JP7173409B1

JP7173409B1 - 半導体光素子

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Publication number: JP7173409B1
Application number: JP2022529960A
Authority: JP
Inventors: 祐介東
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2041-12-27
Also published as: JPWO2023127036A1; WO2023127036A1; US20240339811A1; CN118401883A

Abstract

レーザダイオード（２）と変調器（３）が半導体基板（１）に設けられている。変調器（３）は、変調器電極（８）を有し、レーザダイオード（２）から出射されたレーザ光を変調する。複数の引き出し電極（９）が変調器電極（８）から引き出されている。複数の電極パッド（１０）が複数の引き出し電極（９）にそれぞれ対向している。互いに対向する引き出し電極（９）と電極パッド（１０）との間に隙間（１１）が設けられている。

Description

本開示は、半導体光素子に関する。

中継局とユーザ間の光通信システムであるアクセス系では、従来は低速変調に適した直接変調型半導体レーザ送信器（DML: Directly Modulated Laser）が用いられることが多かった。しかし、１０Ｇｂ／ｓ又はそれ以上の高速通信を行う場合には、光源であるレーザダイオード（Laser Diode）と高速変調に適した電界吸収型半導体光変調器（EAM: Electro-absorption Modulator、以下、ＥＡ変調器と称する。）とを同一基板上に集積した半導体光素子（EML: Electro-absorption Modulator integrated Laser）が用いられている。

従来の半導体光素子では、変調信号を印加するためのワイヤをボンディングするための電極パッドはチップの左右片側に１つだけ設けられ、変調器の電極に予め接続されていた。トランシーバーの構成上、ワイヤが電極パッドの配置に対して左右反対側から打たれる場合、ワイヤが長くなり、高周波特性が劣化する場合があった。

また、半導体光素子は様々な用途のトランシーバーに使用される。トランシーバーの設計は様々であり、あるトランシーバーでは信号入力側の信号線路がチップの左側、他のトランシーバーでは右側という場合がある。半導体光素子の電極パッドがチップの左右どちらか片方にしかないとすると、あるトランシーバーに対してはワイヤを短くできるが、他のトランシーバーに対してはワイヤが長くなり、高周波特性が劣化する。

この問題を回避し、１つの半導体光素子で複数のトランシーバー設計に対応するため、電極パッドを左右両側に１つずつ配置し、トランシーバー設計に応じて適切な１つの電極パッドにワイヤを打つことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

日本特開２０１１－２３２５６７号公報

しかし、左右の電極パッドが両方とも変調器電極に接続されているため、両方の電極パッドの寄生容量が影響し高周波特性が劣化するという問題があった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高周波特性の劣化を低減することができる半導体光素子を得るものである。

本開示に係る半導体光素子は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられたレーザダイオードと、前記半導体基板に設けられ、変調器電極を有し、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を変調する変調器と、前記変調器電極から引き出された複数の引き出し電極と、前記複数の引き出し電極にそれぞれ対向した複数の電極パッドとを備え、互いに対向する前記引き出し電極と前記電極パッドとの間に隙間が設けられ、前記電極パッドの切り欠き部に前記引き出し電極の先端が入り込んでいることを特徴とする。

本開示では、ワイヤボンドしていない電極パッドは変調器電極に接続されないため、その電極パッドの寄生容量成分は影響しない。従って、高周波特性の劣化を低減することができる。

実施の形態１に係る半導体光素子を示す上面図である。図１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。実施の形態１に係る変調器電極、引き出し電極及び電極パッドを示す上面図である。実施の形態１に係る引き出し電極及び電極パッドを拡大した上面図である。実施の形態２に係る半導体光素子を示す上面図である。実施の形態３に係る変調器電極、引き出し電極及び電極パッドを示す上面図である。実施の形態４に係る変調器電極、引き出し電極及び電極パッドを示す上面図である。実施の形態５に係る変調器電極、引き出し電極及び電極パッドを示す上面図である。実施の形態６に係る変調器電極、引き出し電極及び電極パッドを示す上面図である。

実施の形態に係る半導体光素子について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体光素子を示す上面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１にレーザダイオード２とＥＡ変調器３が集積されている。分離領域４がレーザダイオード２とＥＡ変調器３の間に設けられ、レーザダイオード２とＥＡ変調器３とを電気的に分離する。

