KR102544296B1 - 표면발광레이저 소자 및 이를 구비한 표면발광레이저 장치 - Google Patents

표면발광레이저 소자 및 이를 구비한 표면발광레이저 장치 Download PDF

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Abstract

표면발광레이저소자는 기판과, 기판 상에 배치되는 제1 금속층과, 제1 금속층 상에 배치되는 제2 금속층과, 제1 금속층과 제2 금속층 사이에 배치되는 제3 금속층을 포함한다.
제1 내지 제3 금속층은 서로 다른 물질을 포함하고, 제2 금속층은 구리(Cu)를 포함할 수 있다.
제3 금속층은 제2 금속층의 구리의 상기 제1 금속층으로의 확산을 방지할 수 있다.

Description

표면발광레이저 소자 및 이를 구비한 표면발광레이저 장치{A VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER DEVICE and APPARATUS HAVING THE SAME}
실시예는 표면발광레이저 소자 및 이를 구비한 표면발광레이저 장치에 관한 것이다.
GaAs, AlGaAs 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 이용하여 다양한 파장대역의 광을 방출할 수 있어, 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선의 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저 소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다.
뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자는 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장대역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장대역에 이르는 다양한 파장대역의 빛을 수광할 수 있다. 또한 반도체 소자는 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 채택될 수 있다.
따라서, 반도체 소자는 광 통신 시스템의 송수신 모듈, 액정표시장치LCD(Liquid Crystal Display)의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 유닛, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드와 같은 조명 장치, 자동차의 헤드 라이트, 신호등 또는 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다.
또한, 반도체 소자는 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다. 예를 들어, 반도체 소자로서 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: VCSEL) 소자가 있다. 표면발광레이저 소자는 광 통신, 광병렬 처리, 광연결 등에 사용되고 있다. 한편, 이러한 통신용 모듈에서 사용되는 레이저 다이오드의 경우, 저전류에서 작동하기 용이하도록 설계되어 있다.
표면발광레이저 소자는 통신용과 센서용으로 개발되고 있다. 통신용 표면발광레이저 소자는 광통신 시스템에 적용된다.
센서용 표면발광레이저 소자는 사함의 얼굴을 인지하는 3D 센싱 카메라에 적용된다. 예를 들어, 3D 센싱 카메라는 객체의 심도 정보(Depth Information)를 포착할 수 있는 카메라로서, 최근 증강현실과 맞물려 각광을 받고 있다.
표면발광레이저 소자는 기판에 실장되어 표면발광레이저 장치로 제품화된다. 이러한 경우, 표면발광레이저 소자의 하부에 구비되고 금(Au)을 포함하는 전극이 금속 페이스트 물질을 이용한 본딩 공정에 의해 기판에 고정된다.
하지만, 종래의 표면발광레이저 장치에서 해당 전극의 금(Ag)이 금속 페이스트 물질과의 본딩력이 취약하여 기판으로부터 종종 이탈되는 제품 불량이 발생되는 문제가 있다. 특히, 해당 금속은 신호를 공급받기 위해 기판과 전기적으로 연결되어야 한다. 하지만, 해당 금속이 기판으로부터 이탈되거나 부분적으로 접촉되는 경우, 표면발광레이저 소자로 온전한 신호가 전달되지 않아, 원하는 전기적 특성을 얻을 수 없다.
실시예는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
실시예의 다른 목적은 본딩력을 강화하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자 및 이를 구비한 표면발광레이저 장치를 제공한다.
실시예에 따른 다른 목적은 오믹 특성을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자 및 이를 구비한 표면발광레이저 장치를 제공한다.
실시예에 따른 다른 목적은 산화를 방지하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자 및 이를 구비한 표면발광레이저 장치를 제공한다.
실시예에 따른 다른 목적은 층 간 접착력을 강화하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 표면발광레이저 소자 및 이를 구비한 표면발광레이저 장치를 제공한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 실시예의 일 측면에 따르면, 표면발광레이저소자는, 기판; 상기 기판 상에 배치되는 제1 금속층; 상기 제1 금속층 상에 배치되는 제2 금속층; 및 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치되는 제3 금속층;을 포함한다. 상기 제1 내지 제3 금속층은 서로 다른 물질을 포함하고, 상기 제2 금속층은 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 상기 제3 금속층은 상기 제2 금속층의 구리의 상기 제1 금속층으로의 확산을 방지할 수 있다.
실시예의 다른 측면에 따르면, 표면발광레이저 장치는, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치되는 표면발광레이저소자; 및 상기 제1 기판과 상기 표면발광레이저소자 사이에 배치되는 솔더층;을 포함한다. 상기 표면발과레이저소자는, 제2 기판; 상기 제2 기판 아래에 배치되는 제1 금속층; 상기 제1 금속층과 상기 솔더층 사이에 배치되는 제2 금속층; 및 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치되는 제3 금속층;을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 금속층은 서로 다른 물질을 포함하고, 상기 제2 금속층은 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 상기 제3 금속층은 상기 제2 금속층의 구리의 상기 제1 금속층으로의 확산을 방지할 수 있다.
실시예에 따른 표면발광레이저 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 표면발광레이저 소자의 하부에 배치된 제1 전극에서 구리(Cu)를 포함하는 제1 금속층이 본딩층으로 사용되고, 이러한 제1 금속층이 솔더층과의 본딩력이 증가되어, 표면발광레이저 소자의 제1 전극의 기판으로부터의 이탈을 방지하여 제품에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 표면발광레이저 소자의 하부에 배치된 제1 전극에서 제1 금속층과 제2 금속층 사이에 배리어층인 제3 금속층이 배치됨으로써, 제1 금속층의 구리(Cu) 입자가 제2 금속층으로 확산되지 않아 제2 금속층의 오믹 특성이 향상될 수 있다는 장점이 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 표면발광레이저 소자의 하부에 배치된 제1 전극에서 제4 금속층이 제1 금속층의 하면에 배치됨으로써, 제1 금속층의 구리(Cu)의 산화를 방지하여 전기 전도도를 향상시켜 제품의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 표면발광레이저 소자의 하부에 배치된 제1 전극에서 제4 금속층의 금(Cu) 입자가 제1 금속층의 하면 및/또는 제1 금속층의 내부에 배치됨으로써, 제1 금속층의 구리(Cu)의 산화를 방지하여 전기 전도도를 향상시켜 제품의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 표면발광레이저 소자의 하부에 배치된 제1 전극에서 제1 금속층과 제5 금속층 사이에 제6 금속층이 배치됨으로써, 제1 금속층과 제5 금속층 간의 접착력을 강화하여 금속층 간 이탈을 방지하여 제품에 대한 신로성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
실시예의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 실시예의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 실시예에 따른 표면발광레이저 장치를 도시한 평면도이다.
도 2는 실시예에 따른 표면발광레이저 장치의 X1-X2 선을 따른 단면도이다.
도 3는 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 일 영역(C1)의 확대도이다.
도 5a는 도 4에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 A1-A2 선을 따른 제1 단면도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 A3-A4 선을 따른 제2 단면도이다.
도 6은 제1 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
도 7은 다양한 금속 물질에 대한 본딩 강도를 보여준다.
도 8은 비교예에서 표면발광레이저 소자가 기판으로부터 분리된 모습을 보여준다.
도 9는 실시예에서 표면발광레이저 소자가 기판으로부터 분리된 모습을 보여준다.
도 10은 제2 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
도 11는 제3 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
도 12은 제4 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
도 13는 제5 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
도 14는 제6 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
도 15은 제7 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
도 16는 도 3a에 도시한 실시예에 따른 제2 전극의 일 예를 도시한 단면도이다.
도 17는 종래와 실시예에 따른 제2 전극의 일 함수를 설명하는 도면이다.
도 18는 종래와 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 V-I 특성을 나타낸다.
도 19은 실시예에 따른 제2 전극의 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 20는 실시예에 따른 제2 전극의 제1 금속층을 도시한 평면도이다.
도 21은 실시예에 따른 플립칩형 표면발광레이저 소자의 단면도이다.
도 22는 실시예에 따른 표면발광레이저 소자가 적용된 이동 단말기의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “B 및(와) C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우 뿐만아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다. 또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우 뿐만아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 표면발광레이저 장치를 도시한 평면도이고, 도 2는 실시예에 따른 표면발광레이저 장치의 X1-X2 선을 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 표면발광레이저 장치(100)는 기판(110)과 기판(110) 상에 실장되는 복수의 표면발광레이저 소자(201)을 포함할 수 있다. 예컨대, 실시예에 따른 표면발광레이저 장치(100)는 COB(Chip On Board) 타입일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 기판(110) 상에 복수의 표면발광레이저 소자(201)가 실장되어, 이들 복수의 표면발광레이저 소자(201)가 선택적으로 또는 일괄로 발광되어, 레이저빔의 강도가 조절될 수 있다.
