KR100327106B1 - 반도체 레이저 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광통신 시스템의 핵심 부품인 반도체 레이저에 관한 것으로, 반도체 레이저와 모니터 포토다이오드의 광결합 구조를 단순화·소형화하여 패키징 공정에 필요한 난이도를 줄이고, 비용을 절감하며, 반도체 레이저 어레이의 패키징에 있어서도 공정의 난이도와 패키지 구조의 변화가 없이 모니터 포토다이오드를 사용할 수 있도록 하는 반도체 레이저 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 달성하기 위하여 본 발명의 특징적인 반도체 레이저 모듈은 반도체 레이저와, 상기 반도체 레이저를 구동하기 위한 구동 회로와, 상기 반도체 레이저로부터의 광신호를 전달하기 위한 광학계를 포함하여 이루어진 반도체 레이저 모듈에 있어서, 상기 반도체 레이저 상부의 후방부에 제공되는 모니터 포토다이오드와, 상기 반도체 레이저의 후방부에 소정 간격 이격되어 배치되어, 상기 반도체 레이저의 도파로로부터의 광출력을 반사하여 상기 모니터 포토다이오드에 전달하는 반사체를 포함하여 이루어진다.

Description

반도체 레이저 모듈

본 발명은 광통신 분야에 사용되는 광소자에 관한 것으로, 특히 광통신 시스템의 핵심 부픔인 반도체 레이저 모듈에 관한 것이다.

광통신을 위해서는 전기신호를 광신호로 변환하여 송신하는 반도체 레이저 모듈과 역으로 광신호를 전기신호로 변환하여 수신하는 포토다이오드 모듈이 필수적이다.

반도체 레이저 모듈의 기본적인 구성 요소는 반도체 레이저와 이를 구동하기 위한 구동 IC(Integrated Circuit), 그리고 광신호를 전달하기 위한 광섬유 등을 포함하는 광학계 등이며, 이와 더불어 반도체 레이저의 광출력을 안정적으로 유지하기 위하여 그 출력을 감시하는 모니터 포토다이오드가 통상적인 구성 요소로서 포함된다.

모니터 포토다이오드는 반도체 레이저의 광출력을 수신하여 이를 전기신호로 변환한 후 구동IC에 전달하며, 구동 IC는 이 정보를 바탕으로 하여 적정한 전압으로 반도체 레이저를 구동함으로써 안정된 광출력을 유지하게 한다. 이를 위하여 모니터 포토다이오드는 반도체 레이저가 기판에 접합된 방식에 무관하게 반도체 레이저의 후방부에 위치한다.

즉, 첫째로, 광섬유와 반도체 레이저를 능동정렬 방식으로 광결합을 이루기 위해서는, 먼저 반도체 레이저를 다이아몬드나 알루미나 재질 등의 기판 상에 다이 본딩(backside down)하며 반도체 레이저의 후방부에는 모니터 포토다이오드를 90°로 세워서 별도의 마운트에 다이 본딩 한다. 이후 반도체 레이저 및 모니터 포토다이오드 각각에 와이어 본딩을 하여 전기적으로 기판과 연결을 한 후 반도체 레이저를 구동시키면서 광섬유를 반도체 레이저의 전면에서 정밀하게 정렬하여 레이저 웰딩 등의 방법으로 고정한다.

둘째로, 수동정렬 방식에서는 반도체 레이저, 모니터 포토다이오드, 그리고 광섬유를 기판 위에 지정된 장소에 플립칩 본딩 등의 방법으로 정밀하게 접착하면 광결합이 완성된다.

