JP2000196175A - サブキャリア及び半導体装置 - Google Patents

サブキャリア及び半導体装置

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JP2000196175A JP10374552A JP37455298A JP2000196175A JP 2000196175 A JP2000196175 A JP 2000196175A JP 10374552 A JP10374552 A JP 10374552A JP 37455298 A JP37455298 A JP 37455298A JP 2000196175 A JP2000196175 A JP 2000196175A
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根 稔 曽
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岡 晃 谷
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Hideto Furuyama
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 モジュールが使用される外気の温度が変化し
てもモジュールの伝送特性を劣化することなくペルチェ
クーラによって効率良く半導体素子の温度を一定に保つ
ことができるサブキャリア及び半導体装置を提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】 サブキャリアの素子固定部の熱伝導率は
高く、素子配線部の熱伝導率は低くする。素子固定部の
熱伝導率は高いので、半導体素子とペルチェクーラとの
間の良好な熱伝導を確保することができ、一方、素子配
線部の熱伝導率は低いので、その表面や側面からの熱の
出入りは制限され、ペルチェクーラに対する熱的な負荷
を大幅に軽減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、サブキャリア及び
半導体装置に関する。より詳細には、本発明は、半導体
レーザなどの各種の半導体素子を固定するサブキャリア
であってペルチェクーラ付き光半導体モジュールに搭載
して好適なサブキャリア及びこれを用いた半導体装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザやトランジスタなどの各種
の半導体素子を固定するサブキャリアは、半導体素子の
寿命向上の観点から熱歪を緩和するため熱膨張係数を合
わせた材料を使用する必要があり、半導体素子から発生
する熱を外囲器に効率良く逃がすため熱伝導性の良い材
料であることも必要とされる。以下では、サブキャリア
の一例として、半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）などの光半導体素子を用いるサブキャリアについて
説明する。
【０００３】光半導体素子は、温度により特性が変化す
る。従って、一定した特性が必要とされる光半導体モジ
ュールにおいては、サブキャリアに固定された半導体素
子の温度を一定に保つため、サブキャリアはペルチェク
ーラーなどの冷却手段の上に固定され、パッケージ（Ｐ
ＫＧ）に固定される。光半導体素子が高速変調される場
合には、光半導体素子の近傍まで形成された所定のイン
ピーダンスを有するストリップラインで配線する必要が
ある。
【０００４】また、光半導体素子のサブキャリアに設け
られているグランド面とペルチェクーラーとの間には電
気的な容量が生じて変調信号に影響をきたす。従って、
伝送周波数が高くなるほど、この容量を減らす必要があ
る。そのため、ペルチェクーラーに固定されたサブキャ
リアの厚さを厚くしたりしてサブキャリアに設けられて
いるグランド面とペルチェクーラーとの間の電気的な容
量を減らす必要がある。
【０００５】またペルチェクーラーの冷暖能力には限界
があり、外気温度と光半導体素子との温度差は限界があ
る。高い温度差を得るためには、ペルチェクーラー上に
固定されたサブキャリアヘの熱の流出入はできるだけ小
さくしたほうがその効率は良くなる。
【０００６】図７は、従来のサブキャリアが搭載された
変調器付き光半導体レーザダイオード（Electroabsorpt
ion Modulation Laser：ＥＭＬ）のモジュールを説明す
るための断面図で、同図（ａ）はＥＭＬモジュールを上
方より見た断面図、同図（ｂ）はＥＭＬモジュールを横
方向より見た断面図である。図７において、７１はＥＭ
Ｌチップ、７２はＥＭＬチップを固定するためのサブキ
ャリア、７３はＥＭＬチップの温度を検出するためのサ
ーミスタ、７４はＥＭＬチップの光量を検出するフォト
ダイオードチップ（ＰＤ）、７５はＰＤを固定するため
のサブマウント、７６はＰＫＧ８１に固定されＥＭＬチ
ップからの光を外部に取り出すためのガラスウインド
ー、７８は前記レンズホルダーとサブキャリアを固定す
るための金属板、７９はＥＭＬチップからの光を集光す
るためのレンズ、８０は前記レンズ７９を固定するため
の材料が金属からなるレンズホルダー、８１はＥＭＬモ
ジュールのパッケージ（ＰＫＧ）、８２はＥＭＬチップ
の温度を制御するペルチェクーラー、８３はＰＫＧ８１
のリード、８４はリード８３との電気的接続をするため
Ａｕワイヤ、８５はＥＭＬチップにおける変調器の終端
抵抗が形成されている終端抵抗、８７は外部からの戻り
光を防止するためのアイソレータ、８８はＥＭＬから放