レーザダイオード２は、典型的には、分布帰還型レーザ（Distributed Feedback Laser）構造で構成される。レーザダイオード２は、レーザ光を導波する第１のコア層５を有する。第１のコア層５はレーザダイオード２の活性層として機能する。レーザダイオード２にはｎ型ＩｎＰ基板１の表面側にｐ電極６が設けられている。カソード電極であるｎ電極が裏面側に設けられ、ｎ型ＩｎＰ基板１に電気的に接続されている。

ＥＡ変調器３は、レーザダイオード２で発生したレーザ光を導波しつつ変調する第２のコア層７を有する。なお、分離領域４ではＥＡ変調器３と異なり、レーザダイオード２で発生したレーザ光の光変調は行わない。ただし、分離領域４の光導波路としてのコア層の構造はＥＡ変調器３のコア層と同一構成なので、分離領域４のコア層も便宜的に第２のコア層７と称している。

ＥＡ変調器３において、第２のコア層７に電圧を印加するために、ｎ型ＩｎＰ基板１の表面側に変調器電極８が設けられている。複数の引き出し電極９が変調器電極８から左右に引き出されている。複数の電極パッド１０がｎ型ＩｎＰ基板１の表面側に設けられ、複数の引き出し電極９のＴ字型の先端にそれぞれ対向している。ここでは電極パッド１０は変調器電極８の左右に１つずつ設けられている。互いに対向する引き出し電極９と電極パッド１０との間に隙間１１が設けられている。このため、変調器電極８と電極パッド１０は導通していない。例えば、変調器電極８の光導波路方向の長さは２００μｍである。

図２は、図１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１の上にｎ型ＩｎＰクラッド層１２、第２のコア層７及びｐ型ＩｎＰクラッド層１３が順に設けられている。電流ブロック層１４が第２のコア層７の両サイドに設けられている。電流ブロック層１４は例えばｐ型ＩｎＰ層、ｎ型ＩｎＰ層及びｐ型ＩｎＰ層の積層構造である。ｐ型ＩｎＰ層１５及びｐ型コンタクト層１６がｐ型ＩｎＰクラッド層１３及び電流ブロック層１４の上に順に設けられている。変調器電極８の第一層８ａが絶縁膜１７の開口を介してｐ型コンタクト層１６に接続されている。引き出し電極９が変調器電極８の第一層８ａに電気的に接続されている。カソード電極１８がｎ型ＩｎＰ基板１の下面に設けられている。

引き出し電極９と電極パッド１０は電気的に接続しておらず、両者の間に隙間１１が設けられている。電極パッド１０の下方において絶縁膜１７とｐ型コンタクト層１６の間に、絶縁膜１７との密着性向上のためｐ型ＩｎＰ層１９が設けられている。

変調器電極８の第一層８ａの材料は例えばＴｉとＰｔとＡｕである。例えば、Ｔｉの厚みは５００Å、Ｐｔの厚みは５００Å、Ａｕの厚みは２０００Åである。電極パッド１０及び引き出し電極９の材料は例えばＴｉとＡｕであり、例えば、厚み５００ÅのＴｉ、厚み２０００ÅのＡｕ層の上に３μｍのＡｕメッキが設けられている。

また、レーザダイオード２の第１のコア層５は、例えば、バンドギャップ波長１．２～１．６２μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ系又はＩｎＧａＡｓＰ系の多重量子井戸層（Multiple Quantum Well Layer）で構成される。一方、ＥＡ変調器３の第２のコア層７は、例えばバンドギャップ波長０．９～１．５５μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ系又はＩｎＧａＡｓＰ系の多重量子井戸層で構成される。即ち、第２のコア層７のバンドギャップ波長をレーザダイオード２の発振波長より短くなるように設定する。

第１のコア層５及びＥＡ変調器３は、選択成長技術を用いて形成してもよいし、Butt-joint成長により別途成長して接続してもよい。また、分離領域４にｐ型コンタクト層１６を設けないことが好ましい。これにより、レーザ光の損失が小さくなり、かつ、レーザダイオード２とＥＡ変調器３との間のアイソレーション抵抗も高くなる。

