WO2019102605A1 - 光半導体装置 - Google Patents

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WO2019102605A1
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light
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semiconductor device
light receiving
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藤田　光一
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention is a semiconductor including an optical element such as a flat light receiving semiconductor device for receiving (receiving) light, a flat light emitting semiconductor device for emitting (transmitting) light, a flat light receiving element for receiving light, and a flat light emitting element for emitting light.
  • the present invention relates to an optical semiconductor device that is a semiconductor device that handles light, which is a device or the like.
  • Patent Document 1 a light emitting element, a position detection light receiving element, and an integrated circuit for control processing are mounted on a lead frame, and a light emitting side lens and a light receiving side lens are combined above the light emitting element and the position detection light receiving element,
  • An optical distance sensor in the form of a hybrid integrated circuit (module) is disclosed.
  • an optical element and an electrical function element are formed on an epitaxial layer of a semiconductor substrate, a cap substrate on which a micro lens is formed is disposed above the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate and the cap substrate are formed on the outer peripheral side
  • An optical semiconductor device semiconductor device
  • the inside of which is sealed by the sealed structure that is, in the form of a hybrid integrated circuit (module).
  • Patent Document 3 an integrated circuit component and a photoelectric conversion element are embedded by heating and pressurizing in an organic film on which a wiring pattern is formed, and a light receiving module in which a convex lens is formed on the organic film surface above the photoelectric conversion element is disclosed. It is disclosed.
  • Patent Document 4 discloses an infrared light receiving integrated circuit in which a lens is formed on the back surface of a silicon wafer on which an infrared light receiving element is mounted.
  • Patent No. 4984170 Patent 4152684 (figure 3) Japanese Patent Application Publication No. 2016-526155
  • the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to obtain an optical semiconductor device capable of reducing the number of parts and the number of manufacturing processes and capable of downsizing.
  • the optical semiconductor device includes a semiconductor substrate, a light receiving unit provided on the semiconductor substrate for receiving an optical signal or an optical communication unit as a light emitting unit for emitting an optical signal, and an interlayer covering the semiconductor substrate and the optical communication unit.
  • a Fresnel lens through which an optical signal passes is provided on a planarized surface of an interlayer covering an optical communication unit that receives or emits an optical signal, and the Fresnel lens and the interlayer are planarized. Since the protective film covers, the number of parts and the number of manufacturing processes can be reduced and the size can be reduced.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the cross-section of the optical semiconductor device by Embodiment 1 of this invention. It is a figure explaining the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device of FIG. It is a figure explaining the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device of FIG. It is a figure explaining the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device of FIG. It is a figure explaining the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device of FIG. It is a figure explaining the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device of FIG. It is a figure explaining the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device of FIG. It is a figure which shows the 1st example of the upper surface shape of the Fresnel lens of FIG.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a cross-sectional structure of an optical semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 2 to 7 are views for explaining the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device of FIG. 8 to 10 show first to third examples of the top surface shape of the Fresnel lens of FIG.
  • the optical semiconductor device 50 according to the first embodiment is provided on the surface of the semiconductor substrate 11, the light receiving unit 12 for receiving the optical signals 8 a and 8 b provided on the semiconductor substrate 11, the interlayer film 31 of the SiO 2 film, and the interlayer film 31.
  • the Fresnel lens 61 and the protective film 81 of the SiN film covering the Fresnel lens 61 are provided.
  • the semiconductor substrate 11 is a semiconductor substrate made of a single element or a compound.
  • the light receiving unit is a receiving unit having a receiving function in an optical communication unit that communicates an optical signal.
  • the light receiving unit 12 is formed on the semiconductor substrate 11 as a substrate manufacturing process before lens formation.
  • the semiconductor substrate 11 on which the light receiving unit 12 is formed is a substrate before lens formation.
  • the interlayer film 21 is formed.
  • the interlayer film 21 has unevenness on the surface of the interlayer film 21 depending on the thickness of the light receiving portion 12 and the wiring electrode (not shown) formed on the lower semiconductor substrate 11. As shown in FIG. 4, the surface of the interlayer film 21 is polished by a CMP (Chemical Mechanical Polish) method (chemical mechanical polish method) to planarize the film thickness to 0.5 to 3.0 ⁇ m.
  • CMP Chemical Mechanical Polish
  • 31 The symbol of the planarized interlayer film 21 is denoted by 31.
  • the surface of the light receiving unit 12 and the surface of the semiconductor substrate 11 are flat, but the surface of the light receiving unit 12 is higher than the surface of the semiconductor substrate 11 (the side of the Fresnel lens 61 , Or the surface of the light receiving portion 12 may be at a position lower than the surface of the semiconductor substrate 11 (a position approaching the back surface side of the semiconductor substrate 11).
  • a resist pattern 41 for forming a Fresnel lens is formed by photolithography technology by multiple exposure of electron beam method (EB (Electron Beam) method).
  • EB electron beam method
  • the resist pattern 41 is formed in a step-like manner so that, for example, the film thickness of the deep portion of the concave portion is thin and the film thickness of the shallow portion of the concave portion is thick in accordance with the shape of the concave portion of the Fresnel lens 61. As shown in FIG.
  • the concave portions of the Fresnel lens 61 are formed in the interlayer film 31 by dry etching to form the convex portions 62a, 62b, 62c and 62d.
  • FIG. 15 shows the etching process of the concave portion of the Fresnel lens 61. As the concave portion is etched by the etching ions 15, the resist for the deep portion of the concave portion gradually disappears, and the resist pattern on the convex portion of the Fresnel lens 61 It showed the state where 41 remained.
  • a Fresnel lens 61 having convex portions 62a, 62b, 62c and 62d as shown in FIG. 6 is formed on the surface of the interlayer film 31.
  • the top surface shape of the Fresnel lens 61 is shown in FIG. 8 to FIG.
  • the first example of FIG. 8 is a concentric shape
  • the second example of FIG. 9 is a shape having curvatures at four corners of a square
  • the third example of FIG. 10 has a shape having curvatures at four corners of a rectangle It is.
  • the top shapes of the first to third examples are all concentric annular shapes.
  • the upper surface shape of the Fresnel lens 61 is selected from the shape of the second example, the shape of the third example, and other shapes according to the shape of the light receiving portion 12.
  • the resist pattern 41 has a minute resist remaining width in accordance with the upper surface shape of the Fresnel lens 61.
  • the resist remaining width for forming the central convex portion 62a is wider than the resist remaining width for the other convex portions 62b, 62c and 62d.
  • the resist remaining width for forming the convex portions 62b, 62c, and 62d is formed to be gradually narrowed.
  • the film thickness is 1.0 to 3.0 ⁇ m, which has a larger refractive index than the interlayer film 31 of the SiO 2 film to ensure moisture resistance.
  • a protective film 71 which is a SiN film (silicon nitride film) is formed by a CVD method or the like so as to cover the interlayer film 31 on which the Fresnel lens 61 is formed.
  • the surface of the protective film 71 has an uneven shape due to the uneven shape of the lower Fresnel lens 61.
  • the protective film 71 covers the SiO 2 film, which is quartz glass, and may be called a glass coating film.
  • the surface of the protective film 71 having the uneven shape is polished by a CMP method to planarize the film thickness to 0.5 to 1.0 ⁇ m.
  • the optical semiconductor device 50 in which the protective film 71 is planarized and the wafer manufacturing process is completed is shown in FIG.
  • symbol of the planarized protective film 71 was described with 81.
  • the optical semiconductor device 50 of the first embodiment has a wider angle than that of the APD using the conventional SiO 2 single layer lens.
  • the light of the first embodiment is adjusted by adjusting the focal length of the Fresnel lens 61 by the film thickness of the interlayer film 31 and the concentric interval of the pattern of the Fresnel lens 61 and the dry etching depth according to the wavelengths of the optical signals 8a and 8b.
