(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面と裏面を有する集積回路ダイの半導体基板中に形成された帯電領域と；
半導体基板を介して帯電領域へ光ビームを入射するため半導体基板の裏面に形成される光ビーム入口と；
帯電領域に近接して配置され、光ビームを偏向してこの帯電領域に戻すための第１の偏向器と；
第１の偏向器で偏向された光ビームを更に偏向して、帯電領域に戻すための第１の偏向器に対向して配置される第２の偏向器と；
帯電領域を介して第１および第２の偏向器の間で複数回にわたって偏向された光ビームを出力するため半導体基板の裏面に形成される光ビーム出口と；
帯電領域の自由電荷分布を変調する信号をドープ領域へ伝達する絶縁体内の導体と；
から構成され、半導体基板の前面は絶縁体を介してパッケージ基板に取付けられることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
光ビームが通過する半導体基板は、帯電領域に近接する領域で厚さが他の領域と比べて薄いことを特徴とする請求項１に記載のマルチパス導波光変調器。
【請求項３】
光ビームの入射角を小さくするために、上記入口に角度が付けられ、偏向光ビームの入射角を小さくするために、上記出口に角度が付けられることを特徴とする請求項１また請求項２に記載のマルチパス導波光変調器。
【請求項４】
第１の偏向器は、半導体基板と、半導体基板の屈折率とは異なる屈折率を有する材料との間の界面からなることを特徴とする請求項３に記載のマルチパス導波光変調器。
【請求項５】
第１の偏向器は、半導体基板に近接して配置された反射材からなることを特徴とする請求項３に記載のマルチパス導波光変調器。
【請求項６】
第２の偏向器は、半導体基板と、半導体基板の屈折率とは異なる屈折率を有する材料との間の界面からなることを特徴とする請求項３に記載のマルチパス導波光変調器。
【請求項７】
第２の偏向器は、半導体基板に近接して配置された反射材からなることを特徴とする請求項３に記載のマルチパス導波光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
発明の分野
本発明は、一般に集積回路に関し、より詳細には、本発明は、集積回路を使用した光の変調に関する。
【０００２】
背景情報
集積回路産業においては、集積回路の速度を早くし、かつデバイス密度を向上させるための努力が続けられている。集積回路の設計者が直面している挑戦の１つは、回路速度とデバイス密度の向上により、オフ・チップ回路接続に関連する容量性負荷による回路入力および出力の伝搬遅延がますます重要になっていることである。クロック速度が遅い場合、集積回路線路上の容量性負荷は、一般的に重要な要素ではない。しかし、より新しい集積回路設計のクロック速度は、ギガヘルツの範囲およびギガヘルツを超える範囲へ向けて継続的に高速化しているため、入力／出力帯域幅および／またはチップ間およびチップ内の往復遅延が、例えば、他にもあるが、マイクロプロセッサ、オフ・チップ・キャッシュ、コントローラなどの将来の集積回路に対する大きな障害の１つになることは明らかである。
【０００３】
集積回路速度を早くし、かつデバイス密度の向上に関連する容量性負荷の問題に対処するための従来技術による試行の結果として、より大型かつ強力な集積回路入出力ドライバがチップ上に使用されている。大型入出力ドライバの利用による望ましくない結果として、大型入出力ドライバが、一般的により多くの電力を消費し、大きなｄｉ／ｄｔ雑音を生成することを挙げることができる。雑音を抑制する手段を提供するためには、低インダクタンス・パッケージングおよび大容量オン・ダイ減結合キャパシタンスが必要であるが、より小型の集積回路入出力ドライバに対して、より大量の熱を放出し、かつ、集積回路ダイ上の貴重な面積を、より多く占有する。
【０００４】
従来技術による、従来の集積回路相互接続の制約を解決するための他の試行には、光接続の使用が含まれている。集積回路間を光接続する従来技術の試行には、通常、２つの典型的な手法が必要であり、あるいはそれら２つの手法に基づいている。
【０００５】
その手法の１つは、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）レーザ・ダイオードを使用し、ダイオードを変調する、すなわち電気的にスイッチングする方法に基づくものであり、あるいは、集積回路を通過するレーザ・ビームを振幅変調する、ＧａＡｓで構築された変調器の使用に基づいている。変調は、通常、ＧａＡｓ集積回路内のひずみ多層成長分子線エピタキシ（ＭＢＥ）膜を介した電界吸収に基づいている。当分野の技術者には理解されるように、ＧａＡｓを含むＩＩＩ−Ｖをベースとする技術を、標準のシリコンをベースとする相補性金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）技術に統合し、あるいは結合することは困難であり、したがって実践的ではない。
