JP2006157024A - 発光半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】殊に小さくて小型であり、また高い効率を備えるように構成することができる、改善された発光半導体素子を提供する。
【解決手段】第１のミラー７は金属層４と、金属層のアクティブ領域２側とは反対側に配置されているビーム透過性で導電性の材料からなる中間層３とを包含し、発光半導体素子は、ＲＣＬＥＤとして光学的な共振器を用いて動作し且つ非コヒーレントなビームを形成するために設けられている、またはＶＥＣＳＥＬとして外部の光学的な共振器を用いて動作し且つコヒーレントなビームを形成するために設けられている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、発光半導体素子に関する。

この種の発光半導体素子を例えば垂直放射型の半導体素子として実現することができる。ここでは通常の場合、垂直方向の放射方向は実質的に、半導体層列の横方向の主延在方向、殊に半導体層列の表面に対して垂直に延びている。第１のミラーはこの主の素子では頻繁に、アクティブ領域において形成されるビームの指向性の反射を目的としてブラックミラーとして実施されている。

ブラッグミラーは通常の場合、それぞれがおよそλ／（４ｎ）の層厚を有する複数の半導体層組を包含する。ここでλはアクティブ領域において形成されるビームの波長であり、ｎはそれぞれの半導体層の屈折率を表す。

大抵の場合、ブラッグミラーは例えば９９％またはそれ以上の反射率を有するように高反射性に構成されており、このことは通常の場合、比較的多くの数の半導体層組、例えば３０またはそれ以上の数の半導体層組を必要とし、そのような多くの数の半導体層組は結果としてブラッグミラー、したがって半導体素子の標準的な厚さを生じさせる。

この種の素子は垂直の放射方向を備えたレーザ構成素子として実施することができ、このようなレーザ構成素子は内部共振器を用いてコヒーレントなビームを形成するため（VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser）、または外部共振器を用いてコヒーレントなビームを形成するため（VECSEL : Vertical External Cavity Surface Emitting Laser）に設けられている。ＶＣＳＥＬでは内部共振器のための第２のミラーが通常の場合、第１のミラーと共に半導体層列内にモノリシックに集積されている。ＶＥＣＳＥＬに関しては、光学的な共振器のための外部ミラーが半導体層列に後置される。

さらには、この種の半導体素子の動作時にアクティブ領域に生じる損失熱は、素子の機能に不利に作用する。したがって素子からの良好な熱排出が望ましい。しかしながら高反射性のブラッグミラー内の複数の境界面によってアクティブ領域の熱排出は妨げられる。このことは殊に、ブラッグミラーの材料がいずれにせよ比較的僅かな熱伝性しか有さず、また熱排出が複数の境界面によって大幅に阻害される場合である。

また、ブラッグミラーを通過する素子の効率的で電気的な接触はその標準的な厚さに基づき困難となる。

本発明の課題は、殊に小さくて小型であり、また高い効率を備えるように構成することができる、冒頭で述べたような改善された発光半導体素子を提供することである。

この課題は、第１のミラーは金属層と、金属層のアクティブ領域側とは反対側に配置されているビーム透過性で導電性の材料からなる中間層とを包含し、発光半導体素子は、ＲＣＬＥＤとして光学的な共振器を用いて動作し且つ非コヒーレントなビームを形成するために設けられている、またはＶＥＣＳＥＬとして外部の光学的な共振器を用いて動作し且つコヒーレントなビームを形成するために設けられているによって解決される。

本発明の有利な実施形態は従属請求の対象である。

本発明による発光半導体素子は、ビーム形成のために設けられているアクティブ領域を備えた半導体層列と、アクティブ領域の後段に配置されている第１のミラーとを有し、この第１のミラーは金属層と、金属層のアクティブ領域側と対向する側に配置されており、またビーム透過性で導電性の材料からなる中間層とを包含し、発光半導体素子は光学的な共振器を用いて動作し、且つ非コヒーレントなビームを形成するためにＲＣＬＥＤとして設けられているか、外部の光学的な共振器を用いて動作し、且つコヒーレントなビームを形成するためにVECSELとして設けられている。

主に非コヒーレントなビームないし主にコヒーレントなビームを形成するために構成されている半導体素子も本発明に含まれるものとみなすことができることを言及しておく。

金属層および中間層を備えたこの種の第１のミラーは、純粋なブラッグミラーに比べて、発光半導体素子からの熱放出が改善されているという利点を有する。反射率が等しいブラッグミラーは典型的には２０以上の半導体層組を有する。しかしながらそのような多数の半導体層列は、境界面が複数あるためにアクティブ領域からの熱放出が妨げられるので、構成素子の寿命は短くなる。

