(57)【要約】      （修正有）【課題】同一基板上に光導波路部と受光素子部を形成した光インターコネクション装置において、高い光電変換効率を得ることができる受光素子部を提供する。【解決手段】光インターコネクション装置１は、半導体基板１０と、半導体基板１０に形成された光導波路部２と、光導波路部２の一端部に形成された受光素子部３を備え、受光素子部３は、光導波路部２を伝送する光信号Ｓを増幅して光電変換するバイポーラトランジスタ３０を備え、バイポーラトランジスタ３０は、光導波路部２内にベース層３１を形成し、ベース層３１とコレクタ層３２によって形成されるｐｎ接合部３０ｊを光信号Ｓの伝送方向に沿って延在させた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板に形成された光導波路部と、前記光導波路部の一部に形成された受光素子部を備え、
前記受光素子部は、前記光導波路部を伝送する光信号を増幅して光電変換するバイポーラトランジスタを備え、
前記バイポーラトランジスタは、前記光導波路部内にベース層を形成し、当該ベース層とコレクタ層によって形成されるｐｎ接合部を前記光信号の伝送方向に沿って延在させた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】
前記光導波路部は、前記半導体基板における第１半導体層に不純物を高濃度ドープして得られる第２半導体層に光を照射しながらアニール処理を施すことで得られる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】
前記光導波路部を形成する前記第２半導体層と前記第１半導体層間のｐｎ接合部に延長して、前記バイポーラトランジスタのベース層とコレクタ層間のｐｎ接合部を形成していることを特徴とする請求項２記載の光インターコネクション装置。
【請求項４】
前記第２半導体層と前記バイポーラトランジスタのベース層を一体層にしたことを特徴とする請求項３に記載の光インターコネクション装置。
【請求項５】
前記第１半導体層はＳｉ半導体基板に１５族元素をドープしたｎ型半導体層であり、前記不純物は１３族元素から選択される材料であって、前記第２半導体層はｐ型半導体層であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の光インターコネクション装置。
【請求項６】
前記受光素子部は、前記バイポーラトランジスタとダーリントン接続される別のバイポーラトランジスタを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の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、チップ内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】
情報処理装置内での情報処理速度の高速化を進めるためには、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、そのための技術開発が現在進められている。
【０００３】
このような短距離での光インターコネクションは、発光素子，光導波路，受光素子を同一基板上に形成することが基本構成になる。その際、発光素子と光導波路との間では、発光素子から出射した光を高い結合効率で光導波路に入射することが求められ、光導波路と受光素子との間では、受光した光信号を高い変換効率で光電変換して出力することが求められる。
【０００４】
特に光導波路を伝送する光信号を光電変換素子（フォトダイオード）で受光する場合には、その変換効率が一般に低いため、増幅回路を介して信号処理回路に接続することがなされている。下記特許文献１に記載の従来技術では、光導波路層を伝搬する入射光に応じた電力増幅を行うヘテロバイポーラフォトトランジスタとして構成される光検出器が示されている。この従来技術によると、ヘテロバイポーラフォトトランジスタのコレクタ層とベース層との間に入射光を受光するための光導波路層がコレクタ層の一部として形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−２２０４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した従来技術では、同一基板上に光導波路と信号増幅機能を有する受光回路（ヘテロバイポーラフォトトランジスタ）を形成することができる。