  • the semiconductor device 50 can improve the light receiving sensitivity of the light receiving unit 12. Further, in the optical semiconductor device 50 of the first embodiment, since the protective film 81 is present at the top, sufficient moisture resistance is secured.
  • the concentric circle interval of the pattern of the Fresnel lens 61 corresponds to the width of the convex portions 62 b, 62 c, 62 d.
  • the upper surface shape of the Fresnel lens 61 shown in FIG. 8 will be described.
  • the central circle (first circle) is the outer circumference circle of the convex portion 62a (inner circumference circle of the convex portion 62b), and the outer circle (second circle) is the outer circumference circle of the convex portion 62b (within the convex portion 62c)
  • the third circle (third circle) on the outer side is the outer circumference circle (inner circumference circle of the convex portion 62d) of the convex portion 62c
  • the fourth circle (fourth circle) which is the outermost circumference Is an outer peripheral circle of the convex portion 62d.
  • the distance between the first circle and the second circle of the pattern of the Fresnel lens 61 in FIG. 8 corresponds to the width of the convex portion 62 b.
  • the distance between the second circle and the third circle corresponds to the width of the convex portion 62c
  • the distance between the third circle and the fourth circle corresponds to the width of the convex portion 62d.
  • the optical semiconductor device 50 according to the first embodiment differs from the conventional APD in which it is necessary to assemble an optical semiconductor device for light reception and an external lens into an external package, and the Fresnel lens 61 is used in the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device for light reception. Since it is formed, the number of parts can be reduced compared to the prior art, and the size can be reduced. Further, in the optical semiconductor device 50 of the first embodiment, since the Fresnel lens 61 is formed in the wafer manufacturing process of the semiconductor device for light reception, the process of assembling the external lens to the external package can be eliminated and the number of manufacturing processes is reduced. it can. In the optical semiconductor device 50 according to the first embodiment, the cost can be reduced because the number of parts and the number of manufacturing processes are reduced. Furthermore, in the optical semiconductor device 50 according to the first embodiment, the light receiving sensitivity is improved, so that the power consumption can be reduced.
  • the optical semiconductor device 50 includes the semiconductor substrate 11, the optical communication unit as the light receiving unit 12 provided on the semiconductor substrate 11 for receiving the optical signals 8 a and 8 b, and the semiconductor substrate 11. And a Fresnel lens 61 through which optical signals 8a and 8b provided on the surface of the interlayer film 31 which is flattened on the side away from the semiconductor substrate 11 passes; And a protective film 81 covering the film 31 and having a refractive index larger than that of the interlayer film 31 and having a flat surface on the side away from the interlayer film 31.
  • the Fresnel lens 61 through which the optical signals 8a and 8b pass is formed on the planarized surface of the interlayer film 31 covering the optical communication unit that receives (or emits) the optical signals 8a and 8b. Since the provided protective film 81 covers the Fresnel lens 61 and the interlayer film 31, the number of parts and the number of manufacturing steps can be reduced, and the size can be reduced.
  • FIG. 11 is a schematic view showing a cross-sectional structure of the optical semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • the optical semiconductor device 50 of Embodiment 2 is an example of a light emitting semiconductor device such as a laser diode or a light emitting diode.
  • the optical semiconductor device 50 of the second embodiment is provided on the surfaces of the semiconductor substrate 11, the light emitting unit 91 for emitting the optical signals 9 a and 9 b provided on the semiconductor substrate 11, the interlayer film 31 of the SiO 2 based film, and the interlayer film 31.
  • the Fresnel lens 61 and the protective film 81 of the SiN film covering the Fresnel lens 61 are provided.
  • the light emitting unit is a transmitting unit having a transmitting function in an optical communication unit that communicates an optical signal.
  • the optical semiconductor device 50 of the second embodiment is different from the optical semiconductor device 50 of the first embodiment in that a light emitting portion 91 is formed on the semiconductor substrate 11 instead of the light receiving portion 12.
  • the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device 50 of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • the light emitting portion 91 is formed on the semiconductor substrate 11.
  • the semiconductor substrate 11 on which the light emitting unit 91 is formed is a substrate before lens formation.
  • the optical semiconductor device 50 of the second embodiment will be described.
  • the semiconductor device for light emission such as a laser diode or a light emitting diode shown in FIG. 11
  • the light signal 9a emitted from the light emitting portion 91 is refracted by the Fresnel lens 61 formed in the interlayer film 31 of the SiO.sub.2-based film It passes through the protective film 81 of the SiN film formed in the above, and is released outside. Since the refractive index of the protective film 81 is 1.9 and the refractive index of the protective film 81 is larger than the refractive index 1.4 of the interlayer film 31, the optical signal is further on the center side at the boundary between the interlayer film 31 and the protective film 81.
  • the light signals 9a and 9b can be prevented from being dispersed or reduced.
  • the optical semiconductor device 50 of the second embodiment differs from the conventional optical semiconductor device in which it is necessary to assemble the light emitting semiconductor device and the external lens into an external package, and the Fresnel lens 61 is used in the wafer manufacturing process of the light emitting semiconductor device. Since it is formed, the number of parts can be reduced compared to the prior art, and the size can be reduced. Further, in the optical semiconductor device 50 of the second embodiment, since the Fresnel lens 61 is formed in the wafer manufacturing process of the semiconductor device for light emission, the process of assembling the external lens to the external package can be eliminated and the number of manufacturing processes is reduced. it can. In the optical semiconductor device 50 according to the second embodiment, the cost can be reduced by reducing the number of parts and the number of manufacturing processes. Furthermore, since the optical semiconductor device 50 of the second embodiment can prevent the dispersion and reduction of the optical signals 9a and 9b, the power consumption can also be reduced.
  • the optical semiconductor device 50 includes the semiconductor substrate 11 and the optical communication unit, which is the light emitting unit 91 that emits the optical signals 9 a and 9 b, provided on the semiconductor substrate 11, and the semiconductor substrate 11. And the Fresnel lens 61 through which the optical signals 9a and 9b provided on the surface of the interlayer film 31 which is flattened away from the semiconductor substrate 11 pass, the Fresnel lens 61, and the interlayer And a protective film 81 covering the film 31 and having a refractive index larger than that of the interlayer film 31 and having a flat surface on the side away from the interlayer film 31.
  • the Fresnel lens 61 through which the optical signals 9a and 9b pass is provided on the planarized surface of the interlayer film 31 covering the optical communication unit that emits the optical signals 9a and 9b. Since the planarized protective film 81 covers the layers 61 and the interlayer film 31, the number of parts and the number of manufacturing steps can be reduced and the size can be reduced.
  • FIG. 12 is a schematic view showing the cross-sectional structure of the optical semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
  • the optical semiconductor device 50 according to the third embodiment is an example of a high-performance optical semiconductor device such as an integrated circuit, a light emitting unit, and a light sensor including a light receiving unit.
  • the optical semiconductor device 50 according to the third embodiment includes (formed or mounted) an integrated circuit 104 such as a signal processing circuit, a semiconductor substrate 101 on which an integrated circuit 105 such as a power supply circuit is formed, and the semiconductor substrate 101.
  • the light emitting unit 102 is a flat light emitting structure such as a laser diode or a light emitting diode.
  • the light receiving unit 103 is a flat light receiving structure such as an avalanche photo diode (APD).
  • APD avalanche photo diode
  • the Fresnel lens 61 a is a Fresnel lens for light reception formed on the upper portion of the light receiving unit 103, that is, the surface of the interlayer film 31 (the surface on the opposite side to the semiconductor substrate 101).
  • the Fresnel lens 61 b is a Fresnel lens for light emission formed on the top of the light emitting unit 102, that is, the surface of the interlayer film 31 (the surface on the opposite side to the semiconductor substrate 101).
  • 61 is generally used, and 61a and 61b are used for distinction.
  • the integrated circuit 104 converts the light signals 8a and 8b received by the light receiving unit 103 into electric signals and performs signal processing, or generates an electric signal to be a basis of the light signals 9a and 9b emitted by the light emitting unit 102.
