(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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の内面の一部もしくは内面に配置された支持部材に一端部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の近傍に他端部が載置され、光半導体素子４に入力される駆動信号を伝送する配線導体９ｂ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の上面に配線導体９ｂが形成され、下面の略全面に形成された下地導体層と下地導体層の一端部および他端部の部位に形成された主導体層とから成る接地導体層９ｃが形成されている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記容器の内面の一部もしくは前記内面に配置された支持部材に一端部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部が載置され、前記光半導体素子に入力される駆動信号を伝送する配線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、絶縁基板の上面に前記配線導体が形成され、下面の略全面に形成された下地導体層と該下地導体層の前記一端部および前記他端部の部位に形成された主導体層とから成る接地導体層が形成されていることを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【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】
また、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から成る配線導体、１９ｃは絶縁基板１９ａの他方主面の全面に形成された接地導体層である。この配線基板９は、マイクロストリップライン構造になっており、高周波信号を良好に伝搬させる構造とされている。
【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、光半導体素子４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出来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、その一端部が容器１の内面に、他端部が電子冷却素子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、前記容器の内面の一部もしくは前記内面に配置された支持部材に一端部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部が載置され、前記光半導体素子に入力される駆動信号を伝送する配線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、絶縁基板の上面に前記配線導体が形成され、下面の略全面に形成された下地導体層と該下地導体層の前記一端部および前記他端部の部位に形成された主導体層とから成る接地導体層が形成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、絶縁基板の上面に配線導体が形成され、下面の略全面に形成された下地導体層と該下地導体層の前記一端部および前記他端部の部位に形成された主導体層とから成る接地導体層が形成されていることから、配線導体をマイクロストリップライン構造とすることができ、そのため配線導体において駆動信号としての高周波信号を伝送させた場合に高周波信号を良好に伝送させることができる。また、接地導体層の中央部に熱が伝導し易い金等から成る主導体層が形成されていないため、接地導体層の中央部で伝熱経路が遮断されて配線基板の熱抵抗を上げることができる。その結果、配線基板を介して容器から電子冷却素子へ伝わる熱量で接地導体層を経由する成分を大幅に低下させることができる。従って、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全体の基本的な構造は、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】
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は銅タングステン合金（Ｃｕ−Ｗ）等から成る。さらに、４はＬＤ，ＰＤ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。
【００１３】
また、図１（ａ），（ｂ）は本発明の光半導体装置における配線基板９の上面図と下面図である。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はインピーダンス整合用の線路導体等から成る配線導体、９ｃは接地導体、９ｄは、下地導体層としての密着金属層と拡散防止層とが順次積層されて成る接地導体層９ｃの中央部、９ｅは、拡散防止層の一端部および他端部の部位に主導体層が積層されて成る接地導体層９ｃの端部である。
【００１４】
なお、下地導体層は密着金属層のみから成っていてもよく、また密着金属層と拡散防止層とから成っていてもよい。以下、下地導体層が密着金属層と拡散防止層とから成る場合について説明する。
【００１５】
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の内面の一部もしくは内面に配置された支持部材に一端部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の近傍に他端部が載置され、光半導体素子４に入力される駆動信号を伝送する配線導体９ｂ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の上面に配線導体９ｂが形成され、下面の略全面に形成された下地導体層と下地導体層の一端部および他端部の部位に形成された主導体層とから成る接地導体層９ｃが形成されている。
