(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の主面上に載置された光半導体素子と、該光半導体素子の光軸に沿って前記主面に形成された光ファイバ設置用のＶ溝と、前記光半導体素子近傍に形成された光半導体素子の入力電極および出力電極と、該入力電極内および出力電極内に各々形成されかつ前記主面と他方主面とを貫通する貫通孔内に中心線路導体、およびその周囲に充填されて前記シリコン基板に直接接触したポリイミドまたはシロキサンポリマーから成る絶縁体を設けて成る同軸線路状配線と、前記同軸線路状配線に直接接続された入力用端子電極および出力用端子電極を有し前記シリコン基板の他方主面側に接合されたベース基板とから成ることを特徴とする光半導体素子モジュール。
【請求項２】
前記同軸線路状配線の貫通孔の直径を０．０５〜０．５ｍｍとし、前記絶縁体の径方向の厚さを前記直径の２９〜４５％としたことを特徴とする請求項１記載の光半導体素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザダイオード，フォトダイオード等の光半導体素子および光ファイバをシリコン基板上に表面実装した光半導体素子モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の表面実装型の光半導体素子モジュールを図４に示し、同図（ａ）は、光半導体素子モジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ方向から見た光半導体素子モジュールの側面図である。同図において、１は光半導体素子５を搭載するシリコン基板、２はシリコン基板１の光半導体素子５とＶ溝９との間にＶ溝９に対し垂直方向に形成され、光ファイバの光入出射端に当接して前記光入出射端の位置決めを行う隙間、５はレーザダイオード，フォトダイオード等の光半導体素子、６はシリコン基板１を載置するための幅広の溝状の凹部を有するパッケージ用のベース基板である。また、７ａ，７ｂはベース基板６の側壁部の上面に各々設けられた光半導体素子５の入力用端子電極，出力用端子電極、８はＡｕ等から成り、入力用端子電極７ａ，出力用端子電極７ｂと光半導体素子５の入力電極１０ａ，出力電極１０ｂとを接続するボンディングワイヤ、９は光半導体素子５の光出射面または受光面に光入出射端が対向するように光ファイバを設置するためのＶ溝、１０ａ，１０ｂはシリコン基板１上の光半導体素子５近傍に設けられた入力電極，出力電極である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示した従来の光半導体素子モジュールにおいて、ボンディングワイヤ８により外部の駆動回路，信号処理回路等と接続していたため、高周波信号を入力または出力する際に、ボンディングワイヤ８によるインダクタンス（Ｌ）成分が大きくなり、高周波信号の伝送損失が大きくなるという問題点があった。また、高速で光信号を伝送する場合に、ボンディングワイヤ８のインダクタンスにより信号に歪みが生じ、例えば信号のＢＥＲ（Bit Error Rate）が増大するという問題もあった。
【０００４】
また、ボンディングワイヤ８のインダクタンスが小さくなるようにその長さを短くしようとすると、ベース基板６の入力用端子電極７ａ，出力用端子電極７ｂと光半導体素子５の入力電極１０ａ，出力電極１０ｂとをほぼ同じ高さにするのが良く、ベース基板６に入力用端子電極７ａ，出力用端子電極７ｂ形成用の側壁部を形成しており、このためベース基板６が大型化するとともにその加工に手間がかかり生産性の低下を招いていた。
【０００５】
