JP2005051087A

JP2005051087A - 光半導体装置

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Publication number: JP2005051087A
Application number: JP2003282319A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Shirakawa; 泰史白川; Masaki Taniguchi; 正記谷口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】面積を増大させることなく光半導体装置内にバイパスコンデンサを形成する。
【解決手段】光信号を電気信号に変換する受光素子部２と、変換した電気信号を増幅、演算する増幅器を含む集積回路部３とを同一半導体基板上に備え、迷光による回路の誤作動を防止するために、集積回路部３上に金属遮光膜４を形成し、この金属遮光膜４上に誘電体となる絶縁膜５を形成し、絶縁膜５上にさらに金属遮光膜６を積層することで、金属遮光膜積層体７からなるコンデンサ構造を形成する。このコンデンサ構造を形成する金属遮光膜４を集積回路部３の電源用ボンディングパッド８（８ａ）と電気的に接続し、金属遮光膜６を集積回路部３のＧＮＤ用ボンディングパッド８（８ｂ）と電気的に接続することで、遮光膜積層体７を集積回路部３の電源用バイパスコンデンサとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号を高速で光電変換し、増幅する光半導体装置に関するものである。

従来の増幅回路を含む光半導体装置においては、ＧＮＤ（グラウンド）に対する電源の交流的なインピーダンスを低減し、電源ラインを安定化するため、電源とＧＮＤとの間にバイパスコンデンサを挿入している。
特開平５−２５１６３５号公報

高速動作を求められる光半導体装置においては、電源ラインに高周波電位をもつと、特性が劣化するので、対ＧＮＤ間に高周波的に短絡させる意味で、電源とＧＮＤとの間にバイパスコンデンサを挿入する。理想的なバイパスコンデンサは周波数が高くなるにつれて、インピーダンスが低くなるが、実際には、バイパスコンデンサから半導体回路の電源までにインダクタンス成分があるため、インピーダンスの周波数特性は、ある周波数より高くなると増大する。ここで、バイパスコンデンサの容量をC、バイパスコンデンサから半導体回路までの配線の抵抗をR、寄生インダクタンスをL、交流成分の角周波数をωとすると、電源のＧＮＤに対するインピーダンス｜Z｜は、｜Z｜＝（R²＋(（1-LCω²）²/ωC)²）^1/2となり、ω＝1/(LC)^1/2となる共振周波数では、インピーダンス｜Z｜＝Rとなり、｜Z｜は最小となるので、バイパスコンデンサの効果が最も効果的な周波数となる。信号の周波数帯域が、共振周波数より高くなると、L成分に起因してインピーダンスが増大する。よって、バイパスコンデンサから半導体回路の電源までの配線距離が長いと、R、Lが増大するため、共振周波数で最小となるインピーダンス自体も増大し、共振周波数より高い周波数では、Lによるインピーダンスの増大がさらに顕著になる。以上の説明からわかるように、電源用バイパスコンデンサは回路の電源端子に近いほど効果が向上するため、半導体集積回路内にバイパスコンデンサを形成することが理想的である。

しかしながら、従来技術においては、半導体集積回路内で電源用バイパスコンデンサを作ると面積が大きくなってしまうため、光半導体装置を実装する基板上にコンデンサを挿入している。または、コンデンサを光半導体装置のパッケージに内蔵している。このため、バイパスコンデンサから半導体回路の電源パッドまでの配線距離が原因で電源の安定化が十分に図れないという特性の劣化のおそれがあった。

本発明の目的は、チップ面積の増大や特性を劣化させることなく、電源用等のバイパスコンデンサを形成した光半導体装置を提供することである。

本発明の請求項１記載の光半導体装置は、受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、この受光素子の出力信号を増幅、演算する増幅器を含む集積回路部とを、同一半導体基板に集積し、集積回路部の迷光による誤作動を防ぐために集積回路部上に金属遮光膜を備えた光半導体装置であって、金属遮光膜を２層以上設け、各金属遮光膜間に誘電体を形成したことを特徴とする。

