光互连装置.pdf

本发明提供一种光互连装置。为了能够实现高效率的芯片内光互连，本发明的光互连装置(1)具备：Si半导体基板(10)；光波导(2)，形成于Si半导体基板(10)；及发光元件(3)，形成于光波导(2)的一端部，发光元件(3)具有pn结(10pn)，所述pn结(10pn)通过一边向第2半导体层(10p)照射光一边实施退火处理而得到，所述第2半导体层(10p)通过在Si半导体基板(10)中的第1半导体层(10n)高浓度掺杂杂质而得到。

权利要求书1.  一种光互连装置，其特征在于，具备：Si半导体基板；光波导，形成于所述Si半导体基板；及发光元件，形成于所述光波导的一端部，所述发光元件具有pn结，所述pn结通过一边向第2半导体层照射光一边实施退火处理而得到，所述第2半导体层通过在所述Si半导体基板中的第1半导体层高浓度掺杂杂质而得到。2.  根据权利要求1所述的光互连装置，其特征在于，所述光波导将所述第2半导体层作为光引导层，隔着该光引导层的包覆层形成于所述Si半导体基板。3.  根据权利要求1或2所述的光互连装置，其特征在于，所述光互连装置具备形成于所述光波导的另一端部的受光元件，所述受光元件具有所述pn结。4.  根据权利要求1所述的光互连装置，其特征在于，所述第1半导体层为在所述Si半导体基板掺杂有VA族元素的n型半导体层。5.  根据权利要求4所述的光互连装置，其特征在于，所述杂质为选自IIIA族元素中的材料，所述第2半导体层为p型半导体层。6.  根据权利要求1至5中任一项所述的光互连装置，其特征在于，所述Si半导体基板具备输出所述发光元件的发光信号的发光驱动部，所述发光驱动部由制作在所述Si半导体基板的半导体元件构成。7.  根据权利要求3所述的光互连装置，其特征在于，所述Si半导体基板具备输出所述受光元件的受光信号的受光检测部，所述受光检测部由制作在所述Si半导体基板的半导体元件构成。8.  一种光互连装置，其特征在于，所述光互连装置具备光波导，所述光波导具备光引导层和包覆层，所述光引导层由通过在半导体基板中的第1半导体层掺杂杂质而得到的第2半导体层形成，所述包覆层由沿着所述光引导层的两侧部形成的绝缘层构成，并且具备发光或受光元件，所述发光或受光元件具备：第1电极，形成于所述第2半导体层上；第2电极，形成于所述第1半导体层上；及pn结，由所述第1半导体层和所述第2半导体层形成，所述第1电极和所述第2电极在所述半导体基板的一面侧隔着所述绝缘层而配置。

说明书光互连装置
技术领域
本发明涉及一种能够实现芯片内光互连的光互连装置。
背景技术
目前，在使用光纤的远距离信号传输领域中，光互连发挥高速、大容量传输、优异的耐噪音性、电缆细径化等特征而被广泛普及。另一方面，为了进一步推进信息处理装置内的信息处理速度的高速化，基板间、芯片间或芯片内等超短距离的光互连不可缺少，为此，目前正在进行技术开发。
短距离的光互连中的基本要件是发光元件、光波导及受光元件。发光元件根据发送电路的信号被发光驱动而输出光信号，光波导传输被输出的光信号，受光元件接收被传输的光信号并向接收电路输出。下述专利文献1中记载有通过形成于基板上的由椭圆球的一部分构成的曲面反射镜进行封装于基板上的第1光器件(发光元件)与形成于基板上的第2光器件(光波导)的光耦合。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2001-141965号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
为了实现芯片内的光互连，需有效地进行封装于基板的发光元件或受光元件与基板上的光波导的光耦合。现有技术中，在该发光元件或受光元件与光波导的光耦合中使用光耦合器。该光耦合器需要有反射镜、棱镜、光栅等光偏振要件和透镜等聚光要件，且存在为了得到较高的光耦合效率，在形成光耦合器时需要高精确度的加工技术和定位技术的问题。上述现有技术中，使用将光偏振要件和聚光要件一体化的曲面反射镜，即便如此也要求较高的形成精确度，未能从根本上解决上述问题。
