KR100610950B1 - Laser diode improved in heat-dissipating structure and fabricating method therefor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열방출 효율을 높일 수 있는 전극 구조를 구비한 레이저 다이오드와 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a laser diode having an electrode structure capable of increasing heat dissipation efficiency and a method of manufacturing the same.
본 발명에 따르면, 레이저 발진을 일으키는 활성층과, 상기 활성층으로 전류를 주입하기 위한 p형 전극 및 n형 전극을 구비한 레이저 다이오드에 있어서, 패키징시 히트싱크가 부착되는 상기 p형 전극 혹은 n형 전극에 요철구조가 반복적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드가 개시된다.According to the present invention, in a laser diode having an active layer causing laser oscillation and a p-type electrode and an n-type electrode for injecting current into the active layer, the p-type electrode or the n-type electrode to which the heat sink is attached during packaging Disclosed is a laser diode characterized in that the uneven structure is repeatedly formed.
또한, 본 발명에 따른 레이저 다이오드 제조방법은, 레이저 발진을 일으키는 활성층과, 상기 활성층으로 전류를 주입하기 위한 p형 전극 및 n형 전극을 구비한 레이저 다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 p형 전극 혹은 n형 전극을 형성하는 공정이, 상기 p형 전극 혹은 n형 전극이 형성될 기판 표면에 마스크층을 증착하는 제1단계; 포토리소그래피 공정과 BOE 식각공정으로 상기 마스크층의 증착막을 일정 패턴으로 제거하여 마스크를 형성하는 제2단계; 상기 마스크를 통해 노출되는 부분을 식각하여 기판 표면에 요철구조를 형성하는 제3단계; 상기 마스크를 제거하는 제4단계; 및 상기 요철구조에 대응하는 굴곡을 갖는 전극이 형성되도록 상기 요철구조 위에 전극물질을 증착하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of manufacturing a laser diode according to the present invention is a method of manufacturing a laser diode having an active layer causing laser oscillation, a p-type electrode and an n-type electrode for injecting current into the active layer, wherein the p-type electrode or The process of forming an n-type electrode includes the steps of: depositing a mask layer on a surface of the substrate on which the p-type electrode or the n-type electrode is to be formed; A second step of forming a mask by removing the deposited film of the mask layer in a predetermined pattern by a photolithography process and a BOE etching process; A third step of forming an uneven structure on the surface of the substrate by etching the portion exposed through the mask; A fourth step of removing the mask; And depositing an electrode material on the uneven structure to form an electrode having a curvature corresponding to the uneven structure.
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to
도 1은 통상적인 레이저 다이오드의 구성을 도시하는 사시도.1 is a perspective view showing the configuration of a conventional laser diode.
도 2는 도 1의 측면도.2 is a side view of FIG. 1;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드의 구성을 도시하는 사시도.3 is a perspective view showing the configuration of a laser diode according to a preferred embodiment of the present invention;
도 4는 도 3의 측면도.4 is a side view of FIG. 3;
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드의 제조공정시 수행되는 칩 바 브레이킹(Chip bar breaking) 공정을 도시하는 측면도.FIG. 5 is a side view illustrating a chip bar breaking process performed in the manufacturing process of the laser diode according to the preferred embodiment of the present invention. FIG.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드의 패키징 구성도.6 is a configuration diagram for packaging a laser diode according to a preferred embodiment of the present invention.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드의 제조공정을 도시하는 측면도.7 to 11 are side views showing the manufacturing process of the laser diode according to the preferred embodiment of the present invention.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명><Description of main reference numerals in the drawings>
91...마스크층 100...n형 전극91
101...n형 기판 102...활성층101 ... n-
103...p-InP 전류차단층 104...n-InP 전류차단층103 ... p-InP
105...클래드층 106...오믹 컨택층105 ...
107...절연층 108...p형 전극107 ...
109...반사막 110...그루브109 ...