出された光を光ファイバ８９に導くためのカップリング
レンズ、８９は光ファイバ、９０は光ファイバ８９をア
イソレータ８７に固定するためのフェルールホルダ、９
１はＰＤサブマウントを固定するＰＫＧに形成された橋
板（ブリッジ）である。
【０００７】ＥＭＬチップ７１はジャンクションアップ
でマウントされている。ＥＭＬ７１は、半導体レーザダ
イオード（ＬＤ）からなるレーザ部とその光の強度変調
をする光変調部からなる。このＥＭＬチップ７１を固定
するためのサブキャリア７２の材料は電気的絶縁性があ
り熱伝導性が良いＡｌＮ（窒化アルミニウム）からな
り、サブキャリア７２の上面にはＥＭＬチップ７１を固
定するための電極、ＥＭＬチップ７１の変調器部に信号
を入力するための５０オーム・マイクロストリップライ
ン、サーミスタヘの電気的接続をするための電極、ＥＭ
Ｌチップ７１のレーザ部への電気的接続をするための電
極が設けられている。
【０００８】このように配置されたＥＭＬモジュールで
は、ＥＭＬ素子７１から発光された光は集光レンズ７９
で集められＰＫＧ８１に取り付けられたガラスウインド
ー７６を通りアイソレータ８７内を通過してカップリン
クレンズ８８によって光ファイバ８９に入射される。
【０００９】ＥＭＬ素子７１の特性は、温度によって変
化する。そこでＥＭＬモジュールでは、ＥＭＬチップ７
１の温度をサーミスタ７３で検出し、図示しない温度調
節回路を介してペルチェクーラー８２を動作させること
によってＥＭＬ素子７１の温度を制御するようにしてい
る。
【００１０】また、伝送信号は、マイクロストリップ基
板にある５０オーム・ストリップラインを通じてＥＭＬ
素子７１に印加される。しかし、サブキャリア７２の表
面に形成された電極とペルチェクーラーとの間では、電
気容量が発生する。従って、伝送信号に対する容量の影
響を抑えるためには、サブキャリア７２の厚みをある程
度以上とする必要がある。具体的には、１０Ｇｂｐｓ
（ギガビット毎秒）の伝送信号に対してはサブキャリア
７２の厚みは約２ｍｍ以上、とすることが必要とされ
る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ＥＭＬモジュールは、
種々の環境下に設置され使用されるので、ＥＭＬモジュ
ールの外気温度は必ずしも一定では無い。また、ＥＭＬ
素子のレーザ部には電流が注入され、内部抵抗により熱
が発生して素子の温度が上昇する。ＥＭＬ素子の特性は
温度が変わると変化するので、ＥＭＬ素子の温度を一定
にして使用する必要がある。そこで、ＥＭＬモジュール
ではＥＭＬ素子の温度をサーミスタ７３で検出し、温度
が一定になるようにペルチェクーラ８２で冷却したり暖
めたりする。
【００１２】しかしながら、サブキャリア７２の厚み
は、前述したように２ｍｍあるいはそれ以上と厚くする
ことが必要である。また、サブキャリアの表面には、Ｅ
ＭＬチップヘの配線パターンやサーミスタヘの配線パタ
ーンなどが形成されているため、サブキャリア７２の幅
は数ｍｍであり、ＥＭＬチップよりもはるかに大きい。
また、従来のサブキャリア７２は、ＡｌＮ（窒化アルミ
ニウム）などの熱伝導率の良い材料により形成されてい
る。
【００１３】その結果として、サブキャリアの横面や上
面からの熱の出入りが大きくなる。つまり、サブキャリ
アに対して出入りする熱として、ＥＬＭ素子との間で出
入りする熱以外にも、サブキャリアの横面や上面からの
熱の出入りが大きくなり、ペルチェクーラに対する負荷
が大きくなる。この問題を解決するためには、冷暖能力
の大きいペルチェクーラを使用することも考えられる。
しかし、冷暖能力の大きいペルチェクーラはサイズも大
きいために、ＥＭＬモジュールを大型化しなければなら
ないという問題が生ずる。また、ペルチェクーラの消費
電力も大きくなり、ペルチェクーラを動作させる外部回
路も容量の大きいものにしなけれぱならなくなるという
問題が生ずる。
【００１４】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものである。すなわち、その目的は、モジュール
が使用される外気の温度が変化してもモジュールの伝送
特性を劣化することなくペルチェクーラによって効率良
く半導体素子の温度を一定に保つことができるサブキャ
リア及び半導体装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のサブキャリアは、半導体素子を固定する素
子固定部と、前記半導体素子への電気的な接続のための
電極が設けられた素子配線部と、を第１の主面上に有す
るサブキャリアであって、前記素子固定部の下部は、第
１の熱伝導率を有し且つ電気的絶縁性を有する第１の材
料からなり、前記素子配線部の下部は、前記第１の熱伝
導率よりも低い第２の熱伝導率を有し且つ電気的絶縁性
を有する第２の材料からなることを特徴とする。
【００１６】また、本発明の半導体装置は、前述のサブ
キャリアと、前記素子固定部に固定された半導体素子
と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】または、本発明の半導体装置は、前述のサ
ブキャリアと、前記素子固定部に固定された光半導体素
子と、前記サブキャリアの前記第１の主面と対向する第
２の主面に固定された冷却手段と、を備えたことを特徴
とする。
【００１８】または、本発明の半導体装置は、前述のサ
ブキャリアと、前記素子固定部に固定された光半導体素
子と、前記サブキャリアの前記第１の主面と対向する第
２の主面に固定された冷却手段と、を備え、前記サブキ
ャリアは、前記光半導体素子を密閉し且つ前記光半導体
