JP2005340836A - オプトエレクトロニクス構成素子及びその製造方法 - Google Patents

オプトエレクトロニクス構成素子及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】特に多様な使い方のできるオプトエレクトロニクス構成素子を提供すること。
【解決手段】積層構造部と支持体を有しており、前記積層構造部は、少なくとも2つの活性ゾーンを含んでおり、前記支持体は、前記積層構造部に被着されるように構成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、オプトエレクトロニクス構成素子に関しており、さらに本発明はこのオプトエレクトロニクス構成素子の製造方法に関している。
ドイツ連邦共和国特許出願 DE 198 195 43 A1 明細書には、二色の発光型半導体デバイスが開示されており、このデバイスはその前面と背面の間に、第1の波長のビームを放射する第1の活性ゾーンを備えて面発光を行う第1の発光ダイオードと、第2の波長のビームを放射する第2の活性ゾーンを備えて面発光を行う第2の発光ダイオードとを有している。この場合2つの活性ゾーンの間には、第1の反射層が設けられており、この第1の反射層は、第1の波長に対しては反射性を、そして第2の波長に対しては透過性を有しており、第2の活性ゾーンと裏側の間には、第2の反射層が設けられ、該第2の反射層は、第2の波長に対して反射性を有している。
また米国特許出願 US 5,391,896明細書からは、4色のモノリシックなオプトエレクトロニクス構成素子が開示されており、この素子は、表側と下側を備えたインジウム−ホスフィット基板を有しており、該基板の表面には、第1のゾーンが被着されており、該第1のゾーン上には第2のゾーンが被着されている。第1のゾーンは、有利にはGaInAsPをベースにしており、第2のゾーンはInPをベースにしている。この2つのゾーンは、構成整合されて成長している。第2のゾーンは、第1のゾーンよりも大きなバンドギャップを有している。
付加的にさらに大きなバンドギャップを有する別のゾーンをそれぞれ被着させることも可能である。この構成素子によれば、様々な色の光を同時に若しくは異なる時点で送受信することが可能にある。
ドイツ連邦共和国特許出願 DE 198 195 43 A1 明細書 米国特許出願 US 5,391,896明細書 国際公開第01/39282号パンフレット 国際公開第98/31055号パンフレット 米国特許出願 US 5,831,277号明細書 欧州特許出願 EP 1 017 113号明細書 米国特許出願 US 5,684,309号明細書 公知文献"I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18, Oktober 1993, 2174-2176頁"
本発明の課題は、特に多様な使い方のできるオプトエレクトロニクス構成素子を提供することにある。さらに本発明の課題は、そのようなオプトエレクトロニクス構成素子の製造方法を提供することである。
前記課題は本発明により、積層構造部と支持体を有しており、前記積層構造部は、少なくとも2つの活性ゾーンを含んでおり、前記支持体は、前記積層構造部に被着される構成によって解決される。また前記課題は本発明により、
(a)基板ウエハ(21)上に、少なくとも2つの活性ゾーンを含む積層構造部(20)をエピタキシャルに析出するステップと、
(b)基板ウエハ(21)に対向する積層構造部(20)の面に支持体(1)を被着させるステップと、
(c)前記基板(21)を除去するステップとを有していることによって解決される。
本発明の別の有利な構成例は従属請求項に記載されている。
本発明のオプトエレクトロニクス構成素子は、積層構造を有しており、この積層構造部は少なくとも2つの活性ゾーンを含んでいる。また本発明のオプトエレクトロニクス構成素子は、支持体を有しており、この支持体は積層構造部に被着されている。
本願の積層構造部とは、例えば上下に積層される層列と理解されたい。これらの複数の層は、例えば成長基板上にエピタキシャルに析出される。有利には複数の活性ゾーンの平らな面が垂直方向で上下に配設される。すなわち積層構造部の複数の層は有利にはモノリシックに集積されている。
