JP2003209311A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光半導体素子より発光される光信号の波長を
一定に保つことができる小型の光半導体装置を提供する
こと。 【解決手段】 容器１の内面の棚部１ｂに一端が載置さ
れるとともに電子冷却素子２の上面の光半導体素子４の
近傍に他端が載置され、光半導体素子４に入力される駆
動信号を伝送する線路導体９ｂが形成された配線基板９
は、絶縁基板９ａの一方主面に線路導体９ｂおよび線路
導体９ｂの両側に所定間隔をもって設けられた同一面接
地導体層９ｃが形成されているとともに他方主面の略全
面に接地導体層９ｄが形成されており、同一面接地導体
層９ｃおよび接地導体層９ｄはそれぞれ島状の複数の導
体非形成部９ｆが一様に分布するように配置されている
とともに絶縁基板９ａの側面導体または貫通導体９ｅを
介して電気的に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、光通信分野等で用
いられ、半導体レーザ（ＬＤ）等の光半導体素子を収容
した光半導体装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来の光半導体装置の断面図を図２
（ａ），（ｂ）に示す。図２において、１はセラミック
ス等からなる容器、１ａは容器１の外面に接合された入
力端子、２は容器１内の底面に載置されたペルチェ素子
等の電子冷却素子、３は電子冷却素子２の上面に設置さ
れた載置用基板、４は光半導体素子、５は光半導体素子
４が搭載されたサブマウント、６は光半導体素子４の出
射光を集光させるレンズ、７はレンズ６を保持するため
のレンズ保持部材、８は電子冷却素子２の温度を検出す
る温度検出器（温度センサ）、９は入力端子１ａと光半
導体素子４とを電気的に接続する配線基板である。 【０００３】さらに、配線基板９の上面図と下面図を図
３（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図３において、19ａ
はセラミックス等からなる絶縁基板、19ｂは、絶縁基板
19ａの一方主面に形成され、インピーダンス整合用の線
路導体、19ｃは絶縁基板19ａの他方主面の略全面に形成
された接地導体層である。この配線基板９は、高周波信
号を良好に伝搬させるマイクロストリップライン構造に
なっている。 【０００４】そして、光半導体装置に用いられるＬＤ等
の光半導体素子４は、その温度が変化することによっ
て、光半導体素子４から発光される光信号の波長が変化
するという特性がある。このため、光半導体素子４から
発光される光信号の波長をできる限り一定に安定させる
ために、光半導体素子４の温度を一定に保つように光半
導体装置は構成されている。 【０００５】即ち、光半導体素子４は、その駆動時の自
己発熱と、光半導体装置の外部環境の温度と、光半導体
素子４に駆動用の高周波信号を伝送させる配線基板９の
発熱とにより、温度が変化する。光半導体素子４の温度
変化が起らないように、光半導体装置内部に電子冷却素
子２と温度検出器８とを設けている。温度検出器８が設
定温度と異なる温度を検出した場合、その検出信号が光
半導体装置の外部に接続された電子冷却素子２の駆動装
置にフィードバックされ、その駆動装置が温度検出器８
の検出温度が設定温度になるまで電子冷却素子２を駆動
する。これにより、載置用基板３およびサブマウント５
を介して搭載された光半導体素子４とが一定の温度に保
たれる。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の配線基板９を用いた光半導体装置においては、以下
のような問題点があった。即ち、配線基板９は、その一
方の端が容器１の内面に、他の端が電子冷却素子２によ
って温度が一定に保たれている載置用基板３の上面に接
合されているため、電子冷却素子２より容器１側に移動