【００１６】
本発明では、配線基板９の他端部は光半導体素子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。また、配線基板９の一端部は容器１の内面の一部もしくは内面に配置された支持部材に一端部が載置されるが、容器１の内面の一部に載置される場合、容器１の内面に棚部１ｂや段差を設けてその上に載置することができる。また、容器１の内面に配置された支持部材に載置される場合、容器１の内側面近傍の底面または内側面に接する状態で底面に円柱状や角柱状等の支持部材を設けてその上に載置することもできる。
【００１７】
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よい。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に開口を蓋体で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。
【００１８】
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の内面側のメタライズ層が配線基板９の配線導体９ｂにボンディングワイヤ等により電気的に接続される。
【００１９】
本発明の配線基板９の下面に形成される接地導体層９ｃの中央部９ｄは、線路導体から成る配線導体９ｂの線路方向の長さが０．０５〜２．０ｍｍであることが好ましい。０．０５ｍｍ未満では、伝熱を遮断するための中央部９ｄが短いため、配線基板９を介して容器１から電子冷却素子２へ伝わる熱量を抑えることが困難になる。２．０ｍｍを超えると、配線導体９ｂの長さも長くなりマイクロストリップラインのインピーダンス特性が不安定になり易くなる傾向がある。
【００２０】
また、接地導体層９ｃの端部９ｅの配線導体９ｂの線路方向の長さは０．１０〜１．０ｍｍであることが好ましい。０．１０ｍｍ未満では、配線基板９の接合強度が弱くなり配線基板９の剥離が起こり易くなる。１．０ｍｍを超えると、端部９ｅが長くなるため、配線基板９を介して容器１から電子冷却素子２へ伝わる熱量を抑えることが困難になる。
【００２１】
接地導体層９ｃの形成パターンは、図１（ｂ）のような略四角形の中央部９ｄおよび略四角形の端部９ｅが好ましいが、これに限らず、端部９ｅにおいて高周波信号の伝送特性を劣化させないとともに載置用基板３への接合性を劣化させない範囲内で主導体層の島状の非形成部を一つまたは複数設けたパターンであってもよい。このような構成により、端部９ｅにおいても伝熱を抑制することができる。また、接地導体層９ｃは、絶縁基板９ａの配線導体９ｂの線路方向に略平行な側面に延出して形成されていてもよい。
【００２２】
接地導体層９ｃの中央部９ｄの厚みは０．０１〜１．２μｍであることがよく、０．０１μｍ未満では高周波信号が密着金属層および拡散防止層から成る中央部９ｄから漏洩し易くなり接地導体層としての機能をなさず、配線導体９ｂで高周波信号が良好に伝送されにくくなる。１．２μｍより厚くなると、熱の遮断効果が低くなり配線基板９の熱抵抗を上げるのに十分でない。
【００２３】
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。
【００２４】
配線導体９ｂおよび接地導体層９ｃ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。
【００２５】
配線導体９ｂは、接地導体層９ｃの端部９ｅと同様に、密着金属層、拡散防止層、主導体層が順次積層された３層構造の導体層などから成る。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
また、配線導体９ｂと端部９ｅ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。
【００２９】
配線導体９ｂと光半導体素子４との電気的な接続は、ボンディングワイヤや載置用基板３の表面に形成された配線パターンを介して行なうことができる。また、接地導体層９ｃは、金属製の容器１または容器１の内外面に形成された接地導体に導通されることによって接地される。
【００３０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を行なうことは何等差し支えない。
【００３１】
【発明の効果】
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、容器の内面の一部もしくは内面に配置された支持部材に一端部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部が載置され、光半導体素子に入力される駆動信号を伝送する配線導体が形成された配線基板とを具備し、配線基板は、絶縁基板の上面に配線導体が形成され、下面の略全面に形成された下地導体層と下地導体層の一端部および他端部の部位に形成された主導体層とから成る接地導体層が形成されていることにより、配線導体をマイクロストリップライン構造とすることができ、そのため配線導体において駆動信号としての高周波信号を伝送させた場合に高周波信号を良好に伝送させることができる。また、接地導体層の中央部に熱が伝導し易い金等から成る主導体層が形成されていないため、接地導体層の中央部で伝熱経路が遮断されて配線基板の熱抵抗を上げることができる。その結果、配線基板を介して容器から電子冷却素子へ伝わる熱量で接地導体層を経由する成分を大幅に低下させることができる。従って、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：配線導体
９ｃ：接地導体層
９ｄ：接地導体層の中央部
９ｅ：接地導体層の端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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