KR20210095943A - 면발광 레이저 모듈, 광학 디바이스, 및 면발광 레이저 기판 - Google Patents

면발광 레이저 모듈, 광학 디바이스, 및 면발광 레이저 기판 Download PDF

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Abstract

면발광 레이저 모듈은, 베이스 기판, 베이스 기판 상에 실장된 면발광 레이저 기판 - 면발광 레이저 기판은 면발광 레이저 소자를 포함하고, 면발광 레이저 기판은 베이스 기판을 향하는 제 1 면 및 베이스 기판을 등지는 제 2 면을 가짐 - , 및 제 2 면을 향하고 면발광 레이저 소자의 제 2 면으로부터 방출된 광을 수신하도록 구성된 광학 소자를 포함하는 광학 부재를 포함한다. 면발광 레이저 소자는, 제 1 반도체층, 제 2 반도체층, 제 1 면 상에 제공되고 제 1 반도체층에 연결된 제 1 전극, 및 제 1 면 상에 제공되고 제 2 반도체층에 연결된 제 2 전극을 포함한다. 베이스 기판은, 제 1 전극에 연결된 제 3 전극 및 제 2 전극에 연결된 제 4 전극을 포함한다.

Description

면발광 레이저 모듈, 광학 디바이스, 및 면발광 레이저 기판
본 출원은 2019년 1월 31일에 출원된 일본 특허 출원 제 2019-016353 호의 우선권에 기초하고 이 우선권의 이익을 주장하며, 이 우선권의 전체 내용은 이로써 참조로서 본원에 포함된다.
본 발명은 면발광 레이저 모듈, 광학 디바이스, 및 면발광 레이저 기판에 관한 것이다.
수직 캐비티 면발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser; VCSEL)는 기판에 수직인 방향으로 레이저광을 발진(oscillate)하는 반도체 레이저이다. VCSEL은 더 낮은 문턱 전류, 단일 세로 모드 발진(single longitudinal mode oscillation), 및 2차원 어레이 배열과 같은 특징들을 갖는다. VCSEL은 종종 마이크로렌즈 어레이와 조합하여 사용된다.
특허 문헌 1은, VCSEL 디바이스의 레이저 메사(laser mesa)들(VCSEL 소자들)로 형성된 표면이 마이크로렌즈 어레이를 향해 배향(orient)되고, 이 표면 상에 마이크로렌즈 어레이가 실장(mount)되는 디바이스를 설명한다. 이 포토닉 디바이스(photonic device)에서, 각각이 VCSEL 소자들 중 대응하는 VCSEL 소자에 개별적으로 연결된 복수의 전극 패드들이 VCSEL 소자들로 형성된 표면 상에 제공된다. 이 다수의 전극 패드들은, 마이크로렌즈 어레이가 VCSEL 디바이스와 접촉하게 되는 부분의 외측에 제공되고, 와이어 본딩에 의해 IC 패키지에 연결된다.
특허 문헌 1에 설명된 디바이스에 따르면, 마이크로렌즈 어레이가 VCSEL 디바이스에 통합될 수 있다.
일본 비심사 특허 출원 공개 제 2007-142425 호
그러나, VCSEL 디바이스들과 같은 면발광 레이저 기판들의 사이즈들을 감소시키는 것에 대한 요구가 있을지라도, 특허 문헌 1에 설명된 구조체는 사이즈들의 감소에 대한 요구를 충분히 충족시키지 못할 수 있다.
사이즈가 더 감소될 수 있는 면발광 레이저 모듈, 광학 디바이스, 및 면발광 레이저 기판을 제공하는 것이 본 발명의 목표이다.
본 개시의 기술의 양태에 따르면, 면발광 레이저 모듈은, 베이스 기판, 베이스 기판 상에 실장된 면발광 레이저 기판 - 면발광 레이저 기판은 면발광 레이저 소자를 포함하고, 면발광 레이저 기판은 베이스 기판을 향하는 제 1 면 및 베이스 기판을 등지는 제 2 면을 가짐 - , 및 제 2 면을 향하고 면발광 레이저 소자의 제 2 면으로부터 방출된 광을 수신하도록 구성된 광학 소자를 포함하는 광학 부재를 포함한다. 면발광 레이저 소자는, 제 1 도전형의 제 1 반도체층, 제 2 도전형의 제 2 반도체층, 제 1 면 상에 제공되고 제 1 반도체층에 연결된 제 1 전극, 및 제 1 면 상에 제공되고 제 2 반도체층에 연결된 제 2 전극을 포함한다. 베이스 기판은, 면발광 레이저 기판의 제 1 면을 향하는 제 3 면을 갖고, 제 3 면 상에 제공되고 제 1 전극에 연결된 제 3 전극 및 제 3 면 상에 제공되고 제 2 전극에 연결된 제 4 전극을 포함한다.
본 개시의 기술에 따르면, 면발광 레이저 기판의 사이즈가 더 감소될 수 있다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 상면도이다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 단면도(부분 1)이다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 단면도(부분 2)이다.
도 4는 확대된 방식으로 도 2의 일부를 예시하는 단면도이다.
도 5는 확대된 방식으로 도 3의 일부를 예시하는 단면도이다.
도 6은 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 예시하는 하면도이다.
도 7은 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 예시하는 상면도이다.
도 8은 제 1 실시예에 따른 MLA를 예시하는 하면도이다.
도 9는 제 1 실시예에 따른 MLA를 예시하는 단면도이다.
도 10a는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 1)이다.
도 10b는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 2)이다.
도 10c는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 3)이다.
도 10d는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 4)이다.
도 10e는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 5)이다.
도 10f는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 6)이다.
도 10g는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 7)이다.
도 11a는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 8)이다.
도 11b는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 9)이다.
도 11c는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 10)이다.
도 11d는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 11)이다.
도 11e는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 12)이다.
도 11f는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 13)이다.
도 11g는 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도(부분 14)이다.
도 12는 참조예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 단면도이다.
도 13은 참조예에 따른 VCSEL 칩을 예시하는 상면도이다.
도 14는 제 1 실시예의 변형예에 따른 VCSEL 칩을 예시하는 하면도이다.
도 15는 제 2 실시예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 상면도이다.
도 16은 제 2 실시예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 단면도이다.
도 17은 확대된 방식으로 도 16의 일부를 예시하는 단면도이다.
도 18은 제 2 실시예의 변형예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 단면도이다.
도 19는 제 3 실시예에 따른 거리 측정 디바이스를 예시하는 도면이다.
이후부터, 본 개시의 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 구체적으로 설명될 것이다. 본 명세서 및 도면들에서, 실질적으로 동일한 기능 구성들을 갖는 구성 요소들이 동일한 참조 번호들로 나타내어질 수 있고 그에 관한 중복 설명이 생략될 수 있다. 본 개시에서, 컴포넌트들의 배열들에 관한 설명들에서, 기판과 관련하여, 기판으로부터 멀어지는 방향이 상방으로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 기판의 하면과 접촉하도록 형성된 막이 기판의 하면 상에 형성된 막으로 지칭될 수 있다.