この請求項１の構成によれば、金属遮光膜を２層以上設け、金属遮光膜間に誘電体を形成したことにより、チップ面積を増大させることなく集積回路部上にコンデンサを形成でき、このコンデンサを電源用等のバイパスコンデンサとして用いることができる。したがって、従来、外付け部品で実装していたバイパスコンデンサを光半導体装置内に形成することができ、部品点数の削減および、この光半導体装置を使用したデバイスの小型化が可能になる。

また、請求項２記載の光半導体装置は、請求項１記載の光半導体装置において、２層以上のうち半導体基板に近い側の２層の金属遮光膜を半導体基板側からそれぞれ第１金属遮光膜、第２金属遮光膜としたとき、第１金属遮光膜を集積回路部の電源ラインまたは電源用ボンディングパッドと電気的に接続し、第２金属遮光膜を集積回路部のＧＮＤラインまたはＧＮＤ用ボンディングパッドと電気的に接続したことを特徴とする。

このようにして、第１金属遮光膜、第２金属遮光膜およびその間の誘電体によって、電源用のバイパスコンデンサを形成できる。このバイパスコンデンサと集積回路部の電源パッドの間で生じる抵抗成分およびインダクタンス成分は極めて小さいため、光半導体装置の外部にバイパスコンデンサを構成した場合に比べて、バイパスコンデンサの効果を向上させることができる。

また、請求項３記載の光半導体装置は、請求項１記載の光半導体装置において、２層以上のうち半導体基板に近い側の２層の金属遮光膜を半導体基板側からそれぞれ第１金属遮光膜、第２金属遮光膜としたとき、第１金属遮光膜を集積回路部のＧＮＤラインまたはＧＮＤ用ボンディングパッドと電気的に接続し、第２金属遮光膜を集積回路部の電源ラインまたは電源用ボンディングパッドと電気的に接続したことを特徴とする。

また、請求項４記載の光半導体装置は、請求項１記載の光半導体装置において、２層以上のうち隣接する２層の金属遮光膜をそれぞれ第１金属遮光膜、第２金属遮光膜としたとき、第１金属遮光膜を集積回路部の第１の電位が供給される第１の配線と電気的に接続し、第２金属遮光膜を集積回路部の第２の電位が供給される第２の配線と電気的に接続したことを特徴とする。

このようにして、集積回路部のコンデンサを挿入したい部分と電気的に接続することで、任意の個所にバイパスコンデンサを接続することができる。

また、請求項５記載の光半導体装置は、請求項２記載の光半導体装置において、第１金属遮光膜を電源用ボンディングパッドの一部分に重なるように形成し、電源用ボンディングパッドとの第１金属遮光膜の重なり部分および電源用ボンディングパッドをともにワイヤボンディングすることで第１金属遮光膜と電源用ボンディングパッドとを電気的に接続し、第２金属遮光膜をＧＮＤ用ボンディングパッドの一部分に重なるように形成し、ＧＮＤ用ボンディングパッドとの第２金属遮光膜の重なり部分およびＧＮＤ用ボンディングパッドをともにワイヤボンディングすることで第２金属遮光膜をＧＮＤ用ボンディングパッドと電気的に接続したことを特徴とする。

これにより、電源のＧＮＤに対するインピーダンスが低減して、バイパスコンデンサの効果を向上することができる。

また、請求項６記載の光半導体装置は、請求項３記載の光半導体装置において、第１金属遮光膜をＧＮＤ用ボンディングパッドの一部分に重なるように形成し、ＧＮＤ用ボンディングパッドとの第１金属遮光膜の重なり部分およびＧＮＤ用ボンディングパッドをともにワイヤボンディングすることで第１金属遮光膜をＧＮＤ用ボンディングパッドと電気的に接続し、第２金属遮光膜を電源用ボンディングパッドの一部分に重なるように形成し、電源用ボンディングパッドとの第２金属遮光膜の重なり部分および電源用ボンディングパッドをともにワイヤボンディングすることで第２金属遮光膜と電源用ボンディングパッドとを電気的に接続したことを特徴とする。

