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技術 オプトエレクトロニックチップ

出願人 オスラムオプトセミコンダクターズゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
発明者 ラルフヴィルトクラウスシュトロイベル
出願日 2006年7月11日 (14年5ヶ月経過) 出願番号 2006-190740
公開日 2007年2月1日 (13年11ヶ月経過) 公開番号 2007-027728
状態 未査定
技術分野 LED素子のパッケージ 発光ダイオード LED素子(パッケージ以外)
主要キーワード 放出波 凸状領域 ウェハボンディング技術 エピタクシー層 凸状湾曲 サイズ比率 材料体 シリンダ形
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (14)

課題

本発明の解決すべき課題は、特に高い放射出力結合効率を有するオプトエレクトロニックチップを提供することである。別の課題は、生成される電磁放射のうち特定の空間角度領域出力結合される割合が特に大きいオプトエレクトロニックチップを提供することである。

解決手段

前記課題は、放射放出領域を有する半導体ボディと、該半導体ボディの表面が担体に向かって湾曲されている部分領域とが設けられており、該放射放出領域の横方向の長さは、前記部分領域の横方向の長さより小さいことを特徴とするオプトエレクトロニックチップによって解決される。

概要

背景

WO02/13281A1に、発光性半導体チップおよび発光性の半導体チップの製造方法が開示されている。

概要

本発明の解決すべき課題は、特に高い放射出力結合効率を有するオプトエレクトロニックチップを提供することである。別の課題は、生成される電磁放射のうち特定の空間角度領域出力結合される割合が特に大きいオプトエレクトロニックチップを提供することである。前記課題は、放射放出領域を有する半導体ボディと、該半導体ボディの表面が担体に向かって湾曲されている部分領域とが設けられており、該放射放出領域の横方向の長さは、前記部分領域の横方向の長さより小さいことを特徴とするオプトエレクトロニックチップによって解決される。

目的

本発明の解決すべき課題は、特に高い放射出力結合効率を有するオプトエレクトロニックチップを提供することである。別の課題は、生成される電磁放射のうち特定の空間角度領域に出力結合される割合が特に大きいオプトエレクトロニックチップを提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

この技術が所属する分野

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請求項1

オプトエレクトロニックチップにおいて、・放射放出領域(2)を有する半導体ボディ(14)が設けられており、・該半導体ボディ(14)の表面(13)が担体(10)に向かって湾曲されている部分領域(3)が設けられており、・該放射放出領域(2)の横方向の長さ(2r)は、前記部分領域(3)の横方向の長さ(2R)より小さいことを特徴とする、オプトエレクトロニックチップ。

請求項2

半導体ボディ(14)と担体(10)との間に、少なくとも1つの反射層(6,8)が配置されている、請求項1記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項3

前記反射層(6,8)は部分領域(3)を、少なくとも幾つかの部分で被覆する、請求項1または2記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項4

半導体ボディ(14)は、複数の放射放出領域(2)を有する、請求項1から3までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項5

各放射放出領域(2)に対して部分領域(3)が割り当てられている、請求項1から4までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項6

各放射放出領域(2)に対して、部分領域(3)が1対1で割り当てられている、請求項1から5までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項7

部分領域(3)は、放射放出領域(2)によって生成された電磁放射に対して凹面鏡を形成する、請求項1から6までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項8

放射放出領域(2)は少なくとも幾つかの部分で、前記凹面鏡の焦平面に配置されている、請求項7記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項9

少なくとも1つの部分領域(3)は、放物線状の湾曲を有する、請求項1から8までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項10

少なくとも1つの部分領域(3)は、球面状の湾曲を有する、請求項1から9までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項11

少なくとも1つの部分領域(3)は、非球面状の湾曲を有する、請求項1から10までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項12

半導体ボディ(14)の担体(10)に対して反対側の表面(13)に、放射放出領域(2)で生成された電磁放射に対してレンズ(12)を形成するように構造化された領域(12)が設けられている、請求項1から11までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項13

放射放出領域(2)の横方向の長さ(2r)は、前記レンズ(12)の横方向の長さ(2R)より小さい、請求項12記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項14

各放射放出領域(2)に対して、ちょうど1つのレンズ(12)が割り当てられている、請求項12記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項15

各放射放出領域(2)に対して、レンズ(12)が1対1で割り当てられている、請求項12から14までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項16

前記レンズ(12)は、半導体ボディ(14)の表面(13)の担体から凸状に湾曲された領域によって形成される、請求項12記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項17

担体から凸状に湾曲された前記領域は、球面状の湾曲を有する、請求項16記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項18

担体から凸状に湾曲された前記領域は、非球面状の湾曲を有する、請求項16記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項19

放射放出領域(2)の少なくとも一部は、球の中間点に配置されており、前記球は、半導体ボディ(14)の担体(10)に対して向かい合う表面と該担体(10)に対して反対側の表面とを構造化することによって形成される、請求項1から17までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項20

半導体層シーケンス(14)の担体(10)に対して向かい合う表面と該担体(10)に対して反対側の表面が、エッチングによる湾曲構造を有する、請求項1から19までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項21

半導体ボディ(14)の厚さは、最も薄い場所において最大10μmである、請求項1から20までのいずれか1項記載のオプトエレクトロニックチップ。

請求項22

オプトエレクトロニックチップの製造方法において、・半導体ボディ(14)を沈着し、該半導体ボディ(14)は基板(20)上に活性ゾーン(1)を有するステップと、・該基板から凸状に湾曲された部分領域(3)を、該半導体ボディ(14)の基板(20)と反対側の表面を構造化することによって形成するステップと、・前記活性ゾーン(1)に放射放出領域(2)を形成するステップと、・半導体ボディ(14)の基板と反対側の表面に、担体を設けるステップとを有し、前記放射放出領域(2)の横方向の長さは、前記部分領域(3)の横方向の長さ(2R)より小さいことを特徴とする製造方法。