(제 1 실시예)
먼저, 제 1 실시예가 설명될 것이다. 제 1 실시예는 면발광 레이저 모듈에 관한 것이다. 도 1은 제 1 실시예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 상면도이다. 도 2 및 도 3은 제 1 실시예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 단면도들이다. 도 2는 도 1의 라인(I-I)을 따라 취해진 단면도에 대응한다. 도 3은 도 1의 라인(II-II)을 따라 취해진 단면도에 대응한다. 도 4는 확대된 방식으로 도 2의 일부를 예시하는 단면도이다. 도 5는 확대된 방식으로 도 3의 일부를 예시하는 단면도이다. 도 6은 제 1 실시예에 따른 수직 캐비티 면발광 레이저(VCSEL) 칩을 예시하는 하면도이다. 도 7은 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩을 예시하는 상면도이다. 도 4 내의 VCSEL 칩의 단면은 도 6의 라인(III-III)을 따라 취해진 단면에 대응한다. 도 5 내의 VCSEL 칩의 단면은 도 6의 라인(IV-IV)을 따라 취해진 단면에 대응한다. 도 8은 제 1 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array; MLA)를 예시하는 하면도이다. 도 9는 제 1 실시예에 따른 MLA를 예시하는 단면도이다.
도 1 내지 도 5에 예시된 바와 같이, 제 1 실시예에 따른 면발광 레이저 모듈(100)은 베이스 기판(120), 베이스 기판(120) 상에 실장되고 VCSEL 소자들을 포함하는 VCSEL 칩(140), 및 VCSEL 소자들로부터 출사하는 광을 수신하는 마이크로렌즈들(162)을 포함하는 MLA(160)를 포함한다. VCSEL 소자는 면발광 레이저 소자의 예시이다. VCSEL 칩(140)은 면발광 레이저 기판의 예시이다. 마이크로렌즈(162)는 광학 소자의 예시이다. MLA(160)는 광학 부재의 예시이다. 즉, VCSEL 칩(140)은 면발광 레이저 기판의 실시예이다.
다음의 설명에서, 달리 명시되지 않는 한, VCSEL 칩(140)이 베이스 기판(120)에 관하여 위치된 방향이 상향으로 지칭되고, 베이스 기판(120)이 VCSEL 칩(140)에 관하여 위치된 방향이 하향으로 지칭된다. 그러나, 면발광 레이저 모듈(100)이 상하 반전되어 사용될 수 있고, 임의의 각도로 위치될 수 있다. 또한, 상면도는 VCSEL 칩(140)의 상부 면(141b)에 법선인 방향으로부터 타겟 객체를 보는 것을 지칭한다. 평면 형상은 VCSEL 칩(140)의 면(141b)에 법선인 방향으로부터 본 타겟 객체의 형상을 지칭한다.
각각의 도면에서, VCSEL 칩(140)의 면(141b)에 법선인 방향이 방향(Z)으로 정의된다. 상면도에서, VCSEL 칩(140)의 면(141b)의 일 변(side)에 평행한 방향이 방향(X)으로 정의된다. 방향(X) 및 방향(Z)에 수직인 방향이 방향(Y)으로 정의된다.
<VCSEL 칩(140)의 구조>
여기서, VCSEL 칩(140)의 구조가 설명될 것이다. VCSEL 칩(140)의 구조에 관한 설명 및 이후에 설명되는 VCSEL 칩(140)을 형성하기 위한 방법에 관한 설명에서, 베이스 기판(120)이 VCSEL 칩(140)에 관하여 위치되는 방향[도 2 내지 도 5에서 방향(-Z)]이 상측으로 정의된다.
도 6에 예시된 바와 같이, VCSEL 칩(140)의 평면 형상은, 예를 들어 사각형이고, 평면 형상이 사각형인 광 방출 소자 유닛(158)이 베이스 기판(120)을 향하는 면(141a)의 실질적으로 중앙에 제공된다. 면(141a)은 제 1 면의 예시이다. 면(141b)은 제 2 면의 예시이다. 광 방출 소자 유닛(158)에서, 복수의 VCSEL 소자들(159)이 어레이의 방식으로 배열된다. 예를 들어, 방향(X) 및 방향(Y)으로 6 X 6 그리드로 총 36개의 VCSEL 소자들(159)이 배열된다. VCSEL 소자들(159) 각각은 n-GaAs 기판과 같은 기판(141) 상에 모놀리식으로(monolithically) 제조되고, VCSEL 소자들(159) 모두는 동일한 막 구성을 갖는다. VCSEL 소자들(159) 각각은, 예를 들어 940 nm의 발진 파장을 갖는 면발광 레이저이다.
광 방출 소자 유닛(158)의 외측에 있는 면(141a)의 4개의 코너부들에 제 1 전극들(157)이 제공된다. 면(141a)에는, 광 방출 소자 유닛(158)의 각각의 변에 9개의 제 2 전극들(155)이 배열된 총 36개의 제 2 전극들(155)이 제공된다. 36개의 VCSEL 소자들(159)의 n-측에 4개의 제 1 전극들(157)이 공통으로 연결된다. 36개의 제 2 전극들(155) 각각은 상호연결부(155a)를 통해 36개의 VCSEL 소자들(159) 중 대응하는 VCSEL 소자(159)의 p-측 전극에 개별적으로 연결된다. 면(141a)의 4개의 코너부들은 면(141a)의 코너부들 부근들을 의미하고, 제 1 전극들(157)이 면(141a)의 에지와 반드시 접촉할 필요는 없다.
도 7에 예시된 바와 같이, MLA(160)를 향하는 VCSEL 칩(140)의 면(141b)의 4개의 코너부들에 접착 고정 영역들로서 고정 패턴들(181)이 형성된다. 예를 들어, 고정 패턴(181)은, 티타늄(titanium; Ti), 백금(platinum; Pt), 및 금(gold; Au)이 이 순서로 면(141b)으로부터 적층(stack)된 적층막의 패턴을 갖는다. 접착 고정 영역은 본딩 영역의 예시이다.
예를 들어, VCSEL 소자(159)는, n-GaAs 기판 등과 같은 기판(141) 상의, 접촉층(142), 반도체 다층 반사체(semiconductor multilayer reflector)(143), 스페이서층(144), 활성층(145), 스페이서층(146), 반도체 다층 반사체(147), 선택적 산화층(151), 및 접촉층(148)을 포함한다. 선택적 산화층(151)은 산화 영역(151a) 및 비산화 영역(151b)을 포함한다.
기판(141) 상에 접촉층(142)이 형성된다. 접촉층(142)은, 예를 들어 n-GaAs층이다.
접촉층(142) 상에 반도체 다층 반사체(143)가 형성된다. 반도체 다층 반사체(143)는, 예를 들어 n-Al0.9Ga0.1As로 제조된 저굴절률층들 및 n-Al0.2Ga0.8As로 제조된 고굴절률층들을 포함한다. 예를 들어, 반도체 다층 반사체(143)는 30쌍의 저굴절률층들 및 고굴절률층들을 포함한다.
반도체 다층 반사체(143)의 굴절률층들 사이에, 전기 저항을 감소시키기 위해 조성(composition)이 한 조성으로부터 다른 조성으로 점진적으로 변화되는, 예를 들어 20 nm의 두께를 갖는 조성 구배층(composition gradient layer)이 제공된다. 발진 파장이 λ로 나타내어지면, 인접한 조성 구배층의 1/2을 포함한, 굴절률층들 각각의 막 두께는 λ/4의 광학 두께를 갖도록 구성된다. 광학 두께가 λ/4이면, 층의 실제 두께(D)가 λ/4n[여기서 n은 층의 매질(medium)의 굴절률을 나타냄]인 점에 유념해야 한다.
반도체 다층 반사체(143) 상에 스페이서층(144)이 형성된다. 스페이서층(144)은, 예를 들어 비도핑된 AlGaInP층이다.
스페이서층(144) 상에 활성층(145)이 형성된다. 활성층(145)은, 예를 들어 3개의 양자 웰층(quantum well layer)들 및 4개의 장벽층들을 갖는 3중 양자 웰 구조체를 갖는 활성층이다. 예를 들어, 양자 웰층들은 InGaAs층들이고 장벽층들은 AlGaAs층들이다.