特に有利には、この積層構造は、複数の層のシーケンスであり、それによって成長基板がエピタキシャル成長の終了後に除去される。特に有利にはもとの成長基板から離れた側の積層構造部表面に支持体が被着されている。このことは、この支持体がもとの成長基板ではないことを意味する。エピタキシャル成長される層列からの成長基板の除去のもとで形成される構成素子は、概念的にしばしば薄膜構成素子とも称される。
この薄膜構成素子の基本原理は、例えば公知文献“I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18, Oktober 1993, 2174-2176頁”に記載されており、その薄膜構成素子の基本原理に関する開示内容をここでは参照されたい。
例えば薄膜型発光ダイオードチップは、ランベルトの法則による表面放射に良好に近似しており、特に投光器への利用に適している。
特に有利には、支持体は、成長基板に比べて比較的自由に選択可能である。そのためこの支持体は、例えば導電性や安定性などのいくつかの特性に関しては当該の構成素子にとって市販の成長基板よりも好適である。市販の基板はエピタキシャル成長される高価な層列の製造に対しては厳しい制約下におかれている。そのため高価なエピタキシャル層を得るためには、エピタキシャルに析出される材料が、例えば成長基板に対して格子整合されていなければならない。
有利には、積層構造部に被着される支持体は、積層構造部にマッチした熱膨張係数の点で優れている。
例えば支持体は、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、炭化珪素、若しくはその他の材料、サファイア、モリブデン、金属などを含み得る。
オプトエレクトロニクス構成素子の有利な形態によれば、被着された支持体と積層構造部との間にミラー層が設けられる。このミラー層は、例えばブラッグミラー若しくは金属性のミラー層を含み得る。金属性のミラーには、例えば金、金/ゲルマニウム、銀、アルミニウム、プラチナなどが含まれ、ブラッグミラーに比べれば、例えば反射性の方向依存性が比較的僅かである点で抜きん出ている。また金属性ミラーによればブラッグミラーよりも高い反射性が達成できる。特に有利には、金、ないしは金/ゲルマニウム材料からなるミラー層が含まれる。
オプトエレクトロニクス構成素子のさらに有利な実施形態によれば、複数の活性ゾーンが上下で並列に若しくは支持体と実質的に平行に配設される。この実質的に平行とは、この関係においては例えば活性ゾーンを含んだ積層構造部のエピタキシャル成長の間に、上下層で僅かに傾斜した成長がなされてもよいことを意味する。これらの活性ゾーンはそのようなケースにおいては支持体に対して厳密には平行に配設されていない。また支持体は必ずしも正確に積層構造部上の平面に被着されていなくてもよい。このケースでも活性ゾーンの配置は、必ずしも正確に支持体に平行しているわけではない。その他にもプロセスに起因した正確な平行配置からのさらなるずれが考えられる。
特に有利には、活性ゾーンが電磁ビームの生成に適している。
その場合有利には、それぞれ2つの活性ゾーンが共通のコンタクト層を有している。このことは、それぞれ2つの活性ゾーンが共通のコンタクト層を介して電気的にコンタクト可能であることを意味する。この共通のコンタクト層は、この場合例えば2つの隣接する活性ゾーンのそれぞれp側のコンタクトを形成する。
有利には活性ゾーンは、少なくとも2つの異なる波長の電磁ビームを生成するのに適している。
特に有利には、各活性ゾーンが、異なる波長の、すなわち他の活性ゾーンとは異なる波長の電磁ビームを生成し得る。これらの活性ゾーンは、例えば、電磁スペクトルの可視波長領域の光若しくは可視波長領域外の光を生成するのに適している。また活性ゾーンの一部に可視領域の光を生成させ、他の部分は可視領域ではない例えば赤外線スペクトル領域の光を生成できるようにしてもよい。
有利には、活性ゾーンが自身の中で生成された光を、メイン放射方向(すなわちこれは支持体に対して垂直か若しくはほぼ垂直方向であり、支持体から離れる方向である)に放射する。
それに対して活性ゾーンは、例えばpn接合、ダブルヘテロ構造、簡単な量子井戸構造、若しくは特に有利には多重の量子井戸構造(MQW)を有し得る。そのような構造は、当業者には周知であり、それ故ここでの詳細な説明は省く。例えばMQW構造の実施例に対しては、国際公開第01/39282号パンフレット、国際公開第98/31055号パンフレット、米国特許出願 US 5,831,277号明細書、欧州特許出願 EP 1 017 113号明細書、米国特許出願 US 5,684,309号明細書に記載されており、それらのMQW構造の開示内容がここでは参照される。