請求項23

基板(20)を薄くする、請求項22記載の製造方法。

請求項24

基板(20)を除去する、請求項22記載の製造方法。

請求項25

半導体ボディ(14)の担体(10)と反対側の表面(13)上に、該担体から凸状に湾曲された領域(12)を、該表面(13)の構造化によって形成する、請求項22から24までのいずれか1項記載の製造方法。

請求項26

放射放出領域(2)を、活性ゾーン(1)の少なくとも一部の損傷によって構造化する、請求項22から25までのいずれか1項記載の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、オプトエレクトロニックチップに関し、さらに、オプトエレクトロニックチップの製造方法に関する。

背景技術

0002

WO02/13281A1に、発光性半導体チップおよび発光性の半導体チップの製造方法が開示されている。

発明が解決しようとする課題

0003

本発明の解決すべき課題は、特に高い放射出力結合効率を有するオプトエレクトロニックチップを提供することである。別の課題は、生成される電磁放射のうち特定の空間角度領域出力結合される割合が特に大きいオプトエレクトロニックチップを提供することである。

課題を解決するための手段

0004

前記課題は、放射放出領域を有する半導体ボディと、該半導体ボディの表面が担体に向かって湾曲されている部分領域とが設けられており、該放射放出領域の横方向の長さは、前記部分領域の横方向の長さより小さいことを特徴とするオプトエレクトロニックチップによって解決される。

発明を実施するための最良の形態

0005

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、オプトエレクトロニックチップは半導体ボディを有する。この半導体ボディはたとえば、成長基板上に沈着されたエピタキシャル半導体層シーケンスを有する。有利にはこのエピタキシャル半導体層シーケンスは、電磁放射を生成するのに適した活性ゾーンを有する。活性ゾーンはたとえば、半導体層シーケンスのうち1つまたは複数の層によって実現される。有利には活性ゾーンは、pn接合部、ダブルテロ構造単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する。

0006

有利には、成長基板は薄くされるか、または半導体ボディから完全に除去される。ここでは半導体ボディは、いわゆる薄膜層である。

0007

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、活性ゾーンは放射放出領域を有する。この放射放出領域はたとえば、活性ゾーンの一部によって構成される。活性ゾーンのこの部分領域でのみ、オプトエレクトロニックチップの動作時に電磁放射が生成される。この放射放出領域はたとえば、放射放出領域以外の活性ゾーンを損傷し、放射放出領域のみがオプトエレクトロニックチップの動作時に電磁放射を生成するのにより適するようにすることで形成される。また、動作中に放射放出領域のみが通電されることにより、活性ゾーンのこの放射放出領域でのみ放射が放出されるように、半導体ボディを構成することもできる。両手段の組み合わせ、すなわち放射放出領域まで活性ゾーンを損傷することと該放射放出領域のみに通電することとの組み合わせも可能である。

0008

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、半導体ボディは、該半導体ボディの表面が担体に向かって凸状に湾曲された部分領域を有する。換言すると、少なくとも半導体ボディの部分領域において、該半導体ボディの表面は凸状の湾曲部を有する。このような部分領域は、たとえば半導体ボディの表面に構造化によって形成される。すなわちこの部分領域は、エピタキシャル成長された半導体ボディに構造化によって形成される。こうするためにはたとえば、エッチング技術が使用される。凸状の部分領域を有する半導体ボディの表面は、担体に対して向かい合っている。半導体ボディのこの表面は、たとえば機械的に担体と固定的に結合されている。有利には、担体に向かって凸状に湾曲された部分領域を有する表面は、半導体ボディの成長基板に対して本来は反対側の表面である。

0009

担体は、成長基板と比較して自由に選択することができるので、たとえば導電性または機械的な安定性等の比較的多数の特性に関して、担体がチップに対して、高品質エピタキシャル層を形成するために厳しい制限を受ける入手可能な成長基板より適するようにすることができる。したがって高品質のエピタキシャル層を得るためには、エピタクシーによって沈着される材料を、たとえば成長基板に対して格子整合しなければならない。

0010

有利には担体は、半導体ボディに対して熱膨張係数整合されるように構成される。たとえば担体は、ゲルマニウム砒化ガリウム窒化ガリウム炭化シリコン等の半導体材料を含むか、またはサファイヤモリブデン、金属または炭素等の別の材料を含む。さらに、担体は有利には、特に良好な熱伝導度を有するように構成される。このことにより、電磁放射が半導体ボディの活性ゾーンで生成される際に発生する熱が少なくとも部分的に、担体を介して周辺へ放出される。

0011

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、放射放出領域の横方向の長さは、凸状に湾曲された部分領域の横方向の長さより小さい。

0012

放射放出領域の横方向の長さとはここでは、半導体ボディの成長方向に対して垂直に延在するかまたは実質的に垂直に延在する半導体ボディの平面での放射放出領域の最大長さを指す。たとえばこの平面は、半導体ボディに対して向かい合う担体の表面に対して平行に延在する。このことに相応して、凸状に湾曲された部分領域の横方向の長さとは、半導体ボディの成長方向に対して垂直に延在するかまたは実質的に垂直に延在する平面での部分領域の最大長さを指す。有利には、凸状に湾曲された部分領域の横方向の長さは、放射放出領域の横方向の長さの2倍であり、特に有利には放射放出領域の横方向の長さの少なくとも3倍である。

0013

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によればチップは、放射放出領域と、半導体ボディの表面が担体に向かって凸状に湾曲されている部分領域とを含む半導体ボディを有し、放射放出領域の横方向の長さは該部分領域の横方向の長さより小さい。

