JP2005191347A - 半導体光素子用チップキャリア、光モジュール、及び光送受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】 容量を有する半導体光素子を光モジュール、及び光送受信器に組み込んだ場合に、素子の周波数特性を劣化させないこと。
【解決手段】 裏面が金属被覆された誘電体または半導体基板１０１の表面に高周波伝送線路１０２と接地用金属被覆部１０３と終端抵抗１０４が配置され、金属からなるビアホール１０５と金属被覆された基板側面１２２によって、基板表面の金属被覆部１０３と裏面の金属被覆部とが電気的に接続され、基板表面の金属被覆部に半導体光素子１１０を固着し、高周波伝送線路１０２と半導体光素子１１０とをワイヤボンディング１０６〜１０８によって接続したチップキャリアを用いて光モジュール、及び光送受信器を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体光素子等を搭載するチップキャリア、およびそれを用いた光モジュール、光送受信器に関する。

一般に、光モジュールは、半導体レーザダイオード（以下、ＬＤと称する）や光変調器等の半導体光素子及びチップコンデンサ等を半田付けして搭載したチップキャリアを、電源端子、入力信号端子、接地端子、光出力用ファイバコネクタ端子等を備えたパッケージ内に組み込むことにより形成されている。チップキャリアには誘電体または半導体基板が用いられ、その表面上に形成された接地用金属被覆部に半導体光素子が半田によって固着され、同一基板表面上に形成された高周波伝送線路等との間をワイヤボンディングによって接続する。

近年の半導体光素子の高速動作化に伴い、チップキャリアに対しても良好な高周波特性が要求されるようになってきている。高周波特性の向上を目的としたチップキャリアの構成例としては、半導体光素子を搭載する導電性のベース基板と、高周波伝送線路及び終端抵抗が配置されている誘電体または半導体基板とを組み合わせた構成が特許文献１に開示されている。

特開平１０−２７５９５７号公報 （第４項、図６）

通常の、誘電体あるいは半導体基板のみを用いたチップキャリアでは、２０ＧＨｚ以上の高周波域においては良好な特性を得ることが容易ではない。

また、特許文献１に開示されるような、導電性のベース基板と高周波伝送用基板とを別に設けたのチップキャリアでは、高周波特性は比較的良好であるものの、構造上、その製造コストが高く、かつ実装工程に時間がかかるという問題がある。

本発明において解決しようとする課題は、高周波特性に優れ、かつ低コストなチップキャリア、及びそれを組み込んだ光モジュール、光送受信器を提供することである。

前述した課題を解決するためには、チップキャリアのインダクタンスを低減させることが有力な手段である。すなわち、裏面が金属被覆された誘電体または半導体基板上に高周波伝送線路と接地用金属被覆部が配置され、表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とが、金属製のビアホールによって電気的に接続されているチップキャリアにおいて、当該チップキャリアの側面の一部もしくは全面を金属で被覆し、誘電体または半導体基板表面の金属被覆部と裏面とを電気的に接続させた。

また、チップキャリアのインダクタンスを低減する他の手段として、チップキャリアに搭載された変調器部半導体光素子とチップキャリアのビアホールとの距離の短縮化も有力な手段である。本発明においては、変調器部半導体光素子とビアホールの位置が最も近い場合、すなわち、変調器部半導体光素子の直下にビアホールを配置するよう構成した。

本発明のチップキャリアを用いることによって、高速動作する光半導体半導体光素子の周波数特性を劣化させず、かつ低コストなチップキャリア、及びそれを組み込んだ光モジュール、光送受信器を提供することが可能である。

以下に本発明に関する具体的な実施例を詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施例におけるチップキャリア１００の上面（ａ）および側面（ｂ）を示す図である。チップキャリア１００はアルミナ（ＡｌＮ）等の誘電体やシリコン（Ｓｉ）等の半導体からなる基板１０１が用いられる。この基板１０１上に、高周波伝送線路１０２と、半導体光素子を搭載する接地用金属被覆部１０３と、終端抵抗１０４とが形成されている。接地用金属被覆部１０３上には半導体光素子１１０が半田によって接着されている。本実施例では、半導体光素子１１０として半導体レーザ１１１と外部変調器１１２とを組み合わせた外部変調型レーザを用いた場合を前提として説明する。

本実施例では、高周波伝送線路１０２はマイクロストリップ線路であり、高周波特性を向上させるため、図面左側の信号入力部１３０は伝送線路１０２を接地導体１３１および１３２で挟んだコプレーナ線路とし、そこから基板中央付近までの領域１４０は、伝送線路１０２をマイクロストリップ線路とするよう、基板１０１の裏面（図示しない）を接地用に金属被覆している。なお、本実施例においては、裏面全面を金属被覆させているため、特に１３０の領域をグランディッドコプレーナ線路と呼ぶことにする。また、接地用金属被覆部１０３は、、コプレーナ線路用接地金属１３１および１３２は、ビアホール１０５によって裏面の金属被覆部と電気的に接続され、グランドが強化されている。１０４は終端抵抗である。