量子井戸構造とは本願の枠内では電荷キャリヤが閉じ込めによってそのエネルギー状態の量子化を受けるあらゆる構造を含む。この量子井戸構造には、量子化の規模に関する課題は含まれない。そこには、とりわけ量子キャリー、量子細線、量子ドット及びこれらの構造のあらゆる組合わせが含まれる。
特に有利には積層構造部は、例えば2つの活性ゾーンを含んでおり、これらの活性ゾーンは、異なる波長の光を生成するのに適している。すなわち、第1の活性ゾーンは、第1の波長の電磁ビームを生成し、第2の活性ゾーンは、第2の波長の電磁ビームを生成する。
オプトエレクトロニクス構成素子のさらに有利な実施形態によれば、第1の活性ゾーンは、その下方に配置された活性ゾーンの電磁ビームに対して透過的である。このことは、例えば次のことによって達成されてもよい。すなわちこれらの活性ゾーンのバンドギャップが支持体からメイン放射方向で上方に向けて拡大することで達成されてもよい。このことは、積層構造部において全ての活性ゾーンに適用されることを意味し、活性ゾーンが支持体に近ければ近いほど、それによって生成される電磁ビームは長波となる。
この場合垂直方向での積層構造部と、ビームを生成する活性ゾーンの空間的な近接が特に有利であることが判明している。なぜならビームを生成するゾーンの順序によってメイン放射方向で、共通の焦点を有する共通の光学素子が全ての活性ゾーンに対して利用できるからである。この光学素子は有利には次のような可能性を提供する。すなわちオプトエレクトロニクス構成素子の放射特性を構成素子の適用領域に応じて適応化させることができる。特にこの光学素子は、屈折光学系若しくは回折光学系として構成されてもよい。
オプトエレクトロニクス構成素子の有利な実施形態によれば、活性ゾーンは相互に依存することなくコンタクト可能である。すなわち活性ゾーンは、互いに依存することなく電気的に作動することが可能である。例えば活性ゾーンは、そのつど異なる時間毎に電磁ビームを生成し得る。どのような波長の光が生成されるべきかに応じて相応の活性ゾーンが電気的にコンタクト可能であり、それによって所望のビームが生成される。
さらなる有利な実施形態によれば、少なくとも2つの活性ゾーンが電磁ビームの同時発生に適している。それにより有利には、個々の活性ゾーンにおいて生成された電磁ビームの加法的な色混合によって、混合色が生成され得る。
特に有利には、活性ゾーンから発せられた電磁ビームが次のように選択され得る。すなわち混合された光として白色光が生成されるように選択される。例えば2つの活性ゾーンのもとでは、支持体の近くに配設されたゾーンが、より長い波長の第1の光を放射するように選択され、支持体から離れている方のゾーンは、より短い波長の第2の光を放射するように選択される。この2つの波長はこの場合混合色として白色光が生じるように選択可能である。
特に有利には、全ての活性ゾーンが同時に電磁ビームを生成し得る。
前述した構成素子のさらに有利な実施形態によれば、ミラー層が活性ゾーン内で生成された電磁ビームに対して反射的に構成される。すなわちこのミラー層は、個々の活性ゾーンの異なる波長のビームを反射し得る。つまり活性ゾーンで生成された電磁ビームのための共通のミラー層が存在する。代替的に複数のミラー層を上下に配設することも可能である。その際には所定の活性ゾーン内で生成されたビームのみがそのつど反射されるようにミラー層を選択することが可能である。それにより、活性ゾーン内で生成されたビームのあらゆる波長にミラー層が対応付けられる。
特に有利な実施形態によれば、オプトエレクトロニクス構成素子は多色発光ダイオードである。つまり活性ゾーンはメイン放射方向で上下に配設された複数の発光ダイオードの垂直方向のシーケンスで表わされる。
具体的な一例は、例えば共通の光学素子によって提供可能なウインカーとテールライトの共通表示系での組合わせである。また信号機のような交通信号装置での適用も考えられる。ここでは黄色ランプが赤色ランプに統合できる。特にメイン放射方向における活性ゾーンの垂直方向での積層構造は、複数の発光ダイオードの水平配置構成に比べて特に有利であることが判明している(特に省スペースの点で)。
その上さらに本発明のオプトエレクトロニクス構成素子の製造方法によれば、以下のステップ、
(a)基板ウエハ(21)上に、少なくとも2つの活性ゾーンを含む積層構造部(20)をエピタキシャルに析出するステップと、
