JP2002050821A - 光実装基板及びそれを用いた光モジュール - Google Patents

光実装基板及びそれを用いた光モジュール

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JP2002050821A
JP2002050821A JP2000231941A JP2000231941A JP2002050821A JP 2002050821 A JP2002050821 A JP 2002050821A JP 2000231941 A JP2000231941 A JP 2000231941A JP 2000231941 A JP2000231941 A JP 2000231941A JP 2002050821 A JP2002050821 A JP 2002050821A
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Yuji Kishida
裕司 岸田
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    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805Shape
    • H01L2224/4809Loop shape
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    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/30Technical effects
    • H01L2924/301Electrical effects
    • H01L2924/3011Impedance

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便な方法でSi基板の漏れコンダクタン
ス、誘電正接の影響を極力抑制し、光実装基板の広帯域
化をはかる光実装基板及び光モジュールを提供するこ
と。 【解決手段】 光半導体素子2配設させる基板1が24
0Ω・cm以上の抵抗率を有する単結晶シリコンから成
るとともに、光半導体素子2に接続させる配線パターン
4が基板1の表面に形成された厚さ10μm以下の誘電
体層50上に設けられていることを特徴とする光実装基
板とし、この光実装基板上に配線パターン4に接続した
光半導体素子2を配設するとともに、配線パターン4に
基本周波数10GHz以下の矩形波を伝送するようにし
たことを特徴とする光モジュールとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバ通信シス
テムに用いられる光実装基板及びそれを用いた光モジュ
ールに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、CATVや公衆通信網、構内通信
網(LAN)といった分野において、光ファイバ通信の
実用化が始まっている。従来、高速で高信頼性の光半導
体モジュールが同軸型あるいはバタフライ型と呼ばれる
パッケージ形状で実現されており、これらは主に幹線系
と呼ばれる領域ですでに実用化されている。
【0003】これに対し最近では、Siプラットホーム
と呼ばれる基板上で、光素子とファイバとを機械的精度
のみで高精度に位置決め実装する技術を用いた光モジュ
ールが盛んに開発されている。これらは主にアクセス系
と呼ばれる領域やLANでの実用化が期待されており、
小型、低背化、低コスト化等が要求されている。またそ
の一方で、近年のデータ伝送トラフィックの爆発的な増
大にともないアクセス系やLANにおいても広帯域化が
重要な課題となっている。
【0004】従来、光半導体素子として半導体レーザ2
が配設された単結晶Si製の光実装基板(Siプラット
ホームとも呼ばれる)は、図4に示すように、Si基板
1の表層の一部に例えばシリカ(SiO2)からなる誘
電体層5が埋め込み形成され、さらにその上面に、下層
/上層で例えばCr/Au層またはTi/Pt/Au層
からなるコプレーナ電極4とV溝7とから構成される。
コプレーナ電極4は中心導体40,接地導体41,42
とからなり、高周波信号伝送に適した構成である。中心
導体40と接地導体41,42との間隔はコプレーナ電
極4の特性インピーダンスが駆動用ICの出力インピー
ダンス(一般的には25Ωまたは50Ω)に整合するよ
うに調整される。V溝7は光ファイバ3を載置して半導
体レーザ2と光結合が行えるような配置及び深さで形成
されている。
【0005】Si基板1への誘電体層5の埋め込みは、
例えば、初めにSi上に異方性エッチングによって溝を
形成する。次に、TEOS CVD法によってシリカ厚
膜を形成し、最後に基板表面を研磨して不要なシリカ膜
を取り除く方法によって作製される。
【0006】上記構成において、半導体であるSiは漏
れコンダクタンスが大きく、また、誘電正接も大きいた
め基板として用い、その上に高周波伝送配線を形成した
とき、配線の伝送損失が大きくなる。そのため、一般
に、上述したとおりSi上に誘電体層が形成され、その
上に電極層が形成される。例えば、特開平8−7865
7号公報によれば、シリカ膜からなる誘電体層の膜厚は
50μm以上必要とされていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、誘電体層5の形成によって生じる基板のそり