  • the optical semiconductor device 50 of the third embodiment differs from the optical semiconductor device 50 of the first embodiment in that the light emitting portion 102 and the integrated circuits 104 and 105 are formed on the semiconductor substrate 101 together with the light receiving portion 103.
  • the manufacturing processes of the planarized interlayer film 31, the Fresnel lens 61, and the planarized protective film 81 in the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device 50 of the third embodiment are the same as those of the first embodiment.
  • the integrated circuits 104 and 105 are formed on the semiconductor substrate 101, and then the light emitting unit 102 and the light receiving unit 103 are formed or mounted on the semiconductor substrate 101.
  • the semiconductor substrate 11 on which the integrated circuits 104 and 105 are formed and the light emitting unit 102 and the light receiving unit 103 are formed or mounted is a substrate before lens formation.
  • the planar light emitting structure and the planar light receiving structure formed in a chip shape are mounted on the semiconductor substrate 101. Since the integrated circuits 104 and 105 are formed, for example, on the back side of the paper surface in FIG.
  • the optical signal 9a emitted from the light emitting unit 102 which is a flat light emitting structure such as a laser diode or a light emitting diode shown in FIG. 12 is refracted by the Fresnel lens 61b formed in the interlayer film 31 of the SiO2 film It passes through the protective film 81 of the formed SiN film and is released to the outside. Since the refractive index of the protective film 81 is 1.9 and the refractive index of the protective film 81 is larger than the refractive index 1.4 of the interlayer film 31, the optical signal is further on the center side at the boundary between the interlayer film 31 and the protective film 81.
  • the light signals 9a and 9b can be prevented from being dispersed or reduced.
  • the light signal 9 b emitted from the light emitting unit 102 strikes an object such as an obstacle or a door and is reflected.
  • the reflected light signal is incident on the optical semiconductor device 50 as the light signal 8a.
  • the optical signal 8 a is incident on the planarized protective film 81 of the SiN film, and the optical signal 8 b converged by the Fresnel lens 61 formed on the interlayer film 31 of the SiO 2 film under the protective film 81 is the semiconductor substrate 101.
  • the light is received by the light receiving unit 103 which is a flat light receiving structure such as an avalanche photodiode (APD) formed or mounted on the upper side.
  • APD avalanche photodiode
  • the optical semiconductor device 50 of Embodiment 3 Since the refractive index of the protective film 81 is 1.9 and the refractive index of the interlayer film 31 is 1.4, the optical semiconductor device 50 of Embodiment 3 has a wider angle than that of the APD using the conventional SiO 2 single layer lens. Can be converged, and the light receiving sensitivity of the light receiving unit 103 can be improved. Therefore, the optical semiconductor device 50 of the third embodiment can detect even if the optical signals 8a and 8b are weak.
  • the received light signal 8b is subjected to analog or digital signal processing by an integrated circuit 104 such as a signal processing circuit formed on a semiconductor substrate 101, the presence of an object, distance and position are calculated by the integrated circuit 104, and the presence of an object The distance and the position are transmitted to another control system outside the optical semiconductor device 50.
  • the focal lengths of the Fresnel lenses 61a and 61b are determined according to the wavelengths of the optical signals 8a, 8b, 9a and 9b, the thickness of the interlayer film 31 of the SiO.sub.2 film, the concentric spacing of the patterns of the Fresnel lenses 61a and 61b, and the dry etching depth. Adjust with Further, in the optical semiconductor device 50 of the third embodiment, since the protective film 81 is present at the top, sufficient moisture resistance is secured.
  • the optical semiconductor device 50 according to the third embodiment is the same as the conventional optical semiconductor device, which is different from the conventional optical semiconductor device in which it is necessary to take the form of a module for assembling a semiconductor device having a planar light emitting element and a planar light receiving element and an external lens. Since the light emitting unit 102 and the light receiving unit 103 are formed or mounted on the semiconductor substrate 101 and the integrated circuits 104 and 103 are formed, and the Fresnel lens 61 is formed in the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device, Also, the number of parts can be reduced and the size can be reduced.
  • the optical semiconductor device 50 of the third embodiment since the Fresnel lens 61 is formed in the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device, the process of assembling the external lens to the external package can be eliminated, and the number of manufacturing processes can be reduced. Can be simplified. In the optical semiconductor device 50 according to the third embodiment, the cost can be reduced because the number of parts and the number of manufacturing processes are reduced. The optical semiconductor device 50 according to the third embodiment can detect even if the optical signals 8a and 8b are weak, and the light receiving sensitivity of the light receiving unit 103 is improved, so that power consumption can be reduced.
  • the manufacturing process can be simplified and the size and cost can be reduced as compared with the conventional method, and the dispersion of the optical signals 9a and 9b emitted from the light emitting unit 102 can be achieved.
  • the decrease it is possible to obtain a high-performance optical semiconductor device such as an optical sensor that can achieve high sensitivity and low power consumption.
  • FIG. 13 is a schematic view showing a cross-sectional structure of the optical semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the optical semiconductor device 50 of Embodiment 4 includes two high-performance optical semiconductor devices of Embodiment 3 including an integrated circuit, a light emitting unit, and a light receiving unit, and the light emitting unit and the light receiving unit mutually transmit and receive optical signals. It is an example of the optical semiconductor device (to communicate).
  • the optical semiconductor device 50 according to the fourth embodiment is an optical semiconductor device including two optical transceivers 51 and 52, and the optical transceivers 51 and 52 are bonded together by an interlayer film 113 made of an organic or inorganic material.
  • the optical transmitter / receiver 51 emits an optical signal 13a provided (formed or attached) to the integrated circuit 104 such as a signal processing circuit, the semiconductor substrate 111 on which the integrated circuit 105 such as a power supply circuit is formed, and the semiconductor substrate 111.
  • a protective film 81 of an SiN film covering the Fresnel lenses 61a and 61b are examples of an SiN film covering the Fresnel lenses 61a and 61b.
  • the light emitting unit 102 is, as in the third embodiment, a flat light emitting structure such as a laser diode or a light emitting diode.
  • the light receiving unit 103 is a flat light receiving structure such as an avalanche photo diode (APD).
  • the Fresnel lens 61 a of the light transmitter / receiver 51 is a light receiving Fresnel lens formed on a distant part vertically separated from the light receiving unit 103, that is, the surface of the interlayer film 31 (surface opposite to the semiconductor substrate 111).
  • the Fresnel lens 61 b of the light transmitter / receiver 51 is a light emitting Fresnel lens formed on a distant portion vertically separated from the light emitting portion 102, that is, the surface of the interlayer film 31 (surface opposite to the semiconductor substrate 111).
  • the optical transmitter-receiver 52 emits an optical signal 13b provided (formed or attached) to the integrated circuit 104 such as a signal processing circuit, the semiconductor substrate 112 on which the integrated circuit 105 such as a power supply circuit is formed, and the semiconductor substrate 112.
  • a protective film 81 of an SiN film covering the Fresnel lenses 61a and 61b are examples of an SiN film covering the Fresnel lenses 61a and 61b.
  • the light emitting unit 114 is a flat light emitting structure such as a laser diode or a light emitting diode.
  • the light receiving unit 115 is a flat light receiving structure such as an avalanche photo diode (APD).
  • the light emitting unit 114 and the light receiving unit 115 of the light transmitter / receiver 52 are disposed to face the light receiving unit 103 and the light emitting unit 102 of the light transmitter / receiver 51, respectively.
  • the Fresnel lens 61 a of the light transmitter / receiver 52 is a Fresnel lens for light reception formed on a distant part vertically separated from the light receiving unit 115, that is, the surface of the interlayer film 31 (surface opposite to the semiconductor substrate 112).
  • the Fresnel lens 61 b of the light transmitter / receiver 52 is a light emitting Fresnel lens formed on a distant part vertically separated from the light emitting part 102, that is, the surface of the interlayer film 31 (surface opposite to the semiconductor substrate 112).