本発明においては境界面ないし半導体層組の数が金属層の高反射率に基づき有利には少数に維持されるので、これにより熱排出を有利に改善することができる。さらには通常の場合、金属はブラッグミラーの材料よりも高い熱伝性を有するので、これによって熱排出はさらに改善される。このことは損失出力ないし熱発生の大きい構成素子、殊にＶＥＣＳＥＬの効率および寿命にとって有利である。

本発明の別の利点は、アクティブ領域において形成されるビームの金属層への僅かな侵入度にある。反射率が等しいブラッグミラーへの侵入度は、反射に関与する厚さλ／（４ｎ）の半導体層組の数が多いために金属層への侵入度よりも明らかに大きく、これは典型的には波長の４分の１よりも小さい。ブラッグミラーへの侵入度は標準的にブラッグミラーの厚さによって決定される。ブラッグミラーへの侵入度は通常の場合、差し当たりブラッグミラーの半導体層組の数と共に増加し、また半導体層組の個々の半導体層に使用される材料の屈折率の差によって決定されている値に収束する可能性がある。したがってブラッグミラーはアクティブ領域から見て、反射率が等しく且つ無視できる拡張の仮想的な第１のミラーとして作用し、この仮想的な第１のミラーはアクティブ領域に隣接して配置されているブラッグミラーの第１の層の位置に比べて侵入度だけアクティブ領域から遠ざかっている。

金属層への侵入度が僅かであるので、本発明では有利にはアクティブ領域を純粋なブラッグミラーの場合よりも相応の仮想的なの第１のミラーの近くに位置決めすることができ、これによって発光半導体素子の効率を高めることができる。このことは殊にＲＣＬＥＤ（Resonant Cavity Light Emitting Diode）に該当し、その効率はアクティブ領域の仮想的な第１のミラーまでの配置ないし間隔によって決定的に影響が及ぼされる。第１のミラーの近傍における良好に規定された間隔での配置はＲＣＬＥＤにとって殊に有利である。金属層を備えた第１のミラーの構成は、仮想的な第１のミラーまでの間隔選択の自由度を高め、また素子の効率を高めることに寄与する。

レーザとは異なり、ＲＣＬＥＤの光学的な共振器が誘導放出による個々のモードの増幅に使用されるのではなく、自然放出されたビームが先ず放射方向に指向される。共振器を備えていない従来のＬＥＤから出力結合されるビームに比べて、ＲＣＬＥＤの共振器から出力結合されるビームは高められたビーム出力を有する。ＲＣＬＥＤは通常の場合、垂直の放射方向を有する表面放射型の素子として実施されている。

本発明の枠組みにおいて、金属性の層も金属層とみなされることを言及しておく。このことは合金を包含する層も包含する。しかしながら金属からなる層は殊に適している。

純粋なブラッグミラーに比べて金属層の反射率の方向依存性が僅かであるということも、発光半導体素子の効率に有利に影響を及ぼすことができる。大抵の場合、ブラッグミラーの反射率はその表面法線の周囲において最大であり、この法線に対する入射角が大きくなるに連れ相対的に大幅に低減する。これに対して金属層の反射率は広範な角度領域にわたって一定であるので、大きな角度において入射するビームも依然として比較的大きな割合で反射され、そのビームを素子から出力結合することができる。金属層を用いることにより殊に比較的大きな角度でも、金属層に入射するビームも確実に反射させることができる。大きな入射角度を有するこの種のビーム成分もそのように簡単に増大させて放射方向に配向させることができる。

半導体層列、殊にアクティブ領域は有利には少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、例えば材料系Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ, Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}ＮまたはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓからなる材料を含有し、ここでそれぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である。ＩＩＩ−Ｖ半導体材料は有利には高い量子効率の点で傑出しており、また紫外線スペクトル領域（例えばＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）から可視スペクトル領域（例えばＩｎ_ｘＧａ_ｙＡ_{ｌ１−ｘ−ｙ}ＮまたはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ）を介して赤外線スペクトル領域（例えばＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ）のビームを形成するために殊に適している。さらにアクティブ領域において形成されるビームが有利には可視スペクトル領域、殊に赤色スペクトル領域の波長を有する。このスペクトル領域に関しては材料系Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐが殊に適している。

本発明の有利な実施形態においては、アクティブ領域がシングルへテロ構造またはマルチへテロ構造、殊にダブルへテロ構造または量子井戸構造、殊に多重量子井戸構造を包含する。この種の構造を用いて、半導体素子の高い内部量子効率を達成することができる。

本明細書において量子井戸構造の概念には、キャリアは閉じこめによってそのエネルギ状態が量子化されるあらゆる構造を含む。殊に、量子井戸構造の概念には量子化の次元数に関する規定は含まない。したがって量子化には殊に量子箱、量子細線、量子点およびこれらの構造の各組み合わせを含む。

