(57)【要約】【課題】発光機能部と光導波路部との無境界化によって、光結合器を用いること無く高い光結合効率を実現した半導体光集積回路を得る。【解決手段】半導体光集積回路１は、半導体基板１０と、半導体基板１０に形成され信号伝送経路に沿って連続的に延設されたｐｎ接合部１０ｐｎと、ｐｎ接合部１０ｐｎ上の一部に形成された発光機能部２と、発光機能部２に連続したｐｎ接合部１０ｐｎ上に形成された光導波路部３とを備える。発光機能部２は、ｐｎ接合部１０ｐｎに駆動電流を供給してｐｎ接合部１０ｐｎから光信号を発生させ、光導波路部３は、ｐｎ接合部１０ｐｎに供給される増幅電流によって光信号を増幅しながら伝送させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板に形成され信号伝送経路に沿って連続的に延設されたｐｎ接合部と、前記ｐｎ接合部上の一部に形成された発光機能部と、前記発光機能部に連続した前記ｐｎ接合部上に形成された光導波路部とを備え、
前記発光機能部は、前記ｐｎ接合部に駆動電流を供給して当該ｐｎ接合部から光信号を発生させ、
前記光導波路部は、前記ｐｎ接合部に供給される増幅電流によって前記光信号を増幅しながら伝送させることを特徴とする半導体光集積回路。
【請求項２】
前記ｐｎ接合部は、前記半導体基板における第１半導体層に不純物を高濃度ドープして得られる第２半導体層に光を照射しながらアニール処理を施すことで得られることを特徴とする請求項１記載の半導体光集積回路。
【請求項３】
前記半導体基板はＳｉ基板であり、
前記第１半導体層は、前記半導体基板に１５族元素をドープしたｎ型半導体層であり、
前記第２半導体層は、前記不純物として１３族元素をドープしたｐ型半導体層であることを特徴とする請求項２記載の半導体光集積回路。
【請求項４】
前記発光機能部は、前記ｐｎ接合部上の一端側に設けられ、当該ｐｎ接合部上の他端側には受光機能部が設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された半導体光集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板に光導波路を形成した半導体光集積回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板（半導体チップ）に電気配線を形成して電力や電気信号（デジタル信号）を伝送する半導体集積回路は、電気配線における電気抵抗の存在によって生じる信号の減衰、並走する配線から漏れる電界によって発生する誘導ノイズやクロストークといった避けがたい問題がある。これらの問題を解決する技術として、基板上に光導波路を形成して光によって信号を伝送する光集積回路（光導波路モジュール）が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−７８６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光集積回路においては、基板に実装される発光素子又は受光素子と基板上の光導波路との光結合を効率よく行うことが必要になる。従来技術では、この発光素子又は受光素子と光導波路との光結合に光結合器が用いられていた。この光結合器には、ミラー，プリズム，回折格子などの光偏向要素とレンズなどの光集光要素が必要になり、高い光結合効率を得るためには、光結合器の形成に精度の高い加工技術や位置決め技術が必要になることから実用化にまで至っていないのが現状である。
【０００５】
また、基板には信号伝送路である光導波路や光結合器を形成し、基板上には光導波路とは別に発光素子や受光素子を実装する必要があるので、高機能の回路を得ようとすると回路構成の集積化が困難になる問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものであり、半導体基板に発光機能部（又は受光機能部）と光導波路部とを境界無く形成した半導体光集積回路を構成することによって、前述した各種の問題を解決している。具体的には、発光機能部（又は受光機能部）と光導波路部との無境界化によって、光結合器を用いること無く高い光結合効率を実現すること、回路構成の高集積化を可能にすること、等が本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的を達成するために、本発明による半導体光集積回路は、以下の構成を少なくとも具備するものである。
半導体基板と、前記半導体基板に形成され信号伝送経路に沿って連続的に延設されたｐｎ接合部と、前記ｐｎ接合部上の一部に形成された発光機能部と、前記発光機能部に連続した前記ｐｎ接合部上に形成された光導波路部とを備え、前記発光機能部は、前記ｐｎ接合部に駆動電流を供給して当該ｐｎ接合部から光信号を発生させ、前記光導波路部は、前記ｐｎ接合部に供給される増幅電流によって前記光信号を増幅しながら伝送させることを特徴とする半導体光集積回路。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の半導体光集積回路は、半導体基板に電流供給によって発光或いは光増幅機能を有するｐｎ接合部を形成し、このｐｎ接合部を信号伝送経路に沿って連続的に延設させる。そして、このｐｎ接合部上の一部を発光機能部とし、この発光機能部に連続したｐｎ接合部上を光導波路部とする。このような構成によって発光機能部で発光した光信号が境界無く光導波路部に移り、光導波路部に沿って伝送される。発光機能部は、ｐｎ接合部に駆動電流を供給してｐｎ接合部から光信号を発生させ、光導波路部は、ｐｎ接合部に供給される増幅電流によって光信号を増幅しながら伝送させる。
