KR20130055975A - 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 및 이의 제조 방법이 제공된다. 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치는 옵티컬 에폭시(optical epoxy)를 이용하여 반도체 패키지의 하면과 서브마운트의 일면를 결합시키는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있게 되어, 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치는 대량 생산이 가능한 양산성을 확보할 수 있고 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

Description

후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 및 이의 제조 방법{Semiconductor laser apparatus by backlight pumping and manufacturing method thereof}
본 발명은 반도체 레이저 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 레이저에는 발진되는 빔이 기판에 수평한 방향으로 방출되는 측면 발광 레이저(Edge Emitting Laser)와 발진되는 빔이 기판에 수직한 방향으로 방출되는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저가 있다.
여기에서, 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저에는 수직 공진기형 면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)가 있다. 이들 중에서 수직 공진기형 면발광 레이저(VCSEL)는 매우 좁은 스펙트럼의 단일 종모드 발진을 할 뿐 아니라, 빔의 방사각이 작아 접속효율이 높다. 또한, 면발광의 구조상 다른 장치에의 집적이 용이한 장점이 있다. 그러나, VCSEL은 단일 횡모드 발진이 측면 발광 레이저에 비해 매우 어려우며, 단일 횡모드 동작을 위해서는 발진 영역의 면적이 좁아야 하고, 따라서 출력이 약하다는 문제가 있다.
상술한 VCSEL의 장점을 살리고 동시에 고출력 동작을 구현하기 위하여 제안된 레이저 소자로서 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL)가 있다. 상기 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)는 VCSEL의 상부 미러를 외부의 미러(External Mirror)로 대체하여 이득 영역(Gain Region)을 증가시킴으로써 수~수십W 이상의 고출력을 얻도록 하는 레이저 소자이다.
이와 같은 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저는 옵티컬 본딩(optical bonding) 기술이 수반되어야 구현이 가능하다. 하지만, 종래의 옵티컬 본딩 방식인 캐필러리 본딩(capillary bonding)은 본딩의 안정성과 신뢰성이 문제가 되는 기술이다.
이에 따라, 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있는 옵티컬 본딩 방식을 적용한 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저를 제공하기 위한 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 옵티컬 에폭시(optical epoxy)를 이용하여 반도체 패키지의 하면과 서브마운트의 일면를 결합시키는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 및 이의 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치는, 광펌핑 방식에 의해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩이 탑재된 반도체 패키지; 상기 반도체 패키지에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 서브마운트(submount); 상기 반도체 패키지의 하면과 상기 서브마운트의 일면를 결합시키는 옵티컬 에폭시(optical epoxy); 상기 반도체 패키지의 상면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 상기 레이저칩에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 레이저칩으로 반사하는 미러; 및 상기 서브마운트의 하면과 대향하도록 배치된 것으로, 제2 파장의 광펌핑용 광을 상기 반도체 패키지에 수직하게 방출하는 펌프 레이저부;를 포함한다.
그리고, 상기 옵티컬 에폭시는, 특정 파장에 대해 투명할 수도 있다.
또한, 상기 옵티컬 에폭시는, 두께가 제1 파장을 4n(n은 자연수)으로 나눈 값(즉, λ/4n)일 수도 있다.
그리고, 상기 서브마운트는, 다른 일면에 옵티컬 씬 필름(optical thin film)이 결합되어 있을 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광펌핑 방식에 의해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩이 탑재된 반도체 패키지; 상기 반도체 패키지에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 서브마운트; 상기 반도체 패키지의 상면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 상기 레이저칩에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 레이저칩으로 반사하는 미러; 및 상기 서브마운트의 하면과 대향하도록 배치된 것으로, 제2 파장의 광펌핑용 광을 상기 반도체 패키지에 수직하게 방출하는 펌프 레이저부;를 포함하는 포함하는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 제조방법은, 상기 서브마운트의 일면에 옵티컬 에폭시(optical epoxy)를 배치하는 단계; 상기 옵티컬 에폭시가 배치된 서브마운트의 일 면을 상기 반도체 패키지의 하면으로 누르는 단계; 및 상기 옵티컬 에폭시에 자외선을 가하여 옵티컬 에폭시를 경화시키는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 옵티컬 에폭시는, 특정 파장에 대해 투명할 수도 있다.