활성층(145) 상에 스페이서층(146)이 형성된다. 스페이서층(146)은, 예를 들어 비도핑된 AlGaInP층이다.
스페이서층(144), 활성층(145), 및 스페이서층(146)을 포함하는 부분이 공진기 구조체(공진기 영역)로도 지칭되고, 인접한 조성 구배층의 1/2을 포함한, 1 파장(λ)의 광학 두께를 갖도록 구성된다. 활성층(145)은, 높은 자극 방출 확률(stimulated emission probability)이 획득될 수 있도록 전계의 정재파 분포(standing wave distribution)에서 안티노드(antinode)에 대응하는 위치인, 공진기 구조체의 중앙에 제공된다.
스페이서층(146) 상에 반도체 다층 반사체(147)가 형성된다. 예를 들어, 반도체 다층 반사체(147)는 p-Al0.9Ga0.1As로 제조된 저굴저률층들 및 p-Al0.2Ga0.8As로 제조된 고굴절률층들을 포함한다. 예를 들어, 반도체체 다층 반사체(147)는 20쌍의 저굴절률층들 및 고굴절률층들을 포함한다.
반도체 다층 반사체(147)의 굴절률층들 사이에, 전기 저항을 감소시키기 위해 조성이 한 조성으로부터 다른 조성으로 점진적으로 변화되는, 예를 들어 20 nm의 두께를 갖는 조성 구배층이 제공된다. 발진 파장이 λ로 나타내어지면, 인접한 조성 구배층의 1/2을 포함한, 굴절률층들 각각의 막 두께는 λ/4의 광학 두께를 갖도록 구성된다.
반도체 다층 반사체(147) 내에, 예를 들어 p-AlAs로 제조된 선택적 산화층(151)이 예를 들어 30 nm의 두께로 삽입된다. 선택적 산화층(151)의 삽입 위치는, 예를 들어 스페이서층(146)으로부터 카운트된, 고굴절률층 및 저굴절률층의 2개의 쌍 내일 수 있다. 선택적 산화층(151)이 선택적 산화층(151) 위에 그리고 아래에 배치된 조성 구배층 및 중간층과 같은 층들을 포함할 수 있고, 여기서 실제로 산화되는 층들이 일괄적으로(collectively) 선택적 산화층으로 지칭된다는 점에 유념해야 한다.
반도체 다층 반사체(147) 상에 접촉층(148)이 형성된다. 접촉층(148)은, 예를 들어 p-GaAs층이다.
접촉층(148), 반도체 다층 반사체(147), 스페이서층(146), 및 활성층(145)의 일부들을 에칭에 의해 제거함으로써 광 방출 소자 유닛(148) 내에 VCSEL 소자들(159)에 대응하는 메사들(150a)이 형성된다. 또한, 광 방출 소자 유닛(158)의 외측에 있는 제 2 전극들(155)에 대응하는 위치들에 메사들(150b)이 형성된다. 인접한 메사(150a) 사이에서 스페이서층(144) 및 반도체 다층 반사체(143)가 분할되고, 접촉층(142)에 도달하는 그루브(152)가 형성된다.
메사들(150a 및 150b)을 커버하는 절연층(153)이 형성된다. 예를 들어, 절연층(153)의 재료로서 SiN, SiON, SiO2 등이 사용될 수 있다. 절연층(153)에, 메사들(150a) 각각의 접촉층(148)의 일부를 노출시키는 개구부(154)가 형성된다. 개구부(154)는 상면도에서 비산화 영역(151b)과 오버랩되는 위치에 형성된다.
개구부(154)를 통해 접촉층(148)에 전기적으로 연결된 p-측 전극(155b)이 메사들(150a) 각각에 대해 독립적으로 절연층(153) 상에 형성된다. p-측 전극들(155b) 각각은 상호연결부(155a)를 통해 제 2 전극들(155) 중 대응하는 제 2 전극(155)에 개별적으로 연결된다. 예를 들어, p-측 전극(155b), 상호연결부(155a), 및 제 2 전극(155)은, 절연층(153)측으로부터 순서대로 Ti, Pt, 및 Au가 적층된 적층막으로서 구성된다.
메사(150b)에 대해, 절연층(153)에 개구부가 형성되지 않고, 메사(150b)에서의 접촉층(148)이 제 2 전극(155)으로부터 전기적으로 절연된다. 따라서, 메사(150b)에서 전류가 흐르지 않는다.
광 방출 소자 유닛(158)의 외측에 있는 절연층(153)의 4개의 코너부들에 접촉층(142)의 일부들을 노출시키기 위해 개구부들(156)이 형성된다. 개구부들(156)을 통해 접촉층(142)에 전기적으로 연결되도록 제 1 전극들(157)이 형성된다. 제 1 전극들(157)은 VCSEL 칩들(140) 각각의 n-측 전극으로서도 역할한다. 예를 들어, 제 1 전극(157)은, 접촉층(142)측으로부터 순서대로 금 게르마늄 합금(gold germanium alloy, AuGe), 니켈(nickel; Ni), 및 금(Au)이 적층된 적층막을 갖는다.
면(141a)을 향하는 베이스 기판(120)의 면(121a) 상에, 제 1 전극들(157)에 본딩되는 제 3 전극들(122) 및 제 2 전극들(155)에 본딩되는 제 4 전극들(123)이 기판(121) 상에 형성된다. 면(121a)은 제 3 면의 예시이다. 예를 들어, 제 3 전극들(122)의 수는 4개이고, 제 4 전극들(123)의 수는 36개이다. 베이스 기판(120) 상에 VCSEL 칩(140)이 플립-칩 실장(flip-chip mount)된다. 제 3 전극들(122) 및 제 4 전극들(123)은, 예를 들어 2 μm의 두께를 갖는 Au 도금막(plating film)들이다.
<MLA(160)의 구조>
이후부터, MLA(160)가 설명될 것이다.
MLA(160)는, 예를 들어 석영 글래스(quartz glass)로 제조된 투명 기판(161)을 갖는다. VCSEL 칩(140)을 향하는 MLA(160)의 면의 실질적으로 중앙부에 렌즈 영역(166)이 제공된다. 예를 들어, 렌즈 영역(166)에서, 각 VCSEL 소자들(159)에 대응하는 위치들에 어레이의 방식으로 총 36개의 마이크로렌즈들(162)이 배열된다. 마이크로렌즈들(162) 각각은 VCSEL 소자(159)의 방사 패턴에 대해 원하는 빔 성형(beam shaping)을 수행하도록 설계된다. 예를 들어, 렌즈 직경이 45 μm이고 초점 길이가 70 μm이다.
MLA(160)의 양측에 반사 방지막들(168)이 형성된다. 반사 방지막(168)은, 예를 들어 투명 기판(161)측으로부터 순서대로 HfO2 및 SiO2가 적층된 적층막이고, 940 nm, 즉 VCSEL 소자(159)의 발진 파장을 포함한 미리 결정된 파장 영역에서 광에 대해 99% 이상의 투과율(transmittance)을 갖도록 설계된다.
VCSEL 칩(140)으로부터의 거리를 정의하기 위한 레그부(leg portion)들(163)이 VCSEL 칩(140)을 향하는 MLA(160)의 면의 4개의 코너부들에 투명 기판(161)으로부터 연장되도록 형성된다. 레그부들(163)의 하면들에, 고정 패턴들(164)이 접착 고정 영역들로서 형성된다. 예를 들어, 고정 패턴(164)은, 레그부(163)측으로부터 순서대로 Ti, Pt, 및 Au가 기상 증착에 의해 적층된 적층막의 패턴을 갖는다.
