KR100532580B1 - 광 펌핑 반도체 칩 및 그를 이용한 수직 외부 공동 표면방출 레이저 시스템 - Google Patents

광 펌핑 반도체 칩 및 그를 이용한 수직 외부 공동 표면방출 레이저 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 펌핑 반도체 칩 및 그를 이용한 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템에 관한 것으로, 광 펌핑 반도체 칩은 제 1 전류 방지층 상부에 복수개의 흡수층들이 적층되어 있고; 그 흡수층들 사이 각각에는 양자우물층이 개재되어 있고; 상기 흡수층들의 최상위 흡수층 상부에는 제 2 전류 방지층이 형성되어 있으며; 상기 제 2 전류 방지층 상부에, 상기 제 2 전류 방지층의 폭(W1)보다 작은 폭(W2)을 갖는 DBR(Distributed Bragg Reflection) 미러가 형성되어 구성된다.
따라서, 본 발명은 광 펌핑 반도체 칩의 DBR 미러를 펌핑광이 조사되는 일정면적만 남기고 나머지는 제거함으로써, DBR 미러의 체적을 작게 하여 열방출을 원활히 수행할 수 있는 효과가 발생한다.

Description

광 펌핑 반도체 칩 및 그를 이용한 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템 {Optical pumped semiconductor chip and vertical external cavity surface emitting laser system using the same }
본 발명은 광 펌핑 반도체 칩 및 그를 이용한 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 펌핑 반도체 칩의 DBR 미러를 펌핑광이 조사되는 일정면적만 남기고 나머지는 제거함으로써, DBR 미러의 체적을 작게 하여 열방출을 원활히 수행할 수 있는 광 펌핑 반도체 칩 및 그를 이용한 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 레이저는 어떤 특정지역에 전자와 정공(hole)이 존재하고, 이들의 유도 방출(Stimulated emission)에 의해 발생된다.
이러한 전자와 정공은 광학적인 펌핑(Optical pumping)에 의한 방법과 전기적인 펌핑(Electrical pumping)에 의한 방법으로 공급된다.
여기서, 광학적인 펌핑은 전기적인 펌핑에 의해 전자와 정공을 주입하기 어려운 경우 사용된다.
예를 들어, P타입 도핑을 하기 힘든 물질의 경우, 정공의 이동이 어렵고 저항이 커져, 레이저가 제대로 발진하기 힘든 경우이다.
그래서, 대부분의 경우 광학적인 펌핑에서 전기적인 펌핑으로 만들기 위해 많은 노력을 하고 있다.
한편, 표면 방출 레이저는 최초 개발되었을 때, 전기적인 펌핑에 의해 발진시키기가 어려워서 광학적인 펌핑으로 발진시켰으나, 기술의 발전으로 인해 지금은 대부분 전기적인 펌핑으로 발진시킨다.
그러나, 표면 방출레이저는 전기적인 펌핑으로 얻을 수 있는 출력이 매우 제한적이고, 출력이 상승하더라도 기본적인 모드(Fundamental mode)의 레이저를 얻기가 힘들다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 넓은 지역에 균일하게 전하를 공급해 줄 수 있는 광학적인 펌핑을 사용한다.
이 기술은 수직방출형 외부 공진기 구조의 광펌핑(Optical Pumped Semiconductor Vertical External Cavity Surface Emitting Laser, OPS VECSEL )에 적용되어 기본적인 모드에서 고출력의 레이저를 구현할 수 있다.
그리고, 표면 방출레이저의 경우 에피(Epi) 성장방향으로 미러(Mirror)를 만들어 주어야 한다.
GaAs/AlAs와 같은 반도체로 반사율을 큰 미러를 만들려면 굴절율 차가 적기 때문에 많은 층을 쌓아야 한다는 단점이 있고, SiO2, SiN, TiO2와 같은 유전체를 이용하여 미러를 만드는 경우는 큰 굴절율 차로 인해 비교적 적은 층을 쌓아도 반사율을 크게 만들 수 있지만, 열전도도가 저하되는 단점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 수직 외부 공동 표면 방출 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser, VECSEL) 시스템의 개략적인 구조를 도시한 도면으로서, 히트 싱크(10) 상부에 광 펌핑 반도체(Optical Pumped Semiconductor, OPS)칩(20)을 본딩하고, 펌핑 소스(Pumping source)(30)에서 OPS칩(20)으로 레이저를 펌핑(Pumping)하면, 상기 OPS칩(20) 내에 DBR(Distributed Bragg Reflection) 미러와 외부의 출력 미러(40) 사이에 공진이 발생되어, 레이저가 발진하게 된다.