그러나, 두가지 정렬방법 모두 다 별도의 모니터 포토다이오드를 실장하고 와이어 본딩하기 위한 패키지 공간과 정밀한 공정이 요구되어 패키징 비용의 상승 요인이 된다. 더욱이 향후에 유력시되는 파장분할 방식의 광통신에는 두개 이상 수십 개가 일렬로 연결된 어레이(array) 형태의 반도체 레이저를 사용하게 되는데, 이때 능동정렬 방식의 패키징에서는 모니터 포토다이오드의 크기와 그에 따른 패키지 구조 및 공정의 복잡성 등이 크게 증가하여 모니터 포토다이오드의 사용이 매우 어려워지며, 수동정렬 방식으로 패키징을 할 경우에도 수십 개가 일렬로 연결되어 동작하는 모니터 포토다이오드의 별도 제작에 비용이 많이 들게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 반도체 레이저와 모니터 포토다이오드의 광결합 구조를 단순화·소형화하여 패키징 공정에 필요한 난이도를 줄이고, 비용을 절감하며, 반도체 레이저 어레이의 패키징에 있어서도 공정의 난이도와 패키지 구조의 변화가 없이 모니터 포토다이오드를 사용할 수 있도록 하는 반도체 레이저 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 모니터 포토다이오드가 집적된 반도체 레이저의 사시도.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따라 능동정렬 방식으로 실장된 반도체 레이저를 가지는 반도체 레이저 모듈의 단면도.

도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 수동정렬 방식으로 실장된 반도체 레이저를 가지는 반도체 레이저 모듈의 단면도.

도 3은 도 2b에 도시된 반도체 레이저 모듈의 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 반도체 레이저 2 : 모니터 포토다이오드

3 : p형 InGaAs층 4 : 비도핑된 InP층

5 : 비도핑된 InGaAs층(광 흡수층) 6 : n형 InP층

7 : 공통 전극 8 : 모니터 포토다이오드의 n 전극

9 : n형 InP 반도체 기판 9a : 도파로

10 : 반도체 레이저의 n 전극 11 : 실리콘 질화막

12 : 플립칩 본딩용 패드 13 : 반사체

14 : 광섬유 15 : 광섬유 코어

16 : 수동정렬용 실리콘 기판 17 : 광 반사용 V자형 홈

18 : 솔더 범프 19 : 광섬유 정렬용 V자형 홈

20 : 모니터 포토다이오드 집적형 반도체 레이저

21 : 회로기판과의 전기적 연결을 위해 본딩된 와이어

22 : 능동정렬용 기판

23 : 공통전극에 연결된 와이어 본딩 패드

24 : 모니터 포토다이오드의 n 전극에 연결된 와이어 본딩 패드

우선, 본 발명은 기술적 원리는 모니터 포토다이오드를 반도체 레이저에 집적하여 제작하고, 기판에 접착된 모니터 포토다이오드 집적형 반도체 레이저의 후방부로 방출되는 광을 반사체를 이용하여 반사시켜 반도체 레이저에 집적된 모니터 포토다이오드에 광결합되는 구조를 갖도록 하는 것이다.

즉, 본 발명에 적용되는 모니터 포토다이오드 집적형 반도체 레이저는 통상의 n형(p형) 반도체 기판에 형성된 반도체 레이저 구조 위에 모니터 포토다이오드 구조를 적층 시켜 놓은 형태를 가지며, 이때 반도체 레이저와 모니터 포토다이오드 구조의 사이에 있는 p형(n형) 반도체층은 서로 동일한 층을 공유하여 수직으로 형성된 n-p-n(p-n-p) 구조를 이루게 된다.

