JP2000244048A - 半導体光装置と半導体光装置の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体光素子の温度制御の高速化を図るとと
もに、高密度に集積された半導体光素子を個々に温度制
御する。 【解決手段】 第１の温度調整素子２が一体に設けられ
た半導体光素子１が少なくとも１つ形成された半導体基
板６と、ヒートシンク５と、第２の温度調整素子４とを
備え、半導体基板６は、第１の温度調整素子２が設けら
れた面の第１の温度調整素子２以外の領域が突出した形
状であり、この半導体基板６の突出した領域がヒートシ
ンク５に接するように、このヒートシンク５を介して第
２の温度調整素子４に取り付けられた半導体光装置を提
供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光装置と半
導体光装置の温度制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体レーザ（以下、ＬＤとい
う）装置において、ＬＤ素子に注入される電流と素子の
内部抵抗によって、ＬＤ素子内部で発熱が起こる。この
ような場合、熱によってＬＤ内部の利得が変動し、ＬＤ
の発振波長が不安定になる問題がある。このような問題
の解決手段として、従来、ペルチェ素子などを用いてＬ
Ｄ装置の温度変化を抑える方法やＬＤに注入される電流
を調整する方法が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
ペルチェ素子などを用いて半導体光装置の温度変化を抑
制する従来の方法では、半導体光素子と温度調整を行う
ペルチェ素子などとの間隔が離れているため、ペルチェ
素子からの熱伝搬に要する時間程度の制御時間のずれが
生じる。また、ＬＤに注入される電流を調整する従来の
方法では、ＬＤの発光に寄与する駆動電流を調整してい
るため、発振波長の調整を行うことにより発振出力が変
動してしまう。これらのことは、例えば光通信などの光
源に使われるＬＤにおいてＬＤからの発振波長や発振出
力が揺らぐ原因となり、通信システムの安定性に関わる
重要な問題となる。本発明は、上記の課題を解決するた
めになされたものであり、半導体光素子の温度制御の高
速化を図るとともに、高密度に集積された半導体光素子
を個々に自由に温度制御することを可能とする半導体光
装置とその温度制御法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の半導体光装置は、第１の温度調整素子
が一体に設けられた半導体光素子が少なくとも１つ形成
された半導体基板と、ヒートシンクと、第２の温度調整
素子とを備え、半導体基板は、第１の温度調整素子が設
けられた面の第１の温度調整素子以外の領域が突出した
形状であり、半導体基板は、この半導体基板の突出した
領域がヒートシンクに接するように、このヒートシンク
を介して第２の温度調整素子に取り付けられていること
によって特徴づけられる。また、上述したヒートシンク
の一構成例は、パターン配線とはんだバンプとを備え、
パターン配線がはんだバンプを通して半導体光素子及び
第１の温度調整素子に接続されている。また、上述した
半導体基板の一構成例は、第１の温度調整素子が設けら
れた面の第１の温度調整素子以外の突出した領域が熱伝
導の良い材質で構成されている。また、上述した第１の
温度調整素子の一構成例は、半導体光素子形成側の半導
体基板表面であって、半導体光素子の上面に設けられて
いる。上述の第１の温度調整素子の一構成例は、薄膜抵
抗で構成されている。

【０００５】上述した半導体光装置を温度制御するため
に、第２の温度調整素子を用いて半導体光装置全体の温
度を調整する第１の温度制御工程と、第１の温度調整素
子を用いて半導体光素子を局所的に加熱する第２の温度
制御工程とからなる温度制御方法が提供される。この場
合、第２の温度制御工程は、半導体光素子が射出する光
の波長を所定の値に保つように第１の温度調整素子に流
す電流を制御することによって特徴づけられる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に図を用いてこの発明の実施
の形態を説明する。はじめに、この発明の第１の実施の
形態について説明する。図１は、この発明の第１の実施
の形態である半導体光装置を示す構成図であり、図２は
図１のII-II方向の矢視図、図３は図１のIII-III方向の
矢視図である。この半導体光装置は、第１の温度調整素
子２と半導体光素子１が一体に形成された半導体基板６
と、パターン配線５１，５３とはんだバンプ５２，５４
が形成されたヒートシンク５と、第２の温度調整素子４
とを備え、半導体基板６の第１の温度調整素子２が設け
られた面がヒートシンク５のパターン配線５１，５３と
はんだバンプ５２，５４が形成された面に取り付けら
れ、ヒートシンク５の他方の面に第２の温度調整素子４
が取り付けられている。

