JP4640733B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，光半導体素子を備える半導体装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来，光半導体素子を備える半導体装置には，次記文献に開示される光モジュール４００がある。
”井戸立身，井上宏明著「半導体光制御デバイスと実装」 回路実装学会誌 Ｖｏｌ．１０ ＮＯ．５（１９９５） ｐｐ．３０６‐３０９”
まず，図１４および図１５を参照しながら，上記文献に係る光モジュール４００について説明する。なお，図１４は，上記文献の図３に相当し，図１５は，上記文献の図６に相当する。
【０００３】
光モジュール４００は，光半導体素子として電界吸収型光変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ；以下，「ＥＡ変調器」という。）４０２を備えている。ＥＡ変調器４０２は，ＰＩＮ構造を有する光導波路を有しており，該光導波路を伝搬する光に対し強度変調を行う光半導体素子である。ＥＡ変調器４０２では，ＰＩＮ構造の光導波路に逆バイアス電圧を印加して吸収層（Ｉ層）に電界を加えることにより，吸収層での光吸収量を変化させることができる。
【０００４】
一般に，ＥＡ光変調器の変調帯域は，その素子容量によって制限される。そこで，上記文献では，ＥＡ変調器４０２の変調器領域の素子長を１００μｍ以下に短くしてＥＡ変調器４０２の低容量化を図ることにより，ＥＡ変調器４０２の変調帯域を４０ＧＨｚ程度まで広帯域化している。上記文献において，かかるＥＡ変調器４０２には，光変調器領域に光導波路を一体形成した導波路集積化電界吸収型光変調器を適用している。これは，次のような理由による。
【０００５】
光モジュール４００において，マイクロストリップライン４０４と終端抵抗器４０６とを形成した高周波基板４０８は，少なくとも１ｍｍ以上の幅を必要とする。したがって，キャリア４１０の幅Ｗは，高周波基板４０８の幅により制限されてしまう。幅ＷがＥＡ変調器４０２の素子長に合っていないと，非球面レンズ４１４によりＥＡ変調器４０２両端面に集光する光がキャリア４１０に当たってしまい，例えば，ＥＡ変調器４０２端面で十分な光結合（集光）が得られない或いはキャリア４１０により不要な光の散乱を生じてしまう等の不具合が生じる可能性がある。そこで，上記文献の光モジュール４００では，変調器領域に光を導く導波路領域を設けることにより，変調器領域の長さを短く保ったままＥＡ変調器４０２全体の素子長を長くして，ＥＡ変調器４０２の素子長と幅Ｗとを合わせている。
【０００６】
なお，光モジュール４００は，次のような高周波信号に関する実装構造を備えている。高周波コネクタ４１８から入力された高周波電気信号は，マイクロストリップライン４０４を通り，ＥＡ変調器４０２チップ近傍で終端抵抗器４０６を介し終端される。すなわち，マイクロストリップライン４０４に終端抵抗器４０６を接続し，終端抵抗器４０６を介して接地されている。そして，ＥＡ変調器４０２には，ボンディングワイヤ４２２により，マイクロストリップライン４０４の終端抵抗器４０６の接続部分が接続されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の光モジュール４００では，高周波伝送線路としてマイクロストリップライン４０４を用い，さらに終端抵抗器４０６として５０Ω抵抗器を該マイクロストリップライン４０４に並列に接続しているため，高周波特性が十分でない。したがって，発生した光電流を効率よくＥＡ変調器４０２外部に流すことができない。図１５に，光モジュール４００の高周波特性が示されているが，ＥＡ変調器１０２の変調領域長ｌが１００μｍの場合には，２６ＧＨｚ以上での変調度が−３ｄＢ以上となっている。すなわち，図１５は，上記従来の半モジュール４００では，２６ＧＨｚ以上の周波数を持つ光電流は，ＥＡ変調器４０２外部に流れ出さないことを示している。
【０００８】
ここで，上記従来の光モジュール４００を次のような状況で用いる場合を考えてみる。高速デジタル信号で変調された光信号をＥＡ変調器４０２に入射した場合，ＥＡ変調器４０２には，その吸収特性により該光信号に対応した光電流が発生する。かかる光電流は，ＥＡ変調器４０２に電気的に接続された接続回路を通じて外部に流される。かかる光電流は高周波信号であるため，接続回路の高周波特性が重要となる。そして，かかる光電流がＥＡ変調器４０２から良好に流れ出さない時には，ＥＡ変調器４０２内にフォトキャリアが溜まることとなり，ＥＡ変調器４０２の吸収特性が劣化する可能性が高い。
【０００９】
以上のように，光半導体素子を備える半導体装置には，一般に，光半導体素子内に発生したフォトキャリアを速やかに高周波的に光半導体素子外部に逃がす回路が必要である。さらに，広帯域で光電流を速やかに光半導体素子外部に流すことができれば，半導体装置を周波数によらず使用できるようになると考えられる。
【００１０】
なお，光半導体素子内に発生したフォトキャリアを光半導体素子外部に逃がす構成としては，ボンディングワイヤ等により光半導体素子の出力電極を直流的にグラウンドにショートさせる構成も考えられる。しかし，かかる構成では，広帯域で非常に良好なショート状態を作り出すことができる反面，光半導体素子にバイアス電圧を印加することが難しい。
