(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に電子回路およびフォトダイオードを搭載した光・電気融合集積回路を有する光半導体装置において、
該光・電気融合集積回路の外部からの光信号を入力する部分に、光ビームスポットサイズを変換する構造と、光信号を前記フォトダイオードの近傍へ導く光導波路とが一体に前記半導体基板を彫り込んで作製された溝に形成され、該光導波路は垂直な端面を有し、該端面の近傍には、前記フォトダイオードに給光するために光路を変更する結晶面ファセットによる逆メサ構造を有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記溝は、前記半導体基板を構成する基板材料の結晶面であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記溝は、その断面形状がＶ型、あるいは底面が平らなカップ型形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記光導波路は、無機材料よりなるクラッド層と、有機材料よりなるコア層とを有することを特徴とする請求項１，２又は３に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記光導波路は、無機材料よりなる下部クラッド層と、有機材料よりなるコア層と、有機または無機材料からなる上部クラッド層とを有することを特徴とする請求項１，２又は３に記載の光半導体装置。
【請求項６】
半導体基板上に電子回路およびフォトダイオードを搭載した光・電気融合集積回路を有する光半導体装置の製造方法において、
化学薬品を用いて前記半導体基板に順メサ面を形成することにより光導波路を作製するためのＶ溝を作製する工程と、
該溝に無機材料膜および有機材料膜よりなる光導波路を形成する工程と、
該光導波路の端面を垂直にするための加工工程と、
化学薬品を用いて前記半導体基板に逆メサ面を形成することにより前記光導波路を伝搬する光を光路変更する結晶面ファセットを形成する工程と
を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記結晶面ファセットを形成する工程と、前記Ｖ溝を作製する工程とが同時に作製されることを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信における送信用あるいは受信用の光半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの需要等の急速な増加にともない通信容量の拡大が急務になっている。一般に、光通信における通信容量を拡大する方法としては、個々の通信の処理速度を上げて複数の信号を多重する時間分割多重（ＴＤＭ）方式と、異なる複数の波長を利用して信号を多重する波長多重（ＷＤＭ）方式とが提案されている。ＴＤＭ方式を採用した場合には、必然的にファイバ内を流れる信号の速度を速くする必要があるが、現在１０Ｇｂｉｔ／ｓから４０Ｇｂｉｔ／ｓへ上げるための努力がなされている。今後、更にこの通信速度が上がることは必至である。
【０００３】
４０Ｇｂｉｔ／ｓの電気信号をパッケージに入れられた半導体集積回路（ＩＣ）へ入出力することは、技術的に困難はあるものの、現時点において既に達成されている。しかしながら、電気信号の速度が６０Ｇｂｉｔ／ｓ程度以上になるとロスが大きくなり、信号をパッケージに入出力することが極めて困難となる。このような課題を解決するため、６０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速信号は光信号で入出力し、６０Ｇｂｉｔ／ｓ以下の低速信号のみ電気で入出力する光・電気インターフェースを有する光・電気融合集積回路（ＯＥＩＣ）の研究開発が行われている。通信速度が高速化されてパッケージ内に電気信号が入り難いような状況において、高速信号は光で入出力し、パッケージ内で低速に速度変換した信号のみ電気で入出力することにより、実装限界を打破することが可能である。