또한, 상기 누르는 단계는, 상기 옵티컬 에폭시의 두께가 제1 파장을 4n(n은 자연수)으로 나눈 값(즉, λ/4n)이 되도록 누를 수도 있다.
그리고, 상기 서브마운트의 다른 일면에 옵티컬 씬 필름(optical thin film)을 결합하는 단계;를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 옵티컬 에폭시(optical epoxy)를 이용하여 반도체 패키지의 하면과 서브마운트의 일면를 결합시키는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있게 되어, 대량 생산이 가능한 양산성을 확보할 수 있고 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저의 구성을 도시한 블럭도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 제조방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 반도체 패키지와 미러 사이에 비선형 크리스탈이 포함된 구조의 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른, 서브마운트의 다른 일면에 옵티컬 씬 필름(optical thin film)이 결합되어 있는 구조를 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저(100)의 구성을 도시한 블럭도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저(100)는 서브마운트(submount)(110), 반도체 패키지(120), 옵티컬 에폭시(optical epoxy)(130), 미러(140) 및 펌프 레이저부(150)를 포함한다.
서브마운트(110)는 반도체 패키지(120)에서 발생하는 열을 외부로 방출한다. 서브마운트(110)는 열전도성이 높고 투명한 물질로 구성된다. 그리고, 서브마운트(110)는 외부의 히트 싱크(미도시)와 연결되어 반도체 패키지(120)에서 발생하는 열을 전달하는 역할을 한다.
펌프 레이저부(150)에서 방출되는 제2 파장의 광펌핑용 광은 서브마운트(110)를 통과하여 반도체 패키지(120)에 입사한다. 따라서, 서브마운트(110)는 열전도성이 우수할 뿐만 아니라 제2 파장의 광에 대해서도 높은 투과성이 있어야 한다.
즉, 서브마운트(110)는 높은 열전도성과 광투과성을 모두 구비하여야 한다. 이러한 서브마운트(110)에 적당한 재료로는, 예컨대, 다이아몬드(Diamond)가 바람직하며, 그 외에도 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN) 등을 사용할 수 있다.
반도체 패키지(120)는 광펌핑 방식에 의해 제1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩이 탑재되어 있다. 반도체 패키지(120)의 레이저칩은 펌프 레이저(150)로부터 제2 파장의 광펌핑용 광을 받아 제1 파장의 광을 방출하는 반도체소자로 이루어진 이득 구조물이다.
반도체 패키지(120)의 레이저칩은, 기판, 기판 위에 형성된 활성층 및 상기 활성층 위에 형성된 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector; DBR)층을 일반적으로 구비하고 있다. 활성층은 펌프 레이저(150)로부터 방출된 광펌핑용 광에 의해 여기되면서 제1 파장의 광을 발생시키는 양자우물 구조로 되어 있다.
또한, DBR층은, 상기 활성층에서 발생한 제1 파장의 광에 대해 가장 높은 반사율을 갖도록, 다수의 고굴절률층과 저굴절률층이 교호하여 적층된 복층 구조이다. 이때, 상기 DBR층은, 펌프 레이저(150)로부터 방출된 제 2 파장의 광이 활성층에 입사할 수 있도록, 제2 파장의 광펌핑용 광에 대해서는 투과성이 있도록 설계될 수 있다.
이러한 구조에서, 활성층에서 발생한 제1 파장의 광은 상기 DBR층과 미러(140) 사이에서 반사를 되풀이하면서, 활성층을 왕복한다. 이 과정을 통해 활성층 내에서 증폭된 제1 파장의 광의 일부는 미러(140)를 통해 레이저빔으로서 외부로 출력되며, 나머지는 다시 DBR층을 향해 반사된다. 따라서, 상기 DBR층과 미러(140)는 제1 파장의 광에 대한 공진기의 역할을 한다.
