JP2006013048A

JP2006013048A - 発光用光半導体素子及び受光用光半導体素子

Info

Publication number: JP2006013048A
Application number: JP2004186505A
Authority: JP
Inventors: Teruhito Matsui; 輝仁松井; Katsumichi Itou; 克通伊東; Hideo Kikuchi; 秀雄菊地
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; NEC Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; NEC Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】光半導体素子と光導波路を精度良く結合させることが可能な発光用光半導体素子を提供する。
【解決手段】発光波長を透過する半導体基板２上に作られた、上記半導体基板の表面１００に対して垂直な方向に光を出射する発光用光半導体素子であって、上記発光用光半導体素子外部に出た光を導く光導波路１２の一端が位置決めされる出射部１１と、上記半導体基板の表面に対して垂直な方向に出射された光を上記出射部の光導波路の一端に導くように反射させる上記表面の一部である反射面８と、を一体に備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、回路基板内での光信号伝送のための発光用光半導体素子及び受光用光半導体素子に関する。

半導体集積回路(ＬＳＩ)の動作速度の高速化が進んでいる。これに対して、ＬＳＩチップ間の信号伝送はプリント配線板上の電気配線を利用するが、この電気配線の信号伝送速度の制約が電子機器の高速化のネックとなっている。これを解決する方法として、電気配線の替わりに光導波路を使った光伝送が注目されている。このためには光導波路結合装置が必要となる。従来の光導波路結合装置は、一般的に配線基板上に配置された光半導体素子から出射された光を配線基板面と平行に配設された光導波路と結合させるために、端面に４５°の角度の反射面が形成された光導波路が利用されており、この光導波路に対して光半導体素子を光学的に調整しながら配線基板に接合している(非特許文献１参照)。

Yuzo Ishii他著「SMT-Compatible Optical-I/O Chip Packaging for Chip-Level Optical Interconnects」、2001 Electronic Components and Technology Conference、(IEEE)、２００１年、p.８７０

従来の光導波路結合装置にあっては、光半導体素子の出射光の中心が、光導波路に形成された４５°の反射面の中心にくるよう光学的な位置決めをした後、光半導体素子を固定するが、高い位置決め精度が要求される。光導波路を配線基板に接合して形成した後、電子部品を搭載接合するために加熱すると光導波路の位置がずれたり、光導波路の材質が変質する可能性があり光学的な特性が変動する。また、周囲の雰囲気温度の変動によっても、光導波路に対して、光半導体素子の位置ずれが生じ、信号の伝送特性が変動する。さらに、光半導体素子と光導波路が光学的にうまく結合できたかどうか組み立て時に測定し難いなどの問題があった。また、光導波路を配線基板の表面に接合する場合は、搭載部品の凹凸や電気配線が妨げとなり、自由に配置接合することが困難であるという問題もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、光半導体素子と光導波路を精度良く結合させることが可能な発光用光半導体素子及び受光用光半導体素子を提供することを目的とするものである。

この発明は、発光波長を透過する半導体基板上に作られた、上記半導体基板の表面に対して垂直な方向に光を出射する発光用光半導体素子であって、上記発光用光半導体素子外部に出た光を導く光導波路の一端が位置決めされる出射部と、上記半導体基板の表面に対して垂直な方向に出射された光を上記出射部の光導波路の一端に導くように反射させる上記表面の一部である反射面と、を一体に備えたことを特徴とする発光用光半導体素子にある。

また、入射する光波長を透過する半導体基板上に作られた、受光用光半導体素子であって、上記受光用光半導体素子外部からの光を入射させる光導波路の一端が位置決めされる入射部と、上記光導波路の一端から入射された光を上記半導体基板の表面に対して垂直な方向でかつ光検出部に導くように反射させる上記表面の一部である反射面と、を一体に備えたことを特徴とする受光用光半導体素子にある。