【０００６】
従来技術による第２の典型的な手法は、シリコンをベースとする光導波路の使用に基づいている。通常、これらの光導波路は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）をベースとする処理技法を使用して構築されている。従来技術によるＳＯＩをベースとする変調器は、シリコン導波路構造を利用して、光導波路を通過する光をスイッチングしている。しかし、スイッチング機構は、どちらかといえばバイポーラをベースとするトランジスタと同様、導波路中へのキャリヤの注入を利用している。この手法による結果の１つは、例えば数百メガヘルツまで速度が低下し、また、極めて大量の電力、例えばスイッチ１個で１０ｍＷ以上の電力を消費することである。変調度を深くするために、注入電荷と光ビームの間の相互作用量を大きくする試行が、しばしばなされている。通常、この試行は、極めて長い導波路、例えば数千ミクロン程度の導波路を構築することによって達成され、それにより、光ビームが移動する相互作用長が増加している。しかし、当分野の技術者には理解されるように、既存の多層標準ＣＭＯＳベースのプロセスへの実際のＳＯＩ導波路の組込みは簡単ではない。したがって、大量のトランジスタを有するマイクロプロセッサの高速入出力用として使用する場合、これらの導波路構造を利用することは、極めて実際的ではない。
【０００７】
（発明の概要）
光変調器の方法および装置を開示する。一実施態様では、光変調器は、集積回路ダイの半導体基板中に帯電領域を含んでいる。帯電領域に近接して、第１の偏向器が配置されている。第１の偏向器は、帯電領域中に導かれた光ビームを偏向して帯電領域中に戻している。第１の偏向器に対向して第２の偏向器が配置されている。第２の偏向器は、第１の偏向器で偏向された光ビームを偏向して帯電領域を介して第１の偏向器へ戻している。光ビームは、第１と第２の偏向器の間の帯電領域を介した複数回にわたる光ビーム偏向の後、光変調器外へ導かれる。本発明のその他の特徴および利点については、以下で説明する詳細な説明、図、および特許請求の範囲の各クレームから明らかになるであろう。
【０００８】
本発明について、添付の図に照らして、制限されることのない実施例によって説明する。
【０００９】
（詳細な説明）
光変調器を提供する方法および装置を開示する。以下の説明においては、本発明に対する完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が説明されているが、本発明を実践するために特定の詳細を使用する必要がないことは、当分野の技術者には明らかであろう。他の場合には、本発明を明確にするために、良く知られている材料または方法については、詳細説明は省略されている。
【００１０】
本発明により、集積回路ダイの半導体基板の裏面を介して、集積回路の出力回路ノードから集積回路信号を取り出すことができる光変調器が提供される。一実施形態では、フリップ・チップ・パッケージ集積回路ダイの内部に光変調器が配置されている。
【００１１】
一実施形態では、集積回路ダイの半導体基板の裏面を介して光ビームが導かれている。光ビームは、半導体基板中で帯電領域を通して導かれる。帯電領域におけるフリー・チャージ・キャリアの電荷分布が、例えば集積回路ダイ内の回路の出力ノードから出力される電気信号に応じて変調される。一実施形態では、集積回路ダイの前面に向かって集積回路ダイの回路が配置されている。光ビームは、第１の偏向器で偏向し、帯電領域中に戻される。第２の偏向器が、第１の偏向器で偏向し、帯電領域中に戻された光ビームを偏向し、第１の偏向器へ戻している。光ビームは、第１と第２の偏向器の間の帯電領域を介した複数回にわたる光ビーム偏向の後、集積回路ダイの半導体基板の裏面を介して偏向する。
【００１２】
実例を挙げて説明すると、図１は、本発明の教示による光変調器を含む集積回路ダイ１０１の一実施形態を示している。一実施形態では、集積回路ダイ１０１は、制御コラプス・チップ接続（Ｃ４）、すなわちボール・ボンド１０７を介してパッケージ基板１０９に結合されたフリップ・チップ・パッケージ集積回路ダイである。当分野の技術者には理解されるように、ボール・ボンド１０７は、集積回路ダイ１０１の内部集積回路ノードとパッケージ基板１０９のピン１２１の間に、より直接的な接続を提供し、それにより典型的なワイヤ・ボンド集積回路パッケージング技術に関連するインダクタンスの問題を軽減している。一実施形態では、集積回路ダイ１０１の前面１０４に向かって、集積回路ダイ１０１の内部集積回路ノードが配置されている。フリップ・チップ・パッケージングのもう１つの特徴は、集積回路ダイ１０１の裏面１０２へのフル・アクセスが行われることである。他の実施形態では、集積回路ダイ１０１の取付けが、フリップ・チップ・パッケージ構成中への取付けに制限されないことを理解されたい。
