JP2009231348A

JP2009231348A - 光半導体装置

Info

Publication number: JP2009231348A
Application number: JP2008071655A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yamaji; 和宏山路
Original assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-10-08
Also published as: WO2009116503A1

Abstract

【課題】光半導体素子の冷却効率を向上させること。
【解決手段】本発明は、光半導体素子１４と、貫通孔５２を有するステム５０と、貫通孔の内面の一部に非接触部５４を有するように貫通孔５２に挿入された絶縁体３６と絶縁体により支持され光半導体素子１４に入力または出力する信号を伝送する配線３４とを有する配線ブロック３０と、ステム５０に固定され光半導体素子１０で発生した熱をステム５０に放出するヒートシンク６２と、を具備する光半導体装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、光半導体装置に関し、特に、光半導体素子に入力または出力する信号を伝送するための配線ブロックを有する光半導体装置に関する。

半導体レーザ等の光半導体素子は光通信や光記憶媒体等に用いられている。特許文献１の図４には、パッケージのステムに半導体レーザ素子１を搭載したヒートシンク６が固定され、半導体レーザ素子１に入力する信号を伝送する電極がステムを貫通する技術が開示されている。

実公昭５９−５９８５号公報

半導体レーザ素子等の光半導体素子に入力または出力する信号の周波数が高くなると、特許文献１のようなリードによる信号の入出力では、高周波特性が劣化してしまう。このため、信号の入出力に絶縁体に配線を設けた配線ブロックを用いる。しかしながら、小さいステムに配線ブロックを用いると光半導体素子の冷却効率が低下してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、信号の入出力に配線ブロックを用いた場合において、光半導体素子の冷却効率を向上させることが可能な光半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、光半導体素子と、貫通孔を有するステムと、前記貫通孔の内面の一部に非接触部を有するように前記貫通孔に挿入された絶縁体と前記絶縁体により支持され前記光半導体素子に入力または出力する信号を伝送する配線とを有する配線ブロックと、前記ステムに固定され前記光半導体素子で発生した熱を前記ステムに放出するヒートシンクと、を具備することを特徴とする光半導体装置である。本発明によれば、貫通孔内に非接触部を設けることで、ステムから配線ブロックを介し温度制御部または光半導体素子に戻る熱流を減らすことができる。よって、冷却効率を向上させることができる。

上記構成において、前記光半導体素子から発生した熱を前記ヒートシンクに放出し、前記光半導体素子の温度を制御する温度制御部を具備する構成とすることができる。

上記構成において、前記配線ブロックと前記ヒートシンクとは離間している構成とすることができる。この構成によれば、配線ブロックを介したヒートシンクから温度制御部または光半導体素子への熱の逆流をより抑制することができる。

上記構成において、前記ステムの直径は６ｍｍ以下である構成とすることができる。また、上記構成において、前記非接触部は前記貫通孔の内面の１／２以上である構成とすることができる。

本発明によれば、貫通孔内に非接触部を設けることで、ステムから配線ブロックを介し温度制御部または光半導体素子に戻る熱流を減らすことができる。よって、冷却効率を向上させることができる。

まず、本発明の原理を説明する。図１は比較例の配線ブロックを用いた光半導体装置の模式図である。図１を参照に、キャリア１２に半導体レーザ素子１４が搭載されている。キャリア１２は半導体レーザ素子１４の温度を制御するＴＥＣ（Thermoelectric Cooler）等の温度制御部６０上に搭載される。温度制御部６０はヒートシンク６２に搭載され固定される。ヒートシンク６２はステム５０に固定される。ステム５０は貫通孔５２を有し、貫通孔５２には配線ブロック３０が挿入されている。配線ブロック３０は、ステム５０の貫通孔５２に挿入される絶縁体３６と絶縁体３６に支持され、半導体レーザ素子１４に入力する信号を伝送する配線３４とを有している。配線ブロック３０の配線３４と温度制御部６０およびキャリア１２とはボンディングワイヤ６４等の接続部材で電気的に接続される。半導体レーザ素子１４に入力する信号は、配線ブロック３０に設けられたリード３２、配線ブロック３０内の配線３４、ボンディングワイヤ６４を介し半導体レーザ素子１４に入力される。

図１内の矢印８０は熱の流れを示している。温度制御部６０は、上面を低温側Ｌ、下面を高温側Ｈとし、半導体レーザ素子１４で発生した熱をヒートシンク６２に放出し、半導体レーザ素子１４の温度を制御する。ヒートシンク６２は、半導体レーザ素子１４で発生した熱をステム５０に放出する。ステム５０から外部に熱が放出される。

