KR102425947B1 - 반도체 레이저 및 광전자 반도체 소자들의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

하나의 실시 형태에서 반도체 레이저(1)는 캐리어(2) 및 상기 캐리어(2) 상에 설치되어 있고 레이저 빔(L)을 발생시키기 위한 활성 구역(33) 및 빔 출력 영역(31)을 갖는 패싯면(facet)(30)을 포함하는 에지-방출 레이저 다이오드(edge-emitting laser diode)(3)를 포함한다. 또한, 상기 반도체 레이저(1)는 보호 커버(4), 바람직하게 상기 레이저 빔(L)의 콜리메이팅(collimating)을 위한 렌즈를 포함한다. 상기 보호 커버(4)는 접착제(5)에 의해 상기 패싯면(30) 및 상기 캐리어(2)의 측면(20)에 고정되어 있다. 상기 보호 커버(4)의 광 입력 측(41)과 상기 패싯면(30) 사이의 평균 간격은 최대 60㎛이다. 상기 반도체 레이저(1)는 정상 대기에서 추가 기밀성 캡슐화 없이 작동하도록 설계되어 있다.

Description

반도체 레이저 및 광전자 반도체 소자들의 제조 방법
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것이다. 그 밖에 본 발명은 광전자 반도체 소자들의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 효율적으로 캡슐화되어 있고 효율적으로 제조 가능한 광전자 반도체 소자를 제시하는 것이다.
이와 같은 과제는 무엇보다 독립청구항들의 특징들을 갖는 반도체 레이저 및 제조 방법에 의해 해결된다. 바람직한 개선예들은 종속청구항들의 대상이다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 반도체 레이저는 캐리어를 포함한다. 상기 캐리어로는 소위 서브마운트(submount)가 고려될 수 있다. 상기 캐리어는 상기 반도체 레이저를 구동 제어할 수 있는 드라이버를 포함할 수 있다. 대안적으로 캐리어는 전자 수동적(electronic passive) 부품을 나타내고 단지 장착 평면으로서 이용될 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 반도체 레이저는 하나 또는 복수의 레이저 다이오드를 포함한다. 상기 하나 이상의 레이저 다이오드로는 바람직하게 에지-방출 레이저 다이오드(edge-emitting laser diode)가 고려된다. 이는 특히, 작동 중에 발생한 레이저 빔이 상기 레이저 다이오드의 활성 구역에 대해 평행하게 방출된다는 사실을 의미한다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 레이저 다이오드는 패싯면(facet)을 포함한다. 상기 패싯면은 바람직하게 활성 구역에 대해 수직으로, 또는 거의 수직으로 정렬되어 있다. 상기 패싯면에는 빔 출력 영역이 위치한다. 상기 빔 출력 영역에서 작동 중에 발생한 레이저 빔이 상기 레이저 다이오드로부터 방출된다. 상기 빔 출력 영역은 특히 상기 패싯면의 부분 영역이고, 그에 따라 상기 패싯면 상으로 제한되어 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 반도체 레이저는 하나 또는 복수의 보호 커버, 특히 정확히 하나의 보호 커버를 포함한다. 상기 보호 커버는 바람직하게 빔 성형 또는 빔 편향용 광학 수단이지만, 디스크와 같은 광학적으로 비활성의 몸체, 예를 들어 평행 평면 플레이트일 수도 있다.
특히 상기 보호 커버는 바람직하게 발생한 빔의 콜리메이팅(collimating) 또는 포커싱(focussing)하도록 설계된 렌즈이다. 상기 렌즈는 구형, 비구형 또는 자유형으로 형성될 수 있다. 계속해서 실린더 렌즈 또는 하프-실린더 렌즈가 가능하다. 상기 보호 커버로는 수렴 렌즈가 고려될 수 있다. 상기 보호 커버는 예를 들어 평볼록 렌즈 또는 양볼록 렌즈로서 형성될 수 있다. 마찬가지로 프레넬 렌즈(fresnel lens)로서 구현될 수 있다. 계속해서 상기 보호 커버는 예를 들어 빔 편향을 위한 프리즘일 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 보호 커버는 유리 또는 사파이어 또는 SiC와 같은 무기 재료로 구성되어 있다. 대안적으로, 그리고 덜 바람직하게 보호 커버는 플라스틱과 같은 유기 재료, 예를 들어 실리콘, 에폭시드 또는 이들의 하이브리드 재료, 혹은 폴리카보네이트와 같은 폴리머로도 구성되어 있다. 상기 보호 커버가 유기 재료로 구성되어 있으면, 이와 같은 유기 재료는 바람직하게 상기 보호 커버의 코어를 형성하고, 상기 코어는 특히 전체 면적에 걸쳐서 둘레가, 예를 들어 산소 및/또는 수증기에 대한 확산 배리어로서 무기 보호층에 의해 둘러싸이도록 형성될 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 반도체 레이저는 접착제를 포함한다. 상기 접착제에 의해 보호 커버는 패싯면 및 선택적으로 캐리어의 측면에도 고정되어 있다. 상기 캐리어의 측면은 상기 패싯면에 대해 평행하게, 또는 거의 평행하게 정렬될 수 있다. 바람직하게 상기 캐리어의 측면은 상기 패싯면에 대해, 레이저 빔의 빔 방향을 따라서 후방 변위 되어 있다. 그에 따라 상기 보호 커버는 바람직하게 상기 패싯면 및 상기 캐리어에 상기 접착제에 의해 고정된다. 바람직하게 상기 접착제로는 유리 또는 하나 이상의 금속과 같은 무기 재료가 고려된다.
대안적으로 접착제는 실리콘, 폴리실록산, 폴리실라잔 또는 실리콘-하이브리드 재료와 같은 플라스틱, 바람직하게 저유기(low organic) 플라스틱이다. 폴리실록산은 예를 들어, 재료가 -[O-SiR2]n-으로 구성되어 있고, 폴리실라잔의 경우에 -[NH-SiR2]n-으로 구성되어 있으며, 이때 각각 서로 다른 잔기들 R이 존재할 수 있다는 사실을 의미한다. 저유기는 예를 들어, 실리콘, 실록산 또는 실라잔에서 유기 성분들의 비율이 최대 30질량-％ 또는 20질량％이고, 그리고/또는 특히 실록산 또는 실라잔의 경우에 n과 탄소를 함유하는 잔기들 R의 개수의 비율이 최대 0.75 또는 0.25라는 사실을 의미한다. 유기물의 질량비는 특히 재료의 회화(incineration)에 의해 결정된다.
덜 바람직하게 상기 접착제는 에폭시드 및/또는 탄소를 함유하는 구조 단위들로 구성된 폴리머와 같은 유기 재료로 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 보호 커버의 광 입력 측과 패싯면 사이의 평균 간격은 최대 5㎛ 또는 15㎛ 또는 30㎛ 또는 60㎛ 또는 0.1㎜이다. 대안적으로 또는 추가적으로 이와 같은 평균 간격은 최소 0.1㎛ 또는 0.5㎛이다. 바람직하게 상기 평균 간격은 0.5㎛ 내지 5㎛의 범위 내에 있다. 다른 말로 하면, 상기 보호 커버는 상기 패싯면 가까이에 위치할 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 반도체 레이저는 정상 대기에서 추가 기밀성 캡슐화 없이 작동하도록 설계되어 있다. 다시 말해, 패싯면, 특히 빔 출력 영역의 캡슐화 및 보호는 보호 커버와 함께 접착제에 의해 이루어진다. 상기 보호 커버와 함께 상기 접착제로 인해 상기 반도체 레이저는 바람직하게 정상 대기에서 작동할 수 있고, 이때 상기 대기는 21％만큼의 범위 내의 산소 함량 및 수증기를 함유할 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에서 반도체 레이저는 캐리어 및 상기 캐리어 상에 설치되어 있고 레이저 빔을 발생시키기 위한 활성 구역, 및 빔 출력 영역을 갖는 패싯면을 포함하는 에지-방출 레이저 다이오드를 포함한다. 또한, 상기 반도체 레이저는 보호 커버, 바람직하게 상기 레이저 빔의 콜리메이팅을 위한 렌즈를 포함한다. 상기 보호 커버는 접착제에 의해 상기 패싯면 및 상기 캐리어의 측면에 고정되어 있다. 상기 보호 커버의 광 입력 측과 상기 패싯면 사이의 평균 간격은 최대 60㎛이다. 상기 반도체 레이저는 정상 대기에서 추가 기밀성 캡슐화 없이 작동하도록 설계되어 있다.
