JP2009021430A - 面型光素子及び光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】アンダーフィル樹脂を設けても歩留り及び信頼性の低下を防止することが可能な面型光素子及び光モジュールを提供する。
【解決手段】半導体基板２には、活性層７を含む半導体積層体１が設けられており、その所定範囲が絶縁層３によって仕切られることにより、発光部１１が形成されている。発光部１１の発光面には、絶縁層４を介してｐ電極１２及びｎ電極１３が設けられ、この電極１２，１３と発光部１１の間には、発光部１１の周囲に露出する絶縁層４等よりも濡れ性が悪い特性を有する帯状の阻止層１５Ａ，１５Ｂが設けられている。阻止層１５Ａ，１５Ｂは、面発光素子１０をサブマウント等に実装したときに施されるアンダーフィル樹脂の発光面への浸入を阻止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、面型光素子及び光モジュールに関する。

例えば、光配線及び電気配線を一体化した光電複合基板に面型光素子をフリップチップ実装した光モジュールがある。このような構成によれば、光モジュールの小型化及び薄型化が図れると共に、寄生容量やインダクタンスを低減することができる。このため、信号伝送の高速化、及びはんだバンプのセルフアライメント効果により、調心工程を設けることなく、いわゆるパッシブアライメントで光導波路と光素子の受光面及び発光面との位置精度を確保でき、低コスト化が可能になる。

面型光素子をフリップチップ実装した光モジュールとして、基板、この基板に設けられた活性領域、基板の突出部に設けられた複数の電極パッド、及び電極パッドの活性領域側寄りに設けた接合材阻止領域を有する発光素子を、サブマウントにフリップチップ実装した構成のものがある（特許文献１参照）。この光モジュールでは、フリップチップボンディング時に電極パッド上から流れ出した接合材（はんだ等）を接合材阻止領域で阻止できるようにしている。

また、光導波路及びその端部にミラーが設けられた基板上に面型光素子をフリップチップ実装し、面型光素子とサブマウントとの間の空間にアンダーフィル樹脂を充填した構成（特許文献２参照）の光モジュールがある。

また、フリップチップ実装に適した面型光素子として、ＶＣＳＥＬ（垂直共振型面発光レーザー：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）があり、例えば、半導体基板上に半導体積層体を形成した後、発光部の周囲に凹部を設けて発光部と補強部とに区分し、上記凹部内にポリイミドを充填し、このポリイミド内に一対の電極の一方を配設し、一対の電極が発光側の同一平面上に配設されるようにした面発光レーザーが知られている（特許文献３参照）。
特開平１１−３８２４４号公報 特開２００２−９８８６３号公報 特開２００２−３６８３３４号公報

本発明の目的は、アンダーフィル樹脂を設けても歩留り及び信頼性の低下を防止することが可能な面型光素子及び光モジュールを提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の面型光素子及び光モジュールを提供する。

［１］基板と、前記基板に対して垂直な方向に光を出力する発光部あるいは入力される受光部の少なくとも一方を有する受発光部と、前記受発光部の周囲に形成され、前記受発光部の周囲の露出部よりも悪い濡れ性を有して前記受発光部へのアンダーフィル樹脂の浸入を阻止する浸入阻止領域と、を備えたことを特徴とする面型光素子。

［２］前記受発光部は、光伝送のビット数に応じた複数個からなり、これらが前記基板上に並列に配設されていることを特徴とする前記［１］に記載の面型光素子。

［３］前記浸入阻止領域は、前記複数の受発光部のそれぞれの周囲に円環状に設けられていることを特徴とする前記［２］に記載の面型光素子。

［４］前記浸入阻止領域は、前記複数の受発光部の外側を一周するように設けられていることを特徴とする前記［２］に記載の面型光素子。

［５］前記浸入阻止領域は、前記受発光部の両側に帯状に設けられていることを特徴とする前記［１］に記載の面型光素子。

［６］前記浸入阻止領域は、前記受発光部の周囲に円環状に設けられていることを特徴とする前記［１］に記載の面型光素子。

［７］前記浸入阻止領域は、フッ素樹脂層からなることを特徴とする前記［１］に記載の面型光素子。

［８］前記［１］乃至［７］のいずれかに記載の面型光素子と、光反射面を有する光伝送路を内部に有し、前記面型光素子が前記受発光部を前記光反射面に対向させてフリップチップ実装されたマウント用板材と、前記受発光部への光路を避けて前記面型光素子と前記マウント用板材との間の隙間に外部から充填されたアンダーフィル樹脂と、を備えたことを特徴とする光モジュール。