素子から放出された光を透過する窓が設けられた収容部
をさらに有することを特徴とする。
【００１９】さらに具体的には、本発明のサブキャリア
は、半導体素子を固定するための絶縁性材料からなり、
半導体素子への電気的接続のための電極が形成されてい
る半導体素子用サブキャリアにおいて、半導体素子をが
固定されている素子固定部と素子固定部の周囲にあって
電極が形成されている素子配線局台の熱伝導性が異なる
材料からなり、素子固定部の材料の熱伝導性のほうが素
子配線部の材料のそれより良くなっており、素子固定部
と素子配線部とが一体化固定されていることを特徴とす
る。
【００２０】または、本発明のサブキャリアは、半導体
素子の温度を冷却あるいは昇温させるためのペルチェク
ーラー上に金属板を挟み前記のサブキャリアが固定され
た構成において、サブキャリアの素子固定部と素子配線
部との間には溝が設けられるとともに金属板とサブキャ
リアの素子固定部の下面、または素子固定部の下面と素
子固定部と近傍の素子配線部下面でのみ接触し金属板と
素子配線部下面との間に溝が設けられていることを特徴
とする。
【００２１】または、本発明のサブキャリアは、前記の
サブキャリアの下面に金属板を固定し、光半導体素子へ
の電気的接続のための配線電極が形成されている面に光
半導体素子前面を除き素子配線部の外側周辺に光半導体
素子への電気的接続のための配線電極を一部露出させて
絶縁性材料からなる壁を設け、さらにこの絶縁性材料か
らなる壁の上面と、素子固定部の光半導体素子発光側の
絶縁性材料からなる素子配線部の横面と前述金属板に間
隙なく接着固定させた金属壁を設け、光半導体素子発光
側の金属壁には光半導体素子からの光を外部に取り出す
穴を開け、この光半導体素子用の先取り出し穴にはガラ
ス板または光半導体素子からの光を集光するレンズを隙
間がないように接着固定したことを特徴とするものであ
る。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
の実施の形態を説明する。
【００２３】図１は、本発明によるサブキャリアの第１
の具体例を表す斜視図である。すなわち、同図のサブキ
ャリア２は、レーザやＬＥＤなどの光半導体素子をマウ
ントするためのキャリアである。本発明のサブキャリア
２は、熱伝導性が高い絶縁性材料からなる光半導体素子
をマウントする素子固定部２ａと、熱伝導性が低い絶縁
性材料からなる素子配線部２ｂとからなることをひとつ
の特徴とする。
【００２４】その構成についてさらに説明すると、図１
において、２ｃは図示しない半導体素子例えば光変調器
付き半導体レーザダイオード（ＥＭＬ）チップを固定す
るグランド電極、２ｄはＥＭＬチップの変調器の入力側
の配線電極、２ｅはＥＭＬチップの変調器の終端抵抗へ
の配線電極、２ｆはＥＭＬチップの半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）用の配線電極、２ｇはサーミスタ用の配線電極、２
ｈはＰＤ用サブマウントヘの配線電極、２ｊはＰＤ用サ
ブマウントを固定する電極である。
【００２５】ＥＭＬチップの変調器用の入力側の配線電
極２ｄとＥＭＬチップの変調器の終端抵抗への配線電極
２ｅは、それぞれ特性インピーダンスが５０オームのコ
プレーナ型マイクロストリップラインである。また、Ｌ
Ｄ、サーミスタおよびＰＤは高速変調や高速受信をしな
いので、ＬＤ用の配線電極２ｆ、サーミスタ用の配線電
極２ｇ、およびＰＤ用サブマウントの配線電極２ｈは、
マイクロストリップラインでない一般的な電極で良い。
【００２６】素子固定部２ａは、ＥＭＬチップをマウン
トするグランド電極２ｃを上面に有する四角柱状に形成
されている。素子配線部２ｂは、素子固定部２ａの三方
を取り囲むように形成されている。素子固定部２ａはＡ
ｌＮ（窒化アルミニウム）などの熱伝導率の高い材料か
らなる。これ以外にも、例えば、ＳｉＣ（シリコンカー
バイド）、Ｓｉ（シリコン）などを用いても良い。ま
た、素子配線部２ｂは例えばセラミックス、ガラスなど
の熱伝導率の低い材料からなる。
【００２７】素子固定部２ａと素子配線部２ｂとは、ロ
ウ材などによって接着固定されて一体化されている。サ
ブキャリア２の高さは約２ｍｍであり、縦約７ｍｍ、横
約８ｍｍである。また、素子固定部２ａの上面の寸法
は、縦横それぞれ約１．５ｍｍ程度である。そして、サ
ブキャリア２は、後に詳述するように、電極パターンが
形成された表面とは反対の裏面側において図示しないペ
ルチェクーラなどの冷暖手段と接触固定される。
【００２８】本発明によれば、素子固定部２ａの熱伝導
率は高いので、ＥＭＬチップから発生した熱は、高い効
率で図示しないペルチェクーラに流入する。つまり、Ｅ
ＭＬチップとペルチェクーラとの間の良好な熱伝導を確
保することができる。一方、素子配線部２ｂの熱伝導率
は低いので、その表面や側面からの熱の出入りは制限さ
れ、ペルチェクーラに対する熱的な負荷を大幅に軽減す
ることができる。
【００２９】図２は、本発明のサブキャリアを搭載した
半導体装置を表す斜視説明図である。すなわち、同図の
半導体装置は、光半導体モジュールであり、１はＥＭＬ
チップ、２はサブキャリア、３はＥＭＬチップ１の温度
を検出するためのサーミスタ、４はＥＭＬチップ１から
発光される光強度を検出するためのフォトダイオード
（ＰＤ）チップ、５はＰＤチップ４をサブキャリア２に
固定するためのＰＤ固定台、７はＥＭＬチップ１、サー
ミスタ３、ＰＤ固定台５とサブキャリア２の配線電極と
をそれぞれ接続するためのワイヤ、８は光半導体素子用