図３は、実施の形態１に係る変調器電極、引き出し電極及び電極パッドを示す上面図である。図４は、実施の形態１に係る引き出し電極及び電極パッドを拡大した上面図である。電極パッド１０は、光導波路方向の長さ５０μｍ、左右方向の長さ３５μｍの長方形である。引き出し電極９の先端は幅５μｍのＴ字型である。Ｔ字の幅広部の左右の長さは片側２５μｍ、共振器方向の長さは５０μｍである。引き出し電極９のＴ字の幅広部が電極パッド１０の一辺に対向し、両者の間の隙間１１は幅５μｍである。

変調信号入力用のワイヤ２０が複数の電極パッド１０の１つにボンディングされている。例えば、ワイヤ２０の直径は６０μｍである。ワイヤ２０は、互いに対向する引き出し電極９と電極パッド１０に隙間１１を跨いでボンディングされている。これにより、ワイヤ２０がボンディングされた電極パッド１０が変調器電極８に電気的に接続される。一方、ワイヤ２０がボンディングされていない電極パッド１０は変調器電極８に電気的に接続されていない。

続いて、上記の半導体光素子の動作について説明する。レーザダイオード２に順方向電流を流すとレーザ発振が生じて、レーザダイオード２からレーザ光が出射される。この光はＥＡ変調器３に伝搬され、出射端面２１から出射される。ＥＡ変調器３に、逆バイアス電圧を加えると光の吸収量が増加する電界吸収効果がある。この効果を用いて、ＥＡ変調器にかける電圧の大小によりレーザ光を変調する。この逆バイアス電圧は例えば２５Ｇｂｐｓの変調信号であり、ワイヤ２０を通して印加される。

このとき、ワイヤボンドして変調器電極８に接続された右側の電極パッド１０は寄生容量成分となる。一方、ワイヤボンドせず、変調器電極８に接続されていない左側の電極パッド１０の寄生容量成分は影響しない。

以上説明したように、本実施の形態では、１つの変調器電極８に対して複数の電極パッド１０が設けられている。トランシーバーの設計に合わせて、変調信号入力用のワイヤ２０が短くなる方の電極パッド１０を選択しワイヤ２０を打つことができる。これにより、帯域劣化を抑えられる。そして、１つの半導体光素子で複数のトランシーバー設計に対応することができるため、素子の生産効率が高い。また、ワイヤボンドしていない電極パッド１０は変調器電極８に接続されないため、その電極パッド１０の寄生容量成分は影響しない。従って、高周波特性の劣化を低減することができる。

引き出し電極９と電極パッド１０との間の絶縁性を確保するため、隙間１１の幅は３μｍ以上にする必要がある。また、引き出し電極９及び電極パッド１０とワイヤ２０のワイヤボンドとの密着性を確保するため、互いに対向する引き出し電極９と電極パッド１０との間の隙間１１の幅は１０μｍ以下にする必要がある。

また、引き出し電極９と電極パッド１０は互いに対向する部分の幅が同じである。このため、両者を接続するためのワイヤボンドの位置精度が緩くてよいため、歩留を向上させることができる。なお、引き出し電極９と電極パッド１０の互いに対向する部分の幅が異なっていてもよいが、ワイヤボンドの位置精度がやや厳しくなる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る半導体光素子を示す上面図である。電極パッド１０は一部が欠けた円形である。例えば、円形の直径は５０μｍである。これにより、電極パッド１０が四角形の場合よりも面積を小さくすることができ、寄生容量を低減することができる。また、ワイヤ２０のワイヤボンドは円形であるため、ワイヤボンドと電極パッド１０の必要な密着面積を確保することができる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る変調器電極、引き出し電極及び電極パッドを示す上面図である。引き出し電極９が変調器電極８から左右に引き出されている。電極パッド１０の切り欠き部２２に引き出し電極９の直線状の先端が入り込んでいる。例えば引き出し電極９は幅５μｍ、全長６０μｍである。隙間１１の幅は５μｍである。ワイヤ２０のワイヤボンドの左右方向の位置精度が実施の形態１より緩くてよいため、歩留を向上させることができる。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係る変調器電極、引き出し電極及び電極パッドを示す上面図である。引き出し電極９が変調器電極８から左右に引き出されている。電極パッド１０の切り欠き部２２に引き出し電極９のＴ字型の先端が入り込んでいる。例えば、引き出し電極９は幅５μｍで左右方向の長さは７０μｍである。引き出し電極９のＴ字型の幅広部の共振器方向の長さは２０μｍである。隙間１１の幅は５μｍである。ワイヤ２０のワイヤボンドの上下方向の位置精度が実施の形態３より緩くてよいため、歩留を向上させることができる。

