(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたクラッド部および該クラッド部中のコア部を有する光導波路を伝搬する伝搬光を、前記基板上の前記コア部の近傍に受光面を前記コア部に略平行にして配置された半導体受光素子で検出するための光導波路と半導体受光素子との接続構造であって、前記半導体受光素子は、半導体受光素子設置用の電極配線を前記基板の上面に埋設することによって表面が略平坦に形成された設置部に設置されていることを特徴とする光導波路と半導体受光素子との接続構造。
【請求項２】
基板上に形成されたクラッド部および該クラッド部中のコア部を有する光導波路を伝搬する伝搬光を、前記基板上の前記コア部の近傍に受光面を前記コア部に略平行にして配置された半導体受光素子で検出するための光導波路と半導体受光素子との接続構造であって、前記半導体受光素子は、上面に電極を有するとともに、該電極と前記半導体受光素子の周囲の前記基板の上面に形成された半導体受光素子設置用の電極配線とを電気的に接続する配線導体により前記電極およびその近傍の上面が覆われていることを特徴とする光導波路と半導体受光素子との接続構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に形成された光導波路によって伝搬させる伝搬光を同じ基板上に配置された半導体受光素子で受光・検出するための、高い信頼性を有する光導波路と半導体受光素子との接続構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光回路基板や光電気回路基板等においては、基板上に形成された光導波路により伝搬される伝搬光を同じ基板上に配置した半導体受光素子に光接続して受光させるために、種々の光導波路と半導体受光素子との接続構造が用いられている。
【０００３】
従来の光導波路と半導体受光素子との接続構造の例を図３に断面図で示す。図３に示す接続構造では、基板31上に形成された電極配線38に半導体受光素子32が固定されて配置され、その上に下部クラッド部33・コア部34・上部クラッド部35から構成される光導波路36が形成されている。なお、コア部34はその周囲を下部クラッド部33および上部クラッド部35により取り囲まれてクラッド部中に配設されている。
【０００４】
この接続構造においては、コア部34を中心に伝搬する伝搬光は、図３中に示すようにその電磁界フィールド37がコア部34の外側にも広がっているため、これをコア部34の近傍に配置された半導体受光素子32の受光面に光結合させて受光させることができるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３に示すような従来の接続構造では、電極配線38上に半導体受光素子32を実装する際、半導体受光素子32の電極はその周辺部に設けられており、半導体受光素子32の中央付近と基板31の上面との間には間隙があるため、図３に示すように、半導体受光素子32の中央部が基板31側へ湾曲することがある。このことは、特に半導体受光素子32の厚さが数μｍ程度と薄い場合に顕著である。このように半導体受光素子32が湾曲した場合、湾曲部で生じる応力によって半導体受光素子32の暗電流が増加したり、極端な場合には、半導体受光素子32に亀裂が生じたり、半導体受光素子32に形成された金属配線に剥離・しわ・クラックが生じることによって、半導体受光素子32が破壊されたり、受光素子としての特性が劣化して期待する特性が得られなくなったりするなどの信頼性上の問題が生じる。
【０００６】
一方、特開平2000−215371号公報において半導体受光素子32の中央付近と基板31との間の間隙を光学接着材で充填する提案がなされている。しかしながら、この場合は、光学接着材が硬化する際の収縮によって半導体受光素子32が湾曲したりして応力を付与することになり問題が生じることとなる。また、数μｍ程度の厚さの電極の段差で生じる間隙を光学接着剤等の樹脂で充填することも容易ではない。
【０００７】
