる素子を集積させるための技術としては、結晶成長を用いることなく、基板上に直接接着(Direct Bonding)またはウェハ融着(Wafer Fusion)によって異種半導体を接合する技術は研究レベルで行われ,InP基板とGaAs基板の融着が発表された。(例えば非特許文献1参照。)さらに,GaAs基板上にGaInAsP/InP発光基板を融着し,その後にこのGaInAsP/InP発光基板上に結晶成長により光電変換膜を形成し、面発光レーザの発振が得られている。(例えば非特許文献2参照)。 As described above, as a technique for integrating elements made of different kinds of semiconductors, a technique for bonding different kinds of semiconductors directly on a substrate by direct bonding or wafer fusion without using crystal growth is available. At the research level, the fusion of InP and GaAs substrates was announced. (For example, refer to Non-Patent Document 1.) Further, a GaInAsP / InP light emitting substrate is fused on a GaAs substrate, and then a photoelectric conversion film is formed on the GaInAsP / InP light emitting substrate by crystal growth to oscillate a surface emitting laser. Is obtained. (For example, refer nonpatent literature 2).
また、半導体からなるブロックを用いて当該ブロック上に素子を形成し、当該ブロックを半導体基板に嵌合する方法が提案されている。(例えば特許文献1参照)。
しかし、上記したウェハを接着または融着する方法はウェハレベルの融着となり,張り合わせる材料によって融着条件が異なるので,2種類以上の材料が異なる素子を同一基板上に作りこむのは困難である。また,ウェハごとの貼りあわせでは,活用部分以外の電極バットなどが配置される部分は除去することになるので,高価な結晶成長ウェハを無駄にする部分が多くなる。 However, the above-mentioned method of bonding or fusing wafers becomes wafer-level fusing, and the fusing conditions differ depending on the materials to be bonded. Therefore, it is difficult to form two or more different elements on the same substrate. is there. Further, in the bonding for each wafer, the portion where the electrode bats and the like other than the utilized portion are disposed is removed, so that there are many portions where an expensive crystal growth wafer is wasted.
また、半導体からなるブロックを用いる方法では、例えばSi基板をブロックに用いる凸部とブロックが埋設される凹部の2枚用意する必要があり,また異なる機能を持たせたものを実装する場合には,SiブロックごとにSi基板を用意しなくてはならず,そのブロックごとに基板貼り付け技術工程を行う必要があるために,基板の無駄や製作コスト高くなる問題があった。 In addition, in the method using a block made of a semiconductor, for example, it is necessary to prepare two sheets of a convex portion using a Si substrate for the block and a concave portion in which the block is embedded, and when mounting a device having different functions Therefore, since a Si substrate must be prepared for each Si block, and it is necessary to perform a substrate bonding technique process for each block, there is a problem that the substrate is wasted and the manufacturing cost is increased.
このように、光電変換素子と当該光電変換素子を制御する素子を含む光機能素子を、単純な構造で高集積化することは困難となっていた。 As described above, it has been difficult to highly integrate a photoelectric conversion element and an optical functional element including an element that controls the photoelectric conversion element with a simple structure.
そこで、本発明では、上記の問題を解決した新規で有用な光機能素子および光機能素子の製造方法を提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel and useful optical functional element and a method for manufacturing the optical functional element that solve the above-described problems.
本発明の具体的な課題は、単純な構造で、高集積化された光機能素子、および単純な構造で高集積化することが可能な光機能素子の製造方法を提供することである。 A specific object of the present invention is to provide an optical functional element with a simple structure and highly integrated, and a method for manufacturing an optical functional element that can be highly integrated with a simple structure.
本発明は上記の課題を解決するために、以下の手段を用いた。 The present invention uses the following means in order to solve the above problems.
請求項1に記載したように、SiまたはSiGeからなる基板と、前記基板に実装された光電変換素子を備えた光機能素子であって、前記光電変換素子は直接遷移型半導体よりなることを特徴とする光機能素子を用いたことにより、光機能素子を小型化・高集積化することが可能になる。 An optical functional element comprising a substrate made of Si or SiGe and a photoelectric conversion element mounted on the substrate as defined in claim 1, wherein the photoelectric conversion element is made of a direct transition type semiconductor. By using the optical functional element, it is possible to downsize and highly integrate the optical functional element.
また、請求項2に記載したように、前記光電変換素子は受光素子または発光素子であることを特徴とする請求項1記載の光機能素子を用いると、受光素子または発光素子を有する光機能素子を小型化・高集積化することが可能になる。 According to a second aspect of the present invention, the photoelectric conversion element is a light receiving element or a light emitting element, and the optical functional element having the light receiving element or the light emitting element is used. Can be miniaturized and highly integrated.
また、請求項3に記載したように、前記光電変換素子は、受光および発光を行う受発光素子であることを特徴とする請求項1記載の光機能素子を用いると、受発光素子を有する光機能素子を小型化・高集積化することが可能になる。 Further, as described in claim 3, the photoelectric conversion element is a light receiving / emitting element that receives and emits light. It becomes possible to miniaturize and highly integrate functional elements.
また、請求項4に記載したように、前記光電変換素子は前記基板に複数実装され、複数の当該光電変換素子は前記受光素子および前記発光素子を含むことを特徴とする請求項2記載光機能素子を用いると、受光素子および発光素子を有する光機能素子を小型化・高集積化することが可能になる。 In addition, as described in claim 4, a plurality of the photoelectric conversion elements are mounted on the substrate, and the plurality of photoelectric conversion elements include the light receiving element and the light emitting element. When the element is used, it becomes possible to reduce the size and increase the integration of the optical functional element having the light receiving element and the light emitting element.
また、請求項5に記載したように、前記光電変換素子の信号光の入射方向または出射方向が、前記基板の前記光電変換素子が実装されている面と、略垂直となるように当該光電変換素子を実装したことを特徴とする光機能素子を用いると、小型化・高集積化された光機能素子で、基板と略垂直な方向での光通信が可能になる。
In addition, as described in
また、請求項6に記載したように、前記光電変換素子の信号光の入射方向または出射方向が、前記基板の前記光電変換素子が実装されている面と、略平行となるように当該光電変換素子を実装することを特徴とする光機能素子を用いると、小型化・高集積化された光機能素子で、基板と略平行な方向での光通信が可能になる。 In addition, as described in claim 6, the photoelectric conversion is performed so that the incident direction or the emission direction of the signal light of the photoelectric conversion element is substantially parallel to the surface of the substrate on which the photoelectric conversion element is mounted. When an optical functional element characterized by mounting an element is used, optical communication in a direction substantially parallel to the substrate becomes possible with an optical functional element that is miniaturized and highly integrated.
また、請求項7に記載したように、前記光電変換素子は発光素子からなり、前記基板上に前記発光素子からの出射光の方向を偏光する偏光器を設けたことを特徴とする光機能素子を用いると、小型化・高集積化された光機能素子で、発光素子からの出射光の方向を偏光することが可能になる。 The optical functional element according to claim 7, wherein the photoelectric conversion element is a light emitting element, and a polarizer that polarizes the direction of light emitted from the light emitting element is provided on the substrate. Can be used to polarize the direction of light emitted from the light emitting element with a miniaturized and highly integrated optical functional element.
また、請求項8に記載したように、前記基板上に、前記基板を構成する半導体を用いた、前記光電変換素子を制御する制御素子を形成したことを特徴とする光機能素子を用いると、光電変換素子と制御素子が高密度に形成された光機能素子を実現できる。 Further, as described in claim 8, when an optical functional element characterized in that a control element for controlling the photoelectric conversion element using a semiconductor constituting the substrate is formed on the substrate, An optical functional element in which photoelectric conversion elements and control elements are formed with high density can be realized.
また、請求項9に記載したように、前記基板上に、前記光電変換素子に電気的に接続される配線部が形成され、前記光電変換素子と前記制御素子が前記配線部を介して電気的に接続されることを特徴とする請求項8記載の光機能素子を用いると、光電変換素子と制御素子が高密度に形成された光機能素子で、当該制御素子で当該光機能素子を制御することができる。 In addition, as described in claim 9, a wiring portion electrically connected to the photoelectric conversion element is formed on the substrate, and the photoelectric conversion element and the control element are electrically connected via the wiring portion. The optical functional element according to claim 8, wherein the photoelectric converting element and the control element are formed with high density, and the optical functional element is controlled by the control element. be able to.
また、請求項10に記載したように、前記光電変換素子は、前記配線部を介して電圧が印加されることを特徴とする請求項9記載の光機能素子を用いると、前記光電変換素子の電圧の印加を制御することが可能となる。
In addition, as described in
また、請求項11に記載したように、前記光電変換素子は、略円筒状であることを特徴とする請求項1〜10のうち、いずれか1項記載の光機能素子を用いると、応力や衝撃で光電変換素子を破損する可能性が低下して好適である。 In addition, as described in claim 11, the photoelectric conversion element is substantially cylindrical, and when the optical functional element according to any one of claims 1 to 10 is used, stress or The possibility of damaging the photoelectric conversion element due to an impact is reduced, which is preferable.
また、請求項12に記載したように、前記光電変換素子は、前記基板に形成された孔部に実装されることを特徴とする請求項1〜11のうち、いずれか1項記載の光機能素子を用いると、前記光電変換素子の実装の精度が良好となる。 The optical function according to any one of claims 1 to 11, wherein the photoelectric conversion element is mounted in a hole formed in the substrate. When the element is used, the mounting accuracy of the photoelectric conversion element is improved.
また、請求項13に記載したように、前記光電変換素子は、前記基板上に形成された絶縁材料に囲まれるように設置されることを特徴とする請求項1〜12のうち、いずれか1項記載の光機能素子を用いると、前記光電変換素子の破損や移動を防止し、また絶縁が確保される。 Moreover, as described in Claim 13, the said photoelectric conversion element is installed so that it may be enclosed by the insulating material formed on the said board | substrate, Any 1 among Claims 1-12 characterized by the above-mentioned. When the optical functional element described in the item is used, the photoelectric conversion element is prevented from being damaged or moved, and insulation is secured.
また、請求項14に記載したように、前記光電変換素子が埋設された第1の層と、当該第1の層上に形成された前記光電変換素子が埋設された第2の層が積層されてなることを特徴とする請求項1〜13のうち、いずれか1項記載の光機能素子を用いると、前記光電変換素子をさらに高密度に実装できる。 In addition, as described in claim 14, the first layer in which the photoelectric conversion element is embedded and the second layer in which the photoelectric conversion element formed on the first layer is embedded are stacked. When the optical functional element according to any one of claims 1 to 13 is used, the photoelectric conversion element can be mounted at a higher density.
また、請求項15に記載したように、前記光電変換素子は、GaInAsP、AlGaInAs、GaInNAs、GaAsSb、GaInAsおよびAlGaAsよりなる群より選ばれる材料を含むことを特徴とする請求項1〜14のうち、いずれか1項記載の光機能素子を用いると、上記材料を用いた光電変換素子を有する光機能素子を形成することが可能となる。
Moreover, as described in
また、請求項16に記載したように、光電変換素子と、当該光電変換素子と接続される光導波路を有する光機能素子であって、前記光電変換素子は直接遷移型半導体からなり、当該光電変換素子が、前記光導波路に埋設されるように装着されることを特徴とする光機能素子を用いると、光機能素子を小型化することが可能となる。 According to another aspect of the present invention, there is provided an optical functional element having a photoelectric conversion element and an optical waveguide connected to the photoelectric conversion element, wherein the photoelectric conversion element is made of a direct transition type semiconductor, By using an optical functional element in which the element is mounted so as to be embedded in the optical waveguide, the optical functional element can be reduced in size.
また、請求項17に記載したように、前記光電変換素子は、受光素子または発光素子であることを特徴とする請求項16記載の光機能素子を用いると、受光素子または発光素子を有する、小型化された光機能素子を実現できる。 In addition, as described in claim 17, the photoelectric conversion element is a light receiving element or a light emitting element. When the optical functional element according to claim 16 is used, the photoelectric conversion element has a light receiving element or a light emitting element. An optical functional device can be realized.
また、請求項18に記載したように、前記光電変換素子は、SiまたはSiGeからなる基板に実装された構造であることを特徴とする請求項16または17記載の光機能素子を用いると、基板に実装された、小型化された光機能素子を実現できる。 In addition, as described in claim 18, the photoelectric conversion element has a structure mounted on a substrate made of Si or SiGe. When the optical functional element according to claim 16 or 17, the substrate is used. An optical functional element that is miniaturized and can be realized.
また、請求項19に記載したように、前記光電変換素子に形成された第1の面が前記光導波路に面し、当該第1の面に対向する前記光電変換素子の第2の面が、前記基板に面する構造であることを特徴とする請求項16〜18のうち、いずれか1項記載の光機能素子を用いると、前記光導波路に装着された前記光電変換素子を、前記基板に実装することが可能となる。 In addition, as described in claim 19, a first surface formed on the photoelectric conversion element faces the optical waveguide, and a second surface of the photoelectric conversion element facing the first surface is The optical functional element according to any one of claims 16 to 18, wherein the photoelectric conversion element mounted on the optical waveguide is attached to the substrate. It can be implemented.
