JP2014145973A

JP2014145973A - 半導体光変調器及び光通信モジュール

Info

Publication number: JP2014145973A
Application number: JP2013015488A
Authority: JP
Inventors: Norihito Kosugi; 範仁小杉; Toshiya Yamauchi; 俊也山内; Takashi Washino; 隆鷲野; Yoriyoshi Yamaguchi; 頼儀山口
Original assignee: Oclaro Japan Inc
Current assignee: Lumentum Japan Inc
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: JP6320676B2

Abstract

【課題】半導体光変調器を駆動するための電気信号が印加される電極において、電極剥がれと電極割れが発生することを防止する。
【解決手段】電気信号に従ってレーザー光を変調する半導体光変調器１は、半導体光変調器１の少なくとも一部の埋込層と活性層の上方に設けられた、電気信号が伝送される電極３００を備え、電極３００のうち、電気信号を伝送するボンディングワイヤ８と接続されるボンディングパッド電極部１１の周縁部の少なくとも一部に段差構造を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光変調器及び光通信モジュールに関する。

半導体光素子に設けられる電極の歪みが大きくなると、特性の悪化を引き起こすことが知られている。そこで、例えば下記の特許文献１に記載されているように、電極層とボンディングメタル層との間にバリアメタル層を挿入することにより、ボンディングメタル層をはんだ付けした際に、ボンディングメタル層で発生する応力が、電極層に及ぼす影響を抑制する技術が提案されている。この特許文献１で開示している電極層／バリアメタル層／ボンディングメタル層の３層構造は、半田材料が電極層を構成する材料との間で化合物が生成されないよう、ボンディングメタル層と電極層の間にバリア層を設けるというものである。

特開２００６−１００３６９号公報

一方で、光通信ネットワークの大容量化に伴い、光通信モジュールの伝送速度の高速化が必要となっている。光通信モジュールの伝送速度を高速化するためには、光信号を変調する半導体光変調器の寄生容量の低減が必須であり、寄生容量を低減させるためには半導体光変調器の電極面積を小さくすることが有効である。

ここで、半導体光変調器が光信号を変調するための高周波電気信号は、高周波電気信号の伝送線路からボンディングワイヤを介して、半導体光変調器に設けられたボンディングパッド電極（以下では、パッド電極と呼ぶ）に伝送される。上述したように、半導体光変調器の寄生容量を小さくするという観点では、半導体光変調器のパッド電極を小さくすることが望ましいものの、パッド電極を小さくすると、パッド電極の端部に対して、ボンディングワイヤの応力が及ぼす影響が大きくなるため、従来技術のように単に電極層を３層構造にしただけでは、パッド電極の剥がれや割れの発生を十分に抑制できないおそれがあった。

本発明は上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、半導体光変調器を駆動するための高周波電気信号を伝送する線路と接続するボンディングパッド電極の電極剥がれ、電極割れの発生を抑制することができる半導体光変調器及び光通信モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体光変調器は、電気信号に従ってレーザー光を変調する半導体光変調器であって、前記半導体光変調器の少なくとも一部の埋込層と活性層の上方に設けられた、前記電気信号が伝送される電極を備え、前記電極のうち、前記電気信号を伝送するワイヤと接続されるパッド電極部の周縁部の少なくとも一部に段差構造を設けたことを特徴とする。

また、本発明の一態様では、前記電極は、前記埋込層と活性層に近い順に、接着層、拡散防止層、通電層を積層して構成され、前記パッド電極部の通電層の外側に、前記パッド電極部の拡散防止層と接着層とがはみ出すように前記段差構造を設けたこととしてもよい。

また、本発明の一態様では、前記半導体光変調器は、前記埋込層の上に設けられた絶縁層を備え、前記パッド電極部は、前記絶縁層の上に設けられ、前記電極のうち、前記活性層の上方に設けられたメサストライプ電極部と、前記パッド電極部と前記メサストライプ電極部とを接続する引き出し電極部と、には前記段差構造を設けないこととしてもよい。

