JPH0517712B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、少なくとも三つ以上の単位回路を有
し、単位回路間で情報信号の授受を必要とするよ
うに構成された半導体集積回路構造に関し、特
に、情報伝送の確実化を保証しながら、各単位回
路ないしはそれら各単位の各送受信部対が微細化
するに伴つても、光導波路に要求される精度や品
質に関する厳しい要求を緩和し、かつ各単位回路
の送受信部対の配置自由度を得られるようにする
ための構造的な改良に関する。

［従来の技術］ バイポーラないしMOSトランジスタ等の構成
要素を持つ単位回路を複数個（素子数が一つの場
合を含む）、同一の基板上に集積し、それら単位
回路間で情報の授受を行わせる場合、古くはそう
した情報をキヤリアの流れ、ないしは電流によつ
て伝送していた。しかし、これでは、これまでの
経緯からしても明らかなように、この種の技術分
野における集積密度の向上要求に伴い、個々の単
位回路自体、ないしはそれら各単位回路を構成す
る各構成要素が微細化し、一枚の基板上に搭載さ
れる単位回路数が大幅に増加、複雑化して行くに
連れ、逆に各単位回路間を連絡する有線配線の長
さは著しく長くなつてしまい、微細化により各単
位回路自体が信号を処理するに要する時間が短縮
しても、単位回路間の信号伝送路を通過する電気
信号の遅れ時間が信号処理時間と同程度かそれ以
上にもなつてしまい、折角の寸法微細化による集
積回路全体の性能向上効果も阻害されてしまう。

これに対し、従来からも、電気信号をそのまま
電気信号として伝送するのではなく、光信号に変
換して伝送する手法が提案された。すなわち、全
体としては半導体集積回路構造ではあるが、各単
位回路間の信号伝送路としては光導波路を用いる
構造である。

確かに一般論として、情報信号の伝送に光を用
いると当該信号の伝送に高速化が果たされること
は、下記の知見ないし原理から説明できる。

半導体集積回路において、単位回路あるいは単
位システム間の信号の送受を、金属等の導電材料
を用いた配線によりなす場合の信号伝送遅れ時間
T_DEは、概ね次式により表すことができる。

T_DE＝C_WＬ（ΔV）／I_O ……(1) ここでC_Wは配線の単位長さ当たりの容量、Ｌ
は配線長、ΔVは信号検出のために必要な電位変
化、I_Oは出力素子が駆動するために必要な出力電
流である。一方、光信号によつて情報の伝送を行
う方式では、光導波路中における時間遅れは無視
できる程小さくなり、信号伝送遅れ時間T_DOはほ
ぼ、発光素子を駆動してから当該発光素子が発光
を開始するまでの遅れ時間T_DOEと、受光素子が受
光後に信号検出に必要な電位変化を出力するまで
の遅れ時間_DODとの和として表すことができる。
すなわち、 T_DO＝T_DOE＋T_DOD ……(2) である。比較のため、発光素子駆動電流を従来方
式の出力電流I_Oと同じに取ると、T_DOE、T_DODはそ
れぞれ、ほぼ次式で表すことができる。

T_DOE＝C_EV_D／I_O ……(3) T_DOD＝（C_D＋C_i）（ΔV）／（η_Eη_DI_O） ……(4) ここで、C_E，V_Dは発光素子の端子容量及び端
子電圧であり、C_Dは受光素子の端子容量、C_iは受
光素子の端子に接続される電気信号検出のための
素子の入力容量、η_E及びη_Dは、それぞれ発光効率
及び受光効率である。

上述の式群から明らかなように、電気信号のま
まによる信号伝送遅れ時間は配線長Ｌに依存し、
光信号に変換してのそれは配線長Ｌに依存しない
ため、同じ製造技術を仮定した場合には、どの程
度の配線長までなら電気信号のままの伝送の方が
高速であるとか、逆に最低有線配線長L_nioを越え
る配線長の場合には光信号による伝送の方が高速
になるとかの判断をすることができる。答を言え
ば、３〜4μmルールの製造技術では上記のL_nioは
１mm程度であるので、将来にわたつての集積密度
の低下、配線長の増加傾向に鑑みると、光電変換
時間を要してもなお、T_DO≦T_DEとなると言って
良い。また、集積回路の線幅が1μm以下ともなる
と、配線の浮遊容量C_Wは線幅の微細化に比例し
て小さくなることは期待できず、有線導体配線の
単位長さの遅れは1μm以下の微細化では改善度は
少ない。これに対し、光信号による伝送方式の場
合には、微細化のほぼ２乗に比例して遅れ時間が
小さくなるから、結局、ほとんどの場合において
光変換方式の方が有利と見ることができる。