(b)基板ウエハ(21)に対向する積層構造部(20)の面に支持体(1)を被着させるステップと、
(c)前記基板(21)を除去するステップが含まれる。
有利には前記方法ステップは、書かれている順番で行われる。
特にこの方法では有利には、前述したようなオプトエレクトロニクス構成素子がウエハ複合部において同時に多数作成されてもよい。それによりそれらの構成素子が特に低コストで迅速に製造できる。
本発明による方法の有利な実施形態によれば、前記ステップ(b)の前に、ミラー層が基板ウエハに対向する積層構造部の表面に被着される。このミラー層は、例えばスパッタリング若しくは蒸着によって被着可能である。
以下では本発明によるオプトエレクトロニクス構成素子とそのような構成素子の製造方法を関連する図面に基づいて詳細に説明する。
特に以下の実施例の説明及び図面では、同じ構成部材若しくは同じ作用の構成部材には同じ符号が付されている。また図示された構成部材並びにそれらの縮尺は、必ずしも相互間で厳密には同じ割合でないことも理解されたい。それどころかいくつかの詳細図では、理解を深めるためにさらに拡大して表示されている。
図1には、オプトエレクトロニクス構成素子が示されている。支持体1上には、ミラー層2が被着されており、このミラー層2には積層構造部20が続いている。支持体1は、例えばゲルマニウム、ヒ化ガリウム、炭化珪素、モリブデン若しくはその他の適切な材料を含み得る。有利には、その熱的膨張係数は、積層構造部20の熱膨張係数にマッチングされており、それによって当該オプトエレクトロニクス構成素子の作動中に生じる熱が当該構成素子の支持体1と積層構造部20の間のインターフェースにおける機械的な負荷につながることはない。さらに支持体1は有利には、良好な熱伝導特性の点で優れている。そのため当該構成素子内で発生した熱が迅速に周辺に放出される。このことはこの構成素子の寿命を高め、高出力での作動を可能にしている。
ミラー層2は、有利には金若しくは金/ゲルマニウムを含んでいる。このミラー層は、当該構成素子内で生成されるビームを反射させるのに適している。従ってミラー層2は、その高い反射性の点で優れている。それにより構成素子の放射能力が有利に高められる。なぜなら支持体1内での例えば吸収によってビームが損なわれることが全くか若しくはほとんどなくなるからである。有利にはミラー層2は、支持体1上に蒸着又はスパッタリングされる。支持体1とミラー層2は、積層構造部20に接着、ろう付け、あるいはボンディングなどで接合される。
ここに記載されているオプトエレクトロニクス構成素子の実施例では、積層構造部20が2つの活性ゾーンを含んでいる。この積層構造部20の構造は、次のとおりである。すなわちミラー層2に、例えばn型ドーピングされたInGaPを含んだn型の外套層3が続いている。この場合このn型外套層3は、第1の活性ゾーン4内の電荷キャリヤの閉じ込めに用いられている。n型外套層3には、第1の活性ゾーン4が続いており、この第1の活性ゾーン4は、所定の第1の波長の電磁ビームを生成するのに適したものである。この活性ゾーン4は、pn接合と、ダブルヘテロ構造と、単純な量子井戸構造若しくは特に有利には多重量子井戸構造を有し得る。例えば第1の活性ゾーン4は、InGaAlPを含む。この第1の活性ゾーン4にはp型の外套層5が続き、これは例えばp型ドーピングされたInGaAlPを含んでいる。この第1のp型外套層5には、p型のコンタクト層6が被着される。
このp型コンタクト層6を介して第1の活性ゾーン4も、後に続く第2の活性ゾーン8もp型で電気的にコンタクトする。有利にはこのp型コンタクト層6は、第1の活性ゾーンで生成された電磁ビームに対して透過性を有し、さらに2つの活性ゾーンのコンタクトに対して十分な導電性を持っている。それに対して前記p型コンタクト層6は、例えば45%〜55%、有利には約50%のアルミニウム成分を有するInGaAlPを含んでいるか、若しくはアルミニウム成分が55%〜65%、特に有利には60%のAlGaAsを含んでいる。例えば選択エッチングのプロセスを用いて前記p型コンタクト層6は、当該構成素子の作動に対しこのp型コンタクト層6を介して活性ゾーンの十分な電気的コンタクトが図れるところまで露出される。
