(57)【要約】【課題】比較的簡易な製造工程で、基板上における発光素子又は受光素子のアライメント精度を高めることができ、基板間（チップ間）信号伝送のクロストークを抑制する。【解決手段】積層配置された複数の半導体基板１０間で光信号の送受信を行う光インターコネクション装置１であって、一つの半導体基板１０に配置された複数の発光素子２又は受光素子３は、半導体基板１０を共通の半導体層１０ｐとするｐｎ接合部１０ｐｎを備え、異なる半導体基板１０間で光信号の送受信を行う一対の発光素子２（２−１）と受光素子３（３−１）は、共通波長λ１での発光と受光をそれぞれ行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層配置された複数の半導体基板間で光信号の送受信を行う光インターコネクション装置であって、
一つの前記半導体基板に配置された複数の発光素子又は受光素子は、前記半導体基板を共通の半導体層とするｐｎ接合部を備え、
異なる前記半導体基板間で光信号の送受信を行う一対の前記発光素子と前記受光素子は、共通波長での発光と受光をそれぞれ行う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】
一つの前記半導体基板に配置される複数の発光素子のうち互いに隣接配置された発光素子は、異なる波長での発光を行うことを特徴とする請求項１記載の光インターコネクション装置。
【請求項３】
一つの前記半導体基板に配置される複数の受光素子のうち互いに隣接配置された受光素子は、異なる波長での受光を行う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】
前記共通の半導体層はｎ型Ｓｉ層であり、当該ｎ型Ｓｉ層に不純物をドープすることで当該ｎ型Ｓｉ層との境界付近に前記ｐｎ接合部を形成するｐ型半導体層が形成され、
前記発光素子又は前記受光素子のそれぞれは、アニール処理で前記不純物を拡散させる過程で照射される光の波長によって、前記共通波長が特定さ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ることを特徴とする請求項４に記載された光インターコネクション装置。
【請求項６】
異なる前記半導体基板間で光信号の送受信を行う一対の前記発光素子と前記受光素子の間に配置される前記半導体基板には、前記光信号を透過させる光透過部が設けられることを特徴とする請求項５に記載された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、チップ間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】
近年、半導体チップの高密度実装を図るために半導体チップを積層配置した３次元実装技術が提案されている。チップ間光インターコネクションは、この積層配置された半導体チップ間の信号伝送を導電線による接続や光ファイバーを用いた接続を行うこと無く実現する技術として注目されている。下記特許文献１に記載された従来技術には、光伝送基板を複数積層配置して、一つの基板に設けた発光素子と他の基板に設けた受光素子との間で光信号の送受信を行うことが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２７７７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
基板を複数積層配置して、一つの基板に設けた発光素子と他の基板に設けた受光素子との間で光信号の送受信を行う場合、送受信を行う発光素子と受光素子の位置を異なる基板上で精度よく位置合わせする必要があり、発光素子又は受光素子の基板上でのアライメント精度が問題になる。特に、基板上に発光素子又は受光素子を実装する場合には、精度の高い位置合わせを行った後に基板上に発光素子又は受光素子を実装することが必要になり、製造工程が煩雑になる問題がある。
【０００６】
また、基板上に高密度で発光素子又は受光素子を配置した場合には、異なる基板間で高精度に位置合わせされた一対の発光素子と受光素子間で光信号の送受信を行う場合であっても、発光素子と受光素子の指向性が弱い場合があり、一つの発光素子から発せられた光信号を本来受信すべきでない受光素子が受信するといった信号の誤伝送（クロストーク）が発生する問題があった。
【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、比較的簡易な製造工程で、基板上における発光素子又は受光素子のアライメント精度を高めることができること、基板間（チップ間）信号伝送のクロストークを抑制することができること、など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、本発明は、積層配置された複数の半導体基板間で光信号の送受信を行う光インターコネクション装置であって、一つの前記半導体基板に配置された複数の発光素子又は受光素子は、前記半導体基板を共通の半導体層とするｐｎ接合部を備え、異なる前記半導体基板間で光信号の送受信を行う一対の前記発光素子と前記受光素子は、共通波長での発光と受光をそれぞれ行うことを特徴とする。