本発明は，従来の半導体装置が有する上記その他の問題点に鑑みて成されたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本願にかかる発明は，光の入力によりフォトキャリアが発生する半導体層とフォトキャリアを高周波電力として出力する出力電極とを有する光半導体素子を備え光として所定の周波数の高周波信号で変調された光信号が入力される半導体装置において，以下のような構成を採用する。
【００１２】
本願にかかる発明は，出力電極に接続され出力電極から出力される所定の周波数の高周波電力に対し出力電極を接地状態とするショート回路を備える構成を採用する。ここで，接地状態とは，出力電極から出力された高周波電力が高周波的にグラウンドに流れる状態をいい，出力電極が直流的に接地される必要はない。
【００１３】
本願にかかる発明では，半導体層に発生したフォトキャリアをショート回路により光半導体素子外部に速やかに逃がすことができる。したがって，本願にかかる発明によれば，高速動作する光半導体素子の機能劣化を防止することができる。なお，本願にかかる発明において，ショート回路には，他の所定の周波数電力および直流電力に対して出力電極を接地状態としない回路を適用することが好適である。一般に，光半導体素子では，半導体層に対するバイアス電界の印加が必要だからである。
【００１４】
ここで，本願にかかる発明のように，ショート回路は，一方の電極が接地され他方の電極が出力電極に接続される１または２以上のコンデンサ（キャパシタ）を備える構成を採用することができる。本願にかかる発明のように，コンデンサを利用して出力電極を高周波的に接地状態とすれば比較的簡単にショート回路を構成することができる。
【００１５】
なお，本願にかかる発明では，各コンデンサを相互独立に出力電極に接続することができる。かかる構成では，コンデンサと出力電極との接続線の構成を相互独立に設定することができるため，各コンデンサを含む回路の自己共振周波数を相互独立に設定することができる。
【００１６】
また，本願にかかる発明では，各コンデンサを梯子状に出力電極に接続することができる。すなわち，本願にかかる発明のように，ショート回路は，一方の電極が接地される第１〜第ｎのコンデンサを備え，第１のコンデンサの他方の電極は出力電極に接続され，第（ｋ＋１）のコンデンサの他方の電極は第ｋのコンデンサの他方の電極に接続される構成を採用することができる。なお，ｎは２以上の整数であり，ｋは１以上（ｎ−１）以下の任意の整数である。
【００１７】
かかる構成では，各コンデンサを相互独立に出力電極に接続する構成と比べ，半導体装置におけるコンデンサの配置スペースを小さくすることができる。ここで，本願にかかる発明のように，第ｋのコンデンサは，第（ｋ＋１）のコンデンサよりもキャパシタンスが小さい構成を採用することができる。
【００１８】
また，本願にかかる発明のように，ショート回路は，接地された導電体に接続される１または２以上の誘電体基板と，誘電体基板の表面に設置され出力電極に接続される１または２以上のオープンスタブと，を備える構成を採用することができる。本願にかかる発明では，オープンスタブの長さを調整することにより，ショート回路のインピーダンスを容易に調整することができる。なお，一般に，オープンスタブに対しては，接地された導電体が対向配置される。
【００１９】
さらに，本願にかかる発明のように，ショート回路は，接地された導電体に接続される１または２以上の誘電体基板と，誘電体基板の表面に設置される２以上のオープンスタブと，オープンスタブを出力電極に接続する１または２以上のマイクロストリップラインと，を備える構成を採用することができる。ここで，本願にかかる発明では，各オープンスタブを梯子状に出力電極に接続することができる。
【００２０】
また，本願にかかる発明では，各オープンスタブを相互独立に出力電極に接続することができる。すなわち，本願にかかる発明のように，ショート回路は，接地された導電体に接続される１または２以上の誘電体基板と誘電体基板の表面に設置され出力電極に相互独立に接続される２以上のオープンスタブとを備える構成を採用することができる。かかる構成では，オープンスタブの構成を相互独立に設定することができるため，各オープンスタブのインピーダンスを相互独立に設定することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好適な実施形態について，添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお，以下の説明及び添付図面において，同一の機能及び構成を有する構成要素については，同一符号を付することにより，重複説明を省略する。
【００２２】
（第１実施形態）
まず，図１〜図４を参照しながら，第１実施形態について説明する。なお，図１は，本実施形態に係るショート回路１０４の等価回路図である。図２は，キャリア１０６の概略構成図であり，平面図である図２（ａ）とＡ−Ａ’断面図である図２（ｂ）とからなる。図３は，本実施形態に係る光モジュール１００の概略構成図であり，平面方向の断面図である図３（ａ）と側面方向の断面図である図３（ｂ）とからなる。図４は，ショート回路１０４のインピーダンスについての計算結果を示すスミスチャートである。
【００２３】
図３（ａ）（ｂ）に示すように，本実施形態に係る光モジュール１００は，光半導体素子としてＥＡ変調器１０２を備える半導体装置である。光モジュール１００は，ＥＡ変調器１０２以外に，ショート回路１０４とキャリア１０６と実装フレーム１０８とを備えている。光モジュール１００において，ＥＡ変調器１０２とショート回路１０４とは，キャリア１０６のメタルベース１６２上に設置される。さらに，キャリア１０６は，実装フレーム１０８のベース１８０上に設置される。
【００２４】