また、本発明の一態様では、前記半導体光変調器において、前記パッド電極部のうち、前記引き出し電極部との接続側とは反対の周縁部に前記段差構造を設けたこととしてもよい。

また、本発明の一態様では、前記半導体光変調器において、前記パッド電極部のうち、前記絶縁層の端部であって前記引き出し電極の下方にある端部から所定範囲にある領域以外に前記段差構造を設けたこととしてもよい。

また、本発明の一態様では、前記所定範囲は、５〜１０μｍ以内であることとしてもよい。

また、本発明の一態様では、前記接着層は、チタンを含み形成される層であり、前記拡散防止層は、白金を含み形成される層であり、前記通電層は、金を含み形成される層であることとしてもよい。

また、本発明の一態様では、前記パッド電極部の面積が、１５００〜２２００μｍ^２であることとしてもよい。

本発明に係る光通信モジュールは、レーザー光を発光する光共振器と、前記光共振器から発光されたレーザー光を、電気信号に従って変調する半導体光変調器と、を備え、前記半導体光変調器は、前記半導体光変調器の少なくとも一部の埋込層と活性層の上方に設けられた、前記電気信号が伝送される電極を備え、前記電極のうち、前記電気信号を伝送するワイヤと接続されるパッド電極部の周縁部の少なくとも一部に段差構造を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、電気信号を伝送するワイヤと接続されるパッド電極を構成する層の周縁部に形成された段差により応力集中する位置を分散させることで、電極の剥がれや割れの発生を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る半導体光変調器を有する半導体光モジュールの平面図である。半導体光変調器の平面図及び断面図である。半導体光変調器の寸法例を説明するための図である。本発明の実施形態に係る半導体光変調器を有する半導体光モジュールの平面図である。パッド電極の面積とｆ３ｄＢおよび、パッド電極の非剥離確率の関係例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態（以下、実施形態）について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体光変調器１の平面図である。図１における符号１は半導体光変調器、３００は半導体光変調器の電極、２は電極３００においてメサストライプ電極として機能するメサストライプ電極部、３は高周波線路、４はサブマウント、８はボンディングワイヤ、１０はパッシベーション層である絶縁層、１１は電極３００においてボンディングパッド電極として機能するボンディングパッド電極部、１２は電極３００を構成する拡散防止層、１３はボンディングパッド電極部１１とメサストライプ電極部２を接続する引き出し電極部、８Ａはボンディングパッド電極部１１とボンディングワイヤ８との接続部、８Ｂは高周波線路３とボンディングワイヤ８との接続部である。なお、例えば絶縁層１０はＳｉＯ２、接続部８Ａ，８Ｂはハンダにより形成されることとしてよい。また、本実施形態でボンディングパッド電極部１１、引き出し電極部１３、メサストライプ電極部２はそれぞれ電極３００の一領域でありその組成は同一としてよい。なお、本実施形態では、ボンディングパッド電極部１１は絶縁層１０の上部に形成された部位とするがこれに限られるものではなく、少なくともボンディングワイヤ８との接続部８Ａが形成される部位であればよい。

半導体光変調器１は、一方の端面から入射された光を、メサストライプ電極部２の下の光導波路部にて変調し、もう一方の端面から変調された光信号として出射する。なお、光変調に用いられる高周波電気信号（電圧信号）は、高周波線路３から、接続部８Ｂ、ボンディングワイヤ８、接続部８Ａを介してボンディングパッド電極部１１に伝送され、さらに、引き出し電極部１３を経由して、メサストライプ電極部２へと伝送される。

以下、電極３００、特にボンディングパッド電極部１１の構成の詳細について、図２及び図３を参照しながら説明する。

図２は、本実施形態に係る半導体光変調器１に係る平面図（ａ）と断面図（ｂ）を示した。断面図（ｂ）は、平面図（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。そして、図２（ｂ）における符号２０６は埋込層、２０７は半導体基板、２０８は活性層、２０９はメサストライプ、２１１は通電層、２１２は拡散防止層、２１４は接着層を示している。なお、図２において図１と同じ符号については同じ部位を示している。

