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
- 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
- G02B6/24—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
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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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。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5388892A JP2830591B2 (ja) | 1992-03-12 | 1992-03-12 | 半導体光機能素子 |
| US08/029,460 US5434434A (en) | 1992-03-12 | 1993-03-11 | Semiconductor optical device having device regions and diffraction gratings |
| CA002091525A CA2091525C (en) | 1992-03-12 | 1993-03-11 | Semiconductor optical device having device regions and diffraction gratings |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5388892A JP2830591B2 (ja) | 1992-03-12 | 1992-03-12 | 半導体光機能素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05257173A JPH05257173A (ja) | 1993-10-08 |
| JP2830591B2 true JP2830591B2 (ja) | 1998-12-02 |
Family
ID=12955272
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5388892A Expired - Lifetime JP2830591B2 (ja) | 1992-03-12 | 1992-03-12 | 半導体光機能素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
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| JP (1) | JP2830591B2 (ja) |
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|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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