JP4104889B2

JP4104889B2 - 光半導体装置

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Publication number: JP4104889B2
Application number: JP2002094148A
Authority: JP
Inventors: 浩山田; 圭児高岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-03-29
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Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は発光素子または受光素子から構成される光半導体素子を配線基板に搭載する光半導体装置に係り、特に前記光半導体素子を電気配線層と光配線層を有する前記配線基板上にフリップチップ実装する光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、長距離・大容量の光ファイバー伝送システムは急速に普及して、現在では、ギガビットからテラビットの光伝送技術の研究開発が多く行われている。特に、ＦＴＴＨ（ＦｉｂｅｒＴｏＴｈｅＨｏｍｅ）における、センター局から一般家庭まで光ファイバーを用いて情報を伝送する光加入者系システムに関しては多くの研究が行われている。具体的には、この光加入者系システム用の光デバイスモジュールを汎用化させるために、製造コストを低減させることが求められており、その製造コストを低減するための手段として、例えば、特開平１１−２７４４４６号公報に記載されるシリコンプラットホーム基板にＶ溝形成して光ファイバーとの位置合わせを容易化する方法などのパッシブアライメント法を用いた光デバイスと光ファイバーの結合技術の提案が多く行われている。
一方、シリコンＬＳＩにおいても高集積化のための研究開発は多く行われており、その動作速度と集積規模は著しく向上される方向にある。この性能向上を行う上での課題が信号配線における転送速度および信号配線の実装密度である。すなわち、トランジスタなどの機能素子の性能向上が行われても、信号配線における信号転送速度と信号配線の高密度化が行わなければ、これらが律速となり、モジュール性能向上の実現は困難である。また、一般に電気信号配線には信号伝達のための遅延が存在するため、これも上記の性能向上を阻害する要因となっている。さらに、信号転送速度の高速化と信号配線の高密度化を行った場合にはＥＭＩ（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）の影響が顕著になるため、その対策を十分に講じる必要もある。
【０００３】
このような電気信号配線における問題を解決するものとして、例えば、電子情報通信学会論文誌Ｖｏｌ．Ｊ８４−Ｃ，Ｎｏ．９，ｐｐ７３６−７４３，２０００に公開される光インターコネクション技術が最近の技術として有力になっている。現在、この光インターコネクション技術は、電子機器間、電子機器内ボード間、あるいはボード内チップ間など、多くの用途に適用可能と考えられており、例えば、電子機器間の光インターコネクションとして、コア径が大きく接続の容易なプラスティック光ファイバーを用いた光リンクの利用、電子機器内の光インターコネクションとしては、フレキシブルな光導波路を使用した光リンクの利用、ボード内チップ間の光インターコネクションとして、光導波路またはフリースペースによる光配線などの利用が提案されている。したがって、上記に記載したＦＴＴＨにおける光加入者系システムも広義において光インターコネクション技術の１つとすることができる。
【０００４】
光インターコネクションの具体例として、電子情報通信学会論文誌Ｖｏｌ．Ｊ８４−Ｃ，Ｎｏ．９，ｐｐ７９３−７９９には、ボード内チップ間接続としての光バンプインターフェイスが公開されている。この技術は、発光素子と受光素子を搭載した光パッケージと電子機器ボード間の光インターフェイスとして、両者にマイクロレンズを形成して、その空間をコリメート光で接続するもので、ＳＭＴ（ＳｕｒｆａｃｅＭｏｕｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）の搭載位置ずれを許容できる大きなビーム径で接続するものである。この技術によれば、これまで高い精度が必要となっていた光デバイスと光ファイバー間のアライメントを容易に緩和できるだけでなく、ボード上での光ファイバー収納、コネクタ接続作業も不要になるため、結果として低コストで光インターコネクションモジュールを実現できる特徴を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、高密度・高速通信技術の次世代技術として有効な光インターコネクション技術では、光を発生するレーザダイオードのような発光素子、光を受信するフォトダイオードなどの受光素子が必要とされるが、このような発光素子または受光素子（受発光素子）のうち、光の発信方向または受信方向が基板に対して垂直な方向の面型受発光素子は、各素子を２次元的に集積できることから、特に、前記光インターコネクション技術に適応される光素子として有効であり、その光ファイバーとの結合方法を考慮した受発光素子の実装方法には多くの提案が行われている。
