KR20120064509A

KR20120064509A - 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드

Info

Publication number: KR20120064509A
Application number: KR1020100125780A
Authority: KR
Inventors: 최현진; 이정환; 강응철; 엄기영
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-19
Also published as: KR101206357B1

Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈를 실장한 레이저 다이오드 어레이에 관한 것으로, 전기 에너지를 인가받아 레이저 다이오드 방출영역으로부터 레이저 다이오드 광을 방출하는 고출력 레이저 다이오드 어레이 칩; 레이저 다이오드 어레이 칩으로부터 방출되는 레이저 광을 수평하게 만들기 위한 마이크로 렌즈; 레이저 다이오드 어레이 칩으로부터 열을 흡수하고 발산하는 히트싱크; 히트싱크 위에 형성된 유전체 패드; 유전체 패드 위에 형성된 전극판; 유전체 패드 위에 형성된 전극판 및 레이저 다이오드 어레이 칩 사이를 연결하는 전기 도선(골드 와이어 또는 금속 플레이트); 및 마이크로 렌즈를 안전하게 지지하기 위한 히트싱크 앞면에 접합된 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대를 포함한다. 고출력 레이저 다이오드 앞에 정렬된 마이크로 렌즈를 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대상에 자외선 에폭시(UV epoxy)로 접착한다. 이에 따라, 본 발명은 레이저 다이오드 어레이 바가 접착된 마이크로 채널 히트싱크에 마이크로 렌즈 지지대를 일체형으로 제작하여, 안정되고 편리하게 마이크로 렌즈 지지대의 정렬 및 접착 필요성을 없애고, 자외선 에폭시(UV epoxy)로 마이크로 렌즈를 접착할 때 발생하는 수축현상에 의해 정렬이 깨지는 문제를 최소화하게 된다.

Description

마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드{Microlens embedded Semiconductor laser diode}

본 발명은 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단차를 가진 마이크로 렌즈 지지대를 히트싱크와 일체형으로 제작하고, 반도체 레이저 다이오드 어레이에서 방출되는 레이저 광을 수평하게 만들기 위한 마이크로 렌즈를 반도체 레이저 다이오드 어레이 앞에 정렬 및 접합하는, 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.

일반적으로, 고출력 반도체 레이저 다이오드는 고체 레이저(Solid-state laser)의 여기(Pumping), 자유공간 광통신(Free-space optical communication), 의료, 및 디스플레이 등 많은 분야에서 사용되고 있다. 적색 및 적외선 영역의 경우, 반도체 레이저 다이오드는 갈륨비소(GaAs) 기판 상부에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 등의 공정을 수행하여 AlGaAs, InGaAsP 또는 InGaAlP 물질로 성장시켜 제작한다. 이러한 반도체 레이저 다이오드가 고출력을 내기 위해서는 큰 광이득을 얻을 수 있어야 하고, 활성영역의 면적(W)이 넓어야 한다. 이를 위해 레이저 다이오드 어레이 칩은 활성층의 두께를 두껍게 하고, 리지(Rigde) 폭(L)을 넓게 하며, 다수의 리지로 구성되는 어레이 형태로 제작한다.

