JP2007012747A - Photoelectric converter and its manufacturing method, and optical information processing device - Google Patents

Photoelectric converter and its manufacturing method, and optical information processing device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric converter which can effectively prevent the diffusion of light, and also to provide its manufacturing method and an optical information processing device. <P>SOLUTION: The photoelectric converter 1 comprises photoelectric conversion elements 2 and an element substrate 3, wherein the photoelectric conversion elements 2 are arranged. In the photoelectric converter 1, the element substrate 3 and lenses 4, formed of a silicon oxide are jointed together via a silicon film 5 on a side opposite from the photoelectric conversion elements 2, and the optical path of an optical beam component of emission light or the incident light of the photoelectric conversion elements 2 is changed by the lenses 4. The method of the photoelectric converter 1 includes processes of jointing a lens material of a silicon oxide and the element substrate via the silicon film, arranging the photoelectric conversion elements in the element substrate, and etching the lens material on a side opposite from the photoelectric conversion element-arranged side, to form the lenses. The optical information processing device comprises the photoelectric converter, an optical waveguide portion, and drive elements for driving the photoelectric conversion elements. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、光電変換装置及びその製造方法、並びに光情報処理装置に関するものである。   The present invention relates to a photoelectric conversion device, a manufacturing method thereof, and an optical information processing device.

LSI(Large Scale Integration)の微細化に伴い、トランジスタ単体の速度は著しく増加しており、例えば、インテル社製ペンティアム(登録商標)に代表されるMPU(Micro Processor Unit)は、3GHz程度の動作速度で動作している。   With the miniaturization of LSI (Large Scale Integration), the speed of a single transistor has increased remarkably. For example, an MPU (Micro Processor Unit) represented by Pentium (registered trademark) manufactured by Intel Corporation has an operating speed of about 3 GHz. Is working with.

一方、データを送信する電気配線については、スケーリング則により配線抵抗が増加するため、配線遅延の課題が挙げられている。また、配線抵抗だけでなく、配線間の容量も大きな課題となっている。それらを解決するためには、材料が本質的に持っている物性値を変更する必要があり、配線に関してはアルミニウムから銅へ、配線間の層間膜に関してはより低誘電率の材料へと開発が進んでいる。   On the other hand, with respect to electrical wiring for transmitting data, the wiring resistance increases due to the scaling law, and therefore the problem of wiring delay is raised. Further, not only the wiring resistance but also the capacitance between the wirings is a big problem. In order to solve these problems, it is necessary to change the physical property values inherent in the material, and from aluminum to copper for wiring, the development of a lower dielectric constant material for the interlayer film between wiring Progressing.

上記はLSI内部に関するものであるが、LSI外部にもデータを伝送する必要があり、上記と同様の課題が挙げられている。そのような状況の中で、以下に示すような技術的、能力的な背景がある。   The above relates to the inside of the LSI, but it is necessary to transmit data to the outside of the LSI, and the same problems as described above are raised. In such a situation, there are technical and capability backgrounds as shown below.

技術的な観点においては、半導体の微細化の進行により、ロジックとメモリー(DRAM:Dynamic Random Access Memory)を同一チップに形成するSOC(Silicon on chip)では、その両立が困難な領域になりつつあり、ロジックとメモリーを分割する傾向にある。能力的な観点においては、複数のMPUを並列接続することにより、パフォーマンス向上をねらっている。   From a technical point of view, with the progress of semiconductor miniaturization, SOC (Silicon on chip) in which logic and memory (DRAM: Dynamic Random Access Memory) are formed on the same chip is becoming an area where it is difficult to achieve both. , Tend to split logic and memory. From the viewpoint of capability, performance is improved by connecting a plurality of MPUs in parallel.

即ち、LSI同士の接続がLSIの微細化及び性能向上に従い、増えることになる。上述したように、LSIの微細化に伴って電気配線の能力を材料の観点から向上していかなければならないが、既に量産的な観点から使用できる材料はほぼ適用されている状況にある。さらに、電気配線の場合、長距離伝送、高周波伝送になるほど減衰が増加するため、LSI同士を接続する配線にはより厳しい状況となっている。   That is, the number of connections between LSIs increases as LSIs become smaller and improve performance. As described above, along with the miniaturization of LSI, it is necessary to improve the capability of electric wiring from the viewpoint of materials, but materials that can be used from the viewpoint of mass production are almost applied. Furthermore, in the case of electrical wiring, the attenuation increases as the long-distance transmission and the high-frequency transmission, so that the wiring for connecting LSIs is more severe.

上記のようなLSI間を接続する伝送律速を解決するために、様々な方法が提案されている。大別すると、電気配線技術の延命、電磁波による伝送、光による伝送である。   Various methods have been proposed to solve the transmission rate limiting for connecting the LSIs as described above. Broadly speaking, the life of electric wiring technology, transmission by electromagnetic waves, and transmission by light.

電気配線技術の延命では、配線長を短くするためにSiP(Silicon in Package)にする方法、特に3次元実装技術を用いたチップ積層化が有効である(例えば、電子情報通信学会論文誌C vol.J87-C No.11 pp.791-801 2004年11月を参照。)。回路設計技術においては、例えば、インピーダンス不整合点を結ぶ配線距離を信号切り替え時間の半分の整数倍で信号伝送時間に設計するインピーダンス不整合解決方法(例えば、特開2001−111408号公報を参照。)等がある。   In order to extend the life of electrical wiring technology, it is effective to use SiP (Silicon in Package) in order to shorten the wiring length, especially chip stacking using 3D mounting technology (for example, IEICE paper C vol. .J87-C No.11 pp.791-801, see November 2004). In the circuit design technique, for example, an impedance mismatch solution method (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-111408, for example) is designed so that the wiring distance connecting the impedance mismatch points is an integral multiple of half the signal switching time. ) Etc.

電磁波による伝送では、MEMS(Mechanical Electrical Systems)技術を用い、送受信するアンテナをシリコン基板内に形成する方法がある(例えば、Rashid, et al, Proceedings of the IEEE 2003 international Inter-connect Technology Conference, pp.156-158, June 2003を参照。)。   In transmission by electromagnetic waves, there is a method of forming a transmitting / receiving antenna in a silicon substrate using MEMS (Mechanical Electrical Systems) technology (for example, Rashid, et al, Proceedings of the IEEE 2003 international Inter-connect Technology Conference, pp. 156-158, June 2003.)