如此，以往为了实现芯片内光互连，需要有以较高的耦合效率使发光元件或受光元件与光波导光耦合的光耦合器，但现实上难以得到这种光耦合器，因此该问题成为实现芯片内光互连的较大障碍。
本发明将解决这种问题作为课题的一例。即，本发明的目的在于无需使用光耦合器而能够通过使形成于基板的发光元件或受光元件与光波导耦合来实现高效率的芯片内光互连等。
用于解决技术课题的手段
为了实现这种目的，本发明的光互连装置具备：Si半导体基板：光波导，形成于所述Si半导体基板；及发光元件，形成于所述光波导的一端部，其中，所述发光元件具有pn结，所述pn结通过一边向第2半导体层照射光一边实施退火处理而得到，所述第2半导体层通过在所述Si半导体基板中的第1半导体层高浓度掺杂杂质而得到。
发明效果
根据具有这种特征的光互连装置，由于在形成于Si半导体基板的光波导的端部具备将形成于Si半导体基板的pn结作为光发射部的发光元件，因此无需使用光耦合器而能够将发光元件所发出的光信号导入到光波导中。由此，能够实现高效率的芯片内光互连。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的光互连装置的说明图。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的光互连装置中的发光元件的形成方法的一例的说明图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的光互连装置中的光波导的形成方法的一例的说明图。
图4是表示本发明的另一实施方式所涉及的光互连装置的说明图。
图5是表示本发明的实施方式所涉及的光互连装置中的受光元件的结构的一例的说明图。
图6是表示本发明的实施方式所涉及的光互连装置中的输出发光元件的发光信号的发光驱动部、输出受光元件的受光信号的受光检测部的说明图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本发明的一实施方式所涉及的光互连装置的说明图。图1(a)是俯视图，图1(b)表示图1(a)中的X1-X1剖视图，图1(c)表示图1(a)中的X2-X2剖视图。
光互连装置1具备Si半导体基板10；光波导2，形成于Si半导体基板10；及发光元件3，形成于光波导2的一端部。在Si半导体基板10例如形成有n型第1半导体层10n。并且，在Si半导体基板10形成有通过在第1半导体层10n掺杂杂质而得到的第2半导体层10p。第2半导体层10p例如为p型半导体层。
在第1半导体层10n与第2半导体层10p之间的边界附近形成有pn结10pn。在Si半导体基板10形成有绝缘层11。图示的例子中，绝缘层11具备形成于Si半导体基板10内部的内部绝缘层11a和形成于Si半导体基板10表面的表面绝缘层11b。
如图1(b)所示，光波导2将第2半导体层10p作为光引导层，隔着光引导层的包覆层通过表面绝缘层11b形成于Si半导体基板10。成为包覆层的表面绝缘层11b沿着成为光引导层的第2半导体层10p的两侧部形成。
发光元件3具备形成于第1半导体层10n与第2半导体层10p的边界附近的pn结10pn作为光发射部。图1(c)所示的例子中，在第2半导体层10p之上形成有第1电极12，在第2半导体层10p的外侧经由表面绝缘层11b而形成的n+层13之上形成有第2电极14。若在第1电极12与第2电极14之间对pn结10pn施加正向电压，则从pn结10pn发射光。
即，发光元件3具备形成于第2半导体层10p上的第1电极12、形成于第1半导体层10n上的第2电极14、以及由第1半导体层10n和第2半导体层10p形成的pn结10pn，第1电极12和第2电极14在Si半导体基板10的一面侧隔着表面绝缘层11b而配置。图示的例子中，将第2电极14配置于第1电极12的两侧，但并不限于此，也可以将第2电极14仅配置于第1电极12的一侧。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的光互连装置中的发光元件的形成方法的一例的说明图。首先，在Si半导体基板10上形成掺杂有选自作为VA族 元素的例如砷(As)、磷(P)、锑(Sb)中的杂质的第1半导体层10n。在此，第1半导体层10n为n型半导体层。