고정 패턴들(164) 각각은, 고정 패턴(164)이 대응하는 고정 패턴(181)을 향하는 위치에 형성되는 한, 반드시 레그부(163)의 전체 하면에 형성될 필요는 없다. 고정 패턴(164)의 평면 형상은 바람직하게 고정 패턴(181)의 평면 형상과 동일하다.
도 4 등에 예시된 바와 같이, 고정 패턴(164) 및 고정 패턴(181)은 저온 솔더(low-temperature solder)와 같은 접착제(adhesive agent)(182)에 의해 서로 본딩된다. 접착제(182)는 본딩 부재의 예시이다.
위에서 설명된 바와 같이 구성된 면발광 레이저 모듈(100)에서, VCSEL 소자들(159)은 VCSEL 칩(140)의 면(141b)으로부터 광을 방출하고, 방출된 광이 마이크로렌즈(162)에 입사하여 평행광이 된다.
<VCSEL 칩(140)을 형성하기 위한 방법>
이후부터, VCSEL 칩(140)을 형성하기 위한 방법이 설명될 것이다. 도 10a 내지 도 10g는 VCSEL 칩(140)을 형성하기 위한 방법을 예시하는 단면도들이다. 도 10a 내지 도 10g는 도 6의 라인(III-III)을 따라 취해진 단면에서의 변화들을 예시한다. 도 11a 내지 도 11g는 도 6의 라인(IV-IV)을 따라 취해진 단면에서의 변화들을 예시한다.
먼저, 도 10a에 예시된 바와 같이, 접촉층(142), 반도체 다층 반사체(143), 스페이서층(144), 활성층(145), 스페이서층(146), 반도체 다층 반사체(147), 및 접촉층(148)이 순서대로 기판(141) 상에 성장된다. 예를 들어, p-AlAs로 제조된 선택적 산화층(151)(미도시)이 반도체 다층 반사체(147)에 포함된다. 접촉층(142), 반도체 다층 반사체(143), 스페이서층(144), 활성층(145), 스페이서층(146), 반도체 다층 반사체(147), 및 접촉층(148)을 포함하는 반도체 적층 구조체가, 예를 들어 금속 유기 화학적 기상 증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD) 방법 또는 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE) 방법에 따른 결정 성장에 의해 준비될 수 있다. 여기서, MOCVD 방법을 사용하는 예시가 설명될 것이다. 예를 들어, 트리메틸알루미늄(trimethylaluminum; TMA), 트리메틸갈륨(trimethylgallium; TMG), 트리메틸인듐(trimethylindium; TMI) 등이 III족 재료들로서 사용되고, 포스핀(phosphine, PH3), 및 아르신(arsine, AsH3)이 V족 재료들로서 사용된다. 예시로서, 사브롬화 탄소(carbon tetrabromide, CBr4)가 p-형 도펀트의 재료로서 사용되고, 셀렌화 수소(hydrogen selenide, H2Se)가 n-형 도펀트의 재료로서 사용된다. 예를 들어, 기판(141)은, 표면이 경면-연마면(mirror-polished surface)인 n-GaAs이다.
다음으로, 포토리소그래피를 사용함으로써 접촉층(142) 상에 메사들(150a 및 150b)의 원하는 평면 형상에 따라 레지스트 패턴(미도시)이 형성된다. 이어서, 예를 들어, 레지스트 패턴으로 커버되지 않은 반도체 적층 구조체의 부분들이, 예를 들어 Cl2 가스를 사용하는 전자 사이클로트론 공명(electron cyclotron resonance; ECR) 에칭 방법에 의해 에칭된다. 결과로서, 도 10b 및 도 11a에 예시된 바와 같이, 메사들(150a 및 150b)이 형성된다. 이때, 메사들(150a 및 150b)은 적어도 선택적 산화층(151)(미도시)을 노출시키도록 형성된다. 에칭 후, 레지스트 패턴이 제거된다. 에칭 하면은, 예를 들어 스페이서층(144)의 상면일 수 있다.
다음으로, 도 10c 및 도 11b에 예시된 바와 같이, 메사들(150a 및 150b)이 형성된 산화 타겟으로서의 반도체 적층 구조체에 수증기에서 열 처리(산화 처리)가 적용된다. 결과로서, 선택적 산화층(151) 내의 Al(알루미늄)이 메사들(150a 및 150b)의 외주(outer periphery)로부터 선택적으로 산화된다. 이어서, 산화되지 않고 Al의 산화 영역(151a)에 의해 둘러싸인 비산화 영역(151b)이 메사들(150a 및 150b) 각각의 중앙에 남아있다. 결과로서, 광 방출 유닛의 구동 전류 경로를 메사(150a)의 중앙부로만 제한하는 산화물-한정 구조체(oxide-confined structure)가 형성된다. 비산화 영역(151b)은 전류 통과 영역(전류 주입 영역)이다.
다음으로, 도 10d 및 도 11c에 예시된 바와 같이, 포토리소그래피를 사용하여, 그루브들(152)의 평면 형상에 따라 접촉층(142) 및 스페이서층(144) 상에 레지스트 패턴(미도시)이 형성된다. 이 레지스트 패턴은, 제 1 전극들(157)이 형성될 영역들을 노출시키도록 형성된다. 이어서, 레지스트 패턴으로 커버되지 않은 반도체 적층 구조체의 부분들이, 예를 들어 Cl2 가스를 사용하는 ECR 에칭 방법에 의해 에칭되어, 접촉층(142)에 도달하는 그루브들(152)이 형성된다. 이때, 접촉층(142)은, 제 1 전극들(157)이 형성될 영역들에서 노출된다. 에칭 후, 레지스트 패턴이 제거된다.
다음으로, 도 10e 및 도 11d에 예시된 바와 같이, 예를 들어, 플라즈마 CVD 방법을 사용하여, 메사들(150a 및 150b)의 상면들 및 측면들, 스페이서층(144)의 상면들, 및 내측 벽들[그루브들(152)의 하면들 및 측면들]을 연속적으로 커버하도록 광학적으로 투명한 절연층(153)이 형성된다. 절연층(153)의 재료들의 예시들은 SiN, SiON, SiO2 등을 포함한다.
다음으로, 도 10f에 예시된 바와 같이, 포토리소그래피를 사용함으로써, 메사(150a)의 상면의 일부[접촉층(148)의 상면의 외주 부분 제외]에 형성된 절연층(153)이 제거되어 윈도우를 만들어, 개구부(154)(접촉 영역)가 형성된다.
다음으로, 도 10g 및 도 11e에 예시된 바와 같이, 포토리소그래피로 레지스트 패턴을 형성하고, 금속막을 형성하고, 리프트 오프(lift off)를 수행함으로써 p-측 전극들(155b), 상호연결부들(155a), 및 제 2 전극들(155)이 형성된다. 금속막 형성시, 예를 들어 절연층(153), 및 개구부들(154)을 통해 노출된 접촉층(148) 상에 기상 증착에 의해 순서대로 Ti, Pt, 및 Au가 적층된다.
다음으로, 도 11f에 예시된 바와 같이, 포토리소그래피를 사용함으로써, 제 1 전극들(157)이 형성될 영역들 각각에서, 절연층(153)의 일부가 제거되어 윈도우를 만들어, 개구부(156)(접촉 영역)가 형성된다.
다음으로, 도 11g에 예시된 바와 같이, 포토리소그래피로 레지스트 패턴을 형성하고, 금속막을 형성하고, 리프트 오프를 수행함으로써 n-측 전극들로서 역할하는 제 1 전극들(157)이 형성된다. 금속막 형성시, 예를 들어 개구부들(156)을 통해 노출된 접촉층(142) 상에 기상 증착에 의해 순서대로 AuGe, Ni, 및 Au가 적층된다.