LSI間接続高速伝送技術の開発において、光による伝送方法が最も盛んに行われている。光伝送によるLSI間接続構造の基本的な構成部品は発光素子、受光素子及び光導波路であり、また、これら光デバイスとLSIチップとを接続するインターポーザが多く使用されている(例えば、後記の特許文献1参照。)。   In the development of inter-LSI connection high-speed transmission technology, the optical transmission method is most actively performed. Basic components of an inter-LSI connection structure by optical transmission are a light emitting element, a light receiving element, and an optical waveguide, and many interposers for connecting these optical devices and LSI chips are used (for example, patents described later). Reference 1).

特開2004−31456号公報(4頁47行目〜7頁24行目、図1、図2、図3、図4)JP 2004-31456 A (page 4, line 47 to page 7, line 24, FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4)

上記のような光システムにおいて、課題となる点は光のカップリングである。発光素子(例えば面発光レーザ)からの光放射全角度が25°であるため、光ビームは広がる。このため、発光素子からの出射光を光導波路へ導入させたときに光伝送ロスが生じる。   In the optical system as described above, a problem is light coupling. Since the total light emission angle from the light emitting element (for example, a surface emitting laser) is 25 °, the light beam spreads. For this reason, an optical transmission loss occurs when light emitted from the light emitting element is introduced into the optical waveguide.

図5は、発光源として10μmΦの面発光レーザを使用した場合における、発光素子、光導波路間の距離と、光損失との関係を示すグラフである。図5に示すように、発光素子と光導波路間の距離が70μm未満ならば入射による光ロスはゼロであるが、それ以上の距離になると、例えば、105μmの距離では50%(約3dB)ロスになり、また260μmの距離では90%(約10dB)ロスとなる。なお、システムの構造上、発光素子と光導波路の距離を数十μmレベルで制御することは非常に困難である。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between the light loss and the distance between the light emitting element and the optical waveguide when a surface emitting laser of 10 μmΦ is used as the light source. As shown in FIG. 5, if the distance between the light emitting element and the optical waveguide is less than 70 μm, the light loss due to incidence is zero, but if the distance is longer than that, for example, the loss is 50% (about 3 dB) at the distance of 105 μm. In addition, at a distance of 260 μm, the loss is 90% (about 10 dB). In addition, it is very difficult to control the distance between the light emitting element and the optical waveguide at a level of several tens of μm because of the structure of the system.

これを解決するために、光が拡散するのを防止する手法として、一般的にレンズが用いられており、実装技術によりレンズ基体を発光素子に貼り付ける方法と、発光素子が形成された素子基体(例えばガリウム砒素)自体をレンズ加工する方法がある。   In order to solve this problem, a lens is generally used as a technique for preventing light from diffusing, a method of attaching a lens base to a light emitting element by a mounting technique, and an element base on which the light emitting element is formed. There is a method of processing a lens (for example, gallium arsenide) itself.

しかしながら、貼り付け方法の場合、発光素子とレンズ基体とのアライメントは機械的な精度によるところが大きく、位置合わせ精度が最も良くて数μmオーダーであり、量産レベルでは十数μmオーダーである。   However, in the case of the attaching method, the alignment between the light emitting element and the lens base is largely due to mechanical accuracy, and the alignment accuracy is the best on the order of several μm, and the mass production level is on the order of several tens of μm.

また、素子基体自体をレンズ加工する場合、ガリウム砒素等の素子基体は非常に脆いため、これを加工して曲率を有するレンズ形状を形成することは非常に難しく、また、レンズの位置は機械精度だけに頼ることになる。さらに、厚いガリウム砒素からなるレンズが光を透過することは非常に困難である。   In addition, when processing the element substrate itself, the element substrate such as gallium arsenide is very fragile, so it is very difficult to form a lens shape having a curvature by processing it, and the position of the lens is mechanical accuracy. You will only rely on it. Furthermore, it is very difficult for a lens made of thick gallium arsenide to transmit light.

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光の拡散を効果的に防止することができる光電変換装置、及びこの光電変換装置を容易に作製することができる光電変換装置の製造方法、並びにこの光電変換装置を適用した光情報処理装置を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device that can effectively prevent the diffusion of light and the photoelectric conversion device. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion device that can be manufactured, and an optical information processing device to which the photoelectric conversion device is applied.

即ち、本発明は、光電変換素子と、前記光電変換素子が設けられた素子基体とを有し、前記光電変換素子とは反対の面側において、前記素子基体と、酸化シリコンからなるレンズとがシリコン膜を介して接合され、前記光電変換素子の出射光又は入射光の光ビーム成分が前記レンズによって光路変更される、光電変換装置に係るものである。   That is, the present invention includes a photoelectric conversion element and an element base on which the photoelectric conversion element is provided, and the element base and a lens made of silicon oxide are provided on the side opposite to the photoelectric conversion element. The photoelectric conversion device is bonded through a silicon film, and the light beam component of the emitted light or incident light of the photoelectric conversion element is changed in optical path by the lens.

また、本発明の光電変換装置の製造方法であって、酸化シリコンからなるレンズ素材と、光電変換素子の素子基体とをシリコン膜を介して接合する工程と、前記素子基体に前記光電変換素子を設ける工程と、前記レンズ素材を前記光電変換素子とは反対の面側においてエッチング加工し、レンズを形成する工程とを有する、光電変換装置の製造方法に係るものである。   The method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention includes a step of bonding a lens material made of silicon oxide and an element base of a photoelectric conversion element through a silicon film, and the photoelectric conversion element is attached to the element base. The present invention relates to a method for manufacturing a photoelectric conversion device, which includes a step of providing, and a step of etching a lens material on a surface opposite to the photoelectric conversion element to form a lens.

