(57)【要約】本発明は、光を放出する送信部材（３，３ａ）と、この光を電気量に変換する受信部材（４，４ａ）とを備える、光学的な送信・受信装置（１，１ａ）を製造する方法に関する。送信部材と受信部材はシリコン基板に組み込まれる。この光学的な送信・受信装置（１）は、光送信部材（３）と光受信部材（４）のための相上下して位置する層列を備えた共通の基板にモノリシックに組み込まれる。電気絶縁をする中間層（９，９ａ）が、送信部材と受信部材の間に組み込まれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放出する送信部材（３，３ａ）と、この光を電気量に変換する受信部材（４，４ａ）とを備え、送信部材と受信部材がシリコン基板に組み込まれる、光学的な送信・受信装置（１，１ａ）を製造する方法において、光学的な送信・受信装置（１）を、光送信部材（３）と光受信部材（４）のための相上下して位置する層列を備えた共通の基板にモノリシックに組み込み、送信部材と受信部材の間に電気絶縁をする中間層（９，９ａ）を組み込む方法。
【請求項２】
第１のドーピングタイプの高度にドーピングされたシリコン基板（２）の上に第２のドーピングタイプのエピタキシャル層（５）を装着し、それによって光送信部材（３，３ａ）を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
光送信部材（３）のエピタキシャル層（５）の上に受信部材（４）を形成する層列を装着し、光送信部材の層と受信部材の層の間に誘電的な中間層（９，９ａ）を組み込む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
受信部材（４）を形成するために送信部材（３）のエピタキシャル層（５）の上にイントリンシック層（６）をエピタキシャルに装着し、このイントリンシック層の中に、側方で相互間隔をおいている異なるドーピングタイプのゾーン（７，８）を拡散する、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
受信部材（４）の層のそれぞれ側方に、送信部材（３）の同じドーピングタイプのエピタキシャル層（５）まで延びる第２のドーピングタイプの層（９ａ）を拡散する、請求項２から４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
酸素注入（ＳＩＭＯＸ法）によって、誘電的な中間層（９）を形成する第１の酸化物層を形成し、次いで、表面まで達していて受信部材（４）を画定する第２の酸化物層（９ａ）をトレンチエッチングとトレンチ閉止によって形成する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
多数の送信・受信システム（１）を相並んでウェーハの上に製作する、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
有利には受信部材（４）を画定する酸化物層（９，９ａ）の組込と同時に、隣接する送信・受信システムをシステム分離するために、特にトレンチエッチングとトレンチ閉止によって、チップ上面から送信部材（３）の遮蔽層（１７）を越えて延びる酸化物層（１６、１６ａ）を形成する、請求項５から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
光送信部材（３）の層列と光受信部材（４）の層列の間に、場合により外部からアクセス可能な少なくとも１つのキャビティ（１９）を特にアンダエッチングによって刻設する、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１の上位概念に基づく方法において、光送信部材（３ａ）と光受信部材（４ａ）をそれぞれシリコン基板に組み込み、こうして形成された両方の送信チップおよび受信チップの少なくとも１つを、光を出す側と光を受ける側とで加工し、この加工の際に少なくともこれらの側の一方にキャビティ（１９）を刻設し、次いでこれらのチップを、光を出す側と光を受ける側が互いに向き合うように結合する方法。
【請求項１１】
送信チップと受信チップをボンディングによってサンドイッチ状に相上下して位置するように相互に結合する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
第１のドーピングタイプの高度にドーピングされたシリコン基板（２）の上に送信チップを形成するため、第２のドーピングタイプのエピタキシャル層（５）を装着する、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
