KR20070102706A - 저렴한 표면 방출 레이저 다이오드 어레이 - Google Patents

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KR20070102706A
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퀸테선스 포토닉스 코오퍼레이션
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Abstract

단일 반도체 다이 상에 반도체 레이저의 어레이가 있다. 다이는 반사면에 광학적으로 연결된 복수의 레이저 스트립을 포함하고 있다. 레이저 스트립은 다이의 상부면에 근본적으로 평행한 방향으로 이송되는 복수의 레이저 빔을 발생한다. 반사면은 레이저 빔을 편향시켜 상부면에 근본적으로 수직인 방향으로 방출한다. 다른 방식으로는, 반사면은 레이저 빔을 편향시켜 다이의 바닥면으로부터 방출하게 한다. 반사면은 경사진 Ⅲ-Ⅴ반도체 다이를 에칭하므로서 형성될 수 있어서 반사면은 다이의 (111)A 투명 평면을 따라 뻗어 있다.
반도체 레이저, 반도체 다이, 레이저 스트립, 반사면, 투명 평면

Description

저렴한 표면 방출 레이저 다이오드 어레이{VERY LOW COST SURFACE EMITTING LASER DIODE ARRAYS}
본 출원은 2005년 1월 24일에 미국에서 출원한 11/042,759호를 우선권 주장하는 건이다.
개시된 주제는 전체적으로 반도체 레이저의 분야에 관한 것이다.
반도체 레이저 다이오드 어레이는 솔리드-스테이트 레이저의 펌핑, 피부과 그리고 재료 처리를 포함하는 여러가지 분야를 위한 고 전력 간섭광(coherent light)의 효과적이고 신뢰성 있는 소스이다. 개별적으로 어드레스된 레이저의 어레이는 데이터 통신을 위해 또한 이용된다.
고 전력 레이저 어레이는 복수의 레이저 "바(bars)"를 조합하므로서 전형적으로 조립된다. 각각의 레이저 바는 복수(전형적으로 20개)의 에지-에미팅 레이저 스트립을 통합하고 있는 단일 반도체 칩으로 구성되어 있다. 각각의 레이저 바는 자체의 히트 싱크 또는 서멀 쿨러에 장착되어 있고, 그리고 다수의 이러한 조립체가 수직으로 또는 수평으로 적층되어 완전한 고 전력 어레이를 형성한다.
에지-방출 기술을 사용하는 어레이는 그 응용분야가 상당히 제한된다는 단점이 있다. 특히, 큰 어레이는 스택(stack)에서 각각의 그 응용분야가 상당히 제한 을 받는 단점이 있다. 특히, 큰 어레이는 스택에서 각각의 레이저 바가 부착되고, 코팅되고, 테스트되고 그리고 개별적으로 장착되고 그리고 조립되어야 하기 때문에 제조하는데 비용이 많이 든다. 에지-방출 레이저는 작동을 위해 부착된, 반사 레이저 면을 필요로 하기 때문에 이들 작용은 개별적인 분리된 레이저 바를 필요로 한다.
고 전력 수냉식 멀티-레이어 스택은 또한 이들이 쉽게 막히고 그리고 o-링 시일에서 누수에 취약한 마이크로채널 워터 쿨러를 필요로 하기 때문에 취약하고 신뢰성이 떨어진다.
더욱이, 이들 어레이의 멀티-레이어 구조는 외부의 촛점 광학기구와 마찬가지로 바 사이의 정밀한 위치 정렬을 유지하기 어렵게 만드는데, 이것은 산출된 레이저 빔의 광학적 품질을 저하시킨다.
표면 방출 레이저 다이오드는 부착된 레이저 면을 필요로 하지 않고, 그리고 저렴한 가격으로 웨이퍼 레벨에서 조립되고 테스트될 수 있다. 다수의 표면-방출 다이오드를 통합하는 단일의 다이는 단지 하나의 쿨러가 필요한 견고하고, 저렴한 레이저 어레이를 만드는데 사용될 수 있고, 개별적인 레이저 사이에 우수한 정렬을 이룰 수 있다. 불행하게도, 버티컬 캐비티 서페이스 에미팅 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers;VCSEL) 다이오드로 알려진 상업적인 표면-방출 기술은 매우 높은 열적 및 전기적 임피던스를 가지고 있는데 이것은 빈약한 출력과 낮은 효율을 야기한다.
