集積型半導体装置
【課題】 従来に比べて小型で、素子機能部間で、高い周波数の信号を高精度に伝送することができる集積型半導体装置を提供する。
【解決手段】 サファイア単結晶基板１０と、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに第１素子機能部２２を備え、他方主面１０Ｂに第２素子機能部３２を備え、第１素子機能部２２が光を発光し、第２素子機能部３２がサファイア単結晶基板１０を透過した光を受光することで、高い周波数の信号を精度良く伝送する。
【解決手段】 サファイア単結晶基板１０と、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに第１素子機能部２２を備え、他方主面１０Ｂに第２素子機能部３２を備え、第１素子機能部２２が光を発光し、第２素子機能部３２がサファイア単結晶基板１０を透過した光を受光することで、高い周波数の信号を精度良く伝送する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積型半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子として機能する素子機能部が複数個電気的に接続された集積型半導体装置は、様々な技術分野で利用されている。これら素子機能部を備える複数の半導体チップをなるべく小さな空間に集め、半導体装置全体のサイズを小さくするための集積化技術も、従来から積極的に開発されている。下記特許文献１には、このような集積化技術の一例が開示されている。図４は、特許文献１に記載の集積型半導体装置の概略断面図である。
【０００３】
特許文献１に記載の集積型半導体装置では、インターポーザと呼ばれる中間基板１００の一方主面１００Ａに、素子機能部を備える半導体チップ１１０Ａが実装され、中間基板１００の他方主面１００Ｂに半導体チップ１１０Ｂが実装されている。特許文献１に記載の中間基板１００は、一方主面１００Ａから他方主面１００Ｂまで貫通するビア導体１４０と、ビア導体１４０の一方主面１００Ａ側の端面に形成された電極パッド１４２Ａと、ビア導体１４０の他方主面１００Ｂ側の端面に形成された電極パッド１４２Ｂとを有している。半導体チップ１１０Ａは表面に電極パッド１１２Ａを備え、半田ボール１５０を介してこの電極パッド１１２Ａがビア導体１４０に電気的に接続されている。半導体チップ１１０Ｂも表面に電極パッド１４２Ｂを備え、半田ボール１５０を介して電極パッド１４２Ｂがビア導体１４０も電気的に接続されている。特許文献１に示す例ではこのように、半導体チップ１００Ａと半導体チップ１００Ｂとが、中間基板１００の一方主面１００Ａと他方主面１００Ｂとにそれぞれ実装され、各半導体チップが、ビア導体１４０を介して電気的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２０３３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の集積型半導体装置のように、中間基板１００に設けたビア導体１４０を介して、複数の半導体チップを電気的に接続する場合には、半導体チップ１１０Ａの電極１１２Ａと、半導体チップ１００Ｂの電極１１２Ｂとに対応するよう、複雑に曲折したビア導体１４０を形成する必要があり、中間基板１００の形成に多大なコストが生じるといった課題があった。また、半導体チップ１１０Ａと半導体チップ１１０Ｂとの間で高周波信号を伝送する場合に、半田ボール１５０やビア導体１４０における抵抗損失やインピーダンス不整合の問題が生じ、半導体チップ間で伝送させる信号の周波数を十分高くすることができないといった課題もあった。また、半導体チップ１１０Ａおよび１１０Ｂ自体の小型化や、接合のための半田ボール１５０の小型化には限界があり、半導体装置全体の小型化に限界があるといった課題があった。本発明は、かかる課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、サファイア単結晶基板と、前記サファイア単結晶基板の一方主面に形成された化合物半導体層と、前記サファイア単結晶基板の他方主面に接合された半導体基板と、前記化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第１素子機能部と、前記半導体基板に形成された、半導体素子として機能する第２素子機能部とを備え、前記第１素子機能部は、光を発光し、前記第２素子機能部は、前記サファイア単結晶基板を透過した前記光を受光することを特徴とする集積型半導体装置を提供する。
【０００７】
また、本発明は、サファイア単結晶基板と、前記サファイア単結晶基板の一方主面にエピタキシャル成長された化合物半導体層と、前記サファイア単結晶基板の他方主面に接合された半導体基板と、前記化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第１素子機能部と、前記半導体基板に形成された、半導体素子として機能する第２素子機能部とを備え、前記第２素子機能部は、光を発光し、前記第１素子機能部は、前記サファイア単結晶基板を透過した前記光を受光することを特徴とする集積型半導体装置を併せて提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の集積型半導体装置は、従来に比べて小型で、素子機能部間で、高い周波数の信号を高精度に伝送することができる。また、本発明の集積型半導体装置は、低いコストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の集積型半導体装置の一実施形態について説明する概略断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ図１に示す集積型半導体装置の製造方法の一実施形態について説明する概略断面図である。
【図３】本発明の集積型半導体装置の他の実施形態について説明する概略断面図である。
【図４】従来の集積型半導体装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の集積型半導体装置の一実施形態である集積型半導体装置１（以下、半導体装置１とする）について説明する概略断面図である。
【００１１】
半導体装置１は、サファイア単結晶基板１０と、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに配置された第１素子機能部２２と、同じく一方主面１０Ａに配置された第３素子機能部２４と、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに配置された第２素子機能部３２と、同じく他方主面１０Ｂに配置された第４素子機能部３４と、を備えて構成されている。第１素子機能部２２と第３素子機能部２４はいずれも、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに形成された化合物半導体層２０に形成されている。また、第２素子機能部３２と第４素子機能部３４はいずれも、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに接合された半導体基板３０に形成されている。半導体装置１では、第１素子機能部２２が光４０を発光し、第２素子機能部３２が、サファイア単結晶基板１０を透過した発光４０を受光する。サファイア単結晶基板の厚さは、例えば０．０１ｍｍから５ｍｍであり、半導体層２０の厚さは例えば０．０１ｍｍから０．５ｍｍであり、半導体基板３０の厚さは０．０１ｍｍから０．５ｍｍである。
【００１２】
