KR100369594B1 - 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출레이저 칩 셋 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋에 있어서, 레이저 칩 기판과, 상기 레이저 칩 기판의 상하면에 형성한 방출면과, 상기 레이저 칩 기판의 상면에는 일단이 상기 방출면과 연결되도록 형성한 애노드 패턴과, 상기 레이저 칩 기판의 배면에 형성한 캐소드 패턴 및 상기 레이저 칩 기판의 배면 각 모서리에 형성한 금속 패드를 포함한 수직 공진 표면방출 레이저 칩과; 상기 레이저 칩 기판의 하측에 설치된 포토 다이오드 기판과, 상기 포토 다이오드 기판의 상면에는 상기 방출면에서 방출된 광을 수광하도록 형성한 수광면과, 상기 포토 다이오드 기판의 상면에는 일단이 상기 수광면과 연결되도록 형성한 캐소드 패턴과, 상기 포토 다이오드 기판의 상면 각 모서리에 형성한 금속 패드와, 하단은 상기 각 포토 다이오드 기판의 금속 패드 상면에 부착되며 상단은 상기 레이저 칩 기판의 금속 패드 배면에 부착된 금속공과, 상기 포토 다이오드 기판의 배면에 형성한 애노드 패턴을 포함한 모니터링 포토 다이오드 칩로 구성함을 특징으로 하는 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋을 제공한다.

Description

모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋 및 그 제조 방법{VCSEL CHIP SET HAVING MONITORING PHOTO DIODE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋에 관한 것으로서, 특히 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋에 관한 것이다.

수직 공진 표면방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL, 이하 수직 공진 표면방출 레이저라 칭함)는 반도체 마이크로 레이저 다이오드(Semiconductor Micro Laser Diode)의 하나로서, 웨이퍼 표면으로부터 원형의 광을 발진시키는 소자이다. 상기 수직 공진 표면방출 레이저는 LAN, Gigabit Ethernet, FDDI, ATM과 같은 데이터 통신 분야, Laser Printer와 같은 사무용 기기 및 Encoder, Bar code scanner 등의 광원(Optical Source)으로 이용되고 있다.

상기 수직 공진 표면방출 레이저는 종래 기간망 전송용으로 사용되어 왔던 Edge Emitting Laser Diode와 비교하여 다음과 같은 장점을 가지고 있어 널리 이용되고 있다.

(1) 수직 방향 발진에 따른 구성 용이

(2) 낮은 문턱 전류

(3) 원형 모양과 낮은 발산 각도(Divergence Angle)를 가짐으로 인해 추가적인 광학 설계가 불필요

(4) 광섬유와 능동/수동 정렬시 높은 결합 효율

(5) 웨이퍼 레벨에서 테스트가 가능하여 낮은 가격

(6) 낮은 온도 민감성(Temperature Sensitivity)

(7) 낮은 구동 전류를 가지므로 구동기 설계가 용이

(8) 광 검출기의 집적 용이

또한, 상술한 바와 같은 장점을 가지고 있는 수직 공진 표면방출 레이저는 초고속 통신망의 구축과 시스템 내 소자가 차지하는 비중을 낮추려는 추세에 따라 다음과 같은 과제를 해결하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

(1) 소형화

(2) 새로운 재료 및 발진 파장

(3) 데이터 링크

- 재성장(regrowth)과 산화(oxidation)를 이용하여 근접한 간격을 갖는 다중 파장 수직 공진 표면방출 레이저의 개발

- 광 검출기와의 집적화

- 저온 환경(cryogenic environment)에의 적응성

(4) 파장분할다중화 시스템에의 적용을 위한 다중파장 발진 Tunable 수직 공진 표면방출 레이저 개발

한편, 도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 모니터링 장치를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저를 나타낸 개략적인 사시도로서, 미국 특허번호 제5,663,944호 "VERTICAL CAVITY LASER LIGHT BEAM MONITORED BY REFLECTION OF A HALF MIRROR, WITH APPLICATION IN OPTICAL PICK-UP"에 개시된 바 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래 기술의 실시예에 따른 수직 공진 표면방출 레이저 패키지는, 레이저 광원(60)과, 상기 레이저 광원(60)으로부터 방출된 수직광(62)과 측광(64) 중 수직광(62)을 반사시키는 하프 미러(80) 및 상기 하프 미러(80)에서 반사된 수직광(82)을 수광하는 광 감지면(72)을 가진 모니터링 광 감지기(70)를 포함한다.