［９］前記マウント用板材は、前記受発光部に対応する領域の周囲に形成され、前記マウント用板部材の露出部よりも悪い濡れ性を有して前記受発光部への前記アンダーフィル樹脂の浸入を阻止する第２の浸入阻止領域を備えたことを特徴とする前記［８］に記載の光モジュール。

［１０］基板と、前記基板に対して垂直な方向に光を出力する発光部あるいは入力される受光部の少なくとも一方を有する受発光部と、光反射面を有する光伝送路を内部に有し、前記面型光素子が前記受発光部を前記光反射面に対向させてフリップチップ実装されたマウント用板材と、前記受発光部への光路を避けて前記面型光素子と前記マウント用板材との間の隙間に外部から充填されたアンダーフィル樹脂と、前記マウント用板材の前記受発光部に対応する領域の周囲に形成され、前記マウント用板部材の露出部よりも悪い濡れ性を有して前記受発光部への前記アンダーフィル樹脂の浸入を阻止する浸入阻止領域と、を備えたことを特徴とする光モジュール。

請求項１の面型光素子によれば、アンダーフィル樹脂を設けても歩留り及び信頼性の低下を防止することができる。

請求項２の面型光素子によれば、面型光素子をｎ個とすることにより、複数ビットによる光通信を行うことができる。

請求項３の面型光素子によれば、発光部へのアンダーフィル樹脂の浸入を発光素子ごとに阻止することができる。

請求項４の面型光素子によれば、複数の発光部に対するりアンダーフィル樹脂の浸入を１つの阻止領域により阻止することができる。

請求項５の面型光素子によれば、チップ周辺の２箇所からアンダーフィル樹脂を充填することができ、実装時のスループットを上げることができる。

請求項６の面型光素子によれば、各発光部へのアンダーフィル樹脂の浸入を全方向から阻止することができる。

請求項７の面型光素子によれば、浸入阻止領域の外側でアンダーフィル樹脂が接触する部材の濡れ性よりも悪くすることができ、面型光素子の受発光面へのアンダーフィル樹脂の浸入を阻止することができる。

請求項８の光モジュールによれば、アンダーフィル樹脂を設けても信頼性の低下を防止することができる。

請求項９の光モジュールによれば、浸入阻止領域を面型光素子とマウント用板材の一方に設けた構成と比較して、アンダーフィル樹脂を設けたことによる信頼性の低下をより一層防止することができる。

請求項１０の光モジュールによれば、アンダーフィル樹脂を設けても信頼性の低下を防止することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光モジュールを示す断面図である。図２は、図１に示す面型光素子の底面図及びサブマウントの平面図である。

（光モジュールの構成）
光モジュール１００は、発光部１１、ｐ電極１２及びｎ電極１３を有する面型光素子としての面発光素子１０と、電極パターン２１を有し、電極パターン２１にはんだバンプ１４を介して面発光素子１０が実装されたマウント用板材としてのサブマウント２０と、面発光素子１０とサブマウント２０の間に充填されたアンダーフィル樹脂３０とを備えて構成されている。

面発光素子１０は、ＶＣＳＥＬであり、図２の（ａ）に示すように、発光面には、例えば、ＧａＡｓ等の半導体が露出しており、この露出面には、上記したｐ電極１２及びｎ電極１３と、その両側に設けられ、アンダーフィル樹脂３０が発光部１１側へ浸入しないように阻止する浸入阻止領域としての阻止層１５Ａ，１５Ｂとを備えている。

阻止層１５Ａ，１５Ｂは、形状が帯状（例えば、厚さ０．１〜１０μｍ、幅５〜５０μｍ）であり、使用材料の一例を示せば、上記露出面、ｐ電極１２及びｎ電極１３に対するアンダーフィル樹脂３０の濡れ性に比べて濡れ性の悪い材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリパーフルオロブテニルビニルエーテル等からなる結晶質あるいは非晶質のフッ素樹脂層であり、その代表例に、透明性の非晶質フッ素樹脂である旭硝子株式会社製の「サイトップ（登録商標）」、不透明性の結晶質フッ素樹脂である「テフロン（登録商標）」がある。

また、阻止層１５Ａ，１５Ｂを水に対する接触角で示せば、９０°以上のものが適しており、上記以外に、９６°であるＥＴＦＥ（四フッ化エチレン−エチレン共重合体樹脂）、１０９°であるＰＦＡ（四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂）、１１５°であるＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化エチレン共重合樹脂）等がある。更には、微細構造によるもの、例えば、ＢＣＨ−ＬＡナノピン膜（：接触角１７８°）等がある。