【００１３】
一実施形態では、本発明による光変調器は、帯電領域１１５を含む半導体基板１０３の内部に配置された変調領域を含んでいる。一実施形態では、帯電領域１１５は、半導体基板１０３中のドープ領域１１３とで形成されたｐ−ｎ接合を使用して設けられている。一実施形態では、ドープ領域１１３は、電気的にアドレス可能であり、かつ、スイッチ可能である。
【００１４】
一実施形態では、ドープ領域１１３は、ｐ型シリコン半導体基板１０３中のｎ型ドープ・シリコン領域である。他の実施形態では、ドープ領域１１３は、ｎ型シリコン半導体基板１０３中のｐ型ドープ・シリコン領域である。本発明が、本明細書において記述する種類のデバイス、および極性が反対のドーパントを含むデバイスを包含することを理解されたい。例えば、本発明は、ｎチャネル型デバイス構造およびｐチャネル型デバイス構造の両方を包含している。また、本開示用として、「基板」という用語が、例えばウェル領域、エピタキシ層または類似を含む半導体基板の層を包含していることを理解されたい。したがって、本発明によるｐ−ｎ接合は、例えば、本発明の教示による半導体基板内、ｐ型基板中のｎ型ウェル内、ｎ型基板中のｐウェル内、ｎ型エピタキシ層内、ｐ型エピタキシ層内等に存在している。
【００１５】
一実施形態では、絶縁層１０５中の導体１１９によってドープ領域１１３へ伝達される信号１２９に応じて、帯電領域１１５中の自由電荷分布が変調される。一実施形態では、信号１２９は、集積回路ダイ１０１の内部に含まれている集積回路の出力ノードによって生成される信号である。したがって、信号１２９の電圧Ｖが導体１１９上で変化すると、帯電領域１１５中のフリー・チャージ・キャリア分布が変調される。本開示用として、「帯電」領域を、フリー・チャージ・キャリアを有する高度に帯電した領域として解釈すべきことに言及しておく。
【００１６】
一実施形態では、光ビーム１１１は、裏面１０２を介して半導体基板１０３中に導かれている。図１の実施形態に示すように、光ビーム１１１は、帯電領域１１５中に導かれ、ドープ領域１１３と絶縁体１０５の界面によって形成された偏向器で偏向する。一実施形態では、光ビーム１１１は、ドープ領域１１３と絶縁体１０５の間の界面に対して、入射角θを有している。本開示用として、入射角θは、光ビームと入射点の表面に直角の線で作る角度である。図１に示す実施形態では、光ビーム１１１は、内部全反射によって、ドープ領域１１３と絶縁体１０５の間の界面で偏向している。一実施形態では、ドープ領域１１３を形成するプロセスは、ドープ領域１１３と絶縁体１０５の間の界面の反射表面にケイ化物が形成されないようなプロセスになっている。
【００１７】
一実施形態では、絶縁体１０５はシリコン酸化物または類似物を含んでおり、その屈折率は、約ｎoxide＝１．５である。また、ドープ領域１１３はシリコンを含んでおり、その屈折率は、約ｎsi＝３．５である。光ビーム１１１を内部全反射させるために、ドープ領域１１３と絶縁体１０５の間の界面に対する光ビーム１１１の入射角θは、次の関係を満足している。
ｓｉｎθ＞ｎoxide／ｎsi              （式１）
【００１８】
偏向の結果、光ビーム１１１は、一実施形態では、光ビーム１１１が半導体基板１０３の裏面１０２と空気の界面で偏向するまで、帯電領域１１５を介して偏向して戻される。裏面１０２と空気の界面では、半導体基板１０３と空気の間の界面に対する偏向光ビーム１１１の入射角θは、次の関係を満足している。
ｓｉｎθ＞ｎair／ｎsi                  （式２）
上式で、空気の屈折率ｎairは約１である。その結果、半導体基板１０３と空気の間の界面に偏向器が形成される。この偏向器は、ドープ領域１１３と絶縁体１０５の間の界面に形成される偏向器と対向している。図１の実施形態に示すように、光ビーム１１１は、光ビーム１１１が偏向光ビーム１２７として半導体基板１０３の裏面１０２を介して最終的に放出されるまで、帯電領域１１３を介して複数回にわたって偏向する。
【００１９】
