[논문]Laser Scanning Unit을 위한 8빔 레이저 다이오드 개발

송대권; 박종근; 김재규; 박정현; 소상영; 곽윤석; 양민식; 최안식; 김태경

doi:10.3807/kjop.2010.21.3.111

Laser Scanning Unit을 위한 8빔 레이저 다이오드 개발
8 Beam Laser Diode Development for Laser Scanning Unit 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.21 no.3, 2010년, pp.111 - 117

송대권 ((주)큐에스아이) , 박종근 ((주)큐에스아이) , 김재규 ((주)큐에스아이) , 박정현 ((주)큐에스아이) , 소상영 ((주)큐에스아이) , 곽윤석 ((주)큐에스아이) , 양민식 ((주)큐에스아이) , 최안식 ((주)큐에스아이) , 김태경 ((주)큐에스아이)

초록
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레이저 프린터 및 OA복합기기 내부의 감광 드럼에 빛을 조사하는 핵심 광 모듈인 Laser Scanning Unit(LSU)의 광원으로 사용할 수 있는 발진파장 780 nm, 광 출력 10 mW의 모노리식 집적형 8빔 레이저 다이오드를 개발하였다. 개발된 8-빔 소자의 레이저 빔들의 각각의 물리적 간격은 $30\;{\mu}m$ 이며, 각 빔을 독립적으로 작동시키기 위해서, 공중배선공정을 신규로 개발하였다. 개발된 8빔 레이저 다이오드의 전기 및 광학적 특성 측정 결과 레이저 프린터 및 복합기의 LSU에 사용 가능함을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A 780 nm monolithic individually addressable 8-beam diode laser with 10mW optical power was developed for use in a laser scanning unit. Beam to beam spacing is $30\;{\mu}m$ and an air bridge interconnection process was developed for individual operations. From electrical and optical characteristic measurements, the developed device is a suitable optical source for a high speed laser scanning unit in multi-function printing systems and laser beam printers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고속 레이저 프린터 및 복합기기의 레이저 광원용으로, 8개의 레이저 빔이 각각 독립동작이 가능한 모노리식 집적형 8 빔 레이저 다이오드의 개발에 대해 기술하며, 이론적으로 레이저 프린터의 출력 속도를 기존 1빔을 사용하는 경우보다 8배 빠르게 인쇄가 가능하다.
본 논문에서는 레이저 프린터 및 복합기의 분당 출력 속도 증가를 위해 LSU의 광원으로 사용될 수 있는 출력 광파워 10mW를 가지는 8빔 레이저 다이오드를 개발하였다. 8빔 레이저 다이오드를 개발하기 위해 반도체 웨이퍼 공정을 통한 레이저 다이오드 칩을 제작하고 TO-Can 형태의 패키지에 조립하였으며, 측정 시스템을 통해 레이저 다이오드의 전기&광학적 특성을 측정함으로써 레이저 프린터 및 복합기 시스템에 적용 가능함을 확인하였다.

가설 설정

1빔 사용하는 경우와 8빔을 사용하는 경우에 대해 감광드럼에 빔이 형성되는 개념을 그림 2에 도식화하였으며, 1빔 사용 시 출력 속도가 20PPM으로 가정한다면 8빔 사용 시에는 160PPM에 출력 속도를 달성할 수 있게 된다.