저렴한 표면-방출 레이저 및 어레이를 만들기 위해 인-플레인(in-plane) 레 이저 다이오드를 드라이-에칭된 편향 미러와 통합하려는 시도가 이루어졌었다. 불행하게도, 이들 기술로 만들어진 미러의 수율, 각도 정밀성 및 광학적인 매끄러움은 상업적 응용면에서 불충분했다.
하나 이상의 반사면을 포함하는 반도체 레이저의 어레이는 복수의 레이저 스트립에 광학적으로 연결되어 있다. 반사면은 다이의 (111)A 투명 평면을 따라 위치되어 있다.
도 1은 반도체 레이저의 어레이의 사시도를 도시하고 있다.
도 2는 반도체 레이저의 측단면도를 도시하고 있다.
도 3은 에칭된 홈을 가진 컴파운드 반도체 웨이퍼의 사시도를 도시하고 있다.
도 4는 경사진 기판을 가지고 있지만 도 3과 유사한 슬롯의 확대 단면도를 도시하고 있다.
도 5는 다이의 기판을 통해 광을 반사하는 반사면 그리고 히트 싱크에 인접하게 위치된 발광 구역을 가진 다른 실시예의 단면도를 도시하고 있다.
단일 반도체 다이 상에 반도체 레이저의 어레이가 있다. 다이는 반사면에 광학적으로 연결된 복수의 레이저 스트립을 포함하고 있다. 레이저 스트립은 다이의 상부면과 근본적으로 평행하게 이송되는 복수의 레이저 빔을 발생한다. 반사면 은 레이저 빔을 반사하여 상부면에 기본적으로 수직인 방향으로 방출한다. 다른 방식으로는, 반사면은 레이저 빔을 반사하여 다이의 바닥면으로부터 방출되도록 할 수 있다. 반사면은 경사진 Ⅲ-Ⅴ 반도체 다이를 에칭하므로서 형성될 수 있어서 반사면은 다이의 (111)A 투명 평면을 따라 뻗어있다.
도 1 및 도 2는 특히 빔이 상부면으로부터 방출되지만, 반사면의 경사를 바꾸므로서, 원한다면 빔은 바닥면으로부터 방출될 수 있는 실시예에 관한 것이다. 기판이 발생된 레이저 광에 대하여 경사진 경우에, 편향 미러 바로 아래에 위치된 기판 재료는 종래에 잘 알려진 공정으로 화학적으로 제거할 수 있다. 빔을 방출하는 "면"이라는 언급은 다이의 상부 또는 바닥면을 포함한다.
참조번호를 통해 도면을 더 상세히 언급하면, 도 1은 반도체 레이저(10)의 어레이를 도시하고 있다. 반도체 레이저(10)는 복수의 레이저 스트립(14) 그리고 하나 이상의 반사 소자(16)를 포함하는 반도체 다이(12)로서 조립되어 있다. 반사 소자(16)는 전형적으로 레이저 스트립(14)의 그룹과 연관되어 있다. 레이저 스트립(14)은 다이(12)의 에지(20)쪽으로 이송되는 복수의 레이저 빔(18)을 발생한다. 반사 소자(16)는 레이저 빔(18)을 반사하여 빔(18)이 다이(12)의 상부면(22)으로부터 방출된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 레이저 스트립(14)은 P-타입 레이어(30)와 N-타입 레이어(31) 사이에 위치되어 오실레이션을 위해 필요한 광학 게인을 제공한다. 전기적인 컨텍트(34)는 다이(12)의 바닥면(36)과 상부면(22)에 위치될 수 있다. 컨텍트(34)는 레이어(31,30)로부터 액티브 레이어(24)까지 전자와 홀(holes) 의 이동을 포함하는 전원에 연결되어 있다. 홀과 전자는 재결합하여 광자를 방출한다.
P-타입 레이어(30)와 다른 굴절율의 반도체 합금으로 이루어질 수 있는 회절 격자 피드백 레이어(26)는 오실레이션의 원하는 주파수를 위해 브래그 컨디션(Bragg condition)을 만족시키는 주기로 물결모양이 될 수 있다. 레이어(26)는 레이저의 전체적인 길이를 따라 뻗어있는데, 이 경우에 분산된 피드백 레이저를 형성하고, 또는 길이의 일부분 상에 뻗어 있을 수 있는데, 이 경우에는 분산된 브래그 리플렉터(Bragg reflector) 레이저를 형성한다.