一実施形態では、光ビーム１１１は、シリコンが部分的に赤外光を透過させるため、赤外光または近赤外光を含んでいる。一実施形態では、半導体基板１０３の裏面１０２の位置１２３を通って光ビーム１１１が入射し、偏向した光ビーム１２７が、半導体基板の裏面１０２の位置１２５から放出される。一実施形態では、位置１２３および１２５の表面に反射防止塗装が施され、反射による光ビーム１１１および反射光ビーム１２７の減衰を緩和している。図１の実施形態に示すように、位置１２３の表面は、光ビーム１１１の入射角θが小さくなるように、角度が付けられている。同様に、位置１２５の表面は、一実施形態では、偏向光ビーム１２７の入射角θが小さくなるように、角度が付けられている。一実施形態では、光ビーム１１１は、位置１２３に対してほぼ直角であり、また、偏向光ビーム１２７も、位置１２５に対してほぼ直角である。光ビーム１１１および偏向光ビーム１２７の、それぞれ位置１２３および１２５に対する入射角が小さくなっているため、これらの界面における屈折も、相応じて小さくなっている。その結果、主反射器（例えば図１のドープ領域１１３と絶縁体１０５の間の界面に形成される偏向器）上に、より大きい入射角θを得ることができる。
【００２０】
一実施形態では、半導体基板１０３は、光ビーム１１１が通過する半導体基板１０３の量が少なくなるように、帯電領域１１５に近接する領域で厚さが薄くなっている。したがってドープ領域１１３と絶縁体１０５の間の界面と、半導体基板１０３と空気の間の界面との間の距離が短くなっている。その結果、光ビーム１１１が半導体基板１０３を通過することによって生じる光ビーム１１１の減衰量が少なくなっている。一実施形態では、半導体基板１０３の厚さは、知られているエッチング技法あるいはトレンチング技法または類似の技法を用いて、裏面１０２で薄くなっている。
【００２１】
一実施形態では、光ビーム１１１は、信号１２９に応じて、帯電領域１１５中のフリー・キャリア分布の変調によって変調される。詳細には、光ビーム１１１が帯電領域１１５を通過する段階で、プラズマ光効果によって変調される。プラズマ光効果は、光ビーム１１１の伝搬経路に沿って現れる、光電界ベクトルとフリー・チャージ・キャリアの間の相互作用によって生じる。光ビーム１１１の電界により、フリー・チャージ・キャリアが分極され、それにより媒体の局部誘電率が有効に摂動する。局部誘電率の摂動により、光波の伝搬速度が摂動し、したがって、単純に真空中の光の速度と媒体中の光の速度の比率である光の屈折率が摂動する。また、光エネルギーが使い果たされると、フリー・チャージ・キャリアにより光の場が吸収され、フリー・チャージ・キャリアが加速される。通常、屈折率の摂動は複素数であり、その実数部が速度変化をもたらす部分であり、虚数部がフリー・チャージ・キャリアの吸収に関連する部分である。位相ずれφの量は、
φ＝（２π／λ）ΔｎＬ              （式３）
で与えられ、λは光の波長であり、Ｌは相互作用の長さである。プラズマ光効果の場合、電子の濃度変化（ΔＮe）および正孔の濃度変化（ΔＮh）による屈折率の変化Δｎは、
【数１】
0004617045.tif 000002
によって与えられ、ｎoはシリコンの公称屈折率、ｅは電気素量、ｃは光の速度、εoは自由空間の誘電率、ｍe*およびｍh*は、それぞれ電子および正孔の実効質量であり、ｂeおよびｂhは近似パラメータである。帯電領域１１５中のフリー・チャージ・キャリア分布の変調の最終的な結果として、偏向光ビーム１２７の強度が変調される。
【００２２】
結局のところ、集積回路ダイ１０１がマルチパス導波光変調器を形成していることを理解されたい。本発明の教示に従って、帯電領域１１５を介して光ビーム１１１を多重偏向、すなわち多重通過させることにより、帯電領域１１５を使用して形成された光変調器の全相互作用長Ｌが延長されていることが理解されよう。その結果、帯電領域１１５を使用して形成された光変調器は、光ビームが２回しか通過しない帯電領域を有する光変調器と比べると、その変調度が深くなっている。
【００２３】
一実施形態では、光ビーム１１１および／または偏向光ビーム１２７は、回折光学系（図示せず）または類似物を使用して半導体基板１０３へ導かれ、かつ、半導体基板１０３から放出されている。光ビーム１１１および／または偏向光ビーム１２７は、光ファイバ技法または類似の技法を使用して回折光学系へ導かれ、かつ、回折光学系から放出される。
【００２４】
図２は、本発明の教示による、光ビーム２１１を変調するためのｐ−ｎ接合帯電領域および反射材を使用した光変調器を含むフリップ・チップ・パッケージ集積回路ダイ２０１の他の実施形態の横断面を示したものである。図１の集積回路ダイ１０１と同様、集積回路ダイ２０１は、フリップ・チップ構成であり、集積回路ダイ２０１の内部集積回路ノードとパッケージ基板２０９のピン２２１の間に、より直接的な接続を提供するために、ボール・ボンド２０７を介してパッケージ基板２０９に結合されている。一実施形態では、集積回路ダイ２０１の前面２０４を、集積回路ダイ２０１の内部集積回路ノードが配置されている。他の実施形態では、集積回路ダイ２０１の取付けが、本発明の教示によるフリップ・チップ・パッケージ構成中への取付けに制限されないことを理解されたい。
【００２５】