제안 방법

8 μm 두께로 성장하여, 릿지 내부와 좌우 측면의 유효 굴절률 분포의 차이가 양의 값(positive step)을 갖도록 하여 real index waveguide가 되도록 하였다 . 2차 성장이 완료된 웨이퍼는 10% BHF(Buffered Hydrogen Fluoride)담가 SiO₂ 마스크를 제거한 후 p⁺-GaAs층을 2E+19cm^-3 도핑 농도로 3.0um 두께로 3차 성장을 진행하였다. 3차 성장이 최종 완료된 웨이퍼는 성장 후 특이사항을 확인한 후 다음 공정인 에어브리지 공정을 진행하였다.
2차 성장층은 릿지 내부의 Al0.5Ga0.5As p-클래드 층을 외부와 차단시켜 수평방향의 광 구속을 원활히 할 수 있도록 n-Al0.56Ga0.34As층과 n-GaAs층으로 1E+18cm-3 도핑 농도를 가지는 총 0.8 μm 두께로 성장하여, 릿지 내부와 좌우 측면의 유효 굴절률 분포의 차이가 양의 값(positive step)을 갖도록 하여 real index waveguide가 되도록 하였다 .
0um 두께로 3차 성장을 진행하였다. 3차 성장이 최종 완료된 웨이퍼는 성장 후 특이사항을 확인한 후 다음 공정인 에어브리지 공정을 진행하였다.
8빔 레이저 다이오드의 전기&광학적 특성을 측정하기 위해서 본 논문에서는 자체 보유하고 있는 DKLDC330 LD 특성 측정 장비를 사용하였다.
8빔 소자의 경우 8개 각각 채널에서 레이저 발진이 이루어져야 하기 때문에 그림 9과 같이 8빔 스탬에 본딩된 레이저 다이오드 칩과 스탬의 8핀과 wire bonding를 하였다.
EPI 구조 성장은 n-type의 Si 도핑된 10° off tilt 각도를 갖는 3인치 GaAs 기판에 GaAs 버퍼층을 4000Å두께로 성막하고 그 위에 두께 12000Å의 n-clad 층인 Al0.5Ga0.5As을 성막한 후, 양자 우물(quantum well) 내 양자 구속 효과(confinement effect)를 위하여 waveguide인 un-doped Al0.35Ga0.65As 층을 400Å의 두께로 성막하였고 양자 우물층으로 un-doped Al0.12Ga0.88As 층을 80Å의 두께로 성막하였다.
기존 상용되고 있는 TO-18(Ψ = 5.6 mm) 또는 TO-5(Ψ = 9.0 mm) 스탬으로는 10개 핀 집적이 불가능하기 때문에 Ψ = 10.0 mm 안에 10개의 핀이 집적될 수 있도록 신규 스탬을 제작하였다.
5As 층을 도핑레벨에 따른 grading 성장방법을 통해서 성막 하였다. 레이저 다이오드 칩 제작 시, Fab 공정 중 선택 매립 릿지 (SBR=selectively buried ridge) 공정을 위하여 Al_0.8Ga_0.2As 식 각저지층 (ESL=etch stop layer)을 90Å의 두께로 성막 하였으며, ESL 위로 1E+18cm^-3의 도핑 농도의 Al_0.5Ga_0.5As p-클래드 층을 8000Å의 두께로 성막 하였으며, 마지막으로 2000Å두께의 top GaAs 층을 1E+19cm^-3의 도핑 농도로 성막하여 1차 성장을 완료하였다.
우선 p-type 도판트인 Zn의 양자 우물층으로의 확산현상에 인한 LD 소자의 신뢰성 불량을 막기 위해서 확산 방지층인 barrier층을 도핑 농도 1E+17cm-3의 Al0.5Ga0.5GaAs 층으로 500Å 성막 후 1E+18cm-3의 도핑 농도로 1500Å 두께의 Al0.5Ga0.5As 층을 도핑레벨에 따른 grading 성장방법을 통해서 성막 하였다.
에칭 마스크막을 PECVD(Pleasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)사용하여 증착한 후, photolithography를 이용하여 <110> 방향으로 폭 4 μm, 빔 간격 30 μm 의 stripe line pattern을 생성한다. 이 후 주석산계 Etchant를 사용 하여 습식 식각(Wet Etching)을 진행하게 하여, Al_0.8Ga_0.2As 식각 저지층에서 Etch Stop이 이루어지게 하였다. etch stop이 이루어진 것을 확인한 후 다시 MOVPE법으로 2차 성막을 하였다.
또한 각각의 릿지에서 레이저 빔이 나오는데 레이저 빔이 따로따로 출력될 수 있도록 각 릿지 위의 전극과 전선 접합용 판(wire bonding용 pad)이 균일하게 연결 되어야 한다. 이를 만족시키기 위해 공중배선 연결 방법(air bridge)[6]를 이용하여 각각의 릿지 위의 전극과 전선 접합용 판을 연결하는 방식을 채택하여 소자를 개발하였으며, 그림 3, 4에 8빔 소자의 최종 에어 브리지 증착된 모습을 나타내었다.
이후 Epitaxial 층이 1차 성장된 웨이퍼위에 3,000Å두께의 SiO2 에칭 마스크막을 PECVD(Pleasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)사용하여 증착한 후, photolithography를 이용하여 방향으로 폭 4 μm, 빔 간격 30 μm 의 stripe line pattern을 생성한다.
88As 층을 80Å의 두께로 성막하였다. 활성층(Active) 영역은 D.Q.W(Double Quantum Well) 구조이며, 양자 우물 활성층 사이의 장벽층을 형성하는 역할을 하는 barrier 물질로는 waveguide와 동일한 un-doped Al_0.35Ga_0.65As 층을 50Å 적용하였다.