표면발광레이저 소자(201)의 상세한 구조는 도 3 내지 도 5에 도시되었고, 이에 대해서는 나중에 상세히 설명한다.
기판(110)은 인쇄회로기판(PCB)으로서, 플렉서블(flexible)기판 또는 리지드(rigid)기판일 수 있다.
기판(110)은 베이스기판(111), 베이스기판(111) 상에 배치되는 제1 도전패턴(113)과 제2 도전패턴(115) 및 제1 도전패턴(113)과 제2 도전패턴(115) 상에 배치되는 솔더 레지스트(solder resist, 117)을 포함할 수 있다.
베이스기판(111)은 제1 도전패턴(113)과 제2 도전패턴(115)을 형성하기 위한 필요하며, 또한 이들 제1 도전패턴(113)과 제2 도전패턴(115)을 지지하는 역할을 할 수 있다. 베이스기판(111)은 예컨대, 종이, 수지, 유리 등으로 이루어질 수 있다.
제1 도전패턴(113)과 제2 도전패턴(115)은 전기적인 절연을 위해 서로 이격되어 배치될 수 있다. 제1 도전패턴(113)과 제2 도전패턴(115)은 동일 면, 즉 베이스기판(111)의 상면 상에 형성될 수 있다. 제1 도전패턴(113)과 제2 도전패턴(115)은 신호를 흐르는 라인일 수 있다.
솔더레지스트는 제1 도전패턴(113)과 제2 도전패턴(115)을 외부로부터 물리적으로 보호하는 보호층이고 제1 도전패턴(113) 및 제2 도전패턴(115)과 외부와의 전기적인 쇼트를 방지하는 절연층일 수 있다.
솔더레지스트는 부분적으로 제거되어 제1 도전패턴(113)과 제2 도전패턴(115) 각각의 상면의 일부가 외부에 노출될 수 있다. 예컨대, 제1 도전패턴(113)의 노출된 부분은 표면발광레이저 소자(201)의 하부와 전기적으로 연결되고, 제2 도전패턴(115)의 노출된 부분은 표면발광레이저 소자(201)의 상부와 전기적으로 연결될 수 있다.
아울러, 표면발광레이저 소자(201)의 하부는 금속 페이스트(silver paste)를 이용한 다이본딩 방식에 의해 제1 도전패턴(113)의 노출된 부분에 고정될 수 있다. 금속 페이스트가 경화되어 솔더층(120)이 될 수 있다.
표면발광레이저 소자(201)는 표면발광레이저 발광층(205), 표면발광레이저 발광층(205)의 하면 상에 배치되는 제1 전극(215) 및 표면발광레이저 발광층(205)의 상면 상에 배치되는 제2 전극(282)를 포함할 수 있다. 표면발광레이저 소자(201)는 레이저빔이 방출되는 복수의 에미터(도 4의 E1, E2, E3)을 포함할 수 있다.
도 2에서는 설명의 편의를 위해 하나의 에미터 구조만 도시되고 있지만, 도 3에 도시한 바와 같이, 표면발광레이저 소자(201)는 수백 개의 에미터를 포함하고, 이들 에미터 각각으로부터 레이저빔이 외부로 방출될 수 있다. 이들 에미터는 서로 간에 이격되어 배치될 수 있다. 에미터 사이에 해당하는 표며발광레이저 발광층이 상면에 제2 전극이 배치될 수 있다. 에미터 사이에 배치되는 제2 전극은 일체로 형성될 수 있다. 제2 전극은 제2 전극은 신호를 레이버발광 발광층으로 공급하는 신호 공급원이고, 레이저빔이 외부로 방출되지 못하도록 하는 차단층일 수 있다.
도시되지 않았지만, 표면발광레이저 소자(201), 즉 표면발광레이저 발광층(205)의 측면은 패시베이션층(도 5a의 270)이 배치되어, 표면발광레이저 발광층(205)을 외부로부터 물리적으로 보호하고 전기적으로 절연시킬 수 있다.
솔더층(120)에 의해 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215)은 기판(110)의 제1 도전패턴(113)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 솔더층(120)에 의해 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215)은 기판(110)의 제1 도전패턴(113)에 고정될 수 있다. 솔더층(120)은 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215)의 하면과 기판(110)의 제1 도전패턴(113)이 상면 사이에 배치될 수 있다. 솔더층(120)은 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215)의 측면과 솔더레지스트의 내측면과 상면의 일부 사이에 배치될 수 있다. 솔더레지스트의 일부가 제거되어 제1 도전패턴(113)의 상면 일부가 노출될 수 있다. 솔더레지스트의 내측면의 솔더레지스트의 일부가 제거된 개구의 내측면을 의미할 수 있다. 솔더레지스트의 상면의 일부는 솔더레지스트의 일부가 제거된 개구에 인접한 영역일 수 있다.
솔더층(120)은 15㎛ 내지 50㎛의 두께를 가질 있다. 솔더층(120)이 15㎛ 미마인 경우 제1 전극(215)와 기판(110)에 대한 부착 불량이 발생되고, 솔더층(120)이 50㎛ 초과인 경우, 표면발광레이저 장치(100)의 두께가 증가될 수 있다.
금속 페이스트를 이용한 다이본딩 방식을 살펴보면, 먼저 금속 페이스트가 기판(110)의 제1 도전패턴(113) 상으로 도팅(dotting) 방식에 의해 적하될 수 있다. 금속 페이스트는 점성을 가지고 있으므로, 기판(110)의 제1 도전패턴(113) 상에서 반원 형상이나 타원 형상을 가질 수 있다. 이후, 표면발광레이저 소자(201)가 금속 페이스트 상에 위치될 수 있다. 이후, 열을 가하고 표면발광레이저 소자(201)를 하부 방향으로 가압함으로써, 표면발광소자의 제1 전극(215)이 솔더층(120)을 매개로 하여 기판(110)의 제1 도전패턴(113)에 고정되고 전기적으로 연결될 수 있다. 가해진 열은 180℃ 내지 220℃일 수 있다.
도시되지 않았지만, 표면발광레이저 소자(201)의 제2 전극의 하면과 기판(110)의 제1 도전패턴(113)의 상면 사이에 솔더층(120)이 존재하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 표면발광레이저 소자(201)의 제2 전극의 하면이 직접 기판(110)의 제1 도전패턴(113)의 상면에 접하고, 솔더층(120)은 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215)의 측면 둘레에 배치될 수 있다. 즉, 표면발광레이저 소자(201)의 제2 전극은 직접 기판(110)의 제1 도전패턴(113)의 상면과 전기적으로 연결되고, 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215)의 측면 둘레에 배치된 솔더층(120)에 의해 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215)이 기판(110)의 제1 도전패턴(113)에 고정될 수 있다.
도시되지 않았지만, 표면발광레이저 발광층(205)의 측면 상에 패시베이션층이 배치되므로, 솔더레이즈트의 일부는 제1 금속층보다 위에 위치된 표면발광레이저 발광층(205)의 하부 영역에 대응되는 패시베이션층에 접할 수 있다.
한편, 와이어본딩 방식을 이용하여 표면발광레이저 소자(201)의 제2 전극은 기판(110)의 제2 도전패턴(115)에 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 와이어(285)의 일측이 표면발광레이저 소자(201)의 제2 전극에 전기적으로 연결되고, 와이어(285)의 타측이 기판(110)의 제2 도전패턴(115)에 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같이, 구성된 표면발광레이저 장치(100)에서, 제1 도전패턴(113)과 제2 도전패턴(115)으로부터의 신호가 제1 전극(215)과 제2 전극을 경유하여 표면발광레이저 발광층(205)으로 공급되어, 복수의 에미터 각각으로부터 레이저빔이 외부로 방출될 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참고하여 실시예에 따른 표면발광레이저 소자를 상세히 설명한다.
도 3는 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 일 영역(C1)의 확대도이다. 도 5a는 도 4에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 A1-A2 선을 따른 제1 단면도이고, 도 5b는 도 4에 도시된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 A3-A4 선을 따른 제2 단면도이다.
도 3 내지 도 5b를 참조하면, 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 발광부(E)와 패드부(P)를 포함할 수 있다. 발광부(E)는 도 4와 같이 복수의 발광 에미터(E1, E2, E3)를 포함하는 영역으로서 레이저빔이 방출되는 영역일 수 있다. 예컨대, 발광부(E)는 수십에서 수백개의 발광 에미터를 포함할 수 있다. 패드부(P)는 발광 에미터(E1, E2, E3)에 배치되지 않는 영역일 수 있다.