【０００４】
このような光・電気融合インターフェースを採用した１つの例として、高効率のフォトダイオードと４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速動作可能なＩｎＰ系デジタルＩＣをモノリシック集積したレシーバ機能を有するデジタルＯＥＩＣが実現されている。
【０００５】
図１は、従来の面型フォトダイオードを用いたＯＥＩＣパッケージを示す図で、フォトダイオードとしては、高速応答とするため面型構造の受光部７を有する素子を採用しているが、この場合、電子回路の電極端子面に対し垂直方向に光信号を入出力する必要があり、パッケージ３に入れる場合には、側面に配置されている電気端子４と垂直に光ファイバ１の接続端子２を設ける必要がある。なお、符号５はボンディングパッド、６は半導体ＩＣを示してある。実際にＯＥＩＣをパッケージに実装する場合には、光学系の位置合わせが極めて困難であり、またパッケージをボードに実装することを考慮すると、電気入出力端子と垂直に光入出力端子が存在することは好ましい構造とはいえない。
【０００６】
パッケージの横方向から光信号を入力する構造として、導波路型の受光部を有するフォトダイオードを、アナログ増幅回路と集積したＯＥＩＣが報告されている。このように導波路型の素子を用いる場合、光導波路との整合性が良く、外部光ファイバーとの接続という点においては優れているが、そのサイズが横長となり素子の微細化の点で問題があると共に、光閉じ込めのためのクラッド層を必要とするため、素子構造が前記面型の場合に比べて厚くなる。このため、アナログ増幅回路程度であればモノリシック集積することも可能であるが、回路規模の大きなデジタル信号処理用ＩＣとモノリシック集積することは極めて困難であるため、実現されるに至っていない。
【０００７】
さらに、パッケージの横方向から光信号を入出力し、パッケージ内部において光信号が伝搬する方向を変更してフォトダイオードに給光する方法としては、基板の表面あるいは裏面にマイクロミラーを作製する方法が知られている。
【０００８】
図２は、光路変更構造を設けたＯＥＩＣの従来例を示す図で、図２（ａ）はパッケージ内にマイクロミラーを内蔵する構成例、図２（ｂ）はＯＥＩＣの裏面に直接マイクロミラー構造を作製する例をそれぞれ示す図である。図中符号１１は光信号入出力端子、１２はミラー、１３はフォトダイオード、１４はディジタル集積電子回路、１５はＩｎＰ基板、１６はクラッド部、１７はミラー、１８はクラッド部、１９は光導波路、２０はコア部、２１は光入射部、２２はクラッド部である。この場合、マイクロミラーをパッケージ側に作製し、実装されたＯＥＩＣのフォトダイオードに給光する方法が一般的であるが、光信号を高効率で結合するためには、光強度を測定しながらの光位置合わせが必要であり、実装に手間と時間とコストが掛かる。また、合わせ余裕が大きく必要となるため、パッケージ形状の小型化は困難である。
【０００９】
また、マイクロミラーをＯＥＩＣと一体化して作製する構造も報告されているが、マイクロミラーの位置と角度を精度良く、また再現性を持って作製することは困難である。また、パッケージ内部において光信号を伝搬する方向を変更してフォトダイオードに給光する別の方法としては、基板材料の結晶面ファセットを利用して光の屈折、あるいは反射を用いる方法が知られている。
【００１０】
図３は、結晶面ファセットを利用してフォトダイオードに給光する構造の従来例を示す図である。図中符号３１はＩｎＰ基板、３２は光吸収層、３３は電極、３４は上部クラッド層、３５はコア層、３６は下部クラッド層、３７は光ファイバ、３８は光である。この場合、一般的にはレンズ系を用いて平行光線を入射するため、レンズ系の調整や光軸合わせが必要となる。レンズ系を利用しない方法として、光ファイバーあるいは光導波路を屈折・反射面に近接させる構造が提案されているが、ＯＥＩＣ上に作製された結晶面ファセットに近接させる必要があるため、ファセットをＯＥＩＣの外側周辺部に作製しなくてはならない。