さらに、光電変換装置と、光導波部と、光電変換素子を駆動する駆動素子とからなり、前記光電変換装置が、
光電変換素子と、前記光電変換素子が設けられた素子基体とを有し、前記光電変換素 子とは反対の面側において、前記素子基体と、酸化シリコンからなるレンズとがシリコ ン膜を介して接合され、前記光電変換素子の出射光又は入射光の光ビーム成分が前記レ ンズによって光路変更される
ことを特徴とする、光情報処理装置に係るものである。
Furthermore, it comprises a photoelectric conversion device, an optical waveguide unit, and a drive element that drives the photoelectric conversion device, and the photoelectric conversion device comprises:
A photoelectric conversion element; and an element base on which the photoelectric conversion element is provided. The element base and a lens made of silicon oxide are interposed via a silicon film on a surface opposite to the photoelectric conversion element. The optical information processing apparatus is characterized in that an optical path of the light beam component of the emitted light or incident light of the photoelectric conversion element is changed by the lens.

本発明の光電変換装置によれば、前記素子基体と、前記酸化シリコンからなるレンズとが前記シリコン膜を介して接合され、前記光電変換素子の前記出射光又は入射光の光ビーム成分が前記レンズによって光路変更されるので、前記出射光又は入射光が拡散するのを効果的に防止することができる。   According to the photoelectric conversion device of the present invention, the element base and the lens made of silicon oxide are bonded via the silicon film, and the light beam component of the emitted light or incident light of the photoelectric conversion element is the lens. Therefore, the emitted light or incident light can be effectively prevented from diffusing.

また、本発明の光電変換装置の製造方法によれば、前記酸化シリコンからなるレンズ素材と、前記光電変換素子の前記素子基体とを前記シリコン膜を介して接合する工程と、前記素子基体に前記光電変換素子を設ける工程と、前記レンズ素材を前記光電変換素子とは反対の面側においてエッチング加工し、前記レンズを形成する工程とを有するので、半導体プレーナー技術を適用することができる。従って、例えば、半導体プロセスのCD(Critical Dimension)ロスレベルでアライメントが可能であり、前記光電変換素子と前記レンズとの光軸ずれは殆ど無視でき、また位置合わせ許容値(余裕度)は、従来例による貼り付け方法のそれよりも大きいため、歩留りの向上を図ることができる。   According to the method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention, the step of bonding the lens material made of silicon oxide and the element base of the photoelectric conversion element via the silicon film, and the element base Since the method includes a step of providing a photoelectric conversion element and a step of etching the lens material on the surface opposite to the photoelectric conversion element to form the lens, semiconductor planar technology can be applied. Therefore, for example, alignment can be performed at a CD (Critical Dimension) loss level of a semiconductor process, the optical axis shift between the photoelectric conversion element and the lens can be almost ignored, and an alignment allowable value (margin) is conventionally known. Since it is larger than that of the pasting method according to the example, the yield can be improved.

また、従来例による素子基体自体をレンズ加工する方法では、ガリウム砒素等の素子基体は非常に脆いため、これを加工して曲率を有するレンズ形状を形成することは非常に難しい。これに対し、本発明によれば、前記酸化シリコンからなるレンズ素材をエッチング加工して前記レンズを形成するので、半導体プロセスで容易に作製することができる。   Also, in the method of processing a lens of the element substrate itself according to the conventional example, the element substrate such as gallium arsenide is very fragile, and it is very difficult to process this to form a lens shape having a curvature. In contrast, according to the present invention, since the lens is formed by etching the lens material made of silicon oxide, it can be easily manufactured by a semiconductor process.

さらに、本発明の光電変換装置は、上述したように、前記出射光又は前記入射光の前記光ビーム成分が拡散するのを効果的に防止することができる。従って、この光電変換装置を適用してなる本発明の光情報処理装置は、例えば、前記出射光を前記光導波部へ導入する際の光損失を大幅に低減することができ、システムの誤作動低減やエラーレート低減によるシステム全体の速度向上などの効果が期待できる。   Furthermore, as described above, the photoelectric conversion device of the present invention can effectively prevent the light beam component of the emitted light or the incident light from diffusing. Therefore, the optical information processing apparatus of the present invention to which this photoelectric conversion device is applied can significantly reduce the optical loss when introducing the emitted light into the optical waveguide unit, for example, and the system malfunctions. Effects such as a reduction in system speed due to reduction and error rate reduction can be expected.

本発明において、前記酸化シリコンとはSiO2の他、添加物を含むガラスでも良い。 In the present invention, the silicon oxide may be glass containing an additive in addition to SiO 2 .

また、前記光電変換素子としての発光素子アレイ又は受光素子アレイが前記素子基体に設けられていることが好ましい。   Moreover, it is preferable that a light emitting element array or a light receiving element array as the photoelectric conversion element is provided on the element base.

また、前記レンズ素材にシリコン基板を直接接合し、この接合体において前記シリコン基板を厚さ方向に部分的に除去して肉薄の前記シリコン膜に加工し、このシリコン膜上に素子基体材料層(例えばガリウム砒素)を形成することが好ましい。   Further, a silicon substrate is directly bonded to the lens material, and the silicon substrate is partially removed in the thickness direction in the bonded body to be processed into a thin silicon film, and an element substrate material layer (on the silicon film) For example, gallium arsenide) is preferably formed.

さらに、バッファー層を介して前記シリコン膜上に素子基体材料をエピタキシャル成長させることが好ましい。これにより得られる本発明に基づく光電変換装置は、前記素子基体と、前記シリコン膜とが前記バッファー層を介して接合され、前記出射光又は入射光の前記光ビーム成分が前記レンズによって平行光化又は集光される。シリコンとガリウム砒素の格子定数には4%程度の違いがあるため、エピタキシャル成長させることは難しい。この格子定数の違いを緩和させるために前記バッファー層を設けるのが望ましい。前記バッファー層としては、STO(ストロンチューム・チタン・オキサイド)等を用いることができる。これにより、前記シリコン膜上にガリウム砒素からなる前記素子基体材料層を形成することができる。   Furthermore, it is preferable to epitaxially grow the element base material on the silicon film via the buffer layer. The photoelectric conversion device according to the present invention thus obtained is such that the element base and the silicon film are bonded via the buffer layer, and the light beam component of the emitted light or incident light is converted into parallel light by the lens. Or it is condensed. Since the lattice constant between silicon and gallium arsenide has a difference of about 4%, it is difficult to perform epitaxial growth. In order to alleviate this difference in lattice constant, it is desirable to provide the buffer layer. As the buffer layer, STO (strontium, titanium, oxide) or the like can be used. Thereby, the element base material layer made of gallium arsenide can be formed on the silicon film.