第１のミラーの金属層は有利には中間層を介して半導体層列と導電的に接続されている。この種の金属層はアクティブ領域において形成されるビームの反射以外にも、それと同時に発光半導体素子の電気的な接触に関与することができ、この際有利にはアクティブ領域の均質な横方向の電流の流れを惹起する。殊に有利には金属層がＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔまたはこれらの材料の内の少なくとも１つを有する合金を含有する。ここでＡｕは赤色スペクトル領域において、またＡｌまたはＡｇは緑色スペクトル領域および青色スペクトル領域において殊に高い反射率を有する。

さらには、金属層をヒートシンク上に配置することができ、これによって素子ないしアクティブ領域からの熱排出は改善される。

本発明において中間層は有利には導電性に構成されており、半導体層列と十分に導電的に接続されている。有利には中間層の材料は、半導体層列においては金属層の材料よりも高い接着性を有し、金属層と半導体層列との間の電気的なコンタクトに有利に作用する。

殊に有利には中間層はビーム透過性で導電性の酸化物（透明導電性酸化物、略してＴＣＯ）、殊に金属酸化物、例えばＺｎＯのような酸化亜鉛、ＳｎＯのような酸化錫、ＴｉＯのような酸化チタン、ＩｎＯのような酸化インジウム、またはＩＴＯのような酸化錫インジウムを含有する。この種の材料は殊に横方向における高い導電性、また広範な波長領域にわたる高いビーム透過性の点で傑出している。さらには、ＺｎはＩＩＩ−Ｖ族半導体に関してドーパント、殊にアクセプタとして作用することができ、また半導体層列、殊に中間層と接している層列の平滑な半導体層との電気的なコンタクトを改善することができる。これによって、例えばドーパントの半導体層列への侵入によって、半導体層列とのバリアの無いコンタクト、またはオーム電気コンタクトの構成を容易にすることができる。相応のことが、半導体層列の接しているｎ導電型の層に関するドーパントとしてのＳｎに該当する。その導電率を高めるために、中間層を例えば酸化亜鉛の場合にはＡｌを用いて、または酸化錫の場合にはＳｂを用いて適切にドーピングすることができる。

この種の第１のミラーは既に、同時に良好な電気的な接触特性およびミラーの有利な僅かな厚さにおいて９０％以上の高い反射率を達成することができる。

有利な実施形態においては、中間層は少なくとも部分的に、金属層において反射されたビーム成分と、中間層の半導体層列側と対向する側において反射されたビーム成分とを相互に強め合って重畳するよう構成されている。

中間層のこの寸法設計によって素子の効率は高められる。何故ならば、任意に寸法設計された中間層において生じる可能性のある弱め合う干渉が回避されるからである。中間層のこの構成は、中間層の材料と半導体層列側に接している材料の屈折率の差が大きくなればなるほどますます有利となる。何故ならば、屈折率の差が大きくなるに連れ中間層のこの側において反射されるビーム成分は大きくなるからである。

上述のビーム成分の強め合う重畳は例えば適切な厚さを有する中間層の構成によって達成することができる。

有利な実施形態においては、中間層はこのために少なくとも部分的に、有利には完全に、その厚さが半波長の整数倍を除いて、中間層の材料においてアクティブ領域内で形成されるビームの波長の４分の１よりも小さいように実施されている。したがって中間層の厚さＤに関しては、

が当てはまり、ここでλはアクティブ領域において形成されるビームの真空での波長であり、ｎ_ｚは中間層の屈折率であり、ｋは自然数（ｋ＝０，１，２，．．．）であり、ｌは０とは異なる有限の残りの長さである。

残りの長さｌは波長λ'（λ／ｎ_ｚ）の波長の４分の１、有利には波長λ'の８分の１よりも小さく、ここでλ'はアクティブ領域において形成されるビームの中間層での波長を表す。

強め合う干渉を形成するために、中間層の厚さは少なくとも部分的に、金属層において反射されたビームと、中間層の半導体層列と対向する側において反射されたビームとが近似的にゼロまたはπの整数倍の位相差を有するように選択されている。この際、例えば金属層における反射および中間層の半導体層列と対向する側における反射により場合によっては生じる位相の急激な変化を考慮する必要がある。

中間層の屈折率ｎ_ｚが半導体層列側と接する材料の屈折率よりも小さい場合には、中間層の厚さＤは中間層に垂直に入射するビームの強め合う重畳に関して有利には少なくとも近似的に次式の関係を満たす。

ここでλはやはりアクティブ領域において形成されるビームの真空での波長であり、ｋ（ｋ＝０，１，２）は自然数であり、Φは金属層における反射による位相の急激な変化である。係数λ／（４π・ｎ_ｚ）は、金属層において反射されて厚さＤの中間層を通過するビームの倍化された通過によって生じる位相寄与２Ｄ・（２π・ｎ_ｚ）／λに相当する。