【０００７】ここで、半導体基板６の一方の面には溝が
設けられており、この溝の底面から半導体光素子１が埋
め込まれて形成され、溝の底面に半導体光素子１の駆動
電極１１が設けられている。また、この駆動電極１１に
絶縁膜２１を介して第１の温度調整素子２が設けられて
いる。また、半導体基板６の溝が設けられた面の溝以外
の台地状部分は熱伝導テラス３でありヒートシンク５と
の熱伝導効率を高めるため熱伝導率の良い材料で構成さ
れている。

【０００８】このような構成において、半導体基板６に
は、例えばインジウム・リン（ＩｎＰ）基板やガリウム
砒素（ＧａＡｓ）基板を用いる。また、半導体光素子１
には、発振波長１．５μｍのＤＦＢ半導体レーザ（Dist
ributed Feed Back-Laser Diode ）を用いる。このＤＦ
Ｂ半導体レーザは、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａ
ＡｓＰ系の化合物半導体から各層を構成し、活性層に圧
縮比が１％程度である厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓＰから
なる井戸層と、厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓＰからなるバ
リア層とが６組重ねられた多重量子井戸構造の、素子長
４５０μｍで幅２μｍのストライプ１２を有する。この
ＤＦＢ半導体レーザは、その一方の端面に反射防止膜が
形成されている。また、このＤＦＢ半導体レーザの駆動
電極１１は、チタン、白金、金の順で積層された多層膜
で構成されており、ストライプ１２の全長に渡る長さを
有し、ヒートシンク５上のパターン配線５１とはんだバ
ンプ５２を介して接続するためのパッドを備えている。
また、絶縁膜２１は、シリコン酸化膜で構成されてい
る。

【０００９】第１の温度調整素子２は、ストライプ１２
に対向して設けられた薄膜抵抗で構成されており、この
薄膜抵抗に電流を流して発熱させ、半導体光素子１の温
度を上昇させる。この実施の形態では、絶縁膜２１上に
ストライプ１２に平行して幅１０μｍの白金薄膜を設け
て薄膜抵抗とした。なお、薄膜抵抗は両端に、ヒートシ
ンク５のパターン配線５３とはんだバンプ５４を介して
接続するためのパッドを備えている。この薄膜抵抗の幅
は、狭すぎると効率が下がり、広すぎると消費電力が大
きくなるので、ストライプ１２と同じ幅から５倍程度の
幅までがよい。また、薄膜抵抗と半導体光素子１の間の
距離は、距離が短ければ薄膜抵抗の幅を狭くできるが、
光のロスが増えるため最適値が存在し、１．５μｍ〜
２．５μｍとするとよい。熱伝導テラス３は、基板の材
質をそのまま用いており、幅が２００μｍ以上となるよ
うに構成している。

【００１０】ヒートシンク５は、ダイヤモンドの薄板
で、一方の面に半導体光素子１の駆動電極１１と第１の
温度調整素子２の電極に接続して電流を供給するための
金を用いたパターン配線５１，５３とはんだバンプ５
２，５４を備えている。第２の温度調整素子４は、ヒー
トシンク５を介して半導体光素子１の温度を所望の発振
波長が得られる温度よりもわずかに低い温度に保つよう
に制御する。この第１の実施の形態では、第２の温度調
整素子４にペルチェ素子を用いている。

【００１１】ここで、半導体基板６とヒートシンク５の
間は、半導体光素子１の駆動電極１１と、第１の温度調
整素子２の２つの電極が、ヒートシンク５上のそれぞれ
のパターン配線５１，５３とはんだバンプ５２，５４で
接続されていると共に、熱伝導テラス３がはんだでヒー
トシンク５に固定されている。また、第２の温度調整素
子４とヒートシンク５の間は、接着剤で固定されてい
る。なお、半導体光素子として１．３μｍ帯など他の発
振波長のＤＦＢ半導体レーザを用いるようにしても良い
ことはいうまでもない。

【００１２】以上のように構成された半導体光装置の温
度制御方法を説明する。図４は、この発明に係る半導体
光装置の熱の流れを示す説明図である。同図において、
前述（図１〜３参照）と同じ又は同等部分には同一符号
を付してある。同図に示すように、この半導体光装置の
温度制御は、ペルチェ素子４からの加熱作用（矢印Ｂ）
もしくは冷却作用（矢印Ｃ）による第１の温度制御工程
と、半導体光素子１と一体に設けられた薄膜抵抗２から
の加熱作用（矢印Ａ）による第２の温度制御工程とによ
って行われる。

