(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体演算回路チップと、遮光性を有する基板に設けられた貫通穴に発光素子を埋め込んで成り、前記半導体演算回路チップ上に一体化された発光素子アレイとを備えた光情報処理装置。
【請求項２】
半導体演算回路チップと、遮光性を有する基板に設けられた貫通穴に発光素子を埋め込んで成り、前記半導体演算回路チップ上に一体化された発光素子アレイと、この発光素子アレイ上に一体化された回折型光学素子とを備えた光情報処理装置。
【請求項３】
半導体演算回路チップ上に受光素子を形成した請求項１または請求項２記載の光情報処理装置。
【請求項４】
基板に受光素子光路用の貫通穴を備えた請求項３記載の光情報処理装置。
【請求項５】
半導体発光ダイオードを発光素子とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光情報処理装置。
【請求項６】
半導体レーザを発光素子とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光情報処理装置。
【請求項７】
基板がシリコンである請求項１乃至６のいずれかに記載の光情報処理装置。
【請求項８】
基板の貫通穴の側面を含む表面に絶縁膜を形成した請求項７記載の光情報処理装置。
【請求項９】
基板がプラスチック、セラミック、ガラス、半導体、金属、又はグラファイトである請求項１乃至６のいずれかに記載の光情報処理装置。
【請求項１０】
基板の貫通穴の側面を含む表面に絶縁膜を形成した請求項９記載の光情報処理装置。
【請求項１１】
シリコン熱酸化膜を絶縁膜とする請求項８記載の光情報処理装置。
【請求項１２】
二酸化シリコン膜を絶縁膜とする請求項８又は１０記載の光情報処理装置。
【請求項１３】
窒化シリコン膜を絶縁膜とする請求項８又は１０記載の光情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光コンピューティング、光画像処理等に用いる光情報処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体演算回路チップ上に発光素子をボンディングして発光素子アレイを形成し、一体化した光情報処理装置の例としては、例えば出願番号H10-113148号の発明がある。その構成を図６に示す。図６において符号６３は半導体発光ダイオード、符号１４は回折型コリメータレンズ、符号１５は回折型集光レンズ、符号１６は回折型光学素子付ガラス基板、符号１７は半導体演算回路チップ、符号１８は発光素子駆動用電極、符号１９は受光素子、符号６４は金バンプ、符号２３は入力信号光、符号２４は出力信号光、符号６１柱状ガラス、符号６２は遮光用樹脂である。
【０００３】
以上のように構成された従来の光情報処理装置について、以下にその動作について複数アレイの中の１ピクセルの動作を説明する。まず、入力信号光２３は回折型光学素子付ガラス基板１６に備えた回折型集光レンズ１５により、柱状ガラス６１の中を透過して半導体演算回路チップ１７上の受光素子１９に集光されて入射する。受光素子１９は入射した入力信号光２３を電気信号に変換する。半導体演算回路チップ１７は、受光素子１９により変換された電気信号を入力信号として演算を実行する。演算の結果は、電気信号として発光素子駆動用電極１８へ出力される。発光素子駆動用電極１８に出力する電気出力信号は、金バンプ６４を介して半導体発光ダイオード６３に印加し、電気出力信号に応じて電流が半導体発光ダイオード６３に流れる。半導体発光ダイオード６３は演算の結果に応じて、電気出力信号を出力信号光２４に変換する。半導体発光ダイオード６３から出力信号光２４は、回折型光学素子付ガラス基板１６に備えた回折型コリメータレンズに１４より空間的な広がりを抑制されて出力する。遮光用樹脂６２は、半導体発光ダイオード６３側面からの光が近傍の受光素子１９に入射しないように、半導体発光ダイオード６３側面からの光を遮光する。
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の構成では、半導体発光ダイオード６３を発光素子駆動用電極１８にボンディングして発光素子アレイを形成する際に、個々の半導体発光ダイオード６３を発光素子駆動用電極１８に対し位置合わせしながらボンディングを行うので、位置ずれする半導体発光ダイオード６３の数がアレイのピクセル数に従って増加する。このため、半導体発光ダイオード６３による発光素子アレイを精度よく形成することが困難である。
【０００５】
また、柱状ガラス６１を受光素子１９に対し位置合わせをしながら接合する際にも、位置ずれする柱状ガラス６１の数がアレイのピクセル数に従って増加するため、柱状ガラス６１のアレイを受光素子１９上に光路を精度よく形成することが困難である。
【０００６】
さらに、遮光用樹脂６２による遮光では、半導体発光ダイオード６３と近傍の受光素子１９との間隔が近接するに従い遮光の効果が低減するので、上記構成の光情報処理装置においてピクセルの間隔を小さくし、光情報処理装置の密度を高めて小型化することが困難である。
