JP2762792B2 - 光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置に係り、
特に光導波路を用いた光半導体モジュールにおける光導
波路と光半導体素子との結合・固定の改善を図った半導
体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＬＤモジュールや受光モジュールは、光
通信システムを構成する基本光デバイスであり、これら
は発光素子であるレーザダイオード（ＬＤ）あるいは受
光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）と光ファイバ及
びこれらを光学的に結合させるレンズと、これらを固定
し実装する筐体とから構成される。これまで光通信シス
テムは、幹線系を主な用途として、高速化や伝送距離の
拡大が図られてきた。今後、光通信システムは、こうし
た幹線系のみならず、その広帯域な信号伝送が可能な特
質を活かしてビル内のローカルエリア・ネットワーク
（ＬＡＮ）や、一般家庭を対象とした加入者系にまで、
適用の検討が開始されている。
【０００３】こうした広いユーザを対象とした光通信シ
ステムでは、幹線系大容量システムのような機能や性能
だけでなく、システムの経済性が最も重要な導入の条件
の一つとなり、システムを構築するデバイスの低価格化
が強く望まれている。とりわけ、この光通信システム用
デバイスのなかで大きなコストの割合を占めるのは、光
デバイス即ちＬＤモジュールや受光モジュールなどの光
半導体モジュールである。そして、これらの光デバイス
の低価格化は、光加入者系システムの導入や実用化には
不可欠であると考えられている。
【０００４】また、光加入者系システムでは、上述した
光デバイスの低価格化に加えて、装置が各加入者に設置
されることから、装置の小型化も重要な課題となってい
る。
【０００５】一方、この光加入者系システムに要求され
る機能としては、光通信のもつ高帯域性を利用し、従来
の同軸ケーブルによる通信と差別化し付加価値を高める
ため、通信とＣＡＴＶなどの放送機能との統合化が検討
されている。先に述べた加入者系の厳しい経済化の要請
から、単一の光ファイバにおいて光カプラを用いて同一
波長で双方向伝送したり、異なった波長の光を上り、下
りに使い分けて波長多重伝送する方式が有力視されてい
る。
【０００６】例えば、上述の波長多重機能と分岐機能を
有した双方向伝送を可能にする手段として、図７に示す
ようにＬＤモジュール，ＡＰＤモジュール，光カプラ，
光合分波器のそれぞれを個々に組み合わせる方法があ
る。この方法によると、予め個々のデバイスの特性を確
認した上で構成できる反面、デバイス同志を結合する際
のコネクタ損失が生じることや、全体の構成が大きくな
ってしまうという欠点があり、特に装置全体の小型化が
強く求められる光加入者系では、適用は困難であると考
えられている。
【０００７】そこで、小型でしかも量産性に優れた構造
として、図４に示すように光導波路に分岐機能と波長合
分波機能をもたせ、この光導波路の各端部にＬＤ素子
（ＬＤチップ），ＡＰＤ素子（ＡＰＤチップ）或いは光
ファイバを結合させ、各光素子を一体化する導波路型光
送受受信モジュールを用いた方法がある。実際に光分岐
や光合分岐機能をもつ光導波路としては、曲がり損失お
よび伝搬損失が極めて少ないシリコン基板をベースにし
た石英光導波路が適している。石英光導波路を用いた光
送受信モジュールについては、現在広く研究・開発が進
められている。
【０００８】導波路型光送受信モジュールを構築する上
で所望の光分岐や光合分岐機能を有する石英導波路を実
現すること以外にも、光導波路とＬＤチップ或いはＡＰ
Ｄチップとの結合も重要な課題となっている。特に光導
波路とＬＤチップの結合では、０．５〔μｍ〕程度の厳
しい位置精度での調整・固着が必要となる。このため従
来の光軸調整を行い、ＹＡＧレーザ溶接などにより固定
する方法では、ＬＤチップ自体が微小であることから極
めて困難である。また、こうした従来の調整・固定方法
では量産性も悪いものとなってしまう。
【０００９】そこで、光導波路とＬＤチップの結合構造
として、例えば図５に示すように、フリップチップを利
用する構造がある。図５のような構造の場合、石英導波
路基板の光導波路端部に光導波路が形成された面よりも
わずかに低くなるように段差を設ける。この段差面上の
石英導波路端部に金属膜による電極パタンを形成し、一
方、この電極パタンに合致するようＬＤチップの裏面に
金属膜による電極パタンを形成し、電極パタン同志がほ
ぼ一致するようにＬＤチップを配置し、半田により両者
を固着する構造というものである。このとき、予め電極
パタンを、ＬＤチップが固着されたときに導波路と光学
的に結合する位置に形成しておくと、図５に示すよう
に、半田付けの半田溶融時に半田自身の表面張力により
電極パタン同志が高精度で位置決めされ、自己位置調整
効果（セルフアライン効果）が働き、無調整で光学的結
合が可能になる。これにより、光導波路と光半導体素子