例えば、特開２０００−２７７８４４号公報の従来の技術には、面発光レーザの一般的な実装方法が記載されている。具体的には，ＬＥＤ（発光ダイオード）の実装に用いられる汎用の台座に搭載する方法が記載されている。この方法によれば、この面発光レーザは不活性ガス雰囲気中に搭載されているため、表面の酸化によって素子劣化が発生せず、かつ面発光レーザの光が基板と垂直方向に出射することから、上面に光を出す電気光変換素子を小型に簡便に作製することができるものである。さらに、特開２０００−２８４１５１号公報には，面発光レーザ素子を２次元アレイ状に配列した面発光レーザアレイに対して、金属プレートに搭載したフェルールを用いて光ファイバーとの接続を実現するモジュール構造が公開されている。
【０００６】
また、受光素子の実装方法に関しては、例えば、特開平５−３７００４号公報と特開平５−１２９６３８号公報に、光ファイバーと良好な光結合が容易なフリップチップ型の受光素子の実装構造が公開されている。この方法は、半導体基板の表面に形成され、裏面側から入射した光を受光して電流に変換する受光部と、半導体基板の裏面側の受光部に対応する部分に受光部に光を導く光ファイバーの先端部を収納するように形成されている凹部を備えることを特徴とするもので、光結合すべき光ファイバーを単に凹部に挿入するだけで、その端面から出射される光信号を正確に光吸収層に導くことができるものである。
【０００７】
しかしながら、これらの実装方法は、光素子をマイクロオプティック的にブロック状に配列する同軸型のモジュール実装構成であるため、低コスト化を実現する、複数の光素子を同一配線基板上に配列する光ＳＭＴ技術には適していない。具体的には、光ＳＭＴは、例えばシリコンプラットホーム基板上にＬＤ、ＰＤ、導波路、合分波器、光ファイバーなどを配置する構成で、半導体プロセス技術を用いてシリコン基板上に導波路、合分波器、光ファイバー用のＶ溝を一括形成することで、製作コストと実装コストの低減及び実装面積の高密度化を実現するものであるが、上記に記載した受発光素子の実装方法では、光ファイバーが配線基板の空間方向に対して垂直方向に結合されるため、光ＳＭＴ技術の基本的な必須構造である配線基板上の表面実装ができない問題を有している。
【０００８】
上記のような問題を部分的に解決する方法として、上記に記載した電子情報通信学会論文誌Ｖｏｌ．Ｊ８４−Ｃ，Ｎｏ．９ｐｐ７９３−７９９，２０００に公開される光バンプインターフェイス構造が挙げられる。図９に示すように、この方法によれば、はんだボールのセルフアライメント効果を光ファイバーとの光結合に利用しており、さらに、面発光レーザアレイ素子を搭載する光パッケージ構造も光ＳＭＴに適した構造が実現できるが、パッケージ内部の面発光レーザアレイ素子はワイヤーボンディングで接続しているため、面発光レーザアレイ素子としての高密度化には限界があった。なお、図９において、４１は光電気配線基板、４２はポリマー導波路、４３は４５度ミラー、４４は面発光レーザアレイ素子、４５はホトダイオード、４６は送信信号制御ＬＳＩ、４７は受信信号制御ＬＳＩ、４８は制御ＬＳＩ、４９はマイクロレンズアレイ、５０ははんだボールである。
【０００９】
また、上記に記載した面発光レーザアレイでは、図８に示すように、各面発光レーザ素子６４の近傍に形成された電極部に個別に接続される電気信号配線６３を、各素子の間を通して、面発光レーザアレイ素子６２の周囲に配置されるＩ／Ｏ電極６１に接続する必要がある。このＩ／Ｏ電極６１は、ワイヤーボンディング法で配線基板の電極端子と接続されるのが一般的である。ところが、このような構成では、各面発光レーザ素子６４の個別の電極部に接続される電気信号の配線が複雑になり、電気信号配線６３の配線密度が向上するため、高速変調特性の劣化が生じるなどの問題があった。さらに、このように面発光レーザアレイ素子６２のチップ周囲に電気配線のためのＩ／Ｏ電極６１を配置すると、面発光レーザ素子の集積を行っても、Ｉ／Ｏ電極の配置密度が律速となり、結果として面発光レーザアレイ素子を高密度化できない問題があった。
【００１０】