【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、複数の発光素子又は受光素子が半導体基板を共通の半導体層とするｐｎ接合部を備え、一つの半導体基板に半導体リソグラフィ技術を用いて作り込まれるので、比較的簡易な製造工程で発光素子又は受光素子の半導体基板におけるアライメント精度を高めることができる。異なる半導体基板間で光信号の送受信を行う一対の発光素子と受光素子が共通波長での発光と受光をそれぞれ行うので、基板間（チップ間）信号伝送のクロストークを抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る光インターコネクション装置を示した説明図である。
【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いて、異なる半導体基板間に配置された発光素子と受光素子の構成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いて、異なる半導体基板間に配置された発光素子と受光素子の他の構成例を示した説明図である。
【図４】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いて、異なる半導体基板間に配置された発光素子と受光素子の他の構成例を示した説明図である。
【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いて、半導体基板に形成される発光素子又は受光素子の形成方法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、本発明の実施形態に係る光インターコネクション装置を示した説明図である。光インターコネクション装置１は、積層された複数の半導体基板１０（１０−１，１０−２，１０−３）を備えており、複数の半導体基板１０（１０−１，１０−２，１０−３）間で光信号の送受信を行うものである。図示の例では、半導体基板１０を３枚積層配置しているが、これに限らず２枚以上の半導体基板１０を積層配置したものであればよい。一つの半導体基板１０には、複数の発光素子２又は複数の受光素子３が配置されている。発光素子２又は受光素子３の配置形態は、特に限定されるものではなく、ドットマトリクス状の配列、ストライプ状の配列、直線状の配列など任意の配列が含まれる。また、一つの半導体基板１０に発光素子２のみを配置し、他の半導体基板１０に受光素子３のみを配置したものであってもよい。各半導体基板１０には、発光素子２と受光素子３以外に、発光素子２や受光素子３を駆動するための駆動回路、発光素子２の駆動回路に信号を出力する演算処理回路（集積回路）、受光素子３の駆動回路からの信号が入力される演算処理回路（集積回路）などを形成又は実装することができる。
【００１２】
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いて、異なる半導体基板間に配置された発光素子と受光素子の構成例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、半導体基板１０（１０−１，１０−２）に配置された複数の発光素子２（２−１，２−２，２−３）又は受光素子３（３−１，３−２，３−３）は、半導体基板１０を共通の半導体層とするｐｎ接合部１０ｐｎを備えている。詳しくは、半導体基板１０には複数の発光素子２（２−１，２−２，２−３）又は受光素子３（３−１，３−２，３−３）に共通の第１の半導体層１０ｎと第２の半導体層１０ｐが形成されており、第１の半導体層１０ｎと第２の半導体層１０ｐとの境界付近にｐｎ接合部１０ｐｎが形成されている。具体例を挙げると、半導体基板１０はＳｉ（シリコン）基板（単結晶基板）であり、第１の半導体層１０ｎは半導体基板１０に１５族元素、例えば、Ａｓ（ヒ素），Ｐ（リン），Ｓｂ（アンチモン）から選択される不純物をドープしたｎ型Ｓｉ層であり、第２の半導体層１０ｐは、第１の半導体層１０ｎに１３族元素、例えば、Ｂ（ボロン），Ａｌ（アルミニウム），Ｇａ（ガリウム）から選択される不純物をドープしたｐ型半導体層である。
【００１３】
発光素子２は、ｐｎ接合部１０ｐｎに順方向電圧を印加するための第１電極２Ａと第２電極２Ｂを備えている。第１電極２Ａは光が透過可能な透明電極であり、第１電極２Ａと第２電極２Ｂ間に電圧を印加することで、発光素子２におけるｐｎ接合部１０ｐｎが第１電極２Ａを介して光を出射する発光部として機能する。