中間層の屈折率ｎ_ｚが半導体層列側と接する材料の屈折率よりも大きい場合には、光学的に比較的密な媒体における反射からのπの付加的な位相の急激な変化のために、項２ｋπは（２ｋ＋１）πに代替され、その結果この場合には中間層の厚さＤに対して有利には少なくとも近似的に次式が成り立つ。

理想的な金属層は無制限の導電率を有するので、電磁波を反射する際にはπの位相の急激な変化が生じる。式（２）によればそのような理想的な金属層に対する中間層の厚さＤ_ｉｄは

である。

これに対して実際の金属は有限の導電率しか有さず、また金属層での反射による位相の急激な変化は例えば実際の金属の複素屈折率を使用したフレスネルの式から得られる。実際の金属層の上の中間層の厚さＤ_ｒｅは式（２）にしたがい次式について得られる。

実際の金属層に対する中間層の厚さＤ_ｒｅは有利にはおよそ、

だけ、理想的な導電性の金属層における厚さＤ_ｉｄから偏差し、したがって強め合う干渉が達成される。

実際の金属層に入射するビームが反射時に受ける位相は通常の場合正であるので、ｄ_Ｍもまた大部分は正である。

量ｄ_Ｍは本発明の枠組みにおいては金属層への侵入度とみなすことができ、これは相応の仮想的な第１のミラーの位置を決定するか、決定に関わる。この侵入度は実際の材料に関しては通常の場合、アクティブ領域において形成されるビームの中間層での波長の４分の１波長よりも小さく、頻繁には８分の１よりも小さい。

さらには、侵入度ｄ_Ｍと残りの長さｌは有利には２０ｎｍまたはそれ以下、殊に有利には１０ｎｍまたはそれ以下で相互に偏差する。殊に残りの長さと侵入度は、５ｎｍ以下だけ相互に偏差していても良い、または一致していてもよい。

したがって、実際の金属層において反射されるビームが受ける位相Φ_ｒｅを中間層の相応の厚さによって、金属層において反射されるビーム成分と中間層の半導体層列側と対向する側において反射されるビーム成分とが、少なくとも近似的に０に等しいまたはπの整数倍の位相差を有するように補償することができる。０の位相差は、金属層における反射による位相と、ビームの中間層の通過に起因する位相とが反対の符号を有することができることによって可能となる。このことは殊に、金属層における反射による正の位相ΦないしΦ_ｒｅに該当する。

中間層の有利な実施形態においては、中間層の厚さＤがｋ＝０の式（１）によって与えられており、残りの長さｌは上述の措置に応じて決定される。したがって中間層の厚さＤはλ／（４ｎ_ｚ）の残りの長さｌだけ偏差する。

このことは中間層の厚さを被着の際により容易に制御できるという利点を有する。何故ならば、中間層の厚さが薄い場合に、その厚さにおける何らかの不規則性を、比較的大きなｋ値および等しい残りの長さｌを有する層厚の場合よりも容易に検出することができ、したがって制御することができるからである。さらには、第１のミラーの厚さはこれによって有利には薄く保たれる。

光学的な共振器は本発明においては内部共振器または外部共振器として構成することができる。

有利には、共振器は第１のミラーと、アクティブ領域の第１のミラー側とは反対側に配置されている第２のミラーとによって形成されている。殊に有利には、第２のミラーの反射率は第１のミラーの反射率よりも小さく、ここでさらに有利には第２のミラーは発光半導体素子の出力結合ミラーを形成する。半導体素子の効率的な共振器長は仮想的な第１のミラーと仮想的な第２のミラーの間隔によって決定されている。短くて効率的な共振器長は殊にＲＣＬＥＤにとって有利である。

本発明において内部共振器を例えば、有利には半導体層列の一部として構成されており、且つこの半導体層列に集積されている、第２のミラーとしてのブラッグミラーでもって形成することができる。

本発明において外部共振器を例えば、半導体層列とは間隔を置いて配置されている、第２のミラーとしての誘電性のミラーでもって構成することができる。

ＶＣＳＥＬまたはＶＥＣＳＥＬのようなレーザ素子においては、レーザの作動に必要とされる出力結合ミラーの反射率が大抵の場合９８％よりも大きい。出力結合には使用されない残存の共振器ミラーは、レーザの作動が達成されることを保証するために、頻繁にはさらに高い反射率を必要とする。

出力結合ミラーの反射率は、有利には内部共振器を有するＲＣＬＥＤでは、通常の場合レーザにおける反射率よりも小さい。何故ならば、ＲＣＬＥＤは高い出力結合効率のために構成されているのであって、そのような高い出力結合効率は、レーザにおいては慣例であるか、必要とされるような高反射性の出力結合ミラーによって不必要に低減される虞があるからである。出力結合ミラーの典型的な反射率は９０％またはそれ以下、有利には８０％またはそれ以下、殊に有利には７０％またはそれ以下である。６０％またはそれ以下の反射率も適切であることを証明することができる。