このため、各面発光レーザ素子に接続される電極部にバンプ電極を形成して、面発光レーザアレイ素子をフリップチップ実装する方法が考えられるが、この方法では、フリップチップ実装する面発光レーザアレイ素子と配線基板の熱膨張係数の相違に起因する歪がバンプ電極の破壊を発生させることになり、光インターコネクションモジュールとしての信頼性を確保するには多くの問題があった。この問題は、特に発熱量の大きな面発光レーザ素子などを配線基板上にフリップチップ実装する場合に顕著なものである。したがって、例えば、フリップチップ実装する面発光レーザアレイ素子と配線基板の間に封止樹脂を配置することでバンプ応力歪を緩和することも考えられるが、このように封止樹脂を配置する方法では、封止樹脂が面発光レーザ素子の発光部にまで配置されることから、光受信部に十分な光強度を到達させられない問題も発生していた。
【００１１】
本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、特に発光素子または受光素子をから構成される面型の光半導体素子を、電気配線層と光配線層を有する配線基板に高い接続信頼性でフリップチップ実装する光半導体装置を実現するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、少なくとも１つの発光素子または受光素子を有する光半導体素子を、電気絶縁部と電気伝送部からなる電気配線層および光絶縁部と光伝送部からなる光配線層を有する配線基板上に搭載する光半導体装置において、前記光半導体素子上に配置される前記発光素子または受光素子は、前記各素子周囲に配置される第１の電極上に形成され、前記発光素子または前記受光素子で出射された光信号を光伝送する光伝送部を備えた環状電極により、前記配線基板に主面が対向して前記光配線層の前記光伝送部に光学的に接続され、さらに、前記光半導体素子上には、前記発光素子または受光素子と接続される第２の電極が前記各素子に対応して形成されており、前記第２の電極上に、内部に第１の金属とその周囲に第２の金属を配置したバンプ電極が形成されており、前記バンプ電極を構成する前記第１の金属の融点は前記第２の金属の融点よりも高く構成されており、前記光半導体素子と前記配線基板との距離は前記第１の金属の高さとほぼ同一であり、前記光半導体素子は前記バンプ電極により前記配線基板に主面が対向して前記電気配線層の前記電気伝送部に接続されており、前記発光素子または受光素子と前記配線基板とで構成される隙間には樹脂が封止されていることを特徴とするものである。
【００１３】
さらに、前記光半導体素子裏面上には、前記発光素子または受光素子と接続される第３の電極が形成されており、前記第３の電極は前記光半導体素子よりも大きい寸法と熱伝導性を有する導電性材料板が接続されており、前記導電性材料板には、内部に第１の金属とその周囲に第２の金属を配置したバンプ電極が形成されており、前記バンプ電極を構成する前記第１の金属の融点は前記第２の金属の融点よりも高く、前記バンプ電極の高さ寸法は前記光半導体素子の厚み寸法と前記環状電極の高さ寸法との総和以上の寸法を有することを特徴とするものである。
さらに、前記第１の電極上に形成する環状電極と、前記バンプ電極を構成する第２の金属は、Ｐｂ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｂｉから選択される金属またはこれら金属を主成分とする合金であって、前記バンプ電極を構成する第１の金属は、Ａｌ，Ａｕ，Ｗ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｐｄから選択される金属またはこれら金属を主成分とする合金であることを特徴とするものである。
さらに、前記発光素子は面発光型レーザであって、前記受光素子はフォトダイオードであり、前記発光素子または受光素子と前記配線基板が作る隙間には樹脂が封止されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明によれば、これまでの技術では実現が困難であったアレイ型の光半導体素子のフリップチップ実装を容易に実現できる。したがって、本発明によれば、光半導体素子の主面の受発光素子配置領域上に光半導体素子と接続する第２電極を形成することができるため、これまでの技術のように、アレイ型の光半導体素子をワイヤーボンディングで接続する場合に必要となっていたチップ周囲でのＩ／Ｏ電極配置に必要な電気信号配線が不要になり、さらにＩ／Ｏ電極で律速となっていた光半導体素子の高集積化も可能になり、結果として光半導体素子の小型化が実現できる。
特に、本発明のように受発光素子部を接続する第１電極上に環状電極をはんだなどを形成して、光半導体素子をフリップチップ実装することにより、受発光素子を近接配置した場合でも、信号伝送を行う光を環状電極内部に完全に閉じ込めることができるため、クロストークなどの問題も解決することができる。