특히 근자외선 또는 청색 스펙트럼 범위 내에서 단파 빔을 방출하는, 높은 출력, 예를 들어 0.2W 또는 1W를 상회하는 광 출력의 반도체 레이저들은 주변 영향들에 대해 보호 및 캡슐화되어야 한다. 장기적으로 안정적인 작동을 보장할 수 있기 위해, 상응하는 레이저 다이오드들은 깨끗하고 밀폐형으로 캡슐화된 대기 내에서 작동되거나, 또는 각각의 대기로부터 멀리 떨어져야 한다.
본 출원서에 기술된 반도체 레이저의 경우, 빔 출력 영역의 밀폐형 격리가 패싯면에 가까운 캡슐화에 의해 이루어진다. 접착제와 함께 보호 커버에 의해 형성된 상기 패싯면에 가까운 캡슐화에 의해 그 밖에 요구되는 밀폐형 하우징이 필요 없다. 그럼으로써 상기 반도체 레이저는 더 비용 저렴하게 제조될 수 있고 더 적은 공간을 차지하도록 형성될 수 있다.
이 경우, 특히 상기 접착제와 함께 상기 보호 커버는 상기 패싯면을 주변 영향들로부터 보호하고 레이저 빔의 빔 확산각을 감소시킨다. 마찬가지로, 예를 들어 렌즈 형태의 상기 보호 커버에 의해 경우에 따른 분해 산물들이 퇴적될 수 있는 표면이 확대된다. 계속해서 대기에 노출되어 있는 상기 반도체 레이저의 표면이 확대됨으로써, 광 핀셋(optical tweezer)의 효과가 감소함에 따라, 광 출력 밀도가 감소한다. 특히 상기 보호 커버에 의해 상기 레이저 패싯면 및 상기 빔 출력 영역에 직접 입자들 및/또는 무기 분자들이 축적되는 상황이 방지된다.
상기 패싯면에 있는 퇴적물들은 특히 단파 빔에 의해 분해될 수 있고 분소 될 수 있다. 상기 패싯면 영역 내에서 이러한 변경에 의해 상기 레이저의 출력 효율이 감소하고, 예를 들어 상기 퇴적물들 내 광 흡수에 의해 패싯면 코팅의 손상이 야기될 수 있으며, 이는 재차 과열을 야기하고, 그에 따라 전체 레이저 패싯면 영역의 파괴를 야기할 수 있다. 이는 파국적 광 손상, 영문으로 Catastrophic Optical Damage, 축약하여 COD로도 언급된다. 상기 패싯면 영역 내에 장착된 상기 보호 커버에 의해 상기 패싯면에 입자들 및/또는 분자들이 퇴적되는 상황이 방지되는 동시에, 상기 반도체 레이저가 간단하게 형성되고 차지하는 공간은 감소한다.
그뿐 아니라 상기 패싯면에 가까운 렌즈에 의해 방출된 레이저 빔의 확산각이 감소한다. 마찬가지로 대기 중에 뻗는 상기 레이저 빔의 영역 내에서 전계 강도가 감소한다. 그렇지 않은 경우, 확산된 빔 내 전계 강도는 패싯면 주변의 잠재적인 오염물들을 흡인하고, 광 핀셋에 상응하게 상기 패싯면 상에 오염물들의 퇴적을 야기할 수 있을 것이다. 그에 따라 빔 확산각의 감소는 직접적으로 퇴적물들의 감소를 야기한다.
또한, 상기 보호 커버에 의해, 다시 말해 바람직하게 상기 렌즈에 의해 대기에 대한 경계면이 확대된다. 상기 경계면이 확대됨으로써, 단위 면적당 잠재적 퇴적물들의 양이 감소한다. 그뿐 아니라 이와 같은 경계면에서의 에너지 밀도는 직접 패싯면에서의 에너지 밀도와 비교해서 감소해 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 레이저 다이오드는 접착제 및 보호 커버에 의해 밀폐형으로 캡슐화되어 있다. 다시 말해, 상기 보호 커버와 함께 상기 접착제로 형성된 캡슐화의 내부와 외부 사이에서 산소 또는 수증기와 같은 물질들의 현저한 교환이 발생하지 않는다. 밀폐형은, 특히 실온에서, 예를 들어 누설률이 최대 5×10-9Pa m/s이라는 사실을 의미한다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 보호 커버와 패싯면 사이의 최소 간격은 0.1㎛ 또는 0.2㎛이다. 대안적으로 또는 추가적으로 이와 같은 최소 간격은 최대 10㎛ 또는 5㎛ 또는 3㎛이다. 다시 말해, 상기 최소 간격은 레이저 빔의 파장 크기 내에 위치할 수 있다. 그럼으로써, 상기 보호 커버와 상기 패싯면 사이의 영역이 바람직하지 않은 추가 공진기로서 작용할 수 있다. 다른 한편으로 이와 같은 작은 최소 간격에 의해, 단지 작은 확산 횡단면들만이 빔 출력 영역 쪽으로 특히 접착제를 관통하여 입사하는 상황이 달성된다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 활성 구역의 영역 내에서 패싯면에 캐비티가 형성되어 있다. 상기 패싯면을 평면도로 볼 때, 상기 캐비티의 둘레는 접착제에 의해 둘러싸여 있다. 그에 따라 레이저 빔이 레이저 다이오드를 빠져나가는 빔 출력 영역은 상기 접착제가 없을 수 있다. 그에 따라 상기 빔 출력 영역에서 직접 잠재적으로 상기 패싯면을 손상시키는 상기 레이저 빔과 상기 접착제의 상호작용이 발생하지 않는다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 캐비티는 진공화되어 있거나, 또는 하나 또는 복수의 보호 가스에 의해 충전되어 있다. 상응하는 보호 가스로는 예를 들어 아르곤 또는 헬륨과 같은 희가스 또는 질소와 같은 불활성 가스가 고려된다. 상기 캐비티가 보호 가스에 의해 충전되어 있으면, 상기 캐비티 내 가스 압력은, 예를 들어 반도체 레이저의 의도한 작동 온도에서 정상 대기압에 가깝게, 특히 0.8bar 이상 내지 1.1bar에 놓일 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 패싯면을 평면도로 볼 때, 캐비티는 최소 3㎛ 또는 5㎛ 또는 10㎛ 및/또는 최대 0.1㎜ 또는 50㎛ 또는 20㎛ 또는 10㎛의 평균 지름을 갖는다. 다른 말로 하면, 상기 캐비티는 평면도 상으로 볼 때 비교적 작을 수 있다.
상기 캐비티는 빔 출력 영역에 대해 회전 대칭적으로 형성될 수 있거나, 또는 상기 빔 출력 영역을 비대칭적으로 둘러싸며 연장될 수 있다. 접착제와 빔 출력 영역 사이의 간격은 바람직하게 최소 2㎛ 또는 5㎛ 또는 10㎛이다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 캐비티의 두께는 0.5㎛ 이상 내지 20㎛이다. 패싯면에 대해 수직인 상기 캐비티의 두께는 한편으로 빔 출력 영역 및/또는 캐리어의 측면과 다른 한편으로 보호 커버의 광 입력 측 사이의 평균 간격에 상응할 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 패싯면을 평면도로 볼 때, 캐비티를 둘러싸는 접착제의 폭은 상기 캐비티의 평균 지름의 최소 100％ 또는 150％ 또는 250％이다. 대안적으로 또는 추가적으로 접착제의 폭은 최소 20㎛ 또는 30㎛ 또는 50㎛ 및/또는 최대 0.1㎜ 또는 50㎛ 또는 20㎛이다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 캐비티는 접착제 쪽으로 만곡된 측벽들을 포함한다. 예를 들어 패싯면에 대해 수직인 횡단면도로 볼 때, 상기 캐비티는 빔 출력 영역 내에서 양볼록 형상을 갖는다. 다시 말해, 이와 같은 횡단면도로 볼 때, 그리고 패싯면에 대해 평행한 방향으로 뻗는 최대 연장부에서 출발할 때, 상기 캐비티는 상기 패싯면 방향으로 그리고 보호 커버의 광 입력 측 방향으로 좁아진다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 레이저 빔은 접착제로부터 간격을 두고 광 입력 측 쪽으로 진행한다. 다시 말해 직접 빔 출력 영역으로부터 광 입력 측으로 뻗는 의도한 경로 상에서 상기 레이저 빔은 상기 접착제에 도달하지 않는다. 이는, 경우에 따라 상기 광 입력 측에서 반사된 레이저 빔이 상기 접착제로 안내되는 상황도 배제하지 않는다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 접착제는 광 입력 측 및 선택적으로 캐리어의 측면을 부분적으로 또는 완전히 덮고, 그리고 전체 빔 출력 영역을 간접적으로 또는 직접적으로 덮는다. 다시 말해, 패싯면과 광 입력 측 사이에 연속적이고 빈틈없는 연결부가 단지 상기 접착제에 의해 형성될 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 전체 광 입력 측은 접착제에 의해 덮여 있다. 마찬가지로 전체 패싯면이 접착제에 의해 덮여 있을 수 있다. 캐리어의 측면은 바람직하게 단지 부분적으로만 접착제에 의해 덮여 있지만, 대안적으로는 완전히 상기 접착제에 의해 덮여 있을 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 보호 커버와 접착제 사이의 굴절률 차이는 최대 0.2 또는 0.1 또는 0.05 또는 0.02이다. 이는 특히 레이저 빔의 최대 강도의 파장에서 그리고 300K의 온도에서 적용된다. 상응하는 낮은 굴절률 차이에 의해 상기 보호 커버와 상기 접착제 사이의 경계면에서 반사가 감소한다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 보호 커버는 다음 재료들: 유리, 사파이어, 탄화규소 중 하나 이상의 재료로 구성되어 있거나, 또는 이와 같은 재료들 중 하나 또는 복수의 재료로 구성된다. 바람직하게 상기 보호 커버는 사파이어로 구성되어 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 레이저 다이오드에 의해 발생한 레이저 빔의 최대 강도의 파장은 최소 365㎚ 또는 400㎚이다. 대안적으로 또는 추가적으로 최대 강도의 파장은 최대 530㎚ 또는 460㎚ 또는 440㎚이다. 다시 말해, 상기 레이저 빔은 비교적 단파의 빔이다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 접착제는 보호 커버 및/또는 패싯면 및 측면에 있는 금속층들과 조합된 상태로도 하나 또는 복수의 금속, 특히 땜납으로 구성되고, 상기 땜납은 상기 보호 커버 및/또는 패싯면 및 측면에 제공된다. 대안적으로 하나 이상의 유리가 접착제를 위해 사용된다.