また、請求項20に記載したように、前記基板上に、前記基板を構成する半導体を用いた前記光電変換素子を制御する制御素子を形成したことを特徴とする請求項16〜19のうち、いずれか1項記載の光機能素子を用いると、光電変換素子と制御素子が高密度に形成された、小型化された光機能素子を実現できる。
Further, as described in
また、請求項21に記載したように、前記光電変換素子が略円筒形状であることを特徴とする請求項16〜20のうち、いずれか1項記載の光機能素子を用いると、応力や衝撃で光電変換素子を破損する可能性が低下して好適である。
In addition, as described in
また、請求項22に記載したように、SiまたはSiGeからなる第1の基板に、直接遷移型半導体からなる光電変換素子を実装してなる光機能素子の製造方法であって、直接遷移型半導体からなる第2の基板上に、結晶成長により光電変換膜を形成する膜形成工程と、前記光電変換膜をエッチングして前記光電変換素子を形成するパターニング工程と、前記光電変換素子を前記第2の基板より分離する分離工程と、前記光電変換素子を前記第1の基板に実装する実装工程とを有することを特徴とする光機能素子の製造方法を用いると、小型化・高集積化された光機能素子を製造することが可能になる。 A method for manufacturing an optical functional element comprising a photoelectric conversion element made of a direct transition type semiconductor mounted on a first substrate made of Si or SiGe, wherein the direct transition type semiconductor comprises: A film forming step of forming a photoelectric conversion film by crystal growth on a second substrate comprising: a patterning step of etching the photoelectric conversion film to form the photoelectric conversion element; and When using the method for manufacturing an optical functional element, comprising: a separation step of separating the substrate from the substrate; and a mounting step of mounting the photoelectric conversion element on the first substrate. An optical functional element can be manufactured.
また、請求項23に記載したように、前記第分離工程では、ウェットエッチング処理によって前記光電変換素子を前記第2の基板より分離することを特徴とする請求項22記載の光機能素子の製造方法を用いると、前記光電変換素子を、前記第2の基板から容易に分離できる。
23. The method of manufacturing an optical functional element according to
また、請求項24に記載したように、前記分離工程では、CMP(化学機械研磨)により前記第2の基板を除去することにより、前記光電変換素子を前記第2の基板より分離することを特徴とする請求項22記載の光機能素子の製造方法を用いると、前記光電変換素子を、前記第2の基板から容易に分離できる。
In addition, as described in
また、請求項25に記載したように、前記実装工程では、前記光電変換素子の、前記膜形成工程で前記第2の基板に面した側が、前記第1の基板に面するようにして当該光電変換素子を実装することを特徴とする請求項22〜24のうち、いずれか1項記載の光機能素子の製造方法を用いると、前記光電変換素子を容易に基板に実装することが可能となり、好適である。
Further, in the mounting step, the photoelectric conversion element is configured such that a side of the photoelectric conversion element facing the second substrate in the film formation step faces the first substrate. When the method for producing an optical functional element according to any one of
また、請求項26に記載したように、前記実装工程では、前記光電変換素子の、前記膜形成工程で前記第2の基板に面した側と対向する側が、前記第1の基板に面するようにして当該光電変換素子を実装することを特徴とする請求項22〜24のうち、いずれか1項記載の光機能素子の製造方法を用いると、光電変換素子の光の出射面または入射面の状態を良好とすることができる。
In the mounting step, the side of the photoelectric conversion element that faces the side facing the second substrate in the film forming step faces the first substrate. The photoelectric conversion element is mounted as described above, and when the method for producing an optical functional element according to any one of
また、請求項27に記載したように、前記パターニング工程の後に、前記光電変換素子をダミー基板に装着する転写工程をさらに設け、前記実装工程では、前記ダミー基板に装着された前記光電変換素子を前記第1の基板に実装することを特徴とする請求項22〜26のうち、いずれか1項記載の光機能素子の製造方法を用いると、前記光電変換素子の実装を容易に行う事が可能になる。
In addition, as described in claim 27, after the patterning step, a transfer step of mounting the photoelectric conversion element on a dummy substrate is further provided, and in the mounting step, the photoelectric conversion element mounted on the dummy substrate is 27. The method of manufacturing an optical functional element according to any one of
また、請求項28に記載したように、前記ダミー基板上に、複数の前記光電変換素子のうちの一部の前記光電変換素子が選択的に装着されるパターニング膜を設けることにより、前記第1の基板に実装される前記光電変換素子の数が制御されることを特徴とする請求項27記載の光機能素子の製造方法を用いると、前記第1の基板に実装される前記光電変換素子のパターンを制御することが可能になり、好適である。 In addition, as described in claim 28, by providing a patterning film on which the photoelectric conversion elements of some of the plurality of photoelectric conversion elements are selectively mounted on the dummy substrate. The number of the photoelectric conversion elements mounted on the substrate is controlled using the method for manufacturing an optical functional element according to claim 27, wherein the photoelectric conversion elements mounted on the first substrate are controlled. The pattern can be controlled, which is preferable.
また、請求項29に記載したように、前記第1の基板上に、前記第1の基板を構成する半導体を用いた前記光電変換素子を制御する制御素子を形成する工程をさらに設けたことを特徴とする請求項22〜28のうち、いずれか1項記載の光機能素子の製造方法を用いると、光電変換素子と制御素子が高密度に形成された光機能素子を製造することが可能になる。
In addition, according to a twenty-ninth aspect of the present invention, there is further provided a step of forming a control element for controlling the photoelectric conversion element using a semiconductor constituting the first substrate on the first substrate. 29. The optical functional element manufacturing method according to any one of
また、請求項30に記載したように、前記光電変換膜は、GaInAsP、AlGaInAs、GaInNAs、GaAsSb、GaInAsおよびAlGaAsよりなる群より選ばれる材料を含むことを特徴とする請求項22〜29のうち、いずれか1項記載の光機能素子の製造方法を用いると、上記材料を用いた光電変換素子を有する光機能素子を形成することが可能となる。 Furthermore, as described in claim 30, the photoelectric conversion film includes a material selected from the group consisting of GaInAsP, AlGaInAs, GaInNAs, GaAsSb, GaInAs, and AlGaAs. When the method for producing an optical functional element described in any one of the above items is used, an optical functional element having a photoelectric conversion element using the above material can be formed.
本発明によれば、単純な構造で、高集積化された光機能素子、および単純な構造で高集積化することが可能な光機能素子の製造方法を提供することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the manufacturing method of the optical function element which can be highly integrated with a simple structure and highly integrated with the simple structure.
次に、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1による光機能素子20を模式的に示した平面図である。
FIG. 1 is a plan view schematically showing an optical
図1を参照するに、光機能素子20は、間接遷移型の、例えばSiからなる基板21上に形成された受発光部22と、制御部25を有している。前記受発光部22には、直接遷移型の半導体からなる光電変換素子23がSiからなる基板21上に実装されている。当該光電変換素子23は、当該光電変換素子23と配線24によって電気的に接続された前記制御部25に形成された制御素子によって制御される構造になっている。
Referring to FIG. 1, the optical
前記制御素子は、例えばMOSトランジスタなどの素子からなり、前記受発光部22に隣接する前記制御部25に形成され、前記光電変換素子23を制御する構造になっている。また、前記基板21は、例えばSiからなるが、高速動作が必要な場合にはSiGeからなる基板を用いることが可能である。
The control element includes, for example, an element such as a MOS transistor, and is formed in the
前記受発光部22を形成する場合には、例えば、まず直接遷移型半導体基板上に結晶成長により光電変換膜を堆積し、当該光電変換膜をエッチングすることにより光電変換素子を形成して、当該光電変換素子をSi基板上に実装する方法をとっている。この詳細に関しては後述する。また、光電変換素子は、例えばLDなどの発光素子や、PDのような受光素子、または一つの素子で発光と受光を兼ねる銃発光素子のいずれを用いることも可能である。
In the case of forming the light emitting / receiving
このように、間接遷移型半導体基板上に形成された、当該間接型半導体を用いた制御素子と隣接するように、当該間接遷移型半導体基板上に、直接遷移型半導体からなる光電変換素子を実装したことにより、光機能素子の高集積化を可能としている。 In this way, a photoelectric conversion element made of a direct transition semiconductor is mounted on the indirect transition semiconductor substrate so as to be adjacent to a control element using the indirect semiconductor formed on the indirect transition semiconductor substrate. As a result, high integration of the optical functional element is enabled.
すなわち、同一の基板に異なる半導体材料からなる光電変換素子と制御素子を集積したため、例えば図2に示すように、光機能素子の幅W1を小さくすることが可能となり、光機能素子の高集積化を可能とし、そのために光機能素子の小型・軽量化を実現することが可能となっている。 That is, since the photoelectric conversion element and the control element made of different semiconductor materials are integrated on the same substrate, for example, as shown in FIG. 2, the width W1 of the optical functional element can be reduced, and the optical functional element is highly integrated. Therefore, the optical functional element can be reduced in size and weight.
また、基板の張り合わせや接合を用いて光電変換素子と制御素子を形成する場合に比べて構成が単純であり、より小型化・高集積化に好適であり、また製造コストが抑制されるという効果を奏する。また、光機能素子の量産を考慮した場合には、単純な構造で製造が可能なために歩留まりが高い特徴を有している。 In addition, the structure is simple compared to the case where the photoelectric conversion element and the control element are formed by bonding or bonding the substrates, and it is suitable for further miniaturization and higher integration, and the manufacturing cost is suppressed. Play. In addition, when mass production of optical functional elements is taken into account, it can be manufactured with a simple structure and thus has a high yield.
次に、前記受発光部22と、前記制御部25の詳細について説明する。
Next, details of the light emitting / receiving
図3(A)、(B)は前記光機能素子20の受発光部22と制御部25の構成例の断面図を模式的に示した図であり、図3(A)は受発光部を、図3(B)は制御部をそれぞれ示している。
3A and 3B are diagrams schematically showing cross-sectional views of configuration examples of the light emitting / receiving
まず、図3(A)を参照するに、本図における基板101は前記図2における基板21にあたり、Siからなる当該基板101上には、図2における光電変換素子23にあたる受光素子102、および発光素子108が実装されている。
First, referring to FIG. 3A, the
前記受光素子102はフォトダイオードであり、光電変換膜103と接合部104からなり、入射光である、基板101に略垂直な信号光L2が前記光電変換膜103に入射することにより、当該光電変換膜103で電子とホールが生成され、電流として検知される構造になっている。
The
また、前記発光素子108は例えば面発光レーザからなり、光電変換膜110と、当該光電変換膜110を矜持するように形成された、ブラック反射鏡(DBR)からなる接合部109からなる。前記光電変換膜110は、量子井戸や歪量子井戸,量子細線,量子箱という形態をとり,電流印加により生じた電子ホール対が再結合して,バンドギャップに応じた周波数の光を放出し、例えば図に示すように、基板101に略垂直な信号光L1を放出する。
The
このような発光素子は、直接遷移型半導体基板、例えばGaAs、InPまたはGaNからなる基板上に結晶成長を用いて堆積された光電変換膜をエッチングすることにより形成され、Si基板上に実装される。前記発光素子108を構成する材料としては、前記光電変換膜/接合部の組み合わせで表記すると、例えば、GaInAsP/InP、AlGaInAs/InP、GaInNAs/GaAs、GaAsSb/GaAs、GaInAs/GaAsおよびAlGaAs/GaAsのいずれかを用いることが可能である。
Such a light emitting device is formed by etching a photoelectric conversion film deposited by crystal growth on a direct transition semiconductor substrate, for example, a substrate made of GaAs, InP, or GaN, and mounted on a Si substrate. . The material constituting the
また、前記受光素子に関しても、発光素子と同様に直接遷移型半導体基板上に結晶成長により形成した膜をエッチングして形成したものを用いることが可能である。また、受講素子の場合には、受光素子を間接遷移型半導体を用いて形成することも可能であり、例えばSi基板上に、当該Siを用いた構造で形成することも可能である。 As the light receiving element, it is possible to use an element formed by etching a film formed by crystal growth on a direct transition type semiconductor substrate in the same manner as the light emitting element. In the case of a student element, the light receiving element can be formed using an indirect transition type semiconductor. For example, the light receiving element can be formed on a Si substrate with a structure using Si.
また、前記受光素子には配線部105、106が接続され、前記発光素子108の前記接合部109には配線部111、112が接続されて必要に応じて電力が供給され,また後述する制御部に形成された制御素子に電気的に接続されて制御される構造になっている。
In addition,
前記配線部105,106,111および112の材料は、電子回路に使われる銅やアルミニウム,金,銀などが用いられ、半導体とのオーミックコンタクトを取る部分にはp側が金と亜鉛もしくはチタン白金の合金など,n側には金ゲルマニウム合金などが用いられる。このような接合技術や配線技術は、半導体レーザやフォトダイオードなどに用いられる一般的な方法を用いることが可能である。
The
また、前記受光素子102および発光素子108の周囲には、絶縁膜からなる保護膜107が形成されている。これは、配線部間の絶縁や配線部の支持,光電変換素子の保持・保護や絶縁の目的で形成されている。前記保護膜107は、光学的に透明な材料を用いることが好適であるが、光の入出射部分を露出して光信号を送受信できるような形態をとっても良い。
A
前記受光素子102および発光素子108は略円筒形状をしている。例えば前記発光素子108の場合、円筒の直径が略100μmである。このように、微細な構造の光電変換素子を基板に実装する場合には、光電変換素子が形成された直接線型半導体基板、例えば1mm角程度のチップに切り出し、当該チップを前記基板101に、当該チップに素子が形成されている面が前記基板101と面するようにして接合する。接合には接着や半導体融着,金属同士の接合などの技術を用いることが可能である。
The
そこで、当該チップの裏面(素子が形成されていない面)を研磨もしくはウェットエッチングにより除去することで、間接遷移型半導体からなる前記基板101上に、直接遷移型半導体からなる光電変換素子を実装することができる。なお、この製造方法に関しては後述する。
Therefore, by removing the back surface (the surface on which no element is formed) of the chip by polishing or wet etching, a photoelectric conversion element made of a direct transition type semiconductor is mounted on the
従来は、例えば、異種のウェハを接合して,光機能素子の特定の場所に光電気変換素子を構成する方法が用いられていた。このようにウェハレベルで接合を行う方法を用いた場合には、光電変換素子を形成する基板を無駄にする面積が大きくなり、GaAsなどの高価な直接遷移型半導体基板を消費してしまうため、光機能素子の製造コストが高くなる問題が生じていた。 Conventionally, for example, a method has been used in which different types of wafers are bonded and a photoelectric conversion element is configured at a specific location of the optical functional element. When the method for bonding at the wafer level is used in this way, an area for wasting a substrate on which the photoelectric conversion element is formed becomes large, and an expensive direct transition semiconductor substrate such as GaAs is consumed. There has been a problem that the manufacturing cost of the optical functional element is increased.