従って、本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は、高周波信号の伝送損失が低減し、信号の歪みが小さくなるためＢＥＲ等の劣化が小さくなり、またパッケージが小型化するとともに生産性の良好なものとすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体素子モジュールは、シリコン基板の主面上に載置された光半導体素子と、該光半導体素子の光軸に沿って前記主面に形成された光ファイバ設置用のＶ溝と、前記光半導体素子近傍に形成された光半導体素子の入力電極および出力電極と、該入力電極内および出力電極内に各々形成されかつ前記主面と他方主面とを貫通する貫通孔内に中心線路導体およびその周囲に充填されて前記シリコン基板に直接接触したポリイミドまたはシロキサンポリマーから成る絶縁体を設けて成る同軸線路状配線と、前記同軸線路状配線に直接接続された入力用端子電極および出力用端子電極を有し前記シリコン基板の他方主面側に接合されたベース基板とから成ることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、上記構成により、光半導体素子の入力電極および出力電極と、ベース基板の入力用端子電極および出力用端子電極とを接続するボンディングワイヤの代わりに、シリコン基板に直接同軸線路状配線を設けたことで、ボンディングワイヤのインダクタンスが無くなり、その結果高周波信号の伝送損失が低減し、信号の歪みが小さくなるためＢＥＲ等の劣化が小さくなる。また、パッケージとしてのベース基板に入力用端子電極および出力用端子電極形成用の側壁部等を設ける必要がないのでパッケージが小型化し、パッケージの形状加工も容易になるので生産性が向上するという作用効果も有する。
【０００８】
本発明において、好ましくは、前記同軸線路状配線の貫通孔の直径が０．０５〜０．５ｍｍであり、前記絶縁体の径方向の厚さが前記直径の２９〜４５％であることを特徴とする。これにより、シリコン基板の主面と他方主面間を伝送される高周波信号がさらに低損失で効率良く伝送されるという作用効果を有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体素子モジュールについて以下に説明する。図１〜図３は本発明の表面実装型の光半導体素子モジュールを示し、図１（ａ）は光半導体素子モジュールの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ方向から見た光半導体素子モジュールの側面図、図２（ａ）は本発明の他の実施形態による光半導体素子モジュールの平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ方向から見た光半導体素子モジュールの側面図、図３（ａ１），（ａ２），〜（ｅ１），（ｅ２）は同軸線路状配線の各製造工程を示した同軸線路状配線の平面図，平面図のＡ−Ａ線における断面図である。
【００１０】
図１において、１はシリコン基板、２はシリコン基板１の光半導体素子５とＶ溝９との間にＶ溝９に対し垂直方向に形成され、光ファイバの光入出射端に当接して前記光入出射端の位置決めを行う隙間、５はシリコン基板１の主面上に載置固定された光半導体素子、７ａ，７ｂはシリコン基板１の他方主面側に接合されるベース基板１６上に形成され同軸線路状配線１１に直接接続する入力用端子電極，出力用端子電極、９は光半導体素子５の光軸に沿って前記主面に形成された断面形状がＶ字状の光ファイバ設置用のＶ溝、１０ａ，１０ｂは前記主面において光半導体素子５近傍に形成された光半導体素子５の入力電極，出力電極、１１は入力電極１０ａ内および出力電極１０ｂ内に各々形成されかつ前記主面と他方主面とを貫通する貫通孔内に中心線路導体とその周囲に充填された絶縁体を設けて成る同軸線路状配線、１６は同軸線路状配線１１に直接接続された入力用端子電極７ａおよび出力用端子電極７ｂを有しシリコン基板１の他方主面側に半田，異方性導電性樹脂等により接合されたベース基板である。
【００１１】
図２は他の実施形態を示し、光半導体素子５の入力電極１０ａが光半導体素子５に直接接続されておらず、ボンディングワイヤ８を介して光半導体素子５に接続されたものであり、他の構成は図１と同様である。
【００１２】
本発明の同軸線路状配線１１は、シリコン基板１が半導体であり、絶縁体よりも電気伝導性が高いため、一般の同軸導体線路と同様に中心線路導体とシリコン基板１表面とで電気信号を効率良く伝送させることができる。また、貫通孔の内表面に導体層を形成することにより、より高効率の伝送も可能になる。
【００１３】