상기 접착제는 균일하게 형성될 수 있거나, 또는 불균일하게 형성될 수도 있다. 예를 들어 유리의 경우, 유리 매트릭스 내로, 예를 들어 스페이서(spacer)로서 그리고/또는 열 팽창 지수를 설정하기 위해 추가 입자들이 삽입될 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 보호 커버의 광 입력 측에는 표면 주름이 제공되어 있다. 그에 따라 상기 광 입력 측은 이러한 광 입력 측에서 반사된 빔을 확산 방식으로 분산시키도록 됨으로써, 결과적으로 상기 반사된 레이저 빔은 빔 출력 영역에 전혀 도달하지 않거나, 또는 단지 약화된 상태로만 도달한다. 따라서 레이저 다이오드의 공진기 상으로 패싯면과 보호 커버 사이의 영역의 백 커플링(back coupling)이 감소할 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 광 입력 측은 평면으로 형성되어 있다. 이 경우, 상기 광 입력 측은 패싯면에 대해 비스듬하게 놓인다. 예를 들어 상기 광 입력 측과 상기 패싯면 사이의 각도는 최소 5° 또는 10° 및/또는 최대 35° 또는 25° 또는 15°이다. 그럼으로써 상기 광 입력 측에서 반사된 레이저 빔은 상기 패싯면에 있는 빔 출력 영역으로부터 벗어나게 된다. 접착제에서 확산 작용면을 작게 유지하기 위해, 상기 각도는 바람직하게 브루스터 각(Brewster angle)을 하회한다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 보호 커버는 렌즈로서, 그리고 양볼록하게 형성됨으로써, 결과적으로 광 입력 측이 만곡되어, 특히 연속적으로 만곡되어 진행한다. 이 경우, 바람직하게 상기 광 입력 측의 최대 만곡부는 레이저 빔의 광학 축 외부에 놓임으로써, 결과적으로 상기 광 입력 측에서 경우에 따라 반사된 레이저 빔은 빔 출력 영역으로부터 벗어나게 된다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 보호 커버의 광 입력 측 및/또는 광 출력 측에는 부분적으로 또는 완전히 레이저 빔의 반사 방지 코팅이 제공되어 있다. 그에 따라 특히 상기 광 입력 측은 상기 레이저 빔에 대해 최대 0.5％ 또는 0.1％ 또는 0.01％의 반사율을 갖는다. 이러한 반사 방지 코팅에 의해서도 레이저 다이오드의 공진기 상으로 패싯면과 보호 커버 사이의 영역의 반작용이 감소할 수 있거나, 또는 방지될 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 패싯면을 등지는 보호 커버의 광 출력 측에는 촉매성, 바람직하게 광촉매성 코팅이 제공되어 있다. 이와 같은 코팅은 예를 들어 레이저 빔에 의해 상기 광 출력 측에 있는 퇴적물들을 제거 및/또는 분해하도록 설계되어 있다. 상기 코팅은 특히 산화티타늄 또는 산화지르코늄과 같은 금속 산화물에 의해 형성되어 있다. 대안적으로 코팅은 백금 또는 팔라듐 또는 로듐과 같은 하나 이상의 금속으로 구성되어 있다. 촉매성 코팅을 위해 금속 코팅이 사용되는 경우, 이와 같은 금속 코팅은 바람직하게 최대 10㎚ 또는 5㎚ 또는 3㎚의 두께를 가짐으로써, 결과적으로 레이저 빔은 현저한 손실 없이 상기 촉매성 코팅을 관통할 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 보호 커버의 광 출력 측에는 접착 방지 코팅이 제공되어 있다. 상기 접착 방지 코팅은 보호 커버 외부에 퇴적물들을 방지하도록 설계되어 있다. 상기 접착 방지 코팅으로는 예를 들어, 특히 불소-탄소-화합물 또는 불소-실리콘-화합물을 갖는 플라스틱 코팅이 고려된다. 상기 접착 방지 코팅은 예를 들어 불소화 또는 과불소화 폴리머 및/또는 불소화 또는 과불소화 실록산 혹은 실라잔으로 구성되어 있다. 바람직하게 전체 광 출력 측이 상응하게 코팅되어 있다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 활성 구역은 캐리어를 향하는 레이저 다이오드의 측에 위치한다. 예를 들어 상기 활성 구역과 상기 레이저 다이오드 사이의 간격은 최대 5㎛ 또는 10㎛ 또는 3㎛이다. 이와 달리 상기 레이저 다이오드의 두께는 예를 들어 최소 20㎛ 또는 50㎛ 또는 100㎛ 및/또는 최대 0.5㎜ 또는 0.2㎜이다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 레이저 빔의 진행 방향을 따라서 패싯면은 캐리어 위로 돌출한다. 상기 캐리어 위로 돌출하는 레이저 다이오드의 돌출부는 예를 들어 최소 50㎛ 또는 0.1㎜이고, 대안적으로 또는 추가적으로 최대 0.3㎜ 또는 0.15㎜ 또는 50㎛이다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 반도체 레이저는 하나 또는 복수의 발광 물질 소자를 포함한다. 상기 하나 이상의 발광 물질 소자는 레이저 빔을 부분적으로 또는 완전히 변환하도록 설계되어 있고 하나 또는 복수의 발광 물질을 포함한다.
특히 다음 발광 물질들: (Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+, Sr(Ca,Sr)Si2Al2N6:Eu2+, (Sr,Ca)AlSiN3*Si2N2O:Eu2+, (Ca,Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+, (Sr,Ca)[LiAl3N4]:Eu2+와 같은 Eu2+-도핑 된 질화물들; X= 할로겐화물, N 또는 2가 원소, D= 3가 또는 4가 원소 및 RE= Lu3(Al1-xGax)5O12:Ce3+, Y3(Al1-xGax)5O12:Ce3+와 같은 희토류 금속들인 일반 시스템 (Gd,Lu,Tb,Y)3(Al,Ga,D)5(O,X)12:RE의 석류석들; (Ca,Sr,Ba)S:Eu2+와 같은 Eu2+-도핑 된 황화물들; (Ba,Sr,Ca)Si2O2N2:Eu2+와 같은 Eu2+-도핑 된 SiONe; 예를 들어 시스템 LixMyLnzSi12-(m+n)Al(m+n)OnN16-n의 SiAlONe; RE= 희토류 금속들인 시스템 Si6-xAlzOyN8-y:REz의 베타-SiAlONe; RE= 희토류 금속 및 AE= 알칼리 토금속인 AE2-x-aRExEuaSiO4-xNx 또는 AE2-x-aRExEuaSi1-yO4-x-2yNx와 같은, 혹은 (Ba,Sr,Ca,Mg)2SiO4:Eu2-와 같은 니트리도오르도실리케이트들; Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu2+와 같은 클로로실리케이트들; (Sr,Ba,Ca,Mg)10(PO4)6Cl2:Eu2+와 같은 클로로포스페이트들; BaMgAl10O17:Eu2+와 같은 BaO-MgO-Al2O3-시스템의 BAM-발광 물질들; M5(PO4)3(Cl,F):(Eu2+,Sb2+,Mn2+)와 같은 할로포스페이트들; (Sr,Ba,Ca)5(PO4)3Cl;Eu2+와 같은 SCAP-발광 물질들 중 하나 또는 복수의 발광 물질이 사용된다. 그뿐 아니라 소위 양자점들도 변환 물질로서 삽입될 수 있다. 이 경우, Ⅱ-Ⅵ-화합물 그룹 및/또는 Ⅲ-Ⅴ-화합물 그룹 및/또는 Ⅳ-Ⅵ-화합물 그룹 및/또는 금속-나노결정들을 포함하는 나노결정 재료들 형태의 양자점들이 바람직하다.