  • FIG. 13 shows an example of the optical semiconductor device 50 in which the two optical transmitters / receivers 51 and 52 are bonded by the interlayer film 113 made of an organic or inorganic material.
  • the interlayer film 113 made of an organic or inorganic material.
  • the planarized protective film 81 since the surface farthest from the semiconductor substrates 111 and 112 of the optical transceivers 51 and 52 in the vertical direction is the planarized protective film 81, as shown in FIG. May be adhered directly by van der Waals force.
  • FIG. 14 is a schematic view showing the cross-sectional structure of another optical semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the other optical semiconductor device 50 shown in FIG. 14 does not have the interlayer film 113, and the light transmitter-receiver 51 and the light transmitter-receiver 52 are directly adhered by van der Waal's force in a close contact manner. It differs from the semiconductor device 50.
  • the optical signal 13a emitted from the light emitting portion 102 which is a flat light emitting structure such as a laser diode or a light emitting diode shown in FIG. 13 is refracted by the Fresnel lens 61b formed on the interlayer film 31 of the SiO2 film and its traveling direction
  • the light signal 13 a emitted from the light emitting unit 102 passes through the interlayer film 113 made of an organic or inorganic material and is formed or mounted on the semiconductor substrate 112 of the light transmitter / receiver 52, such as an avalanche photodiode (APD) or the like.
  • the light is received by the light receiving unit 115 which is a flat light receiving structure.
  • the optical signal 13a incident on the optical transmitter / receiver 52 is first incident on the planarized protective film 81 of the SiN film, and the Fresnel formed on the interlayer film 31 of the SiO2-based film closer to the semiconductor substrate 112 than the protective film 81.
  • the light is converged by the lens 61 a and received by the light receiving unit 115.
  • the light receiving portion 115 of the optical transmitter / receiver 52 Since the refractive index of the protective film 81 is 1.9 and the refractive index of the interlayer film 31 is 1.4, the light receiving portion 115 of the optical transmitter / receiver 52 has an optical signal with a wider angle than that of APD using a conventional SiO2 single layer lens. Can be converged, and the light receiving sensitivity of the light receiving unit 115 can be improved. Therefore, the light receiving unit 115 of the light transmitter / receiver 52 can detect even if the light signal 13a is weak.
  • the light signal 13a received by the light receiving unit 115 of the light transmitter / receiver 52 is subjected to analog or digital signal processing by the integrated circuit 104 such as a signal processing circuit formed on the semiconductor substrate 112, and transmitted from the light emitting unit 114 as the light signal 13b.
  • the light signal 13b emitted from the light emitting unit 114 of the light transmitter / receiver 52 is a Fresnel lens 61b formed on the interlayer film 31 of the SiO2-based film, the protective film 81 of the SiN film, the organic system or the reverse direction to the light signal 13a.
  • the light passes through the interlayer film 113 made of an inorganic material, is converged by the Fresnel lens 61 a formed on the protective film 81 of the SiN film of the optical transmitter / receiver 51 and the interlayer film 31 of the SiO 2 film, and is received by the light receiving unit 103.
  • the focal length of the Fresnel lenses 61a and 61b is determined by the wavelength and path of the optical signals 13a and 13b, the thickness of the interlayer film 31 of the SiO.sub.2-based film, and the Fresnel lenses 61a and 61b. Optimally adjust the concentric circle spacing of the pattern and the dry etching depth.
  • the optical semiconductor device 50 of the fourth embodiment two types of semiconductor devices, for example, the optical transmitter-receivers 51 and 52, are bonded to each other, and optical signals are used for communication between them. It became possible to reduce the area.
  • the optical transmitter-receivers 51 and 52 respectively produce wafers on the far side vertically away from the corresponding semiconductor substrates 111 and 112 in the light emitting units 102 and 114 for transmitting optical signals and the light receiving units 103 and 115 for receiving optical signals, respectively. Since the Fresnel lenses 61a and 61b are formed in the process (wafer manufacturing process), it is possible to miniaturize the optical transceivers 51 and 52 which are optical semiconductor devices, reduce power consumption, and reduce costs. Furthermore, the optical semiconductor device 50 of Embodiment 4 in which two types of semiconductor devices, for example, the optical transmitter-receivers 51 and 52 are bonded to each other, can be miniaturized, reduced in power consumption, and reduced in cost.
  • the optical semiconductor device 50 according to the fourth embodiment includes the optical transceivers 51 and 52 that perform optical communication with each other, and the light emitting unit 114 and the light receiving unit 115 of the optical transceiver 52 respectively receive the light receiving unit 103 of the optical transceiver 51 and light emission Since it is disposed to face the portion 102, heat generation can be suppressed more than in the past, and the communication speed can be improved.
  • each of the optical transceivers 51, 52 includes the light emitting portion, the light receiving portion, and the Fresnel lens integrally formed in the wafer manufacturing process. The number of parts 52 and the number of manufacturing processes can be reduced, and the size and cost of the optical transceivers 51 and 52 can be reduced as well as the size and cost of the optical transceivers 51 and 52 can be reduced as a whole.
  • FIG. 15 is a schematic view showing a cross-sectional structure of the optical semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the optical semiconductor device 50 according to the fifth embodiment includes two high-performance optical semiconductor devices each having an integrated circuit, a light emitting portion, and a light receiving portion, and transmits and receives (communicates) optical signals by the light emitting portion and the light receiving portion. It is an example of a semiconductor device.
  • the optical semiconductor device 50 includes an integrated circuit, a light emitting unit, an electrical connection configuration electrically connected to an external system with a light receiving unit, and an optical communication configuration performing optical communication with an external system (external optical communication unit) And an optical transmitter / receiver 52 having an electrical connection between the integrated circuit, the light emitting part, the light receiving part and the optical transmitter / receiver 51, and the optical transmitter / receiver 51, 52 is an organic type or inorganic type. It is an optical semiconductor device bonded by an interlayer film 113 of a system material.
  • the optical transmitter / receiver 51 emits an optical signal 13a provided (formed or attached) to the integrated circuit 104 such as a signal processing circuit, the semiconductor substrate 121 on which the integrated circuit 105 such as a power supply circuit is formed, and the semiconductor substrate 121.
  • a light emitting unit 122 for emitting (emitting) an optical signal 13c, and receiving (receiving) an optical signal 13d which is provided (formed or attached) to the semiconductor substrate 121 and is emitted (emitted) from the external system to the optical transceiver 51
  • the light emitting units 102 and 122 are flat light emitting structures such as a laser diode or a light emitting diode.
  • the light receiving units 103 and 123 are planar light receiving structures such as an avalanche photo diode (APD).
  • the two Fresnel lenses 61 a of the optical transmitter / receiver 51 are light receiving Fresnels formed on a distant portion vertically separated from the light receiving portions 103 and 123, that is, the surface of the interlayer film 31 (surface opposite to the semiconductor substrate 121). It is a lens.
  • the two Fresnel lenses 61 b of the optical transmitter / receiver 51 are light emitting Fresnels formed on a distant portion vertically separated from the light emitting portions 102 and 122, that is, the surface of the interlayer film 31 (surface opposite to the semiconductor substrate 121). It is a lens.
  • the light emitting unit 122 is a transmitting unit having a transmitting function in an external optical communication unit that communicates an optical signal with an external system.
  • the light receiving unit 123 is a receiving unit having a receiving function in an external optical communication unit that communicates an optical signal with an external system.
  • the light emitting unit in communication with the external system may be called an external system light emitting unit, and the light receiving unit in communication with the external system may be called an external light receiving unit.
  • the electrode portion 106 is connected to the wiring electrode 116 disposed on the semiconductor substrate 121, the wiring electrode 117 disposed on the surface side of the interlayer film 31, the connection metal 118 connecting the wiring electrode 116 and the wiring electrode 117, and the wiring electrode 117 And a bump electrode 124 disposed so as to be exposed from the protective film 81.