p型コンタクト層6には、第2のp型外套層7が続いており、これは例えばp型ドーピングされたInGaAlPを含む。この第2のp型外套層7に続いて第2の活性ゾーン8が設けられる。この第2の活性ゾーン8は、構造的に第1の活性ゾーン4に類似したものであってもよく、有利には第2の波長の電磁ビームを生成する。この場合第2の波長は、有利には第1の波長よりも短く、つまり第2の活性ゾーン8は有利には第1の活性ゾーンよりも広いバンドギャップを有している。そのため第1の活性ゾーン4で生成された長波の電磁ビームは第2の活性ゾーン8で吸収されることなく透過可能となる。
第2の活性ゾーン8には、第2のn型外套層9が続いており、これは例えばn型ドーピングされたInGaAlPを含んでいる。
積層構造部20は、その上側と下側でそれぞれ第1のn型コンタクト層10ないし第2のn型コンタクト層12によって終端している。この場合第1のn型コンタクト層10は、有利には活性ゾーンからメイン放射方向11に放射されたビームに対して透過性である。この第1のn型コンタクト層10は、例えば側方よりの表面に被着されたボンディングパッドによってコンタクトされてもよい。つまりこのボンディングパッドは、例えばn型コンタクト層10の上側の角に設けられる。
第2の実施例は、次の点で第1の実施例と異なっている。すなわち積層構造部20が、InGaAsをベースに構築されていること、つまり外套層は適切にドーピングされたInGaAsを含み、活性ゾーンは適切にドーピングされたInGaAsを含んでいる。共通のp型コンタクト層6は、例えば適切に高められたアルミニウム成分を有するInAlGaAsを含む。この第2の実施例では、赤外線領域の電磁ビームが活性ゾーンから放射されるのが有利であることが判明している。
有利にはさらなる別の材料系も前述の構成素子の形成に適している。当業者は、構成素子の投入の目的に応じて適切な材料の選択が可能である。例えばその場合の材料の選択は、活性ゾーンから放射されるビームに望まれる波長の種類によって定められてもよい。その他にも前述した実施例においては、層列を次のように変更することも可能である。すなわち活性ゾーンが共通のp型コンタクト層の代わりに共通のn型コンタクト層によってコンタクトされるように変更することも可能である。
図2a〜図2eには、前述したオプトエレクトロニクス構成素子の製造のための方法が示されている。この場合はまず図2aに示されているように、基板ウエハ21が準備される。この基板ウエハは、形成すべき積層構造部20の材料系に応じて例えばGaAsウエハ、InPウエハ、SiCウエハであり得る。
この基板ウエハ21上には積層構造部20が、所望の数の活性ゾーンを含めてエピタキシャルに析出される(図2b参照)。
基板ウエハ21とは反対側の積層構造部20表面には引き続きミラー層2が析出される(図2c参照)。これは例えば蒸着若しくはスパッタリングによって行われる。この場合のミラー層2は有利には金属を含む。
図2dには、積層構造部20とミラー層2からなる装置の基板ウエハ21とは反対側の表面への支持体1の固定状態が示されている。この場合の支持体1の被着は、有利にはろう付け、接着、特に有利にはウエハボンディング手法を用いて行われる。
それに続いて(図2e)、基板ウエハ基板21は積層構造部20から除去される。この除去に対しては、レーザー支援による手法、例えばレーザーアブレーションや、機械的な手法、例えば研磨やエッチングなどが適している。
さらなる後続の方法ステップでは、当該装置が個別化される。すなわちn型コンタクト層が被着されたり、活性ゾーンの共通のコンタクト層が例えば選択エッチングによって露出される。これらの方法ステップの順序はこの場合有利には自由に選択され得る。
この出願は、ドイツ連邦共和国特許出願 DE 102004026125.3-33の優先権主張を伴っており、その開示内容がここでは参照される。
この発明は実施例に基づいて説明してきたが、但しこれは本発明が前記内容にのみ限定されることを意味することではない。それどころか本発明にはあらゆる新たな特徴並びにそれらのあらゆる組合わせも含まれ得る。このことは特にそれらの特徴若しくは組合わせ自体が請求の範囲や実施例に厳密に表わされていなくても、請求の範囲にはそれらの特徴のあらゆる組合わせが含まれていることを示唆するものである。
本発明による構成素子の基本原理を表わした断面図 基本原理に基づいた各方法ステップを示した図 基本原理に基づいた各方法ステップを示した図 基本原理に基づいた各方法ステップを示した図 基本原理に基づいた各方法ステップを示した図 基本原理に基づいた各方法ステップを示した図
符号の説明
1 支持体
2 ミラー層
3 第1の外套層
4 第1の活性ゾーン
