KR19990029068A - 반도체 레이저 칩 및 적외선 에미터 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2개의 전극 단자(13, 14)를 가진 통상의 발광 다이오드 패키지(11)를 포함하며, 전극 단자 중 하나은 웰형 리플렉터(12)를 포함하고, 패키지(11)는 광학적으로 투명한, 비전도성 캡슐화 재료(16)를 포함하는 적외선 에미터 소자에 관한 것이다. 본 발명에 따라 반도체 레이저 칩(1)이 발광 다이오드(LED) 패키지(11)의 웰형 리플렉터내에 고정된다. 반도체 레이저 칩(1)은 변형된 층 구조, 예컨대 GaAlAs-InGaAs-GaAlAs의 층 순서를 가진 MOVPE-에피택시 층을 가진 양자 웰 구조를 갖는다. 발광 다이오드(LED) 패키지(11)의 광학적으로 투명한, 비전도성 재료(16)내에는 그 안에 투입된 확산체 재료가 제공될 수 있다. 확산체 재료는 타입 및 농도 면에서, 발광 다이오드(LED) 패키지(11)내에 캡슐화된 반도체 레이저 칩(1)과 함께, 통상의 적외선 발광 다이오드에 필적할만한 방사 특성 또는 유효 방사면의 확대가 주어지도록 구성 또는 설정된다.

Description

반도체 레이저 칩 및 적외선 에미터 소자
선행 기술에서는 광전자 발광 소자로서 한편으로는 통상의 발광 다이오드, 예컨대 GaAs-적외선 발광 다이오드가, 그리고 다른 한편으로는 반도체 레이저 소자가 공지되어 있다. 대량으로 생산되는 통상의 발광 다이오드는 그것의 제한된 광학적 특성으로 인해, 높은 출력, 보다 짧은 스위칭 시간 및 작은 파장 밴드 폭을 필요로 하는 곳에 일반적으로 사용될 수 없다. 따라서, 출력 및 데이터률의 증가를 위한 소위 더블-헤테로-접합, 및 부가의 출력 증가를 위한 투평한 기판을 가진 예컨대 GaAs-GaAlAs-재료를 가진 적외선 발광 다이오드를 개발하려는 노력이 있었다. 이러한 조치에도 불구하고 상기 발광 다이오드를 특히 컴퓨터 및 컴퓨터 분야에 사용하는 것은 제한된다. 따라서, 보다 많은 조건을 요구하는 상기 적용 분야에서는 지금까지 광전자 레이저 소자가 유보되었다. 적은 비용, 및 다른 조립을 허용하지 않는 이러한 반도체 레이저 소자의 기계적 민감도 때문에, 상기 칩은 종래 방식으로 공지된 캡슐화되지 않은 금속 패키지, 예컨대 5mm 플라스틱 패키지, TO-18-패키지 또는 SMD-패키지(Surface-Mounted-Design-패키지)내에 조립되었다. 이러한 금속 패키지의 다른 예는 미국 특허 제 5,414,293호, 미국 특허 제 4,255,688호 및 독일 특허 공개 제 37 32 075호에 공지되어 있다.
반도체 기판 및 상기 반도체 기판상에 형성된 양자-웰 구조의 액티브 레이저층을 포함하는, 청구범위 제 1항의 전문에 따른 반도체 레이저 칩은 예컨대, WANG, C. A. 등저: High-power, high-temperature InGaAs-AlGaAs strained-layer quantum-well diode lasers, Elektronics Letters, 30권, 제 8호, 1994, 페이지 646-648; BUGGE, F. 등저: Effect of growth interruption on performance of AlGaAs/InGaAs/GaAs quantum well lasers, Journal of Crystal Growth, 제 145권, 1994, 페이지 907-910; KARAKIDA, S. 등저: Metalorganic chemical vapor deposition growth of high-quality and highly uniform strained InGaAs quantum wells in a high-speed rotating-disk reactor, Journal of Crystal Growth, 제 145권, 1994, 페이지 662-667에 공지되어 있다. 그러나, 상기 선행 기술에는 대량 생산의 조립 라인에서 높은 수율 및 신뢰도로 반도체 칩을 조립할 수 있는 방법은 나타나 있지 않다.