特に,レーザ活性層や面発光レーザのDBRなど高度な半導体プロセス技術を必要とする場合、もしくはInなどの希少金属を材料にする光電気変換素子の場合は、基板一枚から取り出せる光電変換素子の数に、製造コストが大きく依存する。本発明の場合には、光電変換素子を効率よく製造して実装することが可能であり、後述するように、1枚の基板から製造可能な光電変換素子の数が多く、そのために光機能素子の製造コストを抑制する効果を奏する。 In particular, when an advanced semiconductor process technology such as a laser active layer or DBR of a surface emitting laser is required, or in the case of a photoelectric conversion element made of a rare metal such as In, a photoelectric conversion element that can be taken out from a single substrate is used. The manufacturing cost greatly depends on the number. In the case of the present invention, it is possible to efficiently manufacture and mount a photoelectric conversion element. As will be described later, there are a large number of photoelectric conversion elements that can be manufactured from one substrate, and therefore, an optical functional element. There is an effect of suppressing the manufacturing cost.
次に、図3(B)を参照するに、前記基板101上には、前記受光素子102や、前記発光素子108などの、前記基板101上に実装された、光電変換素子を制御する制御素子が形成されている。前記制御素子は、前記基板101を構成する半導体材料を用いて構成されており、例えばMOSトランジスタ(例えばCMOSなど)が形成される。
Next, referring to FIG. 3B, control elements for controlling photoelectric conversion elements mounted on the
図3(B)に示す前記制御素子は、基板101上の素子分離絶縁膜112により分離された素子領域上に形成された、ゲート絶縁膜114Aと、当該ゲート絶縁膜114A上に形成されたゲート電極114と、当該ゲート電極114の両側に形成された拡散層115A、115Bとを含む。
The control element shown in FIG. 3B includes a
前記ゲート電極114は側壁面が側壁絶縁膜113A,113Bにより覆われ、さらに前記Si基板101上には、絶縁膜116が、前記ゲート電極114および側壁絶縁膜113A、113Bを覆うように形成され、さらに前記絶縁膜116上には必要に応じて保護膜117が形成される。
The
前記絶縁膜116、および前記保護膜117には、前記拡散層115Bに通じるコンタクトホールが形成されており、当該コンタクトホール内壁にはバリア膜118が形成され、さらに前記バリア膜118が形成された当該コンタクトホールには、例えばW(タングステン)からなるコンタクトプラグ119が埋め込まれている。前記コンタクトプラグ119は、前記バリア膜118を介して前記拡散層115Bに電気的に接続される構造となっている。
In the insulating
前記保護膜117上には、絶縁膜120が形成され、当該絶縁膜120上にはキャップ膜121が形成されている。
An insulating
当該配線間絶縁膜110および前記キャップ膜121には配線溝がエッチングにより形成され、当該配線溝には配線部122と、当該配線部122を囲むようにバリア膜122aが形成され、前記配線部122は、前記バリア膜122aを介して前記コンタクトプラグ119に電気的に接続されている。前記配線部122は光電変換素子に接続され、光電変換素子を制御する構造になっている。例えば光電変換素子の制御素子は、半導体レーザの直接変調や検出信号の処理,増幅機能などを行う。
A wiring groove is formed in the inter-wiring
本実施例を用いると、異なる材料の別の機能を有する素子、例えば光電変換素子と当該光電変換素子を制御する制御素子を同一平面内に高密度に配置することが可能となり,複雑な光受発光素子,具体的には光変調器,光スイッチ,空間光変調器,空間光スイッチ,光インターコネクション用受発光素子,光メモリー用光ピックアップ,ディスプレー用光源,光コンピューティング用並列光プロセッサなどの光機能素子を高集積化して小型化することが可能となる。 By using this embodiment, it is possible to arrange elements having different functions of different materials, for example, photoelectric conversion elements and control elements for controlling the photoelectric conversion elements at a high density in the same plane, so that complex light reception is possible. Light-emitting elements, specifically optical modulators, optical switches, spatial light modulators, spatial light switches, light-receiving / emitting elements for optical interconnections, optical pickups for optical memories, light sources for displays, parallel optical processors for optical computing, etc. Optical functional elements can be highly integrated and miniaturized.
また、光電変換素子の形状や実装方法は本実施例の場合に限定されるものではなく、例えば以下に実施例3〜実施例18に示すように、様々に変形・変更して用いることが可能であり、いずれの場合においても本実施例や実施例1に記載した場合と同様の効果を奏する。 In addition, the shape and mounting method of the photoelectric conversion element are not limited to the case of the present embodiment, and for example, as shown in Examples 3 to 18 below, various modifications and changes can be used. In any case, the same effects as those described in the present embodiment and the first embodiment can be obtained.
図4は、実施例2の変形例であり、前記光機能素子20の前記受発光部の構成例の断面図を模式的に示した図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
FIG. 4 is a modified example of the second embodiment, and is a diagram schematically showing a cross-sectional view of a configuration example of the light receiving and emitting unit of the optical
図4を参照するに、本実施例では、前記基板101上に、それぞれ受光部102および発光部108を実装するための孔部102Aおよび108Aが設けられている。前記孔部102Aおよび108Aは、例えば光電変換素子と接する底面が略円状の孔であり、孔部の径が、当該底面から基板から離れる方向に向かって大きくなる、いわゆるテーパー形状を有している。
Referring to FIG. 4, in this embodiment, holes 102A and 108A for mounting the
前記受光素子102は、前記孔部102Aに、前記発光素子108は前記孔部108Aにそれぞれ埋め込むように実装されている。このように、光電変換素子を、孔部に埋設するように実装してもよい。この場合、特にテーパー状の孔部に光電変換素子を実装する場合は、実装時の光電変換素子の位置決めが容易となり、光電変換素子が実装される位置の精度が良好となる効果を奏する。
The
また、本実施例の場合、図3(A)における前記配線部111と、前記配線部105に該当する配線部113が、前記基板101の裏面に形成されている。このように、配線部を基板の裏面に形成することも可能である。
In the case of this embodiment, the
また、前記孔部と光電気変換素子は同程度の大きさを持ち、例えば孔部の径は100μm以下程度である。光電変換素子は、孔部に埋め込むように実装されるため、光電変換素子は必要に応じて、孔部よりも5〜10%程度小さく形成される。また、孔部に光電変換素子を埋設する深さは、50μm以下が好ましく、10μm以下がより好ましい。光電気変換素子が埋没してしまい光信号のやり取りができなくならない程度の深さであれば良い。 The hole and the photoelectric conversion element have the same size. For example, the diameter of the hole is about 100 μm or less. Since the photoelectric conversion element is mounted so as to be embedded in the hole, the photoelectric conversion element is formed about 5 to 10% smaller than the hole as necessary. Further, the depth at which the photoelectric conversion element is embedded in the hole is preferably 50 μm or less, and more preferably 10 μm or less. The depth may be such that the photoelectric conversion element is buried and an optical signal cannot be exchanged.
光電変換素子が面発光レーザであれば、孔部の大きさは直径で5〜20μm程度が好ましく、また孔部の断面形状は円形に限定されるものではなく、一辺をもつ円形もしくは多面体を含む矩形構造であってもよい。光電気変換素子が受光素子の場合には、孔部の大きさは直径で20〜100μm程度が好ましく、また同様に孔部の断面形状は円形に限定されるものではなく、一辺をもつ円形もしくは多面体を含む矩形構造であってもよい。これら孔部、または光電変換素子の大きさは、受光素子の受光感度などに依存する.
また、前記基板101上に、前記孔部102Aおよび108Aを形成する場合には、通常の、フォトリソグラフィーとドライエッチングで形成することが可能である。また、マスクを用いたウェットエッチングにより形成することも可能である。但し、ウェットエッチングで孔部を形成する場合には、エッチング溶液によっては異方性エッチングされ、側壁角度が垂直ではない場合がある。その場合は、側壁の角度とエッチング深さに対応して、エッチング形状のマージンを考慮したエッチングを行う必要がある。
If the photoelectric conversion element is a surface emitting laser, the size of the hole is preferably about 5 to 20 μm in diameter, and the cross-sectional shape of the hole is not limited to a circle, but includes a circle or a polyhedron having one side. It may be a rectangular structure. In the case where the photoelectric conversion element is a light receiving element, the size of the hole is preferably about 20 to 100 μm in diameter, and similarly, the cross-sectional shape of the hole is not limited to a circle, but a circle with one side or A rectangular structure including a polyhedron may be used. The size of these holes or photoelectric conversion elements depends on the light receiving sensitivity of the light receiving elements.
When the
また、前記基板101に形成される、光電変換素子を実装するための孔部は、底面が基板表面と平行である必要はなく、様々に変形・変更が可能である。
The hole for mounting the photoelectric conversion element formed in the
図5には、実施例3に記載した受発光部の構成の変形例を模式的に示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIG. 5 schematically shows a modification of the configuration of the light receiving and emitting unit described in the third embodiment. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
図5を参照するに、本実施例の場合には、前記発光部108を実装する孔部114が、前記基板101の表面に対して斜めに形成されている。そのため、前記孔部114に沿うように実装された面発光レーザからなる発光素子108は、孔部の形状に応じて、光の出射方向を変更することが可能になっている。また、本実施例の場合、前記接合部109にそれぞれ電極109Aおよび109Bが設けてあり、アニール等のプロセスによって電極と接合部のオーミックコンタクトが確立されている。そのため、配線部112Aおよび112Bと、発光素子108が確実に電気的に接続されている。
Referring to FIG. 5, in the case of the present embodiment, a
次に、本発明による実施例5の、受発光部の構成を図6(A),(B)に模式的に示す。図6(A)は、平面図であり、図6(B)は、図6(A)でのB−B断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, FIGS. 6A and 6B schematically show the configuration of the light receiving and emitting unit of Example 5 according to the present invention. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 6A. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
図6(A)、(B)を参照するに、前記基板101には、複数の孔部117が形成されており、複数の光電変換素子、例えば発光素子108が当該孔部117に実装されている。前記基板101表面と前記発光素子108を覆うように、絶縁膜からなる保護膜116が形成されており、光電変換素子の保護と配線部の保持・絶縁の機能を果たしている。
6A and 6B, a plurality of
また、前記接合部109には、前記保護膜116上に形成された配線部115が接続され、また前記基板101の裏面には配線部113が形成されて、複数の光電変換素子に個別に給電されるとともに、制御素子に接続されて、複数の光電変換素子の動作が個別に制御される構造になっている。
In addition, a
このように、基板に複数の孔部を設け、複数の光電変換素子を実装してもよく、またその場合、複数の光電変換素子は制御素子により、個別に制御される。 As described above, a plurality of holes may be provided in the substrate and a plurality of photoelectric conversion elements may be mounted. In that case, the plurality of photoelectric conversion elements are individually controlled by the control element.
また、本実施例では、基板101の裏面に電極が形成してあるが、次に、図7に示すように、光電変換素子に電極を形成して配線部を接続するようにしてもよい。
In this embodiment, the electrodes are formed on the back surface of the
図7には、実施例5の変形例である本発明による実施例6の受発光部を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIG. 7 shows a light emitting / receiving unit according to the sixth embodiment of the present invention, which is a modification of the fifth embodiment. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
本実施例では、前記発光素子108の前記接合部109に、それぞれ電極109Aおよび109Bが、アニールによるオーミックコンタクトをとって接合されている。前記基板101側に形成された前記電極109Bには、前記基板上から孔部117Aの側壁面にかけて形成された配線部118が電気的に接続されている。また、前記光電変換膜110を挟んで前記電極109Bに対向するように形成された前記電極109Aには、前記保護膜116上に形成された配線部115が電気的に接続されている。
In this embodiment,
このように、光電変換素子の実装方法や配線方法は様々に変形・変更して用いることが可能である。 In this manner, the photoelectric conversion element mounting method and wiring method can be used with various modifications and changes.
実施例1〜実施例6では、光機能素子の受発光部に、おもに略円筒状の光電変換素子を用いた場合を例にとって説明したが、光電変換素子の形状はこれに限定されるものではない。例えば次に図8(A)、(B)に示すように、光電変換素子に、筐体形状のものを用いることも可能である。また、実施例1〜実施例6では、発光素子から出射される信号光と、受光部に入射する信号光の進行方向が、基板の上面、すなわち基板上で素子が形成される面に対して略垂直方向、すなわち基板から離れる方向、または近づく方向であった。本実施例の場合には、出射または入射光などの信号光の進行方向が、基板上の素子が形成されている面に対して略平行となる。 In Examples 1 to 6, the case where a substantially cylindrical photoelectric conversion element is mainly used as the light receiving and emitting part of the optical functional element has been described as an example, but the shape of the photoelectric conversion element is not limited to this. Absent. For example, as shown in FIGS. 8A and 8B, a photoelectric conversion element having a housing shape can be used. In the first to sixth embodiments, the traveling direction of the signal light emitted from the light emitting element and the signal light incident on the light receiving portion is relative to the upper surface of the substrate, that is, the surface on which the element is formed on the substrate. It was a substantially vertical direction, that is, a direction away from or closer to the substrate. In the case of the present embodiment, the traveling direction of signal light such as emitted or incident light is substantially parallel to the surface on which the element on the substrate is formed.
