(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板面に対して入射する光を受光する少なくとも１つの面型受光素子において、
該面型受光素子の形成のための成長基板となる第１の基板が除去あるいは薄膜化されており、
該面型受光素子は、受光を行うために必要な機能層および該機能層の少なくとも一方の表面に形成された電極から成り、該第１の基板とは異なる第２の基板に、前記電極を内側にして、且つ該電極と該第２の基板とが電気的に導通しないように誘電体ＤＢＲ層を介在させて接着されており、
かつ該面型受光素子を駆動するための電気配線パターンが該第２の基板上に形成されて、前記電極の主面と前記第２の基板上に形成される前記電気配線パターンとが、前記誘電体ＤＢＲ層で形成される段差部上に形成された電気配線を介して、電気的に接続されていることを特徴とする面型受光素子。
【請求項２】
第１の基板上に、受光を行うために必要な機能層と電極と誘電体ＤＢＲとをこの順に含む面型受光素子を形成する工程と、
該面型受光素子を駆動するための電気配線パターンが形成される第２の基板に、該面型受光素子の誘電体ＤＢＲを接着する工程と、
前記第１の基板を除去あるいは薄膜化する工程と、
前記電極の主面と前記誘電体ＤＢＲの主面を露出させる工程と、
前記誘電体ＤＢＲで形成される段差部に電気配線を形成して、前記露出した電極の主面と前記第２の基板に形成される電気配線パターンを電気的に接続する工程と、
を含むことを特徴とする面型受光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作製が容易で歩留まりが高く２次元アレイ化に適した面型受光素子、その製造方法、該面型受光素子をSi集積回路などと集積化した光電子融合デバイス、それを用いた光配線装置などに関する。
【０００２】
【従来技術】
現在、大容量並列光情報処理、高速光接続などへの応用のため、高速の２次元アレイ型の面型受光素子とSi-IC（Integrated  Circuit）を集積化させた光電子集積デバイスの開発が望まれている。
【０００３】
面型の受光素子としては、GaAsやSiなどの半導体基板上にp型層、アンドープの光吸収層、n型層を積層して形成したpinホトダイオードや、半絶縁性の基板上にアンドープの光吸収層を成膜しで櫛形のショットキー電極をその表面に形成したMSM(Metal-Semiconductor-Metal)ホトダイオードがある。
【０００４】
Si-ICと集積化する場合には、これらの受光素子を作製した成長基板を除去して光機能層だけを薄膜化して、Si-ICを形成した基板などに転写する方法が考案されている。このように薄膜化した受光素子を他の基板に貼り合わせる方法は、それぞれの素子を最適設計して最適のプロセス方法で作製し、良品のみを組み合わせて集積化させるので、製品歩留まりの向上が可能で、また、貼り合わせ後の表面プロセスが可能であるなどのメリットがある。
【０００５】
そのような集積化の例としては、特開平9-223848号公報で開示されているように、電子集積回路基板２００にポリイミド等の絶縁膜３００を介して薄膜のpinホトダイオードを貼り合わせ、配線パターンを形成したものがある。その断面図を図１２に示す。集積回路基板２００上に、p-GaAs層１１３０、i-GaAs光吸収層１１０７、n-GaAs層１１３１から成るホトダイオードが絶縁膜１１３２を介してポリイミド膜３００で接着されている。ホトダイオードのp側電極は１１１３で、n側電極は４００であり、配線パターン２００Ａを形成してアレイ用電極としている。１１００Ｇはホトダイオードの光入射窓である。１０００は発光素子であるため説明を省く。
【０００６】
このような構造は、例えば、GaAs基板上に上記pin構造をエピタキシャル成長して表面電極を形成した後、これをワックスでガラス基板等に表面を貼り付け、該GaAs基板をウエットエッチングで除去して集積回路基板に接着し、該ガラス基板を取り外したのちに表面プロセスで配線パターンを形成するというプロセスで形成できる。
【０００７】
また、特開平06-151946号公報で開示されているようなものもある。すなわち、GaAs基板上に高速なエッチングレートを有するリフトオフ用のAlAsエッチング層およびアンドープのGaAs光吸収層を形成した表面に、図１３(a)のような櫛形部分５００ａを有する電極５００を形成してMSMホトダイオードとし、図１３(b)のように他の基板S１上に予め形成されている電極パッド５０１’と該素子側の電極パッド５０１をアライメントして貼り合わせる方法もある。この場合、ふっ酸でAlAs層のみエッチングしてGaAs基板と光機能層Ｆを剥離して光機能層Ｆのみが基板S１に転写されることになり、表面には反射防止膜Ａが形成される。
【０００８】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、上記の特開平9-223848号公報の例では、ポリイミド膜３００が光素子とSi基板２００との間にあり、電極配線パターンを形成する際に段差があるために、ステップカバレッジの良いCVDなどによる電極形成が必要になる。また、光素子の機能層のみをSi基板２００に転写してからさらに光素子の作製工程を行うことなどから、ＩCへのダメージを考えると、プロセスの自由度、すなわち温度やプラズマ処理などについて制約が生じるので、光素子の形態にも制限がある。
【０００９】