0014

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、半導体ボディと担体との間に少なくとも1つの反射層が配置されている。この反射層はたとえば、ブラッグミラーを含むか、または金属含有ミラー層を含む。たとえば金、金‐ゲルマニウム、銀、アルミニウムまたは白金を含む金属含有の反射層または反射層シーケンスは、ブラッグミラーと異なり、反射率方向依存性が比較的低いことを特徴とする。また金属含有のミラーで、ブラッグミラーより高い反射率を実現することもできる。さらに反射層シーケンスは、反射性金属層または金属層シーケンスと、誘電性の材料を含む層とを含むことができる。

0015

特に有利には、担体と半導体ボディとの間に配置された反射層または反射層シーケンスは、オプトエレクトロニックチップの動作時に放射放出領域によって生成された電磁放射を反射するのに適するように構成される。

0016

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば反射層は、凸状に湾曲された部分領域を少なくとも幾つかの部分で被覆する。換言すると、半導体ボディの表面は少なくとも、凸状に湾曲された部分領域が存在する場所で、少なくとも部分的に反射層または反射層シーケンスによって被覆される。

0017

ここに記載したオプトエレクトロニックチップではとりわけ、反射層によって被覆され凸状に湾曲された部分領域は、放射放出領域によって生成された放射に対してミラーとして機能するという思想が利用される。この部分領域をこのように形成することにより、たとえば反射された放射の放射特性ひいてはチップの放射特性が、定義されたように調節できるようになる。このようにしてたとえば、放射が反射される方向を調節することができる。

0018

少なくとも1つの実施形態によれば、半導体ボディは複数の放射放出領域を有する。すなわち半導体ボディの活性ゾーンの複数の領域が、オプトエレクトロニックチップの動作時に電磁放射を生成するのに適するように設けられる。放射放出領域はたとえば規則的なパターンで、相互に実質的に等しい間隔をおいて活性ゾーン内に配置される。有利にはこの場合、すべての放射放出領域の大きさが実質的に等しい。換言するとたとえば、すべての放射放出領域の横方向の長さが実質的に等しい。

0019

ここでは、横方向の長さが実質的に等しいということは、製造条件または半導体ボディにおいて生じる不所望の不均質性に起因して、放射放出領域の長さおよび配置にばらつきが生じる可能性があることを意味する。

0020

たとえば放射放出領域は、活性ゾーンの損傷によって生成される。このようにして、活性ゾーンの損傷されていない領域は、オプトエレクトロニックチップの動作時に放射を生成するのに適するようになる。

0021

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、各放射放出領域に対して、半導体ボディの凸状に湾曲された部分領域が割り当てられる。割り当てられるということは、放射放出領域で生成される電磁放射の大部分が、割り当てられた部分領域にある半導体ボディの凸状に湾曲された表面に当たり、この放射放出領域の放射が別の部分領域の表面、たとえば隣接する部分領域の表面にほとんど当たらないかまたは全く当たらないことを意味する。ここでは、複数の放射放出領域に対して共通の部分領域が割り当てられる構成も可能である。

0022

有利には、各放射放出領域ごとにちょうど1つの部分領域が割り当てられ、各部分領域ごとにちょうど1つの放射放出領域が割り当てられる。すなわち放射放出領域は、凸状に湾曲された部分領域に対して1対1で割り当てられる。その際にはたとえば、放射放出領域は、1対1で割り当てられた凸状湾曲部分領域に対して中心合わせされて配置される。

0023

少なくとも1つの実施形態によれば、凸状に湾曲された部分領域は、割り当てられた放射放出領域で生成された電磁放射の少なくとも一部に対して、凹面鏡を形成する。これはたとえば、凸状に湾曲された部分領域を、上記ですでに説明したように、少なくとも部分的に反射層または反射層シーケンスによって被覆することによって実現される。このことはたとえば、担体に向かい合う半導体ボディの表面上に反射層または反射層シーケンスが設けられることを意味する。凹面鏡の形状は、凸状に湾曲された部分領域の形状によって決定される。

0024

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、部分領域に対して割り当てられた放射放出領域は少なくとも部分的に、前記凹面鏡の焦平面に配置される。すなわち有利には、放射放出領域は少なくとも幾つかの部分で、凹面鏡の焦点に配置される。このことは、放射放出領域の少なくとも一部が、半導体ボディの反射性コーティングされた部分領域によって形成された凹面鏡の焦点に存在する。

0025

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、部分領域の少なくとも1つは少なくとも幾つかの部分で、放物線状の湾曲部を有する。その際には有利には、反射性コーティングされた部分領域は、割り当てられた放射放出領域で生成された電磁放射に対して放物面鏡を形成する。

0026

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、部分領域の少なくとも1つは少なくとも幾つかの部分で、球面状に湾曲される。すなわち、この部分領域は少なくとも幾つかの部分で、球状に湾曲される。その際にはこの部分領域は、半導体材料から成るたとえば半球によって形成される。

0027

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、部分領域の少なくとも1つは非球面状の湾曲部を有する。換言すると、この部分領域は少なくとも幾つかの部分で、非球形に湾曲される。部分領域をこのように湾曲することにより、部分領域によって形成される凹面鏡の光学的特性を調節することができる。

0028

ここに記載されたオプトエレクトロニックチップではとりわけ、反射性に構成された部分領域の湾曲を介して、オプトエレクトロニックチップによって生成される電磁放射の放射特性および放射方向を所期のように調節することができるという思想が使用される。このようにして部分領域の湾曲により、たとえば、生成された電磁放射のうち特に大きな割合が所期のように、特定の空間角度領域に反射されるようになる。このことにより有利には、特定の空間角度領域で出力結合効率が上昇される。

