KR20070039110A - 표면 발산 레이저 어레이의 접합 절연을 위한 장치, 시스템및 방법 - Google Patents

표면 발산 레이저 어레이의 접합 절연을 위한 장치, 시스템및 방법 Download PDF

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앨런 루이스
제이슨 피 왓슨
브래드 캔토스
글렌 피 케리
윌리엄 알 히첸스
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Abstract

표면 발산 레이저 다이오드의 어레이 (250) 는 레이저 다이오드 (255) 의 직렬 전기 접속 (245) 을갖는다. 접합 절연이 사용되어 어레이 (250) 의 레이저 다이오드를 절연시킨다.
표면 발산 레이저, 접합 절연

Description

표면 발산 레이저 어레이의 접합 절연을 위한 장치, 시스템 및 방법 {APPARATUS, SYSTEM, AND METHOD FOR JUNCTION ISOLATION OF ARRAYS OF SURFACE EMITTING LASERS}
간단한 설명
본 발명은 일반적으로, 공통 기판 상에 형성된 레이저 다이오드의 어레이가 직렬 구성으로 전기접속되는 시스템에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은, 공통 기판 상에 형성되며, 직렬 구성으로 전기 접속되는 표면 발산 반도체 레이저의 어레이에 관한 것이다.
배경
도 1 은 통상의 표면 발산 레이저 아키텍쳐를 사용하여 제조된 표면 발산 레이저 다이오드 어레이를 도시하며, 이 경우 기판을 통해 광을 발산한다. 이러한 디바이스는 표준 수직 공동 (cavity) 표면 발산 레이저일 수도 있고, 그 내용이 본 명세서에 참조로 통합된 미국 특허 제 6,243,407 호, 제 6,404,797 호, 제 6,614,827 호, 제 6,778,582 호 및 제 6,898,225 호에 개시된 디바이스와 유사할 수도 있다.
표면 발산 레이저 다이오드의 어레이는 통상적으로 공통 n-타입 기판에 형성되어 공통 n-콘택트를 갖는다. 도 1B 는 n-타입 기판 상에 형성된 표면 발산 레이저 다이오드의 어레이를 도시한다. 각각의 레이저 다이오드는 메사 (mesa) 로서 공통으로 패터닝되고, 분산 브래그 반사기 (DBR) 및 양자 우물 이득 영역의 총 두께에 따라 수 마이크론 이상의 총 높이를 가질 수도 있다. 각각의 레이저 다이오드는, 예를 들어, p-타입 반도체 영역에의 개별 콘택트를 갖는다. n-타입 기판에의 개별 공통 콘택트가 형성된다. 레이저 다이오드에 대해 등가인 회로가 도 1B 에 도시되어 있다. 그러나, 병렬 전기 접속에는 일부 결함이 존재한다.
하나의 결함은, 다이오드 특성에서의 작은 변화가 다이오드 전류의 큰 변화를 초래하여, 불균일한 광 출력 및 감소된 효율을 유발시킨다. 병렬 구성에서는, 모든 다이오드가 그 접합에 인가되는 동일한 순방향 전압을 기본적으로 갖는다. 그러나, 실제로 레이저 다이오드들은 다이오드 특성, 열 특성 및 저항에서 미세한 차이를 가질 것이다. 특정 전압에 대해 이상적 레이저 다이오드에 유입되는 전류의 양은 온도에 따라 지수적으로 증가한다. 하나의 다이오드가 인접 다이오드보다 미세하게 고온이면, 더 많은 전류가 흐를 것이다. 더 많은 전류는 다이오드를 가열하고, 다이오드에는 더욱 더 많은 전류가 흐를 것이다. 이러한 열의 폭주는, 어레이에 전달되는 전류의 대부분이 소수의 고온의 다이오드에만 흐르는 것을 의미한다. 열 폭주가 발생하지 않는 경우에도, 이 예는 어레이에 분포되는 전류 상의 작은 불균일의 영향을 나타내고, 어레이를 가로지르는 균일한 구동 전류를 보장하기 위한 시도에 관련된 문제점을 나타낸다.
이러한 문제점에 대한 하나의 잠재적 해결책은 전류를 조정하기 위해 다이오드마다 직렬로 저항을 추가하는 것이다. 이것은 어레이 접속 방식을 복잡하게 하고, 직렬 저항의 어레이에서 소모하는 전력은 전반적인 시스템 효율을 현저하게 낮춘다.
어레이에서 레이저 다이오드의 병렬 접속이 갖는 또 다른 결함은, 요구되는 전류가 어레이의 레이저 다이오드의 수에 따라 스케일링된다는 것이다. 그 결과, 레이저 다이오드의 어레이를 구동하기 위해 저전압 고전류의 전원이 요구된다. 예로서, 병렬 접속 방식은 저전압 (통상적으로 2V) 에서 (대형 애퍼처 디바이스용 발산기당 1A 만큼의) 고전류를 요구한다. 그러나, 저전압 고전류의 전원은 고가인 경향이 있고, 고전압 저전류 전원에 비해 비효율적이다.
또한, 레이저 다이오드의 병렬 접속의 또 다른 결함은, 칩에 전류를 전달하는데 사용되는 전기 상호접속 구조에 높은 구동 전류가 현저히 요구된다는 것이다. 더 상세하게는, 레이저 다이오드의 병렬 접속은 높은 구동 전류에 호환될 수 있는 상호접속 부분을 설계하는 것을 요구한다.