실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 개구부를 정의하는 제2 전극(282)을 포함할 수 있다. 즉, 각 발광 에미터(E1, E2, E3)에서 제2 전극(282)은 애퍼처(241)에 대응되는 영역을 제외한 나머지 영역에 배치될 수 있다. 예컨대, 제2 전극(282)은 제2 반사층(250)의 제2 영역에 배치될 수 있다. 제2 반사층(250)의 제1 영역은 제2 영역에 의해 둘러싸이고, 애퍼처(241)의 사이즈와 동일하거나 이보다 클 수 있다. 따라서, 발광층(230)에서 생성된 빔이 애퍼처(241)을 통과하여 제2 전극(282)에 의해 정의된 개구부를 통해 외부로 방출될 수 있다.
실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 표면발광레이저 발광층(205), 표면발광레이저 발광층(205)의 하면 상에 배치되는 제1 전극(215) 및 표면발광레이저 발광층(205)의 상면 상에 배치되는 제2 전극(282)을 포함할 수 있다.
표면발광레이저 발광층(205)은 기판(210), 제1 반사층(220), 발광층(230), 산화층(240), 제2 반사층(250), 패시베이션층(270) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
산화층(240)은 애퍼처(241) 및 절연영역(242)을 포함할 수 있다. 애퍼처(241)은 전류가 흐르는 통로영역일 수 있다. 절연영역(242)은 전류의 흐름을 차단하는 차단영역일 수 있다. 절연영역(242)는 옥사이드층(oxide layer) 또는 산화층으로 지칭될 수 있다.
실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 패드전극(280)을 더 포함할 수 있다. 패드전극(280)은 패드부(P), 즉 발광부(E)를 제외한 영역에 배치될 수 있다. 패드전극(280)은 제2 전극(282)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극(282)과 패드전극(280)은 일체로 형성되거나 별개도 형성될 수 있다.
이하 도 3 내지 도 5을 참조하여 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)의 기술적 특징을 설명하기로 한다. 실시예의 도면에서 x축의 방향은 기판(210)의 길이방향에 평행한 방향일 수 있으며, y축은 x축에 수직한 방향일 수 있다.
<기판, 제1 전극>
실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 기판(210)을 제공한다. 기판(210)은 전도성 기판일 수 있다. 전도성 기판으로는 전기 전도도가 우수한 금속이 사용될 수 있다. 표면발광레이저 소자(201)의 동작시 발생되는 열이 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로, 전도성 기판으로는 열전도도가 높은 GaAs 기판 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판 등이 사용될 수 있다.
실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 제1 전극(215)을 제공한다. 제1 전극(215)은 기판(210)의 하부에 배치될 수 있다. 제1 전극(215)은 도전성 재료로 단층 또는 다층으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(215)은 금속일 수 있고, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성되어, 전기적 특성을 향상시켜 광출력을 높일 수 있다.
<제1 반사층>
실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 제1 반사층(220)를 제공한다. 제1 반사층(220)는 기판(210) 상에 배치될 수 있다. 두께를 줄이기 위해 기판(210)이 생략되는 경우, 제1 반사층(220)의 하면은 제1 전극(215)의 상면과 접촉될 수 있다.
제1 반사층(220)는 제1 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
제1 반사층(220)는 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 반사층(220)는 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)는 서로 다른 굴절률을 가지는 물질를 포함하는 제1 층 및 제2 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
예를 들어, 제1 반사층(220)는 기판(210) 상에 배치된 복수의 층을 포함할 수 있다. 각 층은 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질를 포함할 수 있으며, 각 층 내의 Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다. 각각의 층의 두께는 λ/4n일 수 있고, λ는 발광층(230)에서 발생하는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다. 여기서, λ는 650 내지 980나노미터(nm)일 수 있고, n은 각층의 굴절률일 수 있다. 이러한 구조의 제1 반사층(220)는 약 940 나노미터의 파장의 광에 대하여 99.999%의 반사율을 가질 수 있다.
각 제1 반사층(220)에서의 층의 두께는 각각의 굴절률과 발광층(230)에서 방출되는 광의 파장 λ에 따라 결정될 수 있다.
<발광층>
실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 발광층(230)를 포함할 수 있다. 발광층(230)는 제1 반사층(220) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 발광층(230)는 제1 반사층(220) 상에 배치될 수 있다. 발광층(230)는 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치될 수 있다.
발광층(230)는 활성층과 적어도 하나 이상의 캐비티를 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광층(230)는 활성층, 활성층의 하측에 배치되는 제1 캐비티 및 활성층의 상측에 배치되는 제2 캐비티를 포함할 수 있다. 실시예의 발광층(230)는 제1 캐비티와 제2 캐비티를 모두 포함하거나, 둘 중의 하나만 포함할 수도 있다.
활성층은 단일 우물구조, 다중 우물구조, 단일 양자우물 구조, 다중 양자우물(MQW: Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층은 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 양자우물층과 양자벽층을 포함할 수 있다. 양자우물층은 양자벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 활성층은 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 활성층에는 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다.
제1 캐비티와 제2 캐비티는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 캐비티와 제2 캐비티는 각각 AlyGa(1-y)As로된 복수의 층을 포함할 수 있다.
<산화층>
실시예에 따른 표면발광레이저 소자는 산화층(240)을 제공할 수 있다. 산화층(240)은 절연영역(242)과 애퍼처(241)를 포함할 수 있다. 절연영역(242)는 애퍼처(241)을 둘러쌀 수 있다. 예컨대, 애퍼처(241)은 발광층(230)의 제1 영역(중심영역) 상에 배치되고, 절연영역(242)는 발광층(230)의 제2 영역(가장자리영역) 상에 배치될 수 있다. 제2 영역은 제1 영역을 둘러쌀 수 있다.
애퍼처(241)은 전류가 흐르는 통로영역일 수 있다. 절연영역(242)은 전류의 흐름을 차단하는 차단영역일 수 있다. 절연영역(242)는 옥사이드층(oxide layer) 또는 산화층으로 지칭될 수 있다.
애퍼처(241)의 사이즈에 의해 제2 전극(282)에서 발광층(230)으로 공급되는 전류의 양, 즉 전류밀도가 결정될 수 있다. 애퍼처(241)의 사이즈는 절연영역(242)에 의해 결정될 수 있다. 절연영역(242)의 사이즈가 커질수록 애퍼처(241)의 사이즈는 작아지고, 이에 따라 발광층(230)으로 공급되는 전류밀도는 증가될 수 있다. 아울러, 애퍼처(241)은 발광층(230)에서 생성된 빔이 상측 방향, 즉 제2 반사층(250)의 방향으로 진행되는 통로일 수 있다. 즉, 애퍼처(241)의 사이즈에 따라, 발광층(230)의 빔의 발산각이 달라질 수 있다.
절연영역(242)은 절연층, 예를 들어 알루미늄산화물(Al2O3)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 산화층(240)이 AlGaAs(aluminum gallium arsenide)를 포함하는 경우, 산화층(240)의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 가장자리가 알루미늄산화물(Al2O3)로 변해져 절연영역(242)으로 형성되고, H2O와 반응하지 않은 중심영역은 AlGaAs를 포함하는 애퍼처(241)가 될 수 있다.
실시예에 의하면, 애퍼처(241)을 통해 발광층(230)에서 발광된 광을 상부 영역으로 발산할 수 있으며, 절연영역(242)과 비교하여 애퍼처(241)의 광 투과율이 우수할 수 있다.
절연영역(242)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 절연영역(242)은 제1 절연영역, 제1 절연영역 상에 배치된 제2 절연영역 및 제2 절연영역 사에 배치된 제3 절연영역을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 절연영역 중 하나의 절연영역은 다른 절연영역과 동일한 두께를 갖거나 상이한 두께를 가질 수 있다. 제1 내지 제3 절연영역은 적어도 산화(oxidation) 물질을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 절연영역은 적어도 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다.
<제2 반사층>
실시예에 따른 표면발광레이저 소자는 제2 반사층(250)를 포함할 수 있다. 제2 반사층(250)는 산화층(240) 상에 배치될 수 있다.
제2 반사층(250)는 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250)는 제2 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다. 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 한편, 제1 반사층(220)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 제2 반사층(250)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
제2 반사층(250)도 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(250)는 서로 다른 굴절률을 가지는 물질를 포함하는 복수의 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다.
제2 반사층(250)의 각 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다. 제2 반사층(250)의 각 층의 두께는 λ/4n이고, λ는 활성층에서 방출되는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다.
이러한 구조의 제2 반사층(250)는 약 940 나노미터의 파장의 광에 대하여 99.9%의 반사율을 가질 수 있다.
