JP5197978B2 - 光半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、光半導体モジュールに関し、特に発光素子と受光素子とを有する光半導体モジュールに関する。
半導体レーザ等の発光素子を搭載した光半導体モジュールは光通信等に用いられている。例えば光通信に用いる光半導体モジュールにおいては、発光素子から発射される光出力を一定に保つことが求められている。そこで、発光素子と受光素子とを有し、発光素子の光出力の一部を受光素子で受光し、受光素子の出力をフィードバックし、発光素子の光出力を一定に保つ光半導体モジュールが用いられている。
図1は上記従来の光半導体モジュールの模式図である。レーザダイオード(LD)チップである発光素子62が専用の搭載キャリア53を介しモジュールパッケージ50に搭載されている。プレーナ型のフォトダイオード(PD)チップである受光素子80が搭載キャリア51を介しパッケージ50に搭載されている。光を伝搬する光ファイバ56及び集光レンズ54が固定部(不図示)を介しパッケージ50に固定されている。発光素子62は光を出射する活性層66を有している。受光素子80は光吸収層84と光透過層85とを有し、光透過層85内に受光領域である不純物拡散領域86を有する。
発光素子62の前方側面67から出射された前方出射光70は集光レンズ54により光ファイバ56に入射する。一方、後方側面68から後方出射光72が出射し受光素子80の不純物拡散領域86に入射する。後方出射光72は前方出射光70の光出力強度のモニターのための光である。このため、後方出射光72の強度は前方出射光70に比べ非常に小さくてよい。受光素子80(LDモニター)は出射光72の光強度に応じ、電気信号を出力する。制御部(不図示)が、電気信号に応じ発光素子62の光出力強度を制御する。これにより、前方出射光70の光出力強度を一定に保つことができる。
特許文献1及び特許文献2には、発光素子の搭載面と受光素子の搭載面とが平行であり、発光素子から発射された光が反射し受光素子に入射する光半導体モジュールが開示されている。特許文献3には、発光素子の搭載面と受光素子の搭載面とが平行であり、図1の従来例に対し受光素子が直接搭載面に搭載された光半導体モジュールが開示されている。
特開平5−175614号公報 特開平10−321900号公報 特開昭59−96789号公報
LD等の発光素子は搭載面(搭載部等に搭載される面)に対し側面から光を出射する。一方、PD等の受光素子は搭載面に対し上面で光を受光する。このため、図1の従来例においては、発光素子62の後方側面68から出射される光を受光素子80の上面の不純物拡散領域86で受光している。これを実現するためには、発光素子62の搭載面に対し受光素子80の搭載面をほぼ垂直にすることが求められる。よって、図1のように、発光素子62の搭載キャリア53と受光素子80の搭載キャリア51とを別に設けることとなる。このため、組立工数、部品数及び製造コストが増大する。
また、特許文献1及び特許文献2に記載の技術は、発光素子と受光素子とを同一搭載キャリアに搭載することは可能である。しかし、発光素子から出射した光を反射する部材が必要である。よって、製造コストが増大してしまう。特許文献3に記載の技術は、特に部材を必要としないため、図1の従来例に比べ製造コストは増大しない。しかし、プレーナ型の受光素子を発光素子と平行に搭載しているため、図1に比べて受光感度が低減されてしまう。さらに、受光面以外の光吸収層から発光素子の光が余分に入射されるため、この入射された光のほとんどが電気信号に変更されないなどの課題も有する。
本発明は、上記課題に鑑み、製造コストを削減し、従来と同等の受光感度を得ることが可能な光半導体モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明においては、発光素子と、上面及び側面に反射防止膜が設けられた受光面を備えるメサ型の受光素子と、その表面に設けられた実装面を備える搭載部であって、前記実装面と前記受光素子の上面とが同一方向を向く位置関係で、かつ、前記発光素子からの出射光が、少なくとも前記受光素子の側面の受光面に光結合される位置関係で、前記実装面上に前記発光素子と前記受光素子とを搭載する搭載部と、を具備し、前記受光素子の前記上面は、前記発光素子の活性層より低い。本発明によれば、発光素子と受光素子とを同じ搭載部上に搭載できるため、製造工数、部品及び製造コストを削減しつつ、受光感度特性も良好にすることができる。