【００１３】ここで、第１の温度制御工程は、半導体光
素子１の温度の粗調整を行う工程であり、半導体光素子
１の温度が所望の温度より低い温度となるようにペルチ
ェ素子４に流す電流を制御する。第２の温度制御工程
は、半導体光素子１の温度の微調整を行う工程であり、
薄膜抵抗２に流す電流を制御することにより半導体光素
子１の温度を所望の温度に制御する。

【００１４】図５は、この発明に係る半導体光装置の温
度制御方法を示すブロック図である。同図において、前
述（図１〜４参照）と同じ又は同等部分には同一符号を
付してある。同図に示すように、ペルチェ素子４に温度
センサー４１が取り付けられており、その信号線が温度
調節器４２に接続されている。また、温度調節器４２の
制御信号線がペルチェ素子４に正負それぞれの電流を流
せる電流源を備えたペルチェ素子駆動回路４３に接続さ
れており、ペルチェ素子駆動回路４３の出力がペルチェ
素子４に接続されている。また、半導体光素子１を定電
流で駆動する半導体光素子駆動回路４４の出力が半導体
光素子１に接続されている。

【００１５】また、半導体光素子１の出力光をシグナル
光４５とモニター光４６に分波するビームスプリッタ４
７が半導体光素子１の出射方向に設けられており、モニ
ター光４６を受光できる位置にモニター光４６の波長を
監視するための光スペクトルアナライザ４８が設けられ
ている。また、光スペクトルアナライザ４８の出力信号
線が薄膜抵抗駆動回路４９に接続されており、薄膜抵抗
駆動回路４９の出力が薄膜抵抗２に接続されている。

【００１６】このような構成において、第１の温度制御
工程は、温度調節器４２が、ペルチェ素子４に取り付け
られた温度センサー４１の温度信号を元にペルチェ素子
４が設定温度になるように制御信号を出力してペルチェ
素子駆動回路４３の出力電流とその極性のフィードバッ
ク制御を行う。なお、予め熱負荷が予測できる場合は、
設定温度のフィードバック制御を行わず定電流源を用い
て冷却のみ行うようにしてもよい。この場合は部品点数
の削減ができるので、小型化やコストダウンができる。

【００１７】また、第２の温度制御工程は、光スペクト
ルアナライザ４８がモニター光４６の波長を常時監視し
て設定波長からのずれ量を検出して信号出力し、薄膜抵
抗駆動回路４９が光スペクトルアナライザ４８から送ら
れる設定波長からのずれ量を示す信号により、常に設定
された波長を保つように薄膜抵抗２に流す電流をフィー
ドバック制御することにより行われる。

【００１８】なお、従来の波長又は光出力を検出して半
導体光素子の駆動電流を制御する機構を用いて、薄膜抵
抗に流す電流をフィードバック制御するようにしてもよ
い。

【００１９】このような温度制御方法により、第２の工
程による半導体光素子温度の応答速度は非常に早く、第
１の工程によって半導体基板の温度粗調整を行っておく
ことと組み合わせて数ミリ秒オーダーの温度制御が可能
となる。

【００２０】次に、図６を参照して、本発明の第２の実
施の形態について説明する。図６はこの第２の実施の形
態に係る半導体光装置の構成を示す構成図である。同図
において、前述（図１〜５参照）と同じ又は同等部分に
は同一符号を付してある。

【００２１】本実施の形態は、第１の実施の形態の半導
体光装置に半導体光素子１が形成された複数の半導体基
板６を載置し、ヒートシンク５にこれらの半導体基板に
対応するパターン配線５１，５３とはんだバンプ５２，
５４を設けたものである。このような構成にすることに
より、半導体光素子が形成された多数の半導体基板を高
密度に集積し、かつ個々の半導体光素子ごとに設定温度
を調整することが可能になる。これにより、高密度に集
積された半導体光素子のそれぞれの発振波長と発振出力
の安定化を行うことができる。

【００２２】次に、図７を参照して、本発明の第３の実
施の形態について説明する。図７はこの第３の実施の形
態に係る半導体光装置の構成を示す構成図である。同図
において、前述（図１〜６参照）と同じ又は同等部分に
は同一符号を付してある。

