(57)【要約】【課題】高効率なチップ内光インターコネクションの実現を可能にする。【解決手段】光インターコネクション装置１は、Ｓｉ半導体基板１０と、Ｓｉ半導体基板１０に形成された光導波路２と、光導波路２の一端部に形成された発光素子３とを備え、発光素子３は、Ｓｉ半導体基板１０における第１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ｐｎ接合部１０ｐｎを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ半導体基板と、前記Ｓｉ半導体基板に形成された光導波路と、前記光導波路の一端部に形成された発光素子とを備え、
前記発光素子は、前記Ｓｉ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ｐｎ接合部を有することを特徴とする光インターコネクション装置。
【請求項２】
前記光導波路は、前記第２半導体層を光ガイド層とし、当該光ガイド層を挟むクラッド層が前記Ｓｉ半導体基板に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光インターコネクション装置。
【請求項３】
前記光導波路の他端部に形成された受光素子を備え、
前記受光素子は前記ｐｎ接合部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光インターコネクション装置。
【請求項４】
前記第１半導体層は前記Ｓｉ半導体基板に１５族元素をドープしたｎ型半導体層であることを特徴とする請求項１に記載の光インターコネクション装置。
【請求項５】
前記不純物は、１３族元素から選択される材料であり、前記第２半導体層はｐ型半導体層であることを特徴とする請求項４記載の光インターコネクション装置。
【請求項６】
前記Ｓｉ半導体基板は、前記発光素子の発光信号を出力する発光駆動部を備え、前記発光駆動部は、前記Ｓｉ半導体基板に作り込まれた半導体素子によって構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光インターコネクション装置。
【請求項７】
前記Ｓｉ半導体基板は、前記受光素子の受光信号を出力する受光検出部を備え、前記受光検出部は、前記Ｓｉ半導体基板に作り込まれた半導体素子によって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光インターコネクション装置。
【請求項８】
半導体基板における第１半導体層に不純物をドープして得られる第２半導体層によって形成される光ガイド層と、前記光ガイド層の両側部に沿って形成される絶縁層からなるクラッド層とを具備した光導波路を備え、
前記第２半導体層上に形成された第１電極と、前記第１半導体層上に形成された第２電極と、前記第１半導体層と前記第２半導体層によって形成されるｐｎ接合部とを具備する発光又は受光素子を備え、
前記第１電極と前記第２電極は前記半導体基板の一面側において前記絶縁層を挟んで配備されることを特徴とする光インターコネクション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チップ内光インターコネクションを実現することができる光インターコネクション装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光インターコネクションは、光ファイバーを用いた長距離信号伝送の分野では、高速・大容量伝送、優れた耐ノイズ性、ケーブル細径化などの特徴を生かして、現在広く普及している。一方、情報処理装置内での情報処理速度の高速化を更に進めるためには、ボード間、チップ間、或いはチップ内といった極短距離での光インターコネクションが不可欠であり、このための技術開発が現在進められている。
【０００３】
短距離での光インターコネクションにおける基本要素は、発光素子と光導波路と受光素子である。発光素子は送信回路の信号に基づいて発光駆動して光信号を出力するものであり、光導波路は出力された光信号を伝送するものであり、受光素子は伝送された光信号を受信して受信回路に出力するものである。下記特許文献１には、基板上に実装された第１の光デバイス（発光素子）と基板上に形成された第２の光デバイス（光導波路）との光結合を、基板上に形成した楕円球の一部で構成された曲面ミラーによって行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４１９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
チップ内での光インターコネクションを実現するためには、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問題があった。前述した従来技術は、光偏向要素と光集光要素を一体化した曲面ミラーを用いたものであるが、これによっても高い形成精度が求められることに何ら変わりは無いので、前述した問題の根本的な解決には至っていない。
【０００６】
このように、従来は、チップ内光インターコネクションを実現するために、発光素子や受光素子と光導波路を高い結合効率で光結合する光結合器が必要とされていたが、現実的にはこのような光結合器を得ることが難しいため、これがチップ内光インターコネクション実現の大きな障害になっていた。