本発明は、活性層で発光した光を反射面で反射して側方に出射し活性層の直上位置のｎ電極位置には光路を確保する必要が無い構造であるため、ｐ電極に対向する位置の全面にｎ電極を形成し、対向するｎ電極からｐ電極まで一様な密度の電流を流すことにより、シングルモードのきれいなレーザ発振が容易に実現できる効果がある。また、光半導体素子と光導波路を精度良く結合させることが可能となり、良好な光伝送が行える。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による発光用光半導体素子(面発光レーザ)の断面図である。図１に示すように、本発明に使用する発光用光半導体素子１は、半導体基板２上に多重ブラッグ反射層(Ａ)３、活性層４、多重ブラッグ反射層(Ｂ)５、絶縁層６、ｐ電極７が形成され、さらに半導体基板の表面１００に４５°反射面８、反射率を向上させるための反射膜を兼ねたｎ電極９が形成されて構成されている。４５°反射面８は半導体基板の表面１００の一部の角度がつけられた部分である。ｐ電極７とｎ電極９により電流注入された光半導体素子１は、活性層４において発光し、多重ブラッグ反射層(Ａ)３と多重ブラッグ反射層(Ｂ)５により特定の波長の光が反射され、半導体基板の表面１００に垂直な方向にレーザ光を出射し、これが４５°反射面８により向きが９０°変換されてレーザ光１０として外部に取り出される。この際、例えば多重ブラッグ反射層(Ｂ)５は９９．９％、多重ブラッグ反射層(Ａ)３は９９．６％反射されるように設計されている。そして、レーザ光１０は半導体基板２側に取り出されるが、半導体基板２には、４５°反射面８が形成されているため、上述のように光路が縦から横方向に９０°変換されて半導体基板の表面１００と平行に基板内を通って取り出される。なお、３，４，５の部分が発光部を構成する。
このように、活性層４で発光した光を４５°反射面８で反射して側方に出射するため、活性層４の直上部に光を通すための道をあける必要が無い。そのため、従来の面発光レーザでは不可能であった、活性層４の直上位置の、ｐ電極７に対向する位置の全面にｎ電極９を形成することができ、その対向するｎ電極９からｐ電極７まで一様な密度の電流を流すことが可能になった。このように一様な密度の電流を活性層に流すことにより、容易にシングルモードのきれいなレーザ発振が実現できる効果がある。

図２はこの発光用光半導体素子を使用した光導波路結合装置の部分断面図を示し、各図において同一もしくは相当部分は同一符号で示す(以下同様)。光半導体素子(アレイ)１は支持体１３に配設(実装)され、光導波路１２は半導体基板２のこの光半導体素子１の出射部に当たる部分に形成された光導波路光軸合わせ溝１１に従って光学的な位置合わせがなされ固定され、さらに、支持体１３にも固定されている。

図３は光導波路結合装置の全体的な構成を示す断面図であり、支持体１３に光半導体素子１の駆動用ＩＣ１４が搭載され、さらにこの支持体１３が３次元積層ＬＳＩ１５上に配置されて光導波路結合装置１９を構成している。また、この３次元積層ＬＳＩ１５は多層プリント配線板１６上にはんだバンプ１７を介して搭載されている。積層された３次元積層ＬＳＩ１５内のＬＳＩ(図示せず)間、駆動用ＩＣ１４と３次元積層ＬＳＩ１５間は貫通孔１８を介して電気的に接続されている。

３次元積層ＬＳＩ１５からの電気信号は駆動用ＩＣ１４に送られ、光半導体素子１により光信号に変換される。光半導体素子１から出射されたレーザ光１０は半導体基板２を通って外に取り出されるが、外部には位置合わせされた光導波路１２が配置されているためレーザ光１０は、光導波路１２内に導かれる。この光導波路１２により他の光導波路結合装置１９のＬＳＩとの信号の相互のやりとりが可能になる。４５°反射面８は半導体の屈折率がおおよそ３．５と空気に比べて大きいため、半導体表面で全反射されるが、反射膜(ここではｎ電極９のこと)を形成しておくことにより安定的に高い反射率が期待される。また、反射膜に金属を利用することにより光半導体素子１のｎ電極９を兼ねることができる(ｎ電極９と別に反射膜を設けてもよい)。