하나 이상의 실시 형태에 따르면, 발광 물질 소자는 직접 보호 커버의 광 출력 측에 위치한다. 상기 광 출력 측은 완전히 또는 단지 부분적으로만 상기 발광 물질 소자에 의해 덮일 수 있다. 이와 같은 맥락에서 직접은, 상기 발광 물질 소자가 상기 광 출력 측을 접촉하거나, 또는 상기 광 출력 측과 상기 발광 물질 소자 사이에 단지 상기 발광 물질 소자를 고정하기 위한 연결 수단만이 위치한다는 사실을 의미한다. 상기 발광 물질 소자와 상기 광 출력 측 사이의 간격은 바람직하게 최대 10㎛ 또는 5㎛ 또는 2㎛이다.
그 밖에 반도체 레이저와 같은 광전자 반도체 소자의 제조 방법이 제시된다. 따라서 상기 반도체 레이저와 관련하여 선행하여 기술된 레이저 다이오드, 캐리어, 보호 커버, 발광 물질 소자, 표면 주름, 반사 방지 코팅, 촉매성 코팅 및/또는 접착 방지 코팅과 관계된 특징들은 상기 제조 방법에 대해서도 공개되어 있고, 그 역도 마찬가지이다.
하나 이상의 실시 형태에서 광전자 반도체 소자의 제조 방법은 다음 단계들:
- 빔을 발생시키기 위한 활성 구역 및 빔 출력 영역을 포함하는 광전자 반도체 칩을 제공하는 단계 및
- 후속하여 상기 빔 출력 영역에 직접 보호 커버를 생성하는 단계를 포함하고, 이때 상기 보호 커버는 바람직하게 유리로 구성되어 있고 핫 스템핑(hot stamping)에 의해 생성되며, 그리고 상기 반도체 소자는 정상 대기에서 추가 기밀성 캡슐화 없이 작동하도록 설계되어 있다.
특히 상기 반도체 칩으로는 앞에서 설명된 것과 같은 레이저 다이오드가 고려되고, 대안적으로 발광 다이오드 칩, 축약하여 LED-칩이 고려된다. 상기 반도체 칩은 바람직하게 캐리어 상에 설치되어 있다. 상기 보호 커버는 빔, 특히 레이저 빔의 콜리메이팅을 위한 렌즈일 수 있다.
상기 방법의 하나 이상의 실시 형태에 따르면, 보호 커버는 캐리어의 측면을 직접 접촉하고, 바람직하게 최대 15° 또는 5°의 오차 허용도로 패싯면에 대해 평행하게 진행한다. 상기 패싯면은 완전히 상기 보호 커버에 의해 덮일 수 있고, 상기 캐리어의 측면은 부분적으로 또는 완전히 상기 보호 커버에 의해 덮인다.
후속하여 본 출원서에 기술된 반도체 레이저 및 본 출원서에 기술된 제조 방법이 도면의 참조하에 실시예들에 의해 더 상세하게 설명된다. 이 경우, 개별 도면들에서 동일한 도면 부호들은 동일한 소자들을 지시한다. 그러나 이때 척도에 맞는 기준들이 나타나 있지 않고, 오히려 개별 소자들은 더 나은 이해를 위해 과도하게 크게 나타나 있을 수 있다.
도 1a, 도 2 내지 도 10 및 도 13 내지 도 15는 본 출원서에 기술된 반도체 레이저들의 실시예들의 개략적인 단면도들을 보여주고,
도 1b는 본 출원서에 기술된 반도체 레이저의 하나의 실시예의 패싯면의 개략적인 평면도를 보여주며, 그리고
도 11 및 도 12는 본 출원서에 기술된 반도체 레이저들 및 광전자 반도체 소자들을 제조하기 위한 방법 단계들의 개략적인 단면도들을 보여준다.
도 1a에는 반도체 레이저(1)의 단면도가 도시되어 있고, 도 1b에는 반도체 레이저(1)의 하나의 실시예의 평면도가 도시되어 있다. 이 경우, 상기 반도체 레이저(1)는 바람직하게 히트 싱크(heat sink)(11) 상에 설치되어 있고 상기 히트 싱크(11)와 함께 어레인지먼트(10)를 형성한다. 상기 어레인지먼트(10)는 정상 대기(12) 내에 위치한다. 그에 따라 상기 어레인지먼트(10)는 추가로 대기(12)에 대해 캡슐화되어 있거나, 또는 밀폐형으로 폐쇄되어 있지 않다.
상기 반도체 레이저(1)는 캐리어(2), 특히 소위 서브마운트를 포함한다. 상기 캐리어(2)에는, 예를 들어 청색 광인 레이저 빔(L)을 발생시키기 위한 레이저 다이오드(3)가 위치한다. 이를 위해, 상기 레이저 다이오드(3)는 활성 구역(33)을 포함한다. 상기 활성 구역(33)에 있는 빔 출력 영역(31)에서 상기 레이저 빔(L)은 방출된다. 상기 레이저 다이오드(3)의 바람직하게 평면의 패싯면(30)은 상기 활성 구역(33)에 대해 거의 수직으로 정렬되어 있다.
상기 패싯면(30) 및 상기 캐리어(2)의 측면(20)에는 접착제(5)가 위치하고, 상기 접착제에 의해 보호 커버가 고정되어 있다. 상기 보호 커버는 렌즈(4)로서, 바람직하게 구형 렌즈로서 형성되어 있고 상기 패싯면(30)을 향하는 광 입력 측(41) 및 상기 패싯면(30)을 등지는 광 출력 측(42)을 포함한다.
예를 들어 타원형의 빔 출력 영역(31)은 평면도로 볼 때, 둘레가 접착제(5)에 의해 폐쇄형 트랙 내에 둘러싸여 있다(도 1b 참조). 이 경우, 도 1b에는 도면을 간소화할 목적으로 렌즈(4)는 표시되어 있지 않고, 이때 보호 커버(4)는 상기 접착제(5)의 외부 윤곽과 동일선상에 놓일 수 있으며, 이는 다른 모든 실시예들에서도 가능하다.
그에 따라 상기 접착제(5)에 의해 상기 패싯면(30)에 캐비티(6)가 규정되어 있고, 상기 캐비티는 상기 보호 커버(4)에 의해 폐쇄된다. 상기 캐비티(6)는 진공화되어 있거나, 또는 보호 가스에 의해 충전되어 있다. 상기 빔 출력 영역(31)을 향하는 상기 캐비티(6)의 측벽들(65)은 횡단면도로 볼 때, 만곡됨으로써, 결과적으로 상기 캐비티(6)는 양볼록하게 보인다(도 1a 참조).
상기 빔 출력 영역(31)은 평면도로 볼 때, 상기 캐비티(6) 내 중심에 배치될 수 있다(도 1b 참조). 상기 접착제(5)는 상기 빔 출력 영역(31)을 둘러싸는 서로 다른 방향들에서 서로 다른 폭을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 접착제(5)는 바람직하게 얇게 형성됨으로써, 결과적으로 상기 패싯면(30)과 상기 빔 입력 측(41) 사이의 평균 간격은 바람직하게 최대 5㎛이다. 선택적으로 상기 광 입력 측(41)에는 레이저 빔(L)의 반사 방지 코팅(44)이 위치한다. 상응하는 사실은 바람직하게 다른 모든 실시예들에 대해서도 적용된다.
상기 접착제(5) 및 상기 보호 커버(4)와 함께 상기 캐비티(6)에 의해 레이저 다이오드(3)의 패싯면에 가까운 캡슐화가 이루어진다. 이와 같은 캡슐화는 상기 레이저 다이오드(3)의 빔 출력 영역(31)을 주변 영향들 및 오염물들로부터 보호한다. 그에 따라 상기 캡슐화는 국부적으로 상기 레이저 패싯면(30)의 영역 자체에 제한되어 있고, 그리고 둘레를 둘러싸는 장착면 상으로 제한되어 있다.
