JP6391890B1 - 光半導体装置 - Google Patents

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Abstract

部品点数及び製造工程数が削減でき、小型化できる光を扱う光半導体装置を得ることを目的とする。本発明の光半導体装置(50)は、半導体基板(11)と、半導体基板(11)に設けられた、光信号(8a,8b)を受光する受光部(12)又は光信号(9a,9b)を発光する発光部(91)である光通信部と、半導体基板(11)及び光通信部を覆う層間膜(31)と、層間膜(31)の半導体基板(11)から離れた側で平坦化された面に設けられた光信号が通過するフレネルレンズ(61)と、フレネルレンズ(61)及び層間膜(31)を覆い、かつ層間膜(31)よりも屈折率が大きく、層間膜(31)から離れた側の面が平坦化された保護膜(81)と、を備えている。

Description

本発明は、光を受光（受信）する平面受光半導体装置、光を発光（送信）する平面発光半導体装置、光を受光する平面受光素子及び光を発光する平面発光素子等の光素子を含む半導体装置等である、光を扱う半導体装置である光半導体装置に関する発明である。
特許文献１には、発光素子、位置検出受光素子、制御処理用集積回路がリードフレームに実装され、発光素子及び位置検出受光素子の上方にそれぞれ発光側レンズ及び受光側レンズが組み合わされた、すなわち混成集積回路（モジュール）の形態をとった光学式距離センサーが開示されている。特許文献２には、半導体基板のエピタキシャル層に光素子及び電気機能素子が形成され、半導体基板の上方にマイクロレンズが形成されたキャップ基板が配置され、半導体基板とキャップ基板とが外周側に形成されたシーリング構造により内部が封止されたすなわち混成集積回路（モジュール）の形態をとった光半導体素子（半導体装置）が開示されている。特許文献３には、配線パターンが形成された有機フィルム内に、集積回路部品、光電変換素子を加熱及び加圧して埋め込み、光電変換素子の上方の有機フィルム表面に凸レンズが形成された受光モジュールが開示されている。特許文献４には、赤外線受光素子が実装されたシリコンウエハ裏面にレンズが形成された赤外線受光集積回路が開示されている。
特開２００９−９７８７２号公報（図１） 特許４９８４１７０号公報（図１） 特許４１５２６８４号公報（図３） 特表２０１６−５２６１５５号公報
これまで半導体集積回路ではアルミニウム等の金属配線を用いた機能回路間の信号伝送を伴う信号処理が一般的であった。しかし、伝達情報量の肥大化、通信速度の高速化に伴い、金属配線による電気信号を用いた半導体集積回路では消費電力の増大、信号処理速度の限界が迫っており、例えば光信号による機能回路間伝送が可能な光半導体装置の実用化が急務となっている。特許文献１〜３に開示された発光素子又は及び受光素子を備える従来の光半導体装置は、混成集積回路の形態をとっているため、発光素子又は及び受光素子の光信号を収束するために半導体装置以外に別途レンズを半導体装置製造後に取り付ける必要がある。このため、従来の光半導体装置は、部品点数の増加に伴い製造工程数の増加し、小型化にも限界があった。
本発明の目的は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、部品点数及び製造工程数が削減でき、小型化できる光を扱う光半導体装置を得ることを目的とする。
本発明の光半導体装置は、互いに光信号を通信する、第一の半導体基板に設けられた第一光送受信器及び第二の半導体基板に設けられた第二光送受信器を備えた光半導体装置である。第一光送受信器は、第一の半導体基板と、第一の半導体基板に設けられた、光信号を受光する受光部と、光信号を発光する発光部と、第一の半導体基板及び受光部及び発光部を第一の覆う層間膜と、受光部及び発光部毎に設けられると共に第一の層間膜の第一の半導体基板から離れた側で平坦化された面に設けられた光信号が通過するフレネルレンズと、フレネルレンズ及び第一の層間膜を覆い、かつ第一の層間膜よりも屈折率が大きく、第一の層間膜から離れた側の面が平坦化された第一の保護膜と、を備えている。第二光送受信器は、第二の半導体基板と、第二の半導体基板に設けられた、光信号を受光する受光部と、光信号を発光する発光部と、第二の半導体基板及び受光部及び発光部を覆う第二の層間膜と、受光部及び発光部毎に設けられると共に第二の層間膜の第二の半導体基板から離れた側で平坦化された面に設けられた光信号が通過するフレネルレンズと、フレネルレンズ及び第二の層間膜を覆い、かつ第二の層間膜よりも屈折率が大きく、第二の層間膜から離れた側の面が平坦化された第二の保護膜と、を備えている。第一光送受信器の受光部と第二光送受信器の発光部とが対向し、かつ第一光送受信器の発光部と第二光送受信器の受光部とが対向するように配置され、第一光送受信器の第一の保護膜と第二光送受信器の第二の保護膜とが、直接貼り合わされ又は第三の層間膜を介して貼り合わされている。
本発明の光半導体装置は、互いに光信号を通信する第一光送受信器及び第二光送受信器のそれぞれが、受光部及び発光部を覆う層間膜の平坦化された面に光信号が通過するフレネルレンズと、フレネルレンズ及び層間膜を平坦化された保護膜を備え、第一光送受信器の保護膜と第二光送受信器の保護膜とが、直接貼り合わされ又は他の層間膜を介して貼り合わされているので、部品点数及び製造工程数が削減でき、小型化できる。
本発明の実施の形態１による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。 図１の光半導体装置のウエハ製造工程を説明する図である。 図１の光半導体装置のウエハ製造工程を説明する図である。 図１の光半導体装置のウエハ製造工程を説明する図である。 図１の光半導体装置のウエハ製造工程を説明する図である。 図１の光半導体装置のウエハ製造工程を説明する図である。 図１の光半導体装置のウエハ製造工程を説明する図である。 図１のフレネルレンズの上面形状の第一例を示す図である。 図１のフレネルレンズの上面形状の第二例を示す図である。 図１のフレネルレンズの上面形状の第三例を示す図である。 本発明の実施の形態２による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施の形態３による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施の形態４による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施の形態４による他の光半導体装置の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施の形態５による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施の形態５による他の光半導体装置の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施の形態６による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。 図１７の片側フレネルレンズの上面形状を示す図である。 本発明の実施の形態６による他の光半導体装置の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施の形態７による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。 図２０の光半導体装置のウエハ製造工程を説明する図である。 図２０の光半導体装置のウエハ製造工程を説明する図である。 図２０のフレネルレンズの上面形状を示す図である。 本発明の実施の形態８によるフレネルレンズの上面形状を示す図である。 本発明の実施の形態８によるレンズアレイの上面形状を示す図である。 本発明の実施の形態８による光半導体装置の上面を示す模式図である。 図２６の光半導体装置の断面構造を示す模式図である。
ここでは、光の信号である光信号について、「光信号を受信する」ことを「光信号を受光する」、「光信号を送信する」ことを「光信号を発光する」と表現することにする。
実施の形態１．
以下、この発明の一実施の形態であるアバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の受光用の光半導体装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態１による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。図２〜図７は、図１の光半導体装置のウエハ製造工程を説明する図である。図８〜図１０は、図１のフレネルレンズの上面形状の第一例〜第三例を示す図である。実施の形態１の光半導体装置５０は、半導体基板１１、半導体基板１１に設けられた光信号８ａ、８ｂを受光する受光部１２、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１、層間膜３１の表面に設けられたフレネルレンズ６１、フレネルレンズ６１を覆うＳｉＮ膜の保護膜８１を備えている。半導体基板１１は単一元素又は化合物からなる半導体基板である。受光部は、光信号を通信する光通信部における受信機能を有する受信部である。