との結合は無調整となり、生産性の向上が期待できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フリッ
プチップにおいて、上述のセルフアライン効果を利用す
るためには、溶融半田の表面張力を十分に働くような条
件に設定する必要がある。図６に共晶点半田を用いた場
合の半田厚と固着後の水平方向と高さ方向のＬＤチップ
実装精度との関係を示した図を示す。電極と半田バンプ
の大きさにも依るが、水平方向のチップ実装精度を例え
ば１〔μｍ〕以下とするためには、概ね半田厚は３０
〔μｍ〕以上にする必要がある。ところが半田厚を約１
０〔μｍ〕より厚くすると高さ方向の位置精度が１〔μ
ｍ〕以上となり、厚くなるほど極端に精度は悪くなる。
【００１１】従って、セルフアライン効果を利用して無
調整でＬＤチップを実装しようとすると半田を厚くする
必要があり、一方厚くすると高さ方向の精度が低下し、
両者を同時に満たすことは極めて困難であるという問題
が生じていた。また、固着後の半田が厚いと、半田のク
リープ現象によってＬＤチップの固着位置精度が不安定
性になり、光軸ずれにより信頼性が低下するという問題
も生じていた。
【００１２】
【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、とくに、光半導体素子を高精度にしかも無調
整に位置決めを可能とするとともにこれによって生産向
上を図った光半導体装置を提供することを、その目的と
する。
【００１３】
【発明を解決するための手段】本発明では、表面に光導
波路が形成された光導波路基板と、この光導波路基板上
に装備され前記光導波路と光学的に結合する光半導体素
子とを有し、この光半導体素子の裏面に設けられた電極
パターンと前記光導波路基板に設けられた電極パターン
とを半田を介して固定してなる光半導体装置において、
光導波路基板側の電極パターンの周囲に、適当な厚さの
非導電性膜を装着する、という構成を採っている。これ
によって前述した目的を達成しようとするものである。
【００１４】
【作用】光半導体素子と光導波路の結合構造は、光半導
体素子の裏面に形成された電極パタンと光導波路基板上
の光導波路端部に形成された金属膜による電極パタンを
一致させて半田のセルフアライン効果を利用して無調整
に光半導体素子と光導波路を固着する結合構造におい
て、光導波路基板の光半導体素子を実装する電極パタン
が形成された近傍にこの金属膜よりも厚い非導電性の膜
を形成し、この膜の表面の高さが金属膜よりも高くなる
ようにしたことを特徴としている。このような構造とす
ることで従来セルフアライン効果を発揮させるためには
半田厚を厚くしなければならず、反面半田厚が厚すぎる
と高さ方向の位置決めが困難になり、固着後も位置が不
安定になるという問題を解決されている。
【００１５】すなわち、非導電性膜の厚さを適当に設定
することで、半田溶融時は光半導体素子の裏面と非導電
性膜表面が接触せず、セルフアライン効果により所望の
位置に光半導体素子が位置決めされ、半田凝固時には半
田の熱収縮により光半導体素子の裏面と非導電性膜の表
面が互いに接触し、水平方向は半田溶融時の位置決め通
りに光半導体素子が固着され、高さ方向は非導電性膜の
表面の高さにより位置決めされ固着後もこの高さで安定
する。
【００１６】
【発明の実施例】次に、図面を用いて本発明の実施例を
説明する。図１は本発明の光半導体素子と光導波路の結
合構造を示す断面図である。光導波路基板３はシリコン
基板からなり、表面には火炎堆積法によるＳｉＯ2 膜形
成とパターニング、エッチングにより光導波路２が形成
されている。光導波路基板の端面には光半導体素子１
（ＬＤチップ）が直接結合により化学的に結合される。
光半導体素子１を実装する光導波基板３の表面は光半導
体素子１の発光端面の高さと光導波路３の高さが合致す
るようにエッチングされている。
【００１７】また、光半導体素子１の裏面にはチップ裏
面５が４箇所形成されており、これがレーザダイオード
に電流を供給すると同時に、このチップを位置決めする
役目をもつ。光半導体素子１を実装する光導波路基板３
の表面には光半導体素子１のチップ裏面電極５の電極パ
タンと合致する電極パタンが金属膜４により形成されて
いる。この金属膜４は光半導体素子１が実装されたと
き、光導波路３と光学的結合する位置に形成されてい
る。
【００１８】ここで、光半導体素子１を実装する金属膜
４が形成された近傍には非導電性膜７が形成されてお
り、この膜の膜厚は金属膜４よりも厚い。本実施例で
は、金属膜４はＣｒ−Ｐｔ−Ａμ膜とし、トータルの膜
厚は３０００〔オングストローム〕としたのに対し、非
導電性膜はＳｉＯ2 とし、膜厚は約５〔μｍ〕と１桁以
上厚くした。
【００１９】次に本結合構造を用いて光り半導体素子１
と光導波路２を半田付けのセルフアライン効果を利用し
て無調整結合させた実験結果について説明する。
【００２０】図３は実験の過程を示す工程図であり、ま
ず光導波路基板３の金属膜４に共晶半田を溶かし半田バ
ンプ６を形成する。このときの半田バンプ６の直径は各