集積回路ダイ１０１と同様、図２に示す集積回路ダイ２０１中の光変調器は、帯電領域２１５を含む半導体基板２０３の内部に配置された変調領域を含んでいる。一実施形態では、帯電領域２１５は、半導体基板２０３中のドープ領域２１３と共に形成されたｐ−ｎ接合を使用して設けられている。一実施形態では、ドープ領域２１３は、電気的にアドレス可能であり、かつ、スイッチ可能である。一実施形態では、ドープ領域２１３は、ｐ型シリコン半導体基板２０３中のｎ型ドープ・シリコン領域である。他の実施形態では、ドープ領域２１３は、ｎ型シリコン半導体基板２０３中のｐ型ドープ・シリコン領域である。一実施形態では、絶縁層２０５中の導体２１９によってドープ領域２１３へ伝達される信号２２９に応じて、帯電領域２１５中の自由電荷分布が変調される。一実施形態では、信号２２９は、集積回路ダイ２０１の内部に含まれている集積回路の出力ノードによって生成される信号である。
【００２６】
図２に示す実施形態では、光ビーム２１１は、裏面２０２を介して半導体基板２０３中に導かれている。一実施形態では、ドープ領域２１３を形成するプロセスは、ドープ領域２１３と絶縁体２０５の間の界面の表面に、例えばケイ化物などの反射材が形成されないようなプロセスになっている。図に示すように、光ビーム２１１は、帯電領域２１５および絶縁体２０５中に導かれ、導体２１９によって形成された偏向器で偏向する。一実施形態では、導体２１９は、例えば金属または類似物などの反射材で形成されている。偏向の結果、光ビーム２１１は、一実施形態では、光ビーム２１１が、半導体基板２０３の裏面２０２上に、導体２１９に対向して配置された偏向器２３３で偏向するまで、帯電領域２１５を介して偏向して戻される。一実施形態では、偏向器２３３は、例えば金属または類似物などの反射材で形成されている。図２の実施形態に示すように、光ビーム２１１は、光ビーム２１１が、偏向光ビーム２２７として半導体基板２０３の裏面２０２を介して最終的に放出されるまで、帯電領域２１３を介して複数回にわたって偏向する。
【００２７】
一実施形態では、光ビーム２１１は、シリコンが部分的に赤外光を透過させるため、赤外光または近赤外光を含んでいる。一実施形態では、半導体基板２０３の裏面２０２の位置２２３を通って光ビーム２１１が入射し、偏向した光ビーム２２７が、半導体基板の裏面２０２の位置２２５から放出される。一実施形態では、位置２２３および２２５の表面、および偏向器２３３の下側の表面に反射防止塗装が施され、反射による光ビーム２１１および反射光ビーム２２７の減衰を緩和している。図２の実施形態に示すように、位置２２３の表面は、光ビーム２１１の入射角θが小さくなるように、角度が付けられている。同様に、位置２２５の表面は、一実施形態では、偏向光ビーム２２７の入射角θが小さくなるように、角度が付けられている。一実施形態では、光ビーム２１１は、位置２２３に対してほぼ直角であり、また、偏向光ビーム２２７も、位置２２５に対してほぼ直角である。
【００２８】
一実施形態では、光ビーム２１１および／または偏向光ビーム２２７は、回折光学系（図示せず）または類似物を使用して半導体基板２０３へ導かれ、かつ、半導体基板２０３から放出されている。光ビーム２１１および／または偏向光ビーム２２７は、光ファイバ技法または類似の技法を使用して回折光学系へ導かれ、かつ、回折光学系から放出される。
【００２９】
図２に示す実施形態の場合、光ビーム２１１の入射角θが比較的小さいため、ドープ領域２１３と絶縁体２０５の間の界面での内部全反射は生じない。したがって図２に示す実施形態では、光ビーム２１１は、図１に示す実施形態と比較すると、より鋭角の角度で、ドープ領域２１３と絶縁体２０５の間の界面に導かれている。図２に示す実施形態の利点は、光ビーム２１１に対する最小入射角θが存在しないため、集積回路ダイ２０１を、横方向の寸法が短い設計にすることができ、かつ、帯電領域２１５を介して、光ビーム２１１を同一回数またはそれ以上の回数にわたって偏向させることができることである。
【００３０】
一実施形態では、半導体基板２０３は、光ビーム２１１が通過する半導体基板２０３の量が少なくなるように、帯電領域２１５に近接する領域で厚さが薄くなっている。したがって、導体２１９と共に形成される偏向器と偏向器２３３の間の距離が短くなっている。その結果、光ビーム２１１が半導体基板２０３を通過することによって生じる光ビーム２１１の減衰量が少なくなっている。一実施形態では、半導体基板２０３の厚さは、知られているエッチング技法あるいはトレンチング技法または類似の技法を用いて、裏面２０２で薄くなっている。
【００３１】