【００１１】
このような場合、電子集積回路の実装の分野で通常利用される回転ブレードによるチップのダイシング（チップ切り出し作業）時に、ファセット構造が破壊される可能性がある。なお、光通信用に通常用いられる波長１．５５μｍ帯の光はＩｎＰ基板を透過することができるため、ＩｎＰ基板の裏または横から信号光を入射しても基板表面に形成したフォトダイオードに給光することができる。
【００１２】
一方、光導波路を半導体基板上に作製する１つの方法として、半導体基板材料の結晶面ファセットによるＶ型溝を導波路として利用する構造が報告されている。一般的に半導体材料はその屈折率が大きいため、溝に光導波路を作製するためには、下部クラッド層を厚くして基板の影響が見えなくなるようにする必要がある。シリコン基板に異方性ウエットエッチングを用いてＶ型溝を形成した後、熱酸化より下部クラッド層を構成し、ここに有機導波路材料のコアを作製した構造が  Ｗ．Ｔ．Ｔｓａｎｇ  等によって提案されている（アプライト・オプティックス、第１４号５巻、１９７５年、１２００ページ）。このようなＶ型溝を利用して光導波路を作製する場合、コア材料として一般的に利用される有機材料はスピンコートで形成するため、溝の深さ方向にその幅が小さくなるような順メサ構造では特に問題にならないが、溝の深さ方向にその幅が大きくなるような逆メサ形状があると、端面が密着せず、また、気泡を混入するなどして安定した構造を作製できないという問題がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
電子回路とフォトダイオードを集積した受信用ＯＥＩＣにおいて、実装用パッケージの側面に電気および光のインターフェースを有する構造が実用上有利である。また、高速信号処理用のＯＥＩＣでは、ＣＲ時定数を低減するために電極構造が小さく、かつ他の高速電子デバイス作製上の要求から、面型の受光部を有するフォトダイオードが利用されている。したがって、このようなＯＥＩＣをパッケージ実装する場合には、横方向から入射される光信号を面型フォトダイオードに給光するための光路変更が必要になる。ＯＥＩＣと分離して該光路変更構造を作製する場合、ＯＥＩＣの作製のプロセス的には特に問題がないが、実装時の位置合わせに時間、手間、コストが掛かることと、パッケージを小型化できないといった問題があった。また、ＯＥＩＣ上に光導波路構造と光路変更構造を一体化して作製する場合、該光路変更構造の位置と角度を精度良く、また再現性を持って作製することは困難であった。
【００１４】
さらに、該光路変換構造のみをＯＥＩＣに一体化して作製し、ファイバあるいは別途作製した光導波路を外部接続する場合、前記光路変換構造をＯＥＩＣの外側周辺部に作製する必要があるため、半導体基板をウエハから切り出すダイシング時に、作製した光路変換構造が破壊される可能性があった。さらに、コア材料として有機材料を用いる場合、一般的に有機材料は温度変化に対して屈折率が変化する熱光学定数が無機材料に比べて１桁程度大きいため、有機コア端面を傾斜させた光路変換構造を採用すると、ＯＥＩＣ動作時の発熱により光路変更方向が変化してしまう可能性がある。但し、温度変化の小さい有機材料を用いる場合はこの限りではない。
【００１５】
また、半導体基板材料の結晶面ファセットによるＶ溝を利用して光導波路を作製する場合、溝の深さ方向にその幅が小さくなるように順メサ構造では特に問題にならないが、溝の深さ方向にその幅が大きくなるような逆メサ形状があると、端面が密着せず、また、気泡が混入するなどして安定した構造を作製できないといった問題があった。