【００１５】
さらに本発明によれば、光半導体素子と接続する第２電極上に、内部に銅などの高融点金属を配置して、その周囲にはんだなどの低融点金属を配置してバンプ電極を構成しているため、第１電極上に形成する環状電極だけでは困難であった、光半導体素子と配線基板の作る隙間寸法を厳密に制御することができる。特に、第１金属周囲に配置した、はんだなどの第２金属により、光半導体素子の配線基板に対するセルフアライメント効果が効率的に向上するため、光半導体素子と配線基板の光導波路などの位置合わせ精度が向上して、受発光素子と光導波路との結合効率も極めて向上させることが可能になる。
【００１６】
また、このバンプ電極は、熱伝導性の高い金属を第１の金属とすることで光半導体素子からの熱を配線基板に効率的に放熱させることもできる。なお、この光半導体素子と配線基板の作る隙間寸法制御構造、および光半導体素子からの放熱構造は、光半導体素子裏面に光半導体素子寸法よりも大きい寸法を有する第３の電極を形成した構造においても同様の作用を発揮する。
【００１７】
さらに、本発明によれば、第１の電極上に形成する環状電極により、光半導体素子と配線基板の作る隙間部分に封止樹脂を配置しても、受発光素子部に封止樹脂が流入することがなくなるため、封止樹脂による光強度劣化などの問題を効果的に解決することができる。この作用は、光半導体素子の熱膨張係数と配線基板の熱膨張係数を考慮した封止樹脂として、石英フィラなどを含有する封止樹脂を容易に用いることができる点で特に効果的である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施形態につき、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７に示す本発明の実施例を基に説明する。
図１は本発明に係る光半導体装置にフリップチップ実装される光半導体素子の第１の実施例を示す平面図であり、図２は本発明に係る光半導体装置の第１の実施例を示す第１の部分拡大断面図であり、図３は本発明に係る光半導体装置の第１の実施例を示す部分拡大平面図であり、図４は本発明に係る光半導体装置の第１の実施例を示す第２の部分拡大断面図であり、図５は本発明に係る光半導体装置の第２の実施例を示す第１の部分拡大断面図であり、図６は本発明に係る光半導体装置の第２の実施例を示す第２の部分拡大断面図、図７は本発明の変形例を示す断面図である。
【００１９】
図１から図７において、１は光半導体素子、２は面型発光素子、３は発光部、４はバンプ電極で（第１の金属：９）、５は環状電極、６は第１の電極、７は第２の電極、８は光入力部、１０は第２の金属、１１は光配線層、１２は電気配線層、１３は配線基板、１４は光伝送部、１５は第３の金属である。
【００２０】
以下、本発明に係る半導体装置の実施例の製造方法を図１から図４を用いて説明する。
まず図１において、面型発光素子として基板に対して垂直方向にレーザ光を出射する面発光レーザ素子がアレイ状に配置された面発光レーザアレイ素子を用意する。この面発光レーザ素子は本発明の主旨から一般的なものであり、例えば、特開２０００−２９４８７４号公報、特開２０００−１２４５４５号公報に記載される方法で製造することができるが、本発明では説明のため、例えば、ｎｏｎ−ｄｏｐｅのＧａＡｓからなる活性層（活性領域）をｎ型ＧａＡｌＡｓ，ｐ型ＧａＡｌＡｓからなる２つのクラッド層で挟み、ｎ型ＧａＡｌＡｓ層の外面、ｐ型ＧａＡｌＡｓ層の外面にそれぞれ多層膜からなる反射鏡を設けた構成で、この２つの反射鏡の間でレーザ発振を起こさせることによりクラッド層及び活性層の積層方向にレーザ光を出力する構造の面発光レーザ素子を用いた。したがって、面発光レーザ素子の光が出射される主面には、ｐ型コンタクトのための電極が配置されている。この素子電極は、本発明の趣旨から、凹部となる光出射部を囲む環状電極の形状を有している。さらに、本発明での面発光レーザアレイ素子は、上記の発光素子が、１００μｍピッチで、１ｍｍ×１ｍｍのチップ上に、８×８のレイアウトで配置されている。なお、この発光素子レイアウトと電極材料などは限定されるものではないが、本発明では、説明のため８×８のレイアウトとして、電極材料には、Ａｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用いた。なお、レーザアレイ素子は、面発光素子に限るものではない。
【００２１】
さらに、図２に示す配線基板は以下に記載する方法で製造することができる。具体的には、光配線層は、石英ガラス基板上に設けられた厚さ数十ミクロンのＳｉＯ_２（酸化ケイ素）で製造することができる。さらに具体的には、この光配線層は、光絶縁部中に光伝送部が直径５０μｍ，ピッチ１５０μｍで形成され、必要に応じて曲部が設けられている。