の制御が困難である。周囲の環境温度が変化したとき、
Siとシリカの線膨張係数差によってそり量が変動し、
Siプラットホーム1上に実装した半導体レーザ2と光
ファイバ3との光学系にずれを生じさせ、結合損失が変
動する問題があった。特に、上記従来例以外に、半導体
レーザ2と光ファイバ3との間にレンズ等の光学系を有
した場合、より顕著に光学特性へ影響が及ぼされる。
【0008】また、基板への誘電体層5の埋め込み工程
に多大の工数を要す問題もある。すなわち、工程が複雑
であり、多く作業が必要である上、基板のそりや研磨表
面状態の品質管理が難しいといった問題があった。
【0009】そこで本発明は、上記従来の問題に鑑み提
案されたものであり、低コストで広帯域でも特性が良好
な光実装基板及びそれを用いた光モジュールを提供する
ことを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光実装基板は、光半導体素子を配設させる
基板が240Ω・cm以上の抵抗率を有する単結晶シリ
コンから成るとともに、前記光半導体素子に接続させる
配線パターンが前記基板の表面に形成された厚さ10μ
m以下の誘電体層上に設けられていることを特徴とす
る。
【0011】また、本発明の光モジュールは前記光実装
基板上に前記配線パターンに接続した光半導体素子を配
設するとともに、前記配線パターンに基本周波数10G
Hz以下の矩形波を伝送するようにしたことを特徴とす
る。
【0012】具体的には、配線パターンに伝える信号は
10GHz以下の基本周波数その他で構成され、前記基
板は抵抗率240Ω・cm以上であって、前記誘電体層
の膜厚が1.0μm以下であることを特徴とする。ま
た、配線パターンに伝える信号は10GHzの基本周波
数その他で構成され、前記基板は抵抗率10000Ω・
cm以上であって、前記誘電体の膜厚が10μm以下で
あることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の光実装基板の実施
形態を模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。
【0014】図1は本発明に係わる光実装基板及び光モ
ジュールの斜視図である。図中、1は単結晶から成り2
40Ω・cm以上の抵抗率を有するSi(シリコン)基
板、2は光半導体素子である半導体レーザ、3は半導体
レーザに光接続させるための光導波体である光ファイ
バ、43、44、45はマイクロ波信号(10GHz以
下の矩形波)入出力用の線状導電層である電極層(配線
パターン)、46,47は接地電極層(配線パター
ン)、50はSi基板1の表面に形成された厚さ10μ
m以下の誘電体層(誘電体膜)、6はワイヤ(リード
線)、70,71はV溝(それぞれ光ファイバ搭載用V
溝、モニタフォトダイオード光路用V溝)、8はモニタ
フォトダイオードである。
【0015】半導体レーザ2は不図示の活性層電極をS
i基板1側に配置し、電極層43上の所定位置にアライ
メントされ、AuSn等の半田で接合される。また、活
性層の背面側の電極と電極層44とはワイヤ6で電気的
に接続される。また光ファイバ3はV溝70上に実装さ
れることにより、先に実装された半導体レーザ2との間
で高精度に機械的な光学的アライメントがなされる。
【0016】電極層43,電極層44,接地電極層4
6,47はコプレーナ電極4(本実施例では非対称コプ
レーナストリップライン)を構成する。コプレーナ電極
4は外部電気系インピーダンスの25または50オーム
に整合するように誘電体層50の厚みに従って電極層4
3,44の幅,電極層43,44と接地電極層46,4
7との間隔が各々制御される。また、コプレーナ電極4
の一部には半導体レーザ2と直列に終端抵抗が挿入され
るが、簡単のため図から省略した。
【0017】次に、各部の特徴的な形状、材質、寸法の
詳細について述べる。電極層43,44の幅は100〜
400μm前後が好適である。これは、ワイヤボンドに
最低必要な電極面積と形成可能な誘電体層50の厚さ限
界から決定される。誘電体層50には例えばシリカ(S
iO2)やポリイミド樹脂等を用いることが可能であ
る。これらの材質が選択される理由としては、絶縁性が
高く、誘電正接が小さいため、マイクロ波の伝送損失を
低減できること等による。
【0018】コプレーナ電極4がSi基板1の導電性や
誘電正接の影響を極力受けないようにするには、抵抗率
の高い(導電率の小さい)Siを選択し、誘電体層50
をなるべく厚くする必要がある。しかしながら、誘電体
層50については作製プロセスとトレードオフの関係に
あり、厚くしすぎればSiと誘電体層の熱膨張係数差に
より、Si基板1が変形したり誘電体層5にクラックが
入る等の不具合が生じる他、作製に時間が多くの時間と
労力を要するので好ましくない。
【0019】
【表1】
【0020】表1に作製コストのかかる誘電体層の埋め
込み形成を行わず、Si基板に直接シリカ膜を形成した
ときのSi基板の変形、すなわち、そり量を測定した結
果を示す。ここで、そり量とは基板表面に沿って30m
m幅で走引したときの凹凸の最大幅である。基板のそり
量としては10μm以下が望まれ、シリカ膜の場合、膜
厚10μm以下とする必要がある。
【0021】
【表2】