本発明は、さらにグランドを強化するために、基板１０１の側面の全面もしくは一部（１２０）を金属被覆し、基板表面の金属被覆部１０３と裏面の金属被覆部とを電気的に接続したものである。なお、図４に示すようなチップキャリアの４つの側面１５０〜１５３のうち、高周波動作に直接係る変調器部１１２に最も近い位置にある側面１５０を金属被覆することが最も効果的である。

本発明の効果を確認するために、本実施例のチップキャリア（側面１５０を金属で全面被覆した場合）の実機による光応答特性を図２（ａ）に示す。なお、光応答とは変調器部に入力した高周波信号強度に対する出力光強度の比のことをいう。比較のため、側面の金属被覆を行わなかった場合の特性も図２（ｂ）に示す。

側面の金属被覆を行わなかった場合（図２（ｂ））、３５ＧＨｚ付近で急激に特性が劣化すると共に共振が発生している。これに対して、側面１５０を金属で全面被覆した場合（図２（ａ））は、急激な特性劣化や共振も起こらず、また、４０ＧＨｚ程度においても−3ｄＢの光応答が得られ、良好な高周波特性が実現されている。

図３は、チップキャリアに外部変調型レーザをチップキャリアに搭載した場合の等価回路である。ここで、Ｚ０（３０１）は高周波伝送線路１０２の特性インピーダンスで５０Ω、Ｒｔ（３０９）は終端抵抗１０４の抵抗で５０Ω、Ｌ１（３０２）はボンディングワイヤ１０８のインダクタンス、Ｌ２（３０３）はボンディングワイヤ１０９のインダクタンス、Ｒｍ（３０４）は変調器部１１２の内部抵抗、Ｃｍ（３０５）は変調器部１１２の寄生容量、Ｒｃ（３０６）はチップキャリア１００の抵抗、Ｃｃ（３０７）はチップキャリア１００の容量、Ｌｃ（３０８）はチップキャリア１００のインダクタンスである。

なお、外部変調型レーザのレーザ部１１１は直流駆動であり、高周波特性の解析では無視できるため、図３では変調器部のみを等価回路にあらわしている。

図２（ｂ）で観測された３５ＧＨｚ付近の急激な特性劣化や共振は、変調器部１１２の寄生容量Ｃｍと、チップキャリア１００のインダクタンスＬｃ３０８との直列共振が原因である。ここで、共振周波数 ｆｒは（数１）で与えられる。

この直列共振周波数をより高周波側へシフトさせて特性の向上を図るには、変調器部の寄生容量（Ｃｍ）を低減する、あるいは、チップキャリアのインダクタンス（Ｌｃ）を低減する必要がある。しかし、前者の変調器部の容量低減は、光のオンオフの比である消光比の低下など素子特性の劣化を引き起こす可能性がある。このため、後者のチップキャリアのインダクタンス低減が有力な手段と考えられる。

図１の構成では、チップキャリアの側面を金属被覆して接地を強化することによって、チップキャリアのインダクタンスＬｃを低減し、直列共振周波数を十分に大きくすることができたために、図２（ａ）に示すように急激な特性劣化や共振のない良好な光応答特性が得られたものと考えられる。

なお、金属被覆する側面の領域の大きさによっても特性が異なる。図５は、変調器部１１２に最も近い位置にあるチップキャリアの側面１５０を金属被覆する場合において、当該側面積の１／１０、１／５、１／３、１／２、及び全面を被覆したときの周波数特性（伝達特性）のを、図３のモデルを用いて解析したシミュレーション結果である。

図５のシミュレーション結果から、金属被覆面積を増やすと周波数特性が向上することがわかる。特に、４０ＧＨｚ以上の領域においては、金属被覆面積を１／３以上にすれば、ほぼ全面を金属被覆した場合とほぼ同等の特性が得られることがわかる。

図６は、本実施例のチップキャリア１００を組み込んだＬＤモジュール６００の構造図である。外部からの変調用高周波信号６３０は中継基板６０２を介してチップキャリア１００上の半導体光素子１１０へ供給される。同様に、半導体光素子１１０の駆動用の直流電源６４０が中継基板６０３を介して供給される。半導体光素子１１０からのレーザ光６１０は集光用レンズ６０１によって集光され、外部に接続された光伝送用ファイバ６２０へ送出される。また、半導体光素子１１０の光出力状態をモニタするため、モニタ用フォトダイオード６０４が搭載されている。