一方、特開平6-151946号公報の例では、予め形成した配線パターン上の電極同志５０１、５０１’を直接接着するので、段差をカバーするような電極形成は必要ないが、電極アライメントが必要になるので、その精度が要求されることでコスト高になるという問題がある。
【００１０】
このような課題に鑑み、本発明の目的は、面型受光素子を電子素子と集積化させる場合に面型受光素子の特性が劣化されずにかつ実装時のアライメントに高精度が要求されず、生産性の高い構造を持つ面型受光素子、その製造方法、それを用いた装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の面型受光素子は、基板面に対して入射する光（典型的には、基板面に垂直に入射する光）を受光する少なくとも１つの面型受光素子であって、
該面型受光素子の形成のための成長基板となる第１の基板が除去あるいは薄膜化されており、
該面型受光素子は、受光を行うために必要な機能層および該機能層の少なくとも一方の表面に形成された電極から成り、該第１の基板とは異なる第２の基板に、前記電極を内側にして、且つ該電極と該第２の基板とが電気的に導通しないように誘電体ＤＢＲ層を介在させて接着されており、
かつ該面型受光素子を駆動するための電気配線パターンが該第２の基板上に形成されて、前記電極の主面と前記第２の基板上に形成される前記電気配線パターンとが、前記誘電体ＤＢＲ層で形成される段差部上に形成された電気配線を介して、電気的に接続されていることを特徴とする。
この様な構成によれば、典型的には、受光素子を構成する機能層を転写する前の半導体基板を保持基板として、電極形成などのプロセスを行った後に他の基板に貼り合わせ、該半導体基板を除去或いは薄膜化したのちにフォトリソグラフィなどの表面プロセスで配線パターンを形成する。よって、面型受光素子の劣化はなく生産性の高い光電子集積素子を提供できる。すなわち、受光素子を他の基板に貼り合わせて集積化する際に下基板の電極とのアライメントの精度は要求されず、更に貼り合わせて集積化した後の複雑な工程のない光機能層転写型の光電子融合素子を実現できる。
【００１２】
その構成の具体例を簡単に図１をもとに説明する。図１(a)のように先にMSMホトダイオードの電極等を形成しておき、他の基板として例えばAlNセラミック基板２を用い、受光素子の機能層７は、電極が形成された面を下側にして熱硬化性樹脂などで接着される(図１(d))。電極からの配線パターンは図２のように基板除去後にパターニングにより作製するが、１μm程度の厚さのミラー層１０による段差をカバーする程度でよいので、真空蒸着法でも簡単に配線パターンを形成できる。Si-ICは、上記のような光素子の転写プロセス後にベアチップの状態で同一AlN基板上にフリップチップ実装して、光電子融合MCM(Mu1ti-Chip-Modu1e)とすることができる、もちろん、Si-ICを作製したSi基板に光素子を転写してもよいが、Si-ICと光素子を個々に作製して最後に同一基板上にハイブリッド実装する手法が、プロセスの最適化、歩留まり、クロストークの観点などから優れていると考えられる。このような受光素子を具備したMCMを提供することで、ボード間などを配線するときに光伝送で行うことができる光インターコネクション装置が低コストで作製できたり、ICを３次元スタック化した高密度MCMが提供できる。詳細は後述の実施例の説明で明らかになる。
【００１３】
上記の基本構成に基づいて、以下の如き形態が可能である。
複数の前記面型受光素子が、前記第２の基板に電気的接触が得られないように接着され、かつ該第２の基板上に該面型受光素子を独立に駆動、制御するための電気配線パターンが形成され得る。
【００１４】
前記機能層の少なくとも一方の表面に形成された前記電極は第２の基板との接着面側にあり、該機能層の一部を除去して露出させた該電極の一部に電気的接触が得られるように該第２の基板に前記電気配線パターンが形成され得る。これにより、作製歩留まりが向上する。
【００１５】
前記機能層の少なくとも一方の表面に形成された前記電極は機能層転写後の最表面にあり、該電極の一部に電気的接触が得られるように前記第２の基板に電気配線パターンが形成され得る。接着後に第２の基板上に電気配線を形成する際に、機能層の最表面に形成した電極の一部に電気的接触が得られるようにすることで作製歩留まりが向上する。
【００１６】
前記第２の基板は絶縁体基板であり得る。これにより、２次元アレイ化したときの配線パターンの形成プロセスが簡易化される。すなわち、上記面型発光素子を複数アレイ化して集積化させる場合に素子間の絶縁が取れ、面型受光素子の特性を劣化させずに生産性の高い構造を提供できる。
【００１７】
前記第２の基板と機能層の間に絶縁層がある様にもできる。第２の基板の表面に絶縁膜を形成することでも２次元アレイ化したときの配線パターンの形成プロセスが簡易化される。
【００１８】
前記第２の基板は受光する光の波長に対して透明であり得る。面型受光素子を電子素子と集積化させた基板の裏から光入射を行なって、３次元スタック化した高集積光電子回路を容易に実現できる。すなわち、第２の基板を透明基板とすることで第２の基板の裏面から光入射できて、３次元スタック化が容易になる。
【００１９】
面型受光素子を、前記機能層の一方の表面にのみ２極の櫛形電極が交互に並ぶように形成されたMSM(Metal-Semiconductor-Metal)ホトダイオードとして、該電極のない方の面から光入射を行って受光する様にできる。これにより、高速、高効率なMSMホトダイオードと電子素子を集積化させた面型受光素子を実現できる。また、受光器をMSMホトダイオードとして、電極の形成されていない面から光を入射することで、受光効率が上昇する。