제2 반사층(250)는 층들이 교대로 적층되어 이루어질 수 있으며, 제1 반사층(220) 내에서 층들의 페어(pair) 수는 제2 반사층(250) 내에서 층들의 페어 수보다 더 많을 수 있다. 상술한 바와 같이 제1 반사층(220)의 반사율은 99.999%로서 제2 반사층(250)의 반사율인 99.9%보다 클 수 있다.
실시예에서 제2 반사층(250)는 발광층(230) 상에 배치되는 복수의 층을 포함할 수 있다. 각각의 층은 단일 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
<패시베이션층, 제2 전극>
실시예에 따른 표면발광레이저 소자는 패시베이션층(270)을 제공할 수 있다. 패시베이션층(270)은 발광구조물의 일부 영역의 둘레를 둘러쌀 수 있다. 발광구조물의 일부 영역은 예컨대, 발광층(230), 산화층(240) 및 제2 반사층(250)를 포함할 수 있다. 패시베이션층(270)은 제1 반사층(220)의 상면 상에 배치될 수 있다. 패시베이션층(270)은 제2 반사층(250)의 에지 영역 상에 배치될 수 있다. 발광구조물이 부분적으로 메사 식각되는 경우, 제1 반사층(220)의 상면의 일부는 노출되고, 발광구조물의 일부 영역이 형성될 수 있다. 패시베이션층(270)이 발광구조물의 일부 영역의 둘레와 노출된 제1 반사층(220)의 상면 상에 배치될 수 있다.
패시베이션층(270)은 외부로부터 발광구조물을 보호하고, 제1 반사층(220)와 제2 반사층(250)의 전기적인 쇼트를 차단할 수 있다. 패시베이션층(270)은 SiO2와 같은 무기 재질로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
실시예에 따른 표면발광레이저 소자는 제2 전극(282)을 제공할 수 있다. 제2 전극(282)은 패드전극(280)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극(282)는 제2 반사층(250)의 상면의 일부분에 접촉될 수 있다.
제2 전극(282)과 패드전극(280)은 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(282)과 패드전극(280)은 백금(Pt), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
이하에서는 제1 전극(215)의 다양한 실시예(제1 내지 제7 실시예)를 상세한 설명한다.
제1 내지 제7 실시예에 기재된 제1 내지 제7 금속층(215_1 내지 215_7)의 순서는 변경 가능하다. 예컨대, 제1 금속층(215_1)은 제3 금속층(215_3)으로 명명되고, 제5 금속층(215_5)은 제2 금속층(215_2)으로 명명될 수 있다.
(제1 실시예)
상술한 바와 같이, 표면바광레이저 소자의 제1 전극(215)은 솔더층(120)을 이용한 다이본딩 방식에 의해 기판(110)의 제1 도전패턴(113)에 본딩될 수 있다.
제1 전극(215)이 기판(110)의 제1 도전패턴(113)에 강하게 고정되기 위해서는 제1 전극(215)이 솔더층(120)과 강한 본딩력을 가져야 한다.
도 7은 제1 전극의 본딩층으로서 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu) 등이 사용될 때의 본딩 강도를 도시한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 금속 페이스트에 대한 본딩력에 있어서 금(Au)보다 은(Ag)이 본딩 강도가 세고, 은(Ag)보다 구리(Cu)가 본딩 강도가 셈을 알 수 있다.
도 6은 제1 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
도 6을 참조하면, 제1 실시예에 따른 제1 전극(215A)은 제1 금속층(215_1)과 제1 금속층(215_1) 상에 배치되는 제2 금속층(215_2)을 포함할 수 있다.
제1 금속층(215_1)은 본딩층으로서, 제1 전극(215A)이 기판(110)의 제1 도전패턴(113)에 강한 본딩력으로 고정되도록 할 수 있다. 예컨대, 제1 금속층(215_1)은 구리(Cu)를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 7에 도시한 바와 같이, 은(Ag), 금(Au) 및 구리(Cu) 중에서 구리(Cu)의 금속 페이스트에 대한 본딩 강도가 가장 크다.
따라서, 구리(Cu)를 포함하는 제1 금속층(215_1)이 본딩층으로 사용되고, 이러한 제1 금속층(215_1)이 솔더층(120)과의 본딩력이 우수하므로, 제1 전극(215A)이 기판(110)의 제1 도전패턴(113)에 단단히 고정됨으로써, 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215A)의 기판(110)으로부터의 이탈을 방지하여 제품에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 8은 비교예에서 표면발광레이저 소자가 기판으로부터 분리된 모습을 보여주는 것으로서, 표면발광레이저 소자의 제1 전극의 본딩층으로서 금(Ag)이 사용되었다. 고, 도 9는 실시예에서 표면발광레이저 소자가 기판으로부터 분리된 모습을 보여주는 것으로서, 제1 실시예와 같이 표면발광레이저 소자의 제1 전극의 본딩층으로서 구리(Cu)가 사용되었다.
표면발광레이저 소자의 제1 전극의 본딩 강도를 테스트하기 위해, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 표면발광레이저 소자의 제1 전극을 기판으로부터 강제로 이탈시켰다.
비교에에 따르면, 표면발광레이저 소자의 제1 전극의 하면은 솔더층이 거의 존재하지 않고 금(Cu)을 포함하는 본딩층(노란색 부분)이 보여지고(도 8a), 솔더층은 기판의 표면(회색 부분)에 그대로 남아있다(도 8b). 이로부터, 비교예의 표면발광레이저 소자의 제1 전극은 솔더층과의 본딩력이 좋지 않음을 알 수 있다.
이에 반해, 실시예에 따르면, 솔더층(120)이 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215A)의 하면(도 9a)와 기판(110)의 표면(도 9b)에 모두 남아 있다. 도 9a 및 도 9b를 자세히 보면, 솔더층(120)이 기판(110)의 표면(도 9b)보다 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215A)의 하면(도 9a)에 더 많이 남아 있음을 알 수 있다. 이로부터, 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215A)은 솔더층(120)과이 본딩력이 매우 우수함을 알 수 있다.
비교예(도 8)의 본딩 강도(DST)는 198 정도인데 반해, 실시예(도 9)의 본딩 강도(DST)는 적어도 950 이상을 얻을 수 있다.
도시되지 않았지만, 실시예에 대한 테스트시, 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215A)이 솔더층(120)과의 본딩력으로부터 강제로 이탈되는 도중, 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215A)이 부분적으로 파손되었다. 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215A)이 솔더층(120)과의 본딩력으로부터 강제로 이탈되는 도중에 발생된 제1 전극(215A)의 파손은 실시예의 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215A), 즉 구리(Cu)를 포함하는 제1 금속층(215_1)이 기판(110)으로부터 잡아당겨지는 힘보다 표면발광레이저 소자(201)의 제1 전극(215A)과 솔더층(120) 사이의 본딩력이 더 큰데 기인한다.
한편, 제2 금속층(215_2)은 오믹층으로서, 표면발광레이저 발광층(205)과의 오믹 특성을 증진시킬 수 있다. 즉, 제2 금속층(215_2)은 표면발광레이저 발광층(205)의 기판(110)과의 오믹 특성을 증진시킬 수 있다. 제2 금속층(215_2)은 AuGe, AuNi, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd) 등을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제1 실시예에 따라, 표면발광레이저 소자(201)의 하부에 구비되고 구리(Cu)를 포함하는 본딩층을 포함하는 제1 전극(215A)이 기판(110)에 실장된 표면발광레이저 장치(100)의 전기적 특성을 테스트하였다.
금속층솔더층
(제2 실시예)
제1 실시예에 따르면, 제1 전극(215A)이 제1 금속층(215_1)과 제2 금속층(215_2)을 포함하되, 제2 금속층(215_2)이 제1 금속층(215_1)과 접할 수 있다. 제1 금속층(215_1)에 구리(Cu)가 포함되는데, 이러한 구리(Cu)가 입자 형태로 다이본딩 공정시의 높은 열에 의해 제2 금속층(215_2)으로 확산(diffusion)으로 침투될 수 있다. 이와 같이, 제2 금속층(215_2)에 구리(Cu) 입자가 포함되는 경우, 제2 금속층(215_2)의 오믹 특성이 저하될 수 있다.
도 10은 제2 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
도 10을 참조하면, 제2 실시예에 따른 제1 전극(215B)은 제1 금속층(215_1), 제1 금속층(215_1) 상에 제2 금속층(215_2) 및 제1 금속층(215_1)과 제2 금속층(215_2) 사이에 제3 금속층(215_3)을 포함할 수 있다.