本実施形態の半導体装置１では、化合物半導体層２０は、III−Ｖ族化合物半導体を主成分としている。より具体的には、化合物半導体層２０は例えば、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａにエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体を主成分とする化合物半導体層からなる。III−Ｖ族化合物半導体、その中でも特にＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体等は、サファイア単結晶と近い格子定数を有しており、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａには、結晶欠陥等が少なく結晶性が高い化合物半導体層２０をエピタキシャル成長させることができる。第１素子機能部２２と第３素子機能部２４は、エピタキシャル成長された結晶性が高い化合物半導体層２０に形成されている。第１素子機能部２２は、公知の半導体素子製造プロセスを経て化合物半導体層２０に形成されたＬＥＤ素子構造５２を有している。また、第３素子機能部２４は、公知の半導体素子製造プロセスを経て化合物半導体層２０に形成された、電気信号を処理可能な、いわゆるＣＭＯＳ素子機能等を有して構成された電子デバイス素子構造６２を有している。第３素子機能部２４は第１素子機能部２２と配線部２９を介して電気的に接続されている。第３素子機能部２４の電子デバイス構造６２は、配線部２９を介して第１素子機能部２２のＬＥＤ素子構造５２に電気信号を送信し、ＬＥＤ素子構造５２が、送信された電気信号に応じた光を発光する。
【００１３】
III−Ｖ族化合物半導体、特にＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体は、広いバンドギャップと直接遷移型のバンド構造を有しており、電子デバイス素子として用いた場合、高周波信号の処理能力が高く、また高い出力で電気信号を送信することができる。また、III−Ｖ族化合物半導体、特にＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体は、上記物理的特徴から、ＬＥＤ素子として用いた場合、入力された電気信号に対する応答性に優れ、入力された電気信号に応じた高強度の光を発光することができる。また、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、等の各種元素の含有割合を調整することで、バンドギャップの大きさや発光波長などの種々の特性を、広い範囲にわたって細かく調整することができる。
【００１４】
半導体基板３０は、厚さが０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍと比較的薄い、シリコン単結晶基板である。半導体基板３０は例えば、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに、シリコン単結晶基板が公知の接合技術を用いて接合されて構成されている。接合技術としては、接合する対象面の表面を活性化して接合する方法、および静電気力を利用して接合する方法等が挙げられる。表面を活性化する方法としては、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂと、半導体基板３０の接合する対象面を、例えば真空中でイオンビームを照射して表面をエッチングして活性化する方法や、化学溶液で接合する対象面の表面をエッチングして活性化する方法などが挙げられる。表面を活性化させる接合方法は、原子間力などを利用したいわゆる固相接合であり、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０とが直接的に接合される。このような表面を活性化して行う接合では、接合部分が例えば１００℃以下と比較的低温であっても、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０とを十分に強い強度で接合することができる。
【００１５】
第２素子機能部３２と第４素子機能部３４とは、サファイア単結晶基板に接合された半導体基板３０に形成されており、例えば厚さが数百μｍ以上のシリコン単結晶基板の表面部分を加工して形成した素子機能部に比べて、高い電気信号処理性能を有している。これは、比較的厚さの薄い半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２および第４素子機能部３４は、絶縁体であるサファイア単結晶基板１０に接合されているので、素子機能部とそのほかの部分との浮遊容量が小さく、電気信号の機能素子部以外の領域への漏洩も小さく、また、素子機能部へのノイズ信号の侵入も少ない等の理由からである。
【００１６】
第２素子機能部３２は、公知の半導体素子製造プロセスを経て形成された、半導体基板３０に形成されたＰＤ素子構造６２を有している。また、第４素子機能部２４は、公知の半導体素子製造プロセスを経て半導体基板３０に形成された、電気信号を処理可能な電子デバイス素子構造６４を有している。第４素子機能部３４は、第２素子機能部３２と配線部３９を介して電気的に接続されている。ＰＤ素子構造６２を有する第２素子機能部３２は、このＰＤ素子構造６２が、第１素子機能部２２のＬＥＤ素子構造５２から発光された光を受光し、この受光した光に応じた電気信号を生成して、第４素子機能部３４の電子デバイス構造６４に送信する。
【００１７】
サファイア単結晶基板１０は光透過性に優れており、第１素子機能部２２のＬＥＤ素子構造５２から発した光は、サファイア単結晶基板１０内を良好に透過し透過の際の光量損失も小さい。また、半導体装置１では、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０とが、例えば金属や接着材などの接合層を介することなく、固相接合によって直接接合されている。半導体装置１では、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０との界面部分に、透過率を低減させる層がなく、第１素子機能部２２が発光した光は、半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２に良好に入射する。
【００１８】
また、サファイア単結晶基板１０は、一方主面１０Ａに凹凸部分１１Ａを有し、他方主面１０Ｂに凹凸部分１１Ｂを有している。第１素子機能部２２のＬＥＤ素子構造５２は、一方主面１０Ａの凹凸部分１１Ａに対応する領域に設けられており、第２素子機能部３２のＰＤ素子構造６２は、他方主面１０Ｂの凹凸部分１１Ｂに対応する領域に設けられている。凹凸部分１１Ａおよび凹凸部分１１Ｂは、一方主面１０Ａに垂直な平面視で、いわゆるフォトニック結晶構造に対応する形状に形成されており、第１素子機能部２２から発光される光の波長オーダーの周期で、凹部と凸部とが規則的に配列されている。
【００１９】
第１素子機能部２２のＬＥＤ素子構造５２から発する光は指向性のない光であるが、ＬＥＤ素子構造５２から発した光の多くは、このＬＥＤ素子構造５２に対応する位置にある凹凸部分１１Ａに入射する。この凹凸部分１１Ａに入射した光は、この凹凸部分１１Ａによって光の進行方向が整えられて、一方主面１１Ａから他方主面１１Ｂに向かう方向に集光され、一方主面１０Ａから他方主面１０Ｂに進行する光４０となる。このように、凹凸部分１１Ａに対応する領域に第１素子機能部２２が配置されていることで、第１素子機能部２２が発した光を、第２素子機能部２２に向かって効率的に進行させることができる。
【００２０】
また、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０との界面では、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０との屈折率の相違によって、サファイア単結晶基板１０から半導体基板３０に向かう光が界面で反射されやすい。しかしながら半導体装置１では、他方主面１０Ｂの凹凸部分１１Ｂによって、この界面での反射が抑制されて、サファイア単結晶１０の側から半導体基板３０の側へ、光が出射され易くなっている。半導体装置１では、第１素子機能部２２から発光された光４０は、凹凸部分１１Ａと凹凸部分１１Ｂとを介して、第１素子機能部２２から第２素子機能部３２に効率的に進行し、第２素子機能部３２のＰＤ素子構造６２によって効率的に受光される。第２素子機能部３２のＰＤ素子構造６２は、第３素子機能部２４から送信された電気信号に対応する光３２を、十分に強い光量で受光することができる。
【００２１】
サファイア単結晶基板１０に直接接合された半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２および第４素子機能部３４は、上述のように高い電気信号処理性能を有している。第２素子機能部３２は、受光した光４０に対応する高精度の電気信号を生成して第４素子機能部へ送り、第４素子機能部３４の電子デバイス構造６４は、この電気信号を高速かつ高精度に信号処理することができる。
【００２２】