상기 패싯면(30)의 영역 내에서 상기 캡슐화는 상기 캐비티(6)를 형성한다. 이와 같은 방식으로 형성된 캐비티(6)는 주변 영향들에 대해 밀폐형으로 캡슐화되어 있다. 선택적인 보호 가스 또는 가스 혼합물은 예를 들어 H2, He, N2, He/O2이다. 상기 빔 출력 영역(31)은 상기 보호 커버(4)의 장착시 상기 접착제(5) 내 리세스에 의해 개방되어 있다. 그에 따라 상기 보호 커버(4) 및 상기 접착제(5)에 의해 형성된 캡슐화 소자와 상기 빔 출력 영역(31) 사이에 물리적 접촉이 전혀 이루어지지 않는데, 상기 보호 커버의 장착시뿐만 아니라 반도체 레이저(1)의 작동 중에도 전혀 이루어지지 않는다.
상기 패싯면에 가까운 캡슐화 및 상기 캐비티(6)와 상기 보호 커버(4) 사이의 굴절률 차이로 인해 상기 레이저 다이오드(3)의 공진기 내에서 상기 방출된 레이저 빔(L)의 잠재적인 역반사가 발생하여 상기 공진기의 장애를 야기할 수 있다. 이와 같은 상호작용을 억제하기 위해, 특히 반사 방지 코팅(44)이 제공되어 있고, 이러한 상호작용의 대안적인 또는 추가적인 방지 방법들을 위해 다음 도 2 및 도 3도 참조할 수 있다.
캐비티(6)를 제조하기 위해 예를 들어 유리로 구성된 고리 구조물이 레이저 다이오드(3) 및 캐리어(2) 상으로, 또는 대안적으로 보호 커버(4) 상으로, 특히 광 입력 측(41) 상으로 제공된다. 상기 보호 커버(4)와 결합하기 위해, 바람직하게 상기 캐리어(2) 및 상기 레이저 다이오드(3)는 요구되는 처리 온도로 제공된다. 상기 결합 공정은 온도 및 바람직하게 압력의 작용하에 이루어진다.
계속해서, 유리 스펀지(glass sponge)가 보호 커버(4) 상으로 제공될 수 있고, 상기 유리 스펀지는 접착제(5)를 형성한다. 이를 위해, 프린팅(printing) 또는 디스펜싱(dispensing)과 같은 공정들에 의해 유리 분말-결합제-혼합물이 상기 보호 커버(4) 상으로 제공된다. 후속하는 온도 처리 공정에 의해 결합제는 제거되고 유리 분말은 소결되는데, 이는 넥(neck)-형성으로도 지칭된다. 그런 다음, 이와 같은 방식으로 준비된 보호 커버(4)는 온도 및 선택적으로 압력에 의해 캐리어(2) 및 레이저 다이오드(3)로 구성된 구조물 상으로 제공된다.
대안적으로 접착제(5)용 유리 스펀지는 화학 공정들에 의해 제조될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 특수하게 조절된 유리의 고리형 구조물이 보호 커버(4) 상으로 제공된다. 상기 유리는 목표한 온도 처리에 의해 현미경 기준에서, 바람직하게 2개 또는 2개보다 많은 상으로 해리된다. 상기 상들 중 하나의 상은 남아 있는 매트릭스로부터 습식 화학적으로 용해되어 나올 수 있다. 이와 같은 방식으로 형성된 스펀지 형태의 구조물은 선행하여 기술된 것과 같이 캐리어(2) 및/또는 레이저 다이오드(3) 상으로, 혹은 보호 커버(4) 상에 장착될 수 있다. 결합 공정은 상응하게 이루어진다.
계속해서, 특히 보호 커버(4) 및 캐리어(2)와 레이저 다이오드(3)로 구성된 복합체 상으로 구조화된 금속화층들을 제공할 수 있다. 결합 공정을 위해서는 금속성 결합 소자가 설치된다. 상기 결합 소자는 예를 들어 땜납, 금속 스펀지 또는 사전 제작된 금속 고리이다. 상기 결합 공정은 온도 작용하에, 그리고 선택적으로 압력에 의해 이루어진다.
빔 출력 영역(31)의 내에 마이크로캐비티(6)를 형성함으로써, 상기 빔 출력 영역(31)과 보호 커버(4) 사이에 기계적인 접촉이 발생하지 않는다. 이와 같은 칩에 가까운 캡슐화에 의해 소위 TO-하우징들과 비교해서 현저한 소형화가 달성될 수 있다.
도 2의 실시예의 경우, 보호 커버(4)는 레이저 다이오드(3)에 대해 기울어져서 제공되어 있다. 광 입력 측(41)과 패싯면(30) 사이의 각도(α)는 예를 들어 10°이다.
앞에 있는 광 입력 측(41)은 평면으로, 그리고 광 출력 측(42)은 반구형으로 형성되어 있는, 상기 보호 커버(4)의 지름은 예를 들어 0.2㎜ 이상 내지 0.8㎜, 특히 0.4㎜이다. 상응하는 사실은 다른 모든 실시예들에 대해서도 적용된다.
그 밖에 도 2의 실시예는 바람직하게 도 1의 실시예에 상응한다.
반사된 레이저 빔(L)의 영향들을 방지하기 위해, 도 3의 실시예의 보호 커버(4)는 광 입력 측(41)에 표면 주름(43)을 포함한다. 상기 표면 주름(43)은 규칙적으로 또는 불규칙적으로도 형성될 수 있다. 상기 표면 주름(43)은 상기 전체 광 입력 측(41)에 걸쳐서 연장될 수 있거나, 또는 캐비티(6)에 할당되어 있는 상기 보호 커버(4)의 중앙 영역 상으로 제한될 수 있다. 상기 표면 주름(43)의 평균 구조 크기는 바람직하게 최소 0.2㎛ 및/또는 최대 3㎛이다.
레이저 다이오드(3)의 공진기 상으로 역반사된 레이저 빔(L)의 영향들을 방지하기 위한 방법들은 도 4 내지 도 8과 관련해서도 설명되어 있다.
도 4에는 좌측에, 패싯면(30)에 대해 평행하게 놓인 광 입력 측(41)에서 역반사된 레이저 빔(R)이 레이저 다이오드(3)의 공진기 내로 도달할 수 있다는 사실이 나타나 있다. 이는 상기 레이저 다이오드(3)에 대한 보호 커버(4)의 경사 위치에 의해 방지된다(도 4, 우측 참조). 상기 패싯면(30)과 상기 광 입력 측(41) 사이의 각도(α)는 바람직하게 5°이상 내지 15°이다.
도 5에는, 도 5의 좌측에서 입사하는 역반사(R)가 도 5의 우측에서는 반사 방지 코팅(44)에 의해 방지된다는 사실이 나타나 있다. 상기 반사 방지 코팅(44)은 예를 들어 높거나 낮은 굴절률을 갖는 층들의 교차 시퀀스에 의해 형성되어 있고, 도 5에는 단지 개략적으로만 표시되어 있다. 상기 반사 방지 코팅(44)은 광 입력 측(41)뿐만 아니라 광 출력 측(42)에도 설치될 수 있고, 그에 따라 보호 커버(4)의 실제 몸체를 완전히 둘러쌀 수 있다. 상응하는 사실은 도 1의 실시예에서도 가능하다.
도 4 및 도 5에서와 마찬가지로 접착제(5)는 빔 출력 영역(31)을 완전히 덮는데, 이는 도 1 내지 도 3에서와 다르다. 그에 따라 캐비티는 형성되어 있지 않는다. 따라서 상기 접착제(5)는 바람직하게 레이저 빔(L)에 대해 투과성을 갖고, 특히 유리 또는 유리 혼합물로 형성되어 있다. 그에 따라 상기 접착제(5)로는 무기 성분이 고려되고, 이는 다른 모든 실시예들에서도 가능하다.
도 6에는, 도 3과 동일하게, 표면 주름(43)이 광 입력 측(41)에 존재한다는 사실이 나타나 있고, 이때 상기 표면 주름(43)은 도 3 및 도 6의 도시 내용과 다르게, 상기 광 입력 측(41)을 단지 부분적으로만 덮을 수도 있다. 캐비티를 생략하는 것을 제외하고, 도 3 및 도 1에 대한 실시예들은 도 6에 대해 상응하게 적용된다.
다른 모든 실시예들에서와 마찬가지로, 광 입력 측(41)과 광 출력 측(42) 사이의 보호 커버(4)는 횡단면도로 볼 때, 직선으로 진행하는 측면을 포함할 수 있다. 상기 측면은 예를 들어 실린더 재킷 표면을 나타낸다.