本発明の別の有利な実施形態においては、第１のミラーは金属層および中間層に付加的に、中間層のアクティブ領域側と対向する側、有利には中間層とアクティブ領域との間に配置されているブラッグミラーを包含する。殊に、ブラッグミラーを半導体層列に集積することができる。

このブラッグミラーは好適には２０よりも少ない、有利には６よりも少ない、殊に有利には４よりも少ない半導体層組を包含する。この種の付加的なブラッグミラーは有利には第１のミラーの反射率を高める。

金属層、中間層および付加的なブラッグミラーからなる組み合わせによって、反射率が等しい半導体層組のみで形成されているブラッグミラーに比べて、半導体層組の数が実質的に少なく、且つ厚さが薄い第１のミラーを形成することができる。効率的な（ＲＣ）ＬＥＤにおける指向性の放射に関しては、この種の薄く高反射性のミラーは殊に有利である。例えばＶＣＳＥＬまたはＶＥＣＳＥＬにおいては、純粋なブラッグミラーに関して、９８％以上のしばしば必要とされる反射率を達成するために、大抵の場合２０よりも多い半導体層組を必要とされる。

これに対して本発明の枠組みにおいては、半導体層組の数を少なく維持することができる。約９８％の反射率は、金属層および中間層と接続されている３つの半導体層組を備えた付加的なブラッグミラーによって達成することができる。

殊に有利にはこの種の第１のミラーは、モノリシックに集積可能なブラッグミラーに使用される材料が比較的僅かな屈折率差しか有さず、したがってこの屈折率差の相応に多くの数の半導体層組が高い反射率を達成するために必要とされる場合には有利である。

第１のミラーへの侵入度および第１のミラーの厚さを、第１のミラーの反射率が高い場合には有利に低減することができる。このことは発光半導体素子、殊にＲＣＬＥＤの効率に有利に作用する。

さらには、付加的なブラッグミラーの半導体層組の数が比較的少ないということは、有利には改善された熱排出だけではなく、第１のミラーのブラッグミラーを包含することができる半導体層列に関する製造時間、殊にエピタキシ時間を短縮することができる。

本発明において１つまたは複数のブラッグミラーは有利には、アクティブ領域において形成されるビームに適したＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、殊に有利にはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ,Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}ＮまたはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓからなる材料を含有し、ここでそれぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である。

本発明の有利な実施形態においては、アクティブ領域を有する半導体層列が成長基板上でのエピタキシャル成長によって製造される。さらには先ず中間層、続けて金属層が例えばそれぞれスパッタリングデポジションまたは蒸着によって半導体層列の成長基板側とは反対側に被着される。半導体層列は続けて、成長基板側とは反対側において適切な支持体と接続される。接続は有利には導電的に構成されている、および／または、金属層を用いて行われる。金属層は支持体にボンディングすることができ、例えば適切な金属層との共融的なボンディングを用いてはんだ付け、または例えば有利には導電性に構成されている接着剤を用いて接着することができる。接続の際に構成される接続層は有利には金属層と支持体との間に配置されている。続けて成長基板がはがされて、支持体、金属層、中間層および半導体層列からなる結合体が適切な分離方法、例えば乾式化学的なメサエッチングおよび後続のソーイングによってそれぞれ半導体層列（メサ）の一部を包含する素子に分割される。

成長基板を引きはがして支持体に固定することによって製造されるこの種の発光半導体素子は薄膜構成素子とも称される。

さらに支持体を、殊に金属を含有するヒートシンクとして構成することができ、これによってアクティブ領域からの熱排出は改善される。

本発明の有利な実施形態においては、アクティブ領域の第１のミラー側とは反対側には、発光半導体素子と電気的に接触するためのコンタクト構造が有利にはコンタクト金属化部の形態で配置されている。殊にコンタクト構造によって覆われる、このコンタクト構造側とは反対側でのアクティブ領域の下、殊に垂直方向でコンタクト構造の後段に配置されている素子領域内には有利には電気的な絶縁層が配置されている。殊に有利には、絶縁層が第１のミラーの切り欠き部または欠落部分内に配置されており、第１のミラーはこの切り欠き部または欠落部分をコンタクト構造によって覆われる領域内に有することができる。

この種の絶縁層は有利には、コンタクト構造によって覆われるアクティブ領域の部分への電流の注入を回避する。これによってアクティブ領域のこの領域においては、その他の領域に比べて僅かなビーム出力が形成される。したがって、必要に応じて吸収を行うコンタクト構造においては比較的僅かな程度であってもビームを吸収することができ、これによって発光半導体素子の効率が有利には高められる。