【００２３】本実施の形態は、第１の実施の形態の半導
体光装置の半導体基板を第１の温度調整素子２が一体に
形成された半導体光素子１が複数形成された半導体基板
７とし、ヒートシンク５にこれらの半導体光素子１に対
応するパターン配線５１，５３とはんだバンプ５２，５
４を設けたものである。このような構成にすることによ
り、多数の半導体光素子を１つの半導体基板に高密度に
集積した半導体光装置に対して、個々の半導体光素子ご
とに温度を調整することができる。これにより、高密度
に集積された半導体光素子のそれぞれの発振波長と発振
出力の安定化を行うことができる。この場合、半導体光
装置の熱伝導テラスの幅を１００μｍ以上確保すること
によって、隣接する半導体光素子間の熱的な影響を回避
することができる。

【００２４】また、図６又は図７のヒートシンクの代わ
りに平面光波回路（ＰＬＣ）が形成された基板を配置す
ることも可能である。これは、平面光波回路上に半導体
光装置を高密度に集積する応用などに適用することがで
きる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体光
装置及びその温度制御方法においては、半導体光素子の
温度制御の高速化が可能になる。これにより、温度変化
にすばやく対応できるので発振波長の安定化が図れる。
また、半導体レーザの発振波長を安定化するために駆動
電流を調整する必要がなくなるので、発振出力を一定に
保ちながら発振波長を安定化することができる。また、
半導体光素子が高密度に集積された半導体光装置におい
て、個々の半導体光素子温度を自由に設定することがで
きる。これにより、個々の半導体光素子の発振波長と発
振出力を制御することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１の実施の形態に係る半導体光
装置の構成を示す構成図である。

【図２】 図１のII-II矢視図である。

【図３】 図１のIII-III矢視図である。

【図４】 この発明に係る半導体光装置の熱の流れを示
す説明図である。

【図５】 この発明に係る半導体光装置の温度制御方法
を示すブロック図である。

【図６】 この発明の第２の実施の形態に係る半導体光
装置の構成を示す構成図である。

【図７】 この発明の第３の実施の形態に係る半導体光
装置の構成を示す構成図である。

【符号の説明】

１…半導体光素子、２…第１の温度調整素子（薄膜抵
抗）、３…熱伝導テラス、４…第２の温度調整素子（ペ
ルチェ素子）、５…ヒートシンク、６，７…半導体基
板、１１…駆動電極、１２…ストライプ、２１…絶縁
膜、４０…リード線、４１…温度センサー、４２…温度
調節器、４３…ペルチェ素子駆動回路、４４…半導体光
素子駆動回路、４５…シグナル光、４６…モニター光、
４７…ビームスプリッタ、４８…光スペクトルアナライ
ザ、４９…薄膜抵抗駆動回路、５１，５３…パターン配
線、５２，５４…はんだバンプ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の温度調整素子が一体に設けられた
   半導体光素子が少なくとも１つ形成された半導体基板
   と、ヒートシンクと、第２の温度調整素子とを備え、 前記半導体基板は、前記第１の温度調整素子が設けられ
   た面の前記第１の温度調整素子以外の領域が突出した形
   状であり、 前記半導体基板は、この半導体基板の突出した領域が前
   記ヒートシンクに接するように、このヒートシンクを介
   して前記第２の温度調整素子に取り付けられていること
   を特徴とする半導体光装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体光装置において、 前記ヒートシンクは、パターン配線とはんだバンプとを
   備え、前記パターン配線が前記はんだバンプを通して前
   記半導体光素子及び前記第１の温度調整素子に接続され
   ていることを特徴とする半導体光装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の半導体光装置にお
   いて、 前記半導体基板は、前記第１の温度調整素子が設けられ
   た面の前記第１の温度調整素子以外の突出した領域が熱
   伝導の良い材質で構成されていることを特徴とする半導
   体光装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３いずれか１項記載の半導体
   光装置において、 前記第１の温度調整素子は、前記半導体光素子形成側の
   半導体基板表面であって、前記半導体光素子の上面に設
   けられていることを特徴とする半導体光装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４いずれか１項記載の半導体
   光装置において、前記第１の温度調整素子は、薄膜抵抗
   で構成されていることを特徴とする半導体光装置。
6. 【請求項６】 前記第２の温度調整素子を用いて前記半
   導体光装置全体の温度を調整する第１の温度制御工程
   と、 前記第１の温度調整素子を用いて前記半導体光素子を局
   所的に加熱する第２の温度制御工程とからなることを特
   徴とする請求項１に記載の半導体光装置の温度制御方
   法。
7. 【請求項７】 前記第２の温度制御工程は、 前記半導体光素子が射出する光の波長を所定の値に保つ
   ように前記第１の温度調整素子に流す電流を制御するこ
   とを特徴とする請求項６に記載の半導体光装置の温度制
   御方法。