もちろん、こうした光変換方式ないしは光信号
伝送方式を採用する従来例も、この点に鑑みて構
築されているのであるが、ただ、基板上に形成さ
れる光導波路は、いずれの従来例においても、単
なる線状、ないしはストライプ状の形状をなし、
かつ、一本の線状ないしストライプ状光導波路の
一端には光の送信部をのみ臨ませ、他端には光の
受信部をのみ臨ませていたに過ぎない。

すなわち、一本の光導波路の一端が光入力端を
構成するのであれば、他端は常に光出力端となる
しかなく、光入力端が光出力端を兼ね、光出力端
が光入力端を兼ねるような構成は考慮されていな
かつた。換言すれば、基本的な組合せとして第
一、第二の一対の単位回路の存在を考え、それら
一対の単位回路間で光信号の送受信を双方向的に
なそうとした場合、従来の考えに従う限り、第一
単位回路の光送信部に光入力端を臨ませ、第二単
位回路の光受信部に光出力端を臨ませた第一の線
状光導波路と、第二単位回路の光送信部に光入力
端を臨ませ、第一単位回路の光受信部に光出力端
を臨ませた第二の線状光導波路との計二本の線上
光導波路をそれぞれ別個に設ける必要があつた。

例えば、考えとしてはそうした従来例と同様の
思想に則して構成されたものであるが、本発明に
至る過程において本発明者により考えられた回路
構造を参考例として第１図に示し、これについて
もう少し詳しく説明する。

基板１は半導体結晶か、ないしは絶縁物基板状
に半導体層を積層して構成されたもので、単位の
半導体集積回路が複数個、集積される。ただし、
各単位集積回路自体は本発明が直接に規定するも
のではないので、図示を省略している。

基板１の表面上には一般に集積回路の電気的配
線部分や素子間分離等のために絶縁膜２が設けら
れるが、この参考例では、当該絶縁膜２を、その
上に形成される線状ないしはストライプ状の光導
波路３のクラツド層として利用している。もちろ
ん、光導波路を設ける部位に絶縁膜２が形成され
ていない場合には、別途意図的に、こうした絶縁
膜ないしはクラツド層、あるいはまた反射膜を形
成することができるし、基板１の屈折率の方が、
形成する光導波路３のそれより小さい場合には、
基板１の上に直接に光導波路３を形成することも
できる。この点は、面状光導波路を用いる後述の
本発明においても同様である。

線状ないしストライプ状の光導波路３の一端に
は、ある単位回路の送信部E_i（ｉ＝１，２，３，
……）が、他端にはこの単位回路からの信号を受
ける他の単位回路の受信部D_i（ｉ＝１，２，３，
……）が設けられる。各単位回路は、必要に応
じ、それぞれ複数の送信部、受信部を有していて
も良い。ただし、この第１図示参考例の場合に
は、送信部E₁を持つ単位回路や送信部E₂を持つ
単位回路はそれぞれ送信専用であり、これに対し
て受信部D₁を持つ単位回路や受信部D₂を持つ単
位回路は受信専用であつて、つまりは送信機能の
みを有する単位回路から受信機能のみを有する単
位回路への一方向光通信にしか適用できない構造
である。なお、各送信部、受信部の具体的な構成
例としては、同じく第１図に併示されているよう
なものがある。

送信部E_iについては、基板１上に発光ダイオー
ド、半導体レーザ等の電気光変換発光素子４を設
けることで構成でき、その活性領域ないし発光部
６が光導波路３内へ光Ｉを出射できるように配置
する。この発光素子を駆動するための電極領域５
は、図示のように基板表面中に形成することがで
きる。

一方、受信部D_iとしても受光素子１０は、基板
表面に設けた第一領域７と、この周辺の基板１の
部分としての第二領域１ａとの間でpn接合を形
成するようにして構成することができ、第一領域
７をこの受信部を持つ単位回路の所定の電気信号
入力端子に接続すれば、当該領域７に生ずる電位
変化を情報信号として検出することができる。な
お、図示の構造の場合には、平面的に見ると線状
ないしストライプ状の光導波路３は、この受信部
に対して光を導くために、基板側に向けて折れ下
がつた端部を有している。この折れ下がつた端部
や、送信側の端部での光洩れを防ぐため、当該端
部周面には反射膜８が付されているが、光の進行
方向に対する光導波路端部の角度が臨界角以下で
ある場合には全反射が起こるので、特にはこのよ
うな反射膜８は必要としないこともある。これ
は、用いる光の波長に整合する間隔の格子を光導
波路端部に設ける場合についても言うことがで
き、同様に、このような記述は、後述する本発明
に関しても適用することができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに、上述のような線状ないしストライプ
状の光導波路３を用いた場合、光導波路３の断面
寸法が、用いる光の波長に対して十分大きい場合
には、光導波路３内の光波の伝搬状態は幾何光学
的に表され、したがつて発光部と受光部とを結ぶ
光導波路は、必ずしも直線でなくても良く、例え
ばいくつかの折れ線が連結されたような状態に光
導波路を設けることもできる。ただしこの場合、
光が導波路より洩れないように、必要に応じて光
導波路の外側に光反射膜を設ける。