した熱が、配線基板９を通って載置用基板３へ逆流す
る。この逆流する熱の影響で、光半導体素子４の温度を
安定に制御できず、結果として光半導体素子４より発光
される光信号の波長が安定しないという問題が発生して
いた。 【０００７】この問題を解決する一つの構成として、配
線基板９を長くしてその熱抵抗を増大させ、容器１から
載置用基板３への熱の逆流を抑制するものが提案されて
いる（特開平9−223847号公報参照）。しかし、この構
成では、配線基板９が長くなるため光半導体装置を小型
化できないという問題点があった。 【０００８】従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成
されたものであり、その目的は、光半導体素子より発光
される光信号の波長を一定に保つことができる小型の光
半導体装置を提供することにある。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明の光半導体装置
は、容器内の底面に電子冷却素子を介して載置された光
半導体素子と、前記容器の内面の棚部に一端が載置され
るとともに前記電子冷却素子の上面の前記光半導体素子
の近傍に他端が載置され、前記光半導体素子に入力され
る駆動信号を伝送する線路導体が形成された配線基板と
を具備した光半導体装置において、前記配線基板は、絶
縁基板の一方主面に前記線路導体および該線路導体の両
側に所定間隔をもって設けられた同一面接地導体層が形
成されているとともに他方主面の略全面に接地導体層が
形成されており、前記同一面接地導体層および前記接地
導体層はそれぞれ島状の複数の導体非形成部が一様に分
布するように配置されているとともに前記絶縁基板の側
面導体または貫通導体を介して電気的に接続されている
ことを特徴とする。 【００１０】本発明の光半導体装置は、配線基板が、絶
縁基板の一方主面に線路導体および線路導体の両側に所
定間隔をもって設けられた同一面接地導体層が形成され
ているとともに他方主面の略全面に接地導体層が形成さ
れており、同一面接地導体層および接地導体層はそれぞ
れ島状の複数の導体非形成部が一様に分布するように配
置されているとともに絶縁基板の側面導体または貫通導
体を介して電気的に接続されていることから、配線基板
の線路導体をコプレーナ構造とすることができるため、
駆動信号として高周波信号を用いた場合駆動信号を良好
に伝送させることができる。また、熱が伝導し易い同一
面接地導体層および接地導体層に島状の複数の導体非形
成部が一様に分布するように配置されているため、同一
面接地導体層および接地導体層の面積が小さくなるとと
もに同一面接地導体層および接地導体層における伝熱経
路が長くなり、また伝熱経路が導体非形成部を迂回する
ように複雑化されるため、配線基板の熱抵抗を上げるこ
とができ、配線基板を介して容器から電子冷却素子へ伝
わる熱量を小さくできる。その結果、光半導体素子の温
度制御を安定して行なうことができ、光半導体素子より
発光される光信号の波長を一定に保ち、精度のよい光通
信が可能となる。 【００１１】 【発明の実施の形態】本発明の光半導体装置について以
下に詳細に説明する。本発明の光半導体装置の基本的な
構造は従来の光半導体装置と同様であり、図２（ａ），
（ｂ）に示す通りである。即ち、１はアルミナ（Ａｌ₂
Ｏ₃）セラミックス等のセラミックス、樹脂、金属等か
らなる略直方体の容器、１ａは容器１の外面に形成され
たメタライズ層等にロウ付け接合された入力端子であ
る。 【００１２】本発明の光半導体装置は、容器１内の底面
に電子冷却素子２を介して載置された光半導体素子４
と、容器１の内面の棚部１ｂに一端が載置されるととも
に電子冷却素子２の上面の光半導体素子４の近傍に他端
が載置され、光半導体素子４に入力される駆動信号を伝
送する線路導体９ｂ（図１）が形成された配線基板９と
を具備し、配線基板９は、絶縁基板９ａの一方主面に線
路導体９ｂおよび線路導体９ｂの両側に所定間隔をもっ