図8(A)、(B)は、本発明の実施例7による、受発光部の構成を模式的に示したものであり、図8(A)は、平面図であり、図8(B)は、図8(A)でのD−D断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIGS. 8A and 8B schematically show the structure of the light receiving and emitting unit according to Example 7 of the present invention, FIG. 8A is a plan view, and FIG. ) Is a sectional view taken along the line DD in FIG. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
図8(A)、(B)を参照するに、前記基板101には、チャネル状の孔部120が形成され、当該孔部120に、筐体形状の光電変換素子108’が実装されている。前記光電変換素子108’は、例えば面発光レーザまたは導波路型受光素子からなる。本実施例の場合には、光電変換素子108’を必要に応じて発光素子として、または受光素子としての機能を使い分けるようになっている。
Referring to FIGS. 8A and 8B, a channel-shaped
前記光電変換素子108’は、光電変換膜110’と、当該光電変換膜110’を矜持するように形成された、ブラック反射鏡(DBR)からなる接合部109’からなる構造を有しており、前記光電変換膜110’は、量子井戸や歪量子井戸,量子細線,量子箱という形態をとり,電流印加により生じた電子ホール対が再結合して,バンドギャップに応じた周波数の光を放出し、例えば図に示すように信号光L1’となる。また,光電変換素子を受光素子として用いる場合は、光が入射することで電子ホールが生成して,電流が発生し,入射する信号光L2’を検知できる。
The
本実施例においては、前記孔部120に前記光電変換素子108’が埋設されるように実装され、さらに当該光電変換素子108’を覆うように絶縁膜からなる保護膜121が形成され、当該発光素子108’の前記接合部109’には当該保護膜121上に形成された配線部122が電気的に接続されている。また、前記基板101の裏面(素子が形成されていない面)には、配線部123が形成されている。このように配線部が接続されることで、前記光電変換素子108’に給電が行われるとともに、制御素子と接続されて制御される構造になっている。
In this embodiment, the photoelectric conversion element 108 'is embedded in the
本実施例の場合には、電圧印加方向によって受光素子と発光素子の機能が、同じ素子で実現できる。すなわち、同一の構造の素子で受光と発光が可能な受発光素子として用いることができるため、必要に応じて受光素子と発光素子の機能を使い分けることが可能である。このような制御は、基板101上に形成された制御素子によって行われる。
In the case of the present embodiment, the functions of the light receiving element and the light emitting element can be realized by the same element depending on the voltage application direction. That is, since the element having the same structure can be used as a light receiving / emitting element capable of receiving and emitting light, the functions of the light receiving element and the light emitting element can be properly used as necessary. Such control is performed by a control element formed on the
また、必要とされる感度や動作速度に応じて異なる材料から構成される受発光素子を用いても良い。また、本実施例の構成であれば、受光素子に導波路型受光素子を用いることが可能となり、従来の面型受光素子と比較して高感度となり、さらに高速の応答が可能となり、例えば10Gbps以上の大容量高速の光通信などに用いることが可能となる。本実施例に用いた構造は、例えば基板の側壁面などの孔部に、端面発光レーザや導波路型受光素子を埋め込むのに適している。 In addition, a light emitting / receiving element made of different materials may be used depending on required sensitivity and operation speed. In addition, with the configuration of this embodiment, a waveguide type light receiving element can be used as the light receiving element, and the sensitivity is higher than that of the conventional surface light receiving element, and a higher speed response is possible. For example, 10 Gbps It can be used for the above large-capacity and high-speed optical communication. The structure used in this example is suitable for embedding an edge emitting laser or a waveguide type light receiving element in a hole such as a side wall surface of a substrate.
前記孔部120は、従来のフォトリソグラフィーとドライエッチングで構成することが可能であり、孔部の幅は10μm以下であって孔部の深さが1〜10μmとすることが好ましい。孔部の幅は、横モードが単一モードとなる幅に対応して、電流狭窄構造を効果的に用いることができるように形成することがより好ましい。
The
また、前記孔部120は、ウェットエッチングで形成することも可能である。ウェットエッチングの場合,異方性エッチングによりV字型の孔部を形成することも可能である。
このようにして形成された孔部に発光素子を実装する場合、端面発光レーザよりも円形構造をもつ面発光レーザを実装することが好ましい。すなわち、本実施例の場合には、光の共振方向が基板と平行方向となることが好ましいため、端面発光レーザが好適である。
Further, the
When mounting a light emitting element in the hole formed in this way, it is preferable to mount a surface emitting laser having a circular structure rather than an edge emitting laser. That is, in the case of this embodiment, since the light resonance direction is preferably parallel to the substrate, an edge emitting laser is suitable.
このように、基板と信号光(入射光または射出光)が基板と略平行となるように受発光部の光電変換素子を形成する構造は、本実施例に限定されるものではなく、様々に変形・変更が可能であり、実施例8に本実施例の変形例を示す。 As described above, the structure in which the photoelectric conversion element of the light emitting / receiving unit is formed so that the substrate and the signal light (incident light or emitted light) are substantially parallel to the substrate is not limited to the present embodiment. Modification / change is possible, and a modification of the present embodiment is shown in the eighth embodiment.
次に、図9(A)、(B)には、図8(A)、(B)に示した実施例7の変形例で有る本発明の実施例8による受発光部の構成例を模式的に示す。図9(A)は受発光部の断面図を模式的に示したものであり、図9(B)は図9(A)のC−C断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, FIGS. 9A and 9B are schematic diagrams illustrating a configuration example of the light emitting and receiving unit according to the eighth embodiment of the present invention, which is a modification of the seventh embodiment illustrated in FIGS. 8A and 8B. Indicate. FIG. 9A schematically shows a cross-sectional view of the light emitting / receiving portion, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 9A. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
図9(A)、(B)を参照するに、前記基板101には段差形状が設けれ、前記基板101上には、前記発光素子108と、コア部124およびクラッド部125からなる光導波路(光ファイバ)123が実装されている。前記光導波路124は、基板に石英やガラスを堆積する方法や,有機光学材料を堆積することにより構成できる。
前記段差形状は、前記発光素子108の出射端109Aから放射された信号光が前記光導波路408のコア部409に略平行となるように、形成されている。
Referring to FIGS. 9A and 9B, the
The step shape is formed so that the signal light emitted from the
また、前記発光素子108が設置された基板101の面には、図9(B)に示すように、断面がV字型になるように形成された溝状の孔部126が形成されており、当該孔部126の内壁面と前記発光素子108が接するように、当該発光素子108が実装されている。
Further, as shown in FIG. 9B, a groove-
前記孔部126は、ウェットエッチングによる異方性エッチングでV字型に加工している。具体的には、前記基板101に、ウェットエッチングを多段階に施し,深さが異なるV字型の溝を構成している。
The
また、前記発光素子108の、前記接合部109には、配線部121および122が接続されて、前記発光素子108に給電を可能とすると共に、前記基板101上に形成された制御素子に電気的に接続されて、当該制御素子によって前記発光素子108が制御される構造になっている。
In addition,
本実施例の構造を用いた場合、アライメントが極めて高精度でとれるため、発光素子または受光素子と、光導波路の信号光の光軸を精度良く合わせた構造とすることが可能となる。すなわち、発光素子または受光素子と、光導波路を高効率で結合させることが可能となる。 When the structure of this embodiment is used, alignment can be performed with extremely high accuracy, so that a structure in which the light emitting element or the light receiving element and the optical axis of the signal light in the optical waveguide are accurately combined can be achieved. That is, the light emitting element or the light receiving element and the optical waveguide can be coupled with high efficiency.
次に、本発明の実施例9として、受発光部の構造を模式的に示した断面図を図10に示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, as Example 9 of the present invention, FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the light receiving and emitting part. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
前記基板101には、前記発光素子108を実装するために孔部が形成されており、前記発光素子108は、当該孔部に埋設されるように、当該孔部の底面に実装されている。
A hole is formed in the
前記発光素子108は、当該発光素子108が出射する信号光と、前記孔部の底面が略平行となるように実装されている。前記孔部には、前記発光素子108を覆うように、前記発光素子108を固定・保護するため、また絶縁のために絶縁膜からなる保護膜132が形成されている。
The
前記発光素子108には、オーミックコンタクトが形成されている電極109Aおよび109Bが形成され、それぞれ配線部133、134と接続されており、前記発光素子108に給電を可能とすると共に、制御素子によって制御される構造になっている。
また、前記孔部の側壁面は底面に対して斜めに形成されている。Siからなる側壁面または、側壁面上に形成された前記配線部133、134は、前記発光素子108から出射される信号光を偏向する光偏向器135として機能する。
The side wall surface of the hole is formed obliquely with respect to the bottom surface. The side wall surface made of Si or the
例えば、Si基板が露出した状態の側壁面を前記光偏向器135として用いる場合には、例えば当該側壁面を、Siの異方性エッチングにより形成することが好適である。異方性エッチングにより形成された面は,原子層レベルで平滑であるため,この平滑性のために高い反射率で光を反射できる。また、ダイシングや斜め方向のドライエッチングにより当該側壁面を形成してもよい。当該側壁面の反射率を向上させるために,金属や多層膜を付着させた面を用いても良い。金属の付着には金属蒸着やめっきなどの方法を用いることができるが、平滑な面を構成するには金属蒸着が好ましい。
For example, when using the side wall surface with the Si substrate exposed as the
当該側壁面での信号光の反射率は、金属材料と光の波長に依存する。例えば、波長850nmでは、側壁面に銀,金,銅膜を用いた場合には反射率が95%以上、アルミニウム膜を用いた場合には反射率が80%以上となることが推察できる。このように、用途やコストに応じて反射膜を選択することが可能である。 The reflectance of the signal light on the side wall surface depends on the metal material and the wavelength of the light. For example, at a wavelength of 850 nm, it can be inferred that the reflectance is 95% or more when a silver, gold, or copper film is used on the side wall surface, and the reflectance is 80% or more when an aluminum film is used. Thus, it is possible to select a reflective film according to a use and cost.
また、前記配線部133、134を信号光の光偏向器135として用いる場合には、例えば銀,金,銅またはアルミニウムなどの金属を配線部に用いることで、充分な反射率を得ることが可能となる。
Further, when the
また、前記保護膜132は、信号波長に対して透明な光学材料であることが好ましく、例えば、ポリマー材料を用いた場合、波長850nmに対してはエポキシが、波長1.3μmに対してはフッ素化ポリイミドなどを用いることが好ましい。
The
このように、本実施例では、光の出射方向に光偏向器135を設けることで,光の進行方向を基板面(孔部の底面)に対して略平行から略垂直に変化させることができる。
Thus, in this embodiment, by providing the
次に、本発明による実施例5の、受発光部の構成を図11(A),(B)に模式的に示す。図11(A)は、平面図であり、図11(B)は、図11(A)でのx−x断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, FIGS. 11A and 11B schematically show the configuration of the light emitting and receiving unit according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 11A is a plan view, and FIG. 11B is an xx cross-sectional view in FIG. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
本実施例では、光電変換素子が形成された基板101に、外部配線と接続するためのパッドを形成した構成の例を示す。
In this embodiment, an example of a structure in which a pad for connecting to an external wiring is formed on a
図11(A)、(B)を参照するに、前記基板101には、孔部141が形成され、前記発光素子108が埋設されるようにして実装され、さらに当該発光素子108を覆うように保護膜141が充填されるように形成され、前記基板101上には、保護膜142が形成されている。
Referring to FIGS. 11A and 11B, a
前記保護膜142と前記接着層143は異なる材料を用いても、また同じ材料からなる構造としてもよい。例えば、前記保護膜142または前記接着層143には、ポリイミドやベンゾシクロブテン(BCB)やエポキシなどの有機材料、または無機材料を用いることも可能である。
The
当該孔部の底面には、配線部146が形成され、当該配線部146は、前記基板101に形成された溝部の底面を介して前記基板101に形成されたパッド145に電気的に接続される構造となっている。
A
前記穴部の底面では前記配線部146上に、発光素子108とオーミックコンタクトが確立された電極109Bが電気的に接続されている。前記発光素子108の、前記電極109Bに対向する側には、電極109Aが同様にオーミックコンタクトをとって設置され、配線部144に電気的に接続される構造となっている。
On the bottom surface of the hole portion, an
また、前記実施例10は、次に図12に示すように変形することも可能である。図12は、本発明による実施例12の受発光部の断面を模式的に示した図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Further, the tenth embodiment can be modified as shown in FIG. FIG. 12 is a diagram schematically showing a cross section of a light receiving and emitting part of Example 12 according to the present invention. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
図12を参照するに、本実施例では、回路の浮遊容量を低減するために、いわゆるSOI(Silicon-on-insulator)基板を用いている。このため、基板に起因する浮遊容量を低減して、例えば、基板上に形成される制御素子として用いられるMOSトランジスタの動作速度を高速として、より高速度の光機能素子を実現することが可能となる。 Referring to FIG. 12, in this embodiment, a so-called SOI (Silicon-on-Insulator) substrate is used to reduce the stray capacitance of the circuit. For this reason, it is possible to reduce the stray capacitance caused by the substrate and, for example, increase the operating speed of the MOS transistor used as a control element formed on the substrate, thereby realizing a higher-speed optical functional element. Become.
