레이저 다이오드 (반도체 레이저)란?

목차

• ・레이저 다이오드란?
• ・레이저 다이오드의 발광 원리
• ・레이저 다이오드의 재료와 파장 · 발광색
• ・레이저 다이오드의 발진 원리
• ・레이저 다이오드의 구조 (빛의 구속, 캐리어 제어)
• ・레이저 다이오드와 자연광 및 LED의 차이점
• ・레이저 다이오드의 종류
• ・레이저 다이오드에서 이용되는 패키지
• ・레이저 다이오드의 수명
• ・레이저 다이오드의 용도
• ・구입 방법

레이저 다이오드 (반도체 레이저)는 반도체의 pn 접합을 통해 전류를 빛으로 변환하여 레이저 광을 생성하는 전자 부품입니다. 레이저 다이오드는 지향성과 직진성이 우수하여, 에너지 제어가 용이한 광원으로서 광 통신, 의료, 센싱, 데이터 스토리지, 엔터테인먼트 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 기본적인 원리는 전자와 정공이 재결합할 때 발생하는 빛을 이용하는 것으로, 파장 및 출력 특성에 따라 다양한 제품이 존재합니다. 본 기사에서는 레이저 다이오드의 기본 원리, 구조, 재료, 종류, 용도에 대해 자세히 설명하겠습니다.

레이저 다이오드란?

레이저 다이오드 (Laser Diode / LD)는 반도체 레이저라고도 합니다. 「레이저」란 「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」의 이니셜을 조합한 명칭으로, 「방사의 유도 방출에 의한 빛의 증폭」이라는 의미입니다. 자연계의 빛이나 LED의 빛은 파장이 일정하더라도 위상이나 파형이 규칙적이지 않습니다. 반면에 레이저 광은 특정 파장만을 증폭시킨 「코히렌트 (coherent)」한 빛입니다. 코히렌트한 광원은 「가간섭성」의 뜻도 지니며, 위상이나 파형이 규칙적이므로 간섭을 이용하여 초점을 매우 작게 (수 um~)할 수 있어, 광 스위치 및 광 변조 등 다양한 응용이 가능합니다.

역사와 발전

레이저 다이오드의 역사는 1917년에 알베르트 아인슈타인이 모든 레이저 기술의 기초가 되는 「유도 방출」 현상을 처음으로 이론화한 것에서 시작되었습니다. 그후 1953년에 독일의 존 폰 노이만 (John von Neumann)이 미발표 원고에 반도체 레이저의 개념을 기재하였습니다. 그리고, 「1957년 미국의 고든 굴드 (Gordon Gould)가 빛의 증폭에 유도 방출을 이용할 수 있다고 주장하며, 이것을 「LASER (방사의 유도 방출에 의한 증폭)」라고 명명하였습니다. 이와 같이 여러 과학자에 의해 레이저의 연구가 추진되어, 1962년에는 호모 접합 구조에 의한 갈륨 비소 (GaAs) 반도체 레이저에서의 코히렌트 발광이 실증되었고, 같은 해 가시광 발진에도 성공하였습니다. 이 시대의 반도체 레이저는 상온에서의 연속 발진에 과제가 있었지만, 1970년에 더블 헤테로 (double hetero) 구조의 발견에 의해 실온에서의 계속적인 발진이 가능하게 되었습니다. 1970년대 이후, 반도체 레이저는 급속하게 진화하여 다양한 분야에서 폭넓게 사용되게 되었습니다.

레이저 다이오드의 발광 원리

레이저 다이오드는 특정 파장에서 레이저 광을 발생시키는 반도체 디바이스입니다. 그 기본 구조는 p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 이루어지는 pn 접합, 빛을 방출하는 활성층, 빛을 반사시킬 수 있도록 코팅된 거울면으로 구성됩니다. 레이저 다이오드의 발광 원리는 전류가 흘러 전자와 정공이 재결합하고, 이때 방출되는 광자 (광양자)가 활성층 내에서 증폭되어, 공진기 내에서 반사됨에 따라 레이저 광이 발생합니다. 먼저, 레이저 다이오드 및 LED에 공통되는 「광 반도체」의 기본적인 구조와 발광 원리에 대해 설명하겠습니다.

다이오드의 기본적인 구조와 재료

반도체란 전기를 통과시키는 「도체」와 전기를 통과시키지 않는 「절연체 (부도체)」의 중간 성질을 지닌 물질입니다. 도체는 철이나 금과 같은 금속 물질, 절연체는 고무나 유리와 같은 물질이 해당됩니다. 반도체는 전기를 통과시키거나 통과시키지 않는 동작을 통해 전류를 제어할 수 있습니다. 또한, 사용 방법에 따라서는 빛과 전기의 에너지 변환도 가능합니다.

일반적으로 다이오드의 소자는 주로 실리콘 (Si)으로 형성되어 있습니다. 실리콘 (Si)은 반도체로서 가장 대표적인 재료입니다. 실리콘은 「규석 (SiO2 : 이산화 규소가 주성분인 광물)」 등의 형태로 자연계에 존재하며, 자원이 풍부합니다. 가공도 용이하여 많은 반도체 제품에서 실리콘을 채용하고 있습니다.