5 第1のp型外套層
6 p型コンタクト層
7 第2のp型外套層
8 第2の活性ゾーン
9 第2のn型外套層
10 第1のn型コンタクト層
11 メイン放射方向
12 第2のn型コンタクト層
20 積層構造部

Claims (16)

  1. オプトエレクトロニクス構成素子において、
    積層構造部(20)と支持体(1)を有しており、
    前記積層構造部(20)は、少なくとも2つの活性ゾーン(4,8)を含んでおり、
    前記支持体(1)は、前記積層構造部(20)に被着されるように構成されていることを特徴とするオプトエレクトロニクス構成素子。
  2. 前記積層構造部(20)と支持体(1)の間にミラー層(2)が配設されている、請求項1記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  3. 前記ミラー層(2)は、以下の材料、
    Au、AuGe
    の少なくとも1つを含んでいる、請求項1または2記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  4. 前記活性ゾーン(4,8)は、支持体(1)に対して平行に上下に配設されている、請求項1から3いずれか1項記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  5. 前記2つの活性ゾーン(4,8)はそれぞれ共通のコンタクト層(6)によってコンタクト可能である、請求項1から4いずれか1項記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  6. 前記2つの活性ゾーン(4,8)は、少なくとも2つの異なる波長の電磁ビームを生成するのに適している、請求項1から5いずれか1項記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  7. 一方の活性ゾーン(8)は、その下に配設されている活性ゾーン(4)の電磁ビームに対して透過性である、請求項6記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  8. 前記活性ゾーン(4,8)は、依存せずにコンタクト可能である、請求項1から7いずれか1項記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  9. 少なくとも2つの活性ゾーン(4,8)は、電磁ビームの同時の生成に適している、請求項1から8いずれか1項記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  10. 前記ミラー層(2)は、活性ゾーン(4,8)内で生成された電磁ビームに対して反射的に形成されている、請求項5から9いずれか1項記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  11. 四色発光ダイオードである、請求項1から10いずれか1項記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  12. 前記積層構造部(20)の複数の層は、モノリシックに集積されている、請求項1から11いずれか1項記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  13. 成長基板(21)が薄膜化されている、請求項1から12いずれか1項記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  14. 成長基板(21)が取り除かれている、請求項1から12いずれか1項記載のオプトエレクトロニクス構成素子。
  15. オプトエレクトロニクス構成素子を製造するための方法において、
    (a)基板ウエハ(21)上に、少なくとも2つの活性ゾーンを含む積層構造部(20)をエピタキシャルに析出するステップと、
    (b)基板ウエハ(21)に対向する積層構造部(20)の面に支持体(1)を被着させるステップと、
    (c)前記基板(21)を除去するステップとを有していることを特徴とする方法。
  16. 前記ステップ(b)の前に、ミラー層(2)を基板ウエハ(21)に対向する積層構造部(20)の表面に被着させる、請求項15記載の方法。
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