【００２０】
また、面型受光素子を、前記機能層の一方の表面にのみ２極の櫛形電極が交互に並ぶように形成されたpinホトダイオードとして、該電極のない方の面から光入射を行って受光する様にもできる。これにより、高速、高効率なpinホトダイオードと電子素子を集積化させた面型受光素子を実現できる。また、受光器をプレーナ型のpinホトダイオードとして、電極の形成されていない面から光を入射することで、受光効率が上昇する。
【００２１】
また、面型受光素子を、前記機能層の両面にそれぞれ陽極、陰極が形成されたpinホトダイオードである様にもできる。受光器を積層型のpinホトダイオードとすることで、作製プロセスが簡易化される。
【００２２】
前記機能層には多層膜反射ミラーが含まれ得る。多層膜反射ミラーを設けることで、光吸収効率を高められ、受光効率が上昇する。
【００２３】
更に、上記目的を達成する本発明の光電子融合MCM(Multi-Chip-Module)は、上記の面型受光素子を含み、前記第２の基板に、面型光素子を駆動、制御するためのSi集積回路のベアチップがフリップチップ実装されて該面型受光素子と集積化されていることを特徴とする。これにより、Si-ICと面型光素子を小型集積化させて、光信号を電気信号に変換して信号の受信ができる生産性の高い光電子融合MCMを実現できる。
【００２４】
また、上記目的を達成する本発明の光電子融合MCM(Multi-Chip-Module)は、
上記の面型受光素子を含み、前記第２の基板はSiであり、面型光素子を駆動、制御するためのSi集積回路が該第２の基板に作製されていて該面型受光素子と集積化されていることを特徴とする。面型受光素子を駆動、制御するためのSi集積回路を第２の基板上に作製しておくことで生産性が高くできる。
【００２５】
更に、上記目的を達成する本発明の光配線装置は、上記の光電子融合MCMの面型受光素子の面に対してほぼ垂直に光ファイバなどの光導波媒体を樹脂接着剤などで固定して、該光導波媒体を介して光受信ができるようにしたことを特徴とする。これにより、低コストの光配線装置を提供でき、上記の面型光素子と電子素子を集積化させたMCMを用いて光配線装置を実現できる。
【００２６】
更に、上記目的を達成する本発明の多層光電子融合MCMは、上記の光電子融合MCMを含み、該光電子融合MCMの少なくとも一方の面に平坦化した層間絶縁層を挟み、更にその面に発光素子を含む光電子融合MCMを構成するようにして、複数の光電子融合MCMが積層され、少なくとも２層間の信号の授受を光を用いて行うことが可能である様に構成されたことを特徴とする。これにより、高速処理が可能な高機能な多層光電子融合MCMが提供できる。
【００２７】
更に、上記目的を達成する本発明の多層光電子融合MCMは、上記の光電子融合MCMを含み、該光電子融合MCMの第２の基板として絶縁薄膜を用い、発光素子を含む光電子融合MCMを含んで複数の光電子融合MCMが積層され、少なくとも２層間の信号の授受を光を用いて行うことが可能である様に構成されたことを特徴とする。これによっても、高速処理が可能で高機能な多層光電子MCMが提供できる。
【００２８】
更に、上記目的を達成する本発明の面型受光素子の製造方法は、
第１の基板上に、受光を行うために必要な機能層と電極と誘電体ＤＢＲとをこの順に含む面型受光素子を形成する工程と、
該面型受光素子を駆動するための電気配線パターンが形成される第２の基板に、該面型受光素子の誘電体ＤＢＲを接着する工程と、
前記第１の基板を除去あるいは薄膜化する工程と、
前記電極の主面と前記誘電体ＤＢＲの主面を露出させる工程と、
前記誘電体ＤＢＲで形成される段差部に電気配線を形成して、前記露出した電極の主面と前記第２の基板に形成される電気配線パターンを電気的に接続する工程と、
を含むことを特徴とする。
これにより、上記の様な面型光素子と電子素子を集積化させるための生産性が高く歩留まりの高いプロセスを提供できる。
【００２９】
また、上記目的を達成する本発明の面型受光素子の製造方法は、前記第１の基板上に機能層を成膜する工程と、該機能層表面に面型受光素子の電極を加工する工程と、第３の基板にエピタキシャル層表面を接着する工程と、該第１の基板を除去あるいは薄膜化して機能層のみを残す工程と、該機能層を第２の基板に接着する工程と、該第３の基板を除去して該第２の基板に機能層を転写する工程と、機能層表面あるいは接着面側の電極と該第２の基板との間に電気配線パターンを形成する工程とを含むことを特徴とする。これによっても、上記の様な面型光素子と電子素子を集積化させるための生産性が高く歩留まりの高いプロセスを提供できる。
【００３０】
これらの面型受光素子の製造方法において、前記面型受光素子の素子間の機能層を除去して素子分離を行なう工程を更に含んだり、前記第１の基板上に面型受光素子の機能層を成膜する工程において、該第１の基板と該機能層の間に該基板を選択エッチングするためのエッチングストップ層も成膜する工程を含み、該第１の基板を除去する工程において該基板のエッチングを該エッチングストップ層で停止したりする様にできる。
【００３１】