実施の形態１の光半導体装置５０のウエハ製造工程を説明する。まず、レンズ形成前基板製造工程として、図２に示すように、半導体基板１１に受光部１２を形成する。受光部１２が形成された半導体基板１１は、レンズ形成前基板である。図３に示すように、受光部１２が形成された半導体基板１１に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により膜厚１．０〜５．０μｍのＳｉＯ２系膜（シリコン系酸化膜）の層間膜である層間膜２１を成膜する。層間膜２１は、下部の半導体基板１１に形成された受光部１２や配線電極（図示せず）の厚みによって層間膜２１の表面には凹凸がある。図４に示すように、層間膜２１の表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）法（ケミカル・メカニカル・ポリッシュ法）により研磨し、膜厚を０．５〜３．０μｍまで平坦化する。平坦化された層間膜２１の符号は３１と表記した。なお、図１〜図７では、受光部１２の表面と半導体基板１１の表面が平坦な例を示したが、受光部１２の表面が半導体基板１１の表面よりも高い位置（フレネルレンズ６１の側）にあったり、受光部１２の表面が半導体基板１１の表面よりも低い位置（半導体基板１１の裏面側に近づく位置）にあったりすることもある。
次に、層間膜３１の表面にフレネルレンズ６１を形成するために、電子ビーム法（ＥＢ（Electron Beam）法）の多重露光によるフォトリソグラフィー技術にてフレネルレンズ形成用のレジストパターン４１を作成する。レジストパターン４１は、フレネルレンズ６１の凹部の形状に合わせて、例えば凹部の深い部分の膜厚が薄く、凹部の浅い部分の膜厚が厚くなるように階段状に形成される。図５に示すように、ドライエッチング法で層間膜３１にフレネルレンズ６１の凹部を形成することで凸部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄを形成する。図５では、フレネルレンズ６１の凹部のエッチング途中を示しており、凹部がエッチングイオン１５によってエッチングされるに従って、凹部の深い部分用のレジストが徐々に消失してフレネルレンズ６１の凸部にレジストパターン４１が残っている状態を示した。
層間膜３１のエッチング工程が終了し、レジストパターン４１を除去すると、図６に示すような、凸部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄを備えたフレネルレンズ６１が層間膜３１の表面に形成される。フレネルレンズ６１の上面形状を、図８〜図１０に示した。図８の第一例は同心円状形状であり、図９の第二例は正方形の４隅に曲率を設けた形状であり、図１０の第三例は長方形の４隅に曲率を設けた形状である。第一例〜第三例の上面形状は、いずれも同心環状になっている。通常は同心円状形状のフレネルレンズ６１を用いるが、フレネルレンズ６１の上面形状は受光部１２の形状により第二例の形状、第三例の形状、その他の形状が選択される。レジストパターン４１は、フレネルレンズ６１の上面形状に合わせて、レジスト残し幅が微細に形成される。図８〜図１０の上面形状を形成するためのレジストパターン４１は、中央の凸部６２ａを形成するためのレジスト残し幅が他の凸部６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ用のレジスト残し幅よりも広くなり、凸部６２ｂ、６２ｃ、６２ｄを形成するためのレジスト残し幅が徐々に狭くなるように形成される。
図６のようにフレネルレンズ６１が形成された後に、図７に示すように、耐湿性確保のためにＳｉＯ２系膜の層間膜３１よりも屈折率の大きな膜厚１．０〜３．０μｍのＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）である保護膜７１を、フレネルレンズ６１が形成された層間膜３１を覆おうようにＣＶＤ法等により成膜する。保護膜７１の表面には、下部のフレネルレンズ６１の凹凸形状により凹凸形状がある。保護膜７１は、石英ガラスであるＳｉＯ２系膜を覆っているので、ガラスコート膜と呼んでもよい。凹凸形状を有する保護膜７１の表面をＣＭＰ法により研磨し、膜厚を０．５〜１．０μｍまで平坦化する。保護膜７１が平坦化され、ウエハ製造工程が完了した光半導体装置５０を、図１に示した。平坦化された保護膜７１の符号は８１と表記した。
実施の形態１の光半導体装置５０の作用及び効果を説明する。図１に示す、アバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の受光用の光半導体装置では、光信号８ａは平坦化されたＳｉＮ膜の保護膜８１に入射し、保護膜８１の下部のＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１により収束された光信号８ｂが受光部１２にて受光される。保護膜８１の屈折率が１．９で、層間膜３１の屈折率が１．４であるので、実施の形態１の光半導体装置５０は従来のＳｉＯ２単層レンズを用いたＡＰＤより広角度の光信号を収束することが可能となる。また、光信号８ａ、８ｂの波長によってフレネルレンズ６１の焦点距離を、層間膜３１の膜厚とフレネルレンズ６１のパターンの同心円間隔及びドライエッチング深さとで調整することで、実施の形態１の光半導体装置５０は受光部１２の受光感度を向上させることができる。また、実施の形態１の光半導体装置５０は、最上部に保護膜８１が存在するため、十分な耐湿性が確保されている。
なお、フレネルレンズ６１のパターンの同心円間隔は、凸部６２ｂ、６２ｃ、６２ｄの幅に相当する。図８に示したフレネルレンズ６１の上面形状で説明する。中央部の円（第一円）は凸部６２ａの外周円（凸部６２ｂの内周円）であり、その外側の円（第二円）は凸部６２ｂの外周円（凸部６２ｃの内周円）であり、その外側の３番目の円（第三円）は凸部６２ｃの外周円（凸部６２ｄの内周円）であり、最外周である４番目の円（第四円）は凸部６２ｄの外周円である。図８のフレネルレンズ６１のパターンの第一円と第二円の間隔は凸部６２ｂの幅に相当する。同様に、図８のフレネルレンズ６１のパターンにおける、第二円と第三円の間隔は凸部６２ｃの幅に相当し、第三円と第四円の間隔は凸部６２ｄの幅に相当する。
実施の形態１の光半導体装置５０は、受光用の光半導体装置と外部レンズを外部パッケージに組み立てる必要があった従来のＡＰＤと異なり、受光用の光半導体装置のウエハ製造工程でフレネルレンズ６１を形成しているので、従来よりも部品点数が少なくでき、小型化できる。また、実施の形態１の光半導体装置５０は、受光用の半導体装置のウエハ製造工程でフレネルレンズ６１を形成しているので、外部レンズを外部パッケージに組み立てる工程が削除でき、製造工程数が削減できる。実施の形態１の光半導体装置５０は、部品点数及び製造工程数が削減により、低コスト化が可能となる。さらに、実施の形態１の光半導体装置５０は、受光感度が向上するため、低消費電力化も可能となる。
以上のように、実施の形態１の光半導体装置５０は、半導体基板１１と、半導体基板１１に設けられた、光信号８ａ、８ｂを受光する受光部１２である光通信部と、半導体基板１１及び光通信部を覆う層間膜３１と、層間膜３１の半導体基板１１から離れた側で平坦化された面に設けられた光信号８ａ、８ｂが通過するフレネルレンズ６１と、フレネルレンズ６１及び層間膜３１を覆い、かつ層間膜３１よりも屈折率が大きく、層間膜３１から離れた側の面が平坦化された保護膜８１と、を備えている。実施の形態１の光半導体装置５０は、光信号８ａ、８ｂを受光（又は発光）する光通信部を覆う層間膜３１の平坦化された面に光信号８ａ、８ｂが通過するフレネルレンズ６１が設けられ、フレネルレンズ６１及び層間膜３１を平坦化された保護膜８１が覆っているので、部品点数及び製造工程数が削減でき、小型化できる。
実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。実施の形態２の光半導体装置５０は、レーザーダイオードまたは発光ダイオード等の発光用の半導体装置の例である。実施の形態２の光半導体装置５０は、半導体基板１１、半導体基板１１に設けられた光信号９ａ、９ｂを発光する発光部９１、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１、層間膜３１の表面に設けられたフレネルレンズ６１、フレネルレンズ６１を覆うＳｉＮ膜の保護膜８１を備えている。発光部は、光信号を通信する光通信部における発信機能を有する発信部である。実施の形態２の光半導体装置５０は、受光部１２の代わりに発光部９１が半導体基板１１に形成されている点で、実施の形態１の光半導体装置５０と異なる。実施の形態２の光半導体装置５０のウエハ製造工程は、実施の形態１と同様である。なお、レンズ形成前基板製造工程では、半導体基板１１に発光部９１を形成する。発光部９１が形成された半導体基板１１は、レンズ形成前基板である。
実施の形態２の光半導体装置５０の作用及び効果を説明する。図１１に示す、レーザーダイオードまたは発光ダイオード等の発光用の半導体装置では、発光部９１から発光された光信号９ａはＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１により屈折されてその上部に形成されたＳｉＮ膜の保護膜８１を通過し外部に放出される。保護膜８１の屈折率は１．９であり、保護膜８１の屈折率は層間膜３１の屈折率１．４より大きいため、層間膜３１と保護膜８１との境界で光信号はさらに中心側に屈折されるため光信号９ａ、９ｂの分散、減少を防止できる。