て設けられた同一面接地導体層９ｃが形成されていると
ともに他方主面の略全面に接地導体層９ｄが形成されて
おり、同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄはそ
れぞれ独立した島状の複数の導体非形成部９ｆが一様に
分布するように配置されているとともに絶縁基板９ａの
側面導体または貫通導体９ｅを介して電気的に接続され
ている構成である。 【００１３】本発明では、配線基板９の他端は光半導体
素子４の近傍に載置されるが、配線基板９の他端と光半
導体素子４との距離は10ｍｍ程度以下であり、この場合
に電子冷却素子２より容器１側に移動した熱が、配線基
板９を通って載置用基板３から光半導体素子４へ逆流す
る現象が発生し易くなる。 【００１４】本発明の容器１の外形形状は、直方体、立
方体、円筒形等の筒状等の種々の形状とし得るが、電子
冷却素子２を載置できる平坦な底面を内部に有するもの
が好ましい。また、容器１は、上面が開口されており、
内部に各部品を収容した後、開口を蓋体によって塞ぐよ
うな構成であることが、各部品を容易に収容できる点で
好ましい。 【００１５】容器１の外面のメタライズ層は、容器１を
セラミック積層法で作製することによって、容器１の内
外面を貫通するように形成され、容器１の内面のメタラ
イズ層が配線基板９の線路導体９ｂにボンディングワイ
ヤ等により電気的に接続されることにより、入力端子１
ａと線路導体９ｂとが接続される。 【００１６】また、２は容器１内の底面に載置されたペ
ルチェ素子等の電子冷却素子、３は電子冷却素子２の上
面に設置された載置用基板である。この載置用基板３は
銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）合金等から成る。さらに、
４はＬＤ等の光半導体素子、５は光半導体素子４が搭載
されたアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックス等のセラミッ
クス、樹脂等から成るサブマウント、６は光半導体素子
４の出射光を集光させるレンズ、７はレンズ６を保持す
るためのレンズ保持部材、８は電子冷却素子２の温度を
検出する温度検出器（温度センサ）、９は入力端子１ａ
と光半導体素子４とを電気的に接続する配線基板であ
る。上記温度検出器８は、金属酸化物やシリコン等によ
って形成されるサーミスタ等である。 【００１７】本発明の光半導体装置における配線基板９
の上面図と下面図を図１（ａ），（ｂ）に示す。図１に
おいて、９ａはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックス等の
セラミックス等からなる絶縁基板、９ｂは絶縁基板９ａ
の一方主面に形成された線路導体、９ｃは線路導体９ｂ
の両側に所定間隔（線路導体９ｂで伝送される高周波信
号の波長の１／４以下）をもって形成された同一面接地
導体層、９ｄは絶縁基板９ａの他方主面の略全面に形成
された接地導体層、９ｅは同一面接地導体層９ｃと接地
導体層９ｄとを電気導通させるビアホール，スルーホー
ル等の貫通導体である。同一面接地導体層９ｃおよび接
地導体層９ｄは、複数の四角形の導体非形成部９ｆが一
様に分布するように配置されている。 【００１８】この導体非形成部９ｆは、同一面接地導体
層９ｃおよび接地導体層９ｄにおける熱分布を一様にす
るためにそれらの略全面に略一定の間隔で形成されるの
が好ましい。また、導体非形成部９ｆは、同一面接地導
体層９ｃおよび接地導体層９ｄの両端を除いた中央部に
形成されるのがよい。即ち、接地導体層９ｄの一端は容
器１内の棚部１ｂに載置され他端は電子冷却素子２の上
面（図２の実施の形態では電子冷却素子２上の載置用基
板３の上面）に載置されて、接地導体層９ｄの一端およ
び他端はロウ付け等によって接合されており、その接合
力を低下させないためには、接地導体層９ｄの一端およ
び他端に導体非形成部９ｆを設けず、接地導体層９ｄの