接着，如图2(a)所示，在第1半导体层10n中注入氧等来形成SiO2层的绝缘层11。图示的例子中，在第1半导体层10n的内部形成有内部绝缘层11a，在第1半导体层10n的表面形成有表面绝缘层11b。内部绝缘层11a能够通过在Si半导体基板10的表面注入氧之后进行加热氧化处理而使SiO2层扩散到内部，或者在Si半导体基板10的表面形成SiO2层之后在表面形成Si膜等来形成。表面绝缘层11b能够通过向在光刻工序中被形成图案的掩模开口注入氧并进行加热氧化处理等来形成。
接者，如图2(b)所示，通过在表面绝缘层11b的外侧进一步掺杂选自作为VA族元素的例如砷(As)、磷(P)、锑(Sb)中的杂质来形成n+层13，通过在表面绝缘层11b之间高浓度掺杂选自作为IIIA族元素的例如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)中的杂质来形成第2半导体层(p型半导体层)10p。而且，如图2(c)所示，在n+层13之上形成第2电极14，在第2半导体层10p之上形成透明电极(ITO等)15之后，在第2电极14与透明电极15之间施加正向电压，通过基于流过pn结10pn的电流的焦耳热的退火处理使第2半导体层10p的杂质(例如选自硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)中的杂质)扩散。并且，在该退火处理的过程中向pn结10pn照射光L，由此在pn结10pn附近产生修整光子。
Si半导体基板本身是间接跃迁半导体，发光效率较低，仅通过形成pn结是无法得到有用的发光，并且，其本身不具有可见光区域的透光性。相对于此，对Si半导体基板10实施利用声子的退火而在pn结10pn附近产生修整光子，使作为间接跃迁型半导体的Si如直接跃迁型半导体那样发生变化，由此能够进行高效率、高输出的pn接合型发光。为了得到这种pn接合型发光，以高浓度掺杂硼(B)等IIIA族元素的杂质。此时的杂质(硼(B)时)的掺杂条件的一例设为剂量密度：5×1013/cm2，注入时的加速能量：700keV，在退火过程中照射的光L的波长设为所希望的波长波段。
之后，如图1(c)所示，去除透明电极15并在第2半导体层10p之上形成第1电极12，由此形成将pn结10pn作为光发射部的发光元件3。发光元件 3通过在第1电极12与第2电极14之间施加电压而从pn结10pn发射与在退火过程中照射的光L的波长相同波长的光。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的光互连装置中的光波导的形成方法的一例的说明图。图3(a)所示的工序通过与上述图2(a)相同的工序进行，在第1半导体层10n的内部形成内部绝缘层11a，在第1半导体层10n的表面形成表面绝缘层11b。接着，图3(b)所示的工序通过与图2(b)所示的工序相同的工序进行，在此，省略n+层13并在表面绝缘层11b之间形成第2半导体层10p。
图3(c)所示的工序通过与图2(c)所示的工序相同的工序进行，在表面绝缘层11b外侧的第1半导体层10n之上形成第2电极14，在第2半导体层10p之上形成透明电极(ITO等)15之后，在第2电极14与透明电极15之间施加正向电压，通过基于流过pn结10pn的电流的焦耳热的退火处理使硼(B)等IIIA族元素的杂质扩散。并且，在该退火处理过程中向pn结10pn照射光L，由此在pn结10pn附近产生修整光子。之后，如图1(b)所示，去除第2电极14及透明电极15，由此形成将第2半导体层10p作为光引导层且将表面绝缘层11b作为包覆层的光波导2。
根据这种光互连装置1，由于在一个Si半导体基板10制作光波导2和发光元件3，因此由发光元件3的pn结10pn发出的光能够在第2半导体层10p中传播而直接入射到光波导2的光引导层。此时，光波导2中的第2半导体层10p和发光元件3中的第2半导体层10p能够通过同一光刻工序形成图案，因此无需对光波导2和发光元件3进行特别的对位就能够形成为一体，且能够将由发光元件3发出的光毫无损失地导入到光波导2中。
