JP3978040B2

JP3978040B2 - 光半導体装置

Info

Publication number: JP3978040B2
Application number: JP2002006655A
Authority: JP
Inventors: 友喜井上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: JP2003209311A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野等で用いられ、半導体レーザ（ＬＤ）等の光半導体素子を収容した光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光半導体装置の断面図を図２（ａ），（ｂ）に示す。図２において、１はセラミックス等からなる容器、１ａは容器１の外面に接合された入力端子、２は容器１内の底面に載置されたペルチェ素子等の電子冷却素子、３は電子冷却素子２の上面に設置された載置用基板、４は光半導体素子、５は光半導体素子４が搭載されたサブマウント、６は光半導体素子４の出射光を集光させるレンズ、７はレンズ６を保持するためのレンズ保持部材、８は電子冷却素子２の温度を検出する温度検出器（温度センサ）、９は入力端子１ａと光半導体素子４とを電気的に接続する配線基板である。
【０００３】
さらに、配線基板９の上面図と下面図を図３（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図３において、19ａはセラミックス等からなる絶縁基板、19ｂは、絶縁基板19ａの一方主面に形成され、インピーダンス整合用の線路導体、19ｃは絶縁基板19ａの他方主面の略全面に形成された接地導体層である。この配線基板９は、高周波信号を良好に伝搬させるマイクロストリップライン構造になっている。
【０００４】
そして、光半導体装置に用いられるＬＤ等の光半導体素子４は、その温度が変化することによって、光半導体素子４から発光される光信号の波長が変化するという特性がある。このため、光半導体素子４から発光される光信号の波長をできる限り一定に安定させるために、光半導体素子４の温度を一定に保つように光半導体装置は構成されている。
【０００５】
即ち、光半導体素子４は、その駆動時の自己発熱と、光半導体装置の外部環境の温度と、光半導体素子４に駆動用の高周波信号を伝送させる配線基板９の発熱とにより、温度が変化する。光半導体素子４の温度変化が起らないように、光半導体装置内部に電子冷却素子２と温度検出器８とを設けている。温度検出器８が設定温度と異なる温度を検出した場合、その検出信号が光半導体装置の外部に接続された電子冷却素子２の駆動装置にフィードバックされ、その駆動装置が温度検出器８の検出温度が設定温度になるまで電子冷却素子２を駆動する。これにより、載置用基板３およびサブマウント５を介して搭載された光半導体素子４とが一定の温度に保たれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の配線基板９を用いた光半導体装置においては、以下のような問題点があった。即ち、配線基板９は、その一方の端が容器１の内面に、他の端が電子冷却素子２によって温度が一定に保たれている載置用基板３の上面に接合されているため、電子冷却素子２より容器１側に移動した熱が、配線基板９を通って載置用基板３へ逆流する。この逆流する熱の影響で、光半導体素子４の温度を安定に制御できず、結果として光半導体素子４より発光される光信号の波長が安定しないという問題が発生していた。
【０００７】
この問題を解決する一つの構成として、配線基板９を長くしてその熱抵抗を増大させ、容器１から載置用基板３への熱の逆流を抑制するものが提案されている（特開平9−223847号公報参照）。しかし、この構成では、配線基板９が長くなるため光半導体装置を小型化できないという問題点があった。
【０００８】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光半導体素子より発光される光信号の波長を一定に保つことができる小型の光半導体装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体装置は、容器内の底面に電子冷却素子を介して載置された光半導体素子と、前記容器の内面の棚部に一端が載置されるとともに前記電子冷却素子の上面の前記光半導体素子の近傍に他端が載置され、前記光半導体素子に入力される駆動信号を伝送する線路導体が形成された配線基板とを具備した光半導体装置において、前記配線基板は、絶縁