JP4595209B2

JP4595209B2 - Light control semiconductor switch

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Publication number: JP4595209B2
Application number: JP2001035401A
Authority: JP
Inventors: 康之三宅
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2021-02-13
Also published as: JP2002246633A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号に応じて入力電気信号の出力／遮断を切り替える光制御半導体スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、長距離の情報伝達は同軸ケーブルなどの電気ケーブルが主であったが、最近は高速かつ大容量通信が可能な光ファイバによる伝送路が注目を集め実用化されつつある。この光ファイバによる伝送路の実用化とともに、自動車など高速で移動している移動端末と無線通信を行うモバイル通信技術への需要も高まっている。このような中、光ファイバ通信と無線通信とを組み合わせた光ファイバリンク無線通信システムを実用化する研究・開発が盛んに行われている。前記のようなシステムを構築するには、無線装置の送受時と受信時における信号伝達経路の切り替えを光ファイバ内を伝送する光信号によって行うことができるスイッチが必要不可欠である。そのためのスイッチとして、フォトダイオードを用いてトランジスタのオン・オフを行うことが考えられる（例えば、特開平８−３３５８６６号公報）。
【０００３】
このフォトダイオードを使用した半導体スイッチの具体例を図１０に示す。図１０の半導体スイッチ４０では、トランジスタ４１のゲート電極とソース電極間にフォトダイオード４２と抵抗４３をつなぎ、光入力時にフォトダイオード４２の両端に生じる光起電力によってトランジスタ４１のオン・オフを行う。また、半導体スイッチ４０には、コンデンサや高周波伝送線路等により高周波回路が構成されており、同スイッチ４０は、このトランジスタ４１のオン・オフにより、入力ポート４４から入力される電気信号を出力ポート４５に出力したり遮断したりする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図１０に示す半導体スイッチ４０において、フォトダイオード４２にて生じる起電力は非常に小さいため、フォトダイオード４２を複数個直列につながなければならない。つまり、高周波信号の出力／遮断を切り替えるためにトランジスタ４１に接続するフォトダイオード４２が複数必要となり、コストが増加してしまうといった問題が生じていた。
【０００５】
そこで、この発明の目的は、光信号に応じた高周波信号の出力／遮断の切り替えを低コストで実現することができる光制御半導体スイッチを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明では、電気信号入力端子と電気信号出力端子とをつなぐ高周波伝送線路が第１の半導体基板に形成される。また、半導体スイッチング素子が第２の半導体基板に形成されている。そして、電気信号入力端子から入力する電気信号のうちの所定周波数帯域の信号を電気信号出力端子から出力するか否かの指令信号となる光信号が光ファイバにより伝送される。この光信号により半導体スイッチング素子の動作特性が変化し、高周波伝送線路の途中において電気信号入力端子から入力する電気信号のうちの所定周波数帯域の電気信号を通過または遮断させるようにしている。つまり、光ファイバからの光信号により半導体スイッチング素子の動作特性が変化し、この変化により、電気信号出力端子からの高周波信号の出力／遮断が切り替えられる。この場合、従来のようにトランジスタをオン・オフさせる必要がなく、そのためのフォトダイオードを省略できる。よって、光信号に応じた高周波信号の出力／遮断の切り替えを低コストで実現することができる。また、第１の半導体基板の上面に形成したＶ溝内に光ファイバを配置するとともに、高周波伝送線路上のバンプを介して電気的に第１の半導体基板に第２の半導体基板をフリップチップ実装するようにしている。これにより、第１の半導体基板に対し光ファイバと第２の半導体基板の双方の位置整合を高めるとともに、高周波信号が上記バンプを通過することができるため、簡単な構成でありながら光効率のよい光制御半導体スイッチを安価に実現することができる。そして、前記Ｖ溝の先端の斜状面に反射膜を形成し、光ファイバからの光を反射膜に反射させて半導体スイッチング素子に送るようにしている。この場合、基板表面と平行な方向から入射した光を、反射膜によって半導体スイッチング素子に導くことができ、実用上好ましいものとなる。さらに、第１の半導体基板がシリコンからなるようにしているので、安価な光制御半導体スイッチを実現できる。また、反射膜がチタンと金の積層膜からなるようにしているので、同反射膜のシリコン基板への密着性を向上できる。そして、高周波伝送線路がコプレナー型線路としているために、第１の半導体基板における集積化を図る上で好ましいものとなる。また、第２の半導体基板に、半導体スイッチング素子としてのトランジスタに加えて、該トランジスタを含む高周波回路構成部材として高周波伝送線路とスタブと電気信号入力ポートと電気信号出力ポートとゲートバイアスポートとドレインバイアスポートとコンデンサとを集積化するようにしている。これにより、半導体スイッチング素子としてのトランジスタを含む高周波回路をモノリシック集積回路として実現すると、半導体スイッチの小型化や低コスト化が可能となる。さらに、半導体スイッチング素子としてのトランジスタをＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓのＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）とするため、図９のように、光（例えば、波長１．５５μｍの光）の照射の有無により、出力反射の位相成分（反射係数）が大きく変化する。よって、信号のオン／オフ比が高い優れた半導体スイッチを設計することが可能となる。
【０００７】
また、光制御半導体スイッチは、請求項２に記載のように、電気信号用の入出力端子を兼用とし、入出力兼用端子から入力した電気信号を同端子に反射させる反射型半導体スイッチング素子を用いて実現できる。この半導体スイッチング素子も請求項１と同様に、光ファイバにて伝送される光信号により動作特性が変化する。そして、この変化により、高周波伝送線路の端部において電気信号入出力兼用端子から入力する電気信号のうちの所定周波数帯域の電気信号を反射または減衰させるようにしている。つまり、光ファイバからの光信号により半導体スイッチング素子の動作特性が変化し、その変化により、入出力兼用端子からの高周波信号の出力／遮断が切り替えられる。この場合も、従来のようにトランジスタをオン・オフさせる必要がなく、そのためのフォトダイオードを省略できるので、光信号に応じた高周波信号の切り替えを低コストで実現することができる。また、第１の半導体基板の上面に形成したＶ溝内に光ファイバを配置するとともに、高周波伝送線路上のバンプを介して電気的に第１の半導体基板に第２の半導体基板をフリップチップ実装するようにしている。これにより、第１の半導体基板に対し光ファイバと第２の半導体基板の双方の位置整合を高めるとともに、高周波信号が上記バンプを通過することができるため、簡単な構成でありながら光効率のよい光制御半導体スイッチを安価に実現することができる。そして、前記Ｖ溝の先端の斜状面に反射膜を形成し、光ファイバからの光を反射膜に反射させて半導体スイッチング素子に送るようにしている。この場合、基板表面と平行な方向から入射した光を、反射膜によって半導体スイッチング素子に導くことができ、実用上好ましいものとなる。さらに、第１の半導体基板がシリコンからなるようにしているので、安価な光制御半導体スイッチを実現できる。また、反射膜がチタンと金の積層膜からなるようにしているので、同反射膜のシリコン基板への密着性を向上できる。そして、高周波伝送線路がコプレナー型線路としているために、第１の半導体基板における集積化を図る上で好ましいものとなる。また、第２の半導体基板に、半導体スイッチング素子としてのトランジスタに加えて、該トランジスタを含む高周波回路構成部材として高周波伝送線路とスタブと入出力兼用電気ポートとゲートバイアスポートとドレインバイアスポートとコンデンサとを集積化するようにしている。これにより、半導体スイッチング素子としてのトランジスタを含む高周波回路をモノリシック集積回路として実現すると、半導体スイッチの小型化や低コスト化が可能となる。さらに、半導体スイッチング素子としてのトランジスタをＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓのＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）とするため、図９のように、光（例えば、波長１．５５μｍの光）の照射の有無により、出力反射の位相成分（反射係数）が大きく変化する。よって、信号のオン／オフ比が高い優れた半導体スイッチを設計することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。図１には、本実施の形態における光制御半導体スイッチ１の平面図を示し、図２には、図１におけるＡ−Ａ線での縦断面図を示す。