上記構成において、前記発光素子と相対する前記受光素子の前記側面とは反対側の別の側面に設けられた反射膜を具備する構成とすることができる。この構成によれば、受光素子の感度をより向上させることができる。
上記構成において、前記受光素子の側面の形状は逆メサである構成とすることができる。この構成によれば、側面から入射する光がより屈折するため、受光素子の感度をより向上させることができる。
上記構成において、前記受光素子の前記側面の表面は平面状である構成とすることができる。この構成によれば、出射光が入射する側面が平面なため、受光素子の感度をより向上させることができる。
上記構成において、前記受光素子は光吸収層と前記光吸収層を挟む第1導電型半導体層及び第2導電型半導体層とを有し、前記発光素子と前記受光素子を挟んで反対側に設けられ、それぞれ第1導電型半導体層及び第2導電型半導体層に接続された第1パッド及び第2パッドを具備する構成とすることができる。この構成によれば、パッドに接続する例えばワイヤにより出射光が散乱されることがなく、受光素子の出射光に対する感度をより高めることができる。
上記構成において、前記第1パッド及び前記第2パッドのいずれか一方は、前記第1パッド及び前記第2パッドの他方の両側に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、実装形態によらず例えばワイヤがクロスすることを抑制することができる。
上記構成において、前記反射防止膜は多層膜である構成とすることができる。
上記構成において、前記受光素子は光吸収層と前記光吸収層を挟む第1導電型半導体層及び第2導電型半導体層とを有し、少なくとも前記第2導電型半導体層は前記側面まで延在している構成とすることができる。この構成によれば、受光素子は側面から入射した光も電気信号に変換することができる。よって、受光素子の感度を向上させることができる。
上記構成において、記反射膜は、SiO/TiO、TiON、Si、Au、Ag及びAuGeのいずれかである構成とすることができる。
本発明によれば、発光素子と受光素子とを同じ搭載部上に搭載できるため、製造工数の削減、部品の削減が可能となり、製造コストを削減することができ、さらには従来と同等の受光感度も維持することができる。
図1においては受光素子80としてはプレーナ型の受光素子が用いられることが多い。プレーナ型の受光素子は、光透過層85に例えばP型の不純物拡散領域86を例えばイオン注入法や拡散法により形成している。このため、製造が簡単であり、光通信用及びLDモニター用途に一般的に用いられている。一方、発明者は、受光素子80として本発明のメサ型の受光素子を用いることにより、従来に比べて、組立工数、製造コストを削減でき、かつ受光感度も良好な光半導体モジュールを提供できることを見出した。以下にその原理を説明する。
図2はメサ型の受光素子の断面図である。例えばInP(インジウムリン)半絶縁性基板10上にN型−InGaAs(インジウムガリウム砒素)からなる第1導電型半導体層12、i−InGaAsからなる光吸収層14、P型−InGaAsからなる第2導電型(第1導電型と反対の導電型)半導体層16が積層している。周囲の積層は第1導電型半導体層12にまで達するように除去され、メサが形成されている。第1導電型半導体層12に接続するAuGe(金ゲルマニウム)からなる第1電極22、第2導電型半導体層16に接続するAuZn(金亜鉛)からなる第2電極24が形成されている。上面34の受光領域21以外の領域、例えば側面32に接するようにSiN(窒化シリコン)からなる保護膜17が形成されている。受光領域21及び保護膜17上にSiNからなる反射防止膜18が形成されている。第1電極22及び第2電極24はTi(チタン)/Pt(白金)/Au(金)からなる配線26を介しAuからなるパッド28に接続される(第2電極24に接続する配線及びパッドは図示していない)。基板10の下面にはTi/Pt/Auからなる金属膜30が形成されている。
図2のメサ型の受光素子は第1導電型半導体層12と第2導電型半導体層16の間に電圧を印加する。受光領域21に入射した光は光吸収層14において吸収され、第1導電型半導体層12と第2導電型半導体層16との間に電流が流れる。この電流を電気信号として出力する。