【００１６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、通常の半導体プロセスを用いてフォトダイオードに安定して光信号を給光するような光路変更構造を、その製作位置と変更角度を精度良く、かつ再現性良く作製することが可能であるような光半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板上に電子回路およびフォトダイオードを搭載した光・電気融合集積回路を有する光半導体装置において、該光・電気融合集積回路の外部からの光信号を入力する部分に、光ビームスポットサイズを変換する構造と、光信号を前記フォトダイオードの近傍へ導く光導波路とが一体に前記半導体基板を彫り込んで作製された溝に形成され、該光導波路は垂直な端面を有し、該端面の近傍には、前記フォトダイオードに給光するために光路を変更する結晶面ファセットによる逆メサ構造を有することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明は、前記溝は、前記半導体基板を構成する基板材料の結晶面であることを特徴とするものである。
【００２１】
また、請求項３に記載の発明は、前記溝は、その断面形状がＶ型、あるいは底面が平らなカップ型形状であることを特徴とするものである。
【００２２】
また、請求項４に記載の発明は、前記光導波路は、無機材料よりなるクラッド層と、有機材料よりなるコア層とを有することを特徴とするものである。
【００２３】
また、請求項５に記載の発明は、前記光導波路は、無機材料よりなる下部クラッド層と、有機材料よりなるコア層と、有機または無機材料からなる上部クラッド層とを有することを特徴とするものである。
【００２５】
また、請求項６に記載の発明は、半導体基板上に電子回路およびフォトダイオードを搭載した光・電気融合集積回路を有する光半導体装置の製造方法において、化学薬品を用いて前記半導体基板に順メサ面を形成することにより光導波路を作製するためのＶ溝を作製する工程と、該溝に無機材料膜および有機材料膜よりなる光導波路を形成する工程と、該光導波路の端面を垂直にするための加工工程と、化学薬品を用いて前記半導体基板に逆メサ面を形成することにより前記光導波路を伝搬する光を光路変更する結晶面ファセットを形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００２６】
また、請求項７に記載の発明は、前記結晶面ファセットを形成する工程と、前記Ｖ溝を作製する工程とが同時に作製されることを特徴とするものである。
【００２７】
本発明は、スポットサイズ変換部を有する光導波路構造をＯＥＩＣの外側周辺部からＯＥＩＣの内部に作製されたフォトダイオード間に作製し、かつ、フォトダイオード近傍に作製した半導体材料の結晶面ファセットによる逆メサ構造を利用してフォトダイオードへ屈折給光する構造とすることによって、実装時の合わせの困難さを低減した。スポットサイズ変換部を有する光導波路が光電子集積回路に作製されていることにより、光電子集積回路をパッケージ内に実装する場合、光強度を測定しながらの光信号合わせを用いず、機械的な位置合わせにより実装することも可能となる。
【００２８】
また、有機材料をコア材として用いる場合、有機コア材を直接逆メサ面に密着させると、熱光学特性によりコア材料の屈折角が変化する可能性がある。屈折率の変化は直接屈折角の変化となって現れるため、ＯＥＩＣ駆動時の発熱により光路が変化してＩＣ特性が変化することが懸念される。そこで、導波路端面を垂直面として逆メサ面に密着させない構造とすることによって導波路材料の熱による屈折率変化が生じても、多少戻り反射量が変化するが、屈折角度が変化するといった致命的な問題は生じないような構造とした。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図４は、高速光通信における受信システムの１つの構成概念を示す図である。高速の光入力信号は、ファイバアンプ４１で増幅された後、フォトダイオードなどの光・電気変換素子を用いて電気信号に変換すると同時に、識別回路４２で信号の０／１を識別する。この識別された信号をＤＥＭＵＸと呼ばれる低速度変換回路４３を用いて複数の低速信号に分離する。
【００３０】
本発明の光半導体装置は、この識別回路４２と低速度変換回路４３を１つのパッケージ４４の中に入れることにより、パッケージ４４へは高速な光信号が入力され、パッケージ４４内の電子回路によって低速信号に変換された電気信号がパッケージ４４の外に取り出されるものである。