本発明において、同軸線路状配線１１の貫通孔の直径が０．０５〜０．５ｍｍであり、絶縁体の径方向の厚さが前記直径の２９〜４５％であることが好ましい。貫通孔の直径が０．０５ｍｍ未満では、シリコン基板１に孔開け加工するのが困難になり、０．５ｍｍを超えると絶縁体を電着法等により形成するのに時間がかかり過ぎ、生産性が低下する。また、貫通孔内の中心線路導体周囲の絶縁体の径方向の厚さが前記直径の２９％未満では、インピーダンス（５０Ω）の整合をとるのが困難となり、４５％を超えると同様にインピーダンス整合が困難になる。
【００１４】
前記中心線路導体は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｌ，これらの１種以上の金属元素を主成分とする合金等が良く、これらの金属元素および前記合金は低電気抵抗である。また、中心線路導体周囲の絶縁体は、ポリイミド，シロキサンポリマーといった材料が、シリコン基板１との接合性、比誘電率の点で好ましい。即ち、絶縁体の比誘電率は２〜５が良く、比誘電率が２未満ではインピーダンスを整合させるためには貫通孔の直径が小さくなりすぎ、比誘電率が５を超えるとインピーダンスを整合させるためには貫通孔の直径が大きくなりすぎる。
【００１５】
そして、図３に示す如く、同軸線路状配線１１は以下の工程〔１〕〜〔５〕のようにして作製される。
【００１６】
〔１〕（ａ１），（ａ２）に示すように、シリコン基板１の所定の箇所に、切削加工法，レーザ加工法，エッチング法等の各種孔開け加工方法により、円筒状の孔２０を形成する。
【００１７】
〔２〕次に、孔２０の内面および周囲に、同軸線路状配線１１の絶縁体２１を電圧制御による電着法により成膜する｛（ｂ１），（ｂ２）｝。このとき、シリコン基板１の主面に、予め接地電位を保持するための導電層や前記絶縁体の密着性を向上させるためのＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 等の他の絶縁層を形成しておき、その上に前記絶縁体２１を形成しても良い。
【００１８】
〔３〕シリコン基板１の孔２０部に、フォトレジスト層２２を公知のスピンコート法，塗布法，印刷法等により形成する。このとき、中心線路導体よりシリコン基板１の主面上を伝って光半導体素子５へ延長する導体パターンと、絶縁体２１の周囲に円弧状に形成されるとともに前記導体パターンに平行して光半導体素子５へ延長する第２の導体パターンとを形成するマスクを用いることで、（ｃ１），（ｃ２）の如きパターンのフォトレジスト層２２を形成する。
【００１９】
〔４〕公知のメッキ法，電解メッキ法等により、中心線路導体２４と前記導体パターン２３ａおよび第２の導体パターン２３ｂを形成する｛（ｄ１），（ｄ２）｝。
【００２０】
〔５〕溶剤等によりフォトレジスト層２２を剥離して除去することにより、同軸線路状配線１１が作製される｛（ｅ１），（ｅ２）｝。
【００２１】
本発明において、シリコン基板１の主面に形成される光ファイバ設置用のＶ溝９は、高精度の形状加工が可能な異方性エッチング法により形成するのが好ましい。異方性エッチングは、具体的には以下のように行う。Ｓｉ単結晶のアルカリ性エッチャントによるエッチレートが結晶方位に大きく依存することを利用した異方性ウェットエッチングにより、幅、深さを精密に制御してＶ溝や逆台形状の溝をシリコン基板１表面に形成できる。前記アルカリ性エッチャントとしては、ＫＯＨ，ＮａＯＨ，ＥＰＷ（エチレンジアミン＋ピロカテコール＋水），ヒドラジン，ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等が好ましい。これらのアルカリ性エッチャントは、Ｓｉ単結晶の（１００）面又は（１１０）面のエッチレートが（１１１）面のエッチレートに対して数１０〜数１００倍であり、エッチレートの小さい（１１１）面がＶ溝９の側面となるようにシリコン基板１の結晶面を選択することにより、マスク下部へのアンダーカットの少ない微細加工が可能となる。特に、ＫＯＨはそのエッチレート比が数１００倍と大きく、微細加工に最適である。
【００２２】
シリコン基板１表面を（１００）面とし、〈０１１〉方向に平行又は垂直な直線で構成されたマスク開口部に上記異方性ウェットエッチングによってＶ溝９，隙間２が形成され、Ｖ溝９の側面はシリコン基板１主面に対して５４．７４°傾いた（１１１）面となる。従って、マスクパターンが正確にＶ溝９の側面に反映されることから、この側面で光ファイバを保持すればマスクと同程度の位置精度が得られる。また、シリコン基板１表面に形成されるＶ溝９の深さ、Ｖ溝９か逆台形状の溝かの違いは、エッチング時間によって制御される。このような異方性ウェットエッチングによって形成されたＶ溝９は、±０．５μｍ以下の形状精度となる。