第１のウェーハの上に多数の送信チップをつくり、第２のウェーハの上に多数の受信チップをつくり、次いで両方のウェーハを各々のチップととともにウェーハボンディングによって互いに合同に結合する、請求項１０から１２までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
有利には外部からアクセス可能な１つまたは複数のキャビティ（１９）を、受信チップの方を向いている側で、送信チップに光伝送領域で組み込む、請求項１０から１３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
１つまたは複数のキャビティ（１９）を気体状または液体状の媒体で充填する、請求項９から１４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
送信チップと受信チップの互いに向き合っている側に少なくとも１つの絶縁層（９）および／またはたとえば窒化シリコンからなる少なくとも１つの波長選択的なフィルタ層を組み込む、請求項１０から１５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
光受信部材（４，４ａ）および光送信部材（３，３ａ）のための接続接触部（１２，１３，１４，２０）を従来式の拡散技術と金属被覆によって製作する、請求項１から１６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
有利には接続接触部を金属被覆するときに、受信部材（４）の裏面を覆う金属層をリフレクタ（１５）として装着する、請求項１から１７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
光受信部材（４）を、統合された遮断器と接続させる、請求項１から１８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
光を放出する送信部材（３，３ａ）とこの光を電気量に変換する受信部材（４，４ａ）とを備え、送信部材と受信部材がシリコン基板に組み込まれる、請求項１から１８までのいずれか１項に記載の方法に基づいて製造される光学的な送信・受信装置において、送信部材と受信部材（３，４）が相上下して位置するように共通のシリコン基板に配置されており、送信部材と受信部材の間には誘電的な中間層（９，９ａ）が配置されている光学的な送信・受信装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の上位概念に基づく光学的な送信・受信装置において、光送信部材（３ａ）と光受信部材（４ａ）についてそれぞれシリコンチップが設けられており、これらのチップは一方の光を出す側と他方の光を受ける側で互いに向き合うように結合されており、送信部材と受信部材の間の光伝送経路には少なくとも１つのキャビティ（１９）および／または少なくとも１つの絶縁層（９）および／または少なくとも１つの波長選択性層が設けられている光学的な送信・受信装置。
【請求項２２】
光受信部材（４，４ａ）がｐｉｎダイオードである、請求項２０または２１に記載の光学的な送信・受信装置。
【請求項２３】
場合により受信側に設けられた遮断器を備えるオプトカプラーとして構成されている、請求項２０から２２までのいずれか１項に記載の光学的な送信・受信装置。
【請求項２４】
送信部材（３，３ａ）と受信部材（４，４ａ）の間に、有利には外部からアクセス可能な少なくとも１つのキャビティ（１９）を有しており、特に分光測定検査用の分析システムとして構成されている、請求項２０から２３までのいずれか１項に記載の光学的な送信・受信装置。
【請求項２５】
送信部材（３，３ａ）と受信部材（４，４ａ）の間に、外部からアクセス可能な少なくとも１つのキャビティ（１９）を有しており、特に火災報知器として構成されており、またはたとえば水質検査のような液体検査をするために構成されている、請求項２０から２３までのいずれか１項に記載の光学的な送信・受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光を放出する送信部材と、この光を電気量に変換する受信部材とを備え、送信部材と受信部材がシリコン基板に組み込まれる、光学的な送信・受信装置を製造する方法に関する。
さらに本発明は、本発明の方法に基づいて製造される送信部材および受信部材に関する。
【０００２】
このような送信・受信システムをオプトカプラーとしてフレームの上に並べて配置し、屈曲させることによってこられのシステムを相互に割り当てることがすでに公知であり、この場合、屈曲と正確な割当によって相応のコストが生じる。送信システムと受信システムの間には、その間にたとえばプラスチック、塗料等の光学的に透明な材料を設けることによって、電気的な分離が成立している。
Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ”Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｏｆ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅｓ”（半導体デバイスの物理）、第２版、６９９頁より、ガラス絶縁体の両側に、一方には光学的な送信部材としての発光ダイオード、他方には光受信機としてのシリコンフォトトランジスタを有しているオプトカプラーが公知である。
【０００３】
この場合にも製造にコストがかかり、この場合には光学的な結合の調節にも高いコストのかかる組立技術が必要であり、これが製造費をほぼ規定してしまう。
光学的な送信部材（発光ダイオード）は、特に高い効率を得るために、ひ化ガリウムまたはひ化りん化ガリウムまたはりん化ガリウムをベースとして構成されている。しかしこのような化合物半導体の欠点は、シリコンに比べて機械的な特性が劣ることと、シリコンシステムへの統合に問題があることである。
ＧａＡｓ，ＦａＡｓＰ，ＧａＰをベースとする光学システムを統合するために、シリコン基板に受容切欠きを設け、この切欠きに光学システムを挿入して、たとえばボンディングなどによってシリコンシステムと接続することがすでに提案されている。そして光学的な結合は、たとえば光学的なひ化ガリウムシステムからシリコンシステムに側方で照射することによって、成立させることができる。
この場合にも、コストのかかる組立技術が必要である。
【０００４】
”Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，３１（１９９２）Ｓ．２２９−２４０”（センサとアクチュエータ）より、光源がアバランシェシリコンダイオードであるオプトカプラーが公知である。
このオプトカプラーは、基板の上に並んで配置されたアバランシェダイオードを光源として有するとともに、フォトダイオードの形態で光検知器を有している。このような構成により、比較的広いチップ面積が必要とされる。しかも送信機と受信機は誘電的に互いに分離されていない。最後に、送信機と受信機の間でできるだけ損失の少ない光伝送を促進するための措置が必要であり、このことは製造コストを押し上げる。
【０００５】
本発明の課題は、低コストな製造が可能となり、チップ面積の需要が減り、数多くの利用可能性が開かれるように、冒頭に述べた種類の方法およびこれに基づいて製造される光学的な送信・受信装置を提供することである。
【０００６】
この課題を解決するために、光学的な送信・受信装置を、光送信部材と光受信部材のための相上下して位置する層列を備えた共通の基板にモノリシックに組み込み、送信部材と受信部材の間に電気絶縁をする中間層を組み込むことが提案される。
【０００７】
サンドイッチ状に相上下して配置された送信部材と受信部材により、一方では、チップ面積の所要スペースが大幅に少なくなり（ほぼ半減）、そのうえ両方の部材の間隔が可能な限り短くなるので、伝送損失が最低限に抑えられ、ないしは伝送効率がはるかに向上する。それによって送信部材の出力は非常に小さくてよく、このことが機能に不都合な影響を及ぼすことはない。特にシリコンベースで構成された送信部材の、ひ化ガリウムシステムに比べて少ない光強度は、確実な機能を得るのに少ない動作電流だけで十分である。
【０００８】
絶縁をする中間層によってシステムが電気的に分離されていることも好都合であり、このことは、たとえばオプトカプラーとして本装置を利用する場合に必要とされる。
【０００９】
本発明による光学的な送信・受信装置を製造するためのこの第１の提案では、送信部材と受信部材が共通の基板に組み込まれる。
【００１０】
別の独立した解決案によれば、光送信部材と光受信部材をそれぞれシリコン基板に組み込むことができ、このようにして形成された両方の送信チップおよび受信チップのうち少なくとも一方を、光を出す側ないし光を受ける側で加工し、この加工の際にこれらの側の少なくとも一方にキャビティを設け、次いでこれらのチップを、光を出す側と光を受ける側が相互に向き合うように結合する。
【００１１】
この方法は、送信部材と受信部材の間で、たとえば中間層の作成、キャビティの製作などの加工を行う場合に適用するのが好ましい。最初は２つのシステムが別個の基板上にあるので、後に互いに向き合って結合される側がこのような加工のときにアクセスしやすく、その結果、この製造方法は特殊な加工に簡素化と利点とをもたらす。
【００１２】
好ましくは、送信チップと受信チップをボンディングによって、サンドイッチ状に相上下して位置するように相互に結合することができる。チップのボンディングは、さまざまなバリエーションで利用できる広く普及した方法である。
【００１３】
本発明は、光を放出する送信部材と、この光を電気量に変換する受信部材とを備え、送信部材と受信部材がシリコン基板に組み込まれている、本発明の方法に基づいて製造される光学的な送信・受信装置も対象としている。
【００１４】
