(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の金属製の基体と、上端面の略中央部に貫通孔が形成されているとともに下端が開かれた筒状であり、前記基体の上側主面の外周部に下端が接合された金属製の蓋体と、前記貫通孔の上端面側開口の周囲に接合された透光性部材とを具備した光半導体装置において、前記基体の上下主面間を貫通するように形成された貫通穴に、上面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成された誘電体から成る平板部および該平板部の上面に前記線路導体を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から成る入出力端子が金属板に載置された状態で嵌着されており、該金属板の光半導体装置内側の先端に窒化アルミニウムセラミックスから成る基台を介して光半導体素子が載置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、光通信等の分野に用いられる光半導体素子を収納した光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信等の分野において高い周波数で作動する半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を気密封止して収納した光半導体装置の例を図２に示す。図２は光半導体素子としてＬＤを内部に収納した光半導体装置の断面図である。同図において、21は基体、22は光半導体素子、23は金属製の蓋体、24は透光性部材、26は光ファイバである。
【０００３】
基体21は鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の金属から成り、その上側主面の略中央部には、光半導体素子22が、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）質セラミックス等のセラミックスから成る略直方体の基台28を介して基体２１の上側主面に対して垂直な面に搭載固定される。光半導体素子22がこのように搭載されることにより、光半導体素子22から発する光信号が基体21の上方へ出射される。また、基体21には、Ｆｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属からなるピン25を挿通させるために両主面間を貫通する貫通孔21ａが形成されており、貫通孔21ａに光半導体装置内外を導通する端子としてのピン25を挿通させるとともに、ピン25と貫通孔21ａとの隙間にガラス等の誘電体から成る接合材を充填させ、基体21とピン25とを気密に接合する。これにより、ピン25が光半導体装置内外を導通する端子として機能する。
【０００４】
なお、基台28に搭載された光半導体素子22は、その電極がピン25の光半導体素子22側の先端とボンディングワイヤ29等を介して電気的に接続されている。
【０００５】
また、基体21の上側主面の外周部に接合され、上端が閉じられ下端が開かれた筒状であり上端面23ａの略中央部に貫通孔23ｂが形成されており、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る蓋体23が設けられる。蓋体23の下端23ｃは、例えば図２のような鍔状となっており、これにより基体21と蓋体23との接合面積が大きくなり、基体21と蓋体23とで構成される容器内部の気密信頼性が向上する。
【０００６】
さらに、貫通孔23ｂを塞ぐように、貫通孔23ｂの上端面23ａ側開口の周囲に透光性部材24が接合される。透光性部材24はガラスやサファイア等から成る円板状，レンズ状，球状または半球状等のものであり、ガラスによる接合や半田付け等により蓋体23に気密に接合される。
【０００７】
このような基体21、蓋体23および透光性部材24から主に構成される容器内部に光半導体素子22を収容し気密に封止する。
【０００８】
最後に、光ファイバ26固定用の筒状の金属製固定部材27が、蓋体23の外周面に溶接され、光ファイバ26が金属製固定部材27の上面の貫通孔に外部から挿通固定されて透光性部材24の上方に固定され、ピン25が外部電気回路（図示せず）に電気的に接続されることによって、光半導体装置となる。
【０００９】
この光半導体装置は、外部電気回路から供給される電気信号によって光半導体素子22にレーザ光等の光を励起させ、この光を透光性部材24、光ファイバ26の順に透過させ、光ファイバ26を介して外部に伝送させることによって、高速光通信等に使用される光半導体装置として機能する。また、この場合、光半導体素子22から光信号が正常に発光しているか確認するためのモニタ用ＰＤ（図示せず）が搭載されていてもよい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の光半導体装置において、ピン25が基体21の貫通孔21ａに挿通されガラス等を介して気密に接合される構成であるため、ピン25の直径寸法の最小加工限界、貫通孔21ａの孔寸法、隣接する貫通孔21ａ間の間隔の最小加工限界等の制約があり、そのため、基体21にピン25を１本挿入するために大きな面積が必要とされ、基体21に取り付けられるピン25の本数が数本に限られるという問題点があった。その結果、光半導体装置内にはＬＤ等の光半導体素子22とモニタ用ＰＤのみが収容され、光半導体素子22を駆動するためのドライバＩＣは別の半導体素子収納用パッケージ内に収納され、外部電気回路を介してドライバＩＣと光半導体装置とを電気的に接続する必要があり、光半導体素子22を駆動させるための装置全体が大型化するという問題があった。
【００１１】