半導体装置１は、化合物半導体層２０に形成された第１素子機能部２２が発した光を、半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２によって受光する構成とすることで、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに配置した素子機能部と、他方主面１０Ｂに配置した素子機能部との間で、光信号を介した情報やり取りを実施することが可能となっている。このように半導体装置１は、サファイア単結晶基板１０に貫通孔およびビアホール配線を形成することなく、同一のサファイア単結晶基板１０の表裏（一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂ）に配置した素子機能部間で、情報のやり取りを行うことができる。半導体装置１は、ビアホール形成等の煩雑な製造工程を経ることなく、比較的低いコストで作製することができる。また、一方主面１０Ａから他方主面１０Ｂへ、導体で形成された電気配線を通じて信号を送る場合に生じる、電極パッドやビア導体における抵抗損失やインピーダンス不整合による信号の劣化が発生せず、素子機能部間で、高い周波数の信号を高精度に伝送することができる。
【００２３】
また、本実施形態の半導体装置１では、化合物半導体層２０に形成された、高い信号処理性能を有する第３素子機能部２４と、半導体基板３０に形成された、高い信号処理性能を有する第４素子機能部３４とを、同一のサファイア単結晶基板１０の表裏（一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂ）に集積させて配置しており、比較的小型でありながら、高い情報処理精度を有している。
【００２４】
半導体装置１は、例えば以下のような手順で作製することができる。図２（ａ）〜（ｅ）は、半導体装置１の製造方法の一実施形態について説明する概略断面図である。まず、サファイア単結晶基板を準備し、このサファイア単結晶基板の一方主面と他方主面それぞれの所定箇所にエッチング処理を施して、この所定箇所に凹凸部分を形成する。これにより、図２（ａ）に示すような、一方主面１０Ａに凹凸部分１１Ａを有するとともに、他方主面１０Ｂに凹凸部分１１Ｂを有する、サファイア単結晶基板１０を得る。凹凸部分１１Ａおよび凹凸部分１１Ｂを形成するためのエッチングは、ウエットエッチングやドライエッチング、ブラスト法による加工など、公知の手法を用いればよい。
【００２５】
次に、図２（ｂ）に示すように、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａの側に、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法等の公知の手法を用い、バッファ層、クラッド層、導電層など、材料比率が異なる複数のエピタキシャル層を積層し、化合物半導体層２０を形成する。本実施形態のように、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体をエピタキシャル成長させる場合、サファイア単結晶基板１０の温度は約１０００℃〜２０００℃程度に設定される。ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体は、いわゆる横方向成長しやすく、凹凸部分１１Ａにおける凹部分が空間として残留して、この凹部分の開口を閉塞するように化合物半導体層２０が形成される。
【００２６】
次に、図２（ｃ）に示すように、エピタキシャル成長によって形成した化合物半導体層２０に、フォトリソグラフィーやエッチングなどの各種半導体形成プロセスを施し、ＬＥＤ素子構造５２を有する第１素子機能部２２、および電子デバイス構造５４を有する第３素子機能部２４を形成する。第１素子機能部２２と第３素子機能部２４とは、化合物半導体層２０に形成した配線部２９を介して電気的に接続されている。この配線部２９は、化合物半導体層２０自体からなるものでよく、また別途形成した金属層やボンディングワイヤで構成された導体配線からなるものでもよい。配線部２９以外の領域は、抵抗率を上げるドーパントを注入するか、部分的に酸化する等の処理を施し、不要領域に電気が漏洩しない構成としている。なお、配線部２９以外の領域を、例えばエッチングによって除去してもよい。
【００２７】
次に、図２（ｄ）に示すように、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに、半導体基板３０を接合する。上述のように、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂと半導体基板３０とは、表面を活性化させて行う、原子間力などを利用したいわゆる固相接合を用いればよい。このような表面を活性化して行う固相接合では、接合部分が例えば１００℃以下と比較的低温であっても、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０とを十分に強い強度で接合することができる。
【００２８】
次に、図２（ｅ）に示すように、半導体基板３０に、フォトリソグラフィーやエッチングなどの各種半導体形成プロセスを施し、ＰＤ素子構造６２を有する第２素子機能部３２、および電子デバイス構造６４を有する第４素子機能部３４を形成する。これら各種プロセスは、約０℃〜約４００℃以下の温度範囲で行うことができる。このような温度範囲でプロセスを行っても、化合物半導体層２０に与える影響は少なく、結晶構造の劣化による信号処理機能の低下等は発生し難い。第２素子機能部３２と第４素子機能部３４とは、半導体基板３０に形成した配線部３９を介して電気的に接続されている。この配線部３９は、半導体基板３０自体からなるものでよく、また別途形成した金属層やボンディングワイヤで構成された導体配線からなるものでもよい。配線部分以外の領域は、抵抗率を上げるドーパントを注入するか、部分的に酸化する等の処理を施し、不要領域に電気が漏洩しない構成としている。なお、配線部以外の領域を、例えばエッチングによって除去してもよい。半導体層装置１は、このようなプロセスを経て作製することができる。
【００２９】
なお、上記例では、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに半導体基板３０を接合した後に、この半導体基板３０に半導体素子製造プロセスを施して、第２素子機能部３２と第４素子機能部３４とを作製する例について説明したが、本発明の集積型半導体装置の製造方法については特に限定されない。例えば、予め半導体素子製造プロセスによって第２素子機能部３２と第４素子機能部３４とが形成された半導体基板３０を、上述の固相接合法等を用い、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに接合してもよい。
【００３０】
図３は、本発明の集積型半導体装置の他の実施形態である集積型半導体装置２（以下、半導体装置２とする）について説明する概略断面図である。図１では、第１の半導体装置１と同様の構成について、半導体装置１と同じ符号を付している。
【００３１】
半導体装置２は、半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２が光を発光し、化合物半導体層２０に形成された第１素子機能部２２が光を受光する点で、第１実施形態と異なっている。詳しくは、半導体装置２は、サファイア単結晶基板１０と、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに配置された第１素子機能部２２と、同じく一方主面１０Ａに配置された第３素子機能部２４と、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに配置された第２素子機能部３２と、同じく他方主面１０Ｂに配置された第４素子機能部３４と、を備えて構成されている。第１素子機能部２２と第３素子機能部２４はいずれも、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに形成された化合物半導体層２０に形成されている。また、第２素子機能部３２と第４素子機能部３４はいずれも、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに接合された半導体基板３０に形成されている。第２素子機能部３２は、公知の半導体素子製造プロセスを経て半導体基板３０に形成されたＬＥＤ素子構造８２を有しており、第１素子機能部２２は、公知の半導体素子製造プロセスを経て化合物半導体層２０に形成されたＰＤ素子構造７２を有している。また、第３素子機能部２４は、公知の半導体素子製造プロセスを経て形成された、電気信号を処理可能な電子デバイス素子構造７４を有し、第４素子機能部３４は、公知の半導体素子製造プロセスを経て形成された、電気信号を処理可能な電子デバイス素子構造８４を有している。