반도체 레이저 다이오드 어레이에서 발생된 레이저 광은 일반적으로 수직 방향으로 30 ~ 35°, 수평 방향으로 8 ~ 10° 정도의 일정한 각도를 갖고 퍼진다. 이렇게 비대칭으로 방출되는 레이저 광은 여러 분야에서 사용하기에 적합하지 않으므로, 일반적으로, 레이저 다이오드 어레이 앞에 마이크로 렌즈를 접합하여 수직 방사각이 1° 이하, 수평 방사각이 4°이하인 평행광으로 변환시켜 사용하게 된다. 특히, 반도체 레이저 다이오드 어레이는, 수직 방향의 경우, 많은 응용분야에서 비구면 원통형 구조의 마이크로 렌즈를 사용하여 수직 방사각이 1° 이하가 되도록 제작한 레이저 다이오드 어레이를 사용하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 고출력 레이저 다이오드 어레이 칩(10)은 전기 에너지를 빛 에너지로 바꾸는 레이저 다이오드 에피 층(5)을 가지고 있다. 레이저 다이오드 에피 층(5)의 위에 어레이 형태로 반도체 공정을 하여 레이저 다이오드 방출영역(7)을 형성하고, 전기 에너지를 레이저 다이오드 어레이 칩(10)에 가하면 레이저 다이오드 방출영역(7)에서 레이저 다이오드 광이 방출된다. 레이저 다이오드 어레이 칩(10)은 레이저 다이오드 어레이에 공급된 전기 에너지와 방출되는 레이저 광의 에너지 차이가 열로 방출되게 되는데, 이러한 열을 제거하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 히트싱크(50)를 사용한다. 히트싱크(50)는 레이저 다이오드 어레이 칩(10)에서 방출되는 열을 잘 제거하기 위해, 열전도율이 좋은 구리(Cu), 구리황동(CuW), 세라믹(AlN), 다이아몬드 등이 사용된다. 또한, 히트싱크(50)에 조립된 레이저 다이오드 어레이 칩(10)에 전기를 가하기 위해 전기 도선(20)(골드 와이어나 플레이트)을 칩에 본딩하여 전류가 흐르도록 한다.

특히, 수직으로 방출되는 레이저 광을 평행 광으로 만들기 위해 보통 비구면 원통형 마이크로 렌즈(100)를 사용하는데, 일반적으로 마이크로 렌즈(100)의 높이는 1mm이하, 길이는 1cm 이상, 초점거리는 30~150 ㎛인 것을 많이 사용하게 된다. 이러한 마이크로 렌즈(100)를, 히트싱크(50) 위에 유전체 패드(30)와 그 유전체 패드(30) 위에 전극판(40)이 형성되고, 유전체 패드(30) 위에 형성된 전극판(40)과 레이저 다이오드 어레이 칩(10) 사이에 전기 도선(20)(골드 와이어나 금속 플레이트)들로 연결한 다음, 히트싱크(50) 위에 부착된 고출력 레이저 다이오드(10) 앞에 정렬하여 히트싱크(50) 앞면에 접합된 마이크로렌즈 지지대(150) 상에 접착할 때, 3㎛ 이하의 정렬 정밀도를 가지고 접착해야만, 마이크로 렌즈(100)를 통과하여 방출되는 레이저 광의 방사각이 1° 이하가 된다. 마이크로 렌즈 시스템은 더 작은 방사각을 얻기 위해서는 정렬 정밀도가 더 높게 접합되어야 한다.

종래의 마이크로 렌즈를 접합한 레이저 다이오드 어레이이 구성은 도 2, 3, 및 4와 같다.

도 2 및 도 3은 일반적인 마이크로 렌즈를 히트싱크 앞면에 접합한 단면도 및 평면도를 나타낸다.

도 2, 3의 경우, 원통형 비구면 마이크로 렌즈(100)를 레이저 다이오드 어레이 칩(10) 앞에 고정하기 위해 히트싱크(50) 앞면에 마이크로 렌즈 지지대(150)를 접합하여 지지대로 이용한다. 이 경우, 일반적으로 마이크로 렌즈 지지대의 구성 물질은 자외선을 투과시킬 수 있는 유리를 사용한다. 도 2의 종래 기술은 히트싱크(50) 앞면에 자외선 에폭시(UV epoxy)를 균일하게 도포하고(bonding) 직육면체의 마이크로 렌즈 지지대(150)를 히크싱크(50)의 앞면에 위치시킨 후, 히트싱크(50)와 마이크로 렌즈 지지대(150) 사이의 자외선 에폭시(UV epoxy)에 자외선을 조사하여 마이크로 렌즈 지지대(150)를 고정하고, 다시 이 마이크로 렌즈 지지대(150) 위에 마이크로 렌즈(100)를 정렬한 후, 정렬된 상태의 마이크로렌즈(100)와 마이크로 렌즈 지지대(150) 사이에 자외선 에폭시(UV epoxy)를 삽입한 다음, 자외선을 조사하여 마이크로 렌즈(100)를 고정하는 방식이다. 이러한 방법은 마이크로 렌즈 지지대(150)와 마이크로 렌즈(100)를 두 번 정렬하고, 자외선 에폭시(UV epoxy) 또한 두 번 도포해야 하는 공정상 어렵고 번거로운 단점이 있다. 또한, 이러한 방법은 마이크로렌즈 지지대(150)와 마이크로 렌즈(100) 사이의 간격이 중요하게 되는데, 간격이 너무 큰 상태에서 자외선 에폭시와 같은 물질을 사용하여 접착하게 되면, 자외선 에폭시가 굳는 과정에서 발생하는 수축현상으로 인하여 마이크로 렌즈(100)의 정렬이 깨지는 문제점이 있다.