本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上に形成された光導波路を伝搬する伝搬光をこの基板上の光導波路の近傍に配置された半導体受光素子によって受光・検出することができる高い信頼性を有した光導波路と半導体受光素子との接続構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造は、基板上に形成されたクラッド部およびこのクラッド部中のコア部を有する光導波路を伝搬する伝搬光を、前記基板上の前記コア部の近傍に受光面を前記コア部に略平行にして配置された半導体受光素子で検出するための光導波路と半導体受光素子との接続構造であって、前記半導体受光素子は、半導体受光素子設置用の電極配線を前記基板の上面に埋設することによって表面が略平坦に形成された設置部に設置されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造は、基板上に形成されたクラッド部およびこのクラッド部中のコア部を有する光導波路を伝搬する伝搬光を、前記基板上の前記コア部の近傍に受光面を前記コア部に略平行にして配置された半導体受光素子で検出するための光導波路と半導体受光素子との接続構造であって、前記半導体受光素子は、上面に電極を有するとともに、該電極と前記半導体受光素子の周囲の前記基板の上面に形成された半導体受光素子設置用の電極配線とを電気的に接続する配線導体により前記電極およびその近傍の上面が覆われていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造によれば、半導体受光素子が半導体受光素子設置用の電極配線を基板の上面に埋設することによって表面が略平坦に形成された設置部に設置されていることから、半導体受光素子をこの設置部に大きな湾曲や歪みを生じさせることなく設置することができる。
【００１１】
また、本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造によれば、半導体受光素子が上面に電極を有するとともに、半導体受光素子のこの電極およびその近傍の上面が、この電極と半導体受光素子の周囲の基板の上面に形成された半導体受光素子設置用の電極配線とを電気的に接続する配線導体により覆われていることから、半導体受光素子は基板の上面に対して電極配線に乗ることなく平坦な状態で設置されるので、半導体受光素子に湾曲や歪みを生じさせることなく設置することができる。
【００１２】
従って、本発明によれば、半導体受光素子の湾曲や歪みに伴う応力による暗電流の増加や感度の低下を抑制することができ、また、半導体受光素子に亀裂が生じたり、半導体受光素子に形成された金属配線に剥離・しわ・クラックが生じたりすることを抑制することができるので、高い信頼性を有した光導波路と半導体受光素子との接続構造を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造を詳細に説明する。
【００１４】
図１および図２は、それぞれ本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造の実施の形態の例を示す断面図である。
【００１５】
図１に示す例では、基板11上に半導体受光素子設置用の電極配線18を基板11の上面に埋設することによって表面が略平坦に形成された設置部に半導体受光素子12が配置固定されて設置されており、その上に下部クラッド部13・コア部14・上部クラッド部15から構成される光導波路16が形成されている。また、半導体受光素子12の下面に電圧印加用や光電流検出用の電極配線18が形成されている。
【００１６】
図２に示す例では、基板11上に半導体受光素子22上が固定されて配置され、半導体受光素子22の上面に形成された電極と半導体受光素子22の周囲の基板11の上面に形成された半導体受光素子設置用の電極配線（塗りつぶし部分で示す）とを電気的に接続しつつ半導体受光素子22の上面の電極およびその近傍の上面を覆うように配線導体28が形成されており、さらにその上に、下部クラッド部13・コア部14・上部クラッド部15から構成される光導波路16が形成されている。
【００１７】
本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造において、基板11は、電気回路および光導波路を始めとする光電気回路が形成され、また光導波路中に埋設される半導体受光素子12・22に対する支持基板として機能するものであり、光集積回路基板や光電子混在基板等の光信号を扱う基板として使用される種々の基板、例えばシリコン基板やアルミナ基板・ガラスセラミック基板・多層セラミック基板・薄膜多層セラミック基板・プラスチック電気配線基板等が使用できる。
【００１８】
半導体受光素子設置用の電極配線18を基板11の上面に埋設することによって表面が略平坦な設置部を形成する方法としては、電極配線18を埋設する部分にプレス法やエッチング法によって予め電極配線18が埋め込まれる溝を形成した後、スクリーン印刷法や薄膜金属配線微細加工技術等を用いてこの溝内に電極配線18の材料を埋設すればよい。また、樹脂材料から成る基板11の上面に電極配線18を埋設して形成する場合には、基板11の上面に電極配線18を形成した後、加圧プレスによってこの電極配線18を基板11の樹脂中に埋設するようにしてもよい。また、その後、研磨やエッチバック法等によって設置部の表面をさらに平坦化してもよい。設置部の表面に対する平坦化の度合いとしては、電極配線18による段差が１μｍ程度以下となるようにすればよい。