0029

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、半導体ボディの担体に対して反対側の表面は少なくとも1つの次のような領域を有する。すなわち、該チップの動作時に放射放出領域によって生成された電磁放射に対してレンズを形成するように構造化された領域を有する。

0030

放射放出領域には、オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によればレンズが後置されている。ここでは、レンズとはたとえば、光学的素子を通過する電磁放射を定義されたように屈折するのに適した該光学的素子を指す。また、レンズが電磁放射を回折するのに適するように設けることもできる。さらに、レンズが光屈折にも光回折にも適するように設けることも可能である。有利にはレンズは、放射放出領域で生成された電磁放射の少なくとも一部が該レンズを通過して該レンズによって屈折および/または回折されるように、該放射放出領域に後置される。さらにこのレンズは、チップからの電磁放射の出力結合確率が改善されるように設けることもできる。レンズをこのように形成し、放射放出領域に対する該レンズの相対的な配置をこのように行うことにより、有利には、チップからの放射が出射される際の全反射の確率が低減される。こうするために、たとえばレンズは半球の形状を有し、放射放出領域はこの球の中間点に設けられる。

0031

レンズは有利には、半導体ボディの少なくとも1つの部分領域によって形成される。このことは、半導体ボディの部分領域が、放射放出領域で生成された電磁放射を屈折および/または回折するのに適するように構造化されることを意味する。たとえばレンズは、半導体ボディの表面の構造化された領域によって構成される。

0032

半導体ボディの構造化された領域はたとえば、定義された湾曲を有する。レンズはたとえば、表面のこの部分を境界とする。その際、この表面の湾曲された部分領域を通過して半導体ボディから出射される電磁放射はたとえば、幾何光学法則に従って屈折される。

0033

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、レンズの横方向の長さは、放射放出領域の横方向の長さより大きい。レンズの横方向の長さとはたとえば、エピタキシャル層シーケンスの成長方向に対して垂直な平面におけるレンズの最大長さを指す。レンズの横方向の長さは有利には、放射放出領域の横方向の長さの少なくとも2倍である。特に有利には、レンズの横方向の長さは、この領域の横方向の長さの少なくとも3倍である。

0034

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、各放射放出領域に対してちょうど1つのレンズが割り当てられる。その際には、放射放出領域で生成された電磁放射の大部分が、該放射放出領域に対して割り当てられたレンズを通ってチップから出射される。この場合、放射放出領域で生成された電磁放射は、別のレンズを通って、たとえば隣接するレンズを通って出射されることはほとんどないか、または全くない。

0035

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、各放射放出領域に対してちょうど1つのレンズが割り当てられ、各レンズに対してちょうど1つの放射放出領域が割り当てられる。このことは、各放射放出領域に対して、有利には1つのレンズが1対1で割り当てられることを意味する。特に有利には、放射放出領域と該放射放出領域に対して割り当てられたレンズは、相互に中心合わせされて配置される。その際には、レンズは有利には、半導体ボディの凸状に湾曲された部分領域に対して中心合わせされて配置され、この部分領域は放射放出領域に対して1対1で割り当てられる。すなわち有利には、レンズと、担体に向かって凸状に湾曲された部分領域と、放射放出領域とは、対として1体1で相互に割り当てられる。

0036

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、レンズはエッチング技術によって、半導体ボディの担体に対して反対側の表面に構造化によって形成される。その際には、半導体ボディはこの領域で、外側に向かって湾曲されたボリュームレンズを形成する。このレンズはたとえば、球面または非球面の湾曲部を有する。また、レンズをフレネルレンズとすることもできる。

0037

オプトエレクトロニックチップの少なくとも1つの実施形態によれば、放射放出領域の少なくとも一部は、半導体ボディの担体に対して向かい合う表面および該担体に対して反対側の表面を構造化することによって形成される球の中間点に配置される。この球は、半導体材料から成る。こうするためにはたとえば、半導体ボディの相互に反対側にある両表面上で、球面状に湾曲された凸状領域を形成し、これらの凸状領域を相互に補足して球体を形成する。有利には、担体に対して向かい合う凸状湾曲部分領域は反射性に構成される。すなわち、この凸状湾曲部分領域は少なくとも幾つかの部分で、反射性コーティングされる。有利には、凸状に湾曲された部分領域はエッチング技術によって、半導体ボディに構造化によって形成される。このようにして、半導体ボディの担体に対して向かい合う表面にも、該担体に対して反対側の表面にも、湾曲されたエッチング構造が設けられる。

0038

このように構造化される半導体チップではとりわけ、半導体材料から成る球の内部、有利には中間点に、放射源‐放射放出領域を配置するという思想を利用する。有利には、放射放出領域の横方向の長さに対して以下の関係式が適用される:
r<R n2<n1
ここでは、Rは半導体材料から成る球の半径を表し、n2は、オプトエレクトロニックチップの放射出射面に隣接する媒体屈折率を表し、n1は、球を形成するための半導体材料の屈折率を表す。

0039

ここではさらに、オプトエレクトロニックチップの製造方法も提案される。

0040

該製造方法の少なくとも1つの実施形態によれば、まず半導体ボディを、有利にはエピタクシーによって成長基板上に沈着する。有利には半導体ボディは、少なくとも1つの活性ゾーンを有し、この活性ゾーンは半導体ボディの層または層シーケンスによって構成される。活性ゾーンは、電磁放射を生成するためにたとえば、pn接合部、ダブルへテロ構造、量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する。

0041

活性ゾーンの成長基板に対して向かい合う面および/または該成長基板に対して反対側の面に、充填層が沈着される。次にこの層に、凸状に湾曲された領域を構造化によって形成することができる。

0042

本製造方法の少なくとも1つの実施形態によれば、半導体ボディの基板に対して反対側の表面を構造化することにより、該基板から凸状に湾曲された少なくとも1つの部分領域が形成される。たとえば、表面のこの構造化は、基板に対して反対側の充填層にエッチング技術を施すことによって行われる。有利には、複数のこのような部分領域が半導体ボディの表面に形成される。