図２（ｂ）に示されるように、ボンディングパッド電極部１１、引き出し電極部１３、メサストライプ電極部２はそれぞれ通電層２１１、拡散防止層２１２、接着層２１４の３層構造である。すなわち、半導体光変調器１では、埋込層２０６の上に絶縁層１０が形成され、絶縁層１０及びメサストライプ２０９の上に接着層２１４が形成され、接着層２１４の上に拡散防止層２１２が形成され、さらに拡散防止層２１２の上に通電層２１１が形成されている。なお、通電層２１１はＡｕ（金）、拡散防止層２１２はＰｔ（白金）、接着層２１４はＴｉ（チタン）から構成される層としてよい。

次に、ボンディングパッド電極部１１の構成の詳細について説明する。

まず、図２（ｂ）に示されるように、ボンディングパッド電極部１１は、静電容量を低減するため、ＳｉＯ２等の絶縁層１０の上に配置されている。

ここで、通電層２１１（Ａｕ層）は、絶縁層１０（ＳｉＯ２層）と比較して、熱膨張係数が大きいため、熱変動により、その境界部に応力が集中しやすい。これは、高周波信号を伝送する上での特性を向上させるために、ボンディングパッド電極部１１を小さくした場合には、ボンディングパッド電極部１１の端部と、接続部８Ａとの距離も小さくなるため、よりボンディングパッド電極部１１に電極剥がれや電極割れが生じやすくなる。

そこで、本実施形態では、図２（ｂ）に示されるように、ボンディングパッド電極部１１の拡散防止層２１２及び接着層２１４が、少なくともメサストライプ電極部２の反対側においてボンディングパッド電極部１１の通電層１１からはみ出す（オフセットする）ようにして、ボンディングパッド電極部１１の外周の少なくとも一部に段差構造を形成している。なお、図２（ａ）に示されるように、ボンディングパッド電極部１１の段差構造は、ボンディングパッド電極部１１の外周のうち、引き出し電極部１３に対して反対側の端部から、引き出し電極部１３との接続部分から所定の距離内に位置する以外の領域に形成されることとしてよい。このように、ボンディングパッド電極部１１の段差構造を引き出し電極部１３の近傍には形成しないのは、引き出し電極部１３の強度を確保するためである。すなわち、引き出し電極部１３はボンディングパッド電極部１１に対して細く、さらに図２（ｂ）で示されるように、絶縁層１０の分だけボンディングパッド電極部１１がメサストライプ電極部２より高くなっていることで、引き出し電極部１３は傾斜して薄くなり易く、ボンディングパッド電極部１１の段差部を引き出し電極部１３に達するまで形成した場合には、電極の剥がれや割れが生じる可能性が増すためである。

次に、本実施形態に係る半導体光変調器１のサイズの例について図３を参照しながら説明する。図３は、半導体光変調器１のサイズ例を説明するための図である。

以下、図３に示される符号ａ〜ｉの数値の例を示す。例えば、ａ＝２００μｍ、ｂ＝１００μｍ、ｃ＝８０μｍ、ｄ＝８０μｍ、ｅ＝１０μｍ、ｆ＝５２μｍ、ｇ＝４４μｍ、ｈ＝３μｍ、ｉ＝１０μｍ、ｊ＝１０μｍとしてよい。