また、前記第１の基板上に面型受光素子の機能層を成膜する工程において、該第１の基板表面をポーラス化した後にアニールして表面のみをポーラス状の孔を塞ぐ工程と、その表面にエピタキシャル成長する工程を含み、前記第２或いは第３の基板に接着後に機械的衝撃によって、該第１の基板のポーラス化した層を境に該第１の基板を剥がすとともに、残ったポーラス状の層をエッチングすることで該機能層のみを転写することもできる。
【００３２】
更に、上記目的を達成する本発明の光電子融合MCMの製造方法は、前記第２の基板上の複数の個所に面型受光素子を接着し、第１の基板を除去あるいは薄膜化して機能層を該第２の基板に転写する工程、該転写後に各面型受光素子に対する電極配線を一括して行う工程などを含み、最後に該第２の基板をダイシングすることで該光電子融合MCMを一回の工程で複数作製することを特徴とする。これにより、上記の様な面型光素子と電子素子を集積化させるときに大面積基板に一括して複数のMCMを作製して、生産性を向上できる。
【００３３】
この光電子融合MCMの製造方法において、前記第２の基板上の複数の個所にアレイ状に逐次複数の面型受光素子を接着したり、共通の前記第１の基板上の複数の個所に面型受光素子を形成しておいて、前記第２の基板上の対応する複数の個所に該面型受光素子を一括して接着し、該第１の基板を除去あるいは薄膜化したりする様にできる。
【００３４】
また、前記第２の基板上の対応する複数の個所に、Si集積回路を逐次アレイ状にフリップチップ実装する工程を更に含み得る。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
【００３７】
［実施例1]
本発明による第1の実施例は、面型受光素子としてGaAsを光吸収層としたMSM(Metal-Semiconductor-Metal)型ホトダイオード１を用い、その吸収層およびミラー層を含む機能層のみを熱伝導性の良いセラミック基板(AlNなど)に転写したものである。その断面図と斜視図を図１に示す。
【００３８】
まず、図１(a)、(b)は、セラミック基板２への転写前のGaAs基板１７上に形成されたMSMホトダイオードの構造を示している。この構造において、７はGaAs吸収層とミラー層を含む機能層で、４は図１(b)のような櫛型電極8を組み合わせて形成した受光領域で、５は共通電極となる側の電気配線で、３はもう一方の電極となる電極パッドになっており、図１では２×４の２次元アレイ構造になっている。もちろんこのアレイ数には制限はなく、また１次元的に１列に並べてもよい。
【００３９】
このような通常のMSMホトダイオード１の表面側を下側に反転させてAlN基板２に接着し、GaAs基板１７を除去して、図１(c)のようにホトダイオードの機能層７のみを他の基板２に転写した構造になっている。このとき、基板２側にはホトダイオードと電気的接触を得るための配線を形成しておらず、MSMホトダイオード１の表面側の接着のときにはおおよその位置合わせをするだけで十分である。電気配線を行うには、機能層7を転写後に図１(a)に破線６で示した領域だけ残すように、周辺部をエッチングしてMSMホトダイオード１の表面に形成してあった電極配線５および電極パッド３の一部を露出させる。そして、GaAs基板１７除去後に表面プロセスで配線パターンを形成して、他のデバイスや電源と配線できるようにする。尚、１０は後に説明する光吸収効率を上昇させるための誘電体多層膜ミラーであり、これはエッチングされずに残されている。また、１２も後に説明する素子間のクロストークを低減するための分離溝である。
【００４０】
転写後の断面図が図１(d)である（図１（ｃ）の一点鎖線に沿った断面）。AlN基板２上に、熱硬化性樹脂接着剤１３により、Al2O3/AlNまたはSiO2/MgOの多層膜からなるDBRミラー１０、櫛型電極８、電気配線や電極パッドを絶縁するための絶縁膜１６、光吸収層となるi-GaAs層１５、AlAs/AlGaAs多層膜から成るDBRミラー１４で構成されるMSMホトダイオード１の機能層７が接着されている。素子分離溝１２はポリイミドで平坦化している。このような構造では、ショットキー接触のための櫛型電極８が、図１(d)に示すように光入射するときに影にならないので光吸収効率が上昇する。また、DBRミラー１０、１４で共振器を形成しているので、光閉じ込め効率が向上して、やはり光吸収効率が向上する。
【００４１】
一方、機能層７転写後の電気配線の例を図２に示す。機能層転写後に、MSMホトダイオード１の電極パッド３や電気配線５と導通が取れるように、配線パターン２１をホトリソグラフィを用いて形成する。その際、同時に形成した電極パッドにSi-ICベアチップ２０を同一AlN基板２上にフリップチップ実装させて、光電子集積回路ボードを形成する。この場合、Si-IC２０としては、受光器１からの信号を増幅するトランスインピーダンスアンプや比較器、さらにその後段に接続されるロジックICなどが実装される。これにより、配線容量が軽減されて高速駆動が可能になると共に、小型の受信モジュール（光通信の受信側の場合）、光接続可能なロジック回路等が構成できる。この様にして光素子１とSi-IC２０が同一基板２上に形成された光電子MCMを実現できる。
【００４２】
本実施例では、Si-IC２０をフリップチップ実装でハイブリッド化する構造について述べたが、Si-ICを作製した基板を基板２として、ICの形成されていない領域に受光器の転写を行ってもよい。この場合、図２の符号２０の部分がICの作製された領域に相当する。
【００４３】
次に作製プロセスを図３をもとに説明する。