実施の形態２の光半導体装置５０は、発光用の半導体装置と外部レンズを外部パッケージに組み立てる必要があった従来の光半導体装置と異なり、発光用の半導体装置のウエハ製造工程でフレネルレンズ６１を形成しているので、従来よりも部品点数が少なくでき、小型化できる。また、実施の形態２の光半導体装置５０は、発光用の半導体装置のウエハ製造工程でフレネルレンズ６１を形成しているので、外部レンズを外部パッケージに組み立てる工程が削除でき、製造工程数が削減できる。実施の形態２の光半導体装置５０は、部品点数及び製造工程数が削減により、低コスト化が可能となる。さらに、実施の形態２の光半導体装置５０は、光信号９ａ、９ｂの分散、減少を防止できるため、低消費電力化も可能となる。
以上のように、実施の形態２の光半導体装置５０は、半導体基板１１と、半導体基板１１に設けられた、光信号９ａ、９ｂを発光する発光部９１である光通信部と、半導体基板１１及び光通信部を覆う層間膜３１と、層間膜３１の半導体基板１１から離れた側で平坦化された面に設けられた光信号９ａ、９ｂが通過するフレネルレンズ６１と、フレネルレンズ６１及び層間膜３１を覆い、かつ層間膜３１よりも屈折率が大きく、層間膜３１から離れた側の面が平坦化された保護膜８１と、を備えている。実施の形態２の光半導体装置５０は、光信号９ａ、９ｂ発光する光通信部を覆う層間膜３１の平坦化された面に光信号９ａ、９ｂが通過するフレネルレンズ６１が設けられ、フレネルレンズ６１及び層間膜３１を平坦化された保護膜８１が覆っているので、部品点数及び製造工程数が削減でき、小型化できる。
実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。実施の形態３の光半導体装置５０は、集積回路、発光部、受光部を備えた光センサー等の高機能な光半導体装置の例である。実施の形態３の光半導体装置５０は、信号処理回路等の集積回路１０４、電源回路等の集積回路１０５が形成された半導体基板１０１、半導体基板１０１に設けられた（形成又は装着された）光信号９ａ、９ｂを発光する発光部１０２、半導体基板１０１に設けられた（形成又は装着された）光信号８ａ、８ｂを受光する受光部１０３、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１、層間膜３１の表面に設けられたフレネルレンズ６１ａ、６１ｂ、フレネルレンズ６１ａ、６１ｂを覆うＳｉＮ膜の保護膜８１を備えている。発光部１０２は、レーザーダイオードまたは発光ダイオード等の平面発光構造部である。受光部１０３は、アバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の平面受光構造部である。フレネルレンズ６１ａは、受光部１０３の上部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１０１と逆側の面）に形成された受光用のフレネルレンズである。フレネルレンズ６１ｂは、発光部１０２の上部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１０１と逆側の面）に形成された発光用のフレネルレンズである。フレネルレンズの符号は、総括的に６１を用い、区別する場合に６１ａ、６１ｂを用いる。集積回路１０４は、受光部１０３により受光された光信号８ａ、８ｂを電気信号に変えて信号処理を行ったり、発光部１０２により発光される光信号９ａ、９ｂの基となる電気信号を生成したりする。
実施の形態３の光半導体装置５０は、受光部１０３と共に発光部１０２、集積回路１０４、１０５が半導体基板１０１に形成されている点で、実施の形態１の光半導体装置５０と異なる。実施の形態３の光半導体装置５０のウエハ製造工程における平坦化された層間膜３１、フレネルレンズ６１、平坦化された保護膜８１の製造工程は、実施の形態１と同様である。レンズ形成前基板製造工程では、集積回路１０４、１０５を半導体基板１０１に形成し、その後半導体基板１０１に発光部１０２及び受光部１０３を形成又は装着する。集積回路１０４、１０５が形成され、発光部１０２及び受光部１０３が形成又は装着された半導体基板１１は、レンズ形成前基板である。発光部１０２及び受光部１０３を半導体基板１０１に装着する場合は、チップ状に形成された平面発光構造部及び平面受光構造部を半導体基板１０１に装着する。なお、集積回路１０４、１０５は、例えば図１２における紙面奥側に形成されているので、破線枠で示した。
実施の形態３の光半導体装置５０の作用及び効果を説明する。図１２に示す、レーザーダイオードまたは発光ダイオード等の平面発光構造部である発光部１０２から発光された光信号９ａはＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１ｂにより屈折されてその上部に形成されたＳｉＮ膜の保護膜８１を通過し外部に放出される。保護膜８１の屈折率は１．９であり、保護膜８１の屈折率は層間膜３１の屈折率１．４より大きいため、層間膜３１と保護膜８１との境界で光信号はさらに中心側に屈折されるため光信号９ａ、９ｂの分散、減少を防止できる。
発光部１０２から発光された光信号９ｂは障害物やドア等の対象物に当たり反射する。この反射された光信号は、光信号８ａとして光半導体装置５０に入射する。光信号８ａは平坦化されたＳｉＮ膜の保護膜８１に入射し、保護膜８１の下部のＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１ａにより収束された光信号８ｂが、半導体基板１０１上の形成又は装着したアバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の平面受光構造部である受光部１０３にて受光される。保護膜８１の屈折率が１．９で、層間膜３１の屈折率が１．４であるので、実施の形態３の光半導体装置５０は、従来のＳｉＯ２単層レンズを用いたＡＰＤより広角度の光信号を収束することが可能となり、受光部１０３の受光感度を向上させることができる。したがって、実施の形態３の光半導体装置５０は、光信号８ａ、８ｂが微弱であっても検知できる。
受光した光信号８ｂは半導体基板１０１に形成された信号処理回路等の集積回路１０４によりアナログ、又はデジタル信号処理され、対象物の存在、距離、位置が集積回路１０４により算出され、対象物の存在、距離、位置が光半導体装置５０の外部の他の制御系に伝達される。また、光信号８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂの波長によってフレネルレンズ６１ａ、６１ｂの焦点距離を、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１の膜厚とフレネルレンズ６１ａ、６１ｂのパターンの同心円間隔及びドライエッチング深さとで調整する。また、実施の形態３の光半導体装置５０は、最上部に保護膜８１が存在するため、十分な耐湿性が確保されている。
実施の形態３の光半導体装置５０は、平面発光素子、平面受光素子を備えた半導体装置と外部レンズを外部パッケージに組み立てるモジュールの形態をとる必要があった従来の光半導体装置と異なり、同一の半導体基板１０１上に発光部１０２と受光部１０３が形成又は装着され、かつ集積回路１０４、１０５が形成されており、光半導体装置のウエハ製造工程でフレネルレンズ６１を形成しているので、従来よりも部品点数が少なくでき、小型化できる。実施の形態３の光半導体装置５０は、光半導体装置のウエハ製造工程でフレネルレンズ６１を形成しているので、外部レンズを外部パッケージに組み立てる工程が削除でき、製造工程数が削減でき、製造工程の簡略化できる。実施の形態３の光半導体装置５０は、部品点数及び製造工程数が削減により、低コスト化が可能となる。実施の形態３の光半導体装置５０は、光信号８ａ、８ｂが微弱であっても検知でき、受光部１０３の受光感度が向上するため、低消費電力化も可能となる。実施の形態３の光半導体装置５０ように構成することで、従来よりも製造工程の簡略化され小型化、低コスト化が可能となり、さらに発光部１０２から発光された光信号９ａ、９ｂの分散、減少を防止することで、高感度化、低消費電力化も可能となる光センサー等の高機能な光半導体装置を得ることができる。
実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。実施の形態４の光半導体装置５０は、集積回路、発光部、受光部を備えた実施の形態３の高機能な光半導体装置を２つ備え、お互いに発光部、受光部により光信号を送受信（通信）する光半導体装置の例である。実施の形態４の光半導体装置５０は、２つの光送受信器５１、５２を備え、光送受信器５１、５２が有機系又は無機系材質の層間膜１１３により貼り合わされた光半導体装置である。光送受信器５１は、信号処理回路等の集積回路１０４、電源回路等の集積回路１０５が形成された半導体基板１１１、半導体基板１１１に設けられた（形成又は装着された）光信号１３ａを発光する発光部１０２、半導体基板１１１に設けられた（形成又は装着された）光信号１３ｂを受光する受光部１０３、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１、層間膜３１の表面に設けられたフレネルレンズ６１ａ、６１ｂ、フレネルレンズ６１ａ、６１ｂを覆うＳｉＮ膜の保護膜８１を備えている。発光部１０２は、実施の形態３と同様に、レーザーダイオードまたは発光ダイオード等の平面発光構造部である。受光部１０３は、実施の形態３と同様に、アバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の平面受光構造部である。光送受信器５１のフレネルレンズ６１ａは、受光部１０３から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１１１と逆側の面）に形成された受光用のフレネルレンズである。光送受信器５１のフレネルレンズ６１ｂは、発光部１０２から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１１１と逆側の面）に形成された発光用のフレネルレンズである。