【０００７】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体演算回路チップ上に発光素子アレイおよび受光素子光路を精度よく容易に形成することにより、小型一体化した光情報処理装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この問題を解決するために本発明は、光情報処理装置を、半導体演算回路チップ上に、シリコン基板の貫通穴に発光素子を埋め込んだ発光素子アレイを備えた構成としたことを要旨とする。
【０００９】
また前記の構成に加え、回折型光学素子を持つ基板とシリコン基板に受光素子用光路の貫通穴を備えたことを要旨とする。
【００１０】
これにより、半導体演算回路チップ上に発光素子アレイおよび受光素子用光路を精度よく容易に形成し、ピクセル数が多くかつ小型一体化した光情報処理装置を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、半導体演算回路チップと、遮光性を有する基板に設けられた貫通穴に発光素子を埋め込んで成り、前記半導体演算回路チップ上に一体化された発光素子アレイとを備えた光情報処理装置であり、以下の作用を有する。すなわち、半導体演算回路チップは演算を行う。前記演算の結果は、発光素子アレイを構成する基板の貫通穴に埋め込んだ発光素子に電気出力信号として印加される。前記発光素子は、電気出力信号を出力信号光に変換して出射する。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、半導体演算回路チップと、遮光性を有する基板に設けられた貫通穴に発光素子を埋め込んで成り、前記半導体演算回路チップ上に一体化された発光素子アレイと、この発光素子アレイ上に一体化された回折型光学素子とを備えた光情報処理装置であり、回折型光学素子は、入力信号光を集光し、また発光素子からの出力信号光の空間広がりを抑制する作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の発明は、半導体演算回路チップ上に受光素子を形成した請求項１または請求項２記載の光情報処理装置であり、受光素子は入力信号光を電気信号に変換する作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の発明は、基板に受光素子光路用の貫通穴を持つ請求項３記載の光情報処理装置であり、受光素子光路用の貫通穴は、入力信号光を通過させる作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項５に記載の発明は、半導体発光ダイオードを発光素子とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光情報処理装置であり、半導体発光ダイオードは電気出力信号を光出力信号に変換する作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項６に記載の発明は、半導体発光レーザを発光素子とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光情報処理装置であり、半導体発光レーザは電気出力信号を光出力信号に変換する作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項７に記載の発明は、基板がシリコンである請求項１乃至６のいずれかに記載の光情報処理装置であり、基板への回路の適用が容易にできるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項８に記載の発明は、基板の貫通穴の側面を含む表面に絶縁膜を形成した請求項７記載の光情報処理装置であり、絶縁膜は電気出力信号が基板に流れるのを防ぐ作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項９に記載の発明は、基板がプラスチック、セラミック、ガラス、半導体、金属、又はグラファイトである請求項１乃至６のいずれかに記載の光情報処理装置であり、上記各材質を基板に用いてもシリコン基板と同様に光情報処理装置が実施可能である。またその場合には、絶縁膜に二酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜を蒸着装置、スパッタ装置又はプラズマ化学気相成長装置により形成したものが実施できるという作用を有する。
【００２０】
本発明の請求項１０に記載の発明は、基板の貫通穴の側面を含む表面に絶縁膜を形成した請求項９記載の光情報処理装置であり、絶縁膜は電気出力信号が基板に流れるのを防ぐ作用を有する。
【００２１】
本発明の請求項１１に記載の発明は、シリコン熱酸化膜を絶縁膜とする請求項８記載の光情報処理装置であり、シリコン熱酸化膜は電気出力信号が基板に流れるのを防ぐ作用を有する。
【００２２】
本発明の請求項１２に記載の発明は、二酸化シリコン膜を絶縁膜とする請求項８又は１０記載の光情報処理装置であり、二酸化シリコン膜は電気出力信号がシリコン基板に流れるのを防ぐ作用を有する。
【００２３】
本発明の請求項１３に記載の発明は、窒化シリコン膜を絶縁膜とする請求項８又は１０記載の光情報処理装置であり、窒化シリコン膜は電気出力信号がシリコン基板に流れるのを防ぐ作用を有する。
