JPS6016757B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置に係り、特に高速動作する半導体回
路群を構成するに好適な半導体装置に関する。

近年、電子計算機の性能は半導体集積回路の高集積化に
より飛躍的な向上を遂げたが、大規模オンラインシステ
ムや計算機直接制御を行うプロセスコンピューター等の
分野に於いては、現状の性能では不充分であり、より高
速度で高信頼性の電子計算機が渇望されている。

ところで、電子計算機の動作速度を決定する要因として
は、半導体集積回路内に構成される論理素子の動作遅延
時間と、論理素子間を接続する配線の遅延時間とが挙げ
られるが、１ゲートあたり１０ナノセコンド以下の高速
論理素子が出現している今日では、論理素子よりむしろ
配線による遅延時間の制約が問題となって来る。即ち、
高周波信号に対して配線は容量とィンダクタンスの分布
定数線路として作用する為、信号波形の歪み、遅延、反
射等の信号伝達達特性の劣化の原因となる。このような
問題は、論理素子間を導体で接線する限りに於て、本質
的につきまとうものであるが、従釆技術に於いては主と
して回路部品を高密度に実装し配線のリアクタンス分を
少なくすることによってシステムの高速化を計る努力が
成されている。ところが、今日では、高密度実装が進ん
だ反面、微少導体の接続技術の困難、近接導体間に発生
する誘導雑音の影響といった、高密度化によって生じる
新たな問題に直面しており、このような観点に立つ限り
に於いて、かかる従来技術に基く電子計算機の動作速度
改善は既に限界に近いところまできていると云える。従
って、本発明の目的は上記従来技術の問題を克服し、半
導体相互間の信号の入出力を従来の露気信号に変えて光
信号を用いて行なう事に依り、システム内の信号伝達特
性を改善し、伝子計算機等のディジタルシステムの動作
速度を向上することを可能ならしめた新規の半導体装置
を提供するにある。

以下、図面に従って本発明の半導体装置を更に詳細に説
明する。

第１図及び第２図は本発明の一実施例に係る半導体装置
の正面及び側面断面図であり、各図を通じて、１はこの
半導体装置が具備すべき回路機能を備えた半導体べレツ
ト（以下、機能アレイと称す）、２は複数個の受光素子
を構成した半導体べレツト（以下、受光アレイと称す）
、３は複数個の発光素子を構成した半導体べレツト（以
下、発光アレイと称す）、４は前記各アレイ１，２，３
の回路素子を構成した面に設けられ、内部回路の入力信
号線、出力信号線、電源線等が接続される突起電極、５
はセラミツクウェーハー等の絶暴威基板、６は前記絶案
漆基板５の表面に前記突起電極４の位置に合わせて配置
され、相互配線の行なわれた平面電極、７はグラスフア
ィバ等の光伝送体で構成され、その一端を受光アレイ２
の各受光素子及び発光アレイ３の各発光素子に光学的に
接続され、他端を容器の外部に導出される光ガイド、８
は各アレイ１，２，３の電源線に接続され容器の外部に
導出される電源ピンである。

ちなみに、機能アレイ１の内部回路としては、入力信号
線と出力信号線を必要とすることを除けば任意の回路、
例えばメモリ回路、プロセツサ回路、マイクロコンピュ
ーター回路等を構成することができる。一方、前記各ア
レイ１，２，３は絶暴威基板５上の平面電極６にフェー
スダウンボンディングされるが、前記平面電極６の相互
配線により機能アレィーの各入力信号線は受光アレイ２
の各受光素子に接続され、機能アレイ１の各出力信号線
は発光アレイ３の各発光素子に蟻続される。かかる構成
によれば、容器の外部から、受光素子に接続された光ガ
イド７に光信号を与えることにより機能アレイ１の内部
回路を動作させる事が出来、また前記機能アレイ１の出
力を光信号によって発光素子に援綾された光ガイド７か
ら外部に導出することができる。

第３図は第１図、第２図に示した受光又は発光アレイと
光ガイドの結合部の詳細を説明する為の拡大断面図であ
り、同図中、２一３は受光又は発光アレイ、１０‘ま受
光面又は発光面、１３は不透明な合成樹脂、１４は透明
な合成樹脂である。