【０００７】
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る。すなわち、光結合器を用いること無く、基板に形成された発光素子又は受光素子と光導波路を結合することで、高効率なチップ内光インターコネクションの実現を可能にすること、等が本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、本発明による光インターコネクション装置は、Ｓｉ半導体基板と、前記Ｓｉ半導体基板に形成された光導波路と、前記光導波路の一端部に形成された発光素子とを備え、前記発光素子は、前記Ｓｉ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ｐｎ接合部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
このような特徴を有する光インターコネクション装置によると、Ｓｉ半導体基板に形成された光導波路の端部に、Ｓｉ半導体基板に形成したｐｎ接合部を光放出部とする発光素子を備えるので、光結合器を用いること無く発光素子の発する光信号を光導波路に導入することができる。これによって、高効率なチップ内光インターコネクションを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る光インターコネクション装置を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光インターコネクション装置における発光素子の形成方法の一例を示した説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る光インターコネクション装置における光導波路の形成方法の一例を示した説明図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る光インターコネクション装置を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る光インターコネクション装置における受光素子の構造の一例を示した説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係る光インターコネクション装置における発光素子の発光信号を出力する発光駆動部、受光素子の受光信号を出力する受光検出部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光インターコネクション装置を示す説明図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＸ１−Ｘ１断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＸ２−Ｘ２断面図をそれぞれ示している。
【００１２】
光インターコネクション装置１は、Ｓｉ半導体基板１０と、Ｓｉ半導体基板１０に形成された光導波路２と、光導波路２の一端部に形成された発光素子３とを備えている。Ｓｉ半導体基板１０には、例えばｎ型の第１半導体層１０ｎが形成されている。また、Ｓｉ半導体基板１０には、第１半導体層１０ｎに不純物をドープして得られる第２半導体層１０ｐが形成されている。第２半導体層１０ｐは、例えばｐ型の半導体層である。
【００１３】
第１半導体層１０ｎと第２半導体層１０ｐとの境界付近にはｐｎ接合部１０ｐｎが形成されている。Ｓｉ半導体基板１０には絶縁層１１が形成されている。図示の例では、絶縁層１１は、Ｓｉ半導体基板１０の内部に形成される内部絶縁層１１ａとＳｉ半導体基板１０の表面に形成される表面絶縁層１１ｂを備えている。
【００１４】
光導波路２は、図１（ｂ）に示すように、第２半導体層１０ｐを光ガイド層とし、光ガイド層を挟むクラッド層が表面絶縁層１１ｂによってＳｉ半導体基板１０に形成されている。クラッド層となる表面絶縁層１１ｂは光ガイド層となる第２半導体層１０ｐの両側部に沿って形成されている。
【００１５】
発光素子３は、第１半導体層１０ｎと第２半導体層１０ｐとの境界付近に形成されるｐｎ接合部１０ｐｎを光放出部として備えている。図１（ｃ）に示した例では、第２半導体層１０ｐの上に第１電極１２が形成され、第２半導体層１０ｐの外側に表面絶縁層１１ｂを介して形成されたｎ＋層１３の上に第２電極１４が形成されている。第１電極１２と第２電極１４との間にｐｎ接合部１０ｐｎに対する順方向電圧を印加すると、ｐｎ接合部１０ｐｎから光が放出されることになる。
【００１６】
すなわち、発光素子３は、第２半導体層１０ｐ上に形成された第１電極１２と、第１半導体層１０ｎ上に形成された第２電極１４と、第１半導体層１０ｎと第２半導体層１０ｐによって形成されるｐｎ接合部１０ｐｎとを具備しており、第１電極１２と第２電極１４は半導体基板１０の一面側において表面絶縁層１１ｂを挟んで配備されている。図示の例では、第２電極１４を第１電極１２の両側に配置しているが、これに限らず、第２電極１４を第１電極１２の片側のみに配置してもよい。
【００１７】