【００３２】
第４素子機能部３４は第２素子機能部３２に配線部３９を介して電気的に接続されており、第４素子機能部３４の電子デバイス構造８４は、第２素子機能部３２のＬＥＤ素子構造８２に電気信号を送信し、このＬＥＤ素子構造８２が、送信された電気信号に応じた光を発光する。また、第３素子機能部７４は第１素子機能部２２と配線部２９を介して電気的に接続されており、第１素子機能部２２のＰＤ素子構造７２が、サファイア単結晶基板１０を透過した光４０を受光する。第１素子機能部３２のＰＤ素子構造７２は、この受光した光に応じた電気信号を生成して、第４素子機能部３４の電子デバイス構造７４に送信する。
【００３３】
本実施形態の半導体装置２でも、半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２から発光した光を、化合物半導体層４０に形成された第１素子機能部３２によって受光する構成とすることで、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに配置した素子機能部と、他方主面１０Ｂに配置した素子機能部との間で、光信号を介した情報やり取りを実施することが可能となっている。半導体装置２でも、サファイア単結晶基板１０に貫通孔およびビアホール配線を形成することなく、同一のサファイア単結晶基板１０の表裏（一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂ）に配置した素子機能部間で、情報のやり取りを行うことができる。半導体装置２は、半導体１と同様の製造工程を経て作製することが可能であり、製造コストも半導体装置１と同様、比較的低くなっている。また、一方主面１０Ａから他方主面１０Ｂへ、導体で形成された電気配線を通じて信号を送る場合に比べ、電極パッドやビア導体における抵抗損失やインピーダンス不整合による信号の劣化が生じ難く、素子機能部間で、高い周波数の信号を高精度に伝送することができる。
【００３４】
本実施形態の半導体装置２も、化合物半導体層に形成された、高い信号処理性能を有する第３素子機能部２４と、半導体基板に形成された、高い信号処理性能を有する第４素子機能部３４とを、同一のサファイア単結晶基板１０の表裏（一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂ）に集積して配置しており、比較的小型でありながら、素子機能部間で、高い周波数の信号を高精度に伝送することができる。
【００３５】
以上、本発明の集積型半導体装置の実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。半導体基板の材質、化合物半導体層の材質、素子機能部が有する素子構造や、集積型半導体装置の製造方法など、本発明の実施形態は特に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３６】
１、２ 半導体装置
１０ サファイア単結晶基板
１０Ａ 一方主面
１０Ｂ 他方主面
２０ 化合物半導体層
２２ 第１素子機能部
２４ 第３素子機能部
２９、３９ 配線部
３０ 半導体基板
３２ 第２素子機能部
３４ 第４素子機能部
４０ 光
５２、８２ ＬＥＤ素子構造
５４、６４、７４、８４ 電子デバイス素子構造
６２、７２ ＰＤ素子構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積型半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子として機能する素子機能部が複数個電気的に接続された集積型半導体装置は、様々な技術分野で利用されている。これら素子機能部を備える複数の半導体チップをなるべく小さな空間に集め、半導体装置全体のサイズを小さくするための集積化技術も、従来から積極的に開発されている。下記特許文献１には、このような集積化技術の一例が開示されている。図４は、特許文献１に記載の集積型半導体装置の概略断面図である。
【０００３】
特許文献１に記載の集積型半導体装置では、インターポーザと呼ばれる中間基板１００の一方主面１００Ａに、素子機能部を備える半導体チップ１１０Ａが実装され、中間基板１００の他方主面１００Ｂに半導体チップ１１０Ｂが実装されている。特許文献１に記載の中間基板１００は、一方主面１００Ａから他方主面１００Ｂまで貫通するビア導体１４０と、ビア導体１４０の一方主面１００Ａ側の端面に形成された電極パッド１４２Ａと、ビア導体１４０の他方主面１００Ｂ側の端面に形成された電極パッド１４２Ｂとを有している。半導体チップ１１０Ａは表面に電極パッド１１２Ａを備え、半田ボール１５０を介してこの電極パッド１１２Ａがビア導体１４０に電気的に接続されている。半導体チップ１１０Ｂも表面に電極パッド１４２Ｂを備え、半田ボール１５０を介して電極パッド１４２Ｂがビア導体１４０も電気的に接続されている。特許文献１に示す例ではこのように、半導体チップ１００Ａと半導体チップ１００Ｂとが、中間基板１００の一方主面１００Ａと他方主面１００Ｂとにそれぞれ実装され、各半導体チップが、ビア導体１４０を介して電気的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２０３３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の集積型半導体装置のように、中間基板１００に設けたビア導体１４０を介して、複数の半導体チップを電気的に接続する場合には、半導体チップ１１０Ａの電極１１２Ａと、半導体チップ１００Ｂの電極１１２Ｂとに対応するよう、複雑に曲折したビア導体１４０を形成する必要があり、中間基板１００の形成に多大なコストが生じるといった課題があった。また、半導体チップ１１０Ａと半導体チップ１１０Ｂとの間で高周波信号を伝送する場合に、半田ボール１５０やビア導体１４０における抵抗損失やインピーダンス不整合の問題が生じ、半導体チップ間で伝送させる信号の周波数を十分高くすることができないといった課題もあった。また、半導体チップ１１０Ａおよび１１０Ｂ自体の小型化や、接合のための半田ボール１５０の小型化には限界があり、半導体装置全体の小型化に限界があるといった課題があった。本発明は、かかる課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、サファイア単結晶基板と、前記サファイア単結晶基板の一方主面に形成された化合物半導体層と、前記サファイア単結晶基板の他方主面に接合された半導体基板と、前記化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第１素子機能部と、前記半導体基板に形成された、半導体素子として機能する第２素子機能部とを備え、前記第１素子機能部は、光を発光し、前記第２素子機能部は、前記サファイア単結晶基板を透過した前記光を受光することを特徴とする集積型半導体装置を提供する。
【０００７】
また、本発明は、サファイア単結晶基板と、前記サファイア単結晶基板の一方主面にエピタキシャル成長された化合物半導体層と、前記サファイア単結晶基板の他方主面に接合された半導体基板と、前記化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第１素子機能部と、前記半導体基板に形成された、半導体素子として機能する第２素子機能部とを備え、前記第２素子機能部は、光を発光し、前記第１素子機能部は、前記サファイア単結晶基板を透過した前記光を受光することを特徴とする集積型半導体装置を併せて提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の集積型半導体装置は、従来に比べて小型で、素子機能部間で、高い周波数の信号を高精度に伝送することができる。また、本発明の集積型半導体装置は、低いコストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の集積型半導体装置の一実施形態について説明する概略断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ図１に示す集積型半導体装置の製造方法の一実施形態について説明する概略断面図である。