本発明に基づく光情報処理装置において、前記レンズと、前記光導波部の光入射部又は光出射部とが共通の光軸上で位置合わせされていることが好ましい。   In the optical information processing apparatus according to the present invention, it is preferable that the lens and the light incident portion or the light emitting portion of the optical waveguide portion are aligned on a common optical axis.

第1の実施の形態
図1は、本発明に基づく光電変換装置の概略図である。図1(a)は、本発明に基づく光電変換装置の概略断面図であり、図1(b)は、(a)のA方向から見た概略平面図である。
First Embodiment FIG. 1 is a schematic view of a photoelectric conversion device according to the present invention. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a photoelectric conversion device according to the present invention, and FIG. 1B is a schematic plan view seen from the A direction of FIG.

図1に示すように、本発明に基づく光電変換装置1は、光電変換素子2と、光電変換素子2が設けられた素子基体(例えばガリウム砒素)3とを有し、光電変換素子2とは反対の面側において、素子基体3と、酸化シリコンからなるレンズ4とがシリコン膜5を介して接合され、光電変換素子2の前記出射光又は入射光の光ビーム成分がレンズ4によって光路変更される。   As shown in FIG. 1, a photoelectric conversion device 1 according to the present invention includes a photoelectric conversion element 2 and an element base (for example, gallium arsenide) 3 provided with the photoelectric conversion element 2. On the opposite surface side, the element base 3 and the lens 4 made of silicon oxide are bonded via the silicon film 5, and the light beam component of the emitted light or incident light of the photoelectric conversion element 2 is changed in optical path by the lens 4. The

また、光電変換素子2としての前記発光素子アレイ又は前記受光素子アレイが素子基体3に設けられていることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the light emitting element array or the light receiving element array as the photoelectric conversion element 2 is provided on the element base 3.

また、ガリウム砒素等の素子基体3と、シリコン膜5とがバッファー層(図示省略)を介して接合され、前記出射光又は入射光の前記光ビーム成分がレンズ4によって平行光化又は集光されることが望ましい。シリコンとガリウム砒素の格子定数には4%程度の違いがあるため、エピタキシャル成長させることは難しい。この格子定数の違いを緩和させるために前記バッファー層を設けるのが望ましい。前記バッファー層としては、STO(ストロンチューム・チタン・オキサイド)等を用いることができる。   Further, the element substrate 3 such as gallium arsenide and the silicon film 5 are bonded via a buffer layer (not shown), and the light beam component of the emitted light or incident light is collimated or condensed by the lens 4. It is desirable. Since the lattice constant between silicon and gallium arsenide has a difference of about 4%, it is difficult to perform epitaxial growth. In order to alleviate this difference in lattice constant, it is desirable to provide the buffer layer. As the buffer layer, STO (strontium, titanium, oxide) or the like can be used.

本発明に基づく光電変換装置1によれば、光電変換素子2とは反対の面側において、素子基体3と、酸化シリコンからなるレンズ4とがシリコン膜5を介して接合され、前記出射光又は入射光の光ビーム成分がレンズ4によって光路変更されるので、前記出射光又は入射光が拡散するのを効果的に防止することができる。   According to the photoelectric conversion device 1 according to the present invention, the element base 3 and the lens 4 made of silicon oxide are bonded via the silicon film 5 on the side opposite to the photoelectric conversion element 2, and the emitted light or Since the optical path of the light beam component of the incident light is changed by the lens 4, it is possible to effectively prevent the emitted light or the incident light from diffusing.

以下に、本発明に基づく光電変換装置1の製造方法の一例を図2、図3を参照して工程順に説明する。なお、ここでは前記光電変換素子として発光素子(例えば面発光レーザ)を適用した例を挙げて説明するが、前記光電変換素子として受光素子を設ける場合も同様である。   Below, an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus 1 based on this invention is demonstrated in order of a process with reference to FIG. 2, FIG. Here, an example in which a light emitting element (for example, a surface emitting laser) is applied as the photoelectric conversion element will be described. However, the same applies to a case where a light receiving element is provided as the photoelectric conversion element.

まず、図2(a)に示すように、酸化シリコンからなるレンズ素材4aにシリコン基板5aを直接接合する。この接合においては精密な表面制御及び温度制御が必要である。即ち、レンズ素材4aとシリコン基板5aとの接合は、基板接触部の界面での化学反応によりなされ、表面の水酸基間の結合に始まり、熱処理を加えることにより、水酸基間の結合がSi−O−Siのシロキサン結合となり、水(H2O)を放出する。 First, as shown in FIG. 2A, a silicon substrate 5a is directly bonded to a lens material 4a made of silicon oxide. This bonding requires precise surface control and temperature control. That is, the bonding of the lens material 4a and the silicon substrate 5a is performed by a chemical reaction at the interface of the substrate contact portion. The bonding between the hydroxyl groups starts with bonding between the hydroxyl groups on the surface, and heat treatment is applied to bond the hydroxyl groups. It becomes a siloxane bond of Si and releases water (H 2 O).

そして、図2(b)に示すように、この接合体6においてシリコン基板5aを厚さ方向に部分的に除去して肉薄のシリコン膜5に加工する。より具体的には、シリコン基板5aを50〜200nmの厚さにカッティングする。さらにこのシリコン基板5aの表面は、次工程で素子基体材料(例えばガリウム砒素)をエピタキシャル成長させるために、ミラー面かつ清浄な状態にしておく必要がある。従って、最終的にはCMP(Chemical Mechanical Polishing)等の研磨処理を行うのが好ましい。   Then, as shown in FIG. 2B, the silicon substrate 5a in the joined body 6 is partially removed in the thickness direction and processed into a thin silicon film 5. More specifically, the silicon substrate 5a is cut to a thickness of 50 to 200 nm. Further, the surface of the silicon substrate 5a needs to be a mirror surface and a clean state in order to epitaxially grow an element base material (for example, gallium arsenide) in the next step. Therefore, it is preferable to finally perform a polishing process such as CMP (Chemical Mechanical Polishing).

