JP2830591B2 - 半導体光機能素子 - Google Patents
半導体光機能素子Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0236—Special surface textures
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
-
- G—PHYSICS
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0236—Special surface textures
- H01L31/02363—Special surface textures of the semiconductor body itself, e.g. textured active layers
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
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- Physics & Mathematics (AREA)
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、面型の光半導体素子と
回折格子型光素子が同一の半導体基板にモノリシックに
形成され、それらが光で結合されることによって、光ス
イッチやブロードキャストなどの機能を持った半導体光
機能素子に関する。
回折格子型光素子が同一の半導体基板にモノリシックに
形成され、それらが光で結合されることによって、光ス
イッチやブロードキャストなどの機能を持った半導体光
機能素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来技術としては次のようなものがあ
る。第1の例として、1991年のフォトニック・スイ
ッチング・トピカル・ミーティング(Photonic
Switching Topical Meetin
g、March 6−8、1991、Salt Lak
e City、Utah、USA、pp.193−19
6)のダイジェスト193−196頁。
る。第1の例として、1991年のフォトニック・スイ
ッチング・トピカル・ミーティング(Photonic
Switching Topical Meetin
g、March 6−8、1991、Salt Lak
e City、Utah、USA、pp.193−19
6)のダイジェスト193−196頁。
【0003】第2の例としては1990年のオプティカ
ル・コンピューティングに関するインターナショナル・
トピカル・ミーティング(International
Topical Meeting on Optic
al Computing、April 8−12、1
990、Kobe、Japan、pp.164−16
6)のダイジェスト164−166頁。
ル・コンピューティングに関するインターナショナル・
トピカル・ミーティング(International
Topical Meeting on Optic
al Computing、April 8−12、1
990、Kobe、Japan、pp.164−16
6)のダイジェスト164−166頁。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】光スイッチは電気的な
ものに比べてGb/s以上の高速なスイッチが実現でき
る。このような光スイッチとしてはLiNbO3 や、A
lGaAs系やInGaAsP系などの化合物半導体を
使った方向性結合型の素子が研究されている。しかしな
がらこのような光スイッチには素子長が長くなってしま
い、チャンネル数をあまり取れないという問題点があっ
た。
ものに比べてGb/s以上の高速なスイッチが実現でき
る。このような光スイッチとしてはLiNbO3 や、A
lGaAs系やInGaAsP系などの化合物半導体を
使った方向性結合型の素子が研究されている。しかしな
がらこのような光スイッチには素子長が長くなってしま
い、チャンネル数をあまり取れないという問題点があっ
た。
【0005】図9は前述の第1の従来例に記載されてい
るGaAs系半導体材料で作られた方向性結合型光スイ
ッチである。この例では一素子の長さLは4.2mmで
ある。このような素子を用いて4×4マトリクス・スイ
ッチを作製した例も報告されているが、全長としては1
5mm〜20mmと長くなってしまう。4チャンネルで
これだけの長さになってしまうので100〜1000個
といった大規模な光スイッチを作るのは困難である。大
規模化が難しい他の理由は入力が1次元的(線状)にし
か入れられないことにある。
るGaAs系半導体材料で作られた方向性結合型光スイ
ッチである。この例では一素子の長さLは4.2mmで
ある。このような素子を用いて4×4マトリクス・スイ
ッチを作製した例も報告されているが、全長としては1
5mm〜20mmと長くなってしまう。4チャンネルで
これだけの長さになってしまうので100〜1000個
といった大規模な光スイッチを作るのは困難である。大
規模化が難しい他の理由は入力が1次元的(線状)にし
か入れられないことにある。
【0006】また、方向性結合型光スイッチでは光のカ
ップリングが容易でなく、そこで結合損が生ずるという
問題がある。図9の場合では光が伝播する光導波路部分
(i−GaAsガイド)の断面は長方形となっており、
厚さ方向の寸法は0.26μmと薄い。したがって光の
カップリングは容易でない。
ップリングが容易でなく、そこで結合損が生ずるという
問題がある。図9の場合では光が伝播する光導波路部分
(i−GaAsガイド)の断面は長方形となっており、
厚さ方向の寸法は0.26μmと薄い。したがって光の
カップリングは容易でない。
【0007】また光を使うと電気ではできないようなブ
ロードキャスト機能が実現されると期待されている。ブ
ロードキャスト機能とは、一つの信号を同時に複数の素
子や装置に分配する機能のことである。図10は上述の
第2の従来例で提案されている平面光回路で、ガラスや
石英板などに、レンズや反射鏡やビームスプリッターな
どの機能を持った回折格子を表面に形成しようとしたも
のである。図10の例では半導体基板上に作られたマイ
クロ(μ)レーザからの光が、ガラスの平面光回路に入
り、その中の回折格子で進行方向を曲げられて、再び半
導体基板上に別の位置に形成された受光素子に入るよう
になっている。この例では1対1の結合であるが、例え
ば回折格子を工夫すればブロードキャストが実現され
る。ガラスや石英板などを使った平面光回路は、大面積
の材料の入手が容易であり、通常使われるAlGaAs
系やInGaAsP系の半導体レーザの光に対して透明
であるという利点があり、各所で最近、研究されてい
る。
ロードキャスト機能が実現されると期待されている。ブ
ロードキャスト機能とは、一つの信号を同時に複数の素
子や装置に分配する機能のことである。図10は上述の
第2の従来例で提案されている平面光回路で、ガラスや
石英板などに、レンズや反射鏡やビームスプリッターな
どの機能を持った回折格子を表面に形成しようとしたも
のである。図10の例では半導体基板上に作られたマイ
クロ(μ)レーザからの光が、ガラスの平面光回路に入
り、その中の回折格子で進行方向を曲げられて、再び半
導体基板上に別の位置に形成された受光素子に入るよう
になっている。この例では1対1の結合であるが、例え
ば回折格子を工夫すればブロードキャストが実現され
る。ガラスや石英板などを使った平面光回路は、大面積
の材料の入手が容易であり、通常使われるAlGaAs
系やInGaAsP系の半導体レーザの光に対して透明
であるという利点があり、各所で最近、研究されてい
る。
【0008】しかしながら、(1)平面光回路と光半導
体素子とは別々に作製したあとアライメントして接着す
る必要があり、それが簡単でない、(2)ガラスや石英
板などへの精密、微細な加工は容易でない、という問題
点があり、関心は持たれているものの、研究開発及び実
用化がなかなか加速されないという事情があった。
体素子とは別々に作製したあとアライメントして接着す
る必要があり、それが簡単でない、(2)ガラスや石英
板などへの精密、微細な加工は容易でない、という問題
点があり、関心は持たれているものの、研究開発及び実
用化がなかなか加速されないという事情があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
を解決するための半導体光機能素子に関するもので、面
型の光半導体素子と回折格子型光素子を同一の半導体基
板にモノリシックに形成する。光半導体素子と回折格子
型光素子との横方向の位置関係はプロセスで最適な所に
作り込む。そして、さらに半導体基板の厚さを適当に研
磨し、薄くすることによって半導体基板を介してそれぞ
れを光で結合させる。それによって、上述のアライメン
トの問題が軽減され、多チャンネル化が容易な高速光ス
イッチや、ブロードキャストなどが実現される。
を解決するための半導体光機能素子に関するもので、面
型の光半導体素子と回折格子型光素子を同一の半導体基
板にモノリシックに形成する。光半導体素子と回折格子
型光素子との横方向の位置関係はプロセスで最適な所に
作り込む。そして、さらに半導体基板の厚さを適当に研
