JP2004524710A - オプトエレクトロニクス用半導体チップ - Google Patents

Abstract

半導体チップ、殊に、発光ダイオードは、基板（２）を有しており、基板上に、活性層（５）と共に半導体層列（３）が堆積されている。半導体層列（３）の上側に、ビーム出力結合に関して、半球レンズ（７）の機能を有するフレネルレンズの形式に構造化された階段状の窓層（６）が設けられている。そうすることによって、半導体チップを特に高い出力結合効率にすることができる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、光量子（光子、フォトン）放出活性領域と後続の窓層を有する半導体層列が設けられているオプトエレクトロニクス用の半導体チップに関する。
【０００２】
本発明は、更に、先ず、基板上に、活性領域と後続の窓層とを有する半導体層が堆積されているオプトエレクトロニクス用半導体チップの製造方法に関する。
【０００３】
ヨーロッパ特許公開第０５５１００１号公報から、その種の半導体チップ、及び、その種の半導体チップの製造方法が公知である。公知の半導体チップは、基板上に構成された、光放出領域を有しており、この光放出領域上に肉厚の窓層がある。窓層の厚みは、窓層の表面で全反射された光ビームが、窓層の側面を通って入射乃至出射することができるように選定されている。
【０００４】
公知の半導体チップの欠点は、窓層の大きな厚みにある。大きな厚みの層をエピタキシャルで製造するのは極めて困難だからである。更に、公知の窓層は、臨界角度があまり大きくない場合にしか、高い出力結合（発光）効率とならない。しかし、オプトエレクトロニクス用の半導体チップは、典型的には、ｎ＝３．５の屈折率の半導体材料製である。半導体材料に隣接している基板は、通常のように、ｎ＝１．５の屈折率を有している。この場合、全反射の臨界角度は、約２６°である。その結果、立方体状の半導体チップでは、半導体チップから発生される光量子の、典型的には約４％しか出力結合されない。
【０００５】
従って、ドイツ連邦共和国特許公開第１９９１１７１７号公報では、半導体チップに亘って分布して、多数の活性領域を設けて、この活性領域の上に、各々半球状のビーム出力結合要素を設けることが提案されている。この半導体チップにより得られる利点は、ビーム出力結合要素が、出力結合にとって最も適した理想的な形状、つまり、ワイヤストラス球の形状を有している点にある。更に、半球状ビーム出力結合要素が製造される層は、厚みをあまり大きくする必要はない。
【０００６】
しかし、公知の半導体チップでは、半球状ビーム結合要素に側方からコンタクトするので、活性層のコンタクトは比較的コスト高である。
【０００７】
米国特許第５０８７９４９号明細書からは、基板自体が窓層の機能を持った半導体チップが公知である。基板は、側方に斜めに切られた側面を有しており、その結果、活性領域から出る光ビームは、可能な限り、全反射臨界角度よりも小さな入射角度以下で出射する。しかし、この解決手段は、どんな場合でも利用可能ではない。つまり、適切な基板を利用できないことがよくあるからである。
【０００８】
この従来技術に基づいて、本発明の課題は、半導体チップをできる限り高い出力結合（発光）効率で製造することにある。
【０００９】
この課題は、本発明により、窓層は、フレネルレンズの形式による領域内で構造化されており、該構造化の結果、活性領域から放射されたビームが、窓層との境界面上の領域内で、活性領域の方に向かって傾斜している包囲媒質の方に入射するように構成されていることにより解決される。
【００１０】
活性領域の上側に設けられた構造化窓層、乃至、フレネル状レンズを構成することによって、窓層の厚みを比較的薄く保持することができる。フレネル状レンズ乃至階段状に構造化された窓層の高さは僅かであるにも拘わらず、こうすることによって、任意の横断面プロフィールのレンズの機能を果たし、つまり、出力結合にとって理想的な半球レンズの機能も果たし、殊に、活性領域から出射されたビームが、窓層と、包囲媒質との境界面に入射するようになる。従って、構造高さは低いにも拘わらず、本発明の半導体チップは、出力結合効率を高くすることができる。
【００１１】
更に、本発明の課題は、本発明による窓層が設けられた半導体チップの製造方法を提供することにある。
【００１２】
この課題は、本発明によると、
窓層上にフォトレジスト層を堆積するステップ、
グレースケールマスクを用いてフォトレジスト層を露光するステップ、
フォトレジスト層内に階段状の表面構造を形成するためにフォトレジスト層を現像するステップ、
異方性エッチング過程を用いて、フォトレジスト層の下側に位置している窓層上にフォトレジスト層の表面構造を転写するステップ
を有する、本発明のオプトエレクトロニクス用半導体チップの製造方法によって解決される。