본 발명은 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 히트싱크(Heat sink)와의 접촉면적을 크게 할 수 있는 전극 구조를 구비한 레이저 다이오드와 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser diode and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a laser diode having an electrode structure capable of increasing a contact area with a heat sink and a method of manufacturing the same.
최근의 레이저 다이오드는 매립된 활성층과 평탄한 표면을 갖는 PBH(Planar Buried Heterostructure) 구조로 제작되는 것이 일반적이다.Recent laser diodes are generally fabricated with a Planar Buried Heterostructure (PBH) structure having a buried active layer and a flat surface.
도 1 및 도 2를 참조하면, 통상의 레이저 다이오드는 n형 기판(11) 상부에 활성층(12), 전류차단층(13,14), 클래드층(15), 오믹 컨택층(Ohmic contact layer)(16), 절연층(17), p형 전극(18)이 적층되고, n형 기판(11)의 하면에는 n형 전극(10)이 형성되며, 칩의 배면에는 반사막(19)이 형성된 구조를 갖는다. 이하, 이해의 편의를 위해 레이저 다이오드의 측면도에는 p형 전극(18) 주변에 부분적으 로 형성된 절연층(17)의 도시를 생략하기로 한다.1 and 2, a conventional laser diode includes an
통상적으로 다중 양자우물 구조를 구비하게 되는 활성층(12)은 광도파 구조 사이에 메사(Mesa) 모양으로 형성되고, 활성층(12) 이외의 영역으로 주입전류가 누설되는 것을 차단하는 전류차단층(13,14)은 활성층(12) 주변에 p-InP 전류차단층(13)과 n-InP 전류차단층(14)이 차례로 성장된 형태로 이루어진다. 이때, 전류차단층(14)은 기생 정전용량을 감소시킬 수 있도록 'U'자 모양으로 식각될 수도 있다.Typically, the
한편, 레이저 다이오드는 여타의 반도체 소자와 마찬가지로 온도에 민감하므로 패키징시에는 칩의 일면에 소정의 서브 마운트를 매개로 히트싱크가 부착된다. 따라서, 레이저 다이오드의 동작시 발생하는 열은 서브 마운트를 거쳐 히트싱크에 전달되어 패키징 프레임 외부로 방출된다.On the other hand, since the laser diode is sensitive to temperature like other semiconductor devices, a heat sink is attached to one surface of the chip through a predetermined submount during packaging. Therefore, heat generated during operation of the laser diode is transferred to the heat sink via the sub-mount and is discharged out of the packaging frame.
레이저 다이오드에서 발생하는 열에 대한 열전달 효율을 높이기 위해서는 레이저 다이오드와 히트싱크 간의 접촉면적을 크게 하고, 열전도도가 우수한 재질로 히트싱크를 구성해야 한다.In order to increase the heat transfer efficiency of heat generated from the laser diode, the contact area between the laser diode and the heat sink must be increased, and the heat sink must be made of a material having excellent thermal conductivity.
여기서, 히트싱크는 금속 재질로 구성될 경우 열팽창 계수가 너무 커서 스트레스 문제가 발생하게 되므로 열팽창 계수가 반도체와 비슷한 세라믹 등을 사용해야 하는 등 재료의 선택에 제약이 많은 문제가 있다.Here, since the heat sink is made of a metal material, the thermal expansion coefficient is so large that a stress problem occurs. Therefore, the heat sink has many problems in selecting a material, such as using a ceramic similar to a semiconductor.
특히, 레이저 다이오드 칩에 있어서 열방출도가 가장 높은 부분이 전극 부분임을 감안할 때 열전달 효율을 높이기 위해서는 전극과 히트싱크 간의 접촉면적을 크게 하는 것이 중요한데, 종래의 레이저 다이오드는 p형 전극(18)과 n형 전극(10)이 단순히 평평한 플레이트(Plate) 구조로 형성되는 관계로 접촉면적을 크게 하는 데는 한계가 있다.In particular, considering that the portion of the laser diode chip having the highest heat dissipation is the electrode portion, it is important to increase the contact area between the electrode and the heat sink in order to increase the heat transfer efficiency. Since the n-
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 히트싱크와의 접촉면적이 커지도록 입체적인 표면구조를 가진 전극을 구비한 레이저 다이오드와 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a laser diode having a three-dimensional surface structure and a manufacturing method thereof, so that the contact area with the heat sink is increased.