【図３】本発明の集積型半導体装置の他の実施形態について説明する概略断面図である。
【図４】従来の集積型半導体装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の集積型半導体装置の一実施形態である集積型半導体装置１（以下、半導体装置１とする）について説明する概略断面図である。
【００１１】
半導体装置１は、サファイア単結晶基板１０と、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに配置された第１素子機能部２２と、同じく一方主面１０Ａに配置された第３素子機能部２４と、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに配置された第２素子機能部３２と、同じく他方主面１０Ｂに配置された第４素子機能部３４と、を備えて構成されている。第１素子機能部２２と第３素子機能部２４はいずれも、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに形成された化合物半導体層２０に形成されている。また、第２素子機能部３２と第４素子機能部３４はいずれも、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに接合された半導体基板３０に形成されている。半導体装置１では、第１素子機能部２２が光４０を発光し、第２素子機能部３２が、サファイア単結晶基板１０を透過した発光４０を受光する。サファイア単結晶基板の厚さは、例えば０．０１ｍｍから５ｍｍであり、半導体層２０の厚さは例えば０．０１ｍｍから０．５ｍｍであり、半導体基板３０の厚さは０．０１ｍｍから０．５ｍｍである。
【００１２】
本実施形態の半導体装置１では、化合物半導体層２０は、III−Ｖ族化合物半導体を主成分としている。より具体的には、化合物半導体層２０は例えば、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａにエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体を主成分とする化合物半導体層からなる。III−Ｖ族化合物半導体、その中でも特にＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体等は、サファイア単結晶と近い格子定数を有しており、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａには、結晶欠陥等が少なく結晶性が高い化合物半導体層２０をエピタキシャル成長させることができる。第１素子機能部２２と第３素子機能部２４は、エピタキシャル成長された結晶性が高い化合物半導体層２０に形成されている。第１素子機能部２２は、公知の半導体素子製造プロセスを経て化合物半導体層２０に形成されたＬＥＤ素子構造５２を有している。また、第３素子機能部２４は、公知の半導体素子製造プロセスを経て化合物半導体層２０に形成された、電気信号を処理可能な、いわゆるＣＭＯＳ素子機能等を有して構成された電子デバイス素子構造６２を有している。第３素子機能部２４は第１素子機能部２２と配線部２９を介して電気的に接続されている。第３素子機能部２４の電子デバイス構造６２は、配線部２９を介して第１素子機能部２２のＬＥＤ素子構造５２に電気信号を送信し、ＬＥＤ素子構造５２が、送信された電気信号に応じた光を発光する。
【００１３】
III−Ｖ族化合物半導体、特にＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体は、広いバンドギャップと直接遷移型のバンド構造を有しており、電子デバイス素子として用いた場合、高周波信号の処理能力が高く、また高い出力で電気信号を送信することができる。また、III−Ｖ族化合物半導体、特にＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体は、上記物理的特徴から、ＬＥＤ素子として用いた場合、入力された電気信号に対する応答性に優れ、入力された電気信号に応じた高強度の光を発光することができる。また、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、等の各種元素の含有割合を調整することで、バンドギャップの大きさや発光波長などの種々の特性を、広い範囲にわたって細かく調整することができる。
【００１４】
半導体基板３０は、厚さが０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍと比較的薄い、シリコン単結晶基板である。半導体基板３０は例えば、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに、シリコン単結晶基板が公知の接合技術を用いて接合されて構成されている。接合技術としては、接合する対象面の表面を活性化して接合する方法、および静電気力を利用して接合する方法等が挙げられる。表面を活性化する方法としては、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂと、半導体基板３０の接合する対象面を、例えば真空中でイオンビームを照射して表面をエッチングして活性化する方法や、化学溶液で接合する対象面の表面をエッチングして活性化する方法などが挙げられる。表面を活性化させる接合方法は、原子間力などを利用したいわゆる固相接合であり、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０とが直接的に接合される。このような表面を活性化して行う接合では、接合部分が例えば１００℃以下と比較的低温であっても、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０とを十分に強い強度で接合することができる。
【００１５】
第２素子機能部３２と第４素子機能部３４とは、サファイア単結晶基板に接合された半導体基板３０に形成されており、例えば厚さが数百μｍ以上のシリコン単結晶基板の表面部分を加工して形成した素子機能部に比べて、高い電気信号処理性能を有している。これは、比較的厚さの薄い半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２および第４素子機能部３４は、絶縁体であるサファイア単結晶基板１０に接合されているので、素子機能部とそのほかの部分との浮遊容量が小さく、電気信号の機能素子部以外の領域への漏洩も小さく、また、素子機能部へのノイズ信号の侵入も少ない等の理由からである。
【００１６】
第２素子機能部３２は、公知の半導体素子製造プロセスを経て形成された、半導体基板３０に形成されたＰＤ素子構造６２を有している。また、第４素子機能部２４は、公知の半導体素子製造プロセスを経て半導体基板３０に形成された、電気信号を処理可能な電子デバイス素子構造６４を有している。第４素子機能部３４は、第２素子機能部３２と配線部３９を介して電気的に接続されている。ＰＤ素子構造６２を有する第２素子機能部３２は、このＰＤ素子構造６２が、第１素子機能部２２のＬＥＤ素子構造５２から発光された光を受光し、この受光した光に応じた電気信号を生成して、第４素子機能部３４の電子デバイス構造６４に送信する。
【００１７】
サファイア単結晶基板１０は光透過性に優れており、第１素子機能部２２のＬＥＤ素子構造５２から発した光は、サファイア単結晶基板１０内を良好に透過し透過の際の光量損失も小さい。また、半導体装置１では、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０とが、例えば金属や接着材などの接合層を介することなく、固相接合によって直接接合されている。半導体装置１では、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０との界面部分に、透過率を低減させる層がなく、第１素子機能部２２が発光した光は、半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２に良好に入射する。
【００１８】