しかし、このような第１図示の参考例の構成、
ないしはこれに準ずる従来構造（例えば特開昭48
−46278号公報、特公昭57−39403号公報等に類似
の具体例がある）のままでは、一つの光導波路３
に対し、その一端にはある単位回路の送信部また
は受信部のみを、他端には別な単位回路の受信部
または送信部のみを結合させているだけなので、
いわゆる双方向通信を満たすため、どちらの単位
回路からも相手方の単位回路に光信号を送れるよ
うにし、かつまた受信できるようにするには、必
然的に二本の光導波路が必要になる。したがつ
て、これがさらに、三つ以上の多くの単位回路間
での信号の授受を可能にするとなると、極めて数
多い光導波路が必要になつてしまい、基板上でそ
うした光導波路群の占める占有面積が多大にな
り、結局は集積し得る単位回路数が制約を受け、
集積回路全体としての機能の低下をも招いてしま
う。

これに対し、従来構造においても、例えば特開
昭57−30389号公報とか、同じく特開昭57−
172783号公報等に見られるように、光伝送路とし
て、第１図示のような基板に作り込まれた光導波
路ではなく、自由空間に配される光フアイバを利
用するものであるが、単位回路の光送信部と光受
信部とを基板の厚味方向に積層することで近接さ
せ、一本の光フアイバによつて光送受信を試みた
従来例もある。しかし、そうした考えを基板上に
形成された線状ないしストライプ状の光導波路を
利用する技術に援用したとしても、今度はまた別
な問題が生ずる。

すなわち、先に述べたように、将来的に見てさ
らなる高密度集積化が間違いなく進展される状況
に鑑みると、個々の線状ないしストライプ状光導
波路の断面寸法が当該光導波路内の管内波長と同
程度にまで低下してくると、その光導波路内の光
の伝搬状態は幾何光学で表すことができなくな
り、光導波路も簡単には屈曲させ得なくなる等の
不都合も出てくる。これは換言すれば、複数個の
単位回路の配置位置にも制約が生ずることをも意
味する。これに対処するには、より高精度な加工
技術及び高品質な光導波路材料が要求され、シス
テム全体としての歩留まりが低下し、コストの低
減も困難になる。

また、もとより、こうした線状ないしはストラ
イプ状の光導波路を用いる従来技術では、光導波
路の各端部に対し、単位回路の送受信部対を臨ま
せると言う双方向伝送技術を援用したとしても、
単位回路の数が三つ以上になると、一つの光伝送
路のみによつてそれらの間での双方向伝送を行う
ことは絶対にできなかつた。

本発明はこのような観点に鑑み、単に光導波路
を用いて光を伝送するというだけではなく、三つ
以上の単位回路のそれぞれに情報信号の送信部と
受信部との送受信部対が備えられている場合に
も、単一の光導波路構造によつてそれら全ての単
位回路間での一種の放送機能を含む双方向光伝送
が可能な構造を持つ半導体集積回路構造を提供せ
んとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するため、次のような
特徴的構成要件群〜を持つ半導体集積回路構
造を提案する。

各単位回路が、光信号の送信機能を有する送
信部と、光信号の受信機能を受信部とから成る
送受信部対を有している。

単位回路は同一半導体基板上に三個以上形成
されている。

各単位回路が形成されている半導体基板と同
じ半導体基板に面状光導波路が作り込まれいて
いる。

面状光導波路は、単位回路の数と同じ数の光
入出力端部を有し、それら光入出力端部はそれ
ぞれ互いに異なる位置に設けられている。

三個以上の単位回路の送受信部対は、それぞ
れ、面状光導波路の互いに異なる光入出力端部
に臨んでいる。

面状光導波路の幾何形状と各単位回路の送信
部から発せられる光の放射角は、各単位回路の
送信部から発せられた光信号が他の全ての単位
回路の受信部に入射するように決定されてい
る。