본 발명의 다른 목적은 방열 작용과 더불어 칩 바 브레이킹 공정의 편의를 도모할 수 있는 전극 구조를 구비한 레이저 다이오드와 그 제조방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a laser diode and a method of manufacturing the same having an electrode structure capable of facilitating a chip bar breaking process as well as a heat radiating action.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 레이저 다이오드는, 레이저 발진을 일으키는 활성층과, 상기 활성층으로 전류를 주입하기 위한 p형 전극 및 n형 전극을 구비하고, 패키징시 히트싱크가 부착되는 상기 p형 전극 혹은 n형 전극에 요철구조가 반복적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the laser diode according to the present invention includes an active layer causing laser oscillation, a p-type electrode and an n-type electrode for injecting current into the active layer, and the heat sink is attached to the packaging. The concave-convex structure is repeatedly formed on the p-type electrode or the n-type electrode.
상기 요철구조는 횡단면이 'V'자 모양인 스트라이프(Stripe) 패턴의 그루브(Groove)를 포함하도록 형성될 수 있다.The uneven structure may be formed to include a groove of a stripe pattern having a cross-section 'V' shape.
상기 활성층은 메사 구조를 갖도록 형성되고, 상기 요철구조의 그루브는, 칩 바 브레이킹 공정의 편의를 위해 상기 메사의 길이방향에 수직한 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.The active layer is formed to have a mesa structure, the groove of the uneven structure is preferably formed in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the mesa for convenience of chip bar breaking process.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 레이저 발진을 일으키는 활성층과, 상기 활성층으로 전류를 주입하기 위한 p형 전극 및 n형 전극을 구비한 레이저 다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 p형 전극 혹은 n형 전극을 형성하는 공정이, 상기 p형 전극 혹은 n형 전극이 형성될 기판 표면에 마스크층을 증착하는 제1단계; 포토리소그래피(Photolithography) 공정과 BOE(Buffered Oxide Etch) 식각공정으로 상기 마스크층의 증착막을 일정 패턴으로 제거하여 마스크를 형성하는 제2단계; 상기 마스크를 통해 노출되는 부분을 식각하여 기판 표면에 요철구조를 형성하는 제3단계; 상기 마스크를 제거하는 제4단계; 및 상기 요철구조에 대응하는 굴곡을 갖는 전극이 형성되도록 상기 요철구조 위에 전극물질을 증착하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the invention, in the method of manufacturing a laser diode having an active layer for generating a laser oscillation, and a p-type electrode and an n-type electrode for injecting a current into the active layer, the p-type electrode or n-type electrode Forming process, the first step of depositing a mask layer on the surface of the substrate on which the p-type electrode or n-type electrode will be formed; A second step of forming a mask by removing the deposition layer of the mask layer in a predetermined pattern by a photolithography process and a buffered oxide etch process; A third step of forming an uneven structure on the surface of the substrate by etching the portion exposed through the mask; A fourth step of removing the mask; And a fifth step of depositing an electrode material on the uneven structure to form an electrode having a curvature corresponding to the uneven structure.
바람직하게, 상기 활성층은 메사 구조를 갖도록 형성되고, 상기 제2단계는, 메사의 길이방향에 수직한 스트라이프 패턴의 창을 갖는 마스크가 얻어지도록 수행될 수 있다.Preferably, the active layer is formed to have a mesa structure, and the second step may be performed to obtain a mask having a window of a stripe pattern perpendicular to the longitudinal direction of the mesa.