磨し、薄くすることによって半導体基板を介してそれぞ
れを光で結合させる。それによって、上述のアライメン
トの問題が軽減され、多チャンネル化が容易な高速光ス
イッチや、ブロードキャストなどが実現される。
【0010】本発明の第1の半導体光機能素子は、半導
体基板の片面に半導体多層膜を成長して、そこに発光機
能、受光機能、光変調機能、光増幅機能、光スイッチン
グとメモリと発光と光増幅機能の、いずれかの機能を持
った光半導体素子を複数個、形成した後、前記半導体基
板の反対側の片面を研磨し、その面にエッチングによっ
て凸凹を形成して複数個の回折格子型光素子を形成して
ある。
体基板の片面に半導体多層膜を成長して、そこに発光機
能、受光機能、光変調機能、光増幅機能、光スイッチン
グとメモリと発光と光増幅機能の、いずれかの機能を持
った光半導体素子を複数個、形成した後、前記半導体基
板の反対側の片面を研磨し、その面にエッチングによっ
て凸凹を形成して複数個の回折格子型光素子を形成して
ある。
【0011】そして、前記半導体基板の内部を光が伝播
し、前記半導体基板の厚さが、前記光半導体素子の一部
と前記回折格子型光素子が光で結合されるように制御さ
れている。さらに、前記半導体基板は該光に対して光吸
収係数が100cm-1以下であることが望ましい。
し、前記半導体基板の厚さが、前記光半導体素子の一部
と前記回折格子型光素子が光で結合されるように制御さ
れている。さらに、前記半導体基板は該光に対して光吸
収係数が100cm-1以下であることが望ましい。
【0012】また、さらに光半導体素子を形成した面に
もエッチングによって凸凹を形成して複数個の回折格子
型光素子が形成され、他の回折格子型光素子と光結合さ
れている。
もエッチングによって凸凹を形成して複数個の回折格子
型光素子が形成され、他の回折格子型光素子と光結合さ
れている。
【0013】光クロスバースイッチを実現するために
は、複数個の回折格子型光素子の一部が光分岐機能を持
ち、該回折格子型光素子が、光変調機能、光増幅機能、
光スイッチングとメモリと発光と光増幅機能の3つのい
ずれかの機能を持った複数個の光半導体素子と光結合さ
れ、さらに残りの複数個の回折格子型光素子の一部が光
合流機能を持ち、当該回折格子型光素子と前記光半導体
素子とが光結合される。
は、複数個の回折格子型光素子の一部が光分岐機能を持
ち、該回折格子型光素子が、光変調機能、光増幅機能、
光スイッチングとメモリと発光と光増幅機能の3つのい
ずれかの機能を持った複数個の光半導体素子と光結合さ
れ、さらに残りの複数個の回折格子型光素子の一部が光
合流機能を持ち、当該回折格子型光素子と前記光半導体
素子とが光結合される。
【0014】ブロードキャーストを実現するためには、
発光機能を持った光半導体素子からの光信号が、回折格
子型光素子と、光増幅機能、または、光スイッチングと
メモリと発光と光増幅機能を持った別の光半導体素子に
よって半導体基板の中を途中で光増幅されながら進み、
他の複数個の受光機能を持った光半導体素子に伝わるよ
うにする。
発光機能を持った光半導体素子からの光信号が、回折格
子型光素子と、光増幅機能、または、光スイッチングと
メモリと発光と光増幅機能を持った別の光半導体素子に
よって半導体基板の中を途中で光増幅されながら進み、
他の複数個の受光機能を持った光半導体素子に伝わるよ
うにする。
【0015】ブロードキャーストを電子回路に応用する
ためには、電子素子が形成された半導体チップに上述の
半導体光機能素子をフリップチップ・ボンディングす
る。
ためには、電子素子が形成された半導体チップに上述の
半導体光機能素子をフリップチップ・ボンディングす
る。
【0016】また、並列の1対1の光インターコネクシ
ョンをアライメントの問題を小さくして実現するため
に、半導体光機能素子の外部の1平面に光を集光させる
機能を持った複数個の回折格子型光素子アレイと、発光
機能を持った複数個の光半導体素子アレイを形成し、該
光半導体素子アレイからの光信号群が、該回折格子型光
素子アレイによって1対1に外部に結像される際に占め
る全体の面積が、半導体光機能素子の内部において前記
発光機能を持った複数個の光半導体素子アレイが占める
面積よりも大きくなるようにしておく。
ョンをアライメントの問題を小さくして実現するため
に、半導体光機能素子の外部の1平面に光を集光させる
機能を持った複数個の回折格子型光素子アレイと、発光
機能を持った複数個の光半導体素子アレイを形成し、該
光半導体素子アレイからの光信号群が、該回折格子型光
素子アレイによって1対1に外部に結像される際に占め
る全体の面積が、半導体光機能素子の内部において前記
発光機能を持った複数個の光半導体素子アレイが占める
面積よりも大きくなるようにしておく。
【0017】また更に、そのような半導体光機能素子を
電子素子が形成された半導体チップにフリップチップ・
ボンディングし、該電子素子からの電気信号群を光信号
群に変換し、該光信号群は半導体光機能素子の外部の自
由空間を進んで1平面に結像させるようにする。
電子素子が形成された半導体チップにフリップチップ・
ボンディングし、該電子素子からの電気信号群を光信号
群に変換し、該光信号群は半導体光機能素子の外部の自
由空間を進んで1平面に結像させるようにする。
【0018】また、半導体基板を研磨した側に形成した
回折格子型光素子の上に、SiNかSiO2 かTiO2
を堆積させ、またはそれらを組み合わせて堆積させて第
2の光伝播層を形成した後、その上部にエッチングで凸
凹を形成することによって複数個の回折格子型光素子を
形成し、当該回折格子型光素子と、他の回折格子型光素
子および光半導体素子間が光結合されるように、前記第
2の光伝播層の厚さを制御しておく。
回折格子型光素子の上に、SiNかSiO2 かTiO2
を堆積させ、またはそれらを組み合わせて堆積させて第
2の光伝播層を形成した後、その上部にエッチングで凸
凹を形成することによって複数個の回折格子型光素子を
形成し、当該回折格子型光素子と、他の回折格子型光素
子および光半導体素子間が光結合されるように、前記第
2の光伝播層の厚さを制御しておく。
【0019】また、半導体基板は半絶縁性基板であり、
光半導体素子を形成するための半導体多層膜が、半導体
基板の片面にp型の第1のDBR反射鏡、p型の第1半
導体層、n型の第2半導体層、低濃度の第3半導体層、
p型の第4半導体層、n型の第5半導体層、n型の第2
のDBR反射鏡が順次、成長して形成されており、それ
より発光機能、または光スイッチングとメモリと発光と
光増幅機能を持った光半導体素子が作られるようにす
る。第3半導体層の中には、同一の導伝型で光吸収層を
兼ねる活性半導体層が形成されており、活性半導体層を
含む第3半導体層の濃度は1×1016cm-3以下であ
り、前記活性半導体層のバンドギャップは、他の半導体
層のバンドギャップより小さくしておく。さらに、ウェ
ハー面内の一部で、第2のDBR反射鏡がエッチングに
よって落とされ、n型の第2半導体層、低濃度の第3半
導体層、p型の第4半導体層、n型の第5半導体層か
ら、受光機能や、光変調機能を持った光半導体素子が形
成される。それぞれの光半導体素子は第1のDBR反射
鏡の中の途中の層までエッチングによって落とされた
後、前記半絶縁性基板にまで到達するイオン注入によっ
てアイソレーション領域が形成され、素子分離される。
光半導体素子を形成するための半導体多層膜が、半導体
基板の片面にp型の第1のDBR反射鏡、p型の第1半
導体層、n型の第2半導体層、低濃度の第3半導体層、
p型の第4半導体層、n型の第5半導体層、n型の第2
のDBR反射鏡が順次、成長して形成されており、それ
より発光機能、または光スイッチングとメモリと発光と
光増幅機能を持った光半導体素子が作られるようにす
る。第3半導体層の中には、同一の導伝型で光吸収層を
兼ねる活性半導体層が形成されており、活性半導体層を
含む第3半導体層の濃度は1×1016cm-3以下であ
り、前記活性半導体層のバンドギャップは、他の半導体
層のバンドギャップより小さくしておく。さらに、ウェ
ハー面内の一部で、第2のDBR反射鏡がエッチングに
よって落とされ、n型の第2半導体層、低濃度の第3半
導体層、p型の第4半導体層、n型の第5半導体層か
ら、受光機能や、光変調機能を持った光半導体素子が形
成される。それぞれの光半導体素子は第1のDBR反射
鏡の中の途中の層までエッチングによって落とされた
後、前記半絶縁性基板にまで到達するイオン注入によっ
てアイソレーション領域が形成され、素子分離される。
【0020】また、受光機能を持った光半導体素子をバ
イポーラトランジスターとして使う。
イポーラトランジスターとして使う。
【0021】
【作用】本発明(請求項1)によれば、同一の半導体基
板の一方の表面に光半導体素子、反対側の表面に回折格
子型光素子をモノリシックに形成する。光半導体素子と
回折格子型光素子との横方向の位置関係はプロセスで最
適な所に作り、半導体基板の厚さを研磨により適当な厚
さにし、それによって半導体基板を介してそれぞれが光
で結合される。結局の所、アライメントはリソグラフィ
ー技術と研磨精度によるので極めて精密にできる。した
がって、平面光回路と光半導体素子を別個に用意して、
後で時間をかけてアライメントし、はりあわせるといっ
た問題がなくなる。
板の一方の表面に光半導体素子、反対側の表面に回折格