次に、図2(c)に示すように、シリコン膜5上に素子基体材料層(素子基体。例えばガリウム砒素)3を形成する。より具体的には、バッファー層(図示省略)を介してシリコン膜5上に素子基体材料をヘテロエピタキシャル成長させる。シリコンとガリウム砒素の格子定数には4%程度の違いがあるため、エピタキシャル成長させることは難しい。この格子定数の違いを緩和させるために前記バッファー層を設けるのが望ましい。前記バッファー層としては、STO(ストロンチューム・チタン・オキサイド)等を用いることができる。これにより、シリコン膜5上にガリウム砒素からなる素子基体3を形成することができる。   Next, as shown in FIG. 2C, an element base material layer (element base, eg, gallium arsenide) 3 is formed on the silicon film 5. More specifically, the element base material is heteroepitaxially grown on the silicon film 5 via a buffer layer (not shown). Since the lattice constant between silicon and gallium arsenide has a difference of about 4%, it is difficult to perform epitaxial growth. In order to alleviate this difference in lattice constant, it is desirable to provide the buffer layer. As the buffer layer, STO (strontium, titanium, oxide) or the like can be used. Thereby, the element substrate 3 made of gallium arsenide can be formed on the silicon film 5.

なお、前記素子基体材料はガリウム砒素に限定するものではないが、現状の技術では最も一般的な材料である。   The element substrate material is not limited to gallium arsenide, but is the most common material in the current technology.

次に、図2(d)に示すように、素子基体3に前記光電変換素子としての発光素子(例えば面発光レーザ)2を設ける。面発光レーザ2は既に商品化されており、その作製は標準的なプロセスを適用することができる。基本的な構成は電極−導電性反射層(n又はp)−クラッド層−活性層−クラッド層−導電性反射層(p又はn)−電極からなる。   Next, as shown in FIG. 2D, a light emitting element (for example, a surface emitting laser) 2 as the photoelectric conversion element is provided on the element base 3. The surface emitting laser 2 has already been commercialized, and a standard process can be applied to the production thereof. The basic structure consists of an electrode-conductive reflective layer (n or p) -clad layer-active layer-clad layer-conductive reflective layer (p or n) -electrode.

次に、図2(e)に示すように、レンズ素材4aの発光素子2とは反対の面側において、レジスト7を塗布する。なお、レジスト7の材料、膜厚、塗布条件等は次工程のエッチングや所望のレンズ形状に依存する。   Next, as shown in FIG. 2 (e), a resist 7 is applied on the surface of the lens material 4 a opposite to the light emitting element 2. The material, film thickness, coating conditions, and the like of the resist 7 depend on the next process etching and the desired lens shape.

次に、図3(f)及び(g)に示すように、レジスト7をグレーティングマスク8を用いてリソグラフィー工程にて露光及び現像する。グレーティングマスク8を用いることにより、露光部9を曲率を有するレンズ形状にすることができる。ここで、素子基体3に形成された発光素子2と、レジスト7の露光部9との位置決めは、光の透過性が高い酸化シリコンからなるレンズ素材4aを用いるので、例えば、画像認識で位置合わせをするような装置によって発光素子2の光出射部を認識することができる。即ち、この光出射部をアライメントマークとして用い、レンズ形成のためのリソグラフィーを行うことができる。   Next, as shown in FIGS. 3F and 3G, the resist 7 is exposed and developed in a lithography process using a grating mask 8. By using the grating mask 8, the exposed portion 9 can be formed into a lens shape having a curvature. Here, the positioning of the light emitting element 2 formed on the element base 3 and the exposure portion 9 of the resist 7 uses the lens material 4a made of silicon oxide having high light transmittance. The light emitting part of the light emitting element 2 can be recognized by such an apparatus. That is, lithography for lens formation can be performed using this light emitting portion as an alignment mark.

次に、図3(h)に示すように、上記のようにして作製したレジストマスク(露光部)9に対して、異方性ドライエッチングによる全面エッチバックを行い、レンズ素材4aをエッチング加工し、レンズ4を形成する。   Next, as shown in FIG. 3H, the entire surface of the resist mask (exposed portion) 9 produced as described above is etched back by anisotropic dry etching to etch the lens material 4a. The lens 4 is formed.

以上のようにして、本発明に基づく光電変換装置1を作製することができる。   As described above, the photoelectric conversion device 1 according to the present invention can be manufactured.

従来例による、最も一般的な光ビーム成分の光路変更方法は、実装技術によりレンズ基体を発光素子に貼り付ける方法が適用されている。しかしながら、この場合、何らかの接着剤が必要となるが、発光素子とレンズ基体との熱膨張係数を充分に考慮しないと剥離の問題が発生する。また、接着剤の光の透過性も充分に考慮する必要がある。   The most common method of changing the optical path of the light beam component according to the conventional example is a method of attaching a lens base to a light emitting element by a mounting technique. However, in this case, some kind of adhesive is required. However, if the thermal expansion coefficient between the light emitting element and the lens base is not fully taken into account, a problem of peeling occurs. In addition, it is necessary to sufficiently consider the light transmittance of the adhesive.

これに対し、本実施の形態によれば、発光素子2が形成された素子基体3とシリコン膜5との接合は、薄い前記バッファー層を介しての原子同士の結合であり、かつ、シリコン膜5と酸化シリコンからなるレンズ4との接合は、接触部の界面での化学反応によりなされているので、それらの密着性は強固であり、剥離を懸念する必要がない。   On the other hand, according to the present embodiment, the junction between the element base 3 on which the light emitting element 2 is formed and the silicon film 5 is a bond between atoms through the thin buffer layer, and the silicon film 5 and the lens 4 made of silicon oxide are joined by a chemical reaction at the interface of the contact portion. Therefore, their adhesion is strong and there is no need to worry about peeling.