0043

本製造方法の少なくとも1つの実施形態によれば、放射放出領域が活性ゾーンに形成される。この放射放出領域の横方向の長さは、凸状に湾曲された部分領域の横方向の長さより小さい。放射放出領域はたとえば、以下の手法のうち1つによって形成される:プロトン注入量子井戸無秩序化(Quantenwellintermixing)、高アルミニウム含有層酸化

0044

本製造方法の少なくとも1つの実施形態によれば、別のステップで担体を、半導体ボディの基板と反対側の表面に設ける。たとえばこの担体を、基板上にボンディングする。すなわち、半導体ボディの表面で凸状に湾曲された部分領域は、担体に対して向かい合う。

0045

オプトエレクトロニックチップの製造方法の少なくとも1つの実施形態によれば、本製造方法は次のステップを有する:
・半導体ボディを、活性ゾーンも含めて基板上に沈着するステップ。
・基板から凸状に湾曲された少なくとも1つの部分領域を、半導体ボディの基板と反対側の表面を構造化することによって形成するステップ。
・横方向の長さが前記部分領域の横方向の長さより小さい放射放出領域を活性ゾーンに形成するステップ。
・半導体ボディの基板と反対側の表面上に担体を設けるステップ。

0046

前記の個々のステップの順序は、ここに開示された製造方法では必ずしも遵守する必要がない。たとえば放射放出領域の生成を、半導体ボディの基板と反対側の表面上に担体を設けた後に行ってもよい。

0047

本製造方法の少なくとも1つの実施形態によれば、担体を設けた後に基板が薄くされる。すなわち、基板の厚さはたとえば、以下の技術のうち1つによって低減される:エッチング技術、鋸断技術、研磨技術

0048

少なくとも1つの実施形態によれば、基板は半導体ボディから完全に除去される。たとえばこの基板は、以下の技術のうち1つによって除去される:エッチング技術、鋸断技術、研磨技術、レーザ切除技術。半導体ボディはこの場合、成長基板から離される。

0049

本製造方法の少なくとも1つの実施形態によれば、半導体ボディの担体と反対側の表面上に、該担体から凸状に湾曲された領域が、半導体ボディの表面の構造化によって形成される。ここでは表面の構造化は、たとえばエッチング技術によって行われる。有利にはこの領域は、以下の光学的素子のうち1つを形成する:球面ボリュームレンズ、非球面ボリュームレンズ、フレネルレンズ。すなわち、少なくとも1つのレンズを、半導体ボディの担体と反対側の表面上に形成する。有利には本製造方法によって、このような領域が多数形成される。有利には各領域に対して、活性ゾーン内の放射放出領域が1対1で割り当てられる。

0050

本製造方法の少なくとも1つの実施形態によれば、活性ゾーン内の放射放出領域は、活性ゾーンの少なくとも一部を損傷することによって生成される。すなわち、活性ゾーンの一部を損傷して、電磁放射の生成に適さないようにする。このようにして、損傷を受けない活性ゾーンの領域が放射放出領域を構成する。有利にはこのようにして、多数の放射放出領域を生成する。特に有利には、各放射放出領域に対して、担体に対して向かい合う凸状に湾曲された部分領域が1対1で割り当てられる。

0051

有利には、半導体ボディの厚さは最も薄い場所において最大10μmである。

0052

以下で、本願で開示されているオプトエレクトロニックチップと、本願で開示されている製造方法とを、実施例および関連の図面に基づいて詳細に説明する。

0053

これらの実施例および図面では、同一および同機能の構成要素にはそれぞれ、同一の参照記号が付与されている。図面に示された要素は、正確な倍率として見るべきでない。むしろ図面の個々の要素は、より理解しやすいように部分的に過度拡大表示されている場合があり、相互に実際のサイズ比率で表示されていない場合がある。

0054

図1は、本願で開示されているオプトエレクトロニックチップの第1の実施例の断面を示す概略図である。

0055

この実施例では、担体10に半導体ボディ14が配置されている。この半導体ボディ14は、たとえば薄膜層を有する。担体10は、たとえばウェハである。たとえば、担体は以下の材料のうち少なくとも1つの材料を含む:ゲルマニウム、砒化ガリウム、窒化ガリウム、炭化シリコン、サファイア、モリブデン、金属、炭素。

0056

また、担体がフレキシブル導電膜によって形成される構成も可能である。たとえば、担体を炭素フィルムによって実現することができる。ここでは炭素フィルムの厚さは、有利には100μm以下である。

0057

担体は有利には、ボンディング層9を使用して半導体ボディ14に機械的に結合され、電気的にコンタクトされている。半導体ボディ14の担体10に向かい合う表面上に、有利には電気的に絶縁性誘電体層6が設けられる。誘電体層6は、たとえば以下の材料のうち1つを含む:窒化シリコン酸化シリコン酸化アルミニウム。有利には、誘電体層6はSi3N4またはSiNから成るか、またはこれらの材料を含む。

0058

誘電体層6の次は、反射性の金属層8が続いており、この金属層8はたとえば、金、銀、金‐ゲルマニウム、アルミニウムまたは白金等の反射性の金属を含む。この反射性の金属層8は、誘電体層6と担体10との間に配置される。

0059

反射性の金属層8は有利には、特に良好な導電性を有し、かつ、半導体ボディ14の活性ゾーン1の放射放出領域2で生成された電磁放射を少なくとも部分的に、該半導体ボディ14の表面13の方向に反射するのに適するように設けられている。