このとき本発明の第１実施形態は、送信部材と受信部材が相上下して位置するように共通のシリコン基板に配置されており、送信部材と受信部材の間には誘電的な中間層が配置されることを意図している。
【００１５】
本発明の第２実施形態は、光送信部材と光受信部材についてそれぞれシリコンチップが設けられており、これらのチップは、一方の光を出す側と他方の光を受ける側で互いに向き合うように結合されており、送信部材と受信部材の間の光伝送経路には少なくとも１つのキャビティおよび／または少なくとも１つの絶縁層および／または少なくとも１つの波長選択性層が設けられることを意図している。
【００１６】
いずれの実施形態にも共通しているのは、構造全体が少ないチップ面積しか必要とせず、非常に短い伝送経路が実現されることである。
【００１７】
第２実施形態は、有利には外部からアクセスできるキャビティまたは中間層の簡単な製作を可能にする。それによって非常にコンパクトな分析システムをつくることができる。この場合、キャビティ内にある液体や基体の検査が可能である。
【００１８】
本発明の追加的な実施形態は、その他の従属請求項に記載されている。次に、本発明の主要な具体的事項について図面を参照しながら詳しく説明する。各図面は若干模式化して示されている。
【００１９】
図１に示す光学的な送信・受信装置１は、基板２の上に、送信部材３のための層列と、その上に配置された、受信部材４のための層列とを有している。
送信部材３を形成するために、第１のドーピングタイプの高度にドーピングされたシリコン基板２の上に、第２のドーピングタイプのエピタキシャル層５が装着されている。これらの両方の層の間の遮断層は、光放出の領域である。
【００２０】
エピタキシャル層５の上にイントリンシック層６を装着した後、同じドーピングタイプの、送信部材３のエピタキシャル層５まで達する層１０を拡散させる。それにより、本実施例では送信部材３の陽極である一方の極性が、チップの上面まで通じている。
シリコン基板２の金属被覆されている下面は、本実施例では送信部材３の陰極接続部２０を形成している。必要に応じて、この接続接触が機構の上面まで通じていてもよい。
【００２１】
本実施例では受信部材４は、イントリンシック層６と、その内部に側方で互いに間隔をおいている拡散ゾーン７，８とを備えるｐｉｎダイオードによって構成されている。受信部材４を製作するために、送信部材のエピタキシャル層５の上にイントリンシック層６を装着し、両方のゾーン７，８を拡散させる。送信部材３と受信部材４を電気的に分離するために、両者の間には誘電的な中間層９，９ａが挿入されている。この中間層は酸化物層で形成されている。
水平方向の中間層区域９は、ＳＩＭＯＸ法で酸素注入により形成される。
側方の中間層区域９ａは、トレンチエッチングとトレンチ閉止によって形成される。
【００２２】
イントリンシック層６の上面は、保護層としての酸化物層１１を備えている。最後に、表面は通常のボンディング法で接続接触部を備えており、層１０の金属被覆されている上面は送信部材３の陽極接続部１２を形成している。両方の拡散ゾーン７および８の金属被覆されている上面は、受信部材４の陰極接続部１３と陽極接続部１４とを形成している。さらに図面からよくわかるように、陽極接続部１４は受信部材４の背面にわたって延びている。それにより、リフレクタ１５としての役目をする金属層が形成されている。この金属性の反射層は受信部材の効率を向上させる。
リフレクタ１５は、その他の接触金属被覆から分離されていてもよい。
【００２３】
複数の送信・受信装置１を共通の基板の上に並べて配置するときは、システム分離のために酸化物層１６が設けられ、この酸化物層は特にトレンチエッチングとトレンチ閉止によって形成され、チップ上面から、送信部材３の遮蔽層１７を越えて延びている。
酸化物層１６は中間層９ａと同時に製作される。この場合、トレンチエッチングのときに、エッチング材料（エッチングガス）が水平方向のシリコン酸化物層９に当たると、中間層９の溝のエッチングが自動的に停止される。同時に製作される、これに隣接する外側の溝はこのようなシリコン酸化物層に当たらないのでより深く刻設することができ、遮蔽層１７を越えて延びて、相応のシステム分離をもたらす。
【００２４】
送信部材３と受信部材４をサンドイッチ状に上下に積み重ねる本発明の配置は、絶縁をする中間層９にしか事実上存在しない非常に短い光伝送経路を生む。こうした短い伝送経路によって、送信部材３から射出される光がわずかな強度しかなくても十分であり、ないしは、送信部材３に対して非常にわずかな電流ですますことができる。
【００２５】
ｐｉｎダイオードで形成されている受信部材４は、きわめて高い光感度とそれに伴う高い効率とを有している。このことも、送信側で非常に少ない光出力ですますことができることに貢献する要因の一つである。このことはさらに、受信部材４の裏側でリフレクタ１５としての役目をする金属層によってもサポートされる。この層は、接触部１２から１４と同じくアルミニウムでできていてよく、あるいは場合により金またはその他のよく光反射をする金属でできていてよい。