각각의 반사 소자(16)는 다이(12)의 상부면(22)에서 출구면(40)을 통해 레이저 빔을 반사할 수 있는 반사면(38)을 포함할 수 있다. 면(40)은 반사방지 코팅을 할 수 있고, 또는 에피택시얼(epitaxial) 또는 퇴적되어 다층 스택을 가질 수 있다. 반사면(38)은 상부면(22)에 대하여 45도의 각도로 형성되어 있다. 45도의 각도는 토탈 내적 반사에 의해 레이저 빔을 90도 편향시켜 레이저는 상부면(22)에 수직으로 다이(12)를 퇴거한다. 반사면(38)은 다이(12)에서 홈(42)을 따라 뻗어 있을 수 있다.
반도체 다이(12)는 인듐-인화물, 비화갈륨 또는 다른 Ⅲ-Ⅴ 반도체 기판에서 에피택시얼하게 성장할 수 있다. 이들 또는 다른 Ⅲ-Ⅴ 반도체의 (111)A 투명 평면은 다른 방향으로의 평면보다 열동력학적으로 더 안정되어 있다. 결과적으로, 이러한 재료를 화학적으로 에칭하는 것은 (111)A 투명 평면을 따라 노출된 면을 남기는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 노출된 [011] 방향의 슬롯(44)의 구역을 제외하고, 통상적으로 (100)방향으로 향한 Ⅲ-Ⅴ 반도체 웨이퍼(46)의 표면(50)이 화학적으로 저항력이 있는 마스크(48)에 의해 보호를 받고, 그리고 염소 또는 브롬 기반의 에칭제로 전형적으로 에칭된다면, "도브-테일"형 홈이 형성된다. 결과적으로 홈의 측벽은 (111)A 면인된, 이것은 표면에 54.7도 경사져있고, 그리고 45도 편향 미러로서 사용하기에 적합하지 않다. 도 4에 도시된 바와 같이, (100)방향으로부터 [01 -1]방향으로 9.7도 경사진 주변으로 향한 기판(22)이 통상적인 (100)방향 기판 대신에 사용된다면, 결과적으로 (111)A 측벽(38)이 45도 만큼 표면쪽으로 경사져 있다. 이러한 측ㅂ겨은 90도 편향 미러로서 사용하기에 적당하다.
그 결과 반복적인 공정이 다이 내에서 45도 반사면을 형성하는데 이루어질 수 있다. 추가적으로, 에칭 공정은 비교적 매끄러운 반사면(38)을 만들 수 있다. 반사면(38)은 전형적으로 레이저 스트립(14)의 조립 후에 형성된다.
전형적으로, 다수의 레이저 다이(12)가 단일 웨이퍼에 평행하게 조립될 수 있는데, 이것은 레이저 다이오드의 어레이 내로 절단된다.
도 5는 다른 실시예를 도시하는데, 반사 소자(16')는 다이의 기판을 통해서 레이저 빔의 방향을 바꾼다. 이것은 히트 싱크(60)가 다이의 접합 구역에 직접 부착되는 것을 허용한다. 접합 구역은 가장 큰 양의 열을 발생시키는 다이의 구역이다. 히트 싱크(60)를 이러한 구역에 직접 부착하는 것은 레이저 다이오드 어레이로부터 열 제거의 열효율을 개선한다. 기판이 광선에 대하여 투명하지 않다면, 개구부(62)는 다이의 바닥면으로부터 광의 통과를 허용하도록 형성될 수 있다. 일 예로서, 개구부(62)는 기판(32)으로부터 에칭될 수 있다.
일 예로서, 레이저 스트립은 전기적으로 병렬 배열로 연결될 수 있다. 일정한 환경에서는 스트립, 또는 스트립 셕션의 일부 또는 전부를 직렬로 공급하는 것이 유리할 수 있는데, 이 경우에 섹션은 다이아몬드 톱질 또는 화학적 에칭과 같은 공정으로 기계적으로 분리할 수 있고, 그리고 이 섹선을 적절하게 형성된 히트 싱크에 장착할 수 있다.
고 전원 어레이의 출력을 콜리메이팅 렌즈(20)의 어레이와 조준시키는 것이 유리할 수 있다. 효과적인 콜리메이션은 각각의 스트립을 관련 콜리메이팅 렌즈(20)에 정확하게 정렬시키는 것을 필요로 한다.
본 발명은 이 어레이를 콜리메이션 렌즈(20)의 대응하는 단일체 어레이에 결합하므로서 이러한 콜리메이션이 원-스텝으로 실행될 수 있게 한다. 이것은 개별적인 배열 사이의 기계적인 정합이 매우 부정확한 종래의 어레이와 대비된다.
