JP2009055054A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光送受信を利用した情報処理システムに使用される半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device used in an information processing system using optical transmission / reception.
電子集積回路素子に関する技術であるIC(集積回路)技術やLSI(大規模集積回路)技術の進歩により、これらの動作速度や集積規模が向上し、MPU(Micro−Processing Unit;マイクロプロセッサ)の高性能化やメモリチップの高速大容量化が急速に進展している。このような状況下では、特に高速デジタル信号伝送およびMPUとメモリチップ間の高速バス等を必要とする場合においては、信号配線の高速、高密度化による電気信号の遅延やクロストーク悪化が高性能化等に対する障害となっている。この問題を解消し得る技術として、光配線(光インターコネクション)を利用することが注目されている。この光配線は、機器装置間、機器装置内ボード間、ボード内チップ間等の様々なレベルで適用可能と考えられており、例えばボード内チップ間のように比較的短距離の信号伝送には、光導波路を光信号の伝送路とした光送受信システムが有効である。 Advances in IC (integrated circuit) technology and LSI (large-scale integrated circuit) technology, which are technologies related to electronic integrated circuit elements, have improved their operating speed and integration scale, and the high MPU (Micro-Processing Unit). Improvements in performance and high speed and large capacity of memory chips are progressing rapidly. Under these circumstances, especially when high-speed digital signal transmission and a high-speed bus between the MPU and the memory chip are required, the delay of electric signals and the deterioration of crosstalk due to high-speed and high-density signal wiring are high performance. It has become an obstacle to conversion. The use of optical wiring (optical interconnection) has attracted attention as a technology that can solve this problem. This optical wiring is considered to be applicable at various levels such as between equipment devices, between boards in equipment equipment, between chips in board, etc. For example, for signal transmission over a relatively short distance, such as between chips in a board. An optical transmission / reception system using an optical waveguide as an optical signal transmission path is effective.
このような光配線を利用した光送受信システムに用いられる半導体装置に関して、例えば特開平5−48073号公報には、電子素子集積回路と光素子とが同一基板上に設けられた光電子集積回路のチップの複数個が配置され、かつ光導波路が設けられた支持基板を有し、このチップは、光素子と光導波路とが光学的に接続する位置に配置されたことを特徴とする半導体装置が開示されている。 Regarding a semiconductor device used in an optical transmission / reception system using such an optical wiring, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-48073 discloses a chip of an optoelectronic integrated circuit in which an electronic element integrated circuit and an optical element are provided on the same substrate. There is disclosed a semiconductor device having a support substrate on which a plurality of optical waveguides are disposed and an optical waveguide is provided, and the chip is disposed at a position where the optical element and the optical waveguide are optically connected. Has been.
この半導体装置は、図5および図6に断面図で、また図7に一部破断斜視図で示すように、Si基板28上に、光導波路25および金属配線26が形成されており、フォトダイオード20、レーザダイオード21と電子集積回路を同じチップ上に配置した光電子集積回路のチップ23がこのSi基板28に貼り付けられ、かつ、チップ23は、フォトダイオード20、レーザダイオード21と光導波路25とが光学的に接続するように、またSi基板28上の金属配線26とチップ23上のボンディングパッドとが電気的に接続するように位置合わせされている構成のものである。
In this semiconductor device, as shown in a sectional view in FIGS. 5 and 6 and in a partially broken perspective view in FIG. 7, an
この構成によれば、電子素子が集積された電子集積回路の半導体基板上にレーザダイオード21、フォトダイオード20等の光素子を配置した光電子集積回路のチップ23を用い、チップ23間の信号伝送を電気配線で行なう代りに光信号を光導波路25に通して行なうため、チップ23間配線の抵抗、容量、インダクタンスに起因する遅延がなくなるというものである。また、光信号を伝送する光導波路25は従来の電気配線と同様にフォトリソグラフィによってパターニングされるため、製造歩留まりおよび信頼度に優れているというものである。さらに、マルチチップ方式の半導体装置のチップ23間の電気配線の抵抗、容量、インダクタンスによる遅れがなくなるため、パッケージ内のシステムの演算処理速度が約50パーセント向上し、また、光信号を伝送する光導波路25は従来の電気配線と同様にフォトリソグラフィによってパターニングされるため、電気配線と同等の製造歩留まりおよび信頼度が得られたというものである。
しかしながら、図5〜図7に示す半導体装置を開示した特開平5−48073号公報には、発光素子と受光素子の配置方向に関する詳細な記述がなく、図5〜図7に示したような配置では、受光素子であるフォトダイオード20、発光素子であるレーザダイオード21および光導波路25を隣接して複数配置させると、隣接する光導波路25中の光の伝搬方向が同じであるため、隣接する光導波路25に結合された受光素子20への光の漏れ(クロストーク)を避けるために光導波路25間の間隔を広く配置する必要があり、高集積化を妨げているという問題点があった。
However, Japanese Patent Laid-Open No. 5-48073 which discloses the semiconductor device shown in FIGS. 5 to 7 does not have a detailed description regarding the arrangement direction of the light emitting element and the light receiving element, and the arrangement as shown in FIGS. Then, when a plurality of
その一例として、光導波路のコア部およびクラッド部の屈折率差(Δn)が0.3%で光導波路長が20mmの場合の、隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストーク量の計算値を、図8に線図で示す。図8において、横軸は隣接する光導波路の間隔(単位:μm)を、縦軸はその光導波路間のクロストーク量(単位:dB)を表し、黒四角のプロットおよび特性曲線はクロストーク量の変化を示している。この図8に示す結果は、隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストーク量を、例として20dB以下に抑制しようとする場合には、隣接する光導波路の間隔を22μm以上にする必要があることを示している。 As an example, when the refractive index difference (Δn) between the core portion and the clad portion of the optical waveguide is 0.3% and the optical waveguide length is 20 mm, the amount of crosstalk to the light receiving element coupled to the adjacent optical waveguide is The calculated values are shown graphically in FIG. In FIG. 8, the horizontal axis represents the interval between adjacent optical waveguides (unit: μm), the vertical axis represents the amount of crosstalk between the optical waveguides (unit: dB), and the black square plot and characteristic curve are the amount of crosstalk. Shows changes. The result shown in FIG. 8 shows that when the amount of crosstalk to the light receiving element coupled to the adjacent optical waveguide is to be suppressed to 20 dB or less as an example, the interval between the adjacent optical waveguides needs to be 22 μm or more. It shows that there is.