개략적으로 전술한 레이저 다이오드의 병렬 접속 어레이가 갖는 문제점들은, 어레이의 개별 다이오드가 직렬로 전기 접속되면 제거될 수 있다. 직렬 접속에서는, 어레이의 다이오드들 사이의 국부적인 온도 변화 및/또는 차이에 무관하게 모든 레이저 다이오드에 동일한 전류가 흐르게 된다. 병렬 전기 접속에 비해 전류 요건이 감소되어, 더 작고 더 효율적인 전원의 사용이 가능하다. 또한, 어레이에 전달되는 전류는, 플리플롭 및 와이어 본드와 같은 통상의 다이 상호접속 기술에 의해 용이하게 조작될 수 있을만큼 충분히 낮다.
직렬 접속 어레이의 어려움은, 개별 다이오드가 전기적으로 절연되어야 한다 는 점이다. 이것은 각각의 다이오드를 고유의 다이에 형성하면 쉽게 달성될 수 있지만, 다수의 다이를 사용하는 것은 어셈블리를 어렵고 비싸게 만든다. 전기적으로 절연된 다이오드를 공통 기판에 형성하는 것이 더 바람직하다. 그러나, 표면 발산 레이저를 위한 디바이스 구조는 비교적 깊다 (통상적으로 약 8 ㎛ 이상). 또한, 수직 구조는, 상이한 도핑 및 상이한 조성의 다중층으로 형성되는 분산 브래그 반사기 및 이득 영역으로 구성된다. 효율적인 표면 발산 레이저 다이오드는, 레이저 다이오드에 접속된 다수의 층이 높은 도핑 두께를 요구하도록 낮은 저항 접속을 요구한다. 따라서, 공통 기판에 형성되는 표면 발산 레이저의 효율적인 어레이를 위한 제조 프로세스에는 다양한 제한이 존재한다. 그 결과, 평면 반도체 디바이스를 절연하기 위해 반도체 분야에서 사용되는 절연 기술을 직렬 접속 어레이의 형성에 직접 적용할 수는 없다.
따라서, 공통 기판에 표면 발산 레이저를 직렬로 동작시키는 개선된 장치, 시스템 및 방법이 기대된다.
요약
공통 다이에 형성된 표면 발산 레이저 다이오드의 어레이는 레이저 다이오드의 직렬 전기 접속을 갖는다. 어레이의 레이저 다이오드를 다이 내의 기생 전도 (parasitic conduction) 로부터 절연하기 위해 접합 절연이 사용된다.
일 실시형태의 장치는: 공통 다이에 형성되며 직렬 전기 접속되는 표면 발산 반도체 레이저 다이오드의 어레이; 및 다이에서 어레이 아래에 배치되는 하나 이상의 p-n 접합을 구비하며, 하나 이상의 p-n 접합은 어레이의 동작 동안 표면 발산 반도체 레이저 다이오드를 다이 내의 기생 전도로부터 전기적으로 절연하도록 구성된다.
일 실시형태의 시스템은: 공통 다이의 전기적 콘택트 층 상에 형성되며, 전기 접속층에 대한 각 메사의 상단 콘택트와 하단 콘택트 사이에 직렬로 전기 접속되는 표면 발산 반도체 레이저 다이오드 메사의 어레이; 콘택츠 층을 통한 기생 전도를 블록킹하기 위해 레이저 다이오드 메사들 사이의 영역에서 전기적 콘택트 층에 형성되는 트렌치; 및 다이에서 전기적 콘택트 층 아래에 배치되며, 표면 발산 레이저 다이오드 메사의 동작 동안 다이에서의 기생 전도 경로의 p-n 다이오드 접합 절연을 제공하기 위해 전기적 콘택트 층과 반대 극성을 갖는 기판 층을 포함한다.
본 발명은 첨부한 도면을 참조한 다음의 상세한 설명으로 더 상세히 이해된다.
도면의 간단한 설명
도 1A 는 표면 발산 레이저에 대한 종래의 병렬 어레이를 도시한다.
도 1B 는 도 1A 의 어레이에 대한 등가 전기 회로를 도시한다.
도 2A 는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 직렬 접속된 표면 발산 레이저의 어레이를 도시한다.
도 2B 는 도 2A 의 어레이에 대한 등가 전기 회로를 도시한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 직렬 접속된 표면 발산 레이저의 어레이를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 직렬 접속된 표면 발산 레이저의 어레이를 도시한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 직렬 접속된 어레이를 형성하기 위한 제조 동작 및 에피택셜 성장의 시퀀스를 도시한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 직렬 접속된 어레이를 형성하기 위한 제조 동작 및 에피택셜 성장의 시퀀스를 도시한다.
도 7A 는 레이저 어레이의 기생 바이폴라 트랜지스터를 도시한다.
도 7B 는 레이저 어레이의 기생 사이리스터를 도시한다.
도 8A 는 광의 상단 발산을 위한 직렬 접속 어레이의 또 다른 실시형태를 도시한다.
도 8B 는 도 8A 의 어레이에 대한 등가 전기 회로를 도시한다.