サブマウント２０は、例えばＳｉ基板からなり、図２の（ｂ）に示すように、上記電極パターン２１と、図示しない光ファイバを固定するためのＶ溝２２と、Ｖ溝２２の端部に設けられた４５°ミラー２３を備えている。

Ｖ溝２２は、光伝送路となる光ファイバの外径に応じた角度のＶ字断面を成し、サブマウント２０の表面より内側に設けられている。

４５°ミラー２３は、面発光素子１０からの光をＶ溝２２に収納された光ファイバのコアへ反射させるためのミラーであり、サブマウント２０の所定位置に設けられた４５°の傾斜面に貼り付けられ、或いは蒸着等によって反射面が施されている。

アンダーフィル樹脂３０は、例えば、非晶質シリカからなる球状フィラーを添加したエポキシ樹脂からなる。

（面発光素子の内部構成）
図３は、図２の（ａ）の面発光素子おけるＡ−Ａ線の断面図である。

面発光素子１０は、図３に示すように、複数の半導体層からなる半導体積層体１と、ＧａＡｓからなる高抵抗の半導体基板２と、半導体積層体１に設けられた凹部１６内に埋め込まれた絶縁層３と、発光部１１以外の半導体基板２の上面に設けられた絶縁層４と、絶縁層４の上面に設けられたｐ電極１２及びｎ電極１３とから構成されている。

半導体積層体１は、半導体基板２の上面から順に積層された以下の４層からなる。すなわち、ｎ型コンタクト層５、ｎ型ＤＢＲ層６、活性層７、ｐ型ＤＢＲ層８及びｐ型コンタクト層９からなる。

図３に示す面発光素子１０は、ｎ型コンタクト層５、ｎ型ＤＢＲ層６、活性層７、ｐ型ＤＢＲ層８、ｐ型コンタクト層９、ｐ電極１２及びｎ電極１３によってＶＣＳＥＬを構成している。

絶縁層３は、例えば、ポリイミド系樹脂からなり、発光部１１を半導体積層体１の周囲から分離するために設けられる。絶縁層３で仕切られた発光部１１の周囲の半導体積層体１は、補強部として機能している。

ｎ型コンタクト層５は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなる。

ｎ型ＤＢＲ層６は、ｎ型ＡｌＡｓ層とｎ型ＡｌＧａＡｓとを交互に積層した２５ペアの多層膜である。

活性層７は、例えば、ＧａＡａウエル層とＡｌＧａＡｓバリア層とで構成され、ウエル層が３層で構成された多重量子井戸構造をしている。

ｐ型ＤＢＲ層８は、例えば、ｐ型ＡｌＡｓ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層とを交互に積層した３０ペアの多層膜からなる。

ｐ型コンタクト層９は、例えば、ｐ型ＧａＡｓからなる。

ｐ電極１２は、一端が発光部１１のｐ型コンタクト層９に接触しており、面発光素子１０の光出射口となっている。ｐ電極１２の材料は、例えば、クロムと金−亜鉛合金からなる。

ｎ電極１３は、凹部１６に埋め込まれた絶縁層３に接触するとともに、絶縁層３内を上下方向に延びるコンタクトホール１３ａを通してｎ型コンタクト層５に接続されている。つまり、ｎ電極１３は、コンタクトホール１３ａによって、ｎ型コンタクト層５に接触している。ｎ電極１３の材料は、例えば、金−ゲルマニウム合金からなる。

（光モジュールの組立工程）
図４は、光モジュールの組立工程を示す断面図である。

まず、サブマウント２０を準備し、その電極パターン２１上にはんだバンプ１４を設ける。次に、面発光素子１０をフェイスダウンにより、サブマウント２０に加熱圧着により実装する。

次に、図４の（ａ）に示すように、図示しないマイクロキャピラリーにより、面発光素子１０の１つの側面近傍にアンダーフィル樹脂３０を滴下する。

次に、図４の（ｂ）に示すように、上記とは反対側の側面近傍に、上記と同様にしてアンダーフィル樹脂３０を滴下する。

次に、図４の（ｃ）に示すように、アンダーフィル樹脂３０は、毛細管現象によって面発光素子１０とサブマウント２０の隙間に浸入し、図４の（ｄ）に示すようになる。このとき、アンダーフィル樹脂３０は、阻止層１５Ａ，１５Ｂとの濡れ性が悪いため、阻止層１５Ａ，１５Ｂより内側には浸入しない。