図１に示すように，本実施形態に係るショート回路１０４は，３の特定周波数の高周波電力に対してＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａを接地状態とすることができる。ショート回路１０４は，３つのコンデンサＣ１〜Ｃ３を備えている。コンデンサＣ１〜Ｃ３は，電気的に見ると，それぞれキャパシタンス（容量）と寄生抵抗と寄生インダクタとを直列接続した回路と等価である。
【００２５】
なお，光モジュール１００は，３つのコンデンサＣ１〜Ｃ３を備える構成であるが，本実施形態はかかる構成に限定されない。本実施形態では，適当なキャパシタンス，インダクタンスおよびインピーダンスを持つｎ個のコンデンサを備える構成を採用することもできる。ここで，ｎは，１以上の任意の整数である。かかる構成では，ショート回路により，ｎの周波数の高周波電力に対しＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａを接地状態にすることができる。
【００２６】
図２（ａ）（ｂ）に示すように，ショート回路１０４において，コンデンサＣ１〜Ｃ３は，ＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａから梯子状に接続されている。より詳細には，コンデンサＣ１の上部電極がボンディングワイヤＬ１により出力電極に相当する上部電極１０２ａに接続され，コンデンサＣ２の上部電極がボンディングワイヤＬ２によりコンデンサＣ１の上部電極に接続され，コンデンサＣ３の上部電極がボンディングワイヤＬ３によりコンデンサＣ２の上部電極に接続されている。換言すれば，ＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａに対しコンデンサＣ１〜Ｃ３の上部電極が順次直列接続されている。
【００２７】
なお，本実施形態では，コンデンサＣ１〜Ｃ３を相互独立にＥＡ変調器１０２に接続することもできる。すなわち，本実施形態では，コンデンサＣ１の上部電極をボンディングワイヤＬ１によりＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａに接続し，コンデンサＣ２の上部電極をボンディングワイヤＬ２により上部電極１０２ａに接続し，コンデンサＣ３の上部電極をボンディングワイヤＬ３により上部電極１０２ａに接続することもできる。かかる接続方法はショート回路１０４の特性を比較的自由に設計可能である点で光モジュール１００に係る上記接続方法よりも優れている。反面，光モジュール１００に係る上記接続方法の方が実装面積や光学結合（レンズ実装）等を考慮すると有利である。
【００２８】
さらに，ショート回路１０４において，コンデンサＣ１〜Ｃ３の下部電極は，いずれもメタルベース１６２に接続されている。さらにまた，コンデンサＣ１〜Ｃ３は，ＥＡ変調器１０２に近いほうから順にキャパシタンスの小さいものが配置される。すなわち，コンデンサＣ２はコンデンサＣ３よりも小さなキャパシタンスを持ち，コンデンサＣ１はコンデンサＣ２よりも小さなキャパシタンスを持つ。
【００２９】
本実施形態において，コンデンサＣ１〜Ｃ３は，自己共振周波数をできるだけ高周波数にすることが望ましい。そこで，ショート回路１０４には，積層型のコンデンサではなく，寄生インダクタンスの小さい強誘電体材料を用いた並行平板型のコンデンサを用いることが望ましい。
【００３０】
キャリア１０６は，メタルベース１６２とマイクロストリップライン（Ｍｉｃｒｏ−Ｓｔｒｉｐ Ｌｉｎｅ：以下，「ＭＳＬ」という。）１６４と誘電体から形成される高周波基板１６６とを備えている。
【００３１】
ＭＳＬ１６４は，メタルベース１６２表面に設置される高周波基板１６６表面に形成することにより，メタルベース１６２表面に対向配置されている。かかるＭＳＬ１６４は，光モジュール１００外部のバイアス回路１１０をＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａに接続する電気配線である。光モジュール１００において，ＭＳＬ１６４の一方の端部は，ボンディングワイヤによりバイアス回路１１０に接続されており，他方の端部はボンディングワイヤＬ１により上部電極１０２ａに接続されている。
【００３２】
メタルベース１６２表面には，基板設置領域１６２ａと素子搭載領域１６２ｂとが形成されている。基板設置領域１６２ａは高周波基板１６６を設置する領域であり，素子搭載領域１６２ｂはＥＡ変調器１０２とショート回路１０４のコンデンサＣ１〜Ｃ３とを搭載する領域である。なお，光モジュール１００において，ＥＡ変調器１０２とコンデンサＣ１〜Ｃ３と高周波基板３とは，メタルベース１６２表面に，半田その他の固定手段により固定することができる。
【００３３】
図３（ａ）（ｂ）に示すように，実装フレーム１０８は，レンズ１８２とレンズホルダ１８４と光ファイバ１８６とを備えている。レンズ１８２は，レンズホルダ１８４に保持固定されて，ＥＡ変調器１０２の光導波路と光ファイバ１８６のコアとを接続する光軸上に配される。レンズ１８２とＥＡ変調器１０２との距離は，レンズ１８４の焦点がほぼＥＡ変調器１０２の光入出力端面上に合うように調整されている。
【００３４】
光モジュール１００において，レンズ１８２は，光ファイバ１８６から出力された光をＥＡ変調器１０２の光導波路に光結合させるとともに，ＥＡ変調器１０２の光導波路から出力された光を光ファイバ１８６に光結合させる。なお，レンズ１８２には，レンズ１８２とキャリア１０６との接触を防ぐために，非球面レンズを適用することが好適である。