이와 같이, 반도체 패키지(120)는 광펌핑 방식에 의해 제1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩을 이용하여 광을 공진시키는 기능을 수행하게 된다.
옵티컬 에폭시(optical epoxy)(130)는 반도체 패키지(120)의 하면과 서브마운트의 일면을 결합시킨다. 즉, 옵티컬 에폭시(130)는 반도체 패키지(120)와 서브마운트를 광학적으로 결합시키는 옵티컬 에폭시를 이용한 옵티컬 본딩(optical bonding)에 해당된다.
이 때, 옵티컬 에폭시(130)는 특정 파장에 대해 투명한 성질을 가진다. 그리고, 옵티컬 에폭시(130)의 두께는 제1 파장을 4n(n은 자연수)으로 나눈 값(즉, λ/4n)으로 구현함이 바람직하다. 이와 같이 옵티컬 에폭시(130)는 λ/4n의 두께를 가질 때 손실없이 광을 통과시킬 수 있기 때문이다.
옵티컬 에폭시(130)를 이용하여 반도체 패키지(120)의 하면과 서브마운트의 일면을 결합시키는 방법에 대해 이하에서 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 제조방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
먼저, 서브마운트(110)의 일면에 액체 상태의 옵티컬 에폭시를 일정량 떨어뜨린다(S210). 그리고, 서브마운트의 일 면에 떨어진 액체상태의 옵티컬 에폭시를 반도체 패키지(120)의 하면으로 누른다(S220). S220단계에서 누르는 압력에 의해 서브마운트(110)와 반도체 패키지(120) 사이에 형성되는 옵티컬 에폭시(130)의 두께가 결정된다. 옵티컬 에폭시(130)의 두께가 λ/4n이 바람직하므로, S220단계에서 누르는 압력은 옵티컬 에폭시(130)의 두께가 λ/4n이 될 정도로 가하는 것이 바람직하다.
이후, 측면에서 옵티컬 에폭시에 자외선을 가하여 옵티컬 에폭시를 경화시킨다(S230). 이와 같은 과정을 통해 옵티컬 에폭시(130)를 이용하여 반도체 패키지(120)의 하면과 서브마운트의 일면을 결합시킬 수 있게 된다.
또한, 서브마운트(110)는 다른 일면에 옵티컬 씬 필름(optical thin film)이 결합되어 있을 수도 있다. 즉, 서브마운트(110)의 다른 일면에 옵티컬 씬 필름(optical thin film)을 결합시키는 단계가 더 포함될 수도 있다.
이와 같은 과정을 통해, 옵티컬 에폭시를 이용하여 반도체 패키지(120)의 하면과 서브마운트의 일면을 결합시켜, 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치를 제조할 수 있게 된다.
다시 도 1을 참조하여 설명한다.
미러(140)는 반도체 패키지의 상면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 레이저칩에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 레이저칩으로 반사한다.
그리고, 펌프 레이저부(150)는 서브마운트(110)의 하면과 대향하도록 배치되고, 제2 파장의 광펌핑용 광을 반도체 패키지(120)에 수직하게 방출하게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치(100)는 제1 파장의 광을 방출시키기 위한 이득구조(gain structure)를 갖는 반도체 패키지(120)와, 반도체 패키지(120)의 일측면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하는 미러(140)와, 상기 반도체 패키지(120)의 타측면을 향해 제2 파장의 광펌핑용 광을 수직으로 방출하는 펌프 레이저부(150)를 포함하고 있다.