【００２２】
この光配線層における光絶縁部と光伝送部はＳｉＯ_２中に含有される不純物濃度による光の屈折率の相違により分離でき、光伝送部の方が、光絶縁部よりも屈折率が大きくなるようにＳｉＯ_２中の不純物濃度を調整してある。これにより、光は光伝送部と光絶縁部の境界で全反射して、光伝送部の中を伝達していくことになっている。
【００２３】
さらに、この光配線層は必要に応じて多層構造になっており、異なる光配線層間の光伝送部は、例えば４５度ミラーなどを有するコンタクトホールで結合され、このコンタクトホールの材料組成は、上記に記載した光伝送部と同一材料で構成されている。この光配線層の表面に露出されるコンタクトホールが光入力部となり、配線基板上に搭載される面発光レーザ素子の光出力部と対向して、第１電極が直径３０μｍで構成されている。この配線基板の光入力部と面発光レーザ素子の光出力部は、図２に示すように、内径３０μｍ、外形５０μｍ、高さ５０μｍ寸法のはんだ（Ｐｂ／Ｓｎ＝３７／６３）から構成される環状電極で接続されている。したがって、面発光レーザ素子から出射された光信号は、直接またははんだ環状電極の内壁に反射され、光入力部であるコンタクトホールに向かい、光伝送部により光伝送される。なお、このはんだ環状電極の中空部を伝送、または内壁で反射する光信号は、光伝送部での光伝送または反射と異なり減衰が大きくなるが、その距離が数十μｍであるため、その伝送特性が問題になることは殆どない。なお、この環状電極の材料組成に関しては、特に限定されるものではないが、基本的には、Ｐｂ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｂｉから選択される金属またはこれら金属を主成分とする合金であることが好ましいため、本発明における実施例では、説明のため，Ｐｂ／Ｓｎ＝６３／３７はんだを用いた。
【００２４】
さらに、配線基板の内部には、第２の電極と接続される電気配線層が電気絶縁層と電気伝送部から構成されている。この第２の電極は、図２に示すように、バンプ電極で面発光レーザ素子の主面に露出させた電流供給電極に接続されている。したがって、面発光レーザ素子の主面に形成したバンプ電極に接続される電極端子は、通常はｎ型コンタクトになっている。なお、この第２電極上に接続されるバンプ電極の寸法は、本発明の趣旨から特に限定されるものではないが、本発明における実施例では、２５μｍφの銅から構成される第１の金属を中心に配置して、その周囲をはんだ（Ｐｂ／Ｓｎ＝６３／３７）から構成される第２の金属で囲んで、全体寸法としては５０μｍ高さと、５０μｍφの寸法を有するバンプ電極を形成した。
【００２５】
なお、この第１の金属材料と第２の金属材料組成に関しても、特に限定されるものではないが、基本的には、第１の金属材料としては、Ａｌ，Ａｕ，Ｗ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｐｄから選択される金属またはこれらを主成分とする合金であることが好ましく、第２の金属組成としては、Ｐｂ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｂｉから選択される金属またはこれら金属を主成分とする合金であることが好ましいため、本発明における実施例では、説明のため，第１の金属としてＣｕ、第２の金属としてＰｂ／Ｓｎ＝６３／３７はんだを用いた。
【００２６】
図３は、はんだ環状電極とバンプ電極の部分平面図である。なお、本発明の実施例に記載するように、環状電極とバンプ電極のレイアウトとしては、環状電極を４隅とした場合の中心部にバンプ電極を配置する方法が実装密度的には最も有利である。
【００２７】
さらに、これらの第１の電極上と第２の電極上に配置される環状電極とバンプ電極の製造方法についても、本発明の趣旨から特に限定されるものではないが、公知の技術である電気めっき法の中でも厚膜レジストをめっきマスクとした、公知の技術であるパターンめっき法を用いて、配線基板側に形成することが製造プロセス的には有利である。これは、面発光レーザ素子を形成する基板材料が一般的に酸に対して溶解性の高い材料を使用しているのに対して、配線基板の構成材料は酸耐性が一般的に高い材料を任意に選択できるためである。
【００２８】
なお、面発光レーザ素子と配線基板とのフリップチップ実装接続は、例えば以下のような方法を用いることができる。具体的には、公知の技術であるハーフミラーを有して位置合せを行うフリップチップボンダーを用いて、面発光レーザアレイ素子と、環状電極及びバンプ電極の形成された配線基板の位置合せを行う。この位置合せは、面発光レーザアレイ素子に形成された電極端子と、配線基板上に形成された環状電極及びバンプ電極で行うことが製造的には容易である。なお、この面発光レーザアレイ素子は、加熱機構を有するコレットに保持され、３５０℃の窒素雰囲気中で予備加熱されている。