光送受信器５２は、信号処理回路等の集積回路１０４、電源回路等の集積回路１０５が形成された半導体基板１１２、半導体基板１１２に設けられた（形成又は装着された）光信号１３ｂを発光する発光部１１４、半導体基板１１２に設けられた（形成又は装着された）光信号１３ａを受光する受光部１１５、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１、層間膜３１の表面に設けられたフレネルレンズ６１ａ、６１ｂ、フレネルレンズ６１ａ、６１ｂを覆うＳｉＮ膜の保護膜８１を備えている。発光部１１４は、実施の形態３と同様に、レーザーダイオードまたは発光ダイオード等の平面発光構造部である。受光部１１５は、実施の形態３と同様に、アバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の平面受光構造部である。光送受信器５２の発光部１１４、受光部１１５は、それぞれ光送受信器５１の受光部１０３、発光部１０２と対向するように配置される。光送受信器５２のフレネルレンズ６１ａは、受光部１１５から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１１２と逆側の面）に形成された受光用のフレネルレンズである。光送受信器５２のフレネルレンズ６１ｂは、発光部１１４から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１１２と逆側の面）に形成された発光用のフレネルレンズである。
図１３では、２つの光送受信器５１、５２が有機系又は無機系材質の層間膜１１３により貼り合わされた光半導体装置５０の例を示した。しかし、光送受信器５１、５２の半導体基板１１１、１１２から垂直方向に離れた最遠方の表面は平坦化された保護膜８１なので、図１４に示すように光送受信器５１と光送受信器５２とをファンデルワールス力により直接密着貼り合わせしても良い。図１４は、本発明の実施の形態４による他の光半導体装置の断面構造を示す模式図である。図１４に示した他の光半導体装置５０は、層間膜１１３が無く、光送受信器５１と光送受信器５２とがファンデルワールス力により直接密着貼り合わされている点で、図１３に示した光半導体装置５０と異なる。
実施の形態４の光半導体装置５０の作用及び効果を説明する。図１３に示す、レーザーダイオードまたは発光ダイオード等の平面発光構造部である発光部１０２から発光された光信号１３ａはＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１ｂにより屈折されてその進行方向の遠方部に形成されたＳｉＮ膜の保護膜８１を通過する。保護膜８１の屈折率は１．９であり、保護膜８１の屈折率は層間膜３１の屈折率１．４より大きいため、層間膜３１と保護膜８１との境界で光信号はさらに中心側に屈折されるため光信号１３ａの分散、減少を防止できる。
発光部１０２から発光された光信号１３ａは、有機系又は無機系材質の層間膜１１３を通過して光送受信器５２の半導体基板１１２に形成又は装着されたアバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の平面受光構造部である受光部１１５に受光される。光送受信器５２に入射した光信号１３ａは、まず平坦化されたＳｉＮ膜の保護膜８１に入射し、保護膜８１よりも半導体基板１１２の側のＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１ａにより収束されて受光部１１５にて受光される。保護膜８１の屈折率が１．９で、層間膜３１の屈折率が１．４であるので光送受信器５２の受光部１１５は従来のＳｉＯ２単層レンズを用いたＡＰＤより広角度の光信号を収束することが可能となり、受光部１１５の受光感度を向上させることができる。したがって、光送受信器５２の受光部１１５は、光信号１３ａが微弱であっても検知できる。
光送受信器５２の受光部１１５に受光した光信号１３ａは、半導体基板１１２に形成された信号処理回路等の集積回路１０４によりアナログ、又はデジタル信号処理され、発光部１１４から光信号１３ｂとして発信される。光送受信器５２の発光部１１４から発光された光信号１３ｂは、光信号１３ａと逆向きに、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１ｂ、ＳｉＮ膜の保護膜８１、有機系又は無機系材質の層間膜１１３を通過し、光送受信器５１のＳｉＮ膜の保護膜８１、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１ａにより収束されて受光部１０３にて受信される。
実施の形態４の光半導体装置５０は、両光送受信器５１、５２間の光通信が最短行路で行われるため光信号１３ａ、１３ｂの出力は最小限に抑制できる。また、実施の形態４の光半導体装置５０は、光信号１３ａ、１３ｂの波長及び行路によってフレネルレンズ６１ａ、６１ｂの焦点距離を、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１の膜厚とフレネルレンズ６１ａ、６１ｂのパターンの同心円間隔及びドライエッチング深さとを最適に調整する。また、実施の形態４の光半導体装置５０は、光送受信器５１、５２の半導体基板１１１、１１２から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１１１、１１２と逆側の面）に保護膜８１が存在するため、十分な耐湿性が確保されている。
前述したように、半導体集積回路ではアルミニウム等の金属配線を用いた機能回路間の信号伝送を伴う信号処理が一般的であった。光を扱う半導体装置である光半導体装置であっても、半導体集積回路が形成された従来の光半導体装置と光半導体装置を含む他の半導体装置との通信は、金属配線も用いた電気信号で行われていた。金属配線を用いた電気信号による通信は、発熱、通信速度限界の問題があり、光信号で通信する光半導体装置の発熱抑制、通信速度の向上が必要であった。光半導体装置間で光通信を実施する場合、光導波路、光ファイバー等部品点数の増大と平面的面積の増加が問題であった。
これに対して、実施の形態４の光半導体装置５０は、２種の半導体装置、例えば光送受信器５１、５２を貼り合わせて、双方の通信に光信号を用いるため、大幅な部品点数削減と面積縮小が可能となった。光送受信器５１、５２は、それぞれ光信号を発信する発光部１０２、１１４、及び光信号を受信する受光部１０３、１１５における対応する半導体基板１１１、１１２から垂直方向に離れた遠方側にウエハ製造プロセス（ウエハ製造工程）でフレネルレンズ６１ａ、６１ｂを形成しているので、光半導体装置である光送受信器５１、５２の小型化、低消費電力化、低コスト化が可能となった。さらに、２種の半導体装置、例えば光送受信器５１、５２を貼り合わせた実施の形態４の光半導体装置５０も小型化、低消費電力化、低コスト化が可能となった。
実施の形態４の光半導体装置５０は、互いに光通信を行う光送受信器５１、５２を備え、光送受信器５２の発光部１１４、受光部１１５は、それぞれ光送受信器５１の受光部１０３、発光部１０２と対向するように配置されているので、従来よりも発熱が抑制でき、通信速度を向上させることができる。また、実施の形態４の光半導体装置５０は、それぞれの光送受信器５１、５２がウエハ製造工程で一体的に形成された発光部、受光部、フレネルレンズを備えるので、各光送受信器５１、５２の部品点数及び製造工程数が削減でき、各光送受信器５１、５２の小型化、低コスト化と共に、全体として小型化、低コスト化できる。
実施の形態５．
図１５は、本発明の実施の形態５による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。実施の形態５の光半導体装置５０は、集積回路、発光部、受光部を備えた高機能な光半導体装置を２つ備え、お互いに発光部、受光部により光信号を送受信（通信）する光半導体装置の例である。実施の形態５の光半導体装置５０は、集積回路、発光部、受光部と共に外部系と電気的に接続する電気的接続構成及び外部系と光通信を行う光通信構成（外部系光通信部）を備えた光送受信器５１と、集積回路、発光部、受光部と共にと光送受信器５１との電気的接続構成を備えた光送受信器５２を備え、光送受信器５１、５２が有機系又は無機系材質の層間膜１１３により貼り合わされた光半導体装置である。