【００１６】
図１及び図２に示すように、光制御半導体スイッチ１は、その主な構成として、第１の半導体基板としてのシリコン基板（Ｓｉ基板）２と、光信号を伝送するための光ファイバ３と、第２の半導体基板４とを有する。この第２の半導体基板４内には複数の回路素子が集積化されており、同基板４内の素子により高周波信号に対するスイッチング回路（高周波回路）が形成されている。つまり、本実施の形態では、Ｓｉ基板２上にモノリシック集積回路が搭載されている。
【００１７】
より詳しくは、Ｓｉ基板２の表面（上面）には、グランド用導体６ａ，６ｂの間に伝送線路６ｃが延設されたコプレナー型の高周波伝送線路６が形成（パターニング）されている。同様に、Ｓｉ基板２の表面には、グランド用導体７ａ，７ｂの間に伝送線路７ｃが延設されたコプレナー型の高周波伝送線路７が形成されている。同伝送線路６，７上に、半導体基板４が例えばＳｎＰｂ／Ａｕから成るバンプ８を用いてフリップチップ実装されている。つまり、半導体基板４は、半田リフローによるセルフアライメント効果を用いたフリップチップ実装にてＳｉ基板２上に搭載されているため、Ｓｉ基板２に対して高精度に位置決めされている。
【００１８】
また、Ｓｉ基板２の上面には、Ｖ型の窪み（Ｖ溝）２ａが延設されている。このＶ溝２ａは一端が基板側面に開口し、他端が基板２の内方に直線的に延び、かつ、先端が斜状となっている。そして、Ｖ溝２ａには、接着剤等を用いて光ファイバ３が実装（固定）されている。なお、Ｖ溝２ａは、Ｓｉ3 Ｎ4 をマスクとし、ＫＯＨ等を用いたウェットエッチングにて高精度に形成される。このＶ溝２ａへの固定により、光ファイバ３は自動的に位置決めされ、その位置精度は極めて高くなっている。また、Ｖ溝２ａの先端での斜状面に、金とチタンの積層膜（Ａｕ／Ｔｉ）からなる反射膜（反射ミラー）９が蒸着等により形成されている。この反射膜９によって光ファイバ３からの入力光の伝搬する方向が変換され、その入力光が半導体基板４に照射されるようになっている。ここで、反射膜９を、Ａｕ／Ｔｉの積層膜としているので、Ｓｉ基板２への密着性を向上することができる。また、光ファイバ３を通して半導体基板４に照射される光の波長は、例えば１．５５μｍである。
【００１９】
なお、本実施の形態では、高周波伝送線路６の基板側面側の端部Ｐ１が電気信号入力端子となり、高周波伝送線路７の基板側面側の端部Ｐ２が電気信号出力端子となる。また、光ファイバ３の端部Ｐ３が光信号入力端子となっている。
【００２０】
図３には、半導体基板４内に形成された高周波回路の回路図を示す。図３に示すように、半導体基板４には、電気信号入力ポート１１、電気信号出力ポート１２、高周波伝送線路１３，１４、スタブ１５、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３、およびＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓのＨＥＭＴ１６が形成されている。また、半導体基板４には、半導体スイッチング素子としてのＨＥＭＴ１６を動作させるために、ゲートバイアスポート１７、ドレインバイアスポート１８が形成されている。
【００２１】
詳しくは、図３において、電気信号入力ポート１１は、コンデンサＣ１、高周波伝送線路１３、高周波伝送線路１４、コンデンサＣ２からなる直列回路を介して電気信号出力ポート１２に接続されている。高周波伝送線路１３と高周波伝送線路１４との接続部は、スタブ１５を介してＨＥＭＴ１６のドレイン端子に接続されている。ＨＥＭＴ１６のソース端子は接地され、ゲート端子は、コンデンサＣ３を介して接地されている。また、ゲート端子にはゲートバイアスポート１７が接続されるとともに、ドレイン端子にはドレインバイアスポート１８が接続されている。電気信号入力ポート１１は図１の伝送線路６ｃに、電気信号出力ポート１２は図１の伝送線路７ｃにバンプ８を介して電気的に接続される。また、図２の光ファイバ３からの光は、半導体基板４においてＨＥＭＴ１６に照射されるようになっている。
【００２２】
光制御半導体スイッチ１の作動時には、図３のゲートバイアスポート１７にゲートバイアス＝０．２Ｖ、ドレインバイアスポート１８にドレインバイアス＝２．０Ｖのバイアス電圧が印加される。そして、半導体スイッチ１は、光ファイバ３の入力光（光信号）の有無により、入力した高周波信号を通過または遮断させるようになっている。
【００２３】
具体的には、図１の電気信号入力端子Ｐ１から入力した高周波信号は、高周波伝送線路６を通して半導体基板４における入力ポート１１（図３参照）に入力される。この入力信号は、図３のコンデンサＣ１及び高周波伝送線路１３を通してスタブ１５との分岐部に入力される。そして、半導体基板４でのＨＥＭＴ１６に光を照射しないときは、入力信号のうち、ある周波数帯域ΔＦ内の信号のみが遮断（反射）され、反射した信号は高周波伝送線路１３及びコンデンサＣ１を通して入力ポート１１に戻る。一方、半導体基板４でのＨＥＭＴ１６に光が照射されるとＨＥＭＴ１６の動作特性が変化してドレイン側の位相条件が変化する。この変化により、光未照射時に遮断されていた周波数帯域ΔＦ内の信号が通過するようになり、同信号は、高周波伝送線路１４及びコンデンサＣ２を通して出力ポート１２から出力される。つまり、光ファイバ３にて光を照射することにより回路の整合がとれ、出力ポート１２に現れなかったΔＦの信号が出力ポート１２に現れるようになる。そして、そのΔＦの信号は、図１の高周波伝送線路７を通して電気信号出力端子Ｐ２から出力される。このように、本実施の形態の光制御半導体スイッチ１は、光信号のオン・オフによって所定周波数帯域ΔＦ内の信号の出力／遮断を切り替えるスイッチとして動作する。
【００２４】
ここで、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓのＨＥＭＴ１６を含む回路素子を集積化した半導体基板４にて３６ＧＨｚの信号に対する半導体スイッチ１を設計した際の特性を図４に示す。図４において、横軸は周波数、縦軸は入力信号に対する出力信号の相対強度であり、光ファイバ３を通して波長１．５５μｍの光を照射した場合の特性を破線で、光未照射の場合の特性を実線で示す。図４に示すように、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓのＨＥＭＴ１６を用いることにより、光照射時（光信号のオン時）と未照射時（光信号のオフ時）において、３６ＧＨｚの信号のオン・オフ比がおよそ２５ｄＢ確保できる。つまり、光ファイバ３を通して伝達される光信号により、３６ＧＨｚの高周波信号の出力／遮断を切り替える良好なスイッチの設計が可能となる。
【００２５】
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
（１）図１，２に示すように、光制御半導体スイッチ１の構成として、Ｓｉ基板２に形成され、電気信号入力端子Ｐ１と電気信号出力端子Ｐ２とをつなぐ高周波伝送線路６，７と、電気信号入力端子Ｐ１から入力する電気信号のうちの所定周波数帯域の電気信号を電気信号出力端子Ｐ２から出力するか否かの指令信号となる光信号が伝送される光ファイバ３と、半導体基板４に形成され、光ファイバ３からの光信号により動作特性が変化して高周波伝送線路６，７の途中において電気信号入力端子Ｐ１から入力する電気信号のうちの所定周波数帯域の電気信号を通過または遮断させるＨＥＭＴ１６とを備えた。そして、光ファイバ３からの光信号により、ＨＥＭＴ１６の動作特性が変化し、その変化により、高周波信号の出力／遮断が切り替えられる。よって、図１０に示す従来技術のようにトランジスタ４１をオン・オフさせる必要がなく、そのためのフォトダイオード４２を省略できる。その結果、光信号に応じた高周波信号の出力／遮断の切り替えを低コストで実現することができる。
【００２６】
（２）光ファイバ３をＳｉ基板２の上面に形成したＶ溝２ａ内に配置するとともに、Ｓｉ基板２における高周波伝送線路６，７上にバンプ８を設け、そのバンプ８を介してＳｉ基板２上に半導体基板４をフリップチップ実装した。これにより、Ｓｉ基板２に対し光ファイバ３と半導体基板４の双方の位置整合を高めることができ、光効率のよい光制御半導体スイッチ１を実現できる。