図３(a)において、GaAs基板３０上に、アンドープのAlAs/AlGaAsからなる多層膜DBRミラー１４、アンドープのGaAs吸収層（厚さ１μm）をエピタキシャル成長し、SiN絶縁膜16を形成してから窓開けをして、Ti/Auによりショットキー接合となる櫛型電極8を形成して、さらにAlN/Al2O3またはSi02/MgOから成る誘電体多層膜ミラー１０を全面にスパッタ等で成膜する。
【００４４】
図３(b)において、接着剤１３によってAlN基板２に誘電体ミラー１０側を貼り付ける。このとき接着剤としては、熱硬化性樹脂のものを用いたが、UV硬化樹脂でもよい。また、絶縁性、導電性のいずれの接着剤でもよい。さらには、接着剤以外にも、両接着面に金属膜を成膜しておいてハンダバンプによって接着したり、金属同士の圧着を行ったりしても良い。加熱圧着することによる固相接合も可能である。基板２についても、AlN基板以外に、Si基板やガラス基板、ガラスエポキシのプリント回路基板等でもよい。
【００４５】
図３(c)において、NH3+H202混合液でGaAs基板３０をエッチングして除去する。このとき、DBRミラー１４の第１層のAlAsは上記エッチャントには溶解しないため、完全な選択エッチングが可能である。ただし、このAlAs層は酸化により経時変化があるので、さらにHClによってAlAsを1層だけエッチングしてAlGaAs層を最表面にすることが望ましい。また、基板３０の除去をエッチングにより行なっているが、研磨との併用、あるいは研磨のみで基板３０を薄膜化してもよい。次に、電極８を露出させるために、転写した機能層の周辺部だけ硫酸＋過酸化水素系でエッチングし、絶縁膜１６も引き続きフッ酸系のエッチャントで除去する。このとき、素子分離溝１２も同時に形成しておく。
【００４６】
図３(d)において、MSMホトダイオードの電極８と接触が取れるようなTi/Pt/Auから成る電気配線２１をホトリソグラフィを用いたリフトオフ法により形成する。配線パターンは、蒸着法により形成するか、めっき、CVD法を用いて形成することができる。
【００４７】
ここで作製した機能層を転写した形のMSMホトダイオード１では、受光領域を２０μm□、素子間隔を２５０μmとしたが、これに限るものではない。
【００４８】
GaAsを吸収層１５とする本実施例では、可視光から９００nm程度の波長範囲で高効率で高速(１０GHz程度まで)の光受信器を提供できる。また、光吸収層１５の上下にミラー１０、１４を設けて受光効率を上げているが、必ずしも必要はない。その場合、入射面にはAR(antireflection)コーティングを施すことが望ましい。
【００４９】
[実施例２]
本発明による第２の実施例は、転写する側の実装基板としてガラス基板や樹脂基板のような光透過体を用いるもので、光入射を図４(d)のように基板４３の裏面から行うものである。この場合はショットキー電極８が表面側にあり、MSMホトダイオードを形成したGaAs基板１７を先に除去してから、その除去した面を透明基板４３に貼り合わせることになる。
【００５０】
その工程を図４をもとに簡単に説明する。図４(a)では第１の実施例と同様にMSMホトダイオードを作製し、図４(b)において石英基板４０に接着剤４１を用いてその表面側を貼り付ける。図４(c)において、やはり第１の実施例と同様に、GaAs基板１７をエッチング等により除去して電極分離溝１２も形成する。図４(d)において、光透過性の接着剤４４で基板４３に貼り合わせ、石英基板４０を接着剤４１を溶かすことで除去し、表面プロセスによって電気配線２１を第１の実施例と同様に作製する。このとき、機能層と電気配線２１が接触しないように、絶縁体４２を機能層の周囲に形成しておく。
【００５１】
このような構造にした場合には、上記受光素子に対応した発光素子をこの基板４３の下に配置したスタック化で、光電子MCM同士の光インターコネクトが可能となる。
【００５２】
以上の実施例では、GaAs層を吸収層として用いていたが、１μm以上の長波長の光の受光のためにInGaAs層を吸収層として用いても同様の構造が実現できる。
【００５３】
[実施例３]
今までの実施例では、GaAs等の化合物半導体の例であったが、Si膜でも同様の構造が実現できる。配置、構造等は図１と全く同様に形成できるが、構成する材料やプロセスが若干異なる。この第３の実施例について簡単に説明する。
【００５４】
まず、櫛型電極の構成であるが、図１(b)のB-B'断面の構成を図５(a)'に示す。この基板は、機能層を後に除去し易いようにポーラス化したSi層５１を含むSi基板５０である。ポーラスSi層５１の上にはSiエピタキシャル層５２(厚さ１μm)が形成されている。このような基板を作製するには、まずSi基板表面をフッ酸系の液中で陽極酸化を行ってポーラス化し、水素中で高温アニールすることでその表面だけポーラス状の孔を塞いで、CVD法などでSiのエピタキシャル成長を行えばよい。
【００５５】
そのSiエピ層５２の表面を熱酸化してSi02層を得た後に、ショットキー接触を得る部分のみSi02層を除くことで窓開けを行ってPt電極を成膜し、さらにアニールして界面をシリサイド化してPt2Si層を得ている。その結果、図５(a)'に示す様に、Si02層５３とPt/Pt2Si層５４が交互に並んだような断面構造となる（Pt/Pt2Si層５４が若干Siエピ層５２側に入っているように描いてあるのは、シリサイド化がSiエピ層５２側で起こっているからである）。なお、熱酸化層を形成する前に素子分離溝５６をエッチングにより形成しておく。電極上には、第１の実施例と同様にSi02/MgO誘電体多層膜ミラー５５を形成している。