【００１４】
受光素子３は、ｐｎ接合部１０ｐｎを挟む第１電極３Ａと第２電極３Ｂを備えている。第１電極３Ａは光が透過可能な透明電極であり、第１電極３Ａを介してｐｎ接合部１０ｐｎに光が入射されると、第１電極３Ａと第２電極３Ｂとの間に電圧が発生し、受光素子３におけるｐｎ接合部１０ｐｎが受光部として機能する。
【００１５】
そして、異なる半導体基板１０（１０−１，１０−２）間で光信号の送受信を行う一対の発光素子２（２−１，２−２，２−３）と受光素子３（３−１，３−２，３−３）は、共通波長での発光と受光をそれぞれ行う。詳しくは、半導体基板１０−１における一つの発光素子２−１と半導体基板１０−２における一つの受光素子３−１とが光信号の送受信を行うものである場合、発光素子２−１は波長λ１の光を出射し、受光素子３−１は波長λ１の光のみを受光する機能を有する。ここでいう波長λ１の光とは中心波長がλ１近傍の波長帯域を有する光を含んでいる。
【００１６】
また、一つの半導体基板１０−１に配置される複数の発光素子２−１，２−２，２−３のうち互いに隣接配置された発光素子（２−１と２−２或いは２−２と２−３）は、異なる波長での発光を行い、一つの半導体基板１０−２に配置される複数の受光素子３−１，３−２，３−３のうち互いに隣接配置された受光素子（３−１と３−２或いは３−２と３−３）は、異なる波長での受光を行う。すなわち、半導体基板１０−１において発光素子２−１，２−２，２−３が一列に配置されており、半導体基板１０−２において発光素子２−１，２−２，２−３に対応した受光素子３−１，３−２，３−３が一列に配置されている場合には、発光素子２−１は波長λ１で発光して受光素子３−１は波長λ１の光のみを受光し、発光素子２−２は波長λ２で発光して受光素子３−２は波長λ２の光のみを受光し、発光素子２−３は波長λ３で発光して受光素子３−３は波長λ３の光のみを受光する。この際、波長λ１と波長λ２，波長λ２と波長λ３は異なる波長であるが、波長λ１と波長λ３は同一波長であっても構わない。
【００１７】
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いて、異なる半導体基板間に配置された発光素子と受光素子の他の構成例を示した説明図である。図２における説明と共通する部分は同一符号を付して重複説明を省略する。ここでは、発光素子２（２−４）が配置された第１の半導体基板１０−１と受光素子３（３−４）が配置された第２の半導体基板１０−２の間に中間の半導体基板１０−Ｘが存在する場合を示している。
【００１８】
図３（ａ）に示した例では、異なる半導体基板１０−１，１０−２間で光信号の送受信を行う一対の発光素子２−４と受光素子３−４の間に配置される中間の半導体基板１０−Ｘには、波長λの光信号を透過させる光透過部４が設けられる。この光透過部４は、中間の半導体基板１０−Ｘに形成された開口（スルーホール）によって形成することができる。
【００１９】
図３（ｂ）に示した例では、中間の半導体基板１０−Ｘに受光素子３−５と発光素子２−５が積層配置されている。第１の半導体基板１０−１に配置された発光素子２−４が発した波長λの光信号を中間の半導体基板１０−Ｘに配置した受光素子３−５が受光して電気信号に変換し、この電気信号によって中間の半導体基板１０−Ｘに積層配置された発光素子２−５を駆動して波長λの光信号を発光させ、この光信号を第２の半導体基板１０−２に配置された受光素子３−４が受光する。この例では、中間の半導体基板１０−Ｘにおける第２電極３Ｂ，２Ｂ間には絶縁層５が形成されている。
【００２０】
図４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いて、異なる半導体基板間に配置された発光素子と受光素子の他の構成例を示した説明図である。図２における説明と共通する部分は同一符号を付して重複説明を省略する。ここでは、光信号の送受信を行う一対の発光素子２−１と受光素子３−１との中間にレンズ６を配置したものであり、レンズ６は、複数の発光素子２（２−１，２−２，２−３）と複数の受光素子３（３−１，３−２，３−３）との間にレンズアレイ６Ａを配置している。このようなレンズ６又はレンズアレイ６Ａを中間に配置することで、発光素子２（２−１，２−２，２−３）から所定の開口角で出射した光を効率よく受光素子３（３−１，３−２，３−３）に集光することが可能になる。
【００２１】
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いて、半導体基板に形成される発光素子又は受光素子の形成方法を示した説明図である。半導体基板１０に形成される発光素子２又は受光素子３は、半導体基板１０としてＳｉ（シリコン）基板を用い、Ｓｉ基板に１５族元素、例えば、Ａｓ（ヒ素），Ｐ（リン），Ｓｂ（アンチモン）から選択される不純物をドープしてｎ型Ｓｉ層となる共通の半導体層（第１の半導体層）１０ｎを形成し、この半導体層１０ｎに不純物をドープすることで第２の半導体層（ｐ型半導体層）１０ｐのパターンを形成する。