반도체 재료인 실리콘 (Si)은 본래 절연체이며, 캐리어로서의 자유 전자는 거의 존재하지 않습니다. 따라서, 실리콘 (Si)에 다른 불순물을 첨가하여 실리콘 (Si) 속의 캐리어 농도를 증가시킴으로써 전기 전도율을 높여 이용합니다. 이와 같이 불순물을 첨가하여 캐리어를 증가시킨 반도체를 불순물 반도체라고 합니다. 캐리어에는 자유 전자와 자유 정공이 있으며, 그중 자유 전자 캐리어를 증가시킨 것을 「n형 반도체」, 자유 정공 캐리어를 증가시킨 것을 「p형 반도체」라고 합니다.

※p형 반도체 (+ : positive 정공 (홀)이 많은 반도체)
 n형 반도체 (– : negative 전자가 많은 반도체)

다이오드의 소자는 p형 반도체와 n형 반도체가 연결된 구조이며, 이를 pn 접합이라고 합니다. p형 반도체로부터의 단자를 애노드, n형 반도체로부터의 단자를 캐소드라고 하며, 애노드에서 캐소드 방향으로 전류가 흐릅니다.

다이오드의 발광 원리

pn 접합의 소자에 순방향 전압을 인가하면 정공 (플러스)과 전자 (마이너스)는 그 접합부를 향해 이동하여 서로 결합합니다. 이때 발생하는 여분의 에너지가 빛으로 변환되어 발광합니다. 이러한 현상을 발광 재결합이라고 합니다.

이때의 캐리어가 어떻게 움직이는지, pn 접합의 에너지밴드 다이어그램을 사용하여 설명하겠습니다. 하기 왼쪽 그림은 pn 접합에 전압 바이어스가 인가되지 않은 상태이며, 오른쪽 그림은 순방향 바이어스의 전압이 인가된 상태입니다. 순방향 전압이 인가되면 pn 접합부의 에너지 장벽 높이가 낮아지게 되어, n형 영역의 다수 캐리어인 전자는 하기 그림과 같이 에너지 장벽을 넘어 p형 영역으로 이동하고, p형 영역의 다수 캐리어인 정공과 재결합합니다. 이때 남은 여분의 에너지가 빛으로 변환되어 방출됩니다. 반면에 p형 영역에 존재하는 정공은 n형 영역으로 이동하여 n형 영역의 다수 캐리어인 전자와 재결합하고, 마찬가지로 남은 에너지가 빛으로 변환되어 방출됩니다.

이 그림과 같이 전도대와 가전자대의 에너지 레벨에는 차이가 있으며, 이러한 에너지의 차이를 밴드갭이라고 합니다. 또한, 전자가 밴드갭을 넘어 전도대에서 가전자대로 이동하는 것을 전자의 천이 (transition)라고 합니다. 즉, 에너지가 높은 전도대에서 에너지가 낮은 가전자대로 전자가 천이하여 정공과 재결합할 때, 그 밴드갭에 상당하는 에너지가 포톤 (photon / 빛)이 되어 방출되는 것입니다. 이것이 반도체가 발광하는 원리입니다.

레이저 다이오드의 재료와 파장 · 발광색

레이저 다이오드는 반도체 재료를 사용하여 빛을 생성하는 디바이스입니다. 레이저 다이오드의 성능 및 특성은 선정되는 재료에 따라 크게 달라집니다. 일반적인 다이오드는 실리콘을 사용하지만, 레이저 다이오드는 화합물 반도체를 사용하기 때문에 높은 발광 효율을 가지고 있습니다. 레이저 다이오드의 재료 선택은 파장, 발광 효율, 동작 온도 등 다양한 특성에 직접 영향을 미칩니다.

그럼, 레이저 다이오드에 사용되는 화합물 반도체의 역할과 특성에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

화합물 반도체의 역할

일반적인 다이오드의 소자가 실리콘 (Si)으로 구성되어 있는 반면, 레이저 다이오드의 소자에는 화합물 반도체라는 재료가 사용됩니다. 실리콘 (Si)은 발광 천이 확률 (전류가 빛으로 변환되는 확률)이 낮아 거의 발광하지 않기 때문에 레이저 다이오드나 LED와 같은 발광 소자의 재료로는 적합하지 않습니다.
레이저 다이오드나 LED와 같이 발광하는 반도체를 「직접 천이형 반도체」, 발광하지 않는 반도체를 「간접 천이형 반도체」라고 합니다. 반도체의 경우, 에너지가 높은 전도대에서 에너지가 낮은 가전자대로 전자가 천이됩니다. 이때 전자의 천이에는 반도체 재료에 따라 「직접 천이」와 「간접 천이」가 있습니다.
하기 그림은 간접 천이와 직접 천이를 나타낸 것으로 세로 축은 에너지, 가로축은 파수 (wave number) k입니다.

A) 발광하는 반도체 「직접 천이형 반도체」 (왼쪽)

전도대의 가장 낮은 부분과 가전자대의 가장 높은 부분이 동일한 파수 k (전자파의 공간적 진동 상태)에 있는 반도체를 「직접 천이형 반도체」라고 합니다. 가전자대와 전도대 사이에서 전자가 천이할 때, 파수 k는 변하지 않습니다. 즉, 전도대에 여기 (励起)된 전자는 에너지 차이인 밴드갭 Eg를 포톤 (photon / 빛)의 형태로 방출하고 가전자대로 천이하여 정공과 재결합합니다. 이에 따라, 빛의 발생 효율이 높아져 레이저 다이오드나 LED의 재료로 이용됩니다.
직접 천이형 반도체에는 GaAs / AlGaAs, GaAlP / InGaAlP, GaN / InGaN 등이 있습니다. 이와 같이, 여러 개의 원소를 재료로 사용한 반도체를 화합물 반도체라고 합니다. 특히 Ⅲ족과 V족의 원소가 결합한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 레이저 다이오드나 LED의 발광 소자에 널리 사용되고 있습니다.

