JP3595108B2

JP3595108B2 - 光集積回路デバイス

Info

Publication number: JP3595108B2
Application number: JP13377197A
Authority: JP
Inventors: 多寿子富岡; 雄三平山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2017-05-23
Also published as: JPH10326908A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体集積回路素子（ＩＣ）に関わり、特に光通信用の送信用発光素子と受信用受光素子が一体に集積化された送受信光集積回路デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信ネットワーク技術の進展に伴い、光加入者系の導入が進められている。そして、光通信には光ファイバに情報を伝送する半導体レーザ素子などの通信用光素子が不可欠である。
【０００３】
しかしながら、半導体レーザ素子などの通信用光素子は、一般に高価である。これは主に、光の波長が小さく、そのため、素子とファイバ間のアライメン卜に高い精度が要求されるためである。
【０００４】
そこで、複数の異なる機能の素子を同一半導体基板上に集積化し、一連のプロセスで作り込んでしまう光集積回路が光素子の低価格化に有望であると期待されている。
【０００５】
例えば、半導体レーザ素子（ＬＤ）と電界吸収型（ＥＡ）光変調器を集積化したものはすでに実用化の段階である。ほかにも、光加入者系用に半導体レーザ素子と受信用フォトダイオード（ＰＤ）を集積化すると共に、これらを結合する波長フィルタや光導波路などを一連のプロセスで同一基板上に作り込んだ光ＩＣがある。
【０００６】
従来の送受信用の光ＩＣには様々な形態が提案されている。しばしば見られる形態に、に示す如きのものがある。すなわち、の（ａ）は平面図，（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図であって、図に示すように光ＩＣ１３はＩｎＰ基板５上における同一平面上に発光素子２と受光素子３を配置する形態をとったものである。
【０００７】
なお、８は素子分離のための埋め込み部、１８は光信号を導く導波路、１９は底面である。
しかしながら、このような構造形態では、発光素子２から発光され、散乱された迷光がＩｎＰ基板５の底面１９に当たって反射し、受光素子３の領域に到達し、受光される。このようにして、発光素子‐受光素子間の光クロストークが生じる。
この受光素子３に入射する迷光は、僅かなものではあるが、しかし、雑音成分であることからその対策を講じる必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
光加入者系の導入計画が進められる中で、その普及に重要な鍵を握る要素の一つに、各加入者宅に設置される送受信器の低価格化があげられる。送受信器内で価格を律している部品は、光‐電気間の変換を行う光送受信部である。この光送受信部の低価格化の手法の一つとして期待されているのが、発光素子と受光素子、およびこれらを結合する波長フィルタや光導波路などを一連のプロセスで同一基板上に作り込む光ＩＣ技術である。
【０００９】
送受信用光ＩＣには様々な形態が提案されている。この送受信用光ＩＣの構造形態に、図８の様に同一平面上に発光素子２と受光素子３を配置する形態がある。このような形態では、発光素子から散乱された迷光が基板５の底面１９に当たって反射し、受光素子領域に到達し、受光される。このようにして、発光素子‐受光素子間の光クロストークが生じる。
【００１０】
従って、基板経由の迷光により、発光素子−受光素子間の光クロストークが生じない低価格、高性能な送受信用光ＩＣの開発が嘱望されている。