그러나, 종래의 수직 공진 표면방출 레이저는 수직광을 반사시키는 하프 미러의 위치를 정확히 선정해야 함에 따른 정렬상의 어려움과, 패키징시 수직 공진 표면방출 레이저 광원 위에 별도의 기구물을 설치해야 함에 따른 기술적인 어려움이 있었다.

또한, 상술한 실시예와는 달리 종래 모니터링 광 감지기와 레이저 광원을 하나의 웨이퍼에서 같이 성장시키는 방법의 경우에도 정밀한 박막 성장 기술이 요구되므로 웨이퍼 에러의 위험이 크고 그에 따라 수율이 떨어지는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 종래 구성요소들의 정렬상 어려움과 별도 기구물의 부가 설치가 없는 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 별도의 웨이퍼에서 성장시킨 칩들을 하나의 칩 셋화함으로써 높은 수율을 얻을 수 있는 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋에 있어서, 레이저 칩 기판과, 상기 레이저 칩 기판의 상하면에 형성한 방출면과, 상기 레이저 칩 기판의 상면에는 일단이 상기 방출면과 연결되도록 형성한 애노드 패턴과, 상기 레이저 칩 기판의 배면에 형성한 캐소드 패턴 및 상기 레이저 칩 기판의 배면 각 모서리에 형성한 금속 패드를 포함한 수직 공진 표면방출 레이저 칩과; 상기 레이저 칩 기판의 하측에 설치된 포토 다이오드 기판과, 상기 포토 다이오드 기판의 상면에는 상기 방출면에서 방출된 광을 수광하도록 형성한 수광면과, 상기 포토 다이오드 기판의 상면에는 일단이 상기 수광면과 연결되도록 형성한 캐소드 패턴과, 상기 포토 다이오드 기판의 상면 각 모서리에 형성한 금속 패드와, 하단은 상기 각 포토 다이오드 기판의 금속 패드 상면에 부착되며 상단은 상기 레이저 칩 기판의 금속 패드 배면에 부착된 금속공과, 상기 포토 다이오드 기판의 배면에 형성한 애노드 패턴을 포함한 모니터링 포토 다이오드 칩로 구성함을 특징으로 하는 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋을 제공한다.

또한, 본 발명은 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋의 제조 방법에 있어서, 수직 공진 표면방출 레이저 칩과 모니터링 포토 다이오드 칩을 별도로 성장시키는칩 형성 과정과; 형성된 모니터링 포토 다이오드 칩의 상면 각 모서리와 수직 공진 표면 방출 레이저 칩의 밑면 각 모서리에 금속 패턴을 형성하는 금속 패터닝 과정과; 상기 모니터링 포토 다이오드 칩에 형성한 금속패턴 위에 각각 금속공을 형성하는 금속공 형성 과정과; 상기 모니터링 포토 다이오드 칩의 금속공 위에 수직 공진 표면방출 레이저 칩을 접합하는 칩 접합 과정과; 상기 수직 공진 표면방출 레이저 칩의 애노드와 모니터링 포토 다이오드 칩의 캐소드를 각각 와이어 본딩하는 와이어 본딩 과정을 포함함을 특징으로 하는 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋을 제공한다.

도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 모니터링 장치를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저를 나타낸 개략적인 사시도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋의 분리 사시도,

도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 공진 표면방출 레이저 칩의 상면 전극 패턴을 나타낸 평면도,

도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 공진 표면방출 레이저 칩의 배면 전극 패턴을 나타낸 배면도,

도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모니터링 포토 다이오드 칩의 상면 전극 패턴을 나타낸 평면도,

도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모니터링 포토 다이오드 칩의 배면 전극 패턴을 나타낸 배면도,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋의 측면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋

110 : 수직 공진 표면방출 레이저 칩

120 : 모니터링 포토 다이오드 칩

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋의 분리 사시도이며, 도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 공진 표면방출 레이저 칩의 상면 전극 패턴을 나타낸 평면도이고, 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 공진 표면방출 레이저 칩의 배면 전극 패턴을 나타낸 배면도이며, 도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모니터링 포토 다이오드 칩의 상면 전극 패턴을 나타낸 평면도이고, 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모니터링 포토 다이오드 칩의 배면 전극 패턴을 나타낸 배면도이며, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋의 측면도이다.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋(100)은 크게 수직 공진 표면방출 레이저 칩(110)과, 상기 수직 공진 표면방출 레이저 칩(110)의 수직 하단에 접합되는 모니터링 포토 다이오드 칩(120)으로 구성된다.