유사한 도면 부호는 도면들의 다양한 도에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
상세한 설명
도 2A 는 공통 다이 (200) 의 p-타입 기판 (205) 상에 형성된 표면 발산 레이저 다이오드 (201, 202, 203 및 204) 의 어레이를 도시한다. 다음의 설명 전반에 걸쳐 도핑 타입은 예시적인 것이며, 도핑 타입의 극성 및 대응하는 동작 전압을 반전시키면 유사한 등가 회로 및 동작 원리를 갖는 전기 디바이스가 된다.
각각의 레이저 다이오드 (201, 202, 203 및 204) 는 p-타입의 콘택트 층 (200; 예를 들어, p-타입 분산 브래그 반사기 (DBR)), 능동 영역 (230), n-타입 레이저 다이오드 영역 (235; 예를 들어, n-타입 DBR) 및 하단 n-타입 콘택트 층 (240) 을 갖는다. 하단 n-타입 콘택트 층 (240) 은 개별 레이저 다이오드에 저저항 접속을 제공하도록 선택되는 도핑 두께를 갖는다. 일 실시형태에서, 하단 n-타입 콘택트 층 (240) 은 약 5 내지 10 마이크론이며, p-기판의 상단에 에피택셜 성장된 모더레이트-투-헤비 도핑된 (moderate-to-heavily-doped) n-타입 층이다. n-타입 콘택트 층 (240) 의 도핑 및 두께는 각각의 레이저 다이오드의 이득 영역에 거의 균일한 전류 주입을 제공하도록 선택된다.
각각의 레이저 다이오드 (201, 202, 203 및 204) 는 하단 n-타입 콘택트 층 (240) 에 에칭된 메사로서 패터닝된다. 이 실시형태에서, 전기 상호접속 (245) 은 하나의 레이저 다이오드의 p-타입 콘택트 층 (225) 을 인접 헤이저 다이오드의 n-타입 콘택트 층 (240) 에 전기적으로 커플링하도록 다이 상에 형성된다. 전기적 상호접속 (245) 은 금속 스트랩을 통해 행해질 수도 있다. 예를 들어, 다이오드 (210) 는 상호접속 (245) 을 통해 다이오드 (202) 에 직렬 접속되고; 다이오드 (202) 는 상호접속 (245) 을 통해 다이오드 (203) 에 직렬 접속되고; 다이오드 (204) 는 상호접속 (245) 을 통해 다이오드 (203) 에 직렬 접속된다. BeO 의 서브마운트와 같은 패터닝된 서브마운트 (250) 는 직렬 접속된 다이오드 (201, 202, 203 및 204) 를 통해 전압 (즉, 접지 전압 및 전압 +ve) 을 인가하도록 패터닝된다. 서브마운트 (250) 는 다이오드 (202, 203 및 204) 와 같은 다른 다이오드로의 추가적인 기계적 지지를 포함할 수도 있다.
트렌치 (255) 는 인접 레이저 다이오드 사이에 n-타입 콘택트 층 (240) 에 포함되어 n-타입 콘택트 층을 따라 기생 전도를 감소시킨다. 트렌치는 산화 규 소, 질화 규소 또는 임의의 다른 적절한 유전체와 같은 패시베이션 층을 따라 형성되어, p-기판으로의 전기 접속을 방지한다. 트렌치는, 트렌치를 가로질러 연속적인 전기 상호접속의 적층을 신뢰할만큼 용이하게 하기 위해, 다이 표면에 대해 비교적 얕은 각을 형성하는 잘 제어된 측벽 슬로프를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 현재의 제조 프로세스로는, 신뢰할 수 있게 패시베이션되기에 충분할만큼 부드러운 절연 트렌치를 제조하기는 어렵다. 부분적으로 이것은, 약 8 마이크론 단위의 두께를 가질 수도 있는 상단 및 하단 DBR 영역을 통한 초기 메사 에칭에 의해 생성되는 임의의 거칠기 또는 불균일에 기인한다. 또한, 트렌치를 형성하기 위해 5 내지 10 마이크론의 n-콘택트 층이 에칭되어야 한다. 그 결과, 트렌치 절연은 그 자체로 다이의 기생 전도로부터 레이저 어레이에서 레이저 다이오드의 신뢰할 수 있는 절연을 제공하지 못할 수도 있다. 따라서, 추가적인 절연이 더 제공되지 않으면, 트렌치의 에지 주위에 추가적인 기생 전도 경로가 발생할 수도 있다.
다이에서 레이저 다이오드의 추가적 전기 절연은 접합 절연에 의해 레이저 어레이에 제공된다. p-타입 기판 (205) 의 특성은, n-콘택트 층 (240) 에 대해 반대 극성을 갖도록 선택된다. 그 결과, p-타입 기판 (205) 이 절연층을 형성하도록, 역바이어스된 p-n 접합이 p-타입 기판과 하단 n-타입 콘택트 층 사이에 형성된다. 일 실시형태에서, 레이저 다이오드로서 동일한 층으로부터 형성된 더미 (dummy) 메사 (260 및 262) 로 제조된 n-타입 콘택트 층과 p-콘택트 사이의 접속때문에 역바이어스가 인가된다.
n-타입 콘택트 층 (240) 은 전기적 목적으로, n-타입 재료의 n-타입 콘택트 층의 섬 (211, 212, 213, 214 및 215) 으로 분할된다. 각각의 n-타입 콘택트 층의 섬 (211, 212, 213, 214 및 215) 의 아래에는 반대 도핑 극성의 p-타입 기판 (205) 이 존재한다. 그 결과, 다이오드 (201, 202, 203 및 204) 및 더미 메사 (262) 아래에 p-n 접합이 형성된다. p-n 접합을 적절히 바이어싱함으로써, 각각의 레이저 다이오드 (201, 202, 203 및 204) 는 기판 (205) 의 경로 또는 트렌치의 표면을 통한 다이의 기생 전도로부터 전기적으로 절연될 것이다.