中央部に設けることがよい。また、同一面接地導体層９
ｃにおいて、接地導体層９ｄと略同じ熱分布とするため
に、接地導体層９ｄと同様に中央部に導体非形成部９ｆ
を設けるのがよい。また、同一面接地導体層９ｃおよび
接地導体層９ｄの中央部であってその面積の70〜90％程
度の面積の領域に導体非形成部９ｆを設けるのがよい。 【００１９】また、線路導体９ｂの両側の同一面接地導
体層９ｃにおいて、線路導体９ｂの両側で熱分布を略対
称にするために略対称の配置パターンとなるように導体
非形成部９ｆを設けてもよい。 【００２０】さらに、同一面接地導体層９ｃの導体非形
成部９ｆを接地導体層９ｄの導体非形成部９ｆよりも大
きくしてもよい。即ち、接地導体層９ｄの導体非形成部
９ｆは、線路導体９ｂで伝送される高周波信号の漏洩を
防ぐために徒に大きくすることはできず、導体非形成部
９ｆの最大幅を高周波信号の波長の１／４以下にするこ
とが好ましいが、同一面接地導体層９ｃの導体非形成部
９ｆは、接地導体層９ｄの導体非形成部９ｆよりも大き
くしてもそのコプレーナ特性が劣化しにくいからであ
る。 【００２１】また導体非形成部９ｆは、同一面接地導体
層９ｃまたは接地導体層９ｄにおいて、３個以上設ける
ことが好ましい。３個未満では、導体非形成部９ｆが大
きくなるため、接地導体層９ｄにおいて線路導体９ｂで
伝送される高周波信号が漏洩して伝送損失が増大し易く
なるとともに、同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層
９ｄにおいて熱分布が一様になりにくくなる。 【００２２】導体非形成部９ｆの配置パターンは図１
（ｂ）の構成に限らず、その他の種々の構成とすること
ができる。また、島状の導体非形成部９ｆの形状は、三
角形、正方形や長方形である四角形、平行四辺形、菱
形、台形、四角形以上の多角形、円形、楕円形、長円形
等がよく、これらのうちその中心や中心線に対称的な形
状である正方形、菱形、六角形等の偶数の多角形、円形
がより好ましく、この場合絶縁基板９ａの両主面の熱分
布を略均一にして熱抵抗を高くするのが容易になる。さ
らに、導体非形成部９ｆの配置パターンおよび形状は、
同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄにおいて、
同じ配置パターンおよび形状であってもよいし、異なる
配置パターンおよび形状であってもよい。 【００２３】導体非形成部９ｆの大きさは、正方形の場
合、一辺が0.05〜１ｍｍであることがよく、0.05ｍｍ未
満では配線基板９の熱抵抗を上げるのに十分でなく、１
ｍｍを超えると、導体非形成部９ｆが大きくなり、高周
波信号が導体非形成部９ｆから漏洩して同一面接地導体
層９ｃおよび接地導体層９ｄが接地導体層としての機能
をなさず、線路導体９ｂで高周波信号が良好に伝送され
にくくなる。また、円形の場合、半径が0.025〜0.5ｍｍ
であることがよい。0.025ｍｍ未満では配線基板９の熱
抵抗を上げるのに十分でなく、0.5ｍｍを超えると、導
体非形成部９ｆが大きくなり、同一面接地導体層９ｃお
よび接地導体層９ｄが接地導体層としての機能をなさ
ず、線路導体９ｂで高周波信号が良好に伝送されにくく
なる。さらに、その他の形状の場合も、それと同面積の
正方形や円形に換算して上記の範囲とすることもでき
る。 【００２４】導体非形成部９ｆは同一面接地導体層９ｃ
および接地導体層９ｄに一様に分布しているが、これ
は、導体非形成部９ｆ同士が略同方向を向いている（円
形の場合は向きは無関係）とともにそれらの間隔が略一
定であるということである。導体非形成部９ｆ同士の間
隔は、導体非形成部９ｆの大きさと同程度以下であれば
よく、導体非形成部９ｆが正方形の場合その一辺と同程
度以下であり、導体非形成部９ｆが円形の場合その直径
と同程度以下である。 【００２５】絶縁基板９ａの他方主面に設けられる導体
非形成部９ｆの総面積は、他方主面の面積の30〜70％程