1. 수직 공진 표면방출 레이저 칩

상기 수직 공진 표면방출 레이저 칩(110)은 레이저 칩 기판(112), 방출면(114), 애노드 패턴(116), 캐소드 패턴(117) 및 다수개의 금속 패드(119)를 포함한다.

상기 레이저 칩 기판(112)은 상-하단 방출(Top-bottom emitting) 특성을 가진다. 즉, 상기 레이저 칩 기판(112)은 한쪽의 반사 특성을 조절함으로써 발진하는 빛이 원형의 방출면(114)을 통해 상향과 하향으로 방출되도록 한 것이며, 다층 박막을 교대로 성장하여 상단과 하단의 DBR 패어(Distributed Bragg Reflectivity Pair) 수를 가감함으로써 반사율을 조절하여 상향과 하향으로 방출되는 빛의 양을 조절한다. N-DBR의 반사율은 100%에 가까운 99.99% 정도이며, P-DBR의 반사율은 이보다 0.3 내지 0.5% 정도 낮은데, 상대적으로 낮은 반사율을 가진 P-DBR을 통해 대부분의 빛이 방출되며, N-DBR 영역으로도 소량의 빛이 방출된다.

상기 애노드 패턴(116)은 일단이 상기 방출면(114)과 연결되도록 레이저 칩기판(112)의 상면에 형성한다. 캐리어 인젝션(Carrier injection)을 위하여 상기 애노드 패턴(116)에는 와이어 본딩후 (+)전원을 인가한다.

상기 캐소드 패턴(117)은 레이저 칩 기판(112)의 배면에 형성한 후, (-)전원을 인가하면, PN 접합에 충분한 캐리어(carrier)가 공급된다.

상기 금속 패드(119)는 레이저 칩 기판(112)의 배면 각 모서리에 형성한다. 상기 금속 패드(119)는 칩 접합시 후술할 모니터링 포토 다이오드 칩(120)의 금속공(126) 상단과 접하게 된다.

2. 모니터링 포토 다이오드 칩

상기 모니터링 포토 다이오드 칩(120)은 역방향 바이어스를 통하여 PN접합의 공핍 영역(Depletion region) 폭을 늘려 입사되는 광자(Photon)의 수를 전기 신호로 변환하는 역할을 하며, 이를 위해 역방향 바이아스가 가해진다. 상기 모니터링 포토 다이오드 칩(120)은 포토 다이오드 기판(122), 수광면(123), 캐소드 패턴(124), 금속 패드(125), 금속공(126) 및 애노드 패턴(127)을 포함한다.

상기 포토 다이오드 기판(122)은 칩 접합시 레이저 칩 기판(112)의 수직 하단에 설치된다. 상기 포토 다이오드 기판(122)은 상면에 원형의 수광면(123)을 가진다. 상기 수광면(123)은 수직 공진 표면방출 레이저 기판(112)의 배면 방출면(114)으로부터의 하향 광을 수광하도록 상기 포토 다이오드 기판(122)의 상면에 형성한다.

상기 캐소드 패턴(124)은 일단이 상기 수광면(124)과 연결되도록 상기 포토다이오드 기판(122)의 상면에 형성한다.

상기 금속 패드(125)는 상기 포토 다이오드 기판(122)의 상면 각 모서리에 형성한다. 상기 금속 패드(125) 위에는 금속공(126)이 형성된다.

상기 금속공(126)은 플립 칩 본딩(Flip chip bonding) 공정에 의해 상기 포토 다이오드 기판(122)의 각 금속 패드(125) 상면에 부착되며, 상기 모니터링 포토 다이오드 칩(120)과 수직 공진 표면방출 레이저 칩(110)이 상호 접합될 때 상단이 상기 레이저 칩 기판(112) 배면의 금속 패드(119)에 부착된다. 상기 금속공(126)은 수직 공진 표면방출 레이저 칩((110)과 모니터링 포토 다이오드 칩(120)을 접지시키는 역할을 한다. 상기 금속공(126)은 금(Au)과 같은 금속 재질을 사용하며, 직경 20 ~ 30 ㎛ 정도의 크기로 형성한다.

