KR100703530B1 - 면 발광 레이저 - Google Patents

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김영현
김인
배유동
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 면 발광 레이저는 기판 및 상기 기판 상에 성장된 제1 미러와, 상기 제1 미러 상에 성장되며 상기 제1 미러와 광을 공진시키는 제2 미러와, 상기 제1 및 제2 미러의 사이에 위치되며 상기 광을 생성 및 증폭시키는 활성층과, 상기 활성층 상에 성장되며 상기 활성층에 전류를 인가하는 상부 전극 및 상기 기판 상에 형성되며 상기 활성층에 전류를 인가하기 위한 하부 전극과, 상기 활성층 및 제2 미러가 매몰되게 상기 제1 미러 상에 형성된 평탄화용 폴리머와, 상기 상부 전극으로부터 상기 평탄화용 폴리머의 상부에 노출되게 수직 상향 연장된 제1 외부 단자 및 상기 하부 전극으로부터 상기 평탄화용 폴리머의 상부에 일면이 노출되게 연장된 제2 외부 단자를 포함한다.
면 발광 레이저, 공진, 반도체

Description

면 발광 레이저{VERTICAL-CAVITY SURFACE EMITTING LASER}
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 면 발광 레이저,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 면 발광 레이저,
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 면 발광 레이저와 도파로가 연결된 광 연결 구조.
본 발명은 활성층의 성장 방향에 대해서 레이저 광을 수직 방향으로 출력하는 면 발광 레이저에 관한 발명으로서, 특히 플립 칩 본딩에 의해 접합 가능한 모듈화된 면 발광 레이저에 관한 발명이다.
면 발광 레이저는 에지 이미팅(edge emitting) 방식의 레이저에 비해서 낮은 임계 전류와, 원형의 광 패턴과, 2차원 정렬이 가능 한 다양한 이점 등으로 인해서, 광 연결 구조 및 다양한 형태의 레이저 광원을 필요로 하는 장치에 이용되고 있다.
통상의 면 발광 레이저는 반도체 기판 상에 순차적으로 적층된 제1 및 제2 미러 층들과, 상기 제1 및 제2 미러 층들 사이에 성장된 다중 양자 우물 구조의 활성층을 포함하며, 상기 활성층에 서로 반대 극성을 갖는 전류를 인가해서 면 발광 레이저의 수직 방향으로 레이저 광을 출력시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 미러 층은 분포 궤환 반사기(Distributed Bragg reflector) 또는 다층의 유전체 물질들이 적층된 구조가 사용될 수 있으며, 상기 활성층에서 생성된 광을 공진 시킨 후, 기 설정된 세기 및 파장의 간섭성을 갖는 레이저 광을 면 발광 레이저의 수직 한 일 단을 통해 방출시킨다.
통상의 상기 면 발광 레이저는 음의 전류 및 양의 전류를 인가하기 위한 전극이 기판 하부에 기판 하부의 반대 편에 위치된 면 발광 레이저의 상부에 전극이 형성된 구조가 사용될 수 있다.
그러나, 통상의 면 발광 레이저는 와이어 본딩에 의해 전극이 외부의 전극과 전기적으로 연결됨으로써, 부피가 커지고, 전기적 손실로 인한 구동 전압이 커지는 문제가 있다. 따라서, 종래의 면 발광 레이저는 휴대가 가능하도록 슬림화되는 디지털 기기에의 사용이 제한되는 문제가 있다.
본 발명은 플립칩 본딩에 의해 광 연결이 가능하고, 소형화된 면 발광 레이저를 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 광신호 및 전류의 손실을 최소화시키는 데 있다.