そこで、この発明の目的とするところは、迷光によるクロストークが無い低価格送受信光集積回路デバイスを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は集積回路基板上に少なくとも発光素子と受信用受光素子を集積化した光集積回路デバイスにおいて、集積回路基板に前記発光素子の発光波長と同等若しくはそれより長い波長をバンドギャップ波長として持つ半導体基板を用いることを基本構成とする。
【００１２】
光ＩＣの基板として、その基板上に形成する発光素子の発光波長と同等若しくはそれより長いバンドギャップ波長を持つ基板を用いるようにすると、発光素子から散乱された迷光は基板でほとんど吸収され、受光素子まで到達しない。従って、光クロストークが発生しない。
【００１３】
光通信で良く用いられる波長は１．３〜１．５μｍ帯である。この波長帯では、通常ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体を用いて発光素子、受光素子を製作する。通常、基板にはＩｎＰが使用されるが、ＩｎＰのバンドギャップ波長はＩｎＧａＡｓＰ系の発光素子の発光波長よりも短いため、発光素子の波長は吸収しない。１．３〜１．５μｍ帯より長いバンドギャップ波長を持つ半導体にはＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂなどがある。
【００１４】
しかしこれらは、ＩｎＧａＡｓＰ系の発光素子、受光素子とは結晶の格子定数が合わない。そのため、通常の素子製作に用いられるエピタキシャル成長法でＧａＳｂなどの基板上にＩｎＧａＡｓＰ系の素子を製作しようとしても、多くの転移が生じるなど、現在の技術では満足な素子が製作できない。
【００１５】
そこで、本発明では先の基本構成において、発光素子および受光素子が形成されている部分と基板をダイレクトボンディングによって接合する構成とする。格子定数の合わない半導体同士を接合する技術に、ダイレクトボンディングという方法がある。これは、各々の半導体の界面を清浄にして張り合わせ、熱処理して接合する技法である。この方法を用いると、格子定数の不整合による転移は接合界面には見られるが、結晶内部にまでは届かない。このような技法を使用することによって本発明が容易に実施される。
【００１６】
さらに、本発明では先の基本構成において、集積回路基板としてＩｎＧａＡｓ半導体基板を用いることを特徴とする。ＩｎＧａＡｓには、ＩｎＧａＡｓＰ系の発光素子、受光素子と格子定数が合うＩｎとＧａの比率がある。そのようなＩｎＧａＡｓは、ＩｎＧａＡｓＰ系の発光素子の発光波長よりバンドギャップ波長が長い。そこで、発光素子と受信用受光素子を集積化した光集積回路デバイスの集積回路基板として、そのようなＩｎＧａＡｓの半導体基板上に素子を積層すれば良い。この場合、ダイレクトボンディングを用いても良いが、基板上にエピタキシャル成長で素子を形成することが出来る。
【００１７】
また、本発明は先の基本構成において、集積回路基板に発光素子の発光波長と同等若しくはそれより長い波長をバンドギャップ波長として持つＩｎＡｓ半導体基板を用い、かつ発光素子および受光素子が形成されている部分と集積回路基板をダイレクトボンディングにより接合したことを特徴とする。
【００１８】
ＩｎＡｓは、前述のようにＩｎＧａＡｓＰ系の発光素子の発光波長よりバンドギャップ波長が長く、発光素子と受信用受光素子を集積化した光集積回路基板に用いることにより、迷光を吸収し、クロストークを軽減できる。
また、ＩｎＧａＡｓのような３種類の元素からなる基板を一定の品質で製作するよりも、ＩｎＡｓのように２種類の元素からなる基板を一定の品質で製作するほうが容易である。
【００１９】