また、ピン25をガラス等の接合材を介して基体21に接合しただけの端子構造であるため、ピン25に外部から応力が加わわった場合に接合材にクラック等の破損が生じ、光半導体装置内部の気密が損なわれるという問題点があった。
【００１２】
さらに、ピン25の貫通孔21ａの上下開口の部位で高周波信号の反射等が発生し易いため、ピン25の貫通孔21ａに挿入されていない部位を特性インピーダンスに整合させた信号線路とするのが困難であり、ピン25を伝送する高周波信号がピン25で反射等して伝送損失が生じ、高周波信号を効率よく伝送できなくなるという問題点もあった。特に、２ＧＨｚ以上の高周波になると伝送効率が著しく劣化する場合があった。
【００１３】
また、現在光信号の発光源として用いられるＬＤの多くは、光信号が光半導体素子22の端面から発光するため、光ファイバ26方向に発光させるためには、光半導体素子22を基体21の上側主面に対して垂直な面に載置する必要がある。従って、基体21の上側主面に基台28を設け、さらに基台28の基体21の上側主面に垂直な面に光半導体素子22を載置するため、光半導体素子22の実装作業の作業性が悪く手間がかかるという問題点があった。
【００１４】
また、光半導体素子22がＡｌ2Ｏ3質セラミックス等からなる基台28を介して基体21に載置されるため、光半導体素子22が発した熱を外部に効率よく放熱できず、光半導体素子22に蓄熱して温度が上昇し、光半導体素子22の光の波長が変動するといった事態が生じ、光半導体素子22が正常に作動しなくなるという問題点があった。
【００１５】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、光半導体装置に取り付けられる端子数を増やして内部に収容する集積回路素子（ＩＣ）等の部品を増加させ、光半導体装置を集積化および多機能化させるとともに、高周波信号を効率よく伝送させ得るものとし、また内部の気密信頼性を向上させるとともに光半導体素子の熱を外部に効率よく放熱し、光半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得るものとすることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体装置は、平板状の金属製の基体と、上端面の略中央部に貫通孔が形成されているとともに下端が開かれた筒状であり、前記基体の上側主面の外周部に下端が接合された金属製の蓋体と、前記貫通孔の上端面側開口の周囲に接合された透光性部材とを具備した光半導体装置において、前記基体の上下主面間を貫通するように形成された貫通穴に、上面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成された誘電体から成る平板部および該平板部の上面に前記線路導体を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から成る入出力端子が金属板に載置された状態で嵌着されており、該金属板の光半導体装置内側の先端に窒化アルミニウムセラミックスから成る基台を介して光半導体素子が載置されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、上面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成された誘電体から成る平板部および平板部の上面に線路導体を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から成る入出力端子を具備することにより、平板部の上面に微細な間隔をもって線路導体を多数形成することができ、その結果、光半導体素子，モニタ用ＰＤだけでなく、光半導体素子を駆動するためのドライバＩＣ等の信号入出力をこの入出力端子で行なうことができ、光半導体装置内にドライバＩＣ等も実装することができる。従って、外部電気回路を介して光半導体装置に電気的に接続する必要があったドライバＩＣ等を光半導体装置内に実装し集積化することができることから、光半導体素子を駆動させるための装置全体を小型化できる。
【００１８】
また、この入出力端子によって、平板部の上面に形成した線路導体のインピーダンスを特性インピーダンスに整合させることができ、入出力端子の線路導体を伝送する信号が高周波になっても、高周波信号を効率よく伝送でき、また入出力端子部の気密信頼性が向上する。
【００１９】
また本発明では、金属板に入出力端子を載置するとともに、金属板の光半導体装置内側の先端に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックスから成る基台を接合した後に入出力端子および金属板を基体に嵌着すればよいことから、容易に基台を光半導体装置内に接合できるとともに、光半導体素子の端面から発光する光信号を光ファイバ方向に発光させることができ、また光半導体素子の熱を熱伝導率の高いＡｌＮセラミックスから成る基台と金属板を介して外部に効率よく放熱できる。従って、基台の接合作業の作業性が向上するとともに、光半導体素子の熱を外部に効率よく放熱でき、光半導体素子に蓄熱して温度が上昇するのを防止して光半導体素子を正常に作動させ得る。
【００２０】
【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。図１は本発明の光半導体装置について実施の形態の一例を示す断面図であり、１は基体、２は光半導体素子、３は金属製の蓋体、４は透光性部材、５は入出力端子、６は光ファイバである。
【００２１】