また、サファイア単結晶基板１０は、一方主面１０Ａに凹凸部分１１Ａを有し、他方主面１０Ｂに凹凸部分１１Ｂを有している。第１素子機能部２２のＬＥＤ素子構造５２は、一方主面１０Ａの凹凸部分１１Ａに対応する領域に設けられており、第２素子機能部３２のＰＤ素子構造６２は、他方主面１０Ｂの凹凸部分１１Ｂに対応する領域に設けられている。凹凸部分１１Ａおよび凹凸部分１１Ｂは、一方主面１０Ａに垂直な平面視で、いわゆるフォトニック結晶構造に対応する形状に形成されており、第１素子機能部２２から発光される光の波長オーダーの周期で、凹部と凸部とが規則的に配列されている。
【００１９】
第１素子機能部２２のＬＥＤ素子構造５２から発する光は指向性のない光であるが、ＬＥＤ素子構造５２から発した光の多くは、このＬＥＤ素子構造５２に対応する位置にある凹凸部分１１Ａに入射する。この凹凸部分１１Ａに入射した光は、この凹凸部分１１Ａによって光の進行方向が整えられて、一方主面１１Ａから他方主面１１Ｂに向かう方向に集光され、一方主面１０Ａから他方主面１０Ｂに進行する光４０となる。このように、凹凸部分１１Ａに対応する領域に第１素子機能部２２が配置されていることで、第１素子機能部２２が発した光を、第２素子機能部２２に向かって効率的に進行させることができる。
【００２０】
また、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０との界面では、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０との屈折率の相違によって、サファイア単結晶基板１０から半導体基板３０に向かう光が界面で反射されやすい。しかしながら半導体装置１では、他方主面１０Ｂの凹凸部分１１Ｂによって、この界面での反射が抑制されて、サファイア単結晶１０の側から半導体基板３０の側へ、光が出射され易くなっている。半導体装置１では、第１素子機能部２２から発光された光４０は、凹凸部分１１Ａと凹凸部分１１Ｂとを介して、第１素子機能部２２から第２素子機能部３２に効率的に進行し、第２素子機能部３２のＰＤ素子構造６２によって効率的に受光される。第２素子機能部３２のＰＤ素子構造６２は、第３素子機能部２４から送信された電気信号に対応する光３２を、十分に強い光量で受光することができる。
【００２１】
サファイア単結晶基板１０に直接接合された半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２および第４素子機能部３４は、上述のように高い電気信号処理性能を有している。第２素子機能部３２は、受光した光４０に対応する高精度の電気信号を生成して第４素子機能部へ送り、第４素子機能部３４の電子デバイス構造６４は、この電気信号を高速かつ高精度に信号処理することができる。
【００２２】
半導体装置１は、化合物半導体層２０に形成された第１素子機能部２２が発した光を、半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２によって受光する構成とすることで、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに配置した素子機能部と、他方主面１０Ｂに配置した素子機能部との間で、光信号を介した情報やり取りを実施することが可能となっている。このように半導体装置１は、サファイア単結晶基板１０に貫通孔およびビアホール配線を形成することなく、同一のサファイア単結晶基板１０の表裏（一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂ）に配置した素子機能部間で、情報のやり取りを行うことができる。半導体装置１は、ビアホール形成等の煩雑な製造工程を経ることなく、比較的低いコストで作製することができる。また、一方主面１０Ａから他方主面１０Ｂへ、導体で形成された電気配線を通じて信号を送る場合に生じる、電極パッドやビア導体における抵抗損失やインピーダンス不整合による信号の劣化が発生せず、素子機能部間で、高い周波数の信号を高精度に伝送することができる。
【００２３】
また、本実施形態の半導体装置１では、化合物半導体層２０に形成された、高い信号処理性能を有する第３素子機能部２４と、半導体基板３０に形成された、高い信号処理性能を有する第４素子機能部３４とを、同一のサファイア単結晶基板１０の表裏（一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂ）に集積させて配置しており、比較的小型でありながら、高い情報処理精度を有している。
【００２４】
半導体装置１は、例えば以下のような手順で作製することができる。図２（ａ）〜（ｅ）は、半導体装置１の製造方法の一実施形態について説明する概略断面図である。まず、サファイア単結晶基板を準備し、このサファイア単結晶基板の一方主面と他方主面それぞれの所定箇所にエッチング処理を施して、この所定箇所に凹凸部分を形成する。これにより、図２（ａ）に示すような、一方主面１０Ａに凹凸部分１１Ａを有するとともに、他方主面１０Ｂに凹凸部分１１Ｂを有する、サファイア単結晶基板１０を得る。凹凸部分１１Ａおよび凹凸部分１１Ｂを形成するためのエッチングは、ウエットエッチングやドライエッチング、ブラスト法による加工など、公知の手法を用いればよい。
【００２５】
次に、図２（ｂ）に示すように、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａの側に、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法等の公知の手法を用い、バッファ層、クラッド層、導電層など、材料比率が異なる複数のエピタキシャル層を積層し、化合物半導体層２０を形成する。本実施形態のように、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体をエピタキシャル成長させる場合、サファイア単結晶基板１０の温度は約１０００℃〜２０００℃程度に設定される。ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体は、いわゆる横方向成長しやすく、凹凸部分１１Ａにおける凹部分が空間として残留して、この凹部分の開口を閉塞するように化合物半導体層２０が形成される。
【００２６】
次に、図２（ｃ）に示すように、エピタキシャル成長によって形成した化合物半導体層２０に、フォトリソグラフィーやエッチングなどの各種半導体形成プロセスを施し、ＬＥＤ素子構造５２を有する第１素子機能部２２、および電子デバイス構造５４を有する第３素子機能部２４を形成する。第１素子機能部２２と第３素子機能部２４とは、化合物半導体層２０に形成した配線部２９を介して電気的に接続されている。この配線部２９は、化合物半導体層２０自体からなるものでよく、また別途形成した金属層やボンディングワイヤで構成された導体配線からなるものでもよい。配線部２９以外の領域は、抵抗率を上げるドーパントを注入するか、部分的に酸化する等の処理を施し、不要領域に電気が漏洩しない構成としている。なお、配線部２９以外の領域を、例えばエッチングによって除去してもよい。
【００２７】
次に、図２（ｄ）に示すように、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに、半導体基板３０を接合する。上述のように、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂと半導体基板３０とは、表面を活性化させて行う、原子間力などを利用したいわゆる固相接合を用いればよい。このような表面を活性化して行う固相接合では、接合部分が例えば１００℃以下と比較的低温であっても、サファイア単結晶基板１０と半導体基板３０とを十分に強い強度で接合することができる。
【００２８】
次に、図２（ｅ）に示すように、半導体基板３０に、フォトリソグラフィーやエッチングなどの各種半導体形成プロセスを施し、ＰＤ素子構造６２を有する第２素子機能部３２、および電子デバイス構造６４を有する第４素子機能部３４を形成する。これら各種プロセスは、約０℃〜約４００℃以下の温度範囲で行うことができる。このような温度範囲でプロセスを行っても、化合物半導体層２０に与える影響は少なく、結晶構造の劣化による信号処理機能の低下等は発生し難い。第２素子機能部３２と第４素子機能部３４とは、半導体基板３０に形成した配線部３９を介して電気的に接続されている。この配線部３９は、半導体基板３０自体からなるものでよく、また別途形成した金属層やボンディングワイヤで構成された導体配線からなるものでもよい。配線部分以外の領域は、抵抗率を上げるドーパントを注入するか、部分的に酸化する等の処理を施し、不要領域に電気が漏洩しない構成としている。なお、配線部以外の領域を、例えばエッチングによって除去してもよい。半導体層装置１は、このようなプロセスを経て作製することができる。