また、従来例によるレンズ基体を貼り付ける方法の場合、発光素子とレンズ基体とのアライメントは機械的な精度によるところが大きい。これに対し、本発明に基づく製造方法によれば、光の透過性の高い酸化シリコンからなるレンズ素材4aを用い、発光素子2とレンズ4を半導体プレーナー技術で形成することができる。即ち、半導体プロセス技術で実績のあるステッパーやスキャナーを用いることができ、そのアライメントは半導体プロセスのCD(Critical Dimension)ロスレベルにすることができる。このため、発光素子2とレンズ4との光軸ズレは殆ど無視できる。   Further, in the case of the method of attaching the lens base according to the conventional example, the alignment between the light emitting element and the lens base largely depends on the mechanical accuracy. On the other hand, according to the manufacturing method based on this invention, the light emitting element 2 and the lens 4 can be formed with a semiconductor planar technique using the lens raw material 4a which consists of silicon oxide with high light transmittance. That is, a stepper or a scanner that has a proven record in semiconductor process technology can be used, and the alignment can be set to a CD (Critical Dimension) loss level of the semiconductor process. For this reason, the optical axis shift between the light emitting element 2 and the lens 4 is almost negligible.

また、本実施の形態において、発光素子2とレンズ4との位置合わせ許容値(余裕度)は、従来例による貼り付け方法のそれよりも大きいため、歩留り的な観点でも有意な効果を示す。   Further, in the present embodiment, since the allowable alignment value (margin) between the light emitting element 2 and the lens 4 is larger than that of the pasting method according to the conventional example, a significant effect is also obtained from the viewpoint of yield.

さらに、従来例による素子基体自体をレンズ加工する方法では、ガリウム砒素等の素子基体は非常に脆いため、これを加工して曲率を有するレンズを形成することは非常に難しい。これに対し、本発明によれば、酸化シリコンからなるレンズ素材4aをエッチング加工してレンズ4を形成するので、半導体プロセスで容易に作製することができる。   Further, in the method of processing the lens of the element substrate itself according to the conventional example, the element substrate such as gallium arsenide is very fragile, and it is very difficult to process the element substrate to form a lens having a curvature. On the other hand, according to the present invention, since the lens 4 is formed by etching the lens material 4a made of silicon oxide, it can be easily manufactured by a semiconductor process.

第2の実施の形態
図4は、本発明に基づく光情報処理装置の一例の概略断面図である。図4に示すように、本発明に基づく光情報処理装置10は、本発明に基づく光電変換装置1と、前記光導波部としての例えば光導波路11と、前記光電変換素子を駆動する駆動素子12とからなる。
Second Embodiment FIG. 4 is a schematic sectional view of an example of an optical information processing apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 4, an optical information processing apparatus 10 according to the present invention includes a photoelectric conversion apparatus 1 according to the present invention, an optical waveguide 11 as the optical waveguide unit, and a drive element 12 that drives the photoelectric conversion element. It consists of.

また、本発明に基づく光電変換装置1は、前記光電変換素子としての発光素子アレイ2a又は受光素子アレイ2bが素子基体3に設けられている。   In the photoelectric conversion device 1 according to the present invention, a light emitting element array 2a or a light receiving element array 2b as the photoelectric conversion elements is provided on an element base 3.

本発明に基づく光電変換装置1は、インターポーザ13にはんだ14によって実装され、またインターポーザ13の光電変換装置1とは反対の面側において駆動素子12が実装されている。そして、発光素子2a、受光素子2bと駆動素子12とがインターポーザ13の貫通電極15を介して電気的に接続されている。また、図示省略したが、インターポーザ13には能動素子や配線等が形成されており、インターポーザ13に搭載された各素子やチップが相互に接続されている。さらに、光導波路11は例えばプリント配線板16に実装されている。   The photoelectric conversion device 1 according to the present invention is mounted on an interposer 13 with solder 14, and a drive element 12 is mounted on the surface of the interposer 13 opposite to the photoelectric conversion device 1. The light emitting element 2a, the light receiving element 2b, and the driving element 12 are electrically connected through the through electrode 15 of the interposer 13. Although not shown, the interposer 13 is formed with active elements, wirings, etc., and the elements and chips mounted on the interposer 13 are connected to each other. Furthermore, the optical waveguide 11 is mounted on, for example, the printed wiring board 16.

また、レンズ4と、光導波路11の光入射部又は光出射部とが共通の光軸上で位置合わせされている。   In addition, the lens 4 and the light incident portion or the light emitting portion of the optical waveguide 11 are aligned on a common optical axis.

前記光導波部としての光導波路11は特に限定されず、従来公知のものが使用可能であるが、例えば、クラッド17a、17bと、これらクラッド17a、17b間に挟持されたコア18とを有し、また光入射部及び光出射部にそれぞれレンズ部材19を有する。さらに、光導波路11の光入射端面及び光出射端面は、45°ミラー面に形成されている。   The optical waveguide 11 as the optical waveguide portion is not particularly limited, and a conventionally known one can be used. For example, the optical waveguide 11 includes clads 17a and 17b and a core 18 sandwiched between the clads 17a and 17b. In addition, the lens member 19 is provided in each of the light incident portion and the light emitting portion. Further, the light incident end face and the light exit end face of the optical waveguide 11 are formed on a 45 ° mirror surface.

本発明に基づく光情報処理装置10のメカニズムは、前記光電変換素子としての発光素子2aによって信号変調された出射光(例えばレーザ光)が酸化シリコンからなるレンズ4を通して平行光化される。この信号光は、更に光導波路11の光入射部に形成されたレンズ部材19によって集光され、光導波路11のコア18へ効果的に入射される。入射した光は光導波路11を導波し、光導波路11の光出射部に形成されたレンズ部材19によって平行光化されて、光導波路11から出射される。そして、出射光は酸化シリコンからなるレンズ4によって集光されて、受光素子2bに効果的に受光される。このように、光導波路11を信号変調されたレーザ光等の伝送路として光伝送・通信システムを構築することができる。   In the mechanism of the optical information processing apparatus 10 according to the present invention, emitted light (for example, laser light) that is signal-modulated by the light emitting element 2a as the photoelectric conversion element is converted into parallel light through a lens 4 made of silicon oxide. The signal light is further collected by a lens member 19 formed at the light incident portion of the optical waveguide 11 and is effectively incident on the core 18 of the optical waveguide 11. The incident light is guided through the optical waveguide 11, converted into parallel light by the lens member 19 formed at the light emitting portion of the optical waveguide 11, and then emitted from the optical waveguide 11. The emitted light is collected by the lens 4 made of silicon oxide and is effectively received by the light receiving element 2b. Thus, an optical transmission / communication system can be constructed using the optical waveguide 11 as a transmission path for signal-modulated laser light or the like.