本発明の光半導体装置は、平板状の金属製の基体１と、上端面３ａの略中央部に貫通孔３ｂが形成されているとともに下端３ｃが開かれた筒状であり、基体１の上側主面の外周部に下端３ｃが接合された金属製の蓋体３と、貫通孔３ｂの上端面３ａ側開口の周囲に接合された透光性部材４とを具備し、基体１の上下主面間を貫通するように形成された貫通穴１ａに、上面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体５ｃが形成された誘電体から成る平板部５ｂおよび平板部５ｂの上面に線路導体５ｃを間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部５ａから成る入出力端子５が金属板10に載置された状態で嵌着されており、金属板10の光半導体装置内側の先端に窒化アルミニウムセラミックスから成る基台８を介して光半導体素子２が載置されている構成である。
【００２２】
本発明の基体１は、略円板状、略長方形等の平板状であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属から成り、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定形状に製作される。この基体１には、Ａｌ2Ｏ3質セラミックス等の誘電体から成る平板部５ｂおよびＡｌ2Ｏ3質セラミックス等の誘電体から成る立壁部５ａとを具備した入出力端子５および平板部５ｂの下面に接合された金属板10とを挿入するために、基体１の上下主面間を貫通する貫通穴１ａが設けられている。この貫通穴１ａに、光半導体装置内外を導通する入出力端子５および金属板10を挿通し、入出力端子５および金属板10と貫通穴１ａとの隙間に銀（Ａｇ）ろう等のろう材を充填させ、基体１と入出力端子５および金属板10とをろう付けして気密に接合する。
【００２３】
また、入出力端子５を構成する平板部５ｂおよび立壁部５ａは以下のようにして作製される。例えば、Ａｌ2Ｏ3質セラミックスから成る場合、先ず酸化アルミニウム、酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化カルシウム（ＣａＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加混合して泥漿状と成す。これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成形技術により複数のセラミックグリーンシートを得る。次に、このセラミックグリーンシートに、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを、スクリーン印刷法等の厚膜形成技術により印刷塗布して、線路導体５ｃとなるメタライズ配線層を所定パターンに形成する。また、平板部５ｂの下面には、金属板10をＡｇろう等によりろう付けできるように、メタライズ層を全面に印刷塗布しておくのがよい。その後、セラミックグリーンシートを複数枚積層し、これを還元雰囲気中、約1600℃の温度で焼成することにより製作される。このようにして、入出力端子５に特性インピーダンスに整合された線路導体５ｃが形成される。
【００２４】
金属板10は、略長方形であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属から成り、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定形状に製作される。この金属板10の入出力端子５が載置された主面の光半導体装置内側の先端部には、ＡｌＮセラミックスからなる光半導体素子２を載置するための略直方体の基台８がＡｇろう等によりろう付けされている。
【００２５】
基台８には光半導体素子２が載置される主面にＷやＭｏ等からなる線路導体８ａが設けられているのがよい。即ち、基台８に搭載された光半導体素子２は、その電極が線路導体８ａの光半導体素子２側の先端とボンディングワイヤ９等を介して電気的に接続され、線路導体８ａと線路導体５ｃとがボンディングワイヤ９等を介して電気的に接続されるので、光半導体素子２の電極を、入出力端子５の線路導体５ｃに直接接続するのではなく、基台８の線路導体８ａに接続することにより、ボンディングワイヤ９の長さを短くでき、ボンディングワイヤ９による高周波信号の伝送損失を最小限に抑えられる。また、基台８の他方の主面には金属板10とをろう付けするためにＷやＭｏ等からなるメタライズ層を全面に印刷塗布しておく。
【００２６】
この基台８はＡｌＮセラミックスからなるため、光半導体素子２が作動時に発する熱を効率よく金属板10に伝達し、金属板10の光半導体装置外側の部位から外部に効率よく放熱できる。従って、光半導体素子２の熱を外部に効率よく放熱でき、光半導体素子２に蓄熱して温度が上昇するのを防止し、光半導体素子２を正常に作動させ得る。
【００２７】
また、入出力端子５がＡｌＮセラミックスから成り基台８と一体に成形されていてもよいが、ＡｌＮセラミックスはＡｌ2Ｏ3セラミックスに比して入出力端子５の製作コストが高くなるため、光半導体素子２の熱を外部に効率よく放熱するためには、基台８のみがＡｌＮセラミックスから成るようにすれば十分である。
【００２８】
また、基体１の上側主面の外周部には、上端面３ａの略中央部に貫通孔３ｂが形成され下端が開かれた筒状である蓋体３が設けられる。蓋体３の下端３ｃは、鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）半田等の半田による半田付けや溶接等によって基体１と気密に接合される。下端３ｃは、基体１との接合面積を大きくして、基体１と蓋体３とで構成される容器内部の気密信頼性を向上させるために、図１に示すような鍔状であることが好ましい。
【００２９】
蓋体３は、断面形状（横断面形状）が円形または長方形等の多角形の筒状であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属のインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定形状に製作される。なお、蓋体３は、筒状部と上端面３ａが個々に製作され、それらをろう付け、半田付け、溶接等によって接合したものであってもよい。
