JP2002261375A

JP2002261375A - 光半導体素子キャリア及びその実装構造

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Publication number: JP2002261375A
Application number: JP2001055717A
Authority: JP
Inventors: Shirou Sakujima; 史朗作島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-09-13

Abstract

(57)【要約】【課題】特に面発光型及び面受光型の光半導体素子の
実装に適し、しかも量産性及び小型で高周波特性に優れ
た、高精度実装が可能な光半導体素子キャリア及びその
実装構造を提供することを目的とする。【解決手段】単結晶シリコンから成る基台１０上に光
半導体素子２１を配設する光半導体素子キャリアＭ１で
あって、前記基台１０は、光半導体素子２１の配設面Ａ
１及びその背面Ａ２を貫通する異方性エッチングで形成
した貫通孔１１と、該貫通孔１１内に配設されるレンズ
１２とを備えていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば光ファイバ
通信システムや構内光通信システム（光ＬＡＮ）に用い
られる光半導体素子キャリア及びその実装構造に関し、
特に光半導体素子として面発光半導体素子または面受光
半導体素子を用いたものに関する。

【０００２】

【従来技術とその課題】近年、ＣＡＴＶや公衆通信の分
野において、光ファイバ通信の実用化がはじまってい
る。従来、高速・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モジュール構造で実
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（シリコン）単
結晶から成るサブ基板（Ｓｉプラットフォームと呼ばれ
る）上に光半導体素子を実装し、光学素子との位置決め
を機械精度のみで行う（パッシブアライメント）技術を
用いた光モジュールが盛んに開発されており、小型・低
背化、低コスト化が実現されている。

【０００４】以下に、従来の光半導体素子のシリコンの
サブ基板を用いた実装構造について説明する。

【０００５】図１０に面受光の受光素子を用いた光送信
モジュールを示す。ここでは光半導体素子搭載用のセラ
ミックキャリア１０１に光半導体素子１０２を実装し、
それをサブ基板１０３上の段差１０４を形成した部分に
立設し、サブ基板上に形成されたシリコンのＶ溝１０５
に実装された光ファイバ１０６との光軸を合わせること
により、光ファイバから伝播されてきた光を受光素子１
０２に結合する構成となっている。

【０００６】ここで用いる受光素子１０２は、その用途
にもよるがこの例では約５００μｍ角、厚さ２００μ
ｍ、受光径２００μｍφの素子を用いている。またキャ
リアの材質として、一般的にはアルミナ等のセラミック
スを用い、その電極パターンは印刷等により形成され
る。

【０００７】図１１に端面発光型の発光素子１１１と面
受光型の受光素子１１２を用いた光送信モジュールを示
す。ここでは単結晶シリコンのサブ基板１１３上に表面
実装された発光素子１１１から出射された光が、同じく
サブ基板１１３上に異方性エッチングで形成されたＶ溝
１１４に実装されたレンズ１１５を介して図示されてい
ない光導波体に伝播される。一方、発光素子１１１の後
方から出た光１１６は、発光素子１１１の後方に設置さ
れたモニター用の受光素子１１２により、その下方に形
成されているＶ溝で反射されることでモニタリングされ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
に示すような受光素子の実装構造では、キャリアの外形
精度、及びキャリアの光半導体素子搭載面の電極パター
ン精度、及びキャリア外形からのパターン位置精度が悪
いという問題点があり、搭載するシリコン基板の段差の
形成精度も加わり、より高速動作が可能な受光径の小さ
い（例えば５０μｍ以下）受光素子を用いた場合、位置
精度が十分に得られないために、十分な光結合の実現が
困難であるという問題点があった。

【０００９】また、図１１に示すような発光素子の実装
構造では、近年盛んに開発されているＶＣＳＥＬと呼ば
れる面発光型の発光素子の実装には用いることができ
ず、また図のようにキャリアに実装することで光ファイ
バに光を伝播する構造とすることは、前述と同様の理由
にて十分な光結合特性を得ることができない。