【００３１】
図５は、本発明の光半導体装置の内、フォトダイオードへ光信号を給光する部分のみの概念図を示す図である。図中ａはスポットサイズ変換構造、ｂは半導体結晶面ファセットによる光導波路形成用溝、ｃは下部クラッド層、ｄはコア層、ｅは逆メサ構造を有する結晶面ファセットによる光路変更構造、ｆは面型受光面を有するフォトダイオードを示す。また、符号５１はＯＥＩＣチップ、５２は電気パッド、５３はフォトダイオード、５４はＩｎＰ基板である。
【００３２】
図６は、本発明の光半導体装置の一実施例を示す図で、図６（ａ）は光導波路の光信号伝搬方向に対して垂直な断面図、図６（ｂ）は光導波路端から出た光信号を結晶面ファセットによりフォトダイオードに給光する部分の構造を示す図である。図中符号６１ａ、６１ｂ、６１ｃは下部クラッド層、６２ａ、６２ｂ、６２ｃはコア層、６３ａは順メサ、６３ｂは順メサ、６３ｃは逆メサである。
【００３３】
図６（ｂ）に示すように、光導波路の端面は垂直加工されており、温度変化により熱光学効果のためにコア材料の屈折率が変化しても、本質的な構造には影響が出ないように細工されている。但し、温度変化の小さい有機材料を用いる場合はこの限りではない。なお、図６（ａ）でコア層６２ａはＶ型溝の外部にも形成されているが、Ｖ型溝の内部のみに形成した構造であっても良いことは言うまでもない。またＶ型溝は、溝底面が平らなカップ型構造であってもよい。
【００３４】
クラッド層６１ａ、６１ｂ、６１ｃは無機絶縁材料、コア層６２ａ、６２ｂ、６２ｃは有機高分子材料で構成されている。具体的には、無機絶縁材料としてはスパッタリングや化学気相成長法（ＣＶＤ）により形成した二酸化シリコンなどの堆積膜を、また、有機高分子材料としてはスピンコートで塗布した後、熱または紫外線（ＵＶ）により硬化（キュア）した樹脂などである。なお、本発明では、これらの材料および形成方法を特に限定するものではないことは言うまでもない。
【００３５】
図７は、異方性ウエットエッチングによる結晶面ファセットの構成を示す図で、図中符号７１はＩｎＰ基板、７２はエッチングマスクである。ウエットエッチングを用いて異方性エッチングを行う場合、基板の面指数およびエッチング液により形成される結晶面ファセットが異なる。半導体基板として（１００）面のＩｎＰ基板７１を用い、かつ、メタノールに臭素を数％程度含有させたようなエッチング液を用いる場合、（０１−１）面に垂直な方向に関しては深さ方向に溝幅が小さくなるような順メサ面（具体的には（１１１）面および（１−１−１）面）が形成される。また、（０−１−１）面に垂直な方向に関しては、深さ方向に溝幅が大きくなるような逆メサ面（具体的には（−１１−１）面および（−１−１１）面）が形成される。
【００３６】
したがって、図６のような構造を得るためには、光導波路の長手方向を（０１−１）面に垂直とすれば、希望とするメサ面が形成できる。このような形状を与えるエッチング液としては、上述した他に、臭化水素酸（ＨＢｒ）原液や臭化水素酸と過酸化水素水を混合したものなどが知られているが、ここでは特に限定するものではない。なお、光路変更のためのファセット面は（−１１−１）あるいは（−１−１１）となり、（１００）面に対して５４．５度の角度となるため、ファセット面とフォトダイオードの受光面の間隔は、最適設計する必要がある。
【００３７】
図５の符号ａで示したように、光導波路は端部にスポットサイズ変換部を有するため、光導波路と光信号導入用のファイバとのスポットサイズが異なっていても、モード不整合による結合損を生じることなく給光できる。また、同時に、スポットサイズ変換部を有することにより、接合時の合わせ余裕を大きくできる。これはＯＥＩＣの外部信号を導入するファイバ等に対して、ＯＥＩＣの光学的位置合わせが簡単になることを意味する。ボールバンブを用いた通常のフリップチップ実装では、その機械的位置合わせ精度は、ボールバンプの表面張力による自己位置合わせ機能により１μｍ程度の精度を実現できる。なお、スポットサイズ変換部では１μｍ程度のトレランスを有する構造は容易に作製可能であるため、例えば、ＯＥＩＣをフリップチップ実装する場合、ボンディング基板の所定の位置にファイバを固定しておけば、光学的にも十分な位置合わせが可能となる。