子型光素子をモノリシックに形成する。光半導体素子と
回折格子型光素子との横方向の位置関係はプロセスで最
適な所に作り、半導体基板の厚さを研磨により適当な厚
さにし、それによって半導体基板を介してそれぞれが光
で結合される。結局の所、アライメントはリソグラフィ
ー技術と研磨精度によるので極めて精密にできる。した
がって、平面光回路と光半導体素子を別個に用意して、
後で時間をかけてアライメントし、はりあわせるといっ
た問題がなくなる。
【0022】また、請求項3の発明のように回折格子型
光素子を光半導体素子を形成した側にも作ることによっ
て、デサインの自由度が広がる。
光素子を光半導体素子を形成した側にも作ることによっ
て、デサインの自由度が広がる。
【0023】また、本発明(請求項4)による光スイッ
チの占有面積は、方向性結合型光スイッチを使う場合に
比べて小さくでき、2次元的(面状)に多数並べられ
る。したがってチャンネル数を増やすことができる。ま
た光のカップリングは容易であるので入出力時のカップ
リング損失は小さくできる。
チの占有面積は、方向性結合型光スイッチを使う場合に
比べて小さくでき、2次元的(面状)に多数並べられ
る。したがってチャンネル数を増やすことができる。ま
た光のカップリングは容易であるので入出力時のカップ
リング損失は小さくできる。
【0024】また、本発明(請求項5、6)によるブロ
ードキャーストは内部に光増幅の機能があるので、沢山
のポイントに信号をブロードキャーストできる。
ードキャーストは内部に光増幅の機能があるので、沢山
のポイントに信号をブロードキャーストできる。
【0025】また、本発明によるブロードキャースト機
能を有した半導体光機能素子を電子回路が形成されたチ
ップにフリップチップ・ボンディングすることによって
電気の世界で実現が困難であったブロードキャーストが
簡単な構成で実現される。
能を有した半導体光機能素子を電子回路が形成されたチ
ップにフリップチップ・ボンディングすることによって
電気の世界で実現が困難であったブロードキャーストが
簡単な構成で実現される。
【0026】また、請求項7、8の発明では、電気では
実現困難な、自由空間を介した並列の1対1の光インタ
ーコネクションがアライメントの問題を小さくして実現
できる。すなわち、半導体光素子の外部の1平面に光を
集光させる機能を持った複数個の回折格子型光素子アレ
イと、発光機能を持った複数個の光半導体素子アレイを
形成し、その光半導体素子アレイからの光信号群が、回
折格子型光素子アレイによって外部に集光される際に占
める全体の面積が、光半導体素子アレイが占める面積よ
りも大きくなるようにしておく。そのような半導体光機
能素子を電子素子が形成された半導体チップにフリップ
チップ・ボンディングし、その電子素子からの電気信号
群を光信号群に変換し、外部の自由空間を飛ばして1平
面上に集光させるようにする。電子素子(または光半導
体素子)のピッチに比べて結像面でのピッチは大きくな
っているので、その位置にサイズの大きな受光素子を配
置できるようになる。光ビームが振動などで少し動いて
も、受光面のサイズが大きいので受光できることになる
ので、相対的にアライメントの問題は小さくできる。
実現困難な、自由空間を介した並列の1対1の光インタ
ーコネクションがアライメントの問題を小さくして実現
できる。すなわち、半導体光素子の外部の1平面に光を
集光させる機能を持った複数個の回折格子型光素子アレ
イと、発光機能を持った複数個の光半導体素子アレイを
形成し、その光半導体素子アレイからの光信号群が、回
折格子型光素子アレイによって外部に集光される際に占
める全体の面積が、光半導体素子アレイが占める面積よ
りも大きくなるようにしておく。そのような半導体光機
能素子を電子素子が形成された半導体チップにフリップ
チップ・ボンディングし、その電子素子からの電気信号
群を光信号群に変換し、外部の自由空間を飛ばして1平
面上に集光させるようにする。電子素子(または光半導
体素子)のピッチに比べて結像面でのピッチは大きくな
っているので、その位置にサイズの大きな受光素子を配
置できるようになる。光ビームが振動などで少し動いて
も、受光面のサイズが大きいので受光できることになる
ので、相対的にアライメントの問題は小さくできる。
【0027】また、請求項9の発明では、光伝播層がつ
くられた半導体基板を研磨した側に形成した回折格子型
光素子の上に、SiNかSiO2 かTiO2 等の絶縁膜
を堆積させ、またはそれらを組み合わせて堆積させて第
2の光伝播層を形成した後、その上部にエッチングで凸
凹を形成することによって複数個の回折格子型光素子を
形成し、その回折格子型光素子と、他の回折格子型光素
子および光半導体素子間が光結合されるように、前記第
2の光伝播層の厚さを制御しておくようにすれば、デザ
インの自由度が増し、高機能な半導体光機能素子が実現
できる。
くられた半導体基板を研磨した側に形成した回折格子型
光素子の上に、SiNかSiO2 かTiO2 等の絶縁膜
を堆積させ、またはそれらを組み合わせて堆積させて第
2の光伝播層を形成した後、その上部にエッチングで凸
凹を形成することによって複数個の回折格子型光素子を
形成し、その回折格子型光素子と、他の回折格子型光素
子および光半導体素子間が光結合されるように、前記第
2の光伝播層の厚さを制御しておくようにすれば、デザ
インの自由度が増し、高機能な半導体光機能素子が実現
できる。
【0028】また、本発明(請求項10、11、12、
13)のようにして半導体多層膜を形成すれば、そこに
発光機能、受光機能、光変調機能、光増幅機能、光スイ
ッチングとメモリと発光と光増幅機能を持った各種の光
半導体素子が1回の結晶成長とプロセスで実現できる。
また、受光機能を持った光半導体素子をバイポーラトラ
ンジスターとして使えば、電子回路も同時に半導体光機
能素子に作り込める。
13)のようにして半導体多層膜を形成すれば、そこに
発光機能、受光機能、光変調機能、光増幅機能、光スイ
ッチングとメモリと発光と光増幅機能を持った各種の光
半導体素子が1回の結晶成長とプロセスで実現できる。
また、受光機能を持った光半導体素子をバイポーラトラ
ンジスターとして使えば、電子回路も同時に半導体光機
能素子に作り込める。
【0029】
【実施例】図1は本発明(請求項1及び2)の一実施例
で概念を説明したものである。半導体基板100の上に
半導体多層膜を結晶成長させ、そこに発光素子101
や、光変調素子102、受光素子103、光増幅素子1
04、光スイッチングとメモリと発光と光増幅機能を持
った素子105を形成する。具体的な構造については後
述する。その後、半導体基板100の裏側を所定の厚さ
になるまで研磨する。そして基板の裏側に両面露光技術
を使って、基板の裏と表の相対的な位置あわせをし、所
定の位置に回折格子型光素子106をエッチングで形成
する。
で概念を説明したものである。半導体基板100の上に
半導体多層膜を結晶成長させ、そこに発光素子101
や、光変調素子102、受光素子103、光増幅素子1
04、光スイッチングとメモリと発光と光増幅機能を持
った素子105を形成する。具体的な構造については後
述する。その後、半導体基板100の裏側を所定の厚さ
になるまで研磨する。そして基板の裏側に両面露光技術
を使って、基板の裏と表の相対的な位置あわせをし、所
定の位置に回折格子型光素子106をエッチングで形成
する。
【0030】図1の例では、発光素子101からは基板
と垂直の方向にレーザ光が出る。その光は真下に作られ
た回折格子型光素子106によって光出力1として外側
に一部出るが、残りは回折格子型光素子106によって
回折され、半導体基板100の内を上下にジグザクに反
射されながら基板方向に進む。図において基板の左側に
伝播する回折光は光変調素子102の真下の回折格子型
光素子106によって上側の光変調素子102と光結合
し、強度が変調される。変調された光は、再び光変調素
子102の真下の回折格子型光素子106によって回折
され、基板内部をさらにジグザグに左側に伝播し、受光
素子103の真下の回折格子型光素子106によって上
側の受光素子103に入射して検出される。一方、図に
おいて基板の右側に進むレーザ光は、同様にして光増幅
素子104の真下の回折格子型光素子106によって光
増幅素子104と光結合し、光増幅される。その後、さ
らに右側にレーザ光は進み、光スイッチングとメモリと
発光と光増幅機能を持った素子105に入力する。この
素子はサイリスタのように電気的にオン、オフの2つの
状態を持つ光半導体素子で、オン状態で電流があるレベ
ル以上になるとレーザ光を出す。今の場合は、発光素子
101からのレーザ光が入るまではオフ状態になってい
るとする。レーザ光が入力すると素子はオンし、光がな
くなった後もオン状態が保持される。その後、必要な時
に電流を発振閾値以上、流し、レーザ発光させる。この
素子は、オン状態で発振閾値近くにバイアスしておけば
光増幅素子としても機能する。
と垂直の方向にレーザ光が出る。その光は真下に作られ
た回折格子型光素子106によって光出力1として外側
に一部出るが、残りは回折格子型光素子106によって
回折され、半導体基板100の内を上下にジグザクに反
射されながら基板方向に進む。図において基板の左側に
伝播する回折光は光変調素子102の真下の回折格子型
光素子106によって上側の光変調素子102と光結合