  • the electrode portion 107 has the same structure as the electrode portion 106, and connects the wiring electrode 116 disposed on the semiconductor substrate 121, the wiring electrode 117 disposed on the surface side of the interlayer film 31, and the wiring electrode 116 and the wiring electrode 117. And a bump electrode 125 connected to the wiring electrode 117 and disposed so as to be exposed from the protective film 81.
  • the electrode unit 106 is connected to the electrode unit 108 of the light transmitter-receiver 52, and is an electrode unit for supplying power to the light transmitter-receiver 52 and for signal processing not involved in optical communication with the light transmitter-receiver 52.
  • the electrode unit 107 is an electrode unit for power supply between the external system and the optical transceiver 51 and for signal processing. Although the electrode unit for power supply and the electrode unit for signal processing are separate electrode units, one electrode unit 106 and one electrode unit 107 are shown in FIG.
  • the optical transmitter / receiver 52 includes a semiconductor substrate 126 on which an integrated circuit 104 such as a signal processing circuit is formed, a light emitting unit 114 for emitting an optical signal 13 b provided (formed or mounted) on the semiconductor substrate 126, and the semiconductor substrate 126.
  • a light receiving unit 115 for receiving the light signal 13a provided (formed or mounted) an electrode unit 108 electrically connected to the light transmitter / receiver 51 facing the light transmitter / receiver 52, an interlayer film 31 of a SiO 2 film, an interlayer A Fresnel lens 61a, 61b provided on the surface of the film 31 and a protective film 81 of a SiN film covering the Fresnel lenses 61a, 61b are provided.
  • the light emitting unit 114 is a flat light emitting structure such as a laser diode or a light emitting diode.
  • the light receiving unit 115 is a flat light receiving structure such as an avalanche photo diode (APD).
  • the light emitting unit 114 and the light receiving unit 115 of the light transmitter / receiver 52 are disposed to face the light receiving unit 103 and the light emitting unit 102 of the light transmitter / receiver 51, respectively.
  • the Fresnel lens 61 a of the light transmitter / receiver 52 is a Fresnel lens for light reception formed on a distant part vertically separated from the light receiving unit 115, that is, the surface of the interlayer film 31 (surface opposite to the semiconductor substrate 126).
  • the Fresnel lens 61 b of the light transmitter / receiver 52 is a light emitting Fresnel lens formed on a distant part vertically separated from the light emitting part 114, that is, the surface of the interlayer film 31 (surface opposite to the semiconductor substrate 126).
  • the electrode portion 108 is connected to the wiring electrode 128 disposed on the semiconductor substrate 126, the wiring electrode 129 disposed on the surface side of the interlayer film 31, the connection metal 130 connecting the wiring electrode 128 and the wiring electrode 129, and the wiring electrode 129 And a bump electrode 127 disposed so as to be exposed from the protective film 81.
  • the electrode unit 108 is connected to the electrode unit 106 of the optical transmitter / receiver 51, and is an electrode unit for power supply from the optical transmitter / receiver 51 and for signal processing not involved in optical communication with the optical transmitter / receiver 51.
  • the electrode part for power supply and the electrode part for signal processing are separate electrode parts, one electrode part 108 was shown in FIG.
  • FIG. 15 shows an example of the optical semiconductor device 50 in which the two optical transmitters / receivers 51 and 52 are bonded by the interlayer film 113 of an organic or inorganic material.
  • the optical transmitter-receiver 51 and the optical transmitter-receiver 52 are shown in FIG. May be adhered directly by van der Waals force.
  • FIG. 16 is a schematic view showing a cross-sectional structure of another optical semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the other optical semiconductor device 50 shown in FIG. 16 does not have the interlayer film 113, and the light transmitter / receiver 51 and the light transmitter / receiver 52 are directly adhered by van der Waal's force in a close contact manner. It differs from the semiconductor device 50.
  • the optical semiconductor device 50 according to the fifth embodiment has an electrical connection configuration and an external system for electrically connecting the optical semiconductor device 50 according to the fourth embodiment in which optical communication is performed between two optical transceivers 51 and 52. And an optical communication configuration (external system optical communication unit) for performing optical communication with the Similar to the optical semiconductor device 50 according to the fourth embodiment, the light signal 13 a emitted from the light emitting unit 102 which is a flat light emitting structure such as a laser diode or a light emitting diode is a Fresnel lens formed in the interlayer film 31 of SiO 2 film.
  • the optical signal is further on the center side at the boundary between the interlayer film 31 and the protective film 81. Can be prevented from being dispersed or reduced.
  • the light signal 13a emitted from the light emitting unit 102 passes through the interlayer film 113 made of an organic or inorganic material and is formed or mounted on the semiconductor substrate 126 of the light transmitter / receiver 52, such as an avalanche photodiode (APD) or the like.
  • the light is received by the light receiving unit 115 which is a flat light receiving structure.
  • the optical signal 13a incident on the optical transmitter / receiver 52 is first incident on the planarized protective film 81 of the SiN film, and the Fresnel formed in the interlayer film 31 of the SiO2-based film closer to the semiconductor substrate 126 than the protective film 81.
  • the light is converged by the lens 61 a and received by the light receiving unit 115.
  • the light receiving portion 115 of the optical transmitter / receiver 52 Since the refractive index of the protective film 81 is 1.9 and the refractive index of the interlayer film 31 is 1.4, the light receiving portion 115 of the optical transmitter / receiver 52 has an optical signal with a wider angle than that of APD using a conventional SiO2 single layer lens. Can be converged, and the light receiving sensitivity of the light receiving unit 115 can be improved. Therefore, the light receiving unit 115 of the light transmitter / receiver 52 can detect even if the light signal 13a is weak.
  • the light signal 13a received by the light receiving unit 115 of the light transmitter / receiver 52 is subjected to analog or digital signal processing by the integrated circuit 104 such as a signal processing circuit formed on the semiconductor substrate 126, and transmitted from the light emitting unit 114 as the light signal 13b.
  • the light signal 13b emitted from the light emitting unit 114 of the light transmitter / receiver 52 is a Fresnel lens 61b formed on the interlayer film 31 of the SiO2-based film, the protective film 81 of the SiN film, the organic system or the reverse direction to the light signal 13a.
  • the light passes through the interlayer film 113 made of an inorganic material, is converged by the Fresnel lens 61 a formed on the protective film 81 of the SiN film of the optical transmitter / receiver 51 and the interlayer film 31 of the SiO 2 film, and is received by the light receiving unit 103.
  • the focal length of the Fresnel lenses 61a and 61b is determined by the wavelength and path of the optical signals 13a and 13b, the thickness of the interlayer film 31 of the SiO.sub.2 based film, and the Fresnel lenses 61a and 61b. Optimally adjust the concentric circle spacing of the pattern and the dry etching depth.
  • An electrode unit 107 is formed in the optical transmitter / receiver 51 to perform power supply from an external system and electrical signal transmission between the external system.
  • the electrode unit 106 formed in the light transmitter-receiver 51 is connected to the electrode unit 108 formed in the light transmitter-receiver 52.
  • a power supply voltage and a power supply current are supplied from the electrode unit 106 for power supply to the optical transceiver 52 via the electrode unit 108.
  • a signal not related to optical communication is transmitted between the electrode unit 106 for electrical signal transmission and the electrode unit 107 for electrical signal transmission.
  • the optical semiconductor device 50 of the fifth embodiment transmits the optical signal 13c to the external system from the light emitting unit 122 formed or mounted on the semiconductor substrate 121 of the optical transmitter / receiver 51, for example, in the direction of the arrow 14a.
  • the light receiving portion 123 formed or mounted on the semiconductor substrate 121 receives the optical signal 13d from the external system, for example, in the direction of the arrow 14b.
  • the optical semiconductor device 50 of the fifth embodiment can also perform optical communication with an external system.