위에서 설명된 바와 같이, VCSEL 칩(140)이 형성될 수 있다.
<면발광 레이저 모듈(100)을 제조하기 위한 방법>
다음으로, 베이스 기판(120), VCSEL 칩(140), 및 MLA(160)를 사용하여 면발광 레이저 모듈(100)을 제조하기 위한 방법이 설명될 것이다.
이 방법에서, 먼저, 베이스 기판(120) 상에 VCSEL 칩(140)이 플립-칩 실장된다. 위에서 설명된 바와 같이, 제 1 전극들(157)에 본딩되는 제 3 전극들(122) 및 제 2 전극(155)에 본딩되는 제 4 전극들(123)이 베이스 기판(120) 상에 형성된다. 제 1 전극들(157)과 제 3 전극들(122)이 이들 사이에 솔더들이 샌드위치된 상태에서 서로를 향하고, 제 2 전극들(155)과 제 4 전극들(123)이 이들 사이에 솔더들이 샌드위치된 상태에서 서로를 향하도록 베이스 기판(120) 위에 VCSEL 칩(140)이 위치되고, 솔더들이 가열 및 냉각을 통해 용융되고 응고된다. 위에서 설명된 바와 같이, 플립-칩 본딩이 수행될 수 있다. 사용가능한 솔더들의 예시들은 납이 없는 솔더 볼들을 포함한다.
다음으로, 예를 들어 자가-정렬 방법(self-alignment method)에 의해 VCSEL 칩(140) 상에 MLA(160)가 본딩된다. 즉, 상면도에서 고정 패턴들(164) 및 고정 패턴들(181)이 거의 오버랩되도록 VCSEL 칩(140) 및 MLA(160)의 상대적 위치들이 조정되고, 저온 솔더들이 고정 패턴들(164)과 고정 패턴들(181) 사이에 접착제들(182)로서 배치된다. 예를 들어, 사용가능한 저온 솔더들의 예시들은 약 섭씨 140도의 용융점을 갖는 솔더들을 포함한다. 다음으로, VCSEL 칩(140) 상에 본딩된 MLA(160)가 질소 분위기에서 가열되어 저온 솔더를 용융시킨다. 용융된 저온 솔더는 VCSEL 칩(140)의 고정 패턴들(181)과 MLA(160)의 고정 패턴들(164) 사이에서 확산한다. 이때, 용융된 저온 솔더의 복원력으로 인해 자가-정렬이 일어나고, MLA(160)가 VCSEL 칩(140)과 높은 정밀도로 정렬될 수 있다. 또한, 고정 패턴들(181)과 고정 패턴들(164)의 4개의 위치들에서의 조합들에 동일한 양들의 저온 솔더들을 적용함으로써 높이 방향에서의 정확성이 보장될 수 있다. 예를 들어, VCSEL 칩(140)과 MLA(160) 사이의 거리가 100 μm이도록 저온 솔더들의 양들이 조정된다. 그 후, 냉각 프로세스를 통해, MLA(160)의 본딩이 완료된다. 자가-정렬 방법에 따른 본딩 방법은, 예를 들어 일본 비심사 특허 출원 공개 제 2016-40822 호에서 설명된다.
여기서, 본 실시예의 효과가 참조예와의 비교로 설명될 것이다. 도 12는 참조예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 단면도이다. 도 13은 참조예에 따른 VCSEL 칩을 예시하는 상면도이다.
참조예에 따른 면발광 레이저 모듈(900)은 베이스 기판(920), 베이스 기판(920) 상에 실장되고 VCSEL 소자들을 포함하는 VCSEL 칩(940), 및 MLA(160)를 포함한다.
VCSEL 칩(940)의 평면 형상은 사각형이고, 평면 형상이 사각형인 광 방출 소자 유닛(958)이 MLA(960)를 향하는 면(941b)의 실질적으로 중앙부에 제공된다. 광 방출 소자 유닛(958)에, VCSEL 소자들에 대응하는 총 36개의 메사들(950a)이 방향(X) 및 방향(Y)으로 6 X 6 그리드로 배열된다. 광 방출 소자 유닛(958)의 외측에 있는 면(941b)의 4개의 코너부들에 접착 고정 영역들로서 고정 패턴들(981)이 형성된다. 고정 패턴들(981) 주위에 비금속 영역들(983)이 제공된다.
면(941b) 상에, 광 방출 소자 유닛(958)의 각 변을 따라 9개의 제 2 전극들(955)이 배열되도록 총 36개의 제 2 전극들(955)이 배열된다. 36개의 제 2 전극들(955) 각각은 상호연결부(955a)를 통해 VCSEL 소자들 중 대응하는 VCSEL 소자의 p-측 전극에 개별적으로 연결된다. 36개의 VCSEL 소자들의 n-측 전극들은 VCSEL 칩(940)의 면(941b)과는 반대인 측에 있는 면(941a) 상에 형성되고, 베이스 기판(920)의 기판(921) 상에 형성된 전극(922)에 공통으로 연결된다. 또한, 36개의 제 2 전극들(955) 각각은 베이스 기판(920)의 기판(921) 상에 형성된 36개의 전극들(923) 중 대응하는 전극(923)에 본딩 와이어(959)를 통해 개별적으로 연결된다. 본딩 와이어들(959)을 위한 공간을 확보하기 위해 그리고 비금속 영역들(983)에 의한 영역의 제한으로 인해 상면도에서 4개의 고정 패턴들(981)에 의해 구성된 사각형의 외측에 제 2 전극들(955)이 배열된다.
광 방출 소자 유닛(158)의 평면 형상 및 영역의 사이즈가 광 방출 소자 유닛(958)의 평면 형상 및 영역의 사이즈와 동일한 경우, 제 1 실시예에 따른 VCSEL 칩(140)의 영역의 사이즈가 참조예에 따른 VCSEL 칩(940)의 영역의 사이즈보다 작다.
예를 들어, 제 1 실시예에서, 제 2 전극들(155)이 제공된 면(141a)은 고정 패턴들(181)이 제공된 면(141b)과 상이하다. 따라서, 고정 패턴들(181)은, 고정 패턴들(181)이 VCSEL 소자들(159)로부터 방출되는 광의 경로 밖에 있는 한, 상면도에서 제 1 전극들(157) 및 제 2 전극들(155) 중 적어도 하나와 오버랩될 수 있다.
참조예에서, 제 2 전극들(955) 및 고정 패턴들(981)이 동일한 면(941b) 상에 제공된다. 이 이유로, 절연 특성을 확보하기 위해 고정 패턴(981) 주위에 비금속 영역(983)이 제공된다. 예를 들어, 고정 패턴(981)의 직경이 400 μm인 경우, 비금속 영역(983)의 외경(outer diameter)은 800 μm이다. 따라서, VCSEL 칩(940)은 고정 패턴들(981)의 배열에 대해 큰 영역을 필요로 한다.
또한, 본딩 와이어(959)와 MLA(160) 사이의 접촉을 회피하기 위해, 제 2 전극들(955)은 상면도에서 MLA(160)의 외측에 배치된다. 예를 들어, 베이스 기판(920)으로부터 본딩 와이어(959)의 정점까지의 거리가 120 μm이고 베이스 기판(920)으로부터 마이크로렌즈(162)의 하단까지의 거리가 100 μm인 경우, 제 2 전극들(955)이 상면도에서 MLA(160)의 외측에 배열되지 않는 한, 본딩 와이어들(959)이 MLA(160)와 접촉하게 된다. 따라서, VCSEL 칩(940)은 제 2 전극들(955)의 배열에 대해 큰 영역을 필요로 한다.