본 발명의 특징적인 반도체 레이저 모듈은 능동정렬 방식으로 실장된 반도체 레이저와, 상기 반도체 레이저를 구동하기 위한 구동 회로와, 상기 반도체 레이저로부터의 광신호를 전달하기 위한 광학계를 포함하여 이루어진 반도체 레이저 모듈에 있어서, 상기 반도체 레이저 상부의 후방부에 제공되는 모니터 포토다이오드와, 상기 반도체 레이저의 후방부에 소정 간격 이격되어 배치되어, 상기 반도체 레이저의 도파로로부터의 광출력을 반사하여 상기 모니터 포토다이오드에 전달하는 반사체를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 특징적인 반도체 레이저 모듈은 수동정렬 방식으로 실장된 반도체 레이저와, 상기 반도체 레이저를 구동하기 위한 구동 회로와, 상기 반도체 레이저로부터의 광신호를 전달하기 위한 광학계를 포함하여 이루어진 반도체 레이저 모듈에 있어서, 광섬유 정렬용 V자형 홈을 가진 기판 상에 플립칩 본딩된 상기 반도체 레이저의 후방부에 제공되는 모니터 포토다이오드; 상기 반도체 레이저의 후방부에 소정 간격 이격되어 배치되어, 상기 도파로로부터의 광출력을 반사하여 상기 모니터 포토다이오드에 전달하는 반사체를 포함하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상술한다.

우선, 도 1은 모니터 포토다이오드 집적형 반도체 레이저(20)를 도시한 것으로, 이하 이의 구조 및 제조 공정을 간략히 살펴본다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 모니터 포토다이오드 집적형 반도체 레이저(20)는 크게 보면 평면 매립형 이종접합 구조 반도체 레이저(planar buried heterostructure laser diode)(1)와 InGaAs 모니터 포토다이오드(2)가 집적된 구조를 가지고 있다.

우선, 통상적인 반도체 레이저 제조 공정에 따라 유기금속 기상 결정 성장법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 액상 에피 결정 성장법(Liquid Phase Epitaxy) 등과 같은 결정 성장 방법을 사용하여 InP 계열의 반도체 레이저를 제조한다. 계속하여, 반도체 레이저 구조 상부에 비도핑된 InP층(4), 광흡수층인 비도핑된 InGaAs층(5) 및 n형 InP층(6)을 차례로 성장시킨 다음, 이들을 역순으로 선택적으로 식각함으로써 모니터 포토다이오드 영역을 정의한다. 이때, 모니터 포토다이오드(2)는 반도체 레이저(1)의 후방부에 위치하게 된다.

그리고, 실리콘 질화막(11)으로 모니터 포토다이오드의 광흡수창 영역과 전극을 정의하고, 저항성 접촉을 이루는 금속을 사용하여 p형 InGaAs층(3)과 저항성 접촉을 이루는 반도체 레이저와 모니터 포토다이오드의 공통전극(7), n형 InP층(6)과 저항성 접촉을 이루는 모니터 포토다이오드의 n 전극(8)을 각각 형성하여 웨이퍼 전면 공정을 완료한다. 이때, 플립칩 본딩을 위해서는 본딩된 칩의 기계적 안정성을 위하여 전극 패드 이외에 여분의 플립칩 본딩용 패드(12)를 다수개 형성한다.

이후 웨이퍼의 뒷면을 일정 두께로 연마한 후 n형 InP 반도체 기판(9)과 저항성 접촉을 이루는 금속을 증착하여 반도체 레이저의 n쪽 전극(10)을 형성하고, 일정 크기로 벽개(cleaving)하여 단위 칩으로 분리함으로써 모니터 포토다이오드 집적형 반도체 레이저(20) 제조를 완료한다.

상기한 공정을 통하여 제조된 모니터 포토다이오드 집적형 반도체 레이저는 광섬유 및 모니터 포토다이오드와 광결합을 이루기 위하여 실장되는데, 이때, 이를 능동정렬 방식 또는 수동정렬 방식을 사용하여 실장할 수 있으며, 그 구조 및 광결합 원리를 각각 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

설명 및 이해의 편의를 도모하기 위하여 도 1에서 사용된 도면 부호가 지시하는 바와 같은 부분에 대하여 동일한 도면 부호를 사용하였다.

먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 능동정렬 방식을 사용하여 실장할 경우, 모니터 포토다이오드 집적형 레이저 다이오드(20)를 다이아몬드 또는 알루미나 재료의 능동정렬 기판(22)에 다이 본딩하고, 실리콘 재료 등의 반사체(13)가 반도체 레이저(1)의 도파로(9a) 방향과 수직하게 마주보도록 모니터 포토다이오드(2) 후방부에 실장한 다음, 회로기판과의 전기적 연결을 위하여 와이어 본딩하고, 전기적으로 레이저 다이오드(1)를 구동시키면서 최대의 광결합이 이루어지도록 광섬유(14)의 코어(15)와 도파로(9a)가 일치되게 정렬함으로써 능동정렬 방식의 광모듈이 제작된다.

여기서, 반사체(13)는 반사율을 높이기 위하여 그 표면에 Au, Al 등의 금속을 코팅할 수 있다. 또한, 반사체(13)는 통상적으로 직육면체 형태를 가지지만, 모니터 포토다이오드와의 광결합 효율 조정이나 광의 산란 방지 등의 목적으로 직육면체가 아닌 다른 다면체로 제작할 수도 있다.

제작된 광모듈의 p형 공통전극(7)과 반도체 레이저의 n 전극(10)에 전류를 인가하여 반도체 레이저(1)를 발진시키면 반도체 레이저의 도파로(9a)의 양쪽으로 광이 나오는데 전방부로 방출되는 광은 광섬유 코어(15)와 광결합되고 후방부, 즉 모니터 포토다이오드(2) 쪽으로 나오는 광은 반사체(13)에서 반사되어 모니터 포토다이오드의 광흡수층(5)으로 흡수되어 전류로 변환되고, 이 전류 성분은 역바이어스 전압이 걸린 p형 공통전극(7)과 모니터 포토다이오드의 n 전극(8)을 통하여 외부 회로로 검출된다.

다음으로, 수동정렬 방법으로 광소자와 광섬유의 광결합을 이루는 경우, 모니터 포토다이오드의 광결합 원리를 도 2b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

모니터 모토다이오드 집적형 반도체 레이저(20)를 모니터 포토다이오드 쪽 면이 아래쪽을 향하게 하여 실리콘 등으로 제작한 수동정렬용 기판(16) 위에 플립칩 본딩하고, 반사체(13)를 능동정렬 방식에서와 마찬가지로 모니터 포토다이오드(2) 쪽에 실장한 다음, 광섬유(14)를 광섬유 정렬용 V자형 홈(19)에 정렬함으로써 수동정렬 방식의 광소자 모듈을 완성한다.

수동정렬용 기판(16) 상의 플립칩 본딩 패드의 위치 및 광섬유 정렬용 V자형 홈(19)의 폭은 도파로(9a)와 광섬유 코어(15)가 일렬로 정렬되도록 설계한다. 광소자의 플립칩 본딩에는 솔더 범프(18)를 사용하지만, 이를 Au 등의 재료로 형성하여도 무방하다.

또한, 모니터 포토다이오드(2)는 절개면 뿐 아니라 표면에서도 수광이 가능하므로, 모니터 포토다이오드(2)의 아래쪽 기판에 반사체(13) 쪽으로 광반사용 V자형 홈(17)을 형성하면, 반사체(13)에서 직접 반사된 광이 모니터 포토다이오드(2)의 절개면으로 흡수될 뿐 아니라 V자형 홈(17)에서 2차 반사된 광 역시 모니터 모니터 포토다이오드(2)의 표면을 통하여 흡수되므로 광결합율을 높일 수 있다. 이때, V자형 홈(17)에서의 반사율을 더욱 높이기 위해서는 반사용 V자형 홈(17)의 표면에 Au 등의 금속을 코팅할 수 있다. 그리고, 반사된 광이 반도체 레이저의 도파로(9a)로 역 흡수되는 것을 방지하기 위하여 도파로(9a)와 수직하게 마주보는 반사물(8)의 반사면을 반도체 레이저의 수직방향 최대 발산각(θ_h)의 1/2 보다 큰 각(> θ_h/2)으로 아래쪽을 향하도록 반사물(8)을 제작하면 반사물(8)에서 반사된 광이 모니터 포토다이오드 집적형 반도체 레이저(20)의 절단면으로 반사되지 않고 광반사용 V자형 홈(17)을 경유하여 모니터 포토다이오드(2)의 표면으로 흡수된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광모듈을 도 3에 예시하였다.