【００２４】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について図１から図５を用いて説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る光情報処理装置の斜視図、図２は本実施の形態に係る光情報処理装置の一構成部品である素子固定エレメントの構成を表す図１中破線A−A’に沿った断面図であり、図３は本実施の形態において上記素子固定エレメントに加工を施した光情報処理装置の一構成部品である発光素子アレイの構成を表す図１中破線A−A’に沿った断面図である。また、図４は本実施の形態に係る光情報処理装置の一構成部品である回折型光学素子付ガラス基板の構成を表す図１の破線A−A’に沿った断面図であり、図５は本実施の形態に係る光情報処理装置の構成を表す図１の破線A−A’に沿った断面図である。
【００２５】
図１において、符号１６は回折型光学素子付ガラス基板であり、符号１７は半導体演算回路チップ、符号２２は半導体演算回路チップ１７（最下部要素）から回折型光学素子付ガラス基板１６（最上部要素）に至るまでの各構成要素を固定するための固定用樹脂である。図２において、符号１はシリコン基板、２はシリコン基板１に形成した発光素子用貫通穴、３はシリコン基板１に形成した受光素子光路用貫通穴、４は発光素子用貫通穴２および受光素子光路用貫通穴３の側面を含むシリコン基板１の表面に設けた絶縁膜である。符号５は、シリコン基板１に発光素子用貫通穴２および受光素子光路用貫通穴３を形成し、絶縁膜４を設けた素子固定エレメントである。図３において、符号６は素子固定エレメント５の発光素子用貫通穴２に挿入した発光素子、符号７は発光素子６を素子固定エレメント５に固定する接着剤である。符号８は発光素子６のアノード電極、符号９は発光素子６のカソード電極、符号１０は発光素子６の光出射窓である。符号１１は、素子固定エレメント５の発光素子用貫通穴２に発光素子６を挿入して接着剤７で固定した発光素子アレイエレメントである。
【００２６】
図４において、符号１２は回折型光学素子付ガラス基板１６を構成するガラス基板、符号１３はガラス基板１２の下面に設けた電極、符号１４はガラス基板１２に設けた回折型コリメータレンズ、符号１５はガラス基板１２に設けた回折型集光レンズである。図５において、符号１８は半導体演算回路チップ１７上に設けた発光素子駆動用電極、符号１９は半導体演算回路チップ１７上に設けた受光素子、符号２０は発光素子駆動用電極１８と発光素子６のアノード電極８とを接合する導電性接合剤、符号２１は発光素子６のカソード電極９とガラス基板１２の下面に設けた電極１３とを接合する導電性接合剤である。接着剤２２は半導体演算回路チップ１７および発光素子アレイ１１ならびに回折型光学素子付ガラス基板１６を一体化して固定する。符号２３は、受光素子１９に入力する入力信号光であり、符号２４は発光素子６から出力する出力信号光である。
【００２７】
半導体演算回路チップ１７は、シリコン集積回路形成技術を用いて作製したもので、それぞれのピクセルごとに演算回路と発光素子駆動回路、発光素子駆動用電極１８、受光素子１９を備えている。
【００２８】
シリコン基板１には電気伝導度の低いノンドープのシリコン基板を用いる。発光素子用貫通穴２は、発光素子６が挿入できるように発光素子６の外形に合わせた大きさで、半導体演算回路チップ１７上の発光素子駆動用電極１８の位置に合わせて形成する。受光素子光路用貫通穴３の位置と断面積は、受光素子１９の位置と面積に合わせて形成する。発光素子用貫通穴２および受光素子光路用貫通穴３は、フォトレジストまたは金属膜をパターニングしてマスクとし、フッ素元素を含む反応性ガスを使用したドライエッチングにより貫通穴を形成する。シリコン基板１の表面上の絶縁膜４は、水蒸気雰囲気中でシリコン基板１を加熱してシリコン熱酸化膜を作製することにより形成する。
【００２９】
発光素子６として、発光した光がシリコン基板１を透過しない発光波長９００nm以下の半導体発光ダイオードまたは半導体レーザダイオードを用いる。
【００３０】
発光素子アレイ１１は、発光素子６を素子固定エレメント５に備えた発光素子用貫通穴２に挿入して接着剤７により発光素子用貫通穴２内に保持することにより、発光素子６のアレイを形成する。接着剤７には、発光素子６に影響を与えないように絶縁性の接着剤を用いる。
【００３１】
ガラス基板１２の下面の電極１３は、発光素子６の光出射窓１０および受光素子１９の大きさと位置に合わせてパターニングを行い、入力信号光２３および出力信号光２４を透過できるようにする。
【００３２】
回折型コリメータレンズ１４は発光素子６の光出射窓１０の位置に合わせて、また回折型集光レンズ１５は受光素子１９の位置に合わせて、それぞれガラス基板１２の上面に形成する。
【００３３】
導電性接合剤２０および２１は金バンプを用いるが、銀ペーストなどの導電性接着剤を用いてもよい。接着剤２２は、半導体演算回路チップ１７および発光素子アレイ１１ならびに回折型光学素子付ガラス基板１６のそれぞれの側面を接着して一体化するもので、半導体演算回路チップ１７上の電気回路および発光素子アレイ１１に埋め込まれている発光素子６に影響を与えないように絶縁性の接着剤を用いる。