【００１３】
グレースケールマスクでフォトレジスト層を露光することによって、エッジが斜めに切られたフォトレジスト構造を形成することができる。露光技術を用いて、窓層上にフレネルレンズの形式によって構造化された表面のフォトレジスト層を形成し、これを、その下側に位置している窓層上に、異方性エッチング方法を用いて転写することができる。
【００１４】
別の有利な実施例は、従属請求項に記載されている。
【００１５】
以下、本発明について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。
【００１６】
図１には、半導体層列３が活性層４と一緒に堆積されている基板２を有する半導体チップ１の横断面が示されている。図１に示されている半導体チップは、発光ダイオード用の半導体チップである。図１に示されていない適切な絞り、又は、図１に同様に示されていないコンタクト個所の大きさを選定することによって、光量子を放出する活性層４の領域を、直径ｄ_Ａの活性層５に限定することができる。
【００１７】
活性層５の上に、窓層６が設けられている。窓層６は、フレネルレンズ状に階段式に構造化された窓層を有している。理想的な場合、構造化された窓層は、フレネルレンズの形式に従ってビーム出力結合に関して、活性領域５上に半球状にセンタリングされたレンズ７の機能を有している。センタリングされたレンズとは、この関連では、レンズの主光軸が、活性領域５の中心点を通るということである。この仮想乃至想像上のレンズは、図１には、破線によって示されている。
【００１８】
ワイヤストラスによると、活性領域５で生じる光量子は、
ｄ_Ａ＜ｄ_Ｈ×ｎ_Ｍ／ｎ_Ｈ
の場合に、想像上のレンズ７、従って、理想的な場合、窓層６から放出され、その際、ｄ_Ｈ及びｎ_Ｈは、各々想像上のレンズ７乃至フレネル層６の直径、及び、屈折率であり、ｎ_Ｍは、レンズ７乃至窓層６に連接した媒質の屈折率である。つまり、活性領域５の直径ｄ_Ａは、包囲材料の屈折率ｎ_Ｍと、レンズ７の材料の屈折率ｎ_Ｈとの比で低減された、レンズ７の直径よりも小さくする必要がある。想像上のレンズ７から、構造化された窓層６に達するために、想像上のレンズ７の横断面プロフィールを、活性領域５の中心点にセンタリングされた中心投射を用いて、窓層の領域内に投射することができる。その際、横断面がほぼ等距離であるように、活性層４上に窓層の階段部を投射することができる。想像上のレンズ７よりも薄い窓層６の幾何学的な構成のため、頂点が活性領域内の同じ個所に位置していて、直径ｄ_Ｈの半球に形成される各々２つの円錐側面間の中間スペースを、部分的に半球中心点の方に投射してもよい。その際、レンズ７の横断面プロフィールの円セグメントは、活性層に対する勾配が大きくなるに連れて長さが短くなる三角形に近似するようにすると目的に適っており、その結果、ほぼ、（微視的な）表面構造を別にすると、巨視的には、平坦な表面の窓層６が形成される。その際、多角形の横断面を有するように形成された窓層６は、活性層５内で生じたビームのビーム出力結合に関して、かなりの程度、半球７の機能を有している。
【００１９】
図２及び３には、図１に従って構成された半導体チップの平面図及び横断面図が示されている。図２及び３に示された実施例は、窓層６上に中央コンタクト個所９が形成されている発光ダイオード８である。
【００２０】
発光ダイオード８の効率を評価するために、ビーム光が計算される（光線追跡）。その際、基板２に無視し得ない程の吸収性がある場合、出力結合効率は、２０〜４０％の値となる。その際、出力結合効率とは、活性領域５内で生じる光量子の個数と、発光ダイオード８から放出される光量子の個数との比のことである。生じた光量子全てが発光ダイオード８から放出することができる場合、このようにすると、出力結合効率は１００％となる。出力結合効率が下がる理由は、一方では、下側半球内で放出された光量子は、基板２内で吸収されるからである。従って、達成可能な最大出力結合効率は、５０％である。更に、真っ直ぐ上の方に放出された光量子は、コンタクト個所９によってシェーディングされる。更に、理想的な場合、窓層６を形成する円セグメントは、三角形に近似することが分かる。この効果は、窓層６の内部に位置しているリング１０で分かる。更に、この内部リング１０では、ワイヤストラスの条件は、全活性領域５に関して最早充足しない。つまり、活性領域５は、球状に形成されず、放射方向に応じて、活性領域５が、放射方向に対して直角な面の方に投射されることによって得られる、他の有効直径ｄ_Ａを有するからである。しかし、内部に位置しているリング１０の場合、有効直径は特に大きく、その結果、ワイヤストラスの条件は、全活性領域５に対して充足するとは限らない。
【００２１】