【００３５】
さらに，実装フレーム１０８は，キャリア１０６とレンズホルダ１８４とが設置されるベース１８０を備えている。光モジュール１００において，ベース１８０上には，キャリア１０６を介してＥＡ変調器１０２およびショート回路１０４が配されるとともに，レンズホルダ１８４を介してレンズ１８２が配される。
【００３６】
さらにまた，実装フレーム１０８は，電子冷却素子１８８を備えている。実装フレーム１０８において，電子冷却素子１８８上にはベース１８０が設置される。すなわち，電子冷却素子１８８上にはベース１８０およびキャリア１０６を介してＥＡ変調器１０２が設置される。光モジュール１００において，電子冷却素子１８８は，キャリア１０６（メタルベース１６２）とベース１８０とを介してＥＡ変調器１０２を冷却し，ＥＡ変調器１０２に恒温動作を実現させる。
【００３７】
さらに，実装フレーム１０８は，コネクタ１９０とパッケージ１９２とを備えている。コネクタ１９０は，ＥＡ変調器１０２にバイアス電圧を印加するために，ＭＳＬ１６４とバイアス回路１１０とを相互接続する。また，パッケージ１９２は，ＥＡ変調器１０２とショート回路１０４とキャリア１０６とベース１８０とレンズ１８２とレンズホルダ１８４と光ファイバ１８６の光入出力端と電子冷却素子１８８とを収容する。
【００３８】
光モジュール１００において，パッケージ１８２にはメタルベース１６２が接続されるとともに，パッケージ１８２は接地される。かかる構成によって，ＥＡ変調器１０２の下部電極とコンデンサＣ１〜Ｃ３の下部電極とは，メタルベース１６２とパッケージ１８２とを介して接地される。
【００３９】
以上説明した光モジュール１００は，キャリア１０６とレンズ１８２等の光学系とが相互に干渉することなく（ぶつからずに）かつ良好な光学結合が可能となるように，設計する必要がある。また，光モジュール１００におけるボンディングワイヤＬ１〜Ｌ４のワイヤ長は，ボンディングワイヤＬ１〜Ｌ４が設計値通りのインダクタンスを持つように調整する必要がある。
【００４０】
次に，本実施形態に係る光モジュールの動作について説明する。高速信号で変調された光信号がＥＡ変調器１０２に入射すると，ＥＡ変調器１０２の吸収層には，当該光信号の強度に応じた光電流が発生する。かかる光電流の低周波成分は，ＭＳＬ１６４を通じてバイアス回路１１０側に流れる。一方，光電流の高周波成分は，ＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａからショート回路１０４に流れる。ショート回路１０４において，該高周波成分は，ボンディングワイヤＬ１を通じてコンデンサＣ１に入力され，ボンディングワイヤＬ１およびＬ２を通じてコンデンサＣ２に入力され，ボンディングワイヤＬ１，Ｌ２およびＬ３を通じてコンデンサＣ３に入力される。
【００４１】
上記高周波成分中，特定周波数ｆ１の成分はコンデンサＣ１を介してグラウンドに流れ，別の特定周波数ｆ２の成分はＣ２を介してグラウンドに流れ，別の周波数ｆ３の成分は，コンデンサＣ３を介してグラウンドに流れる。すなわち，コンデンサＣ１は周波数ｆ１の高周波電力に対し上部電極１０２ａを接地状態にし，コンデンサＣ２は周波数ｆ２の高周波電力に対し上部電極１０２ａを接地状態にし，コンデンサＣ３は周波数ｆ３の高周波電力に対し上部電極１０２ａを接地状態にする。なお，コンデンサＣ１〜Ｃ３により出力電極１０２ａが接地状態となる周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３には，それぞれある程度の幅がある。
【００４２】
一般に，コンデンサのインピーダンスＺは，Ｚ＝１／（２πｆＣ）で表される。ここで，ｆはコンデンサに印加される高周波電力の周波数を示し，Ｃはコンデンサのキャパシタンスを示す。したがって，理想的には，コンデンサでは，周波数ｆが大きくキャパシタンスＣが大きいほどインピーダンスＺが低くなり，上部電極と下部電極とがショート状態となる。しかし，実際には，コンデンサ自体が持つ寄生インダクタンスやコンデンサに接続されるインダクタンス成分（ボンディングワイヤ等）のために，周波数ｆがある周波数より大きくなると，インピーダンスＺは逆に高くなる。かかるある周波数が自己共振周波数である。
【００４３】
したがって，本実施形態にかかる光モジュール１００では，所望する周波数成分に対し上部電極１０２ａを接地状態にするために，ＥＡ変調器１０２とショート回路１０４とを含む回路全体の構成を考慮して，コンデンサＣ１〜Ｃ３のキャパシタンスを設定する必要がある。
【００４４】
図４は，光モジュール１００において，上部電極１０２ａから見たショート回路１０４のインピーダンス（Ｓ１１）についての計算結果を示すスミスチャートである。該計算に用いた回路定数は，図１中に例示した値であり，ショート回路１０４によって２０ＧＨｚ及び４０ＧＨｚの高周波電力に対し光変調器１０２の上部電極１０２ａが接地状態となるよう設定した。図４から理解できるように，確かに２０ＧＨｚと４０ＧＨｚで，ショート回路１０４のインピーダンスが低下し，ショート回路１０４がショート状態になるいることがわかる。
【００４５】
以上説明したように，本実施形態に係る光モジュールでは，ＥＡ変調器の上部電極とグラウンドとの間に，コンデンサが並列に接続されている。さらに，本実施形態に係るＥＡ変調器の上部電極は，ＭＳＬを介してバイアス回路に接続されている。したがって，ＥＡ変調器にバイアス電圧を印加しつつ，ＥＡ変調器で発生した特定周波数の高周波電力をコンデンサを介してグラウンドに逃がすことができる。結果として，本実施形態によれば，バイアス電圧の印加によるＥＡ変調器の光吸収変調機能を損なうことなく，ＥＡ変調器の高帯域化を図ることができる。