【００５６】
図５(b)において、誘電体ミラー５５の最表面をSi02にしておき、Si基板５７とSi-MSMホトダイオードの表面のSi02とを固相接合によって接着する。
【００５７】
次に、図５(c)において、MSMホトダイオードを作製したときのSi基板５０を、機械的衝撃によって、ポーラスSi層５１の機械強度が弱いことを利用して剥がし、ウエットエッチングによって残ったポーラスSi層５１を完全に除去する。あとは、第１の実施例と同様に電極配線を形成すれば、Si材料を主体とした低コストなホトダイオードが得られる。もちろん、基板５７としてはSi基板以外のものを用いてもよい。
【００５８】
応答波長域はGaAsとほぼ同じで、可視域から900nm程度で、応答速度はGaAsには劣って１GHz程度であるが、低コスト化、材料の安全性などの点では勝る面がある。
【００５９】
以上、Si吸収層５２を用いたMSMホトダイオードを説明したが、同様の構造でpin型のホトダイオードとすることもできる。図６は図５(a)'に相当する櫛形電極の断面図である。ショットキー電極を形成する代わりに、n型拡散層６０およびp型拡散層６１を熱酸化シリコン層５３の窓開けした領域から行って、オーミック電極５４を形成し、櫛形電極を用いたp（p型拡散層６１）-i（Siエピ層５２）-n（n型拡散層６０）接合を作ればよい。
【００６０】
[実施例４]
本発明による第４の実施例は、化合物半導体を用いたpinホトダイオードの機能層転写の構造を有する。層構成は第１の実施例と若干異なり、図７に示す様に、p-AlAs/AlGaAsの多層膜DBRミラー７４、i-GaAs吸収層７３、n-AlAs/AlGaAs多層膜DBRミラー７２としており、結晶成長によってp-i-n構造を形成するとともに、多層膜ミラー７２、７４は上下ともエピタキシャルミラーとなっている。
【００６１】
電極は上下に形成しており、p電極７７はエピタキシャル層７４の最表面に形成したTi/Pt/Auであり、こちら側を反転してAlN基板２の上に形成した電極パッド７６にAu/Snはんだ(不図示)で接着している。なお、コンタクト抵抗を下げるためにエピタキシャルミラー７４の最表面にはハイドープのGaAs層(不図示)が形成してある。このとき、p電極７７はアレイ化されたpinホトダイオードに対して共通のべタ電極となっており、基板２上の電極パッド７６とのアライメントには精度は要求されない。
【００６２】
n電極７０は、機能層を転写後にGaAs基板を除去して現れたエピタキシャルミラー７２表面の上に形成する。このとき、やはりコンタクト抵抗を下げるためにハイドープのGaAs層(不図示)とコンタクトを取るようになっている。また、光取り入れ窓７１が２００μmφで形成されている。
【００６３】
電気配線２１については、第２の実施例と同様に形成すればよい。このように機能層の両面に陽極、陰極が形成されたpinホトダイオードでは、第１の実施例のMSM型よりも応答スピードが遅くなるが、μmオーダーの精度が要求される櫛形電極の形成工程がないので低コスト化できる。
【００６４】
[実施例５]
今までの実施例では、１つのMCMのプロセスを中心に述べてきたが、生産性を上げるためにはウエハレベルで一括プロセスができることが望ましい。そのための概念図を図８に示す。本実施例では、基板コストの安いSi基板を用いている。Si基板８０上に、素子の実装される領域８１が特定のピッチでアレイ化されている。
【００６５】
まず、該Si基板８０上の面型受光素子が実装される領域８１にウエハ単位でマーカを形成し、必要なアレイ数の受光器８４をGaAs基板８３から切り出して、ダイボンダ装置により、逐次、これを該マーカに合わせて実装していく。このとき、ホトリソグラフィにより該マーカ領域を形成すればホトマスク精度でアレイ化でき、ダイボンダ装置の図形合わせにより精度良く実装できるので、その後の電極パターン形成工程も容易である。
【００６６】
次に、ウエハレベルで受光器８４のGaAs基板をエッチングにより除去する。このとき、エッチングしない領域や受光器８４の端部は損傷を受けないようにレジストで保護しておくとよい。再び、ホトリソグラフィ工程により、第１または第２の実施例のように電気配線の形成を行う。このとき、GaAs基板をエッチングしてSi基板表面に残っている受光器８４の機能層の厚さは３μm程度なので、ホトリソグラフィによる一括表面プロセスが可能となっている。
【００６７】
こうして形成された電極配線の必要なところにSi-IC８５を逐次実装していくことで、MCMの集合体基板が完成する。最後に、破線８２で示すようにSi基板８０をダイシングすることで、単体のMCMが得られる。
【００６８】
以上のような工程により、非常に低コストで光電子MCM基板を提供することができる。
【００６９】
第３の実施例の比較的安価なSi基板５７上のMSMの場合は、MSMホトダイオードを作製したSi基板５７と支持基板用のSi基板８０を同じ大きさにしておいて、各MSMホトダイオードをダイシングせずに一括してウエハ単位で各領域８１上に接着し、必要な機能層領域だけ残してエッチングを行うようにしてもよい。こうすれば、工程が簡略化されて、更なる低コスト化が図れる。この場合、MSMホトダイオードは、すべてのアレイを高密度に並べるのでなく、必要な領域、すなわち素子が実装される領域８１の部分に相当する位置にのみ作り込んでおけばよい。
【００７０】