【００２６】
送信・受信装置１は、たとえば光伝送のためのマルチチャンネル機構を具体化するために、多重構造で相並んで設けられていてよい。
【００２７】
さらに付言しておくと、受信部材４はフォトトランジスタ、フォトサイリスタ、フォトレジスタ、またはこれに類似する感光性素子で構成されていてもよい。また、受信側に後置された遮断器を統合し、それによってたとえばフォトＭＯＳリレーを形成するという可能性もある。
【００２８】
図１に示す送信・受信装置１は、たとえばオプトカプラーとして利用することができる。
【００２９】
図２は、本発明による送信・受信装置１ａの改変された実施形態を示している。送信部材３ａおよび受信部材４ａについて、この実施例では、最初は互いに分離されている別個のシリコンチップが設けられる。これらのチップはそれぞれ製造された後、光を出す側と光を受ける側が互いに向き合うように結合領域１８でチップボンディングにより相互に結合され、それによって図１の実施形態にほぼ匹敵する機構が得られ、このとき特に、送信部材３の層と受信部材４の層はこの場合にもサンドイッチ状に相上下して配置されている。
【００３０】
図２に示す実施形態では、送信部材３ａと受信部材４ａの間の光伝送経路に、有利には外側からアクセスできるキャビティ１９がある。この実施例ではキャビティ１９は、エピタキシャル層５からシリコンを除去することで形成されている。送信チップのこの側は、受信チップと結合する以前には自由にアクセスできるので、キャビティ１９を簡単なやり方で製作することができる。酸化物層で形成されている絶縁をする中間層９も、ボンディングの前には受信チップ側にアクセス可能なので、図１の実施例の場合よりも簡単に具体化することができる。キャビティ１９の中にガスがあり、それによって各システムの間で十分な絶縁と電気的な分離が得られているときは、場合により、絶縁をする中間層９を省略することもできる。
【００３１】
光伝送経路にある層は、絶縁目的だけでなく、それ以外の役目も意図されていてよい。たとえば、たとえば窒化シリコンからなる波長選択的なフィルタ層を設け、このフィルタ層によって、４００ｎｍ以上の波長の光だけを透過させるという可能性がある。
このような波長選択的なフィルタ層以外にも、送信部材３ａと受信部材４ａの間の光伝送に影響を与えるために、事実上任意の別の層を装着することができる。
【００３２】
外部からアクセス可能なキャビティ１９は、気体状または液体状の媒体で充填することができ、またはこのような媒体を貫流させることができる。たとえば、光吸収を利用して物質の種類を特定したり、材料をフィルタとして利用したりすることが可能である。それによってこうした媒体の検査を実施することができ、その都度の物質に応じて生じる測定反応が検出される。たとえば、分光測定検査を実施したり、媒体に濁りがないかどうか監視するという可能性がある。それにより、たとえば水質を監視したり火災報知器として利用するという可能性が開かれ、後者の場合には煙や室内空気の組成変化によって光伝送に影響が生じる。
【００３３】
すなわち送信部材３ａ、キャビティ１９、および受信部材４ａを、有利には組み合わされたチップの中に配置することで、非常にコンパクトな分析システムをつくることができる。
【００３４】
さらに付言しておくと、図１の実施形態の場合でも同じくキャビティが光伝送経路に設けられていてよく、このキャビティはたとえばアンダエッチングによって製作される。図１の実施例のほうが製造コストが高いので、この場合には１つまたは複数のミクロキャビティを設けるのが好ましく、それに対して図２の実施形態では両方のチップの内面にアクセス可能なので、１つまたは複数のキャビティが任意の大きさと形状で設けられていてよい。
この関連で付言しておくと、キャビティ１９は送信部材チップだけでなく受信部材チップにも設けられていてよい。
【００３５】
送信・受信装置１および１ａをシリコン技術で製造することにより、この送信・受信装置を他のシリコンシステムにうまく統合することができる。この構成は外光に対してほぼ保護されているので、フリップチップ実装も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
光学的な送信・受信装置を示す断面図である。
【図２】
光伝送経路にキャビティを有している光学的な送信・受信装置を示す断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004501502.tif 000023
【国際調査報告】
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