본 발명에 따른 면 발광 레이저는,
기판 및 상기 기판 상에 성장된 제1 미러와;
상기 제1 미러 상에 성장되며 상기 제1 미러와 광을 공진시키는 제2 미러와;
상기 제1 및 제2 미러의 사이에 위치되며 상기 광을 생성 및 증폭시키는 활성층과;
상기 활성층 상에 성장되며 상기 활성층에 전류를 인가하는 상부 전극 및 상기 기판 상에 형성되며 상기 활성층에 전류를 인가하기 위한 하부 전극과;
상기 활성층 및 제2 미러가 매몰되게 상기 제1 미러 상에 형성된 평탄화용 폴리머와;
상기 상부 전극으로부터 상기 평탄화용 폴리머의 상부에 노출되게 수직 상향 연장된 제1 외부 단자 및 상기 하부 전극으로부터 상기 평탄화용 폴리머의 상부에 일면이 노출되게 연장된 제2 외부 단자를 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 면 발광 레이저를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 면 발광 레이저(100)는 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 성장된 제1 및 제2 미러(120,130)와, 상기 제1 및 제2 미러(120,130)의 사이에 위치된 활성층(140)과, 하부 및 상부 전극(101,102)과, 상기 활성층 (140)과 상기 제1 미러(120) 사이에 위치된 제1 접촉 층(103)과, 상기 제2 미러(130)와 상기 활성층(140) 사이에 위치된 제2 접촉 층(104)과, 상기 제2 접촉 층(104)과 상기 활성층(140)의 사이에 개재된 절연층(151)과, 상기 상부 전극(101)과 상기 제1 접촉 층(103) 사이에 위치되며 상기 상부 전극(101)과 상기 제1 접촉 층(103) 사이를 전기적으로 절연시키기 위한 절연 패드(105)를 포함한다.
상기 제1 미러(120)는 상기 기판(110) 상에 성장되고, 상기 활성층(140)은 상기 제1 미러(120) 상에 성장되며, 상기 제2 제2 미러(130)는 상기 활성층(140) 상에 성장된다. 상기 제1 및 제2 미러(120,130)는 상기 활성층(140)을 중심으로 상기 기판(110) 상에 수직 성장된 구조로서, 상기 제1 및 제2 미러(120,130)는 상기 활성층(140)에서 생성된 광을 공진시키는 공진기(cavity)로서의 기능을 제공한다.
상기 면 발광 레이저(100)는 상기 제1 및 제2 미러 사이에서 공진된 광이 기 설정된 세기와, 원하는 출력 파장에 도달하면 상기 제1 미러(120) 또는 상기 제2 미러(130) 중 일 측으로 출력시키며, 이는 해당 소자의 특성에 따라서 조정될 수 있다.
상기 제1 및 제2 미러(120,130)는 유전체 물질들이 다층 박막의 형태로 성장되거나, 분포 궤환 브래그 반사기(DBR;Distributed bragg reflector) 구조로 성장될 수 있다. 상기 제1 및 제2 미러(120,140)는 n-DBR로 형성되거나, p-DBR로 형성될 수 있다. 예를 들어 제1 미러(120)가 p-DBR로 형성되면, 상기 제2 미러(140)는 n-DBR로 형성되며 반대의 경우도 필요에 따라서 성립 가능하다.
상기 상부 전극(101)은 상기 활성층(140) 상에 상기 제2 미러의 둘레를 둘러 싸는 링(ring)의 형태로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(140)으로 해당 극성의 전류를 주입한다.
상기 하부 전극(102)은 상기 제1 미러(120) 상에 상기 활성층(140)의 일측에 인접하게 형성되거나, 또는 상기 활성층(140)을 중심으로 상기 활성층(140)의 둘레를 둘러싸는 링(ring) 형태로 형성될 수 있다.
상기 활성층(140)은 다중 양자 우물층과 상기 다중 양자 우물 층 상의 SCH(seperate confirement hetero structure) 층의 구조로 성장될 수 있으며, 상기 상부 및 하부 전극(101,102)을 통해서 주입되는 서로 반대되는 극성의 전류에 의해 광을 생성하고 생성된 광은 상기 제1 및 제2 미러(120,130) 사이에서 공진 중에 상기 활성층(140)에 의해 증폭된다.
상기 제1 외부 단자(162)는 상기 상부 전극(101)으로부터 상기 평탄화용 폴리머(170)의 상부에 일면이 노출되게 연장되며, 외부로부터 전류를 상기 상부 전극(101)을 통해서 상기 활성층(140)으로 공급한다. 상기 제2 외부 단자(161)는 상기 하부 전극(102)으로부터 상기 평탄화용 폴리머의 상부에 일면이 노출되게 연장되며, 외부로부터 공급된 전류를 상기 제1 미러(120)에 인접한 상기 활성층(140)의 하부로 공급한다. 상기 제1 및 제2 외부 단자(162,161)는 금 또는 구리 등의 도전성의 금속 재료가 사용될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 접촉층(103,104)은 p+형 GaAs 또는 n+형 GaAs 등이 사용될 수 있다.
상기 평탄화용 폴리머(170)는 상기 활성층(140) 및 제2 미러(130)가 매몰되 게 상기 제1 미러(120) 상에 형성되며, 상기 제1 및 제2 외부 단자(162,161)의 일 면이 상기 평탄화용 폴리머(170)의 상면으로 노출된다. 상기 평탄화용 폴리머(170)는 폴리이미드(polyimide), 에폭시(epoxy), BCB(benzocyclobutene), PBO(polybenzoxazole) 중 하나 또는 둘 이상이 조합된 물질이 사용될 수 있다.