도 4는 일반적인 마이크로 렌즈를 히트싱크 윗면에 접합한 평면도이다

종래 기술인 도 4의 경우, 도 2 및 도 3와 달리, 마이크로 렌즈 지지대(160)를 히트싱크(50) 윗면 양쪽 끝에 위치시킨 다음, 마이크로 렌즈(100)를 정렬한 후, 히트싱크(50) 윗면에 접합된 마이크로 렌즈 지지대(160)와 마이크로 렌즈(100) 사이를 자외선 에폭시(UV epoxy)로 채워서 접착시키는 방식이다. 이러한 방식은 종래 기술인 도 2의 경우와 마찬가지로, 마이크로 렌즈 지지대(160)와 마이크로 렌즈(100)를 접합하기 위해 자외선 에폭시(UV epoxy, 170)를 두 번 도포해야 하는 단점과, 히트싱크 윗면에 접합된 마이크로렌즈 지지대(160)와 마이크로 렌즈(100) 사이의 간격이 너무 클 경우, 자외선 에폭시(170)가 굳는 과정에서 발생하는 수축현상으로 인하여 마이크로 렌즈의 정렬이 깨지는 문제점이 있다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 다이오드 어레이 바가 접착된 마이크로 채널 히트싱크에 마이크로 렌즈 지지대를 일체형으로 제작하여, 안정되고 편리하게 마이크로 렌즈 지지대의 정렬 및 접착 필요성을 없애고, 자외선 에폭시(UV epoxy)로 마이크로 렌즈를 접착할 때 발생하는 수축현상에 의해 정렬이 깨지는 문제를 최소화하는, 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드는, 전기 에너지를 인가받아 레이저 다이오드 방출영역으로부터 레이저 다이오드 광을 방출하는 고출력 레이저 다이오드 어레이 칩; 상기 레이저 다이오드 어레이 칩으로부터 방출되는 레이저 광을 수평하게 만들기 위한 마이크로 렌즈; 상기 레이저 다이오드 어레이 칩으로부터 열을 흡수하고 발산하는 히트싱크; 상기 히트싱크 위에 형성된 유전체 패드; 상기 유전체 패드 위에 형성된 전극판; 상기 유전체 패드 위에 형성된 전극판 및 상기 레이저 다이오드 어레이 칩 사이를 연결하는 전기 도선(골드 와이어 또는 금속 플레이트); 및 상기 마이크로 렌즈를 안전하게 지지하기 위한 상기 히트싱크 앞면에 접합된 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대를 포함한다.

이와 같이 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드는 종래 기술과 달리, 도 5에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈 지지대를 히트싱크와 일체형으로 제작하여, 마이크로 렌즈 지지대의 정렬 및 접착 필요성을 없애고, 렌즈 지지대 위에 마이크로 렌즈만을 정렬 및 접착하는 장점이 있으므로, 마이크로 렌즈의 정렬 및 접착의 안정성과 편리성을 제공한다.

또한, 본 발명은 종래 기술과 달리, 도 5, 6에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈 지지대와 마이크로 렌즈 양쪽 끝 사이에 자외선 에폭시(UV epoxy)를 삽입하여 굳히므로 양쪽에서 수축력이 발생하더라도 그 영향이 미미하다는 장점이 있다.