具体的には、基板101上に絶縁層147を形成し、当該絶縁層の上に、例えば結晶成長により、または接合によってSi層101Aを形成して、受発光部を形成するための基板として用いている。
Specifically, an insulating
また、この場合前記Si層101Aは前記絶縁層147によって基板101と絶縁されるため、当該絶縁層147を貫通させた形で孔部を形成すれば,上下で電気的な分離が可能となる。
In this case, since the
次に、本発明による実施例12の、受発光部の構造を模式的に示した断面図を図13に示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, FIG. 13 shows a cross-sectional view schematically showing the structure of the light emitting and receiving part of Example 12 according to the present invention. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
図12を参照するに、前記基板101には、孔部151が設けてあり、光電変換素子、例えば発光素子108が前記孔部151に埋設されるように実装されている。前記孔部151から前記基板101の表面にかけて、配線部の絶縁をするため、また光電変換素子を保持・保護する目的で、絶縁膜からなる保護膜153が形成されている。
Referring to FIG. 12, a
前記保護膜153上には、配線部154が形成され、前記発光素子108に電気的に接続されている。また、前記基板101の裏面には配線部155が形成されている。前記配線部155は、前記発光素子108と前記孔部151の底面の間の半導体融着部152を介して、前記発光素子108と電気的に接続される構造になっている。
A
前記配線部154、155を介して、前記発光層108に給電されると共に、基板101上に形成された制御素子によって前記発光素子108は制御される。
Power is supplied to the
前記半導体融着部152は、前記接合部109と前記基板101に接合されている。半導体融着とは、格子不整合によりエピタキシャル成長では成長が困難である異種半導体を接合する技術である。
The
半導体融着は以下のようにして行う。まず、接合する第1の半導体と第2の半導体の双方の表面処理を行って自然酸化膜を除去し、酸化膜が取り除かれた、第1の半導体および第2の半導体の、酸素が占有していた共有結合部分に、溶液処理で水酸基をつける。次に、処理後の第1の半導体および第2の半導体を接着することで、それらの酸基の水素結合によりファンデルワールス力で接着する。さらに、加熱しながら接着面に水素を流し込むと,水酸基は水蒸気となり抜けていき、半導体の結合面が形成される。 The semiconductor fusion is performed as follows. First, both the first semiconductor and the second semiconductor to be bonded are subjected to surface treatment to remove the natural oxide film, and oxygen is occupied by the first semiconductor and the second semiconductor from which the oxide film has been removed. A hydroxyl group is attached to the covalently bonded moiety by solution treatment. Next, by bonding the first semiconductor and the second semiconductor after the treatment, they are bonded by van der Waals force through hydrogen bonds of their acid groups. Furthermore, when hydrogen is poured into the bonding surface while heating, the hydroxyl group is removed as water vapor, and a semiconductor bonding surface is formed.
この方法はWafer Fusionと呼ばれることもあり、例えば半導体レーザで異種半導体接合を行う場合に用いられることがある。
本発明はこの方法を用いることで、直接遷移型半導体からなる光電変換素子と、SiまたはSiGeからなる半導体基板の界面に金属面を用いず,異なる2種類の半導体の融着面で導通を取ることを可能としている。
This method is sometimes referred to as Wafer Fusion, and may be used, for example, when performing heterogeneous semiconductor bonding with a semiconductor laser.
By using this method, the present invention does not use a metal surface at the interface between a photoelectric conversion element made of a direct transition type semiconductor and a semiconductor substrate made of Si or SiGe, and conducts at the fusion surface of two different types of semiconductors. Making it possible.
本実施例により、配線構造を単純にすることが可能となり、光機能素子の構造を単純にして、光機能素子の製造コストを低減する効果を奏する。また、裏面をn側電極にすれば,移動度が高い電子を用いることで,基板の厚みが厚くなっても十分な電気的接続を得られる。 According to this embodiment, the wiring structure can be simplified, and the structure of the optical functional element can be simplified, and the manufacturing cost of the optical functional element can be reduced. In addition, if the back surface is an n-side electrode, sufficient electrical connection can be obtained even when the thickness of the substrate is increased by using electrons with high mobility.
また、図3(A)、(B)に示した実施例2には、前記光電変換素子を制御する制御素子として、MOSトランジスタを用いる場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。また制御素子と光電変換素子の、基板101上での設置箇所や構造、または配線方法は必要に応じて変更・変形することが可能である。
Further, in Example 2 shown in FIGS. 3A and 3B, a case where a MOS transistor is used as a control element for controlling the photoelectric conversion element is shown, but the present invention is not limited to this. is not. Moreover, the installation location and structure of the control element and the photoelectric conversion element on the
例えば、次に本発明の実施例13として、光電変換素子を有する受発光部と制御部を前記基板101上に配置した例を図14に示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
For example, as Example 13 of the present invention, FIG. 14 shows an example in which a light emitting / receiving unit having a photoelectric conversion element and a control unit are arranged on the
図14を参照するに、前記基板101上には配線部164が形成され、前記配線部164上には絶縁膜からなる保護膜161が形成されている。当該保護膜161に形成された孔部161Aには、前記発光素子108が挿入されるように設置されて、前記配線部164と電気的に接続される。さらに、前記保護膜161上には前記発光素子108と電気的に接続される配線部163が形成されている。
Referring to FIG. 14, a
また、前記受発光部22に形成された光電変換素子に隣接するようにして、前記基板101上には、配線部166、167が接続された制御素子165を有する前記制御部25が形成されている。前記制御素子165は、例えば光電変換素子と接続されて、当該光電気変換素子の駆動・制御や信号の増幅を行う素子である。
Further, the
また、受発光部と制御部、すなわち光電変換素子と制御素子は、このように隣接して形成される構造に限定されるものではなく、例えば複数形成された光電変換素子に囲まれるように制御素子が形成される場合や、基板上に光電変換素子と制御素子が点在するように、すなわち複数の受発光部と複数の制御部が混在するように基板上に形成することも可能であり、光機能素子の設計に応じて様々に変形・変更することが可能である。 Further, the light emitting / receiving unit and the control unit, that is, the photoelectric conversion element and the control element are not limited to the structure formed adjacent to each other as described above. For example, control is performed so as to be surrounded by a plurality of formed photoelectric conversion elements. It is also possible to form an element on the substrate so that photoelectric conversion elements and control elements are interspersed on the substrate, that is, a plurality of light emitting / receiving units and a plurality of control units are mixed. Various modifications and changes can be made depending on the design of the optical functional element.
このような構成により,直接遷移型からなる光電気変換素子と間接遷移型からなる制御素子を、単純な構造で高集積化することが可能となり、製造コストを低減した、安価で小型の光機能素子を実現することが可能となる。 With such a configuration, it is possible to integrate a direct transition type photoelectric conversion element and an indirect transition type control element with a simple structure, and to reduce the manufacturing cost. An element can be realized.
また、光電変換素子や、制御素子は単層構造に限定されるものではなく、例えば2層構造や3層構造といった、多層構造とすることが可能である。 In addition, the photoelectric conversion element and the control element are not limited to a single layer structure, and may have a multilayer structure such as a two-layer structure or a three-layer structure.
次に、受発光部の光電変換素子を多層に形成した例を、図15に示す。図15は、本発明による実施例14の、受発光部の構成を模式的に示した断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, an example in which the photoelectric conversion elements of the light emitting and receiving unit are formed in multiple layers is shown in FIG. FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the light receiving and emitting unit in Example 14 according to the present invention. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
図15を参照するに、前記基板上には絶縁膜からなる保護膜171が形成され、さらに当該保護膜171上に保護膜172が形成されている。前記保護膜171中と、前記保護膜172中には前記発光素子108が実装されている。前記保護膜171中に実装された前記発光素子108には、配線部173および174が、前記保護膜172中に実装された前記発光素子108には、配線部175および176がそれぞれ電気的に接続されており、発光素子に給電が可能となるとともに、多層に実装された発光素子が個別に制御素子によって制御可能になっている。
Referring to FIG. 15, a
このように、光電変換素子を多層に形成することで、光電変換素子をさらに高集積化することが可能になる。また、多層に形成される光電変換素子は、互いの信号光を遮断しないように実装されることが好ましい。 In this manner, the photoelectric conversion elements can be further integrated by forming the photoelectric conversion elements in multiple layers. Moreover, it is preferable that the photoelectric conversion elements formed in multiple layers are mounted so as not to block each other's signal light.
また、保護膜には、受光または発光する信号光を遮断しないために、例えば貫通孔178を形成してもよい。保護膜の材料は、信号光に使われる光の波長に対して透明である材料を用いることが好ましく、その場合、貫通孔は不要となる。材料としては有機もしくは無機材料であり,例えば信号光の波長が850nmであれば,エポキシなどの材料を用いることが好適である。
Further, for example, a through
配線部は、一般的には金属を用いるので光の出射部分(受光部分)を覆わないような配線構造にする必要があるが、配線部の線幅が1μm以下であることや、光電変換素子、特に発光素子は面発光レーザを用いた場合、光の出射面が20μm程度であることを考えると,出射部分に配線部が存在することは、大きな損失の原因とはならない。 Since the wiring portion generally uses metal, it is necessary to have a wiring structure that does not cover the light emitting portion (light receiving portion). However, the wiring portion has a line width of 1 μm or less, or a photoelectric conversion element. In particular, when a surface emitting laser is used as the light emitting element, considering that the light emission surface is about 20 μm, the presence of the wiring portion in the emission portion does not cause a large loss.
次に、光電変換素子と配線部の電気的接続方法と、実装方法の詳細の例について、図16(A)、(B)を用いて説明する。本図で説明する接続方法と実装方法は、実施例1〜14に示した場合について、必要に応じて変形・変更して適用することが可能である。図16(A)は光電変換素子が実装された状態を模式的に示した断面図であり、図16(B)は図16(A)のA−A断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, an example of the electrical connection method between the photoelectric conversion element and the wiring portion and a detailed example of the mounting method will be described with reference to FIGS. The connection method and the mounting method described in this figure can be modified and changed as necessary for the cases shown in the first to fourteenth embodiments. FIG. 16A is a cross-sectional view schematically showing a state where the photoelectric conversion element is mounted, and FIG. 16B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
図16(A)、(B)を参照するに、前記基板101には略円筒状の孔部が設けられており、前記孔部の底面に光電変換素子、例えば略円筒状の前記発光素子108が実装される。前記発光素子108は、前記孔部の底面に、例えば金属性の電極201Aを介して実装される。
Referring to FIGS. 16A and 16B, the
電極201Aは、アニール処理によって前記発光素子108と電気的に接続されるようになっている。また前記発光素子108の前記電極201Aと対向する側には、当該電極201Aと同様にして前記発光素子108と電気的に接続された、金属からなる電極201Bが設置されている。前記電極201Bは、発光素子の出射部分を完全に遮ることがないように、例えばリング形状となっている。
The
前記孔部101Bの側壁面と、前記基板101上の表面を覆うように、例えばSiO2などの絶縁膜からなる保護膜207が設けられ、前記保護膜207上には、例えばCuからなる配線部204が設けられている。前記配線部204と前記発光素子108の略輪体形状の隙間は、絶縁材料からなる保護膜208が充填され、当該保護膜208は、前記配線部204上にも形成され、さらに当該保護膜208上には、例えばCuからなる配線部205が形成されている。
A
前記発光素子108には配線部204および205が電気的に接続されて給電が行われ、また配線部に接続された制御素子によって発光素子が制御される構造になっている。
具体的には、前記発光素子108の、それぞれ前記電極201Aおよび201Bに、前記配線部204および205が電気的に接続される構造となる。この場合、例えば電極201Aと配線204、および電極201Bと配線205の接続は、それぞれ電気メッキにより形成される、金属からなる接続部202Aおよび202Bによってなされる。
Specifically, the
本実施例によれば、高周波特性に優れ、また光配線の実装として位置合わせに優れた光機能素子を実現することが可能となる。また、実装される光電変換素子が、孔部の側壁面や、側壁面に形成される配線部と密着することなく、隙間を設けた構造となっているため、発光素子の実装時や、発光時の温度上昇によって当該発光素子にかかる応力を低減して光機能素子の信頼性を向上することが可能となる。 According to the present embodiment, it is possible to realize an optical functional element that is excellent in high-frequency characteristics and excellent in positioning as an optical wiring. In addition, since the photoelectric conversion element to be mounted has a structure in which a gap is provided without being in close contact with the side wall surface of the hole or the wiring part formed on the side wall surface, It is possible to improve the reliability of the optical functional element by reducing the stress applied to the light emitting element due to the temperature rise.
前記保護膜208は、前記配線部204と配線部205を絶縁し、また、発光素子108を保持して位置ずれを防止する効果を有する。また、前記配線部204と前記発光素子108の隙間に充填される保護膜208は、輪体形状となるため、発光素子108の周囲からの衝撃や応力に対して、衝撃や応力が印加される方向に関わらず、同様にダメージを低減する効果を奏する。前記保護膜208の材料は、例えばポリイミドなどの高分子材料からなるものが好ましい。
The
また、ここまで光電変換素子を基板に実装して光機能素子を形成する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えばコア部とクラッド部を有する光導波路に、直接遷移型半導体からなる光電変換素子を埋設するようにして実装することで、従来の光機能素子に比べて小型で形状が単純な光機能素子を実現することが可能となる。 Although the case where the photoelectric conversion element is mounted on the substrate to form the optical functional element has been described so far, the present invention is not limited to this. For example, by mounting a photoelectric conversion element made of a direct transition semiconductor in an optical waveguide having a core part and a cladding part, an optical functional element that is smaller and simpler in shape than a conventional optical functional element can be obtained. It can be realized.
図17(A)〜(C)は、光電変換素子を光導波路に埋設して形成する光機能素子の実施例を示した図であり、図17(A)は光機能素子を模式的に示した斜視図を、図17(A)は光電変換素子に発光素子を用いた場合の断面図を、図17(C)には光電変換素子に受光素子を用いた場合の断面図を、それぞれ示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIGS. 17A to 17C are diagrams showing an example of an optical functional element formed by embedding a photoelectric conversion element in an optical waveguide, and FIG. 17A schematically shows the optical functional element. FIG. 17A is a cross-sectional view when a light-emitting element is used as a photoelectric conversion element, and FIG. 17C is a cross-sectional view when a light-receiving element is used as a photoelectric conversion element. . However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
図17(A)を参照するに、光機能素子300は、略円筒状の光導波路301と当該光導波路301に実装された光電変換素子、例えば発光素子108を有する。前記光導波路301は、例えば石英材料からなり、コア部302とクラッド部303を有している。
Referring to FIG. 17A, the optical
前記光導波路301の端部、すなわち前記クラッド部302の端部には、前記発光素子108を実装する、略円筒状の孔である設置部304が設けられており、前記発光素子108は、当該設置部304に埋設するように実装される。このように、本実施例では光導波路に形成された、例えば略円筒状の孔部である設置部304に発光素子が埋設されるように実装されることが特徴であり、そのために光機能素子を小型化することが可能になる。
The end portion of the
また、例えば前記発光素子の円筒の径D1は30μm程度であり、略円筒状のコア部の径は、シングルモードで5〜10μm、マルチモードで50〜62.5μm程度であり、前記クラッド部の径D2は、125μm程度である。 Further, for example, the cylindrical diameter D1 of the light emitting element is about 30 μm, and the diameter of the substantially cylindrical core portion is about 5 to 10 μm in the single mode and about 50 to 62.5 μm in the multimode, The diameter D2 is about 125 μm.