図３は、本発明の教示による、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）型構造の帯電領域を使用した光変調器を含むフリップ・チップ・パッケージ集積回路ダイ３０１のさらに他の実施形態の横断面、および光ビーム３１１を変調するための内部全反射を示したものである。本発明が、ＭＯＳ型構造のための実際の金属の使用に制限されないことを理解されたい。例えばＭＯＳコンデンサ構造の場合、本発明の教示による金属ゲートの代わりに、ポリシリコン・ゲートまたは類似物を使用することができる。以下で考察するように、図３に示す集積回路ダイ３０１中の光変調器は、集積回路ダイ３０１中の帯電領域３１５が、ｐ−ｎ接合構造に代わってＭＯＳ構造を使用して形成されている点を除き、図１に示す集積回路ダイ１０１中の光変調器と類似物である。
【００３２】
集積回路ダイ１０１と同様、図３の集積回路ダイ３０１は、フリップ・チップ構成であり、集積回路ダイ３０１の内部集積回路ノードとパッケージ基板３０９のピン３２１の間に、より直接的な接続を提供するために、ボール・ボンド３０７を介してパッケージ基板３０９に結合されている。一実施形態では、集積回路ダイ３０１の前面３０４に向かって、集積回路ダイ３０１の内部集積回路ノードが配置されている。他の実施形態では、集積回路ダイ３０１の取付けが、フリップ・チップ・パッケージ構成中への取付けに制限されないことを理解されたい。
【００３３】
集積回路ダイ１０１と同様、図３に示す集積回路ダイ３０１中の光変調器は、帯電領域３１５を含む半導体基板３０３の内部に配置された変調領域を含んでいる。一実施形態では、帯電領域３１５は、１つに短絡されたソースおよびドレインを有する金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）コンデンサとして結合されたトランジスタなどの集積回路デバイスを使用して形成されている。例えば、図３は、半導体基板３０３中に配置されたソース／ドレイン領域３３５および３３７を示している。ソース／ドレイン領域３３５および３３７は、導体３４３を介して１つに短絡されている。一実施形態では、絶縁体３０５中のソース／ドレイン領域３３５と３３７の間に、ポリシリコン・ゲート３４１が配置されている。図に示すように、半導体基板３０３とゲート３４１の間に、ゲート絶縁体３３９が配置されている。一実施形態では、ソース／ドレイン領域３３５および３３７は、導体３４３を介して共通電位Ｖ、例えばｎチャネルＭＯＳＦＥＴであれば接地に、あるいはｐチャネルＭＯＳＦＥＴであればＶccに共通に結合されている。他の実施形態では、電位Ｖは、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴに対してはＶccであり、また、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴに対しては接地である。さらに他の実施形態では、ソースおよびドレインが、異なる電位に結合されている。一実施形態では、ゲート３４１を電気的にアドレスし、かつ、スイッチすることができる。一実施形態では、ゲート３４１は、導体３１９を介して信号３２９を受け取るために結合されている。
【００３４】
動作に関しては、ソース／ドレイン領域３３５および３３７が共通に結合され、かつ、共通電位Ｖに接続され、また、ゲート３４１が信号３２９に結合されているため、半導体基板３０３中のソース／ドレイン領域３３５と３３７の間に配置されている帯電領域３１５中に、高度に帯電した反転層が形成される。帯電領域３１５中のフリー・チャージ・キャリア分布が、信号３２９に応じて変調される。一実施形態では、信号３２９は、集積回路ダイ３０１の内部に含まれている集積回路の出力ノードによって生成される信号である。一実施形態では、ソース／ドレイン領域３３５および３３７は、Ｐ型半導体基板１０３中に配置されたＮ+ドープ領域を含んでいる。他の実施形態では、ソース／ドレイン領域３３５および３３７は、Ｎ型半導体基板１０３中に配置されたＰ+ドープ領域を含んでいる。一実施形態では、光ビーム３１１の変調用として、ＭＯＳＦＥＴコンデンサ・チャネル中の非可動反転層を使用するために、ＭＯＳトランジスタ構造に代わってコンデンサ構造が利用されている。
【００３５】
図３に示すように、光ビーム３１１は、裏面３０２を介して半導体基板３０３中に導かれている。図に示すように、光ビーム３１１は、帯電領域３１５中に導かれ、半導体基板３０３とゲート絶縁体３３９の界面によって形成された偏向器で偏向する。一実施形態では、光ビーム３１１は、光ビーム３１１が、半導体基板３０３とゲート絶縁体３３９の間の界面で、内部全反射によって偏向するように、半導体基板３０３とゲート絶縁体３３９の間の界面に対して、入射角θを有している。
【００３６】