サブキャリア２を固定しＥＭＬチップ１の発光側に突出
した金属板、９はＥＭＬチップ２からの発光した光を集
光するための第１のレンズ、１０は第１のレンズ９を保
持する金属ホルダ、１１はＥＭＬモジュールのパッケー
ジ（ＰＫＧ）、１２はサブキャリア２の温度を変えるペ
ルチェクーラー、１３はＰＫＧのリード端子、１４はＰ
ＫＧのリード端子とサブキャリア２との電極を接続する
Ａｕ（金）ワイヤ、１５はＰＫＧ内のＥＭＬチップ１の
変調器の終端用の抵抗、１６はＰＫＧを密閉するＰＫＧ
用蓋、１７はＥＭＬチップ１への戻り光を防止するため
のアイソレータ、１８は第２の集光レンズ、１９は光フ
ァイバである。
【００３０】本発明のサブキャリア２を使用したＥＭＬ
モジュールの組み立て方法は以下の通りである。まず、
金属板８に光半導体素子用サブキャリア２をＡｕＧｅ半
田（融点３５６℃）によって固定する。この際に、サブ
キャリア２の素子固定部２ａと素子配線部２ｂは予めロ
ウづけ固定されているので素子配線部２ｂから光半導体
固定部２ａが外れることは無い。
【００３１】次に、ＥＭＬチップ１をサブキャリア２の
素子固定部２ａにＡｕＳｎ半田（融点２８０℃）を用い
て固定する。ＰＤチップ４は予めＰＤ固定台５にＡｕＳ
ｎ半田を用いて固定しＰＤ固定台５の電極配線（図番な
し）とＰＤチップとのワイヤボンドをしておく。
【００３２】次に、サーミスタ３とＰＤチップ４付きＰ
Ｄ固定台５をサブキャリア２の素子配線部２ｂの所定位
置にＡｇＳｎ半田（融点２２１℃）で固定する。さら
に、固定したＥＭＬチップ１、サーミスタ３及びＰＤ固
定台５とサブキャリア２の配線電極２ｄ、２ｅ、２ｆ、
２ｇ、２ｈとをワイヤで接続する。
【００３３】次に、ＥＭＬチップ１の発光側にのびた金
属板８の上に金属ホルダ１０に固定された集光用の第１
のレンズ９をＥＭＬチップを発光させながら調心して位
置決めを行った後レーザ溶接で固定する。ここで、ＥＭ
ＬのＰＫＧ１１には、予めペルチェクーラー１２をＩｎ
ＰｂＡｇハンダ（融点１４９℃）で固定しておく。
【００３４】その後、前述のとおりチップアッセンブリ
された金属板８をペルチェクーラー１２の上にＢｉＳｎ
ハンダ（融点１３９℃）で固定する。さらに、固定され
たサブキャリア２の電極とＰＫＧ内のリード端子１３と
をＡｕワイヤ１４で接続する。なお、ＰＫＧ内にはＥＭ
Ｌチップ１の変調器の終端用の抵抗１５が形成されてい
る。ＰＫＧにＰＫＧ用蓋１６をシーム溶接にて固定しＰ
ＫＧ内を密閉する。その後、ＰＫＧにアイソレータ１
７、第２の集光レンズ１８、光ファイバ１９を調心して
レーザー溶接で各々固定する。
【００３５】本発明によるサブキャリア２を使用したＥ
ＭＬモジュールでは、サーミスタ３によってサブキャリ
ア２に固定されたＥＭＬチップ１の温度を検出し、外部
の温度制御回路からペルチェクーラーに電流を流すこと
によってＥＭＬチップ１の温度を一定に保つことができ
る。ＡｌＮの熱伝導率は約１７０Ｗ／ｍ・ｋであるのに
対してセラミックスの熱伝導率は１８Ｗ／ｍ・ｋであ
り、１０倍近くの差がある。このため、例えばＥＭＬチ
ップの温度を２５℃に設定した場合であって外気温度が
７０℃の場合には、ＥＭＬチップ１はサブキャリア２の
素子固定部２ａを介してペルチェクーラーによって効率
的に冷却される一方、ペルチェクーラーのその他の表面
は熱伝導率の低い素子配線部２ｂにより覆われ、ＰＫＧ
内部空間からの熱の流入は抑制される。つまり、ＥＭＬ
チップ１のみを効率的に冷却することができ、その他の
不要な熱の出入りを抑えることができる。すなわち、ペ
ルチェクーラーに対する熱的な負荷を大幅に軽減するこ
とができる。
【００３６】その結果として、本発明によれば、モジュ
ールの消費電力を従来よりも低減することができる。ま
た、熱的な負荷が軽減されるために、従来よりも小型の
ペルチェクーラーを用いることが可能となり、モジュー
ルを小型化することができる。
【００３７】さらに、本発明によれば、外部温度と光半
導体素子との温度差を従来よりも大きくすることができ
る。つまり、モジュールを使用することができる環境温
度範囲を従来よりも拡大することができる。例えば、光
通信用の中継器として用いられるモジュールを従来より
も高温または低温の環境下に設置して安定に動作させる
ことができるようになる。
【００３８】また、本発明によれば、光半導体素子の温
度を一定の温度範囲に確実に制御することができる。そ
の結果として、光半導体素子の劣化を防ぎ、寿命を伸ば
して長期的信頼性を改善することもできる。
【００３９】次に、本発明の第２の具体例について説明
する。
【００４０】図３は、本発明による第２のサブキャリア
を表す斜視図である。本具体例によれば、図１に示した
サブキャリアよりもさらに効率よく光半導体素子の温度
を調節することができ、ＰＫＧが設置されている外気温
度とＥＭＬチップの温度差を大きくとれる。
【００４１】すなわち、図３において、３２はサブキャ
リア、３２ａは熱伝導性が良い絶縁性材料からなる素子
固定部、３２ｂは熱伝導性が低い絶縁性材料からなる素
子配線部である。また、２ｃはＥＭＬチップを固定する
グランド電極、２ｄはＥＭＬチップの変調器の入力側の
配線電極、２ｅはＥＭＬチップの変調器の終端抵抗への
配線電極、２ｆはＥＭＬチップの半導体レーザ（ＬＤ）
用の配線電極、２ｇはサーミスタ用の配線電極、２ｈは
ＰＤ用サブマウントヘの配線電極、２ｊはＰＤ用サブマ
ウントを固定する電極である。各電極２ｃ〜２ｊの具体
的な構成は、図１に関して前述したものと概略同様とす
ることができるので、その詳細な説明は省略する。
【００４２】図３において、３２ｋは素子固定部３２ａ