【００２７】
（３）Ｖ溝２ａの先端の斜状面に反射膜９を形成し、光ファイバ３からの光を反射膜９に反射させてＨＥＭＴ１６に送るようにした。よって、基板２表面と平行な方向から入射した光を反射膜９によってＨＥＭＴ１６に導くことができ、実用上好ましいものとなる。
【００２８】
（４）基板２がシリコンからなるので、安価な半導体スイッチ１を実現できる。また、反射膜９がチタンと金の積層膜からなるので、同反射膜９のＳｉ基板２への密着性を向上できる。
【００２９】
（５）高周波伝送線路６，７がコプレナー型線路であるので、Ｓｉ基板２における集積化を図る上で好ましいものとなる。
（６）半導体基板４に、高周波回路構成部材として、図３の如く、ＨＥＭＴ１６と高周波伝送線路１３，１４とスタブ１５と電気信号入力ポート１１と電気信号出力ポート１２とゲートバイアスポート１７とドレインバイアスポート１８とコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３とを集積化した。つまり、ＨＥＭＴ１６を含む高周波回路をモノリシック集積回路として実現したので、半導体スイッチ１のダウンサイズ化や低コスト化が可能となる。
【００３０】
（７）半導体スイッチング素子としてのトランジスタがＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓのＨＥＭＴ１６であるので、図９のように、光（例えば、波長１．５５μｍの光）の照射の有無により、出力反射の位相成分（反射係数）が大きく変化する。よって、信号のオン／オフ比が高い優れた半導体スイッチ１を設計することが可能となる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
図５には、本実施の形態における光制御半導体スイッチ２０の平面図を示し、図６には、図５におけるＡ−Ａ線での縦断面図を示す。図５及び図６に示すように、光制御半導体スイッチ２０は、第１の半導体基板としてのＳｉ基板２と、光ファイバ３と、第２の半導体基板２１とを有する。第２の半導体基板２１内には複数の回路素子が集積化されており、同基板２１内の素子により高周波信号に対するスイッチング回路（高周波回路）が形成されている。
【００３２】
詳しくは、Ｓｉ基板２の表面（上面）には、グランド用導体２２ａ，２２ｂの間に伝送線路２２ｃが延設されたコプレナー型の高周波伝送線路２２が形成（パターニング）されている。同伝送線路２２上に、半導体基板２１が例えばＳｎＰｂ／Ａｕから成るバンプ８を用いてフリップチップ実装されている。また、Ｓｉ基板２の上面には、Ｖ溝２ａが延設されており、このＶ溝２ａに光ファイバ３が実装（固定）されている。さらに、Ｖ溝２ａの先端での斜状面に、Ａｕ／Ｔｉの反射膜（反射ミラー）９が形成され、同反射膜９によって光ファイバ３からの入射光の伝搬する方向が変換されて半導体基板２１に照射されるようになっている。
【００３３】
なお、本実施の形態では、高周波伝送線路２２の基板側面側の端部Ｐ２１が電気信号用の入力出力兼用端子となり、光ファイバ３の端部Ｐ３が光信号入力端子となる。
【００３４】
図７には、半導体基板２１内に形成された高周波回路の回路図を示す。図７に示すように、半導体基板２１には、入出力兼用電気ポート２５、高周波伝送線路２６、スタブ２７、コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３、およびＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓのＨＥＭＴ１６が形成されている。また、半導体基板２１には、反射型スイッチング素子としてのＨＥＭＴ１６を動作させるために、ゲートバイアスポート１７、ドレインバイアスポート１８が形成されている。つまり、本実施の形態においても、ＨＥＭＴ１６を含む高周波回路をモノリシック集積回路として実現しており、半導体スイッチ２０のダウンサイズ化や低コスト化が図られている。
【００３５】
図７の回路について詳述すると、ＨＥＭＴ１６のドレイン端子は、高周波伝送線路２６とコンデンサＣ１１との直列回路を介して入出力兼用電気ポート２５に接続されている。伝送線路２６とコンデンサＣ１１との間の接続点は、スタブ２７とコンデンサＣ１２との直列回路を介して接地されている。このスタブ２７とコンデンサＣ１２との間の接続点にドレインバイアスポート１８が接続されている。また、ＨＥＭＴ１６のゲート端子にはゲートバイアスポート１７が接続されている。さらに、ＨＥＭＴ１６のゲート端子はコンデンサＣ１３を介して接地され、ソース端子は接地されている。入出力兼用電気ポート２５は図５の伝送線路２２ｃにバンプ８を介して電気的に接続される。また、図６の光ファイバ３からの光は、半導体基板２１のＨＥＭＴ１６に照射されるようになっている。
【００３６】
光制御半導体スイッチ２０の作動時には、図７のゲートバイアスポート１７にゲートバイアス＝０．２Ｖ、ドレインバイアスポート１８にドレインバイアス＝２．０Ｖのバイアス電圧が印加される。そして、半導体スイッチ２０は、光ファイバ３からの入射光（光信号）の有無により、入力した高周波信号を反射または減衰させるようになっている。
【００３７】
具体的には、図５の入出力兼用端子Ｐ２１から入力した入力した高周波信号は、高周波伝送線路２２を通して半導体基板２１における入出力兼用電気ポート２５（図７参照）に入力される。そして、半導体基板２１でのＨＥＭＴ１６に光を照射しないときは、入出力兼用電気ポート２５に入力した高周波信号（入力信号）のうち、ある周波数帯域ΔＦ内の信号のみが減衰される。一方、半導体基板２１でのＨＥＭＴ１６に光が照射されるとＨＥＭＴ１６の動作特性が変化してドレイン側の位相条件が変化する。この変化により、光未照射時に減衰されていた周波数帯域ΔＦ内の信号が反射され、入出力兼用電気ポート２５から出力される。つまり、光ファイバ３にて光を照射することにより回路の整合条件が変化して、光未照射時に入出力兼用電気ポート２５に現れなかったΔＦの信号が同ポート２５に現れるようになる。そして、そのΔＦの信号は、図５の高周波伝送線路２２を通して入出力兼用端子Ｐ２１から出力される。このように、本実施の形態の半導体スイッチ２０は、光信号のオン・オフによって、所定周波数帯域ΔＦ内の信号の出力／遮断を切り替えるスイッチとして動作する。
【００３８】
なお、ＨＥＭＴ１６を含む回路素子を集積化した半導体基板２１にて３６ＧＨｚの信号に対する半導体スイッチ２０を設計した場合、その特性は、第１の実施の形態と同様に図４のようになる。つまり、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓのＨＥＭＴ１６を用いることにより、光照射時（光信号のオン時）と未照射時（光信号のオフ時）において、３６ＧＨｚの信号のオン・オフ比がおよそ２５ｄＢ確保できる良好なスイッチの設計が可能となる。
【００３９】
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
（１）図５，６に示すように、光制御半導体スイッチ２０の構成として、Ｓｉ基板２に形成され、電気信号入出力兼用端子Ｐ２１に接続された高周波伝送線路２２と、電気信号入出力兼用端子Ｐ２１から入力する電気信号のうちの所定周波数帯域の電気信号を電気信号入出力兼用端子Ｐ２１から出力するか否かの指令信号となる光信号が伝送される光ファイバ３と、半導体基板２１に形成され、光ファイバ３からの光信号により動作特性が変化して高周波伝送線路２２の端部において電気信号入出力兼用端子Ｐ２１から入力する電気信号のうちの所定周波数帯域の電気信号を反射または減衰させるＨＥＭＴ１６とを備えた。そして、光ファイバ３からの光信号により、ＨＥＭＴ１６の特性が変化し、その変化により、高周波信号の出力／遮断が切り替えられる。この場合も、上記第１の実施形態と同様に、図１０のトランジスタ４１をオン・オフさせる必要がなく、そのためのフォトダイオード４２を省略できるので、光制御半導体スイッチ２０を低コストで実現することができる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第２の実施の形態との相違点を中心に説明する。図８は、第３の実施の形態における光制御半導体スイッチ３０の構成図である。本実施の形態では、第２の実施形態における半導体スイッチ２０に高周波サーキュレータ３１を接続し、電気信号入力端子Ｐ３１からの電気信号を電気信号出力端子Ｐ３２に通過又は遮断するスイッチとして具体化している。
【００４１】