발생된 레이저는 출력 미러(40)를 통해 외부로 방출되게 된다.
이 때, OPS칩(20)으로 광이 펌핑될 때, 발생되는 많은 열은 히트싱크(Heat sink)를 통하여 외부로 방출된다.
그리고, 상기 펌핑 소스(30)는 OPS칩(20)에서 얻고자하는 파장보다 짧은 파장을 갖는 레이저는 사용하는 것이 효율적이다.
또한, 상기 펌핑 소스(30)의 입사각은 흡수를 최대로 하는 적당한 각을 선택해야 한다.
도 2는 종래 기술에 따른 광 펌핑 반도체(Optical Pumped Semiconductor, OPS) 칩의 개략적인 구조를 도시한 단면도로서, OPS칩(20)은 DBR 미러층(21) 상부에 제 1 전류 방지층(Current blocking layer)(22)이 형성되어 있고, 상기 제 1 전류 방지층(22) 상부에 복수개의 흡수층들(23)이 적층되어 있으며, 그 흡수층들 사이 각각에는 양자우물층(24)이 개재되어 있고, 최상위 흡수층 상부에는 제 2 전류 방지층(25)이 형성되어 있다.
여기서, 상기 흡수층들(23)은 펌핑 소스에 의해 캐리어를 발생시키는 영역이고, 펌핑 소스의 파장보다 작은 에너지 밴드 갭(Energy band gap)을 갖는 것이 흡수에 용이하다.
그러므로, 상기 흡수층들(23)에서 광을 흡수해 생성된 캐리어들은 양자 우물층(Quantum well)으로 이동하여 재결합하여 광을 방출하게 된다.
이렇게, 발생된 광은 아직 각기 다른 파장과 위상을 갖는 자연 방출(Spontaneous emission)에 의한 것으로, 이 광이 레이저가 되기 위해서는 양쪽의 미러 사이에서 자발적인 방출이 되어야 한다.
이를 위해, 한쪽은 도 1에서와 같이 외부에 출력 미러를 사용하고, 다른 한쪽은 OPS칩(20)에 형성된 DBR 미러(21)를 사용하게 된다.
상기 DBR 미러(21)는 GaAs/AlGaAs와 같은 반도체 물질을 수십층 사용하여 HR(High reflection)미러를 만들거나, SiO2/TiO2 또는 Si/SiN과 같은 유전체 물질을 사용하여 미러를 만든다.
도 3은 종래 기술에 따라 6개의 Si/SiN층 적층된 DBR 미러의 파장에 따른 반사율을 측정한 그래프로서, 850nm의 파장에 대해 반사율이 99.7%정도이다.
도 4는 종래 기술에 따라 6개의 Si/SiN층 및 GaAs/AlAs층이 각각 적층된 DBR 미러의 파장에 따른 반사율을 측정한 그래프로서, Si/SiN과 GaAs/AlAs 두 물질이 적층된 수에 따른 반사율을 측정한 것이다.
99.9%의 반사율을 얻기 위해서, 도 4 그래프의 'A'를 참조하면 Si/SiN이 적층된 DBR 미러는 7개층이 적층되어야 하며, 'B'를 참조하면 GaAs/AlAs이 적층된 DBR 미러는 20개층 정도로 적층되어야 한다.
즉, GaAs과 AlAs의 굴절율의 차이가 유전체 물질에 비해 작기 때문에, 많은 층을 쌓아야 원하는 반사율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
한편, OPS칩의 흡수층에서는 광을 흡수할 때, 발생하는 열과 비 발광 재결합에 의해 열이 발생하게 되는데, DBR 미러가 두꺼워지면 열을 방출하는데 불리해짐으로, 두께를 얇게 만드는 것이 출력을 높일 수 있게 하는데 도움이 된다.