と素子配線部３２ｂを固定しＥＭＬチップ３１の発光側
に突出した金属板、３２ｍは素子固定部３２ａと素子配
線部３２ｂとの間に形成された溝、３２ｎは素子配線部
３２ｂと金属板３２ｋとの間に形成された間隙部であ
る。素子固定部３２ａと素子配線部３２ｂと金属板３２
ｋとはロウ材などによって接着固定されて一体化されて
いる。
【００４３】素子固定部３２ａはＡｌＮからなり、素子
配線部３２ｂはセラミックスからなる。素子固定部３２
ａの大きさは、高さ約２ｍｍ、縦横約１．５×１．５ｍ
ｍである。また、素子固定部３２ａと素子配線部３２ｂ
との間に形成された溝３２ｍの幅は約０．３ｍｍ、深さ
は１．５ｍｍであり、素子配線部３２ｂと金属板３２ｋ
との間に形成された間隙部３２ｎの幅は０．５ｍｍであ
る。
【００４４】本具体例においても、素子固定部３２ａを
熱伝導率の高い材料で形成し、素子配線部３２ｂを熱伝
導率の低い材料で形成することによって、図１に関して
前述した種々の効果を同様に得ることができる。
【００４５】さらに、本具体例においては、素子固定部
３２ａと素子配線部３２ｂとの間に溝３２ｍが設けら
れ、これらの間の熱の出入りが遮断される。さらに、素
子配線部３２ｂと金属板３２ｋとの間に間隙部３２ｎが
設けられ、これらの間の熱の出入りが大幅に抑制され
る。つまり、素子配線部３２ｂと金属板３２ｋとの間の
熱の流路を前述した第１具体例よりもさらに制限するこ
とができる。
【００４６】つまり、本具体例によれば、ＥＭＬチップ
とペルチェクーラとの間の良好な熱伝導を確保しつつ、
素子配線部２ｂの表面や側面からの熱の出入りを大幅に
制限し、ペルチェクーラに対する熱的な負荷をさらに大
幅に軽減することができる。図４は、本具体例のサブキ
ャリアを搭載した半導体装置の断面構造を表す概念図で
ある。すなわち、同図の半導体装置は、光半導体モジュ
ールであり、図２に示したモジュールと同一の部分には
同一符号を付した。すなわち、図４において、１はＥＭ
Ｌチップ、３２はサブキャリア、３はＥＭＬチップ１の
温度を検出するためのサーミスタ、４はＥＭＬチップ１
から発光される光強度を検出するためのＰＤチップ、５
はＰＤチップ４を光半導体素子用サブキャリア３２に固
定するためのＰＤ固定台、９はＥＭＬチップ１からの発
光した光を集光するための第１のレンズ、１０は第１の
レンズ９を保持する金属ホルダ、１１はＥＭＬモジュー
ルのパッケージ（ＰＫＧ）、１２は光半導体素子用サブ
キャリア３２の温度を変えるペルチェクーラー、１６は
ＰＫＧを密閉するＰＫＧ用蓋、１７はＥＭＬチップ１へ
の戻り光を防止するためのアイソレータ、１８は第２の
集光レンズ、４１は光ファイバ、２０はフェルールホル
ダーである。
【００４７】本具体例によるサブキャリア３２を使用し
たＥＭＬモジュールは、光半導体素子用サブキャリア３
２に始めから金属板３２ｋが固定されているが、その他
の部分に関する組み立て方法は、図２に示した具体例の
モジュールと同様である。
【００４８】ＡｌＮの熱伝導度は約１７０Ｗ／ｍ・ｋで
あるのに対しセラミックスは１８Ｗ／ｍ・ｋであり１０
倍近く差がある。従って、本具体例のモジュールも、図
２に例示したモジュールと同様の種々の効果を得ること
ができる。
【００４９】さらに、本具体例においては、素子固定部
３２ａと素子配線部３２ｂとの間には溝３２ｍが設けら
れているために、素子固定部３２ａと素子配線部３２ｂ
との間の熱の流出入は小さくなる。さらに、素子配線部
３２ｂと金属板３２ｋとの間にも間隙部３２ｎが形成さ
れているため、金属板３２ｋと素子配線部３２ｂとの間
の直接的な熱の流出入も抑制される。このため、素子配
線部３２ｂの上面や側面を介してＰＫＧ内部空間から流
出入する熱の流れを大幅に抑制することができる。
【００５０】この結果として、本具体例によれば、モジ
ュール内の光半導体の温度を一定に保つためのペルチェ
クーラの効率は更に良くなり、ＰＫＧが設置されている
外気温度とＥＭＬチップ１との温度差を大きくとれるこ
とができる。つまり、本具体例によれば、ペルチェクー
ラー１２によってＥＭＬチップ１のみを効率良く冷却ま
たは加熱することができ、素子配線部３１ｂを介した熱
の出入りを遮断してペルチェクーラーの熱的な負荷を大
幅に軽減することができる。
【００５１】また、素子固定部３２ａと素子配線部３２
ｂとの間の溝３２ｍにより、素子固定部３２ａの上面の
所定の位置にＥＭＬチップ１を固定する際に使用するＡ
ｕＳｎハンダが素子配線部３２ｂ上の電極３２ｄ、３２
ｅ、３２ｆに流出して短絡などが生ずる弊害を防止する
こともできる。
【００５２】前述第２の具体例では素子固定部３２ａと
素子配線部３２ｂとがそれぞれの下部で接触していた
が、素子固定部３２ａと素子配線部３２ｂとは接触しな
くてもよく、金属板３２ｋと素子固定部３２ａの下面、
および金属板３２ｋと素子配線部３２ｂの下面の一部で
それぞれ固定された構造であっても同様の効果が得られ
る。
【００５３】次に、本発明の第３の具体例について説明
する。
【００５４】図５は、本発明の第３の具体例にかかる光
半導体素子用サブキャリアを表す一部切断斜視図であ
る。本具体例においては、ＰＫＧが設置されている外気
温度とＥＭＬチップとの温度差を必要とされる範囲内に
維持しつつ、ＥＭＬチップやＰＤチップをサブキャリア
内に気密封止できるように収容部をさらに設けたことを
特徴とする。
【００５５】同図において、５２はサブキャリア、５２
ａはサブキャリア５２に形成された熱伝導性が良い絶縁
性材料からなる素子固定部、５２ｂはサブキャリア５２
に形成された熱伝導性が低い絶縁性材料からなる素子配