B) 발광하지 않는 반도체 「간접 천이형 반도체」 (오른쪽)

전도대의 가장 낮은 부분과 가전자대의 가장 높은 부분의 파수 k가 다른 반도체를 「간접 천이형 반도체」라고 합니다. 전자가 가전자대와 전도대 사이에서 천이할 때, 파수 k가 변화합니다. 이러한 변화는 포논 (phonon / 격자 진동의 양자)의 방출 및 흡수로 인해 발생하며, 에너지는 열로서 방출됩니다. 포톤의 흡수와 포논의 흡수 및 방출이 동시에 발생해야 합니다. 빛의 방출을 동반한 천이의 확률 (발광 천이 확률)이 낮기 때문에 발광 효율이 좋지 않아 발광 소자로서 사용되지 않습니다. 간접 천이형 반도체에는 Si 및 Ge가 있습니다.

파장의 범위와 조정 방법

레이저 다이오드나 LED의 재료인 화합물 반도체는 구성 및 비율에 따라 적외광에서 적색이나 녹색과 같은 가시광, 자외광 등 다양한 파장으로 발광합니다. 기본적인 발광 파장은 활성층이 되는 반도체의 캐리어 (여기 상태의 전자와 정공)가 재결합할 때의 밴드갭 에너지에 따라 결정됩니다.
밴드갭 에너지 (Eg)와 파장 (λ)의 관계는 하기 식과 같이 나타낼 수 있습니다.
Eg=hν=hc/λ (h : 플랭크 정수, ν : 빛의 진동 주파수, c : 빛의 속도)
이러한 관계식을 통해 밴드갭 에너지 (Eg)는 파장 (λ)에 반비례한다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 밴드갭 에너지가 클수록 빛의 파장 λ는 짧아집니다.

레이저 다이오드나 LED와 같은 화합물 반도체는 기판이 되는 반도체 재료 상에 pn 접합의 박막 결정을 에피택셜 성장시켜 제작합니다. 양호한 박막 결정을 적층하기 위해서는 반도체 기판과 각 결정층의 격자 정수가 일치하는 것이 바람직하므로, 재료 선정 시에는 밴드갭의 에너지뿐만 아니라 격자 정수도 고려해야 합니다.

상기 그림은 격자 정수와 밴드갭 에너지 (=파장)의 관계를, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 중심으로 나타낸 것입니다. 밴드갭 에너지가 큰 재료는 격자 정수가 작은 반면, 밴드갭 에너지가 작은 재료는 격자 정수가 크다는 경향이 있습니다. 이 그림에서 원리적으로는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 자외선 / 가시광선 / 적외선의 폭넓은 파장대에 대응이 가능하다는 것을 알 수 있습니다. 예를 들어, GaAs 기판 상에 GaInP의 pn 접합을 성장시키면 격자 정수와의 매칭도 좋아 약 650nm의 발광 파장을 얻을 수 있습니다.

발광색과 파장의 관계

단색성이 높은 레이저 다이오드는 폭넓은 파장으로 발광하는 LED와 달리, 거의 일정한 파장으로 발광합니다. 전 세계적으로는 다양한 파장의 레이저가 존재하며, 그중 눈에 보이는 파장의 빛을 「가시광선」이라고 합니다. 대표적인 파장은 하기 표와 같습니다.

재료와 발광색

레이저 다이오드 (반도체 레이저)의 재료는 주로 하기와 같습니다.

• ・갈륨 비소 (GaAs) : 가장 일반적인 레이저 다이오드 재료로, 넓은 파장 범위에 대응 가능합니다.
  반도체 제조 기술이 발전됨에 따라, 높은 성능을 발휘할 수 있습니다.
• ・갈륨 질화물 (GaN) : 고효율 청색 LED나 고출력 UV LED의 개발에 사용됩니다.
• ・인듐인 (InP) : 고속 통신 용도나 근적외선 영역의 레이저 다이오드에 사용됩니다.

레이저 다이오드의 제조 프로세스는 전형적으로 화학 증착법 (CVD)이나 분자선 에피택시 (MBE)라는 기술을 사용하여 실시합니다. 이러한 기술을 통해 매우 세밀한 층을 성장시킬 수 있어 고정밀도 반도체 레이저의 제조가 가능해졌습니다. 또한, 반도체 재료의 선택이나 제조 프로세스의 미세 조정을 통해 레이저 다이오드의 발광 파장이나 출력 파워를 제어할 수 있습니다.

레이저 다이오드의 발진 원리

지금까지 레이저 다이오드 및 LED에 공통되는 「광 반도체」의 구조 및 재료에 대해 설명했습니다. 이제부터는 레이저 다이오드와 LED의 차이점에 대해 설명하겠습니다. 「레이저 (LASER)」란 「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」의 이니셜을 조합한 명칭으로 「방사의 유도 방출에 의한 빛의 증폭」이라는 의미입니다. 명칭 그대로 유도 방출을 사용하여 증폭한 빛을 출력하는 것이 레이저의 기본적인 조건이며, LED와의 차이점입니다.
그럼, 레이저 다이오드의 발진 원리인 빛의 「유도 방출」과 「증폭」에 대해 설명하겠습니다.