도 2B 는 도 2A 의 레이저 어레이에 대한 등가 회로를 도시한다. n-타입 콘택트 섬 (215) 과 관련된 p-n 접합에 의해 p-타입 기판 (205) 에 전압이 인가되며, 이것은, 더미 메사 (262) 의 상단 콘택트 층 (225) 에 도포된 n-타입 콘택트 층 섬 (215) 에 인가되는 음의 전압 -ve 때문에 순방향 바이어스된다. 각각의 레이저 다이오드 및 p-타입 기판 (205) 의 n-타입 콘택트 층 섬 (211, 212, 213 및 214) 사이에 역방향 바이어스 접합이 형성된다. 이러한 접합 절연은 레이저 다이오드들 사이에서 트렌치의 패시베이션되지 않은 에지를 따라 또는 기판을 통한 전류의 기생 흐름을 방지한다. 다이오드 (201, 202, 203 및 204) 는 능동 레이저 다이오드를 나타낸다. 각각의 다이오드는 순방향 바이어스되고, 4 개의 다이오드 (201, 202, 203 및 204) 는 직렬 접속된다. 대부분의 음의 레이저 다이오드 전극보다 큰 음의 전위로 p-기판 (205) 이 유지되는 한, 모든 절연 접합 (211 내지 214) 은 역방향 바이어스되고, 레이저 다이오드 사이에 요구되는 전기적 절연을 제공한다.
도 3 은 레이저 다이오드 (201, 202, 203 및 204) 사이에 직렬 전기 접속을 형성하는 또 다른 접근방식을 도시한다. 층 구조 및 등가 전기 회로는 도 2A 내지 도 2B 에 관한 설명과 동일하다. 이 실시형태에서는, 절연 트렌치 (255) 를 가로지르는 전기적 라인이 요구되지 않아서, 트렌치 형성에 관한 제한을 현저하게 완화한다. 대신, 서브-마운트 상의 패터닝된 금속에 의해 접속이 행해진다. 서브-마운트 (350) 에 접촉하기 위해, 각각의 레이저 다이오드에 대한 n-측 콘택트 (305) 가 레이저 다이오드 메사의 상단에 형성된다. 각각의 메사에 대한 p-콘택트 (310) 는 서브마운트 (350) 로의 개별적 콘택트를 갖는다. 다이 또는 서브마운트 상의 n-콘택트와 p-콘택트 사이에 단락이 없는 것을 보장하기 위해, 또한 서브마운트 상의 n-콘택트 금속이 다이 상의 p-콘택트 금속과 접촉할 수 없는 것 및 그 역을 보장하기 위해, 콘택트 (310 및 305) 는 충분히 이격되어 유지되어야 한다. 이것은 메사에 대한 최소 크기를 설정하고, 패킹 밀도를 한정한다.
도 4 는 전기적 단락의 위험성을 최소화하고 패킹 밀도를 증가시키는, 레이저 다이오드 (201, 202, 203 및 204) 사이에 직렬 전기 접속을 형성하는 또 다른 접근방식을 도시한다. 층 구조 및 등가 전기 회로는 도 2A 내지 도 2B 에 관한 설명과 동일하다. 그러나, 이 경우, 각각의 n-타입 콘택트 섬 (211, 212, 213, 214 및 215) 상에 추가적인 지지 메사 (440) 가 형성된다. 이 경우, 대응하는 레이저 다이오드 (201, 202, 203 및 204) 의 메사에 근접한 지지 메사 (440) 의 상단 상에 n-콘택트 금속이 형성된다. 이러한 지지 메사 (440) 는, n-콘택트 금속을 p-콘택트 금속과 동일한 높이로 상승시키기 위해서만 기능하고, 비교적 작을 수 있다.
표면 발산 반도체 레이저 어레이는 다양한 다른 반도체 재료 시스템으로 제조될 수 있다. 일 예로, 레이저는 GaAs 기판 상에서 에피택셜 성장할 수 있는 재료로 형성될 수도 있다. 레이저 어레이의 에피택셜 층을 제조하기 위해 다양한 제조 기술이 사용될 수도 있다. 일 실시형태에서, n-콘택트 층 및 레이저 다이오드 층은 p-타입 기판 상에 직접 성장할 수도 있다. 그러나, 많은 표면 발산 레이저 설계에서, 광은 기판을 통해 투과된다. 그 결과, 낮은 광흡수를 보장하기 위해 기판의 도핑 레벨은 비교적 낮아야 하고 (~1E17㎝-3), 기판 발산 레이저의 높은 신뢰도를 보장하기 위해 결함 밀도는 낮아야 한다. 일반적으로, 이러한 낮은 도핑 및 낮은 결함 밀도의 조합은 p-타입 또는 n-타입 GaAs 웨이퍼에서 획득되기 어렵다.