通常、発光素子や発光素子を含むＩＣは放熱のためのヒートシンク上に実装される。ヒートシンクをサブマウントとしてこのヒートシンクによるサブマウント上に実装する。ヒートシンクの材料としてはしばしばＳｉが用いられる。熱膨張係数の異なる物質をいくつか積層してつなげる場合には、熱膨張係数が徐々に変化するような順番でつなげると、できあがった接着物の熱的安定性が良い。ＩｎＡｓは熱膨張係数がＩｎＰとＳｉの間で、ややＩｎＰに近い値を持っている。このような理由から、ＩｎＡｓ基板上に接合された（ＩｎＰ上の）ＩｎＧａＡｓＰ系素子をＳｉサブマウント上に実装すると、ＩｎＰ基板をＳｉサブマウント上に実装した場合よりも、熱的な安定性が期待できる。また、ＩｎＰとＩｎＡｓはダイレクトボンディングで接着されているため、大きく熱膨張係数が異なることは望ましくない。したがって、ＩｎＰとＩｎＡｓの熱膨張係数が近いことは、好ましい状態である。さらに、ＩｎＡｓは弾性率が小さいやわらかい材料であり、これと接着、あるいは接合されるＳｉやＩｎＰとの熱膨張係数の差を吸収することが出来る。さらに、ＩｎＡｓはＧａＳｂやＩｎＳｂなどと比較すると融点が高く、高温な半導体プロセスに耐えられるという利点を持っている。
【００２０】
このような様々な理由から、基板材料としてＩｎＡｓが優れている。
なお、本発明は、発光素子と受光素子、およびこれらを結合する波長フィルタや光導波路などを一連のプロセスで同一基板上に作り込む光ＩＣ技術を踏襲しているので、デバイスを低価格で取得できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して具体的に説明する。
（実施の態様１）
図１は本発明の実施の形態の一つである光ＩＣの断面図である。図１において、１はＩｎＡｓ（インジウム・砒素）基板であり、４は薄いＩｎＰ（インジウム・リン）層である。ＩｎＰ層４の上面には、発光素子２と受光素子３が形成されており、これらは埋め込み層８により素子分離される。
【００２２】
この光ＩＣの特徴は、基板１の材料にＩｎＡｓを用いたこと、このＩｎＡｓ基板１上に発光素子２と受光素子３を形成したこと、の２点である。
発光素子２として、半導体レーザ素子を使用するが、この素子の発光するレーザ光の波長λ１は、１．３〜１．５μｍ帯である。
【００２３】
そこで、この波長帯を吸収すべく、当該波長帯の波長より長いバンドギャップ波長λｇを持つ材料を、基板の材料に選定する。
１．３〜１．５μｍ帯より長いバンドギャップを持つ材料としては、例えばＩｎＡｓがある。そこで、ここでは、一例としてＩｎＡｓ基板を用いるようにした。
【００２４】
このように、実施の態様１においては、１．３〜１．５μｍ帯の発光素子２の発光波長より長いバンドギャップ波長を持つ基板、例えばＩｎＡｓの基板１上に、ＩｎＰ層４を介してＩｎＧａＡｓＰ系の発光素子２、および受光素子３が形成された構成を採用した。ＩｎＧａＡｓＰ系の発光素子２は、通常、ＩｎＧａＡｓＰなどから素子形成されており、ＩｎＧａＡｓＰ系の受光素子３は、通常ＩｎＧａＡｓなどから素子形成されている。
【００２５】
このようにすることによって、発光素子２からの迷光は基板１を進行する間に当該基板１に吸収されてしまい、受光素子３まで到達することがない。そのため、光クロストークが発生しない構造となる。
【００２６】
発光素子２、受光素子３の形成されている部分と基板１とはダイレクトボンディングで接合されている。ダイレクトボンディングは、格子定数の合わない半導体同士を接合する技術である。これは、各々の半導体の界面を清浄にして張り合わせ、加圧しつつ熱処理して接合する技法であり、この方法を用いると、格子定数の不整合による転移は接合界面には見られるが、結晶内部にまでは届かない。故に、特性劣化が抑制出来るので都合が良い。
【００２７】
製作手順は、図２の通りである。
まず、図２（ａ）に示すようにＩｎＰ（インジウム・リン）のプレーンな基板４とＩｎＡｓのプレーンな基板１を用意し、これらをダイレクトボンディングして、ＩｎＡｓ基板１上にＩｎＰ層４が接着された二層構造の基板を形成する（図２（ｂ））。
【００２８】
次に、ＩｎＰの基板４を必要な薄さとなるまで研磨する（図２（ｃ））。その後、薄くなったＩｎＰの層４上に発光素子２、受光素子３など光ＩＣを構成する素子をエピタキシャル成長させる（図２（ｄ））。
【００２９】
別の方法もある。それは図３（ａ）に示すように、ＩｎＰのプレーンな基板４上に発光素子２、受光素子３、素子間を分離する絶縁材による埋め込み層８などを形成した後、その上に、やや厚めに、ＩｎＰの層９を積層する（図３（ｂ））。
【００３０】