유도 방출에 의한 빛의 증폭

앞서 설명한 바와 같이 반도체에서는 전도대에서 가전자대로 전자가 천이하여 정공과 재결합할 때 그 에너지를 빛으로 방출합니다. 빛의 방출에는 「자연 방출」과 「유도 방출」의 2종류가 있습니다.

「자연 방출」은 전도대에 존재하는 전자가 각각의 상호 작용 없이 각각 가전자대의 정공과 재결합하여 빛을 방출하는 것으로, 1개의 재결합으로 1개의 포톤이 방출되어 완결됩니다.
빛의 파장은 반도체의 캐리어가 재결합할 때의 밴드갭 에너지 크기에 따라 결정됩니다. 그러나, 실제의 재결합에서는 밴드갭 에너지와는 다른 크기의 에너지를 지닌 전자가 가전자대의 정공과 재결합하기 때문에, 자연 방출광은 랜덤한 편광과 위상을 지니고 있습니다.

반면에 「유도 방출」은 전도대와 가전자대의 밴드갭 에너지 Eg에 상당하는 빛 λ1이 통과할 때 빛에 의한 상호 작용으로 전도대의 전자가 자극되어 가전자대의 기저 상태로 천이됩니다. 이때 동일한 에너지 (파장)와 동일한 위상을 지닌 빛 (포톤)이 방출됩니다. 처음에는 1개였던 포톤이 2개가 되고, 2개의 포톤이 또다시 전도대의 전자를 자극하여 4개가 되는 형식으로 유도 방출이 증가하게 되어, 동일한 파장과 위상을 지닌 강력한 빛을 출력할 수 있습니다. 이와 같이 레이저 광의 유도 방출이 발생합니다.

빛의 공진기

유도 방출에 의해 증폭 작용이 발생하지만, 레이저 발진을 위해서는 이러한 증폭 작용에 의한 이득을 크게 해야 합니다. 따라서, 레이저 다이오드는 2개의 반사면 (거울)을 대칭으로 배치하고, 그 사이에서 빛을 반복하여 왕복시키는 구조를 채용합니다. 이와 같이 광 증폭 매질을 사이에 두고 양쪽으로 평행하는 반사면이 있는 구조를 페브리 페로 (Fabry-Perot) 공진기라고 하며, 특히 이 공진기 내부를 캐비티 (Cavity)라고 합니다. 반도체를 사용한 레이저 다이오드뿐만 아니라, 대부분의 레이저에서 이 공진기가 레이저 발진에 중요한 역할을 담당합니다.
그러나, 캐비티에서 빛을 왕복시키는 것만으로는 레이저 다이오드의 외부로 빛을 출력할 수 없습니다. 이때 반사면을 통해 빛을 외부로 출력시키기 위해 어느 한쪽의 반사면의 반사율을 낮추는, 즉, 빛의 일부를 반사하고 일부를 통과시킬 필요가 있습니다. 반사면의 반사율 (또는 투과율)을 최적으로 설정하는 것은 레이저 다이오드에서 높은 효율로 빛을 출력하기 위한 매우 중요한 요소입니다.
캐비티에서 빛의 왕복을 통해 빛이 충분히 증폭되어 일정 이상의 강도에 도달하면, 그 빛이 반사율을 낮춘 반사면을 통과하게 됩니다. 이것이 바로 레이저 발진의 원리입니다.
일반적으로 레이저 다이오드는 반도체의 벽개면 (cleavage plane)을 반사면으로 이용하여, 벽개면에서 빛이 출력되는 구조입니다. 이와 같은 구조의 레이저 다이오드를 단면 (端面) 발광 레이저 (EEL : Edge Emitting Laser)라고 합니다.

레이저 다이오드의 구조 (빛의 구속, 캐리어 제어)

발광 효율이 높은 실용적인 레이저 다이오드를 실현하기 위해, 지금까지 다양한 구조의 연구가 전개되어 왔습니다. 레이저 다이오드에서 고효율로 빛을 출력하기 위해 특히 중요한 것이 「빛과 캐리어의 구속」입니다. 먼저 빛의 구속의 기본 원리인 빛의 도파에 대해 설명하겠습니다.

빛의 도파 (Guided Wave)

빛은 굴절률이 높은 부분에 구속되는 성질이 있습니다. 빛의 도파에 있어서 빛이 전파되는 부분을 「코어」, 그 주위를 「클래드」라고 합니다. 코어부의 굴절률 n2는 클래드부의 굴절률 n1보다 높기 때문에, 이러한 굴절률의 차이로 인해 빛이 코어부에 구속됩니다. 빛은 코어부와 클래드부와의 경계면에서 전반사를 반복하면서 도파됩니다.

이러한 빛의 도파를 이용한 예로서, 광 파이버가 있습니다. 광 파이버는 「코어」인 광 전송부와 그 주변의 「클래드」 및 표면의 피복으로 구성되어 있습니다. 클래드부에는 코어부보다도 굴절률이 낮은 소재가 사용되므로, 빛은 코어부에 갇히게 되어 코어부를 지그재그로 진행하면서 전파됩니다.
이와 같은 빛의 성질이 레이저 다이오드의 소자 구조에도 이용되고 있습니다.