청구범위 제 13항의 전문에 따른, 패키지를 가진 반도체 발광 장치는 예컨대, 미국 특허 제 4,143,394호에 공지되어 있다. 패키지는 반사 표면을 가지며, 발광 다이오드로부터 측면으로 나온 빛이 상기 반사 표면에서 상부로 반사된다. 방사되는 빛의 균일한 분포를 위해, 패키지의 앞면이 거친 또는 미미하게 구조화된 표면을 갖는다. 이러한 패키지 형상은 부가로 구현된 반사 표면 및 앞면 표면의 특수한 디자인으로 인해 부가의 제조 비용을 필요로 하며, 그에 따라 대량 생산의 조립 라인에 적용하기에는 제한이 따른다.
본 발명은 반도체 기판, 상기 반도체 기판상에 형성된 양자 웰(quantum well) 구조의 액티브 레이저층, 및 상기 액티브 레이저층에 전기 접속된 제 1 및 제 2 콘택층을 포함하는 반도체 레이저 칩에 관한 것이다. 본 발명은 또한 2개의 전극 단자를 가진 발광 다이오드 패키지를 포함하고, 상기 패키지는 광학적으로 투명한, 비전도성 캡슐화 재료를 가지며, 측면으로 방사된 레이저 광을 전방으로 편향시키기 위한 리플렉터 장치가 발광 다이오드(LED) 패키지의 내부에 제공되고, 패키지 소자로부터 방사된 광선을 균일하게 분포시키기 위한 확산체 장치가 패키지에 제공되도록 구성된, 적외선 에미터 소자에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 레이저 칩의 개략적인 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 반도체 레이저 칩의 개략적인 평면도이며,
도 3은 발광 다이오드 패키지를 가진 적외선 에미터 소자의 개략적인 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 적외선 에미터 소자의 방사 특성을 나타낸다.
본 발명의 목적은 특히 컴퓨터 분야에 적용시 에어 갭을 통한 적외선 신호 전송을 위해 보다 높은 요구를 충족시키고 동시에 대량 생산의 조립 라인에서 칩의 높은 수율 및 신뢰도로 칩이 조립될 수 있는, 반도체 레이저 칩 및 적외선 에미터 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구범위 제 1항에 따른 반도체 레이저 칩 및 청구범위 제 13항에 따른 적외선 에미터 소자에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 칩은 액티브 레이저 층에 전기 접속된 제 1 콘택층이 반도체 기판의 후면 표면 전체에 형성된, 전기 전도성 접촉부를 가지며, 액티브 레이저 층에 전기 접속된 제 2 콘택층은 반도체 레이저 칩의 앞면 표면상에 형성된 본드-접촉면에 전기 접속되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 적외선 에미터 소자는 측면으로 방사되는 레이저 광을 전방으로 편향시키기 위해 반도체 레이저 칩이 발광 다이오드 패키지의 웰형 리플렉터내에 고정되고, 발광 다이오드(LED) 패키지의 광학적으로 투명한, 비전도성 재료내에 그 안에 투입된 확산체 재료가 제공되는 것을 특징으로 한다. 확산체 재료는 타입 및 농도 면에서, 발광 다이오드 패키지내에 캡슐화된 반도체 레이저 칩과 함께, 좁은 각으로 방사하는 레이저 대신에 통상의 적외선 발광 다이오드에 필적할만한 방사 특성이 얻어지거나, 또는 유효 방사 표면의 확대가 야기될 수 있도록 구성 및 설정된다. 리플렉터의 확산체 표면에 의한 레이저 광의 간섭성의 확대 및 굴절에 의해 그리고 빛의 산란을 위해 플라스틱 주조물내로 확산체의 투입에 의해, 공지된 적외선 발광 다이오드에 필적할만한 방사 특성이 얻어짐으로써, 빛이 더 이상 포커싱될 수 없고, 이것은 시력 보호의 면에서 바람직하다.