図７は図６に示したＬＤモジュールにおいて、チップキャリア１００の側面を金属被覆した場合の実機による光応答特性である。なお、金属被覆は半導体光素子１１０の変調器部１１１１１２に最も近い側面全面に施した。比較のために、側面の金属被覆を施していないいチップキャリアを搭載したＬＤモジュールの光応答特性も併せて示す。本評価結果から、チップキャリアの側面を金属被覆したことによって、光応答特性が約１０ＧＨｚ向上することが確認できた。

以上説明したように本実施例によれば、従来の、誘電体または半導体基板のみで構成される安価なチップキャリアの側面を金属被覆するだけで、急激な特性劣化がないなく、かつ、高周波域まで高利得である良好な周波数特性が得られ、安価かつ作業工程も容易な周波数特性に優れたチップキャリア及びそれを用いた光モジュール、光送信器を提供することが可能である。

なお、本実施例では半導体光素子として外部変調型レーザを用いた場合を例として説明したが、外部変調器を有しない直接変調型レーザを用いた場合も同様の効果が期待できる。この場合、チップキャリア上の直接変調型レーザを搭載した位置に最も近い側面を金属被覆することになる。

本発明はチップキャリア上の構成部品の形状やパターンに限定されるものではない。例えば、本実施例では高周波伝送線路がマイクロストリップ線路グランディットコプレーナ線路とマイクロストリップ線路とを組み合わせたパターンになっているが、コプレーナ線路やのみ、グランディットコプレーナ線路（基板裏面を金属被覆したコプレーナ線路）など、高周波信号を減衰させない線路（一般には50Ω線路）の場合においてものみ、あるいはマイクロストリップ線路のみの場合においても、それぞれ同様の効果がある。

また、本実施例では高周波信号と直流電流とがそれぞれワイヤ１０８とワイヤ１０９を介して個別に素子に供給されるチップキャリアを示しているが、チップキャリアの外部でバイアスティーを用いて高周波信号と直流電流とをあわせて素子に供給するチップキャリアに対しても同様の効果がある。

前述の実施例から、チップキャリアの高周波特性を改善するため、そのインダクタンスを低減することが有力であることがわかった。ここで、インダクタンス低減の他の手段として、チップキャリアに搭載した外部変調型レーザ１１０の変調器部１１２と、チップキャリアのビアホールとの距離の短縮化が考えられる。最も近づけるためには、図８に示すように、変調器部１１２の直下にビアホール１０５Ａを配置するようにすればよい。

図９は、図８に示した変調器部１１２の直下にビアホール１０５Ａを配置した場合の周波数特性のを、図３のモデルで解析したシミュレーション結果である。第１の実施例で説明したチップキャリアの側面を金属被覆した場合に比べて、高周波帯域においてでの利得が少ないものの、急激な利得の低下や共振等のおこらない良好な特性が得られていることがわかる。

ただし、ビアホールを素子直下に配置することによりビアホール部と周囲の誘電体または半導体基板との平坦性が劣化し、素子の半田付け時の接着性が低下する場合がある。また、ビアホール部と基板との熱膨張係数の違いによって、半導体光素子に応力がかかり信頼性低下の可能性もある。従って、必要に応じてこれらの対策、例えば半田付けの補強等を別途施すようにする。

以上説明したように本実施例によれば、従来の誘電体または半導体基板から構成される安価なチップキャリアにおいて、そのビアホールの位置を変更するだけで急激な特性劣化や共振のない良好な周波数特性が得られたため、安価かつ作業工程も容易な周波数特性に優れたチップキャリア、およびそれを用いた光モジュール、光送信器を提供することが可能である。本実施例も第１の実施例と同様にチップキャリア上の構成部品の形状やパターンに限定されるものではない。

また、第１の実施例と本実施例とを組み合わせた形態、すなわち、チップキャリアの側面を金属被覆し、高周波動作させる半導体光素子部品の直下にビアホールを設けることによって、高周波特性のさらなる改善が期待できる。

なお、本実施例では半導体光素子として外部変調型レーザを用いた場合を例として説明したが、外部変調器を有しない直接変調型レーザを用いた場合も同様の効果が期待できる。この場合、チップキャリア上の直接変調型レーザを搭載した位置の直下にビアホールを配置するよう構成する。

以上、第１および第２の実施例共に発光素子を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、フォトダイオード（ＰＤ；Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）などの受光素子のチップキャリア、及びそれを用いた光モジュール、光受信器に対しても有効である。

また、本発明のチップキャリアは半導体光素子に限定されるものではない。高周波特性を劣化させる要因が素子の寄生容量に起因するもの、すなわち、トランジスタ等、キャパシタ構造を有する容量性の素子であれば、本発明のチップキャリアを使用することによって高周波特性の改善が期待できる。

