JP3769388B2 - 光半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば2.5GHz以上の広帯域の光ファイバー通信システムに使用される光半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、CATV,公衆通信の分野において、光ファイバー通信の実用化が始まっている。従来より、高速,高信頼性の光半導体モジュールが同軸型あるいはDual-inline 型と呼ばれるモジュール構造で実現されており、これらは主に幹線系と呼ばれる領域ですでに実用化されている。
【0003】
これに対し、最近では、Si(シリコン)ベース基板(パッケージ内に載置されるサブマウント、Siプラットホームともいう)上で、光半導体素子と光ファイバを機械的精度のみで高精度に位置決め実装する技術を用いた光モジュールが盛んに開発されている。これらは主に加入者系と呼ばれる領域での実用化が目標とされており、小型化,低背化,低コスト化等が要求されている。またその一方で、広帯域化が重要な課題となっている。
【0004】
〔従来例1〕
従来、光半導体素子として半導体レーザが配設されたSiベース基板上への実装構造は、図3に示すように、半導体レーザ素子2の活性層がSiベース基板1側に位置し、半導体レーザ素子2はその活性層側の電極層44における所定位置にアライメントされ、例えばAuSn等の半田で接合されている。また、半導体レーザ素子2の活性層に対して反対側に位置する面の電極と電極層43とはワイヤ6で電気的に接続される。また、光ファイバ3はV溝10上に実装されることにより、先に実装された半導体レーザ素子2との間で機械的に光学的なアライメントが行われる。
【0005】
〔従来例2〕
また、Siベース基板の下面にグラウンド電極、上面にストリップ線路が形成されていわゆるマイクロストリップラインを構成し、このストリップ線路の一部に薄膜抵抗が用いられることにより、負荷とのインピーダンス整合が行われる方法が提案されている(例えば、米国特許番号4,937,660 号を参照)。この方法によれば、インピーダンス整合が負荷の直近のシリコンベース基板上でなされており、従来例1に比べて高周波での損失が小さく、装置が小型化できるという利点を有する。
【0006】
なお一般に、半導体レーザ素子等の光半導体素子のインピーダンスは典型的には5オーム前後と、信号源および負荷までの伝送線で用いられる50オームあるいは25オームに比べて低い。そのため、信号源と負荷とのあいだで、マイクロストリップライン,リアクタンス素子等の回路部品の適当な組み合わせにより、インピーダンス整合が行われるのは一般的な技術としてあり、本従来例の他にも例えば特開平10-75003号公報にも記載がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例1では、Siベース基板上の配線が信号源側のインピーダンスに整合していないため、高周波での反射波による信号波形の劣化が増大するという問題や、Siの有する大きな誘電正接のため、高周波で誘電体損失が増大するという問題がある。また、ワイヤリングの寄生インダクタンスと配線の寄生容量により、帯域内に共振による不要なディップが発生するといった問題もあり、帯域が大幅に制限される。
【0008】
また、従来例2では、上記従来例1と同様に、Siの大きな誘電正接のため、高周波で誘電体損失が増大するという問題と、ワイヤリングの寄生インダクタンスと配線の寄生容量により、帯域内に共振による不要なディップが発生するという問題がある。
【0009】
そこで本発明は、上記従来の問題に鑑み提案されたものであり、2.5GHz以上の広帯域でも特性の良好な光半導体装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光半導体装置は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に載置された光導波体と、前記シリコン基板上の前記光導波体の光入射側に形成された接地電極層と、前記接地電極層上に活性層を下側にして配設され、この活性層の背面側に背面側電極を有する光半導体素子と、前記シリコン基板上に配設され、前記背面側電極に接続されたマイクロ波信号入力用の線状導電層が上面に形成された誘電体層と、から成ることを特徴とする。
【0011】
また特に、前記背面側電極は、前記線状導電層とワイヤボンドにより接続され、前記シリコン基板上の前記光半導体素子の実装領域とその他の領域に段差を形成することによって、前記背面側電極と前記線状導電層との前記ワイヤボンドの接合面同士を近づけるようにしたことを特徴とする。
【0012】
また、上記光半導体装置の具体的は製造方法としては、例えば耐エッチング膜をマスクに異方性エッチングにより第1の溝および第2の溝を所望の形状にパターン形成する工程と、第1の溝を含む領域に下部電極をパターン形成する工程と、耐エッチング膜および下部電極をマスクに第1の溝をさらに深く異方性エッチングする工程と、誘電体層をパターン形成する工程と、上部電極をパターン形成する工程とを含むものとする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光半導体装置M1の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【0014】