도 7에는, 광 입력 측(41)이 의도적으로 장애가 되는 역반사를 방지하기 위해 형성되어 있다는 사실이 도시되어 있다. 이를 위해, 보호 커버(4)는 횡단면도로 볼 때, 거의 양볼록 형상을 갖는다. 상기 광 입력 측(41)의 최대 만곡부의 영역은 활성 구역(33)에 대해, 그리고 그에 따라 빔 출력 영역(31)에 대해 변위됨으로써, 결과적으로 상기 빔 출력 영역(31)에서 상기 광 입력 측(41)은 패싯면(30)에 대해 평행하게 정렬되어 있지 않다.
도 8의 실시예의 경우, 접착제(5)는 굴절률 조정층(47)으로서 형성되어 있다. 그에 따라 상기 접착제(5)와 보호 커버(4) 사이에 굴절률 차이가 전혀 발생하지 않거나, 또는 현저한 굴절률 차이가 발생하지 않는데, 이는 파선에 의해 나타나 있다. 그 밖에 상기 실시예들은 선행하는 실시예들에 대해 상응하게 적용된다.
지금까지의 도면들에는 각각 레이저 다이오드(3)의 공진기 내로 역반사를 방지하기 위한 단 하나의 조치만이 도시되어 있다. 이와 같은 조치들은 조합되어 나타날 수도 있다. 이와 같은 방식으로 예를 들어 표면 주름(43) 또는 만곡된 광 입력 측(41)이 상기 광 입력 측(41)의 경사 위치와 조합될 수 있다. 마찬가지로 각각 추가로 반사 방지 코팅(44)이 존재할 수 있다. 굴절률 조정층(47)도 실시예들에서, 특히 도 5 내지 도 7에서 사용될 수 있다.
도 8의 형성예의 경우 특수하게, 접착제(5)와 보호 커버(4)는 동일하거나, 또는 매우 유사한 재료들로 구성되어 있을 수 있다. 그러나 이때 상기 접착제(5)는 바람직하게 상기 보호 커버(4)보다 더 낮은 처리 온도를 갖는다.
패싯면에 가까운 캡슐화의 경우, 보호 커버(4)와 레이저 다이오드(3)의 공진기 사이의 광학적 상호작용을 감소 또는 제거함으로써, 디자인에서 추가의 자유도가 달성된다. 이 경우, 소형화된 구조가 유지된다.
도 9의 실시예에는, 레이저 다이오드(3)가 본드 와이어(bond wire)(13)들을 통해 히트 싱크(11)와 연결되어 있다는 사실이 도시되어 있고, 이는 다른 모든 실시예들에서도 적용될 수 있다. 다른 모든 실시예들에서도 가능한 것처럼, 접착제(5)는 상기 히트 싱크(11)까지 도달할 수 있고, 이와 같은 경우에 캐리어(2)에 대해 간격을 두고 진행할 수 있거나, 또는 상기 캐리어(2)는 상기 레이저 다이오드(3) 내에 통합되어 있다.
패싯면에 가깝게 사용된 보호 커버(4)에 의해, 레이저 빔(L)이 방출되는, 대기(12)에 접근 가능한 경계면이 현저히 확대된다. 그에 따라 광학 핀셋과 같은 효과들은 감소하고 상기 경계면에서, 다시 말해 광 출력 측(42)에서 상기 레이저 빔(L)의 강도가 감소한다.
그 밖에 도 1 내지 도 8에 대한 실시예들은 도 9에 대해 상응하게 적용된다.
도 10에는, 광 출력 측(42)이 바람직하게 완전히 광촉매성 코팅(45) 및/또는 접착 방지 코팅(46)에 의해 덮여 있다는 사실이 도시되어 있다. 상기 광촉매성 코팅(45)은 예를 들어 얇은 백금층이거나, 또는 이산화티타늄층이다. 이러한 코팅(45)에 의해, 보호 커버(4)의 광 출력 측(42) 상에서 오염물들의 증착과 잠재적인 퇴적물들의 분해의 열역학적 평형은, 반도체 레이저(1)의 작동 지속 시간에 걸쳐서 퇴적물들의 축적이 신뢰할 만하게 방지되는 방식으로 변경될 수 있다.
상기 접착 방지 코팅(46)을 제공함으로써, 상기 광 출력 측(42)에 오염물들의 축적이 전혀 이루어지지 않거나, 또는 현저한 축적이 이루어지지 않을 수 있고, 오염물들의 분소가 이루어질 수 있다. 상기 접착 방지 코팅(46)은 레이저 빔(L)에 대해 바람직하게 투과성을 갖는다. 상기 접착 방지 코팅(46)은 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소화 폴리머에 의해 형성되어 있다. 상기 접착 방지 코팅(46)을 위해 가능한 또 다른 재료들은 페릴렌 HT와 같은 페릴렌 유도체들 또는 티올-R-D-H와 같은 유황 화합물들 또는 탄소 나노 튜브들로 구성된 층 구조물들이다.
예를 들어 도 9 또는 도 10의 반도체 소자들을 제조하는 것은 바람직하게 적합한 접착제(5)에 의한, 그리고 선택적으로 후속하는 가열 공정들 및/또는 분소 공정들에 의한 보호 커버(4)의 접착 공정에 의해 이루어진다. 상기 보호 커버(4)의 접착 공정을 위해서는 예를 들어 매우 높은 순도 및 낮은 탄화수소 함량을 갖는 실리콘에 기초하는 접착제들이 고려된다. 경우에 따라 이러한 접착제(5) 내에 존재하는 휘발성 첨가물들은 선택적으로, 특히 180℃ 내지 300℃의 범위 내 온도 처리에 의해 방출된다. 남아 있는 탄화수소는 재차 선택적으로 레이저 빔(L)의 출력 및 주변 온도와 관계된 규정된 조건하에 분소 공정에 의해 방출된다.
대안적으로, 보호 커버(4)를 접착제(5)로서 유리에 의해 접착할 수 있다. 이 경우, 바람직하게 평균 용융점의 유리가 사용된다. 이 경우, 상기 유리는 결합할 2개의 표면 중 하나의 표면상에 적용되거나, 또는 2개의 표면상에 적용된다. 바람직하게 상기 유리의 적용 공정은 300℃ 내지 450℃의 온도 범위 내 액체 분산 공정에 의해 발생한다. 이러한 디스펜싱 공정 다음에 상기 보호 커버(4)는 예를 들어 픽 앤 플레이스(Pick and Place)로도 지칭되는 파지 공정에 의해 레이저 다이오드(3)의 패싯면(30) 상으로 장착된다.
도 11에는 광전자 반도체 소자들(1)의 제조 방법이 도시되어 있고, 이때 도 11에 따라 반도체 레이저(1)가 제조된다. 이 경우, 도 1 내지 도 10과 관련하여 사용된 것과 같은 접착제(5)를 완전히 포기하면서도, 빔 출력 영역(31)의 밀폐형 캡슐화를 보장할 수 있다.
이를 위해(도 11a 참조), 바람직하게 유리로 구성된 비가공 질량(48)이 패싯면(30) 및/또는 캐리어(2)의 측면(20) 상으로 제공되는데, 특히 액체 상태로 디스펜싱 공정에 의해 제공된다. 대안적으로, 슬립(slip)으로도 지칭되는 유리 분말의 제공 공정이 이루어지고, 이때 상기 유리 분말은 바람직하게 결합제 용액 내에 위치한다. 상기 제공 공정은 디스펜싱, 스프레잉(spraying), 프린팅 또는 제팅(jetting) 공정에 의해 이루어질 수 있고, 상기 제공 공정 이후에 바람직하게 결합제 제거 및 압축을 위한 온도 처리 단계가 후속한다.
대안적으로 유리구슬이 놓이고, 그 이후에, 레이저 멜팅 공정(laser melting process)으로도 지칭되는 레이저 용접 공정과 유사하게 고정하기 위한 의도적인 국부적인 온도 처리 공정이 후속한다. 레이저 용융시 빔 프로파일 내에서 에너지 밀도 분포의 의도적인 설정에 의해, 예를 들어 가우스-프로파일 또는 소위 탑 해트(top hat) 프로파일에 의해 유리 액적의 형태가 국부적인 용융 공정에 의해 영향을 받을 수 있다.
적합한 유리 조성물들의 예시들은 특히 광학 유리들, 특수하게 최대 400℃의 낮은 유리 전이 온도를 갖는 유리들 또는 300℃ 미만의 매우 낮은 유리 전이 온도를 갖는 유리들의 그룹으로부터 비롯된다. 이러한 유리들은 바람직하게 유리 형성제들에 기초하고, 산화텔루르, Te2O5, 붕소 삼산화물, B2O3, 실리카, SiO2 또는 산화비스무트, Bi2O3가 된다. 적합한 유리 조성물들은 바람직하게 높은 비율의 조직 파괴제들을 포함하는데, 예를 들어 ZnO 및/또는 CaO를 포함한다. 상기 유형의 유리 조성물들을 안정화하거나, 또는 결정화 경향을 낮게 유지하기 위해, 선택적으로 산화알루미늄, Al2O3이 첨가될 수 있다.