従来例による、最も一般的な光ビーム成分の光路変更は、実装技術によりレンズ基体を発光素子に貼り付ける方法が適用されているが、実装の位置合わせ精度は、スループットを考慮しても数μmオーダーである。また、三次元の実装になるため、レンズだけの実装ばらつきはばらつき値の3乗となる。さらに、複数点数の実装を行うため、前後の実装部品とのアライメントを考慮する必要もある。即ち、実装点数はできる限り少なくした方が最終製品の歩留りは向上することになる。   The most common optical path change of the light beam component according to the conventional example is a method in which the lens base is attached to the light emitting element by a mounting technique, but the mounting alignment accuracy is several μm even in consideration of the throughput. It is an order. In addition, since the mounting is three-dimensional, the mounting variation of only the lens is the cube of the variation value. Furthermore, in order to mount a plurality of points, it is necessary to consider alignment with the front and rear mounting parts. That is, the yield of the final product is improved by reducing the number of mounting points as much as possible.

これに対し、本実施の形態によれば、本発明に基づく光電変換装置1を用いることにより、実装部品点数の削減になるため、歩留りをより向上させることができる。   On the other hand, according to this Embodiment, since the number of mounting components is reduced by using the photoelectric conversion apparatus 1 based on this invention, a yield can be improved more.

また、従来例のようにレンズ基体を実装するためには何らかのガイドが必要であるが、本実施の形態によれば、本発明に基づく光電変換装置1を用いるのでガイド形成又は取り付けの工程を省略することができる。   Further, as in the conventional example, some kind of guide is required to mount the lens base body. However, according to the present embodiment, since the photoelectric conversion device 1 according to the present invention is used, the guide formation or attachment process is omitted. can do.

さらに、本発明の光電変換装置1は、上述したように、前記出射光又は前記入射光の前記光ビーム成分が拡散するのを効果的に防止することができる。従って、この光電変換装置1を適用してなる本発明の光情報処理装置10は、例えば、前記出射光を光導波路11へ導入する際の光損失を大幅に低減することができ、システムの誤作動低減やエラーレート低減によるシステム全体の速度向上などの効果が期待できる。   Furthermore, as described above, the photoelectric conversion device 1 of the present invention can effectively prevent the light beam component of the emitted light or the incident light from diffusing. Therefore, the optical information processing apparatus 10 of the present invention to which the photoelectric conversion apparatus 1 is applied can significantly reduce the optical loss when introducing the emitted light into the optical waveguide 11, for example. The effect of improving the speed of the entire system by reducing the operation and error rate can be expected.

次に、システムのトータル的な利点を示すと、まず、実装点数が減少するので、システムの製造TAT(Turn around time)が速くなる。   Next, the total advantage of the system will be described. First, since the number of mounting points decreases, the system manufacturing TAT (Turn around time) becomes faster.

また、実装点数が減少するので、システム全体のストレスバランスを最適化し易くなり、信頼性の高いシステムを構築できる。   In addition, since the number of mounting points decreases, it becomes easy to optimize the stress balance of the entire system, and a highly reliable system can be constructed.

また、前記光電変換素子としての発光素子2aから光導波路11への光結合ロスが低減できるので、発光素子2aの出力を低減することができる。即ち、発光素子2aをドライブさせるドライバーの消費電力を低減することができる。   Moreover, since the optical coupling loss from the light emitting element 2a as the photoelectric conversion element to the optical waveguide 11 can be reduced, the output of the light emitting element 2a can be reduced. That is, the power consumption of the driver that drives the light emitting element 2a can be reduced.

また、発光素子2aから光導波路11への光結合ロスが低減でき、効率的に前記出射光を光導波路11に導入することができるので、受光素子2bの光電変換効率が大きくなり、それに伴い、受光素子2bから出力される電流値が大きくなるため、電流を増幅するアンプの消費電力を低減することができる。   Moreover, since the optical coupling loss from the light emitting element 2a to the optical waveguide 11 can be reduced and the emitted light can be efficiently introduced into the optical waveguide 11, the photoelectric conversion efficiency of the light receiving element 2b is increased, and accordingly, Since the current value output from the light receiving element 2b increases, the power consumption of the amplifier that amplifies the current can be reduced.

さらに、発光素子2aから光導波路11への光結合ロスが低減でき、効率的に光を光導波路11に導入することができるので、出力側の受光素子の感度を落とすことができ(スペックを落とすことができ)、受光側のコスト低減ができる。   Furthermore, since the optical coupling loss from the light emitting element 2a to the optical waveguide 11 can be reduced and light can be efficiently introduced into the optical waveguide 11, the sensitivity of the light receiving element on the output side can be reduced (decrease in specifications). Cost) on the light receiving side.

以上、本発明を実施の形態について説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, the above-mentioned example can be variously modified based on the technical idea of this invention.

例えば、前記光導波部として前記光導波路を用いる例を挙げて説明したが、例えば光ファイバー等も適用可能である。   For example, although an example in which the optical waveguide is used as the optical waveguide unit has been described, for example, an optical fiber or the like is also applicable.

また、本発明に基づく光電変換装置は、LSIチップ間光伝送のアプリケーションだけでなく、光を用いた全てのシステムに適用可能である。   Moreover, the photoelectric conversion device according to the present invention is applicable not only to the application of optical transmission between LSI chips but also to all systems using light.