【００３８】
［実施例２］
図８は、本発明の光半導体装置の他の実施例を示す図で、図８（ａ）は光導波路の光信号伝搬方向に対して垂直な断面図、図８（ｂ）は光導波路端から出た光信号を結晶面ファセットによりフォトダイオードに給光する部分の構造を示す図である。図中符号８１ａ、８２ａは下部クラッド層、８２ａ、８２ｂはコア層、８３ａは順メサ、８３ｂは逆メサ、８４ａ、８４ｂは上部クラッド層で、光導波路が下部クラッド層８１ａ、８１ｂ、コア層８２ａ、８２ｂ、および上部クラッド層８４ａ、８４ｂからなっている。
【００３９】
図５および図６ではコア層が露出しているのに対し、その表面を上部クラッド層８４ａ、８４ｂが被覆されている点が異なるだけである。このように上部クラッド層８４ａ、８４ｂを設けることによって、光導波路構造の上部に他の構造あるいは材料を添付した場合にも、光導波路には影響を与えないような構成とすることができる。これは、ＯＥＩＣをフリップフロップ実装する場合などに、アンダーフィル材の影響を遮断するために必要となる。本実施例は上述した実施例１と上部クラッド層の有無が異なるだけであり、それ以外は実施例１の記載内容と同一である。図８（ｂ）では光導波路のコア層８２ａの端面が垂直の場合を示したが、コア材料として温度変化の小さい有機材料を用いる場合はこの限りではない。
【００４０】
［実施例３］
図９は、本発明の光半導体装置の製造方法を説明するための図である。なお、ここでは利用する半導体基板を（１００）面のＩｎＰ基板として説明する。通常の半導体プロセスによって、半導体基板上に電子回路およびフォトダイオードを搭載した光・電気融合集積回路を作製した後、光導波路を形成する部分の層間絶縁膜などを除去し、半導体基板表面を露出させる。次に、通常のフォトリソグラフィー技術により光導波路構造を作製する溝のためのレジストパターンを形成した後、塩酸や塩酸とリン酸の混合液などにより異方性ウエットエッチングを行う（図９（ａ））。
【００４１】
ここでのポイントは、光導波路用溝のどちらの辺（（０１−１）面および（０−１−１）面に垂直な方向）に対しても、深さ方向に溝の幅が小さくなる順メサ構造か垂直面となり、どちらの辺に対しても逆メサ構造が出ないようなエッチング液でエッチングすることである。レジストマスクを除去した後、先に作製したエッチング溝内に無機絶縁膜のクラッド層を形成する。ここで無機絶縁膜は、スパッタリングや化学気相成長法（ＣＶＤ）などにより形成することができる。なお、溝以外に形成される膜については、リフトオフ法や反応性イオンビームエッチング（ＲＩＥ）法などにより除去しても良く、また、無機絶縁膜の堆積法はクラッド層が形成できるものならどんな方法でも良いことは言うまでもない。
【００４２】
引き続きスピンコート等によって有機高分子材料からなるコア層を形成する（図９（ｂ））。ここで有機高分子材料としては、通常電子デバイスの分野で平面平坦材として利用されているポリイミドやＢＣＢ（ベンゾサイクロブテン）、ポリシロキサンやエポキシ系などの有機高分子樹脂である。クラッド層と同様に、不要な部分の有機高分子材料を除去することも可能であり、また、この除去工程は下部クラッド層のそれと同時に行われても良い。
【００４３】
その後、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＥ）法などにより光導波路の端部が垂直になるように加工する（図９（ｃ））。なお、図９では、光導波路の両端面を垂直に加工する図が示されているが、有機コア材料として、温度変化の小さい有機材料を用いる場合には、特にフォトダイオード側をＲＩＥ加工しなくてもよい。また、先に述べた不要なコア層およびクラッド層は、このとき同時に除去されても良い。
【００４４】