베이스 기판(920)으로부터 마이크로렌즈(162)의 하단까지의 거리가 120 μm보다 큰 경우, 접촉이 회피될 수 있지만, 이 경우, 마이크로렌즈(162)의 초점 길이를 증가시키는 것이 필수적이다. 초점 길이를 증가시키기 위해, 렌즈 직경을 증가시키는 것이 필수적이다. 렌즈 직경에서의 증가는 마이크로렌즈(162) 및 VCSEL 소자들의 피치에서의 증가로 이끈다. 따라서, 이 경우에도, VCSEL 칩(940)의 사이즈가 증가한다.
반대로, 제 1 실시예는 그러한 제한을 갖지 않는다. 따라서, 제 1 실시예에 따르면, VCSEL 칩(140)의 사이즈가 감소될 수 있다. VCSEL 칩(140)의 사이즈에서의 감소는 임의의 주어진 사이즈의 웨이퍼로부터 잘라내어질 수 있는 VCSEL 칩들(140)의 수에서의 증가로 이끌어, VCSEL 칩들(140)의 비용에서의 감소의 효과를 초래한다.
광 방출 소자 유닛(158)의 평면 형상이 사각형일 필요는 없고, 도 14에 예시된 바와 같이 원형일 수 있다. 이 경우, MLA(160)를 향하는 면(141b) 상에, 상면도에서 제 1 전극들(157) 또는 제 2 전극들(155)과 오버랩되지 않는 위치들에 고정 패턴들(181)이 제공될 수 있다.
또한, 광 방출 소자 유닛(158)에서의 VCSEL 소자들(159)의 배열은 어레이의 방식으로 될 필요는 없고, 예를 들어, VCSEL 소자들(159)이 벌집 배열(honeycomb arrangement)로 배열될 수 있다.
(제 2 실시예)
다음으로, 제 2 실시예가 설명될 것이다. 제 2 실시예는 면발광 레이저 모듈에 관한 것이다. 도 15는 제 2 실시예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 상면도이다. 도 16은 제 2 실시예에 따른 면발광 레이저 모듈을 예시하는 단면도이다. 도 16은 도 15의 라인(I-I)을 따라 취해진 단면도에 대응한다. 도 17은 확대된 방식으로 도 2의 일부를 예시하는 단면도이다.
도 15 내지 도 17에 예시된 바와 같이, 제 2 실시예에 따른 면발광 레이저 모듈(200)은 베이스 기판(220), 베이스 기판(220) 상에 실장되고 VCSEL 소자들을 포함하는 VCSEL 칩(140), 및 VCSEL 소자들로부터 출사하는 광을 수신하는 마이크로렌즈들(262)을 포함하는 MLA(260)를 포함한다. VCSEL 소자는 면발광 레이저 소자의 예시이다. VCSEL 칩(140)은 면발광 레이저 기판의 예시이다. 마이크로렌즈(262)는 광학 소자의 예시이다. MLA(260)는 광학 부재의 예시이다.
본 실시예에서, VCSEL 칩(140)의 면(141b) 상에 고정 패턴들(181)이 형성되지 않는다.
면(141a)을 향하는 베이스 기판(220)의 면(221a) 상에, 제 1 전극들(157)에 본딩되는 제 3 전극들(122) 및 제 2 전극들(155)에 본딩되는 제 4 전극들(123)이 기판(221) 상에 형성된다. 예를 들어, 제 3 전극들(122)의 수는 4개이고, 제 4 전극들(123)의 수는 36개이다. 베이스 기판(120) 상에 VCSEL 칩들(140)이 플립-칩 실장된다. 상면도에서 VCSEL 칩(140)의 외측에 있는 기판(221)의 4개의 코너부들에 접착 고정 영역들로서 고정 패턴들(281)이 형성된다. 고정 패턴(281)은, 기판(221)측으로부터 순서대로 Ti, Pt, 및 Au가 적층된 적층막의 패턴을 갖는다.
MLA(260)는, 예를 들어 석영 글래스로 제조된 투명 기판(261)을 갖는다. 투명 기판(261)은 상면도에서 VCSEL 칩(140)보다 넓게 형성되고, 제 1 실시예에서 투명 기판(161)보다 넓다. VCSEL 칩(140)을 향하는 MLA(260)의 면의 실질적으로 중앙부에 렌즈 영역이 제공된다. 예를 들어, 렌즈 영역에서 각 VCSEL 소자들(159)에 대응하는 위치들에 어레이의 방식으로 총 36개의 마이크로렌즈들(262)이 배열된다. 각각의 마이크로렌즈들(262)은 VCSEL 소자(159)의 방사 패턴에 대해 원하는 빔 성형을 수행하도록 설계된다. 예를 들어, 렌즈 직경이 45 μm이고 초점 길이가 70 μm이다. MLA(260)의 양측에 반사 방지막들이 형성된다.
베이스 기판(220)으로부터의 거리를 정의하기 위한 레그부들(163)이 VCSEL 칩(140)을 향하는 MLA(260)의 4개의 코너부들에 투명 기판(261)으로부터 연장되도록 형성된다. 레그부들(163)의 하면들에, 고정 패턴들(164)이 접착 고정 영역들로서 형성된다.
고정 패턴(164) 및 고정 패턴(281)은 저온 솔더와 같은 접착제(282)에 의해 서로 본딩된다. 예를 들어 자가-정렬 방법에 의해 베이스 기판(220)에 MLA(260)가 본딩된다. 접착제(282)는 본딩 부재의 예시이다.
제 1 실시예에서, 제 1 전극들(157) 및 제 2 전극들(155)의 사이즈와 관계없이, VCSEL 칩(140)은 고정 패턴들(181)을 위한 영역들을 포함한다. 따라서, 제 1 전극들(157) 및 제 2 전극들(155)이 비교적 작은 경우, VCSEL 칩(140)의 사이즈는 고정 패턴들(181)의 사이즈에 의해 영향받기 쉽다.
제 2 실시예에서, 베이스 기판(220) 상에 고정 패턴들(281)이 제공된다. 따라서, VCSEL 칩(140)은 고정 패턴들을 위한 영역을 필요로 하지 않는다. 따라서, VCSEL 칩(140)의 사이즈가 고정 패턴들(181)의 사이즈에 의해 영향받지 않고, 제 1 전극들(157) 및 제 2 전극들(155)이 작을 때, 이에 따라 VCSEL 칩(140)의 사이즈가 감소될 수 있다.
고정 패턴(164) 및 고정 패턴(281)이 단일 접착제(282)에 의해 본딩될 필요는 없고, 예를 들어, 도 18에 예시된 바와 같이, 고정 패턴(164)과 고정 패턴(281) 사이에 스페이서(385)가 제공될 수 있다는 점에 유념해야 한다. 이 변형예에서, 스페이서(385)가 접착제(383)에 의해 고정 패턴(281)에 고정되고, 고정 패턴(164)이 접착제(382)에 의해 스페이서(385)에 고정된다. 접착제(382), 스페이서(385) 및 접착제(383)의 조합이 본딩 부재의 예시이다.