基板の一方主面に前記線路導体および該線路導体の両側に所定間隔をもって設けられた同一面接地導体層が形成されているとともに他方主面の略全面に接地導体層が形成されており、前記同一面接地導体層および前記接地導体層はそれぞれ島状の複数の導体非形成部が一様に分布するように配置されているとともに前記絶縁基板の側面導体または貫通導体を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の光半導体装置は、配線基板が、絶縁基板の一方主面に線路導体および線路導体の両側に所定間隔をもって設けられた同一面接地導体層が形成されているとともに他方主面の略全面に接地導体層が形成されており、同一面接地導体層および接地導体層はそれぞれ島状の複数の導体非形成部が一様に分布するように配置されているとともに絶縁基板の側面導体または貫通導体を介して電気的に接続されていることから、配線基板の線路導体をコプレーナ構造とすることができるため、駆動信号として高周波信号を用いた場合駆動信号を良好に伝送させることができる。また、熱が伝導し易い同一面接地導体層および接地導体層に島状の複数の導体非形成部が一様に分布するように配置されているため、同一面接地導体層および接地導体層の面積が小さくなるとともに同一面接地導体層および接地導体層における伝熱経路が長くなり、また伝熱経路が導体非形成部を迂回するように複雑化されるため、配線基板の熱抵抗を上げることができ、配線基板を介して容器から電子冷却素子へ伝わる熱量を小さくできる。その結果、光半導体素子の温度制御を安定して行なうことができ、光半導体素子より発光される光信号の波長を一定に保ち、精度のよい光通信が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体装置について以下に詳細に説明する。本発明の光半導体装置の基本的な構造は従来の光半導体装置と同様であり、図２（ａ），（ｂ）に示す通りである。即ち、１はアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックス等のセラミックス、樹脂、金属等からなる略直方体の容器、１ａは容器１の外面に形成されたメタライズ層等にロウ付け接合された入力端子である。
【００１２】
本発明の光半導体装置は、容器１内の底面に電子冷却素子２を介して載置された光半導体素子４と、容器１の内面の棚部１ｂに一端が載置されるとともに電子冷却素子２の上面の光半導体素子４の近傍に他端が載置され、光半導体素子４に入力される駆動信号を伝送する線路導体９ｂ（図１）が形成された配線基板９とを具備し、配線基板９は、絶縁基板９ａの一方主面に線路導体９ｂおよび線路導体９ｂの両側に所定間隔をもって設けられた同一面接地導体層９ｃが形成されているとともに他方主面の略全面に接地導体層９ｄが形成されており、同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄはそれぞれ独立した島状の複数の導体非形成部９ｆが一様に分布するように配置されているとともに絶縁基板９ａの側面導体または貫通導体９ｅを介して電気的に接続されている構成である。
【００１３】
本発明では、配線基板９の他端は光半導体素子４の近傍に載置されるが、配線基板９の他端と光半導体素子４との距離は10ｍｍ程度以下であり、この場合に電子冷却素子２より容器１側に移動した熱が、配線基板９を通って載置用基板３から光半導体素子４へ逆流する現象が発生し易くなる。
【００１４】
本発明の容器１の外形形状は、直方体、立方体、円筒形等の筒状等の種々の形状とし得るが、電子冷却素子２を載置できる平坦な底面を内部に有するものが好ましい。また、容器１は、上面が開口されており、内部に各部品を収容した後、開口を蓋体によって塞ぐような構成であることが、各部品を容易に収容できる点で好ましい。
【００１５】
容器１の外面のメタライズ層は、容器１をセラミック積層法で作製することによって、容器１の内外面を貫通するように形成され、容器１の内面のメタライズ層が配線基板９の線路導体９ｂにボンディングワイヤ等により電気的に接続されることにより、入力端子１ａと線路導体９ｂとが接続される。
【００１６】
また、２は容器１内の底面に載置されたペルチェ素子等の電子冷却素子、３は電子冷却素子２の上面に設置された載置用基板である。この載置用基板３は銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）合金等から成る。さらに、４はＬＤ等の光半導体素子、５は光半導体素子４が搭載されたアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックス等のセラミックス、樹脂等から成るサブマウント、６は光半導体素子４の出射光を集光させるレンズ、７はレンズ６を保持するためのレンズ保持部材、８は電子冷却素子２の温度を検出する温度検出器（温度センサ）、９は入力端子１ａと光半導体素子４とを電気的に接続する配線基板である。上記温度検出器８は、金属酸化物やシリコン等によって形成されるサーミスタ等である。