次に、フォトダイオード９２と光導波路との間隙にのみレジスト９１の窓を形成し、再度、異方性ウエットエッチングを行う（図９（ｄ））。ここでの異方性エッチングでは、臭化水素酸（ＨＢｒ）原液や臭化水素酸と過酸化水素水を混合したもの、あるいはメタノールに臭素を数％程度含有させたエッチング液などによって行い、フォトダイオード９２の近傍に逆メサ形状を持った光路変更用の結晶ファセットを作製する。ここでファセット面は（−１１−１）あるいは（−１−１１）となり、（１００）面に対しても５４．５度の角度となるため、ファセット面とフォトダイオード９２の受光面の間隔は、最適設計する必要がある。
【００４５】
［実施例４］
図１０は、本発明の光半導体装置の第２の製造方法を示す図である。なお、実施例３と同様に、ここで利用する半導体基板を（１００）面のＩｎＰ基板として説明する。通常の半導体プロセスによって、半導体基板上に電子回路およびフォトダイオードを搭載した光・電気融合集積回路を作製した後、光導波路を形成する部分の層間絶縁膜などを除去し、半導体基板表面を露出させる。次に、通常のフォトリソグラフィー技術により光導波路構造を作製する溝のためのレジストパターンを形成した後、臭化水素酸（ＨＢｒ）原液や臭化水素酸と過酸化水素水を混合したもの、あるいはメタノールに臭素を数％程度含有させたエッチング液などによって異方性エッチングを行う（図１０（ａ））。
【００４６】
ここでのポイントは、光導波路の長手（（０−１−１）面に垂直な方向）方向断面には深さ方向に溝の幅が小さくなる順メサ構造となり、フォトダイオード入射部面（（０−１−１）面に垂直な方向）には深さ方向に溝の幅が大きくなる逆メサ形状を持った光路変更用の結晶ファセットを作製する点である。レジストマスクを除去した後、先に作製したエッチング溝内に無機絶縁膜のクラッド層を形成する。ここで無機絶縁膜は、スパッタリングや化学気相成長法（ＣＶＤ）などにより形成することができる。なお、溝以外に形成される膜については、リフトオフ法や反応性イオンビームエッチング（ＲＩＥ）法などにより除去しても良く、また、無機絶縁膜の堆積法はクラッド層が形成できるものならどんな方法でも良いことは言うまでもない。
【００４７】
引き続きスピンコート等によって有機高分子材料からなるコア層を形成する（図１０（ｂ））。ここで有機高分子材料としては、通常、電子デバイスの分野で平面平坦材として利用されているポリイミドやＢＣＢ（ベンゾサイクロテンブテン）や、エポキシ系などの有機高分子樹脂である。クラッド層と同様に、不要な部分の有機高分子材料を除去することも可能であり、また、この除去工程は下部クラッド層のそれと同時に行われても良い。
【００４８】
その後、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＥ）法などにより光導波路の端部が垂直になるように加工する（図１０（ｃ））。なお、図１０では、光導波路の両端面を垂直に加工する図が示されているが、有機コア材料として、温度変化の小さい有機材料を用いる場合には、特にフォトダイオード側をＲＩＥ加工しなくてもよい。また、先に述べた不要なコア層およびクラッド層はこのとき同時に除去されても良い。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光・電気融合集積回路の外部からの光信号を入力する部分に、光ビームスポットサイズを変換する構造と、光信号をフォトダイオードの近傍へ導く光導波路とが一体に半導体基板を彫り込んで作製された溝に形成され、光導波路は垂直な端面を有し、端面の近傍には、フォトダイオードに給光するために光路を変更する結晶面ファセットによる逆メサ構造を有するので、通常の半導体プロセスを用いてフォトダイオードに安定して光信号を給光するような光路変更構造を、その製作位置と変更角度を精度良く、また再現性を持って作製することが可能である。
【００５０】
また、ＯＥＩＣ上に作製される光導波路はスポットサイズ変換部を有するため、ファイバ等から導入される光信号のスポットサイズと、本発明による光半導体上に作製される光導波路内を伝搬する光のスポットサイズを異なる場合にも、モード不整合による結合損を生じることなく結合できる。