次にＩｎＡｓのプレーンな基板１を用意し、この基板１に層９が対向するようにして、基板１と層９をダイレクトボンデイングする（図３（ｃ））。そして、ＩｎＰ基板４を十分な薄さまで研磨する（図３（ｄ））。
【００３１】
このような工程（プロセス）を経て図１に示すような光ＩＣを作成するが、当該プロセスの終了したウェハーは、場合によっては、ＩｎＡｓの基板１を研磨してさらに薄くし、チップサイズに切り出す。
【００３２】
なお、上述の例では基板１としてＩｎＡｓを使用したが、ＩｎＳｂやＧａＳｂ（ガリウム・アンチモン）でも良い。発光素子２が、１．３μｍ帯のものであるならば、基板１にＧｅ（ゲルマニウム）を使用しても良い。材料としてのＧｅは安価であり、しかも、比較的安定した性能の基板が得易い特徴がある。また、発光素子２、受光素子３はＩｎＧａＡｓＰ系でなくとも良い。ＧａＡｓ系のＧａＩｎＮＡｓという材料を用いた発光素子も、ＩｎＧａＡｓＰ系と同様に１μｍ帯で発振する。
【００３３】
この場合は、ＩｎＡｓなどの基板１とＧａＡｓの基板４をダイレクトボンデイングして図２あるいは図３と同様の工程を踏み、作成する。
実施の態様１の光ＩＣの基本的概念は、発光素子の発光波長より長いバンドギャップを持つ材料による基板を用い、この基板上に光素子を形成するようにした点にある。
【００３４】
そして、本実施例ではこのような関係にある材料として、発光素子２と受光素子３にはＩｎＧａＡｓＰ、そして、基板１にはＩｎＡｓを用いた。これらは、格子定数が必ず合うわけでないから、ここではダイレクトボンディング技術を採用して基板１上に発光素子と受光素子を形成した。
【００３５】
ダイレクトボンディングは、格子定数の整合しない材料同士を接合したい場合に適用できる優れた技術である。そのためにこの例では、ダイレクトボンディングを採用したが、格子定数の整合する基板を使用し、エピタキシャル成長で、本実施例における基本的概念の光ＩＣを作成できるならば、それでも良い。
【００３６】
そのような例としては、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料による素子成長を行わせる基板にはＩｎＧａＡｓを用いる。素子と格子定数の合うＩｎＧａＡｓであるならば、素子の発光波長より基板のバンドギャップ波長の方が長く、発光素子の迷光を吸収する。逆に、入手可能なＩｎＧａＡｓ基板に対して、その格子定数に合わせた組成のＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓを用いて発光素子、受光素子を形成しても良い。
【００３７】
あるいは、ＩｎＧａＡｓＰそのものを基板として用いても良い。このとき、基板の組成は発光素子の発光波長よりバンドギャップ波長が長くなるような組成にする。
【００３８】
また、ＧａＩｎＮＡｓ系の素子ならＩｎＮＡｓ基板を用いても良い。
（実施の態様２）
実施の態様１で説明した工程を経て製作された光ＩＣチップは、通常、サブマウント上に実装され、光ＩＣ素子となる。サブマウン卜として良く使用される材料はＳｉ（シリコン）である。実装は、例えば図４に示すように、ヒートシンクとなるサブマウント１１上に実施の態様１で説明した工程を経て製作された光ＩＣチップ１３を接着するが、その接着は光ＩＣチップ１３の基板１側をサブマウント１１上に載せ、この基板１の面を以て接着剤１２（あるいは融着材）により接着（融着）する。
【００３９】
このように実装した場合、光ＩＣチップ１３は、光素子の形成されているＩｎＰ系の層１４とＳｉサブマウント１１との間に１ｎＡｓなどの基板１の形成材料が挟まれている形状となる。
前述のように、このように挟まれた部分の材料は、両端の材料の熱膨張係数の違いを吸収できる材料が望ましい。なお、ＩｎＡｓは熱膨張係数（４．５×１０^６／Ｋ）がＩｎＰ（４．８×１０^−６／Ｋ）とＳｉ（２．６×１０^−６／Ｋ）の中間にあり、また、弾性率が小さい柔らかい材料であるため、基板材料として最適である。
【００４０】
なお、実装の形態には図５のように素子領域１４を下にするフリップチップ実装という形態がある。図５において、（ａ）は正面図、（ｂ）はそのＡ部拡大図であり、光ＩＣのチップ１３はその素子領域１４側の一部を接着材１２によりサブマウント１１上に接着保持される。