配線ブロック３０は半導体レーザ素子１４に高い周波数の信号を入力するため設けられており、絶縁体３６と配線３４とで、例えば、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路を構成する。このため、配線ブロック３０が大きくなってしまう。小さなステム５０に配線ブロック３０を用いると、ヒートシンク６２と配線ブロック３０との間隔が小さくなり、ヒートシンク６２から配線ブロック３０に熱が伝わりやすい。また、配線ブロック３０は特許文献１のようなリードに比べ大きい。このため、ステム５０から配線ブロック３０、ボンディングワイヤ６４を介し温度制御部６０や半導体レーザ素子１４に流入する熱流（これを熱の逆流という）が増加する。これにより、温度制御部６０の温度制御効率が低下する。ステム５０を薄くすると、熱の逆流は抑制できるが、ステム５０から外部に放出される熱量も減ってしまい、冷却効率が悪化してしまう。このように、小さいステム５０に配線ブロック３０を用いることにより、半導体レーザ素子１４の冷却効率が低下するという課題がある。

図２は、上記課題を解決する原理を示す模式図である。図２を参照に、配線ブロック３０は貫通孔５２に一部のみ挿入されている。言い換えれば、絶縁体３６は、貫通孔５２の内面の一部に非接触部５４を有するように挿入され固定されている。このように、貫通孔５２の内面は、絶縁体３６に接触していない非接触部５４と接触している接触部５６とがある。このように非接触部５４を設けることで、ステム５０を厚くしヒートシンク６２からステム５０を介し外部へ放出される熱流を保ちつつ、熱の逆流を減らすことができる。よって、温度制御部６０の温度制御効率を向上させ冷却効率を向上させることができる。

以下に、上記原理に基づく本発明の好適な実施例を説明する。

図３は実施例１に係る光半導体装置の断面斜視図、図４は正面図、図５は図４のＢ−Ｂ断面図、図６は図４のＡ−Ａ断面図である。なお、図５および図６において、レセプタクルは側面図である。また、半導体レーザ素子は図示していない。図３から図６を参照に、実施例１に係る光半導体装置においては、ヒートシンク６２およびステム５０は例えばＣｕＷまたはＣｕＭｏ等の金属からなる。ヒートシンク６２はステム５０に形成された穴に挿入され、ろう付け等で固定される。配線ブロック３０の絶縁体３６はセラミック等からなり、第１層３６ａおよび第２層３６ｂの積層構造を有している。第１層３６ａ上には金属からなる配線３４が例えば８本形成されている。配線３４は、それぞれ８本のリード３２に電気的に接続されている。ヒートシンク６２上には、ＴＥＣである温度制御部６０とともにレンズ固定部６６が設けられている。レンズ固定部６６内の貫通孔にはレンズ（不図示）が設けられる。ステム５０はＦｅ系合金からなるシールリング７２を介しキャップ６８が固定される。これにより、半導体レーザ素子等は封止される。次にキャップ６８とレセプタクル７０を固定する。レセプタクル７０内の溝７４には光ファイバ（不図示）が配置される。これにより、光ファイバは、レンズにより半導体レーザ素子に光結合される。図５および図６中のＣが光軸を示している。

図７はキャップを外した斜視図、図８は図４のＢ−Ｂ断面に相当するキャップを外した図、図９は図４のＡ−Ａ断面に相当するキャップを外した図である。キャリア１２の実装面には、半導体レーザ素子１４、受光素子１６、サーミスタ１８が搭載されている。キャリア１２の実装面のグランド領域２０と信号線領域２２には金属薄膜が形成されている。クランド領域２０と信号先領域２２との間の領域２４には金属薄膜が形成されておらず、クランド領域２０と信号線領域２２とは領域２４で電気的に分離されている。半導体レーザ素子１４の上面は配線ＬＤにボンディングワイヤ６４により電気的に接続されている。半導体レーザ素子１４の下面はグランド領域２０に電気的に接続されている。これにより配線ＬＤに電圧を印加することにより半導体レーザ素子１４からレーザ光が出射される。半導体レーザ素子１４に入力する変調信号は、配線Ｓからボンディングワイヤ６４、信号線領域２２およびボンディングワイヤ６４を介し伝送される。配線Ｓの両側の配線Ｇはグランド領域２０と接続される。配線Ｓおよび配線Ｇはコプレーナ線路を形成する。同様に、信号線領域２２およびグランド領域２０はコプレーナ線路を形成する。これにより、半導体レーザ素子１４に入力する変調信号の周波数が高い場合においても高周波特性を劣化させることなく、変調信号を伝送することができる。