【００２９】
次いで，面発光レーザアレイ素子と、配線基板の環状電極及びバンプ電極が接触された状態で、コレットをさらに下方移動して、圧力３０ｋｇ／ｍｍ^２を加え、面発光レーザアレイ素子と配線基板を機械的圧力が加わった状態で接触させる。さらにこの状態で温度を３７０℃まで上昇させて環状電極とバンプ電極を構成するはんだを溶融させ、面発光レーザアレイ素子と配線基板を接続する。
このように面発光レーザアレイ素子と配線基板をはんだ接続することにより、公知の技術であるセルフアライメント効果で、面発光レーザアレイ素子と配線基板は正確な位置合せが実現され、面発光レーザ素子の光出力部と配線基板の光入力部は、概ね±１μｍ〜２μｍの誤差精度で接続することが可能になった。さらに、バンプ電極に配置した第１の金属のスタンドオフ効果で、面発光レーザアレイ素子と配線基板の高さばらつきを、第１の金属高さである，５０μｍ±２μｍ程度まで小さくすることも可能になった。
【００３０】
さらに、図４に示すように、必要に応じて、面発光レーザアレイ素子と配線基板の作る隙間部分に公知技術である、封止樹脂を配置することも可能である。封止する樹脂としては特に限定されるものではないが、例えば、ビスフェノール系エポキシとイミダゾール効果触媒、酸無水物硬化剤と球状の石英フィラを重量比で４５ｗｔ％含有するエポキシ樹脂などを用いることができる。したがって、例えばクレゾールノボラックタイプのエポキシ樹脂（ＥＣＯＮ−１９５ＸＬ；住友化学社製）１００重量部、硬化剤としてのフェノール樹脂５４重量部、充填剤としての熔融シリカ１００重量部、触媒としてのベンジルジメチルアミン０．５重量部、その他添加剤としてカーボンブラック３重量部、シランカップリング剤３重量部を粉砕、混合、溶融したエポキシ樹脂溶融体などを用いることもできる。
【００３１】
図５は、本発明に係る第２の実施例を示す部分断面構成図である。この図において、面発光レーザアレイ素子及び面発光レーザアレイ素子を搭載する配線基板については、第１の実施例で用いたものと、本発明の目的とする範囲において基本的に相違する部分はないが、第２の実施例で用いた面発光レーザアレイ素子は、ｎ型電極がチップ裏面に全体的に配置されている。さらに、第２の実施例に記載する面発光レーザアレイ素子裏面には、第３の電極が配置されており、この第３の電極には、面発光レーザアレイ素子の厚み寸法である３００μｍとはんだ環状電極の厚み寸法である５０μｍの総和である３５０μｍ高さのバンプ電極が形成され、配線基板内部の電気配線層と接続される第２電極と電気的に接続されている。なお、第３の金属の材料組成としては、熱伝導性と導電性を有していれば特に限定されるものではないが、本発明では説明のため、バンプ電極の接続部分のみがレジスト開口され、その表面にＡｕ／Ｎｉ薄膜が被覆された銅板を用いた。
さらに図６に示すように、必要に応じて，面発光レーザアレイ素子及び第３の金属が配線基板と作る隙間部分に第１の実施例の場合と同様に、公知の技術である封止樹脂を配置することも可能である。この封止樹脂の組成に関しても、第１の実施例の場合と同様に、配線基板の熱膨張係数および面発光レーザアレイ素子の熱膨張係数を考慮した値であれば、特に限定されるものではないため、本発明における第２の実施例では、第１の実施例に記載した封止樹脂と同一組成の封止樹脂を用いた。
【００３２】
なお、本発明はその趣旨から、光半導体素子としては，上記に記載する面発光レーザ素子と同様に、公知の技術で製造される面型受光素子を用いることも可能である。したがって、詳細には記載しないが、この場合の受光素子としては、例えば，以下のようなものを用いることが可能である。具体的には、受光素子は、ｎ^＋−ＩｎＰ基板上に受光部となるＰＩＮホトダイオードを有しているもので、この受光部はメサ部と周辺部とから構成され、これらは基板側から１．５μｍの厚さで、ｎ＝１０^１５ｃｍ^−３のｎ−ＩｎＰバッファ層と、１．９μｍの厚さでｎ＝１０^１５ｃｍ^−３であるｎ−Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓの光吸収層と１．０μｍの厚さでｐ＝１０^１６ｃｍ^−３のＩｎＰ層の積層構造となっているものである。
【００３３】
また、上記実施例では光配線層が１層の例について説明したが、たとえば、図７に示すように多層構造にしても良く、さらに、波長の異なる面発光レーザ素子を複数設けても良い。
【００３４】
次に，以上の様に製造した本発明による光半導体装置の性能を評価したところ以下の結果を得ることができた。