図２は、本発明の実施形態に係る光インターコネクション装置における発光素子の形成方法の一例を示した説明図である。先ず、Ｓｉ半導体基板１０に１５族元素である、例えばヒ素（Ａｓ），リン（Ｐ），アンチモン（Ｓｂ）から選択される不純物をドープした第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。
【００１８】
次に、図２（ａ）に示すように、第１半導体層１０ｎに酸素を打ち込むなどしてＳｉＯ2層の絶縁層１１を形成する。図示の例では、第１半導体層１０ｎの内部に内部絶縁層１１ａを形成し、第１半導体層１０ｎの表面に表面絶縁層１１ｂを形成している。内部絶縁層１１ａは半導体基板１０の表面に酸素を打ち込んだ後加熱酸化処理することで内部にＳｉＯ2層を拡散させるか、或いは半導体基板１０の表面にＳｉＯ2層を形成した後表面にＳｉ膜を成膜するなどして形成することができる。表面絶縁層１１ｂはフォトリソ工程でパターン形成されたマスク開口に酸素を打ち込んで加熱酸化処理することなどで形成することができる。
【００１９】
次に、図２（ｂ）に示すように、表面絶縁層１１ｂの外側に１５族元素である、例えばヒ素（Ａｓ），リン（Ｐ），アンチモン（Ｓｂ）から選択される不純物を更にドープすることでｎ＋層１３を形成し、表面絶縁層１１ｂの間に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。そして、図２（ｃ）に示すように、ｎ＋層１３の上に第２電極１４を形成し、第２半導体層１０ｐの上に透明電極（ＩＴＯなど）１５を形成した後、第２電極１４と透明電極１５との間に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。
【００２０】
Ｓｉ半導体基板自体は、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ず、また、それ自体可視光域の光透過性を有さない。これに対して、Ｓｉ半導体基板１０にフォノンを援用したアニールを施して、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接合型発光が可能になる。このようなｐｎ接合型発光を得るためにはボロン（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の波長は所望の波長帯域とする。
【００２１】
その後は、図１（ｃ）に示すように、透明電極１５を除去して第２半導体層１０ｐの上に第１電極１２を形成することで、ｐｎ接合部１０ｐｎを光放出部とする発光素子３が形成される。発光素子３は第１電極１２と第２電極１４間に電圧を印加することで、ｐｎ接合部１０ｐｎからアニール過程で照射した光Ｌの波長と同等の波長の光が放出される。
【００２２】
図３は、本発明の実施形態に係る光インターコネクション装置における光導波路の形成方法の一例を示した説明図である。図３（ａ）に示した工程は、前述した図２（ａ）と同工程でなされ、第１半導体層１０ｎの内部に内部絶縁層１１ａを形成し、第１半導体層１０ｎの表面に表面絶縁層１１ｂを形成している。次に図３（ｂ）に示した工程は、図２（ｂ）に示した工程と同工程でなされ、ここではｎ＋層１３を省いて、表面絶縁層１１ｂの間に第２半導体層１０ｐを形成している。
【００２３】
図３（ｃ）に示した工程は、図２（ｃ）に示した工程と同工程でなされ、表面絶縁層１１ｂの外側の第１半導体層１０ｎの上に第２電極１４を形成し、第２半導体層１０ｐの上に透明電極（ＩＴＯなど）１５を形成した後、第２電極１４と透明電極１５との間に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ボロン（Ｂ）などの１３族元素の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。その後は、図１（ｂ）に示すように、第２電極１４及び透明電極１５を除去することで、第２半導体層１０ｐを光ガイド層とし表面絶縁層１１ｂをクラッド層とする光導波路２が形成される。
【００２４】
このような光インターコネクション装置１によると、一つのＳｉ半導体基板１０に光導波路２と発光素子３が作り込まれているので、発光素子３のｐｎ接合部１０ｐｎで発光した光は、第２半導体層１０ｐを伝搬して直接光導波路２の光ガイド層に入射されることになる。この際、光導波路２における第２半導体層１０ｐと発光素子３における第２半導体層１０ｐは、同一のフォトリソ工程でパターン形成することができるので、光導波路２と発光素子３を特別な位置合わせを行うこと無く一体に形成することができ、発光素子３で発光した光をロス無く光導波路２に導入することができる。
【００２５】
図４は、本発明の他の実施形態に係る光インターコネクション装置を示す説明図である。図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＸ１−Ｘ１断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）におけるＸ２−Ｘ２断面図をそれぞれ示している。ここでは、図１に示した例と同一の部位には同一符号を付して重複説明を一部省略する。
【００２６】