偏向の結果、光ビーム３１１は、一実施形態では、光ビーム３１１が半導体基板３０３の裏面３０２と空気の界面で偏向するまで、帯電領域３１５を介して偏向して戻される。裏面３０２と空気の界面における偏向光ビーム３１１の入射角θは、偏向光ビーム３１１が、内部全反射によって、半導体基板３０３と空気の間の界面における裏面３０２で偏向するような入射角になっている。その結果、半導体基板３０３と空気の間の界面に偏向器が形成される。この偏向器は、半導体基板３０３とゲート絶縁体３３９の間の界面に形成される偏向器と対向している。したがって光ビーム３１１は、光ビーム３１１が、偏向光ビーム３２７として半導体基板３０３の裏面３０２を介して最終的に放出されるまで、複数回にわたって偏向し、帯電領域３１３中に戻される。
【００３７】
一実施形態では、光ビーム３１１は、シリコンが部分的に赤外光を透過させるため、赤外光または近赤外光を含んでいる。一実施形態では、半導体基板３０３の裏面３０２の位置３２３を通って光ビーム３１１が入射し、偏向した光ビーム３２７が、半導体基板の裏面３０２の位置３２５から放出される。一実施形態では、位置３２３および３２５の表面に反射防止塗装が施され、反射による光ビーム３１１および反射光ビーム３２７の減衰を緩和している。図３の実施形態に示すように、位置３２３の表面は、光ビーム３１１の入射角θが小さくなるように、角度が付けられている。同様に、位置３２５の表面は、一実施形態では、偏向光ビーム３２７の入射角θが小さくなるように、角度が付けられている。一実施形態では、光ビーム３１１は、位置３２３に対してほぼ直角であり、また、偏向光ビーム３２７も、位置３２５に対してほぼ直角である。
【００３８】
一実施形態では、半導体基板３０３は、光ビーム３１１が通過する半導体基板３０３の量が少なくなるように、帯電領域３１５に近接する領域で厚さが薄くなっている。したがって、半導体基板３０３とゲート絶縁体３３９の間の界面と、半導体基板３０３と空気の間の界面との間の距離が短くなっている。その結果、光ビーム３１１が半導体基板３０３を通過することによって生じる光ビーム３１１の減衰量が少なくなっている。一実施形態では、半導体基板３０３の厚さは、知られているエッチング技法あるいはトレンチング技法または類似の技法を用いて、裏面３０２で薄くなっている。
【００３９】
一実施形態では、光ビーム３１１および／または偏向光ビーム３２７は、回折光学系（図示せず）または類似物を使用して半導体基板３０３へ導かれ、かつ、半導体基板３０３から放出されている。光ビーム３１１および／または偏向光ビーム３２７は、光ファイバ技法または類似の技法を使用して回折光学系へ導かれ、かつ、回折光学系から放出される。
【００４０】
図４は、本発明の教示による、光ビーム４１１を変調するためのＭＯＳ型構造の帯電領域および反射材を使用した光変調器を含むフリップ・チップ・パッケージ集積回路ダイ４０１の他の実施形態の横断面を示したものである。集積回路ダイ３０１と同様、図４の集積回路ダイ４０１は、フリップ・チップ構成であり、集積回路ダイ４０１の内部集積回路ノードとパッケージ基板４０９のピン４２１の間に、より直接的な接続を提供するために、ボール・ボンド４０７を介してパッケージ基板４０９に結合されている。一実施形態では、集積回路ダイ４０１の前面４０４に向かって、集積回路ダイ４０１の内部集積回路ノードが配置されている。他の実施形態では、集積回路ダイ４０１の取付けが、フリップ・チップ・パッケージ構成中への取付けに制限されないことを理解されたい。
【００４１】
集積回路ダイ３０１と同様、図４に示す集積回路ダイ４０１中の光変調器は、帯電領域４１５を含む半導体基板４０３の内部に配置された変調領域を含んでいる。一実施形態では、帯電領域４１５は、ＭＯＳＦＥＴコンデンサすなわちコンデンサ構造を使用して提供されている。図４は、半導体基板４０３中に配置された、ソース／ドレイン領域４３５および４３７を含んだＭＯＳＦＥＴコンデンサを示している。ソース／ドレイン領域４３５および４３７は、導体４４３を介して１つに短絡されている。一実施形態では、ソース／ドレイン領域４３５および４３７は、導体３４３を介して共通電位Ｖに共通に結合されている。一実施形態では、ソース／ドレイン領域４３５と４３７の間の絶縁体４０５中に、ポリシリコン・ゲート４４１が配置されている。図に示すように、半導体基板４０３とゲート４４１の間に、ゲート絶縁体４３９が配置されている。一実施形態では、ゲート４４１を電気的にアドレスし、かつ、スイッチすることができる。一実施形態では、ゲート４４１は、導体４１９を介して信号４２９を受け取るために結合されている。
【００４２】
集積回路ダイ４０１中の光変調器の動作は、集積回路ダイ３０１中の光変調器の動作と同様である。詳細には、ソース／ドレイン領域４３５および４３７が共通に結合され、かつ、共通電位Ｖに接続され、また、ゲート４４１が信号４２９に結合されているため、半導体基板４０３中のソース／ドレイン領域４３５と４３７の間に配置されている帯電領域４１５中に、高度に帯電した反転層が形成される。帯電領域４１５中のフリー・チャージ・キャリア分布が、信号４２９に応じて変調される。一実施形態では、信号４２９は、集積回路ダイ４０１の内部に含まれている集積回路の出力ノードによって生成される信号である。