【００１０】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、特に面発光型及び面受光型の光半
導体素子の実装に適した、量産性及び高周波特性に優れ
た、小型で高精度実装が可能な光半導体素子キャリア及
びその実装構造を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光素子キャリアは、単結晶シリコンから成
る基台上に光半導体素子を配設するものであって、前記
基台は、光半導体素子の配設面及びその背面を貫通する
異方性エッチングで形成した貫通孔と、該貫通孔内に配
設されるレンズとを備えていることを特徴とする。

【００１２】また、前記貫通孔の内壁面がミラー指数で
｛１１１｝面であること、また、前記貫通孔における前
記光半導体素子の配設面側の開口面積が、その背面側の
開口面積より小さいこと、また、前記光半導体素子の配
設面及びその背面が共に｛１００｝面であること、ま
た、前記光半導体素子の配設面が｛１００｝面で、且つ
その背面が｛１１０｝面で形成されていることを特徴と
する。さらに、この場合において、前記背面側の貫通孔
内に光学素子が配設されていることを特徴とする。

【００１３】さらに、上記光素子キャリアの配設面は
｛１１１｝面から成る傾斜面を含むとともに、該傾斜面
に前記光半導体素子に接続される配線が形成されている
ことを特徴とする。

【００１４】また、本発明の光半導体素子キャリアの実
装構造は、段差傾斜面を有する基板上に、請求項６に記
載の光半導体素子キャリアを配設するようにした光半導
体素子キャリアの実装構造であって、前記基板の段差傾
斜面に形成された配線と、前記光半導体素子キャリアの
配設面に形成された配線とを接続させたことを特徴とす
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る光半導体素
子キャリア及びその実装構造の実施の形態について図面
に基づき詳細に説明する。

【００１６】図１（ａ）〜（ｅ）に示すように、光半導
体素子キャリアのキャリアは、光半導体素子配設面Ａ１
とその背面Ａ２との間に、異方性エッチングで高精度に
形成した貫通孔１１をもつ単結晶シリコンからなる基台
と、その貫通孔１１に配設された球状のレンズ１２と、
光半導体素子配設面Ａ１とその隣り合う面Ａ３にかけて
形成される光半導体素子接続用の電極パターン１３、１
４から成る。図２（ａ）、（ｂ）に図１のキャリアに光
半導体素子２１を実装した光素子キャリアＭ１を示す。

【００１７】光半導体素子２１は電極パッドに発光面ま
たは受光面を下にして貫通孔１１を塞ぐ形で実装する。
その際、貫通孔１１は極めて明瞭なマーカーとして機能
し、この貫通孔１１を基準としてサブミクロンオーダー
で光半導体素子２１を実装できる。その接続にはＡｕＳ
ｎ等のはんだ等が選択できる。また、光半導体素子２１
の背面に形成する電極にはワイヤーボンディング２２に
よりキャリア上の電極パターンに接続される。

【００１８】図３に光半導体素子キャリアの実装構造
（光モジュール）を示す。光半導体素子キャリアＭ１
は、半導体素子３１等が搭載されるサブ基板３２の段差
部３２ａ上に実装される。その後、光ファイバ等の光導
波体３３を最適位置に配するように調整することによ
り、光結合特性に優れた光モジュールとすることができ
る。

【００１９】また、光半導体素子キャリアＭ１の貫通孔
１１をＡ１面よりＡ２面の開口面積が広い構造とするこ
とにより、キャリアへの配設を目的にＡ２面側から挿入
したレンズ１２を、光半導体素子キャリアの内部に埋め
込む構造とすることが可能となり、キャリア外形が通常
のキャリアと同じになり、キャリアへの光半導体素子実
装時などの時の取扱いを簡便にすることができる。