［実施例］ 以下、第２図に即し、本発明の一実施例につき
説明する。ただし、第２図中にあつても、先に述
べた参考例を示す第１図中と同一の符号は同一な
いし同様な構成要素を示し、かつ、光導波路自体
についての構成法や種々の条件、幾何的構造等に
関しては当該参考例中で述べた説明を援用する。
ただし、第１図示の参考例の場合、サフイツクス
が同じであつても、送信部E₁は送信機能をのみ
有する単位回路に属し、受信部D₁は受信機能を
のみ有する別な単位回路に属しており、送信部
E₂と受信部D₂もそれぞれ別の単位回路に属して
いたが、本発明の実施例ではこれと異なり、同一
のサフイツクス“ｉ”で示される送信部E_iと受信
部D_iは、下記の通り、光信号の送受信機能を有す
る同一の単位回路に属している。

まず、第２図ａは、本発明のこの実施例におけ
る面状の光導波路３を取出して平面図的に示した
ものである。

本図に認められるように、この実施例では、既
に第１図に即して述べた参考例におけるように、
その一端にはある単位回路の送信部のみが、また
他端には別は単位回路の受信部のみが付されてい
るストライプ状の光導波路を用いた場合とは異な
り、面状光導波路３の周側壁の複数個所（図示の
場合、三個所）に、この光導波路での連絡を取り
あうべき複数個（図示の場合、三個）の各単位回
路の送信部E_i（ｉ＝１，２，３）及び受信部D_i（ｉ
＝１，２，３）を直接に臨ませている。この実施
例では、当該光導波路３は概ね三角形状をなして
いて、その各頂点部分に全部に三個の単位回路の
それぞれの送受信部対（E_i，D_i）を配している
が、当該各頂点部分は、そうした送受信部対
（E_i，D_i）を臨ませやすいように角が落とされて
いる。その結果、見ようによつては、面状光導波
路３は、一つおきに短辺と長辺とが順番に配され
た六角形状とも見え、その各短辺部分にそれぞれ
送受信部対（E_i，D_i）が臨んでいるとも言える。

もちろん、面状光導波路３の平面形状は、こう
した三角形状ないしは六角形状に限定されるもの
ではなく、後述のように、各送信部E_iに備えられ
る発光素子からの光の放射角との兼ね合いで、各
送信部から発せられた光信号が、他の全ての単位
回路に属する受信部D_iに入射可能な幾何形状であ
る限り、任意である。換言すれば、その限りにお
いて、全部で三個以上の単位回路の各送受信部対
がそれぞれ異なる個所にて臨み得る形状となつて
いれば良い。

各送信部、受信部を構成する発光素子４、受光
素子１０は、第２図ｂの断面端面図に示されるよ
うに、第１図の参考例について述べたと同様の適
宜構成で良い。

しかし、第２図ａにて矢印Ｉで示すように、本
発明においては、どの発光素子４から発せられた
光信号も他の全ての受光素子１０に入射させ得る
ように、当該各発光素子４の光放射角が決定され
ている必要はある。この要請は、発光素子４とし
て無指向性ダイオード等を使うと簡単に満たすこ
とができるが、先にも述べたように、面状光導波
路の幾何形状の如何に応じ、必要な光放射角は決
定することができる。光放射角が狭くても（指向
性が鋭くても）、面状光導波路の幾何形状によつ
ては、同様に一つの発光素子４から発した光信号
を他の全ての単位回路に属する受光素子１０にて
捕らえることができる。もちろん、他の単位回路
から送信されてきた光信号を受信した各単位回路
が、その時々においてこれを情報として用いるか
どうかは、各単位回路の選択に任せれば良い。

本発明のこの実施例に認められるように、光導
波路として面状の光導波路を用いると、一つの当
該光導波路により、従来は不可能であつた、三つ
以上の単位回路間での双方向性の光信号のやり取
りが可能になると共に、線状ないしストライプ状
の光導波路を用いていた場合に生じていた既述の
制約からも逃れることができる。

なお、第２図ｂ中には、既存の技術で形成さ
れ、電気信号で動作する半導体集積回路１１も模
式的に併示している。

第１図の参考例の場合にも、また、本発明の実
施例としての第２図示実施例の場合もそうである
が、光導波路の材料としては、その中を通る光波
の吸収がないか、あつても極く少ないものが望ま
しい。一般的に言えば、その中を通る光波のエネ
ルギより十分大きなバンドギヤツプを持つ材料が
良い。