【００４６】
（第２実施形態）
次に，主として図８〜図１０を参照しながら，第２実施形態にいて説明する。なお，図８は，本実施形態に係るショート回路２０４の等価回路図である。図９は，本実施形態に係る光モジュール２００のキャリア２０６の概略構成図であり，平面図である図９（ａ）とＢ−Ｂ’断面図である図９（ｂ）とからなる。図１０は，ショート回路２０４のインピーダンスについての計算結果を示すスミスチャートである。
【００４７】
本実施形態に係る光モジュール２００は，上記第１実施形態に係る光モジュール１００と，ショート回路およびキャリアの構成が相違する。光モジュール２００は，他の構成において，上記第１実施形態に係る光モジュール１００と略同一の構成を有する。以下，本実施形態に係る光モジュール２００のショート回路２０４およびキャリア２０６について詳細に説明する。
【００４８】
図９（ａ）（ｂ）に示すように，キャリア２０６は，メタルベース２６２と高周波基板２６６とを備えている。キャリア２０６において，高周波基板２６６上には，バイアス配線２６８とショート回路２０４とが形成されている。かかる高周波基板２６６は，例えば半田固定により，メタルベース２６２表面の基板設置領域２６２ａに設置されている。光モジュール２００において，メタルベース２６２表面の素子搭載領域２６２ｂには，例えば半田固定により，ＥＡ変調器１０２が設置されている。
【００４９】
図８に示すように，ショート回路２０４は，ＭＳＬ２４０とオープンスタブ２４２および２４４とを備えている。ＭＳＬ２４０とオープンスタブ２４２および２４４とは，誘電体基板に相当する高周波基板２６６上に設置される。かかる構成により，オープンスタブ２４２および２４４は，高周波基板２６６を介してメタルベース２６２表面に対し対向配置される。
【００５０】
ＭＳＬ２４０は，第１部分２４０ａと第２部分２４０ｂとから構成されている。ＭＳＬ２４０において，第２部分２４０ｂと反対側の第１部分２４０ａの端部は，ボンディングワイヤＬ５によりＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａに接続されている。さらに，第２部分２４０ｂ側の第１部分２４０ａの端部は，オープンスタブ２４２に接続されている。さらにまた，第１部分２４０ａの適当な位置は，ボンディングワイヤＬ６とバイアス配線２６８とによりバイアス回路１１０に接続されている。また，第１部分２４０ａと反対側の第２部分２４０ｂの端部は，オープンスタブ２４４に接続されている。
【００５１】
本実施形態において，ＭＳＬ２４０とオープンスタブ２４２および２４４とバイアス配線２６８とは，例えばＡｕその他の金属のメタライズバターンにより形成することができる。また，本実施形態において，ＭＳＬ２４０には，第１部分２４０ａと第２部分２４０ｂとの線路幅が相互に略同一のものを適用することもできるし，第１部分２４０ａと第２部分２４０ｂとの線路幅が相互に異なるものを適用することもできる。
【００５２】
さらに，上記光モジュール２００は，２つのオープンスタブ２４２および２４４を備える構成であるが，本実施形態はかかる構成に限定されない。本実施形態では，適当なインピーダンスおよび長さを持つｎ個のオープンスタブを適当なインピーダンスおよび長さを持つＭＳＬに接続する構成を採用することができる。ここで，ｎは，１以上の任意の整数である。かかる構成では，ショート回路により，ｎ個の周波数の高周波電力に対しＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａを接地状態にすることができる。
【００５３】
以上のように構成された光モジュール２００では，ＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａがショート回路２０４を介してグラウンドに接続される。ショート回路２０４は，オープンスタブ２４２および２４４の作用により，所定の高周波電力が印加された場合にインピーダンスが低下しショート状態となる。一般に，オープンスタブは，ある周波数（波長λ）に対して，その線路長ＬがＬ＝λ／４のときにショート状態になることが知られている。
【００５４】
なお，本実施形態に係る光モジュール２００では，２つのオープンスタブ２４２および２４４を単一のＭＳＬ２４０に接続している。したがって，オープンスタブ２４２および２４４の長さは，該当する高周波電力波長の４分の１にはならない。つまり，光モジュール２００では，オープンスタブ２４２および２４４の長さを，ＭＳＬ２４０の第１部分２４０ａと第２部分２４０ｂのインピーダンスおよび長さを考慮して，設計する必要がある。
【００５５】
図１０は，本実施形態に係るショート回路２０４について，２０ＧＨｚと４０ＧＨｚとにおける上部電極１０２ａから見たインピーダンス（Ｓ１１）の計算結果を示すスミスチャートである。なお，該計算には，図８中の回路図に例示した回路定数を用いた。図８において，Ｗは，ＭＳＬ２４０，オープンスタブ２４２および２４４の線路幅であり，Ｌは，ＭＳＬ２４０，オープンスタブ２４２および２４４の長さである。また，該計算では，高周波基板２６６にアルミナセラミック製のものを適用したと仮定して，高周波基板２６６の誘電率を９．９とした。図１０から分かるように，２０ＧＨｚと４０ＧＨｚでショート回路２０４が低インピーダンスになっていることがわかる。
【００５６】
ここで，図５〜図７を参照しながら，上記第１実施形態に係るショート回路１０４と比較して，本実施形態に係るショート回路２０４の作用・効果について説明する。