【００１７】
本発明の光半導体装置における配線基板９の上面図と下面図を図１（ａ），（ｂ）に示す。図１において、９ａはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックス等のセラミックス等からなる絶縁基板、９ｂは絶縁基板９ａの一方主面に形成された線路導体、９ｃは線路導体９ｂの両側に所定間隔（線路導体９ｂで伝送される高周波信号の波長の１／４以下）をもって形成された同一面接地導体層、９ｄは絶縁基板９ａの他方主面の略全面に形成された接地導体層、９ｅは同一面接地導体層９ｃと接地導体層９ｄとを電気導通させるビアホール，スルーホール等の貫通導体である。同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄは、複数の四角形の導体非形成部９ｆが一様に分布するように配置されている。
【００１８】
この導体非形成部９ｆは、同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄにおける熱分布を一様にするためにそれらの略全面に略一定の間隔で形成されるのが好ましい。また、導体非形成部９ｆは、同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄの両端を除いた中央部に形成されるのがよい。即ち、接地導体層９ｄの一端は容器１内の棚部１ｂに載置され他端は電子冷却素子２の上面（図２の実施の形態では電子冷却素子２上の載置用基板３の上面）に載置されて、接地導体層９ｄの一端および他端はロウ付け等によって接合されており、その接合力を低下させないためには、接地導体層９ｄの一端および他端に導体非形成部９ｆを設けず、接地導体層９ｄの中央部に設けることがよい。また、同一面接地導体層９ｃにおいて、接地導体層９ｄと略同じ熱分布とするために、接地導体層９ｄと同様に中央部に導体非形成部９ｆを設けるのがよい。また、同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄの中央部であってその面積の70〜90％程度の面積の領域に導体非形成部９ｆを設けるのがよい。
【００１９】
また、線路導体９ｂの両側の同一面接地導体層９ｃにおいて、線路導体９ｂの両側で熱分布を略対称にするために略対称の配置パターンとなるように導体非形成部９ｆを設けてもよい。
【００２０】
さらに、同一面接地導体層９ｃの導体非形成部９ｆを接地導体層９ｄの導体非形成部９ｆよりも大きくしてもよい。即ち、接地導体層９ｄの導体非形成部９ｆは、線路導体９ｂで伝送される高周波信号の漏洩を防ぐために徒に大きくすることはできず、導体非形成部９ｆの最大幅を高周波信号の波長の１／４以下にすることが好ましいが、同一面接地導体層９ｃの導体非形成部９ｆは、接地導体層９ｄの導体非形成部９ｆよりも大きくしてもそのコプレーナ特性が劣化しにくいからである。
【００２１】
また導体非形成部９ｆは、同一面接地導体層９ｃまたは接地導体層９ｄにおいて、３個以上設けることが好ましい。３個未満では、導体非形成部９ｆが大きくなるため、接地導体層９ｄにおいて線路導体９ｂで伝送される高周波信号が漏洩して伝送損失が増大し易くなるとともに、同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄにおいて熱分布が一様になりにくくなる。
【００２２】
導体非形成部９ｆの配置パターンは図１（ｂ）の構成に限らず、その他の種々の構成とすることができる。また、島状の導体非形成部９ｆの形状は、三角形、正方形や長方形である四角形、平行四辺形、菱形、台形、四角形以上の多角形、円形、楕円形、長円形等がよく、これらのうちその中心や中心線に対称的な形状である正方形、菱形、六角形等の偶数の多角形、円形がより好ましく、この場合絶縁基板９ａの両主面の熱分布を略均一にして熱抵抗を高くするのが容易になる。さらに、導体非形成部９ｆの配置パターンおよび形状は、同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄにおいて、同じ配置パターンおよび形状であってもよいし、異なる配置パターンおよび形状であってもよい。
【００２３】
