KR100444233B1 - 서브마운트 일체형 포토다이오드 및 이를 이용한 레이져다이오드 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수광영역의 형상을 개선한 서브 마운트 일체형 포토 다이오드 패키지 및 이를 이용한 레이저 다이오드 패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체기판의 상부에 형성되는 수광영역을 레이저 다이오드로부터의 출사광의 방사면적에 일치하도록 형성하여 기존에 비해 칩 크기를 줄이고, 동일한 모니터링 전류값을 유지하도록 하며, 방열특성이 향상된 일체형 레이저 다이오드에 관한 것이다.

본 발명은 수광영역이 반도체기판의 상면에 부착되며, 상기 레이저 다이오드의 출사광의 방사면과 같은 형상으로 상기 수광영역이 형성되며, 그에 인접하도록 형성되는 금속층을 포함하는 일체형 레이저 다이오드 패키지를 제공한다.

Description

서브마운트 일체형 포토다이오드 및 이를 이용한 레이져 다이오드 패키지{PHOTO DIODE AND LASER DIODE PACKAGE USING THAT}

본 발명은 금속층의 형상을 개선한 일체형 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체기판의 상부에 레이저 다이오드로부터의 출사광의 방사면적에 일치하도록 수광영역을 형성하며, 상기 수광영역에 인접하여 전극을 형성하며 또한 방열기능을 하는 금속층을 형성하여, 기존에 비해 칩 크기를 줄이고, 동일한 모니터링 전류값을 유지하도록 하며, 방열특성이 향상되도록 하는 서브마운트 일체형 포토 다이오드 및 그를 사용한 레이저 다이오드 패키지에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 다이오드 패키지는 레이저 다이오드로부터의 출사광을 이용하여 광 픽업 시스템에 사용되는 것으로, 상기 레이저 다이오드 패키지에 사용되는 포토 다이오드는 이러한 출사광의 반사되는 양을 검출하여 레이저 다이오드의 출력을 조절하게 된다. 즉, 레이저 다이오드(Laser Diode)는 레이저가 출광될 때 발생되는 총 출광량중 약 10~30%를 뒤쪽으로 방사하며, 이러한 방사되는 빛 신호를 포토 다이오드(Photo Diode)에서 감지하여 전기적 신호(Im;monitoring current)로 바꾸어주게 된다. 이때 레이저 다이오드는 포토 다이오드에서 나온 전기적 신호를 통해 동일한 정격 파워가 계속해서 출력되도록 센싱(SENSING)될 수 있는 것이다.

상기 레이저 다이오드는 광을 출사할 때 열이 발생하게 되는데, 발생 온도가 높아질수록 레이저 다이오드의 출력은 낮아지는 특성을 갖는다. 따라서 높은 온도로 인해 레이저 다이오드의 출력이 낮아지게 되면, 동일 출력을 유지하기 위해 레이저 다이오드에서는 점점 높은 입력 파워가 가해지게 되는데, 이는 다시 더 높은 열의 발생으로 이어져서 레이저 다이오드의 신뢰성이나 불량의 가장 큰 원인이 되기도 한다. 따라서 방열을 고려한 레이저 다이오드의 설계가 중요한 것이다.

통상적으로 레이저 다이오드에 사용되는 포토 다이오드는 도 1a에 도시한 바와 같이 단품형 포토 다이오드(110)와, 도 1B에 도시한 바와 같은 일체형 포토 다이오드(120)가 있게 된다. 단품형 포토 다이오드는 레이저 다이오드가 장착되는 서브마운트(SUBMOUNT)와 포토 다이오드가 별도로 분리되어 있는 것으로, 이는 서브마운트에 일체로 포토 다이오드가 장착되고 그 상부에 레이저 다이오드가 장착되는일체형과 구분된다. 일체형 포토 다이오드를 사용하는 경우 단품형 포토 다이오드에 비해 재료비가 적게 들며, 조립공정수를 줄일 수 있다는 장점이 있으나, 방열특성이 나빠지게 되어 레이저 다이오드의 온도가 높아지게 되는 단점이 있다. 하지만, 이러한 일체형 포토 다이오드의 경우 원가를 줄일 수 있고 소형화시키는데 있어서 장점이 있기 때문에 점점 적용이 확대되어 나가는 추세에 있기 때문에 최적화된 방열 설계의 필요성 또한 높아지고 있다.

상술한 바와 같은 일체형 포토 다이오드의 종래의 방열 설계는 도 2에 도시한 바와 같다.