【０００９】
このような特徴を有する半導体光集積回路によると、半導体基板に発光機能部と光導波路部とを境界無く形成することによって、光結合器を用いること無く高い光結合効率を実現することができる。また、半導体基板に形成されたｐｎ接合部の一部を発光機能部とし他の部分を光導波路部とすることで回路構成の高集積化を可能にすることができる。発光機能部と同様にして受光機能部を光導波路部と境界無く形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体光集積回路を示した説明図であり、図１（ａ）が信号伝送経路に沿った断面を示し、図１（ｂ）が図１（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図を示している。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体光集積回路の形成方法の一例を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る半導体光集積回路を示した説明図であり、図１（ａ）が信号伝送経路に沿った断面を示し、図１（ｂ）が図１（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図を示している。
【００１２】
半導体光集積回路１は、半導体基板１０に形成されたｐｎ接合部１０ｐｎ上に発光機能部２と光導波路部３を備えている。図示の例では、ｐｎ接合部１０ｐｎ上に発光機能部２，光導波路部３，受光機能部４を備えているが、発光機能部２と光導波路部３のみの組み合わせ、光導波路部３と受光機能部４のみの組み合わせなどであってもよい。
【００１３】
半導体基板１０に形成されたｐｎ接合部１０ｐｎは信号伝送経路に沿って連続的に延設されており、ｐｎ接合部１０ｐｎ上の一部に発光機能部２が形成され、発光機能部２に連続したｐｎ接合部１０ｐｎ上の他の部分に光導波路部３が形成されている。図示の例では、延設されるｐｎ接合部１０ｐｎ上の一端側に発光機能部２が設けられ、ｐｎ接合部１０ｐｎ上の他端側に受光機能部４が設けられている。これによって、連続形成されているｐｎ接合部１０ｐｎ上に境界無く発光機能部２と光導波路部３と受光機能部４が形成されている。一連のｐｎ接合部１０ｐｎ上の層は同一屈折率の半導体層になっている。
【００１４】
ｐｎ接合部１０ｐｎは、発光機能部２においては電流供給によって発光機能が得られ、光導波路部３においては電流供給によって光増幅機能が得られる。また、受光機能部４においては、ｐｎ接合部１０ｐｎは光電変換機能によって受信電流を得ることができる。このような機能を得るために、ｐｎ接合部１０ｐｎは、光アシスト状態でのアニール処理によってドレスト光子を発生させた半導体境界部になっている。このようなｐｎ接合部１０ｐｎは、半導体基板１０における第１半導体層（ｎ型半導体層）１０ｎに不純物を高濃度ドープして得られる第２半導体層（ｐ型半導体層）１０ｐに光を照射しながらアニール処理を施すことで得られる。
【００１５】
具体的には、半導体基板１０をＳｉ基板として、第１半導体層１０ｎは、半導体基板１０に１５族元素（窒素（Ｎ），リン（Ｐ），ヒ素（Ａｓ），アンチモン（Ｓｂ）など）をドープしたｎ型半導体層とする。そして、第２半導体層１０ｐは、不純物として１３族元素（ホウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），タリウム（ＴＩ））をドープしたｐ型半導体層とする。
【００１６】
半導体光集積回路１における各部の構造をより具体的に説明する。発光機能部２は、ｐｎ接合部１０ｐｎ上（第２半導体層１０ｐ上）に形成された発光電極２Ａを備える。発光電極２Ａには配線電極２Ｂが接続されており、この配線電極２Ｂに信号発信源２Ｃが接続されている。光信号Ｌｓを発生させる発光機能部２は、信号発信源２Ｃの駆動電圧によって発光電極２Ａからｐｎ接合部１０ｐｎに駆動電流Ｉｄが供給される。
【００１７】
光導波路部３は、ｐｎ接合部１０ｐｎ上（第２半導体層１０ｐ上）に形成された光導波路電極３Ａを備える。光導波路電極３Ａには配線電極３Ｂが接続されており、この配線電極３Ｂにバイアス電源３Ｃが接続されている。光導波路部３は、バイアス電源３Ｃのバイアス電圧によって光導波路電極３Ａからｐｎ接合部１０ｐｎに増幅電流Ｉａが供給され、これによって光信号Ｌｓを増幅しながら伝送する。
【００１８】