絶縁層は例えばＳｉＮのようは窒化ケイ素または他の適切な材料を含有する。

さらには、アクティブ領域と第１のミラーとの間に配置されている半導体層列の部分には溝を構成することができ、この溝は有利には半導体層列のこの部分の平面に投影されるコンタクト構造を殊に完全に包囲する。この溝は有利には部分的に、殊に有利には完全に絶縁層の材料で充填されている。したがって、第１のミラーとアクティブ領域との間に配置されている半導体層列の部分の溝によって包囲されている領域は電気的にコンタクト構造から分離されている。コンタクト構造の下方でのビーム形成はこれによって低減される。溝は垂直方向において、半導体層列の中間層に接する側からアクティブ領域の端部または必要に応じてアクティブ領域内まで延在していてもよい。

本発明のさらなる特徴、利点および有効性は添付の図面と関連させた以下の実施例の説明から明らかになる。

同一、同種の素子また同様に作用する素子には図面において同一の参照番号が付されている。

図１Ａには本発明による発光半導体素子の第１の実施例の概略的な断面図が示されている。

ビームを形成するアクティブ領域２を備えた半導体層列１の後段には導電性且つビーム透過性の中間層３が配置されており、またこの中間層３の後段には金属層４が配置されている。金属層４は接続層５を介して支持体６と接続されている。

金属層４および中間層３は発光半導体素子の第１のミラー７の一部である。

この実施例においては素子の電気的な接触が電極８および９を介して行われる。電極８は支持体６の第１のミラー７側とは反対側に配置されているので、この第１のミラーはその導電率を高めるために有利にはドーピングされているか、それ自体で相応に高い導電率を有する。半導体層列１は導電性且つビーム透過性の中間層３、金属層４、接続層５および支持体６を介して電極８と導電的に接続されている。

素子の動作時にアクティブ領域２において形成されるビーム２００は、第１のミラー７の方向に向かってアクティブ領域から放射される。第１のビーム成分２０１は中間層３と半導体層列１との境界面において反射され、別のビーム成分２０２は金属層４において反射される。有利には中間層３は、ビーム成分２０１および２０２が相互に強め合うよう重畳するように構成されている。つまり第１のミラーにおける反射を殊に効率的に使用することができる。

このために、強め合う重畳に適した中間層の厚さＤないしＤ_ｒｅを上述の措置に応じて決定することができ、中間層の寸法を相応に設計することができる。

この種の第１のミラー７を用いて、殊に可視スペクトル領域において既に９０％以上の反射率を達成することができる。

第１のミラーのより高い反射率が必要とされる場合には、この第１のミラー７の反射率を高めるために、半導体層列１内には中間層３側にブラッグミラーを集積することができる。このことは図１Ａにおいて第１のミラー７が半導体層列まで延長されていることによって示唆されている。この種の第１のミラー７においては、反射率は等しいが専らブラッグミラーとして構成されている第１のミラー７での半導体層組に比べれば必要とされる半導体層組の数は少ない。境界面の数が少ないことによって、またブラッグミラーの半導体材料に比べて一般的に金属層の熱伝性が高いことによって、素子からの熱排出は改善される。ここで有利には支持体６はヒートシンクとして構成されている。

半導体層列１および／または共振器の実施形態に応じて、この種の素子を例えば内部共振器を備えている（図示せず、図１Ｂを参照されたい）、ＶＥＣＳＥＬの形態でコヒーレントなレーザビームを放出する素子として、またはＲＣＬＥＤの形態で自然放射から非コヒーレントなビームを放出する素子として実現することができる。さらに本発明は別の半導体構成素子、例えば内部共振器を備えたＶＣＳＥＬのようなレーザまたは共振器を備えていないＬＥＤにも適している。

素子の光学的な共振器を、第１のミラーと第２のミラーを備えた、殊にＲＣＬＥＤのための内部共振器として、または殊にＶＥＣＳＥＬのための外部共振器として構成することができる。レーザ素子、殊にＶＥＣＳＥＬに関しては、電極８は図示したものとは異なり、有利には電極から解放されている半導体層列の中央領域を有する、半導体層列の端部におけるリング電極として実施されている。

図１Ｂには、図１Ａのように構成することができる、本発明による発光半導体素子の半導体層列１の実施例の概略的な断面図が示されている。

この例においては、ＲＣＬＥＤのための半導体層列１が示されている。

有利には、アクティブ領域２が例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体材料系Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ、ここで０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である、を基礎とする半導体層列１は、例えばＧａＡｓからなる成長基板１０にエピタキシャルに成長されている。成長基板１０上には有利にはＩｎ_０．５Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．２５Ｐからなるエッチング阻止層１１が配置されており、このエッチング阻止層１１はエッチング手段が後段の層に及ぼす負の効果を予防する。この層の上に成長される、典型的には１〜１０μｍの厚さの電流拡大層１２、例えばｎ導電性のＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓからなる層には、例えば４〜１０の半導体層組を有するブラッグミラー１３が続き、これらの半導体層組はそれぞれ、有利にはｎ導電性のＡｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓからなる屈折率の低い層１４と、例えばｎ導電性のＡｌ_０．５Ｇ_０．５ａＡｓからなる屈折率の高い層１５を包含し、ここでそれぞれの屈折の大きい層１４は有利にはアクティブ領域２側に配置されている。ブラッグミラー１３のそれぞれの層の層厚は、この層において形成されるビームの波長の約４分の１によって与えられている。