【００４３】
図４に示すように、光ビーム４１１は、裏面４０２を介して半導体基板４０３中に導かれている。図に示すように、光ビーム４１１は、帯電領域４１５、ゲート絶縁体４３９、およびポリシリコン・ゲート４４１中に導かれ、導体４１９によって形成された偏向器で偏向する。一実施形態では、導体４１９は、例えば金属または類似物などの反射材で形成されている。偏向の結果、光ビーム４１１は、一実施形態では、光ビーム４１１が、半導体基板４０３の裏面４０２上に、導体４１９に対向して配置された偏向器４３３で偏向するまで、帯電領域４１５を介して偏向して戻される。一実施形態では、偏向器４３３は、例えば金属または類似物などの反射材で形成されている。図４の実施形態に示すように、光ビーム４１１は、光ビーム４１１が、偏向光ビーム４２７として半導体基板４０３の裏面４０２を介して最終的に放出されるまで、帯電領域４１３を介して複数回にわたって偏向する。
【００４４】
一実施形態では、光ビーム４１１は、シリコンが部分的に赤外光を透過させるため、赤外光または近赤外光を含んでいる。一実施形態では、半導体基板４０３の裏面４０２の位置４２３を通って光ビーム４１１が入射し、偏向した光ビーム４２７が、半導体基板の裏面４０２の位置４２５から放出される。一実施形態では、位置４２３および４２５の表面、および偏向器４３３の下側の表面に反射防止塗装が施され、反射による光ビーム４１１および反射光ビーム４２７の減衰を緩和している。図４の実施形態に示すように、位置４２３の表面は、光ビーム４１１の入射角θが小さくなるように、角度が付けられている。同様に、位置４２５の表面は、一実施形態では、偏向光ビーム４２７の入射角θが小さくなるように、角度が付けられている。一実施形態では、光ビーム４１１は、位置４２３に対してほぼ直角であり、また、偏向光ビーム４２７も、位置４２５に対してほぼ直角である。
【００４５】
一実施形態では、半導体基板４０３は、光ビーム４１１が通過する半導体基板４０３の量が少なくなるように、帯電領域４１５に近接する領域で厚さが薄くなっている。したがって導体４１９と共に形成された偏向器と偏向器４３３の間の距離が短くなっている。その結果、光ビーム４１１が半導体基板４０３を通過することによって生じる光ビーム４１１の減衰量が少なくなっている。一実施形態では、半導体基板４０３の厚さは、知られているエッチング技法あるいはトレンチング技法または類似の技法を用いて、裏面４０２で薄くなっている。
【００４６】
一実施形態では、光ビーム４１１および／または偏向光ビーム４２７は、回折光学系（図示せず）または類似物を使用して半導体基板４０３へ導かれ、かつ、半導体基板４０３から放出されている。光ビーム４１１および／または偏向光ビーム４２７は、光ファイバ技法または類似の技法を使用して回折光学系へ導かれ、かつ、回折光学系から放出される。
【００４７】
図４に示す実施形態の場合、光ビーム４１１の入射角θが比較的小さいため、半導体基板４０３とゲート絶縁体４３９の間の界面での内部全反射は生じない。
【００４８】
以上の詳細説明においては、特定の例示的実施形態に照らして、本発明の方法および装置を説明したが、本発明の広義の精神および範囲を逸脱することなく、様々な改変および変更を加えることができることは明らかであろう。したがって本明細書および図は、本発明を制限するものではなく、単なる説明目的のものとして解釈されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の教示による、ｐ−ｎ接合帯電領域を使用した光変調器を含むフリップ・チップ・パッケージ集積回路ダイの一実施形態の横断面、および光ビームを変調するための内部全反射を示す図である。
【図２】  本発明の教示による、光ビームを変調するためのｐ−ｎ接合帯電領域および反射材を使用した光変調器を含むフリップ・チップ・パッケージ集積回路ダイの他の実施形態の横断面を示す図である。
【図３】  本発明の教示による、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）型構造の帯電領域を使用した光変調器を含むフリップ・チップ・パッケージ集積回路ダイのさらに他の実施形態の横断面、および光ビームを変調するための内部全反射を示す図である。
【図４】  本発明の教示による、光ビームを変調するためのＭＯＳ型構造の帯電領域および反射材を使用した光変調器を含むフリップ・チップ・パッケージ集積回路ダイの他の実施形態の横断面を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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