제3 금속층(215_3)은 제1 금속층(215_1)의 구리(Cu) 입자가 제2 금속층(215_2)으로 확산되지 않도록 하는 배리어층일 수 있다. 예컨대, 제3 금속층(215_3)은 니켈(Ni), 백금(Pt), 텅스텐(W), TiW 등을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
따라서, 제1 금속층(215_1)과 제2 금속층(215_2) 사이에 배리어층인 제3 금속층(215_3)이 배치됨으로써, 제1 금속층(215_1)의 구리(Cu) 입자가 제2 금속층(215_2)으로 확산되지 않아 제2 금속층(215_2)의 오믹 특성이 향상될 수 있다.
(제3 실시예)
제1 실시예 또는 제2 실시예에서, 제1 금속층(215_1)이 구리(Cu)를 포함하고 외부에 노출되는 경우, 외부에 노출된 제1 금속층(215_1)의 하면에 공기 중의 산소(O2)가 구리(Cu)와 결합하여 산화구리(Cu2O3)로 이루어진 층이 형성될 수 있다. 산화구리(Cu2O3)로 이루어진 층은 절연 특성을 갖는다. 이러한 경우, 산화구리(Cu2O3)로 이루어진 층이 구비된 제1 금속층(215_1)이 솔더층(120)을 이용하여 기판(110)의 제1 도전패턴(113)에 전기적으로 연결되는 경우, 산화구리(Cu2O3)로 이루어진 층의 절연 특성으로 인해 제2 전극의 전기 전도도가 저하될 수 있다.
도 11는 제3 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
제3 실시예에서, 제1 전극(215C)의 제1 내지 제3 금속층(215_1 내지 215_3)은 제2 실시예와 동일할 수 있다.
제3 실시예에 따른 제1 전극(215C)는 제1 금속층(215_1)의 하면 상에 배치된 제4 금속층(215_4)을 포함할 수 있다. 제4 금속층(215_4)은 산화방지층으로서, 제1 금속층(215_1)에 포함된 구리(Cu)의 산화를 방지하여, 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 예컨대, 제4 금속층(215_4)은 금(Au), 백금(Pt), 텅스텐(W) 등을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
하기의 표 1에 나타낸 바와 같이, 제4 금속층(215_4)은 제1 금속층(215_1)에 포함된 구리(Cu)의 산화를 방지하면 되므로, 매우 얇은 두께를 가질 수 있다.
따라서, 제4 금속층(215_4)이 제1 금속층(215_1)의 하면에 배치됨으로써, 제1 금속층(215_1)의 구리(Cu)의 산화를 방지하여 전기 전도도를 향상시켜 제품의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
(제4 실시예)
제4 실시예는 제3 실시예의 변형으로서, 제4 금속층(215_4)에 포함되는 금(Au) 입자가 제1 금속층(215_1)에 포함될 수 있다. 제1 금속층(215_1)의 구리(Cu)는 외부에 노출되는 경우, 산화로 인한 절연 특성을 강화되어 전기 전도도가 저하될 수 있다. 이러한 전기 전도도의 저하를 방지하기 위해 금속층이 추가될 수 있다.
도 12은 제4 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
제4 실시예에서, 제1 전극(215D)의 제1 내지 제3 금속층(215_1 내지 215_3)은 제1 내지 제3 실시예와 동일할 수 있다.
제4 실시예에 따른 제1 전극(215D)는 제1 금속층(215_1)의 하측에 배치된 제4 금속층(215_4)을 포함할 수 있다.
제4 금속층(215_4)은 산화방지층으로서, 제1 금속층(215_1)에 포함된 구리(Cu)의 산화를 방지하여, 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 예컨대, 제4 금속층(215_4)은 금(Au)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제4 실시예에 따르면, 제4 금속층(215_4)에 포함된 금(Au) 입자(216)는 제1 금속층(215_1)의 하면 상에 배치될 수 이다. 제4 금속층(215_4)에 포함된 금(Au) 입자(216)는 제1 금속층(215_1)의 내부에 포함될 수 있다. 예컨대, 제4 금속층(215_4)에 포함된 금(Au) 입자(216)는 제1 금속층(215_1)의 하면에 인접하여 배치될 수 있다. 예컨대, 제4 금속층(215_4)에 포함된 금(Au) 입자(216)의 밀도는 제1 금속층(215_1)의 하면으로부터 멀어질수록, 즉 상부 방향으로 갈수록 작아질 수 있다.
제4 금속층(215_4)에 포함된 금(Au) 입자(216)의 사이즈나 금(Au) 간의 간격은 랜덤(random)할 수 있다.
제4 금속층(215_4)은 예컨대 스퍼터링 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 금(Au) 입자로 이루어진 시료가 놓여지고, 그 반대편에 제1 금속층(215_1)의 하면이 위치될 수 있다. 스퍼터링 공정에 의해 이온이 시료와 충돌함으로써 시료로부터 금(Au) 입자가 방출되어 제1 금속층(215_1)의 하면에 부착될 수 있다. 제1 금속층(215_1)의 하면에 부착되는 일부 금(Au) 입자(216)는 그 세기가 매우 강하여 제1 금속층(215_1)의 하면을 통해 제1 금속층(215_1)의 내부로 침투될 수 있다. 이와 같은 스퍼터링 공정에 의해 제1 금속층(215_1)의 하면 및/또는 제1 금속층(215_1)의 내부에 위치된 제4 금속층(215_4)이 형성될 수 있다.
따라서, 제4 금속층(215_4)의 금(Cu) 입자가 제1 금속층(215_1)의 하면 및/또는 제1 금속층(215_1)의 내부에 배치됨으로써, 제1 금속층(215_1)의 구리(Cu)의 산화를 방지하여 전기 전도도를 향상시켜 제품의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
(제5 실시예)
제1 내지 제4 실시예에서, 제1 금속층(215_1)이 본딩층으로서의 역할을 하고 있지만, 또 다른 본딩층이 추가되어 본딩 성능을 강화할 수 있다.
도 13는 제5 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
제5 실시예에서, 제1 전극(215E)의 제1 내지 제3 금속층(215_1 내지 215_3)은 제1 내지 제4 실시예와 동일할 수 있다.
제5 실시예에 따른 제1 전극(215E)는 제1 금속층(215_1)과 제3 금속층(215_3) 사이에 배치된 제5 금속층(215_5)을 포함할 수 있다.
제5 금속층(215_5)은 제1 금속층(215_1)과 마찬가지로, 본딩층일 수 이다. 제5 금속층(215_5)는 제1 금속층(215_1)과 제3 금속층(215_3) 사이에 배치되는 중간층일 수 있다. 제1 금속층(215_1)과 제5 금속층(215_5)은 서로 상이한 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 금속층(215_1)은 구리(Cu)을 포함하고, 제5 금속층(215_5)은 금(Au)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
(제6 실시예)
제1 내지 제5 실시예에서, 제1 금속층(215_1)과 제3 금속층(215_3) 사이에 금(Cu)를 포함하는 제5 금속층(215_5)이 배치되는 경우, 제1 금속층(215_1)의 구리(Cu)와 제5 금속층(215_5)의 금(Cu)이 잘 접착되지 않으므로, 또 다른 금속층이 추가될 수 있다.
도 14는 제6 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
제6 실시예에서, 제1 전극(215F)의 제1 내지 제3 금속층(215_1 내지 215_3)은 제1 내지 제5 실시예와 동일할 수 있다.
제6 실시예에 따른 제1 전극(215F)는 제1 금속층(215_1)과 제5 금속층(215_5) 사이에 배치된 제6 금속층(215_6)을 포함할 수 있다.
제6 금속층(215_6)은 접착으로서, 제1 금속층(215_1)의 구리(Cu)와 제5 금속층(215_5)의 금(Au) 간의 접착력을 증진시켜 제1 금속층(215_1)과 제5 금속층(215_5)이 단단히 접착될 수 있도록 한다. 예컨대, 제6 금속층(215_6)은 티타늄(Ti) , 팔라듐(Pd), 크롬(Cr) 등을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
따라서, 제1 금속층(215_1)과 제5 금속층(215_5) 사이에 제6 금속층(215_6)이 배치됨으로써, 제1 금속층(215_1)과 제5 금속층(215_5) 간의 접착력을 강화하여 금속층 간 이탈을 방지하여 제품에 대한 신로성을 향상시킬 수 있다.
(제7 실시예)
제1 내지 제6 실시예에서, 제2 금속층(215_2)의 GeAu와 제3 금속층(215_3)의 니켈(Ni) 사이에 열적 안정성이 취약하므로, 이를 보완하기 위한 금속층이 추가될 수 있다.
도 15은 제7 실시예에 따른 제1 전극을 상세 구조를 도시한다.
제7 실시예에서, 제1 전극(215G)의 제1 내지 제3 금속층(215_1 내지 215_3)은 제1 내지 제6 실시예와 동일할 수 있다.