0060

誘電体層6は開口を有し、これによって電流入力結合領域7が形成される。ここでは開口は、有利には反射性の金属層8の材料を含み、これは開口で、半導体ボディ14に直接的に接する。電流入力結合領域7は、たとえば横方向の長さρを有し、たとえばシリンダ形に形成される。横方向の長さρはその際には、このシリンダの直径によって定義される。

0061

半導体ボディ14はたとえば、窒素化合物半導体リン化合物半導体または砒素化合物半導体をベースとする。

0062

窒素化合物半導体をベースとするということはここでは、活性エピタクシー層シーケンスのうち少なくとも1つの層、たとえば活性ゾーン1が、窒化III/V族化合物半導体材料を含み、有利にはAlnGamIn1−n−mNを含むことを意味する。ここでは、0≦n≦1、0≦m≦1およびn+m≦1である。ここでは必ずしも、この半導体材料が上記の関係式にしたがって、数学的に正確な組成を有する必要はない。むしろこの半導体材料は、AlnGamIn1−n−mN材料の特徴的な物理的特性を実質的に変化しない1つまたは複数のドープ剤および付加的な構成要素を含むことができる。しかし簡略化のために、上記の関係式は結晶格子の基本的な構成要素(Al,Ga,In,N)のみを含むが、上記の構成要素の一部を少量の別の物質に置き換えることができる。

0063

リン化合物半導体をベースとするということはここでは、活性のエピタクシー層シーケンスのうち少なくとも1つの層、たとえば活性ゾーン1が、リン化III/V族化合物半導体材料を含み、有利にはAlnGamIn1−n−mPを含むことを意味する。ここでは、0≦n≦1、0≦m≦1およびn+m≦1である。ここでは必ずしも、この半導体材料が上記の関係式にしたがって、数学的に正確な組成を有する必要はない。むしろこの半導体材料は、AlnGamIn1−n−mP材料の特徴的な物理的特性を実質的に変化しない1つまたは複数のドープ剤および付加的な構成要素を含むことができる。しかし簡略化のために、上記の関係式は結晶格子の基本的な構成要素(Al,Ga,In,P)のみを含むが、上記の構成要素の一部を少量の別の物質に置き換えることができる。

0064

砒素化合物半導体をベースとするということはここでは、活性のエピタクシー層シーケンスのうち少なくとも1つの層、たとえば活性ゾーン1が、砒化III/V族化合物半導体を含み、有利にはAlnGamIn1−n−mAsを含むことを意味する。ここでは、0≦n≦1、0≦m≦1およびn+m≦1である。ここでは必ずしも、この半導体材料が上記の関係式にしたがって、数学的に正確な組成を有する必要はない。むしろこの半導体材料は、AlnGamIn1−n−mAs材料の特徴的な物理的特性を実質的に変化しない1つまたは複数のドープ剤および付加的な構成要素を含むことができる。しかし簡略化のために、上記の関係式は結晶格子の基本的な構成要素(Al,Ga,In,As)のみを含むが、上記の構成要素の一部を少量の別の物質に置き換えることができる。

0065

半導体ボディはさらに有利には、電磁放射を生成するのに適した少なくとも1つの活性ゾーン1を有する。この活性ゾーン1はたとえば、pn接合部、ダブルへテロ構造、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する。

0066

量子井戸構造という用語は本願の枠内では、電荷担体に対して閉じこめ(「Confinement」)により、エネルギー状態量子化が行われる構造を含む。とりわけ量子井戸構造という用語は、量子化の次元を表すものではなく、とりわけ、量子箱量子細線量子ドット、およびこれらの構造のすべての組み合わせを含む。

0067

活性ゾーン1は、放射放出領域2を有する。この放射放出領域2は、活性ゾーン1の幾つかの領域を損傷することによって形成され、これらの領域ではオプトエレクトロニックチップの動作時に放射生成が行われないようにすべきである。活性ゾーンの損傷は、たとえばプロトン注入、高アルミニウム含有層の酸化、または量子井戸無秩序化によって行われる。

0068

さらに、たとえばp型ドーピングされた、半導体ボディの担体に向かい合う面の横方向の導電性が低くなるように構成し、電流が電流入力結合領域7を通って入力結合される際には基本的に、活性ゾーン1の平面への電流入力結合領域7の垂直方向投射像である活性ゾーン1の領域が通電されるようにすることができる。

0069

放射放出領域2は有利には、横方向の長さ2rを有する。たとえば放射放出領域は、シリンダ形またはディスク形であり、このシリンダの直径は放射放出領域の横方向の長さである。その際には、放射放出領域はそれぞれ、半径rを有する。

0070

さらに、半導体ボディ14は図1の実施例では、担体10に向かって凸状に湾曲された部分領域3を有する。この部分領域3は半導体ボディ14の充填層4に、たとえばエッチング技術によって構造化される。この部分領域3は少なくとも幾つかの部分で、誘電体層6および金属層8によって反射性コーティングされる。

0071

図1の実施例では、部分領域3はy2=2pzの形状の放物面によって実現される。ここでは、zは交差垂線であり、yは、半導体ボディ14が設けられた担体10の表面に対して平行に延在する平面にある。反射性コーティングされた部分領域3は図1の実施例では、放射放出領域2で生成された電磁放射に対して、放物面鏡のように作用する。

0072

有利には、各放射放出領域2に対して部分領域3が1対1で割り当てられる。特に有利には、各放射放出領域2は少なくとも幾つかの部分で、割り当てられた放物面鏡の焦平面に設けられる。すなわち、放射放出領域2の少なくとも幾つかの部分は、放物面鏡の焦平面に設けられる。オプトエレクトロニックチップの動作時には、放射放出領域2で生成された電磁放射は、割り当てられた放物面鏡によって反射される。