예시적인 실시예가 도면을 참조하여 설명되고 도시되었지만, 이러한 실시예는 단지 예시적이고 본 발명을 제한하는 것이 아니며, 그리고 당업자라면 여러가지 변경과 수정이 가능하므로, 본 발명은 도시되고 설명된 특정 구조와 배열에 제한되지않는다. 특히, P-도프 및 N-도프 레이어의 도체 타입이 역이라면, 액티브 레이어(28)와 분포된 피드백 레이어(26)의 위치가 역이라면, 근본적으로 동등한 레이저가 만들어질 수 있다.

Claims (26)

  1. 반도체 다이를 포함하고 있는 반도체 레이저 어레이에 있어서,
    복수의 레이저 스트립; 그리고
    상기 레이저 스트립에 광학적으로 연결되어 있고 그리고 상기 반도체 다이의 (111)A 투명 평면을 따라 위치된 반사면;을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 다이는 Ⅲ-Ⅴ컴파운드 반도체 결정으로부터 조립되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 다이의 표면은 상기 반도체 다이의 (100) 투명 평면에 대하여 일정한 각도로 위치된 것을 특징으로 하는 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반사면은 상기 반도체 다이의 표면에 대하여 45도 각도로 위치된 것을 특징으로 하는 어레이.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 다이에 부착된 히트 싱크를 더 포함하고 있고 그리고 상기 반사면은 상기 반도체 다이의 기판을 통해 광을 반사하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 반사면은 상기 반도체 다이의 표면의 일부를 가로질러 뻗어있는 홈을 따라 위치된 것을 특징으로 하는 어레이.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 반사면에 연결된 복수의 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 렌즈는 콜리메이팅 렌즈인 것을 특징으로 하는 어레이.
  9. 표면을 가진 반도체 다이를 포함하는 반도체 레이저 어레이에 있어서,
    복수의 레이저 빔을 발생하기 위한 레이저 수단; 그리고
    레이저 빔이 상기 표면으로부터 반도체 다이를 방출하도록 레이저 빔을 반사하기 위한 반사 수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 반도체 다이는 Ⅲ-Ⅴ 반도체 결정으로부터 조립되는것을 특징으로 하는 어레이.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 표면은 상기 반도체 다이의 (100) 투명 평면에 대하여 일정한 각도로 위치된 것을 특징으로 하는 어레이.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 반사 수단은 상기 반도체 다이의 표면에 대하여 45도 각도로 위치된 반사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 반도체 다이에 부착된 히트 싱크를 더 포함하고 있고 그리고 상기 반사 수단은 상기 반도체 다이의 기판을 통해 광을 반사하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 반사 수단은 상기 반도체 다이의 표면의 일부를 가로질러 뻗어있는 홈을 따라 위치된 반사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 반사 수단에 연결된 렌즈 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 렌즈 수단은 적어도 하나의 콜리메이팅 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  17. 반도체 레이저의 어레이를 작동하는 방법에 있어서,
    복수의 레이저 빔을 발생시키는 단계; 그리고
    레이저 빔이 반도체 다이의 표면을 나가고, 반사면은 반도체 다이의 (111)A 투명 평면을 따라 위치되도록 레이저 빔을 반도체 다이 90도의 반사면으로부터 반사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저의 어레이를 작동하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 레이저 빔은 반도체 다이의 상부면으로부터 반사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 레이저 빔은 반도체 다이의 기판을 통해 반사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 반도체 레이저의 어레이를 조립하는 방법에 있어서,
    복수의 레이저 스트립을 반도체 웨이퍼 상에 형성하는 단계;
    반도체 웨이퍼의 일부에 마스크를 형성하여 반도체 웨이퍼의 마스크되지 않은 부분이 있도록 하는 단계;
    반도체 웨이퍼의 (111)A 투명 평면을 따라 뻗어있는 반사면을 만들도록 반도체 웨이퍼의 마스크되지 않은 부분을 에칭하는 단계; 그리고
    반도체 웨이퍼로부터 적어도 2개의 레이저 스트립 그리고 상기 반사면을 포함하는 반도체 다이를 절단하는 단계;를 갖춘 것을 특징으로 하는 반도체 레이저의 어레이를 조립하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 반도체 웨이퍼는 Ⅲ-Ⅴ컴파운드 반도체 결정으로 조립되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 반도체 웨이퍼의 표면이 반도체 웨이퍼의 (100) 투명 평면에 대하여 일정한 각도로 위치되도록반도체 웨이퍼를 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 20 항에 있어서, 반도체 다이에 히트 싱크를 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 반도체 다이의 기판에 개구부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 20 항에 있어서, 반사면에 복수의 렌즈를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 렌즈는 콜리메이팅인 것을 특징으로 하는 방법.
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