金属膜４上で約４０〔μｍ〕であり、高さは約２０〔μ
ｍ〕となるようにした。次に、光半導体素子１のチップ
裏面電極５と金属膜４のパタンがほぼ一致するように光
半導体素子１を光導波路基板３の上部に載せる。十分に
光半導体素子に熱がまわると、光半導体素子は、セルフ
アライン効果によって、光導波路３の端面と光半導体素
子１の発光端面が合致するようになる。この後、光導波
路基板３をゆっくりと冷却すると、そのままの位置で光
半導体素子１は半田の熱収縮に伴って高さが低くなって
くる。このとき、光半導体素子１の底面は、非導電性膜
７の表面に接触し所望の高さで保持される。
【００２１】上述の一連の実験を行った後、光半導体素
子１の光導波路３の端面との水平および垂直方向の位置
ズレを調べたところ、いずれも、約０．５〔μｍ〕であ
り、十分な位置精度が実現されていることが確認され
た。このように、半田の表面張力を利用した光半導体と
光導波路との結合構造では、実施例で開示したように、
光半導体素子を固着する金属膜の近傍にこの金属膜より
も厚い非導電極性膜を形成することにより、水平方向と
高さ方向の位置精度を同時に向上させることが可能にな
る。
【００２２】また、図２に示す参考例のように、光導波
路基板３の表面の光半導体素子１を実装する領域で金属
膜４が形成される部分を、予めエッチングなどの処理に
より溝にしておくことも可能である。
【００２３】
【発明の効果】このように、本発明によると、フリップ
チップのセルフアライン効果を利用した光半導体素子と
光導波路基板の固着構造で、光導波路基板の光半導体素
子を固着する電極の周囲にこの電極の表面よりも高くな
るように電極を構成する金属膜よりも十分厚い非導電性
膜を形成することにより、非導電性膜の表面と光半導体
素子の裏面が直接接触するようになり、半田のセルフア
ライン効果による無調整位置決めができるとともに、高
さ方向も所望の位置に光半導体素子が実装され、しかも
固着後も光半導体素子の位置が安定するという効果が得
られる。また、本発明を適用することで、例えば石英導
波路を用いたＬＤチップ、ＡＰＤチップを一体化した光
送受信モジュールの量産性を向上させることができ、特
に光加入者系などのデバイスの低価格化が求められるも
のに対して大きな効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す断面図
【図２】本発明の参考例を示す断面図
【図３】本発明による光半導体素子と光導波路の固着過
程を示す工程図
【図４】セルフアライン効果を利用した光半導体素子と
光導波路の結合構造を有する石英光導波路型送受信モジ
ュールを示す斜視図
【図５】従来のセルフアライン効果を利用した光半導体
素子と光導波路の結合構造を示す説明図
【図６】従来の構造における半田厚と水平及び高さ方向
の固着後の位置精度を示す説明図
【図７】従来の固別のＬＤモジュール，ＡＰＤモジュー
ル，波長合分波器及び光分岐による光送受信モジュール
を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 光半導体素子 ２ 光導波路 ３ 光導波路基板 ４ 金属膜 ５ チップ裏面電極 ６ 半田バンプ ７ 非導電性膜 ８ エッチング溝 ９ ＬＤチップ １０ ＰＤチップ １１ 石英導波路基板 １２ 石英導波路 １３ 光ファイバ １４ 光分岐部 １５ 光合分波部 １６ 電極配線 １７ １．３１μｍＬＤモジュール １８ ＰＤモジュール １９ 光分岐 ２０ 光合分波器 ２１ 光コネクタ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 表面に光導波路が形成された光導波路基
    板と、この光導波路基板上に装備され前記光導波路と光
    学的に結合する光半導体素子とを有し、この光半導体素
    子の裏面に設けられた電極パターンと前記光導波路基板
    に設けられた電極パターンとを半田を介して固定してな
    る光半導体装置において、 前記光導波路基板側の電極パターンの周囲に、適当な厚
    さの非導電性膜を装着し、 前記適当な厚さとは、前記半田の溶融時に前記光半導体
    素子の裏面と当該非導電性膜表面とが接触しない厚さで
    あって、かつ前記半田の凝固時に前記光半導体素子の裏
    面と当該非導電性膜の表面とが接触する厚さである、 こ
    とを特徴とする光半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記非導電性膜の材質はＳｉＯ 2 である
    請求項１記載の光半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記ＳｉＯ 2 は火炎堆積法により装着さ
    れたものである請求項２記載の光半導体装置。
JP3245207A 1991-08-30 1991-08-30 光半導体装置 Expired - Fee Related JP2762792B2 (ja)

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