また、前述のような従来の半導体装置では、受光素子、発光素子および光導波路を隣接して複数配置させると、受光素子および発光素子に接続される図示しない電気配線間において電気的クロストークが発生してしまう等の問題点があった。 Also, in the conventional semiconductor device as described above, when a plurality of light receiving elements, light emitting elements, and optical waveguides are arranged adjacent to each other, electrical crosstalk occurs between electrical wirings (not shown) connected to the light receiving elements and the light emitting elements. There was a problem such as.
本発明は上記事情に鑑みて本発明者が鋭意研究に努めた結果完成されたものであり、その目的は、高密度配置された隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストークを低減した、光送受信を利用した情報処理システムに好適な半導体装置を提供することにある。 The present invention has been completed as a result of diligent research by the inventor in view of the above circumstances, and its purpose is to reduce crosstalk to light receiving elements coupled to adjacent optical waveguides arranged at high density. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device suitable for an information processing system using optical transmission / reception.
また、本発明の他の目的は、高密度配置された隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストークを低減するとともに、電気配線間の電気的クロストークも低減した、光送受信を利用した情報処理システムに好適な半導体装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to use optical transmission / reception that reduces crosstalk to light receiving elements coupled to adjacent optical waveguides arranged at high density and also reduces electrical crosstalk between electrical wirings. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device suitable for the information processing system.
また、本発明のさらに他の目的は、低コストで、およびより小さな損失で製造することができる半導体装置を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device that can be manufactured at low cost and with less loss.
本発明の半導体装置は、支持基板と、前記支持基板上に接続固定された電子集積回路装置と、前記支持基板上に位置し、前記電子集積回路装置から出力される電気信号を光信号に変換する発光素子と、前記支持基板上に位置し、光信号を電気信号に変換して前記電子集積回路装置に入力する受光素子と、前記発光素子と光学的に接続する第1の光導波路と、前記受光素子と光学的接続し、光の伝搬方向が前記第1の光導波路における光の伝搬方向と逆方向であり、前記第1の光導波路と隣接する第2の光導波路と、を含み、前記支持基板上に位置する一対の光導波路対と、を具備する。 The semiconductor device of the present invention includes a support substrate, an electronic integrated circuit device connected and fixed on the support substrate, and an electrical signal that is located on the support substrate and is output from the electronic integrated circuit device into an optical signal. A light emitting element that is located on the support substrate, converts a light signal into an electric signal and inputs the electric signal to the electronic integrated circuit device, and a first optical waveguide optically connected to the light emitting element, A second optical waveguide that is optically connected to the light receiving element, has a light propagation direction opposite to the light propagation direction in the first optical waveguide, and is adjacent to the first optical waveguide; A pair of optical waveguides positioned on the support substrate.
また、本発明の半導体装置は、前記発光素子および前記受光素子が交互に位置をずらせて配置されている。 In the semiconductor device of the present invention, the light-emitting elements and the light-receiving elements are alternately arranged.
また、本発明の半導体装置は、前記発光素子が複数個一体的にアレイ状に設けられ、前記受光素子が複数個一体的にアレイ状に設けられている。 In the semiconductor device of the present invention, a plurality of the light emitting elements are integrally provided in an array, and a plurality of the light receiving elements are integrally provided in an array.
また、本発明の半導体装置は、前記発光素子および前記受光素子をそれぞれ複数有し、前記光導波路対が、第1の光導波路対と、前記第1の光導波路対と接続する受光素子および発光素子と異なる受光素子および発光素子と接続し、前記第1の光導波路対の延出方向と異なる方向に向けて配置される第2の光導波路対と、から構成される。 The semiconductor device of the present invention includes a plurality of the light emitting elements and the light receiving elements, and the optical waveguide pair is connected to the first optical waveguide pair and the first optical waveguide pair. A light receiving element different from the element and a light emitting element are connected to each other, and the second optical waveguide pair is disposed in a direction different from the extending direction of the first optical waveguide pair.
本発明の半導体装置によれば、隣接する光導波路における光の伝搬方向が逆方向とされていることから、隣接する光導波路中の光の伝搬方向が逆方向であるため隣接する光導波路に光信号が漏れたとしても、その光導波路に結合された受光素子はその漏れてきた光信号の伝搬方向の反対側に配置されているので、隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストークを低減することができる。また、隣接する光導波路間でのクロストークを低減することができるため、それら隣接する光導波路間の間隔をより狭くすることができるので、より高密度の光配線を実現することができる。 According to the semiconductor device of the present invention, since the light propagation direction in the adjacent optical waveguide is opposite, the light propagation direction in the adjacent optical waveguide is opposite, so that the light is transmitted to the adjacent optical waveguide. Even if the signal leaks, the light receiving element coupled to the optical waveguide is arranged on the opposite side of the direction of propagation of the leaked optical signal, so that the crosstalk to the light receiving element coupled to the adjacent optical waveguide Can be reduced. In addition, since crosstalk between adjacent optical waveguides can be reduced, the interval between the adjacent optical waveguides can be narrowed, so that a higher-density optical wiring can be realized.