ここで利用される発光素子である光半導体素子１は、基板にＧａＡｓ、ＩｎＰといった化合物半導体が利用され、発光層はＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓといった化合物で構成され、発光波長は１．２〜１．５５μｍで半導体基板２はこれらの波長に対して透明であることを本発明では利用している。

図４はこの発明の実施の形態１による受光用光半導体素子(受光素子)の断面図である。受光用光半導体素子２０としてｐｉｎフォトダイオードを考えると、一般的には半導体ｎ^＋基板２１と低ドーピング層(ｉ層)２２及び薄いｐ^＋層２３から構成される。ｐ電極２５、ｎ電極２６間に逆バイアス電圧を印加し、空乏層をｉ層２２全体に広げ光吸収領域とする。通常は、ｐ電極に窓を開けｐ電極２５側から光を入射させ、空乏層化したｉ層２２で光を吸収し、電気信号に変換して取り出すが、本発明では、半導体ｎ^＋基板２１の側面から半導体基板の表面１００に平行に光信号２７を入射させ、基板２１に形成された反射膜を兼ねたｎ電極２５の４５°反射面２８により光路を横から縦方向に９０°変換させ、空乏層化されたｉ層２２に半導体基板の表面１００に垂直な光を導き検出する。ここでは、ｎ^＋基板２１のバンドギャップＥ_ｇｎが吸収層となるｉ層２２のバンドギャップＥ_ｇｉよりも大きい材料のものを使用することにより、吸収波長に対して透明となるよう設計する。例えば、ｎ^＋基板２１にＩｎＰ、ｉ層２２にＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等の化合物半導体の組み合わせにより実現される。なお、光導波路１２は、半導体ｎ^＋基板２１のこの光半導体素子２０の入射部に当たる部分に形成された光導波路光軸合わせ溝１１に従って光学的な位置合わせがなされ固定される。そして２１，２２，２３の部分が光検出部を構成する。
このように、ｎ電極２６の直上部のｐ電極２５に窓を開けずに、ｎ電極２６と対向する位置の全面にｐ電極２５を形成したため、ｐ電極２５とｎ電極２６の間に一様な電界分布を形成できる。これにより、受光能力の位置によるバラツキが無い安定した光検出部を構成できる効果がる。

図５はこの発明による発光用光半導体素子を使用した光導波路結合装置を複数搭載した多層プリント配線板の断面図であり、多層プリント配線板１６に搭載された３次元積層ＬＳＩ１５相互間の光信号のやり取りを示すもので、３次元積層ＬＳＩ１５をベースにした光導波路結合装置１９には、発光素子アレイである発光用光半導体素子１と受光素子アレイである受光用光半導体素子２０が支持体１３上に実装されるようにして搭載されており、可とう性を有する光導波路(アレイ)１２を介して光導波路結合装置１９間が相互に接続されていて、素子１と素子２０が光導波路１２で結ばれている。必要に応じて光導波路２１には光コネクタ２９が使用される。素子２０により受信された光信号は電気に変換され、受信用ＩＣ３０により電気信号として処理される。

この構造によれば、発光用光半導体素子１に光路変換用の反射面を光半導体素子製作時に予め半導体基板２に作り付けるようにしているため、反射面８とレーザ光１０の光軸合わせをする必要がなく、また、光導波路１２と結合するための光軸合わせ溝１１を同様に半導体基板２に作り付けているため、光導波路１２との光軸合わせの調整も容易である。また、３次元積層ＬＳＩ１５、光半導体素子１，２０、駆動用ＩＣ１４、受信用ＩＣ３０、光導波路１２を支持体１３を介して一体化して光導波路結合装置１９を構成しているため、他の電気部品と同様にプリント配線板１６に搭載するだけでよく、プリント配線板に光導波路が配設される場合のようにプリント配線板上で光半導体素子と光導波路との光軸合わせをする必要がなく、調整が容易となる。また、プリント配線板の線膨張係数は、光半導体素子(面発光レーザ等)や半導体集積回路に比べて１桁大きいため、温度変化等により光軸の位置ずれが生じる。このため光学的変動が発生し、光信号の安定性に問題があるが，反射面が光半導体素子１，２０に作られているため熱的な変動を受けず、熱的安定性に優れ、機械的強度にも優れている。さらに，可とう性に優れたフレキシブル型の光導波路１２を利用して空間配線することで(図５参照)、プリント配線板上の他の部品を妨げることなく、実装の自由度が確保される。