例えば、メサ型の受光素子においては、図2のように、側面32近傍の光吸収層14の上下にも第1導電型半導体層12及び第2導電型半導体層16が設けられている。このため、側面32から光吸収層14に入射した光を電気信号に変換することができる。一方、プレーナ型の受光素子の場合、図1のように、第2導電型半導体層16に相当する不純物拡散領域86が光透過層85の一部にしか形成されていない。そのため、受光素子の側面から光が入射しても、側面の近傍の光吸収層84の上には不純物拡散領域86が設けられていない。このため、側面から光吸収層14に入射した光の多くは電気信号に変換されない。
また、図2のメサ型の受光素子は、受光モジュール用途に使用するため暗電流低減が求められている。そこで、メサ部側面32にはリーク電流低減のための保護膜17(パッシベーション膜)が形成されている。これにより、メサ部の上面34領域に受光領域21を形成することとなり、LDチップと同一平面に搭載しても、LDのモニターをするのに十分な受光感度を得ることができなかった。以上のことから、LDのモニターとして例えばメサ型の受光素子を用いることは非常識であった。そこで、本発明者は以下の検知から本発明の受光素子を見出したのである。その知見とは、光モニター用の受光素子の場合、受信用と異なり暗電流低減が求められず保護膜17を用いず、反射防止膜18を配置するだけでもモニター用受光素子の役割を十分に満たすことである。
本発明の原理は、側面から光を出射する発光素子の出射光をメサ部の側面で受光可能な受光素子で受光することである。これにより、発光素子と受光素子の搭載面を平行とすることができる。よって、従来に比べて製造工数や部品数を削減し、製造コストを削減することができ、かつ受光感度も維持することができる。以下、本発明の実施例を説明する。
図3は実施例1に係る光半導体モジュールの模式図である。発光素子62は、例えばファブリペロー型LDまたは分布帰還型LDである。受光素子60は後述するメサ型の受光素子であり、基板10上にメサ部20を有している。図1に対し、搭載キャリア52上に発光素子62及び受光素子60が搭載されている。受光素子60は、発光素子62の後方側面68から出射した後方出射光72を側面32で受光する。その他の構成は図1と同じであり説明を省略する。
図4は実施例1に用いる受光素子60の断面図である。図の受光素子に対し、保護膜が形成されておらず、メサ部20の側面32及び上面34には反射防止膜18が直接形成されている。その他の構成は図と同じであり説明を省略する。
図5(a)から図6(c)は受光素子60の製造工程を示す断面図である。図5(a)のように、InP基板10上に、第1導電型半導体層12、光吸収層14及び第2導電型半導体層16を例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用い成長する。図5(b)のように、第2導電型半導体層16、光吸収層14及び第1導電型半導体層12の所定領域をエッチングし、メサ部20を形成する。図5(c)のように、CVD法を用い膜厚が100nm〜300nmのSiNからなる反射防止膜18を形成する。
図6(a)のように、第1導電型半導体層12に接続する第1電極22及び第2導電型半導体層16に接続する第2電極24を蒸着法を用い形成する。図6(b)のように、蒸着法を用い第1電極22、第2電極24に接続する配線26を形成する。メッキ法を用い配線26に接続するパッド28を形成する。図6(c)のように、基板10を下面から研磨し薄くする。下面に蒸着法を用い金属膜30を形成する。以上により、受光素子60が完成する。
ここで、図2の受光素子と図4の受光素子との相違を以下に説明する。図2の受光素子においては、上面34の第2導電型半導体層16上には保護膜17が形成されておらず、反射防止膜18が形成されている。この反射防止膜18により、所望の波長の光の反射を防止している。ところが、側面32には保護膜17と反射防止膜18とが形成されている。このため、側面32から入射した所望の波長の光が反射されてしまう。一方、図4の受光素子60においては、保護膜17(パッシベーション膜)が形成されていないため、側面32から入射した所望の波長の光の反射を抑制することができる。なお、図2において、保護膜17は側面32近傍のリーク電流に起因した暗電流を抑制するために設けられている。LDモニター用の受光素子60は暗電流に厳しくない。これにより、保護膜17が設けられていない図4の受光素子60をLDモニター用の受光素子として用いることができる。