상기 도 2에서는 레이저 다이오드(210)의 하단에 Al층(또는 금속층,230)이 형성되어 있으며, 상기 Al층에 인접하여 수광영역(220)이 형성된다. 상기의 수광영역은 레이저 다이오드의 방사특성을 고려하지 않고 단순히 사각형으로 설계되어 있다. 그러나, 이러한 방열 설계는 상기 전기적 신호(Im)에는 영향을 주지않는 필요없는 수광영역을 고려하지 않은 설계인 것이다.

따라서, 본 발명에서는 상기의 레이저 다이오드의 방사특성을 고려하여 수광영역이 형성되도록 하며, 또한 이에따라서 금속층을 설계하여 최적의 방열 성능을 나타낼 수 있는 레이저 다이오드 패키지를 제공하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 포토 다이오드의 상부면에 형성되는 수광영역과 금속층의 형상을 레이저의 방사면적을 고려하여 최적으로 설계하여 레이저 다이오드 패키지의 크기를 줄이면서 종래와 같은 모니터링 전류값을 확보할 수 있도록 하며, 종래에 비하여 향상된 방열 특성을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1A는 종래의 단품형 포토 다이오드를 사용한 레이저 다이오드 패키지를 도시한 단면도이다.

도 1B는 종래의 일체형 포토 다이오드를 사용한 레이저 다이오드 패키지를 도시한 단면도이다.

도 2는 종래의 일체형 포토 다이오드의 수광영역을 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 포토 다이오드를 포함한 레이저 다이오드 패키지를 도시한 사시도이다.

도 4는 레이저 다이오드의 출사광이 포토 다이오드의 수광영역에 투광되는 것을 도시한 사시도이다.

도 5는 본 발명에 의한 방열 설계에 따른 레이저 다이오드 패키지의 평면도이다.

도 6A 내지 도 6C는 본 발명에 의한 레이저 다이오드 패키지의 금속층의 여러 변형 실시예를 도시한 것이다.

도 7A 및 도 7B는 레이저 다이오드의 출사광의 각 방향별 방사각을 측정한 그래프로서, 도 7A는 수평방향, 도 7B는 수직방향 값이다.

도 8은 본 발명에 의한 레이저 다이오드 패키지의 방열량을 측정하기 위한 온도측정 위치를 도시한 것이다.

도 9A,B는 본 발명에 의한 레이저 다이오드 패키지의 실험치와 시뮬레이션 값의 일치도를 보여주기 위한 그래프로서, 도 9A는 열침(HEAT SINK)이 없을 경우, 도 9B는 열침이 있을 경우를 도시한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1:레이저 다이오드 2:포토 다이오드

10:레이저 다이오드 패키지 11,61,71:금속층

12,62,72:P+ 영역 13:반도체기판

17:출사광 20:케이싱

30:리드 프레임

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 레이저 다이오드를 실장하는 서브 마운트 일체형 포토 다이오드에 있어서, 하부면에 하부전극이 형성되는 반도체 기판; 상기 반도체기판의 상부면에 형성되며, 상기 레이저 다이오드의 출사광이 상기 반도체기판의 상부면에 형성하는 단면과 같은 형상으로 형성되어 상기 레이저 다이오드의 출사광을 수광하는 수광영역; 상기 수광영역에 인접하고, 상기 수광영역을 제외한 나머지 상부면을 덮도록 형성되는 금속층; 및 상기 반도체기판 상에 위치하며, 상기 금속층 상부에 형성되어 상기 레이저 다이오드를 실장하도록 하는 접합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 서브 마운트 일체형 포토 다이오드 및 이를 이용한 레이저 다이오드 패키지를 제공한다.

또한, 본 발명의 서브 마운트 일체형 포토 다이오드 및 이를 이용한 레이저 다이오드 패키지에 있어서, 상기 수광영역은 상기 레이저 다이오드 부착위치에 근접한 위치에서부터 상기 반도체 기판의 끝단부로 갈수록 넓어지는 삼각형상을 이루는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 의한 서브 마운트 일체형 포토 다이오드를 포함한 레이저 다이오드 패키지와 리드 프레임이 결합된 상태를 도시한 사시도이다. 도 3에서는 본 발명에 의한 형상의 수광영역과 금속층(11)이 일체형 포토 다이오드(2) 상에 형성되어 있고, 포토 다이오드(2) 상면의 일측에는 레이저 다이오드(1)가 장착되어 있다. 이와 같은 레이저 다이오드 패키지(10)는 리드 프레임(30)이 형성된 케이싱(20)에 도시한 바와 같이 장착된다. 바람직하게는 상기 수광영역 상면에는 상기 레이저 다이오드의 출사광의 반사를 방지하는 반사방지막(도시하지 않음)이 증착될 수 있다.