본 발명에서는 반도체 레이저 칩이 대량 생산의 발광 다이오드(LED) 조립 라인에서 조립됨으로써, 반도체 레이저 소자가 지금까지 보다 더 대량으로 저렴한 조립 기술로 통상의 발광 다이오드(LED)와 유사하게 제조될 수 있도록, 공지된 반도체 레이저 칩을 개선한다. 통상의 GaAs-적외선-LED와는 달리, 본 발명에 따른 반도체 레이저 칩 및 본 발명에 따른 적외선 에미터 소자는 높은 출력, 높은 데이터률, 낮은 제조 비용과 동시에 높은 신뢰도, 높은 간섭 안전성 및 큰 시력 보호의 장점을 제공한다. 이러한 이유 때문에 본 발명에 따른 레이저 칩 또는 소자에 의해, 특히 펄스 전송시 에어 갭을 통한 적외선 신호 전송을 위해 통상의 IR-LED 또는 지금까지의 반도체 레이저 소자에 의해 충족될 수 없을 정도의 높은 요구 조건이 주어지는 특히 컴퓨터 분야 및 주변 분야의 새로운 적용 분야가 주어진다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서 액티브 레이저 층은 특히, 유기 금속의 증기상으로 증착된 다수의 에피택셜 층(MOVPE-에피층 = Metall Organic Vapor Phase-Epi-층)을 가진 양자 웰 구조로 이루어진다. 특히 높은 출력, 짧은 스위칭 시간, 및 주변 빛에 의한 적은 간섭 및 매우 적은 파장 밴드 폭을 가진 좁은 파장 윈도우를 얻기 위해, MOVPE-에피-재료가 소위 변형된 양자 웰-구조를 갖는다. 이 경우, 액티브 레이저 층의 개별 에피택셜 층은 서로 변형되게 형성됨으로써, 즉 통상적인 바와 같이 개별 층의 "격자 매칭"이 이루어지지 않음으로써, 변형된 층에서 격자 에러 및 결정 장애가 억압된다. 이러한 변형된 양자 웰 구조에 의해 기계적으로 강하고 민감하지 않은 레이저 장치가 얻어진다. 상기 레이저 장치는 통상의 LED-패키지를 가진 현행 LED 제조 라인에서 칩의 충분히 높은 수율 및 신뢰도로 조립될 수 있다. 지금까지의 반도체 레이저 칩은 특히 높은 기계적 민감도를 가지며, 이러한 민감도는 강한 조립 방식을 허용하지 않으며, 전술한 바와 같은 많은 비용을 필요로 하는 특수한 패키지내에 조립되어야 한다.
전술한 용도에서 요구되는 높은 출력은 특히 펄스 동작시 종래의 적외선 발광 다이오드에 의해서는 얻어질 수 없다. 짧은 스위칭 시간도 종래의 적외선 발광 다이오드에서는 얻어지지 않으므로, 본 발명에 의해 특수하게 컴퓨터 분야에서의 새로운 용도가 주어진다. 작은 스펙트럼 밴드 폭은 특히, 파장 선택 검출기와 함께 다수 시스템의 간섭없는 병렬 동작을 가능하게 한다.
InGaAs-양자 웰 구조와 더불어, 알맞은 조성을 가진, 특히 1400nm 이하의 레이저 광 파장을 가진 InGaAsP-양자 웰 재료의 사용이 가능하다. 상기 재료는 외부 빛에 의한 방해를 받지 않으며 시력 손상이 현저히 더 작다는 장점이 있다.
공지된 적외선-발광 다이오드에서와 같이 반도체 기판은 GaAs-기판이며, 본 발명의 기본 원리에 따라 어떤 경우에도 용인될 수 없는 에이징이 피해질 정도의 높은 전위 밀도 및 낮은 비용의 장점을 갖는다.
반도체 기판의 본 발명에 따른 후면 금속 증착은 발광 다이오드 패키지에 통상적인 웰형 리플렉터내에 반도체 레이저 칩의 접착 결합을 가능하게 한다. 이 경우, 칩은 광학적으로 투명한 플라스틱으로 기밀하게 LED와 유사하게 주조된다. 또한, 액티브 레이저층에 전기 접속된 제 2 콘택층은 반도체 레이저 칩의 앞면 표면상에 형성된 본드-접촉면에 전기 접속됨으로써, 알루미늄 또는 금으로 이루어진 본드-와이어에 의해 LED-조립 라인에서 반도체 레이저 칩의 문제없는 처리가 이루어지고 그에 따라 보다 양호한 식별 가능성 및 본딩 안전성이 얻어질 수 있다.