光送受信器５１は、信号処理回路等の集積回路１０４、電源回路等の集積回路１０５が形成された半導体基板１２１、半導体基板１２１に設けられた（形成又は装着された）光信号１３ａを発光する発光部１０２、半導体基板１２１に設けられた（形成又は装着された）光信号１３ｂを受光する受光部１０３、半導体基板１２１に設けられ（形成又は装着され）、かつ光送受信器５１から外部系に光信号１３ｃを発信（発光）する発光部１２２、半導体基板１２１に設けられ（形成又は装着され）、かつ外部系から光送受信器５１に発信（発光）された光信号１３ｄを受信（受光）する受光部１２３、光送受信器５１と対向する光送受信器５２と電気的に接続する電極部１０６、外部系と電気的に接続する電極部１０７、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１、層間膜３１の表面に設けられたフレネルレンズ６１ａ、６１ｂ、フレネルレンズ６１ａ、６１ｂを覆うＳｉＮ膜の保護膜８１、を備えている。発光部１０２、１２２は、実施の形態３と同様に、レーザーダイオードまたは発光ダイオード等の平面発光構造部である。受光部１０３、１２３は、実施の形態３と同様に、アバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の平面受光構造部である。光送受信器５１の２つのフレネルレンズ６１ａは、受光部１０３、１２３から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１２１と逆側の面）に形成された受光用のフレネルレンズである。光送受信器５１の２つのフレネルレンズ６１ｂは、発光部１０２、１２２から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１２１と逆側の面）に形成された発光用のフレネルレンズである。発光部１２２は、外部系と光信号を通信する外部系光通信部における発信機能を有する発信部である。受光部１２３は、外部系と光信号を通信する外部系光通信部における受信機能を有する受信部である。外部系と通信する発光部は外部系発光部と呼ぶこともでき、外部系と通信する受光部は外部系受光部と呼ぶこともできる。
電極部１０６は、半導体基板１２１に配置された配線電極１１６、層間膜３１の表面側に配置された配線電極１１７、配線電極１１６と配線電極１１７とを接続する接続金属１１８、配線電極１１７に接続され保護膜８１から露出するように配置されたバンプ電極１２４を備える。電極部１０７は、電極部１０６と同様な構造であり、半導体基板１２１に配置された配線電極１１６、層間膜３１の表面側に配置された配線電極１１７、配線電極１１６と配線電極１１７とを接続する接続金属１１８、配線電極１１７に接続され保護膜８１から露出するように配置されたバンプ電極１２５を備える。電極部１０６は、光送受信器５２の電極部１０８と接続され、光送受信器５２への電源供給用、光送受信器５２との光通信に関わらない信号処理用の電極部である。電極部１０７は、外部系と光送受信器５１との間の電源供給用、信号処理用の電極部である。なお、電源供給用の電極部と信号処理用の電極部は個別の電極部であるが、図１５では１つの電極部１０６と１つの電極部１０７を示した。
光送受信器５２は、信号処理回路等の集積回路１０４が形成された半導体基板１２６、半導体基板１２６に設けられた（形成又は装着された）光信号１３ｂを発光する発光部１１４、半導体基板１２６に設けられた（形成又は装着された）光信号１３ａを受光する受光部１１５、光送受信器５２と対向する光送受信器５１と電気的に接続する電極部１０８、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１、層間膜３１の表面に設けられたフレネルレンズ６１ａ、６１ｂ、フレネルレンズ６１ａ、６１ｂを覆うＳｉＮ膜の保護膜８１を備えている。発光部１１４は、実施の形態３と同様に、レーザーダイオードまたは発光ダイオード等の平面発光構造部である。受光部１１５は、実施の形態３と同様に、アバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の平面受光構造部である。光送受信器５２の発光部１１４、受光部１１５は、それぞれ光送受信器５１の受光部１０３、発光部１０２と対向するように配置される。光送受信器５２のフレネルレンズ６１ａは、受光部１１５から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１２６と逆側の面）に形成された受光用のフレネルレンズである。光送受信器５２のフレネルレンズ６１ｂは、発光部１１４から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１２６と逆側の面）に形成された発光用のフレネルレンズである。
電極部１０８は、半導体基板１２６に配置された配線電極１２８、層間膜３１の表面側に配置された配線電極１２９、配線電極１２８と配線電極１２９とを接続する接続金属１３０、配線電極１２９に接続され保護膜８１から露出するように配置されたバンプ電極１２７を備える。電極部１０８は、光送受信器５１の電極部１０６と接続され、光送受信器５１からの電源供給用、光送受信器５１との光通信に関わらない信号処理用の電極部である。なお、電源供給用の電極部と信号処理用の電極部は個別の電極部であるが、図１５では１つの電極部１０８を示した。
図１５では、２つの光送受信器５１、５２が有機系又は無機系材質の層間膜１１３により貼り合わされた光半導体装置５０の例を示した。しかし、光送受信器５１、５２の半導体基板１２１、１２６から垂直方向に離れた最遠方の表面は平坦化された保護膜８１なので、図１６に示すように光送受信器５１と光送受信器５２とをファンデルワールス力により直接密着貼り合わせしても良い。図１６は、本発明の実施の形態５による他の光半導体装置の断面構造を示す模式図である。図１６に示した他の光半導体装置５０は、層間膜１１３が無く、光送受信器５１と光送受信器５２とがファンデルワールス力により直接密着貼り合わされている点で、図１５に示した光半導体装置５０と異なる。
実施の形態５の光半導体装置５０の作用及び効果ついて説明する。実施の形態５の光半導体装置５０は、２つの光送受信器５１、５２間で光通信を行う実施の形態４の光半導体装置５０に外部系と電気的に接続する電気的接続構成及び外部系と光通信を行う光通信構成（外部系光通信部）を追加したものである。実施の形態４の光半導体装置５０と同様に、レーザーダイオードまたは発光ダイオード等の平面発光構造部である発光部１０２から発光された光信号１３ａはＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１ｂにより屈折されてその進行方向の遠方部に形成されたＳｉＮ膜の保護膜８１を通過する。保護膜８１の屈折率は１．９であり、保護膜８１の屈折率は層間膜３１の屈折率１．４より大きいため、層間膜３１と保護膜８１との境界で光信号はさらに中心側に屈折されるため光信号１３ａの分散、減少を防止できる。
発光部１０２から発光された光信号１３ａは、有機系又は無機系材質の層間膜１１３を通過して光送受信器５２の半導体基板１２６に形成又は装着されたアバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の平面受光構造部である受光部１１５に受光される。光送受信器５２に入射した光信号１３ａは、まず平坦化されたＳｉＮ膜の保護膜８１に入射し、保護膜８１よりも半導体基板１２６の側のＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１ａにより収束されて受光部１１５にて受光される。保護膜８１の屈折率が１．９で、層間膜３１の屈折率が１．４であるので光送受信器５２の受光部１１５は従来のＳｉＯ２単層レンズを用いたＡＰＤより広角度の光信号を収束することが可能となり、受光部１１５の受光感度を向上させることができる。したがって、光送受信器５２の受光部１１５は、光信号１３ａが微弱であっても検知できる。
光送受信器５２の受光部１１５に受光した光信号１３ａは、半導体基板１２６に形成された信号処理回路等の集積回路１０４によりアナログ、又はデジタル信号処理され、発光部１１４から光信号１３ｂとして発信される。光送受信器５２の発光部１１４から発光された光信号１３ｂは、光信号１３ａと逆向きに、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１ｂ、ＳｉＮ膜の保護膜８１、有機系又は無機系材質の層間膜１１３を通過し、光送受信器５１のＳｉＮ膜の保護膜８１、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ６１ａにより収束されて受光部１０３にて受信される。
実施の形態５の光半導体装置５０は、両光送受信器５１、５２間の光通信が最短行路で行われるため光信号１３ａ、１３ｂの出力は最小限に抑制できる。また、実施の形態５の光半導体装置５０は、光信号１３ａ、１３ｂの波長及び行路によってフレネルレンズ６１ａ、６１ｂの焦点距離を、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１の膜厚とフレネルレンズ６１ａ、６１ｂのパターンの同心円間隔及びドライエッチング深さとを最適に調整する。また、実施の形態５の光半導体装置５０は、光送受信器５１、５２の半導体基板１２１、１２６から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１２１、１２６と逆側の面）に保護膜８１が存在するため、十分な耐湿性が確保されている。