【００１９】
電極配線18および配線導体28の材料としては、Ａｕ・Ｔｉ・Ｐｄ・Ｐｔ・Ａｌ・Ｃｕ・Ｗ・Ｃｒ等の周知の配線導体材料を用いた単体もしくはこれらの合金による単層や多層体を用いればよい。また、ＡｕＳｎ・ＡｕＧｅなどの半田材料を最上層としてもよい。
【００２０】
本発明の接続構造に用いられる光導波路16の形成材料としては、光導波路を形成できる種々の光学材料を用いることができるが、中でもシロキサン系ポリマを用いることが望ましい。シロキサン系ポリマによる光導波路とすれば、下部および上部クラッド部13・15にシロキサン系ポリマを用い、コア部14に金属、例えばチタン（Ｔｉ）を含有したシロキサン系ポリマを用いた光導波路16とすることにより、チタン含有量の制御によってクラッド部13・15とコア部14との間で所望の屈折率差を有する光導波路16を容易に作製することができ、半導体受光素子12・22との受光効率が良好となる構造のものを設計することが容易となる。また、100℃〜300℃程度の低温で光導波路16を作製することができるので、半導体受光素子12・22を埋設するようにしてこの上に光導波路16を作製する場合でも、半導体受光素子12・22に熱的ダメージを与えることがない。また、下地の表面状態によらず膜表面の平坦化性・平滑化性に優れており、半導体受光素子12・22を埋設するように光導波路16を形成する場合に、散乱損失を招来する表面の凹凸を緩和することができるので好適である。
【００２１】
このようなシロキサン系ポリマとしては、ポリマの骨格にシロキサン結合が含まれている樹脂であればよく、例えばポリフェニルシルセスキオキサン・ポリメチルフェニルシルセスキオキサン・ポリジフェニルシルセスキオキサン等がある。
【００２２】
また、コア部14ならびにクラッド部13・15に含有させる金属としては、チタンに限られるものではなく、ゲルマニウム（Ｇｅ）・アルミニウム（Ａｌ）・エルビウム（Ｅｒ）等も使用できる。これらの金属を含有したコア部14を形成するには、その金属アルコキシドを添加したシロキサン系ポリマ層を形成し、これを所望の形状・寸法に加工すればよい。
【００２３】
なお、クラッド部13・15に用いるシロキサン系ポリマにも上記と同様の金属を含有させてもよく、その場合はコア部14との含有量の差により屈折率差を設けるようにすればよい。
【００２４】
また、屈折率を制御するには、金属を添加する他に、例えばシロキサン系ポリマの組成を変化させて屈折率を制御してもよい。あるいは、光重合型のシロキサン系ポリマを用いて光照射量の違いによって生じる屈折率変化を利用してもよい。
【００２５】
また、光導波路16の材料としては、この他にも、低損失で光を伝搬させることができる透明性があり、所望の屈折率差を得ることができるコア部材とクラッド部材との組合せであれば各種の材料を用いることができる。シロキサン系ポリマ以外には、例えばフッ素化ポリイミド・ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）・ポリカーボネート（ＰＣ）等の溶液状態で塗布可能な樹脂系光学材料が好適に用いられる。また、気相成長法によるシリカ等の無機材料を用いてもよい。
【００２６】
光導波路16の作製方法としては、まず基板11上に下部クラッド部13を形成する。次にコア部14となるコア層を積層形成した後、フォトリソグラフィやＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の周知の薄膜微細加工技術を用いて、所定の形状でコア部14を形成する。その後、上部クラッド部15を被覆形成する。この薄膜微細加工技術によれば、コア部14を形成する際、異なった幅のコア部14を容易に作製することができる。また、光硬化型のシロキサン系ポリマを用いれば、光未照射部が特定の溶液に対して可溶で硬化部が不溶となる場合にはフォトリソグラフィの手法と同様の方法によって容易にコアパターンが形成できる。このようなプレーナ微細加工技術を用いれば本発明のコア幅が部分的に異なるコアパターンも容易に形成できる。
【００２７】