제7 실시예에 따른 제1 전극(215G)은 제2 금속층(215_2)과 제3 금속층(215_3) 사이에 배치된 제7 금속층(215_7)을 포함할 수 있다. 제7 금속층(215_7)은 제2 금속층(215_2)의 AuGe 합금에 대한 순수 금속(pure metal) 마감 설계를 위한 것이다. 제7 금속층(215_7)은 제2 금속층(215_2)와 제3 금속층(215_3) 사이에 배치되는 중간층일 수 있다.
제7 금속층(215_7)은 열적 안정층으로서, 제2 금속층(215_2)의 AuGe와 제3 금속층(215_3)의 니켈(Ni) 사이의 열적 안정성을 강화하여 열적 안정성 취약으로 인한 전기적 특성의 저하를 방지할 수 있다. 예컨대, 제7 금속층(215_7)은 금(Au)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
한편, 제1 내지 제7 실시예에 따른 제1 전극(215A, 215B, 215C, 215D, 215E, 215F, 215G)에 포함되는 제1 내지 제7 금속층(215_1 내지 215_7)의 두께는 표 1과 같다.
제1 전극 두께(nm)
제1 금속층(215_1) 200≤T1≤3000
제2 금속층(215_2) 5≤T2≤100
제3 금속층(215_3) 5≤T3≤300
제4 금속층(215_4) 0.3≤T4≤50
제5 금속층(215_5) 200≤T5≤3000
제6 금속층(215_6) 5≤T6≤100
제7 금속층(215_7) 5≤T7≤30
제1 금속층(215_1)에서, 두께(T1)가 200nm 미만인 경우 솔더층(120)과의 본딩력이 저하될 수 있고, 두께(T1)가 3000nm 초과인 인 경우 표면발광레이저 소자(201)의 전체 두께가 증가될 수 있다.제2 금속층(215_2)에서, 두께(T2)가 5nm미만인 경우 표면발광레이저 발광층(205)과의 오믹 특성이 저하될 수 있고, 두께(T2)가 100nm초과인 경우 표면발광레이저 소자(201)의 전체 두께가 증가될 수 있다.
제3 금속층(215_3)에서, 두께(T3)가 5nm미만인 경우 여전히 제1 금속층(215_1)의 구리(Cu) 입자가 제2 금속층(215_2)으로 확산될 수 있고, 두께(T3)가 300nm초과인 경우 표면발광레이저 소자(201)의 전체 두께가 증가될 수 있다.
제4 금속층(215_4)에서, 두께(T4)가 0.3nm 미만인 경우 제1 금속층(215_1)의 구리(Cu)가 산화되어 전기적 특성이 저하될 수 있고, 두께(T4)가 50nm 초과인 경우 표면발광레이저 소자(201)의 전체 두께가 증가될 수 있다.
제5 금속층(215_5)에서, 두께(T5)가 200nm 미만인 경우 본딩 특성이 저하될 수 있고, 두께(T5)가 3000nm 초과인 경우 표면발광레이저 소자(201)의 전체 두께가 증가될 수 있다.
제6 금속층(215_6)에서, 두께(T6)가 5nm 미만인 경우 접착 특성이 저하될 수 있고, 두께(T6)가 100nm 초과인 경우 표면발광레이저 소자(201)의 전체 두께가 증가될 수 있다.
제7 금속층(215_7)에서, 두께(T7)가 5nm 미만인 경우 열적 안정 특성이 저하될 수 있고, 두께(T7)가 30nm 초과인 경우 표면발광레이저 소자(201)의 전체 두께가 증가될 수 있다.
도 16는 도 3a에 도시한 실시예에 따른 제2 전극의 일 예를 도시한 단면도이다.
실시예에 따른 제2 전극(282)은 제2 반사층(250)이 일부 영역 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 제2 반사층(250)은 제1 영역과 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역을 포함할 수 있다. 제1 영역은 산화층(240)의 애퍼처(241)의 사이즈와 동일하거나 이보다 클 수 있다. 이러한 경우, 제2 전극(282)은 제2 반사층(250)의 제2 영역 상에 배치될 수 있다. 제2 전극(282)은 제2 반사층(250)의 제2 영역과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극(282)은 제2 반사층(250)의 제2 영역과 접촉될 수 있다. 패시베이션층(270)의 일부 영역이 제2 반사층(250)의 제1 영역 상에 배치될 수 있다. 제2 반사층(250)의 제1 영역 상에 배치된 패시베이션층(270)의 일부 영역에 의해 제2 반사층(250)에 물리적으로 또는 전기적으로 보호될 수 있다.
도 16을 참조하면, 제2 전극(282)은 복수의 금속층을 포함할 수 있다. 금속층은 예컨대, 제1 금속층(282a), 제2 금속층(282b) 및 제3 금속층(282c)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제1 금속층(282a)은 제2 반사층(250) 상에 배치될 수 있다. 제1 금속층(282a)은 제2 반사층(250)의 상면과 접촉될 수 있다. 제1 금속층(282a)은 제2 반사층(250)과의 오믹컨택 특성을 좋게 하여 컨택 저항을 줄여주는 역할을 할 수 있다.
제1 금속층(282a)은 제2 반사층(250)의 일 함수와 동일하거나 큰 일 함수를 갖는 금속을 포함할 수 있다. 일 함수는 금속이온으로부터 자유 전자를 떼어 내는 데 필요한 최소의 에너지로 정의될 수 있다. 예컨대, 제2 반사층(250)은 대략 5.5eV 미만의 일 함수를 갖는 GaAs를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 금속층(282a)은 대략 5.65eV 미만의 일 함수를 갖는 백금(Pt)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제2 반사층(250)의 일 함수와 제2 전극(282)의 제1 금속층(282a)의 일 함수의 비는 대략 1:0.8 내지 대략 1:1.2일 수 있다. 예컨대, 제2 반사층(250)의 일 함수는 5.5eV일 때, 제2 전극(282)의 제1 금속층(282a)의 일 함수는 4.4eV 내지 6.6eV을 갖는 금속일 수 있다.
제2 반사층(250)의 일 함수와 제2 전극(282)의 제1 금속층(282a)의 일 함수의 비가 1:0.8 미만이거나 1:1.2 초과인 경우, 제2 반사층(250)의 일 함수와 제2 전극(282)의 제1 금속층(282a)의 일 함수의 차이가 커져, 컨택 저항이 증가될 수 있다.
도 17는 종래와 실시예에 따른 제2 전극의 일 함수를 설명하는 도면이다.
도 17에 도시한 바와 같이, 종래에는 제2 반사층(250)에 접촉되는 금속이 티타늄(Ti)으로서, 티타늄(Ti)의 일 함수는 4.3eV미만일 수 있다. 이와 같이 티타늄(Ti)이 제2 반사층(250)과 접촉되는 경우, 제2 반사층(250)의 일 함수와 티타늄(Ti)의 일 함수 사이의 차이가 2.2eV로서 차이가 크다. 이와 같이 큰 일 함수 차이로 인해 티타늄(Ti)과 제2 반사층(250) 간의 컨택 저항이 커져 전류의 흐름이 방해되므로 고 출력 파워의 광을 얻기 위해 고 동작 전압이 인가되어야 한다.
이에 반해, 제2 실시예서와 같이 백금(Pt)을 포함하는 제1 금속층(282a)이 제2 반사층(250)에 접촉되는 경우, 백금(Pt)의 일 함수가 5.65eV미만이므로 백금(Pt)의 일 함수가 제2 반사층(250)의 일 함수보다 약간 크다. 즉, 백금(Pt)의 일 함수와 제2 반사층(250)의 일 함수 사이의 차이는 0.15eV미만으로 무시할 정도의 작은 차이를 가지므로 백금(Pt)과 제2 반사층(250) 간의 컨택 저항이 줄어들어 전류 흐름이 원활하므로 저 동작 전압의 인가에서도 고 출력 파워의 광이 방출될 수 있다.
도 18를 참조하면, 종래와 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 V-I 특성, 컨택 저항 특성 및 동작 전압 특성을 설명한다.
도 18에 도시한 바와 같이, 종래에 비해 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 V-I 특성이 우수함을 알 수 있다. 예컨대, 1V의 전압이 인가되는 경우, 종래에는 0.1A의 전류가 흐르는데 반해, 실시예에 따른 표면발광레이저 소자에서는 0.16A의 전류가 흐를 수 있다. 즉, 동일 전압에 대해 종래에 비해 실시예에 따른 표면발광레이저 소자에서 더 큰 전류가 흐를 수 있다.
한편, 제1 금속층(282a)의 두께는 대략 5nm 내지 대략 30nm일 수 있다. 제1 금속층(282a)의 두께가 5nm 미만인 경우 균일한 막 형성이 어렵다. 제1 금속층(282a)의 두께가 30nm 초과인 경우, 컨택 저항이 증가된다.