即ち、絶縁基板５にはしーザードリル等の方法により受
光素子又は発光素子の位置に合わせて導入孔が穿設され
、研摩してなめらかな終端面を有する光ガイド７が挿入
される。この光ガイド７は各アレイ２一３の表面と数十
ミクロンの僅かな間隙を保持したまま不透明な合成樹脂
１３によって絶縁基板５に固定される。なお、発光アレ
イ３においては「界面で光が反射するのを防ぐため、発
光アレイ３と光ガイド７との間にェポキシレジン等の屈
折率の高い透明な合成樹脂１４が充填される。ちなみに
、光ガイド終端の形状は、第２図に示したような平面形
状に限定されるものではなく、例えば半球状としてもよ
く、必要ならば平面な終織部の前部に微少なしンズを配
置してもよい。ところで、受光アレイ２はシリコンチツ
プの表面に電気的及び光学的に分離された受光素子を多
数集積して構成されるもので、半導体チツプの表面に構
成された単位素子の伝極配置図が第４図に示される。さ
らに、電極周辺のＰ層、Ｎ層の形成状況を説明するため
に、第４図Ａ−Ａ線でとった拡大断面図を第５図に、ま
たＢ−Ｂ線でとった拡大断面図を第６図に示す。各図を
通じて、１５はＰ形シリコン基板、１６は低抵抗Ｎ層、
１７はトランジスタ構成領域、１８は抵抗構成領域、１
９，２３，２４はＮ層、２０，２１はＰ層、２２はフオ
トダィオード構成領域、２５は低抵抗Ｐ層、２６はシリ
コン酸化膜、２７は金属、２８はアルミニウム電極、２
９は電源共通線、３０１ま出力線、３１‘まガラス被膜
をそれぞれ示すものである。かかる構成に於いて、シリ
コンチツプ上の単位素子が占有するスペースは約３００
×３００ミクロンであり、この範囲にフオトダィオード
、トランジスタ、抵抗等が各１個構成される。

この受光素子は周知の半導体集積回路の製造技術を利用
して、例えば以下に述べるような方法で作ることができ
る。まず、ェピタキシャル法等によってＰ形シリコン基
板１５の表面に比抵抗の小さいＮ十層、即ち低額抗Ｎ層
１６を一様に形成する。

次にトランジスタ構成領域１７と抵抗構成領域１８にＮ
層１９を選択拡散してェミツタと抵抗の一部を作り、さ
らに同領域１７，１８にＰ層２０，２１を選択拡散して
ベースＰ層２０と抵抗Ｐ層２１を作る。次にフオトダィ
オード構成領域２２とトランジスタ構成領域１７にＮ層
を選択拡散しカソードの一部となるＮ層２３とコレクタ
となるＮ層２４を作る。次に各領域の境界部分に比抵抗
の小さいＰ↓層、即ち低抵抗Ｐ層２５を選択拡散し各領
域のアィソレーションを行う。次にＰ形シリコン基板１
５の表面にシリコン酸化膜２６を生成した後、フオトダ
ィオードの受光部分の酸化膜をエツチングし金を約１０
０オングストローム蒸着してアノードとなる金層２７を
作る。さらに各回路素子の電極部分の酸化膜を再びエツ
チングしアルミニウムを蒸着してアルミニウム電極２８
を作ると共に電源共通線２９と出力線３０を取り出すた
めの配線を行なう。最後にＰ形シリコン基板１５の表面
に平坦で均一なガラス被膜３１を被服する。以上述べた
如くして形成された受光素子は第７図の等価回路で表わ
す事が出来る。

同図中、３２はコモン線、３３は電源線、３４はフオト
ダィオード、３５はトランジスタをそれぞれ示すもので
ある。かかる構成に於いて、今コモン線３２が低電位、
電源線３３が高電位となるように電圧を印加すると、フ
オトダィオード３４は逆方向にバイアスされる。

ここで、フオトダィオード３４に光が照射されると、そ
の光量に応じてフオトダィオードの逆方向の伝導度が増
し、トランジスタ３５のベース電流を供給するため、コ
レクタには光信号に応じた電気信号を得ることができる
ものである。第８図は以上述べた如き受光素子３６をＰ
形シリコン基板１５の表面に必要数構成して成る受光ア
レイ２の平面図である。同図に示される如く、ガラス被
膜３１の表面に構成されたアルミ蒸着により、各受光素
子３６の出力線３０は夫々個別に突起電極４一１に接続
され、各受光素子３６の電源線３３とコモン線３２は夫
々共通の電源引出線４０とコモン引出線４１にまとめら
れ突起電極４−２，４−３に接続される。

これに対して、発光アレイ３は半導体チツプの表面に電
気的及び光学的に分離された多数の発光素子を構成した
もので、その部分的な拡大断面図を第９図に示されるも
のである。