더블 헤테로 (double hetero) 구조

LED나 레이저 다이오드에 사용하는 반도체는 빛의 에너지를 고효율로 출력하기 (발광 효율을 높이기) 위해, 더블 헤테로 접합의 구조를 채용하고 있습니다. 일반적으로 재료가 다른 결정의 접합을 헤테로 접합이라고 하며, 더블 헤테로 접합이란 헤테로 접합 2개로 구성된 구조입니다. 더블 헤테로 접합은 「활성층」이라고 하는 반도체의 층이 「클래드층」이라고 하는 n형과 p형 반도체 사이에 배치된 샌드위치 타입의 구조입니다. 「활성층」은 밴드갭 에너지가 작은 발광의 핵이 되는 반도체이며, 「클래드층」은 활성층보다 밴드갭 에너지가 큰 반도체가 사용됩니다.

더블 헤테로 구조의 역할은 2가지로, 「빛의 구속」과 「캐리어의 구속」입니다.

• ・빛의 구속 (Light confinement) : 활성층에 굴절률이 높은 층을 사용하고 클래드층에 굴절률이 낮은 층을 사용함으로써, 광 파이버와 같이 빛을 중앙의 활성층 영역에 가두는 작용을 합니다.
• ・캐리어의 구속 (Carrier confinement) : 캐리어 (전자와 정공)에 대해서도 활성층 내부에 가두는 작용을 합니다. 더블 헤테로 접합의 에너지를 나타낸 그림을 사용하여 이러한 동작에 대해 설명하겠습니다.

상기 그림에서 왼쪽은 더블 헤테로 접합에 전압 바이어스가 인가되지 않은 상태입니다.
전자는 n형 클래드층에 많이 존재하지만, 활성층과 n형 클래드층 사이에는 에너지 장벽이 존재하고, 밴드갭의 차이로 인해 활성층과 p형 클래드층과의 사이에도 에너지 장벽이 존재합니다. 따라서, 전자는 활성층으로 이동하지 못하고 n형 클래드층에 체류하게 됩니다. 반면에 정공은 활성층과 p형 클래드층 사이에 에너지 장벽이 없기 때문에 활성층으로 이동합니다.
오른쪽 그림은 이러한 구조에 순방향으로 전압을 인가한 상태입니다.
n형 클래드층과 활성층 사이에 에너지 장벽이 없어짐에 따라 전자는 활성층으로 이동할 수 있습니다. 그러나, 밴드갭의 차이로 인해 활성층과 p형 클래드층 간의 에너지 장벽은 남아있기 때문에, 전자는 더 이상 이동하지 못하고 활성층 내에 체류하게 됩니다. 마찬가지로 p형 클래드층에서의 정공도 활성층 내에 체류하게 됩니다. 그리고 n형 클래드층에서의 전자와 p형 클래드층에서의 정공이 활성층 내에서 재결합하여 발광하게 됩니다. 이러한 구조로, 활성층 내에 캐리어 (전자와 정공)가 체류하게 되어 그 밀도가 매우 높아짐에 따라 재결합 확률이 높아집니다. 이러한 효과를 캐리어의 구속 효과라고 하며, 이를 통해 발광 효율이 우수한 반도체를 제조할 수 있습니다.

광학적 구속과 캐리어의 제어

기본적인 레이저 다이오드 소자의 구조는 더블 헤테로 구조를 채용하고 있습니다. p형 n형면의 전면에 전극을 배치한 레이저를 광역 레이저 (broad-area laser / 전면 전극형 레이저)라고 합니다. 이 구조의 경우, 전류는 넓은 범위에 흐르기 때문에 활성층이 넓은 범위에서 레이저 광이 출력됩니다. 또한, 매우 큰 전류가 흐르게 되어 실용화에는 적합하지 않습니다. 이러한 배경에서, 활성층의 일부에만 전류가 주입되도록 스트라이프 타입의 레이저가 고안되었습니다. 그 중에서도 활성층 주변에 활성층보다 굴절률이 낮은 층을 배치한 내부 스트라이프 타입 레이저가 주류로 사용되고 있습니다. 광 파이버의 원리와 마찬가지로 활성층에서는 빛을 가두는 동작을 합니다.
이러한 구조의 레이저는 발진 모드가 안정적이고 실용성이 높기 때문에 현재 대부분의 레이저 다이오드에서 이 구조를 채용하고 있습니다.

즉, 레이저 다이오드 소자의 활성층에서는 더블 헤테로 접합에 의한 수직 방향뿐만 아니라, 스트라이프 타입 구조에 의해 수평 방향으로도 빛을 가둘 수 있는 구조입니다. 이와 같이 구조의 개선을 통해 발광 효율이 높은 레이저 다이오드가 실용화되었습니다.
현재 발광 효율을 한층 더 높이기 위해, 활성층을 여러 개 적층한 스택 타입 레이저 다이오드도 실용화되어, 제품 형태의 다양성이 확대되고 있습니다. 이에 따라 레이저 다이오드의 용도도 다양하게 확대되고 있습니다. 기존에는 CD나 DVD 등 광 디스크의 픽업 용도, 레이저 프린터나 MFP (Multi-Function Printer / 복합기)의 감광 용도 등이 레이저 다이오드의 주요 시장이었지만, 현재는 광학 센서의 광원으로서 수요가 확대되고 있습니다. 특히 최근에는 수백W의 고출력 레이저 다이오드의 개발이 추진됨에 따라, 자동차의 자동 운전에 필요한 LiDAR용 광원으로서의 활용이 주목받고 있습니다.