し、強度が変調される。変調された光は、再び光変調素
子102の真下の回折格子型光素子106によって回折
され、基板内部をさらにジグザグに左側に伝播し、受光
素子103の真下の回折格子型光素子106によって上
側の受光素子103に入射して検出される。一方、図に
おいて基板の右側に進むレーザ光は、同様にして光増幅
素子104の真下の回折格子型光素子106によって光
増幅素子104と光結合し、光増幅される。その後、さ
らに右側にレーザ光は進み、光スイッチングとメモリと
発光と光増幅機能を持った素子105に入力する。この
素子はサイリスタのように電気的にオン、オフの2つの
状態を持つ光半導体素子で、オン状態で電流があるレベ
ル以上になるとレーザ光を出す。今の場合は、発光素子
101からのレーザ光が入るまではオフ状態になってい
るとする。レーザ光が入力すると素子はオンし、光がな
くなった後もオン状態が保持される。その後、必要な時
に電流を発振閾値以上、流し、レーザ発光させる。この
素子は、オン状態で発振閾値近くにバイアスしておけば
光増幅素子としても機能する。
【0031】半導体基板100は基本的には中を光を走
らせるので透明である必要があるが、フリーキャリア吸
収や不純物吸収による光損失はさけられない。しかしな
がら、光吸収係数としては100cm-1以下であれば光
増幅素子なども途中に入れることによってデザインでき
ることが分かった。
らせるので透明である必要があるが、フリーキャリア吸
収や不純物吸収による光損失はさけられない。しかしな
がら、光吸収係数としては100cm-1以下であれば光
増幅素子なども途中に入れることによってデザインでき
ることが分かった。
【0032】半導体基板100の研磨であるが、これは
半導体レーザの場合と同じである。半導体レーザの製作
にはへき開のために基板の研磨を通常する。回折格子型
光素子のもっとも基本的なものはレンズ機能を持った素
子である。図1で発光素子101の真下の回折格子型光
素子106が、そのようなレンズ機能を持った素子であ
る場合に基板厚の制御がどのくらい必要か述べる。
半導体レーザの場合と同じである。半導体レーザの製作
にはへき開のために基板の研磨を通常する。回折格子型
光素子のもっとも基本的なものはレンズ機能を持った素
子である。図1で発光素子101の真下の回折格子型光
素子106が、そのようなレンズ機能を持った素子であ
る場合に基板厚の制御がどのくらい必要か述べる。
【0033】同心円状のパタンからなるゾーンプレート
のN番目の縞の半径RN は、RN =(2Nλf/n)
1/2 、によって求められる。ここでλは空気中での波
長、fは空気中の焦点距離、nは半導体基板101の屈
折率である。基板がGaAsで、発光素子101の光
(レーザ光)の波長を950nmとすると、n=3.5
3である。発光素子101は、後述するように、発光層
をGaAsにInを僅か加えて長波長化したInGaA
sとすれば、このようにできる。ゾーンプレートの開口
数(NA)と最小ピッチの関係は、NA=0.2で最小
ピッチが1.4μm、NA=0.3では最小ピッチが
0.3μmとなる。発光点から基板の裏側表面までの距
離をt、基板表面から空気中に出射した+1次回折光の
集光点はaは、a={ft/n(t−f)}、で表せ
る。それより基板厚さに対するトレランスを計算する
と、基板から10mmという離れた位置まで光を伝播さ
せるためには、焦点距離が100μmの場合には1μ
m、300μmの場合には5μmの精度でGaAs基板
の厚さを制御する必要がある。
のN番目の縞の半径RN は、RN =(2Nλf/n)
1/2 、によって求められる。ここでλは空気中での波
長、fは空気中の焦点距離、nは半導体基板101の屈
折率である。基板がGaAsで、発光素子101の光
(レーザ光)の波長を950nmとすると、n=3.5
3である。発光素子101は、後述するように、発光層
をGaAsにInを僅か加えて長波長化したInGaA
sとすれば、このようにできる。ゾーンプレートの開口
数(NA)と最小ピッチの関係は、NA=0.2で最小
ピッチが1.4μm、NA=0.3では最小ピッチが
0.3μmとなる。発光点から基板の裏側表面までの距
離をt、基板表面から空気中に出射した+1次回折光の
集光点はaは、a={ft/n(t−f)}、で表せ
る。それより基板厚さに対するトレランスを計算する
と、基板から10mmという離れた位置まで光を伝播さ
せるためには、焦点距離が100μmの場合には1μ
m、300μmの場合には5μmの精度でGaAs基板
の厚さを制御する必要がある。
【0034】実際の製作の中で、基板の厚さは1μmの
精度で厳密に制御できることが分かっている。6mm×
8mmのウェハーでゾーンプレートを作ってみたが、そ
の例では基板を123μmの厚さにする必要があった。
そして、123μmを狙って研磨し、ゲージで測定した
ところ1点だけ122μmではあったが、ウェハー内に
他の位置では全点、狙いどうりの123μmに仕上げら
れていることが分かった。研磨の最後は市販のダイアモ
ンドペーストで鏡面になるようにできる。またエッチン
グにはH3 PO4 :H2 O2 :H2 O=3:3:50を
用い、110秒の時間で0.19μmとした。ウェット
エッチングでも10nmの深さ制御は可能であるが、ド
ライエッチングを用いれば、回折効率に効く回折格子の
深さ制御を10nm以下で行うことができる。
精度で厳密に制御できることが分かっている。6mm×
8mmのウェハーでゾーンプレートを作ってみたが、そ
の例では基板を123μmの厚さにする必要があった。
そして、123μmを狙って研磨し、ゲージで測定した
ところ1点だけ122μmではあったが、ウェハー内に
他の位置では全点、狙いどうりの123μmに仕上げら
れていることが分かった。研磨の最後は市販のダイアモ
ンドペーストで鏡面になるようにできる。またエッチン
グにはH3 PO4 :H2 O2 :H2 O=3:3:50を
用い、110秒の時間で0.19μmとした。ウェット
エッチングでも10nmの深さ制御は可能であるが、ド
ライエッチングを用いれば、回折効率に効く回折格子の
深さ制御を10nm以下で行うことができる。
【0035】以上のプロセス技術を用いて、250μm
のピッチで発光素子が形成されている100μmの厚さ
の基板に、直径100μm、深さ0.19μmの回折素
子を製作し、前述の機能が実現できることを確認した。
のピッチで発光素子が形成されている100μmの厚さ
の基板に、直径100μm、深さ0.19μmの回折素
子を製作し、前述の機能が実現できることを確認した。
【0036】図1では、同一の半導体基板の一方の表面
に光半導体素子、反対側の表面に回折格子型光素子をモ
ノリシックに形成する。光半導体素子と回折格子型光素
子との横方向の位置関係ははプロセスで最適な所に作
り、半導体基板の厚さを適当に研磨して薄くし、それに
よって半導体基板を介してそれぞれが光で結合される。
結局の所、アライメントはリソグラフィー技術と研磨精
度によるので極めて精密にできる。したがって、平面光
回路と光半導体素子を別個に用意して、後で時間をかけ
てアライメントし、はりあわせるといった問題がなくな
る。
に光半導体素子、反対側の表面に回折格子型光素子をモ
ノリシックに形成する。光半導体素子と回折格子型光素
子との横方向の位置関係ははプロセスで最適な所に作
り、半導体基板の厚さを適当に研磨して薄くし、それに
よって半導体基板を介してそれぞれが光で結合される。
結局の所、アライメントはリソグラフィー技術と研磨精
度によるので極めて精密にできる。したがって、平面光
回路と光半導体素子を別個に用意して、後で時間をかけ
てアライメントし、はりあわせるといった問題がなくな
る。
【0037】図2は本発明(請求項3)の実施例を概念
的に説明したものである。図1と基本的な所は同じであ
るが、違いは、半導体基板100の上側で光半導体素子
が形成されている所にも、回折格子型光素子107が作
られている点である。図1では基板の上側では全反射す
るような条件に基板厚がなっていたが、そのようにでき
ない場合もある。光半導体素子を形成した側にも回折格
子型光素子作ることによって、デサインの自由度が広が
る。
的に説明したものである。図1と基本的な所は同じであ
るが、違いは、半導体基板100の上側で光半導体素子
が形成されている所にも、回折格子型光素子107が作
られている点である。図1では基板の上側では全反射す
るような条件に基板厚がなっていたが、そのようにでき
ない場合もある。光半導体素子を形成した側にも回折格
子型光素子作ることによって、デサインの自由度が広が
る。
【0038】図3は本発明(請求項4)の一実施例のク
ロスバースイッチで、2×2の面型光スイッチである。
図3(a)は素子全体の断面図、(b)は素子の上側か
ら見たレイアウト図、(c)はGaAsの半導体基板3
00の下側に作られる回折格子型光素子のパターンの概
略を示している。
ロスバースイッチで、2×2の面型光スイッチである。
図3(a)は素子全体の断面図、(b)は素子の上側か
ら見たレイアウト図、(c)はGaAsの半導体基板3
00の下側に作られる回折格子型光素子のパターンの概
略を示している。
【0039】半導体基板300の上に光変調素子30
1、302、303、304が形成されている。それら
のレイアウトは図3(b)に示されている。光入力1は
基板の裏側に作られた光入力窓1(305)に入る。そ