상기 유형의 유리들은 특히 도 1 내지 도 3의 접착제(5)를 위해서도 사용될 수 있고, 마찬가지로 예를 들어 도 4 내지 도 8의 접착제(5)로도 사용될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 특히 유리가 스템핑에 의한 성형을 위해 충분히 낮은 점성을 갖는 온도로, 그 위에 접착제(5)가 제공된 레이저 다이오드(3) 및/또는 캐리어(2)의 가열 공정이 이루어진다. 바람직하게 가열될 수 있는 핫 스템핑 다이(49)에 의한 상기 스템핑 공정(도 11b 참조)은 바람직하게 104dPa·s 내지 108dPa·s, 바람직하게 104dPa·s 내지 105dPa·s의 범위 내 상기 접착제(5)의 점성에서 이루어진다.
상기 핫 스템핑 다이(49)는 예를 들어 백금, 금, 백금-금-합금들 또는 흑연으로 구성되어 있다. 그 밖에 경질 합금들로 구성된 다이(49)들이 적합하다. 이에 대한 예시들은, 특히 코발트로 구성된 매트릭스 내 탄화텅스텐 또는 탄화티타늄이다.
접착제(5)의 접착을 방지하기 위해, 상기 핫 스템핑 다이(49)는 코팅을 포함할 수 있다. 이러한 코팅은 예를 들어 TiN, AlN 및/또는 TiAlN으로 구성되어 있다. 바람직하게 낮은 표면 거칠기, 예를 들어 최대 100㎚의 거칠기 Ra를 갖는 스템핑 다이(49)들이 이용된다. 이를 위해, 특히 표면 코팅되거나, 또는 표면 압축된 흑연이 적합하다.
제공된 보호 커버(4)는 의도적인 빔 성형을 위해 이용될 수 있다. 대안적으로 보호 커버(4)는 굴절성 광학 수단으로서, 회절성 광학 수단으로서, 또는 두 가지 광학 수단의 조합으로서 구현될 수 있다. 상기 보호 커버(4)의 광학적으로 효과적인 구조는 광 출력을 증가시키는 구조로서 형성될 수 있다(도 12 참조).
완성된 반도체 소자(1)는 도 11c에 나타나 있다. 이 경우, 전체 패싯면(30) 및 캐리어(2)의 전체 측면(20)이 보호 커버(4)에 의해 덮일 수 있다.
도 12의 방법의 경우, 광전자 반도체 칩(3)으로, 바람직하게 캐리어(2)가 통합되거나, 또는 대안적으로 별도의 캐리어(도시되지 않음)를 갖는 LED-칩이 고려된다. 선택적으로 상기 반도체 칩(3)은 연결 수단(14), 예를 들어 접착 지점들 또는 납땜 지점들을 통해 캐리어(11)에 고정되어 있다. 도 12a에 따르면, 보호 커버(4)를 위한 비가공 재료(48)가 제공된다.
후속하여(도 12b 참조) 스템핑 다이(49)에 의한 스템핑이 이루어짐으로써, 결과적으로 도 12c에 나타나 있는 것처럼, 상기 보호 커버(4)는 예를 들어 광 출력을 개선하는 결과를 가져온다. 그에 따라 상기 보호 커버(4)는 광 출력 측(42)에 표면 주름(43)을 갖도록 형성되어 있다. 이를 위해, 상기 보호 커버(4)는, 예를 들어 최대 0.3의 굴절률 차이를 갖도록 상기 반도체 칩(3)과 유사한 굴절률을 가짐으로써, 결과적으로 상기 보호 커버(4)를 위해 고굴절 비가공 재료(48)들이 사용될 수 있다.
도 13의 실시예의 경우, 보호 커버(4)는 평행 평면의 원형 디스크로서 형성되어 있고 렌즈로서 형성되어 있지 않다. 패싯면(30)은 단지 부분적으로만 접착제(5)에 의해 덮여 있고 측면(20)과 동일선상에서 종료한다. 동일한 사실은 다른 모든 실시예들에서 가능하다.
도 14에 따르면, 보호 커버(4)에, 예를 들어 평행 평면 세라믹 플레이트 형태의 발광 물질 소자(7)가 설치되어 있다. 예를 들어 상기 평행 평면 보호 커버(4)와 상기 발광 물질 소자(7) 사이에는 단지 연결 수단(14)만이 위치하는데, 예를 들어, 특히 0.2㎛ 이상 내지 3㎛의 두께를 갖는, 실리콘 접착제로 구성된 얇은 층이 위치한다.
파장 변환을 위한 하나 이상의 발광 물질은, 작동 중에 발생한 레이저 빔(L)이 발광 물질 소자(7) 상으로 입사하는 상기 발광 물질 소자(7)의 영역 상으로 제한될 수 있다. 선택적으로 레이저 다이오드(3)를 향하는 상기 발광 물질 소자(7)의 입력 측(72)에는 이색성 코팅(73)이 위치하고, 상기 이색성 코팅은 상기 레이저 빔(L)을 투과시키지만 상기 발광 물질 소자(7) 내에서 발생한 빔은 반사한다.
계속해서 캐리어(2)는 패싯면(30) 위로 돌출할 수 있다. 그에 따라 상기 보호 커버(4)는 상기 캐리어(2)를 등질 수 있고 상기 캐리어(2)에 대해 비스듬하게 진행할 수 있다. 상응하는 사실은 다른 모든 실시예들에서도 적용될 수 있다.
도 15의 실시예에서도 마찬가지로 발광 물질 소자(7)가 존재한다. 이 경우, 상기 발광 물질 소자(7)는, 바람직하게 동일하고 일정한 두께로 광 출력 측(42) 상에 직접적으로, 그리고 특히 전체 면적에 걸쳐서 제공되어 있다.
도 14 및 도 15에서 설명된 것과 같은 발광 물질 소자(7)들은, 바람직하게 이색성 코팅(73)과 함께 다른 모든 실시예들에서도 존재할 수 있다.
도 13 내지 도 15의 형성예들에서도, 도 1 내지 도 8에서와 동일한 방식으로, 개별적으로 또는 서로 조합되어, 레이저 다이오드(3)의 공진기 내로 역반사를 방지하기 위한 조치들이 취해질 수 있다.
다르게 식별되어 있지 않은 경우에 한해, 도면들에 도시된 부품들은 바람직하게 제시된 순서로 각각 연속한다. 상기 도면들에서 서로 접촉하지 않는 층들은 바람직하게 서로 간격을 두고 있다. 선들이 서로 평행하게 도시되어 있는 경우에 한해, 상응하는 표면들은 바람직하게 마찬가지로 서로 평행하게 정렬되어 있다. 마찬가지로, 다르게 식별되어 있지 않은 경우에 한해, 도시된 부품들의 상호 상대적 위치들은 상기 도면들에서 올바르게 재현되어 있다.
본 출원서에 기술된 발명은 실시예들을 참조한 설명에만 제한되어 있지 않다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각각의 조합을 포함하는데, 이와 같은 특징 또는 이와 같은 조합이 특허 청구범위 또는 실시예들에서 직접 명시적으로 제시되어 있지 않더라도, 특히 특징들의 각각의 조합은 특허 청구범위에 포함되어 있다고 간주한다.
본 특허 출원서는 독일 특허 출원서 10 2017 123 798.4의 우선권을 청구하며, 그에 따라 상기 특허 출원서의 공개 내용은 인용의 방식으로 본 특허 출원서에 수용된다.