MLA(260)가 VCSEL 소자(159)로부터 출사되는 광을 충분히 수신하기 위해, VCSEL 칩(140)과 MLA(260) 사이의 거리에서의 편차(variation)가 ±3 μm 이하인 것이 바람직하다. 예를 들어, VCSEL 칩(140)의 높이가 250 μm이고 VCSEL 칩(140)의 면(141b)과 마이크로렌즈(262)의 하단 사이의 거리가 100 μm로 설정하려는 경우, 베이스 기판(220)의 상면으로부터 마이크로렌즈(262)의 하단까지의 거리는 350 μm이다. 그러한 긴 거리, 즉 350 μm에 대해, 단일 피스(piece)의 솔더 등과 같은 접착제(282)의 표면 장력만으로 편차를 ±3 μm 이하로 감소시키는 것은 어렵다.
변형예에서, 스페이서(385)가 제공된다. 따라서, 접착제들(382 및 383)의 양들이 더 적고, 거리들에서의 편차가 접착제들(382 및 383)의 표면 장력에 의해 감소되고, 본딩이 높은 정밀도로 수행될 수 있다. 예를 들어, 저온 솔더들이 접착제들(382 및 383)로서 사용될 수 있다.
스페이서(385)의 재료들의 예시들은 실리콘(silicon; Si) 및 석영을 포함할 수 있다. Si는 낮은 재료 비용에서 그리고 프로세싱의 용이성에서 이점들을 갖는다. 석영이 VCSEL 칩(140)의 기판(141)의 열 팽창 계수에 가까운 열 팽창 계수를 갖기 때문에, 석영은, VCSEL 칩(140)이 동작 동안 열을 생성할 때에도 VCSEL 칩(140)과 MLA(260) 사이의 거리에서의 편차의 양이 감소될 수 있다는 점에서 이점을 갖는다.
VCSEL 소자의 발진 파장이 940 nm 대역에 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 980 nm 대역, 1.3 μm 대역, 또는 1.5 μm 대역일 수 있다. VCSEL 소자를 구성하는 재료가 제한되는 것은 아니며, VCSEL 소자에 AlGaInAs 또는 GaInPAs가 사용될 수 있다. 또한, 각각의 화합물 반도체층(compound semiconductor layer)의 조성이 특별히 제한되는 것은 아니다.
또한, MLA의 재료가 석영 글래스에 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 붕규산염 글래스(borosilicate glass)가 사용될 수 있다. 재료의 굴절률에 따라 마이크로렌즈의 곡률 반경이 설계될 수 있다. VCSEL 칩과 반대인 투명 기판측에 마이크로렌즈가 제공될 수 있다.
MLA 본딩 방법이 자가-정렬 방법에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본딩은 수동 정렬 방법(passive alignment method) 또는 활성 정렬 방법에 의해 수행될 수 있다. 수동 정렬 방법에서, 예를 들어, VCSEL 칩 또는 베이스 기판 상에 제공된 정렬 마크 및 MLA 상에 제공된 정렬 마크를 사용하여 MLA가 정렬될 수 있다. 활성 정렬 방법에서, 예를 들어, VCSEL 칩이 광을 방출하고 있는 상태에서 MLA를 이동시킴으로써 광학적으로 적절한 위치로 MLA가 조정될 수 있다. 이 본딩 방법들이 이용될 때, 예를 들어, 자외선(ultraviolet; UV) 경화성 수지(curable resin) 또는 열경화성 수지(thermosetting resin)가 접착제로서 사용될 수 있다. 본딩이 자가-정렬 방법에 따라 수행될 때 고정 패턴들이 사용되지 않을 수 있다.
VCSEL 칩(140)은 VCSEL 소자들(159) 각각을 개별적으로 구동할 수 있는 개별 구동 유형 VCSEL 칩이다. 그러나, 본 개시에 대해 사용되는 VCSEL 칩은 칩에서 VCSEL 소자들을 일괄적으로 구동하는 일괄 구동 유형 VCSEL 칩일 수 있다. 일괄 구동 유형 VCSEL 칩에서, 제 2 전극들의 수가 감소될 수 있다. 일괄 구동 유형 VCSEL 칩을 포함하는 표면 발광 레이저 모듈은 또한 VCSEL 칩의 사이즈를 감소시키는 효과를 달성할 수 있다.
대안적으로, 각각의 VCSEL 소자에 대응하는 메사 상의 전극, 예를 들어 p-측 전극이 베이스 기판 상의 전극에 제 2 전극으로서 직접적으로 본딩될 수 있다. 이 경우, 상면도에서 VCSEL 칩의 광 방출 소자 유닛의 외측에 제 2 전극들을 제공하는 것이 필수적이지 않다.
(제 3 실시예)
다음으로, 제 3 실시예가 설명될 것이다. 제 3 실시예는 거리 측정 디바이스에 관한 것이다. 거리 측정 디바이스는 광학 디바이스의 예시이다. 도 19는 제 3 실시예에 따른 거리 측정 디바이스를 예시하는 도면이다.
제 3 실시예에 따른 거리 측정 디바이스(400)는 광 투사 유닛(light projecting unit)(410), 광 수신 유닛(420), 시간 측정 회로(430), 및 제어 회로(440)를 포함한다.
광 투사 유닛(410)은, 예를 들어 광원(411), 광원 구동 회로(412), 광 스캐너(413), 광 스캐너 구동 회로(414), 스캔 각도 모니터(415), 및 투사 렌즈(416)를 포함한다. 광원(411)은 제 1 또는 제 2 실시예에 따른 VCSEL 모듈을 포함한다. 광원 구동 회로(412)는 제어 회로(440)로부터 출력되는 구동 신호에 기초하여 광원(411)을 구동한다. 광 스캐너(413)는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 미러, 폴리곤 미러(polygon mirror) 등을 포함한다. 광 스캐너 구동 회로(414)는 제어 회로(440)로부터 출력되는 구동 신호에 기초하여 광 스캐너(413)를 구동한다. 광원(411)의 VCSEL 모듈은 복수의 광 방출 서브-영역들을 갖는다. 서브 광 방출 영역들 각각은 하나 이상의 VCSEL 소자를 포함하고, 광 방출 서브-영역들 각각 내의 VCSEL 소자들은 전기적으로 병렬로 연결된다. 서브 광 방출 영역들은 광 스캐너(413)의 스캐닝 방향으로(서브 스캐닝 방향으로) 1차원적으로(one-dimensionally) 배열되고, 개별적으로 구동될 수 있다. 광원(411)의 VCSEL 모듈들은 광원 구동 회로(412)에 의해, 예를 들어 나노초 오더(order)의 펄스 전류로 구동된다. VCSEL 소자로부터 방출되는 레이저 광이 필요에 따라 투사 렌즈(416) 등에 의해 원하는 빔 프로파일로 변환되고, 그 후 광 스캐너(413)에 의해 광 방출 방향이 결정되고 거리 측정 디바이스(400)의 외측으로 광이 방출된다. 광 스캐너(413)의 스캐닝 각도가 스캔 각도 모니터(415)에 의해 측정되고, 결과가 제어 회로(440)에 출력된다. 광 스캐너(413) 및 투사 렌즈(416)는 제 2 광학 소자의 예시이다.
거리 측정 디바이스(400)의 외측으로 방출된 레이저 광은 타겟 객체에 의해 반사되어, 거리 측정 디바이스(400)로 다시 돌아가고, 광 수신 유닛(420)에 도달한다.
광 수신 유닛(420)은, 예를 들어 광 수신 소자(421), 광 수신 렌즈(422), 및 대역 통과 필터(423)를 포함한다. 광 수신 소자(421)는 실리콘의 ADP(Avalanche Photo Diode) 소자를 포함한다. 광 수신 렌즈(422)는 광 수신 유닛(420)에 도달한 광이 광 수신 소자(421) 상에 수렴(converge)하게 한다. 대역 통과 필터(423)는 유전체 다층을 포함하고, 광원(411)의 발진 파장의 범위 내의 광만을 투과하도록 설계된다. 대역 통과 필터(423)는 신호의 S/N 비율을 향상시킬 수 있다.