【００５７】
図５には，図１に示すショート回路１０４においてコンデンサＣ２のキャパシタンスを０．７ｐＦ〜０．９ｐＦの範囲で変化させた場合について，２０ＧＨｚの高周波電力に対するショート回路１０４のインピーダンス変化を示す。図６には，図１に示すショート回路１０４においてコンデンサＣ１のキャパシタンスを０．２５ｐＦ〜０．３ｐＦの範囲で変化させた場合について，４０ＧＨｚの高周波電力に対するショート回路１０４のインピーダンス変化を示す。なお，ここでは，上記ショート回路１０４が，４０ＧＨｚの高周波電力をコンデンサＣ１によりグラウンドに逃がし２０ＧＨｚの高周波電力をコンデンサＣ２によりグラウンドに逃がすものと仮定する。
【００５８】
図５および図６に示すように，上記第１実施形態に係るショート回路１０４では，コンデンサＣ１またはＣ２の微量なキャパシタンスの変化に対し，インピーダンスが大きく変化し，ショート回路１０４がショート状態から外れてしまうことがわかる。実際のコンデンサでは，キャパシタンスの公差が，０．２ｐＦ〜ｌｐＦ程度のキャパシタンスを持つもので，最小±約０．１ｐＦ程度ある。したがって，上記第１実施形態に係るショート回路１０４では，使用するコンデンサＣ１〜Ｃ３のキャパシタンスのばらつきにより，十分な特性を得られない可能性がある。
【００５９】
また，図７には，図１に示すショート回路１０４においてボンディングワイヤＬ１の長さを変化させた場合について，４０ＧＨｚの高周波電力に対するショート回路１０４のインピーダンスの変化を示す。図７に示すように，ショート回路１０４のインピーダンスは，ボンディングワイヤＬ１の長さが０．１μｍ程度しか変化していない場合でも，大きく変わることがわかる。なお，一般に，おおよそ０．１ｎＨのインダクタンスは，ボンディングワイヤの長さに換算して０．１ｍｍに相当する。したがって，上記第１実施形態に係るショート回路１０４では，良好な特性を得るために，ＥＡ変調器１０２とコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の実装時に，その距離を正確に合わせる必要が生じる。
【００６０】
一方，本実施形態に係るショート回路２０４では，オープンスタブ２４２および２４４を介して，ＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａをグラウンドに接続している。一般に，スタブは，長さ調整が容易であるため，コンデンサやボンディングワイヤと比較して設計通りの回路定数を実現し易い。したがって，本実施形態に係るショート回路２０４は，上記第１実施形態に係るショート回路１０４よりも製造し易い。
【００６１】
以上説明したように，本実施形態に係る光モジュールでは，ＥＡ変調器の上部電極に，ボンディングワイヤおよびＭＳＬを介してオープンスタブが接続されている。また，ＥＡ変調器の上部電極には，ＭＳＬおよびワイヤを介してバイアス回路が接続されている。したがって，本実施形態に係る光モジュールでは，ＥＡ変調器にバイアス回路からバイアス電圧を印加しつつ，ＥＡ変調器で発生した特定周波数の高周波電力をオープンスタブを介してグランドに逃がすことができる。結果として，本実施形態によれば，バイアス電圧の印加によるＥＡ変調器の光吸収変調機能を損なうことなく，ＥＡ変調器の高帯域化を図ることができる。
【００６２】
また，本実施形態では，構成が簡単でかつ長さを連続的に変えることができるオープンスタブをショート回路に用いている。したがって，本実施形態に係る光モジュールでは，上記第１実施形態に係る光モジュールと比べて，ＥＡ変調器上部電極の接地状態をより精度良く作り出すことができる。結果として，本実施形態によれば，光モジュールの歩留まり向上が可能となる。
【００６３】
（第３実施形態）
次に，図１１〜図１３を参照しながら，第３実施形態に係る光モジュール３００について説明する。なお，図１１は，本実施形態に係るショート回路３０４の等価回路図である。図１２は，本実施形態に係る光モジュール３００のキャリア３０６の概略構成図であり，平面図である図１２（ａ）とＣ−Ｃ’断面図である図１２（ｂ）とからなる。図１３は，ショート回路３０４のインピーダンスについての計算結果を示すスミスチャートである。
【００６４】
本実施形態に係る光モジュール３００は，上記第１実施形態に係る光モジュール１００と，ショート回路およびキャリアの構成が相違する。光モジュール３００は，他の構成において，上記第１実施形態に係る光モジュール１００と略同一の構成を有する。以下，本実施形態に係る光モジュール３００のショート回路３０４およびキャリア３０６について詳細に説明する。
【００６５】
図１２（ａ）（ｂ）に示すように，キャリア３０６は，メタルベース３６２と第１高周波基板３６６ａと第２高周波基板３６６ｂとを備えている。キャリア３０６において，第１高周波基板３６６ａ上には，バイアス配線３６８とオープンスタブ３４２とが形成されている。本実施形態において，オープンスタブ３４２および３４４とバイアス配線３６８とは，例えば金などのメタライズバターンにより形成することができる。
【００６６】
第１高周波基板３６６ａは，例えば半田固定により，メタルベース３６２表面の第１基板設置領域３６２ａに設置されている。また，第２高周波基板３６６ｂ上には，オープンスタブ３４４が形成されている。第２高周波基板３６６ｂは，例えば半田固定により，メタルベース３６２表面の第２基板設置領域３６２ｃに設置されている。さらに，光モジュール３００において，メタルベース３６２表面の素子搭載領域３６２ｂには，例えば半田固定により，ＥＡ変調器１０２が設置されている