従来は、基板に形成された光電変換素子を含む受発光部を光導波路と集積する必要があったため、光導波路を含む光機能素子を高集積化・小型化することが困難であった。本実施例によれば、直接遷移型半導体からなる光電変換素子を、光導波路に埋設するようにして実装することにより、光機能素子を小型化することが可能となり、また例えば光電変換素子を複数実装する場合や、光導波路を複数形成する場合にも、光機能素子を大型化することなく構成する、すなわち光機能素子の高集積化を実現することを可能としている。 Conventionally, since it has been necessary to integrate a light emitting / receiving section including a photoelectric conversion element formed on a substrate with an optical waveguide, it has been difficult to highly integrate and downsize an optical functional element including the optical waveguide. According to the present embodiment, it is possible to reduce the size of the optical functional element by mounting the photoelectric conversion element made of a direct transition type semiconductor so as to be embedded in the optical waveguide. Even when mounting or when a plurality of optical waveguides are formed, it is possible to configure the optical functional element without increasing its size, that is, to achieve high integration of the optical functional element.
図17(B)は、図17(A)に示した光機能素子の断面図である。図17(B)を参照するに、前記発光素子108の信号部の出射面は、コア部に面するように設置されており、発光素子の、当該出射面に対抗する面は、基板305に実装されている。前記基板305は、例えばSiまたはSiGeなどの間接遷移型半導体からなり、前記発光素子の制御素子308が形成されている。
FIG. 17B is a cross-sectional view of the optical functional element shown in FIG. Referring to FIG. 17B, the emission surface of the signal portion of the
前記設置部304の内壁面には、前記発光素子108と電気的に接続される配線部306が形成されており、また、前記基板305には、前記発光素子108と電気的に接続される配線部307が接続されて、前記発光素子に給電を行い、また前記制御素子308と発光素子108が電気的に接続され、発光素子が制御素子によって制御される構造になっている。
A
従来は図1に示す、受発光部と制御部が異なるチップに形成された光機能素子と、光導波路を集積する必要があった。本実施例によれば、発光素子と制御素子を同一の基板に実装することが可能となるため、光機能素子に制御素子を実装する場合に小型化・高集積化することが可能になっている。 Conventionally, it is necessary to integrate an optical waveguide and an optical functional element formed on a chip having different light receiving and emitting portions and control portions as shown in FIG. According to this embodiment, since the light emitting element and the control element can be mounted on the same substrate, it is possible to reduce the size and increase the integration when mounting the control element on the optical functional element. Yes.
図17(C)には、図17(B)に示した光機能素子の変更例を示す。本図に示した場合には、光電変換素子に、発光素子108に換わって受光素子311を用いている。前記設置部304の内壁面には、前記受光素子311と電気的に接続される配線部312が形成されており、また、前記基板305には、前記受光素子311と電気的に接続される配線部312が接続されて、前記受光素子に給電を行い、また前記制御素子308によって受光素子が制御される構造になっている。
FIG. 17C illustrates a modification example of the optical functional element illustrated in FIG. In the case shown in this figure, a
光電変換素子に受光素子を用いた場合にも、光電変換素子に発光素子を用いた場合と同様の効果を奏する。 Even when a light receiving element is used as the photoelectric conversion element, the same effects as when the light emitting element is used as the photoelectric conversion element are obtained.
次に、実施例16に示した光機能素子300をパッケージングする例を図18に示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
Next, an example of packaging the optical
図18を参照するに、前記光機能素子300および前記基板305は、略円筒状のブロック320に接続され、さらに当該ブロック320の一部がコネクタ330の略円筒状の接続部322に、収納されるようにして接続される構造になっている。
Referring to FIG. 18, the optical
前記ブロック320は、円筒状の側壁部に電源供給用の電極322Aと322Bが形成されている。また、信号線の接続のための電極ピン挿入穴323が複数形成されている。また、前記コネクタ330には、前記電極ピン挿入穴323に挿入される電極ピン323が複数形成されている。
The
作動信号の通信は、単方向の通信の場合には信号線は2本必要となるが、例えば発光素子と受光素子を隣接するようにして複合実装して双方向通信とした場合には信号線は4本必要となる。 The communication of the operation signal requires two signal lines in the case of unidirectional communication. For example, in the case of two-way communication in which the light emitting element and the light receiving element are combined and mounted, the signal line 4 are required.
また、この場合、光導波路の端面を電気接続に用いたことにより、従来の光伝送のコネクタと同様の大きさ(太さ)で光伝送と電気伝送の双方を行う事が可能となり、従来に比べて小型のマイクロ光コネクタを実現することが可能となる。 Also, in this case, by using the end face of the optical waveguide for electrical connection, it is possible to perform both optical transmission and electrical transmission with the same size (thickness) as a conventional optical transmission connector. In comparison, it is possible to realize a small-sized micro optical connector.
また、上記の光導波路とコネクタを配列することで、高帯域の光伝送を省スペースで行う事が可能となる効果を奏する。 In addition, by arranging the optical waveguide and the connector, it is possible to perform high-bandwidth optical transmission in a space-saving manner.
次に、実施例1〜実施例17に記載した光電変換素子を作成して当該光電変換素子を基板に実装し、光機能素子を製造する方法を以下に図19〜図26に基づき、説明する。 Next, a method for producing the photoelectric conversion element described in Example 1 to Example 17, mounting the photoelectric conversion element on a substrate, and manufacturing an optical functional element will be described below with reference to FIGS. .
図19(A)〜(G)は、本発明の実施例18による光機能素子の製造方法を、手順を追って模式的に示した図である。 FIGS. 19A to 19G are diagrams schematically showing a method of manufacturing an optical functional element according to Example 18 of the present invention, following the procedure.
本実施例では、例えばGaAs、InPまたはGaNなどの基板に、エピタキシャル成長により、AlGaAs、GaInNAs、GaInPAsまたはGaInNなどの直接遷移型半導体からなる光電変換膜である発光層を成長させて光電変換素子である発光素子を形成し、当該光電変換素子をSi基板に実装する。 In this embodiment, a light emitting layer, which is a photoelectric conversion film made of a direct transition type semiconductor such as AlGaAs, GaInNAs, GaInPAs, or GaInN, is grown on a substrate such as GaAs, InP, or GaN by epitaxial growth. A light emitting element is formed, and the photoelectric conversion element is mounted on a Si substrate.
まず図19(A)に示す工程では、GaAsからなる基板401上に、エッチストップ層405を形成し、当該エッチストップ層405上に、例えばMOCVD法(有機金属気相成長法)によりn−GaAs/AlAsからなる、ブラック反射鏡(DBR)となる接合層403Aを形成する。
First, in the step shown in FIG. 19A, an
前記接合層403A上には、発光層となる、例えばGaInAs/GaAsからなる光電変換膜402を結晶成長により形成する。当該光電変換膜402上には、p−GaAs/AlAsからなる、ブラック反射鏡(DBR)となる接合層403Bを形成する。さらに低しきい値化や発光効率向上のためにAlAs酸化膜構造による電流狭窄層を形成する場合もある。
On the bonding layer 403A, a
また、前記接合層403B上には、配線部を接続するための、例えばAu/Zn/Auからなる電極406を蒸着により形成してもよい。(図19(B)参照)。
On the
次に、図19(B)に示す工程において、リソグラフィーや電子ビーム露光などで形成されたマスクを用いて、ドライもしくはウェットエッチング法により大きさが(径)が50μm以下の、発光素子の形状のパターニングを行って、電極406を付した、接合部403A、光電変換膜402および接合部403Bからなる発光素子404が形成される。
Next, in the step shown in FIG. 19B, the shape of the light-emitting element having a size (diameter) of 50 μm or less by a dry or wet etching method using a mask formed by lithography or electron beam exposure is used. Patterning is performed to form a
次に図19(C)に示す工程で、発光素子404を覆うように、例えば液体の有機材料をスピンコート法により塗布することで保護膜407を形成する。
Next, in a step shown in FIG. 19C, a
次に、図19(D)に示す工程で、例えばウェットエッチングにより、前記発光素子404を、前記基板401から分離する。この場合前記基板401と発光素子の間にエッチング層を予め設けておき、ウェットエッチングによって当該エッチング層を除去することにより、前記基板401と発光素子404を分離すると好適である。また、前記基板401を前記発光素子404から分離する方法は、例えばCMP(化学機械研磨)により前記基板401を除去することにより、行ってもよい。
Next, in the step shown in FIG. 19D, the
また、前記発光素子404と前記基板401を分離する方法として、イオンスライス法を用いてもよい。イオンスライス法とは、例えば発光素子404と基板401の界面にイオンを注入しておき、発光素子と基板を加熱することにより、イオンが注入してある部分、すなわち発光素子404と基板401の界面付近の結合を切ることで発光素子と基板を分離する方法である。
Further, an ion slicing method may be used as a method of separating the
具体的には、図19(A)に示す工程の前に、イオン注入装置を用いて予め基板401にイオンを注入しておき、本工程で加熱することにより、発光素子404と基板401を分離する。
Specifically, before the step illustrated in FIG. 19A, ions are implanted into the
次に、複数個形成された発光素子を必要な個数だけ基板に実装するために、前記保護膜407を切断して、所望の個数の発光素子404を含む保護膜407を形成する。
Next, the
次に、図19(E)に示す工程で、例えば前記保護膜407を酸素プラズマでドライエッチングすることにより、前記発行素子404が、前記基板401に面していた側の一部が突出するようにする。
Next, in the step shown in FIG. 19E, for example, the
次に、図19(F)に示す工程において、発光素子を、例えばSiからなる基板408の、孔部408Aに実装する。前記基板には、予め配線部を形成しておいてもよい。また、前記基板408上には、予め発光素子を制御する制御素子を形成しておいてもよく、また制御素子は発光素子の実装後に形成するようにしてもよい。なお、制御素子の形成方法に関しては後述する。
Next, in the step shown in FIG. 19F, the light emitting element is mounted in the
次に、図19(G)に示す工程において、前記保護膜407を、例えば酸素プラズマのドライエッチングによってエッチングして、前記電極406の一部が露出するようにする。さらに前記絶縁層407上に、前記電極406に接触するようにして配線部410を形成し、電極と配線部を電気的に接続する。
Next, in the step shown in FIG. 19G, the
また、前記基板408の裏面(素子が形成されていない側)には、配線部409を形成する。前記配線部409は、発光素子を実装する前に、予め基板に形成しておいてもよい。前記基板408と前記配線部409の間には、例えばn側の電極として、AuGeからなる層を形成してもよい。また前記配線部409、410の材料としては、例えばAu,Cu,Alなどを用いることが可能である。
Further, a
本実施例に示したように、光電変換素子が、当該光電変換素子の制御素子を構成することが可能で比較的安価なSiまたはSiGeを用いることが好ましく、SiまたはSiGe基板上には、従来の半導体製造プロセスにより予め制御素子を形成しておいてもよく、また発光素子が実装された後で制御素子を形成してもよい。 As shown in this embodiment, it is preferable to use a relatively inexpensive Si or SiGe that can constitute the control element of the photoelectric conversion element. The control element may be formed in advance by the semiconductor manufacturing process, or the control element may be formed after the light emitting element is mounted.
本実施例では、おもに直接遷移型半導体からなる光電変換素子を切り離して、SiまたはSiGe基板に実装する例を示したが、例えば直接遷移型半導体からなる制御素子を直接遷移型半導体基板から切り離して、SiまたはSiGeなどの間接遷移型半導体基板上に実装することも可能である。 In the present embodiment, an example is shown in which a photoelectric conversion element mainly made of a direct transition type semiconductor is separated and mounted on a Si or SiGe substrate. However, for example, a control element made of a direct transition type semiconductor is separated from the direct transition type semiconductor substrate. It is also possible to mount on an indirect transition type semiconductor substrate such as Si or SiGe.
例えば、高速動作を必要とされる制御素子を形成する場合には、GaAsなどの直接遷移型半導体基板を用いて結晶成長により形成し、形成された当該制御素子を、本実施例中に記載した方法を用いてSi、SiGeなどの基板上に実装することが可能である。この場合、制御部の高速動作が実現されると共に、光機能素子の小型化・高集積化が可能となる効果を奏する。 For example, when forming a control element that requires high-speed operation, it is formed by crystal growth using a direct transition semiconductor substrate such as GaAs, and the formed control element is described in this embodiment. It is possible to mount on a substrate such as Si or SiGe using the method. In this case, high-speed operation of the control unit is realized, and the optical functional element can be miniaturized and highly integrated.
また、本実施例では、光電変換素子を例えば機械的なマニュピレーションによって,基板に実装を行うことも可能であるため、光電変換素子を高精度に実装をすることが可能となる効果も奏する。 Further, in this embodiment, since the photoelectric conversion element can be mounted on the substrate by, for example, mechanical manipulation, there is an effect that the photoelectric conversion element can be mounted with high accuracy.
また、光機能素子の製造方法は本実施例に限定されるものではない。以下に実施例19〜実施例24として、本実施例の変形例を示すが、いずれの場合にも本実施例と同様の効果を奏する。 Moreover, the manufacturing method of an optical functional element is not limited to a present Example. Although the modification of a present Example is shown as Examples 19-24 below, there exists an effect similar to a present Example in any case.