대상 데이터

III족 가스 원으로는 Trimethyl Gallium(TMGa), Trimethyl Aluminium(TMAl)를 사용하였고, V족 가스로는 Arsine(AsH3)를 사용하였으며, n-type 도판트(dopant)로는 Silane(SiH4), p-type 도판트로는 Diethyl Zinc(DEZn)를 사용하였다.

이론/모형

2As 식각 저지층에서 Etch Stop이 이루어지게 하였다. etch stop이 이루어진 것을 확인한 후 다시 MOVPE법으로 2차 성막을 하였다. 이 때, 2차 성막은 릿지의 좌우 양측면에서만 이루어지고 SiO₂ 마스크위에는 성막되지 않는 선택적 성막이 일어난다.
레이저 다이오드 구조는 활성층을 특정 파장에 해당하는 직접천이 밴드갭을 가진 물질의 박막층또는 양자구조를, 보다 큰 밴드갭을 가지면서 굴절율이 낮은 물질 사이에 삽입시킨 이종 접합 구조를 중심으로 하여 p-i-n 다이오드 구조로 형성시킨 형태로 이루어지며, 레이저 다이오드는 주로 III-V족 및 II-VI족 화합물반도체를 이용하여 제작되며 빛을 발생하는 반도체재료의 조성과 도입하는 양자구조의 성질에 따라 발진파장이 결정되는데, 필요한 화합물 반도체 결정을 격자상수가 비슷한 상용화된 반도체 기판위에 MOVPE (metalorganic vapor phase epitaxy)법이나 MBE (molecular beam epitaxy)법을 이용하여 에피층을 성장하게 된다. 본 논문에서는 표 1과 같은 구조로 에피층을 MOVPE법으로 성장하였다.