こには309で示されたような回折格子がエッチングに
よって作られている。また、光入力2は基板の裏側に作
られた光入力窓2(306)に入る。そこには310で
示されたようなゾーンプレートを重ね合わせて作られる
回折格子がエッチングによって作られている。光変調素
子301、302、303、304の下には回折格子型
光素子311、312、313、314が形成されてい
る。回折型素子309は、入射した光を回折型素子31
1と312に分岐する働きをもつ。回折型素子310
は、入射した光を回折型素子313と314に分岐する
働きをもつ。回折型素子311は、回折型素子309か
ら回折して入射した光を光変調素子301に入射させ、
光変調素子301によって変調された光を回折型素子3
15に入射させる働きをもつ。回折型素子312は、回
折型素子309から回折して入射した光を光変調素子3
02に入射させ、光変調素子302によって変調された
光を回折型素子315に入射させる働きをもつ。回折型
素子313は、回折型素子310から回折して入射した
光を光変調素子303に入射させ、光変調素子303に
よって変調された光を回折型素子316に入射させる働
きをもつ。回折型素子314は、回折型素子310から
回折して入射した光を光変調素子304に入射させ、光
変調素子304によって変調された光を回折型素子31
6に入射させる働きをもつ。光入力1は光変調素子30
1と302とに光結合し、光入力2は光変調素子303
と304とに光結合する。光変調素子により強度変調さ
れた光は図3(b)のようにして光出力窓1(307)
と光出力窓2(308)に向かって進み、光合流機能を
持った回折格子型光素子315と316で、それぞれか
ら、光出力1および光出力2として外部に出力される。
光変調素子301と304では、光強度が弱められない
でそのまま通るような状態にしておき、光変調素子30
2と303では、光強度が弱められるような状態にして
おくと、光スイッチとしてバーの状態が実現できる。ま
た、光変調素子302と303では、光強度が弱められ
ないでそのまま通るような状態にしておき、光変調素子
301と304では、光強度が弱められるような状態に
しておくと、光スイッチとしてクロスの状態が実現で
き、2×2の基本的な光スイッチができる。このような
2×2の光スイッチを半導体基板300に多数、作り、
それらをひとかたまりとして多段スイッチ網の一段とす
る。
1、302、303、304が形成されている。それら
のレイアウトは図3(b)に示されている。光入力1は
基板の裏側に作られた光入力窓1(305)に入る。そ
こには309で示されたような回折格子がエッチングに
よって作られている。また、光入力2は基板の裏側に作
られた光入力窓2(306)に入る。そこには310で
示されたようなゾーンプレートを重ね合わせて作られる
回折格子がエッチングによって作られている。光変調素
子301、302、303、304の下には回折格子型
光素子311、312、313、314が形成されてい
る。回折型素子309は、入射した光を回折型素子31
1と312に分岐する働きをもつ。回折型素子310
は、入射した光を回折型素子313と314に分岐する
働きをもつ。回折型素子311は、回折型素子309か
ら回折して入射した光を光変調素子301に入射させ、
光変調素子301によって変調された光を回折型素子3
15に入射させる働きをもつ。回折型素子312は、回
折型素子309から回折して入射した光を光変調素子3
02に入射させ、光変調素子302によって変調された
光を回折型素子315に入射させる働きをもつ。回折型
素子313は、回折型素子310から回折して入射した
光を光変調素子303に入射させ、光変調素子303に
よって変調された光を回折型素子316に入射させる働
きをもつ。回折型素子314は、回折型素子310から
回折して入射した光を光変調素子304に入射させ、光
変調素子304によって変調された光を回折型素子31
6に入射させる働きをもつ。光入力1は光変調素子30
1と302とに光結合し、光入力2は光変調素子303
と304とに光結合する。光変調素子により強度変調さ
れた光は図3(b)のようにして光出力窓1(307)
と光出力窓2(308)に向かって進み、光合流機能を
持った回折格子型光素子315と316で、それぞれか
ら、光出力1および光出力2として外部に出力される。
光変調素子301と304では、光強度が弱められない
でそのまま通るような状態にしておき、光変調素子30
2と303では、光強度が弱められるような状態にして
おくと、光スイッチとしてバーの状態が実現できる。ま
た、光変調素子302と303では、光強度が弱められ
ないでそのまま通るような状態にしておき、光変調素子
301と304では、光強度が弱められるような状態に
しておくと、光スイッチとしてクロスの状態が実現で
き、2×2の基本的な光スイッチができる。このような
2×2の光スイッチを半導体基板300に多数、作り、
それらをひとかたまりとして多段スイッチ網の一段とす
る。
【0040】クロスオーバ接続のためのマイクロオプテ
ィックスが、SPIEプロシーディング(SPIE I
nternational Symposiumon
”Optical Applied Science
& Engineering”、 SPIE Pro
ceeding、vol.1533、paper12、
1991)にF.B.McCormickらによって報
告されているが、このようなマイクロオプティックスを
使えば2次元光スイッチが一段あたりに入った、多段ス
イッチ網ができる。電気で多段スイッチ網を作る場合に
は、一段あたりの電気のスイッチは1次元的にしか配置
できないので、このような構成によって高速で多チャン
ネル化が可能なスイッチが実現できる。
ィックスが、SPIEプロシーディング(SPIE I
nternational Symposiumon
”Optical Applied Science
& Engineering”、 SPIE Pro
ceeding、vol.1533、paper12、
1991)にF.B.McCormickらによって報
告されているが、このようなマイクロオプティックスを
使えば2次元光スイッチが一段あたりに入った、多段ス
イッチ網ができる。電気で多段スイッチ網を作る場合に
は、一段あたりの電気のスイッチは1次元的にしか配置
できないので、このような構成によって高速で多チャン
ネル化が可能なスイッチが実現できる。
【0041】本実施例では光変調素子301、302、
303、304の間のピッチは250μmであるが10
0μm以下にすることは可能である。実際の光変調素子
301、302、303、304の構造についてはこれ
も後述するが、ベース層とコレクタ層の間にInGaA
s層が入ったnpnヘテロフォトトランジスターとなっ
ている。エミッター、コレクタ間に電圧をかけるとIn
GaAs層に加わる電圧が変化し、フランツ・ケルディ
ッシュ効果で吸収が変化し、入射光の光強度を変調す
る。電気では難しい、Gb/s以上の高速光強度変調が
できる。光変調素子301、302、303、304の
サイズは30μm×30μmであり、方向性結合型光ス
イッチの寸法と比べるとずっと小さい。また光のカップ
リングは方向性結合型光スイッチと比べて容易であるの
で入出力時のカップリング損失は小さくできた。図3の
実施例では光変調素子をノードに用いたが、光増幅機能
を持っている光半導体素子をもちいても同様なスイッチ
が実現できる。
303、304の間のピッチは250μmであるが10
0μm以下にすることは可能である。実際の光変調素子
301、302、303、304の構造についてはこれ
も後述するが、ベース層とコレクタ層の間にInGaA
s層が入ったnpnヘテロフォトトランジスターとなっ
ている。エミッター、コレクタ間に電圧をかけるとIn
GaAs層に加わる電圧が変化し、フランツ・ケルディ
ッシュ効果で吸収が変化し、入射光の光強度を変調す
る。電気では難しい、Gb/s以上の高速光強度変調が
できる。光変調素子301、302、303、304の
サイズは30μm×30μmであり、方向性結合型光ス
イッチの寸法と比べるとずっと小さい。また光のカップ
リングは方向性結合型光スイッチと比べて容易であるの
で入出力時のカップリング損失は小さくできた。図3の
実施例では光変調素子をノードに用いたが、光増幅機能
を持っている光半導体素子をもちいても同様なスイッチ
が実現できる。
【0042】図4は本発明(請求項5及び6)の実施例
であり、半導体基板403に発光素子404と、受光素
子405と、光増幅素子406が形成されている。基板
の裏側(図4では上方)にはブロードキャスト用の回折
格子型光素子407が、それぞれの光半導体素子と対向
する位置に形成されている。全体は、10μm角で高さ
が30μmのハンダバンプで半導体チップ401にフリ
ップチップ・ボンディングしてある。半導体チップ40
1は実際には、それように作ったSi−ICである。発
光素子404にフリップチップ・ボンディングを介して
接続される電子素子からの信号は、この例では2つの受
光素子405の位置にブロードキャストされる。光増幅
素子406のところで弱くなった光信号が増幅されるの
で、さらに遠くの、沢山のポイントに信号をブロードキ
ャーストできる。光増幅素子406の詳細は後述する