레이저 다이오드와 자연광 및 LED의 차이점

레이저 다이오드 (반도체 레이저)와 LED는 모두 반도체 소자를 이용한 광원으로, 빛을 발생시키는 원리가 유사한 제품입니다. 차이점으로는 「유도 방출」의 발생 여부입니다. LED는 발생된 빛이 그대로 방출되는 (자연 방출) 반면, 레이저 다이오드의 발광은 「유도 방출」이라고 하며, 공진 구조에 의해 자체적으로 발생시킨 빛을 활성층 내에서 왕복 · 증폭시켜 위상이 동일한 강한 빛으로서 발진합니다. 이와 같이 발광하는 레이저에는 LED의 빛이나 자연광과는 다른 하기와 같은 특성이 있습니다.

• 1. 지향성 · 직진성이 높다.
  LED나 자연광은 파장, 위상, 방향이 랜덤이므로 모든 방향으로 빛이 분산되기 쉽습니다. 반면에 레이저 광은 매우 좁은 각도로 높은 지향성을 지닙니다. 이는 레이저 다이오드의 원리에 의해 동일한 파장, 동일한 위상, 동일한 방향으로 집중된 빛을 발생시키기 때문에, 광원으로부터의 거리가 멀어지더라도 대부분 확산되지 않고 한방향으로 강한 빛이 직진합니다. 이와 같은 특성은, 레이저 다이오드가 다양한 용도에 적합한 이유 중 하나입니다.

  

• 2. 단색성이 높다.
  레이저 다이오드의 발광 색은 단색성이 높고, 파장이 좁기 때문에 프리즘 통과 시에도 쉽게 분산되지 않는다는 특징이 있습니다. 이는 레이저 광이 동일한 파장, 위상, 방향으로 집중되기 때문입니다. 따라서, 특정 파장의 빛을 효율적으로 생성시킬 수 있어 선명하고 색 재현성이 높은 빛을 실현할 수 있습니다. 하기 그림에서도 레이저 광이 LED에 비해 특정 파장으로 집중되는 것을 알 수 있습니다.

  

  반면에 태양광과 같은 자연광은 다양한 색의 파장이 혼합되어 있으므로, 프리즘에 통과시키면 일곱가지 색의 빛으로 분해됩니다. LED의 빛도 파장의 범위가 넓어, 파장이 확산되면 빛의 강도가 저하됩니다.

  

  레이저 광은 이러한 높은 단색성으로, 특정 광 파장을 필요로 하는 광학 측정이나 레이저 치료 등에 적합합니다.

• 3. 가간섭성이 우수하여, 높은 에너지 밀도
  레이저 광은 높은 가간섭성을 지니기 때문에, 여러 개의 빛이 서로 간섭하여 강해질 수 있습니다. 이는 레이저 광이 일정 파장을 지니고, 그 파장의 빛이 동일한 위상의 「코히렌트 (coherent)」한 빛이기 때문입니다. 여러 개의 레이저 다이오드에서 방사되는 빛은 서로 위상이 동일하므로, 빛이 중첩될 때 서로 증폭됩니다.
  반면에 LED나 자연광은 여러 개의 파장을 지니고 그 파장의 빛이 서로 다른 위상을 지니기 때문에, 빛이 중첩될 때 서로 간섭하여 강해지는 현상은 발생하지 않습니다. 또한, 레이저 광은 방향이나 위상이 완벽하게 동일하기 때문에 집광성이 우수하여 빛 에너지를 한방향으로 집중시키기 쉬워집니다. 예를 들어, 렌즈를 사용하여 태양광을 집광시키면, 그 에너지로 종이를 태울 수 있습니다. 이와 같이, 에너지 집중성이 높은 레이저 광은 금속도 용해시킬 만큼 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있습니다.

  

레이저 다이오드의 종류

레이저의 종류

의료, 산업, 통신 등 폭넓은 분야에서 활용되는 레이저는, 매질의 소재에 따라 몇가지 종류로 분류됩니다.
본 기사에서 소개한 레이저 다이오드 이외에도 하기와 같은 종류가 있습니다.

• ・ 고체 레이저：레이저에 고체 재료 (반도체 제외)를 사용한 레이저로, 대표적인 제품으로는 루비 레이저나 YAG 레이저가 있습니다. 루비 레이저는 세계 최초로 레이저 발진한 레이저입니다. 파장이 1064nm의 YAG 레이저는 광석을 매질로 사용한 레이저로, 금속 가공 등 산업용으로 폭넓게 사용되고 있습니다. 레이저 매질이 동일한 고체인 경우에도 반도체를 재료로 하는 경우에는 특성이 크게 달라지기 때문에 레이저 다이오드로서 구분하는 것이 일반적입니다.
• ・ 액체 레이저：레이저 매질에 액체를 사용한 것으로, 사용하는 매질의 특성에 따라 유기 색소 레이저, 유기 킬레이트 화합물 레이저, 무기 레이저의 3종류로 분류할 수 있습니다. 대표적인 제품으로는 「유기 색소 레이저」로, 색소 분자를 유기 용매에 녹인 유기 색소를 매질로 사용합니다. 유기 용매에 녹이는 색소 분자를 통해 가시광을 포함하는 파장을 연속적으로 선택할 수 있는 「파장 가변 레이저」입니다. 분광 측정 및 분석 등 이학 분야에서 많이 활용되고 있습니다.
• ・ 기체 레이저：레이저 매질에 기체를 사용한 것으로, 가스 레이저라고도 합니다. 다른 레이저에 비해 레이저 매질이 균질하고 손실이 적어, 큰 레이저 출력을 얻을 수 있다는 점이 특징입니다.
  대표적인 가스 레이저 중 하나인 탄산 가스 레이저 (CO₂ 레이저)는 고출력으로 다양한 소재의 가공이나 용접에 적합하여, 산업용으로 많이 사용되고 있습니다. 또한, 레이저 메스로서 의료 용도로도 사용됩니다.