  • the optical semiconductor device 50 of Embodiment 5 can perform communication with an external system using an electrical signal and an optical signal.
  • the optical semiconductor device 50 according to the fifth embodiment can communicate with an external system based on electrical signals and optical signals, and therefore, can handle optical semiconductor devices that handle a large number of optical signals, semiconductor devices that do not handle optical signals, and components.
  • the optical semiconductor device 50 according to the fifth embodiment can cope with the increase in the amount of transmitted information and the increase in the communication speed while being small, so the external system can be miniaturized, the power consumption can be reduced, and the power consumption can be reduced. It can cost.
  • FIG. 17 is a schematic view showing the cross-sectional structure of the optical semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention
  • FIG. 18 is a view showing the upper surface shape of the one-side Fresnel lens of FIG.
  • the optical semiconductor device 50 according to the sixth embodiment includes an optical transmitter including a light emitting unit for emitting a plurality of wavelengths, and an optical receiver including a plurality of light receiving units corresponding to the wavelengths emitted from the optical transmitter. It is an example of the optical semiconductor device.
  • the optical semiconductor device 50 according to the sixth embodiment includes an optical transmitter 53 and an optical receiver 54.
  • the optical semiconductor device has the optical transmitter 53 and the optical receiver 54 bonded together by an interlayer film 113 made of an organic or inorganic material. It is.
  • the optical transmitter 53 includes an integrated circuit 104 such as a signal processing circuit, a semiconductor substrate 131 on which the integrated circuit 105 such as a power supply circuit is formed, and optical signals of multiple wavelengths provided (formed or mounted) on the semiconductor substrate 131.
  • the light emitting portion 132 emits light at the same time or in a time division manner, the interlayer film 31 of the SiO 2 -based film, and the protective film 81 of the SiN film covering the one side Fresnel lens 133 provided on the surface of the interlayer film 31.
  • the light emitting unit 132 is a flat light emitting structure such as a laser diode that emits light signals of a plurality of wavelengths simultaneously or in a time division manner.
  • the one-side Fresnel lens 133 of the optical transmitter 53 is a Fresnel lens for light emission formed on a distant part vertically separated from the light emitting part 132, that is, the surface of the interlayer film 31 (surface opposite to the semiconductor substrate 131). .
  • the one-side Fresnel lens 133 includes four convex portions 142a, 142b, 142c, and 142d between the broken line 143a and the broken line 143b.
  • the convex portions 142a, 142b, 142c and 142d respectively correspond to a shape in which the convex portions 62a, 62b, 62c and 62d in the Fresnel lens 61 of FIG. 6 are not annular but released, for example, a slit shape as shown in FIG. It has become.
  • the boundary between the adjacent convex portions is the largest step, and each convex portion gently protrudes upward (far away from the semiconductor substrate 131 in the vertical direction) toward the left side of FIG.
  • the concave portions sandwiched by the respective convex portions are respectively deepest on the right side of FIG. 19 and gradually shallow toward the left side of FIG.
  • the optical receiver 54 includes an integrated circuit 104 such as a signal processing circuit, a semiconductor substrate 134 on which the integrated circuit 105 such as a power supply circuit is formed, and a short wavelength optical signal 17a provided (formed or mounted) on the semiconductor substrate 134.
  • a light receiving unit 135 for receiving light a light receiving unit 136 for receiving an optical signal 17b of a wavelength (formed or attached) provided on the semiconductor substrate 134, and an interlayer film 31 of a SiO 2 -based film.
  • the light receiving units 135 and 136 are planar light receiving structures such as an avalanche photo diode (APD).
  • the manufacturing process of the optical transmitter 53 is the same as the manufacturing process shown in the first embodiment.
  • the upper surface shape of the resist pattern conforms to the upper surface shape of the one-side Fresnel lens 133 of FIG. 18, and the cross-sectional shape of the resist pattern is a convex portion 62a of the resist pattern 41 of FIG. 6) is formed like the shape from the center to the right.
  • the manufacturing process of the optical receiver 54 is the same as the manufacturing process up to the planarization of the interlayer film 31 in the manufacturing process described in the first embodiment.
  • FIG. 17 shows an example of the optical semiconductor device 50 in which the light transmitter 53 and the light receiver 54 are bonded together by the interlayer film 113 made of an organic or inorganic material.
  • the surface farthest from the semiconductor substrate 131 of the optical transmitter 53 in the vertical direction is the flattened protective film 81, and the surface from the semiconductor substrate 134 in the optical receiver 54 the farthest from Since the interlayer film 31 is planarized, as shown in FIG. 19, the light transmitter 53 and the light receiver 54 may be directly adhered in close contact by van der Waals force.
  • FIG. 19 is a schematic view showing a cross-sectional structure of another optical semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the other optical semiconductor device 50 shown in FIG. 19 is the light shown in FIG.
  • FIGS. 17 and 19 shows the case of two wavelengths, it is also applicable to the case of multiple wavelengths by increasing the number of light receiving parts.
  • the light emitting unit 132 which is a planar light emitting structure such as a laser diode, emits the light signal 16 including the light signals 17a and 17b of two wavelengths, as shown in FIGS. 17 and 19, the light signals 17a and 17b are The light is refracted at an angle according to the wavelength by the spectral effect of the one-side Fresnel lens 133 formed in the interlayer film 31 of the SiO 2 -based film, and passes through the protective film 81 of the SiN film formed in the far part in the traveling direction.
  • the refractive index of the protective film 81 is 1.9, and the refractive index of the protective film 81 is larger than the refractive index 1.4 of the interlayer film 31. Therefore, the optical signal is further one-sided Fresnel at the boundary between the interlayer film 31 and the protective film 81. Since the light is refracted to the center side (the broken line 143a side) of the lens 133, the separation angle of the optical signals 17a and 17b of two wavelengths can be enlarged.
  • the light signals 17a and 17b separated by the wavelength enter the opposing light receiver 54, the short wavelength light signal 17a is received by the light receiving unit 135, and the long wavelength light signal 17b is received by the light receiving unit 136.
  • Ru. Analog or digital signal processing is performed on the semiconductor substrate 134.
  • the light signals 17a and 17b of the respective wavelengths received by the light receiving units 135 and 136 are processed by an integrated circuit 104 analog or digital signal processing circuit such as a signal processing circuit formed on the semiconductor substrate 134 and externally or electrically or optically. It is sent out.
  • the processed signal is to be electrically transmitted to the external system, the signal is transmitted from the not-shown electrode unit 107 (see FIG. 15) disposed in the light receiver 54.
  • the processed signal is optically transmitted to the external system, the signal is transmitted from a light emitting unit 122 (see FIG. 15) (not shown) formed or mounted on the semiconductor substrate 134.
  • the focal length of the one-side Fresnel lens 133 is determined by the wavelength and path of the optical signals 17a and 17b, the thickness of the interlayer film 31 of the SiO.sub.2-based film, and the pattern of the one-side Fresnel lens 133. Optimal adjustment of the protrusion interval and the dry etching depth.
  • a protective film 81 is formed on the far side of the optical transmitter 53 away from the semiconductor substrate 131 in the vertical direction, ie, the surface of the interlayer film 31 (surface opposite to the semiconductor substrate 131).
  • the remote portion of the optical receiver 54 vertically separated from the semiconductor substrate 134 that is, the surface of the interlayer film 31 (surface opposite to the semiconductor substrate 134) is organic.
  • it is covered with the protective film 81 of the light transmitter 53 via the interlayer film 113 made of an inorganic material, or directly covered with the protective film 81 of the light transmitter 53, so that the moisture resistance of the light receiver 54 is secured.