【００２９】
なお、上記例では、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに半導体基板３０を接合した後に、この半導体基板３０に半導体素子製造プロセスを施して、第２素子機能部３２と第４素子機能部３４とを作製する例について説明したが、本発明の集積型半導体装置の製造方法については特に限定されない。例えば、予め半導体素子製造プロセスによって第２素子機能部３２と第４素子機能部３４とが形成された半導体基板３０を、上述の固相接合法等を用い、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに接合してもよい。
【００３０】
図３は、本発明の集積型半導体装置の他の実施形態である集積型半導体装置２（以下、半導体装置２とする）について説明する概略断面図である。図１では、第１の半導体装置１と同様の構成について、半導体装置１と同じ符号を付している。
【００３１】
半導体装置２は、半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２が光を発光し、化合物半導体層２０に形成された第１素子機能部２２が光を受光する点で、第１実施形態と異なっている。詳しくは、半導体装置２は、サファイア単結晶基板１０と、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに配置された第１素子機能部２２と、同じく一方主面１０Ａに配置された第３素子機能部２４と、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに配置された第２素子機能部３２と、同じく他方主面１０Ｂに配置された第４素子機能部３４と、を備えて構成されている。第１素子機能部２２と第３素子機能部２４はいずれも、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに形成された化合物半導体層２０に形成されている。また、第２素子機能部３２と第４素子機能部３４はいずれも、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに接合された半導体基板３０に形成されている。第２素子機能部３２は、公知の半導体素子製造プロセスを経て半導体基板３０に形成されたＬＥＤ素子構造８２を有しており、第１素子機能部２２は、公知の半導体素子製造プロセスを経て化合物半導体層２０に形成されたＰＤ素子構造７２を有している。また、第３素子機能部２４は、公知の半導体素子製造プロセスを経て形成された、電気信号を処理可能な電子デバイス素子構造７４を有し、第４素子機能部３４は、公知の半導体素子製造プロセスを経て形成された、電気信号を処理可能な電子デバイス素子構造８４を有している。
【００３２】
第４素子機能部３４は第２素子機能部３２に配線部３９を介して電気的に接続されており、第４素子機能部３４の電子デバイス構造８４は、第２素子機能部３２のＬＥＤ素子構造８２に電気信号を送信し、このＬＥＤ素子構造８２が、送信された電気信号に応じた光を発光する。また、第３素子機能部７４は第１素子機能部２２と配線部２９を介して電気的に接続されており、第１素子機能部２２のＰＤ素子構造７２が、サファイア単結晶基板１０を透過した光４０を受光する。第１素子機能部３２のＰＤ素子構造７２は、この受光した光に応じた電気信号を生成して、第４素子機能部３４の電子デバイス構造７４に送信する。
【００３３】
本実施形態の半導体装置２でも、半導体基板３０に形成された第２素子機能部３２から発光した光を、化合物半導体層４０に形成された第１素子機能部３２によって受光する構成とすることで、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに配置した素子機能部と、他方主面１０Ｂに配置した素子機能部との間で、光信号を介した情報やり取りを実施することが可能となっている。半導体装置２でも、サファイア単結晶基板１０に貫通孔およびビアホール配線を形成することなく、同一のサファイア単結晶基板１０の表裏（一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂ）に配置した素子機能部間で、情報のやり取りを行うことができる。半導体装置２は、半導体１と同様の製造工程を経て作製することが可能であり、製造コストも半導体装置１と同様、比較的低くなっている。また、一方主面１０Ａから他方主面１０Ｂへ、導体で形成された電気配線を通じて信号を送る場合に比べ、電極パッドやビア導体における抵抗損失やインピーダンス不整合による信号の劣化が生じ難く、素子機能部間で、高い周波数の信号を高精度に伝送することができる。
【００３４】
本実施形態の半導体装置２も、化合物半導体層に形成された、高い信号処理性能を有する第３素子機能部２４と、半導体基板に形成された、高い信号処理性能を有する第４素子機能部３４とを、同一のサファイア単結晶基板１０の表裏（一方主面１０Ａおよび他方主面１０Ｂ）に集積して配置しており、比較的小型でありながら、素子機能部間で、高い周波数の信号を高精度に伝送することができる。
【００３５】
以上、本発明の集積型半導体装置の実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。半導体基板の材質、化合物半導体層の材質、素子機能部が有する素子構造や、集積型半導体装置の製造方法など、本発明の実施形態は特に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３６】
１、２ 半導体装置
１０ サファイア単結晶基板
１０Ａ 一方主面
１０Ｂ 他方主面
２０ 化合物半導体層
２２ 第１素子機能部
２４ 第３素子機能部
２９、３９ 配線部
３０ 半導体基板
３２ 第２素子機能部
３４ 第４素子機能部
４０ 光
５２、８２ ＬＥＤ素子構造
５４、６４、７４、８４ 電子デバイス素子構造
６２、７２ ＰＤ素子構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア単結晶基板と、
前記サファイア単結晶基板の一方主面に形成された化合物半導体層と、
前記サファイア単結晶基板の他方主面に接合された半導体基板と、
前記化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第１素子機能部と、
前記半導体基板に形成された、半導体素子として機能する第２素子機能部と
を備え、
前記第１素子機能部は、光を発光し、前記第２素子機能部は、前記サファイア単結晶基板を透過した前記光を受光することを特徴とする集積型半導体装置。
【請求項２】
前記第１素子機能部は、ＬＥＤ素子構造を有することを特徴とする請求項１記載の集積型半導体装置。
【請求項３】
前記化合物半導体層は、III−Ｖ族化合物半導体を主成分とすることを特徴とする請求項２記載の集積型半導体装置。
【請求項４】
前記化合物半導体層は、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体を主成分とすることを特徴とする請求項３記載の集積型半導体装置。
【請求項５】
前記第２素子機能部は、ＰＤ素子構造を有し、受光した前記光に応じた電気信号を生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項６】
前記半導体基板は、シリコン単結晶基板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項７】
前記サファイア単結晶基板は、前記一方主面に凹凸部分を有し、
前記第１素子機能部は、前記一方主面の前記凹凸部分に対応する領域に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項８】
前記サファイア単結晶基板は、前記他方主面に凹凸部分を有し、
前記第２素子機能部は、前記他方主面の前記凹凸部分に対応する領域に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項９】
前記化合物半導体層に形成された、前記第１素子機能部に電気的に接続された第３素子機能部を有し、