추가적으로, 도 5, 6에서처럼 단차를 갖는 지지대와 마이크로 렌즈 양쪽 끝 사이에 자외선 에폭시를 사용할 경우, 자외선 에폭시가 레이저 다이오드 어레이 칩까지 확산되는 것을 방지할 수 있어 다이오드 성능에 악영향을 줄 수 있는 문제점을 제거하게 된다.

도 1은 반도체 레이저 다이오드 어레이 바를 보여주는 도면,
도 2는 일반적인 마이크로 렌즈를 히트싱크 앞면에 접합한 단면도,
도 3은 일반적인 마이크로 렌즈를 히트싱크 앞면에 접합한 평면도,
도 4는 일반적인 마이크로 렌즈를 히트싱크 윗면에 접합한 평면도,
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 일체형 히트싱크에 접합한 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 일체형 히트싱크에 접합한 평면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 일체형 히트싱크에 접합한 단면도를 나타낸다.

본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드는 기존 마이크로 렌즈 지지대를 히트싱크(50)와 일체형으로 제작하여, 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대(250)의 정렬 및 접착 필요성을 없애고, 접착의 안정성과 편리성을 제공한다.

고출력 레이저 다이오드 어레이 칩(10)은 전기 에너지를 인가받아 레이저 다이오드 방출영역으로부터 레이저 다이오드 광을 방출한다.

참고적으로, 히트 싱크(heat sink)는 열 접촉을 직간접적으로 사용하여 다른 물체로부터 열을 흡수하고 발산하는 물체이다. 히트 싱크는 효율적인 열 발산이 필요한 곳에 사용되며, 냉장고, 열기관, 냉각기, 레이저 등에 응용된다.

본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드는, 전기 에너지를 인가받아 레이저 다이오드 방출영역으로부터 레이저 다이오드 광을 방출하는 고출력 레이저 다이오드 어레이 칩(10); 레이저 다이오드 어레이 칩(10)으로부터 방출되는 레이저 광을 수평하게 만들기 위한 마이크로 렌즈(100); 레이저 다이오드 어레이 칩(10)으로부터 열을 흡수하고 발산하는 히트싱크(50); 히트싱크 위에 형성된 유전체 패드(30); 유전체 패드(30) 위에 형성된 전극판(40); 유전체 패드 위에 형성된 전극판(40) 및 레이저 다이오드 어레이 칩(10) 사이를 연결하는 전기 도선(20)(골드 와이어 또는 금속 플레이트); 및 마이크로 렌즈(100)를 안전하게 지지하기 위한 상기 히트싱크 앞면에 접합된 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대(250)를 포함한다.

또한, 본 발명은 종래 기술과 달리, 도 5, 6에 도시된 바와 같이 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대(250)와 마이크로 렌즈(100) 양쪽 끝 사이에 자외선 에폭시(UV epoxy)를 삽입하여 굳히므로(bonding) 양쪽에서 수축력이 발생하더라도, 자외선 에폭시(UV epoxy)로 마이크로 렌즈(100)를 접착할 때 발생하는 수축현상에 의해 정렬이 깨지는 문제를 최소화한다.

도 6은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 일체형 히트싱크에 접합한 평면도를 나타낸다.

본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드는 레이저 다이오드 어레이 칩(10)으로부터 열을 흡수하고 발산하는 히트싱크(50) 위에 유전체 패드(30)를 형성하고, 그 유전체 패드(30) 위에 전극판(40)이 형성되며, 유전체 패드(30) 위에 형성된 전극판(40)과 레이저 다이오드 어레이 칩(10) 사이를 전기 도선(20)(골드 와이어 또는 금속 플레이트)들로 연결하며, 히트싱크(50) 위에 부착된 고출력 레이저 다이오드(10) 앞에 정렬된 마이크로 렌즈(100)를 히트싱크(50) 앞면에 접합된 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대(250) 상에 자외선 에폭시(UV epoxy)로 접착한다(bonding).