実施例1においては、光半導体モジュールは、パッケージ50上に搭載キャリア52(搭載部)を介し搭載され側面68から光を出射する発光素子62と、パッケージ50上に搭載キャリア52を介し搭載され発光素子62から出射された光を側面32で受光する受光素子60と、を有している。つまり、受光素子60は、上面34及び側面32に反射防止膜18が設けられている。すなわち、上面34及び側面32に反射防止膜18が設けられた受光面を有する。搭載部である搭載キャリア52は発光素子62からの出射光が、少なくとも受光素子60の側面32の受光面に光結合される位置関係で、発光素子62と受光素子とを搭載している。これにより、発光素子62及び受光素子60を同じ搭載キャリア52上に搭載できる。つまり、発光素子62と受光素子60とは、搭載キャリア52の同一平面上に搭載されている。このため、製造工数の削減、部品の削減が可能となり、製造コストを削減でき、受光感度も良好にすることができる。
また、図4のように、受光素子60の第1導電型半導体層12及び第2導電型半導体層16は側面32に接していることが好ましい。つまり。少なくとも第2導電型半導体層16は側面32にまで延在していることが好ましい。これにより、側面32から光吸収層14に入射した光を電気信号に変換することができる。このようにメサ型の受光素子であることが好ましい。
図7(a)は実施例2に係る光半導体モジュールの模式図である。実施例1の図3に対し、受光素子60の上面34が発光素子62の活性層66より低く設けられている。その他の構成は図3と同じであり説明を省略する。
受光素子60の上面34が発光素子62の活性層66より低いことにより、図7(b)のように、受光素子60は、発光素子62の後方側面68より出射された後方出射光72aを側面32で受光し、後方出射光72bを上面34で受光することができる。これにより、受光素子60の後方出射光72に対する感度をより高めることができる。
実施例2のように、受光素子60の上面34は、発光素子62の活性層66より低いことが好ましい。しかしながら、活性層66は発光素子62の上面69より1μm程度低いだけでる。一方、発光素子62及び受光素子60の厚さは100μm程度である。つまり、図7(a)の発光素子60の活性層66と受光素子60の上面34との高さh1は、発光素子62の上面69と受光素子60の上面34との高さh2と実質的に同じである。よって、実効的には、受光素子60の上面34は、発光素子62の上面69より低ければよい。
発光素子62の厚さは一般的に100μmから150μmである。よって、受光素子60の厚さは100μm以下であることが好ましい。
図8は実施例3に係る光半導体モジュールの模式図である。実施例1の図3に対し、発光素子62と相対する受光素子60の出射光72が入射する側面32とは反対側の別の側面33に、高反射膜36(HR)が設けられている。図9は図8の受光素子60の断面図である。図4に対し受光素子60の側面32の反対の側面33に側面側から膜厚が200nm〜300nmのSiO(酸化シリコン)/膜厚が100nm〜200nmのTiO(酸化チタン)膜、膜厚が50nm〜200nmのTiON(酸化窒化チタン)膜、膜厚が50nm〜200nmのSi膜、膜厚が100nm〜200nmのAu膜、膜厚が100nm〜200nmのAg膜、膜厚が100nm〜200nmのAuGe膜等の高反射膜36が設けられている。これらの高反射膜36は、例えばスパッタ法や真空蒸着法により成膜が可能である。その他の構成は実施例1の図3、図4と同じで有り説明を省略する。
実施例3によれば、図8のように、受光素子60のメサ部20に入射した光のうちメサ部20を通過した光72cが高反射膜36により反射する。反射した光72dは再度光吸収層14を通過する際に光吸収層14により吸収される。よって、受光素子60の出射光72に対する感度をより高めることができる。
図10は実施例4に係る光半導体モジュールの模式図、図11は受光素子の断面図である。実施例2の図7(a)、図8に対し、受光素子60の側面32aの形状が逆メサである。その他の構成は図7(a)、図8と同じであり説明を省略する。逆メサはメサ部20を形成する際に、ウェットエッチングを用い結晶の面方位を利用することにより形成することができる。