また本発明の半導体装置によれば、発光素子および受光素子が、隣接する光導波路について交互に位置をずらせて配置されているときには、光導波路の間隔を広げることなく、発光素子および受光素子間、ならびにそれら発光素子および受光素子が接続される電気配線の位置もそれに対応してずらせて配置することによりそれら電気配線間の距離を長くして配置することができ、受発光素子間の電気的なクロストークを小さくすることができ、より高密度の光配線を実現することができる。 Further, according to the semiconductor device of the present invention, when the light emitting element and the light receiving element are alternately shifted with respect to the adjacent optical waveguide, without increasing the interval between the optical waveguides, In addition, the positions of the electric wirings to which the light emitting elements and the light receiving elements are connected are also shifted correspondingly to increase the distance between the electric wirings. Crosstalk can be reduced, and higher-density optical wiring can be realized.
また、本発明の半導体装置によれば、交互に位置をずらせて配置された発光素子および受光素子それぞれ複数個が一体的にアレイ状に設けられているときには、発光素子および受光素子のアレイを支持基板上にそれぞれ配置するのみでこの半導体装置を製造できるため、複数の発光素子および受光素子をそれぞれ個別に基板上に配置する必要が無く、この半導体装置を製造する際の発光素子および受光素子を支持基板上に配置する工数およびコストを低減することができ、複数の発光素子および受光素子の位置ずれが小さくなるので、光信号伝搬の損失を小さくすることができる。 Further, according to the semiconductor device of the present invention, when a plurality of light emitting elements and light receiving elements arranged alternately are arranged in an integrated manner, the array of light emitting elements and light receiving elements is supported. Since this semiconductor device can be manufactured only by arranging each on the substrate, there is no need to separately arrange a plurality of light emitting elements and light receiving elements on the substrate, and the light emitting elements and light receiving elements for manufacturing this semiconductor device can be reduced. The number of man-hours and costs placed on the support substrate can be reduced, and the positional deviation between the light emitting elements and the light receiving elements is reduced, so that the loss of optical signal propagation can be reduced.
以上により、本発明によれば、高密度配置された隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストークを低減するとともに、電気配線間の電気的クロストークも低減した、光送受信システムに好適な半導体装置を提供することができ、低コストで、およびより小さな損失で製造することができる半導体装置を提供することができた。 As described above, according to the present invention, it is suitable for an optical transmission / reception system that reduces crosstalk to light receiving elements coupled to adjacent optical waveguides arranged at high density, and also reduces electrical crosstalk between electrical wirings. A semiconductor device that can be manufactured at a low cost and with a smaller loss can be provided.
以下、本発明の半導体装置について図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, a semiconductor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1(a)および(b)は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す上面図および断面図である。図1(a)は、発光素子4、受光素子5および光導波路6が形成された支持基板1の上面図であり、(b)は上に、電子集積回路素子9が設置されている電子集積回路装置2が、導体バンプ3により支持基板1上に接続固定されている様子を示す本発明の半導体装置の断面図である。図1(b)の半導体装置の断面図に示すように、発光素子4および受光素子5は、これらと同じく支持基板1上に形成された光導波路6により光学的に接続されている。また、電子集積回路装置2の電気信号の入出力は、導体バンプ3により発光素子4、受光素子5と電気的に接続され、これら素子4、5との間で電気信号が授受されることによって行なわれる。なお、電子集積回路装置2は、この例のように基板に電子集積回路素子9が設置されて構成されたものであってもよいし、電子集積回路素子9いわゆるICチップ自体であってもよい。そして、本発明の半導体装置は、図1(a)に示す複数の隣接する光導波路6において、光の伝搬方向が逆方向とされていることを特徴とする。