しかしながら、光導波路層に入射される光は、ヘテロバイポーラフォトトランジスタのベース層だけでなく、コレクタ層にも吸収されることになるので、高い光電変換効率を得ることができない問題がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題を解決するものであり、同一基板上に光導波路部と受光素子部を形成した光インターコネクション装置において、受光素子部にて高い光電変換効率を得ることができること、また、高い電流増幅率を得ることで光信号入力によって大電流を出力できるパワーデバイスを単一基板上に形成することができること、等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、本発明による光インターコネクション装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された光導波路部と、前記光導波路部の一部に形成された受光素子部を備え、前記受光素子部は、前記光導波路部を伝送する光信号を増幅して光電変換するバイポーラトランジスタを備え、前記バイポーラトランジスタは、前記光導波路部内にベース層を形成し、当該ベース層とコレクタ層によって形成されるｐｎ接合部を前記光信号の伝送方向に沿って延在させたことを特徴とする光インターコネクション装置。
【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、同一基板上に光導波路部と受光素子部を形成した光インターコネクション装置において、受光素子部にて高い光電変換効率を得ることができる。また、高い電流増幅率を得ることで光信号入力によって大電流を出力するパワーデバイスを単一基板上に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る光インターコネクション装置を示す説明図（（ａ）が断面構造図、（ｂ）が平面構造図）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ける光導波路部の形成方法を示した説明図（（ａ）は絶縁層形成工程、（ｂ）は第２半導体層形成工程、（ｃ）はアニール処理工程）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のより具体的な構成例を示した説明図（断面構造図）である。
【図４】本発明の他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（断面構造図）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は本発明の一実施形態に係る光インターコネクション装置を示す説明図である。図１（ａ）は断面構造図、図１（ｂ）は平面構造図をそれぞれ示している。なお、以下の説明では、半導体基板としてＳｉ半導体基板を例にして説明するが、Ｓｉ半導体基板に換えて代替え可能な他の半導体基板を用いても構わない。
【００１２】
光インターコネクション装置１は、Ｓｉ半導体基板１０と、Ｓｉ半導体基板１０に形成された光導波路部２と、光導波路部２の一部に形成された受光素子部３を備えている。受光素子部３は、光導波路部２を伝送する光信号Ｓを増幅して光電変換するバイポーラトランジスタ３０を備えている。このバイポーラトランジスタ３０は、ベース層（ｐ型半導体層）３１、コレクタ層（ｎ型（ｎ-）半導体層）３２、エミッタ層（ｎ型（ｎ+）半導体層）３３を備えており、コレクタ層３２にはコレクタ電極３２ａが接続され、エミッタ層３３にはエミッタ電極３３ａが接続されている。光導波路部２の周囲（上面側及び側面側）には、ＳｉＯ2膜などからなる絶縁層１１が設けられている。絶縁層１１は、光導波路部２に対しては低屈折率のクラッド層として機能しており、コレクタ電極３２ａとエミッタ電極３３ａとの間では電気的絶縁層として機能している。また、光導波路部２の端部には必要に応じて反射膜２０が形成されている。
【００１３】
このような光インターコネクション装置１は、バイポーラトランジスタ３０のベース層３１が光導波路部２内に形成されており、バイポーラトランジスタ３０のベース層３１とコレクタ層３２によって形成されるｐｎ接合部３０ｊが光信号Ｓの伝送方向に沿って形成されている。これによって、光導波路部２を伝送してきた光信号Ｓを、受光素子部３におけるｐｎ接合部３０ｊで効率的に吸収させることができ、ベース層３１に電子−正孔対を発生させてエミッタ・ベース間の電位障壁を下げ、エミッタ層３３から拡散してベース層３１を乗り越えてコレクタ層３２に流れ込む大量の電子を発生させる。これによって、光信号Ｓを高い光電変換効率でコレクタ電流として出力することができる。