【００６７】
図１１に示すように，ショート回路３０４は，オープンスタブ３４２および３４４を備えている。オープンスタブ３４２は第１高周波基板３６６ａを介してメタルベース３６２表面に対し対向配置され，オープンスタブ３４４は第２高周波基板３６６ｂを介してメタルベース３６２表面に対し対向配置される。
【００６８】
本実施形態に係るショート回路３０４において，オープンスタブ３４２および３４４の長さは，それぞれ所望の周波数（波長λ）の高周波電力に対し波長の４分の１倍となるように設定する。かかる構成により，ショート回路３０４では，当該所望の周波数を有する高周波電力に対し，ＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａを接地状態とすることができる。
【００６９】
ショート回路３０４において，オープンスタブ３４２とオープンスタブ３４４とは，ＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａに相互独立に接続されている。より詳細には，オープンスタブ３４２の一端は，ボンディングワイヤＬ７によりＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａに接続されており，オープンスタブ３４４の一端は，ボンディングワイヤＬ８により上部電極１０２ａに接続されている。
【００７０】
光モジュール３００では，オープンスタブ３４２の適当な位置に，ボンディングワイヤＬ９によってバイアス配線３６８が接続されている。かかる構成により，バイアス回路１１０からＥＡ変調器１０２へのバイアス電圧の印加が可能となる。
【００７１】
なお，上記光モジュール３００は，２つのオープンスタブ３４２および３４４を備える構成であるが，本実施形態はかかる構成に限定されない。本実施形態では，適当なインピーダンスおよび長さを持つｎ個のオープンスタブを備える構成を採用することができる。ここで，ｎは，１以上の任意の整数である。かかる構成では，ショート回路により，ｎ個の周波数の高周波電力に対しＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａを接地状態にすることができる。
【００７２】
以上のように構成された光モジュール３００では，ＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａがショート回路３０４を介してグラウンドに接続される。ショート回路３０４は，オープンスタブ３４２および３４４の作用により，所定の高周波電力が印加された場合にインピーダンスが低下しショート状態となる。
【００７３】
より詳細には，ショート回路３０４では，ＥＡ変調器１０２の光吸収で発生する高周波電力が所望の特定周波数ｆ１のとき，一方のオープンスタブ３４２がショート状態となり，他方のオープンスタブ３４４のインピーダンスが高くなる。対して，ＥＡ変調器１０２の光吸収で発生する高周波電力が周波数ｆ２のとき，一方のオープンスタブ３４２がショート状態となり，他方のオープンスタブ３４４のインピーダンスが高くなる。
【００７４】
本実施形態に係るショート回路３０４では，２つのオープンスタブ３４２および３４４が上部電極１０２ａとグラウンドとの間に並列接続されている。したがって，オープンスタブ３４２または３４４のいずれかがショート状態となれば，ショート回路３０４全体がショート状態となる。
【００７５】
図１３には，本実施形態に係るショート回路３０４について，２０ＧＨｚと４０ＧＨｚとにおけるＥＡ変調器１０２の上部電極１０２ａから見たインピーダンス（Ｓ１１）の計算結果を示すスミスチャートである。なお，該計算には，図１１中の回路図に例示した回路定数を用いた。図１１において，Ｗは，オープンスタブ３４２および３４４の線路幅であり，Ｌは，オープンスタブ３４２および３４４の長さである。また，該計算では，第１高周波基板３６６ａおよび第２高周波基板３６６ｂにアルミナセラミック製のものを適用したと仮定して，第１高周波基板３６６ａおよび第２高周波基板３６６ｂの誘電率を９．９とした。
【００７６】
図１３から分かるように，２０ＧＨｚと４０ＧＨｚとでショート回路３０４は低インピーダンスになっていることがわかる。なお，図１３ではインピーダンスの値がわかりやすいように完全なショート点からずらした結果を示しているが，オープンスタブの長さを最適化すれば２つの周波数とも完全なショート状態にすることも可能である。
【００７７】
以上説明したように，本実施形態に係る光モジュールにおいて，ＥＡ変調器の上部電極には，ボンディングワイヤを介してオープンスタブが接続されている。また，ＥＡ変調器の上部電極には，ボンディングワイヤを介してバイアス回路が接続されている。したがって，ＥＡ変調器にバイアス回路からバイアス電圧を印加しつつ，ＥＡ変調器で発生した特定周波数の高周波電力をオープンスタブを介してグランドに逃がすことができる。結果として，本実施形態によれば，バイアス電圧の印加によるＥＡ変調器の光吸収変調機能を損なうことなく，ＥＡ変調器の高帯域化を図ることができる。
【００７８】
さらに，本実施形態では，構成が簡単でかつ長さを連続的に変えることができるオープンスタブをショート回路に用いている。したがって，本実施形態に係る光モジュールでは，上記第１実施形態に係る光モジュールと比べて，ＥＡ変調器上部電極の接地状態をより精度良く作り出すことができる。結果として，本実施形態によれば，光モジュールの歩留まり向上が可能となる。
【００７９】