【００３４】
次に本実施形態の動作について、図２から図５の断面図により説明する。入力信号光２３は、回折型光学素子付ガラス基板１６に備えた回折型集光レンズ１５により集光作用を受け、発光素子アレイ１１を構成する素子固定エレメント５に備えた受光素子光路用貫通穴３を通って、半導体演算チップ１７上の受光素子１９に入射する。受光素子１９は入射した入力信号光２３を電気信号に変換する。
【００３５】
半導体演算回路チップ１７は、受光素子１９により変換された電気信号を入力信号として演算を実行する。演算の結果は、電気出力信号として発光素子駆動用電極１８へ出力される。発光素子駆動用電極１８に出力する電気出力信号は、導電性接合剤２０を介して発光素子６のアノード電極８に印加し、電気出力信号に応じて電流が発光素子６を流れる。発光素子６を流れ出た電流は、発光素子６のカソード電極９を経て導電性接合剤２１を介して回折型光学素子付ガラス基板１６に備えた電極１３へと流れる。素子固定エレメント５を構成するシリコン基板１の表面に備えた絶縁膜４は、発光素子６を流れる電流がシリコン基板１を流れることを防ぐことにより、発光素子６の動作が不安定になることを防止する。
【００３６】
発光素子６は演算の結果に応じて、電気出力信号を出力信号光２４に変換する。発光素子６の光出射窓１０から出射する出力信号光２４は、回折型光学素子付ガラス基板１６に備えた回折型コリメータレンズに１４より空間的な広がりを抑制されて出力する。発光素子６が発光した際に発光素子６の側面から出射した光はシリコン基板１により遮光され、近傍の受光素子１９に入射することを防止される。
【００３７】
以上により、本実施の形態では、半導体演算回路チップ上に、シリコン基板の貫通穴へ発光素子を埋め込んだ発光素子アレイを一体化した構成により発光素子アレイおよび受光素子光路を精度よく容易に形成できるので、従来ものと比較し、ピクセル数１６倍以上で、またピクセル密度２倍以上で高密度のピクセル数の多い小型一体化した光情報処理装置を実現している。
【００３８】
なお、以上の説明では複数アレイの中の１ピクセルの動作を説明したが、他のピクセルにおいても同様の動作をする。
【００３９】
また、以上の説明ではシリコン基板表面の絶縁膜にシリコン熱酸化膜を用いた構成について説明したが、絶縁膜に二酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を蒸着装置またはスパッタ装置あるいはプラズマ化学気相成長装置により形成したものを用いても同様に実施可能である。
【００４０】
また、以上の説明では、基板としてシリコンを用いた構成について説明したが、基板として、プラスチック、セラミック、ガラス、半導体、金属、又はグラファイトを用いても同様に実施可能である。その場合には、絶縁膜に二酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜を蒸着装置、スパッタ装置又はプラズマ化学気相成長装置により形成したものが実施可能である。
【００４１】
また、以上の説明では発光素子の光出射窓側の面にカソード電極を備え、光出射窓の対向面にアノード電極を備えた発光素子を用いたが、光出射窓側の面にアノード電極を備え、光出射窓の対向面にカソード電極を備えた発光素子を用いても同様に実施可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、遮光性を有する基板に設けられた貫通穴へ発光素子を埋め込んだ発光素子アレイにより、高密度でピクセル数の多い小型一体化した光情報処理装置を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における光情報処理装置の斜視図
【図２】本発明の実施の形態における光情報処理装置デバイスを構成する素子固定エレメントの断面図
【図３】本発明の実施の形態における光情報処理装置を構成する発光素子アレイの断面図
【図４】本発明の実施の形態における光情報処理装置を構成する回折型光学素子付ガラス基板の断面図
【図５】本発明の実施の形態における光情報処理装置の断面図
【図６】従来の光情報処理デバイスの断面図
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  発光素子用貫通穴
３  受光素子光路用貫通穴
４  絶縁膜
５  素子固定エレメント
６  発光素子
７  接着剤
８  アノード電極
９  カソード電極
１０光出射窓
１１発光素子アレイ
１２ガラス基板
１３電極
１４回折型コリメータレンズ
１５回折型集光レンズ
１６回折型光学素子付ガラス基板
１７半導体演算回路チップ
１８発光素子駆動用電極
１９受光素子
２０導電性接合剤
２１導電性接合剤
２２固定用樹脂
２３入力信号光
２４出力信号光
６１柱状ガラス
６１遮光用樹脂
６３半導体発光ダイオード
６４金バンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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