일 실시형태에서 p-기판은 또 다른 반도체 기판의 상단에서 성장한다. 도 5 는 요구되는 도핑 레벨 및 낮은 결함 밀도를 갖는 에피택셜 층의 성장에 대한 접근방식을 도시한다. 이 접근방식은, 본 명세서에 참조로 통합된 미국 가출원 제 60/434,671 호에 개시된 방법과 유사하다. 이 프로세스에서는, 레이저 층을 형성하기 위해 2 개의 에피택셜 성장 프로세스가 사용된다. 표준적인 낮은 결함 밀도 (낮은 EPD) 를 갖는 기판이 선택된다 (505). 기판은 임의의 도핑일 수도 있다. 도핑 밀도가 높다면, 충분히 낮은 EPD 의 기판은 다수의 제공자로부터 용이하게 사용가능하다. 니어-래티스-매칭된 (near-lattice-matched) p-타 입 재료의 두꺼운 (~100 ㎛) 층이 제 1 에피택셜 성장 프로세스에서 출발 기판 상에서 성장한다 (510). 성장층은 출발 기판의 결함 밀도에 매칭되지만, 기판에 대한 양호한 래티스 매칭을 유지하면서 광범위하게 조절된 조성 및 도핑 레벨을 가질 수 있다. 추가적인 n-타입 전도층 (~5 ㎛ 두께) 이 성장한다. 일 실시형태에서, 에피택셜의 제 2 단계를 위한 기판을 준비하기 위해 재종료 단계가 수행된다. 그 후, 에피택셜의 제 2 단계에서 레이저 다이오드 구조가 성장한다 (515). 에피택셜 구조의 성장 후, 전면측 프로세싱이 수행된다 (520). 그 후, n-GaAs 기판이 완전히 제거되고 (530), 적절한 비반사 코팅 (ARC) 가 적층되어 (540) p-GaAs 층을 통한 광을 커플링한다.
도 6 은, 단계 (630) 에서 n-GaAs 가 부분적으로만 제거되는 것을 제외하고는, 도 5 에 도시된 에피택셜 층 구조 상의 변화를 도시한다. 이 경우, 출발 기판의 일부가 빔 경로에 잔류하고, 광 손실을 최소화하기 위해 낮은 도핑이 요구된다. 이것은, 낮은 결함 밀도를 달성하기 어렵게 하지만, p-타입 절연층 및 n-타입 전도층의 충분한 두께, 및 성장 조건의 적절한 선택을 통해, 기판과 크리티컬 디바이스 레이어 사이에 적절한 배리어가 확립될 수 있다. p-GaAs 층은 도 5 에서 성장한 p-타입 층보다 얇지만 유사한 결과를 달성한다. 하나의 이점은, 성장 재료의 총 두께가 감소되어 본 구조를 더 싸게 하며, 추가적인 웨이퍼 재종료 단계에 대한 필요가 제거된다는 것이다.
레이저 어레이는 다양한 레이저 제조 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다. 레이저 어레이는, 예를 들어, 브래그 반사기가 레이저를 위한 모든 광 피드백을 제공하는 수직 공동 표면 발산 레이저로서 제조될 수도 있다. 또는, 레이저 어레이는, 브래그 반사기에 추가하여 추가적 외부 반사기가 광 피드백을 제공하여 파장 및 모드 안정성의 추가적 제어를 제공하는 외부 공동 표면 발산 레이저로서 제조될 수도 있다.
예시적인 제조 프로세스에서는, 외부 공동 표면 발산 레이저에 레이저 어레이가 사용된다. 에칭된 메사 구조는, 열 추출을 향상시키고 최대 전력 및 효율을 증가시키기 위해 결합된 플립 칩인 것이 바람직하다. 도 2 내지 도 4 를 다시 참조하면, 각각의 유닛 셀은 하나의 레이저 다이오드를 포함하고 다수의 유닛 셀은 어레이를 포함한다. 외부 공동 표면 발산 레이저에 대한 예시적인 제조 프로세스에서는, 각각의 레이저에 대한 전류 애퍼처는 패터닝되고 마스크된 고에너지 광자 이온 주입에 의해 각각의 유닛 셀에 규정된다. 광자는, 저항성을 크게 증가시킨 주입된 영역에 결정 (crystalline) 결함을 유발시킨다. 이것은, 레이저의 주입되지 않은 애퍼처를 통해서만 전류가 흐르게 한다. 애퍼처는 메사의 중심에 존재하고, 이 애퍼처에서 레이저가 발생한다. 염소계 플라즈마에서 마스크된 반응성 이온 에칭 (RIE) 에 의해 어레이의 각각의 유닛 셀 주위에서 트렌치 층이 에칭된다. 트렌치는 모든 웨이 (way) 를 p-타입 기판으로 연장시킨다. 이러한 트렌치는 레이저 다이오드를 서로 절연시키고, 병렬보다는 직렬로 실행되게 한다.