図1において、1は不図示のパッケージ内に収容されるSiベース基板、2は光半導体素子である半導体レーザ、3は光導波体である光ファイバ、41はマイクロ波信号入力用の線状導電層である上部電極層、42は高周波をシールドする接地電極層である下部電極層、5は誘電体層、6はワイヤ(リード線)、10はV溝、12はU溝を示す。また、図中2aは半導体レーザ2の活性層であり、光ファイバ3のコア部3aと略同一高さに位置して位置決めされている。また、2bは半導体レーザ2の背面側電極、2cは活性層電極である。
【0015】
半導体レーザ2は活性層電極2cをSiベース基板1側に配置し、下部電極層42上の所定の位置にアライメントされ、AuSn等の半田で接合される。また、背面側電極2bと上部電極層41とはワイヤ6で電気的に接続される。また、光ファイバ3はV溝10上に実装されることにより、先に実装された半導体レーザ2との間で機械的に光学的なアライメントが高精度に行われる。
【0016】
上部電極層41,下部電極層42,誘電体層5はマイクロストリップライン4を構成する。マイクロストリップライン4は外部電気系インピーダンスの50オームに整合するように上部電極層41の幅および誘電体層5の厚みが制御される。また、マイクロストリップライン4の一部には負荷とのインピーダンス整合を行うために、小型のチップ抵抗等の回路部品が用いられる。この回路部品の配置等は図から省略した。
【0017】
Siベース基板1にマイクロストリップライン4を構成することにより、Siベース基板1上でマイクロ波信号は下部電極層42でシールドされ、Siの高い誘電正接の影響を受けなくなり、従来構成よりも大幅に誘電損失を減らす効果がある。また、半導体レーザ2は基板垂直方向に上下2面に電気接続点を有する構造であるため、マイクロストリップライン4との接続の整合性が良好であるという効果もある。
【0018】
次に、各部の特徴的な形状、材質、寸法の詳細について述べる。上部電極層41の幅(光ファイバ3の光軸方向)は100〜400ミクロン前後が好適である。これは、ワイヤボンドに最低必要な電極面積と形成可能な誘電体層5の厚さ限界から決まる。誘電体層5には例えばシリカやポリイミド樹脂等を用いることができる。これらの材質が選択される理由としては、誘電正接が小さく、マイクロ波の誘電体損失を抑制できることによる。マイクロ波の伝送損失を1dB/cm以下とするには誘電正接は0.015 以下とする必要があり、0.001 以下ではマイクロ波の伝送損失0.2dB/cm以下が得られ一層好適である。誘電体層5の厚みは上部電極層41の幅と誘電体層5の誘電率に従い、マイクロストリップライン4のインピーダンスが50オームに整合するように20〜100ミクロンの幅で調整できる。このとき、誘電体層5の厚みと半導体レーザ2の厚みとの差がワイヤ6のボンディング部に段差を生じさせ、ワイヤ6が過剰に長くなってしまう原因を発生させる。これはワイヤ6のボンディング部の段差をなくすことにより、解消することができる。すなわち、マイクロストリップライン4の厚みを半導体レーザ2の厚みに整合させるか、Siベース基板1に半導体レーザ2の実装領域とその他領域に段差を形成してワイヤ6両端の接合面を整合させることにより実現できる。好ましくは、ワイヤ6両端の接合面の段差が完全に0であることが最っとも望ましいが、少なくとも半導体レーザ2の厚みよりも小さければ、従来に比し、十分な効果が得られ、許容される。これにより、ワイヤ6に起因するインダクタンスを小さくすることができ、共振によって発生する帯域内の局所的に伝送損失の大きな部分(ディップ)を高周波側にシフトさせることができ、広帯域を確保できる。
【0019】
次に、上記光半導体装置の製造方法について述べる。
【0020】
まず、Siベース基板1の表層に所望の形状に耐エッチング膜である窒化シリコン膜をパターン形成し、そのパターンをマスクにしてU溝12を所望の深さまで水酸化カリウム液を用い、異方性エッチングする。
【0021】
次に、下部電極層42をパターン形成する。これには例えばメタルマスクと真空蒸着を用いて行うことができる。下部電極層42の材質は次に行うエッチングへの耐性と導電性の点からAuが望ましい。また、シリコンとの密着性からCrまたはTi等を下地層として形成する必要がある。また、半導体レーザ2を接合するために、厚さ2〜3μm程度のAuSn半田層がU溝12内の一領域に形成される。次に、先に形成した窒化シリコン膜および下部電極層42をマスクにして水酸化カリウム液を用い、異方性エッチングを行い、V溝10を形成する。最後に誘電体層5および上部電極層41をパターン形成し、V溝10とU溝12の交叉部にダイシングで溝を形成し、光ファイバ3の突き当て部を形成して完成する。
【0022】
なお、図2(a)〜(d)に示す光半導体装置M2のように、下部電極層42を平坦な基板1上に形成し、その上に半導体レーザ2及び誘電体層5,上部電極層41から成るマイクロストリップライン4を形成してもよく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更し実施が可能である。
【0023】
【実施例】
次に、さらに詳細な実施例について説明する。
【0024】