本実施例で用いたSi基板８０は素子間の絶縁性を保つために半絶縁性の基板を用いたが、通常のSi基板を用いて絶縁が必要な領域(例えばSi-IC８５を実装する領域)の表面に絶縁膜を形成したものでもよい。また、第１の実施例で用いたようなAlNなどの絶縁性セラミック基板でもよい。
【００７１】
[実施例6]
本発明による第６の実施例は、面型光素子の機能層を転写したMCMを用いて光配線を行う装置に係わるものである。
【００７２】
図９において、９４は第１の実施例のように受光器アレイ９５とSi-IC９６が実装されたMCMであり、４本の光ファイバが束ねられたリボンファイバ９３の端面を固定する部材９１が、MCM９４にアライメントして受光器９５の入力端にUV硬化樹脂で直接接着されている。部材９１は複数の光ファイバを等間隔で固定するための穴９２を形成しており、ファイバを穴９２に固定した後に部材９１と光ファイバを同時に研磨して平坦面を出している。部材９１の材質としてはガラス、樹脂、Siなどが適している。また、光ファイバとしては、石英ファイバでもよいが、アライメント精度を必要としないプラスティックオプティカルファイバ(POF)が短距離伝送には適している。特に、全フッ素化したポリイミドをコアとするPOFでは、０．６μmから１．３μmの広い波長帯で使用できるので、ここではこれを使用した。
【００７３】
一方、９０は受光器の代わりに発光素子が同様に実装されたMCMであり、リボンファイバ９３の端面を固定する部材９１がやはり樹脂で直接接着されている。発光素子としては、面発光レーザが最も適しているが、端面発光レーザあるいは発光ダイオードなどでもよい。また、材料系も信号速度や波長帯によってGaAs系、Si系、InGaAs系のいずれかを選択することができる。
【００７４】
MCM９４、９０からマザーボードヘの接続は、コネクタピン９７を用いた脱着、はんだ付け、フリップチップ実装などで行うことができ、電子機器内のボード間の接続などとして用いることができる。従って、距離が短い場合には光ファイバのかわりに、樹脂で形成したアレイ光導波フィルムでもよい。
【００７５】
また、アライメントについてはMCM９４、９０側にアライメトマーク９８を基板に形成しておき、パッシブで光ファイバなどをアライメントすることで低コストな光実装が可能である。または、金属膜をMCM９４、９０とアレイ光ファイバ端面に形成しておいてハンダボールを介してセルフアライメントで接着する方法や、アライメントマークの位置にガイド部材を固定する方法などでもよい。
【００７６】
[実施例７]
本発明による第７の実施例は、光素子の機能層を転写したMCMを図１０のように３次元スタック化したものである。元基板として表面に絶縁層を持つSi基板１００を用い、１層目にSi-ICベアチップ１０６、面発光レーザ１０４を実装し、表面を平坦化するために全体を絶縁性の部材１０１でカバーしてから、配線のためのコンタクトホールを形成して埋め込み電極材１０３を形成して、該絶縁層１０１上に配線パターン１０２を形成する。２層目には、その面発光レーザ１０４からの出力を受光するための本発明の受光器１０５が実装されている。
【００７７】
ここで、受光器１０５は第１の実施例のようにGaAs基板を除去して３μm程度の機能層のみが実装されており、それに合わせて、Si-IC１０６もCMP（chemical  mechanical  polishing）によって３μm程度まで薄膜化した状態で実装されている。また、受光器１０５は、第２の実施例で示したような下からの光を受光できるタイプになっている。
【００７８】
この場合、Si-ICの表面を上側にしてSi基板を研磨により薄膜化してから研磨面をダイボンディングで基板１００側に実装し、コンタクトを埋め込み電極材１０３を通して上面の電極配線１０２で電気接続してもよい。一方、Si-ICを電極面を下にしてフリップチップ実装する場合には、Si-IC１０６および受光器１０５を実装した状態で一括してCMPを行ってもよい。
【００７９】
このようなスタック化は層間絶縁層１０７を形成してから行う。絶縁層１０７としてはポリイミド、PSGなどが通常使用されるが、素子との熱膨張係数を近くするためにアラミド樹脂を用いてもよい。スタック化により、多層配線の層間の信号接続を光を使って行うようになっている。もちろん、埋め込み電極１０３を用いて電気的層間接続を併用してもよく、高速伝送や層間の絶縁が要求される部分などに光接続を適用していけばよい。
【００８０】
図１０では面発光レーザの実装された層（この例では１層目）と受光器の実装された層（この例では２層目）を別の層としているが、同一層内に面発光レーザと面型受光素子が実装されていてもよい。このような３次元MCMを作製する方法として、各層を別々に形成して最後に重ね合わせることもできる。そのための作製方法を図１１をもとに簡単に説明する。
【００８１】
例えばAlNフィルム１１０(AlNを樹脂薄膜で一体化)上に面発光レーザ１１１、受光素子１１２、Si-IC１１３を実装して、絶縁膜１１４でカバーして平坦化し、表面にコンタクトホールを形成して配線パターンを作製する(配線に関しては図面上では省略)。配線パターンはAlNフィルム１１０上に予め形成しておくこともできる。すなわち、配線パターンをAlNフィルム１１０の下側の面上に予め形成しておいて、その下の素子用の配線として用いることもできる。また、各半導体素子はCMPなどで薄膜化するのは上記に説明したとおりである。
【００８２】