图4是表示本发明的另一实施方式所涉及的光互连装置的说明图。图4(a)表示俯视图，图4(b)表示图4(a)中的X1-X1剖视图，图4(c)表示图4(a)中的X2-X2剖视图。在此，对与图1所示的例子相同的部位标注相同的符号并省略重复说明。
该实施方式所涉及的光互连装置1(1A)是将光波导2(2A)的结构例设为其他方式的实施方式。该例子中，通过在第1半导体层10n的表面形成肋2R来形成肋型光波导2(2A)。此时，将用于形成肋2R的蚀刻掩模的图案形成于发光元件3的第2半导体层10p的图案的延长部分上。由此，能够使发光元件 3的pn结10pn与光波导2的光轴一致。另外，图4所示的例子中，在光波导2中传播的光限定于能够透射Si层的红外光。
图5是表示本发明的实施方式所涉及的光互连装置中的受光元件的结构的一例的说明图(图5(a)表示俯视图，图5(b)表示图5(a)的X-X剖视图)。如图5(a)、(b)所示，受光元件4具备具有与发光元件3相同的pn结10pn的结构，能够通过与图2所示的形成工序相同的工序形成。受光元件4形成于光波导2的另一端，在光波导2的第2半导体层10p的延长部分具备pn结10pn。受光元件4通过在连接于第1电极12的端子4a与连接于第2电极14的端子4b之间施加零偏压或反偏压来输出在光波导2中传播过来的光L1的入射所引起的发生电流的变化。
即，受光元件4具备形成于第2半导体层10p上的第1电极12、形成于第1半导体层10n上的第2电极14、以及由第1半导体层10n和第2半导体层10p形成的pn结10pn，第1电极12和第2电极14在Si半导体基板10的一面侧隔着表面绝缘层11b而配置。图示的例子中，将第2电极14配置于第1电极12的两侧，但并不限于此，也可以将第2电极14仅配置于第1电极12的一侧。另外，受光元件4并不限定于图5所示的例子，能够由封装或连接于Si半导体基板10上的受光元件等形成。
图6是表示本发明的实施方式所涉及的光互连装置中的输出发光元件的发光信号的发光驱动部、输出受光元件的受光信号的受光检测部的说明图。在光互连装置1中，Si半导体基板10可以具备输出发光元件3的发光信号的发光驱动部30或输出受光元件4的受光信号的受光检测部40。发光驱动部30或受光检测部40可以由制作在Si半导体基板10的半导体元件构成。
如图6所示，发光驱动部30或受光检测部40例如可以由MOS型晶体管等半导体元件5构成。图示的例子中，在Si半导体基板10的n型半导体层10n形成p型半导体层5p1、5p2，在这些之上分别形成源极电极5s和漏极电极5d，且在p型半导体层5p1、5p2之间的沟道区域5n上经由绝缘膜5b形成栅极电极5g。漏极电极5d、栅极电极5g、源极电极5s分别连接于用于驱动发光元件3或受光元件4的电极配线。这种半导体元件5能够通过已知的半导体刻蚀工序，在制作有发光元件3或受光元件4的Si半导体基板10进行制作。
如以上说明，本发明的实施方式所涉及的光互连装置无需使用光耦合器而能够通过使形成于半导体基板的发光元件3或受光元件4与光波导2耦合来实现高效率的芯片内光互连。尤其，通过将形成光波导2、发光元件3、受光元件4中的pn结10pn时所照射的光设为相同波长的光，能够使发光波长、光传输波长、受光波长一致。此时使用的光的波长可以在近红外～近紫外范围内任意进行选择。由此，能够在任意的传输波段实现传输损失或串扰较少的芯片内光互连。
另外，上述光波导2无需一定是直线，可以湾曲或屈曲，也可以分支成多路。并且，也可以是将一个或多个发光元件3连结于多个或一个受光元件4的结构。
并且，上述说明中，以Si半导体基板为例子进行了说明，但也可以使用可代替Si半导体基板的其他半导体基板。
以上，根据附图对本发明的实施方式进行了详述，但具体结构并不限于这些实施方式，即使在不脱离本发明宗旨的范围内进行设计变更等，也包含于本发明中。并且，上述各实施方式只要其目的及结构等不存在特别矛盾或问题，就可以沿用相互的技术进行组合。