그리고, 미러(140)는 반도체 패키지(120)에서 발생한 제1 파장의 광의 일부를 외부로 투과시켜 레이저빔으로서 출력하며, 나머지 일부를 반도체 패키지(120)로 다시 반사하여 증폭되도록 한다. 여기서, 상기 펌프 레이저부(150)에서 방출되는 제 2 파장의 광펌핑용 광은 반도체 패키지(120)에서 방출되는 제 1 파장의 광 보다 파장이 짧아야 한다. 예컨대, 갈륨(Ga)계 반도체소자를 이용하는 경우, 상기 반도체 패키지(120)는 대략 900nm에서 1100nm 사이의 파장을 갖는 적외선 영역의 광을 방출한다. 이 경우, 상기 펌프 레이저(150)에서 방출되는 광펌핑용 광은 대략 808nm 정도의 파장을 갖는 것이 적당하다.
이와 같은 구조의 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치는 양산성과 신뢰성이 확보된 옵티컬 에폭시를 이용한 옵티컬 본딩 방식을 이용하기 때문에, 간단하고 신뢰성있는 레이저 장치를 제공할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 반도체 패키지(120)와 미러(140) 사이에 비선형 크리스탈(300)이 포함된 구조의 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 패키지(120)와 미러(140) 사이에 비선형 크리스탈(300)이 포함될 경우 편광을 제어할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른, 서브마운트(110)의 다른 일면에 옵티컬 씬 필름(optical thin film)(400)이 결합되어 있는 구조를 도시한 도면이다. 이와 같이, 서브마운트(110)의 다른 일면에 옵티컬 씬 필름(optical thin film)(400)이 결합된 경우, 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치는 광학적 역학적으로 더욱 단단하게 고정된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치
110 : 서브마운트 120 : 반도체 패키지
130 : 옵티컬 에폭시 140 : 미러
150 : 펌프 레이저부

Claims (8)

  1. 광펌핑 방식에 의해 제1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩이 탑재된 반도체 패키지;
    상기 반도체 패키지에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 서브마운트(submount);
    상기 반도체 패키지의 하면과 상기 서브마운트의 일면를 결합시키는 옵티컬 에폭시(optical epoxy);
    상기 반도체 패키지의 상면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 상기 레이저칩에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 레이저칩으로 반사하는 미러; 및
    상기 서브마운트의 하면과 대향하도록 배치된 것으로, 제2 파장의 광펌핑용 광을 상기 반도체 패키지에 방출하는 펌프 레이저부;를 포함하는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 옵티컬 에폭시는,
    특정 파장에 대해 투명한 것을 특징으로 하는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 옵티컬 에폭시는,
    두께가 제1 파장을 4n(n은 자연수)으로 나눈 값(즉, λ/4n)인 것을 특징으로 하는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 서브마운트는,
    다른 일면에 옵티컬 씬 필름(optical thin film)이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치.
  5. 광펌핑 방식에 의해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩이 탑재된 반도체 패키지, 상기 반도체 패키지에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 서브마운트, 상기 반도체 패키지의 상면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 상기 레이저칩에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 레이저칩으로 반사하는 미러 및 상기 서브마운트의 하면과 대향하도록 배치된 것으로, 제2 파장의 광펌핑용 광을 상기 반도체 패키지에 수직하게 방출하는 펌프 레이저부를 포함하는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 제조방법에 있어서,
    상기 서브마운트의 일면에 액체 상태의 옵티컬 에폭시(optical epoxy)를 떨어뜨리는 단계;
    상기 서브마운트에 떨어진 액체 상태의 옵티컬 에폭시를 상기 반도체 패키지의 하면으로 누르는 단계; 및
    상기 옵티컬 에폭시에 자외선을 가하여 상기 옵티컬 에폭시를 경화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 옵티컬 에폭시는,
    특정 파장에 대해 투명한 것을 특징으로 하는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 누르는 단계는,
    상기 옵티컬 에폭시의 두께가 제1 파장을 4n(n은 자연수)으로 나눈 값(즉, λ/4n)이 될 정도의 압력으로 누르는 것을 특징으로 하는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 서브마운트의 다른 일면에 옵티컬 씬 필름(optical thin film)을 결합하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후광 펌핑 방식의 반도체 레이저 장치 제조방법.
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