【００２０】光半導体素子キャリアＭ１の貫通孔１１
は、単結晶シリコンの異方性エッチングを用い形成した
｛１１１｝面で形成することにより、きわめて優れた精
度を有することが可能となる。その精度はレンズ１２と
光半導体素子搭載面Ａ１との距離の精度に反映される。

【００２１】また、光半導体素子配設面Ａ１に光実装素
子２１を実装する際には、貫通孔１１の光半導体素子配
設面Ａ１側に存在する開口部を、実装時の位置合わせマ
ーカーとして利用することが可能であるため、開口部に
対して光半導体素子２１をサブミクロンオーダーで実装
することが可能となる。その精度はレンズ１２との位置
精度に反映される。

【００２２】従って、この光半導体素子キャリアＭ１に
光半導体素子２１を搭載する事によりレンズ１３と光半
導体素子２１の距離及び位置をきわめて精度よく実装す
ることが可能となり、光半導体素子２１として高速動作
可能な受光径の小さい面受光型の受光素子を用いた場
合、レンズ１３を用いた光学系により十分な結合特性を
得ることができる。また、光半導体素子２１として面発
光型の発光素子を用いた場合も、同様の精度をもつ発光
素子実装構造とすることが可能となり、良好な光結合特
性を得られるという利点がある。

【００２３】また図４に示すように、光半導体素子キャ
リアＭ１を｛１００｝面を主面にもつシリコン基板４１
を用い作製することで、Ａ１面とＡ２面を｛１００｝面
とし、Ａ２面にパターニングを施し、アルカリ水溶液を
用いた単結晶シリコンの異方性エッチングにより、Ａ１
面にまで到達する｛１１１｝から成り、Ａ２面側の開口
の広い断面Ｖ字状の貫通孔４２を形成することができ
る。

【００２４】貫通孔４２の傾斜角θは結晶方位により正
確に決定されており、角度５４．７４°を持つ極めて精
度のよい貫通孔を作製することができる。レンズ４４と
光半導体素子との距離Ｄは、シリコン基板４１の厚みＴ
と、搭載するレンズ径Ｒにより、Ａ２面の開口幅Ｗを以
下の数式に従うことで設計することが可能となる。

【００２５】Ｗ＝２（Ｔ−Ｄ＋Ｒ（（１／ｃｏｓθ）−
１））／ｔａｎθ （θ＝５４．７４°）また図５に示すように、光半導体素子キャリアＭ２（簡
単のため、光半導体素子の図示を省略してある）を、
｛１００｝面と｛１１０｝面を主面にもつ２種類のシリ
コン基板５１、５２を貼り合せた基板を用いて作製す
る。これにより、Ａ１面に｛１００｝面、Ａ２面を｛１
１０｝面とすることで、Ａ２面にパターニングを施し、
アルカリの異方性エッチングを施し、Ａ１面にまで到達
する｛１１１｝面から成る貫通孔５３を形成することが
できる。

【００２６】この際、貫通孔５３は、Ａ２面から｛１１
０｝面を有する基板５２では、Ａ１に向けて垂直にエッ
チング加工することができ、｛１００｝面を有するシリ
コン基板５１では、断面Ｖ溝状に開口が狭くなりＡ１面
に到達する形状となる。この貫通孔５３はシリコンの異
方性エッチングにより形成されているので、極めて精度
よく作製することができる。

【００２７】図６に示すように、レンズ５４と光半導体
素子との距離Ｄは、｛１００｝面を有するシリコン領域
の厚みＴ１と、搭載するレンズ径Ｒにより、Ａ２面の開
口幅Ｗを前述と同様の以下の数式に従うことで設計する
ことが可能となる。Ｗ＝２（Ｔ１−Ｄ＋Ｒ（（１／ｃｏ
ｓθ）−１））／ｔａｎθ （θ＝５４．７４°）この
ような構造とすることにより、Ａ２側の開口幅Ｗを最少
でレンズ径Ｒにまで小さくすることが可能なり、キャリ
アの強度をより強くすることが可能となる。