基板11上に配置され設置される半導体受光素子12・22は、例えばＳｉ・Ｇｅ・ＩｎＰ・ＧａＡｓ・ＩｎＡｓ・ＩｎＧａＡｓＰ等の半導体材料を用いて製造された半導体受光素子であり、ｐｎフォトダイオード・ｐｉｎフォトダイオード・フォトトランジスタ・ＭＳＭ（Metal-Semiconductor-Metal)フォトダイオード・アバランシェフォトダイオードといった半導体受光素子が用いられる。
【００２８】
【実施例】
次に、本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造について具体例を説明する。
【００２９】
〔例１〕
図１に示すように、屈折率1.447の石英基板11の上面にフォトリソグラフィとドライエッチング法を用いて形成した深さ1.5μｍの溝に、リフトオフ法を利用してＡｕから成る電極配線18を形成した。その後、基板11の上面をラッピング研磨により半導体受光素子12の設置部の実装領域において表面粗さにおける最大高さＲｍａｘが0.1μｍ程度以下になるように平坦化した。
【００３０】
次に、半導体受光素子12として厚さ１μｍのＩｎＧａＡｓ上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるラダー型電極配線を形成した、受光面が100μｍ四方のＭＳＭ型フォトダイオードを準備し、ＭＳＭ電極を下向きにして、電極配線18と電気的な接続が得られるように設置部に配置し固定した。その後、良好な電極接続が得られるように熱処理を施した。
【００３１】
次に、クラッド部13・15がシロキサン系ポリマから成り、コア部14がチタン含有シロキサン系ポリマから成るステップインデックス型の光導波路16を形成した。光導波路16の各部の厚さは、下部クラッド部13を２μｍ、コア部14を７μｍ・上部クラッド部15を８μｍとした。コア部14の幅は７μｍとした。なお、クラッド部13・15の屈折率は1.448、コア部14の屈折率は1.4533とした。
【００３２】
また、半導体受光素子12からの電気信号を検出するため、電極配線18の一部分をドライエッチング技術を用いて露出させ、外部電気回路と電気的に接続した。
【００３３】
このようにして作製した、図１に示すような構成の本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造について、光入力ポート17から光導波路に波長1.3μｍの光を伝搬させて、半導体受光素子12でコア部14から漏れ出した伝搬光を検出して光強度を測定したところ、この光導波路16と半導体受光素子12とは約７％の光結合効率を有しており、伝搬光を十分な強度で検出できることが確認できた。
【００３４】
また、光導波路16の形成前後での半導体光素子12の破壊や顕著な特性の劣化は見られなかった。
【００３５】
〔例２〕
図２に示すように、屈折率1.447の石英基板11の上面に、半導体受光素子22として厚さ１μｍのＩｎＧａＡｓ上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるラダー型電極配線を形成した受光面が100μｍ四方のＭＳＭ型フォトダイオードを、ＭＳＭ電極を上向きにして設置した。この際、半導体受光素子22と石英基板11とはファンデールスワールス力によって密着している状態とした。
【００３６】
次に、フォトレジストパターンを形成した後、電子ビーム蒸着法によって全厚２μｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を形成し、リフトオフ法により不要部分を除去して、半導体受光素子22の上面のＭＳＭ電極と半導体受光素子22の周囲の基板11の上面に配設された半導体受光素子設置用の電極配線とを電気的に接続する配線導体28を形成した。配線導体28は半導体受光素子22のＭＳＭ電極と基板11の電極配線との電気的な接続を行なうとともに、半導体受光素子22のＭＳＭ電極およびその近傍の上面外周部を被覆することによって半導体受光素子22と基板11との密着強度を高めている。
【００３７】
次に、クラッド部13・15がシロキサン系ポリマから成り、コア部14がチタン含有シロキサン系ポリマから成るステップインデックス型の光導波路16を形成した。光導波路16の各部の厚さは、下部クラッド部13を２μｍ、コア部14を７μｍ・上部クラッド部15を８μｍとした。コア部14の幅は７μｍとした。なお、クラッド部13・15の屈折率は1.448、コア部14の屈折率は1.4533とした。
【００３８】
また、半導体受光素子12からの電気信号を検出するため、配線導体28の一部分をドライエッチング技術を用いて露出させ、外部電気回路と接続した。
【００３９】