【００５１】
また同時に、位置合わせ余裕の大きなデジタルＯＥＩＣを実現できる。これにより従来は光強度を測定しながら位置合わせを行っていた工程を、単に機械的合わせによって光学的にも位置合わせが可能となり、実装時に手間とコストを大幅に削減することが可能である。
【００５２】
さらに、本発明の光半導体装置をパッケージ実装する場合、高速光信号入出力端子と低速電気信号入出力端子をパッケージの側面に配置できるため、１００Ｇｂｉｔ／ｓ以上の超高速光通信ＩＣに関して、電気の実装限界を打破し、かつ、ボード実装も容易な光半導体装置を実現できる。
【００５３】
また、化学薬品を用いて前記半導体基板に順メサ面を形成することにより光導波路を作製するためのＶ溝を作製する工程と、溝に無機材料膜および有機材料膜よりなる光導波路を形成する工程と、光導波路の端面を垂直にするための加工工程と、化学薬品を用いて半導体基板に逆メサ面を形成することにより光導波路を伝搬する光を光路変更する結晶面ファセットを形成する工程とを有するので、ファイバ等から導入される光信号のスポットサイズと、本発明による光半導体上に作製される光導波路内を伝搬する光のスポットサイズを異なる場合にも、モード不整合による結合損を生じることなく結合でき、光強度を測定しながら位置合わせを行っていた工程を、単に機械的合わせによって光学的にも位置合わせが可能となり、実装時に手間とコストを大幅に削減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】面型フォトダイオードを用いたＯＥＩＣパッケージの従来例を示す図である。
【図２】光路変更構造を設けたＯＥＩＣの例を示す図で、（ａ）はパッケージ内にマイクロミラーを内蔵する構成例、（ｂ）はＯＥＩＣの裏面に直接マイクロミラー構造を作製する例を示す図である。
【図３】結晶面ファセットを利用してフォトダイオードに給光する構造の例を示す図である。
【図４】光通信における受信系処理の概略図である。
【図５】本発明による光半導体装置の構造図である。
【図６】本発明の光半導体装置の一実施例を示す図で、（ａ）は光導波路の長手方向に垂直な断面構造図、（ｂ）は光導波路からの光信号を結晶面ファセットによりフォトダイオードに給光する部分の構造図である。
【図７】異方性ウエットエッチングによる結晶面ファセットの構成図である。
【図８】本発明における光半導体装置の他の実施例を示す図である。
【図９】本発明における光半導体装置の製造方法の一実施例を示す図である。
【図１０】本発明における光半導体装置の製造方法の他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１、３７  光ファイバ
２  接続端子
３、４４  パッケージ
４  電気端子
５  ボンディングパッド
６  半導体ＩＣ
７  受光部
１１  光信号入出力端子
１２、１７  ミラー
１３、５３、９２、１００  フォトダイオード
１４  ディジタル集積電子回路
１５、３１、５４、７１  ＩｎＰ基板
１６、１８、２２  クラッド部
１９  光導波路
２０  コア部
２１  光入射部
３２  光吸収層
３３  電極
３４、８４ａ、８４ｂ  上部クラッド層
３５、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、８２ａ、８２ｂ  コア層
３６、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、８１ａ、８２ａ  下部クラッド層
３８  光
４１  ファイバアンプ
４２  識別回路
４３  低速度変換回路
５１  ＯＥＩＣチップ
５２  電気パッド
６３ａ、６３ｂ、８３ａ  順メサ
６３ｃ、８３ｂ  逆メサ
７２  エッチングマスク
９１  レジストパターン
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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