상기 절연층(151)은 상기 제2 접촉층(104)과 상기 활성층(140)의 사이에 위치되며, 상기 활성층의 중심 부분에 대응되는 부분에 전류가 통과 가능한 홀(152)이 형성된다. 즉, 상기 절연층(151)은 상부 전극(101)으로부터 전류가 상기 활성층(140)의 중심부로 인가될 수 있도록 상기 활성층(140)의 중심부에 대응되는 위치에 형성된 홀(152)을 제외하고 상기 제2 접촉층(104)과 상기 활성층(140)을 전기적으로 절연시킨다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 면 발광 레이저이다. 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 면 발광 레이저(200)는 기판(210) 및 제1 미러(220)와, 상기 제1 미러(220) 상에 성장된 제2 미러(230)와, 상기 제1 및 제2 미러(220,230)의 사이에 성장된 활성층(240)과, 상부 및 하부 전극(201,202)과, 상기 활성층(240) 및 제2 미러(230)가 매몰되게 상기 제1 미러(220) 상에 형성된 평탄화용 폴리머(270)와, 제1 및 제2 외부 단자(262,261)와, 상기 제2 미러(230)와 상기 활성층(240) 사이에 위치된 접촉 층(264)과, 상기 접촉 층(264)과 상기 활성층(240)의 사이에 개재되며 절연층(251)을 포함한다.
상기 기판(210)은 홈이 형성되고, 상기 제1 미러(220)는 벽개면이 노출되도록 상기 기판(210) 상에 성장된다. 상기 제2 미러(230)는 상기 제1 미러(220) 상의 일 부분에 성장되며, 상기 제1 미러(220)와의 사이에서 광을 공진시키는 역할을 한다. 상기 활성층(240)은 상기 제1 및 제2 미러(220,240)의 사이에 위치되며 상기 광을 생성 및 증폭시킨다.
상기 상부 전극(201)은 상기 활성층(240) 상에 형성되고, 상기 하부 전극(202)은 상기 제1 미러(220) 상면으로부터 홈까지 연장되게 형성된다. 상기 상부 및 하부 전극(201,202)은 상기 활성층(240)에 전류를 인가한다. 상기 하부 전극(202)과 상기 제1 미러(220) 사이는 별도의 절연 물질이 삽입될 수 있다.
상기 제1 외부 단자(262)는 상기 상부 전극(201)으로부터 상기 평탄화용 폴리머(270)의 상부에 노출되게 수직 상향 연장되고, 상기 제2 외부 단자(261)는 상기 하부 전극(202)으로부터 상기 평탄화용 폴리머(270)의 상부에 일면이 노출되게 연장된다. 상기 제1 및 제2 외부 단자(262,261)는 외부의 전극와 전기적인 접촉을 유지하며 상기 상부 및 하부 전극(201,202) 각각을 통해서 전류를 인가한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 면 발광 레이저와 도파로가 연결된 광 연결 구조를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 광 연결 구조(300)는 면 발광 레이저(310)와, 상기 면 발광 레이저(310)와 결합된 도파로(320)를 포함한다.
본 실시 예에 따른 면 발광 레이저(310)는 본 발명의 제1 실시 예와 동일한 구조로서, 면 발광 레이저(310)는 기판(302)과, 상기 기판(302) 상에 성장된 제1 및 제2 미러(317,318)와, 상기 제1 및 제2 미러(317,318)의 사이에 위치된 활성층(319)과, 하부 및 상부 전극(315,314)과, 상기 상부 기판(314)와 상기 제1 미러 (317) 사이에 위치된 절연 패드(316)와, 상기 상부 전극(314)으로부터 연장된 제1 외부 단자(311)과, 상기 하부 전극(315)으로부터 연장된 제2 외부 단자(312)를 포함한다. 본 실시 예에 따른 면 발광 레이저(300)는 본 발명의 제2 실시 예에 도시된 구조가 적용될 수 있다.
상기 도파로(320)는 코어(321)와, 상기 코어(321)의 둘레를 둘러싸는 클래드들(322,323)을 포함하며, 일 측 면에, 상기 면 발광 레이저(320)에서 생성된 광을 반사시키기 위한 반사면(324)과, 상기 클래드(323)의 상면에 상기 면 발광 레이저(310)를 안착시키고, 상기 제1 및 제2 외부 전극(311,312) 각각과 전기적으로 연결된 도전성 패드들(301)을 포함한다.