それぞれ約５ｎｍの厚さであり、例えばＩｎ_０．６Ｇａ_０．４Ｐ、Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．２５Ａｌ_０．２５ＰまたやはりＩｎ_０．６Ｇａ_０．４Ｐの順序で層列２ａ，２ｂ，２ｃを包含し、且つ例えばダブルへテロ構造または量子フィルムパケットとして実施されているアクティブ領域２の周囲には、有利にはそれぞれＩｎ_０．５Ｇａ_０．２５Ａｌ_０．２５Ｐからなるｎ導電性の導波体層１６ａおよびｐ導電性の導波体層１６ｂが配置されており、これらの層のうち層１６ａは例えばｎ型のＩｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなるｎ導電性のバリア層１７を介してブラッグミラー１３と接続されている。導波体層１６ｂは半導体層列１のｐ導電性側と、例えばｐ型のＩｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなるｐ導電性のバリア層１８を介して接続されている。この層の後段にはブラッグミラー１３に対応するよう実施されているｐ導電性のブラッグミラー１９が配置されており、このブラッグミラー１９は例えば、ｐ導電性のＡｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓからなる屈折の低い層２０と、ｐ導電性のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなるような屈折率の高い層２１を備えた、４またはそれよりも少ない数の半導体層組、殊に１から４組までの層組を包含する。

バリア層１７および１８はアクティブ領域内のキャリアの閉じ込めに使用され、このことはアクティブ領域内のキャリアの再結合を高め、したがって構成素子の効率を高める。

図１Ｂに示した成長基板１０上での半導体層列のエピタキシャル成長後には、ｐ側では例えば１Ａに示されているような、例えばＺｎＯからなり有利にはＡｌでドーピングされているビーム透過性且つ導電性の中間層３を被着することができる。このことは同様に、例えばＡｕ層の金属層の後続の被着のように例えばスパッタリングまたは蒸着によって行うことができる。

この種の中間層３は有利には、接しているＩＩＩ−Ｖ族半導体材料においてのＡｕに比べて高められた接着性によって、半導体層列におけるＡｕ層の接着性を改善する。さらに中間層は有利には半導体層列とのＡｕ層の電気的接触を、有利にはアクセプタとして作用することができるＺｎ原子を接しているＩＩＩ−Ｖ族半導体に拡散させることによって改善する。これによってｐ側からのアクティブ領域２への均質で損失の少ない電流供給が保証される。何故ならば、金属層４も中間層３も殊に横方向において高い導電率を有するからである。ＡｌＧａＡｓを含有するｐ導電性の半導体層は、半導体層列に接しておりＺｎＯを含有する中間層を用いて半導体層列とのオームコンタクトを形成するために殊に適している。

半導体層列のｎ側では、電流拡大層１２による半導体層列１における均質な電流分布が達成される。半導体層列１において一方はｎ側に他方はｐ側に構成されている２つの電流拡大層を備えた構成素子と比べてエピタキシ時間を短縮することができる。

続けて金属層を接続層５、例えばはんだ層またはボンディング層を介して支持体６と接続することができ、この支持体６は有利にはＧａＡｓを含有する、および／または、ヒートシンクとして構成されている。半導体層列が共融的なボンディングを用いて支持体において適切な金属層と固定される場合には、接続層は必要に応じて多層系を包含していてもよい。続けて成長基板１０が、例えばエッチング、機械的な負荷またはレーザ除去法によって除去され、例えばコンタクト金属化部の形態での電極８，９が半導体層列側と、支持体のこの半導体層列側とは反対側とに配置されている。

金属層４、中間層３およびｐ側のブラッグミラー１９はＲＣＬＥＤの第１のミラー７を形成し、この第１のミラーはｎ側のブラッグミラー１３と共に素子の内部の光学的な共振器を表す。

金属層４とＧａＡｓ支持体６とを用いて大幅な吸収を行う構造に基づき、好適にはアクティブ領域の支持体側とは反対側に配置されている第２のミラー１３は出力結合ミラーとして構成されている。