また、請求項７記載の光半導体装置は、請求項１記載の光半導体装置において、金属遮光膜を２層設け、２層の金属遮光膜を複数個に分割し、複数個のコンデンサを形成したことを特徴とする。

このようにして集積回路部上に複数個のコンデンサを形成し、それぞれ、集積回路部のコンデンサを挿入したい部分と電気的に接続させることで、互いに独立に使用することができる。

また、請求項８記載の光半導体装置は、請求項１記載の光半導体装置において、２層以上のうちの１層の所定の金属遮光膜上に半導体レーザを形成し、金属遮光膜を半導体レーザ用の電極配線に用いたことを特徴とする。

このように、金属遮光膜を半導体レーザの電極配線に共用することで、半導体レーザ用の電極端子を必要としないため、端子数を削減することができる。

また、請求項９記載の光半導体装置は、受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、この受光素子の出力信号を増幅、演算する増幅器を含む集積回路部とを、同一半導体基板に集積し、集積回路部の迷光による誤作動を防ぐために集積回路部上に金属遮光膜を備えた光半導体装置であって、金属遮光膜と受光素子のコモン側電極とを電気的に接続したことを特徴とする。

この請求項９の構成によれば、金属遮光膜に受光素子のコモン側電極の電位を与えることにより、集積回路部と金属遮光膜との間に形成された浮遊容量は、集積回路部と受光素子のコモン側電極との間でバイパスコンデンサとして動作する。このとき、受光素子のコモン側電極と集積回路部の電位は同相で変動することから、電流−電圧変換、増幅、演算した際、受光素子のコモン側電極電位の変動は相殺され、コモン側電極電位の変動が原因で発生する信号の劣化を低減し、特性を向上させることができる。上記のバイパスコンデンサ形成によるチップ面積の増大もない。

以上のように本発明によると、金属遮光膜間に誘電体を形成したことにより、チップ面積を増大させることなく集積回路部上にコンデンサを形成できる。従来、外付け部品で実装していたバイパスコンデンサを光半導体装置内に形成することができ、部品点数の削減および、この光半導体装置を使用したデバイスの小型化が可能になる。また、受光素子のコモン側電極と金属遮光膜を電気的に接続することで、受光素子のコモン電位変位による信号劣化を低減することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。ただし、図面は、概略的に示したに過ぎず、本発明は図面例にのみ限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の断面構造を示す。図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の平面構造を示す。図１（ｂ）において、図１（ａ）と共通の構成要素には、図１（ａ）と同一の符号を付している。

図１（ａ）、（ｂ）において、１は受光素子部２とボンディングパッド８を除く集積回路部３上に遮光膜積層体７を堆積した、光半導体装置である。この光半導体装置１は、光信号を電気信号に変換する受光素子部２と、変換した電気信号を増幅、演算する増幅器を含む集積回路部３とを１チップ（同一半導体基板）内に集積している。そして、迷光による回路の誤作動を防止するために、集積回路部３上に金属遮光膜４を形成している。この金属遮光膜４上に誘電体となる絶縁膜５を形成し、絶縁膜５上に、さらに金属遮光膜６を積層した金属遮光膜積層体７を形成することで、コンデンサ構造を形成している。

このコンデンサ構造を形成する金属遮光膜４を集積回路部３の電源ラインあるいは電源用ボンディングパッド８（例えば８ａ）と電気的に接続し、金属遮光膜６を集積回路部３のＧＮＤラインあるいはＧＮＤ用ボンディングパッド８（例えば８ｂ）と電気的に接続することで、遮光膜積層体７は集積回路部３の電源用バイパスコンデンサとして機能する。または、金属遮光膜６を集積回路部３の電源ラインあるいは電源用ボンディングパッド８（例えば８ａ）と電気的に接続し、金属遮光膜４を集積回路部３のＧＮＤラインあるいはＧＮＤ用ボンディングパッド８（例えば８ｂ）と電気的に接続してもかまわない。