본 발명은 본 발명의 제3 실시 예 이외에도, 서브마운트에 면 발광 레이저의 기판을 부착시킨 광 연결 구조 또는 하우징의 뚜껑에 면 발광 레이저를 부착하고 하부로 광을 출사하는 광 연결 구조로도 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 면 발광 레이저는 와이어 본딩을 사용하지 않고도 외부의 전극들과 전기적 연결이 가능하며, 그로 인해서 전압 및 광신호의 손실을 최소화시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 소형의 장치에 적용이 용이한 이점이 있다. 즉, 본 발명은 인트라 캐비티(intra-cavity) 구조로서, 미러를 통과하지 않고 활성층에 전류를 주입함으로써, 구동 전압을 최소화시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 면 발광 레이저는 전극으로부터 직접 연장된 외부 단자들을 구비함으로써, 코플래너 (coplanar) 플립-칩(flip-chip) 본딩(bonding) 구현이 가능하다.

Claims (5)

  1. 면 발광 레이저에 있어서,
    기판 및 상기 기판 상에 성장된 제1 미러와;
    상기 제1 미러 상에 성장되며 상기 제1 미러와 광을 공진시키는 제2 미러와;
    상기 제1 및 제2 미러의 사이에 위치되며 상기 광을 생성 및 증폭시키는 활성층과;
    상기 활성층 상에 성장되며 상기 활성층에 전류를 인가하는 상부 전극 및 상기 기판 상에 형성되며 상기 활성층에 전류를 인가하기 위한 하부 전극과;
    상기 활성층 및 제2 미러가 매몰되게 상기 제1 미러 상에 형성된 평탄화용 폴리머와;
    상기 상부 전극으로부터 상기 평탄화용 폴리머의 상부에 노출되게 수직 상향 연장된 제1 외부 단자 및 상기 하부 전극으로부터 상기 평탄화용 폴리머의 상부에 일면이 노출되게 연장된 제2 외부 단자를 포함함을 특징으로 하는 면 발광 레이저.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 면 발광 레이저는,
    상기 활성층과 상기 제1 미러 사이에 위치된 제1 접촉 층과;
    상기 제2 미러와 상기 활성층 사이에 위치된 제2 접촉 층과;
    상기 제2 접촉 층과 상기 활성층의 사이에 개재되며 절연층과;
    상기 상부 전극과 상기 제1 접촉 층 사이에 위치되며 상기 상부 전극과 상기 제1 접촉 층 사이를 전기적으로 절연시키기 위한 절연 패드를 더 포함함을 특징으로 하는 면 발광 레이저.
  3. 면 발광 레이저에 있어서,
    기판 및 상기 기판 상에 일단의 측면이 노출되게 형성된 제1 미러와;
    상기 제1 미러 상에 성장되며 상기 제1 미러와 광을 공진시키는 제2 미러와;
    상기 제1 및 제2 미러의 사이에 위치되며 상기 광을 생성 및 증폭시키는 활성층과;
    상기 활성층 상에 성장되며 상기 활성층에 전류를 인가하는 상부 전극 및 상기 제1 미러 상면으로부터 상기 홈까지 연장된 하부 전극과;
    상기 활성층 및 제2 미러가 매몰되게 상기 제1 미러 상에 형성된 평탄화용 폴리머와;
    상기 상부 전극으로부터 상기 평탄화용 폴리머의 상부에 노출되게 수직 상향 연장된 제1 외부 단자 및 상기 하부 전극으로부터 상기 평탄화용 폴리머의 상부에 일면이 노출되게 연장된 제2 외부 단자를 포함함을 특징으로 하는 면 발광 레이저.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 면 발광 레이저는,
    상기 제2 미러와 상기 활성층 사이에 위치된 접촉 층과;
    상기 접촉 층과 상기 활성층의 사이에 개재되며 절연층과;
    상기 상부 전극과 상기 제1 접촉 층 사이에 위치되며 상기 상부 전극과 상기 제1 접촉 층 사이를 전기적으로 절연시키기 위한 제1 절연 패드를 더 포함함을 특징으로 하는 면 발광 레이저.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 평탄화용 폴리머는 폴리이미드, 에폭시, BCB, PBO 중 하나 또는 둘 이상이 조합된 물질이 사용됨을 특징으로 하는 면 발광 레이저.
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