1A and 1B are a top view and a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a semiconductor device of the present invention, respectively. FIG. 1A is a top view of the
ここで、本発明の半導体装置の支持基板1上に設けられた発光素子4および受光素子5について説明する。これら発光素子4および受光素子5は、それぞれ光信号を発光および受光するものであり、光通信等に用いられる光素子が用いられる。より具体的には、発光素子4については発光ダイオード(LED)、半導体レーザ(LD)等が該当する。また、受光素子5については、pin型フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード(APD)、MSM型フォトダイオード等が該当する。そして、これら発光素子4および受光素子5は、同じ電子集積回路装置2の下においては隣接する光導波路6について交互に配置されており、これにより隣接する光導波路6における光の伝搬方向が逆方向とされている。
Here, the
また、図1(b)においては、面発光型の発光素子4および面受光型の受光素子5がそれぞれ動作面を上向きにして支持基板1上に配置されており、それぞれの動作面の上に光導波路6の端部が配置されている。これら光導波路6の端部には斜め面からなる反射面が形成されており、発光素子4からの光は発光素子4上の反射面で反射されて光導波路6を伝搬し、また、光導波路6を伝搬する光は受光素子5上の反射面で反射されて受光素子5に入射するものである。
In FIG. 1B, the surface-emitting light-emitting
なお、発光素子4および受光素子5は面動作型ではなく、端面発光型や端面受光型でもよい。また、発光素子4および受光素子5と光導波路6との接続は、反射面を介した結合の他、グレーティングを介した結合でもよく、発光素子4および受光素子5の素子端面での直接の結合や、方向性結合器構造による結合でもよい。また、発光素子4および受光素子5は、支持基板1上で光導波路6の上部に配置してもよい。
Note that the
次に、図2は、隣接する光導波路6により接続された発光素子4および受光素子5が、図示していない電子集積回路装置2の下において隣接する光導波路6について交互に位置をずらせて、いわゆるジグザグ状に位置するように配置されている、本発明の半導体装置の実施の形態の他の例を示す図1(a)と同様の上面図である。図2において、図1と同様の箇所には同じ符号を付してある。この例においては、支持基板1に設けられた発光素子4(図において右上がりの斜線を施した)および受光素子5(図において左上がりの斜線を施した)は、電子集積回路装置2の下において隣接する光導波路6について交互に位置をずらせてジグザグ状に配置されている。そして、図示していない電子集積回路基板2間でそれら電子集積回路装置2と電気的にそれぞれ接続される発光素子4および受光素子5間は、それぞれの電子集積回路装置2間で発光素子4と受光素子5とが光接続されるように光導波路6により接続されており、電子集積回路装置2の下において隣接する光導波路6における光の伝搬方向が逆方向とされている。
Next, FIG. 2 shows that the
これらの発光素子4および受光素子5が隣接する光導波路6について交互に位置をずらせてジグザグ状に配置された支持基板1には、図示していない2つの電子集積回路基板2が、図1(b)に示す例と同様に、同じく図2には図示していない導体バンプ3により配置され、導体バンプ3により発光素子4、受光素子5とそれぞれ電気的に接続されて電気信号の授受を行なう。
On the
なお、本発明の半導体装置のこのような例において、発光素子4および受光素子5を交互に位置をずらせてジグザグ状に配置する場合の、発光素子4の並びと受光素子5の並びとの間の長さは、発光素子4および受光素子5がそれぞれ接続される電気配線(図示せず)間のクロストークが発生することによって信号の誤伝達を引き起こすことから、発光素子4および受光素子5に接続される電気配線(図示せず)間のクロストークが発生しない長さ以上としておくことが望ましい。このような長さは、例えば10μmから20μm以上とすることである。
In such an example of the semiconductor device of the present invention, when the light-emitting
次に、図3は、支持基板1において図示しない電子集積回路装置2の下において隣接する光導波路6について交互に位置をずらせてジグザグ状に配置された発光素子4および受光素子5が、それぞれ複数個が一体的にアレイ状に設けられて、受光素子アレイ化および発光素子アレイ化されている、本発明の半導体装置の実施の形態のさらに他の例を示す図1(a)および図2と同様の上面図である。図3においても、図1および図2と同様の箇所には同じ符号を付してある。この例においては、電子集積回路装置2の下において支持基板1に設けられた発光素子4および受光素子5は、隣接する光導波路6について交互に位置をずらせてジグザグ状に配置されており、これらの発光素子4および受光素子5は、それぞれ複数個が発光素子アレイ7および受光素子アレイ8として一体的にアレイ状に設けられている。
Next, FIG. 3 shows a plurality of light-emitting
ここで、複数個の発光素子4および受光素子5が一体的にアレイ状に設けられているとは、発光素子4および受光素子5がそれぞれ一つの基板上にモノリシックに形成され、あるいはハイブリッド的に実装されて配列されることにより、図3に例を示すような発光素子アレイ7および受光素子アレイ8となっていることをいう。
Here, the plurality of light-emitting
隣接して配置された図示していない電子集積回路基板2と電気的にそれぞれ接続されるこれらの発光素子アレイ7および受光素子アレイ8中の発光素子4および受光素子5の電子集積回路装置2間は、それぞれの発光素子4と受光素子5とが光接続されるように光導波路6により接続されており、隣接する光導波路6における光の伝搬方向が逆方向とされている。
Between the electronic
これらの発光素子4および受光素子5が発光素子アレイ7および受光素子アレイ8として設けられて発光素子4および受光素子5が図示しない電子集積回路装置2の下において隣接する光導波路6について交互に位置をずらせてジグザグ状に配置された支持基板1には、図示していない2つの電子集積回路装置2が、図1(b)に示す例と同様に、同じく図3には図示していない導体バンプ3により支持基板1上に配置され、導体バンプ3により発光素子4、受光素子5とそれぞれ電気的に接続されて電気信号の授受を行なう。
The
このような本発明の半導体装置について、その製造方法の工程例を説明する。 A process example of the manufacturing method of such a semiconductor device of the present invention will be described.