각각의 레이저 다이오드에 대한 메사 구조는 염소계 플라즈마에서 마스크된 반응성 이온 에칭 (RIE) 에 의해 각각의 유닛 셀에 규정될 수도 있다. 이것은 n-타입 에피택셜 콘택트 층 (240) 에 에칭되지만 관통하지는 않는다. 메사 에칭의 목적은, n-타입 옴 콘택트가 n-타입 콘택트 층 상에 적층되게 하는 것이다. 전체 웨이퍼는 PE-CVD 질화 규소 (Si3N4) 의 층으로 패시베이션된다. 질화물 적층 후, 불소계 플라즈마로 패터닝되고 마스크된 반응성 이온 에칭을 통해 질화물 내에 n-콘택트 및 p-콘택트에 대한 개구부가 생성된다. p-콘택트는, 불필요한 영역에 p-금속의 패터닝되고 마스크된 에칭이 후속하는 p-금속의 블랭킷 스퍼터링에 의해 메사의 상단에 규정된다. n-콘택트는 패터닝되고 마스크된 금속의 증발에 의해 메사의 하단에 규정된다. 증착 후, n-타입 콘택트 층에 합금된다. p-콘택트 및 n-콘택트가 형성된 후, 자동 단계 검침국 상에서의 전기적 및 광학적 검침에 의해 레이저 다이오드 및 테스트 패턴이 테스트될 수도 있다.
웨이퍼가 매우 얇아질 때까지 웨이퍼의 후면은 랩핑되고 (lapped) 연마된다. 그 목적은, 어레이를 스크라이빙 및 브레이킹하고 p-타입 기판층에서의 광흡수를 감소시키기 위해서이다. 레이저가 이 표면으로부터 발산되기 때문에 연마는 광품질이어야 한다. 웨이퍼의 연마된 후면은 하나 이상의 유전체 재료로 비반사 코팅된다 (ARC). 이 코팅의 두께, 인덱스, 및 균일성은, 표면의 반사도가 레이저의 동작 파장에서 최소가 되도록 정확하게 유지되어야 한다. 후면 애퍼처 금속은 패터닝되고 마스크된 금속의 증발에 의해 적층된다. 이러한 애퍼처는 레이저 다이오드의 주입된 능동 영역과 동심이다. 웨이퍼는 개별 어레이로 스크라이빙되고 브레이킹된다. 그 후, 어레이는 패터닝되고 금속화된 서브마운 트로 결합된다.
레이저 어레이는 기생 바이폴라 디바이스의 효과를 최소화하도록 설계되고 제조되는 것이 바람직하다. 도 7A 및 7B 는, 레이저 어레이에서 형성되는 기생 바이폴라 디바이스를 도시한다. 도 7A 는, 모든 디바이스 메사가 수직의 기생 PNP 트랜지스터를 포함하는 구성을 도시한다 (도 7A 에는 설명을 위해 2 개만 도시됨). 도 7B 는, 기생 사이리스터를 형성하는 방식으로 추가적인 접합이, 기생 PNP 에 커플링된 추가적인 기생 NPN 트랜지스터를 도입하는 구성을 도시한다. 기생 바이폴라 트랜지스터는, 원하지 않는 전류 경로를 형성할 수도 있고, 이 경로가 없었다면 레이저 다이오드로 흐를 전류를 기판으로 흐르게 한다. 또한, 도 7B 의 실시형태에서는, 적어도 전원이 순환할 때까지 디바이스 고장을 유도하는 기생 사이리스터의 래치업의 가능성이 존재한다. 기생 바이폴라 디바이스의 효과는 각 기생 바이폴라 트랜지스터의 이득이 낮도록 설계 파라미터를 선택함으로써 감소될 수 있다. 예를 들어, 기생 바이폴라 트랜지스터의 등가 베이스 폭은 비교적 넓게 선택될 수도 있고, PNP 디바이스의 경우 베이스는 n-DBR 을 포함한다. 따라서, 이러한 디바이스의 이득은 매우 낮을 것이고, 기생 바이폴라 트랜지스터는 현저한 문제점을 나타내지 않을 것이다.
전술한 바와 같이, 다양한 애플리케이션에서 표면 발산 레이저는 기판을 통해 광을 발산한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는, 메사의 상단으로부터 광이 발산되는 표면 발산 레이저를 또한 포함한다. 도 8A 는 유사한 접합 절연 구조를 사용하는 상단-발산 표면 발산 레이저 어레이 (800) 를 도시한다. 광은 에 피택셜 성장된 상단으로부터 발산되기 때문에, 다이오드-투-다이오드 직렬 접속을 완성하는데 서브마운트가 사용될 수 없다. 그 결과, 온-웨이퍼 금속 상호접속 (810) 이 사용되어, 외부 접속을 제공하는 다이 표면으로의 와이어본드를 갖는 다이오드-투-다이오드 직렬 접속을 형성한다. 서브마운트가 사용되어 p-기판 (205) 으로의 전기 접속을 형성할 수도 있다. 도 8B 는 n-콘택트 섬과 p-타입 기판 (205) 사이에 형성된 p-n 접합 (811, 812) 및 레이저 다이오드 (801, 802) 의 어레이 (800) 에 대한 대응 등가 회로를 도시한다.
