수직 공동 면 발광 레이저(VCSEL)는 칩 내 통합이 용이하며, 라이다 및 보안 조명 등 시스템에서 핵심 광전자 소자입니다. 그러나 VCSEL 내부의 심각한 자기 발열 현상은 소자의 출력 파워, 고속 특성 및 안정성에 영향을 미치므로 VCSEL 열 관리 기술이 매우 중요합니다. 최적화된 패키징 방식을 사용하면 VCSEL의 열 발산을 효과적으로 증가시킬 수 있으며, 이는 VCSEL 열 성능 개선의 중요한 방법입니다. 본 논문은 유한 요소법(Finite-element method, FEM) 계산 모델을 기반으로 다양한 패키징 방식과 소자 표면에 구리 박막을 덮은 VCSEL의 열 특성에 대해 수치 해석을 수행하였습니다. 시뮬레이션 결과에 따르면, 상부 광 출사 패키징 방식에 비해 기판 광 출사(상하 DBR을 완전히 식각한) 플립칩 패키징 방식이 능동 영역 온도를 56% 이상 효과적으로 낮출 수 있습니다. 소자 테이블 직경이 점차 커질수록 상부 광 출사 패키징 방식을 채용한 소자의 온도와 열 저항은 크게 감소하여 온도는 약 50 ℃ 감소하고 열 저항은 3.25 K/mW 이상 감소합니다. 반면 상하 DBR 구조를 완전히 식각하고 플립칩 패키징 방식을 채용한 소자와 P-DBR 구조만 식각한 플립칩 패키징 방식을 채용한 소자의 온도와 열 저항은 모두 완만한 증가 추세를 보이며, 온도는 약 2 ℃ 상승하고 열 저항은 약 0.15 K/mW 상승합니다. 소자 테이블, 측벽 및 기판 상부에 구리층을 덮으면 능동 영역 온도를 효과적으로 낮추고 열 저항을 개선할 수 있으며, 구리층 두께가 3 μm일 때 능동 영역 온도가 43% 감소하고 열 저항은 1.9 K/mW 감소합니다. 본 논문은 패키징 방식이 VCSEL 열 특성에 미치는 영향을 분석하고 이에 따른 최적화 방안을 제안하였으며, VCSEL의 효과적인 열 발산 패키징에 대한 지침적 의의를 갖습니다.

수직 공동 면 발광 레이저(VCSEL); 열 특성; 온도; 열 저항