本実施形態によれば、コンデンサを構成する遮光膜積層体７は集積回路部３上に形成されるため、光半導体装置１の面積を増大させることなく、電源用バイパスコンデンサを内蔵することができる。従来、外付け部品で実装していたバイパスコンデンサを光半導体装置１内に形成することができ、部品点数の削減および、この光半導体装置１を使用したデバイスの小型化を可能にする。また、バイパスコンデンサとボンディングパッド８等の電源パッドとの間で生じる抵抗成分およびインダクタンス成分は極めて小さいため、光半導体装置の外部にバイパスコンデンサを構成した場合に比べて、バイパスコンデンサの効果を向上させることができる。

また、光半導体装置１自体にバイパスコンデンサを内蔵することによって、この光半導体装置１を装置システムに組み込むユーザは、バイパスコンデンサを別途設ける必要が無くなり、装置システムの構成が簡易になる。

また、遮光膜積層体７からなるコンデンサを集積回路部３内のコンデンサを挿入したい部分と電気的に接続して使用することで、大容量コンデンサを構成することも可能である。

なお、本実施形態では、遮光膜積層体７が２層の金属遮光膜を有する場合について説明したが、各層間に絶縁膜を介して３層以上の金属遮光膜を設けてあってもよい。例えば、１層目の金属遮光膜４および２層目の金属遮光膜６を含み３層以上設ける場合、奇数層の金属遮光膜は１層目の金属遮光膜４と電気的に接続し、偶数層の金属遮光膜は２層目の金属遮光膜６と電気的に接続することで、積層コンデンサを形成することができる。また、例えば、３層目、４層目のように隣り合う金属遮光膜２層を用いてコンデンサを形成し、独立したコンデンサとして使用することもできる。あるいは、上記２つの使用方法を複合して、積層コンデンサと独立したコンデンサとして使用することも可能である。

（第２の実施形態）
図２（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の実装形態の断面図を示す。図２（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の平面構造を示す。図２において、９はワイヤ、１０はリード片、１１はパッケージ基板であり、その他の図１と共通の構成要素には、図１と同一の符号を付している。

本実施形態では、同一半導体基板上に、受光素子部２、集積回路部３、遮光膜積層体７およびボンディングパッド８が形成された光半導体装置１の構成は図１と同様であり、この光半導体装置１をパッケージ基板１１上に実装した構成例を図２に示す。

この場合、金属遮光膜４を電源用のボンディングパッド８ａの一部分を覆うように形成し、金属遮光膜４と電源用のボンディングパッド８ａとをともに同時にワイヤボンディングし、金属遮光膜６をＧＮＤ用のボンディングパッド８ｂの一部分を覆うように形成し、金属遮光膜６とＧＮＤ用のボンディングパッド８ｂとをともに同時にワイヤボンディングしている。ここで、ボンディングパッド８ａを電源用、ボンディングパッド８ｂをＧＮＤ用としたが、ボンディングパッド８ａがＧＮＤ用で、ボンディングパッド８ｂが電源用であってもかまわない。

この実装方法を用いて、金属遮光膜積層体７をバイパスコンデンサとして使用する際、バイパスコンデンサと集積回路部３は、ワイヤ９のボンディング部分のみによって、電気的に接続されているため、集積回路部３とバイパスコンデンサの間に生じる配線抵抗、寄生インダクタは、ワイヤ全体を介して電気的に接続したときに比べて、十分に小さくなる。すなわち、電源のＧＮＤに対するインピーダンスが低減して、バイパスコンデンサの効果を向上することができる。

（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態に係る光半導体装置の平面構造を示す。図３において、図１と共通の構成要素には、図１と同一の符号を付している。