전술한 기술은, 서브 어레이가 직렬 또는 병렬로 동작하는 어레이를 구성하는데 사용될 수 있다. 이것은, 레이저 발산기의 수를 스케일링하기 위한 다양한 가능성을 제공한다. 직렬-배선된 디바이스의 단일 어레이에 있어서, 디바이스의 수가 증가함에 따라, 절연 접합의 역전압은 그에 비례하여 증가한다. 따라서, 특정 수의 레이저 다이오드가 직렬로 접속된 후에는, 절연 전압이 절연 접합의 역-브레이크다운 전압을 초과할 것이기 때문에 직렬로 접속될 수 있는 레이저의 수는 제한되고, 절연은 타협된다. 직렬 접속될 수 있는 레이저 다이오드의 최대수는 접합 절연층의 형성 및 각 레이저 다이오드의 순방향 전압에 의존할 것이다. 디바이스를 서브어레이의 어레이로서 구성함으로써, 총 전압은 서브어레이의 전압에 제한될 수 있다. 서브어레이가 직렬-배선되면, 서브어레이의 엘리먼트사이의 전압차가 평균될 것이기 때문에, 서브어레이의 전압은 단일 디바이스의 전압보다 더 균일할 것이다. 이러한 방식으로 직렬-배선된 어레이의 주요한 이점은 보존될 수 있다.
전압 균일성이 논점이 아니면, 어레이를 병렬-배선된 디바이스의 직렬-배선 서브어레이로 구성하는 것은 요구 공급 전압을 공급 전류에 비해 증가시키는 이점을 가질 것이고, 이것은 더 효율적인 전원이 사용되는 것을 허용한다. 또한, 서브어레이간의 배선을 서브마운트 상에서 행하면서, 엘리먼트간의 배선이 웨이퍼에서 행해지기 때문에, 잠재적으로 이러한 어레이는 구성하기에 매우 단순하다.
또한, 도 2 내지 도 4 는 또 다른 실시형태에서 순방향 바이어스된 접합을 통한 p-기판에의 콘택트를 도시하며, p-기판은 다이 하단 (발산) 표면 상의 적절히 금속화된 링 콘택트를 사용하여 직접 콘택트될 수 있다. 금속으로의 외부 콘택트는 통상의 와이어본드 기술에 의해 제조될 수 있다.
설명을 위해, 전술한 기술은 본 발명의 철저한 이해를 제공하도록 특정한 용어를 사용하였다. 그러나, 본 발명을 실행하기 위해 특정한 세부사항들이 요구되지는 않는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 특정 실시형태들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공된다. 전술한 설명은 본 발명을 정확한 형태로 규명하거나 한정하려는 것이 아니며; 전술한 교시의 관점에서 다양한 변형예 및 변화가 가능함은 명백하다. 실시형태들은 본 발명의 원리 및 실용적 애플리케이션을 최상으로 설명하기 위해 선택되고 설명되었으며, 따라서, 당업자가 본 발명 및 다양한 실시형태들을 고려되는 특정한 용도에 적합하도록 다양한 변형을 사용하여 최상으로 이용할 수 있게 한다. 다음의 청구항 및 그 균등물이 본 발명의 범주를 정의하도록 의도되었다.

Claims (18)

  1. 직렬 전기 접속되고, 공통 다이에 형성되는 표면 발산 반도체 레이저 다이오드의 어레이; 및
    상기 어레이 아래에 배치되는 상기 다이의 하나 이상의 p-n 접합을 포함하며,
    상기 하나 이상의 p-n 접합은 상기 어레이의 동작 동안 상기 다이의 기생 전도로부터 상기 표면 발산 반도체 레이저 다이오드 각각을 전기적으로 절연시키도록 구성되는, 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 발산 레이저 다이오드는 하나 이상의 수직 공동 표면 발산 레이저 및 외부 공동 표면 발산 레이저를 포함하는, 레이저 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 발산 레이저 다이오드 각각은, 기판층 상에 형성된 상단 콘택트 층 및 하단 콘택트 층을 가지며,
    상기 하단 콘택트 층은, 상기 하나 이상의 p-n 접합을 형성하기 위해 상기 기판층과 반대의 도핑 극성을 갖는, 레이저 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 표면 발산 레이저 다이오드 사이에서 상기 하단 콘택트 층에 형성되어 트렌치 절연을 제공하는 트렌치를 더 포함하는, 레이저 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 트렌치는, 상기 하단 콘택트 층과 상기 기판층 사이에서 각각의 메사가 절연 p-n 접합이 형성되도록, 상기 각각의 메사 아래에 상기 하단 콘택트 층의 섬을 규정하는, 레이저 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판층을 바이어싱하기 위해 상기 다이의 일부 상에 순방향 바이어스 p-n 접합이 형성되는, 레이저 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    레이저 다이오드를 직렬로 접속시키기 위해 상기 다이 상에 금속 상호접속이 형성되는, 레이저 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    레이저 다이오드 사이의 직렬 접속의 적어도 일부가 서브마운트에 의해 제공되는, 레이저 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 다이 상에 배치되고 직렬 전기 접속되며, 제 2 어레이의 동작 동안 상기 다이의 기생 전도로부터 상기 제 2 어레이의 상기 레이저 다이오드 각각을 전기적으로 절연시키도록 구성되는, 상기 다이의 하나 이상의 p-n 접합을 갖는 제 2 어레이를 더 포함하는, 레이저 장치.