0073

活性ゾーン1の担体と反対側には、たとえばn導電型の層5が設けられる。この層5は、電流拡開層として設けることができる。オプトエレクトロニックチップの表面13上には、ボンディングパッド11が設けられる。有利には層5は、このボンディングパッド11を介して入力結合された電流を、オプトエレクトロニックチップの表面13に均質分布するのに適するように設けられる。

0074

これに対して択一的に、半導体層5を省略することもできる。その際には、ボンディングパッド11の電流分布TCO層(Transparent Conductive Oxyd)によって実現することができる。このTCO層は、たとえばITO(Indium Tin Oxyd)またはZnO(酸化亜鉛)を含むことができる。ここでは、放射放出領域上、すなわち放物面鏡の焦平面上には、コンタクトポイントが配置される。

0075

さらに、放射放出領域2に対してレンズ12(ここで図3を参照されたい)を1つずつ後置することもできる。このレンズ12は、たとえば放射放出領域に対して中心合わせして配置される。このレンズは、以下のレンズのうち1つとすることができる:球面レンズ非球面レンズ、フレネルレンズ。このレンズはたとえば、半導体ボディ14の充填層4に構造化によって形成される。充填層4は、活性ゾーン1の担体10と反対側に設けられる。

0076

図2Aに、図1に示されたようなオプトエレクトロニックチップの実施例における出力結合効率μの計算値パーセンテージで示されている。ここでは、次のモデルパラメータは一定に維持されている。活性ゾーン1上方の放物面の高さは、p/2=8μmである。活性ゾーンは少なくとも幾つかの部分で、放物面の焦平面に存在する。放射放出領域2は少なくとも幾つかの部分で、放物面の焦平面に存在する。放物面の横方向の長さ2Rは、約4.5μmである。

0077

結合用の半導体層の厚さdは2.2μmであり、活性ゾーン1の厚さは0.2μmである。活性ゾーン2は、90%のフォトンリサイクリング内部効率を有し、上記で定義されたAlGaInP半導体体系で形成される。放出波長は、650nmである。

0078

AlGaAs/AlGaInP材料体系で構成された半導体ボディの屈折率は、約3.0〜3.5の間である。すなわち、充填層4はAlGaAs材料体系で形成される。

0079

チップ周辺の材料の屈折率は1.5である。これはたとえば、チップ充填材としてオプトエレクトロニックチップの表面13に接して設けられるエポキシ樹脂の屈折率に相応する。

0080

誘電体層6は、この実施例では窒化シリコンから成る。金属層8は金から成る。

0081

図2Aには、全体の出力結合効率μ(塗りつぶされた円)と開口数=0.5への出力結合効率μ(中抜き円)とが、放射放出領域2の半径rに依存して示されている。

0082

図2Aから理解できるように、開口数=0.5への出力結合効率が大きくなるほど、放射放出領域2は小さく絞られる。放射放出領域2の半径がr=約1μmである場合、すなわち横方向の長さが約2μmである場合、開口数=0.5への出力結合効率は40%を上回る。

0083

図2Bには、出力結合効率が半導体層5の厚さhに依存して示されている。結合用の半導体層の厚さdは、1.2μm+hである。放射放出領域2の半径rは2.5μmに固定されているので、放射放出領域2の横方向の長さは5μmである。

0084

図2Bから理解できるように、全体の出力結合効率(塗りつぶされた円)も開口数0.5への出力結合効率(中抜き円)も、半導体層5の厚さhが低減されるごとに上昇する。このことは、厚さhが低減されると、前方に放出され出力結合円錐内にないビーム、すなわちオプトエレクトロニックチップの表面13で全反射されるビームが、放射放出領域に非常に近接する場所で反射されるようになることに起因する。このようにして生成された放射放出領域2の虚像は、部分領域3によって形成された放物面鏡の焦平面になお十分に近接する場所に配置され、これを効率的に利用することができる。

0085

したがって、オプトエレクトロニックチップの有利な実施例では半導体層5が省略される。ボンディングパッド11による電流拡開はこの場合、放物面の中心上方に設けられたTCO層およびコンタクトポイントによって実現される。

0086

図3には、本願で開示されているオプトエレクトロニックチップの第2の実施例が示されている。

0087

図1の実施例と異なる点は、担体10に向かって凸状に湾曲された部分領域3が、この実施例では球面状に湾曲されることである。有利には部分領域3は、半球の形状を有する。さらに、オプトエレクトロニックチップの担体10に対して反対側の表面13において、球面レンズ12が充填層4に構造化によって形成される。

0088

このようにして、放射放出領域2はそれぞれ、半導体材料から成り半径Rを有する球に埋め込まれる。

0089

このように形成されたオプトエレクトロニックチップでは、ワイエルシュトラスの円の原理が利用される。凸状に湾曲された部分領域3と球面レンズ12とによって形成された、屈折率n1および半径Rを有する球の内部に、放射放出領域2が横方向の長さ2rを有する光源として配置されている。半径rを有するディスク形の放射放出領域2では、以下の関係式が得られる:
r<R n2/n1
ここでは、n2は周辺の媒体の屈折率であり、放射放出領域2で生成される電磁放射の特に効率的な出力結合である。

0090

図4には、図3の実施例で説明したようなオプトエレクトロニックチップにおける放射放出領域2の半径rの関数として、出力結合効率μの計算値が示されている。ここでは、以下のモデルパラメータが一定に維持される。

0091

凸状に湾曲された領域3とレンズ12とによって形成された半導体球の半径は、R=8μmである。

0092

結合用の半導体層の厚さdは2.2μmであり、活性ゾーン1の厚さは0.2μmである。活性ゾーン1は、90%のフォトンリサイクリングの内部効率を有し、上記で定義されたAlGaInP半導体体系で形成される。放出波形は650nmである。