図８において、電気信号入力端子Ｐ３１及び電気信号出力端子Ｐ３２はサーキュレータ３１に接続されるとともに、同サーキュレータ３１の入出力兼用端子Ｐ３３は高周波伝送線路２２を介して半導体スイッチ２０に接続されている。ここで、サーキュレータ３１は、電気信号入力端子Ｐ３１から入力した高周波信号を半導体スイッチ２０に出力するとともに、半導体スイッチ２０にて反射された信号を電気信号出力端子Ｐ３２に出力するようになっている。また、光信号入力端子Ｐ３から入力した光は、光ファイバ３を介して半導体スイッチ２０内の半導体基板２１のＨＥＭＴ１６に照射されるようになっている。
【００４２】
そして、電気信号入力端子Ｐ３１に入力された高周波信号は、サーキュレータ３１を介して半導体スイッチ２０に入力される。ここで、光信号入力端子Ｐ３から光を入力しないときは、入力された高周波信号のうちΔＦ内の信号のみが減衰される。そのため、ΔＦ内の信号は、電気信号出力端子Ｐ３２には現れない。これに対し、光信号入力端子Ｐ３から光を入力したときには、ΔＦ内の高周波信号は半導体スイッチ２０で反射され、さらにサーキュレータ３１によって電気信号出力端子Ｐ３２側に送られる。これにより、ΔＦ内の高周波信号が出力端子Ｐ３２に現れる。つまり、本実施の形態の光制御半導体スイッチ３０は、光信号入力端子Ｐ３に光を入力するか否か（光信号のオン・オフ）によって、電気信号入力端子Ｐ３１からの高周波信号を電気信号出力端子Ｐ３２に出力したり、遮断したりする、スイッチとして動作する。
【００４３】
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
（１）光制御半導体スイッチ３０の構成として、電気信号入力端子Ｐ３１からの電気信号を入出力兼用端子Ｐ３３に出力させるとともに当該入出力兼用端子Ｐ３３から戻ってきた電気信号を電気信号出力端子Ｐ３２に送るサーキュレータ３１と、Ｓｉ基板２（図５，６参照）に形成され、サーキュレータ３１の入出力兼用端子Ｐ３３と接続された高周波伝送線路２２と、電気信号入力端子Ｐ３１から入力する電気信号のうちの所定周波数帯域の電気信号を電気信号出力端子Ｐ３２から出力するか否かの指令信号となる光信号が伝送される光ファイバ３と、半導体基板２１（図５，６参照）に形成され、高周波伝送線路２２を介してサーキュレータ３１の入出力兼用端子Ｐ３３からの電気信号を入力するとともに、光ファイバ３からの光信号により動作特性が変化して高周波伝送線路２２の端部において電気信号入力端子Ｐ３１から入力する電気信号のうちの所定周波数帯域の電気信号を反射または減衰させるＨＥＭＴ１６とを備えた。そして、電気信号出力端子Ｐ３２からの高周波信号の出力／遮断を光信号の有無により切り替えることができる。よって、上記第１及び第２の実施形態と同様に、図１０のトランジスタ４１をオン・オフさせる必要がなく、そのためのフォトダイオード４２を省略できるので、光制御半導体スイッチ３０を低コストで実現することができる。
【００４４】
なお、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記各実施の形態において、反射膜９は、Ａｕ／Ｔｉの積層膜としたが、例えば、Ａｕ／Ｃｒの積層膜としてもよく、要は、Ａｕを最上層とした積層膜であればよい。反射材としてＡｕを用いると、光路の変換を効率よく行うことができ、反射材を最上層とした積層構造とすることにより、密着性の低いＳｉとＡｕの接触を防ぐことが可能となる。
【００４５】
また、上記各実施の形態において、光ファイバ３にて照射する光の波長は１．５５μｍであったが、これに限るものではなく、例えば波長が１．３０μｍの光を照射するようにしてもよく、光ファイバ通信に広く用いられている光を照射するものであればよい。また、光の波長を変更する場合、その波長の光を効率よく吸収するＨＥＭＴを用いるようにし、それに従い、半導体基板４，２１における回路整合を調節するとよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における光制御半導体スイッチの平面図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線での縦断面図。
【図３】半導体基板内に形成される高周波回路の回路図。
【図４】光制御半導体スイッチのオン・オフ特性。
【図５】第２の実施の形態における光制御半導体スイッチの平面図。
【図６】図５におけるＡ−Ａ線での縦断面図。。
【図７】半導体基板内に形成される高周波回路の回路図。
【図８】第３の実施の形態における光制御半導体スイッチの構成図。
【図９】ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＨＥＭＴの光照射時と未照射時の出力側反射特性。
【図１０】従来の半導体スイッチの回路図。
【符号の説明】
１…光制御半導体スイッチ、２…第１の半導体基板としてのＳｉ基板、２ａ…Ｖ溝、３…光ファイバ、４…第２の半導体基板、６，７…高周波伝送線路、８…バンプ、９…反射膜、１１…電気信号入力ポート、１２…電気信号出力ポート、１３，１４…高周波伝送線路、１５…スタブ、１６…ＨＥＭＴ、１７…ゲートバイアスポート、１８…ドレインバイアスポート、２０…光制御半導体スイッチ、２１…半導体基板、２２…高周波伝送線路、２５…入出力兼用電気ポート、２６…高周波伝送線路、２７…スタブ、３０…光制御半導体スイッチ、３１…サーキュレータ、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３、Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３…コンデンサ、Ｐ１…電気信号入力端子、Ｐ２…電気信号出力端子、Ｐ３…光信号入力端子、Ｐ２１…入出力兼用端子、Ｐ３１…電気信号入力端子、Ｐ３２…電気信号出力端子、Ｐ３３…入出力兼用端子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light control semiconductor switch that switches output / blocking of an input electrical signal in accordance with an optical signal.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, electrical transmission such as coaxial cable has been mainly used for long-distance information transmission. Recently, transmission lines using optical fibers capable of high-speed and large-capacity communication have been attracting attention and are being put into practical use. Along with the practical application of transmission paths using optical fibers, there is an increasing demand for mobile communication technology for wireless communication with mobile terminals moving at high speed such as automobiles. Under such circumstances, research and development for practical application of an optical fiber link wireless communication system combining optical fiber communication and wireless communication has been actively conducted. In order to construct such a system, a switch that can perform switching of a signal transmission path during transmission / reception and reception of a wireless device by an optical signal transmitted through an optical fiber is indispensable. As a switch for that purpose, it is conceivable to use a photodiode to turn on and off the transistor (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-335866).