光送受信器５１に電極部１０７を形成して、外部系のからの電源供給と外部系との電気的信号伝送を行う。光送受信器５１に形成された電極部１０６は、光送受信器５２に形成された電極部１０８に接続される。電源供給用の電極部１０６から電極部１０８を介して光送受信器５２に電源電圧及び電源電流が供給される。電気的信号伝送用の電極部１０６と電気的信号伝送用の電極部１０７との間で、光通信に関わらない信号が伝送される。
実施の形態５の光半導体装置５０は、光送受信器５１の半導体基板１２１に形成又は装着された発光部１２２から外部系に光信号１３ｃを例えば矢印１４ａの向きに発信し、光送受信器５１の半導体基板１２１に形成又は装着された受光部１２３にて外部系から例えば矢印１４ｂの向きから光信号１３ｄを受信する。このように、実施の形態５の光半導体装置５０は、外部系との光通信も可能となる。
実施の形態５の光半導体装置５０は、実施の形態４の光半導体装置５０の効果に加えて、外部系との電気信号及び光信号による通信を行うことができる。実施の形態５の光半導体装置５０は、外部系との電気信号及び光信号による通信を行うことができるので、多数の光信号を扱う光半導体装置、光信号を扱わない半導体装置、及び部品をモジュール化した従来の光モジュールに比べて、各段に小型でありながら、伝達情報量の増大化、通信速度の高速化に対応することができる。また、実施の形態５の光半導体装置５０は、小型でありながら、伝達情報量の増大化、通信速度の高速化に対応することができるので、外部系を小型化、低消費電力化、低コスト化することができる。
実施の形態６．
図１７は本発明の実施の形態６による光半導体装置の断面構造を示す模式図であり、図１８は図１７の片側フレネルレンズの上面形状を示す図である。実施の形態６の光半導体装置５０は、複数の波長を発光する発光部を備えた光送信器と、光送信器から発光された波長に応じた複数の受光部を備えた光受信器を備えた光半導体装置の例である。実施の形態６の光半導体装置５０は、光送信器５３、光受信器５４を備え、光送信器５３、光受信器５４が有機系又は無機系材質の層間膜１１３により貼り合わされた光半導体装置である。光送信器５３は、信号処理回路等の集積回路１０４、電源回路等の集積回路１０５が形成された半導体基板１３１、半導体基板１３１に設けられた（形成又は装着された）複数波長の光信号を含む光信号１６を同時または時分割で発光する発光部１３２、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１、層間膜３１の表面に設けられた片側フレネルレンズ１３３を覆うＳｉＮ膜の保護膜８１を備えている。発光部１３２は、複数波長の光信号を同時または時分割で発光するレーザーダイオード等の平面発光構造部である。光送信器５３の片側フレネルレンズ１３３は、発光部１３２から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１３１と逆側の面）に形成された発光用のフレネルレンズである。
片側フレネルレンズ１３３は、破線１４３ａと破線１４３ｂとの間に４つの凸部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄを備えている。凸部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄは、それぞれ図６のフレネルレンズ６１における凸部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄが環状でなく解放された形状に相当し、例えば図１８のようにスリット状の形状になっている。隣接する凸部の境界が最も大きな段差になっており、各凸部は図１８の左側に向かって緩やかに上側（半導体基板１３１から垂直方向の離れた遠方側）に突出している。言い換えれば、各凸部に挟まれた凹部は、それぞれ図１８の右側が最も深くなっており、図１８の左側に向かって緩やかに浅くなっている。
光受信器５４は、信号処理回路等の集積回路１０４、電源回路等の集積回路１０５が形成された半導体基板１３４、半導体基板１３４に設けられた（形成又は装着された）短波長の光信号１７ａを受光する受光部１３５、半導体基板１３４に設けられた（形成又は装着された）長波長の光信号１７ｂを受光する受光部１３６、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１を備えている。受光部１３５、１３６は、アバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の平面受光構造部である。
光送信器５３の製造工程は、実施の形態１で示した製造工程と同様である。片側フレネルレンズ１３３の製造工程は、レジストパターンの上面形状が図１８の片側フレネルレンズ１３３の上面形状に合わせた形状であり、レジストパターンの断面形状が図５のレジストパターン４１の凸部６２ａ（図６参照）の中央から右側の形状のように形成される。光受信器５４の製造工程は、実施の形態１で示した製造工程における層間膜３１の平坦化までの製造工程と同様である。
図１７では、光送信器５３、光受信器５４が有機系又は無機系材質の層間膜１１３により貼り合わされた光半導体装置５０の例を示した。しかし、光送信器５３の半導体基板１３１から垂直方向に離れた最遠方の表面は平坦化された保護膜８１であり、光受信器５４の半導体基板１３４から垂直方向に離れた最遠方の表面は平坦化された層間膜３１なので、図１９に示すように光送信器５３と光受信器５４とをファンデルワールス力により直接密着貼り合わせしても良い。図１９は、本発明の実施の形態６による他の光半導体装置の断面構造を示す模式図である。図１９に示した他の光半導体装置５０は、層間膜１１３が無く、光送信器５３と光受信器５４とがファンデルワールス力により直接密着貼り合わされている点で、図１７に示した光半導体装置５０と異なる。なお、図１７、図１９に示した例では、２波長の事例を示したが、受光部の数を増やすことで複数波長の場合にも適用可能である。
実施の形態６の光半導体装置５０の作用及び効果を説明する。レーザーダイオード等の平面発光構造部である発光部１３２にて、２波長の光信号１７ａ、１７ｂを含む光信号１６を発光する場合、図１７、図１９に示すように、光信号１７ａ、１７ｂはＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成された片側フレネルレンズ１３３の分光効果により波長に応じた角度で屈折され、その進行方向の遠方部に形成されたＳｉＮ膜の保護膜８１を通過する。保護膜８１の屈折率は１．９であり、保護膜８１の屈折率は層間膜３１の屈折率１．４より大きいため、層間膜３１と保護膜８１との境界で光信号はさらに片側フレネルレンズ１３３の中心側（破線１４３ａ側）に屈折されるため２波長の光信号１７ａ、１７ｂの分離角度を拡大できる。
波長によって分離された光信号１７ａ、１７ｂは対向する光受信器５４に入射し、短波長の光信号１７ａは受光部１３５にて受光され、長波長の光信号１７ｂは受光部１３６にて受光される。半導体基板１３４にてアナログ又はデジタル信号処理される。受光部１３５、１３６で受光された各波長の光信号１７ａ、１７ｂは、半導体基板１３４に形成された信号処理回路等の集積回路１０４アナログ、又はデジタル信号処理され外部系に電気的または光学的に発信される。なお、処理された信号を外部系に電気的に発信する場合は、光受信器５４に配置された図示しない電極部１０７（図１５参照）から発信される。処理された信号を外部系に光学的に発信する場合は、半導体基板１３４に形成又は装着された図示しない発光部１２２（図１５参照）から発信される。
実施の形態６の光半導体装置５０は、光送信器５３と光受信器５４との間の光通信は最短行路で行うため光信号１６、１７ａ、１７ｂの出力は最小限に抑制できる。また、実施の形態６の光半導体装置５０は、光信号１７ａ、１７ｂの波長及び行路によって片側フレネルレンズ１３３の焦点距離を、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１の膜厚と片側フレネルレンズ１３３のパターンの凸部間隔及びドライエッチング深さとを最適に調整する。また、実施の形態６の光半導体装置５０は、光送信器５３の半導体基板１３１から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１３１と逆側の面）に保護膜８１が存在するため、光送信器５３の耐湿性を確保している。また、実施の形態６の光半導体装置５０は、光受信器５４の半導体基板１３４から垂直方向の離れた遠方部、すなわち層間膜３１の表面（半導体基板１３４と逆側の面）は、有機系或いは無機系材質の層間膜１１３を介して光送信器５３の保護膜８１に覆われ、または直接光送信器５３の保護膜８１に覆われるので、光受信器５４の耐湿性を確保している。
実施の形態６の光半導体装置５０は、光送信器５３の発光部１３２から発光された複数の波長を含む光信号１６を、層間膜３１に形成した片側フレネルレンズ１３３にて分光し、光受信器５４の波長に応じた受光部１３５、１３６で受光し信号処理することで、光信号の通信チャネルが波長の数に応じて複数倍に倍増するので通信速度が増加する。また、実施の形態６の光半導体装置５０は、光信号の通信チャネルが波長の数に応じて複数倍に倍増するので、従来よりも小型化、低コスト化が可能となる。さらに、実施の形態６の光半導体装置５０は、光信号１６、１７ａ、１７ｂの分散、減少を防止できるため、低消費電力化も可能となる。