同図中、４４はＮ形ＣａＡｓＰ（ガリウムヒ素リン）基
板、４５はＰ層、４６はアルミ電極、４７はＰ層の島、
４８はガラス層をそれぞれ示すものである。かかる構成
において、発光素子単体の寸法は光ガイド７の内殻の外
蓬より小さく作られる。この発光素子は化学物半導体を
基体とした発光ダイオードの製造技術を駆使し、例えば
以下に述べるような方法で作ることができる。まず、Ｎ
形ＧａＡｓＰ基板４４の表面に１．５〜２ミクロンの浅
いＰ層４５を一様に形成した後、Ｎ層に到達するまで選
択的にエツチングしてメサ構造とし、Ｐ層に微少面積の
アルミ電極４６を形成する。

周囲に取り残されたＰ層の島４７はＧａ偽Ｐの光吸収係
数の大きいことを利用して隣接発光素子に光が回り込む
のを防ぐためのものである。次に表面全体にガラス層４
８を沈澱固着させて表面を平坦とした後、電極部分のガ
ラス層をエツチングしてアルミ電極を露出させ、真空蒸
着による配線を行う。このような発光素子は受光素子を
説明するために示した第８図の平面図に代表されるよう
に、半導体チツプの表面に必要数形成され、ガラス層表
面のアルミ黍着電極により突起電極４との間に必要な配
線を行ない、発光アレイ３を構成するものである事は云
うまでもない。

なお、これまで述べてきた受光アレイ２及び発光アレイ
３の構成、構造、製造方法は、本発明の理解を容易にす
るための一例に過ぎず、必要により任意に変えることが
できるものである事は勿論である。

例えば、これまでの説明では、受光アレイ２が受光素子
と増幅回路を含む構成を例示したが、この他にシュミツ
ト回路等の波形整形回路を含ませることも可能であり、
また発光アレイ３は発光ダィオードーこ代えてエネルギ
ー分布が負温度状態にある半導体レーザーで構成しても
よい。以上述べた如くして構成される半導体装置を組み
合わせてシステムを構成するとき、信号系路を分岐若し
くは結合しなければならない場合がある。従来の半導体
装置における分岐方法は信号供給側にファンアウトと称
される適度な駆動裕度を持たせ、この裕度内で直接ワイ
ヤリングによって行うことができた。また結合方法はあ
る特殊な場合を除きワイヤードオアと呼ばれる手法に代
表されるように、これも直接ワイヤリングによって行う
ことができた。これに対して、本発明に係る半導体装置
に於いては、以下の応用例に示される如き分岐及び結合
方式を採る事が可能である。最初に述べる応用例は受光
素子の高速動作と発光素子の低消費電力化を図る最適方
式に関して例示するものである。即ち、受光素子及び発
光素子に接続される光ガイドを１本に限定すると共に、
発光素子の光出力ェヌルギーを１個の受光素子しか駆動
し得ない値に限定したものである。この方式においては
、信号を分岐することによって減少した光エネルギーを
１個の受光素子を動作し得る値まで増幅してやらねばな
らない。第１０図はかかる要求を満足する為に構成され
た光信号を分岐する為の半導体装置（以下、分岐装置と
称す）の内部回路を示すものである。

かかる構成に於いて、光ガイド７−１から入力された光
信号は、フオトダィオード３４によって電気信号に変換
されると共に、ダーリントン接続たれた２個のトランジ
スタ５１，５２によって増幅され、３個の受光ダイオー
ド５３一１，５３一２，５３一３を同時に駆動する。こ
の結果、前記発光ダイオード５３一１，５３一２，５３
一３に接続された光ガイド７一２，７一３，７−４から
３系統の分岐された光信号が得られる。やお、上記応用
例は１系統の光信号を３系統に分岐する構成について例
示したが、発光ダイオード及びこれに接続された光ガイ
ドを増設することにより、更に多くの分岐が可能である
ことは言うまでもない。

また同種の分岐装置を枝状に接続して所要の分岐数を得
ることもできる。例えば、第１１図の系統図に示す如く
、３系統分岐装置５９ーー，５９一２を２個組み合わせ
ると５系統の出力６１−１〜６１一５を得ることができ
る。また第１２図の系統図に示す如く、３系統分岐装置
５９一１〜５９−４を４個組み合わせると、遅延時間の
そろった９系統の出力６１−３〜６１一１１を得ること
ができ・る。ところで、実際のシステムでは、回路の至
る所で信号の分岐が行なわれ、その個々の分岐数も一定
ではない。