0093

AlGaAs/AlGaInPの材料体系で構成された半導体ボディの屈折率は、約3.0〜3.5の間である。すなわち、充填層4はAlGaAsの材料体系で形成される。

0094

チップ周辺の材料の屈折率は1.5である。これはたとえば、チップ充填材としてオプトエレクトロニックチップの表面13に接して設けられるエポキシ樹脂の屈折率に相応する。

0095

誘電体層6は、この実施例では窒化シリコンから成る。金属層8は金から成る。

0096

球半径がR=8μmである場合、上記のワイエルシュトラスの条件は、放射放出領域の半径を最大で3.5μmに制限しなければならないことを意味する。

0097

図4から理解できるように、出力結合効率が大きいほど、放射放出領域は小さく選択される。放射放出領域2の半径rが2μmに制限される場合、すなわち、放射放出領域2の横方向の長さが4μmである場合、たとえば全体の出力結合効率は約75%になる。

0098

たとえば図3に示されたようなオプトエレクトロニックチップの製造は、以下のようにして行われる。まず半導体ボディ14を、充填層4および活性ゾーン1も含めて、成長基板ウェハ20にエピタクシーによって沈着する(ここで、図5Aを参照されたい)。

0099

図5Bには、次に半導体ボディ14の基板20と反対側の表面上にマスクをどのようにして設けるかが示されている。この表面が、放射生成に適する領域を定義しなければならない。マスクによって保護されない領域は、たとえばプロトン注入によって損傷されることにより、活性ゾーン1において放射生成領域2が定義される。

0100

次のステップ(図5C)で、後に担体10に対して向かい合う部分領域3を、エッチングによって形成する。このことはたとえば、焼戻しステップによって丸みが加えられたレジストと、後続ドライエッチングとを使用して行われる。

0101

図5Dには、次に誘電体層6を前記部分領域3にどのようにして設けるかが示されている。この誘電体層6は、たとえば窒化シリコンを含む。放射放出領域2の上方では、誘電体層はたとえばエッチングによって開放されることにより、後の電流注入のための電流入力結合領域7が形成される。

0102

次のステップ(図5Eを参照されたい)では、ミラーと、コンタクトメタライジングである金属層8が設けられる。この金属層8は、たとえば金を含む。

0103

たとえばウェハボンディング技術を使用して、担体10はボンディング層9を使用して、半導体ボディ14の成長基板20と反対側の表面に設けられ、その後に成長基板20が除去される(図5Fを参照されたい)。

0104

図5Gは、次に部分領域3の形成に類似して、球面構造、レンズ12を、担体10と反対側の充填層4にどのようにして構造化によって形成するかを示している。この球面構造は、たとえばドライエッチング技術によって形成される。

0105

図5Hは、ボンディングパッド11が設けられるのを示している。

0106

電流分配を行うためにはさらに、コンタクト格子、またはTCOによって接続されるコンタクトポイントを半導体ボディ14の上面13に設ける必要がある。有利には、金属性でありひいては電磁放射をシールドするコンタクト領域が、半導体ボディ14の担体10と反対側の表面13において、レンズ12を形成する半球の相互間のトレンチ内に設けられる。

0107

ここに図示されていない最後のステップでは、コンタクトが合金化され、ウェハが個々のチップに分割される。有利には、各オプトエレクトロニックチップは少なくとも80個の放射放出領域2を含む。

0108

ここに開示された製造方法では択一的に、放射放出領域2を成長基板20の剥離後に形成することもできる。またプロトン注入の他に、高アルミニウム含有AlGaAs層の酸化または量子井戸無秩序化等の別の技術を使用して、放射放出領域2を形成することもできる。

0109

図1の実施例のように、レンズ12が半導体ボディ14の担体10と反対側の表面13に形成されない場合、放射放出領域2の形成を択一的に省略することができる。その際にはたとえば、十分に低い横方向の導電性を有する半導体層5が使用される。すなわち層5の導電性は、半導体ボディ14に対して向かい合う担体10の表面に対して平行な平面では大きく制限される。この場合、放物面を介して形成されたコンタクトポイントを使用することができる。層5の電流拡開が小さいことにより、活性ゾーン1に、コンタクトポイントの横方向の長さにほぼ相応する横方向の長さを有する放射放出領域2が得られる。放射放出領域2はその際には、活性ゾーン1の平面へのコンタクトポイントの垂直方向の投影像にほぼなる。

0110

本願は、ドイツ連邦共和国特許出願102005033005.3−33の優先権を主張するものであり、この開示内容は、参照によって本願の開示内容に含まれる。

0111

本発明は、実施例に基づいてなされた説明に制限されない。むしろ本発明は、とりわけ請求項に記載された特徴から得られる別の構成またはすべての組み合わせを含んでいる。このことは、これらすべての構成または組み合わせが、それ自体で請求項または実施例の説明に明示的に記載されていない場合も相違ない。

図面の簡単な説明

0112

オプトエレクトロニックチップの第1の実施例の断面を示す概略図である。
オプトエレクトロニックチップの第1の実施例における、活性ゾーンの半径に対して出力結合効率をプロットしたグラフである。
第1の実施例における、放射出射面と放射放出領域との間の距離に対して出力結合効率をプロットしたグラフである。
オプトエレクトロニックチップの第2の実施例の断面を示す概略図である。
オプトエレクトロニックチップの第2の実施例における、放射放出領域の半径に対して出力結合効率をプロットしたグラフである。
本願で開示したオプトエレクトロニックチップを製造するためのステップを示す概略的な断面図である。
図5Aの次のステップを示す断面図である。
図5Bの次のステップを示す断面図である。
図5Cの次のステップを示す断面図である。
図5Dの次のステップを示す断面図である。
図5Eの次のステップを示す断面図である。
図5Fの次のステップを示す断面図である。
図5Gの次のステップを示す断面図である。

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