本実施形態では、遮光膜積層体７が複数個に分割して形成されている点が図１とは異なり、それ以外の構成は図１と同様である。金属遮光膜は、迷光による回路の誤作動を防止するために形成しているが、迷光によって回路が誤作動を起こすのは、トランジスタや容量など、ｐｎ接合を構成している部分に光が入射されるとｐｎ接合の逆方向電流が増加することに起因しているため、金属遮光膜はｐｎ接合部に光が照射されないように形成すれば、遮光膜積層体７は複数個に分割してもかまわない。よって、これら複数個の遮光膜積層体７を用いてコンデンサ構造を形成することにより、集積回路部３上に複数個のコンデンサを形成することができる。また、これら複数個のコンデンサはそれぞれ、集積回路部３のコンデンサを挿入したい部分と電気的に接続させることで、互いに独立に使用することができる。そしてそのうちの１つのコンデンサを、第１の実施形態のように電源用バイパスコンデンサとして用いることができる。

（第４の実施形態）
図４（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る平面図である。図４（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る断面構造を示した図である。図４において、９はワイヤ、１２は半導体レーザであり、その他の図１と共通の構成要素には、図１と同一の符号を付している。

図４に示すように、光半導体装置１上に光信号の光源となる半導体レーザ１２を実装する際、半導体レーザ１２の＋側電極（下面側電極）と金属遮光膜４を例えば銀ペーストにより電気的に接続し、半導体レーザ１２の−側電極（上面側電極）と金属遮光膜６を例えばボンディングワイヤを用いて電気的に接続している。また、金属遮光膜４を集積回路部３の電源用のボンディングパッド８と電気的に接続し、金属遮光膜６を集積回路部３のＧＮＤ用のボンディングパッド８と電気的に接続することで、遮光膜積層体７で電源用バイパスコンデンサを構成し、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

本実施形態によれば、金属遮光膜４、６を半導体レーザ１２の電極配線に共用することで、半導体レーザ１２用の＋側電極端子および−側電極端子を必要としないため、電源端子数を削減することができる。

（第５の実施形態）
図５（ａ）、（ｂ）のそれぞれは本発明の第５の実施形態に係る光半導体装置の受光素子２とアンプ部分を有する集積回路部１４を示した回路図である。図５（ａ）は受光素子２がカソードコモン型受光素子の場合の回路を示したものであり、図５（ｂ）は受光素子２がアノードコモン型受光素子の場合の回路を示したものである。

図５（ａ）では、受光素子２のカソードを電源電圧Ｖｃｃに接続している。この場合、カソードを図１の金属遮光膜４を介して、電源Ｖｃｃと電気的に接続することを特徴とする。ここで、金属遮光膜４は集積回路部１４（図１の集積回路部３に相当）を覆うように形成されているため、カソードと集積回路部１４との間に寄生容量が発生する。この寄生容量は、カソードと集積回路部１４のバイパスコンデンサ１３として機能させることができる。よって、受光部２でカソードの変動により発生した電流は、集積回路部１４と高周波的に短絡されるため、集積回路部１４内の差動増幅回路においては、カソードの変動分が相殺され、信号の劣化を低減させることができる。

また、図５（ｂ）では、受光素子２のアノードをＧＮＤに接続している。この場合、アノードを図１の金属遮光膜４を介して、ＧＮＤと電気的に接続することを特徴とする。カソードをアノードに代えた図５（ａ）と同様の効果から、アノードの変動が原因で発生する信号の劣化を低減させることができる。

なお、図５（ａ）、図５（ｂ）の各構成の場合、図１の金属遮光膜４の上の金属遮光膜６、絶縁膜５（誘電体）は必要ない。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の構造を示す断面図、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の構造を示す平面図である。（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の構造を示す断面図、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の構造を示す平面図である。本発明の第３の実施形態に係る光半導体装置の構造を示す平面図である。（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る光半導体装置の構造を示す断面図、（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る光半導体装置の構造を示す平面図である。（ａ）は本発明の第５の実施形態に係るカソードコモン型受光素子を有する光半導体装置を示す回路図、（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係るアノードコモン型受光素子を有する光半導体装置を示す回路図である。