最後に、光モジュール１００を所定の温度に加熱し、アンダーフィル樹脂３０を硬化させる。Ｖ溝２２に光ファイバ（図示せず）を挿入し、接着剤で光ファイバをＶ溝２２に固定する。

（光モジュール１００の動作）
図１において、サブマウント２０の一対の電極パターン２１間に所定の電流を印加すると、発光部１１から垂直下方にレーザー光が出射される。このレーザー光は、４５°ミラー２３に入射して４５°の方向へ反射し、Ｖ溝２２に設置された光ファイバのコアに入射する。

［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る光モジュールを示す断面図である。図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図５に示す面発光素子の底面図及び光電複合基板の平面図である。アンダーフィル樹脂の断面形状を、図1と同じよう「ノ」の形状にしてください。

（光モジュールの構成）
光モジュール１００は、円環状の阻止層１７を有する面発光素子４０と、はんだバンプ１４を介して面発光素子４０が実装されたマウント用板材としての光電複合基板５０とを備えて構成されている。

面発光素子４０は、上記発光部１１と、上記ｐ電極１２及びｎ電極１３と、上記阻止層１７とを備えて構成されている。

阻止層１７は、阻止層１５Ａ，１５Ｂと同様にフッ素樹脂からなり、発光部１１に対して同心円に設けられている。阻止層１７は、例えば、上記「サイトップ」をスクリーン印刷で塗布し、その後に熱硬化して形成される。

光電複合基板５０は、上記４５°ミラー面２３と、角形にされた上記電極パターン２１と、光導波路４１及び図示しない配線パターンとを備えて構成されている。なお、光導波路４１は、４５°ミラー面２３と一体化されていてもよい。

光導波路４１は、光電複合基板５０の主材、例えばプリント基板内あるいは基板上に、エポキシ樹脂、フッ素化ポリイミド樹脂などで、形成される。

第２の実施の形態における光モジュール１００の組立工程及び動作は、あらかじめ光導波路が形成された光電気複合基板上に面型光素子を実装している以外は、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

（面発光素子の内部構成）
図７は、図６の（ａ）の面発光素子におけるＢ−Ｂ線の断面図である。

面発光素子４０における半導体積層体１及び半導体基板２の構成は、第１の実施の形態と同様であり、面発光素子１０との相違は、阻止層１７の形状である。

阻止層１７は、円環状を成し、図７に示すように、発光部１１の中心に対して等距離及び同一幅により、絶縁層３上に設けられている。

［第３の実施の形態］
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る光モジュールを示す断面図である。図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図８に示す面発光素子の底面図及び光電複合基板の平面図である。

本実施の形態は、第２の実施の形態において、光電複合基板５０の上面に面発光素子４０の阻止層１７の内径と同様の間隔を有して帯状の阻止層１９を形成したものであり、他は第２の実施の形態と同様に構成されている。

［第４の実施の形態］
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る面発光素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線の断面図である。

面発光素子６０は、図７に示した第２の実施の形態の面発光素子４０において、阻止層１７に代え、透明性を有し、発光部１１より大きい直径、例えば１００μｍの円形の阻止層１８を用い、発光部１１を覆うようにして阻止層１８を絶縁層４及びｎ電極１３上に設けたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

［第５の実施の形態］
図１１は、本発明の第５の実施の形態に係る面発光素子を示す平面図である。

本実施の形態は、図６の（ａ）に示した第１の実施の形態の面発光素子４０を４個用い、４ビットの信号伝送が可能な面発光素子アレイ７０にしたものである。面発光素子アレイ７０は、端子方向が同じになるようにして４つの面発光素子４０（面発光素子４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ）を１枚の基板４２上に並設して構成されている。

なお、面発光素子４０の使用数ｎは、４個に限定されるものではなく、ビット数Ｎに応じてＮ＝ｎにすることができる。

［第６の実施の形態］
図１２は、本発明の第６の実施の形態に係る面発光素子を示す平面図である。

本実施の形態は、図１１に示した第５の実施の形態において、面発光素子４０ａ〜４０ｄの阻止層１７を枠形に連結した阻止層１８を有する面発光素子アレイ７０にしたものであり、その他の構成は第５の実施の形態と同様である。

なお、本実施の形態においても、面発光素子４０の使用数ｎは、４個に限定されるものではなく、ビット数Ｎに応じてＮ＝ｎにすることができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、各実施の形態間の構成要素の組合せは任意に行うことができる。