도 4는 레이저 다이오드(1)의 출사광이 포토 다이오드(2)의 수광영역(12)에 투광되는 것을 도시한 사시도이다. 레이저 다이오드(1)의 출력을 일정하게 유지하기 위해서 포토 다이오드(2) 방향으로 출사되는 광(17)의 방사형태가 도 4에 도시되어 있다. 이와 같은 출사광(17)은 수직방향(V)과 수평방향(H)으로 도 7A 및 도 7B의 그래프와 같은 방사각을 갖는다.

도 7A 및 도 7B는 레이저 다이오드의 출사광의 각 방향별 방사각을 측정한 그래프로서, 도 7A는 수평방향, 도 7B는 수직방향 값이다. 도 7A 및 도 7B에서 방사각은 각 방향 파 필드 패턴(FAR FIELD PATTERN)(FFH, FFV) 값이 1/e²(0.135) 인 경우의 각도로 정의된다. 따라서 상기 도 7A 및 도 7B의 그래프에서와 같이 세로축의 값이 0.135인 경우 각도의 변위는 수평방향으로 약 18도, 수직방향으로 약 73.3도의 값을 갖게 된다.

이러한 측정값을 기초로, 도 4에서는 출사광(17)이 포토 다이오드(2)의 수광영역(12)에 투영되는 면적을 도시하고 있으며, 이와 같은 투영 면적이 레이저 다이오드(1)의 출력을 조정하는 센서부의 역할을 하게 된다.

도 5는 본 발명에 의한 방열 설계에 따른 포토 다이오드의 평면도이다. 따라서, 본 발명에서는 상기 도 4에서와 같은 투영면적과 일치하도록 수광영역(12)을 형성하고, 그 주변부로는 금속층(11)을 형성하여 상기 레이저 다이오드(1)로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 하였다. 상기 금속층(11)은 알루미늄(Al)으로 형성되는 것이 바람직하게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 금속층(11)은 N-타입 반도체기판(13)의 상부에 형성되는 수광영역(12)에 인접하여 형성된다. 수광영역(12)은 레이저 다이오드(1)와 가까운 부위에서부터 반도체 기판(13)의 끝단부로 갈수록 그 폭이 넓어지는 삼각형상으로 형성된다. 따라서 상기 금속층(11)은 상기 수광영역(12)를 제외한 반도체기판의 나머지 상부면을 덮게 되는 것이며, 이러한 금속층(11)을 통하여 레이저 다이오드(1)에서 발생되는 열이 방출되는 것이다.

도 6A 내지 도 6C는 본 발명에 의한 레이저 다이오드의 금속층 및 수광영역의 여러 변형 실시예를 도시한 것이다. 도 6A에서 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 수광영역(12)은 포토 다이오드(2)를 구성하는 반도체기판(13)의 상부에 형성되고 레이저 다이오드(1)에서 출사하는 광의 방사면적과 일치하도록 형성되어 있다. 따라서 금속층(11)은 레이저 다이오드(1)에 인접한 부위로부터 하단부로 갈수록 넓어지는 삼각형상을 갖는 수광영역(12)에 인접하여 형성된다. 본 실시예에서 상기 수광영역(12)과 전기적인 연결을 이루도록 하는 와이어를 상기 수광영역(12) 하단부에 접속시키기 위하여 하단부, 즉 하부 모서리부분은 금속층(12)에 의해 덮이지 않고 p+층으로 형성되는 수광영역(12)이 되도록 구성된다. 따라서, 레이저 다이오드(1)로부터의 출사광과 만나지 않는 부분(14)에 와이어 접합을 형성하게 된다.

도 6B에서는 본 발명에 의한 레이저 다이오드 패키지의 다른 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서는 상기 도 6A의 수광영역(62) 하단부에 수평으로 노출된 부분이 확장되어 거의 직사각형의 형상을 갖도록 수광영역(62)이 형성되며, 상기 금속층(61)은 상기 수광영역(62)에 인접하여 반도체기판의 상부면에 형성된다. 이에 의해 금속층(61)은 수광영역인 P+ 영역(62)이 상기와 같은 형태로 형성되도록 레이저 다이오드(1)에서부터 일정위치까지만 덮이게 된다. 이와 같은 구성은 상기 도 6A에서 와이어 접합을 형성한 위치(14)가 수광영역의 중앙부위 측면(64)으로 변경되도록 하여, 전체적인 레이저 다이오드 패키지의 소형화에 따라서 와이어 접합을 형성할 공간을 확보하기 힘든 경우를 고려한 설계인 것이다. 따라서 이와 같은 실시예에 의해 보다 소형화된 레이저 다이오드 패키지에 본 발명에 의한 방열설계를 적용할 수 있게 되는 것이다.