도시된 바와 같이 p형 공통전극에 연결된 와이어 본딩 패드(23)와 반도체 레이저의 n 전극(10)에 전류를 인가하여 반도체 레이저(1)를 발진시키면 반도체 레이저(1)의 도파로(9a)의 양쪽으로 광이 나오는데 전방으로 방출되는 광은 광섬유 정렬용 V자형 홈(19)에 정렬된 광섬유 코어(15)와 광결합되고 후방, 즉 모니터 포토다이오드(2) 쪽으로 나오는 빛은 반사체(13)에서 반사되어 직접 혹은 광반사용 V자형 홈(17)을 통하여 모니터 포토다이오드의 광흡수층(5)으로 흡수되어 전류로 변환되고, 이 전류 성분은 역바이어스 전압이 걸린 p형 공통전극(7)과 모니터 포토다이오드(1)의 n 전극에 연결된 와이어 본딩 패드(24)를 통하여 외부 회로로 검출된다.

미설명 도면 부호 "21"은 회로기판과의 전기적 연결을 위해 본딩된 와이어를 나타낸 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 반도체 레이저와 모니터 포토다이오드의 광결합 구조를 단순화·소형화하여 패키징 공정에 필요한 난이도를 줄이고, 별도의 모니터 포토다이오드를 제작하고 실장하는데 소요되는 비용을 절감하며 어레이 반도체 레이저의 패키징에 있어서도 공정의 난이도와 패키지 구조의 변화가 없이 모니터 포토다이오드를 손쉽게 사용할 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 능동정렬 방식으로 실장된 반도체 레이저와, 상기 반도체 레이저를 구동하기 위한 구동 회로와, 상기 반도체 레이저로부터의 광신호를 전달하기 위한 광학계를 포함하여 이루어진 반도체 레이저 모듈에 있어서,

   상기 반도체 레이저 상부의 후방부에 제공되는 모니터 포토다이오드와,

   상기 반도체 레이저의 후방부에 소정 간격 이격되어 배치되어, 상기 반도체 레이저의 도파로로부터의 광출력을 반사하여 상기 모니터 포토다이오드에 전달하는 반사체

   를 포함하여 이루어진 반도체 레이저 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반도체 레이저는 평면 매립형 이종접합 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 반사체의 표면에 금속이 코팅된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
4. 수동정렬 방식으로 실장된 반도체 레이저와, 상기 반도체 레이저를 구동하기 위한 구동 회로와, 상기 반도체 레이저로부터의 광신호를 전달하기 위한 광학계를 포함하여 이루어진 반도체 레이저 모듈에 있어서,

   광섬유 정렬용 V자형 홈을 가진 기판 상에 플립칩 본딩된 상기 반도체 레이저의 후방부에 제공되는 모니터 포토다이오드;

   상기 반도체 레이저의 후방부에 소정 간격 이격되어 배치되어, 상기 도파로로부터의 광출력을 반사하여 상기 모니터 포토다이오드에 전달하는 반사체

   를 포함하여 이루어진 반도체 레이저 모듈.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 반도체 레이저는 평면 매립형 이종접합 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 반사체의 표면에 금속이 코팅된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 반사체의 반사면은 상기 반도체 레이저의 수직방향 최대 발산각의 1/2 보다 큰 각도로 아래쪽을 향하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
8. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 기판은 상기 모니터 포토다이오드 하부로부터 상기 반사체에 이르는 광반사용 V자형 홈을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 광반사용 V자형 홈의 표면에 금속이 코팅된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
10. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

    상기 반도체 레이저는 플립칩 본딩용 패드를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
11. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

    상기 기판은 상기 반도체 레이저 및 상기 모니터 포토다이오드의 전극과 연결된 와이어 본딩용 패드를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.

Images