このようにして作製した本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造について、光入力ポート17から光導波路に波長1.3μｍの光を伝搬させて、半導体受光素子22でコア部14から漏れ出した伝搬光を検出して光強度を測定したところ、この光導波路16と半導体受光素子22とは約５％の光結合効率を有しており、伝搬光を十分な強度で検出できることが確認できた。
【００４０】
また、光導波路16の形成前後での半導体光素子22の破壊や顕著な特性の劣化は見られなかった。
【００４１】
〔例３〕
本発明の実施例との比較のために、従来例による比較例の試作評価を行なった。
【００４２】
図３に示すように、屈折率1.447の石英基板11の上面に厚さ1.5μｍのＡｕから成る電極配線38を形成した。次に、半導体受光素子12として厚さ１μｍのＩｎＧａＡｓ上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるラダー型電極配線を形成した受光面が100μｍ四方のＭＳＭ型フォトダイオードを、ＭＳＭ電極を下向きにして、電極配線38と電気的な接続が得られるように配置し固定した。その後、良好な電極接続が得られるように熱処理を施した。
【００４３】
次に、クラッド部33・35がシロキサン系ポリマから成り、コア部34がチタン含有シロキサン系ポリマから成るステップインデックス型の光導波路36を形成した。光導波路36の各部の厚さは、下部クラッド部33を２μｍ、コア部34を７μｍ・上部クラッド部35を８μｍとした。コア部34の幅は７μｍとした。なお、クラッド部33・35の屈折率は1.448、コア部34の屈折率は1.4533とした。
【００４４】
また、半導体受光素子32からの電気信号を検出するため、電極配線38の一部分をドライエッチング技術を用いて露出させ、外部電気回路と接続した。
【００４５】
このようにして作製した従来例による光導波路と半導体受光素子との接続構造について、評価を試みたところ、光導波路36の形成前後で半導体受光素子32としてのフォトダイオードの暗電流が50倍程度増大していた。さらに、評価を進める途中でフォトダイオードとしての特性が得られなくなったものがあった。これについてＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による断面観察を行なったところ、半導体受光素子32が湾曲していた結果、半導体受光素子32に形成された金属配線に剥離が見られた。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造によれば、半導体受光素子が半導体受光素子設置用の電極配線を基板の上面に埋設することによって表面が略平坦に形成された設置部に設置されていることから、半導体受光素子をこの設置部に大きな湾曲や歪みを生じさせることなく設置することができる。
【００４７】
また、本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造によれば、半導体受光素子が上面に電極を有するとともに、半導体受光素子のこの電極およびその近傍の上面が、この電極と半導体受光素子の周囲の基板の上面に形成された半導体受光素子設置用の電極配線とを電気的に接続する配線導体により覆われていることから、半導体受光素子は基板の上面に対して電極配線に乗ることなく平坦な状態で設置されるので、半導体受光素子に湾曲や歪みを生じさせることなく設置することができる。
【００４８】
従って、本発明によれば、半導体受光素子の湾曲や歪みに伴う応力による暗電流の増加や感度の低下を抑制することができ、また、半導体受光素子に亀裂が生じたり、半導体受光素子に形成された金属配線に剥離・しわ・クラックが生じたりすることを抑制することができるので、高い信頼性を有した光導波路と半導体受光素子との接続構造を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造の実施の形態の例を示す断面図である。
【図２】本発明の光導波路と半導体受光素子との接続構造の実施の形態の例を示す断面図である。
【図３】従来の光導波路と半導体受光素子との接続構造の例を示す断面図である。
【符号の説明】
11、31・・・・・基板
12、22、32・・・半導体受光素子
13、33・・・・・下部クラッド部
14、34・・・・・コア部
15、35・・・・・上部クラッド部
16、36・・・・・光導波路
18、38・・・・・電極配線
28・・・・・・・配線導体
【図１】
0003793561.tif 000002
【図２】
0003793561.tif 000003
【図３】
0003793561.tif 000004