フォトダイオード等の受光素子１６の上面は配線ＰＤにボンディングワイヤ６４により電気的に接続されている。受光素子１６の下面はグランド領域２０に電気的に接続されている。受光素子１６は半導体レーザ素子１４から出射された光の一部を受光し、電流信号に変換する。電流信号は配線ＰＤを介し外部に伝送される。外部の制御回路は、電流信号に基づき半導体レーザ素子１４の駆動電流を制御し、半導体レーザ素子１４から出射される光出力を一定になるように制御する。サーミスタ１８の信号は配線ＴＨに接続される。温度制御部６０の電極６１は配線ＴＥＣに接続される。サーミスタ１８は、キャリア１２の温度を検知し、温度に関する情報を配線ＴＨを介し外部に出力する。外部の制御回路は、温度に関する情報に基づき温度制御部６０に印加する電圧を制御し、キャリア１２の温度が一定になるように制御する。ステム５０の直径は５．６ｍｍ、ステム５０の厚さは１ｍｍ、非接触部５４の長さは例えば０．７ｍｍ、接触部５６の長さは例えば０．３ｍｍである。

実施例１によれば、貫通孔５２内に非接触部５４を設けることで、図２で説明したように、ステム５０から絶縁体３６を介し温度制御部６０または半導体レーザ素子１４に戻る熱流を減らすことができる。よって、冷却効率を向上させることができる。

実施例１のように、配線ブロック３０とヒートシンク６２とは離間していることが好ましい。これにより、熱の逆流をより抑制することができる。

図１を用い説明したように、直径が小さいステム５０に配線ブロック３０を用いると熱の逆流が大きくなる。よって、ステム５０の直径が小さい場合本発明を用いることが有効であり、ステム５０の直径は６ｍｍ以下であることが好ましい。

熱の逆流を抑制するためには、非接触部５４の面積は大きい方が好ましいが、配線ブロック３０とステム５０との強度を保持するためには非接触部５４の面積は小さい方が好ましい。貫通孔５２の内面に対する非接触部５４の長さは１／２以上が好ましく、２／３以上がより好ましい。

光半導体素子として半導体レーザ素子１４を例に説明したが、発光ダイオード等の発光素子やフォトダイオード等の受光素子でもよい。しかしながら、光を出射する発光素子においては、素子が発熱しやすく本発明を用いることが有効である。光半導体素子が受光素子の場合、配線が伝送する信号は光半導体素子からの出力信号となる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１は従来の課題を説明するための図である。図２は本発明の原理を説明するための図である。図３は実施例１に係る光半導体装置の断面斜視図である。図４は正面図である。図５は図４のＢ−Ｂ断面図である。図６は図４のＡ−Ａ断面図である。図７はキャップを外した斜視図である。図８は図４のＢ−Ｂ断面に相当するキャップを外した図である。図９は図４のＡ−Ａ断面に相当するキャップを外した図である。

符号の説明

１２キャリア
１４半導体レーザ素子
１６受光素子
１８サーミスタ
２０グランド領域
２２信号線領域
３０配線ブロック
３２リード
３４配線
３６絶縁体
５０ステム
５２貫通孔
５４非接触部
５６接触部
６０温度制御部（ＴＥＣ）
６２ヒートシンク
６４ボンディングワイヤ

Claims

光半導体素子と、
貫通孔を有するステムと、
前記貫通孔の内面の一部に非接触部を有するように前記貫通孔に挿入された絶縁体と前記絶縁体により支持され前記光半導体素子に入力または出力する信号を伝送する配線とを有する配線ブロックと、
前記ステムに固定され前記光半導体素子で発生した熱を前記ステムに放出するヒートシンクと、
を具備することを特徴とする光半導体装置。
前記光半導体素子から発生した熱を前記ヒートシンクに放出し、前記光半導体素子の温度を制御する温度制御部を具備することを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
前記配線ブロックと前記ヒートシンクとは離間していることを特徴とする請求項１または２記載の光半導体装置。
前記ステムの直径は６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の光半導体装置。
前記非接触部は前記貫通孔の内面の１／２以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の光半導体装置。