符号の説明

１光半導体装置
２受光素子部
３集積回路部
４金属遮光膜
５絶縁膜
６金属遮光膜
７遮光膜積層体
８ボンディングパッド
９ワイヤ
１０リード片
１１パッケージ基板
１２半導体レーザ
１３バイパスコンデンサ
１４集積回路部

Claims

受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、この受光素子の出力信号を増幅、演算する増幅器を含む集積回路部とを、同一半導体基板に集積し、前記集積回路部の迷光による誤作動を防ぐために前記集積回路部上に金属遮光膜を備えた光半導体装置であって、
前記金属遮光膜を２層以上設け、各前記金属遮光膜間に誘電体を形成したことを特徴とする光半導体装置。
２層以上のうち半導体基板に近い側の２層の金属遮光膜を前記半導体基板側からそれぞれ第１金属遮光膜、第２金属遮光膜としたとき、前記第１金属遮光膜を集積回路部の電源ラインまたは電源用ボンディングパッドと電気的に接続し、前記第２金属遮光膜を前記集積回路部のＧＮＤラインまたはＧＮＤ用ボンディングパッドと電気的に接続したことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
２層以上のうち半導体基板に近い側の２層の金属遮光膜を前記半導体基板側からそれぞれ第１金属遮光膜、第２金属遮光膜としたとき、前記第１金属遮光膜を集積回路部のＧＮＤラインまたはＧＮＤ用ボンディングパッドと電気的に接続し、前記第２金属遮光膜を前記集積回路部の電源ラインまたは電源用ボンディングパッドと電気的に接続したことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
２層以上のうち隣接する２層の金属遮光膜をそれぞれ第１金属遮光膜、第２金属遮光膜としたとき、前記第１金属遮光膜を集積回路部の第１の電位が供給される第１の配線と電気的に接続し、前記第２金属遮光膜を前記集積回路部の第２の電位が供給される第２の配線と電気的に接続したことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
第１金属遮光膜を電源用ボンディングパッドの一部分に重なるように形成し、前記電源用ボンディングパッドとの前記第１金属遮光膜の重なり部分および前記電源用ボンディングパッドをともにワイヤボンディングすることで前記第１金属遮光膜と電源用ボンディングパッドとを電気的に接続し、
第２金属遮光膜をＧＮＤ用ボンディングパッドの一部分に重なるように形成し、前記ＧＮＤ用ボンディングパッドとの前記第２金属遮光膜の重なり部分および前記ＧＮＤ用ボンディングパッドをともにワイヤボンディングすることで前記第２金属遮光膜をＧＮＤ用ボンディングパッドと電気的に接続したことを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
第１金属遮光膜をＧＮＤ用ボンディングパッドの一部分に重なるように形成し、前記ＧＮＤ用ボンディングパッドとの前記第１金属遮光膜の重なり部分および前記ＧＮＤ用ボンディングパッドをともにワイヤボンディングすることで前記第１金属遮光膜をＧＮＤ用ボンディングパッドと電気的に接続し、
第２金属遮光膜を電源用ボンディングパッドの一部分に重なるように形成し、前記電源用ボンディングパッドとの前記第２金属遮光膜の重なり部分および前記電源用ボンディングパッドをともにワイヤボンディングすることで前記第２金属遮光膜と電源用ボンディングパッドとを電気的に接続したことを特徴とする請求項３記載の光半導体装置。
金属遮光膜を２層設け、２層の前記金属遮光膜を複数個に分割し、複数個のコンデンサを形成したことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
２層以上のうちの１層の所定の前記金属遮光膜上に半導体レーザを形成し、前記金属遮光膜を半導体レーザ用の電極配線に用いたことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、この受光素子の出力信号を増幅、演算する増幅器を含む集積回路部とを、同一半導体基板に集積し、前記集積回路部の迷光による誤作動を防ぐために前記集積回路部上に金属遮光膜を備えた光半導体装置であって、
前記金属遮光膜と前記受光素子のコモン側電極とを電気的に接続したことを特徴とする光半導体装置。