【００２２】
シリコン（Ｓｉ）は、間接遷移型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が、Ｓｉ基板にフォノンを援用したアニールを施して、ｐｎ接合部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接合型発光或いはｐｎ接合型受光機能が可能になる。
【００２３】
より具体的には、１５族元素、例えば、Ａｓ（ヒ素），Ｐ（リン），Ｓｂ（アンチモン）から選択される不純物をドープしたｎ型Ｓｉ層に１３族元素、例えば、Ｂ（ボロン），Ａｌ（アルミニウム），Ｇａ（ガリウム）から選択される不純物を高濃度ドープして第２の半導体層（ｐ型半導体層）１０ｐを形成する。その後、ｐｎ接合部１０ｐｎを挟むように透明電極である第１電極２Ａ（３Ａ）と第２電極２Ｂ（３Ｂ）を形成し、第１電極２Ａ（３Ａ）と第２電極２Ｂ（３Ｂ）の間に順方向電圧Ｖａを印加してｐｎ接合部１０ｐｎに電流を流し、その電流によるジュール熱で第２の半導体層１０ｐにアニール処理を施す。
【００２４】
アニール処理で１３族元素、例えば、Ｂ（ボロン），Ａｌ（アルミニウム），Ｇａ（ガリウム）から選択される不純物を拡散させる過程で、ｐｎ接合部１０ｐｎに特定波長λの光を照射する。アニール過程での光照射によってｐｎ接合部１０ｐｎ近傍にドレスト光子を発生させることができる。このようにドレスト光子が発生したｐｎ接合部１０ｐｎは、ｐｎ接合部１０ｐｎに順方向電圧を印加すると、アニール過程で照射した光の波長λと同等の波長の光を放出する。また、ｐｎ接合部１０ｐｎは波長λの光のみに反応する受光部として機能する。この際、１３族元素の不純物としてＢ（ボロン）を選択した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とする。
【００２５】
異なる半導体基板１０−１，１０−２間で光信号の送受信を行う一対の発光素子２−１と受光素子３−１をそれぞれ形成する際には、前述したアニール処理過程で照射する光の波長を同じ波長λにする。これによって、発光素子２−１が出射する光の波長がλに特定されることになり、受光素子３−１が受光する光の波長もλに特定されることになる。
【００２６】
また、発光素子２と受光素子３は同一構成を備えることから、発光素子２として機能していたものを受光素子３として機能させることができ、その逆に、受光素子３として機能していたものを発光素子２として機能させることができる。この切り替えは、光インターコネクション装置１の周辺回路によって任意に切り換えることができ、この切り替えによって光信号の伝送経路を任意に変更することが可能になる。
【００２７】
以上説明した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、複数の発光素子２又は受光素子３が半導体基板１０を共通の半導体層とするｐｎ接合部１０ｐｎを備え、一つの半導体基板１０に半導体リソグラフィ技術を用いて作り込まれるので、比較的簡易な製造工程で発光素子２又は受光素子３の半導体基板１０におけるアライメント精度を高めることができる。また、異なる半導体基板１０間で光信号の送受信を行う一対の発光素子２と受光素子３が共通波長での発光と受光をそれぞれ行うので、半導体基板１０間（チップ間）での信号伝送クロストークを抑制することが可能になる。
【００２８】
特に、図２に示すように、一つの半導体基板１０−１に配置される複数の発光素子２−１，２−２，２−３のうち互いに隣接配置された発光素子が異なる波長で発光を行い、一つの半導体基板１０−２に配置される複数の受光素子３−１，３−２，３−３のうち互いに隣接配置された受光素子が異なる波長で受光を行うものでは、一つの発光素子２−１から発せられた光信号を本来受信すべき受光素子３−１の隣の受光素子３−２が受信するといった信号の誤伝送（クロストーク）を抑止することができる。
【００２９】
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】
【００３０】
１：光インターコネクション装置，
２，２−１，２−２，２−３：発光素子，
３，３−１，３−２，３−３：受光素子，４：光透過部，
１０，１０−１，１０−２，１０−３：半導体基板，
１０ｎ：第１の半導体層（ｎ型Ｓｉ層），
１０ｐ：第２の半導体層（ｐ型半導体層），
１０ｐｎ：ｐｎ接合部
【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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