상기 제3단계는, 횡단면이 'V'자 모양인 스트라이프 패턴의 그루브가 형성되도록 수행될 수 있다.The third step may be performed such that a groove having a stripe pattern having a 'V' cross section is formed.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드의 구성을 도시하는 사시도이고, 도 4는 도 3의 측면도이다.3 is a perspective view showing the configuration of a laser diode according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a side view of FIG.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드는 n형 기판(101) 상부에 활성층(102), 전류차단층(103,104), 클래드층(105), 오믹 컨택층(106), 절연층(107), p형 전극(108)이 적층되고, n형 기판(101)의 하면에는 요철구조를 가진 n형 전극(100)이 구비되며, 칩의 배면에는 반사막(109)이 형성된 구조를 갖는다.3 and 4, a laser diode according to an exemplary embodiment of the present invention includes an
활성층(102)은 p형 전극(108) 및 n형 전극(100)을 통해 주입되는 전류를 광으로 변환시키는 부분으로서, 예컨대 1 ~ 1.5㎛ 정도의 폭을 갖는 메사 모양의 다중 양자우물 구조로 이루어진다. 여기서, 활성층(102)은 매립 헤테로구조(Buried Heterostructure)를 가지며, 리지(Ridge)형 광도파 구조 사이에 개재되는 것이 바람직하다.The
또한, 활성층(102)은 단일모드 혹은 다중모드의 스펙트럼을 갖는 한편, 가시광으로부터 적외선에 이르는 파장 영역 중 특정 파장의 광을 방출할 수 있는 구조를 갖는다.In addition, the
특히, n형 기판(101)의 하면에 마련되는 n형 전극(100)은 요철구조가 반복적으로 형성된 구조를 가진다. 여기서, p형 전극(108)에 요철구조가 형성되도록 본 발명이 변형될 수도 있음은 물론이다. 또한, 도면에는 비록 n형 전극(100)의 양면 에 굴곡이 존재하도록 요철구조가 형성된 것이 도시되어 있으나, n형 전극(100)의 노출 표면에만 굴곡이 존재하도록 요철구조가 형성될 수도 있음은 물론이다.In particular, the n-
바람직하게, 요철구조는 횡단면이 'V'자 모양인 스트라이프 패턴의 그루브(110)에 의해 형성된다. 이때 그루브(110)가 활성층(102)의 메사 길이방향에 수직한 방향으로 연장되도록 요철구조를 형성하게 되면, 칩 바 브레이킹 공정시 그루브(110) 부분(도 5의 절단지시선 150 참조)을 절단함으로써 보다 용이하게 브레이킹 공정을 수행할 수 있다.Preferably, the concave-convex structure is formed by the
도 6에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드의 패키징 구성이 도시되어 있다. 도면에 나타난 바와 같이, 패키징시 본 발명의 레이저 다이오드(200)의 n형 전극 표면에는 예컨대, 금속본딩(Metallic bonding)에 해당하는 접착부재(201)를 매개로 하여 히트싱크(202)가 부착된다. 대안으로, 접착부재(201)에는 소정의 서브 마운트를 매개로 히트싱크(202)가 간접적으로 부착되는 것도 가능하다.6 shows a packaging configuration of a laser diode according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in the figure, a
레이저 다이오드(200)에서 발생하는 열은 접착부재(201)에 전달되어 히트싱크(202) 방향으로 방출된다. 이때, 레이저 다이오드(200)의 n형 전극 표면에는 반복적으로 요철구조가 형성되므로 보다 넓은 접촉면을 경유하여 열이 방출될 수 있다.Heat generated in the
도 7 내지 도 11에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드의 제조공정중 n형 전극(100)을 형성하는 공정이 순차적으로 도시되어 있다. 여기서, 레이저 다이오드를 제조하기 위한 그밖의 공정은 통상의 레이저 다이오드 제조기술 에 의해 수행될 수 있다.7 to 11 sequentially illustrate a process of forming the n-
먼저, 웨이퍼의 상부 표면에 대한 p형 전극(108) 형성공정이 완료된 후에는 전술한 n형 기판(101) 표면에 해당하는 웨이퍼의 하부면을 연마한 다음 마스크층(90)을 증착하는 공정이 수행된다(도 7 참조). 마스크층(90)은 질화규소(SiNx)막으로 이루어지는데, 후술하는 n형 기판(101)의 식각 마스크가 될 수 있는 물질이라면 어느 것이나 무방하다.First, after the process of forming the p-