종래 기술의 도 2, 4와 같은 방식은, 마이크로 렌즈(100)를 자외선 에폭시와 같은 물질을 사용하여 접착하게 되면, 자외선 에폭시(UV epoxy)가 굳는 과정에서 발생하는 수축현상에 의해 마이크로 렌즈(100)의 정렬이 깨져, 레이저의 광 방사각에 큰 영향을 미치게 된다. 마이크로 렌즈(100)와 레이저 다이오드 어레이 칩(10)의 상대적인 위치가, 도 2, 4의 종래기술의 경우 상하 및 전후 방향으로 수축력이 발생하나, 도 5, 6의 본 발명의 경우 레이저의 광 방사각에 영향을 미치지 않는 좌우 방향으로 수축력이 발생하게 된다.

도 5, 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드는 히트싱크(50)의 측면에 단차를 가진 마이크로 렌즈 지지대를 히트싱크와 일체형으로 제작하고, 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대(250) 사이에 마이크로 렌즈(100)를 레이저 다이오드 어레이 칩(10)과 나란히 정렬한 다음, 마이크로 렌즈(100) 양쪽 끝과 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대(250) 사이를 자외선 에폭시를 사용하여 접착한다.

이때, 자외선 에폭시(UV epoxy)는 일체형 히트싱크-마이크로렌즈 지지대(250)와 마이크로 렌즈(100) 양쪽 끝 사이에 잘 침투할 수 있도록 점성이 충분히 작은 것을 사용해야 효과적이다. 이 경우, 자외선 에폭시가 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대(250)를 따라 레이저 다이오드 어레이 칩(10)이 있는 곳까지 확산될 수 있으므로, 이러한 에폭시의 확산을 방지하기 위해 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대(250)에 단차를 두어야 한다.

따라서, 본 발명은 단차를 갖는 일체형 히트싱크-지지대(250)와 마이크로 렌즈(100) 양쪽 끝 사이에 자외선 에폭시(UV epoxy)를 사용할 경우, 자외선 에폭시가 레이저 다이오드 어레이 칩(10)까지 확산되는 것을 방지할 수 있으므로 다이오드 성능에 악영향을 주는 문제점을 제거하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용이 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 레이저 다이오드 어레이 칩 20: 전기 도선
30: 유전체 패드 40: 전극판
50: 히트싱크 100: 마이크로 렌즈
150: 히트싱크 앞면에 접합된 마이크로렌즈 지지대
250: 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대

Claims

마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드에 있어서,
전기 에너지를 인가받아 레이저 다이오드 방출영역으로부터 레이저 다이오드 광을 방출하는 고출력 레이저 다이오드 어레이 칩;
상기 레이저 다이오드 어레이 칩으로부터 방출되는 레이저 광을 수평하게 만들기 위한 마이크로 렌즈;
상기 레이저 다이오드 어레이 칩으로부터 열을 흡수하고 발산하는 히트싱크;
상기 히트싱크 위에 형성된 유전체 패드;
상기 유전체 패드 위에 형성된 전극판;
상기 유전체 패드 위에 형성된 전극판 및 상기 레이저 다이오드 어레이 칩 사이를 연결하는 전기 도선; 및
상기 마이크로 렌즈를 안전하게 지지하기 위한 상기 히트싱크 앞면에 접합된 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대;
를 포함하는 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드.
제1항에 있어서,
상기 고출력 레이저 다이오드 앞에 정렬된 상기 마이크로 렌즈를 상기 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대상에 자외선 에폭시(UV epoxy)로 접착하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 자외선 에폭시(UV epoxy)는, 상기 일체형 히트싱크-마이크로렌즈 지지대와 상기 마이크로 렌즈 양쪽 끝 사이에 잘 침투할 수 있도록 점성이 충분히 작은 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 자외선 에폭시가 상기 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대를 따라 레이저 다이오드 어레이 칩이 있는 곳까지 확산될 수 있으므로, 이러한 에폭시의 확산을 방지하기 위해 일체형 히트싱크-마이크로 렌즈 지지대에 단차를 두는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈를 실장한 반도체 레이저 다이오드.