도 6C는 본 발명에 의한 레이저 다이오드 패키지의 또 다른 실시예이다. 도 6C에서는 상기 도 6B의 금속층(61)의 형상을 좀더 최적화하여, 삼각형상을 이루는 수광영역(72)과 상기 수광 영역(72)의 상부 측면에 돌출되어 형성되는 와이어 접합 영역(74)을 결합하여 도시한 바와 같은 수광영역(72)이 형성되도록 하였다. 이와 같은 금속층(71)과 수광영역(72)에 의해 소형의 레이저 다이오드 패키지에 적용가능하고 가장 바람직한 방열을 이룰 수 있는 구조를 얻게 된다.

도 8은 본 발명에 의한 레이저 다이오드 패키지의 방열량을 측정하기 위한 온도측정 위치를 도시한 것이고, 도 9A,B는 본 발명에 의한 레이저 다이오드 패키지의 실험치와 시뮬레이션 값의 일치도를 보여주기 위한 그래프로서, 도 9A는 열침(HEAT SINK)이 없을 경우, 도 9B는 열침이 있을 경우를 도시한 것이다.

본 발명에 의한 금속층을 사용한 레이저 다이오드 패키지의 온도를 측정하기 위하여 시뮬레이션을 통한 온도측정 방법을 사용하였다. 일반적으로 온도 측정에 사용되는 방법은 크게 열전대(Thermo Couple)을 이용한 접촉식과 적외선이나 열화상 카메라를 이용한 비접촉식 방법 등이 흔히 사용되나, 레이저 다이오드의 경우 레이저 다이오드 칩 사이즈가 통상적으로 300×250㎛로 매우 작기 때문에 레이저 광을 출사할 경우 칩의 온도를 직접 측정하는 것은 매우 어렵게 된다. 따라서 레이저 다이오드의 방열설계는 실험이 아니라 시물레이션(simulation)을 이용하여 온도상승을 예측함으로써 행하게 된다. 이러한 시뮬레이션을 통하여 예측된 온도가 낮을수록 우수한 방열설계가 되는 것이다.

이러한 시뮬레이션을 통한 온도 측정을 위한 가정 및 경계조건은 다음과 같다.

·레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 사이 및 포토 다이오드와 서브마운트의 리드 프레임 사이의 접촉 열저항은 없다.

·레이징 시의 출력 전력을 제외한 모든 전력은 열로 발생한다.

·기판과 접촉하는 리드 프레임의 끝부분의 온도는 분위기 온도와 같다.

·서브마운트의 외부는 자연대류를 형성한다.

이와 같은 가정 및 경계조건을 통한 시뮬레이션 결과가 어느 정도의 정확성을 갖고 있는 것인지를 검증하기 위해 도 8의 온도측정위치에서 열전대(Thermo Couple)을 이용하여 온도를 측정하였다. 칩의 온도를 직접 측정할 수 없는 관계로 최대한 칩의 위치와 가까운 위치를 선택하여 측정하였으며, 25, 30, 40, 50℃의 4가지 분위기 온도에 대해 측정하여 비교하였다.

도 9A 및 도 9B는 실제 실험값과 비교한 시뮬레이션 검증 결과를 나타낸 그래프이다. 이때의 오차범위는 1.4 ~ 4.7% 로 시뮬레이션 결과와 실제 실험 결과가 매우 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 따라서 레이저 다이오드 패키지의 온도를 예측하는 이러한 시뮬레이션 방법 및 가정이 모두 타당함을 알 수 있는 것이다.

상기와 같이 시뮬레이션을 통한 온도 측정에 의해 본 발명에 의한 레이저 다이오드 패키지는 종래의 기존 방열 설계구조를 채택한 패키지에 비해 우수한 온도특성과 열저항 특성을 갖게 된다. 이는 아래의 표에 나타나 있다.

	기존설계	실시예1	실시예2	실시예3
레이저 다이오드 칩 크기[㎛]	1210×810	970×760	1210×630	1210×630
레이저 다이오드 칩 온도[℃]	57.8	57.2	57.1	57.0
열저항[℃/W]	376.85	369.96(1.8% ↓)	368.81(2.1% ↓)	367.66(2.4% ↓)

[표 ] 방열 설계의 비교값

상기 표와 같이, 본 발명에 의한 개선된 금속층을 사용한 레이저 다이오드 패키지는 기존의 설계에 비하여 칩 크기를 작게 할 수 있고, 칩 온도를 낮출 수 있게 되며, 열저항 값 또한 낮아짐을 알 수 있다.