すなわち、半導体光変調器１のメサストライプ電極部２に並行な方向の長さは１００μｍで、垂直な方向の長さは２００μｍとし、絶縁層１０は一辺が８０μｍの正方形とする。そして、絶縁層１０の上に配置されるボンディングパッド電極部１１の通電層は、長径を５２μｍ、短径を４４μｍとした楕円形としてよい。このとき、ボンディングパッド電極部１１の通電層の面積は約１，８００μｍ^２となる。また、ボンディングパッド電極部１１の通電層の下の拡散防止層（Ｐｔ層）２１２も楕円形としてよく、全周において３μｍだけ、ボンディングパッド電極部１１の通電層より大きく形成する。なお、ボンディングパッド電極部１１の接着層は拡散防止層と同じ大きさとしてよい。これにより、ボンディングパッド電極部１１の外周には段差が設けられることとなるが、ボンディングパッド電極部１１のうち、絶縁層１０のメサストライプ電極部２側の端部から１０μｍ（５〜１０μｍとしてもよい）までは段差構造を設けないこととする。そして、メサストライプ電極部２と引き出し電極部１３のそれぞれの幅は１０μｍとする。もちろん、上記の数値は一例であり、本発明に係る半導体光変調器１は上記の数値に限定されるものではない。

以上の半導体光変調器１の電極構造によれば、ボンディングワイヤ８が接続されるボンディングパッド電極部１１の通電層の端部から絶縁層１０に至る部分に段差を設けたことで、通電層と拡散防止層、接着層と絶縁層との少なくとも二箇所に応力収集が生じやすい箇所が分散するため、段差を設けない場合に比べてボンディングパッド電極部１１の電極剥がれや電極割れが生じにくくなる。

以下では、ボンディングパッド電極部１１の段差構造を作製する方法について説明する。

まず、ウェハ全面に接着層（Ｔｉ層）２１４、拡散防止層（Ｐｔ層）２１２、通電層（Ａｕ層）２１１を順に蒸着成膜した後、ボンディングパッド電極部１１の電極領域を残すようドライエッチングを施し、電極領域を成形する。次に、フォトレジストを利用して、ボンディングパッド電極部１１の電極の周縁部であって段差の形成領域についてのみウェットエッチングを施す。これにより、ボンディングパッド電極部１１の通電層（Ａｕ層）２１１のみを削ることが可能となり、ボンディングパッド電極部１１の周縁部に段差構造を設けることができる。このように、段差構造を設けることで、ボンディングパッド電極部１１において応力の集中する各層の位置（縁）をずらすことが可能となるため、電極剥がれや電極割れのリスクを下げることができる。

図４は、本発明の実施形態に係る半導体光変調器１を有する半導体光モジュール１００の一例を示す平面図である。

図４における１００は半導体光モジュール（光通信モジュール）、１００Ａは共振器部、１０２はメサストライプ、５はコンデンサ、７は終端抵抗、６ボンディングワイヤ、９は共振器部電極である。なお、図４において図１と同じ符号については同じ部位を示している。このように、本実施形態に係る半導体光変調器１は、半導体光モジュール１００に内蔵することとしてよい。

次に、ボンディングパッド電極部１１の好適なサイズの範囲について図５を参照しながら説明する。

図５は、ボンディングパッド電極１１の面積（パッド電極面積）とｆ３ｄＢ（遮断周波数）および、ボンディングパッド電極１１の非剥離確率の関係例を示した図である。図５において、横軸はパッド電極面積を示し、左側の縦軸はｆ３ｄＢを示し、右側の縦軸は非剥離確率を示している。

例えば、ボンディングパッド電極１１のサイズの条件として、ボンディングパッド電極１１の非剥離確率が１００％（又は所定確率（９９％等）以上）であり、かつ高周波特性を担保するために、そのｆ３ｄＢが２０ＧＨｚ以上となることとしてよい。図５において、上記条件を満たすパッド電極面積を求めると、半導体光変調器１のボンディングパッド電極１１の面積は、１５００〜２２００μｍ^２であることが好適となる。