실시예에 따르면, 제2 반사층(250)의 일 함수와 제2 전극(282)의 제1 금속층(282a)의 일 함수의 비가 1:0.8 내지 1:1.2로서, 제2 전극(282)의 제1 금속층(282a)의 일 함수가 제2 반사층(250)의 일 함수와 유사하여 컨택 저항이 감소되므로, 보다 작은 동작 전압에서도 보다 큰 출력 파워의 광이 방출될 수 있다.
실시예에 따르면, 제2 전극(282)의 제1 금속층(282a)의 두께가 5nm 내지 30nm로 얇게 형성함으로써, 컨택 저항을 줄여 저 동작 전압에서 고 출력 파워의 광이 방출될 수 있다.
다시 도 16을 참조하면, 제2 금속층(282b)은 제1 금속층(282a) 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 제2 금속층(282b)은 제1 금속층(282a)의 상면과 접촉될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제2 금속층(282b)은 제1 금속층(282a)과 제3 금속층(282c) 간의 접착력(adhesive force)를 강화시키고 전기 전도성을 증가시켜 전류가 잘 흐르게 하는 역할을 할 수 있다. 금속층은 티타늄(Ti), 니켈(Ni) 및 텅스텐(W) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 금속층(282b)의 두께는 제1 금속층(282a)의 두께보다 클 수 있다. 제2 금속층(282b)의 두께는 제2 반사층(250) 상에 배치되는 하면과 제3금속층 아래에 배치되는 상면 사이의 간격으로 정의될 수 있다. 제1 금속층(282a)의 두께와 제2 금속층(282b)의 두께의 비는 대략 1:3 내지 대략 1: 10일 수 있다. 제1 금속층(282a)의 두께와 제2 금속층(282b)의 두께의 비가 1:3 미만인 경우, 접착력이 약화될 수 있다. 제1 금속층(282a)의 두께와 제2 금속층(282b)의 두께의 비가 1:10 초과인 경우, 두께가 두꺼워질 수 있다.
제3 금속층(282c)은 제2 금속층(282b) 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 제3 금속층(282c)은 제2 금속층(282b)의 상면과 접촉될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제3 금속층(282c)은 와이어 본딩시 본딩력을 강화시키는 역할을 할 수 있다. 예컨대, 제3 금속층(282c)은 금(Au)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제3 금속층(282c)의 두께는 제2 금속층(282b)의 두께와 동일하거나 클 수 있다.
도 19은 실시예에 따른 제2 전극의 다른 예를 도시한 단면도이고, 도 20는 실시예에 따른 제2 전극의 제1 금속층을 도시한 평면도이다.
실시예는 제2 전극(282)의 제1 반사층이 나노도트 갖는 것을 제외하고 도 16의 실시예와 동일하다. 실시예에서 도 16의 실시예와 동일한 기능, 형상 및/또는 구조를 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.
도 19 및 도 20를 참조하면, 실시예에 따른 표면발광레이저 소자(201)는 제2 반사층(250) 상에 제2 전극(282)이 배치될 수 있다.
제2 전극(282)은 복수의 금속층을 포함할 수 있다. 금속층은 예컨대, 제1 금속층(282a), 제2 금속층(282b) 및 제3 금속층(282c)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제2 금속층(282b)과 제3 금속층(282c)은 도 16의 실시예에서 설명된 제2 금속층(282b)과 제3 금속층(282c)과 동일한 기능, 형상 및/또는 구조를 가지므로, 상세한 설명은 생략한다.
실시예에서 제1 금속층(282a)은 나노도트 구조를 가질 수 있다. 나노도트 구조란 도트 형태 또는 형상을 가지는 것으로서 미세한 사이즈(nm급)를 갖는 다수의 패턴을 의미할 수 있다. 패턴은 볼록한 형상, 오목한 형상, 랜덤한 형상 등을 포함할 수 있다.
제1 금속층(282a)은 복수의 나노패턴을 포함할 수 있다. 나노패턴은 패턴, 도트, 나노도트, 파티클(particle), 미립자, 돌기, 돌출부로 지칭될 수 있다.
나노패턴의 형상은 랜덤할 수 있다. 따라서, 각 나노패턴의 사이즈는 서로 상이할 수 있다. 각 나노패턴의 두께(T)는 서로 상이할 수 있다. 각 나노패턴의 직경(D)은 서로 상이할 수 있다.
예컨대, 나노패턴의 두께(T)는 대략 0.5nm 내지 대략 30nm일 수 있다. 예컨대, 나노패턴의 직경(D)은 0.5nm 내지 300nm일 수 있다. 예컨대, 나노패턴의 직경(D)은 0.5nm 내지 100nm일 수 있다.
각 나노패턴은 서로 이격되거나 서로 접촉될 수 있다. 예컨대, 일부 나노패턴은 서로 이격되고, 다른 일부 나노패턴은 서로 접촉될 수 있다. 따라서, 복수의 제1 영역에는 서로 접촉된 적어도 2개 이상의 나노패턴을 포함하는 나노패턴그룹이 배치될 수 있다. 복수의 제2 영역에는 서로 상이한 간격이나 동일한 간격으로 이격되는 적어도 2개 이상의 나노패턴을 포함하는 포함하는 나노패턴그룹이 배치될 수 있다.
예컨대, 각 나노패턴의 이격거리는 하기의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
D≤L≤3D
L은 나노패턴 간의 이격거리를 나타내고, D는 나노패턴의 직경을 나타낼 수 있다.
나노패턴 간의 이격거리는 나노패턴의 직경 이상이고 나노패턴의 직경의 3배 이하일 수 있다. 예컨대, 나노패턴 간의 이격거리는 0.5nm 내지 90nm일 수 있다.
제2 반사층(250)의 전체 면적과 제1 금속층(282a)의 면적의 비는 대략 1:0.5 내지 대략 1:0.9일 수 있다. 예컨대, 제2 반사층(250)의 전체 면적과 제1 금속층(282a)의 면적의 비는 대략 1:0.5 내지 대략 1:0.75일 수 있다.
제2 반사층(250)의 전체 면적과 제1 금속층(282a)의 면적 비가 1:0.5 미만인 경우, 제1 금속층(282a)이 제1 반사층과 접촉되는 면적이 작아, 컨택 저항을 줄일 수 없게 된다. 제2 반사층(250)의 전체 면적과 제1 금속층(282a)의 면적 비가 1:0.9 초과인 경우 도 16의 실시예에 거의 유사한 구조를 가질 수 있다.
제2 금속층(282b)은 제1 금속층(282a) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 제2 금속층(282b)은 제2 반사층(250)과 제1 금속층(282a) 상에 배치될 수 있다.
제2 금속층(282b)은 복수의 제1 영역과 복수의 제2 영역을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 제2 금속층(282b)의 제1 영역은 제1 금속층(282a)의 나노패턴 사이에 배치되고 제2 반사층(250)의 상면의 일부와 접촉될 수 있다. 제2 금속층(282b)의 제2 영역은 제1 금속층(282a)의 나노패턴의 표면과 접촉될 수 있다. 즉, 제2 금속층(282b)의 제2 영역은 제1 금속층(282a)의 나노패턴을 둘러쌀 수 있다. 제2 금속층(282b)의 제2 영역에 의해 제1 금속층(282a)의 나노패턴 사이가 분리될 수 있다.
실시예에 따르면, 제2 금속층(282b)이 제2 반사층(250)뿐만 아니라 제1 금속층(282a)에도 부착되므로, 제2 금속층(282b)의 접착력이 향상되어, 제2 전극(282)의 이탈 또는 탈착이 방지될 수 있다.
실시예에 따르면, 제1 반사층이 랜덤한 형상을 갖는 나노패턴으로 형성되어, 이러한 나노패턴의 표면에 제2 금속층(282b)이 부착되므로, 제2 전극(282)의 부착 면적이 확대되어 제2 금속층(282b)의 접착력이 더욱 더 향상될 수 있다.
실시예에 따르면, 전기 전도도가 우수한 제2 금속층(282b)의 일부가 제2 반사층(250)에 접촉되므로, 제2 금속층(282b)에서 제2 반사층(250)으로 전류가 직접 흐르고 제2 금속층(282b)의 다른 일부는 제2 반사층(250)과의 컨택 저항이 최소화되는 금속으로 포함하는 제1 금속층(282a)을 통해 제2 반사층(250)으로 흘러 전류의 손실을 방지하여 전력소비를 줄일 수 있다
이상에서는 제2 전극(282)이 제1 내지 제3 금속층(282a, 282b, 282c)을 포함하는 것으로 설명하였다. 이에 더해, 제2 전극(282)과 전기적으로 연결되는 패드전극 또한 상술한 제1 내지 제3 금속층(282a, 282b, 282c)을 포함할 수 있다.