상기와 같은 실시예의 경우, 기존에 비해 면적기준으로 약 22% 이상의 소형화를 이룰 수 있게 되고, 열저항 기준으로 약 2.1% 이상 성능이 우수하게 된다. 또한, 기존과 동일한 모니터링 전류값(Im)을 확보할 수 있게 되어 우수하다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 금속층의 형상을 레이저의 방사면적을 고려하여 방사면적과 동일하게 P+ 영역을 노출시키도록 설계하여, 레이저 다이오드피키지의 크기를 줄이면서 종래와 같은 모니터링 전류값을 확보할 수 있도록 하며, 종래에 비하여 향상된 방열 특성을 제공할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (10)

1. 레이저 다이오드를 실장하는 서브 마운트 일체형 포토 다이오드에 있어서,

   하부면에 하부전극이 형성되는 반도체 기판;

   상기 반도체기판의 상부면에 형성되며, 상기 레이저 다이오드의 출사광이 상기 반도체기판의 상부면에 형성하는 단면과 같은 형상으로 형성되어 상기 레이저 다이오드의 출사광을 수광하는 수광영역;

   상기 수광영역에 인접하고, 상기 수광영역을 제외한 나머지 상부면을 덮도록 형성되는 금속층; 및

   상기 반도체기판 상에 위치하며, 상기 금속층 상부에 형성되어 상기 레이저 다이오드를 실장하도록 하는 접합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 서브 마운트 일체형 포토 다이오드.
2. 제 1항에 있어서, 상기 수광영역은 상기 레이저 다이오드 부착위치에 근접한 위치에서부터 상기 반도체 기판의 끝단부로 갈수록 넓어지는 삼각형상을 이루는 것을 특징으로 하는 서브 마운트 일체형 포토 다이오드.
3. 제 2항에 있어서, 상기 수광영역은 상기 삼각형상의 끝단부가 상기 반도체 기판의 모서리면을 따라서 수평으로 형성되도록 하여, 상기 레이저 다이오드로부터의 출사광이 도달하지 않는 영역에 와이어 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 서브 마운트 일체형 포토 다이오드.
4. 제 2항에 있어서, 상기 수광영역은 상기 삼각형상의 일측변에 상기 반도체 기판의 측면을 향해 돌출되도록 형성되어, 그 부위에 와이어 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 서브 마운트 일체형 포토 다이오드.
5. 제 2항에 있어서, 상기 수광영역의 삼각형상 부분은 상기 레이저 다이오드 부착위치에 근접한 위치에서부터 상기 반도체 기판의 중앙부까지 형성되며, 상기 중앙부에서 끝단부까지는 반도체 기판의 끝단면을 한 변으로 하는 사각형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 서브 마운트 일체형 포토 다이오드.
6. 서브 마운트와 포토 다이오드 일체형 레이저 다이오드 패키지에 있어서,

   하부면에 하부전극이 형성되는 반도체 기판;

   상기 반도체기판의 상부면에 형성되며, 상기 레이저 다이오드의 출사광을 수광하는 수광영역;

   상기 수광영역에 인접하고, 상기 수광영역을 제외한 나머지 상부면을 덮도록 형성되는 금속층;

   상기 반도체기판 상에 위치하며, 상기 금속층 상부에 형성되어 상기 레이저 다이오드를 실장하도록 하는 접합층; 및

   상기 접합층의 상부면에 실장되는 레이저 다이오드를 포함하고,

   상기 수광영역은 상기 레이저 다이오드의 출사광이 상기 반도체기판의 상부면에 형성하는 단면과 같은 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
7. 제 6항에 있어서, 상기 수광영역은 상기 레이저 다이오드 부착위치에 근접한 위치에서부터 상기 반도체 기판의 끝단부로 갈수록 넓어지는 삼각형상을 이루는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
8. 제 7항에 있어서, 상기 수광영역은 상기 삼각형상의 끝단부가 상기 반도체 기판의 모서리면을 따라서 수평으로 형성되도록 하여, 상기 레이저 다이오드로부터의 출사광이 도달하지 않는 영역에 와이어 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
9. 제 7항에 있어서, 상기 수광영역은 상기 삼각형상의 일측변에 상기 반도체 기판의 측면을 향해 돌출되도록 형성되어, 그 부위에 와이어 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
10. 제 7항에 있어서, 상기 수광영역의 삼각형상 부분은 상기 레이저 다이오드 부착위치에 근접한 위치에서부터 상기 반도체 기판의 중앙부까지 형성되며, 상기 중앙부에서 끝단부까지는 상기 반도체 기판의 끝단면을 한 변으로 하는 사각형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.