まず、支持基板1の表面に複数本の光導波路6を形成する。支持基板1は、発光素子4、受光素子5、光導波路6および電子集積回路装置2の支持基板となるとともに、電気配線等が形成されることにより各種光素子、光部品および半導体素子等の高周波電子部品が実装されるものである。この支持基板1には、例えばガラス基板の他にシリコン基板、アルミナ基板、ガラスセラミックス基板、ムライト基板、窒化アルミニウム基板、ポリイミド基板、エポキシ基板等が用いられる。
First, a plurality of optical waveguides 6 are formed on the surface of the
光導波路6は、発光素子4および受光素子5間における光信号の接続を行なうものであり、コア部およびクラッド部からなる。コア部およびクラッド部からなる光導波路6を形成する材料には、光導波路として通常用いられる材料を使用することができ、特に制限はされない。具体的には、石英、ガラス等の無機系光学材料や、PMMA(ポリメチルメタアクリレート)、ポリカーボネート、アクリレート、フッ素化アクリレート、ポリエーテルイミド、ポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン)、フッ素化ポリイミド、フッ素樹脂、重水素化PMMA、重水素化シリコーン、シロキサンポリマ、ポリスチレン、ポリシラン等の一般的な有機系光学材料を使用することができる。
The optical waveguide 6 is for connecting an optical signal between the light emitting
これらの材料により光導波路6を形成する方法は、一般的な光導波路を形成する方法を使用することができ、特に制限はされない。具体的には、支持基板1上に例えば熱蒸着法、スパッタリング法、CVD法、重合法、熱拡散法、イオン交換法、イオン注入法、エピタキシャル成長法、スピンコート法や印刷法等によってこれらの材料を成膜し、周知のフォトリソグラフィにより導波路形状にパターニングし、ウエットまたはドライエッチング法等により所望の導波路形状に加工することにより形成すればよい。
As a method of forming the optical waveguide 6 using these materials, a general method of forming an optical waveguide can be used, and there is no particular limitation. Specifically, these materials are formed on the
次いで、前述の支持基板1の表面に光導波路6を形成する工程とは別に、支持基板1上に発光素子4および受光素子5を設置する。発光素子4および受光素子5はそれぞれ光信号を発光および受光するものである。
Next, separately from the step of forming the optical waveguide 6 on the surface of the
支持基板1上に発光素子4および受光素子5を設置する方法としては、支持基板1の基板とは別途に発光素子4および受光素子5を作製し、その後、それらを支持基板1上に配置してもよく、また、発光素子4および受光素子5を直接、支持基板1の基板に形成することによって設置してもよい。なお、このとき、隣接する光導波路6における光の伝搬方向が逆方向になるように、発光素子4および受光素子5を配置する。
As a method of installing the
また、電子集積回路装置2は、チップサイズパッケージ基板、マルチチップモジュール基板、インターポーザ等のいわゆる電子集積回路素子実装用基板に電子集積回路素子9が設置されたものである場合には、シリコン基板、アルミナ基板、ガラスセラミックス基板、ムライト基板、窒化アルミニウム基板、ポリイミド基板、エポキシ基板等などからなる回路基板に、半導体記録装置やマイクロプロセッサ等の電気信号の処理を行なう複数あるいは単一の電子集積回路素子9が設置されるものである。また、電子集積回路素子9すなわちいわゆるICチップ自体を電子集積回路装置として用いても構わない。
The electronic
最後に、発光素子4および受光素子5が設置され、これらが光導波路6で接続された支持基板1上に導体バンプ3を介して電子集積回路装置2を配置することで、本発明の半導体装置となる。
Finally, the
このようにして本発明の半導体装置を製造する際に、支持基板1において隣接する光導波路6により接続された発光素子4および受光素子5を、交互に位置をずらせて配置し、最後に、発光素子4および受光素子5が設置され、これらが光導波路6で接続された支持基板1上に、導体バンプ3を介して電子集積回路装置2を配置することで、電子集積回路装置2の下において隣接する光導波路6により接続された発光素子4および受光素子5が隣接する光導波路6について交互に位置をずらせて配置されている本発明の半導体装置となる。
Thus, when manufacturing the semiconductor device of the present invention, the
また、支持基板1において隣接する光導波路6により接続された発光素子4および受光素子5を設置する際に、電子集積回路装置2の下において交互に位置をずらせてジグザグ状に配置された発光素子4および受光素子5を、複数個が一体的にアレイ状に設けられた発光素子アレイ7および受光素子アレイ8として設置し、このように発光素子4および受光素子5が設置された支持基板1上に導体バンプ3を介して電子集積回路装置2を配置することで、電子集積回路装置2の下において隣接する光導波路6により接続された受光素子5および発光素子4が、それぞれ複数個が一体的にアレイ状に設けられている本発明の半導体装置となる。
Further, when the
次に、本発明の半導体装置の実施例を示す。 Next, examples of the semiconductor device of the present invention will be described.
[実施例1]
まず、支持基板となるアルミナ電気回路基板上に、受光素子としてMSM型フォトダイオードを、発光素子として面発光型半導体レーザを、それらの並びが交互になるように配置した。
[Example 1]
First, an MSM type photodiode as a light receiving element and a surface emitting semiconductor laser as a light emitting element were arranged on an alumina electric circuit substrate serving as a support substrate so that their arrangement was alternated.
次いで、その支持基板の表面に、シロキサンポリマの有機溶媒溶液をスピンコート法によって塗布し、85℃/30分および270℃/30分の熱処理を行ない、厚さ8μmの下部クラッド層(屈折率1.4405,λ=1.3μm)を形成した。 Next, an organic solvent solution of siloxane polymer is applied to the surface of the support substrate by spin coating, and heat treatment is performed at 85 ° C./30 minutes and 270 ° C./30 minutes to form a lower cladding layer (refractive index of 1) with a thickness of 8 μm. .4405, λ = 1.3 μm).
次に、シロキサンポリマとテトラ−n−ブトキシチタンとの混合液をスピンコート法によって下部クラッド層の上に塗布し、85℃/30分および150℃/30分の熱処理を行ない、厚さ7μmのコア層(屈折率1.4450,λ=1.3μm)を形成した。 Next, a mixed liquid of siloxane polymer and tetra-n-butoxytitanium was applied onto the lower cladding layer by spin coating, and heat treatment was performed at 85 ° C./30 minutes and 150 ° C./30 minutes, and the thickness was 7 μm. A core layer (refractive index: 1.4450, λ = 1.3 μm) was formed.
次いで、スパッタリング法により、コア層の上にアルミニウム膜を0.5μmの厚さで成膜した。 Next, an aluminum film having a thickness of 0.5 μm was formed on the core layer by sputtering.
次いで、このアルミニウム膜の上にフォトレジスト層をスピンコート法により1μmの厚さで成膜した。 Next, a photoresist layer having a thickness of 1 μm was formed on the aluminum film by spin coating.