度であることが好ましい。30％未満では、熱伝導性の高
い接地導体層９ｄの面積を小さくするとともに接地導体
層９ｄにおける伝熱経路を長くしかつ伝熱経路を導体非
形成部９ｆを迂回するように複雑化するという効果が小
さくなり、配線基板９の熱抵抗を上げることが困難にな
る。70％を超えると、接地導体層９ｄの接地電位が不安
定になり易く、接地導体層９ｄとしての機能が得られ
ず、線路導体９ｂで高周波信号が良好に伝送されにくく
なる。より好ましくは40〜60％がよい。 【００２６】配線基板９を成す絶縁基板９ａは、セラミ
ックス（焼結体）や樹脂等の絶縁材料から成り、例えば
酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）質焼結体、窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結
体、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）質焼結体、ガラスセラミック
ス焼結体等から成る。 【００２７】線路導体９ｂおよび同一面接地導体層９ｃ
および接地導体層９ｄは、蒸着法、スパッタリング法、
ＣＶＤ法、めっき法等の薄膜形成法により形成され、ま
たフォトリソグラフィ法、エッチング法、リフトオフ法
等によって所定パターンに加工される。 【００２８】線路導体９ｂおよび同一面接地導体層９ｃ
および接地導体層９ｄは、例えば密着金属層、拡散防止
層、主導体層が順次積層された３層構造の導体層から成
る。密着金属層は、セラミックス等から成る絶縁基板９
ａとの密着性の点で、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−
Ｃｒ合金，Ｔａ₂Ｎ等のうち少なくとも１種より成るの
が良い。密着金属層の厚さは0.01〜0.2μｍ程度が良
い。0.01μｍ未満では、強固に密着することが困難とな
り、0.2μｍを超えると、成膜時の内部応力によって剥
離が生じ易くなる。 【００２９】拡散防止層は、密着金属層と主導体層との
相互拡散を防ぐうえで、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｎｉ
−Ｃｒ合金，Ｔｉ−Ｗ合金等のうち少なくとも１種より
成るのが良い。拡散防止層の厚さは0.05〜１μｍ程度が
良く、0.05μｍ未満では、ピンホール等の欠陥が発生し
て拡散防止層としての機能を果たしにくくなる。１μｍ
を超えると、成膜時の内部応力により剥離が生じ易くな
る。拡散防止層にＮｉ−Ｃｒ合金を用いる場合は、密着
性も確保できるため、密着金属層を省くことも可能であ
る。 【００３０】さらに、主導体層は電気抵抗の小さいＡ
ｕ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ等から成るのがよく、その厚さは
0.1〜５μｍ程度が良い。0.1μｍ未満では、電気抵抗が
大きくなる傾向にあり、５μｍを超えると、成膜時の内
部応力により剥離を生じ易くなる。また、Ａｕは貴金属
で高価であることから、低コスト化の点でなるべく薄く
形成することが好ましい。Ｃｕは酸化し易いので、その
上にＮｉ層およびＡｕ層からなる保護層を被覆するのが
良い。 【００３１】また、線路導体９ｂと同一面接地導体層９
ｃと接地導体層９ｄとを同じ膜構成によって形成しても
よいし、異なる膜構成によって形成してもよい。 【００３２】同一面接地導体層９ｃと接地導体層９ｄと
は、貫通導体９ｅまたは絶縁基板９ａの側面導体を介し
て電気的に接続される。貫通導体９ｅは、一般的にセラ
ミックスの焼結前のグリーンシートに貫通孔を設けて、
その部分に少なくともタングステンまたはモリブデンを
含む金属ペーストを埋め込んで同時焼結させることによ
って、ビアホールとして形成される。貫通導体９ｅがス
ルーホールの場合、絶縁基板９ａに設けられたオープン
ホールの内面に、同一面接地導体層９ｃおよび接地導体
