JPS592361A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）発明の技術分野 本発明は半導体装置、詳しくは光を信号伝達に利用する
３次元大規Ｗ４集積回路（ＬＳＩ）に関する。

（２）技術の背景 光を信号伝達に利用した光集積回路（以下光ＩＣと記す
）は将来の半導体集積回路の中心となるものとして注目
されている。

光ＩＣは、基板上に光素子と電気的素子とを構成要素と
して回路を形成した半導体装置であり、当該半導体装置
における情報伝達では、電気信号には通富の金属（例え
ばアルミニウム）配線を、また光信号には光ガイドと呼
ばれる光の伝達通路を使用する。

（３）従来技術と問題点 （２） 上記した光ＩＣの情報伝達方法においては１．素子が増
加するにつれて配線が複雑となり、半導体装置製造上に
大きな障害となる。

第１図は従来の光ガイドを説明するための図で、当該光
ガイドは物質の誘電率の相違による光の反射を利用した
光伝達回路である。すなわち同図（ａｌに示す如く、例
えば二酸化シリコン（Ｓｉｏ２）基体ｌにイオン注入法
により不純物を注入して誘電率の異なる光ガイド２を形
成する。

上記光ガイド２内を伝わる光は、同図（ｂ）に示す如く
、全反射をくり返し、例えば光ガイド２の途中に設けら
れた電圧印加により誘電率が変化する光スィッチ３によ
り、光ガイド２ａもしくは光ガイド２ｂの光回路へとそ
の伝達方向が制御され、受光素子へと導びかれる。

ところで、上述した光ガイドを使用する光ＩＣにおいて
は、基板上に形成する素子の増加にともない、電気回路
と光回路における配線構造が複雑となり、配線の多層構
造化、また装置表面形状が凹凸状になることなどによる
製造工程の複雑化、（３） および配線に対し多くの面積を要することから集積化が
妨げられるなどの問題点がある。

（４）発明の目的 本発明の目的は上記従来の問題点に鑑み、光ＩＣにおい
て光ガイドを使用せず、従って複雑な配線構造を必要と
しない半導体装置の提供を目的とする。

（５）発明の構成 そしてこの目的は本発明によれば、光ＩＣの絶縁基板に
は使用する光に対して透明なものを用意し、当該基板を
して光信号伝達の媒体とし、さらに該基板の裏側の面を
凹凸にまたは鏡面に形成して、基板表面上の発光素子か
ら出た光を前記裏面で乱反射させまたは特定方向に反射
させ、当該反射光を基板表面に設けたすべてのまたは特
定の受光素子で検出することを特徴とする半導体装置を
提供することによって達成される。

（６）発明の実施例 以下、本発明の実施例を図面によって詳述する。

（４） 第２図は本発明の１つの実施例を説明するための半導体
装置要部の断面図で、同図を参照すると、例えばサファ
イヤの如き！＠縁基板２１上には多層構造の光ＩＣが形
成され、基板２１の裏面（図に見て下方）には乱反射効
率を向上するため、例えばアルミナの微粒子を含んだ空
気を吹きつける方法（サンドブラスト）によって、表面
に不規則な凹凸形状を形成し、その上にアルミニウムの
薄膜２２を形成する。なお同図において２３ａ　、　２
３ｂばシリコン基板、２４は層間絶縁膜、Ｐｅｌ　、Ｐ
ｅ２は例えばＧａ１ｎＡｓＰ　／　ＩｎＰレーザダイオ
ードもしくはＧａＡｓＰ／ＧａＰ発光ダイオードの如き
発光素子、Ｐｄｌ、Ｐｄ２　、Ｐｄ３は（ＧａＡｊり＾
ｓ／ＧａＡｓホトトランジスタ、ＩｎＧａＡｓＰ　／　
ＩｎＰホトダイオードおよびシリコン・インパッド・ダ
イオードの如き受光素子を示し、これらはいずれも通常
の技術によって形成されうるものである。

なお上記シリコン基板２３ａ　、２３ｂ上にはいずれも
電気的大規模集積回路（ＬＳＩ）が形成され、基板２３
ａ上にはサファイヤによるＳ０１　（ｓｉｌｉｃｏｎ（
５） ｏｎ　１ｎｓｕｌａｔｏｒ）　ＭＯＳ　ＩＣ％　２３ｂ
上にはレーザによる５０１　ＭＯＳ−ＩＣが形成され、
必要があれば層間絶縁膜２４に穴をあけて、第１層と２
層とを電気的に接続する。また上記層間絶縁膜２４には
例えば化学気相成長（Ｃシロ）法による二酸化シリコン
（ＳｉＯｚ）膜を使用する。