従って、プリント配線板上に電子部品が高密度に実装されていても、光導波路結合装置はＬＳＩとほほ同じ寸法で実現できるため配線基板上の占有面積の制約も少なく、光学的に安定した状態で搭載することができる。また、半導体基板の加工は、機械的加工のみならず写真製版技術と薬品によるウエットエッチング技術あるいはガスによる半導体加工プロセスのドライエッチング技術が利用できる。

なお、上記実施の形態１では、発光用光半導体素子として、面発光レーザの例を示したが、発光ダイオードであってもよい。また、受光用光半導体素子受光素子としてｐｉｎフォトダイオードの例について説明したが、アバランシェフォトダイオード(ＡＤＰ)やＭＳＭ(金属−半導体−金属)フォトダイオードであってもよく、上記実施の形態１と同様の効果がある。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２による発光用光半導体素子を使用した光導波路結合装置を複数搭載した多層プリント配線板の断面図であり、(ａ)は発光用光半導体素子の部分の断面図、(ｂ)は全体の断面図を示す。上記実施の形態１では、光導波路１２は光導波路結合装置１９間を空間配線したが、実施の形態２は光導波路１２をプリント配線板１６上に配置(実装)したものであり、光導波路結合装置１９の光半導体素子１、２０の支持体１３への実装面と反対側の出射部及び入射部がある側を光導波路１２に合わせてプリント配線板１６上に搭載(実装)することにより、同様にＬＳＩ間の信号のやりとりを光伝送により行うことが可能である。すなわち実施の形態１の光導波路結合装置１９を上下反転させてプリント配線板１６上に搭載したものである。

実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３による発光用光半導体素子が支持体に搭載された状態を示す断面図である。実施の形態１においては，反射面を４５°の平面(４５°反射面８)で構成する場合を説明したが、実施の形態３ではレンズによる集光効果を利用するため、半導体基板２の反射面３１を４５°の角度でレンズ状の曲率を持つように加工したもので、光半導体素子１の発光部と光導波路１２の距離が離れている場合においても結合効率を落とすことなく光の結合が可能である。

なお、図７では発光用光半導体素子１について説明したが、図４に示す受光用光半導体素子２０においても４５°反射面２８を、４５°の角度でレンズ状の曲率を持つように加工したものにすることで、光導波路１２と光半導体素子２０の受光部の距離が離れている場合においても結合効率を落とすことなく光の結合が可能になる。

なお、光導波路１２としてはポリマー製の光導波路でもガラス製の光ファイバでもよい。また、外部から塵埃等を防ぐため光導波路結合装置にシールやキャップを施してもよい。さらに上記説明では光導波路結合装置に３次元積層ＬＳＩを使用する例を示したが、単体のＬＳＩや２次元的に配置された装置の場合であってもよい。さらにプリント配線板内の光導波路結合装置間の光伝送を例に挙げて示したが、プリント配線板間やさらにこのプリント配線板を備えた装置間、あるいはまたＬＳＩ間の光伝送にも適用できることは言うまでもない。さらに、半導体基板の反射面の角度が４５°となる場合について説明したが、光導波路の位置等の関係から必要に応じて角度を変更してもよい。