【００２８】さらに図７に示すように、｛１１０｝面を
有するシリコン領域の厚みＴ２を適当に設定することに
より、Ａ２面側に光アイソレータ７１などの別の光学素
子を同じ光半導体キャリアに実装する構造をも取ること
も可能となる。

【００２９】また、光半導体素子キャリアのＡ１面側の
立設する際の下面側に｛１１１｝面から成る傾斜面Ａ４
を形成することでこの光半導体素子キャリアの実装を簡
便にすることができ、かつキャリアを安価に製造するこ
とが可能となる。

【００３０】図８、９に示すように、光半導体素子キャ
リアＭ３のＡ１面には光半導体素子９１に接続される電
極パターン８１、８２，８３が形成されるが、この配線
をＡ１面に単結晶シリコンの異方性エッチングで形成さ
れた｛１１１｝面の傾斜面Ａ４にも形成することで、こ
の段差面に相対する形状を有した段差斜面９２を有した
基板９３上に重ね合わせることにより、基板上の段差斜
面９２に形成されている図示されない電極配線との接続
させることができ、光半導体素子９１のキャリアの実装
時にワイヤーボンディング工程が不要となり、アセンブ
ル工程における簡便化が可能となる。なお、パターン８
４は光半導体素子９１をＡ１面に対して傾かないように
高さ調整するためのパターンである。

【００３１】また、このような傾斜面Ａ４への電極パタ
ーンの形成は、キャリア製造工程において同一ウエハ上
での形成が可能となるため、従来の直方体の形状に比
べ、製造工程が極めて簡便となり、光半導体素子搭載キ
ャリアの安価な製造が可能となる。

【００３２】また、光半導体素子搭載キャリアの実装方
法を上述のような構成とすることで、光半導体素子とそ
れを駆動するＩＣやアンプなどの半導体素子９５との距
離を極めて短くすることが可能となるので、信号の伝播
による損失を抑える事が可能となる。ひいては、より高
速な光モジュールの提供が可能となるという利点を有す
る。

【００３３】なお、本実施形態では、光モジュールとし
て送信用光モジュール及び受信用光モジュールを例にと
り説明したが、送受信用光モジュールや双方向光モジュ
ールにも適用が可能であることはもちろんであり、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。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項
１、２の光半導体素子キャリアによれば、単結晶シリコ
ンから成る基台は、光半導体素子の配設面及びその背面
を貫通する貫通孔が｛１１１｝面で構成され、レンズが
配設されているので、面発光型の発光素子や受光径の小
さな高速用の受光素子を用いても結合特性が優れる。

【００３５】また、レンズを基台の内側に配設する構造
とすることができ、光半導体素子キャリアとしての取り
扱いを簡便にできる。

【００３６】また、本発明の請求項３〜６の光半導体素
子キャリアにおいては、光半導体素子とレンズや光学素
子との位置関係が極めて精度の良好な実装とすることが
できる。特に、請求項４の光半導体素子キャリアにおい
ては、さらに強度の強いキャリアとすることが可能とな
る。請求項６の光半導体素子キャリアにあっては別の光
学素子をも配設することで、内蔵可能とすることができ
る。

【００３７】請求項７の光半導体素子キャリアにおいて
は、ワイヤーボンディング工程などのアセンブリ工程を
削減することが可能となり、他の光学基板上への実装を
容易にし、かつその作製方法を簡便なものとすることが
可能となるため、より安価な光半導体素子キャリアの提
供が可能となる。

【００３８】さらに本発明の請求項８の光半導体素子キ
ャリアの実装構造によれば、アセンブリ工程を削減し、
高周波特性に優れた光モジュールの提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光半導体素子キャリアの実施形態
を模式的に説明するための図であり、（ａ）及び（ｂ）
は斜視図、（ｃ）及び（ｅ）は平面図、（ｄ）は断面図
である。