図20に、本発明の実施例19による光機能素子の製造方法を図20(A)〜(E)に基づき、手順を追って説明する。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 In FIG. 20, the manufacturing method of the optical functional element by Example 19 of this invention is demonstrated according to a procedure based on FIG. 20 (A)-(E). However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
まず、図19(A)〜(B)に示した工程を実施し、図20(A)に示す状態とする。すなわち、図20(A)に示す工程は、実施例18の図19(B)に示す工程と同一である。 First, the steps shown in FIGS. 19A to 19B are performed to obtain the state shown in FIG. That is, the process shown in FIG. 20A is the same as the process shown in FIG.
次に、図20(B)に示す工程において、前記保護膜407上にダミーとなる基板412を貼り付け、当該ダミー基板412を保持しながら、前記基板401をCMPにより除去して前記発光素子404を前記基板401より分離する。またウェットエッチングによって発光素子404と基板401の分離を行っても良い。ウェットエッチングを用いる場合には、エッチング選択性が高いエッチストップ層を基板にエピタキシャル成長させておくと好適である。また、基板と発光素子の分離には前記イオンスライス法を用いてもよい。
Next, in a step shown in FIG. 20B, a
次に、図20(C)に示す工程で、前記発光素子404を含む前記保護膜407を、必要な個数だけ前記発光素子404が含むように切断し、切断された当該保護膜407を、溶媒413によって溶解して、前記発光素子404を前記保護膜407から分離する。
Next, in the step illustrated in FIG. 20C, the
次に、分離された発光素子404を含む溶媒414を、孔部408Aが形成されたSiからなる基板408に液滴し、当該基板408に振動を与えることで、孔部408Aに発光素子404を充填する。
Next, the solvent 414 containing the separated light-emitting
次に、図20(E)に示す工程において、溶媒を気化させた後、前記発光素子404を覆うように、保護膜407’を形成する。次に、図19(G)の場合と同様にして配線部409、410を発光素子404に電気的に接続して光機能素子を形成する。
Next, in a step shown in FIG. 20E, after the solvent is evaporated, a
また、本実施例の場合は、実装時に発光素子404実装される方向が、発光素子404が形成された時点と逆になる可能性があるため、前記光電気変換素子404は、前記光電変換膜402を挟んで、上下に対称な構造であることが望ましい。
In the case of this embodiment, the direction in which the
次に、図21(A)〜(F)に本発明による実施例20の、光機能素子の製造方法を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, FIGS. 21A to 21F show a method for manufacturing an optical functional element according to Example 20 of the present invention. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
まず、実施例18の図19(A)〜図19(B)に示す工程を行って、図19(B)の状態と同一の、図21(A)に示す状態とする。 First, the steps shown in FIGS. 19A to 19B of Example 18 are performed to obtain the state shown in FIG. 21A that is the same as the state shown in FIG.
次に、図21(B)に示す工程において、前記発光素子404の周囲を覆うように、例えば、ポリイイミドからなる保護膜423を形成する。前記保護膜423を形成する場合には、前記発光素子の一部が前記保護膜423より突出するように当該保護膜423を形成する。
Next, in a step shown in FIG. 21B, a
次に、図21(C)に示す工程において、基板401を反転させ、真空処理容器内で前記電極406と、前記電極406と接合される基板408の表面をスパッタリングにより活性化させた後、前記電極406と前記基板408を密着させて常温接合を行い、発光素子404を、基板401から基板408に転写する。
Next, in the step shown in FIG. 21C, the
次に、図21(D)に示す工程において、例えばCMPによって前記基板401を除去して前記発光素子404を前記基板401から分離して、図21(E)に示す状態とする。
Next, in the step shown in FIG. 21D, the
この場合前記基板401と発光素子の間にエッチング層を予め設けておき、ウェットエッチングによって当該エッチング層を除去することにより、前記基板401と発光素子404を分離することも可能である。また、また、図21(E)に示す工程では、前記保護膜423は除去してもよいが、このまま前記発光素子の保護膜として用いてもよい。前記保護膜423の除去は、当該保護膜423がSiO2の場合にはHFを用いることができる。保護膜423にエポキシ樹脂等の有機高分子を用いた場合には、硫酸と硝酸、または硫酸とフッ酸との混合溶液で除去することができる。
In this case, it is possible to separate the
また、前記発光素子404を前記基板401に実装する場合に、前記基板に孔部を設けておくと、前記発光素子の位置決めの精度が良好となる効果を奏する。
Further, when the
次に、図21(F)に示す工程では、図20(E)に示した場合と同様にして、配線部を発光素子に電気的に接続する。すなわち、前記発光素子404を覆うように、保護膜407’を形成し、配線部409、410を発光素子404に電気的に接続して光機能素子を形成する。
Next, in the step illustrated in FIG. 21F, the wiring portion is electrically connected to the light-emitting element in the same manner as in the case illustrated in FIG. That is, a
本実施例に依れば、異なる種類の基板を用いて発光素子の基板間の転写を、より容易に行うことができるようになる。 According to this embodiment, transfer between substrates of light emitting elements can be performed more easily using different types of substrates.
次に、図22(A)〜(C)に本発明による実施例21の、光機能素子の製造方法を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, FIGS. 22A to 22C show a method for manufacturing an optical functional element according to Example 21 of the present invention. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
まず、図22(A)に示す工程で、基板431上に、前記基板401を接合する。この場合、常温接合、溶融接合、陰極接合または接着接合で接合を行う事が可能である。
First, the
次に、図24(B)に示す工程で、例えばCMPによって前記基板401を研磨して、前記基板431上に、たとえばGaAsの薄膜層が形成された状態とする。
Next, in the step shown in FIG. 24B, the
次に、実施例18の図19(A)〜(B)に示した工程と同様にして、当該薄膜層の上に発光素子404、電極406を形成して、図22(C)に示す状態とする。図22(C)では、GaAsの図示は薄膜層は省略している。
Next, in the same manner as the process shown in FIGS. 19A to 19B of Example 18, the
次に、図21(B)〜(F)と同様の処理をすることで、光機能素子を形成する。この場合、図21(B)〜(F)の工程における基板401が、本実施例の基板431に該当する。
Next, an optical functional element is formed by performing the same processing as in FIGS. In this case, the
本実施例の場合、基板401と基板431を接合しているため、例えば接合する前に予め接合面にエッチング層を形成しておくことが容易である。そのため、形成された発光素子を基板から分離する際に、ウェットエッチングにより、容易に基板と発光素子を分離することができる。また、基板401と基板431の間に剥離層を形成しておくと、発光素子の転写が容易となり、好適である。
In this embodiment, since the
次に、図23(A)〜(F)に本発明による実施例22の、光機能素子の製造方法を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, FIGS. 23A to 23F show a method for manufacturing an optical functional element according to Example 22 of the present invention. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
本実施例は、実施例20と同様の方法で、さらに基板上から別の基板上へ発光素子を転写させる工程を追加している。
In this embodiment, a process for transferring a light emitting element from a substrate to another substrate is added by the same method as that in
まず、図23(A)に示す工程は、図21(A)に示した状態と同一である
次に、図23(B)に示す工程において、図21(B)〜(D)に示した工程と同様にして、前記基板401上に形成された発光素子404を、ダミー基板である基板440に転写して、図23(C)に示した状態とする。
First, the step shown in FIG. 23A is the same as the state shown in FIG. 21A. Next, in the step shown in FIG. 23B, the steps shown in FIGS. In the same manner as in the process, the light-emitting
次に、図23(D)に示す工程において、図23(B)に示した工程と同様にして、前記基板440上に転写された前記発光素子404を、さらに前記基板408に転写して、図23(E)に示す状態とする。
Next, in the step shown in FIG. 23D, similarly to the step shown in FIG. 23B, the
次に、図23(F)に示す状態において、図21(F)に示した工程と同様にして、光機能素子を形成する。 Next, in the state shown in FIG. 23F, an optical functional element is formed in the same manner as the step shown in FIG.
本実施例の場合、発光素子の転写が2回行われた結果、図23(F)の工程において、発光素子404が基板408に実装される場合に、発光素子が形成された工程と同一の方向になっている。このため、例えば1実施例20に記載した図21(F)の場合と比べて、光の出射面の状態が良好である効果を奏する。これは、光の出射面が、エッチングや研磨面とならないために、すなわち、出射面の面制度や結晶の状態が良好であるため、閾値が低くなるためである。
In the case of this embodiment, as a result of the light-emitting element being transferred twice, in the process of FIG. 23F, when the light-emitting
また、図23(A)の状態で、光の出射状態の検査を行った後、発光素子の転写を行う場合、最終的な光の出射面が、図23(A)の状態と同一の面となるために、転写による発光の不具合が発生する確率が非常に低くなる。そのため、検査工程が短くなり、また製品の歩留まりが向上するために、製造コストが抑制される効果を奏する。 In addition, when the light emitting element is transferred after the light emission state is inspected in the state of FIG. 23A, the final light emission surface is the same as the state of FIG. Therefore, the probability of occurrence of light emission defects due to transfer becomes very low. Therefore, the inspection process is shortened and the yield of the product is improved, so that the manufacturing cost can be suppressed.
次に、図24(A)〜(E)に本発明による実施例23の、光機能素子の製造方法を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, FIGS. 24A to 24E show a method for manufacturing an optical functional element according to Example 23 of the present invention. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
本実施例の場合、基板上から別の基板上へ発光素子を転写する回数を3回としている。 In the case of the present embodiment, the number of times that the light emitting element is transferred from one substrate to another is three.
まず、図23(A)〜(C)に示した工程を行い、基板401上に発光素子を形成して、基板440上に発光素子を転写した後、図24(A)に示す工程を行う。
First, the steps shown in FIGS. 23A to 23C are performed, a light emitting element is formed over the
図24(A)に示す工程では、前記基板440上に転写された前記発光素子440を、さらに基板450上に転写する。但し、前記基板450上には、前記発光素子404と密着力が強い部分である密着部451Aと、密着力が弱い非密着部451Bからなるパターニングシートが貼付してある。このため、発光素子404が転写される際は、図24(B)に示すように、密着部451Aに押圧される発光素子404のみが選択的に転写されることになる。
In the step shown in FIG. 24A, the
次に、図24(C)に示す工程において、前記基板450上の、前記パターンニングシート451に転写された前記発光素子404を、前記基板408に転写して、図24(D)に示す状態とする。
Next, in the step shown in FIG. 24C, the
図24(E)に示す工程では、図21(F)に示す工程と同様にして、発光素子と配線部を電気的に接合して、光機能素子を形成する。 In the step illustrated in FIG. 24E, the light-emitting element and the wiring portion are electrically joined to form an optical functional element in a manner similar to the process illustrated in FIG.
本実施例によれば、発光素子を実装する場合に、実装する発光素子の間隔を容易に制御することが可能となる。 According to this embodiment, when mounting light emitting elements, it is possible to easily control the interval between the mounted light emitting elements.
また、光電変換素子を形成する直接遷移型基板は高価格であり、また光電変換素子を形成する場合も時間とコストがかかるが、本実施例では、光電変換素子を高密度に形成することで、直接遷移型基板を有効に利用して無駄になる面積を小さくし、さらに光電変換素子の生産性を向上させて製造コストを低減することを可能としている。また、この場合、光電変換素子を高密度に形成しても、必要に応じて、実装する間隔、すなわち実装するパターンを容易に制御することを可能としている。 In addition, the direct transition type substrate for forming the photoelectric conversion element is expensive, and it takes time and cost to form the photoelectric conversion element. In this embodiment, the photoelectric conversion elements are formed at a high density. In addition, it is possible to reduce the manufacturing cost by effectively using the direct transition type substrate, reducing the wasted area, and further improving the productivity of the photoelectric conversion element. In this case, even if the photoelectric conversion elements are formed at a high density, the mounting interval, that is, the mounting pattern can be easily controlled as necessary.
このため、実装間隔を最適にして、光電変換素子の間に電気配線を設けることが可能となり、また、光電変換素子の冷却効率を考慮した実装パターンを形成することが可能となり、光機能素子の信頼性が向上する。 For this reason, it becomes possible to provide electrical wiring between the photoelectric conversion elements by optimizing the mounting interval, and to form a mounting pattern in consideration of the cooling efficiency of the photoelectric conversion elements. Reliability is improved.
図25(A)、(B)は従来の光電変換素子と本発明による光電変換素子を比較した平面図であり、(A)は従来の光機能素子の光電変換素子が実装された状態を、(B)は本発明による光機能素子の光電変換素子が実装された状態を示す。 FIGS. 25A and 25B are plan views comparing the conventional photoelectric conversion element and the photoelectric conversion element according to the present invention, and FIG. 25A shows a state in which the photoelectric conversion element of the conventional optical functional element is mounted. (B) shows a state in which the photoelectric conversion element of the optical functional element according to the present invention is mounted.
図25(A)を参照するに、従来は、例えば1辺の長さH1が300μm程度の略正方形の直接遷移型半導体からなる基板501上に、例えば略円筒状の径20μm程度の光電変換素子502が形成され、一辺が50〜120μm程度の電極パッドが基板501上に1乃至2個設けられた構造を有していた。
Referring to FIG. 25A, conventionally, for example, a substantially cylindrical photoelectric conversion element having a diameter of about 20 μm is formed on a
このように、従来は光電変換素子に比べて電極パッドが基板上で占める割合が大きく、光電変換素子を製造する場合には、電極パッドの面積を考慮する必要があり、1枚の基板から製造可能な光電変換素子の個数には制約があった。 As described above, conventionally, the ratio of the electrode pad to the substrate is larger than that of the photoelectric conversion element, and when the photoelectric conversion element is manufactured, it is necessary to consider the area of the electrode pad. There was a limitation on the number of possible photoelectric conversion elements.