다른 실시예에서는 지금까지 통상적인 레이저 거울의 코팅이 용인될 수 없는 에이징 없이 생략될 수 있다. 따라서, LED-칩에 있어 통상적인, 조립 박막의 제거를 위한 반도체 레이저 칩의 배치가 이루어지며, 그로 인해 재차 조립 비용이 줄어든다는 장점이 있다.
본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
도 1 및 2는 반도체 기판(2), 상기 반도체 기판(2)상에 형성된, GaAlAs p-에피택시층(3), InGaAs-양자 웰-층(4), 및 GaAlAs n-에피택시층(5)으로 이루어진 액티브 레이저층, 및 상기 액티브 레이저층에 전기 접속된 n-타입의 제 1 콘택층(6) 및 p-타입의 제 2 콘택층(7)을 포함하는 본 발명에 따른 반도체 레이저 칩(1)의 실시예를 나타낸다. Al2O3로 이루어진 절연층(8)이 도시된다. 본 발명에 따라 제 1 콘택층(6)은 반도체 기판(2)의 후면 표면 전체에 형성된 전기 전도성 접촉부로서 형성된다. 또한, 반도체 레이저 칩의 앞면 표면상에 형성된 본드-접촉면(9)이 제공된다. 상기 본드-접촉면(9)은 제 2 접촉층(7)에 전기 접속된다. 거의 직사각형으로 형성된 본드-접촉면(9)은 도 2에 따라 대략 130㎛의 측면 길이를 갖는다. 반도체 레이저 칩의 다른 치수는 다음과 같다: 두께 약 100㎛, 폭 약 300㎛ 및 길이 약 320㎛.
도 3은 통상의 발광 다이오스-패키지(11)내에 캡슐화된 반도체 레이저 칩(1)을 가진 본 발명에 따른 적외선 에미터 소자(10)를 나타낸다. 칩(1)은 기판(2)의 후면 표면 전체에 형성된 전기 전도성 콘택층(6)으로 제 1 전극 단자(13)의 웰형 리플렉터(12) 내부에 접착됨으로써, 전기 접촉을 보장한다. 제 2 전극 단자(14)는 Al 또는 Au로 이루어진 본드-와이어(15)에 의해 반도체 칩의 본드-접촉면(7)에 접속된다. 발광 다이오드 패키지(11)는 광학적으로 투명한, 비전도성, 특히 플라스틱으로 이루어진 캡슐화 재료(16)를 포함한다. 캡슐화 재료(16)내에는 도 3에 점으로 표시된 확산체 재료(17)가 투입된다.
패키지(11)는 예컨대 Siemens SFH 495p 타입(5mm, T1 3/4, 평면, 검은색, 2.54mm 래스터, 캐소드 지정: 보다 짧은 단자)의 통상적인 발광 다이오드-패키지일 수 있다. 본 발명에 따른 소자는 띠에 감겨 공급될 수 있다.
본 발명에 따라 매우 높은 효율을 가진 자극된 에미터 소자가 레이저 다이오드로서 특히 높은 전류에서 펄스 동작에 적합한 확산 패키지에 제공되고, 높은 신뢰도를 나타낸다.