【００４１】
そして、このように光ＩＣチップ１３を実装した場合、発光素子２からの迷光１５がサブマウント１１に反射して、受光素子３に入る可能性がある。
このような事態に対処するためには、図６に示すように、素子領域１４の表面（図では素子領域１４の上部表面）にも迷光１５を吸収するための吸収層１６を設けておくと良い。この吸収層１６は成長によって作成された層でも良いし、素子領域１４の表面（図では素子領域１４の上部表面）にＩｎＡｓなどの吸収材料による基板を、ダイレクトボンディングして形成したものであっても良い。
【００４２】
あるいは図７に示すように、サブマウント１１における光ＩＣチップ１３実装面に、ＩｎＡｓなどの吸収材料を積層、あるいはダイレクトボンデイングして吸収層１７を形成しておくようにしても良い。
【００４３】
すなわち、この吸収材料は、発光素子２の発光波長より長いバンドギャップを持つ材料である。
なお、サブマウント１１上に吸収材をつける場合、Ｓｉのサブマウント１１のヒートシンクとしての性能を損なわないよう、吸収材料の層１７は薄い方が良い。それ故、ダイレクトボンディングで吸収材料の層１７を接着形成した場合には、十分な薄さまで研磨する。また、Ｓｉの表面にＩｎＡｓなど格子定数の合わない材料をエピタキシャル成長によって積層すると、多くの欠陥が生ずるが、この層１７は単に光を吸収するだけで良く、素子としては使用しないので、欠陥の多いものでも問題ない。あるいは、Ｓｉと格子定数の合う、ＩｎＮＡｓを用いても良い。
【００４４】
ここで、本発明ではダイレクトボンディングを採用する場合、半導体基板（光ＩＣの基板）１をＩｎＡｓで構成している。これは次のような理由による。すなわち、エピタキシャル成長を利用する場合には上述したように、ＩｎＧａＡｓを使用する例を示した。ＩｎＧａＡｓのような３種類の元素からなる基板を一定の品質で製作するよりも、ＩｎＡｓのように２種類の元素からなる基板を一定の品質で製作するほうが容易であり、従って、コストダウンと品質の確保に有利である。
【００４５】
通常、発光素子や発光素子を含むＩＣのチップは放熱のためのヒートシンク上に実装される。つまり、ヒートシンクをサブマウントとしてこのヒートシンク上に実装する。そして、ヒートシンクの材料としてはしばしばＳｉが用いられる。つまり異なる物質複数種による多層構造となる。そして、この場合、異種の物質それぞれの熱膨張係数の違いに対する対策が必要となる。
【００４６】
そこで、このように熱膨張係数の異なる物質をいくつか積層する必要がある場合には、熱膨張係数が徐々に変化するような順番でつなげるようにする。このようにすると、できあがった接着物の熱的安定性が良い。
【００４７】
基板１に使用する材料としてのＩｎＡｓは、熱膨張係数が、ダイレクトボンディグで接合されたＩｎＰとサブマウントの材料であるＳｉの間で、ややＩｎＰに近い値を持っている。このような理由から、ＩｎＡｓ基板上に接合された（ＩｎＰ上の）ＩｎＧａＡｓＰ系素子をＳｉサブマウント上に実装すると、ＩｎＰ基板をＳｉサブマウント上に実装した場合よりも、熱的な安定性が期待できる。また、ＩｎＰとＩｎＡｓはダイレクトボンディングで接着されているため、大きく熱膨張係数が異なることは望ましくない。
【００４８】
したがって、ＩｎＰとＩｎＡｓの熱膨張係数が近いことは、好ましい状態である。さらに、ＩｎＡｓは弾性率が小さいやわらかい材料であり、これと接着、あるいは接合されるＳｉやＩｎＰとの熱膨張係数の差を吸収することが出来る。さらに、ＩｎＡｓはＧａＳｂやＩｎＳｂなどと比較すると融点が高く、高温な半導体プロセスに耐えられるという利点を持っている。
【００４９】
このような様々な理由から、基板材料としてＩｎＡｓが優れており、本発明ではこの材料を基板材料として使用した。