그러나, Si/SiN등과 같은 유전체는 굴절율 차가 크기 때문에, 두께는 줄일 수 있으나 열전도율이 좋지 않은 문제점이 발생된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 광 펌핑 반도체 칩의 DBR 미러를 펌핑광이 조사되는 일정면적만 남기고 나머지는 제거함으로써, DBR 미러의 체적을 작게 하여 열방출을 원활히 수행할 수 있는 광 펌핑 반도체 칩 및 그를 이용한 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 제 1 전류 방지층 상부에 복수개의 흡수층들이 적층되어 있고;
그 흡수층들 사이 각각에는 양자우물층이 개재되어 있고;
상기 흡수층들의 최상위 흡수층 상부에는 제 2 전류 방지층이 형성되어 있으며;
상기 제 2 전류 방지층 상부에, 상기 제 2 전류 방지층의 폭(W1)보다 작은 폭(W2)을 갖는 DBR(Distributed Bragg Reflection) 미러가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 펌핑 반도체 칩이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 제 1 전류 방지층 상부에 복수개의 흡수층들이 적층되어 있고; 그 흡수층들 사이 각각에는 양자우물층이 개재되어 있고; 상기 흡수층들의 최상위 흡수층 상부에는 제 2 전류 방지층이 형성되어 있으며; 상기 제 2 전류 방지층 상부에, 상기 제 2 전류 방지층의 폭(W1)보다 작은 폭(W2)을 갖는 DBR 미러가 형성되어 있는 광 펌핑 반도체 칩과,
상기 광 펌핑 반도체 칩의 DBR 미러가 존재하는 제 2 전류 방지층이 상부면에 접착제로 본딩되어 있는 히트 싱크와;
상기 광 펌핑 반도체 칩으로 광을 펌핑하는 펌핑 소스와;
상기 펌핑 소스에서 펌핑된 광에 의해 상기 OPS칩에서 발진된 광이 상기 DBR 미러와 함께 공진시켜 발생된 레이저광을 외부로 출력하는 출력 미러로 구성된 광 펌핑 반도체 칩을 이용한 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 광 펌핑 반도체(Optical Pumped Semiconductor) 칩의 개략적인 구조를 도시한 단면도로서, 본 발명에 따른 OPS칩(120)은 제 1 전류 방지층(121) 상부에 복수개의 흡수층들(123)이 적층되어 있으며, 그 흡수층들(123) 사이 각각에는 양자우물층(124)이 개재되어 있고, 최상위 흡수층 상부에는 제 2 전류 방지층(125)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 제 2 전류 방지층(125) 상부에, 상기 제 2 전류 방지층(125)의 폭(W1)보다 작은 폭(W2)을 갖는 DBR 미러(126)가 형성되어 있다.
상기 DBR 미러(126)는 GaAs, AlAs와 AlGaAs 중 선택된 물질을 교대로 적층한 다수 적층막, SiO2과 TiO2의 다수 적층막과, Si과 SiN의 다수 적층막 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 DBR 미러(126)는 SiO2과 TiO2의 다수 적층막 또는 Si과 SiN의 다수 적층막 등의 유전체 박막을 사용하는 것이 가장 바람직하며, 이는 작은 적층수, 즉, 두께를 얇게 하여도 고 반사율을 실현할 수 있게 된다.
그리고, 상기 제 2 전류 방지층(125)의 폭(W1)보다 작은 폭(W2)을 갖는 DBR 미러(126)을 형성함으로써, DBR 미러의 체적을 작게 하여 열방출을 원할히 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명에 따른 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템의 개략적인 구성도로서, 도 5에 도시된 OPS(Optical Pumped Semiconductor)칩(120)의 DBR 미러가 존재하는 전류 방지층이 히트 싱크(100) 상부에 솔더(150)와 같은 접착제로 본딩되어 있고, 상기 OPS칩(120)으로 광을 펌핑하는 펌핑 소스(130)가 설치되어 있고, 상기 펌핑 소스(130)에서 펌핑된 광에 의해 상기 OPS칩(120)에서 발진된 광이 상기 DBR 미러와 함께 공진시켜 발생된 레이저광을 외부로 출력하는 출력 미러(140)가 정렬되어 있다.