受光機能部４は、ｐｎ接合部１０ｐｎ上（第２半導体層１０ｐ上）に形成された受光電極４Ａを備える。受光電極４Ａには配線電極４Ｂが接続されており、この配線電極４Ｂに信号受信器４Ｃが接続されている。受光機能部４は、光信号Ｌｓを受光したｐｎ接合部１０ｐｎの光電変換機能によって受光信号電流Ｉｒが発生され、この受光信号電流Ｉｒに伴う電圧変化を受光信号して信号受信器４Ｃが検出する。
【００１９】
半導体基板１０には、発光機能部２，光導波路部３，受光機能部４を挟むように、信号伝送方向に沿った一対のアイソレーション５（５Ａ，５Ｂ）が設けられている。アイソレーション５は、信号伝送方向に交差する方向に光エネルギーが拡散するのを防止するものであり、ドライエッチング加工された溝などによって形成することができる。このようなアイソレーション５を設けることで光信号伝送のクロストークや伝送ロスを抑制することができる。
【００２０】
図２は、本発明の実施形態に係る半導体光集積回路の形成方法の一例を示した説明図である。先ず、半導体基板（Ｓｉ基板）１０に１５族元素である、例えばヒ素（Ａｓ），リン（Ｐ），アンチモン（Ｓｂ）から選択される第１物質をドープした第１半導体層１０ｎを形成する。ここでは第１半導体層１０ｎはｎ型半導体層である。次に、図２（ａ）に示すように、表層に１３族元素である、例えばボロン（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）から選択される不純物を高濃度ドープすることで第２半導体層（ｐ型半導体層）１０ｐを形成する。
【００２１】
そして、図２（ｂ）に示すように、第２半導体層１０ｐの上に透明電極（ＩＴＯなど）１１を形成した後、透明電極１１を介して順方向電圧を印加して、ｐｎ接合部１０ｐｎを流れる電流のジュール熱によるアニール処理で第２半導体層１０ｐの不純物（例えば、ボロン（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）から選択される不純物）を拡散させる。また、このアニール処理の過程でｐｎ接合部１０ｐｎに光Ｌを照射することで、ｐｎ接合部１０ｐｎ近傍にドレスト光子を発生させる。
【００２２】
Ｓｉ基板自体は、間接遷移の半導体であって発光効率が低く、単にｐｎ接合部を形成しただけでは有用な発光は得られない。これに対して、Ｓｉ基板に光アシスト状態でアニールを施して、ｐｎ接合部１０ｐｎ近傍にドレスト光子を発生させ、間接遷移型半導体であるＳｉをあたかも直接遷移型半導体であるかのように変化させることで、高効率・高出力なｐｎ接合型発光（光電変換）が可能になる。このようなｐｎ接合型発光（光電変換）を得るためには第２半導体層１０ｐの形成においてボロン（Ｂ）などの１３族元素の不純物を高濃度でドープする。この際の不純物（ボロン（Ｂ）の場合）のドープ条件の一例は、ドーズ密度：５×１０13／ｃｍ2、打ち込み時の加速エネルギー：７００ｋｅＶとし、アニール過程で照射する光Ｌの波長は光信号伝送に用いる所望の波長帯域とする。
【００２３】
次に、図２（ｃ）に示すように、前述したアイソレーション５（５Ａ，５Ｂ）を形成する。アイソレーション５を形成するには、例えば、半導体基板１０をドライエッチング処理するなどして信号伝送路に沿った一対の溝を形成する。
【００２４】
その後は、図２（ｄ）に示すように、透明電極１１をエッチング処理などで絶縁区画して、発光機能部２の発光電極２Ａ、光導波路部３の光導波路電極３Ａ、受光機能部４の受光電極４Ａを形成し、発光電極２Ａ，光導波路電極３Ａ，受光電極４Ａ上にそれぞれ配線電極２Ｂ，３Ｂ，４Ｂを形成する。配線電極２Ｂ，３Ｂ，４Ｂにそれぞれ信号発信源２Ｃ，バイアス電源３Ｃ，信号受信器４Ｃを接続することで、図１（ａ）に示した半導体光集積回路１を形成することができる。
【００２５】
このように形成された半導体光集積回路１は、発光機能部２で発生した光信号Ｌｓを境界無く光導波路部３に導き、光導波路部３で増幅しながら伝送して受光機能部４に導くことができる。これによって、光信号Ｌｓが発光機能部２から光導波路部３に移る際の光結合効率、光信号Ｌｓが光導波路部３から受光機能部４に移る際の光結合効率をほぼ１００％に近づけることができ、光結合の伝送ロスを極力少なくすることができる。
【００２６】
また、一対のアイソレーション５で挟まれた光導波路部３の幅内に発光機能部２と受光機能部４を納めることができるので、半導体基板１０内での回路の高集積化を実現することができる。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００２８】
１：半導体光集積回路，２：発光機能部，３：光導波路部，４：受光機能部，
１０：半導体基板，１０ｎ：第１半導体層，１０ｐ：第２半導体層，
１０ｐｎ：ｐｎ接合部，
２Ａ：発光電極，３Ａ：光導波路電極，４Ａ：受光電極，
２Ｂ，３Ｂ，４Ｂ：配線電極，
２Ｃ：信号発信源，３Ｃ：バイアス電源，４Ｃ：信号受信源
【図１】
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【図２】
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