前記第３素子機能部は、前記第１素子機能部に電気信号を送信し、前記第１素子機能部は、前記電気信号に応じた前記光を発光することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項１０】
前記半導体基板に形成された、前記第２素子機能部に電気的に接続された第４素子機能部を有し、
前記第２素子機能部は、受光した前記光に応じた電気信号を生成して前記第４素子機能部に送信し、前記第４素子機能部は、前記第２素子機能部から送信された電気信号を受信することを特徴とする請求項９記載の集積型半導体装置。
【請求項１１】
サファイア単結晶基板と、
前記サファイア単結晶基板の一方主面にエピタキシャル成長された化合物半導体層と、
前記サファイア単結晶基板の他方主面に接合された半導体基板と、
前記化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第１素子機能部と、
前記半導体基板に形成された、半導体素子として機能する第２素子機能部と
を備え、
前記第２素子機能部は、光を発光し、前記第１素子機能部は、前記サファイア単結晶基板を透過した前記光を受光することを特徴とする集積型半導体装置。
【請求項１２】
前記第２素子機能部は、ＬＥＤ素子構造を有することを特徴とする請求項１１記載の集積型半導体装置。
【請求項１３】
前記第１素子機能部は、ＰＤ素子構造を有し、受光した前記光に応じた電気信号を生成することを特徴とする請求項１１または１２に記載の集積型半導体装置。
【請求項１４】
前記サファイア単結晶基板は、前記一方主面に凹凸部分を有し、
前記第１素子機能部は、前記一方主面の前記凹凸部分に対応する領域に形成されていることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項１５】
前記サファイア単結晶基板は、前記他方主面に凹凸部分を有し、
前記第２素子機能部は、前記他方主面の前記凹凸部分に対応する領域に形成されていることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項１６】
前記化合物半導体層に形成された、前記第１素子機能部に電気的に接続された第３素子機能部を有し、
前記第１素子機能部は、受光した前記光に応じた電気信号を生成して前記第３素子機能部に送信し、前記第３素子機能部は、前記第１素子機能部から送信された電気信号を受信することを特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項１７】
前記半導体基板に形成された、前記第２素子機能部に電気的に接続された第４素子機能部を有し、
前記第４素子機能部は、前記第２素子機能部に電気信号を送信し、前記第２素子機能部は、前記電気信号に応じた前記光を発光することを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項１】
サファイア単結晶基板と、
前記サファイア単結晶基板の一方主面に形成された化合物半導体層と、
前記サファイア単結晶基板の他方主面に接合された半導体基板と、
前記化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第１素子機能部と、
前記半導体基板に形成された、半導体素子として機能する第２素子機能部と
を備え、
前記第１素子機能部は、光を発光し、前記第２素子機能部は、前記サファイア単結晶基板を透過した前記光を受光することを特徴とする集積型半導体装置。
【請求項２】
前記第１素子機能部は、ＬＥＤ素子構造を有することを特徴とする請求項１記載の集積型半導体装置。
【請求項３】
前記化合物半導体層は、III−Ｖ族化合物半導体を主成分とすることを特徴とする請求項２記載の集積型半導体装置。
【請求項４】
前記化合物半導体層は、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体を主成分とすることを特徴とする請求項３記載の集積型半導体装置。
【請求項５】
前記第２素子機能部は、ＰＤ素子構造を有し、受光した前記光に応じた電気信号を生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項６】
前記半導体基板は、シリコン単結晶基板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項７】
前記サファイア単結晶基板は、前記一方主面に凹凸部分を有し、
前記第１素子機能部は、前記一方主面の前記凹凸部分に対応する領域に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項８】
前記サファイア単結晶基板は、前記他方主面に凹凸部分を有し、
前記第２素子機能部は、前記他方主面の前記凹凸部分に対応する領域に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項９】
前記化合物半導体層に形成された、前記第１素子機能部に電気的に接続された第３素子機能部を有し、
前記第３素子機能部は、前記第１素子機能部に電気信号を送信し、前記第１素子機能部は、前記電気信号に応じた前記光を発光することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項１０】
前記半導体基板に形成された、前記第２素子機能部に電気的に接続された第４素子機能部を有し、
前記第２素子機能部は、受光した前記光に応じた電気信号を生成して前記第４素子機能部に送信し、前記第４素子機能部は、前記第２素子機能部から送信された電気信号を受信することを特徴とする請求項９記載の集積型半導体装置。
【請求項１１】
サファイア単結晶基板と、
前記サファイア単結晶基板の一方主面にエピタキシャル成長された化合物半導体層と、
前記サファイア単結晶基板の他方主面に接合された半導体基板と、
前記化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第１素子機能部と、
前記半導体基板に形成された、半導体素子として機能する第２素子機能部と
を備え、
前記第２素子機能部は、光を発光し、前記第１素子機能部は、前記サファイア単結晶基板を透過した前記光を受光することを特徴とする集積型半導体装置。
【請求項１２】
前記第２素子機能部は、ＬＥＤ素子構造を有することを特徴とする請求項１１記載の集積型半導体装置。
【請求項１３】
前記第１素子機能部は、ＰＤ素子構造を有し、受光した前記光に応じた電気信号を生成することを特徴とする請求項１１または１２に記載の集積型半導体装置。
【請求項１４】
前記サファイア単結晶基板は、前記一方主面に凹凸部分を有し、
前記第１素子機能部は、前記一方主面の前記凹凸部分に対応する領域に形成されていることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項１５】
前記サファイア単結晶基板は、前記他方主面に凹凸部分を有し、
前記第２素子機能部は、前記他方主面の前記凹凸部分に対応する領域に形成されていることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項１６】
前記化合物半導体層に形成された、前記第１素子機能部に電気的に接続された第３素子機能部を有し、
前記第１素子機能部は、受光した前記光に応じた電気信号を生成して前記第３素子機能部に送信し、前記第３素子機能部は、前記第１素子機能部から送信された電気信号を受信することを特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項１７】
前記半導体基板に形成された、前記第２素子機能部に電気的に接続された第４素子機能部を有し、
前記第４素子機能部は、前記第２素子機能部に電気信号を送信し、前記第２素子機能部は、前記電気信号に応じた前記光を発光することを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−９８３２７（Ｐ２０１３−９８３２７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３９３１９（Ｐ２０１１−２３９３１９）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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