【００１４】
このような光インターコネクション装置１を得るためには、Ｓｉ半導体基板１０に光導波路部２を形成することが必要になる。図２は、光導波路部２の形成方法の一例を示している。先ず、Ｓｉ半導体基板１０に１５族元素である、例えばヒ素（Ａｓ），リン（Ｐ），アンチモン（Ｓｂ）から選択される不純物をドープした第１半導体層１０ｎを形成する。ここでは第１半導体層１０ｎはｎ型半導体層である。
【００１５】
次に、図２（ａ）に示すように、第１半導体層１０ｎに酸素を打ち込むなどしてＳｉＯ2膜の絶縁層１１を形成する。図示の例では、第１半導体層１０ｎの内部に内部絶縁層１１ａを形成し、第１半導体層１０ｎの表面から側方絶縁層１１ｂを形成している。内部絶縁層１１ａはＳｉ半導体基板１０の表面に酸素を打ち込んだ後加熱酸化処理することで内部にＳｉＯ2膜を拡散させるか、或いはＳｉ半導体基板１０の表面にＳｉＯ2膜を形成した後表面にＳｉ膜を成膜するなどして形成することができる。側方絶縁層１１ｂはフォトリソ工程でパターン形成されたマスク開口に酸素を打ち込んで加熱酸化処理することなどで形成することができる。
【００１６】
次に、図２（ｂ）に示すように、側方絶縁層１１ｂの間に１３族元素である、例えばボロン（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）から選択される不純物を高濃度ドープすることで第２半導体層（ｐ型半導体層）１０ｐを形成する。そして、図２（ｃ）に示すように、Ｓｉ半導体基板１０上に電極１２を形成し、第２半導体層１０ｐの上に透明電極（ＩＴＯなど）１３を形成した後、電極１２と透明電極１３との間に順方向電圧を印加して、ｐｎ接合部１０ｊを流れる電流のジュール熱によるアニール処理で第２半導体層１０ｐの不純物（例えば、ボロン（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）から選択される不純物）を拡散させる。また、このアニール処理の過程でｐｎ接合部１０ｊに光Ｌを照射することで、ｐｎ接合部１０ｊ近傍にドレスト光子を発生させる。その後は、電極１２及び透明電極１３を除去することで、第２半導体層１０ｐを光ガイド層とし側方絶縁層１１ｂをクラッド層とする光導波路部２が形成される。
【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のより具体的な構成例を示している。図１に示した例と共通する部位は同一符号を付して重複説明を省略する。この光インターコネクション装置１Ａは、図２に示したように、Ｓｉ半導体基板１０における第１半導体層１０ｎに不純物を高濃度ドープして得られる第２半導体層１０ｐに光を照射しながらアニール処理を施すことで光導波路部２を得たものであり、光導波路部２を形成する第２半導体層１０ｐと第１半導体層１０ｎ間のｐｎ接合部１０ｊに延長して、バイポーラトランジスタ３０のベース層３１とコレクタ層３２間のｐｎ接合部３０ｊを形成している。ここでの、ベース層３１と第２半導体層１０ｐは、別材料の層であってもよいし、同一材料の一体層であってもよい。このように、光導波路部２のｐｎ接合部１０ｊの延長上にバイポーラトランジスタ３０のｐｎ接合部３０ｊを形成することで、より効率的に光信号Ｓをｐｎ接合部３０ｊに吸収させることができ、受光素子部３にてより高い光電変換効率を得ることができる。
【００１８】
図３に示すように、光インターコネクション装置１Ａは、光導波路部２の一部に発光素子部４を形成することができる。発光素子部４は、第１半導体層１０ｎと第２半導体層１０ｐとの間に形成されるｐｎ接合部１０ｊを光放出部として備えている。第２半導体層１０ｐの上に形成される入力電極４０と第２半導体層１０ｐ以外に形成される他の電極（図示両略）との間に入力電圧を印加して、ｐｎ接合部１０ｊに対する順方向電圧を印加することで、ｐｎ接合部１０ｊから光が放出される。
【００１９】
Ｓｉ半導体基板自体は、間接遷移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ず、また、それ自体可視光域の光透過性を有さない。これに対して、図２に示した工程で、Ｓｉ半導体基板１０にフォノンを援用したアニールを施して、ｐｎ接合部１０ｊ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接合型発光が可能になる。このようなｐｎ接合型発光を得るためには、前述したように、ボロン（Ｂ）などの１３族元素の不純物を高濃度でドープする。この際の不純物（ボロン（Ｂ）の場合）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とし、アニール過程で照射する光Ｌの波長は所望の波長帯域とする。