  10. 공통 다이의 전기적 콘택트 층 상에 형성되며, 각각의 메사의 상기 전기 접속층에 대한 상단 콘택트 및 하단 콘택트 사이에서 직렬 전기 접속되는 표면 발산 반도체 레이저 다이오드 메사의 어레이;
    상기 콘택트 층을 통한 기생 전도를 블록킹하기 위해 상기 레이저 다이오드 메사 사이의 영역에서 상기 전기적 콘택트 층에 형성되는 트렌치; 및
    상기 다이에서 상기 전기적 콘택트 층 아래에 배치되며, 상기 표면 발산 레이저 다이오드 메사의 어레이의 동작 동안 상기 다이의 기생 전도 경로의 p-n 다이오드 접합 절연을 제공하기 위해 상기 전기적 콘택트 층과 반대 극성을 갖는 기판층을 포함하는, 레이저 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 표면 발산 레이저 다이오드 메사는 하나 이상의 수직 공동 표면 발산 레이저 및 외부 공동 표면 발산 레이저를 포함하는, 레이저 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    p-n 다이오드 접합 절연을 제공하기 위해, 상기 각각의 트렌치가 상기 콘택트 층의 섬을 규정하여, 각각의 메사가 상기 콘택트 층 중 하나의 섬 및 상기 기판에 의해 규정되는 대응 p-n 다이오드를 갖는, 레이저 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판을 바이어싱하기 위해 상기 다이의 일부 상에 순방향 바이어스된 p-n 접합이 형성되는, 레이저 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    레이저 다이오드를 직렬 접속시키기 위해 상기 다이 상에 금속 상호접속이 형성되는, 레이저 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    레이저 다이오드 사이에서 상기 직렬 접속의 적어도 일부가 서브마운트에 의해 제공되는, 레이저 시스템.
  16. 공통 다이 상에 형성되는 표면 발산 반도체 레이저 다이오드의 어레이로서, 각각의 레이저 다이오드는 제 1 전기 접속을 형성하기 위한 상단 콘택트 층, 제 2 도핑 극성의 바닥 레이저 다이오드 영역, 및 상기 제 2 도핑 극성의 제 2 콘택트 층을 갖고, 상기 제 1 콘택트 층에 전기적으로 커플링되는 상단 콘택트 층을 갖고, 상기 제 2 콘택트 층의 일부에 대한 하단의 전기적 콘택트를 갖는 메사로서 패터닝되는, 상기 표면 발산 반도체 레이저 다이오드의 어레이;
    상기 어레이의 복수의 표면 발산 레이저 다이오드를 직렬 접속으로 커플링하는 전기적 상호접속;
    상기 복수의 표면 발산 레이저 다이오드 사이의 영역에서 상기 제 2 콘택트 층을 통해 연장되는 절연 트렌치;
    직렬 접속된 레이저 다이오드의 접합 절연을 제공하기 위해 상기 다이에 배치되는 상기 제 1 도핑 타입의 기판층; 및
    상기 표면 발산 반도체 레이저 다이오드의 어레이의 동작 동안 상기 콘택트 층에 대해 상기 절연층을 역방향 바이어스하도록 구성되는 전기 접속을 포함하는, 레이저 시스템.
  17. 공통 다이의 전기 콘택트 층 상에 형성되며 직렬 전기 접속되는 표면 발산 반도체 레이저 다이오드 메사의 제 1 어레이;
    공통 다이의 전기 콘택트 층 상에 형성되며 직렬 전기 접속되는 표면 발산 반도체 레이저 다이오드 메사의 제 2 어레이;
    상기 콘택트 층을 통한 기생 전기 전도를 블록킹하기 위해 상기 레이저 다이오드들 사이의 영역에서 상기 전기적 콘택트 층에 형성되는 절연 트렌치; 및
    상기 표면 발산 레이저 다이오드의 제 1 어레이 및 상기 표면 발산 레이저 다이오드의 제 2 어레이의 동작 동안 기판 전도 경로의 p-n 다이오드 접합 절연을 제공하기 위해 상기 제 1 어레이 및 상기 제 2 어레이의 아래에 배치되는 하나 이상의 p-n 접합을 포함하며,
    직렬로 접속되는 상기 제 1 어레이의 레이저 다이오드의 수 및 상기 제 2 어레이의 레이저 다이오드의 수는, 상기 제 1 어레이 및 상기 제 2 어레이를 동작시키면서 접합 절연이 획득될 수 있는 최대수 이하가 되도록 각각 선택되는, 레이저 시스템.
  18. 레이저 다이오드 사이에 직렬 전기 접속을 형성하기 위해 하나 이상의 피처를 포함하는 공통 다이 상에 레이저 다이오드의 어레이를 형성하는 단계로서, 상기 다이는 전기적 절연을 제공하기 위해 상기 어레이 아래에 하나 이상의 p-n 접합을 포함하는, 상기 형성하는 단계;
    상기 레이저 다이오드의 어레이 각각을 직렬 접속으로 전기적으로 커플링하는 단계; 및
    상기 어레이에서 각각의 레이저 다이오드를 절연시키기 위해, 상기 하나 이상의 p-n 접합을 바이어싱하는 단계를 포함하는, 표면 발산 레이저 어레이를 형성하는 방법.
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