本発明のチップキャリア構造を説明する図である。 本発明のチップキャリアによる特性を説明する図である。 本発明のチップキャリアの等価回路を示す図である。 本発明のチップキャリア構造を説明する図である。 本発明のチップキャリアによる特性を説明する図である。 本発明のＬＤモジュール構造を説明する図である。 本発明のＬＤモジュールによる特性を説明する図である。 本発明のチップキャリア構造を説明する図である。 本発明のチップキャリアによる特性を説明する図である。

符号の説明

１００・・・チップキャリア、１０１・・・誘電体または半導体基板、１０２・・・高周波伝送線路、１０３・・・接地用金属被覆部、１０４・・・終端抵抗、１０５・・・ビアホール、１０６−１０８・・・ワイヤ、１１０・・・外部変調型レーザ、１１１・・・半導体レーザ、１１２・・・外部変調器、１２０・・・側面金属被覆、１５０−１５３・・・チップキャリアの側面、６００・・・光モジュール、６０１・・・集光用レンズ、６０２−６０３・・・中継基板、６０４・・・モニター用PD

Claims (16)

1. 基板の裏面を金属被覆し、前記基板の表面上に素子を搭載する金属被覆部を形成したチップキャリアであって、
   前記基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とを、前記基板の側面に形成した金属被覆部にて接続したことを特徴とするチップキャリア。
2. 請求項１に記載のチップキャリアであって、
   前記基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とを、前記基板を貫通する金属性のビアホールにてさらに接続したことを特徴とするチップキャリア。
3. 基板の裏面を金属被覆し、前記基板の表面上に形成した金属被覆部に半導体光素子を搭載したチップキャリアであって、
   前記基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とを、前記基板の側面に形成した金属被覆部にて接続したことを特徴とするチップキャリア。
4. 請求項３に記載のチップキャリアであって、
   前記基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とを、前記基板を貫通する金属性のビアホールにてさらに接続したことを特徴とするチップキャリア。
5. 請求項３または４に記載のチップキャリアであって、
   前記基板の側面に形成した金属被覆部は、前記半導体光素子の搭載位置に最も近い側面に形成されていることを特徴とするチップキャリア。
6. 請求項５に記載のチップキャリアであって、
   前記基板の側面に形成した金属被覆部の領域は、少なくとも前記側面の３分の１以上であることを特徴とするチップキャリア。
7. 半導体光素子を搭載したチップキャリアを組み込んだ光モジュールであって、
   前記チップキャリアは、裏面が金属被覆された基板の表面上に形成した金属被覆部に前記半導体光素子が搭載され、
   前記基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とを、前記基板の側面に形成した金属被覆部にて接続したこと
   を特徴とする光モジュール。
8. 請求項７に記載の光モジュールであって、
   前記チップキャリアの基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とを、前記基板を貫通する金属性のビアホールにてさらに接続したことを特徴とする光モジュール。
9. 請求項７または８に記載の光モジュールであって、
   前記チップキャリアの基板の側面に形成した金属被覆部は、前記半導体光素子の搭載位置に最も近い側面に形成されていることを特徴とする光モジュール。
10. 請求項９に記載の光モジュールであって、
    前記知プキャリア基板の側面に形成した金属被覆部の領域は、少なくとも前記側面の３分の１以上であることを特徴とする光モジュール。
11. 基板の裏面を金属被覆し、前記基板の表面上に形成した金属被覆部に半導体光素子を搭載したチップキャリアであって、
    前記基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とが、前記基板を貫通する金属性のビアホールにて接続されており、
    前記ビアホールは前記半導体光素子の下に形成されていることを特徴とするチップキャリア。
12. 請求項１１に記載のチップキャリアであって、
    前記基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とを、前記基板の側面に形成した金属被覆部にてさらに接続したことを特徴とするチップキャリア。
13. 半導体光素子を搭載したチップキャリアを組み込んだ光モジュールであって、
    前記チップキャリアは基板の裏面が金属被覆され、前記基板の表面上に形成した金属被覆部に前記半導体光素子が搭載されたものであり、
    前記基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とが、前記基板を貫通する金属性のビアホールにて接続されており、
    前記ビアホールは前記半導体光素子の下に形成されていることを特徴とする光モジュール。
14. 請求項１３に記載の光モジュールであって、
    前記チップキャリアの基板表面の金属被覆部と裏面の金属被覆部とを、前記基板の側面に形成した金属被覆部にてさらに接続したことを特徴とする光モジュール。
15. 請求項７〜１０のいずれかに記載の光モジュールを搭載したことを特徴とする光送受信器。
16. 請求項１３もしくは１４のいずれかに記載の光モジュールを搭載したことを特徴とする光送受信器。
    

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