本実施例の場合には直接遷移型基板上に形成された光電変換素子を、例えばSiまたはSiGeからなる基板に実装する方法をとっているため、図25(A)に示した電極パッドの面積を考慮する必要がないため、直接遷移型半導体基板から形成可能な光電変換素子の数を多くすることができる。 In this embodiment, since the photoelectric conversion element formed on the direct transition substrate is mounted on a substrate made of, for example, Si or SiGe, the area of the electrode pad shown in FIG. Therefore, the number of photoelectric conversion elements that can be formed from a direct transition type semiconductor substrate can be increased.
例えば図25(B)に示すように、前記基板501から、例えば略円筒状の径20μm程度の光電変換素子505を25個程度形成することが可能であり、本実施例では従来の方法と比べた場合に、略25倍の生産性を有する。
For example, as shown in FIG. 25B, it is possible to form, for example, about 25
また、このようにして生産された光電変換素子は、例えば実施例23に示したような方法をとることにより、実装パターンを自由に制御・変更することが可能である。 Moreover, the photoelectric conversion element produced in this way can freely control and change the mounting pattern, for example, by adopting the method as shown in Example 23.
次に、実施例15の、図16に示した光機能素子の製造方法、具体的には、光電変換素子と配線部の電気的接続方法と実装の詳細について、図26(A)〜(E)に基づき、手順を追って説明する。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, with respect to the manufacturing method of the optical functional element shown in FIG. 16 in Example 15, specifically, the electrical connection method between the photoelectric conversion element and the wiring section and the mounting details, FIGS. ) Will be explained step by step. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
まず、図26(A)に示す工程において、前記基板101に例えばドライエッチング、またはウェットエッチングなどの方法で、径50μの孔部101aを設け、当該孔部101aの側壁面と前記基板101の孔部が形成されていない表面を覆うように、例えばSiO2からなる保護膜207を形成する。
First, in the step shown in FIG. 26A, a
次に、前記保護膜207を覆うように、例えばCuからなる配線部204を形成する。また、前記孔部101aの底面101bは、下地処理としてSi表面に親水化材料を滴下して乾燥させる。
Next, a
次に、図26(B)に示す工程において、光電変換素子、例えば略円筒状の前記発光素子108を実装する。この場合、例えば前記接合部109と前記底面101bの間には、電極201Aを形成して、例えばアニールによるオーミックコンタクトを確立して当該電極201Aと前記接合部109の電気的な接続を確実にしておくことが好ましい。
Next, in a step shown in FIG. 26B, a photoelectric conversion element, for example, the
次に、図26(C)に示す工程において、前記基板と発光素子を無電解メッキ浴に浸し、親水化処理した部分、すなわち前記底面101bが露出している部分に、電気メッキによって無電解銅からなる接続部202Aを形成し、前記電極201Aと前記配線部207を確実に電気的に接続する。
Next, in the step shown in FIG. 26C, the substrate and the light emitting element are immersed in an electroless plating bath, and the portion subjected to the hydrophilic treatment, that is, the portion where the
次に、図26(D)に示す工程において、前記配線部204と前記発光素子108の間の略輪体状の隙間を、絶縁材料、例えばポリイミドなどの高分子材料からなる保護材料206を輪体状に充填する。さらに当該保護材料206上に例えばCuからなる配線部205を形成する。
Next, in a step shown in FIG. 26D, a substantially ring-shaped gap between the
また、前記発光素子108の前記電極201Aと対向する側には、当該電極201Aと同様にして前記発光素子108と電気的に接続された、金属からなる電極201Bが設置されていることが好ましい。前記電極201Bは、発光素子の出射部分を完全に遮ることがないように、リング形状となっている。
Further, it is preferable that an
次に、図26(E)に示す工程において、図26(C)に示した場合と同様にして、電気メッキにより、無電解銅からなる接続部202Bを形成し、前記電極201Bと前記配線部205を確実に電気的に接続する。また、電気メッキを用いない場合には、前記配線部205と前記電極201Bを直接電気的に接続する方法をとってもよい。
Next, in the step shown in FIG. 26E, as in the case shown in FIG. 26C, a
また、接続部の形成方法は、上記の方法に限定されるものではなく、例えば、無電解メッキ、電鋳、蒸着、スパッタ、銅箔被覆等を、単独または複合して用いてよい。ただし、無電メッキや電鋳を用いた場合には、Si基板に設けた微小な径の孔部の、さらに光電変換素子が充填された狭いギャプ間に、高い充填率で、かつ低抵抗で接合部を形成することが可能であるため、好適である。さらに、無電解メッキは親水処理をした部分に厚膜をつけることが可能となるので好ましい。但し、無電解メッキは、均一性や膜強度やメッキに要する時間に問題があるので、これらが問題とならない電解メッキと複合した方法で接合部を形成するようにすると、さらに好適である。 Further, the method of forming the connection portion is not limited to the above method, and for example, electroless plating, electroforming, vapor deposition, sputtering, copper foil coating, or the like may be used alone or in combination. However, when electroless plating or electroforming is used, bonding is performed with a high filling rate and low resistance between the narrow gaps filled with photoelectric conversion elements in the small diameter holes provided in the Si substrate. Since it is possible to form a part, it is suitable. Furthermore, electroless plating is preferable because a thick film can be applied to a portion subjected to hydrophilic treatment. However, since electroless plating has problems in uniformity, film strength, and time required for plating, it is more preferable to form the joint by a method combined with electrolytic plating in which these do not cause a problem.
また、シリコンのパターニングや、銅や絶縁体のパターンは、通常の半導体プロセスである、蒸着、スパッタ、CVD,レジスト塗布によるフォトイリソグラフィー、ウエットエッチング、ドライエッチング、リフトオフ等の定法を用いて、比較的容易に形成することができる。また、これらのプロセスでダメージを受ける材料がある場合には、これらをあらかじめマスキング処理しておくことが効果的である。 In addition, silicon patterning and copper and insulator patterns are compared using conventional methods such as vapor deposition, sputtering, CVD, resist coating, photolithography, wet etching, dry etching, lift-off, etc. Can be formed easily. Also, if there are materials that are damaged by these processes, it is effective to mask them in advance.
次に、実施例2の、図3(B)に示した制御部の制御素子の形成方法に関して、図27(A)〜(C)に基づき、手順を追って説明する。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, a method for forming the control element of the control unit shown in FIG. 3B according to the second embodiment will be described step by step based on FIGS. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
まず、Siからなる前記基板101上に、素子分離絶縁膜112を形成して素子形成領域を作成した後、当該素子形成領域に不純物の拡散を行う。次に、ゲート絶縁膜114Aと当該ゲート絶縁膜上のゲート電極を形成した後、不純物の打ち込みと拡散を行って、拡散層115A、115Bを形成する。
First, an element
次に、図27(B)に示す工程において、絶縁膜116が、前記ゲート電極114および側壁絶縁膜113A、113Bを覆うように形成し、さらに前記絶縁膜116上には必要に応じて保護膜117を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 27B, an insulating
前記絶縁膜116、および前記保護膜117に、前記拡散層115Bに通じるコンタクトホールがドライエッチングにより形成し、当該コンタクトホール内壁には例えばスパッタリングまたはCVD(化学気相堆積)法によりバリア膜118を形成する。さらに前記バリア膜118が形成された当該コンタクトホールには、例えばCVD法により、W(タングステン)からなるコンタクトプラグ119の埋め込みを行う。前記コンタクトプラグ119は、前記バリア膜118を介して前記拡散層115Bに電気的に接続される構造とする。
A contact hole leading to the
次に、図27(C)に示す工程において、前記保護膜117上に、例えばSiO2からなる絶縁膜120を形成し、当該配線間絶縁膜120上にキャップ膜121を形成する。
Next, in a step shown in FIG. 27C, an insulating
次に、当該配線間絶縁膜110および前記キャップ膜121には配線溝をドライエッチングにより形成し、当該配線溝には配線部122と、当該配線部122を囲むようにバリア膜122aを形成し、前記配線部122は、前記バリア膜122aを介して前記コンタクトプラグ119に電気的に接続される構造とする。前記配線部122は、光機能素子の光電変換素子に接続され、光電変換素子を制御する構造となる。
Next, a wiring groove is formed in the inter-wiring
本実施例ではMOSトランジスタを形成する例を示したが、本発明による制御素子はこれに限定されるものではなく、その他にも例えば光電変換素子の信号を増制する素子など、様々な制御素子を用いることが可能である。 In this embodiment, an example in which a MOS transistor is formed is shown. However, the control element according to the present invention is not limited to this, and various other control elements such as an element for increasing the signal of the photoelectric conversion element are also available. Can be used.
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。 Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and various modifications and changes can be made within the scope described in the claims.
本発明によれば、単純な構造で、高集積化された光機能素子、および単純な構造で高集積化することが可能な光機能素子の製造方法を提供することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the manufacturing method of the optical function element which can be highly integrated with a simple structure and highly integrated with the simple structure.
10,20,300 光機能素子
10A,10B チップ
10a,22 受発光部
10b,25 制御部
2,23,502,505 光電変換素子
3,24配線部
4 パッド
5 ワイヤ
101,401,408,431,440,450 基板
102,311受光素子
108,108‘,404 発光素子
103,109,109‘,403A,403B 接合部
104,110,110‘ 光電変換膜
105,106,111,112,113,112A,112B,115,118,121,122,122,123,133,134,144,146,154,155,163,164,166,167,172,173,175,176,204,205,306,307,312,409,410 配線部
107 保護膜
112 素子分離絶縁膜
113A,113B 側壁絶縁膜
114 ゲート電極
114A ゲート絶縁膜
115A,115B 拡散層
116,120 絶縁層
107,117,121,132,141,142,153,161,170,171,207,208,407,407‘,423 保護膜
118,122a バリア膜
119 コンタクトプラグ
122 配線部
108A,102A,114,117,117A,120,126,131 孔部
109A,109B、201A,201B 電極
123,301 光導波路
124,302 コア部
125,303 クラッド部
135 偏光器
145 パッド
165 制御素子
320 ブロック
322A,322B 電極
323 電極ピン挿入孔
330 コネクタ
331 電極ピン
10, 20, 300 Optical functional element 10A, 10B Chip 10a, 22 Light emitting / receiving unit 10b, 25 Control unit 2, 23, 502, 505 Photoelectric conversion element 3, 24 wiring unit 4 Pad 5 Wire 101, 401, 408, 431 440, 450 Substrate 102, 311 Light receiving element 108, 108 ′, 404 Light emitting element 103, 109, 109 ′, 403A, 403B Junction 104, 110, 110 ′ Photoelectric conversion film 105, 106, 111, 112, 113, 112A, 112B, 115, 118, 121, 122, 122, 123, 133, 134, 144, 146, 154, 155, 163, 164, 166, 167, 172, 173, 175, 176, 204, 205, 306, 307, 312, 409, 410 Wiring part 107 Protective film 112 Element isolation insulation 113A, 113B Side wall insulating film 114 Gate electrode 114A Gate insulating film 115A, 115B Diffusion layer 116, 120 Insulating layer 107, 117, 121, 132, 141, 142, 153, 161, 170, 171, 207, 208, 407, 407 ', 423 Protective film 118, 122a Barrier film 119 Contact plug 122 Wiring part 108A, 102A, 114, 117, 117A, 120, 126, 131 Hole part 109A, 109B, 201A, 201B Electrode 123, 301 Optical waveguide 124, 302 Core Part 125, 303 Clad part 135 Polarizer 145 Pad 165 Control element 320 Block 322A, 322B Electrode 323 Electrode pin insertion hole 330 Connector 331 Electrode pin
Claims (30)
前記基板に実装された光電変換素子を備えた光機能素子であって、
前記光電変換素子は直接遷移型半導体よりなることを特徴とする光機能素子。 A substrate made of Si or SiGe;
An optical functional element comprising a photoelectric conversion element mounted on the substrate,
The photoelectric conversion element is made of a direct transition type semiconductor.
前記光電変換素子は直接遷移型半導体からなり、当該光電変換素子が、前記光導波路に埋設されるように装着されることを特徴とする光機能素子。 An optical functional element having a photoelectric conversion element and an optical waveguide connected to the photoelectric conversion element,
The photoelectric conversion element is made of a direct transition type semiconductor, and the photoelectric conversion element is mounted so as to be embedded in the optical waveguide.
直接遷移型半導体からなる第2の基板上に、結晶成長により光電変換膜を形成する膜形成工程と、
前記光電変換膜をエッチングして前記光電変換素子を形成するパターニング工程と、
前記光電変換素子を前記第2の基板より分離する分離工程と、
前記光電変換素子を前記第1の基板に実装する実装工程とを有することを特徴とする光機能素子の製造方法。 A method for producing an optical functional element, wherein a photoelectric conversion element made of a direct transition type semiconductor is mounted on a first substrate made of Si or SiGe,
A film forming step of forming a photoelectric conversion film by crystal growth on a second substrate made of a direct transition type semiconductor;
A patterning step of forming the photoelectric conversion element by etching the photoelectric conversion film;
A separation step of separating the photoelectric conversion element from the second substrate;
And a mounting step of mounting the photoelectric conversion element on the first substrate.
前記実装工程では、前記ダミー基板に装着された前記光電変換素子を前記第1の基板に実装することを特徴とする請求項22〜26のうち、いずれか1項記載の光機能素子の製造方法。 After the patterning step, further provided a transfer step of mounting the photoelectric conversion element on a dummy substrate,
27. The method of manufacturing an optical functional element according to claim 22, wherein, in the mounting step, the photoelectric conversion element mounted on the dummy substrate is mounted on the first substrate. .
30. The optical functional device according to claim 22, wherein the photoelectric conversion film contains a material selected from the group consisting of GaInAsP, AlGaInAs, GaInNAs, GaAsSb, GaInAs, and AlGaAs. Method.
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