次いで、フォトマスクを用いて露光をし、現像をした後、酢酸、硝酸、燐酸の混合液によってアルミニウム膜をエッチング加工することで、アルミニウム膜に、光導波路のコア部となるパターンを転写した。 Next, after exposure and development using a photomask, the aluminum film was etched with a mixed solution of acetic acid, nitric acid, and phosphoric acid, thereby transferring a pattern to be a core portion of the optical waveguide to the aluminum film.
次いで、このアルミニウム膜のパターンをマスクとしてCF4ガスおよびO2ガスを用いたRIE(反応性イオンエッチング)によってコア層をエッチングして、光導波路のコア部を形成した。 Next, the core layer of the optical waveguide was formed by etching the core layer by RIE (reactive ion etching) using CF 4 gas and O 2 gas using the pattern of the aluminum film as a mask.
次いで、アルミニウム膜のパターンを除去した後に、コア部および下部クラッド層の上にシロキサンポリマの有機溶媒溶液をスピンコート法によって塗布し、85℃/30分および270℃/30分の熱処理を行ない、厚さ8μmの上部クラッド層(屈折率1.4405,λ=1.3μm)を形成した。 Next, after removing the pattern of the aluminum film, an organic solvent solution of siloxane polymer is applied onto the core portion and the lower cladding layer by a spin coating method, and heat treatment is performed at 85 ° C./30 minutes and 270 ° C./30 minutes, An upper cladding layer (refractive index: 1.4405, λ = 1.3 μm) having a thickness of 8 μm was formed.
これにより、発光素子と受光素子とを配置した支持基板上に、複数個の電子集積回路装置間で発光素子と受光素子とを接続する光導波路を形成した。 Thus, an optical waveguide for connecting the light emitting element and the light receiving element between the plurality of electronic integrated circuit devices was formed on the support substrate on which the light emitting element and the light receiving element were arranged.
その後、この発光素子および受光素子が配置された支持基板上に、電子集積回路装置間で互いの発光素子と受光素子とが接続されるようにして、導体バンプを介して電子集積回路装置を配置した。 Thereafter, on the support substrate on which the light emitting element and the light receiving element are disposed, the electronic integrated circuit device is disposed through the conductor bump so that the light emitting element and the light receiving element are connected to each other between the electronic integrated circuit devices. did.
これにより、支持基板上に、電子集積回路装置が複数個配置されるとともに、電子集積回路装置の下に位置するように発光素子と受光素子とが交互に設けられ、さらに、電子集積回路装置間で発光素子と受光素子とを接続する複数本の光導波路が設けられて成り、隣接するこれら光導波路における光の伝搬方向が逆方向とされている本発明の半導体装置を作製した。 Accordingly, a plurality of electronic integrated circuit devices are arranged on the support substrate, and the light emitting elements and the light receiving elements are alternately provided so as to be positioned under the electronic integrated circuit devices. Thus, a semiconductor device according to the present invention was produced in which a plurality of optical waveguides connecting the light emitting element and the light receiving element were provided, and the light propagation direction in these adjacent optical waveguides was reversed.
以上のようにして得られた本発明の半導体装置と、従来の半導体装置とを用いて、隣接する2本の光導波路に結合された受光素子へのクロストーク量を測定した。この測定においては、まず1つの発光素子から出力された光が、この発光素子に接続された光導波路を伝搬し、この光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定し、これを出力Aとした。また、隣接する光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定した。ここで、従来の半導体装置において、隣接した光導波路に接続された受光素子が出力Aの受光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Bとした。また、本発明の半導体装置において、隣接した光導波路に接続された受光素子が出力Aの発光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Cとした。 Using the semiconductor device of the present invention obtained as described above and a conventional semiconductor device, the amount of crosstalk to the light receiving element coupled to two adjacent optical waveguides was measured. In this measurement, first, the light output from one light emitting element propagates through the optical waveguide connected to the light emitting element, and the output received by the light receiving element connected to the optical waveguide is measured. Output A. Further, the output received by the light receiving element connected to the adjacent optical waveguide was measured. Here, in the conventional semiconductor device, the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides are in the same column as the light receiving elements of output A is defined as output B. Further, in the semiconductor device of the present invention, the output C was the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides were in the same column as the light emitting elements of output A.
この結果、従来の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Bが、出力Aの約0.1%〜1%であったのに対し、本発明の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Cは、出力Aの約0.0001%以下であり、本発明の半導体装置によるクロストーク低減の効果を確認することができた。 As a result, the crosstalk amount in the conventional semiconductor device, that is, the output B is about 0.1% to 1% of the output A, whereas the crosstalk amount in the semiconductor device of the present invention, that is, the output C is The output A was about 0.0001% or less, and the effect of reducing crosstalk by the semiconductor device of the present invention could be confirmed.
[実施例2]
[実施例1]と同様にして本発明の半導体装置を作製するのに際して、受光素子としてMSM型フォトダイオードを、発光素子として面発光型半導体レーザを、支持基板にその並びが交互に、また発光素子と受光素子との位置を20μmずらせたものとなるようにジグザグに配置した。
[Example 2]
When manufacturing the semiconductor device of the present invention in the same manner as in [Embodiment 1], an MSM photodiode is used as a light receiving element, a surface emitting semiconductor laser is used as a light emitting element, and the arrangement is alternately arranged on the support substrate. The element and the light receiving element were arranged in a zigzag so as to be shifted by 20 μm.
これにより、支持基板上に、電子集積回路装置が複数個配置されるとともに、発光素子および受光素子が交互にジグザグに設けられ、さらに、電子集積回路装置間で発光素子と受光素子とを接続する複数本の光導波路が設けられて成り、隣接するこれら光導波路における光の伝搬方向が逆方向とされている本発明の半導体装置を作製した。 Thus, a plurality of electronic integrated circuit devices are arranged on the support substrate, and the light emitting elements and the light receiving elements are alternately provided in a zigzag manner, and the light emitting elements and the light receiving elements are connected between the electronic integrated circuit devices. A semiconductor device according to the present invention was fabricated in which a plurality of optical waveguides were provided, and the light propagation direction in the adjacent optical waveguides was reversed.