광 수신 소자(421)에 도달한 광은 광 수신 소자(421)에 의해 전기 신호로 변환되고, 필요에 따라 증폭기(431) 및 비교기(432)를 통해 시간 측정 회로(430)에 입력된다.
시간 측정 회로(430)는 제어 회로(440)로부터 출력되는 광원(411)의 구동 신호 및 광 수신 소자(421)로부터의 신호를 수신한다. 시간 측정 회로(430)는 이 2개의 신호들 사이의 딜레이 시간을 측정하고, 결과를 제어 회로(440)에 출력한다.
제어 회로(440)는 시간 측정 회로(430)로부터의 딜레이 시간을 광의 파장으로 변환한다.
거리 측정 디바이스(400)에 따르면, 타겟 객체까지의 거리를 측정함으로써 그리고 VCSEL 모듈들의 광 방출 서브-영역들 및 광 스캐너(413)에 의해 분해된 공간 영역에 레이저 광을 순차적으로 방출함으로써 2차원 거리 정보가 획득될 수 있다. 이 거리 측정 디바이스(400)는, 예를 들어 LiDAR(Light Detection and Ranging)에 사용될 수 있다.
거리 측정 디바이스 광원에 추가하여, 본 개시에 따른 면발광 레이저 모듈은 고체-상태 레이저에 대한 여기 광원(excitation light source)으로서 사용될 수 있다. 면발광 레이저 모듈은, 면발광 레이저 모듈로부터의 방출된 광의 파장을 변환하는, 형광체(fluorescent body)와 같은 광학 소자와 조합하여 프로젝터와 같은 광원 디바이스로서 사용될 수 있다. 면발광 레이저 모듈은 또한, 예를 들어 광 방출 레이저 모듈로부터의 방출된 광을 발산하거나 수렴하는 렌즈, 미러, 또는 회절 격자와 같은 광학 소자와 조합하여 감지용 광원 디바이스로서 사용될 수 있다.
바람직한 실시예들 등이 위에서 상세히 설명되었지만, 본 발명이 위에서 설명된 실시예들 등에 제한되는 것은 아니며, 다양한 변형예들 및 대체예들이 청구범위에서 설명되는 범위로부터 벗어나지 않고 위의 실시예들 등에 적용될 수 있다.
100, 200: 면발광 레이저 모듈 120, 220: 베이스 기판
140: VCSEL 칩 150a, 150b: 메사
155: 제 2 전극 157: 제 1 전극
158: 광 방출 소자 유닛 159: VCSEL 소자
160, 260: MLA 162: 마이크로렌즈
164, 181, 281: 고정 패턴 182, 282, 382, 383: 접착제
385: 스페이서 400: 거리 측정 디바이스
411: 광원

Claims (15)

  1. 면발광 레이저 모듈에 있어서,
    베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상에 실장(mount)된 면발광 레이저 기판(surface emitting laser substrate) - 상기 면발광 레이저 기판은 면발광 레이저 소자를 포함하고, 상기 면발광 레이저 기판은 상기 베이스 기판을 향하는 제 1 면(face) 및 상기 베이스 기판을 등지는 제 2 면을 가짐 - ; 및
    상기 제 2 면을 향하고 상기 면발광 레이저 소자의 제 2 면으로부터 방출된 광을 수신하도록 구성된 광학 소자를 포함하는 광학 부재를 포함하고,
    상기 면발광 레이저 소자는,
    제 1 도전형의 제 1 반도체층;
    제 2 도전형의 제 2 반도체층;
    상기 제 1 면 상에 제공되고 상기 제 1 반도체층에 연결된 제 1 전극; 및
    상기 제 1 면 상에 제공되고 상기 제 2 반도체층에 연결된 제 2 전극을 포함하고,
    상기 베이스 기판은, 상기 면발광 레이저 기판의 제 1 면을 향하는 제 3 면을 가지며,
    상기 제 3 면 상에 제공되고 상기 제 1 전극에 연결된 제 3 전극; 및
    상기 제 3 면 상에 제공되고 상기 제 2 전극에 연결된 제 4 전극을 포함하는 것인, 면발광 레이저 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 면발광 레이저 기판은 상기 베이스 기판 상에 플립-칩 실장(flip-chip mount)되는 것인, 면발광 레이저 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 면발광 레이저 소자는, 상기 제 1 반도체층과 상기 제 2 반도체층 사이의 활성층을 포함하는 것인, 면발광 레이저 모듈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 부재를 상기 면발광 레이저 기판의 제 2 면과 본딩하는 본딩 부재를 더 포함하는, 면발광 레이저 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 면발광 레이저 기판의 제 2 면에 수직인 방향으로부터 볼 때, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극이 포함된 영역에 상기 본딩 부재의 적어도 일부가 포함되는 것인, 면발광 레이저 모듈.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 면발광 레이저 기판의 제 2 면에 수직인 방향으로부터 볼 때, 상기 본딩 부재의 적어도 일부는 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 중 어느 하나와 오버랩되거나, 또는 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 둘 다와 오버랩되는 것인, 면발광 레이저 모듈.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 부재를 상기 베이스 기판의 제 3 면과 본딩하는 본딩 부재를 더 포함하는, 면발광 레이저 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 면발광 레이저 기판의 제 2 면에 수직인 방향으로부터 볼 때, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 상기 본딩 부재에 비해 상기 면발광 레이저 소자측에 배치되는 것인, 면발광 레이저 모듈.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 본딩 부재는 상기 광학 부재와 상기 베이스 기판 사이에 개재된 스페이서를 포함하는 것인, 면발광 레이저 모듈.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 상기 면발광 레이저 소자에서 광을 생성하도록 구성된 메사(mesa)로부터 떨어져 배치되고,
    상기 제 2 전극 및 상기 메사의 전류 주입 영역이 상호연결부에 의해 연결되는 것인, 면발광 레이저 모듈.
  11. 광학 디바이스에 있어서,
    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 면발광 레이저 모듈; 및
    상기 면발광 레이저 모듈로부터 방출된 광을 수신하도록 구성된 제 2 광학 소자를 포함하는, 광학 디바이스.
  12. 광학 디바이스에 있어서,
    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 면발광 레이저 모듈; 및
    상기 면발광 레이저 모듈에 의해 방출되고 타겟 객체에 의해 반사되거나 상기 타겟 객체를 투과한 광을 수신하도록 구성된 광 수신 유닛을 포함하는, 광학 디바이스.
  13. 제 1 면 및 상기 제 1 면의 반대측에 있는 제 2 면을 갖는 면발광 레이저 기판에 있어서, 상기 면발광 레이저 기판은,
    상기 제 2 면으로부터 광을 방출하도록 구성된 면발광 레이저 소자를 포함하고,
    상기 면발광 레이저 소자는,
    제 1 도전형의 제 1 반도체층;
    제 2 도전형의 제 2 반도체층;
    상기 제 1 면 상에 제공되고 상기 제 1 반도체층에 연결된 제 1 전극; 및
    상기 제 1 면 상에 제공되고 상기 제 2 반도체층에 연결된 제 2 전극을 포함하는 것인, 면발광 레이저 기판.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 면발광 레이저 소자는, 상기 제 1 반도체층과 상기 제 2 반도체층 사이의 활성층을 포함하는 것인, 면발광 레이저 기판.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 면발광 레이저 소자로부터 방출된 광을 수신하는 광학 소자와 본딩되도록 상기 제 2 면에 제공된 본딩 영역을 더 포함하는, 면발광 레이저 기판.
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