  • the light signal 16 including a plurality of wavelengths emitted from the light emitting unit 132 of the light transmitter 53 is split by the one-side Fresnel lens 133 formed in the interlayer film 31 to receive light. Since the light receiving sections 135 and 136 receive light and process the signal according to the wavelength of the unit 54, the communication channel of the optical signal is doubled according to the number of wavelengths, so that the communication speed is increased. Further, in the optical semiconductor device 50 according to the sixth embodiment, since the communication channel of the optical signal is doubled according to the number of wavelengths, downsizing and cost reduction can be achieved as compared with the conventional case. Furthermore, the optical semiconductor device 50 according to the sixth embodiment can prevent the dispersion and reduction of the optical signals 16, 17a and 17b, so that the power consumption can be reduced.
  • the optical transmitter 53 and the optical receiver 54 which are two types of semiconductor devices, are bonded to each other, and the optical transmitter 53 to the optical receiver 54. Because the optical signal is used for communication, significant reduction in the number of parts and area reduction are possible. Since the one-side Fresnel lens 133 is formed in the wafer manufacturing process (wafer manufacturing process) on the far side of the light emitting unit 132 that transmits the light signal of the light transmitter 53 in the vertical direction from the semiconductor substrate 131 It has become possible to miniaturize an optical transmitter 53, reduce power consumption, and reduce cost.
  • the optical receiver 54 In the light receiver 54, a lens is formed on the surface (surface opposite to the semiconductor substrate 134) of the interlayer film 31 on the far side of the light receiving units 135 and 136 for receiving light signals, which is vertically separated from the semiconductor substrate 134.
  • the optical semiconductor device 50 of Embodiment 6 in which the optical transmitter 53 and the optical receiver 54, which are two types of semiconductor devices, are bonded together can also be downsized, reduced in power consumption, and reduced in cost.
  • FIG. 20 is a schematic view showing a cross-sectional structure of the optical semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
  • 21 and 22 are diagrams for explaining the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device of FIG.
  • FIG. 23 is a view showing an upper surface shape of the Fresnel lens of FIG.
  • the optical semiconductor device 50 according to the seventh embodiment is an example of a high-performance optical semiconductor device such as an integrated circuit, an infrared light receiving unit, and an infrared sensor including a Fresnel lens.
  • the optical semiconductor device 50 includes an integrated circuit 104 such as a signal processing circuit, a semiconductor substrate 151 on which an integrated circuit 105 such as a power supply circuit is formed, an infrared light receiving unit 152 formed on the semiconductor substrate 151, and a SiO2 based film.
  • the interlayer film 31, the Fresnel lens 171 of a polysilicon or amorphous silicon film provided on the surface of the interlayer film 31, and the protective film 81 of the SiN film covering the Fresnel lens 171 are provided.
  • the infrared light receiving unit 152 is a flat light receiving structure that receives infrared light.
  • An infrared light receiving unit that receives an infrared signal is a light receiving unit that receives an infrared light signal.
  • an infrared ray receiving portion 152 is formed on a semiconductor substrate 151 on which an integrated circuit 104 such as a signal processing circuit and an integrated circuit 105 such as a power supply circuit are formed.
  • the semiconductor substrate 151 on which the integrated circuits 104 and 105 and the infrared light receiving unit 152 are formed is a substrate before lens formation.
  • the interlayer film 31 of the planarized SiO 2 film is formed, and the silicon film 153 of polysilicon or amorphous silicon to be the material of the Fresnel lens 171 is formed on the surface of the interlayer film 31.
  • Form The film thickness of the silicon film 153 is 0.1 to 1.0 ⁇ m.
  • the Fresnel lens 171 is formed by the photolithographic technique by multiple exposure of the electron beam method (EB (Electron Beam) method).
  • EB Electro Beam
  • a resist pattern 161 is created.
  • the resist pattern 161 is disposed so as to leave the convex portions 172a, 172b, 172c, and 172d.
  • the resist pattern 161 has a thin film thickness at a portion where the height of the convex portion is low, for example, and a thick film where the height of the convex portion is high, in accordance with the shape of the concave portion between the adjacent convex portions. It is formed in steps.
  • the resist pattern 161 is disposed such that the silicon film 153 outside the region of the Fresnel lens 171 is removed.
  • the convex portions 172a, 172b, 172c and 172d of the Fresnel lens 171 are formed by dry etching.
  • FIG. 22 shows the etching process of the convex portion of the Fresnel lens 171.
  • the resist for the portion having a low height of the convex portion gradually disappears, and the Fresnel lens 171 is gradually removed.
  • the resist pattern 161 is left on the convex portion of FIG.
  • the top surface shape of the Fresnel lens 171 is, for example, a concentric shape as shown in FIG.
  • the upper surface shape of the Fresnel lens 171 is usually a concentric shape as shown in FIG. Further, the top surface shape of the Fresnel lens 171 may be a shape in which the curvature is provided at the four corners of the square, a shape in which the curvature is provided at the four corners of the rectangle, or the like.
  • the shape of the Fresnel lens 171 is selected according to the shape of the infrared light receiving unit 152.
  • the resist pattern 161 has a minute resist remaining width in accordance with the upper surface shape of the Fresnel lens 171. In the resist pattern 161 for forming the upper surface shape of FIG.
  • the resist remaining width for forming the central convex portion 172a is wider than the resist residual width for the other convex portions 172b, 172c and 172d, and the convex portion is formed.
  • the resist remaining width for forming 172b, 172c, and 172d is formed to be gradually narrowed.
  • a protective film 81 is formed by CVD or the like so as to cover the Fresnel lens 171 and the interlayer film 31, and is planarized.
  • An infrared signal 173a having a wavelength of 1.1 to 1.5 ⁇ m is incident on the planarized protective film 81 of the SiN film, and a Fresnel lens formed on the surface of the interlayer film 31 of the SiO 2 based film under the protective film 81
  • the infrared signal 173 b converged by 171 is received by the infrared light receiver 152. Since the refractive index of the protective film 81 is 1.9 and the refractive index of the interlayer film 31 is 1.4, the optical semiconductor device 50 according to the seventh embodiment can converge a wide-angle infrared signal, Can also detect weak signals.
  • unnecessary infrared signals other than 1.1 to 1.5 ⁇ m in wavelength are reflected or absorbed by the Fresnel lens 171, so unnecessary infrared signals are received by infrared light.
  • the light receiving sensitivity of the infrared signal 173b having a specific wavelength, ie, a wavelength of 1.1 to 1.5 ⁇ m, is improved by not receiving light by the portion 152.
  • the received infrared signal 173b is subjected to analog or digital signal processing by the integrated circuit 104 such as a signal processing circuit formed on the semiconductor substrate 151 to calculate the presence, distance, and position of the infrared light emitting object, the presence of the object, distance
  • the position is transmitted to another control system outside the optical semiconductor device 50.
  • the focal length of the Fresnel lens 171 is adjusted by the film thickness of the interlayer film 31 of the SiO 2 film and the concentric interval of the pattern of the Fresnel lens 171 and the dry etching depth according to the wavelengths of the infrared signals 173 a and 173 b.
  • the protective film 81 since the protective film 81 is present at the top, sufficient moisture resistance is secured.
  • the Fresnel lens 171 is formed in the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device provided with the infrared light receiving portion 152, the manufacturing process is simplified as compared with the conventional case. The number of parts can be reduced and the size can be reduced.
  • the Fresnel lens 171 is formed in the wafer manufacturing process of the optical semiconductor device provided with the infrared light receiving unit 152, the process of assembling the external lens to the external package can be eliminated.
  • the number can be reduced.
  • the cost can be reduced because the number of parts and the number of manufacturing steps are reduced.
  • the optical semiconductor device 50 according to the seventh embodiment can achieve high sensitivity and low power consumption by reflecting or absorbing unnecessary infrared rays.
  • FIG. 24 is a view showing the top shape of the Fresnel lens according to the eighth embodiment of the present invention
  • FIG. 25 is a view showing the top shape of the lens array according to the eighth embodiment of the present invention
  • FIG. 26 is a schematic view showing the upper surface of the optical semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention
  • FIG. 27 is a schematic view showing a cross-sectional structure of the optical semiconductor device shown in FIG.