次に、材料、製法の観点から、望ましい具体例
を挙げてみる。

基板１がシリコンである時には、発光素子４と
しては、このシリコン基板上に液相ないし気相エ
ピタキシヤル法やMBE等でエピタキシヤル成長
の可能なGaPに、発光中心としてＮ原子を導入し
た絶縁発光ダイオードとか、Zn原子とＯ原子を
導入した赤色発光ダイオードを用い、これにふさ
わしい光導波路３としては、不純物の添加されて
いないGaPを用いると良い。GaPの光導波路３を
通る光のエネルギは当該GaPのエネルギバンドギ
ヤツプよりも小さいので、望ましくない光の吸収
を避けることができる。

また、基板１の上の絶縁膜２に開口を開け、
GaPをエピタキシヤル成長させると、開口上には
GaPの単結晶を成長でき、絶縁膜上には他結晶ま
たはアモルフアスGaPが成長する。そして、開口
上に形成されたGaP単結晶中に前述したＮ原子
か、Zn原子及びＯ原子を選択的に導入すれば、
発光素子及び受光素子と光導波路とを一体化して
形成でき、別々に形成した光導波路と発光、受光
各素子との位置合わせの工程を省略することがで
きる。発光メカニズムはGaP中にpn接合を形成
するとか、領域５とGaPの接合面からキヤリアを
注入するヘテロ接合構造によるとかがある。

発光素子部分のGaP上にGa_xIn_1-xＰの成長を行
えば、発光波長は導波路に用いるGaPのエネルギ
バンドギヤツプより小さくなり、同様に光吸収が
生じない。

さらにInの量を増すと、レーザダイオードを形
成できる。レーザ発光は、ｐ形GaP／ｐ形または
ｎ形Ga_xIn_1-xＰ／ｎ形GaPのヘテロ構造で得るこ
とができる。

［効果］ 以上、本発明の一つの実施例に関して説明した
が、本発明によると、同一基板上ないしは同一チ
ツプ上に形成された少なくとも三つ以上の単位回
路間の信号伝送に関し、その伝送遅れを小さく
し、かつ、各単位回路ないしは各単位回路の送受
信部の微細化による性能の向上効果を最大限に発
揮させることができる。

特に、本発明では、三個所以上の複数個所に光
入出力端部を備える面状の光導波路を用い、それ
ら各光入出力端部にそれぞれ別な単位回路の送受
信部対を臨ませているので、三つ以上の単位回路
間での光信号の授受（双方向通信）を一つの光導
波路で可能にするだけではなく、線状の光導波路
ないしストライプ状の光導波路を用いた場合に生
じ得るような、素子の微細化に伴つて発生する既
述の制約を受けることがない。

また、ある単位回路の送信部の発した光信号を
同時に他の残りの単位回路の受信部全てにて同時
に受信させることができるので、これは返信の受
信機能をも有する改良された光放送機能でもあ
り、この場合、面状光導波路は、基板に作り込ま
れた光放送バスを構成していることにもなる。

いずれにしても本発明によれば、従来の導体配
線路を用いた場合に比し、遥かに小さい時間遅れ
で信号の授受が行なえることはもちろん、従来の
線状ないしはストライプ状の光導波路構造を用い
た光信号伝送方式を採用する半導体集積回路構造
に比べてもなお、制約が少なく、素子の微細化に
対処し、その性能を十分に発揮させての光信号の
送受信が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは、本発明に至る過程で考えられ、線
状ないしはストライプ状の光導波路を用いて成る
半導体集積回路構造の参考例の平面図、第１図ｂ
は、第１図ａのｘ−ｘ線に沿う断面図、第２図ａ
は、本発明に従い、面状光導波路を用いて構成さ
れた一実施例における要部概略構成図、第２図ｂ
は、第２図ａのｘ−ｘ線に沿う断面図、である。 図中、１は基板、３は光導波路、４は発光素
子、１０は受光素子、E_iは送信部、D_iは、受信
部、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 同一半導体基板に三個以上形成され、各々、
   光信号の送信機能を有する送信部と光信号の受信
   機能を有する受信部とから成る送受信部対を有す
   る単位回路と、 上記半導体基板に作り込まれ、上記単位回路と
   同じ数の光入出力端部を有し、それら光入出力端
   部はそれぞれ互いに異なる位置に設けられている
   面状光導波路と、を有し； 上記三個以上の単位回路の各送受信部対は、そ
   れぞれ、上記面状光導波路の互いに異なる光入出
   力端部に臨んでいると共に； 上記面状光導波路の幾何形状と、上記各単位回
   路の上記送信部から発せられる光の放射角は、該
   各単位回路の該送信部から発せられた光信号が他
   の全ての単位回路の上記受信部に入射するように
   決定されていること； を特徴とする半導体集積回路構造。