が、光増幅度は入力光信号の強さが1μWで15dB
(発振閾値電流の0.98倍にバイアスした時)が実現
できている。速度はGb/s以上の高速で動作する。図
4のような簡単な構成によって電気的な方法だけでは実
現が困難であったブロードキャーストが実現できる。こ
の例では406は光増幅素子であったが、光スイッチン
グとメモリと発光と光増幅機能を持った素子を用い、そ
のうちの光増幅の機能だけを使ってもよい。
であり、半導体基板403に発光素子404と、受光素
子405と、光増幅素子406が形成されている。基板
の裏側(図4では上方)にはブロードキャスト用の回折
格子型光素子407が、それぞれの光半導体素子と対向
する位置に形成されている。全体は、10μm角で高さ
が30μmのハンダバンプで半導体チップ401にフリ
ップチップ・ボンディングしてある。半導体チップ40
1は実際には、それように作ったSi−ICである。発
光素子404にフリップチップ・ボンディングを介して
接続される電子素子からの信号は、この例では2つの受
光素子405の位置にブロードキャストされる。光増幅
素子406のところで弱くなった光信号が増幅されるの
で、さらに遠くの、沢山のポイントに信号をブロードキ
ャーストできる。光増幅素子406の詳細は後述する
が、光増幅度は入力光信号の強さが1μWで15dB
(発振閾値電流の0.98倍にバイアスした時)が実現
できている。速度はGb/s以上の高速で動作する。図
4のような簡単な構成によって電気的な方法だけでは実
現が困難であったブロードキャーストが実現できる。こ
の例では406は光増幅素子であったが、光スイッチン
グとメモリと発光と光増幅機能を持った素子を用い、そ
のうちの光増幅の機能だけを使ってもよい。
【0043】図5は本発明(請求項7及び8)の実施例
である。ボード1(501)の上に半導体チップ502
がのっている。半導体チップ502は実際にはSi−I
Cで、図5では本質のみを説明するためと簡単のために
パッケージなどは省略している。504はハンダのバン
プで、発光素子503が形成された半導体基板506が
フリップチップ・ボンディングによって搭載されてい
る。505は半導体基板506の裏面に作られた回折格
子型光素子である。509は別のボード2である。そこ
にはボード1(501)と同じように半導体チップ50
8がのっている。半導体チップ(Si−IC)502と
同様にパッケージは省略してある。507はSi上に作
られたSiの受光素子である。
である。ボード1(501)の上に半導体チップ502
がのっている。半導体チップ502は実際にはSi−I
Cで、図5では本質のみを説明するためと簡単のために
パッケージなどは省略している。504はハンダのバン
プで、発光素子503が形成された半導体基板506が
フリップチップ・ボンディングによって搭載されてい
る。505は半導体基板506の裏面に作られた回折格
子型光素子である。509は別のボード2である。そこ
にはボード1(501)と同じように半導体チップ50
8がのっている。半導体チップ(Si−IC)502と
同様にパッケージは省略してある。507はSi上に作
られたSiの受光素子である。
【0044】発光素子アレイ503からの光信号群が、
回折格子型光素子アレイ505によって1対1に外部に
結像される際に占める全体の面積が、発光素子アレイ5
03が占める面積よりも大きくなるようにしておく。電
子素子(または発光素子)のピッチに比べて結像面での
ピッチは大きくなっているので、その位置に、図5のよ
うにサイズの大きな受光素子を配置できるようになる。
光ビームが振動などで少し動いても、受光面のサイズが
大きいので受光できることになるので、相対的にアライ
メントの問題は小さくできる。Si−APDでは直径が
1cmで、応答速度が700MHzのものが、すでに市
販されているが、この例ではアバランシェ増幅を使わな
い通常のSiの受光素子構造が507の位置に作られて
いる。サイズは500μmであり、応答速度は1Gb/
s以上ある。半導体チップにはもちろん507の位置、
以外の所にモノリシックに電子回路が形成されている。
ボード1(501)とボード2(509)の間隔は1/
2インチである。ボードをさしこむ固定枠の機械精度は
100μm以下にでき、また半導体チップ502や50
8をボード上に置く精度は100μm以下にできる。さ
らに半導体チップ502の上へはフリップチップ・ボン
ディングによって半導体基板506を搭載するので、そ
のセルフアライン効果で非常に精度良く所定の位置に置
くことができる。必要ならば全体の防振対策を施してお
けば、アライメントの問題なしに並列の1対1の光イン
ターコネクションが実現できる。超並列コンピュータシ
ステムを作る時に、バックプレーンを通して隣接ボード
に電気配線しようとすると、そこがボトルネックとな
る。配線数が多すぎてバックプレーンを介した電気配線
では間に合わないという問題は図5のような自由空間を
使った光インターコネクションで回避できる。
回折格子型光素子アレイ505によって1対1に外部に
結像される際に占める全体の面積が、発光素子アレイ5
03が占める面積よりも大きくなるようにしておく。電
子素子(または発光素子)のピッチに比べて結像面での
ピッチは大きくなっているので、その位置に、図5のよ
うにサイズの大きな受光素子を配置できるようになる。
光ビームが振動などで少し動いても、受光面のサイズが
大きいので受光できることになるので、相対的にアライ
メントの問題は小さくできる。Si−APDでは直径が
1cmで、応答速度が700MHzのものが、すでに市
販されているが、この例ではアバランシェ増幅を使わな
い通常のSiの受光素子構造が507の位置に作られて
いる。サイズは500μmであり、応答速度は1Gb/
s以上ある。半導体チップにはもちろん507の位置、
以外の所にモノリシックに電子回路が形成されている。
ボード1(501)とボード2(509)の間隔は1/
2インチである。ボードをさしこむ固定枠の機械精度は
100μm以下にでき、また半導体チップ502や50
8をボード上に置く精度は100μm以下にできる。さ
らに半導体チップ502の上へはフリップチップ・ボン
ディングによって半導体基板506を搭載するので、そ
のセルフアライン効果で非常に精度良く所定の位置に置
くことができる。必要ならば全体の防振対策を施してお
けば、アライメントの問題なしに並列の1対1の光イン
ターコネクションが実現できる。超並列コンピュータシ
ステムを作る時に、バックプレーンを通して隣接ボード
に電気配線しようとすると、そこがボトルネックとな
る。配線数が多すぎてバックプレーンを介した電気配線
では間に合わないという問題は図5のような自由空間を
使った光インターコネクションで回避できる。
【0045】図6は本発明(請求項9)の実施例であ
る。同図において601は半導体基板で、その上に発光
素子603、光変調素子604、受光素子605が形成
されている。半導体基板601を研磨して所望の厚さに
した後、両面露光技術を使って回折格子型光素子1(6
06)をエッチングで作製する。その後、熱CVD法で
SiO2 膜602を堆積させる。そして、その表面に回
折格子型光素子2(607)をエッチングで再度作製す
る。SiO2 膜602は回折格子型光素子1(606)
の凸凹を吸収してしまうので、最終的なSiO2 膜60
2の表面は平坦化してしまう。SiO2 膜602の厚さ
は堆積時間によって数100Aの精度で制御できる。こ
の例ではSiO2 を用いたが、SiNやTiO2 も使え
る。いずれにしても、デザインの自由度が増し、高機能
な半導体光機能素子が実現できる。
る。同図において601は半導体基板で、その上に発光
素子603、光変調素子604、受光素子605が形成
されている。半導体基板601を研磨して所望の厚さに
した後、両面露光技術を使って回折格子型光素子1(6
06)をエッチングで作製する。その後、熱CVD法で
SiO2 膜602を堆積させる。そして、その表面に回
折格子型光素子2(607)をエッチングで再度作製す
る。SiO2 膜602は回折格子型光素子1(606)
の凸凹を吸収してしまうので、最終的なSiO2 膜60
2の表面は平坦化してしまう。SiO2 膜602の厚さ
は堆積時間によって数100Aの精度で制御できる。こ
の例ではSiO2 を用いたが、SiNやTiO2 も使え
る。いずれにしても、デザインの自由度が増し、高機能
な半導体光機能素子が実現できる。
【0046】図7は本発明(請求項10、11、12及
び13)の実施例であり、光半導体素子の実際の構造を
示している。図7において半絶縁性GaAs基板701
の上に、分子線ビームエピタキシー(MBE)法で半導
体多層膜を成長させた。702はp−DBRでλ/4厚
(λは半導体内での光の波長)でp−AlAsとp−G
aAsを交互に積層させて形成してある。p型のドーパ
ントはBeでドーピング濃度は3×1018cm-3であ
る。周期数は18.5である。704はp−GaAs/
p−Al0.4 Ga0.6 As(トータル厚は約150n
m、5×1018cm-3)である。p−GaAsの厚さは
50nmで、アノード用のAuZn/Au712とコン
タクトを取るために入れている。705はn−Al0.25
Ga0.75As(300nm、2×1017cm-3)であ
る。n型のドーパントはSiである。706と708は