層９ｄと同時に薄膜導体を被着することによって形成さ
れる。同一面接地導体層９ｃと接地導体層９ｄとが絶縁
基板９ａの側面導体を介して接続される場合、この側面
導体は、絶縁基板９ａの側面に同一面接地導体層９ｃお
よび接地導体層９ｄと同時に薄膜導体を被着することに
よって形成される。 【００３３】貫通導体９ｅの断面形状は略円形であり、
その直径は0.05〜１ｍｍ程度がよい。0.05ｍｍ未満では
電気抵抗が大きくなる傾向にあり、１ｍｍを超えると配
線基板９も大きくなり、結果として光半導体装置を小型
化できなくなる。 【００３４】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施
すことは何等差し支えない。 【００３５】 【発明の効果】本発明の光半導体装置は、容器の内面の
棚部に一端が載置されるとともに電子冷却素子の上面の
光半導体素子の近傍に他端が載置され、光半導体素子に
入力される駆動信号を伝送する線路導体が形成された配
線基板が、絶縁基板の一方主面に線路導体および線路導
体の両側に所定間隔をもって設けられた同一面接地導体
層が形成されているとともに他方主面の略全面に接地導
体層が形成されており、同一面接地導体層および接地導
体層はそれぞれ島状の複数の導体非形成部が一様に分布
するように配置されているとともに絶縁基板の側面導体
または貫通導体を介して電気的に接続されていることか
ら、配線基板の線路導体をコプレーナ構造とすることが
できるため、駆動信号として高周波信号を用いた場合駆
動信号を良好に伝送させることができる。また、熱が伝
導し易い同一面接地導体層および接地導体層に複数の導
体非形成部が一様に分布するように配置されているた
め、同一面接地導体層および接地導体層の面積が小さく
なるとともに同一面接地導体層および接地導体層におけ
る伝熱経路が長くなり、また伝熱経路が導体非形成部を
迂回するように複雑化されるため、配線基板の熱抵抗を
上げることができ、配線基板を介して容器から電子冷却
素子へ伝わる熱量を小さくできる。その結果、光半導体
素子の温度制御を安定して行なうことができ、光半導体
素子より発光される光信号の波長を一定に保ち、精度の
よい光通信が可能となる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の光半導体装置における配線基板につい
て実施の形態の例を示し、（ａ）は配線基板の上面図、
（ｂ）は配線基板の下面図である。 【図２】本発明の光半導体装置について実施の形態の例
を示し、（ａ）は光半導体装置の側断面図、（ｂ）は光
半導体装置の正面断面図である。 【図３】従来の光半導体装置における配線基板の一例を
示し、（ａ）は配線基板の上面図、（ｂ）は配線基板の
下面図である。 【符号の説明】 １：容器 ２：電子冷却素子 ４：光半導体素子 ９：配線基板 ９ａ：絶縁基板 ９ｂ：線路導体 ９ｃ：同一面接地導体層 ９ｄ：接地導体層 ９ｅ：貫通導体 ９ｆ：導体非形成部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 容器内の底面に電子冷却素子を介して載
   置された光半導体素子と、前記容器の内面の棚部に一端
   が載置されるとともに前記電子冷却素子の上面の前記光
   半導体素子の近傍に他端が載置され、前記光半導体素子
   に入力される駆動信号を伝送する線路導体が形成された
   配線基板とを具備した光半導体装置において、前記配線
   基板は、絶縁基板の一方主面に前記線路導体および前記
   線路導体の両側に所定間隔をもって設けられた同一面接
   地導体層が形成されているとともに他方主面の略全面に
   接地導体層が形成されており、前記同一面接地導体層お
   よび前記接地導体層はそれぞれ島状の複数の導体非形成
   部が一様に分布するように配置されているとともに前記
   絶縁基板の側面導体または貫通導体を介して電気的に接
   続されていることを特徴とする光半導体装置。