以上のようにして得られた本発明の半導体装置と、[実施例1]で比較した従来の半導体装置とを用いて、2本の光導波路に結合された受光素子へのクロストーク量を測定した。この測定においては、まず1つの発光素子から出力された光が、この発光素子に接続された光導波路を伝搬し、この光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定し、これを出力Aとした。次に、隣接する光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定した。ここで、従来の半導体装置において、隣接された光導波路に接続された受光素子が出力Aの受光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Bとした。また、本発明の半導体装置において、隣接された光導波路に接続された受光素子が出力Aの発光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Cとした。この結果、従来の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Bが、出力Aの約0.1%〜1%であったのに対し、本発明の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Cは、出力Aの約0.0001%以下であり、本発明の半導体装置によるクロストーク低減の効果を確認することができた。 Using the semiconductor device of the present invention obtained as described above and the conventional semiconductor device compared in Example 1, the amount of crosstalk to the light receiving element coupled to the two optical waveguides is measured. did. In this measurement, first, the light output from one light emitting element propagates through the optical waveguide connected to the light emitting element, and the output received by the light receiving element connected to the optical waveguide is measured. Output A. Next, the output received by the light receiving element connected to the adjacent optical waveguide was measured. Here, in the conventional semiconductor device, the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides are in the same column as the light receiving elements of output A is defined as output B. In the semiconductor device of the present invention, the output C is the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides are in the same column as the light emitting elements of the output A. As a result, the crosstalk amount in the conventional semiconductor device, that is, the output B is about 0.1% to 1% of the output A, whereas the crosstalk amount in the semiconductor device of the present invention, that is, the output C is The output A was about 0.0001% or less, and the effect of reducing crosstalk by the semiconductor device of the present invention could be confirmed.
またさらに、電子集積回路装置において発光素子および受光素子が接続される電気配線間の電気的なクロストークを比較したところ、従来の半導体装置におけるクロストークが約0.1%であったのに対し、本発明の半導体装置におけるクロストークは約0.001%以下であり、本発明の半導体装置による電気的なクロストーク低減の効果を確認することができた。 Furthermore, in the electronic integrated circuit device, when comparing the electrical crosstalk between the electrical wirings to which the light emitting element and the light receiving element are connected, the crosstalk in the conventional semiconductor device was about 0.1%. The crosstalk in the semiconductor device of the present invention was about 0.001% or less, and the effect of reducing the electrical crosstalk by the semiconductor device of the present invention could be confirmed.
[実施例3]
[実施例1]と同様にして本発明の半導体装置を作製するのに際して、受光素子としてMSM型フォトダイオードを、発光素子として面発光型半導体レーザを、受光素子および発光素子がそれぞれ40μm間隔で一体的にアレイ状に設けられて、その並びが交互に、また発光素子と受光素子との位置を20μmずらせたものとなるように配置した。
[Example 3]
When manufacturing the semiconductor device of the present invention in the same manner as in [Embodiment 1], an MSM type photodiode as a light receiving element, a surface emitting semiconductor laser as a light emitting element, and the light receiving element and the light emitting element are respectively integrated at intervals of 40 μm. The light emitting element and the light receiving element are arranged so that the positions thereof are shifted by 20 μm alternately.
これにより、支持基板上に、電子集積回路装置が複数個配置されるとともに、発光素子および受光素子が交互に位置をずらせて、それぞれ複数個が一体的に形成されたアレイが配置され、さらに、電子集積回路装置間で発光素子と受光素子とを接続する複数本の光導波路が設けられて成り、隣接するこれら光導波路における光の伝搬方向が逆方向とされている本発明の半導体装置を作製した。 As a result, a plurality of electronic integrated circuit devices are arranged on the support substrate, and an array in which a plurality of light emitting elements and light receiving elements are alternately shifted to form a plurality of pieces is arranged. A semiconductor device of the present invention in which a plurality of optical waveguides for connecting a light emitting element and a light receiving element are provided between electronic integrated circuit devices and the light propagation direction in the adjacent optical waveguides is reversed is manufactured. did.
以上のようにして得られた本発明の半導体装置と、[実施例1]で比較した従来の半導体装置とを用いて、2本の光導波路に結合された受光素子へのクロストーク量を測定した。この測定においては、まず1つの発光素子から出力された光が、この発光素子に接続された光導波路を伝搬し、この光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定し、これを出力Aとした。次に、隣接する光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定した。ここで、従来の半導体装置において、隣接された光導波路に接続された受光素子が出力Aの受光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Bとした。また、本発明の半導体装置において、隣接された光導波路に接続された受光素子が出力Aの発光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Cとした。この結果、従来の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Bが、出力Aの約0.1%〜1%であったのに対し、本発明の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Cは、出力Aの約0.0001%以下であり、本発明の半導体装置によるクロストーク低減の効果を確認することができた。 Using the semiconductor device of the present invention obtained as described above and the conventional semiconductor device compared in Example 1, the amount of crosstalk to the light receiving element coupled to the two optical waveguides is measured. did. In this measurement, first, the light output from one light emitting element propagates through the optical waveguide connected to the light emitting element, and the output received by the light receiving element connected to the optical waveguide is measured. Output A. Next, the output received by the light receiving element connected to the adjacent optical waveguide was measured. Here, in the conventional semiconductor device, the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides are in the same column as the light receiving elements of output A is defined as output B. In the semiconductor device of the present invention, the output C is the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides are in the same column as the light emitting elements of the output A. As a result, the crosstalk amount in the conventional semiconductor device, that is, the output B is about 0.1% to 1% of the output A, whereas the crosstalk amount in the semiconductor device of the present invention, that is, the output C is The output A was about 0.0001% or less, and the effect of reducing crosstalk by the semiconductor device of the present invention could be confirmed.