線部である。なお、図５は、後方側から眺めた斜視図で
あるが、前方側から眺めた場合には、素子固定部５２ａ
と素子配線部５２ｂは、それぞれ図１に例示したような
形状となるように形成されている。
【００５６】また、図５において、２ｃはＥＭＬチップ
を固定するグランド電極、２ｄはサブキャリア５２に形
成されたＥＭＬチップの変調器の入力側の配線電極、２
ｅはサブキャリア５２に形成されたＥＭＬチップの変調
器の終端抵抗への配線電極、２ｆはサブキャリア５２に
形成されたＥＭＬチップの半導体レーザ（ＬＤ）用の配
線電極、２ｇはサブキャリア５２に形成されたサーミス
タ用の配線電極、２ｈはサブキャリア５２に形成された
ＰＤ用の配線電極、２ｊはＰＤ用サブマウントを固定す
る電極である。各電極２ｃ〜２ｊの具体的な構成は、図
１に関して前述したものと概略同様とすることができる
ので、その詳細な説明は省略する。
【００５７】また、図５において、５２ｋは素子固定部
５２ａと素子配線部５２ｂを固定しＥＭＬチップの発光
側に突出した金属板、５２ｐは素子配線部５２ｂの上面
の周辺部に「コ」の字状に固定された熱伝導率が低い絶
縁性材料からなる外壁、５２ｑは外壁５２ｐの上面及び
ＥＭＬチップの前面側の素子配線部５２ｂ側面に接触
し、その上に蓋をシーム溶接できるようにした金属壁、
５２ｒはＥＭＬチップから放出される光をサブキャリア
５２の外部にとりだすための金属壁５２ｑに形成された
ガラス窓または集光レンズである。
【００５８】なお、図５においては、キャリアの上面を
透視するために、金属壁５２ｑの一部を切断してその内
側を表した。
【００５９】本具体例においても、素子固定部５２ａ
は、例えばＡｌＮなどの熱伝導率の高い絶縁性材料から
なり、素子配線部５２ｂは例えばセラミックスなどの熱
伝導率の低い絶縁性材料からなる。
【００６０】また、金属板５２ｋは例えばＣｕＷ（銅タ
ングステン）、外壁５２ｐはセラミックス、金属壁３２
ｑはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ（鉄−ニッケル−コバルト）合金
からなる。素子固定部５２ａの大きさは高さ約２ｍｍ
で、縦横それぞれ約１．５ｍｍとすることができる。ま
た、外壁５２ｐの高さは約２ｍｍ、金属壁３２ｑの高さ
は約２ｍｍとすることができる。
【００６１】本具体例においても、素子固定部３２ａを
熱伝導率の高い材料で形成し、素子配線部３２ｂを熱伝
導率の低い材料で形成することによって、図１または図
３に関して前述した種々の効果を同様に得ることができ
る。
【００６２】さらに、本具体例によれば、光半導体素子
を確実に密閉し、後に詳述するように、モジュール化に
際して組立が容易で光軸のズレも抑制され、信頼性も改
善することができる。
【００６３】図６は、本発明の第３の具体例にかかるサ
ブキャリアを搭載した光半導体モジュールの断面構造を
表す概念図である。同図においては、図２に示したモジ
ュールと同一の部分には同一符号を付した。すなわち、
図６において、１はＥＭＬチップ、５２はサブキャリ
ア、５３はＥＭＬチップ５１の温度を検出するためのサ
ーミスタ、４はＥＭＬチップ１から発光される光強度を
検出するためのフォトダイオード（ＰＤ）チップ、５は
ＰＤチップ４を固定するためのＰＤ固定台、９はＥＭＬ
チップ１から放出した光を集光するためのレンズ、１０
はレンズ９を保持する金属ホルダ、１１はＥＭＬモジュ
ールのパッケージ（ＰＫＧ）、１２はペルチェクーラ
ー、１６はＰＫＧの上部を閉じるＰＫＧ用蓋、６６はサ
ブキャリアの上部を密閉する蓋、１７はＥＭＬチップ１
への戻り光を防止するためのアイソレータ、１９は光フ
ァイバ、２０はフェルールホルダである。
【００６４】図６に示したＥＭＬモジュールの組み立て
方法は以下の如くである。すなわち、まず、ＥＭＬチッ
プ１をサブキャリア５２の素子固定部５２ａにＡｕＳｎ
半田（融点２８０℃）を用いて固定する。ＰＤチップ４
は予めＰＤ固定台５にＡｕＳｎ半田を用いて固定し、Ｐ
Ｄ固定台５の電極配線（図示せず）とＰＤチップとのワ
イヤボンドをしておく。その後、サーミスタ３とＰＤチ
ップ４つきＰＤ固定台５を素子配線部５２ｂの所定位置
にＡｇＳｎ半田（融点２２１℃）で固定する。
【００６５】固定したＥＭＬチップ１、サーミスタ３及
びＰＤ固定台５と素子配線部５２ｂの配線電極２ｆ、２
ｇ、２ｈとをそれぞれワイヤで接続する。サブキャリア
５２に蓋６６をシーム溶接しサブキャリア５２内を気密
封止する。その後、ガラス窓５２ｎの外側に金属ホルダ
ー１０に固定されたレンズ９をＥＭＬチップ１と調心し
てＥＭＬチップ１の発光側にある金属壁５２ｑにレーザ
溶接で固定する。
【００６６】さらに、この固定された金属ホルダー１０
に戻り光防止用のアイソレーター１７をレーザ溶接で固
定する。そして、アイソレーター１７にフェルールホル
ダ２０を使用して光ファイバ１９をＥＭＬチップ１から
の光と調心した後レーザー溶接で固定する。ＰＫＧ１１
には予めペルチェクーラー１２をＩｎＰｂＡｇ半田（融
点１４９℃）で固定しておく。その後、前述のとおり気
密封止されたサブキャリア５２の金属板５２ｋをペルチ
ェクーラー１２上面にＢｉＳｎ半田（融点１３９℃）で
固定する。固定された素子配線部５２ｂの上面にある電
極とＰＫＧ１１内のリード端子とをワイヤで接続する。
【００６７】ＡｌＮの熱伝導度は約１７０Ｗ／ｍ・ｋで
あるのに対しセラミックスは１８Ｗ／ｍ・ｋであり１０
倍近く差がある。従って、本具体例のモジュールも、図
２に例示したモジュールと同様の種々の効果を得ること
ができる。
【００６８】さらに、本具体例によれば、ＥＭＬチップ