다른 예로서, 패드전극은 제2 금속층(282b)과 제3 금속층(282c)을 포함하지만, 제1 금속층(282a)은 포함하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 제2 금속층(282b)이 패시베이션층(270)의 상면과 접촉될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 따라서, 제1 금속층(282a)은 각 발광 에미터의 제2 반사층(250)의 제2 영역에만 배치되고, 그 외의 영역 즉 제2 반사층(250)의 제1 영역과 패시베이션층(270) 상에는 배치되지 않을 수 있다. 제2 영역은 제1 영역을 둘러쌀 수 있다.
(플립칩형 표면발광레이저소자)
도 21은 실시예에 따른 플립칩형 표면발광레이저 소자의 단면도이다.
제1 및 제2 실시예에 따른 표면발광레이저 소자가 도 21에 도시된 플립칩형 표면발광레이저소자에 적용될 수 있다.
실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 수직형 외에 도 21와 같이 제1 전극(215)과 제2 전극(282)이 동일 방향을 향하는 플립칩형일 수 있다.
예를 들어, 도 21과 같이 다른 실시예에 따른 표면발광 레이저소자는 제1 전극부(215, 217), 기판(210), 제1 반사층(220), 활성영역(230), 애퍼처 영역(240), 제2 반사층(250), 제2 전극부(280, 282), 제1 패시베이션층(271), 제2 패시베이션층(272), 비반사층(290) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때 제2 반사층(250)의 반사율이 제1 반사층(220)의 반사율 보다 높게 설계될 수 있다.
이때 제1 전극부(215, 217)는 제1 전극(215)과 제1 패드전극(217)을 포함할 수 있으며, 소정의 메사 공정을 통해 노출된 제1 반사층(220) 상에 제1 전극(215)이 전기적으로 연결되며, 제1 전극(215)에 제1 패드전극(217)이 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 전극부(215, 217)은 도전성 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 금속일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(215)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 제1 전극(215)와 제1 패드전극(217)은 서로 동일한 금속 또는 상이한 금속을 포함할 수 있다.
제1 반사층(220)이 n형 반사층인 경우, 제1 전극(215)은 n형 반사층에 대한 전극일 수 있다.
제2 전극부(280, 282)는 제2 전극(282)과 제2 패드전극(280)을 포함할 수 있으며, 제2 반사층(250) 상에 제2 전극(282)이 전기적으로 연결되며, 제2 전극(282)에 제2 패드전극(280)이 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 반사층(250)이 p형 반사층인 경우, 제2 전극(282)은 p형 전극일 수 있다.
상술한 제1 및 제2 실시예에 따른 제2 전극(도 16, 도 19 참조)은 플립칩형 표면발광레이저 소자의 제2 전극(282)에 동일하게 적용될 수 있다.
제1 절연층(271)과 제2 절연층(272)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 폴리이미드(Polymide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예는 신뢰성이 높은 전극구조를 구비한 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예는 출사 빔의 빔 패턴(beam pattern)이 분열 또는 출사 빔의 발산각(divergence angle of beams)이 증가되는 광학적 문제를 해결할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예는 오믹특성을 개선할 수 있는 표면발광 레이저소자 및 이를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.
(이동 단말기)
도 22는 실시예에 따른 표면발광레이저 소자가 적용된 이동 단말기의 사시도이다.
제1 및 제2 실시예에 따른 수직형 표면발광레이저 소자와 도 21에 도시된 플립형 표면발광레이저 소자는 도 22에 도시된 이동 단말기에 적용될 수 있다.
도 22에 도시된 바와 같이, 실시예의 이동 단말기(1500)는 후면에 제공된 카메라 모듈(1520), 플래쉬 모듈(1530), 자동 초점 장치(1510)를 포함할 수 있다. 여기서, 자동 초점 장치(1510)는 발광층으로서 앞서 설명된 실시예에 따른 표면발광레이저 소자의 패키지 중의 하나를 포함할 수 있다.
플래쉬 모듈(1530)은 그 내부에 광을 발광하는 발광소자를 포함할 수 있다. 플래쉬 모듈(1530)은 이동 단말기의 카메라 작동 또는 사용자의 제어에 의해 작동될 수 있다.
카메라 모듈(1520)은 이미지 촬영 기능 및 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 예컨대 카메라 모듈(1520)은 이미지를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다.
자동 초점 장치(1510)는 레이저를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 자동 초점 장치(1510)는 카메라 모듈(1520)의 이미지를 이용한 자동 초점 기능이 저하되는 조건, 예컨대 10m 이하의 근접 또는 어두운 환경에서 주로 사용될 수 있다. 자동 초점 장치(1510)는 앞서 기술된 실시예의 표면발광레이저 소자를 포함하는 발광층과, 포토 다이오드와 같은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수광부를 포함할 수 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.
100: 표면발광레이저 장치
110: 기판
111: 베이스기판
113, 115: 도전패턴
117: 솔더 레지스트
120: 솔더층
201: 표면발광레이저 소자
205: 표면발광레이저 발광층
210: 기판
215: 제1 전극
215_1: 제1 금속층(Cu)
215_2: 제2 금속층(AuGe)
215_3: 제3 금속층(Ni)
215_4: 제4 금속층(Au)
215_5: 제5 금속층(Au)
215_6: 제6 금속층(Ti)
216_7: 제7 금속층(Au)
217, 280: 패드전극
220: 제1 반사층
230: 발광층
240: 산화층
241: 애퍼처
242: 절연영역
250: 제2 반사층
270: 패시베이션층
282: 제2 전극
282a, 282b, 282c: 금속층
285: 와이어300: 마스크
E: 발광층
E1, E2, E3: 에미터
M: 메사영역
P: 패드부

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 제1 금속층;
    상기 제1 금속층 상에 배치되는 제2 금속층; 및
    상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치되는 제3 금속층;
    을 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 금속층은 서로 다른 물질을 포함하고,
    상기 제1 금속층은 구리(Cu)를 포함하고,
    상기 제3 금속층은 상기 제1 금속층의 구리의 상기 제2 금속층으로의 확산을 방지하며,
    제4 금속층은 상기 제1 금속층의 산화 방지를 위해 상기 제1 금속층 하면에 배치되는 표면 발광 레이저소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속층과 상기 제3 금속층의 접합을 위해 상기 제1 금속층과 상기 제3 금속층 사이에 배치되는 제5 금속층;을 더 포함하는 표면 발광 레이저소자.
  4. 제3항에 있어서,
    제1 금속층은 5nm 내지 100nm의 두께를 갖는 표면 발광 레이저소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 금속층은 AuGe, AuNi, 니켈(Ni) 및 팔라듐(Pd) 중 하나를 포함하는 표면 발광 레이저소자.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2 금속층은 200nm 내지 3000nm의 두께를 갖는 표면 발광 레이저소자.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제3 금속층은 5nm 내지 300nm의 두께를 갖는 표면 발광 레이저소자.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제3 금속층은 니켈(Ni), 백금(Pt), 텅스텐(W) 및 TiW 중 하나를 포함하는 표면 발광 레이저소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제4 금속층은 0.3nm 내지 50nm의 두께를 갖는 표면 발광 레이저소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제4 금속층은 금(Au) 백금(Pt) 및 턴스텐(W) 중 하나를 포함하는 표면 발광 레이저소자.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 제5 금속층은 5nm 내지 100nm의 두께를 갖는 표면 발광 레이저소자.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 제5 금속층은 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd) 및 크롬(Cr) 중 하나를 포함하는 표면 발광 레이저소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제4 금속층은 입자를 포함하고,
    상기 입자는 상기 제2 금속층의 하면 상에 배치되는 표면 발광 레이저소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 입자는 상기 제2 금속층의 내부에 포함되는 표면 발광 레이저소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 입자의 밀도는 상기 제2 금속층의 하면으로부터 멀어질수록 작아지는 표면 발광 레이저소자.
  16. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치되는 표면 발광 레이저소자; 및
    상기 제1 기판과 상기 표면 발광 레이저소자 사이에 배치되는 솔더층;을 포함하고,
    상기 표면 발광 레이저소자는,
    제2 기판;
    상기 제2 기판 아래에 배치되는 제1 금속층;
    상기 제1 금속층 상에 배치되는 제2 금속층; 및
    상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치되는 제3 금속층;
    을 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 금속층은 서로 다른 물질을 포함하고,
    상기 제1 금속층은 구리(Cu)를 포함하고,
    상기 제3 금속층은 상기 제1 금속층의 구리의 상기 제2 금속층으로의 확산을 방지하도록 구성되며,
    제4 금속층은 상기 제1 금속층의 산화를 방지하기 위해 상기 제1 금속층 하면에 배치되는 표면 발광 레이저 장치.
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