여기서, 상기 OPS칩(120)의 DBR 미러는 상기 펌핑 소스(130)에서 펌핑된 광이 OPS칩(120)에 조사된 영역의 하부에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 펌핑 소스(130)에서 펌핑된 광이 OPS칩(120)에 조사된 영역은 수㎛ ~ 수백㎛이므로, 상기 OPS칩(120)의 DBR 미러(126)의 폭(W2)은 10㎛ ~ 1000㎛인 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 DBR 미러를 일정면적만 남기고, 나머지는 제거함으로써, 두께가 얇아 열적으로 우수한 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템을 구현할 수 있게 된다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 광 펌핑 반도체 칩의 DBR 미러를 펌핑광이 조사되는 일정면적만 남기고 나머지는 제거함으로써, DBR 미러의 체적을 작게 하여 열방출을 원활히 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 수직 외부 공동 표면 방출 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser, VECSEL) 시스템의 개략적인 구성도
도 2는 종래 기술에 따른 광 펌핑 반도체(Optical Pumped Semiconductor, OPS) 칩의 개략적인 구조를 도시한 단면도
도 3은 종래 기술에 따라 6개의 Si/SiN층 적층된 DBR 미러의 파장에 따른 반사율을 측정한 그래프
도 4는 종래 기술에 따라 Si/SiN층 및 GaAs/AlAs층이 각각 적층된 DBR 미러의 파장에 따른 반사율을 측정한 그래프
도 5는 본 발명에 따른 광 펌핑 반도체 칩의 개략적인 구조를 도시한 단면도
도 6은 본 발명에 따른 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템의 개략적인 구성도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 히트싱크 120 : OPS칩
121,125 : 전류방지층 123 : 흡수층
124 : 양자우물층 126 : DBR 미러
130 : 펌핑 소스 140 : 출력 미러

Claims (6)

  1. 제 1 전류 방지층 상부에 복수개의 흡수층들이 적층되어 있고;
    그 흡수층들 사이 각각에는 양자우물층이 개재되어 있고;
    상기 흡수층들의 최상위 흡수층 상부에는 제 2 전류 방지층이 형성되어 있으며;
    상기 제 2 전류 방지층 상부에, 상기 제 2 전류 방지층의 폭(W1)보다 작은 폭(W2)을 갖는 DBR(Distributed Bragg Reflection) 미러가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 펌핑 반도체 칩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 DBR 미러는,
    SiO2과 TiO2의 다수 적층막 또는 Si과 SiN의 다수 적층막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 펌핑 반도체 칩.
  3. 제 1 전류 방지층 상부에 복수개의 흡수층들이 적층되어 있고; 그 흡수층들 사이 각각에는 양자우물층이 개재되어 있고; 상기 흡수층들의 최상위 흡수층 상부에는 제 2 전류 방지층이 형성되어 있으며; 상기 제 2 전류 방지층 상부에, 상기 제 2 전류 방지층의 폭(W1)보다 작은 폭(W2)을 갖는 DBR 미러가 형성되어 있는 광 펌핑 반도체 칩과,
    상기 광 펌핑 반도체 칩의 DBR 미러가 존재하는 제 2 전류 방지층이 상부면에 접착제로 본딩되어 있는 히트 싱크와;
    상기 광 펌핑 반도체 칩으로 광을 펌핑하는 펌핑 소스와;
    상기 펌핑 소스에서 펌핑된 광에 의해 상기 광 펌핑 반도체 칩에서 발진된 광이 상기 DBR 미러와 함께 공진시켜 발생된 레이저광을 외부로 출력하는 출력 미러로 구성된 광 펌핑 반도체 칩을 이용한 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 DBR 미러는,
    GaAs, AlAs와 AlGaAs 중 선택된 물질을 교대로 적층한 다수 적층막, SiO2과 TiO2의 다수 적층막과, Si과 SiN의 다수 적층막 중 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 펌핑 반도체 칩을 이용한 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광 펌핑 반도체 칩의 DBR 미러는,
    상기 펌핑 소스에서 펌핑된 광이 상기 광 펌핑 반도체 칩에 조사된 영역의 하부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 펌핑 반도체 칩을 이용한 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광 펌핑 반도체 칩의 DBR 미러의 폭(W2)은 10㎛ ~ 1000㎛인 것을 특징으로 하는 광 펌핑 반도체 칩을 이용한 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 시스템.
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