【0022】表2にSi基板上に誘電体層5としてシリ
カ膜を用い厚さ0,10μm(ここで、誘電体層厚0μ
mとは自然酸化膜のみであることを示す)のそれぞれの
場合について、基本周波数が10GHzの高周波信号
(矩形波)をコプレーナ電極に伝送したときの伝送損失
の基板抵抗率依存性を示す。図2は表2の結果をグラフ
に示したものである。基板の抵抗率の制御はB等の不純
物ドープ量を制御することにより行った。
【0023】光実装基板の電気配線に要求される伝送損
失特性は、光の伝送距離や電気配線の距離によっても異
なるが、基板内での配線距離として3mm程度までを想
定すると、単位長当たり伝送損失3dB/cm以下(伝
送損失1dB以下)が必要である。
【0024】表2の結果によれば、誘電体層を形成しな
い場合、基板抵抗率を240Ω・cm以上にすることに
よってこの条件を満足する。
【0025】しかしながら、誘電体層が自然酸化膜のみ
の場合、一般に半導体レーザは直流を重畳して用いられ
るため、直流のリーク電流による不要な電力を消費して
しまう観点から、数百nm以上の誘電体層を形成する必
要がある。
【0026】したがって、上記構成において、Si基板
抵抗率を240Ω・cm以上、誘電体層1.0μm以下
とすることにより、10Gbps伝送用光実装基板に好
適に用いることができる。
【0027】また、電気配線距離が3mmを越える光電
子混載型基板に用いられるような場合には、Si基板抵
抗率を10000Ω・cm以上とし、誘電体層を10μ
m以下とすることにより、同様に10Gbps伝送用光
実装基板に好適に用いることができる。
【0028】なお、本実施形態では、光導波体として光
ファイバを用いた例について示したが、基板に一体的に
作製した光導波路としてもよく、その他の構成において
も、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更し実施が
可能である。
【0029】
【実施例】次に、さらに詳細な実施例について説明す
る。
【0030】まず、Si基板1には、厚さ1.0mm、
抵抗率1000Ω・cmの基板を用いた。Si基板1の
外形は3.0×5.5mmにし、ファイバ3が実装され
るV溝10の長さは4mmにした。コプレーナ電極4は
Si基板1上で半導体レーザ2の実装部から基板の外周
に向かって1.35mm配線した。これはSi基板1の
外形に依存しており、Si基板1の機械的強度やパッケ
ージへの実装上、必要な長さである。コプレーナ電極4
はSi基板1上に厚さ1μmの熱酸化によって形成され
たシリカからなる誘電体層5と、さらにその上に厚さ
0.6μm、幅200μmのCr/Au電極層43,4
4,45と、接地電極層46,47とで構成した。電極
層43,44と接地電極層46,47との間隔は各々5
0μmにした。
【0031】図3(a),(b)に、電極層43の端部
(Si基板1の外周側)から半導体レーザ2の実装部ま
でのRf特性(S11,S21)の測定結果を示す。伝
送損失は20GHzまで1dB以下、リターンロスは1
5dB以上であり良好であった。
【0032】
【発明の効果】本発明の光実装基板及び光モジュールに
よれば、以下に示す顕著な効果を奏することができる。
単結晶のSi基板上でマイクロ波を伝送する際、Siの
漏れコンダクタンスや誘電体損失を極力抑制することが
でき高周波での伝送損失を抑制できる。簡便な作製方法
で上記を実現できる。加工工数のかかる誘電体層を薄く
設計可能である。基板を大きくしても、基板がそりにく
い。Si上の配線長を長くとることができる。
【0033】以上の効果により、本発明を用いれば、低
コストで広帯域な光実装基板及び光モジュールを提供す
ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る光実装基板及び光モジ
ュールを模式的に示す斜視図である。
【図2】本発明の実施形態に係る光実装基板の特性図で
ある。
【図3】本発明の実施形態に係る光実装基板の特性図で
ある。
【図4】従来の光実装基板及び光モジュールを示す斜視
図である。
【符号の説明】
1 Si基板 2 半導体レーザ 3 光ファイバ 4 コプレーナ電極(配線パターン) 5 誘電体層 6 ワイヤ 7 V溝 8 モニタフォトダイオード 40 電極層(中心導体) 電極層(接地導体) 電極層(接地導体) 43 電極層(入力側) 44 電極層(出力側) 45 電極層(中心導体) 46 電極層(接地導体) 47 電極層(接地導体) 50 誘電体層 70 V溝(光ファイバ搭載用) 71 V溝(モニタフォトダイオード光路用)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光半導体素子を配設させる基板が240
    Ω・cm以上の抵抗率を有する単結晶シリコンから成る
    とともに、前記光半導体素子に接続させる配線パターン
    が前記基板の表面に形成された厚さ10μm以下の誘電
    体層上に設けられていることを特徴とする光実装基板。
  2. 【請求項2】 前記光実装基板上に前記配線パターンに
    接続した光半導体素子を配設するとともに、前記配線パ
    ターンに基本周波数10GHz以下の矩形波を伝送する
    ようにしたことを特徴とする光モジュール。
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