実施の形態６の光半導体装置５０は、実施の形態４と同様に、２種の半導体装置である光送信器５３、光受信器５４を貼り合わせて、光送信器５３から光受信器５４への通信に光信号を用いるため、大幅な部品点数削減と面積縮小が可能となった。光送信器５３の光信号を発信する発光部１３２における半導体基板１３１から垂直方向に離れた遠方側にウエハ製造プロセス（ウエハ製造工程）で片側フレネルレンズ１３３を形成しているので、光半導体装置である光送信器５３の小型化、低消費電力化、低コスト化が可能となった。また、光受信器５４は、光信号を受信する受光部１３５、１３６における半導体基板１３４から垂直方向に離れた遠方側の層間膜３１の表面（半導体基板１３４と逆側の面）はレンズが形成されないので、光半導体装置である光受信器５４の小型化、低消費電力化、低コスト化が可能となった。さらに、２種の半導体装置である光送信器５３、光受信器５４を貼り合わせた実施の形態６の光半導体装置５０も小型化、低消費電力化、低コスト化が可能となった。
実施の形態７．
図２０は、本発明の実施の形態７による光半導体装置の断面構造を示す模式図である。図２１、図２２は、図２０の光半導体装置のウエハ製造工程を説明する図である。図２３は、図２０のフレネルレンズの上面形状を示す図である。実施の形態７の光半導体装置５０は、集積回路、赤外線受光部、フレネルレンズを備えた赤外線センサー等の高機能な光半導体装置の例である。実施の形態７の光半導体装置５０は、信号処理回路等の集積回路１０４、電源回路等の集積回路１０５が形成された半導体基板１５１、半導体基板１５１上に形成した赤外線受光部１５２、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１、層間膜３１の表面に設けられたポリシリコン又はアモルファスシリコン膜のフレネルレンズ１７１、フレネルレンズ１７１を覆うＳｉＮ膜の保護膜８１を備えている。赤外線受光部１５２は、赤外線を受光する平面受光構造部である。赤外線信号を受光する赤外線受光部は、赤外線の光信号を受光する受光部である。
実施の形態７の光半導体装置５０のウエハ製造工程を説明する。図２１に示すように、信号処理回路等の集積回路１０４、電源回路等の集積回路１０５が形成された半導体基板１５１の上に赤外線受光部１５２を形成する。集積回路１０４、１０５、赤外線受光部１５２が形成された半導体基板１５１は、レンズ形成前基板である。その後、実施の形態１で説明したように、平坦化されたＳｉＯ２系膜の層間膜３１を形成し、この層間膜３１の表面にフレネルレンズ１７１の材料となるポリシリコン又はアモルファスシリコンのシリコン膜１５３を形成する。シリコン膜１５３の膜厚は、０．１〜１．０μｍである。
次に、図２２に示すように、シリコン膜１５３の表面にフレネルレンズ１７１を形成するために、電子ビーム法（ＥＢ（Electron Beam）法）の多重露光によるフォトリソグラフィー技術にてフレネルレンズ形成用のレジストパターン１６１を作成する。レジストパターン１６１は、凸部１７２ａ、１７２ｂ、１７２ｃ、１７２ｄを残すように配置される。また、レジストパターン１６１は、隣接する凸部間の凹部の形状に合わせて、例えば凸部の高さが低い部分は膜厚が薄く、凸部の高さが高い部分は膜厚が厚くなるように階段状に形成される。また、レジストパターン１６１は、フレネルレンズ１７１の領域外のシリコン膜１５３が除去されるように配置されている。図２２に示すように、ドライエッチング法でフレネルレンズ１７１の凸部１７２ａ、１７２ｂ、１７２ｃ、１７２ｄを形成する。図２２では、フレネルレンズ１７１の凸部のエッチング途中を示しており、凸部がエッチングイオン１５によってエッチングされるに従って、凸部の高さが低い部分用のレジストが徐々に消失してフレネルレンズ１７１の凸部にレジストパターン１６１が残っている状態を示した。
フレネルレンズ１７１の上面形状は、例えば図２３のように同心円状形状である。フレネルレンズ１７１の上面形状は、図２３のように同心円状形状が通常用いられる。また、フレネルレンズ１７１の上面形状は、図９、図１０と同様に、正方形の４隅に曲率を設けた形状、長方形の４隅に曲率を設けた形状でもよく、他の形状でもよい。赤外線受光部１５２の形状によりフレネルレンズ１７１の形状を選択する。レジストパターン１６１は、フレネルレンズ１７１の上面形状に合わせて、レジスト残し幅が微細に形成される。図２３の上面形状を形成するためのレジストパターン１６１は、中央の凸部１７２ａを形成するためのレジスト残し幅が他の凸部１７２ｂ、１７２ｃ、１７２ｄ用のレジスト残し幅よりも広くなり、凸部１７２ｂ、１７２ｃ、１７２ｄを形成するためのレジスト残し幅が徐々に狭くなるように形成される。
フレネルレンズ１７１のエッチング工程が終了し、レジストパターン１６１を除去した後に、耐湿性確保のためにＳｉＯ２系膜の層間膜３１よりも屈折率の大きな膜厚１．０〜３．０μｍのＳｉＮ膜である保護膜８１を、フレネルレンズ１７１及び層間膜３１を覆おうようにＣＶＤ法等により成膜し、平坦化する。なお、フレネルレンズ１７１は、ポリシリコン、アモルファスシリコン膜のようにシリコン元素を用いた例で説明したが、ゲルマニウム元素やゲルマニウムとシリコンの化合物から成る材料を用いても良い。
実施の形態７の光半導体装置５０の作用及び効果を説明する。波長入が１．１〜１．５μｍの赤外線信号１７３ａは平坦化されたＳｉＮ膜の保護膜８１に入射し、保護膜８１の下部のＳｉＯ２系膜の層間膜３１の表面に形成されたフレネルレンズ１７１により収束された赤外線信号１７３ｂが赤外線受光部１５２にて受光される。保護膜８１の屈折率が１．９で、層間膜３１の屈折率が１．４であるので、実施の形態７の光半導体装置５０は広角度の赤外線信号を収束することが可能となり、これにより微弱な信号も検知できる。また、実施の形態７の光半導体装置５０は、波長入が１．１〜１．５μｍ以外の不要な赤外線信号がフレネルレンズ１７１に反射されるか吸収されるので、不要な赤外線信号が赤外線受光部１５２には受光されず、特定波長、すなわち波長入が１．１〜１．５μｍの赤外線信号１７３ｂの受光感度が向上する。
受光した赤外線信号１７３ｂは半導体基板１５１に形成された信号処理回路等の集積回路１０４によりアナログ、又はデジタル信号処理され、赤外線発光対象物の存在、距離、位置を算出され、対象物の存在、距離、位置が光半導体装置５０の外部の他の制御系に伝達される。また、赤外線信号１７３ａ、１７３ｂの波長によってフレネルレンズ１７１の焦点距離を、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１の膜厚とフレネルレンズ１７１のパターンの同心円間隔及びドライエッチング深さとで調整する。また、実施の形態７の光半導体装置５０は、最上部に保護膜８１が存在するため、十分な耐湿性が確保されている。
従来の赤外線センサーでは赤外線集光レンズを用いないか外部レンズを外部パッケージに組み立てるモジュールの形態をとる必要があった。これとは異なり、実施の形態７の光半導体装置５０は、赤外線受光部１５２を備えた光半導体装置のウエハ製造工程でフレネルレンズ１７１を形成しているので、従来よりも製造工程が簡略化され、部品点数が少なくでき、小型化できる。実施の形態７の光半導体装置５０は、赤外線受光部１５２を備えた光半導体装置のウエハ製造工程でフレネルレンズ１７１を形成しているので、外部レンズを外部パッケージに組み立てる工程が削除でき、製造工程数が削減できる。実施の形態７の光半導体装置５０は、部品点数及び製造工程数が削減により、低コスト化が可能となる。さらに、実施の形態７の光半導体装置５０は、不要な赤外線を反射、又は吸収することで、高感度化、低消費電力化も可能となる。
実施の形態８．
図２４は本発明の実施の形態８によるフレネルレンズの上面形状を示す図であり、図２５は本発明の実施の形態８によるレンズアレイの上面形状を示す図である。図２６は本発明の実施の形態８による光半導体装置の上面を示す模式図であり、図２７は図２６の光半導体装置の断面構造を示す模式図である。図２７は図２６のＡ−Ａで切断した断面構造を示す模式図である。実施の形態８の光半導体装置５０は、正六角形のフレネルレンズアレイを備えた太陽電池セル等の光半導体装置の例である。実施の形態８の光半導体装置５０は、半導体基板である太陽電池セル基板１９１、太陽電池セル基板１９１に設けられた（形成された）太陽光を受光する受光部１９２、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１、層間膜３１の表面に設けられたフレネルレンズ１９３、フレネルレンズ１９３を覆うＳｉＮ膜の保護膜８１を備えている。実施の形態８の光半導体装置５０は、正六角形のフレネルレンズ１９３の直下に受光部１９２が存在するように、受光部１９２が太陽電池セル基板１９１の表面にパターンレイアウトされている。受光部１９２は、アバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等の平面受光構造部である。
フレネルレンズ１９３は、上面の外周１９５の形状が正六角形であり、同心円状に形成された４つの凸部１９４ａ、１９４ｂ、１９４ｃ、１９４ｄを備えている。凸部１９４ａ、１９４ｂ、１９４ｃ、１９４ｄは実施の形態１のフレネルレンズ６１の凸部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄと同様である。実施の形態８の光半導体装置５０の製造工程は、実施の形態１で説明した製造工程と同様である。