まず、上記に記載した面発光レーザ素子を８×８配置でレイアウトした面発光レーザアレイ素子において、従来までの技術によりチップ周囲にワイヤーボンディングするためのＩ／Ｏ電極を配置した場合の面発光レーザアレイ素子のチップ寸法は，１ｍｍ×１ｍｍであったが、本発明に記載する方法では、Ｉ／Ｏ電極をチップ周囲に配置するための信号配線が不要になり、さらに、チップ寸法もＩ／Ｏ電極により律速されることがなくなり、結果として１ｍｍ×１ｍｍの面発光レーザアレイ素子が実現でき、光半導体素子の小型化が実現できた。
【００３５】
さらに、本発明による構造では、面発光レーザ素子からの光出力部と配線基板上の光入力部との間がはんだ環状電極により完全に覆われているため、従来までの方法では、約−５ｄＢ程度あったクロストークは本発明では確認されなかった。またこ、の光入出力部における光結合損失は約０．２ｄＢ程度であり、光インターコネクション技術として用いるには問題のない値であった。
さらにまた、本発明による構造の放熱特性を評価した結果、面発光レーザアレイ素子と配線基板との熱抵抗は、第１の実施例では約２０Ｗ／℃、第２の実施例では１５Ｗ／℃であり、従来までの技術での熱抵抗が３０Ｗ／℃であったことと比較すると、その放熱特性が極めて向上されていることが確認された。
【００３６】
さらに、本発明による光半導体装置の信頼性評価を行ったところ次のような結果を得た。なお、信頼性試験評価は本発明の第１の実施例に記載した光半導体装置で行った。そして、面発光レーザ素子を光入力部とした６４個の環状電極とそれに対応する６４個のバンプ電極の合計１２８個において、１箇所でも接続がオープンになった場合を不良にして評価した。サンプル数は１０００個を評価して、温度サイクル条件は（−５５℃（３０ｍｉｎ）〜２５℃（５ｍｉｎ）〜１２５℃（３０ｍｉｎ）〜２５℃（５ｍｉｎ））で行った。
評価の結果、封止樹脂を配置しない構造では、１０００サイクルで接続不良が発生して２０００サイクルで接続不良が１００％になった。ところが封止樹脂を配置した構造では、３５００サイクルまで接続不良は発生せず、光半導体素子のフリップチップ実装の接続信頼性が極めて向上することが確認された。
【００３７】
以上の結果から、本発明による光半導体装置は、発光素子または受光素子を有する光半導体素子に対して、配線基板と光結合効率が高く、光半導体素子の小型化が可能なフリップチップ実装構造の光半導体装置を、放熱特性と接続信頼性を確保しながら容易に実現できる、これまでの問題を解決できる有効性の高いものであることが確認された。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更可能である。例えば、本実施例中では搭載される配線基板は，石英基板に対して記載したが、ポリマー導波路を有するガラスエポキシ基板から構成される構造の配線基板を用いても良く、さらに、光半導体素子に搭載される受発光素子数とその材料構成についても特に限定されるものではない。したがって、当然ながら、光半導体素子として、同一チップ上に発光素子と受光素子が搭載される集積型の光半導体素子を用いても良く、さらに、光半導体素子と配線基板が作る隙間部分に封止する樹脂、配線基板と接続する環状電極数とその環状電極の平面的な断面形状などについても限定されるものではない。
以上説明したように、本発明の実施例によれば、これまでの技術では実現が困難であった接続信頼性の高いアレイ型の光半導体素子のフリップチップ実装を容易に実現できる。さらに、光半導体素子の主面の受発光素子配置領域上に光半導体素子と接続する第２電極を形成することができるため、アレイ型の光半導体素子をワイヤーボンディングで接続する場合に必要となっていたチップ周囲のＩ／Ｏ電極配置に必要な電気信号配線が不要になり、Ｉ／Ｏ電極で律速となっていた光半導体素子の高集積化も可能になることから、結果として光半導体素子の小型化が実現できる。
【００３８】
特に、本発明では、受発光素子部を接続する第１電極上に環状電極をはんだなどを形成して、光半導体素子をフリップチップ実装するため、受発光素子を光半導体チップ上で近接配置した場合でも、信号伝送を行う光を環状電極内部に完全に閉じ込めることができることから、クロストークなどの問題も解決することができる。
【００３９】
さらに本発明の実施例によれば、光半導体素子と接続する第２電極上に、内部に銅などの高融点金属を配置して、その周囲にはんだなどの低融点金属を配置してバンプ電極を構成しているため、第１電極上に形成する環状電極だけでは困難であった、光半導体素子と配線基板の作る隙間寸法を厳密に制御することができる。特に、第１金属周囲に配置した、はんだなどの第２金属により、光半導体素子の配線基板に対するセルフアライメント効果が効率的に向上するため、光半導体素子と配線基板の光導波路などの位置合わせ精度が向上して、受発光素子と光導波路との結合効率も極めて向上させることができる。なお、このバンプ電極は、熱伝導性の高い金属を第１の金属とすることで光半導体素子からの熱を配線基板に効率的に放熱させることもできる。