[0003]
A specific example of a semiconductor switch using this photodiode is shown in FIG. In the semiconductor switch 40 of FIG. 10, a photodiode 42 and a resistor 43 are connected between the gate electrode and the source electrode of the transistor 41, and the transistor 41 is turned on / off by the photovoltaic force generated at both ends of the photodiode 42 when light is input. The semiconductor switch 40 includes a high-frequency circuit including a capacitor, a high-frequency transmission line, and the like. The switch 40 turns on and off the transistor 41 to output an electric signal input from the input port 44 to the output port 45. Output or shut off.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the semiconductor switch 40 shown in FIG. 10, since the electromotive force generated in the photodiode 42 is very small, a plurality of photodiodes 42 must be connected in series. In other words, a plurality of photodiodes 42 connected to the transistor 41 are required to switch the output / shut-off of the high-frequency signal, resulting in a problem that the cost increases.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a light control semiconductor switch that can realize high-frequency signal output / cut-off switching according to an optical signal at low cost.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the first aspect of the invention, the high-frequency transmission line that connects the electric signal input terminal and the electric signal output terminal is formed on the first semiconductor substrate. A semiconductor switching element is formed on the second semiconductor substrate. And the optical signal used as the command signal of whether the signal of the predetermined frequency band among the electric signals input from an electric signal input terminal is output from an electric signal output terminal is transmitted with an optical fiber. The operating characteristics of the semiconductor switching element are changed by this optical signal, and an electric signal in a predetermined frequency band among electric signals input from the electric signal input terminal is passed or cut off in the middle of the high-frequency transmission line. That is, the operating characteristics of the semiconductor switching element are changed by the optical signal from the optical fiber, and this change switches the output / shut-off of the high frequency signal from the electrical signal output terminal. In this case, it is not necessary to turn on and off the transistor as in the conventional case, and a photodiode for that purpose can be omitted. Therefore, switching of output / cutoff of the high frequency signal according to the optical signal can be realized at low cost.In addition, an optical fiber is disposed in a V-groove formed on the upper surface of the first semiconductor substrate, and the second semiconductor substrate is flip-chip mounted electrically on the first semiconductor substrate via bumps on the high-frequency transmission line. Like to do. As a result, the positional alignment of both the optical fiber and the second semiconductor substrate with respect to the first semiconductor substrate is enhanced, and a high-frequency signal can pass through the bumps. The light control semiconductor switch can be realized at low cost. A reflective film is formed on the oblique surface at the tip of the V-groove so that light from the optical fiber is reflected by the reflective film and sent to the semiconductor switching element. In this case, light incident from a direction parallel to the substrate surface can be guided to the semiconductor switching element by the reflective film, which is practically preferable. Furthermore, since the first semiconductor substrate is made of silicon, an inexpensive light control semiconductor switch can be realized. Further, since the reflection film is made of a laminated film of titanium and gold, the adhesion of the reflection film to the silicon substrate can be improved. Since the high-frequency transmission line is a coplanar type line, it is preferable for integration in the first semiconductor substrate. In addition to a transistor as a semiconductor switching element, a high-frequency transmission line, a stub, an electric signal input port, an electric signal output port, a gate bias port, and a drain bias are provided on the second semiconductor substrate as a high-frequency circuit constituent member including the transistor. The port and the capacitor are integrated. Accordingly, when a high-frequency circuit including a transistor as a semiconductor switching element is realized as a monolithic integrated circuit, the semiconductor switch can be reduced in size and cost. Further, since the transistor as the semiconductor switching element is an InAlAs / InGaAs HEMT (high electron mobility transistor), the output reflection depends on the presence or absence of light (for example, light having a wavelength of 1.55 μm) as shown in FIG. Phase component (reflection coefficient) greatly changes. Therefore, it is possible to design an excellent semiconductor switch having a high signal on / off ratio.
[0007]
The light control semiconductor switch uses a reflection type semiconductor switching element that also serves as an input / output terminal for an electric signal and reflects an electric signal input from the input / output terminal to the same terminal. Can be realized. Similarly to the first aspect, the operation characteristics of the semiconductor switching element are changed by the optical signal transmitted through the optical fiber. With this change, an electric signal in a predetermined frequency band is reflected or attenuated among electric signals input from the electric signal input / output terminal at the end of the high-frequency transmission line. That is, the operating characteristics of the semiconductor switching element are changed by the optical signal from the optical fiber, and the change / switching of the high-frequency signal from the input / output terminal is switched by the change. Also in this case, it is not necessary to turn on and off the transistor as in the prior art, and the photodiode for that purpose can be omitted, so that switching of a high-frequency signal corresponding to the optical signal can be realized at low cost.In addition, an optical fiber is disposed in a V-groove formed on the upper surface of the first semiconductor substrate, and the second semiconductor substrate is flip-chip mounted electrically on the first semiconductor substrate via bumps on the high-frequency transmission line. Like to do. As a result, the positional alignment of both the optical fiber and the second semiconductor substrate with respect to the first semiconductor substrate is enhanced, and a high-frequency signal can pass through the bumps. The light control semiconductor switch can be realized at low cost. A reflective film is formed on the oblique surface at the tip of the V-groove so that light from the optical fiber is reflected by the reflective film and sent to the semiconductor switching element. In this case, light incident from a direction parallel to the substrate surface can be guided to the semiconductor switching element by the reflective film, which is practically preferable. Furthermore, since the first semiconductor substrate is made of silicon, an inexpensive light control semiconductor switch can be realized. Further, since the reflection film is made of a laminated film of titanium and gold, the adhesion of the reflection film to the silicon substrate can be improved. Since the high-frequency transmission line is a coplanar type line, it is preferable for integration in the first semiconductor substrate. In addition to a transistor as a semiconductor switching element, a high-frequency transmission line, a stub, an input / output electrical port, a gate bias port, a drain bias port, a capacitor, Are integrated. Accordingly, when a high-frequency circuit including a transistor as a semiconductor switching element is realized as a monolithic integrated circuit, the semiconductor switch can be reduced in size and cost. Further, since the transistor as the semiconductor switching element is an InAlAs / InGaAs HEMT (high electron mobility transistor), the output reflection depends on the presence or absence of light (for example, light having a wavelength of 1.55 μm) as shown in FIG. Phase component (reflection coefficient) greatly changes. Therefore, it is possible to design an excellent semiconductor switch having a high signal on / off ratio.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view of the light control semiconductor switch 1 according to the present embodiment, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along line AA in FIG.
[0016]
As shown in FIGS. 1 and 2, the light control semiconductor switch 1 includes, as main components, a silicon substrate (Si substrate) 2 as a first semiconductor substrate, and an optical fiber 3 for transmitting an optical signal. And a second semiconductor substrate 4. A plurality of circuit elements are integrated in the second semiconductor substrate 4, and a switching circuit (high frequency circuit) for a high frequency signal is formed by the elements in the substrate 4. That is, in this embodiment, a monolithic integrated circuit is mounted on the Si substrate 2.
[0017]
More specifically, a coplanar type high frequency transmission line 6 in which a transmission line 6c is extended between ground conductors 6a and 6b is formed (patterned) on the surface (upper surface) of the Si substrate 2. Similarly, a coplanar type high frequency transmission line 7 in which a transmission line 7c is extended between the ground conductors 7a and 7b is formed on the surface of the Si substrate 2. The semiconductor substrate 4 is flip-chip mounted on the transmission lines 6 and 7 using bumps 8 made of, for example, SnPb / Au. That is, since the semiconductor substrate 4 is mounted on the Si substrate 2 by flip chip mounting using a self-alignment effect by solder reflow, the semiconductor substrate 4 is positioned with high accuracy with respect to the Si substrate 2.