上述した構造の半導体装置において、発光素子Ｐｅｌか
ら出た光はその光に対して透明なサファイヤ基板２１内
を進み、アルミニウム薄膜２２の上の凹凸表面で散乱さ
れる。この散乱光は再び基板２１内を進み、受光素子Ｐ
ｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３およびチップ全体に到達するが、
ＴＳＳ　　（ｔｉｍｅ　ｓｈａｒｉｎｇ　５ｙｓ−ｔｅ
＋ｎ　）により検出に選択性をもたせることが可能であ
る。なお眉間絶縁膜２４に光に対して透明なものを選択
すれば、第２層の基板２３ｂにもＰｄ２の如く受光素子
を形成することができる。

第３図は他の実施例を説明するための半導体装置要部の
断面図で、同図（δ）を参照すると、例えばサファイヤ
の如き絶縁基板３１の裏面に鏡面をつくり、反射効率を
向上させるためのアルミニウム（６） 膜３２を形成し、基板表面には第２図に示した実施例の
場合と同様に受光素子Ｐｄ　（例えば（ＧａＡＡ）Ａｓ
／ＧａＡｓホトトランジスタ）および発光素子（例えば
Ｇａ１ｎＡｓＰ　／　ＩｎＰレーザダイオード）　Ｐｅ
を形成する。

、］二達した構造においては、発光素子Ｐｅから出たレ
ーザ光は、鏡面によって反射され、受光素子Ｐｄに到達
するが、この場合レーザ光は鏡面で反射の法則に従うた
め、受光素子Ｐｄをあらかじめ反射光の到達する位置に
、また入射光が特定の角度をもって基板３１に入射する
ように発光素子Ｐｅを配置する。

同図（ｂｌは」二記実施例の変形例で、鏡面の形を同図
３２ａで示すように形成し、発光素子Ｐｅからのレーザ
光の入射角度を基板３１の表面に対し垂直とするもので
、このようにすることにより発光素子Ｐｅの形成が容易
となる。

以上に説明した３つの実施例において基板の裏側にアル
ミニウム薄膜を形成した理由は、発光素子からの光がす
べて反射されることを保障する（７） ためであり、従って材料はアルミニウムに限定されるも
のでない。

なお上記１ａｌ、山）の実施例において、基板３１の表
面には図示した光素子以外に該光素子を駆動し、またこ
れらからの信号を受ける電気的集積回路を形成する。

上記実施例においては基板としてサファイヤを用いたが
、光の伝達媒体としての目的を達成するもの、すなわち
使用される光に対し透明なものであれば、これに限定さ
れるものでなく、例えば石英基板を用いても本発明の目
的は達成される。

（７）発明の効果 以上詳細に説明した如く、本発明によれば、光ＩＣにお
いて複雑な光ガイド−の配線を必要としないため、集積
度の向上および製造工程の短縮が可能となり、また光伝
達媒体として均−質の絶縁性基板を使用するため寄生容
量の発生が防止され、信号伝達速度の向上を針るに効果
大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光ガイドを説明するための図、（８） 第２図および第３図は本発明実施例を説明するための半
導体装置要部断面図である。 １−＝二酸化シリコン基体、２．２ａ、　２ｂ−光ガイ
１！、３−光スイツチ、２１．３１−絶縁基板、２２．
３２．３２ａ−アルミニウム膜２３ａ、２３ｂ　−シリ
コン層、２４−・層間絶縁膜、ＰＥ１％　Ｐｅｌ　、Ｐ
ｅ２−発光素子、Ｐｄ、　Ｐｄｌ　、　Ｐｄ２　、Ｐｄ
３−受光素子２８１ Ｎ 山　　　　　　　−へ １”Ｊ（’１　Ｎ −へ 内　　　　　内 ｆｉ ＼

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）絶縁基板上に１層以上の光集積回路を形成してな
   る３次元集積回路において、前記絶縁基板を光信号伝達
   媒体とし、当該基板裏面で基板表面上の発光素子からの
   入射光を反射し、反射した光を前記基板上の受光素子に
   より検出することを特徴とする半導体装置。 （２）前記絶縁基板裏面を平坦な鏡面とし、この鏡面に
   より、基板表面上の発光素子から絶縁基板内に入射した
   光を規則的に反射し、反射した光を前記基板上の特定位
   置の受光素子により検出することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の半導体装置。 （３）前記鏡面に規則的な凹凸形状を設け、当該凹凸形
   状部によって特定の入射光のみを反射させることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の反導体装置。 （１） （４）前記鏡面に不規則な凹凸を形成し、該凹凸面で前
   記入射光を乱反射させて、該乱反射光を複数の受光素子
   へ入射させるようにしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の半導体装置。