実施例4によれば、受光素子60の上面34は発光素子62の上面69より低い。このため、図11のように、斜め下に伝搬する光72aが受光素子60の側面32aに入射する。この際、側面32aが逆メサのため、光が屈折し光吸収層14に入射した光72eは、ほぼ水平方向に伝搬する。よって、光72eは光吸収層14を長く通過し光吸収層14に吸収しやすくなる。よって、受光素子60の出射光72aに対する感度をより高めることができる。なお、逆メサの角度は、受光素子60と発光素子62との距離、高さh1や光吸収層14の屈折率等に基づき設定されることが好ましい。
図12は実施例5に係る光半導体モジュールの受光素子60の断面図である。実施例1の図4に対し、反射防止膜18が、膜厚が50nm〜200nm程度のSiO膜からなる保護膜18a及び膜厚が50nm〜200nm程度のSiN膜からなる調整膜18bの2層で形成されている。保護膜18aは側面32、33を保護する膜であり、第1導電型半導体層12と第2導電型半導体層16との間のリーク電流を抑制する。一方、調整膜18bは反射防止膜18が入射する光の波長に対し反射防止する機能を有するように調整する膜である。これにより、図2の受光素子の保護膜17と同様に保護膜18aにより前述のリーク電流を抑制することができる。さらに、保護膜18aと調整膜18bとで所望の波長の光の反射を抑制することができる。図13は実施例5の変形例である。実施例5の図12に対し、保護膜18cがi−InPからなっている。このように、反射防止膜18は側面32、33の光吸収層14に接して設けられていることが好ましい。反射防止膜18は実施例1のように単層膜でもよいし、実施例5のように2層以上の多層膜でもよい。また、反射防止膜18内の保護膜18a、18cは実施例5のように絶縁膜でもよいし、実施例5の変形例のように半導体膜でもよい。
図14は実施例6に係る光半導体モジュールの受光素子60の断面図である。実施例1の図4に対し、第1導電型半導体層12aがN型のInP、第2導電型半導体層16aがP型のInPからなる。実施例6のように、受光素子60、発光素子62を構成する材料は任意に選択することができる。
図15は比較例の受光素子の斜視模式図である。基板10上にメサ部20が設けられている。メサ部20上面34には第2電極24が設けられている。メサ部20の周囲の第1導電型半導体層(不図示)上には第1電極22が設けられている。第1パッド28及び第2パッド29が基板10上に設けられており、第1パッド28及び第2パッド29はそれぞれ配線26、27を介しそれぞれ第1電極22及び第2電極24に接続している。第1パッド28及び第2パッド29にはそれぞれワイヤ(不図示)が接合し、ワイヤを通じ受光素子の電気信号を例えば制御部(不図示)に取り出すことができる。比較例においては、発光素子62の出射光72が第1パッド28方向から入射するため、第1パッド28に接続したワイヤにより出射光72の一部が散乱してしまう。
図16は実施例7の受光素子の斜視模式図である。第2電極24は受光素子のメサ部20の上面に設け、第1電極22はメサ部20の周辺に設けられている。配線26及び27はそれぞれ第1電極22及び第2電極24に接続され受光面の外側の領域に引き出されている。第1パッド28及び第2パッド29(電極パッド)はそれぞれ配線26及び27に接続されている。図16は比較例の図15に対し、第1パッド28及び第2パッド29が受光素子のメサ部20を挟んで発光素子62の反対側に設けられている。これにより、比較例のようにワイヤにより出射光72が散乱されることがなく、受光素子60の出射光72に対する感度をより高めることができる。
また、第1パッド28は第2パッド29の両側に設けられている。第1パッド28のいずれかにワイヤを接続すればよいため、光半導体モジュールのパッケージ側のパッドの位置にかかわらず、第1パッド28に接続するワイヤと第2パッド29に接続するワイヤとがクロスすることを抑制することができる。なお、第2パッド29の両側に第1パッド28が設けられていても良い。
図17は実施例8の受光素子の斜視模式図である。図17は実施例7の図16に対し、メサ部20bが四角柱の形状をなしている。このため、側面32bの表面は平面状である。これにより、出射光72がより側面32bに照射する。よって、受光素子60の出射光72に対する感度をより高めることができる。なお、メサ部20の側面のうち出射光72が入射する側面が平面状であればよく、その他の側面は曲面でも良い。