１やＰＤチップ４はサブキャリア５２内に気密封止され
ているので信頼性にもすぐれている。
【００６９】また、本具体例によれば、ＥＭＬチップ１
は光ファイバ１９とレーザ溶接やＡｕＳｎハンダで光学
結合されので光学系がずれることが少なくなり光ファイ
バの光出力が安定したものが得られる。これに対して、
図７に例示したような従来のモジュールの場合には、Ｐ
ＫＧ８１に「Ｈ字型」のブリッジ９１を設置し、このブ
リッジの上にモニタＰＤ付きＰＤ用固定台７５を設置し
ている。しかし、このような構造では、このブリッジが
障害になり、ペルチェクーラ８２をＰＫＧ８１内へ取り
付けることが簡単でない。
【００７０】また、ＥＭＬチップ７１から放出された光
をファイバ８９に結合するためのレンズが２個設けられ
ているが、１個目のレンズ７９はペルチェクーラー８２
の上に設けられているのに対して、２個目のレンズ８８
がＰＫＧ８１に固定されている。このため、レンズ８８
が固定されているペルチェクーラー８２がＰＫＧ８１か
らわずかにずれただけで、光ファイバ８９ヘの光の入射
パワーが変化してしまうという問題が生ずる。
【００７１】この問題を解決するためには、ペルチェク
ーラー８２とＰＫＧ８１との間の全体に渡ってハンダが
十分にいきわたり、ペルチェクーラー８２とＰＫＧ８１
とが密着していなければならない。しかし、前述のよう
にブリッジ９１が障害になり、ペルチェクーラー８２と
ＰＫＧ８１とを強固に固定しにくい。また、ＥＭＬチッ
プ７１から放出される光を検出するためのモニターＰＤ
７４の高さはＥＭＬチップ７１の高さに合わせなければ
ならないが、ペルチェクーラー８２の厚さのばらつきや
ペルチェクーラー８２と金属板７８との間およびペルチ
ェクーラー８２とＰＫＧ８１との間のハンダの厚さのば
らつきなどによりＥＭＬチップ７１とモニターＰＤ７４
との高さがずれやすく、必要な光検出量が得られなくな
るという問題もあった。
【００７２】このような従来のモジュールに対して、図
６に例示した本具体例のモジュールでは、ＥＭＬチップ
１は、サブキャリア５２を介してレンズ９及び光ファイ
バ１９と確実に固定される。従って、モジュールの組立
が容易且つ確実なものとなり、製造コストを低減するこ
ともできる。さらに、機械的衝撃や振動あるいは温度の
変動などに対して、光学系の結合がずれることも少なく
なり長期間に渡って光ファイバの光出力が安定したもの
が得られる。また、ＥＭＬチップ１とモニタ用のＰＤ４
もサブキャリア５２の上に固定されるので、光軸がずれ
る問題が解消され、モニタ出力も極めて安定したものと
なる。
【００７３】以上具体例を参照しつつ、本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。
【００７４】例えば、本発明のサブキャリアの材料や形
状は、用途に応じて当業者が適宜最適化することがで
き、その場合にも、前述したものと同様の作用効果を同
様に得ることができる。
【００７５】また、本発明のサブキャリア搭載する半導
体素子は、前述したＥＭＬチップに限定されず、その
他、半導体レーザ、ＬＥＤ、受光素子などの光半導体素
子や、バイポーラ・トランジスタ、電界効果トランジス
タ、サイリスタ、ダイオードあるいは各種の集積回路素
子などの半導体素子を挙げることができる。本発明によ
れば、特に、大電力デバイスや高速演算素子のような発
熱量の大きい半導体素子の冷却効率を改善することがで
きる点で効果的である。
【００７６】また、各具体例として表した光半導体モジ
ュールも例示に過ぎない。すなわち、モジュールの具体
的な構成についても、当業者が適宜変更して同様の作用
効果を得ることができる。例えば、前述した具体例にお
いては、主にＥＭＬチップを冷却する場合を例に挙げて
説明したが、これとは逆に、サブキャリアの上の半導体
素子を加熱するような場合においても、本発明は同様の
効果を奏する。
【００７７】
【発明の効果】本発明は、以上説明した形態により実施
され、以下に説明する効果を奏する。まず、本発明によ
れば、素子固定部の熱伝導率は高いので、ＥＭＬチップ
とペルチェクーラとの間の良好な熱伝導を確保すること
ができ、一方、素子配線部２ｂの熱伝導率は低いので、
その表面や側面からの熱の出入りは制限され、ペルチェ
クーラに対する熱的な負荷を大幅に軽減することができ
る。
【００７８】また、本発明によれば、モジュールの消費
電力を従来よりも低減することができる。また、熱的な
負荷が軽減されるために、従来よりも小型のペルチェク
ーラーを用いることが可能となり、モジュールを小型化
することができる。
【００７９】さらに、本発明によれば、外部温度と光半
導体素子との温度差を従来よりも大きくすることができ
る。つまり、モジュールを使用することができる環境温
度範囲を従来よりも拡大することができる。例えば、光
通信用の中継器として用いられるモジュールを従来より
も高温または低温の環境下に設置して安定に動作させる
ことができるようになる。
【００８０】また、本発明によれば、光半導体素子の温
度を一定の温度範囲に確実に制御することができる。そ
の結果として、光半導体素子の劣化を防ぎ、寿命を伸ば
して長期的信頼性を改善することもできる。
【００８１】さらに、本発明においては、素子固定部と
素子配線部との間に溝を設け、また、素子配線部の下に
間隙部を設けることによって、これらの間の熱の出入り
が大幅に抑制され、素子配線部と冷却手段との間の熱の
流路をさらに制限してすることができる。すなわち、半
導体素子と冷却手段との間の良好な熱伝導を確保しつ
つ、素子配線部の表面や側面からの熱の出入りを大幅に