레이저 다이오드 (반도체 레이저)의 종류

레이저 다이오드는 빛이 출력되는 방향에 따라 분류할 수 있습니다.

• ・ 단면 발광 레이저 (EEL : Edge Emitting Laser)
  반도체 벽개면을 반사경으로 이용하여, 벽개면에서 빛이 출력되는 구조의 레이저입니다.
• ・ 면 발광 레이저 (SEL : Surface Emitting Laser)
  반도체 기판의 표면에서 수직 방향으로 빛이 출력되는 구조의 레이저입니다.
• ・ 수직 공진기 면 발광 레이저 (VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser)
  반도체 기판면의 수직 방향으로 빛을 공진시키고, 방출된 빛을 면의 수직 방향으로 방출시킵니다.
  낮은 임계치 전류, 저전류에서 고속 변조 가능, 낮은 온도 특성 등의 특징으로 광 통신 및 센서 분야에서 폭넓게 이용되고 있습니다.

이러한 레이저 다이오드는 각각의 특성에 따라 다양한 용도로 사용됩니다.

레이저 다이오드에서 이용되는 패키지

현재, 레이저 다이오드는 원통형 금속제 Body, 선단 부분에 광 출력 창으로 구성된 CAN 패키지가 폭넓게 사용되고 있습니다. CAN 패키지는 일반적으로 하기와 같은 특성이 있습니다.

• 1. 외형 치수：직경 3.8mm~5.6mm 범위에서 이용 가능하며, 높이는 2.5mm~6mm 정도입니다.
  업계 표준 사이즈는 5.6mmφ CAN 타입이 주류로 사용됩니다.
  쿼드 빔 LD 및 일부 통신 계통 등에서는 사이즈가 큰 9.0mmφ 등이 사용됩니다.
  비용이 중시되는 광 디스크 분야에서는 수지로 만들어진 프레임 등도 채용되고 있습니다.
• 2. Body 소재：일반적으로 황동, 스테인레스 스틸, 알루미늄 등의 금속이 사용됩니다.
  광 출력 창 : 선단 부분의 좁은 창을 통해 레이저 광을 출력합니다.
  창은 일반적으로 실리콘 또는 글래스로 만들어지며, 직경은 100μm~500μm 정도입니다.
  비용을 중시하는 용도에서는 커버 글래스가 없는 타입도 사용됩니다.
• 3. 핀 배치：CAN 패키지에는 일반적으로 2개 또는 3개의 단자가 탑재되어 있습니다.
  단자가 2개인 경우는 레이저 다이오드와 핀 포토 다이오드용이고, 3개인 경우는 온도 센싱용이 추가됩니다.

최근에는 면실장 패키지 타입이나 칩 출하 등도 대응하고 있어, 레이저 다이오드의 용도가 한층 더 확대되고 있습니다.

레이저 다이오드의 수명

레이저 다이오드의 평균 수명은 동작 환경 (사용온도, 정전기, 전원 노이즈 등)에 따라 달라지지만, 일반적인 조건 (케이스 온도 25℃)에서 연속 점등 시 수명은 약 10,000시간입니다. 사용 시의 동작온도가 높으면 수명이 짧아지고, 정전기 방전 (ESD)은 고장의 원인이 됩니다. 또한, 전원에서 발생하는 서지나 노이즈는 레이저 소자의 파손으로 이어질 가능성도 있습니다.
레이저 다이오드를 장기간 사용하기 위해서는 히트싱크 등을 통한 방열 대책 및 충분한 대전 방지, 서지 대책, 노이즈 필터 등의 사용, 출력을 필요 최소한으로 억제하는 등의 방법이 유효합니다.
파워 밀도가 높은 레이저의 출력광의 경우, 방출량이 작다고 하더라도 사용 방법이 잘못되면 인체에 해를 끼칠 가능성이 있어 매우 위험합니다. 따라서 충분한 안전 대책을 실시한 후에 사용해야 합니다.

레이저 다이오드의 용도

• 1. 광 디스크 (CD, DVD, BD)
  CD나 DVD, BD 등 광 디스크라고 하는 디지털 기록 미디어에서 광 픽업 (데이터의 재생, 기록을 위한 장치)에 사용되고 있습니다. 레이저 광을 이용하여 음악, 영상 등의 데이터를 재생 (읽기)하거나 반대로 정보를 기록 (쓰기)할 수 있습니다.
  레이저 광을 통해 미세한 凹凸 (요철)의 유무를 검출하여, 음악이나 영상 등의 전기 신호로 변환합니다. 주로 CD에는 적외선 레이저, DVD에는 적색 레이저가 사용됩니다. 파장이 짧아질수록 레이저 광을 더 작은 영역으로 좁힐 수 있어 한층 더 많은 정보를 기록하고 재생할 수 있으므로, 블루레이 디스크나 차세대 DVD용 픽업에서는 청색 레이저 광이 사용되고 있습니다.