アンドープのAl0.25Ga0.75Asで、MBEではアン
ドープはp型であり、濃度は1×1015cm-3以下にな
る。AlGaAs層706と708の厚さは、それぞれ
125nmである。707はアンドープのInGaAs
活性層(10nm)である。波長は空気中で950nm
となるようにしている。
び13)の実施例であり、光半導体素子の実際の構造を
示している。図7において半絶縁性GaAs基板701
の上に、分子線ビームエピタキシー(MBE)法で半導
体多層膜を成長させた。702はp−DBRでλ/4厚
(λは半導体内での光の波長)でp−AlAsとp−G
aAsを交互に積層させて形成してある。p型のドーパ
ントはBeでドーピング濃度は3×1018cm-3であ
る。周期数は18.5である。704はp−GaAs/
p−Al0.4 Ga0.6 As(トータル厚は約150n
m、5×1018cm-3)である。p−GaAsの厚さは
50nmで、アノード用のAuZn/Au712とコン
タクトを取るために入れている。705はn−Al0.25
Ga0.75As(300nm、2×1017cm-3)であ
る。n型のドーパントはSiである。706と708は
アンドープのAl0.25Ga0.75Asで、MBEではアン
ドープはp型であり、濃度は1×1015cm-3以下にな
る。AlGaAs層706と708の厚さは、それぞれ
125nmである。707はアンドープのInGaAs
活性層(10nm)である。波長は空気中で950nm
となるようにしている。
【0047】半導体層706、707、708の濃度を
1×1016cm-3以下にしておく理由は次のようであ
る。図7の半導体多層膜構造から発光機能、受光機能、
光変調機能、光増幅機能、光スイッチングとメモリと発
光と光増幅機能を持った各種の光半導体素子が1回の結
晶成長とプロセスで実現できる。光スイッチングとメモ
リと発光と光増幅機能を持つpnpn構造の光半導体素
子はオフとオンの2つの状態を持つ素子であるが、層7
06、707、708の濃度を1×1016cm-3以下に
しておかないと、オフからオン状態への遷移が容易でな
くなる。それはオフの時にバンドギャップの小さいIn
GaAs活性層707をキャリアが通り抜けにくくなる
からである。キャリアが通り易くするためには低濃度に
しておく必要がある。709はp−Al0.25Ga0.75A
s(50A、1×1019cm-3)である。710はn−
GaAs/n−Al0.4 Ga0.6 As(トータル厚は約
150nm、2×1018cm-3)である。n−GaAs
はAuGe−Ni/Au713とのコンタクト用に入れ
たもので、厚さは50nmである。711はn−DBR
で、λ/4厚(λは半導体内での光の波長)でn−Al
Asとn−GaAsを交互に積層させて形成してある。
周期数は15である。Auの反射率増強効果を利用する
ために、n−DBR711の上にもそれがのるようにし
てある。このようにすると光の反射率は99.9%近く
にできる。
1×1016cm-3以下にしておく理由は次のようであ
る。図7の半導体多層膜構造から発光機能、受光機能、
光変調機能、光増幅機能、光スイッチングとメモリと発
光と光増幅機能を持った各種の光半導体素子が1回の結
晶成長とプロセスで実現できる。光スイッチングとメモ
リと発光と光増幅機能を持つpnpn構造の光半導体素
子はオフとオンの2つの状態を持つ素子であるが、層7
06、707、708の濃度を1×1016cm-3以下に
しておかないと、オフからオン状態への遷移が容易でな
くなる。それはオフの時にバンドギャップの小さいIn
GaAs活性層707をキャリアが通り抜けにくくなる
からである。キャリアが通り易くするためには低濃度に
しておく必要がある。709はp−Al0.25Ga0.75A
s(50A、1×1019cm-3)である。710はn−
GaAs/n−Al0.4 Ga0.6 As(トータル厚は約
150nm、2×1018cm-3)である。n−GaAs
はAuGe−Ni/Au713とのコンタクト用に入れ
たもので、厚さは50nmである。711はn−DBR
で、λ/4厚(λは半導体内での光の波長)でn−Al
Asとn−GaAsを交互に積層させて形成してある。
周期数は15である。Auの反射率増強効果を利用する
ために、n−DBR711の上にもそれがのるようにし
てある。このようにすると光の反射率は99.9%近く
にできる。
【0048】図7では3つの光半導体素子が形成されて
いるが、右側は光スイッチングとメモリと発光と光増幅
機能を持ったpnpn素子、中央の素子はヘテロバイポ
ーラトランジスター(HBT)、左側の素子はヘテロフ
ォトトランジスター(HPT)として機能する。HPT
は受光機能や光変調機能を持った素子として働く。pn
pn素子はオン状態では閾値電流以上で、p−DBR7
02とn−DBR711の効果でレーザ発振するが、オ
ン状態に常にしておけばレーザ型の発光素子として働
く。また閾値電流以下に常にしておけば、光増幅素子と
して働く。HPTやHBTを形成するためには、その部
分でのn−DBR711をエッチングで除去する。右側
のpnpn素子でもカソードからの電流注入はn−DB
R711を通らずに、横から注入するようにしている
が、その理由はDBRで発生する抵抗を避けるためであ
る。また717は電流狭窄用のプロトン注入領域であ
り、n−GaAs/n−Al0.4 Ga0.6 As710で
の電流パスは確保した状態で、内部だけを高抵抗化する
ことができる。
いるが、右側は光スイッチングとメモリと発光と光増幅
機能を持ったpnpn素子、中央の素子はヘテロバイポ
ーラトランジスター(HBT)、左側の素子はヘテロフ
ォトトランジスター(HPT)として機能する。HPT
は受光機能や光変調機能を持った素子として働く。pn
pn素子はオン状態では閾値電流以上で、p−DBR7
02とn−DBR711の効果でレーザ発振するが、オ
ン状態に常にしておけばレーザ型の発光素子として働
く。また閾値電流以下に常にしておけば、光増幅素子と
して働く。HPTやHBTを形成するためには、その部
分でのn−DBR711をエッチングで除去する。右側
のpnpn素子でもカソードからの電流注入はn−DB
R711を通らずに、横から注入するようにしている
が、その理由はDBRで発生する抵抗を避けるためであ
る。また717は電流狭窄用のプロトン注入領域であ
り、n−GaAs/n−Al0.4 Ga0.6 As710で
の電流パスは確保した状態で、内部だけを高抵抗化する
ことができる。
【0049】HBTやHPTは半導体多層膜(pnp
n)で、上側のnpn構造を利用する。714はZn拡
散領域で、これはHBT、HPTに対してベース電極を
とるためである。HBT、HPTに形成された電極に対
してE、B、Cとあるのは、それぞれエミッター、ベー
ス、コレクタの意味である。715はプロトン注入領域
で、素子間のアイソレーションを行うためである。
n)で、上側のnpn構造を利用する。714はZn拡
散領域で、これはHBT、HPTに対してベース電極を
とるためである。HBT、HPTに形成された電極に対
してE、B、Cとあるのは、それぞれエミッター、ベー
ス、コレクタの意味である。715はプロトン注入領域
で、素子間のアイソレーションを行うためである。
【0050】716はTiO2 とSiO2 を3層、λ/
4厚(λは誘電体内での光の波長)で交互に積層させて
形成してある誘電体多層膜である。誘電体多層膜716
をつける理由はInGaAS活性層707(但しこの場
合は光吸収層として働く)の厚さが10nmと薄く、こ
れがないと光吸収効率が落ちてしまうためである。誘電
体多層膜716をつけることによる共鳴効果で実効的な
吸収層厚を1μm近くにできる。右側のpnpn素子の
サイズはn−DBR711が10μmφ、下側のメサが
40μmφである。
4厚(λは誘電体内での光の波長)で交互に積層させて
形成してある誘電体多層膜である。誘電体多層膜716
をつける理由はInGaAS活性層707(但しこの場
合は光吸収層として働く)の厚さが10nmと薄く、こ
れがないと光吸収効率が落ちてしまうためである。誘電
体多層膜716をつけることによる共鳴効果で実効的な
吸収層厚を1μm近くにできる。右側のpnpn素子の
サイズはn−DBR711が10μmφ、下側のメサが
40μmφである。
【0051】図8に電流と光出力の特性図を示す。図中
の図にはI−V特性を示した。スイッチング電圧は約4
V。またオン状態における発振閾値電流(連続動作)は
3mAであった。この素子はオフ状態でスイッチング電
圧近くにバイアスしておき、そこに下側から光がはいる
とスイッチングしてオンするが、それに必要な光のエネ
ルギーは約1pJであった。また、オン状態で発振閾値
電流の0.98倍にバイアスしておくと光増幅素子とし
て働き、1μWの光入力で15dBの光利得が実現でき
た。またHBT、HPT のベース層のところでのサイ
ズは30μmである。HPTを光変調素子として使用し
た時、950nmの光に対してオン、オフで約10dB
の消光比がとれた。
の図にはI−V特性を示した。スイッチング電圧は約4
V。またオン状態における発振閾値電流(連続動作)は
3mAであった。この素子はオフ状態でスイッチング電
圧近くにバイアスしておき、そこに下側から光がはいる
とスイッチングしてオンするが、それに必要な光のエネ
ルギーは約1pJであった。また、オン状態で発振閾値