したがって実際のシステムの中では、第１３図の系統図
に示す如く、数系統の分岐回路５９を数十〜数百個集積
して１個の分界皮装置とし、これをシステムの中に１個
〜数個配置するのが効果的である。この場合、システム
の各所に存在する分岐個所に援緩された光ガイドは全て
分岐装置へ集められ、分岐された後再び光ガイドによっ
て分岐個所へ戻される。ここで、分岐装置に集められた
光ガイドのうち、１個の分岐回路では分岐数が不足する
場合は、数個の分岐回路を占有し、これを例えば第１１
図又は第１２図に示す如く接続して必要な分岐数まで増
やすことができる。一方、光信号の減衰を伴なわない信
号系統の結合は、光の反射、屈折等を利用する光幾可学
的な方法によっても容易に行うことができる。

勿論、前記分岐装置の構成の一部を変えることによって
信号系統を結合するための半導体装置を構成し得ること
は明らかである。また、高速動作及び低消費電力化の要
求があまり厳しくないシステムにおいては、上に述べた
分岐装置を使用せずに、直接光ガイドを用いて信号系統
を分岐することができる。

第１４図はかかる方式を説明する為の発光アレイの部分
的な拡大断面図を示すもので、同図からも明らかな如く
、発光面積を大きくした１個の発光素子５３に複数の光
ガイド７を接続することによって位相のそろった分岐信
号を得る事が出来るものである。一方、第１４図の発光
素子５３に代えて受光素子を構成すると、複数の光信号
によって論理和演算を行なわせることができる。かかる
半導体装置を用いてシステムを構成する場合、不便用の
光ガイドは切り取って処理するか、或いは製造時に半導
体装置の容器に発光面に通ずる導入孔のみを穿設してお
き、システム構成時に分岐数に応じて複数の光ガイドを
挿入した後、不透明な合成樹脂等で固めるようにしても
よい。以上述べた如くして得られた本発明に係る半導体
装置の入出力は、従来の電気信号に代えて光信号によっ
て行う事となり、従って、当然その実装形態も従来とは
異つたものとなる。

第１５図は本発明に係る半導体装置の実装形態の１例を
示す立体図で、各半導体装置８２は電源ピン８によって
プリント板８４の電源パターン８５に接続されると共に
、半導体装置相互間は信号の入出力を行う多数の光ガイ
ド７に依って接続されている。

かかる半導体装置においては、従釆の組立工程で見られ
たような半田接続作業、或はワイヤラツピング作業に代
わり、例えばグラスフアィバ等の接続作業が行なわれる
事となる。グラスフアィバの接続に関して現在知られて
いる最も実用的な方法は、金属のチューブの両端からグ
ラスフアィバを挿入して位置合わせを行い、チューブの
両端をかしめてグラスフアィバを固定する方法、或はＶ
字形の案内溝にグラスフアィバを配置して相互の位置合
せを行いながらアーク放電によって直接落着する方法等
があり、これらの技術は光ガイド７の接続方法を容易な
らしめるものである。なお、上記実施例は受光アレイと
機能アレイを夫々異種の半導体チツプとした構成に関し
て例示したが、両者の基体は共にシリコン結晶体であり
、同一の製造プロセスを利用できることから、受光アレ
イと機能アレイを同一のチツプに構成することができる
事は勿論である。

事実、この方式は、在釆の半導体素蹟回路の汎用チツプ
を機能アレイとしてそのまま利用できないという問題を
除くと、半導体容器内に配置する信号接続用の導体が最
短となる為、高速動作を行なわせる上での最適方式とな
り得る。また、上記実施例では、機能アレイは１個に限
られていたが、複数の半導体チツプを相互配線した混成
集積回路を用いることもできる。

この場合受光アレイ及び発光アレイの接続先は１個の機
能アレイに限らず、複数の機能アレイ１となる。以上述
べた如く、本発明に依れば、通常の半導体べレツトと共
に受光アレイと発光アレイを容器に収納し、光伝送体を
各アレイに接続して容器の外部に導出することに依り、
半導体べレツトに対して光信号を用いた信号の入出力を
行い得る新規の半導体装置を実現出来るもので、以下に
述べる如き数多の利益を得る事が可能である。先ず、本
発明に係る半導体装置を用いる事に依り、電子計算機等
のディジタルシステムの高速動作が可能となる。