【図２】本発明に係る光半導体素子キャリアの実装形態
を模式的に説明するための図であり、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は断面図である。

【図３】本発明に係る光半導体素子キャリアの実装構造
を説明する斜視図である。

【図４】本発明に係る光半導体素子キャリアの実施形態
を模式的に説明するための断面図である。

【図５】本発明に係る他の光半導体素子キャリアの実施
形態を模式的に説明するための図であり、（ａ）及び
（ｂ）は斜視図、（ｃ）及び（ｅ）は平面図、（ｄ）は
断面図である。

【図６】本発明に係る光半導体素子キャリアの実施形態
を模式的に説明するための端面図である。

【図７】本発明に係る他の光半導体素子キャリアの実施
形態を模式的に説明するための断面図である。

【図８】本発明に係る他の光半導体素子キャリアの実施
形態を模式的に説明するための図であり、（ａ）及び
（ｂ）は斜視図、（ｃ）及び（ｅ）は平面図、（ｄ）は
断面図である。

【図９】本発明に係る光半導体素子キャリアの実装形態
を模式的に説明するための図であり、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は断面図である。

【図１０】従来の光モジュールの実施形態を示す図であ
り、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図１１】従来の光モジュールの実施形態を示す図であ
り、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

【符号の説明】Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３：光半導体素子キャリアＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４：光半導体素子キャリアの一側
面１０：基台１１、４２、５３：貫通孔１２、１１５：レンズ１３、１４、８２、８３、８４：電極配線２１：光半導体素子２２：ワイヤーボンディング３１、９１、９５：半導体素子３２、９３、１０３、１１３：サブ基板３３、１０６：光導波体４１、５１：シリコン｛１００｝基板５２：シリコン｛１１０｝基板７１：光アイソレータ９２：段差斜面１０１：光半導体素子キャリア１０２、１１２：面受光素子１０４：段差面１０５、１１４：Ｖ溝１１１：端面発光素子１１６：モニター光Ｔ、Ｔ１、Ｔ２：シリコン基板厚みＤ：Ａ１面とレンズまでの距離Ｒ：ボールレンズの径Ｗ：Ａ２面の貫通孔の開口幅 θ：｛１１１｝面のＡ１との角度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶シリコンから成る基台上に光半導
体素子を配設する光半導体素子キャリアであって、前記
基台は、光半導体素子の配設面及びその背面を貫通する
異方性エッチングで形成した貫通孔と、該貫通孔内に配
設されるレンズとを備えていることを特徴とする光半導
体素子キャリア。
【請求項２】前記貫通孔の内壁面が｛１１１｝面であ
ることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子キャ
リア。
【請求項３】前記貫通孔における前記光半導体素子の
配設面側の開口面積が、その背面側の開口面積より小さ
いことを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子キャ
リア。
【請求項４】前記光半導体素子の配設面及びその背面
が共に｛１００｝面であることを特徴とする請求項１に
記載の光半導体素子キャリア。
【請求項５】前記光半導体素子の配設面が｛１００｝
面で、且つその背面が｛１１０｝面で形成されているこ
とを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子キャリ
ア。
【請求項６】前記背面側の貫通孔内に光学素子が配設
されていることを特徴とする請求項５に記載の光半導体
素子キャリア。
【請求項７】前記光素子キャリアの配設面は｛１１
１｝面から成る傾斜面を含むとともに、該傾斜面に前記
光半導体素子に接続される配線が形成されていることを
特徴とする請求項１乃至６に記載の光半導体素子キャリ
ア。
【請求項８】段差傾斜面を有する基板上に、請求項６
に記載の光半導体素子キャリアを配設するようにした光
半導体素子キャリアの実装構造であって、前記基板の段
差傾斜面に形成された配線と、前記光半導体素子キャリ
アの配設面に形成された配線とを接続させたことを特徴
とする光半導体素子キャリアの実装構造。