第1の実施の形態による、本発明に基づく光電変換装置の概略図である。It is the schematic of the photoelectric conversion apparatus based on this invention by 1st Embodiment. 同、本発明に基づく光電変換装置の製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus based on this invention in process order. 同、本発明に基づく光電変換装置の製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus based on this invention in process order. 第2の実施の形態による、本発明に基づく光情報処理装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the optical information processing apparatus based on this invention by 2nd Embodiment. 従来例による、発光部から光導波路までの距離と、光損失との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the distance from the light emission part to an optical waveguide, and optical loss by a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1…光電変換装置、2…光電変換素子、2a…発光素子アレイ(発光素子)、
2b…受光素子アレイ(受光素子)、3…素子基体、4…レンズ、4a…レンズ素材、
5…シリコン膜、5a…シリコン基板、6…接合体、7…レジスト、
8…グレーティングマスク、9…露光部、10…光情報処理装置、11…光導波路、
12…駆動素子、13…インターポーザ、14…はんだ、15…貫通電極、
16…プリント配線板、17a、17b…クラッド、18…コア、19…レンズ部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Photoelectric conversion apparatus, 2 ... Photoelectric conversion element, 2a ... Light emitting element array (light emitting element),
2b ... light receiving element array (light receiving element), 3 ... element base, 4 ... lens, 4a ... lens material,
5 ... silicon film, 5a ... silicon substrate, 6 ... joined body, 7 ... resist,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 ... Grating mask, 9 ... Exposure part, 10 ... Optical information processing apparatus, 11 ... Optical waveguide,
12 ... Drive element, 13 ... Interposer, 14 ... Solder, 15 ... Penetration electrode,
16 ... Printed wiring board, 17a, 17b ... Cladding, 18 ... Core, 19 ... Lens member

Claims (11)

光電変換素子と、前記光電変換素子が設けられた素子基体とを有し、前記光電変換素子とは反対の面側において、前記素子基体と、酸化シリコンからなるレンズとがシリコン膜を介して接合され、前記光電変換素子の出射光又は入射光の光ビーム成分が前記レンズによって光路変更される、光電変換装置。   A photoelectric conversion element and an element base provided with the photoelectric conversion element are provided, and the element base and a lens made of silicon oxide are bonded via a silicon film on the side opposite to the photoelectric conversion element. A photoelectric conversion device in which the light beam component of the emitted light or incident light of the photoelectric conversion element is optically changed by the lens. 前記素子基体と、前記シリコン膜とがバッファー層を介して接合され、前記出射光又は入射光の前記光ビーム成分が前記レンズによって平行光化又は集光される、請求項1に記載した光電変換装置。   2. The photoelectric conversion according to claim 1, wherein the element substrate and the silicon film are bonded via a buffer layer, and the light beam component of the emitted light or incident light is collimated or condensed by the lens. apparatus. 前記光電変換素子としての発光素子アレイ又は受光素子アレイが前記素子基体に設けられている、請求項1に記載した光電変換装置。   The photoelectric conversion apparatus according to claim 1, wherein a light emitting element array or a light receiving element array as the photoelectric conversion element is provided on the element base. 請求項1に記載した光電変換装置の製造方法であって、酸化シリコンからなるレンズ素材と、光電変換素子の素子基体とをシリコン膜を介して接合する工程と、前記素子基体に前記光電変換素子を設ける工程と、前記レンズ素材を前記光電変換素子とは反対の面側においてエッチング加工し、レンズを形成する工程とを有する、光電変換装置の製造方法。   2. A method of manufacturing a photoelectric conversion device according to claim 1, wherein a lens material made of silicon oxide and an element base of a photoelectric conversion element are joined via a silicon film, and the photoelectric conversion element is attached to the element base. And a step of etching the lens material on the side opposite to the photoelectric conversion element to form a lens. 前記レンズ素材にシリコン基板を直接接合し、この接合体において前記シリコン基板を厚さ方向に部分的に除去して肉薄の前記シリコン膜に加工し、このシリコン膜上に素子基体材料層を形成する、請求項4に記載した光電変換装置の製造方法。   A silicon substrate is directly bonded to the lens material, and the silicon substrate is partially removed in the thickness direction in the bonded body to be processed into a thin silicon film, and an element base material layer is formed on the silicon film. The manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus described in Claim 4. バッファー層を介して前記シリコン膜上に素子基体材料をエピタキシャル成長させる、請求項5に記載した光電変換装置の製造方法。   The method for manufacturing a photoelectric conversion device according to claim 5, wherein an element base material is epitaxially grown on the silicon film via a buffer layer. 前記光電変換素子としての発光素子アレイ又は受光素子アレイを前記素子基体に設ける、請求項4に記載した光電変換装置の製造方法。   The manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus of Claim 4 which provides the light emitting element array or light receiving element array as the said photoelectric conversion element in the said element base | substrate. 光電変換装置と、光導波部と、光電変換素子を駆動する駆動素子とからなり、前記光電変換装置が、
光電変換素子と、前記光電変換素子が設けられた素子基体とを有し、前記光電変換素 子とは反対の面側において、前記素子基体と、酸化シリコンからなるレンズとがシリコ ン膜を介して接合され、前記光電変換素子の出射光又は入射光の光ビーム成分が前記レ ンズによって光路変更される
ことを特徴とする、光情報処理装置。
A photoelectric conversion device, an optical waveguide unit, and a drive element that drives the photoelectric conversion device, the photoelectric conversion device,
A photoelectric conversion element; and an element base on which the photoelectric conversion element is provided. The element base and a lens made of silicon oxide are interposed via a silicon film on a surface opposite to the photoelectric conversion element. The optical information processing apparatus is characterized in that the optical path of the light beam component of the emitted light or incident light of the photoelectric conversion element is changed by the lens.
前記素子基体と、前記シリコン膜とがバッファー層を介して接合され、前記出射光又は入射光の前記光ビーム成分が前記レンズによって平行光化又は集光される、請求項8に記載した光情報処理装置。   The optical information according to claim 8, wherein the element substrate and the silicon film are bonded via a buffer layer, and the light beam component of the emitted light or incident light is collimated or condensed by the lens. Processing equipment. 前記光電変換素子としての発光素子アレイ又は受光素子アレイが前記素子基体に設けられている、請求項8に記載した光情報処理装置。   The optical information processing apparatus according to claim 8, wherein a light emitting element array or a light receiving element array as the photoelectric conversion element is provided on the element base. 前記レンズと、前記光導波部の光入射部又は光出射部とが共通の光軸上で位置合わせされている、請求項8に記載した光情報処理装置。   The optical information processing apparatus according to claim 8, wherein the lens and the light incident portion or the light emitting portion of the optical waveguide portion are aligned on a common optical axis.
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