導体非形成部９ｆの大きさは、正方形の場合、一辺が0.05〜１ｍｍであることがよく、0.05ｍｍ未満では配線基板９の熱抵抗を上げるのに十分でなく、１ｍｍを超えると、導体非形成部９ｆが大きくなり、高周波信号が導体非形成部９ｆから漏洩して同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄが接地導体層としての機能をなさず、線路導体９ｂで高周波信号が良好に伝送されにくくなる。また、円形の場合、半径が0.025〜0.5ｍｍであることがよい。0.025ｍｍ未満では配線基板９の熱抵抗を上げるのに十分でなく、0.5ｍｍを超えると、導体非形成部９ｆが大きくなり、同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄが接地導体層としての機能をなさず、線路導体９ｂで高周波信号が良好に伝送されにくくなる。さらに、その他の形状の場合も、それと同面積の正方形や円形に換算して上記の範囲とすることもできる。
【００２４】
導体非形成部９ｆは同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄに一様に分布しているが、これは、導体非形成部９ｆ同士が略同方向を向いている（円形の場合は向きは無関係）とともにそれらの間隔が略一定であるということである。導体非形成部９ｆ同士の間隔は、導体非形成部９ｆの大きさと同程度以下であればよく、導体非形成部９ｆが正方形の場合その一辺と同程度以下であり、導体非形成部９ｆが円形の場合その直径と同程度以下である。
【００２５】
絶縁基板９ａの他方主面に設けられる導体非形成部９ｆの総面積は、他方主面の面積の30〜70％程度であることが好ましい。30％未満では、熱伝導性の高い接地導体層９ｄの面積を小さくするとともに接地導体層９ｄにおける伝熱経路を長くしかつ伝熱経路を導体非形成部９ｆを迂回するように複雑化するという効果が小さくなり、配線基板９の熱抵抗を上げることが困難になる。70％を超えると、接地導体層９ｄの接地電位が不安定になり易く、接地導体層９ｄとしての機能が得られず、線路導体９ｂで高周波信号が良好に伝送されにくくなる。より好ましくは40〜60％がよい。
【００２６】
配線基板９を成す絶縁基板９ａは、セラミックス（焼結体）や樹脂等の絶縁材料から成り、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）質焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等から成る。
【００２７】
線路導体９ｂおよび同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄは、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、めっき法等の薄膜形成法により形成され、またフォトリソグラフィ法、エッチング法、リフトオフ法等によって所定パターンに加工される。
【００２８】
線路導体９ｂおよび同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄは、例えば密着金属層、拡散防止層、主導体層が順次積層された３層構造の導体層から成る。密着金属層は、セラミックス等から成る絶縁基板９ａとの密着性の点で、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔａ₂Ｎ等のうち少なくとも１種より成るのが良い。密着金属層の厚さは0.01〜0.2μｍ程度が良い。0.01μｍ未満では、強固に密着することが困難となり、0.2μｍを超えると、成膜時の内部応力によって剥離が生じ易くなる。
【００２９】
拡散防止層は、密着金属層と主導体層との相互拡散を防ぐうえで、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔｉ−Ｗ合金等のうち少なくとも１種より成るのが良い。拡散防止層の厚さは0.05〜１μｍ程度が良く、0.05μｍ未満では、ピンホール等の欠陥が発生して拡散防止層としての機能を果たしにくくなる。１μｍを超えると、成膜時の内部応力により剥離が生じ易くなる。拡散防止層にＮｉ−Ｃｒ合金を用いる場合は、密着性も確保できるため、密着金属層を省くことも可能である。
【００３０】