また、層間の接続(光、電気とも)が必要な部分には、エッチングあるいはレーザアブレイションなどで穴１１６を開け、電気接続が必要な部分には電極材を埋め込んでおく。絶縁フィルム１１０などに光の波長に対して透明な材料を使う場合には光接続のための穴を開けなくてもよい。さらに、すべて光接続で行う場合には穴を開ける必要はなく、作業の容易化によりコスト削減が可能となる。
【００８３】
ドーターボードなど１つの機能を持つモジュールを構成するためには、Ｌ、Ｃ、Ｒ受動素子の実装が不可欠であるが、多層配線板の中でこのような受動素子を実装する層も設けておくか、最上層でこれらを実装してもよい。あるいは、半導体素子を薄膜化したものと同程度(５μm)の薄膜受動素子１１５を同一層内に実装してもよい。
【００８４】
各層の実装ができた後に、元基板１００上にスタックして加熱、圧着することでAlNフィルム同志を接着させれば３次元MCMが作製できる。AlNフィルム以外にも、ポリイミド、アラミド樹脂などのフィルムでもよい。また、図２のように、各層ともSiなどの元基板に実装を行なってから、該基板を研磨により薄膜化してスタックさせてもよい。
【００８５】
このような層間の接続に光を用いた３次元MCMは、小型の高速電子機能素子として電子機器を構成するためのマザーボードやドーターボードそのものとして機能させるものを実現することができる。
【００８６】
また、光接続を用いることで、基板から放射される電磁波ノイズを低減できるので、ノイズ対策のコストを低減できる。特に、携帯電話、モバイル機器、ノートPC、デジカメ、カムコーダなどの小型携帯機器には有効である。
【００８７】
【発明の効果】
以上に説明した様に、本発明によって、面型受光素子を電子素子と集積化させる場合に、面型受光素子の特性を劣化させず、実装時のアライメントに高精度が要求されず、生産性が高められる。また、Si-ICと面型光素子を小型集積化させて、光信号を電気信号に変換して信号の受信ができるMCMを実現できる。また、面型光素子と電子素子を集積化させるための生産性の高いプロセスを提供できる。更に、上記の面型受光素子と電子素子を集積化させたMCMを用いて光配線装置を実現できたり、上記の面型光素子と電子素子を集積化させたMCMを複数積層して高機能MCMを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施例の受光素子アレイの斜視、断面等の様子を示す図である。
【図２】本発明による第１の実施例の光電子融合MCMを説明する斜視図である。
【図３】本発明による第１の実施例の受光素子の作製方法を説明する断面図である。
【図４】本発明による第２の実施例の受光素子の作製方法を説明する断面図である。
【図５】本発明による第３の実施例の受光素子の作製方法を説明する断面図である。
【図６】本発明による第３の実施例の変形例の受光素子の断面図である。
【図７】本発明による第４の実施例の受光素子の断面図である。
【図８】本発明による第５の実施例のウエハレベルでの光電子融合MCMの作製方法を説明する斜視図である。
【図９】本発明による第６の実施例の光電子融合MCMを用いた光配線装置を説明する斜視図である。
【図１０】本発明による第７の実施例の多層光電子融合MCMを説明する断面図である。
【図１１】本発明による多層光電子融合MCMの作製方法を説明する斜視図である。
【図１２】従来の機能層転写型の面発光レーザアレイの断面図である。
【図１３】機能層転写型受光素子の他の従来例を説明する図である。
【符号の説明】
１,８４…受光素子
２,４３,５７,８０,１００…MCM用基板
３,５,８,５４,７０,７７,５００,５００ａ,５０１…受光素子電極
４…受光領域
６…機能層転写領域
７…機能層
１０,１４,５５,７２,７４…反射ミラー
１２,５６…素子分離溝
１３,４１,４４,３００…接着層
１５,５２,７３,１１０７,Ｆ…光吸収層
１６,４２,５３,１１３２…絶縁層
１７,３０,５０…受光素子を作製する基板
２０,１０６…ICベアチツプ
２１,７６,４００,１１１３…電気配線（電極配線）
４０,２００,Ｓ１…基板
５１…ポーラス化した層
６０,６１…不純物拡散層
７１,１１００Ｇ…光取り入れ窓
８１…実装領域
８２…ダイシングライン
８３…受光素子ウエハ
８５…ICチップ
９０,９４…光電子融合MCM
９１…固定部材
９２…光導波媒体端（穴）
９３…光導波媒体
９７…接続用端子
９８…アライメントマーク
１０３…埋め込み電極
１０４,１１１,１０００…面発光レーザ
１０５,１１２…受光素子
１０７,１１０…層間絶縁層
１１５…受動素子
１１３０,１１３１…コンタクト層
Ａ…無反射コーティング
【図１】
0004438038.tif 000002
【図２】
0004438038.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004438038.tif 000005
【図５】
0004438038.tif 000006
【図６】
0004438038.tif 000007
【図７】
0004438038.tif 000008
【図８】
0004438038.tif 000009
【図９】
0004438038.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0004438038.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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