実施の形態８の光半導体装置５０の作用及び効果を説明する。太陽電池では太陽光の入射効率の向上が必要である。しかし実施の形態１で示したフレネルレンズの基本構造は同心環状構造であり、このような同心環状の上面形状では平面を埋めつくすことができない。そこで、フレネルレンズを太陽電池の受光用の光半導体装置である太陽電池セルに適用する場合には、フレネルレンズの単位形状を図２４のように正六角形とし、この正六角形のフレネルレンズ１９３を図２５のように段違いにアレイ形状にレイアウトすることで、太陽電池セルの面積を最大限活用することができ、すなわち太陽電池セルの面積に対する受光部１９２及びフレネルレンズ１９３を含む基本構造の充填割合（充填率）を向上させることができる。図２５に示したレンズアレイ１９６は、１３個のフレネルレンズ１９３が配置されている例である。
図２７に示すように、太陽光１７４ａは平坦化されたＳｉＮ膜の保護膜８１に入射し、保護膜８１の下部のＳｉＯ２系膜の層間膜３１に形成されたフレネルレンズ１９３により収束された太陽光１７４ｂが受光部１９２にて受光される。保護膜８１の屈折率が１．９で、層間膜３１の屈折率が１．４であるので、実施の形態８の光半導体装置５０は、従来のレンズを用いない太陽電池セルより広角度の太陽光を収束することが可能となる。また、実施の形態８の光半導体装置５０は、太陽光１７４ａ、１７４ｂの波長によってフレネルレンズ１９３の焦点距離を、ＳｉＯ２系膜の層間膜３１の膜厚とフレネルレンズ１９３のパターンの同心円間隔及びドライエッチング深さとで調整することで、太陽電池セルの太陽光吸収効率が向上する。また、実施の形態８の光半導体装置５０は、最上部に保護膜８１が存在するため、十分な耐湿性が確保されている。
なお、正六角形のフレネルレンズアレイを備えた光半導体装置５０の例として太陽電池セルについて説明したが、太陽光を受光する受光部１９２に限らず、他の光信号、赤外線信号等を受光する受光部に複数のフレネルレンズをアレイ状にレイアウトしてもよい。正六角形のフレネルレンズ１９３の直下に光信号、赤外線信号等を受光する受光部が配置された光半導体装置５０も、実施の形態８の光半導体装置５０と同等の作用を奏する。
実施の形態８の光半導体装置５０は、太陽電池セルのウエハ製造工程で正六角形のフレネルレンズ１９３を形成することで、太陽電池セル表面の受光面積を有効に活用できる。太陽電池に本実施の形態８のレンズ配置構成を適用すれば、面積当たりの太陽光の集光率を増大することが可能であり、太陽電池の電力変換効率の向上が可能となる。なお、正六角形のフレネルレンズ１９３の直下に光信号、赤外線信号等を受光する受光部又は及び光信号、赤外線信号等を発光する発光部が複数配置された光半導体装置５０は、受光部及びフレネルレンズを含む基本構造、発光部及びフレネルレンズを含む基本構造の充填割合（充填率）を向上させることができるができ、光半導体装置の面積を小さくすることができる。
なお、本発明は、矛盾のない範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
８ａ、８ｂ…光信号、９ａ、９ｂ…光信号、１１…半導体基板、１２…受光部、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ…光信号、１６…光信号、１７ａ、１７ｂ…光信号、２１…層間膜、３１…層間膜、５０…光半導体装置、５１…光送受信器、５２…光送受信器、５３…光送信器、５４…光受信器、６１、６１ａ、６１ｂ…フレネルレンズ、７１…保護膜、８１…保護膜、９１…発光部、１０１…半導体基板、１０２…発光部、１０３…受光部、１０４…集積回路、１０５…集積回路、１１３…層間膜、１１４…発光部、１１５…受光部、１２１…半導体基板、１２２…発光部（外部系発光部）、１２３…受光部（外部系受光部）、１３１…半導体基板、１３２…発光部、１３３…片側フレネルレンズ、１３５…受光部、１３６…受光部、１５１…半導体基板、１５２…赤外線受光部、１７１…フレネルレンズ、１７３ａ、１７３ｂ…赤外線信号（光信号）、１７４ａ、１７４ｂ…太陽光、１９１…太陽電池セル基板（半導体基板）、１９２…受光部、１９３…フレネルレンズ

Claims (7)

  1. 互いに光信号を通信する、第一の半導体基板に設けられた第一光送受信器及び第二の半導体基板に設けられた第二光送受信器を備えた光半導体装置であって、
    前記第一光送受信器は、
    前記第一の半導体基板と、前記第一の半導体基板に設けられた、光信号を受光する受光部と、前記光信号を発光する発光部と、前記第一の半導体基板及び前記受光部及び前記発光部を覆う第一の層間膜と、前記受光部及び前記発光部毎に設けられると共に前記第一の層間膜の前記第一の半導体基板から離れた側で平坦化された面に設けられた前記光信号が通過するフレネルレンズと、前記フレネルレンズ及び前記第一の層間膜を覆い、かつ前記第一の層間膜よりも屈折率が大きく、前記第一の層間膜から離れた側の面が平坦化された第一の保護膜と、を備え、
    前記第二光送受信器は、
    前記第二の半導体基板と、前記第二の半導体基板に設けられた、光信号を受光する受光部と、前記光信号を発光する発光部と、前記第二の半導体基板及び前記受光部及び前記発光部を覆う第二の層間膜と、前記受光部及び前記発光部毎に設けられると共に前記第二の層間膜の前記第二の半導体基板から離れた側で平坦化された面に設けられた前記光信号が通過するフレネルレンズと、前記フレネルレンズ及び前記第二の層間膜を覆い、かつ前記第二の層間膜よりも屈折率が大きく、前記第二の層間膜から離れた側の面が平坦化された第二の保護膜と、を備え、
    前記第一光送受信器の前記受光部と前記第二光送受信器の前記発光部とが対向し、かつ前記第一光送受信器の前記発光部と前記第二光送受信器の前記受光部とが対向するように配置され、
    前記第一光送受信器の前記第一の保護膜と前記第二光送受信器の前記第二の保護膜とが、直接貼り合わされ又は第三の層間膜を介して貼り合わされていることを特徴とする光半導体装置。
  2. 前記第一光送受信器は、前記第二光送受信器以外の外部系からの光信号を受光する外部系受光部、又は前記外部系に光信号を発光する外部系発光部である外部系光通信部を備えたことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
  3. 前記第一光送受信器は、前記第二光送受信器以外の外部系からの光信号を受光する外部系受光部、及び前記外部系に光信号を発光する外部系発光部を備えたことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
  4. 前記外部系光通信部は、前記外部系受光部であり、
    複数の前記外部系受光部が前記第一の半導体基板に設けられており、
    前記外部系受光部毎に設けられた前記フレネルレンズは、前記第一の半導体基板に平行な面の外周が正六角形であり、
    隣接する前記フレネルレンズは、前記外周が接するように配置されたことを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
  5. 複数の前記外部系受光部が前記第一の半導体基板に設けられており、
    前記外部系受光部毎に設けられた前記フレネルレンズは、前記第一の半導体基板に平行な面の外周が正六角形であり、
    隣接する前記フレネルレンズは、前記外周が接するように配置されたことを特徴とする請求項３記載の光半導体装置。
  6. 前記第一光送受信器は、前記第一の半導体基板に設けられた第一の集積回路を備え、
    前記第二光送受信器は、前記第二の半導体基板に設けられた第二の集積回路を備え、
    前記第一の集積回路及び前記第二の集積回路は、それぞれ前記受光部により受光された前記光信号を電気信号に変えて信号処理すると共に、前記発光部により発光される前記光信号の基となる電気信号を生成することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体装置。
  7. 複数の波長を含む光信号を同時または時間分割で発光する光送信器と、前記光送信器に対向するように配置され、前記光送信器からの前記光信号を前記波長に応じて受光する光受信器とを備え、
    前記光送信器は、
    第一の半導体基板と、前記第一の半導体基板に設けられた、前記光信号を発光する発光部と、前記第一の半導体基板及び前記発光部を覆う第一の層間膜と、前記第一の層間膜の前記第一の半導体基板から離れた側で平坦化された面に形成された前記光信号が通過する片側フレネルレンズと、前記片側フレネルレンズ及び前記第一の層間膜を覆い、かつ前記第一の層間膜よりも屈折率が大きく、前記第一の層間膜から離れた側の面が平坦化された第一の保護膜と、を備えており、
    前記光受信器は、
    第二の半導体基板と、前記第二の半導体基板に設けられた、前記光送信器の前記片側フレネルレンズにて各波長に応じて屈折角度が変更された前記光信号を受光する複数の受光部と、前記第二の半導体基板及び複数の前記受光部を覆う第二の層間膜と、を備え、
    前記光送信器の前記第一の保護膜と前記光受信器の前記第二の層間膜とが、直接貼り合わされ又は第三の層間膜を介して貼り合わされていることを特徴とする光半導体装置。
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