[0018]
A V-shaped depression (V groove) 2 a is extended on the upper surface of the Si substrate 2. One end of the V-groove 2a opens on the side surface of the substrate, the other end extends linearly inward of the substrate 2, and the tip is inclined. The optical fiber 3 is mounted (fixed) in the V groove 2a using an adhesive or the like. The V groove 2a is formed with high accuracy by wet etching using KOH or the like using Si3 N4 as a mask. By fixing to the V-groove 2a, the optical fiber 3 is automatically positioned and its positional accuracy is extremely high. A reflective film (reflective mirror) 9 made of a laminated film of gold and titanium (Au / Ti) is formed on the oblique surface at the tip of the V groove 2a by vapor deposition or the like. The direction in which the input light from the optical fiber 3 propagates is converted by the reflection film 9 so that the semiconductor substrate 4 is irradiated with the input light. Here, since the reflective film 9 is a laminated film of Au / Ti, adhesion to the Si substrate 2 can be improved. Moreover, the wavelength of the light irradiated to the semiconductor substrate 4 through the optical fiber 3 is, for example, 1.55 μm.
[0019]
In the present embodiment, the substrate P side end portion P1 of the high frequency transmission line 6 serves as an electric signal input terminal, and the high frequency transmission line 7 end portion P2 of the substrate side surface serves as an electric signal output terminal. Further, the end P3 of the optical fiber 3 is an optical signal input terminal.
[0020]
FIG. 3 shows a circuit diagram of a high-frequency circuit formed in the semiconductor substrate 4. As shown in FIG. 3, an electric signal input port 11, an electric signal output port 12, high-frequency transmission lines 13 and 14, a stub 15, capacitors C 1, C 2 and C 3, and an InAlAs / InGaAs HEMT 16 are formed on the semiconductor substrate 4. Has been. Further, a gate bias port 17 and a drain bias port 18 are formed on the semiconductor substrate 4 in order to operate the HEMT 16 as a semiconductor switching element.
[0021]
Specifically, in FIG. 3, the electric signal input port 11 is connected to the electric signal output port 12 through a series circuit including a capacitor C1, a high-frequency transmission line 13, a high-frequency transmission line 14, and a capacitor C2. A connection portion between the high-frequency transmission line 13 and the high-frequency transmission line 14 is connected to the drain terminal of the HEMT 16 via the stub 15. The source terminal of the HEMT 16 is grounded, and the gate terminal is grounded via a capacitor C3. A gate bias port 17 is connected to the gate terminal, and a drain bias port 18 is connected to the drain terminal. The electrical signal input port 11 is electrically connected to the transmission line 6c of FIG. 1 and the electrical signal output port 12 is electrically connected to the transmission line 7c of FIG. Further, light from the optical fiber 3 in FIG. 2 is irradiated on the HEMT 16 in the semiconductor substrate 4.
[0022]
When the optical control semiconductor switch 1 is operated, a bias voltage of gate bias = 0.2V is applied to the gate bias port 17 and drain bias = 2.0V is applied to the drain bias port 18 of FIG. The semiconductor switch 1 passes or blocks the input high-frequency signal depending on the presence or absence of input light (optical signal) in the optical fiber 3.
[0023]
Specifically, the high frequency signal input from the electric signal input terminal P1 of FIG. 1 is input to the input port 11 (see FIG. 3) in the semiconductor substrate 4 through the high frequency transmission line 6. This input signal is input to the branch portion with the stub 15 through the capacitor C1 and the high-frequency transmission line 13 in FIG. When the HEMT 16 on the semiconductor substrate 4 is not irradiated with light, only signals within a certain frequency band ΔF among the input signals are blocked (reflected), and the reflected signals are input to the input port through the high-frequency transmission line 13 and the capacitor C1. Return to 11. On the other hand, when the HEMT 16 on the semiconductor substrate 4 is irradiated with light, the operating characteristics of the HEMT 16 change and the phase condition on the drain side changes. Due to this change, a signal in the frequency band ΔF that has been blocked when no light is irradiated passes, and the signal is output from the output port 12 through the high-frequency transmission line 14 and the capacitor C2. That is, the circuit is matched by irradiating light through the optical fiber 3, and a signal of ΔF that does not appear at the output port 12 appears at the output port 12. The signal ΔF is output from the electric signal output terminal P2 through the high-frequency transmission line 7 in FIG. As described above, the light control semiconductor switch 1 according to the present embodiment operates as a switch that switches output / cutoff of a signal within the predetermined frequency band ΔF by turning on / off the optical signal.
[0024]
Here, FIG. 4 shows characteristics when the semiconductor switch 1 is designed for a signal of 36 GHz on the semiconductor substrate 4 on which circuit elements including InAlAs / InGaAs HEMT 16 are integrated. In FIG. 4, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents the relative intensity of the output signal with respect to the input signal. The characteristic when the light having a wavelength of 1.55 μm is irradiated through the optical fiber 3 is a broken line, and the characteristic when the light is not irradiated. Is shown by a solid line. As shown in FIG. 4, by using an InAlAs / InGaAs HEMT 16, the on / off ratio of a 36 GHz signal is approximately when light is irradiated (when the optical signal is on) and when it is not irradiated (when the optical signal is off). 25 dB can be secured. That is, it is possible to design a good switch that switches between outputting / blocking a 36 GHz high-frequency signal by an optical signal transmitted through the optical fiber 3.
[0025]
Thus, the present embodiment has the following features.
(1) As shown in FIGS. 1 and 2, the configuration of the light control semiconductor switch 1 is a high-frequency transmission line 6, 7 formed on the Si substrate 2 and connecting the electric signal input terminal P1 and the electric signal output terminal P2. An optical fiber 3 through which an optical signal serving as a command signal as to whether or not to output an electric signal in a predetermined frequency band from an electric signal input from the electric signal input terminal P1 is output from the electric signal output terminal P2, and a semiconductor substrate 4 The operation characteristics are changed by the optical signal from the optical fiber 3, and the electrical signal in the predetermined frequency band among the electrical signals input from the electrical signal input terminal P1 in the middle of the high-frequency transmission lines 6 and 7 is passed or blocked. HEMT16 to be provided. The operation characteristics of the HEMT 16 are changed by the optical signal from the optical fiber 3, and the output / shutoff of the high-frequency signal is switched by the change. Therefore, it is not necessary to turn on and off the transistor 41 as in the prior art shown in FIG. 10, and the photodiode 42 for that purpose can be omitted. As a result, the switching of the output / shut-off of the high frequency signal according to the optical signal can be realized at low cost.
[0026]
(2) The optical fiber 3 is disposed in a V groove 2 a formed on the upper surface of the Si substrate 2, and bumps 8 are provided on the high-frequency transmission lines 6 and 7 in the Si substrate 2, and the Si substrate 2 is interposed via the bumps 8. A semiconductor substrate 4 was flip-chip mounted thereon. Thereby, the positional alignment of both the optical fiber 3 and the semiconductor substrate 4 with respect to the Si substrate 2 can be enhanced, and the light control semiconductor switch 1 with high light efficiency can be realized.
[0027]
(3) The reflective film 9 is formed on the oblique surface at the tip of the V groove 2a, and the light from the optical fiber 3 is reflected by the reflective film 9 and sent to the HEMT 16. Therefore, light incident from a direction parallel to the surface of the substrate 2 can be guided to the HEMT 16 by the reflective film 9, which is practically preferable.
[0028]
(4) Since the substrate 2 is made of silicon, an inexpensive semiconductor switch 1 can be realized. Further, since the reflection film 9 is made of a laminated film of titanium and gold, the adhesion of the reflection film 9 to the Si substrate 2 can be improved.
[0029]
(5) Since the high-frequency transmission lines 6 and 7 are coplanar lines, it is preferable for integration in the Si substrate 2.