さらにまた，本実施形態では，それぞれのオープンスタブで各周波数ごとの特性を独立に最適化することが可能である。したがって，本実施形態によれば，上記第２実施形態と比べて，より良好なショート回路の特性を得ることが可能となる。
【００８０】
以上，本発明に係る好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術思想の範囲内において，各種の修正例及び変更例を想定し得るものであり，それら修正例及び変更例についても本発明の技術範囲に包含されるものと了解される。
【００８１】
例えば，上記実施形態においては，光半導体素子としてＥＡ変調器を適用した半導体装置を例に挙げたが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な光半導体素子，例えば，半導体層として過飽和吸収体を適用した光半導体素子，或いはフォトダイオード等を適用した半導体装置に対しても適用することができる。
【００８２】
また，上記実施形態においては，電気線路としてマイクロストリップライン（ｍｉｃｒｏ−ｓｔｒｉｐ ｌｉｎｅ）を適用した半導体装置を例に挙げたが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な電気線路，例えば，平衡形ストリップライン（ｂａｌｌａｎｃｅｄ ｓｔｒｉｐ ｌｉｎｅ），誘電体支持ストリップライン，コプレーナライン，或いは同軸線路等を適用した半導体装置に対しても適用することができる。
【００８３】
さらに，上記実施形態においては，コンデンサまたはオープンスタブを用いたショート回路を適用した半導体装置を例に挙げたが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々なショート回路，例えば，ショートスタブを用いたショート回路等を適用した半導体装置に対しても適用することができる。
【００８４】
さらにまた，上記実施形態においては，半導体装置の回路定数の具体例を示したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な回路定数を有する半導体装置に対しても適用することができる。すなわち，上記実施形態において示した回路定数は，本発明にかかる半導体装置に適用可能な回路定数の一例にすぎず，異なる回路定数を有する半導体装置においても本発明を適用し，上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８５】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置は，光半導体素子で発生した高周波電力を高周波的にショートするショート回路を備える。したがって，本実施形態によれば，光半導体素子にバイアス電圧を印加でき，且つ半導体層に発生したフォトキャリアを効率よく光半導体素子外部に逃がすことのできる実装構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るショート回路の等価回路図である。
【図２】第１実施形態に係る光モジュールに適用可能なキャリアの概略構成図である。
【図３】第１実施形態に係る光モジュールの概略構成図である。
【図４】図１に示すショート回路のインピーダンスについての計算結果を示すスミスチャート図である。
【図５】図１に示すショート回路のインピーダンスについての他の計算結果を示すスミスチャート図である。
【図６】図１に示すショート回路のインピーダンスについての他の計算結果を示す他のスミスチャート図である。
【図７】図１に示すショート回路のインピーダンスについての他の計算結果を示す他のスミスチャート図である。
【図８】第２実施形態に係るショート回路の等価回路図である。
【図９】第２実施形態に係る光モジュールに適用可能なキャリアの概略構成図である。
【図１０】図１に示すショート回路のインピーダンスについての他の計算結果を示す他のスミスチャート図である。
【図１１】第３実施形態に係るショート回路の等価回路図である。
【図１２】第３実施形態に係る光モジュールに適用可能なキャリアの概略構成図である。
【図１３】図１に示すショート回路のインピーダンスについての他の計算結果を示す他のスミスチャート図である。
【図１４】従来の光モジュールの概略構成図である。
【図１５】従来の光モジュールの特性説明図である。
【符号の説明】
１００ 光モジュール
１０２ ＥＡ変調器
１０２ａ 上部電極
１０４ ショート回路
１６４ ＭＳＬ
１６２ メタルベース
２４２，２４４，３４２，３４４ オープンスタブ
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ

Claims (1)

1. 光の入力によりフォトキャリアが発生する半導体層と前記フォトキャリアを高周波電力として出力する出力電極とを有する光半導体素子を備え，前記光として所定の周波数の高周波信号で変調された光信号が入力される，半導体装置であって：
   前記出力電極に接続され前記出力電極から出力される前記周波数の高周波電力に対し前記出力電極を接地状態とするショート回路を備え，
   前記ショート回路は，一方の電極が接地される第１〜第ｎのコンデンサを備え（ｎは，２以上の整数である。）；
   第１のコンデンサの他方の電極は，前記出力電極に接続され；
   第（ｋ＋１）のコンデンサの他方の電極は，第ｋのコンデンサの他方の電極に接続され（ｋは，１以上（ｎ−１）以下の任意の整数である。）；
   第ｋのコンデンサは，第（ｋ＋１）のコンデンサよりもキャパシタンスが小さいことを特徴とする，半導体装置。

Images