この実施形態に係る光インターコネクション１（１Ａ）は、光導波路２（２Ａ）の構造例を他の形態にしたものである。この例では、第１半導体層１０ｎの表面にリブ２Ｒを形成することで、リブ型の光導波路２（２Ａ）を形成している。この場合には、リブ２Ｒを形成するためのエッチングマスクのパターンを発光素子３の第２半導体層１０ｐのパターンの延長上に形成する。これによって、発光素子３のｐｎ接合部１０ｐｎと光導波路２の光軸を一致させることができる。なお、図４に示した例では光導波路２を伝搬する光がＳｉ層を透過可能な赤外光に限定される。
【００２７】
図５は、本発明の実施形態に係る光インターコネクション装置における受光素子の構造の一例を示した説明図である（図５（ａ）が平面図、図５（ｂ）が図５（ａ）のＸ−Ｘ断面図を示している。）。受光素子４は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、発光素子３と同様のｐｎ接合部１０ｐｎを有する構造を備えており、図２に示した形成工程と同じ工程で形成することができる。受光素子４は、光導波路２の他端に形成されており、光導波路２の第２半導体層１０ｐの延長にｐｎ接合部１０ｐｎを備えている。受光素子４は、第１電極１２に接続される端子４ａと第２電極１４に接続される端子４ｂの間にゼロバイアス又は逆バイアスを掛けて、光導波路２を伝搬してくる光Ｌ１の入射による発生電流の変化を出力する。
【００２８】
すなわち、受光素子４は、第２半導体層１０ｐ上に形成された第１電極１２と、第１半導体層１０ｎ上に形成された第２電極１４と、第１半導体層１０ｎと第２半導体層１０ｐによって形成されるｐｎ接合部１０ｐｎとを具備しており、第１電極１２と第２電極１４は半導体基板１０の一面側において表面絶縁層１１ｂを挟んで配備されている。図示の例では、第２電極１４を第１電極１２の両側に配置しているが、これに限らず、第２電極１４を第１電極１２の片側のみに配置してもよい。なお、受光素子４は、図５に示した例に限定されるものではなく、半導体基板１０上に実装又は接続した受光素子などで形成することができる。
【００２９】
図６は、本発明の実施形態に係る光インターコネクション装置における発光素子の発光信号を出力する発光駆動部、受光素子の受光信号を出力する受光検出部を示した説明図である。光インターコネクション装置１においては、Ｓｉ半導体基板１０が、発光素子３の発光信号を出力する発光駆動部３０、或いは受光素子４の受光信号を出力する受光検知部４０を備えることができる。発光駆動部３０又は受光検出部４０は、Ｓｉ半導体基板１０に作り込まれた半導体素子によって構成することができる。
【００３０】
発光駆動部３０又は受光検出部４０は、図６に示すように、例えばＭＯＳ型トランジスタなどの半導体素子５によって構成することができる。図示の例では、半導体基板１０のｎ型半導体層１０ｎにｐ型半導体層５ｐ１，５ｐ２を形成し、それらの上にソース電極５ｓとドレイン電極５ｄをそれぞれ形成しており、ｐ型半導体層５ｐ１，５ｐ２の間のチャネル領域５ｎ上に絶縁膜５ｂを介してゲート電極５ｇを形成している。ドレイン電極５ｄ，ゲート電極５ｇ，ソース電極５ｓはそれぞれ発光素子３或いは受光素子４を駆動するための電極配線に接続される。このような半導体素子５は、発光素子３或いは受光素子４が作り込まれた半導体基板１０に既知の半導体リソグラフィ工程によって作り込むことができる。
【００３１】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る光インターコネクション装置は、光結合器を用いること無く、半導体基板に形成された発光素子３又は受光素子４と光導波路２を結合することで、高効率なチップ内光インターコネクションの実現を可能にすることができる。特に、光導波路２，発光素子３，受光素子４におけるｐｎ接合部１０ｐｎの形成時に照射する光を同じ波長の光にすることで、発光波長，光伝送波長，受光波長を一致させることができる。この際使用する光の波長は、近赤外〜近紫外の範囲で任意に選択することが可能である。これによって、任意の伝送帯域において伝送ロスやクロストークの少ないチップ内光インターコネクションを実現することができる。
【００３２】
なお、前述した光導波路２は、直線である必要は無く、湾曲や屈曲していても、複数路に分岐していても構わない。また、一つ又は複数の発光素子２の信号を複数又は一つの受光素子４に繋げる構造であっても構わない。
【００３３】
また、前述した説明では、Ｓｉ半導体基板を例にして説明したが、Ｓｉ半導体基板に換えて代替え可能な他の半導体基板を用いても構わない。
【００３４】
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。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１：光インターコネクション装置，
２：光導波路，２Ｒ：リブ，３：発光素子，４：受光素子，５：半導体素子，
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，１１：絶縁層，
１２：第１電極，１３：ｎ＋層，１４：第２電極，１５：透明電極，
３０：発光駆動部，４０：受光検出部
【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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