(6) HEMT 16, high frequency transmission lines 13, 14, stub 15, electric signal input port 11, electric signal output port 12, gate bias port 17, and drain bias as high frequency circuit components on semiconductor substrate 4 as shown in FIG. The port 18 and the capacitors C1, C2, and C3 are integrated. That is, since the high-frequency circuit including the HEMT 16 is realized as a monolithic integrated circuit, the semiconductor switch 1 can be downsized and reduced in cost.
[0030]
(7) Since the transistor as the semiconductor switching element is an InAlAs / InGaAs HEMT 16, the phase component (reflection coefficient) of the output reflection depends on the presence or absence of light (for example, light having a wavelength of 1.55 μm) as shown in FIG. ) Changes significantly. Therefore, it is possible to design an excellent semiconductor switch 1 having a high signal on / off ratio.
[0031]
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment.
FIG. 5 shows a plan view of the light control semiconductor switch 20 in the present embodiment, and FIG. 6 shows a longitudinal sectional view taken along line AA in FIG. As shown in FIGS. 5 and 6, the light control semiconductor switch 20 includes a Si substrate 2 as a first semiconductor substrate, an optical fiber 3, and a second semiconductor substrate 21. A plurality of circuit elements are integrated in the second semiconductor substrate 21, and a switching circuit (high frequency circuit) for a high frequency signal is formed by the elements in the substrate 21.
[0032]
Specifically, a coplanar type high-frequency transmission line 22 in which a transmission line 22c is extended between ground conductors 22a and 22b is formed (patterned) on the surface (upper surface) of the Si substrate 2. A semiconductor substrate 21 is flip-chip mounted on the transmission line 22 using bumps 8 made of, for example, SnPb / Au. Further, a V-groove 2a is extended on the upper surface of the Si substrate 2, and an optical fiber 3 is mounted (fixed) in the V-groove 2a. Further, an Au / Ti reflective film (reflective mirror) 9 is formed on the oblique surface at the tip of the V-groove 2a, and the direction in which the incident light propagates from the optical fiber 3 is changed by the reflective film 9 to change the semiconductor. The substrate 21 is irradiated.
[0033]
In the present embodiment, the end P21 on the side surface of the substrate of the high-frequency transmission line 22 serves as an input / output terminal for electrical signals, and the end P3 of the optical fiber 3 serves as an optical signal input terminal.
[0034]
FIG. 7 shows a circuit diagram of a high frequency circuit formed in the semiconductor substrate 21. As shown in FIG. 7, an input / output electrical port 25, a high-frequency transmission line 26, a stub 27, capacitors C11, C12, C13, and an InAlAs / InGaAs HEMT 16 are formed on the semiconductor substrate 21. In addition, a gate bias port 17 and a drain bias port 18 are formed in the semiconductor substrate 21 in order to operate the HEMT 16 as a reflective switching element. That is, also in the present embodiment, the high-frequency circuit including the HEMT 16 is realized as a monolithic integrated circuit, and downsizing and cost reduction of the semiconductor switch 20 are achieved.
[0035]
The circuit of FIG. 7 will be described in detail. The drain terminal of the HEMT 16 is connected to the input / output electrical port 25 through a series circuit of the high-frequency transmission line 26 and the capacitor C11. A connection point between the transmission line 26 and the capacitor C11 is grounded via a series circuit of the stub 27 and the capacitor C12. A drain bias port 18 is connected to a connection point between the stub 27 and the capacitor C12. A gate bias port 17 is connected to the gate terminal of the HEMT 16. Further, the gate terminal of the HEMT 16 is grounded via the capacitor C13, and the source terminal is grounded. The input / output electrical port 25 is electrically connected to the transmission line 22c of FIG. Further, the light from the optical fiber 3 in FIG. 6 is applied to the HEMT 16 of the semiconductor substrate 21.
[0036]
When the light control semiconductor switch 20 is operated, a bias voltage of gate bias = 0.2V is applied to the gate bias port 17 and drain bias = 2.0V is applied to the drain bias port 18 of FIG. The semiconductor switch 20 reflects or attenuates the input high-frequency signal depending on the presence or absence of incident light (optical signal) from the optical fiber 3.
[0037]
Specifically, the input high frequency signal input from the input / output terminal P21 in FIG. 5 is input to the input / output electrical port 25 (see FIG. 7) in the semiconductor substrate 21 through the high frequency transmission line 22. When the HEMT 16 on the semiconductor substrate 21 is not irradiated with light, only signals within a certain frequency band ΔF among the high frequency signals (input signals) input to the input / output electrical port 25 are attenuated. On the other hand, when the HEMT 16 on the semiconductor substrate 21 is irradiated with light, the operating characteristics of the HEMT 16 change and the phase condition on the drain side changes. Due to this change, the signal in the frequency band ΔF that has been attenuated when no light is irradiated is reflected and output from the input / output electrical port 25. That is, by irradiating light through the optical fiber 3, the matching condition of the circuit changes, and a signal of ΔF that does not appear at the input / output electrical port 25 when light is not irradiated appears at the port 25. The signal ΔF is output from the input / output terminal P21 through the high-frequency transmission line 22 of FIG. As described above, the semiconductor switch 20 according to the present embodiment operates as a switch that switches output / cutoff of a signal within the predetermined frequency band ΔF by turning on / off the optical signal.
[0038]
When the semiconductor switch 20 for a 36 GHz signal is designed on the semiconductor substrate 21 on which circuit elements including the HEMT 16 are integrated, the characteristics thereof are as shown in FIG. 4 as in the first embodiment. In other words, by using the InAlAs / InGaAs HEMT 16, an on / off ratio of a signal of 36 GHz can be secured approximately 25 dB when light is irradiated (when the optical signal is on) and when it is not irradiated (when the optical signal is off). The switch can be designed.
[0039]
Thus, the present embodiment has the following features.
(1) As shown in FIGS. 5 and 6, the configuration of the light control semiconductor switch 20 includes a high-frequency transmission line 22 formed on the Si substrate 2 and connected to the electric signal input / output terminal P21, and also used as an electric signal input / output. An optical fiber 3 that transmits an optical signal serving as a command signal as to whether or not an electric signal in a predetermined frequency band among electric signals input from the terminal P21 is output from the electric signal input / output terminal P21 is transmitted to the semiconductor substrate 21. The operation characteristics are changed by the optical signal from the optical fiber 3 and the electric signal in a predetermined frequency band is reflected or attenuated in the electric signal input from the electric signal input / output terminal P21 at the end of the high frequency transmission line 22 HEMT16 to be provided. And the characteristic of HEMT16 changes with the optical signal from the optical fiber 3, and the output / cutoff of a high frequency signal is switched by the change. Also in this case, as in the first embodiment, it is not necessary to turn on / off the transistor 41 of FIG. 10, and the photodiode 42 for that purpose can be omitted, so that the light control semiconductor switch 20 can be realized at low cost. Can do.
[0040]
(Third embodiment)
Next, the third embodiment will be described with a focus on differences from the second embodiment. FIG. 8 is a configuration diagram of the light control semiconductor switch 30 according to the third embodiment. In the present embodiment, a high frequency circulator 31 is connected to the semiconductor switch 20 in the second embodiment, and the electrical signal from the electrical signal input terminal P31 is embodied as a switch that passes or blocks the electrical signal output terminal P32.
[0041]
In FIG. 8, an electric signal input terminal P 31 and an electric signal output terminal P 32 are connected to the circulator 31, and an input / output terminal P 33 of the circulator 31 is connected to the semiconductor switch 20 via the high-frequency transmission line 22. Here, the circulator 31 outputs a high-frequency signal input from the electrical signal input terminal P31 to the semiconductor switch 20, and outputs a signal reflected by the semiconductor switch 20 to the electrical signal output terminal P32. The light input from the optical signal input terminal P3 is irradiated to the HEMT 16 of the semiconductor substrate 21 in the semiconductor switch 20 through the optical fiber 3.