発光ダイオード８の出力結合効率は、吸収基板２と活性層４との間に鏡層が堆積されているので、有効に上昇することができる。この鏡層は、例えば、エピタキシャル成長された多層鏡にするとよい。その種の鏡層は、何れにせよ、所定角度領域内でしか有効に反射されない。この場合、反射率の高い角度領域は、平坦な光ビームの領域内にあると、有利である。鏡層によって、窓層６は、或る程度バーチャルに下の方に下がり（ｇｅｋｌａｐｐｔ）、その結果、下側の半球内で放出された光量子も、窓層６を通って発光ダイオード８から放射することができるようになる。鏡層に金属層を用いると、特に高い出力結合効率が得られる。この場合、出力結合効率は、８０％にも達する。
【００２２】
更に、図４及び５に示されているように、コンタクト個所９を窓層６の横方向に設けると、出力結合効率が改善される。図示の実施例では、コンタクトブリッジ１１を流れる電流は、窓層６の真ん中に案内されている。コンタクトブリッジ１１は、有利には、窓層６の非構造化領域である。コンタクトブリッジ１１の製造時に、半導体との電気コンタクト、従って、電流注入（Ｓｔｒｏｍｉｎｊｅｋｔｉｏｎ）は、窓層６の真ん中でのみ行われるようにされる。
【００２３】
これは、例えば、コンタクトブリッジ１１の金属層と、電流注入が遮断される必要がある領域内の、窓層６の半導体材料との間の絶縁中間層によって達成することができる。窓層６の構造化のためには、殊に、グレースケールマスクを用いることによって可能となる点に注目されたい。このために、窓層６上に、析出過程後、フォトレジスト層が堆積され、このフォトレジスト層が、グレースケールマスクを用いて、窓層６の表面構造に相応して露光される。フォトレジスト層の現像時に、完成時の窓層６の表面構造に相応している表面構造が形成される。続いて、異方性エッチング方法によって、そのように構造化されたフォトレジスト層が窓層６内に転写される。このエッチング過程のために、殊に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いるとよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】活性層の後ろに設けられた構造化された、フレネルレンズの形式の窓層を有するオプトエレクトロニクス用の半導体チップの横断面を示す図
【図２】中央コンタクト面付の半導体チップの平面図
【図３】図２の半導体チップの横断面図
【図４】コンタクト面が側方に設けられた半導体チップの平面図
【図５】図４の半導体チップの横断面図

Claims (9)

1. 光量子放出活性領域（５）と後続の窓層（６）を有する半導体層列（３）が設けられているオプトエレクトロニクス用の半導体チップにおいて、
   窓層（６）は、フレネルレンズの形式による領域内で構造化されており、該構造化の結果、活性領域（５）から放射されたビームが、前記窓層（６）との境界面上の領域内で、前記活性領域（５）の方に向かって傾斜している包囲媒質の方に入射するように構成されていることを特徴とする半導体チップ。
2. 窓層の構造化領域は、仮想上のレンズ（７）の表面領域の部分的な投射によって構成上、活性領域（５）にセンタリングされた中心点の方向に半球の形状で形成される請求項１記載の半導体チップ。
3. 活性領域の直径ｄ_Ａは、
   ｄ_Ａ＜ｄ_Ｈ×ｎ_Ｍ／ｎ_Ｈ
   が成り立つようにされ、
   該式で、ｄ_Ｈは、仮想半球（７）の直径であり、ｎ_Ｈは、窓層（６）に隣接した媒質の屈折率である請求項２記載の半導体チップ。
4. 窓層（６）の構造化領域は、横断面内で多角形に近似している請求項２又は３記載の半導体チップ。
5. 半導体チップは、活性領域の上に設けられた中央のコンタクト個所を有している請求項１〜４迄の何れか１記載の半導体チップ。
6. 半導体チップは、窓層（６）の外側にコンタクト個所（９）を有している請求項１〜４迄の何れか１記載の半導体チップ。
7. コンタクト個所（９）から活性領域に、コンタクトウェブ（１１）が案内されている請求項６記載の半導体チップ。
8. 活性領域（５）と基板（２）との間に、反射層が設けられている請求項１〜７迄の何れか１記載の半導体チップ。
9. 先ず、基板（２）上に、活性領域（５）と後続の窓層（６）とを有する半導体層（３）が堆積されているオプトエレクトロニクス用半導体チップの製造方法において、
   フレネルレンズの形式に従って構造化された窓層（６）の表面を形成するために、前記窓層（６）上にフォトレジスト層を堆積するステップ、
   グレースケールマスクを用いてフォトレジスト層を露光するステップ、
   前記フォトレジスト層内に階段状の表面構造を形成するために当該フォトレジスト層を現像するステップ、
   異方性エッチング過程を用いて、フォトレジスト層の下側に位置している前記窓層（６）上に前記フォトレジスト層の表面構造を転写するステップ
   を有することを特徴とするオプトエレクトロニクス用半導体チップの製造方法。