Claims (18)

  1. 반도체 기판(2), 상기 반도체 기판(2)상에 형성된 양자 웰-구조의 액티브 레이저층(3, 4, 5), 및 상기 액티브 레이저층(3, 4, 5)에 전기 접속된 제 1 및 제 2 콘택층(6, 7)을 포함하는 반도체 레이저 칩에 있어서,
    액티브 레이저 층(3, 4, 5)에 전기 접속된 제 1 콘택층(6)이 반도체 기판의 후면 표면 전체에 형성된 전기 전도성 콘택부이며, 액티브 레이저 층(3, 4, 5)에 전기 접속된 제 2 콘택층(7)은 반도체 레이저 칩의 앞면 표면상에 형성된 본드-접촉면(9)에 전기 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  2. 제 1항에 있어서, 액티브 레이저 층(3, 4, 5)이 유기 금속 증기상으로부터 증착된 에피택셜 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  3. 제 2항 또는 3항에 있어서, 액티브 레이저 층(3, 4, 5)이 다수의 층으로 형성되고, 특히 적어도 3개의 에피택셜하게 제공된 층을, 특히 GaAlAs-InGaAs-GaAlAs 또는 GaAlAs-InGaAsP-GaAlAs의 순서로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 액티브 레이저 층(3, 4, 5)의 개별 에피택셜 층이 서로 변형되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 반도체 기판(2)이 특히 비교적 높은 전위 밀도를 가진 GaAs-기판인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 반도체 레이저 칩이 통상의 발광 다이오드(LED) 패키지(11)내에 캡슐화되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 반도체 레이저 칩이 발광 다이오드(LED) 패키지(11)의 웰형 리플렉터(12)내에 삽입되고 이것과 기계적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  8. 제 7항에 있어서, 반도체 기판의 후면 표면 전체에 형성된 반도체 레이저 칩의 전기 전도성 접촉부가 발광 다이오드(LED) 패키지(11)의 웰형 리플렉터에 전기 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  9. 제 6항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 발광 다이오드(LED) 패키지(11)의 캡슐화가 광학적으로 투명한 비전도성 재료(16), 특히 플라스틱 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  10. 제 9항에 있어서, 발광 다이오드(LED) 패키지(11)의 광학적으로 투명한, 비전도성 재료(16)내에 그 안에 투입된 확산체 재료(17)가 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  11. 제 10항에 있어서, 확산체 재료(17)가 타입 및 농도면에서, 발광 다이오드(LED) 패키지(11)내에 캡슐화된 반도체 레이저 칩(1)이 통상의 적외선 발광 다이오드에 필적할만한 방사 특성을 갖도록 구성 또는 설정되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  12. 제 6항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 측면으로 방사된 레이저 광을 전방으로 편향시키기 위한 리플렉터 장치가 발광 다이오드(LED) 패키지(11) 내부에 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 칩.
  13. 2개의 전극 단자(13, 14)를 가진 발광 다이오드 패키지(11)를 포함하고, 상기 패키지(11)는 광학적으로 투명한, 비전도성 캡슐화 재료(16)를 가지며, 측면으로 방사된 레이저 광을 전방으로 편향시키기 위한 리플렉터 장치가 발광 다이오드(LED) 패키지(11)의 내부에 제공되고, 패키지 소자로부터 방사된 광선을 균일하게 분포시키기 위한 확산체 장치가 패키지에 제공되도록 구성된, 적외선 에미터 소자에 있어서, 2개의 전극 단자가 웰형 리플렉터(12)를 포함하며, 상기 리플렉터(12)내에 양자 웰 구조를 가진 액티브 레이저 층이 고정되고, 확산체 재료(17)가 발광 다이오드(LED) 패키지(11)의 재료(16)내에 제공되는 것을 특징으로 하는 적외선 에미터 소자.
  14. 제 13항에 있어서, 발광 다이오드 패키지의 웰형으로 형성된 리플렉터(12)내에 고정된 반도체 레이저 칩(1)이 변형된 층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 에미터 소자.
  15. 제 13항 또는 14항에 있어서, 반도체 레이저 칩(1)이 변형된 MOVPE-에피택시층 재료를 가진 양자 웰 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 에미터 소자.
  16. 제 13항 내지 15항에 있어서, 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 따른 반도체 레이저 칩(1)이 발광 다이오드 패키지(11)의 웰형 리플렉터(12)내에 고정되는 것을 특징으로 하는 적외선 에미터 소자.
  17. 제 13항 내지 16항에 있어서, 발광 다이오드(LED) 패키지(11)의 캡슐화가 광학적으로 투명한 비전도성 재료(16), 특히 플라스틱 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 에미터 소자.
  18. 제 13항 내지 17항에 있어서, 패키지의 광학적으로 투명한, 비전도성 재료내에 투입된 확산체 재료(17)가 타입 및 농도 면에서, 발광 다이오드(LED) 패키지(11)내에 캡슐화된 반도체 레이저 칩(1)과 함께, 통상의 적외선 발광 다이오드에 필적할만한 방사 특성 또는 유효 방사면의 확대가 주어지도록 구성 또는 설정되는 것을 특징으로 하는 적외선 에미터 소자.
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