制限し、冷却手段に対する熱的な負荷をさらに大幅に軽
減することができる。
【００８２】さらに、本発明によれば、サブキャリアの
上に半導体素子を密閉する収容部をさらに設けることに
より、信頼性にもすぐれる。
【００８３】また、本発明によれば、半導体素子は、サ
ブキャリアを介してレンズ及び光ファイバと確実に固定
される。従って、モジュールの組立が容易且つ確実なも
のとなり、製造コストを低減することもできる。さら
に、機械的衝撃や振動あるいは温度の変動などに対し
て、光学系の結合がずれることも少なくなり長期間に渡
って光ファイバの光出力が安定したものが得られる。ま
た、半導体素子とモニタ用のＰＤもサブキャリアの上に
固定されるので、光軸がずれる問題が解消され、モニタ
出力も極めて安定したものとなる。
【００８４】以上説明したように、本発明によれば、ペ
ルチェクーラに対する熱的な負荷を大幅に軽減して、小
型、低消費電力且つ高性能と高信頼性を有する各種の半
導体装置を提供することができるようになり、産業上の
メリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるサブキャリアの第１の具体例を表
す斜視図である。
【図２】本発明のサブキャリアを搭載した半導体装置を
表す斜視説明図である。
【図３】本発明による第２のサブキャリアを表す斜視図
である。
【図４】本具体例のサブキャリアを搭載した半導体装置
の断面構造を表す概念図である。
【図５】本発明の第３の具体例にかかる光半導体素子用
サブキャリアを表す一部切断斜視図である。
【図６】本発明の第３の具体例にかかるサブキャリアを
搭載した光半導体モジュールの断面構造を表す概念図で
ある。
【図７】従来のサブキャリアが搭載された変調器付き光
半導体レーザダイオード（electrical modulated lase
r：ＥＭＬ）のモジュールを説明するための断面図で、
同図（ａ）はＥＭＬモジュールを上方より見た断面図、
同図（ｂ）はＥＭＬモジュールを横方向より見た断面図
である。
【符号の説明】
１ 光半導体素子 ２、３２、５２ サブキャリア ２ａ 素子固定部 ２ｂ 素子配線部 ２ｃ グランド電極 ２ｄ 配線電極 ２ｅ 配線電極 ２ｆ 配線電極 ２ｇ 配線電極 ２ｈ ＰＤ用サブマウントヘの配線電極 ２ｊ ＰＤ用サブマウントを固定する電極 ３ サーミスタ ４ フォトダイオード（ＰＤ）チップ ５ ＰＤ固定台 ７ ワイヤ ８ 金属板 ９ 第１のレンズ １０ 金属ホルダ １１ パッケージ（ＰＫＧ） １２ ペルチェクーラー １３ リード端子 １４ Ａｕ（金）ワイヤ １５ 終端用の抵抗 １６ ＰＫＧ用蓋 １７ アイソレータ １８ 第２の集光レンズ １９ 光ファイバ ３２ｍ 溝 ３２ｎ 間隙部 ５２ｋ 金属板 ５２ｐ 絶縁性材料からなる外壁 ５２ｑ 金属壁 ５２ｒ 金属壁５２ｑに形成されたガラス窓または集光
レンズ ７１ ＥＭＬチップ ７２ サブキャリア ７３ サーミスタ ７４ フォトダイオードチップ（ＰＤ） ７５ サブマウント ７６ ガラスウインドー ７８ 金属板 ７９ レンズ ８０ レンズホルダ ８１ パッケージ（ＰＫＧ） ８２ ペルチェクーラー ８３ リード ８４ Ａｕワイヤ ８５ 終端抵抗 ８７ アイソレータ ８８ カップリングレンズ ８９ 光ファイバ ９０ フェルールホルダ ９１ 橋板（ブリッジ）
フロントページの続き (72)発明者 森 永 素 安 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 古 山 英 人 神奈川県川崎市幸区堀川町72番地 株式会 社東芝川崎事業所内 Ｆターム(参考） 5F041 DA03 DA29 DA35 EE04 EE25 5F073 AB21 EA12 EA28 FA04 FA07 FA08 FA13 FA15 FA16 FA18 FA25 GA23

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体素子を固定する素子固定部と、 前記半導体素子への電気的な接続のための電極が設けら
    れた素子配線部と、 を第１の主面上に有するサブキャリアであって、 前記素子固定部の下部は、第１の熱伝導率を有し且つ電
    気的絶縁性を有する第１の材料からなり、 前記素子配線部の下部は、前記第１の熱伝導率よりも低
    い第２の熱伝導率を有し且つ電気的絶縁性を有する第２
    の材料からなることを特徴とするサブキャリア。
  2. 【請求項２】請求項１記載のサブキャリアと、 前記素子固定部に固定された半導体素子と、 を備えたことを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項３】請求項１記載のサブキャリアと、 前記素子固定部に固定された光半導体素子と、 前記サブキャリアの前記第１の主面と対向する第２の主
    面に対して固定された冷却手段と、 を備えたことを特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項４】請求項１記載のサブキャリアと、 前記素子固定部に固定された光半導体素子と、 前記サブキャリアの前記第１の主面と対向する第２の主
    面に対して固定された冷却手段と、 を備え、 前記サブキャリアは、前記光半導体素子を密閉し且つ前
    記光半導体素子から放出された光を透過する窓が設けら
    れた収容部をさらに有することを特徴とする請求項３記
    載の半導体装置。
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