증착공정 후에는, 포토리소그래피 공정과 BOE(Buffered Oxide Etch) 식각공정으로 마스크층(90)을 일정 패턴으로 제거하여 마스크(91)를 형성하는 과정이 진행된다(도 8 참조). 마스크(91)는 활성층(102)의 메사 길이 방향이 통상적으로 웨이퍼의 방향인 것을 감안할 때, 그 수직방향인 방향으로 연장된 스트라이프 형상의 창(92)이 반복적으로 형성된 구조를 갖는 것이 바람직하다.After the deposition process, a
마스크(91)를 형성한 후에는, 염산계 용액을 이용하여 마스크(91)의 창(92)을 통해 노출되는 n형 기판(101) 표면을 식각하여 기판 표면에 횡단면이 'V'자 모양인 그루브(110)를 형성하는 과정이 수행된다(도 9 참조).After the
이어서, BOE 식각공정을 이용해 마스크(91)를 제거하게 되면, 도 10에 도시된 바와 같이 n형 기판(101) 표면에 요철구조가 반복된 패턴이 얻어진다.Subsequently, when the
끝으로, 도 11에 도시된 바와 같이 요철구조에 대응하는 굴곡을 유지하도록 요철구조 위에 전극물질을 증착하게 되면 n형 기판(101) 표면에 요철구조를 가진 n형 전극(100)이 형성된다.Finally, as shown in FIG. 11, when the electrode material is deposited on the uneven structure to maintain the curvature corresponding to the uneven structure, the n-
이상과 같이 n형 전극(100) 형성 공정이 완료된 후에는, 요철 구조의 그루브(110) 부분을 따라 칩 바 브레이킹 공정이 수행되고, 칩 바 단면에 대한 소정의 광학 코팅공정이 수행된다.After the n-
계속해서, 분할된 레이저 다이오드 칩을 통상의 TOCAN 등을 이용해 히트싱크와 패키징하는 공정이 수행된다. 이때, 히트싱크는 예컨대 탄화규소(SiC), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같이 반도체 재료와 열팽창 계수가 비슷하면서 열전도 특성이 우수한 재료로 구성되는 것이 바람직하며, 히트싱크와 레이저 다이오드 칩 간의 접착은 금(Au)과 주석(Sn)의 합금을 사용하는 공정접착(eutectic bonding)에 의해 수행되는 것이 바람직하다.Subsequently, a process of packaging the divided laser diode chip with a heat sink using a normal TOCAN or the like is performed. In this case, the heat sink is preferably made of a material having a similar thermal expansion coefficient and excellent thermal conductivity, such as silicon carbide (SiC), boron nitride (BN), aluminum nitride (AlN), and the like, and a heat sink and a laser diode. The bonding between the chips is preferably performed by eutectic bonding using an alloy of gold (Au) and tin (Sn).
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and will be described below by the person skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of the claims.
본 발명에 따르면 요철구조에 의해 레이저 다이오드의 전극과 히트싱크 간의 접촉면적이 넓어짐으로써 열방출 특성이 향상되므로 레이저 다이오드를 보다 안정적으로 동작시킬 수 있다.According to the present invention, since the contact area between the electrode and the heat sink of the laser diode is widened by the uneven structure, the heat dissipation characteristic is improved, so that the laser diode can be operated more stably.
또한, 레이저 다이오드의 제조공정 중 칩 바 브레이킹 공정시에는 간편히 요철구조의 그루브 부분을 절단하면 되므로 작업성을 향상시킬 수 있는 이점도 있다.In addition, during the chip bar braking process of the laser diode manufacturing process, the groove portion of the uneven structure may be simply cut, thereby improving workability.
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