以上の通り、半導体光変調器１の電極はボンディングパッド電極部１１、引き出し電極部１３、および、メサストライプ電極部２の三領域から構成されるが、このうちボンディングパッド電極部１１の周縁部のみに、接着層及び拡散防止層と、通電層との段差構造を設けることで、電極剥がれや電極割れのリスクを低減することができる。なお、ここでの段差構造には、その一部がテーパーとなっているものも含むこととする。また、上記実施形態では接着層及び拡散防止層と、通電層との段差構造を設ける例について説明したが、接着層、拡散防止層、通電層のそれぞれの間に段差構造を設けてもよい。

なお、引き出し電極部１３、メサストライプ電極部２に段差構造を設けないのは、引き出し電極部１３、メサストライプ電極部２に段差構造を設けると、電極層面積が低下して電極抵抗が大きくなり、さらに、放熱性が低下することで、性能が悪化するためである。

以上の通り、本発明によれば、高周波の電気信号に従ってレーザー光を変調する半導体光変調器１においては、その変調特性の指標であるｆ３ｄＢを向上させるために、半導体光変調器１の静電容量を下げる目的で電極の面積を小さくした場合でも、電極割れや電極剥がれのリスクを抑えることができる。

もちろん、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、この分野の通常の知識を有する当業者によって多様な変更、変形又は置換が可能であることはいうまでもない。

１半導体光変調器、２メサストライプ電極部、３高周波線路、４サブマウント、８ボンディングワイヤ、１０絶縁層、１１ボンディングパッド電極部、２１２拡散防止層、１３引き出し電極部、８Ａ接続部、８Ｂ接続部、２０６埋込層、２０７半導体基板、２０８活性層、２０９メサストライプ、２１１通電層、２１２拡散防止層、２１４接着層、３００電極、１００半導体光モジュール（光通信モジュール）、１００Ａ共振器部、１０２メサストライプ、５コンデンサ、７終端抵抗、６ボンディングワイヤ、９共振器部電極。

Claims

電気信号に従ってレーザー光を変調する半導体光変調器であって、
前記半導体光変調器の少なくとも一部の埋込層と活性層の上方に設けられた、前記電気信号が伝送される電極を備え、
前記電極のうち、前記電気信号を伝送するワイヤと接続されるパッド電極部の周縁部の少なくとも一部に段差構造を設けた
ことを特徴とする半導体光変調器。
前記電極は、前記埋込層と活性層に近い順に、接着層、拡散防止層、通電層を積層して構成され、
前記パッド電極部の通電層の外側に、前記パッド電極部の拡散防止層と接着層とがはみ出すように前記段差構造を設けた
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調器。
前記埋込層の上に設けられた絶縁層を備え、
前記パッド電極部は、前記絶縁層の上に設けられ、
前記電極のうち、前記活性層の上方に設けられたメサストライプ電極部と、前記パッド電極部と前記メサストライプ電極部とを接続する引き出し電極部と、には前記段差構造を設けない
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光変調器。
前記パッド電極部のうち、前記引き出し電極部との接続側とは反対の周縁部に前記段差構造を設けた
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体光変調器。
前記パッド電極部のうち、前記絶縁層の端部であって前記引き出し電極の下方にある端部から所定範囲にある領域以外に前記段差構造を設けた
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体光変調器。
前記所定範囲は、５〜１０μｍ以内である
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体光変調器。
前記接着層は、チタンを含み形成される層であり、
前記拡散防止層は、白金を含み形成される層であり、
前記通電層は、金を含み形成される層である
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体光変調器。
前記パッド電極部の面積が、１５００〜２２００μｍ^２である
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体光変調器。
レーザー光を発光する光共振器と、
前記光共振器から発光されたレーザー光を、電気信号に従って変調する半導体光変調器と、を備え、
前記半導体光変調器は、
前記半導体光変調器の少なくとも一部の埋込層と活性層の上方に設けられた、前記電気信号が伝送される電極を備え、
前記電極のうち、前記電気信号を伝送するワイヤと接続されるパッド電極部の周縁部の少なくとも一部に段差構造を設けた
ことを特徴とする光通信モジュール。