またさらに、電子集積回路装置において発光素子および受光素子が接続される電気配線間の電気的なクロストークを比較したところ、従来の半導体装置におけるクロストークが約0.1%であったのに対し、本発明の半導体装置におけるクロストークは約0.001%以下であり、本発明の半導体装置による電気的なクロストーク低減の効果を確認することができた。 Furthermore, in the electronic integrated circuit device, when comparing the electrical crosstalk between the electrical wirings to which the light emitting element and the light receiving element are connected, the crosstalk in the conventional semiconductor device was about 0.1%. The crosstalk in the semiconductor device of the present invention was about 0.001% or less, and the effect of reducing the electrical crosstalk by the semiconductor device of the present invention could be confirmed.
またさらに、光導波路とそれぞれアレイ化された発光素子および受光素子との配置プロセスにおける各発光素子および各受光素子とそれらに接続された光導波路との接続位置のずれ量も、従来の半導体装置におけるずれ量が約0.5μmであったのに対し、本発明の半導体素子におけるずれ量は約0.1μm以下あり、本発明の半導体装置によれば、従来の半導体装置に比べて発光素子および受光素子と光導波路との位置合わせ精度の向上について効果があることを確認した。 Furthermore, the displacement amount of the connection position between each light emitting element and each light receiving element and the optical waveguide connected thereto in the arrangement process of the light emitting element and the light receiving element respectively arrayed with the optical waveguide is also different in the conventional semiconductor device. Whereas the amount of deviation is about 0.5 μm, the amount of deviation in the semiconductor element of the present invention is about 0.1 μm or less. According to the semiconductor device of the present invention, the light emitting element and the light receiving element as compared with the conventional semiconductor device It has been confirmed that there is an effect in improving the alignment accuracy between the element and the optical waveguide.
なお、本発明は以上の実施の形態の例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。 In addition, this invention is not limited to the example of the above embodiment at all, and various changes may be added without departing from the gist of the present invention.
例えば、光導波路は、支持基板上に形成された光導波路のみではなく、別途基板上に形成した光導波路を剥がして形成した、フィルム状の光導波路でもよい。
また、光導波路は1個の発光素子と複数個の受光素子とを接続するために、または1個の受光素子と複数個の発光素子とを接続するために、複数に分岐してもよい。
For example, the optical waveguide is not limited to the optical waveguide formed on the support substrate, but may be a film-shaped optical waveguide formed by peeling off the optical waveguide separately formed on the substrate.
Further, the optical waveguide may be branched into a plurality of parts in order to connect one light emitting element and a plurality of light receiving elements, or in order to connect one light receiving element and a plurality of light emitting elements.
また、1個の電子集積回路装置2からの他の電子集積回路装置2への光導波路6の接続の方向は、図1〜3に示すような一方向に限定されるわけではなく、例として図4に支持基板1の上面図(一部のみ図示)で示すように、複数の方向(図4に示す例では4方向)に、交互に配置された発光素子4および受光素子5からの光導波路6が接続されてもよい。
The direction of connection of the optical waveguide 6 from one electronic
1・・・・支持基板
2・・・・電子集積回路装置
3・・・・導体バンプ
4・・・・発光素子
5・・・・受光素子
6・・・・光導波路
7・・・・発光素子アレイ
8・・・・受光素子アレイ
9・・・・電子集積回路素子
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記支持基板上に接続固定された電子集積回路装置と、
前記支持基板上に位置し、前記電子集積回路装置から出力される電気信号を光信号に変換する発光素子と、
前記支持基板上に位置し、光信号を電気信号に変換して前記電子集積回路装置に入力する受光素子と、
前記発光素子と光学的に接続する第1の光導波路と、前記受光素子と光学的に接続し、光の伝搬方向が前記第1の光導波路における光の伝搬方向と逆方向であり、前記第1の光導波路と隣接する第2の光導波路と、を含み、前記支持基板上に位置する一対の光導波路対と、
を具備する半導体装置。 A support substrate;
An electronic integrated circuit device connected and fixed on the support substrate;
A light emitting element that is located on the support substrate and converts an electrical signal output from the electronic integrated circuit device into an optical signal;
A light receiving element that is located on the support substrate and converts an optical signal into an electric signal and inputs the electric signal to the electronic integrated circuit device;
A first optical waveguide optically connected to the light emitting element, and an optical connection to the light receiving element, wherein a light propagation direction is opposite to a light propagation direction in the first optical waveguide; One optical waveguide and a second optical waveguide adjacent thereto, and a pair of optical waveguides located on the support substrate;
A semiconductor device comprising:
前記光導波路対が、
第1の光導波路対と、
前記第1の光導波路対と接続する受光素子および発光素子と異なる受光素子および発光素子と接続し、前記第1の光導波路対の延出方向と異なる方向に向けて配置される第2の光導波路対と、
から構成される請求項1乃至3のいずれか記載の半導体装置。
A plurality of the light emitting elements and the light receiving elements, respectively,
The optical waveguide pair is
A first optical waveguide pair;
A second light beam connected to a light receiving element and a light emitting element different from the light receiving element and the light emitting element connected to the first optical waveguide pair, and arranged in a direction different from the extending direction of the first optical waveguide pair. A pair of waveguides;
The semiconductor device according to claim 1, comprising:
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