また、上記各実施の形態においては、面発光素子１０，４０，６０が半導体レーザーによる発光素子であるとしたが、面発光素子１０，４０，６０はフォトダイオード、フォトトランジスタ等の受光素子であってもよい。この場合、発光部１１を受光部にして上記した阻止部１５Ａ，１５Ｂ，１７，１８を設ければよい。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光モジュールを示す断面図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１に示す面発光素子の底面図及びサブマウントの平面図である。 図３は、図２の（ａ）の面発光素子におけるＡ−Ａ線の断面図である。 図４（ａ）〜（ｄ）は、光モジュールの組立工程を示す断面図である。 図５は、本発明の第２の実施の形態に係る光モジュールを示す断面図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図５に示す面発光素子の底面図及びサブマウントの平面図である。 図７は、図６の（ａ）の面発光素子におけるＢ−Ｂ線の断面図である。 図８は、本発明の第３の実施の形態に係る光モジュールを示す断面図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図８に示す面発光素子の底面図及び光電複合基板の平面図である。 図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る面発光素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線の断面図である。 図１１は、本発明の第５の実施の形態に係る面型光素子を示す平面図である。 図１２は、本発明の第６の実施の形態に係る面発光素子を示す平面図である。

符号の説明

１ 半導体積層体
２ 半導体基板
３，４ 絶縁層
５ ｎ型コンタクト層
６ ｎ層型ＤＢＲ層
７ 活性層
８ ｐ型ＤＢＲ層
９ ｐ型コンタクト層
１０ 面発光素子
１１ 発光部
１２ ｐ電極
１３ ｎ電極
１３ａ コンタクトホール
１４ はんだバンプ
１５Ａ，１５Ｂ 阻止層
１６ 凹部
１７，１８，１９ 阻止層
２０ サブマウント
２１ 電極パターン
２２ Ｖ溝
２３ ４５°ミラー面
３０ アンダーフィル樹脂
４０ 面発光素子
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ 面発光素子
４１ａ コア
４１ 光導波路
４２ 基板
５０ 光電複合基板
６０ 面発光素子
７０ 面発光素子アレイ
１００ 光モジュール

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板に対して垂直な方向に光を出力する発光部あるいは入力される受光部の少なくとも一方を有する受発光部と、
   前記受発光部の周囲に形成され、前記受発光部の周囲の露出部よりも悪い濡れ性を有して前記受発光部へのアンダーフィル樹脂の浸入を阻止する浸入阻止領域と、
   を備えたことを特徴とする面型光素子。
2. 前記受発光部は、光伝送のビット数に応じた複数個からなり、これらが前記基板上に並列に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の面型光素子。
3. 前記浸入阻止領域は、前記複数の受発光部のそれぞれの周囲に円環状に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の面型光素子。
4. 前記浸入阻止領域は、前記複数の受発光部の外側を一周するように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の面型光素子。
5. 前記浸入阻止領域は、前記受発光部の両側に帯状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の面型光素子。
6. 前記浸入阻止領域は、前記受発光部の周囲に円環状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の面型光素子。
7. 前記浸入阻止領域は、フッ素樹脂層からなることを特徴とする請求項１に記載の面型光素子。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の面型光素子と、
   光反射面を有する光伝送路を内部に有し、前記面型光素子が前記受発光部を前記光反射面に対向させてフリップチップ実装されたマウント用板材と、
   前記受発光部への光路を避けて前記面型光素子と前記マウント用板材との間の隙間に外部から充填されたアンダーフィル樹脂と、
   を備えたことを特徴とする光モジュール。
9. 前記マウント用板材は、前記受発光部に対応する領域の周囲に形成され、前記マウント用板部材の露出部よりも悪い濡れ性を有して前記受発光部への前記アンダーフィル樹脂の浸入を阻止する第２の浸入阻止領域を備えたことを特徴とする請求項８に記載の光モジュール。
10. 基板と、
    前記基板に対して垂直な方向に光を出力する発光部あるいは入力される受光部の少なくとも一方を有する受発光部と、
    光反射面を有する光伝送路を内部に有し、前記面型光素子が前記受発光部を前記光反射面に対向させてフリップチップ実装されたマウント用板材と、
    前記受発光部への光路を避けて前記面型光素子と前記マウント用板材との間の隙間に外部から充填されたアンダーフィル樹脂と、
    前記マウント用板材の前記受発光部に対応する領域の周囲に形成され、前記マウント用板部材の露出部よりも悪い濡れ性を有して前記受発光部への前記アンダーフィル樹脂の浸入を阻止する浸入阻止領域と、
    を備えたことを特徴とする光モジュール。

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