即ち、電気信号と光信号の伝播速度は本質的に同じであ
るが、電気伝導は高周波領域に於いてリアクタンス効果
が現われるため、配線が一種の遅延回路として作用し、
システムの高速動作に制限を与える。これに対して、光
信号の伝播にはリアクタンス効果が伴わない為、遅延を
伴なわず、従って光が伝播するのに極めて近い速度で信
号の伝送を行なう事が可能であり、システムの高速動作
が実現出来る。また、本発明に係る半導体装置に依れば
、システムの小形化が可能となる。

即ち、受光素子及び発光素子は半導体集積回路の微細加
工技術を駆使して作る事が出釆、一方光伝送体は外径数
十ミクロン〜数百ミクロンの微細な透明繊維を使用出来
ること等から、半導体装置自体の小形化が可能である。
加えて、光による信号伝送は、電気伝導のように隣接配
線への誘導作用がないため、光伝送体の高密度配線が可
能となり、従って、本発明に係る半導体装置によって構
成されるシステムの小形化を実現し得る。さらに、本発
明の半導体装置によれば、雑音に対して案定なシステム
を得ることができる。

周知のように、発光素子と受光素子を光学的に結合した
４端子回路、即ちフオトカプラは発光素子のしきい値特
性と信号伝達の一方向性を利用して主にディジタルシス
テムのノイズサブレツサそして使用されている。本発明
に係る半導体装置によって構成される全ての受光素子と
発光素子の光結合回路は、かかる４端子回路と同様のノ
イズサブレツサとして作用するため、雑音に対して安定
なシステムを得ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例に係る半導体装置
の正面及び側面断面図、第３図は受光又は発光アレイと
光ガイドの結合部の詳細を説明する為の拡大断面図、第
４図は半導体チツプの表面に構成される単位素子の電極
配置図、第５図は第４図のＡ−Ａ線でとった拡大断面図
、第６図は第４図のＢ−Ｂ線でとった拡大断面図、第７
図は受光素子の等価回路を示す接続図、第８図は受光素
子の配置状況等を説明するために示した受光アレイの平
面図、第９図は発光アレイの部分的拡大断面図、第１０
図は本発明の応用例として示される光信号の分岐を行な
う半導体装置の内部回路図、第１１図及び第１２図は第
１０図に示された分岐装置を複数個接続して分岐数を増
す方式を説明する為のブロツク線図、第１３図は第１の
図に示された分岐装置を独立して複数個収納した半導体
装置のブロツク線図、第１４図は発光アレイに光ガイド
を接続する他の方式を説明する為の部分的拡大断面図、
第１５図は本発明に係る半導体装置の実装形態の一例を
示す立体図である。 １・・・・・・機能アレイ、２・・・・・・受光アレイ
、３・・…・発光アレイ、４・・・・・・突起電極「
５・・・・・・絶縁基板、６・・・・・・平面電極、７
・・・・・・光ガイド、８・・・・・・電源ピン、１３
・・・・・・不透明な合成樹脂、１４・・・・・・透明
な合成樹脂、１５・・・・・・Ｐ形シリコン基板、１７
・・・・・・トランジスタ構成領域、１８・・・・・・
抵抗構成領域、２２……フオトダィオード構成領域、４
４・・・・・・Ｎ形Ｇａ偽Ｐ基板。 弟１図 弟Ｚ図 第３図 第４図 弟り図 努６図 弟７図 第８図 第９図 弟ＪＯ図 弟ＪＪ図 弟」２図 弟 Ｊ．３図 弟Ｊ４図 弟Ｊｊ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体ペレツトに構成された受光素子の出力信号を
   別の半導体ペレツトに構成された内部回路の入力へ与え
   る手段と、前記内部回路の出力信号によつてさらに別の
   半導体ペレツトに構成された受光素子を駆動する手段と
   、前記受光素子と発光素子の各々と光学的に結合される
   光伝送体と、前記半導体チツプを収納すると共に前記光
   伝送体を外部に導出する容器とから成る事を特徴とする
   半導体装置。 ２ 半導体ペレツトに構成された受光素子の出力信号を
   同ペレツトに構成され前記受光素子を構成する回路とは
   異なる内部回路の入力に与える手段と、前記内部回路の
   出力信号によつて別の半導体ペレツトに構成された受光
   素子を駆動する手段と、前記受光素子と発光素子の各々
   と光学的に結合される光伝送体と、前記半導体チツプを
   収納すると共に前記光伝送体を外部に導出する容器とか
   ら成る事を特徴とする半導体装置。 ３ 特許請求の範囲第１項及び第２項に記載の半導体装
   置に於て、前記内部回路を構成する半導体ペレツトを２
   個以上の半導体ペレツトを相互配線して成る混成集積回
   路とした事を特徴とする半導体装置。