• 2. 레이저 프린터, MFP (Multi-Function Printer) 등
  빛의 집광성이 우수한 레이저 다이오드는 레이저 프린터 및 복합기의 감광 등에 이용되고 있습니다. 감광 드럼에 빛을 조사함으로써 신호를 용지에 전사합니다. 레이저 프린터는 인쇄 속도가 빨라 인쇄물이 열화되지 않기 때문에 대량 인쇄가 필요한 비즈니스 영역에서 널리 이용되고 있습니다.
• 3. 광 통신
  광 통신에는 1300nm~의 적외선 레이저가 사용됩니다. 전력 손실이 작고, 방대한 양의 정보를 광 신호로 변환하여 원거리까지 전달할 수 있기 때문에 광 파이버 통신의 광원으로서 사용되고 있습니다. 또한, 고속 통신이 필요한 무선 통신 시스템의 광 데이터 전송에도 이용되고 있으며, 한층 더 장거리 고속 전송이 요구되는 통신 분야에 대응하여 고정밀도화가 추진되고 있습니다.
• 4. 레이저 현미경
  레이저 현미경은 레이저 광을 대상물에 비추고, 반사된 빛을 검출하여 관찰합니다. 가시광보다 짧은 파장의 레이저 광을 사용함으로써 한층 더 고해상도로 관찰할 수 있습니다.
• 5. 포인터, 수평기
  직진성이 높은 레이저 광은, 레이저 포인터에도 활용됩니다. 또한, 천장이나 벽에 수직수평을 마킹하는 수평기에도 적합하여, 건축 현장 등에서 설치 및 시공 시에도 사용되고 있습니다.
• 6. 광학 거리 측정 · 3D 센서
  레이저 다이오드는 높은 직선성과 정밀도를 지니고 있어, 광학 측정에도 활용됩니다. 레이저 광을 이용하여 대상물과의 거리나 형태를 측정하는 LiDAR (Light Detection and Ranging)는 자동차의 자동 운전자 지원 시스템이나 항공 측량에도 사용되고 있으며, 스마트폰이나 AR의 헤드셋에도 탑재되고 있습니다. 그밖에 속도 측정 및 중력파 검출 등 다양한 분야에서 응용이 확대되고 있습니다.
• 7. 연기 · 먼지 센서
  레이저 다이오드는 센서의 광원 용도로서 사용되고 있습니다. 레이저 광이 연기나 공기중의 미세한 먼지와 충돌하여 확산되는 현상을 통해, 연기나 먼지의 유무를 검출할 수 있습니다.
• 8. 레이저 치료
  의료 분야에서는 광역학 반응을 사용한 질환의 진단 및 치료, 수술 및 조사 (照射) 치료 등에 이용되고 있습니다. 예를 들어 피부 치료 및 안과 수술, 치과 치료, 내시경 수술 등에 사용되고 있으며, 향후 폭넓게 응용될 것으로 예측되고 있습니다.
• 9. 재료 가공
  레이저 다이오드는 높은 출력광을 발생시킬 수 있어 금속, 플라스틱, 세라믹 등의 재료를 가공하기 위한 광원으로서 사용됩니다. 레이저 가공은 고정밀도의 고속 가공이 가능하여, 난가공 (難加工) 재료의 절단이나 타공 등의 용도에도 적합합니다.
• 10. 엔터테인먼트
  레이저 다이오드는 라이브 쇼, 콘서트, 프로젝션 맵핑 등의 엔터테인먼트 용도로도 사용됩니다. 레이저 광의 특성을 활용하여, 환상적인 연출을 할 수 있습니다.

구입 방법

로옴은 전 세계에 레이저 다이오드를 비롯한 반도체 제품을 전개하고 있습니다.

하기 온라인 부품 유통 사이트에서도 구입 가능합니다.

• ・Digikey (https://www.digikey.kr/)
• ・MOUSER (https://www.mouser.kr/)
• ・Farnell (https://www.farnell.com/)
• ・Chip1Stop (https://www.chip1stop.com/KOR/ko)
• ・CoreStaff (https://www.zaikostore.com/zaikostore/en)

제품의 가격, 재고 상황, 납기 등을 비교하여 최적의 레이저 다이오드를 선택할 수 있습니다.

데이터시트 다운로드

로옴의 사이트에서는 하기 레이저 다이오드를 소개하고 있습니다.

• ・고출력 레이저 다이오드 (https://www.rohm.co.kr/products/laser-diodes/high-power-lasers)
• ・적외 레이저 다이오드 (https://www.rohm.co.kr/products/laser-diodes/infrared-lasers)
• ・VCSEL (https://www.rohm.co.kr/products/laser-diodes/vcsel)
• ・적색 레이저 다이오드 (https://www.rohm.co.kr/products/laser-diodes/red-lasers)
• ・멀티빔 레이저 다이오드 (https://www.rohm.co.kr/products/laser-diodes/multi-beam-lasers)