상기 애노드 패턴(127)은 포토 다이오드 기판(122)의 배면에 형성한다. 상기 애노드 패턴(127)에는 와이어 본딩후 (+)전원을 인가함으로써 광 검출을 위한 역 바이아스 연결을 한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋(100)은 크게 칩 형성 과정, 금속 패터닝 과정, 금속공 형성 과정, 칩 접합 과정 및 와이어 본딩 과정을 포함한 제조 과정에 의해 제조된다.

상기 칩 형성 과정은 수직 공진 표면방출 레이저 칩(110)과 모니터링 포토 다이오드 칩(120)을 별도로 성장시키는 과정이다.

상기 금속 패터닝 과정은 형성된 모니터링 포토 다이오드 칩(120)의 상면 각모서리와 수직 공진 표면 방출 레이저 칩(110)의 밑면 각 모서리에 금속 패드(119, 125)를 형성하는 과정이다.

상기 금속공 형성 과정은 상기 모니터링 포토 다이오드 칩(120)에 형성한 금속 패드(125) 위에 각각 플립 칩 본딩에 의한 금속공(126)을 형성하는 과정이다.

상기 칩 접합 과정은 상기 모니터링 포토 다이오드 칩(120)의 금속공(126) 위에 수직 공진 표면방출 레이저 칩(110)을 접합하는 과정이다.

상기 와이어 본딩 과정은 상기 수직 공진 표면방출 레이저 칩(110)의 애노드 패턴(116)과 모니터링 포토 다이오드 칩(120)의 캐소드 패턴(127)을 각각 와이어 본딩하는 과정이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋 및 그 제조 방법은 수직 공진 표면방출 레이저 칩과 모니터링 포토 다이오드 칩을 별도로 성장시킨 후 플립 칩 본딩에 의해 상호 접합하여 칩 셋을 구성하므로, 수직 공진 표면방출 레이저 칩의 방출면과 모니터링 포토 다이오드 칩의 수광면간 정렬이 용이하고, 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋을 구성하는데 있어 개별 칩을 이용하므로 높은 수율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋에 있어서,

   레이저 칩 기판과, 상기 레이저 칩 기판의 상하면에 형성한 방출면과, 상기 레이저 칩 기판의 상면에는 일단이 상기 방출면과 연결되도록 형성한 애노드 패턴과, 상기 레이저 칩 기판의 배면에 형성한 캐소드 패턴 및 상기 레이저 칩 기판의 배면 각 모서리에 형성한 금속 패드를 포함한 수직 공진 표면방출 레이저 칩과;

   상기 레이저 칩 기판의 하측에 설치된 포토 다이오드 기판과, 상기 포토 다이오드 기판의 상면에는 상기 방출면에서 방출된 광을 수광하도록 형성한 수광면과, 상기 포토 다이오드 기판의 상면에는 일단이 상기 수광면과 연결되도록 형성한 캐소드 패턴과, 상기 포토 다이오드 기판의 상면 각 모서리에 형성한 금속 패드와, 하단은 상기 각 포토 다이오드 기판의 금속 패드 상면에 부착되며 상단은 상기 레이저 칩 기판의 금속 패드 배면에 부착된 금속공과, 상기 포토 다이오드 기판의 배면에 형성한 애노드 패턴을 포함한 모니터링 포토 다이오드 칩로 구성함을 특징으로 하는 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 금속공은 플립 칩 본딩에 의해 부착됨을 특징으로 하는 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 금속공은 금으로 이루어짐을 특징으로 하는 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋.
4. 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋의 제조 방법에 있어서,

   수직 공진 표면방출 레이저 칩과 모니터링 포토 다이오드 칩을 별도로 성장시키는 칩 형성 과정과;

   형성된 모니터링 포토 다이오드 칩의 상면 각 모서리와 수직 공진 표면 방출 레이저 칩의 밑면 각 모서리에 금속 패턴을 형성하는 금속 패터닝 과정과;

   상기 모니터링 포토 다이오드 칩에 형성한 금속패턴 위에 각각 금속공을 형성하는 금속공 형성 과정과;

   상기 모니터링 포토 다이오드 칩의 금속공 위에 수직 공진 표면방출 레이저 칩을 접합하는 칩 접합 과정과;

   상기 수직 공진 표면방출 레이저 칩의 애노드와 모니터링 포토 다이오드 칩의 캐소드를 각각 와이어 본딩하는 와이어 본딩 과정을 포함함을 특징으로 하는 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋의 제조 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 금속공 형성 과정은 플립 칩 본딩에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 모니터링 포토 다이오드를 구비한 수직 공진 표면방출 레이저 칩 셋의 제조 방법.