  • FIG. 27 is a schematic view showing a cross-sectional structure taken along the line AA of FIG.
  • the optical semiconductor device 50 of the eighth embodiment is an example of an optical semiconductor device such as a solar battery cell provided with a regular hexagonal Fresnel lens array.
  • the optical semiconductor device 50 includes a solar battery cell substrate 191 which is a semiconductor substrate, a light receiving portion 192 which receives (formed) sunlight provided on the solar battery cell substrate 191, and an interlayer film of SiO 2 -based films. 31, a Fresnel lens 193 provided on the surface of the interlayer film 31, and a protective film 81 of a SiN film covering the Fresnel lens 193.
  • the light receiving portions 192 are pattern-layed out on the surface of the solar cell substrate 191 so that the light receiving portions 192 exist immediately below the regular hexagonal Fresnel lens 193.
  • the light receiving unit 192 is a flat light receiving structure such as an avalanche photo diode (APD).
  • the Fresnel lens 193 has a regular hexagonal shape of the outer periphery 195 of the upper surface, and is provided with four convex portions 194a, 194b, 194c, 194d formed concentrically.
  • the convex portions 194a, 194b, 194c and 194d are the same as the convex portions 62a, 62b, 62c and 62d of the Fresnel lens 61 of the first embodiment.
  • the manufacturing process of the optical semiconductor device 50 of the eighth embodiment is the same as the manufacturing process described in the first embodiment.
  • the optical semiconductor device 50 of the eighth embodiment In solar cells, it is necessary to improve the incident efficiency of sunlight.
  • the basic structure of the Fresnel lens shown in the first embodiment is a concentric annular structure, and such a concentric annular upper surface shape can not fill the plane. Therefore, when the Fresnel lens is applied to a solar battery cell that is an optical semiconductor device for receiving light from a solar battery, the unit shape of the Fresnel lens is a regular hexagon as shown in FIG.
  • the area of the solar cell can be maximized, that is, the filling ratio of the basic structure including the light receiving portion 192 and the Fresnel lens 193 to the area of the solar cell ( Filling rate) can be improved.
  • the lens array 196 shown in FIG. 25 is an example in which 13 Fresnel lenses 193 are arranged.
  • the sunlight 174a is incident on the planarized protective film 81 of the SiN film, and is converged by the Fresnel lens 193 formed on the interlayer film 31 of the SiO2-based film below the protective film 81.
  • the light 174 b is received by the light receiving unit 192. Since the refractive index of the protective film 81 is 1.9 and the refractive index of the interlayer film 31 is 1.4, the optical semiconductor device 50 of the eighth embodiment has a wider angle than that of a conventional solar cell without lenses. It is possible to converge the sunlight.
  • the focal length of the Fresnel lens 193 is determined according to the wavelengths of the sunlight 174a and 174b, the concentric distance between the film thickness of the interlayer film 31 of the SiO.sub.2 film and the pattern of the Fresnel lens 193, and By adjusting with the etching depth, the solar light absorption efficiency of the solar battery cell is improved. Further, in the optical semiconductor device 50 of the eighth embodiment, since the protective film 81 is present at the top, sufficient moisture resistance is secured.
  • the solar battery cell has been described as an example of the optical semiconductor device 50 provided with a regular hexagonal Fresnel lens array
  • the present invention is not limited to the light receiving unit 192 that receives sunlight, and may receive other optical signals, infrared signals, etc.
  • a plurality of Fresnel lenses may be laid out in an array on the part.
  • the optical semiconductor device 50 in which a light receiving unit for receiving an optical signal, an infrared signal and the like is disposed immediately below the regular hexagonal Fresnel lens 193 also achieves the same function as the optical semiconductor device 50 of the eighth embodiment.
  • the optical semiconductor device 50 of the eighth embodiment can effectively utilize the light receiving area of the surface of the solar cell by forming the regular hexagonal Fresnel lens 193 in the wafer manufacturing process of the solar cell. If the lens arrangement configuration of the eighth embodiment is applied to a solar cell, it is possible to increase the light collection ratio of sunlight per area, and it is possible to improve the power conversion efficiency of the solar cell.
  • the optical semiconductor device 50 in which a plurality of light receiving units that receive light signals, infrared signals and the like, and light emitting units that emit light signals and infrared signals are disposed immediately below the regular hexagonal Fresnel lens 193 is a light receiving unit and Fresnel
  • the filling ratio (filling ratio) of the basic structure including the lens, the light emitting portion, and the basic structure including the Fresnel lens can be improved, the area of the optical semiconductor device can be reduced.

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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

光半導体装置
　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、半導体基板と、半導体基板に設けられた、光信号を受光する受光部又は光信号を発光する発光部である光通信部と、半導体基板及び光通信部を覆う層間膜と、層間膜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層間膜を覆い、かつ層間膜よりも屈折率が大きく、層間膜から離れた側の面が平坦化された保護膜と、を備えている。
　本発明の光半導体装置は、光信号を受光又は発光する光通信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が設けられ、フレネルレンズ及び層間膜を平坦化された保護膜が覆っているので、部品点数及び製造工程数が削減でき、小型化できる。
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１５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６１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、１０３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１９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１９の右側が最も深くなっており、図１９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）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 (16)

  1. 　半導体基板と、前記半導体基板に設けられた、光信号を受光する受光部又は前記光信号を発光する発光部である光通信部と、前記半導体基板及び前記光通信部を覆う層間膜と、前記層間膜の前記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層間膜を覆い、かつ前記層間膜よりも屈折率が大きく、前記層間膜から離れた側の面が平坦化された保護膜と、を備えた光半導体装置。
  2. 　半導体基板と、前記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、前記半導体基板及び前記受光部及び前記発光部を覆う層間膜と、前記層間膜の前記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層間膜を覆い、かつ前記層間膜よりも屈折率が大きく、前記層間膜から離れた側の面が平坦化された保護膜と、を備えた光半導体装置。
  3. 　前記半導体基板に設けられた集積回路を備え、
    前記光通信部は前記受光部であり、
    前記集積回路は、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ことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
  4. 　前記半導体基板に設けられた集積回路を備え、
    前記光通信部は前記発光部であり、
    前記集積回路は、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記載の光半導体装置。
  5. 　前記半導体基板に設けられた集積回路を備え、
    前記集積回路は、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２記載の光半導体装置。
  6. 　２つの請求項５記載の光半導体装置である第一光送受信器及び第二光送受信器を備え、
    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と前記第二光送受信器との間で前記光信号を通信することを特徴とする光半導体装置。
  7. 　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６記載の光半導体装置。
  8. 　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６記載の光半導体装置。
  9. 　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発光部を覆う第二の層間膜と、を備えたことを特徴とする光半導体装置。
  10. 　前記光通信部は、赤外線の前記光信号を受光する前記受光部であり、前記フレネルレンズはポリシリコン又はアモルファスシリコンで形成されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
  11. 　前記半導体基板に設けられた集積回路を備え、
    前記集積回路は、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ことを特徴とする請求項１０記載の光半導体装置。
  12. 　前記光通信部は、前記光信号を受光する前記受光部であり、
    複数の前記受光部が前記半導体基板に設けられており、
    前記受光部毎に設けられた前記フレネルレンズは、前記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１、３、１０、１１のいずれか１項に記載の光半導体装置。
  13. 　複数の前記受光部が前記半導体基板に設けられており、
    前記受光部毎に設けられた前記フレネルレンズは、前記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または５に記載の光半導体装置。
  14. 　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７記載の光半導体装置。
  15. 　複数の前記外部系受光部が前記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８記載の光半導体装置。
  16. 　半導体基板と、前記半導体基板に設けられた、太陽光を受光する受光部と、前記半導体基板及び前記受光部を覆う層間膜と、前記層間膜の前記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太陽光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層間膜を覆い、かつ前記層間膜よりも屈折率が大きく、前記層間膜から離れた側の面が平坦化された保護膜と、を備えた光半導体装置。
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