【００４０】
さらに、本発明の実施例によれば、第１の電極上に形成する環状電極により、光半導体素子と配線基板の作る隙間部分に接続信頼性を向上させる封止樹脂を配置しても、受発光素子部に封止樹脂が流入することがなくなるため、封止樹脂による光強度劣化などの問題を効果的に解決することができる。なお、この効果は、光半導体素子の熱膨張係数と配線基板の熱膨張係数を考慮した封止樹脂として、石英フィラなどを含有する封止樹脂を容易に用いることができる点で特に効果的である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、発光素子または受光素子をから構成される面型の光半導体素子を、電気配線層と光配線層を有する配線基板に高い接続信頼性でフリップチップ実装する光半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光半導体装置の第１の実施例を示す平面図。
【図２】本発明に係る光半導体装置の第１の実施例を示す第１の部分拡大断面図。
【図３】本発明に係る光半導体装置の第１の実施例を示す部分拡大平面図。
【図４】本発明に係る光半導体装置の第１の実施例を示す第２の部分拡大断面図。
【図５】本発明に係る光半導体装置の第２の実施例を示す第１の部分拡大断面図。
【図６】本発明に係る光半導体装置の第２の実施例を示す第２の部分拡大断面図。
【図７】本発明に係る光半導体装置の変形例を示す断面図。
【図８】従来の技術を説明するための図
【図９】従来の技術を説明するための図
【符号の説明】
１光半導体素子
２面型発光素子
３発光部
４バンプ電極
５環状電極
６第１の電極
７第２の電極
８光入力部
９第１の金属
１０第２の金属
１１光配線層
１２電気配線層
１３配線基板
１４光伝送部
１５第３の金属
１６封止樹脂

Claims

少なくとも１つの発光素子または受光素子を有する光半導体素子を、電気絶縁部と電気伝送部からなる電気配線層および光絶縁部と光伝送部からなる光配線層を有する配線基板上に搭載する光半導体装置において、
前記光半導体素子上に配置される前記発光素子または受光素子は、前記各素子周囲に配置される第１の電極上に形成され、前記発光素子または前記受光素子で出射された光信号を光伝送する光伝送部を備えた環状電極により、前記配線基板に主面が対向して前記光配線層の前記光伝送部に光学的に接続されており、
また、前記光半導体素子上には、前記発光素子または受光素子と接続される第２の電極が前記各素子に対応して形成されており、前記第２の電極上には、内部に第１の金属とその周囲に第２の金属を配置したバンプ電極が形成されており、前記バンプ電極を構成する前記第１の金属は前記第２の金属の融点よりも高い材料で構成されており、前記光半導体素子と前記配線基板との距離は，前記第１の金属の高さとほぼ同一であり、前記光半導体素子は、前記バンプ電極により前記配線基板に主面が対向して前記電気配線層の前記電気伝送部に接続されており、前記発光素子または受光素子と前記配線基板とで構成される隙間には樹脂が封止されていることを特徴とする光半導体装置。
前記光半導体素子裏面上には、前記発光素子または受光素子と接続される第３の電極が形成されており、前記第３の電極は前記光半導体素子よりも大きい寸法と熱伝導性を有する導電性材料板が接続されており、前記導電性材料板には、内部に第１の金属とその周囲に第２の金属を配置したバンプ電極が形成されており、前記バンプ電極を構成する前記第１の金属は前記第２の金属の融点よりも高い材料で構成され、前記バンプ電極の高さ寸法は前記光半導体素子の厚み寸法と前記環状電極の高さ寸法との総和以上の寸法を有することを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
前記第１の電極上に形成する環状電極と、前記バンプ電極を構成する第２の金属は、Ｐｂ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｂｉから選択される金属またはこれら金属を主成分とする合金から構成され、前記バンプ電極を構成する第１の金属は，Ａｌ，Ａｕ，Ｗ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｐｄから選択される金属またはこれら金属を主成分とする合金で構成されていることを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
前記発光素子は面発光型レーザであって、前記受光素子はフォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。