성능/효과

본 논문에서는 레이저 프린터 및 복합기의 분당 출력 속도 증가를 위해 LSU의 광원으로 사용될 수 있는 출력 광파워 10mW를 가지는 8빔 레이저 다이오드를 개발하였다. 8빔 레이저 다이오드를 개발하기 위해 반도체 웨이퍼 공정을 통한 레이저 다이오드 칩을 제작하고 TO-Can 형태의 패키지에 조립하였으며, 측정 시스템을 통해 레이저 다이오드의 전기&광학적 특성을 측정함으로써 레이저 프린터 및 복합기 시스템에 적용 가능함을 확인하였다.
8빔 레이저 다이오드를 개발하기 위해 반도체 웨이퍼 공정을 통한 레이저 다이오드 칩을 제작하고 TO-Can 형태의 패키지에 조립하였으며, 측정 시스템을 통해 레이저 다이오드의 전기&광학적 특성을 측정함으로써 레이저 프린터 및 복합기 시스템에 적용 가능함을 검증하였다.
본 논문에서 개발된 8빔에 대한 표 2의 전기&광학적 특성 측정 결과 LSU에서 요구하는 성능에 모든 측정된 특성치가 만족함을 검증하였으며, 또한 한 샘플에서의 빔간 특성 편차 및 샘플간 특성 편차도 우수한 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 논문에서 개발된 8빔에 대한 표 2의 전기&광학적 특성 측정 결과 LSU에서 요구하는 성능에 모든 측정된 특성치가 만족함을 검증하였으며, 또한 한 샘플에서의 빔간 특성 편차 및 샘플간 특성 편차도 우수한 성능을 가짐을 확인할 수 있었다. 따라서 레이저 프린터 및 복합기의 LSU에 적용 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LSU란 무엇인가?	레이저 프린터 및 OA복합기기 내부의 감광 드럼에 빛을 조사하는 핵심 광 모듈인 Laser Scanning Unit(LSU)의 광원으로 사용할 수 있는 발진파장 780 nm, 광 출력 10 mW의 모노리식 집적형 8빔 레이저 다이오드를 개발하였다. 개발된 8-빔 소자의 레이저 빔들의 각각의 물리적 간격은 $30\;{\mu}m$ 이며, 각 빔을 독립적으로 작동시키기 위해서, 공중배선공정을 신규로 개발하였다.
	레이저 스캐닝 유닛에서는 레이저 광원으로 어떠한 소자가 사용되고 있는가?	레이저 프린터 및 OA용 복합기 기에서는 사용자들은 더 빠른 인쇄 속도 즉, 분당 출력 속도(PPM : printing per minute)의 증가를 지속적으로 요구하고 있다. 현재 레이저 프린터 및 복합기내부의 감광드럼에 빛을 조사하는 레이저 스캐닝 유닛(LSU : Laser Scanning Unit)에서는 레이저 광원으로 일반적으로 1빔, 2빔 레이저 다이오드 소자가 널리 사용되고 있으며, 최근에는 4 빔 소자의 채용도 차차 증가 하고 있다[1-2]. 레이저 프린터 및 복합기 기에서 분당 출력 속도를 증가시키기 위한 방법으로 몇 가지 방법이 있지만 그 중 레이저 다이오드에서 방출되는 빔의 빔 수를 늘이는 경우, 빔의 수가 증가 할수록 한꺼번에 더 많은 양의 레이저 빔을 감광드럼에 조사가 가능하기 때문에 고속인쇄가 가능하다[1-2].
	LSU가 장착된 레이저 프린터 및 복합기의 인쇄 속도를 결정에 있어, 레이저 다이오드에서 방출되는 빔의 수를 증가시키는 것이 유효한 인자인 이유는 무엇인가?	그림 1의 LSU가 장착된 레이저 프린터 및 복합기의 인쇄 속도를 결정하는 인자는 몇 가지 있지만 그 중 레이저 다이오드에서 방출되는 빔의 수를 증가시킴으로써 가능하다. 즉, 레이저 빔의 수가 증가할수록 한꺼번에 더 많은 양의 레이저를 감광드럼에 주사가 가능하기 때문이다. 1빔 사용하는 경우와 8빔을 사용하는 경우에 대해 감광드럼에 빔이 형성되는 개념을 그림 2에 도식화하였으며, 1빔 사용 시 출력 속도가 20PPM으로 가정한다면 8빔 사용 시에는 160PPM에 출력 속도를 달성할 수 있게 된다.

참고문헌 (6)

T. Naiki, “Laser beam scanning optical apparatus,” US Patent 6,172,787 (2001).
B. H. Choi and D. H. Shin, “Image forming apparatus and laser scanning method thereof,” US Patent 2007/0002416 (2007).
C. S. Rim, “Optical system design for laser scanning unit,” Hankook Kwanghak Hoeji (Korean J. Opt. Photon.) 10, 15-20 (1999).
C. S. Rim, “Laser scanning unit with plastic $f{\Theta}$ lenses featuring high resolution,” Hankook Kwanghak Hoeji (Korean J. Opt. Photon.) 10, 364-368 (1999).
K. Komiya, K. Tanimoto, D. Ishikawa, and Y. Inagawa, “Laser beam scanning apparatus, image forming apparatus, and laser beam scanning method,” US Patent 2007/0216753 (2007).
S. K. Hwang and D. G. Song, “Multi beam laser diode and manufacturing method thereof,” Korea Patent 10-0861238 (2008).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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