【００２０】
このような光インターコネクション装置１Ａによると、一つのＳｉ半導体基板１０に光導波路部２と受光素子部３と発光素子部４が作り込まれているので、発光素子部４のｐｎ接合部１０ｊで発光した光信号は、第２半導体層１０ｐを伝搬することで、そのまま光導波路部２を伝搬する。これによって、発光素子部４で発光した光信号をロス無く光導波路部２に導くことができる。
【００２１】
そして、光導波路部２を伝搬した光信号は、受光素子部３のｐｎ接合部３０ｊにて吸収され、高い光電変換効率で電気信号に変換される。この際、バイポーラトランジスタ３０の電流増幅機能によって大きなコレクタ電流に変換することができるので、光インターコネクション装置１Ａをパワーデバイスとして利用することができる。
【００２２】
図４は、本発明の他の実施形態に係る光インターコネクション装置を示している。前述した例と共通する部位は同一符号を付して重複説明を省略する。この光インターコネクション装置１Ｂは、受光素子部３が、前述したように光信号を吸収するｐｎ接合部３０ｊを備える第１のバイポーラトランジスタ３０Ｘと、この第１のバイポーラトランジスタにダーリントン接続する第２のバイポーラトランジスタ３０Ｙを備えている。
【００２３】
第１のバイポーラトランジスタ３０Ｘは、前述した例と同様に、ベース層３１Ｘ，コレクタ層３２Ｘ，エミッタ層３３Ｘを備えており、光導波路部２内にベース層３１Ｘを形成し、ベース層３１Ｘとコレクタ層３２Ｘによって形成されるｐｎ接合部３０ｊｘを光信号Ｓの伝送方向に沿って延在させている。これに対して第２のバイポーラトランジスタ３０Ｙは、Ｓｉ半導体基板１０に、ベース層３１Ｙ，コレクタ層３２Ｙ，エミッタ層３３Ｙを形成してｎｐｎ型のバイポーラトランジスタを構成しており、第１のバイポーラトランジスタ３０Ｘのベース層３１Ｘと第２のバイポーラトランジスタ３０Ｙのベース層３１Ｙを絶縁層１１で区画し、第１のバイポーラトランジスタ３０Ｘのコレクタ層３２Ｘと第２のバイポーラトランジスタ３０Ｙのコレクタ層３２Ｙを連結している。そして、第１のバイポーラトランジスタ３０Ｘのエミッタ電極３３Ｘａと第２のバイポーラトランジスタ３０Ｙのベース電極３１Ｙａとを配線接続し、第２のバイポーラトランジスタ３０Ｙには互いに絶縁されたエミッタ電極３３Ｙａとコレクタ電極３２Ｙａを設けている。
【００２４】
このような光インターコネクション装置１Ｂによると、光信号Ｓを第１のバイポーラトランジスタ３０Ｘのｐｎ接合部３０ｊｘで吸収することで、第２のバイポーラトランジスタ３０Ｙのコレクタ−エミッタ間に大電流を流すことができ、電流増幅率を一つのバイポーラトランジスタの場合と比べて倍増させることができる。これによって、更に大きな電流を制御できるパワーデバイスとして利用できる光インターコネクション装置を提供することができる。
【００２５】
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】
【００２６】
１：光インターコネクション装置，
２：光導波路部，２０：反射膜，
３：受光素子部，３０：バイポーラトランジスタ，
３０ｊ，３０ｊｘ：ｐｎ接合部，
３０Ｘ：第１のバイポーラトランジスタ，
３０Ｙ：第２のバイポーラトランジスタ，
３１，３１Ｘ，３１Ｙ：ベース層（ｐ型半導体層），
３１Ｙａ：ベース電極，
３２，３２Ｘ，３２Ｙ：コレクタ層（ｎ型（ｎ-）半導体層），
３２ａ，３２Ｙａ：コレクタ電極，
３３，３３Ｘ，３３Ｙ：エミッタ層（ｎ型（ｎ+）半導体層），
３３ａ，３３Ｘａ，３３Ｙａ：エミッタ電極，
４：発光素子部，４０：入力電極，
１０：Ｓｉ半導体基板，１０ｎ：第１半導体層（ｎ型半導体層），
１０ｐ：第２半導体層（ｐ型半導体層），１０ｊ：ｐｎ接合部，
１１：絶縁層（ＳｉＯ2膜），１１ａ：内部絶縁層，１１ｂ：側方絶縁層，
１２：電極，１３：透明電極，
Ｓ：光信号
【図１】
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【図２】
2016082035.tif 000004
【図３】
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【図４】
2016082035.tif 000006