実施の形態５．
図８は、実施の形態５に係る変調器電極、引き出し電極及び電極パッドを示す上面図である。複数の電極パッド１０が、変調器電極８の一方のサイドだけに配置されている。複数の電極パッド１０にそれぞれ対向するように複数の引き出し電極９が設けられている。例えば、変調器電極８の全長が２００μｍであり、両端から４０μｍの位置からそれぞれ２つの引き出し電極９が引き出されている。引き出し電極９及び電極パッド１０の形状は実施の形態２と同様である。

本実施の形態に係る半導体光素子は、変調信号入力用のワイヤ２０の位置が異なる設計のトランシーバーに使うことができる。即ち、それぞれのトランシーバー設計に対して、ワイヤ２０が短くなるように、複数の電極パッド１０の１つを選択しワイヤ２０をボンディングする。これにより、高周波特性の劣化を低減することができる。

実施の形態６．
図９は、実施の形態６に係る変調器電極、引き出し電極及び電極パッドを示す上面図である。電極パッド１０が、変調器電極８の左右の両サイドにそれぞれ複数配置されている。例えば、変調器電極８の全長が２００μｍであり、４０μｍ間隔で左右互い違いに４つの電極パッド１０が設けられている。４つの電極パッド１０にそれぞれ対向するように４つの引き出し電極９が設けられている。

本実施の形態に係る半導体光素子は、ワイヤ２０の位置が異なる設計のトランシーバーに使うことができる。即ち、それぞれのトランシーバー設計に対して、ワイヤ２０が短くなるように、複数の電極パッド１０の１つを選択しワイヤ２０をボンディングする。これにより、高周波特性の劣化を低減することができる。トランシーバーのワイヤ２０の位置が左右どちらにある場合でも対応できるため、実施の形態５よりも設計の自由度が高い。

本開示は、様々な実施の形態が例示的に記載されているが、１つ又は複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、又は様々な組み合わせで他の実施の形態にも適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合又は省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれる。

１ｎ型ＩｎＰ基板、２レーザダイオード、３ＥＡ変調器、８変調器電極、９引き出し電極、１０電極パッド、１１隙間、２０ワイヤ、２２切り欠き部

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板に設けられたレーザダイオードと、
前記半導体基板に設けられ、変調器電極を有し、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を変調する変調器と、
前記変調器電極から引き出された複数の引き出し電極と、
前記複数の引き出し電極にそれぞれ対向した複数の電極パッドとを備え、
互いに対向する前記引き出し電極と前記電極パッドとの間に隙間が設けられ、
前記電極パッドの切り欠き部に前記引き出し電極の先端が入り込んでいることを特徴とする半導体光素子。
前記引き出し電極の先端が直線状であることを特徴とする請求項１の半導体光素子。
前記引き出し電極の先端がＴ字型であることを特徴とする請求項１の半導体光素子。
前記隙間の幅は３μｍ以上かつ１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体光素子。
前記複数の電極パッドの１つにボンディングされたワイヤを更に備え、
前記ワイヤは、互いに対向する前記引き出し電極と前記電極パッドに前記隙間を跨いでボンディングされていることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の半導体光素子。
前記ワイヤがボンディングされた前記電極パッドは前記変調器電極に電気的に接続され、
前記ワイヤがボンディングされていない前記電極パッドは前記変調器電極に電気的に接続されていないことを特徴とする請求項５の半導体光素子。
前記引き出し電極と前記電極パッドは互いに対向する部分の幅が同じであることを特徴とする請求項１～６の何れか１項の半導体光素子。
前記電極パッドは一部が欠けた円形であることを特徴とする請求項１～７の何れか１項の半導体光素子。
前記複数の電極パッドは前記変調器電極の一方のサイドだけに配置されていることを特徴とする請求項１～８の何れか１項の半導体光素子。
前記複数の電極パッドは前記変調器電極の両サイドにそれぞれ複数配置されていることを特徴とする請求項１～８の何れか１項の半導体光素子。