【００３０】
蓋体３には、貫通孔３ｂを塞ぐように貫通孔３ｂの上端面３ａ側開口の周囲に、透光性部材４がガラス接合や半田付け等により気密に接合される。透光性部材４は、ガラスやサファイア等から成る円板状，レンズ状，球状または半球状等のものであり、球状の場合周縁部で、円板状やレンズ状の場合一主面の外周部で、半球状の場合平面部の外周部で蓋体３に接合される。
【００３１】
また、光ファイバ６は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る略円筒状の金属製固定部材７の上端面に固定されており、金属製固定部材７の下端面が蓋体３の外周面にレーザ溶接法等の溶接によって接合される。光ファイバ６が金属製固定部材７を介して透光性部材４の上方に固定されることによって、製品としての光半導体装置となる。これにより、光ファイバ６を介して内部に収容する光半導体素子２と外部との光信号の授受が可能となる。
【００３２】
本発明において、透光性部材４は貫通孔３ｂの上端面３ａ側開口の周囲に接合されるのが好ましく、この場合以下の点で有利である。即ち、蓋体３の外周部に金属製固定部材７を溶接する際の熱が蓋体３に局所的に加わり、蓋体３の透光性部材４との接合面に熱膨張による引っ張り応力が加わると、透光性部材４が蓋体３から剥がれ易くなるが、光半導体装置は内部を気密にするため外側から内側に気圧が加わるため、気圧によって透光性部材４が蓋体３に押し付けられて剥がれにくくなる。一方、透光性部材４が貫通孔３ｂの上端面３ａの裏面側開口の周囲に接合されていると、熱膨張による応力によって透光性部材４を剥がそうとする引っ張り応力と気圧による圧力とが、透光性部材４が蓋体３から容易に外れてしまうこととなる。
【００３３】
また本発明において、入出力端子５の平板部５ｂの上面と基台８の光半導体素子２の載置面とが略面一であることが好ましい。この場合、線路導体５ｃと線路導体８ａとを接続するボンディングワイヤ９の長さが最短化されるとともに、そのインダクタンスも小さくなる。また、ボンディングワイヤ９を使用せずに、板状の金属片で接続することもできる。板状の金属片であればさらにインダクタンスが小さくなり、また金属片においてインピーダンスを調整することもできる。
【００３４】
本発明の光半導体装置は、光半導体素子２の電極を外部電気回路に電気的に接続し、製品としての光半導体装置となる。この光半導体装置は、外部電気回路から供給される電気信号によって光半導体素子２に光を励起させ、この光を透光性部材４、光ファイバ６の順に透過させ、光ファイバ６を介して外部に伝送することによって、高速光通信等に使用される光半導体装置として機能する。
【００３５】
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であれば種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、平板状の金属製の基体と、上端面の略中央部に貫通孔が形成されているとともに下端が開かれた筒状であり、前記基体の上側主面の外周部に下端が接合された金属製の蓋体と、貫通孔の上端面側開口の周囲に接合された透光性部材とを具備し、基体の上下主面間を貫通するように形成された貫通穴に、上面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成された誘電体から成る平板部および平板部の上面に線路導体を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から成る入出力端子が金属板に載置された状態で嵌着されており、金属板の光半導体装置内側の先端に窒化アルミニウムセラミックスから成る基台を介して光半導体素子が載置されていることにより、入出力端子の平板部の上面に微細な間隔をもって線路導体を多数形成することができ、その結果、光半導体素子，モニタ用ＰＤだけでなく、光半導体素子を駆動するためのドライバＩＣ等の信号入出力を入出力端子で行なうことができ、従って光半導体装置内にドライバＩＣ等も実装することができる。このように、外部電気回路を介して光半導体装置に電気的に接続する必要があったドライバＩＣ等を光半導体装置内に実装し集積化できることから、光半導体素子を駆動させるための装置全体を小型化できる。
【００３７】
また、入出力端子を伝送される信号が高周波になっても、高周波信号を効率よく伝送でき、また入出力端子部の気密信頼性が向上する。
【００３８】
さらに、金属板に入出力端子を載置するとともに金属板の光半導体装置内側の先端に基台を接合した後に、入出力端子および金属板を基体に嵌着できるため、容易に基台を光半導体装置内に接合できるとともに、光半導体素子の端面から発光する光信号を光ファイバ方向に発光させることができ、また光半導体素子の熱を熱伝導率の高いＡｌＮセラミックスから成る基台と金属板を介して外部に効率よく放熱できる。その結果、光半導体素子の実装作業の作業性が向上するとともに、光半導体素子の熱を外部に効率よく放熱でき、光半導体素子に蓄熱して温度が上昇するのを防いで光半導体素子を正常に作動させ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体装置について実施の形態の例を示す断面図である。
【図２】従来の光半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：貫通穴
２：光半導体素子
３：蓋体
３ａ：上端面
３ｂ：貫通孔
４：透光性部材
５：入出力端子
５ａ：立壁部
５ｂ：平板部
５ｃ：線路導体
８：基台
１０：金属板
【図１】
0003914764.tif 000002
【図２】
0003914764.tif 000003