【００２３】
本発明の光半導体素子モジュールは、１ＧＨｚ以上の高周波信号領域において使用した場合に、高周波信号の伝送損失および高周波信号の歪みの低減等の点で顕著な効果が得られる。
【００２４】
かくして、本発明は、シリコン基板に直接同軸線路状配線を設けたことで、ボンディングワイヤのインダクタンスが無くなり、その結果高周波信号の伝送損失が低減し、信号の歪みが小さくなるためＢＥＲ等の劣化が小さくなる。また、パッケージとしてのベース基板が小型化され、パッケージの形状加工も容易になるので生産性が向上するという作用効果も有する。
【００２５】
尚、本発明は上記の実施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種々の変更は何等差し支えない。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、シリコン基板の主面上に載置された光半導体素子の光軸に沿って主面に形成された光ファイバ設置用のＶ溝と、光半導体素子近傍に形成された光半導体素子の入力電極および出力電極と、入力電極内および出力電極内に各々形成されかつ主面と他方主面とを貫通する貫通孔内に中心線路導体およびその周囲に充填された絶縁体を設けて成る同軸線路状配線と、同軸線路状配線に直接接続された入力用端子電極および出力用端子電極を有しシリコン基板の他方主面側に接合されたベース基板とから成ることにより、光半導体素子の入力電極および出力電極と、ベース基板の入力用端子電極および出力用端子電極とを接続するボンディングワイヤの代わりに、シリコン基板に直接同軸線路状配線を設けたことで、ボンディングワイヤによるインダクタンスが無くなり、その結果高周波信号の伝送損失が低減し、信号の歪みが小さくなるためＢＥＲ等の劣化が小さくなる。また、パッケージとしてのベース基板に入力用端子電極および出力用端子電極形成用の側壁部等を設ける必要がないのでパッケージが小型化し、パッケージの形状加工も容易になるため生産性が向上するという作用効果を有する。
【００２７】
また好ましくは、同軸線路状配線の貫通孔の直径を０．０５〜０．５ｍｍとし、絶縁体の径方向の厚さを前記直径の２９〜４５％とすることにより、シリコン基板の主面と他方主面間を伝送される高周波信号がさらに低損失で効率良く伝送されるという作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体素子モジュールを示し、（ａ）は光半導体素子モジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ方向から見た光半導体素子モジュールの側面図である。
【図２】本発明の他の実施形態による光半導体素子モジュールを示し、（ａ）は光半導体素子モジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ方向から見た光半導体素子モジュールの側面図である。
【図３】（ａ１），（ａ２）〜（ｅ１），（ｅ２）は、本発明の光半導体素子モジュールの同軸線路状配線の各製造工程を示すものであり、（ａ１）〜（ｅ１）は同軸線路状配線部の平面図、（ａ２）〜（ｅ２）は同軸線路状配線部のＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】従来の光半導体素子モジュールを示し、（ａ）は光半導体素子モジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ方向から見た光半導体素子モジュールの側面図である。
【符号の説明】
１：シリコン基板
５：光半導体素子
７ａ：入力用端子電極
７ｂ：出力用端子電極
９：光ファイバ設置用のＶ溝
１０ａ：入力電極
１０ｂ：出力電極
１１：同軸線路状配線
１６：ベース基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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