実施例1から実施例において、発光素子62及び受光素子60は搭載キャリア52を介さずパッケージ50上に直接搭載しても良い。つまり、パッケージ50を発光素子62及び受光素子60が搭載される搭載部としてもよい。また、第1導電型半導体層12がN型、第2導電型半導体層がP型の例であったが、第1導電型半導体層12と第2導電型半導体層16とは反対導電層であればよく、第1導電型半導体層12がP型、第2導電型半導体層16がN型でもよい。
また、実施例1から実施例においては、受光素子としてメサ型のフォトダイオードを例に説明したが、本発明は、PIN型、アバランシェフォトダイオード(APD)、その他の受光素子にも適用できる。
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
図1は従来の光半導体モジュールの模式図である。 図2は受光素子の断面図である。 図3は実施例1に係る光半導体モジュールの模式図である。 図4は実施例1の受光素子の断面図である。 図5(a)から図5(c)は実施例1の受光素子の製造工程を示す断面図(その1)である。 図6(a)から図6(c)は実施例1の受光素子の製造工程を示す断面図(その2)である。 図7(a)及び図7(b)は実施例2に係る光半導体モジュールの模式図である。 図8は実施例3に係る光半導体モジュールの模式図である。 図9は実施例3の受光素子の断面図である。 図10は実施例4に係る光半導体モジュールの模式図である。 図11は実施例4の受光素子の断面図である。 図12は実施例5の受光素子の断面図である。 図13は実施例5の変形例の受光素子の断面図である。 図14は実施例6の受光素子の断面図である。 図15は比較例の受光素子の斜視模式図である。 図16は実施例7の受光素子の斜視模式図である。 図17は実施例8の受光素子の斜視模式図である。
符号の説明
10 基板
12 第1導電型半導体層
14 光吸収層
16 第2導電型半導体層
18 反射防止膜
20 メサ部
22 第1電極
24 第2電極
26、27 配線
28 第1パッド
29 第2パッド
30 金属膜
32 側面
34 上面
35 別の側面
36 反射膜
50 パッケージ
52 搭載キャリア
54 集光レンズ
56 光ファイバ
60 受光素子
62 発光素子
66 活性層
67 前方側面
68 後方側面
69 上面
70 前方出射光
72 出射光

Claims (9)

  1. 発光素子と、
    上面及び側面に反射防止膜が設けられた受光面を備えるメサ型の受光素子と、
    その表面に設けられた実装面を備える搭載部であって、前記実装面と前記受光素子の上面とが同一方向を向く位置関係で、かつ、前記発光素子からの出射光が、少なくとも前記受光素子の側面の受光面に光結合される位置関係で、前記実装面上に前記発光素子と前記受光素子とを搭載する搭載部と、
    を具備し、
    前記受光素子の前記上面は、前記発光素子の活性層より低いことを特徴とする光半導体モジュール。
  2. 前記発光素子と相対する前記受光素子の前記側面とは反対側の別の側面に設けられた反射膜を具備することを特徴とする請求項1記載の光半導体モジュール。
  3. 前記受光素子の側面の形状は逆メサであることを特徴とする請求項2記載の光半導体モジュール。
  4. 前記受光素子の前記側面の表面は平面状であることを特徴とする請求項1記載の光半導体モジュール。
  5. 前記受光素子は光吸収層と前記光吸収層を挟む第1導電型半導体層及び第2導電型半導体層とを有し、
    前記発光素子と前記受光素子を挟んで反対側に設けられ、それぞれ第1導電型半導体層及び第2導電型半導体層に接続された第1パッド及び第2パッドを具備することを特徴とする請求項1記載の光半導体モジュール。
  6. 前記第1パッド及び前記第2パッドのいずれか一方は、前記第1パッド及び前記第2パッドの他方の両側に設けられていることを特徴とする請求項5記載の光半導体モジュール。
  7. 前記反射防止膜は多層膜であることを特徴とする請求項1記載の光半導体モジュール。
  8. 前記受光素子は光吸収層と前記光吸収層を挟む第1導電型半導体層及び第2導電型半導体層とを有し、
    少なくとも前記第2導電型半導体層は前記側面まで延在していることを特徴とする請求項1記載の光半導体モジュール。
  9. 前記反射膜は、SiO/TiO、TiON、Si、Au、Ag及びAuGeのいずれかであることを特徴とする請求項3記載の光半導体モジュール。
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