この発明では、４５°の反射面を有する光導波路を光半導体素子に合わせて位置決め固定する従来の方式に比べ、面発光レーザ(発光用光半導体素子)に光路変換用の全反射面を光半導体素子製作時に光軸に合わせて予め半導体基板に作り付けるようにしているため、反射面とレーザ光の光軸合わせをする必要がなく、光導波路に通常の垂直な端面を持つものが使用できる。また、半導体基板の全反射面に反射膜を形成することにより、表面の凹凸による散乱を防ぎ光の反射率を向上させ，反射損失を軽減でき，性能を向上させることができる。また、反射面にレンズ状の曲率を持たせたため、レンズ作用により光の発散を防ぎ光導波路との結合効率を向上させることが可能で、光半導体素子と光導波路との距離の制約が緩くなり、設計の自由度も増し、性能を向上させられる。さらに、光導波路と結合するための光軸合わせ用の溝も同様に半導体基板に作り付けているため、光導波路との光軸合わせの調整も容易となる。

この発明の実施の形態１による発光用光半導体素子の断面図である。図１の発光用光半導体素子を使用した光導波路結合装置の部分断面図である。図２の光導波路結合装置の全体的な構成を示す断面図である。この発明の実施の形態１による受光用光半導体素子の断面図である。この発明による発光用光半導体素子を使用した光導波路結合装置を複数搭載した多層プリント配線板の断面図である。この発明の実施の形態２による発光用光半導体素子を使用した光導波路結合装置を複数搭載した多層プリント配線板の断面図である。この発明の実施の形態３による発光用光半導体素子が支持体に搭載された状態を示す断面図である。

符号の説明

１発光用光半導体素子(面発光レーザ)、２半導体基板、３多重ブラッグ反射層(Ａ)、４活性層、５多重ブラッグ反射層(Ｂ)、６絶縁層、７ｐ電極、８４５°反射面、９ｎ電極(反射膜)、１０レーザ光、１１光導波路光軸合わせ溝、１２光導波路(アレイ)、１３支持体、１４駆動用ＩＣ、１５３次元積層ＬＳＩ、１６多層プリント配線板、１７はんだバンプ、１８貫通孔、１９光導波路結合装置、２０受光用光半導体素子(受光素子)、２１半導体ｎ^＋基板、２２低ドーピング層(ｉ層)、２３ｐ^＋層、２４絶縁層、２５ｐ電極、２６ｎ電極、２７光信号、２８４５°反射面、２９光コネクタ、３０受信用ＩＣ、３１反射面、１００表面。

Claims

発光波長を透過する半導体基板上に作られた、上記半導体基板の表面に対して垂直な方向に光を出射する発光用光半導体素子であって、上記発光用光半導体素子外部に出た光を導く光導波路の一端が位置決めされる出射部と、上記半導体基板の表面に対して垂直な方向に出射された光を上記出射部の光導波路の一端に導くように反射させる上記表面の一部である反射面と、を一体に備えたことを特徴とする発光用光半導体素子。
上記反射面の部分に反射率を向上させる反射膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の発光用光半導体素子。
上記反射面が上記光が上記光導波路の一端に結合するような曲率のレンズ状の形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光用光半導体素子。
上記出射部に上記光導波路の一端を位置決め固定するための溝を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光用光半導体素子。
上記反射面及び出射部が実装面と反対側に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光用光半導体素子。
上記反射面及び出射部が形成されている面側が上記光導波路と同一面上に実装されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発光用光半導体素子。
入射する光波長を透過する半導体基板上に作られた、受光用光半導体素子であって、上記受光用光半導体素子外部からの光を入射させる光導波路の一端が位置決めされる入射部と、上記光導波路の一端から入射された光を上記半導体基板の表面に対して垂直な方向でかつ光検出部に導くように反射させる上記表面の一部である反射面と、を一体に備えたことを特徴とする受光用光半導体素子。
上記反射面の部分に反射率を向上させる反射膜を形成したことを特徴とする請求項７に記載の受光用光半導体素子。
上記反射面が上記光が上記光検出部に結合するような曲率のレンズ状の形状を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の受光用光半導体素子。
上記入射部に上記光導波路の一端を位置決め固定するための溝を設けたことを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の受光用光半導体素子。
上記反射面及び入射部が実装面と反対側に形成されていることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の受光用光半導体素子。
上記反射面及び入射部が形成されている面側が上記光導波路と同一面上に実装されることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項に記載の受光用光半導体素子。