以上、本発明を詳述したが、要するに本発明は、発光素子と受光素子を備えた光ＩＣにおいて、発光素子の発光波長と同等か、それより長いバンドギャップを持つ材料による基板を用い、この基板上に発光素子及び受光素子を形成するようにしたものである。また、サブマウント上にこの光ＩＣをフリップチップ実装するにあたり、サブマウント上には発光素子の発光する光の波長より長いバンドギャップを持つ材料による吸収層を設けた点にある。
【００５０】
このように、発光素子の発光波長より長いバンドギャップを持つ材料を基板として用いてこの基板上に発光素子を形成するようにしたことにより、発光素子からの迷光は、基板中で吸収され、光ＩＣチップの受光素子に入射することがなくなる。また、サブマウント上で迷光が反射して光ＩＣチップの受光素子に入射することがなくなる。従って、迷光によるクロストーク防止が図れる。
【００５１】
また、本発明は、発光素子と受光素子、およびこれらを結合する波長フィルタや光導波路などを一連の製造プロセスで同一基板上に作り込む光ＩＣ技術を踏襲しているので、デバイスを低価格で取得できる。
なお、本発明は上述した実施例に限定することなく、種々変形して実施可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、発光素子、受信用受光素子を集積化した光通信用光ＩＣにおいて、発光素子の発振波長より長いバンドギャップ波長を有する基板を使用する。その結果、発光素子からの迷光が受光素子に到達する前に基板によって吸収され、発光素子からの迷光の受光素子への入射によるクロストークを無くすことができるようになり、良好な受信特性が得られる光通信用光ＩＣを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を説明するための図であって、本発明の実施の形態１の一つを示す図である。
【図２】本発明を説明するための図であって、本発明の実施の態様１の製造プロセス例の概略を示す図である。
【図３】本発明を説明するための図であって、本発明の実施の態様１の製造プロセス例の概略を示す図である。
【図４】本発明を説明するための図であって、本発明の実施の態様２における実装例を説明するための図である。
【図５】本発明を説明するための図であって、図４に示す実相形態を採用する場合の問題点を説明するための図である。
【図６】本発明を説明するための図であって、本発明の実施の態様２における実装例を説明するための図である。
【図７】本発明を説明するための図であって、本発明の実施の態様２における実装例を説明するための図である。
【図８】本発明のバックグラウンドとなる問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１…ＩｎＡｓ基板
２…発光素子
３…受光素子
４，９…ＩｎＰ層
５…ＩｎＰ基板
８…埋め込み部
１０…ＩｎＰ基板を研磨して残ったＩｎＰ層
１１…サブマウント（ヒートシンク）
１２…接着剤（融着材）
１３…光ＩＣチップ
１４…光ＩＣチップの素子領域
１５…迷光
１６，１７…吸収層
１８…導波路
１９…底面

Claims

集積回路基板上に少なくとも発光素子と受信用受光素子を含む素子領域を集積化した光集積回路をサブマウント上にフリップチップ実装した光集積回路デバイスにおいて、
前記素子領域の前記集積回路基板と反対側の表面上に前記発光素子からの迷光を吸収する吸収層を設けたことを特徴とする光集積回路デバイス。
集積回路基板上に少なくとも発光素子と受信用受光素子を含む素子領域を集積化した光集積回路をサブマウント上にフリップチップ実装した光集積回路デバイスにおいて、
前記サブマウントの前記光集積回路の実装面上に前記発光素子からの迷光を吸収する吸収層を設けたことを特徴とする光集積回路デバイス。
前記集積回路基板に前記発光素子の発光波長と同等若しくはそれより長い波長をバンドギャップ波長として持つ半導体基板を用い、かつ前記素子領域と前記集積回路基板をダイレクトボンディングにより接合したことを特徴とする請求項１または２に記載の光集積回路デバイス。
前記集積回路基板に前記発光素子の発光波長と同等若しくはそれより長い波長をバンドギャップ波長として持つＩｎＧａＡｓ半導体基板を用いたことを特徴とする請求項１または２に記載の光集積回路デバイス。