電流の0.98倍にバイアスしておくと光増幅素子とし
て働き、1μWの光入力で15dBの光利得が実現でき
た。またHBT、HPT のベース層のところでのサイ
ズは30μmである。HPTを光変調素子として使用し
た時、950nmの光に対してオン、オフで約10dB
の消光比がとれた。
【0052】
【発明の効果】本発明によればアライメントの問題が軽
減され、小型で多チャンネル化が容易な高速光スイッチ
や、ブロードキャスト機能などが実現される。本実施例
ではGaAs系の材料による場合について述べたが、も
ちろんInGaAsP系など他の半導体材料を用いても
実施できる。
減され、小型で多チャンネル化が容易な高速光スイッチ
や、ブロードキャスト機能などが実現される。本実施例
ではGaAs系の材料による場合について述べたが、も
ちろんInGaAsP系など他の半導体材料を用いても
実施できる。
【図1】本発明を説明するための図である。
【図2】本発明を説明するための図である。
【図3】本発明を説明するための図である。
【図4】本発明を説明するための図である。
【図5】本発明を説明するための図である。
【図6】本発明を説明するための図である。
【図7】本発明を説明するための図である。
【図8】本発明を説明するための図で、電流と光出力の
関係を示す図である。
関係を示す図である。
【図9】従来例をを説明するための図である。
【図10】従来例をを説明するための図である。
100、403、506、601 半導体基板 101、404、503、603 発光素子 102、301、302、303、304、604 光
変調素子 103、405、605 受光素子 104、406 光増幅素子 105 光スイッチングとメモリと発光と光増幅素子 106、107 回折型光学素子 309、310、311、312 回折型光学素子 313、314、315、316 回折型光学素子 407、 505 回折型光学素子 305 光入力窓1 306 光入力窓2 307 光出力窓1 308 光出力窓2 401、502、508 半導体チップ 402、504 バンプ 501 ボード1 509 ボード2 507 Si受光素子 606、718 回折格子型光素子1 607、719 回折格子型光素子2 602 SiO2 膜 701 半絶縁性GaAs基板 702 p−DBR 704 p−GaAs/p−Al0.4 Ga0.6 As 712 AuZn/Au 705 n−Al0.25Ga0.75As 706、708 アンドープAl0.25Ga0.75As 707 InGaAs活性層 709 p−Al0.25Ga0.75As 710 n−GaAs/n−Al0.4 Ga0.6 As 713 AuGe−Ni/Au 711 n−DBR 715、717 プロトン注入領域 716 誘電体多層膜 714 Zn拡散領域
変調素子 103、405、605 受光素子 104、406 光増幅素子 105 光スイッチングとメモリと発光と光増幅素子 106、107 回折型光学素子 309、310、311、312 回折型光学素子 313、314、315、316 回折型光学素子 407、 505 回折型光学素子 305 光入力窓1 306 光入力窓2 307 光出力窓1 308 光出力窓2 401、502、508 半導体チップ 402、504 バンプ 501 ボード1 509 ボード2 507 Si受光素子 606、718 回折格子型光素子1 607、719 回折格子型光素子2 602 SiO2 膜 701 半絶縁性GaAs基板 702 p−DBR 704 p−GaAs/p−Al0.4 Ga0.6 As 712 AuZn/Au 705 n−Al0.25Ga0.75As 706、708 アンドープAl0.25Ga0.75As 707 InGaAs活性層 709 p−Al0.25Ga0.75As 710 n−GaAs/n−Al0.4 Ga0.6 As 713 AuGe−Ni/Au 711 n−DBR 715、717 プロトン注入領域 716 誘電体多層膜 714 Zn拡散領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H04B 10/02 H04B 9/00 T (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/12 G02F 1/313 G02B 6/12 H04B 10/02 H04B 10/12
Claims (13)
- 【請求項1】 半導体基板の片面に半導体多層膜を有
し、そこに発光機能、受光機能、光変調機能、光増幅機
能、光スイッチングとメモリと発光と光増幅機能の、い
ずれかの機能を持った光半導体素子が複数個形成され、
前記半導体基板の反対側の片面に凸凹が形成された複数
個の回折格子型光素子を有することを特徴とする半導体
光機能素子。 - 【請求項2】 半導体基板の内部を光が伝播し、光半導
体素子の一部と回折格子型光素子が光で結合されるよう
に、前記半導体基板の厚さが制御されていることを特徴
とする請求項1記載の半導体光機能素子。 - 【請求項3】 半導体基板の光半導体素子が形成された
面に凸凹をもつ複数個の回折格子型光素子が形成され、
反対側の面の回折格子型光素子と光結合していることを
特徴とする請求項1または2記載の半導体光機能素子。 - 【請求項4】 複数個の回折格子型光素子の一部が光分
岐機能を持ち、該回折格子型光素子が、光変調機能、光
増幅機能、または光スイッチングとメモリと発光と光増
幅機能の3つのいずれかの機能を持った複数個の光半導
体素子と、光結合され、残りの複数個の回折格子型光素
子の一部が光合流機能を持ち、該回折格子型光素子と前
記光半導体素子とが光結合され、少なくとも2つ以上の
入力端から入力される信号を少なくとも2つ以上の任意
の出力端に接続する機能を有する光クロスバースイッチ
であることを特徴とする請求項1または2または3記載
の半導体光機能素子。 - 【請求項5】 発光機能を持った光半導体素子からの光
信号が、回折格子型光素子と、光増幅機能または光スイ
ッチングとメモリと発光と光増幅機能を持った別の光半
導体素子によって、半導体基板の中を途中で光増幅され
ながら進み、他の複数個の受光機能を持った光半導体素
子に伝わることでブロードキャースト機能を有している
ことを特徴とする請求項1または2または3記載の半導
体光機能素子。 - 【請求項6】 電子素子が形成された半導体チップにフ
リップチップ・ボンディングされ、前記電子素子からの
電気信号を途中、光に変換して別の複数個の電子素子に
ブロードキャーストさせることを特徴とする請求項5記
載の半導体光機能素子。 - 【請求項7】 半導体光機能素子の外部の1平面に光を
集光させる機能を持った複数個の回折格子型光素子アレ
イと、発光機能を持った複数個の光半導体素子アレイが
形成され、該光半導体素子アレイからの光信号群が、該
回折格子型光素子アレイによって1対1に外部に結像さ
れる際に占める全体の面積が、半導体光機能素子の内部
において前記発光機能を持った複数個の光半導体素子ア
レイが占める面積よりも大きくなるようにしていること
を特徴とする請求項1または2または3記載の半導体光
機能素子。 - 【請求項8】 電子素子が形成された半導体チップにフ
リップチップ・ボンディングされ、該電子素子からの電
気信号群を光信号群に変換し、該光信号群は半導体光機
能素子の外部の自由空間を進んで1平面に結像させるこ
とを特徴とする請求項7記載の半導体光機能素子。 - 【請求項9】 片面に半導体光機能素子が形成された半
導体基板の他方の面に形成された回折格子型光素子の上
に、SiNまたはSiO2 またはTiO2 を堆積させ、
またはそれらを組み合わせて堆積させて形成した、第2
の光伝播層の上部に凸凹を形成することによって複数個
の回折格子型光素子が形成され、該回折格子型光素子
と、他の回折格子型光素子および光半導体素子間が光結
合されるように、前記第2の光伝播層の厚さが制御され
ていることを特徴とする請求項1または2または3記載
の半導体光機能素子。 - 【請求項10】 半絶縁性半導体基板の片面上に、p型
の第1のDBR反射鏡、p型の第1半導体層、n型の第
2半導体層、低濃度の第3半導体層、p型の第4半導体
層、n型の第5半導体層、n型の第2のDBR反射鏡か
らなる半導体多層膜を有する、発光機能、または光スイ
ッチングとメモリと発光と光増幅機能を持った光半導体
素子を有することを特徴とする請求項1または2または
3記載の半導体光機能素子。 - 【請求項11】 請求項10記載の半導体光機能素子で
あって、ウェハー面内の一部で第2のDBR反射鏡が除
去され、n型の第2半導体層、低濃度の第3半導体層、
p型の第4半導体層、n型の第5半導体層からなる受光
機能または光変調機能を持った光半導体素子有すること
を特徴とする請求項10記載の半導体光機能素子。 - 【請求項12】 光半導体素子の間の第1のDBR反射
膜の途中の層までエッチング除去し、その領域に半絶縁
性基板まで達するイオン注入によるアイソレーション領
域が形成されていることを特徴とする請求項11記載の
半導体機能素子。 - 【請求項13】 受光機能を持った光半導体素子をバイ
ポーラトランジスターとして使うことをを特徴とする請
求項11または12記載の半導体光機能素子。
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