[0042]
Then, the high frequency signal input to the electric signal input terminal P31 is input to the semiconductor switch 20 via the circulator 31. Here, when light is not input from the optical signal input terminal P3, only the signal within ΔF is attenuated among the input high frequency signals. Therefore, the signal within ΔF does not appear at the electrical signal output terminal P32. On the other hand, when light is input from the optical signal input terminal P3, the high-frequency signal in ΔF is reflected by the semiconductor switch 20, and further sent by the circulator 31 to the electric signal output terminal P32 side. As a result, a high-frequency signal within ΔF appears at the output terminal P32. That is, the light control semiconductor switch 30 of the present embodiment outputs a high-frequency signal from the electric signal input terminal P31 as an electric signal depending on whether light is input to the optical signal input terminal P3 (ON / OFF of the optical signal). It operates as a switch that outputs to or shuts off from the terminal P32.
[0043]
Thus, the present embodiment has the following features.
(1) As a configuration of the light control semiconductor switch 30, an electric signal from the electric signal input terminal P31 is output to the input / output terminal P33, and an electric signal returned from the input / output terminal P33 is output to the electric signal output terminal P32. Of the circulator 31 to be sent, the high frequency transmission line 22 formed on the Si substrate 2 (see FIGS. 5 and 6) and connected to the input / output terminal P33 of the circulator 31, and the electric signal input from the electric signal input terminal P31 An optical fiber 3 that transmits an optical signal serving as a command signal as to whether or not to output an electrical signal in a predetermined frequency band from the electrical signal output terminal P32 and the semiconductor substrate 21 (see FIGS. 5 and 6) are formed and transmitted at high frequency. An electrical signal from the input / output terminal P33 of the circulator 31 is input via the line 22, and an optical signal from the optical fiber 3 is converted to Ri operating characteristics change and a HEMT16 for reflecting or attenuating the electric signal of a predetermined frequency band of the electrical signal input from the electrical signal input terminal P31 at the end of the high-frequency transmission line 22. And the output / shut-off of the high frequency signal from the electric signal output terminal P32 can be switched by the presence or absence of an optical signal. Therefore, as in the first and second embodiments, the transistor 41 in FIG. 10 does not need to be turned on / off, and the photodiode 42 therefor can be omitted, so that the light control semiconductor switch 30 can be realized at low cost. be able to.
[0044]
In addition to the above, it can be embodied in the following form.
In each of the above embodiments, the reflective film 9 is an Au / Ti laminated film. However, for example, an Au / Cr laminated film may be used. In short, any laminated film having Au as the uppermost layer may be used. When Au is used as the reflective material, the optical path can be converted efficiently, and the laminated structure with the reflective material as the uppermost layer can prevent contact between Si and Au with low adhesion.
[0045]
Further, in each of the above embodiments, the wavelength of light irradiated by the optical fiber 3 is 1.55 μm. However, the present invention is not limited to this. For example, light having a wavelength of 1.30 μm may be irradiated. Any light that irradiates light widely used in optical fiber communication may be used. When changing the wavelength of light, a HEMT that efficiently absorbs light of that wavelength may be used, and circuit matching in the semiconductor substrates 4 and 21 may be adjusted accordingly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a light control semiconductor switch according to a first embodiment.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram of a high-frequency circuit formed in a semiconductor substrate.
FIG. 4 shows on / off characteristics of a light control semiconductor switch.
FIG. 5 is a plan view of a light control semiconductor switch according to a second embodiment.
6 is a longitudinal sectional view taken along line AA in FIG. .
FIG. 7 is a circuit diagram of a high-frequency circuit formed in a semiconductor substrate.
FIG. 8 is a configuration diagram of a light control semiconductor switch according to a third embodiment.
FIG. 9 shows output side reflection characteristics of InAlAs / InGaAs HEMT when irradiated with light and not irradiated.
FIG. 10 is a circuit diagram of a conventional semiconductor switch.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light control semiconductor switch, 2 ... Si substrate as 1st semiconductor substrate, 2a ... V groove, 3 ... Optical fiber, 4 ... 2nd semiconductor substrate, 6, 7 ... High frequency transmission line, 8 ... Bump, 9 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Reflective film, 11 ... Electric signal input port, 12 ... Electric signal output port, 13, 14 ... High frequency transmission line, 15 ... Stub, 16 ... HEMT, 17 ... Gate bias port, 18 ... Drain bias port, 20 ... Light control Semiconductor switch, 21 ... Semiconductor substrate, 22 ... High-frequency transmission line, 25 ... Electric input / output port, 26 ... High-frequency transmission line, 27 ... Stub, 30 ... Light control semiconductor switch, 31 ... Circulator, C1, C2, C3, C11 , C12, C13, capacitors, P1, electric signal input terminals, P2, electric signal output terminals, P3, optical signal input terminals, P21, input / output terminals, P31. Electric signal input terminal, P32 ... electric signal output terminal, P33 ... input-output terminal.

Claims

Electrical signal input terminal (P1) and a first semiconductor substrate of silicon that high-frequency transmission line (6,7) is formed connecting the electric signal output terminal (P2) (2),
In a V-groove (2a) formed on the upper surface of the first semiconductor substrate (2), a reflective film (including a laminated film of titanium and gold provided on the oblique surface at the tip of the V-groove (2a)) 9) Whether or not to output an electrical signal in a predetermined frequency band from the electrical signal input from the electrical signal input terminal (P1) from the electrical signal output terminal (P2). An optical fiber (3) through which an optical signal serving as a command signal is transmitted;
The electrical signal input terminal in the middle of the high-frequency transmission line (6, 7) made of a coplanar type line whose operating characteristics are changed by the optical signal from the optical fiber (3) reflected by the reflective film (9). A semiconductor switching element (16) that is a HEMT made of an InAlAs / InGaAs-based material that passes or blocks an electric signal in a predetermined frequency band among electric signals input from (P1) , and a high frequency including the semiconductor switching element (16) High-frequency transmission lines (13, 14), stubs (15), electric signal input ports (11), electric signal output ports (12), gate bias ports (17), drain bias ports (18), and capacitors as circuit components (C1 to C3) is Rutotomoni comprises a, a second semiconductor substrate which are integrated (4),
Bumps (8) are provided on the high-frequency transmission lines (6, 7) in the first semiconductor substrate (2), and the first semiconductor substrate (2) is electrically connected to the first via the bumps (8). A light-controlled semiconductor switch comprising two semiconductor substrates (4) mounted thereon.

A first semiconductor substrate of silicon that high-frequency transmission line (22) is formed which is connected to the electrical signal input-output terminal (P21) (2),
In a V-groove (2a) formed on the upper surface of the first semiconductor substrate (2), a reflective film (including a laminated film of titanium and gold provided on the oblique surface at the tip of the V-groove (2a)) 9) is arranged so that the optical paths are opposed to each other, and an electric signal in a predetermined frequency band among electric signals input from the electric signal input / output terminal (P21) is output from the electric signal input / output terminal (P21). An optical fiber (3) through which an optical signal serving as a command signal as to whether or not to transmit is transmitted;
The electrical signal input-output at the end of the operation characteristics by the optical signal from the optical fiber to be reflected (3) changes consisting of coplanar lines with the high-frequency transmission line (22) in said reflective film (9) A reflective semiconductor switching element (16) which is a HEMT made of an InAlAs / InGaAs-based material that reflects or attenuates an electric signal in a predetermined frequency band among electric signals input from the terminal (P21) , and the semiconductor switching element (16) A high frequency transmission line (26), a stub (27), an input / output electrical port (25), a gate bias port (17), a drain bias port (18), and capacitors (C11 to C13) A second semiconductor substrate (21) integrated with
The equipped Rutotomoni,
A bump (8) is provided on the high-frequency transmission line (22) in the first semiconductor substrate (2), and a second is electrically formed on the first semiconductor substrate (2) via the bump (8). A light control semiconductor switch, wherein a semiconductor substrate (21) is mounted .