1 반도체 레이저 및 광전자 반도체 소자
2 캐리어
20 캐리어 측면
3 레이저 다이오드 및 광전자 반도체 칩
30 패싯면
31 빔 출력 영역
33 활성 구역
4 보호 커버/렌즈
41 광 입력 측
42 광 출력 측
43 표면 주름
44 반사 방지 코팅
45 광촉매성 코팅
46 접착 방지 코팅
47 굴절률 조정층
48 렌즈 비가공 재료
49 핫 스템핑 다이
5 접착제
6 캐비티
65 캐비티의 측벽
7 발광 물질 소자
72 입력 측
73 이색성 코팅
10 어레인지먼트
11 히트 싱크
12 대기
13 본드 와이어
14 연결 수단
L 레이저 빔
R 렌즈에서 반사된 레이저 빔
α 패싯면과 광 입력 측 사이의 각도

Claims (20)

  1. 반도체 레이저(1)로서,
    - 캐리어(2),
    - 상기 캐리어(2) 상에 설치되고, 레이저 빔(L)을 발생시키기 위한 활성 구역(33), 및 빔 출력 영역(31)을 갖는 패싯면(facet)(30)을 포함하는 에지-방출 레이저 다이오드(edge-emitting laser diode)(3),
    - 보호 커버(4), 및
    - 상기 보호 커버(4)를 상기 패싯면(30) 및 상기 캐리어(2)의 측면(20)에 고정하는 접착제(5)
    를 포함하고,
    - 상기 보호 커버(4)의 광 입력 측(41)과 상기 패싯면(30) 사이의 평균 간격은 최대 30㎛이고,
    - 상기 반도체 레이저(1)는 정상 대기(normal atmosphere)에서 추가의 기밀성 캡슐화 없이 작동하도록 구성되며, 그리고
    - 상기 보호 커버(4)는 횡단면에서 보았을 때 양볼록(biconvex) 형상을 가지며, 상기 패싯면(30)을 향하는 상기 광 입력 측(41)의 최대 만곡부가 상기 레이저 빔(L)의 광학 축 외부에 놓임으로써, 상기 광 입력 측(41)에서 반사되는 레이저 빔(L)이 상기 빔 출력 영역(31)으로부터 벗어나게 되는,
    반도체 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 입력 측(41) 전체는 상기 접착제(5)에 의해 덮이고,
    상기 보호 커버(4)와 상기 접착제(5) 사이의 굴절률 차이는 상기 레이저 빔(L)의 최대 강도의 파장 및 300K에서 최대 0.1인,
    반도체 레이저.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보호 커버(4)는 빔 편향을 위한 프리즘인 것인,
    반도체 레이저.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활성 구역(33)의 영역 내에서 상기 패싯면(30)에 캐비티(6)가 형성되고,
    상기 레이저 빔(L)이 상기 레이저 다이오드(3)를 빠져나가는 상기 빔 출력 영역(31)에는 상기 접착제(5)가 존재하지 않도록, 상기 패싯면(30)을 평면도로 볼 때 상기 캐비티의 둘레는 상기 접착제(5)에 의해 둘러싸이는,
    반도체 레이저.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캐비티(6)는 진공이거나, 또는 하나 이상의 보호 가스에 의해 충전되어 있고,
    상기 패싯면(30)을 평면도로 볼 때, 상기 캐비티(6)는 3㎛ 이상 내지 100㎛의 평균 지름을 갖고, 상기 캐비티(6)의 두께는 0.5㎛ 이상 내지 20㎛이며, 그리고
    상기 패싯면(30)을 평면도로 볼 때, 상기 캐비티(6)를 둘러싸는 상기 접착제(5)의 폭은 상기 캐비티(6)의 평균 지름의 최소 150％이고, 그뿐 아니라 최소 30㎛인,
    반도체 레이저.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 패싯면(30)에 대해 수직인 횡단면도로 볼 때 상기 캐비티(6)가 상기 빔 출력 영역(31) 내에서 양볼록 형상을 갖도록, 상기 캐비티(6)는 상기 접착제(5) 쪽으로 만곡된 측벽(65)들을 포함하고,
    상기 레이저 빔(L)은 상기 접착제(5)로부터 간격을 두고 상기 광 입력 측(41) 쪽으로 진행하는,
    반도체 레이저.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 접착제(5)는 상기 광 입력 측(41), 상기 측면(20), 및 상기 빔 출력 영역(31) 전체를 직접적으로 덮고,
    상기 광 입력 측(41)과 상기 패싯면(30) 사이의 평균 간격은 0.2㎛ 이상 내지 15㎛인,
    반도체 레이저.
  8. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 보호 커버(4)는, 사파이어, SiC 중 하나 이상의 재료를 포함하거나 또는 이들 중 하나 이상의 재료로 구성되고,
    상기 레이저 빔(L)의 최대 강도의 파장은 365㎚ 이상 내지 530㎚인,
    반도체 레이저.
  9. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 접착제(5)는 무기질이고, 하나 이상의 금속 및/또는 하나 이상의 유리를 포함하거나 또는 하나 이상의 금속 및/또는 하나 이상의 유리로 구성되는,
    반도체 레이저.
  10. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 접착제(5)는 저유기(low organic) 실리콘, 실라잔 및/또는 실록산을 포함하거나 또는 저유기 실리콘, 실라잔 및/또는 실록산으로 구성되는,
    반도체 레이저.
  11. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 광 입력 측(41)이 반사된 레이저 빔(L)을 확산 방식으로 분산시키게 구성되도록 상기 광 입력 측(41)에 표면 주름(43)이 제공됨으로써, 상기 반사된 레이저 빔(L)이 상기 빔 출력 영역(31)에 전혀 도달하지 않거나 또는 단지 약화된 상태로만 도달하게 되거나, 또는 상기 레이저 다이오드(3)의 공진기가 상기 반사된 레이저 빔(L)에 의해 장애를 받지 않게 되는,
    반도체 레이저.
  12. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    평면으로 형성된 상기 광 입력 측(41)이 상기 패싯면(30)에 대해 비스듬하게 정렬됨으로써, 상기 광 입력 측(41)에서 반사된 레이저 빔(L)이 상기 빔 출력 영역(31)으로부터 벗어나게 되거나, 또는 상기 레이저 다이오드(3)의 공진기가 상기 반사된 레이저 빔(L)에 의해 장애를 받지 않게 되고,
    상기 광 입력 측(41)과 상기 패싯면(30) 사이의 각도(α)는 5° 이상 내지 25°인,
    반도체 레이저.
  13. 삭제
  14. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    적어도 상기 광 입력 측(41)에 상기 레이저 빔(L)의 반사 방지 코팅(44)이 제공됨으로써, 상기 광 입력 측(41)이 상기 레이저 빔(L)에 대해 최대 0.5％의 반사율을 갖게 되거나, 또는 상기 레이저 다이오드(3)의 공진기가 상기 반사된 레이저 빔(L)에 의해 장애를 받지 않게 되는,
    반도체 레이저.
  15. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    적어도 상기 패싯면(30)을 등지는 상기 보호 커버(4)의 광 출력 측(42)에는 광촉매성 코팅(45)이 제공되고,
    상기 광촉매성 코팅(45)은 상기 레이저 빔(L)에 의해 상기 광 출력 측(42)에 있는 퇴적물들을 제거 및/또는 분해하도록 구성되는,
    반도체 레이저.
  16. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    적어도 상기 패싯면(30)을 등지는 상기 보호 커버(4)의 광 출력 측(42)에는 접착 방지 코팅(46)이 제공되고,
    상기 접착 방지 코팅은 상기 보호 커버(4) 외부에 퇴적물들을 방지하도록 구성되는,
    반도체 레이저.
  17. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 활성 구역(33)은 상기 캐리어(2)를 향하는 상기 레이저 다이오드(3)의 측에 위치하고,
    상기 패싯면(30)은 상기 레이저 빔(L)의 진행 방향을 따라 상기 캐리어(2)보다 돌출하는,
    반도체 레이저.
  18. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 반도체 레이저(1)가 작동 중에 백색 혼합 광을 방사하도록 상기 레이저 빔(L)을 부분적으로 변환하기 위한 발광 물질 소자(7)를 더 포함하고,
    상기 발광 물질 소자(7)는 직접 상기 패싯면(30)을 등지는 상기 보호 커버(4)의 광 출력 측(42)에 위치하는,
    반도체 레이저.
  19. 광전자 반도체 소자(1)의 제조 방법으로서,
    - 빔(L)을 발생시키기 위한 활성 구역(33) 및 빔 출력 영역(31)을 포함하는 광전자 반도체 칩(3)을 제공하는 단계, 및
    - 후속하여 상기 빔 출력 영역(31)에 직접 보호 커버(4)를 생성하는 단계
    를 포함하고,
    - 상기 보호 커버(4)는 핫 스탬핑(hot stamping)에 의해 생성되며, 상기 보호 커버(4)는 횡단면에서 보았을 때 양볼록(biconvex) 형상을 가지고, 상기 보호 커버(4)의 광 입력 측(41)의 최대 만곡부가 상기 빔(L)의 광학 축 외부에 놓임으로써, 상기 광 입력 측(41)에서 반사되는 빔(L)이 상기 빔 출력 영역(31)으로부터 벗어나게 되며, 그리고
    - 상기 반도체 소자(1)는 정상 대기에서 추가의 기밀성 캡슐화 없이 작동하도록 구성되는,
    광전자 반도체 소자의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 광전자 반도체 칩(3)은 상기 빔 출력 영역(31)을 포함하는 패싯면(30)을 갖는 레이저 다이오드이고,
    상기 보호 커버(4)는 캐리어(2)의 측면(20)에 직접 접촉하며, 최대 15°의 오차 허용도로 상기 패싯면(30)에 대해 평행하게 배치되는,
    광전자 반도체 소자의 제조 방법.
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