さらに、主導体層は電気抵抗の小さいＡｕ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ等から成るのがよく、その厚さは0.1〜５μｍ程度が良い。0.1μｍ未満では、電気抵抗が大きくなる傾向にあり、５μｍを超えると、成膜時の内部応力により剥離を生じ易くなる。また、Ａｕは貴金属で高価であることから、低コスト化の点でなるべく薄く形成することが好ましい。Ｃｕは酸化し易いので、その上にＮｉ層およびＡｕ層からなる保護層を被覆するのが良い。
【００３１】
また、線路導体９ｂと同一面接地導体層９ｃと接地導体層９ｄとを同じ膜構成によって形成してもよいし、異なる膜構成によって形成してもよい。
【００３２】
同一面接地導体層９ｃと接地導体層９ｄとは、貫通導体９ｅまたは絶縁基板９ａの側面導体を介して電気的に接続される。貫通導体９ｅは、一般的にセラミックスの焼結前のグリーンシートに貫通孔を設けて、その部分に少なくともタングステンまたはモリブデンを含む金属ペーストを埋め込んで同時焼結させることによって、ビアホールとして形成される。貫通導体９ｅがスルーホールの場合、絶縁基板９ａに設けられたオープンホールの内面に、同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄと同時に薄膜導体を被着することによって形成される。同一面接地導体層９ｃと接地導体層９ｄとが絶縁基板９ａの側面導体を介して接続される場合、この側面導体は、絶縁基板９ａの側面に同一面接地導体層９ｃおよび接地導体層９ｄと同時に薄膜導体を被着することによって形成される。
【００３３】
貫通導体９ｅの断面形状は略円形であり、その直径は0.05〜１ｍｍ程度がよい。0.05ｍｍ未満では電気抵抗が大きくなる傾向にあり、１ｍｍを超えると配線基板９も大きくなり、結果として光半導体装置を小型化できなくなる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の光半導体装置は、容器の内面の棚部に一端が載置されるとともに電子冷却素子の上面の光半導体素子の近傍に他端が載置され、光半導体素子に入力される駆動信号を伝送する線路導体が形成された配線基板が、絶縁基板の一方主面に線路導体および線路導体の両側に所定間隔をもって設けられた同一面接地導体層が形成されているとともに他方主面の略全面に接地導体層が形成されており、同一面接地導体層および接地導体層はそれぞれ島状の複数の導体非形成部が一様に分布するように配置されているとともに絶縁基板の側面導体または貫通導体を介して電気的に接続されていることから、配線基板の線路導体をコプレーナ構造とすることができるため、駆動信号として高周波信号を用いた場合駆動信号を良好に伝送させることができる。また、熱が伝導し易い同一面接地導体層および接地導体層に複数の導体非形成部が一様に分布するように配置されているため、同一面接地導体層および接地導体層の面積が小さくなるとともに同一面接地導体層および接地導体層における伝熱経路が長くなり、また伝熱経路が導体非形成部を迂回するように複雑化されるため、配線基板の熱抵抗を上げることができ、配線基板を介して容器から電子冷却素子へ伝わる熱量を小さくできる。その結果、光半導体素子の温度制御を安定して行なうことができ、光半導体素子より発光される光信号の波長を一定に保ち、精度のよい光通信が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体装置における配線基板について実施の形態の例を示し、（ａ）は配線基板の上面図、（ｂ）は配線基板の下面図である。
【図２】本発明の光半導体装置について実施の形態の例を示し、（ａ）は光半導体装置の側断面図、（ｂ）は光半導体装置の正面断面図である。
【図３】従来の光半導体装置における配線基板の一例を示し、（ａ）は配線基板の上面図、（ｂ）は配線基板の下面図である。
【符号の説明】
１：容器
２：電子冷却素子
４：光半導体素子
９：配線基板
９ａ：絶縁基板
９ｂ：線路導体
９ｃ：同一面接地導体層
９ｄ：接地導体層
９ｅ：貫通導体
９ｆ：導体非形成部

Claims

容器内の底面に電子冷却素子を介して載置された光半導体素子と、前記容器の内面の棚部に一端が載置されるとともに前記電子冷却素子の上面の前記光半導体素子の近傍に他端が載置され、前記光半導体素子に入力される駆動信号を伝送する線路導体が形成された配線基板とを具備した光半導体装置において、前記配線基板は、絶縁基板の一方主面に前記線路導体および前記線路導体の両側に所定間隔をもって設けられた同一面接地導体層が形成されているとともに他方主面の略全面に接地導体層が形成されており、前記同一面接地導体層および前記接地導体層はそれぞれ島状の複数の導体非形成部が一様に分布するように配置されているとともに前記絶縁基板の側面導体または貫通導体を介して電気的に接続されていることを特徴とする光半導体装置。