まず、Siベース基板1には、厚さ1mm、抵抗率10Ω・cmの基板を用いた。Siベース基板1の外形は1.6 ×4.0mm にし、光ファイバ3が実装されるV溝10の長さは3mm にした。マイクロストリップライン4はSiベース基板1上で半導体レーザ2の実装部から基板の外周に向かって0.65mm配線した。これはSiベース基板1の外形に依存しており、Siベース基板1のパッケージへの実装上、最低必要な長さである。マイクロストリップライン4はSiベース基板1上の厚さ0.5ミクロンのCr/Au下部電極層42と、その上に厚さ30ミクロンのシリカ誘電体層5と、さらにその上に厚さ4ミクロン、幅100ミクロンのCr/Au上部電極層とで構成した。
【0025】
これにより、マイクロストリップライン4を伝搬するマイクロ波信号は下部電極層42よりも上に電磁界が閉じこめられることから、Siの高い誘電正接の影響を全く受けない効果があり、マイクロストリップライン4の伝搬損失を例えば10GHzで0.1dB 未満に抑制できた。従来の電極構成ではSi基板への電磁界のしみだしがあるため、Siによる大きな誘電体損失を受けることになる。Siの誘電正接はその抵抗率によって異なり、例えば本実施例で用いた10Ω・cmでは誘電正接は約3.3 であり、10GHzのマイクロ波信号では単位長あたりの損失は1 0dB/cm以上となり、配線長0.65mmの損失は6.5dB 以上となる。これは抵抗率の高いSiを用いることで改善することができるが、誘電正接0.01程度が限界であり、シリカと比較して二桁以上大きい。
【0026】
次に、U溝12の深さは70ミクロン、V溝10の深さは177.6 ミクロンにし、厚さ100ミクロンの半導体レーザ2をU溝12内に実装した。半導体レーザ2の活性層形成面の電極はU溝12内に引きまわされた下部電極層42上に形成された厚さ2ミクロンのAuSn半田を介して下部電極層42と接続した。ワイヤ6には金リボンを用い、半導体レーザ2の活性層反対面の電極と上部電極層41とを配線長50ミクロンで接続した。光ファイバ3はV溝10内に実装することにより、機械的な精度のみで半導体レーザ2との光接続を行った。
【0027】
これにより、ワイヤ6によるインダクタンスは0.1nH以下に抑えることができ、半導体レーザ2の帯域幅15GHz以内では共振によるディップが発生しなかった。従来ワイヤ6は接続点に段差があるため、ワイヤボンドで約400ミクロンの配線を行っていた。そのため約7GHzにディップが発生していたが、本発明により一層改善できた。
【0028】
【発明の効果】
本発明の光半導体装置によれば、以下に示す顕著で優れた効果を奏することができる。
【0029】
・基板上でマイクロ波を伝送する際、基板による誘電体損失をなくすことができ、高周波での伝送損失を飛躍的に抑制できる上、基板上の配線長を長くとることが可能である。
【0030】
・いかなる抵抗率の基板材料も利用できることから、汎用性のあるモジュール設計とすることが可能である。
【0031】
・複数の素子に配線を行う必要のある場合、配線間の容量を小さくできる上に、グランド電極の共通化が容易となる。
【0032】
・基板上の伝送線から光半導体素子へのマイクロ波給電用リード線の長さを極力短くできることにより、リード線のインダクタンスによる共振をより高周波側へ退避させることができ、光半導体装置の広帯域化を図れる。
【0033】
・基板上の伝送線と光半導体素子との電磁界フィールドの整合性をきわめて良好とすることができる。
【0034】
・非常に簡便な工程により、深さの異なるV溝もしくはU溝を形成することができ、マイクロ波の接続部と光波の接続部の整合性を各々独立に好適に制御することが可能である。
【0035】
・光,電気,それぞれに最適な結合設計を見いだすことができる以上の効果により、本発明を採用すれば広帯域で優れた光半導体装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光半導体装置を説明する図であり、(a)は光半導体装置の平面図、(b)は側面図、(c)はV溝の領域を示す(a)におけるA−A線断面図、(d)は光半導体素子の活性層の近傍を示す(a)におけるB−B線断面図である。
【図2】本発明に係る他の光半導体装置を説明する図であり、(a)は光半導体装置の平面図、(b)は側面図、(c)はV溝の領域を示す(a)におけるA−A線断面図、(d)は光半導体素子の活性層の近傍を示す(a)におけるB−B線断面図である。
【図3】従来の光半導体装置を説明する図であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。
【符号の説明】
1 Siベース基板
2 半導体レーザ
3 光ファイバ
4 マイクロストリップライン
5 誘電体層
6 ワイヤ
10 V溝
11 V溝
12 U溝
41 上部電極層
42 下部電極層
43,44 電極層
M1,M2 光半導体装置
Claims (2)
- シリコン基板と、
前記シリコン基板上に載置された光導波体と、
前記シリコン基板上の前記光導波体の光入射側に形成された接地電極層と、
前記接地電極層上に活性層を下側にして配設され、この活性層の背面側に背面側電極を有する光半導体素子と、
前記シリコン基板上に配設され、前記背面側電極に接続されたマイクロ波信号入力用の線状導電層が上面に形成された誘電体層と、
から成ることを特徴とする光半導体装置。 - 前記背面側電極は、前記線状導電層とワイヤボンドにより接続され、
前記シリコン基板上の前記光半導体素子の実装領域とその他の領域に段差を形成することによって、前記背面側電極と前記線状導電層との前記ワイヤボンドの接合面同士を近づけるようにしたことを特徴とする請求項1に記載の光半導体装置。
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