この種のＲＣＬＥＤの放射波長λは例えば約６５０ｎｍの可視スペクトル領域、例えば赤色スペクトル領域にある。

中間層の厚さはこの波長に関しては約７０ｎｍである。したがって中間層の厚さは、理想的な金属層に関する中間層の厚さＤ_ｉｄ＝λ／（４ｎz）≒１００ｎｍに比べて侵入度ｄ_Ｍ＝３０ｎｍだけ低減されており、この際中間層の屈折率ｎ_ｚはＺｎＯに関する上述の波長ではおよそ１．６である。侵入度ｄ_ＭはＡｕ層における反射による位相Φ_ｒｅ≒２．２での式（５）により得られ、これは虚数部の大きいＡｕの複素屈折率を用いたフレスネルの式から計算される。

これによって有利には、中間層３のアクティブ領域２側と対向する側において反射されるビームの可能な限り大きな成分と、金属層４において反射されるビームの可能な限り大きな成分とが強め合うように重畳され、第１のミラー７の反射率は弱め合う干渉によらずに低減されることが達成される。

殊に自然放出されるビームの出力結合効率を低減させないために、ブラッグミラー１３は有利には９０％またはそれ以下の反射率を有し、この出力結合効率はＲＣＬＥＤにおいては殊に出力結合ミラーの反射率によっても影響を受ける。

これに対して第１のミラーは半導体層列１のこの種の構成においては、およそ９８％の比較的高い反射率を有し、また有利には僅かな侵入度しか有さないので、その結果厚さは、λ≒６５０ｎｍに関しては約２３組の上述の半導体層組を有していなければならないことになる反射率の等しい純粋なブラッグミラーに比べて低減されている。したがってアクティブ領域２を仮想的な第１のミラーの近傍に配置することができ、これによってＲＣＬＥＤの効率が有利には高められる。

さらには有利には、アクティブ領域２は共振器において、このアクティブ領域２が素子の動作時に共振器内に形成される定在波の波腹内に存在するように配置されている。発光半導体素子の効率を、定在波の最大電界強度での結合によってさらに高めることができる。殊に、アクティブ領域２の位置決めの際に、素子の動作時に殊に半導体層列内で生じる熱およびこの熱によりもたらされる素子の個々の構成要素の拡張を考慮することができるので、アクティブ領域は素子の動作時には波腹内に配置されている。

この種の第１のミラー７のさらなる利点は金属層４における反射率の方向依存性が少ないことであり、この方向依存性はミラーの表面法線に相対的なビームの入射角度に殆ど依存しない。これに対して、表面法線に対して大きな角度でアクティブ領域を離れるビームは純粋なブラッグミラーによって反射されないか、殆ど反射されず、したがってまた素子からも僅かな程度しか出力結合されない。

しかしながら金属層４においては大きな角度で入射するビームも高い割合で反射される。このビームを続けてアクティブ領域２によって吸収して、必要に応じてこのビームが素子から出力結合されるように再放射することができる（いわゆる光子リサイクル）。このようにして殊に、例えばＩｎＧａｌＰを基礎とする素子において実現可能であるような、高い量子効率を備えたアクティブ領域２においては、一度形成された光子が出力結合される確率が高まる。殊にこのことは、他の場合には共振器内で継続される全反射を受けるであろう光子に関しても該当し、このような全反射は比較的大きな角度（全反射の限界角度よりも大きい）においても発生する。ＲＣＬＥＤの効率は十分に改善される。

半導体層列を取るに足らない構造的な変化でＶＥＣＳＥＬ、ＶＣＳＥＬまたは共振器を備えていないが第１のミラーを有するＬＥＤに関しても構成できることを言及しておく。

図２には本発明による発光半導体素子の第２の実施例の概略的な断面図が示されている。

この第２の実施例は図１Ａに示した実施例とは実質的に絶縁層２２によって区別され、この絶縁層２２は中間層３および金属層４の切り欠き部内に配置されている。半導体層列１を図１Ｂに示したものと同様に実施することができる。

例えばＳｉＮからなるこの電気的な絶縁層２２はアクティブ領域２の下の部分に配置されており、この部分は例えば吸収性の金属を含有する電極９によって覆われるか隠されており、また有利には電極８からアクティブ領域２のこの部分に流れる電流成分を低減する。電極９によって覆われる半導体層列の部分は図２において破線によって示されている。絶縁層をスパッタリングまたは蒸着によって被着することができる。

絶縁層に基づいて、この部分においてはアクティブ領域２のその他の部分に比べて僅かなビーム出力しか形成されない。電極９によって吸収することができるビーム成分が有利にはそのように低減され、また素子の効率は図１Ａに示した素子に比べて全体的にさらに高められる。

この場合、切り欠き部は必ずしも金属層４および中間層３を通過して支持体６に達している必要はない。可能な限り僅かな電流が電極９によって覆われているアクティブ領域２の部分に達しないことのみが重要である。これに関しては中間層内のみまたは金属層内のみの切り欠き部でも既に十分である。

有利には、半導体層列内に有利には電極を包囲する少なくとも１つの溝２３が形成されており、この溝２３は絶縁層２２の周囲の電流の流れによって行われる可能性のある電極９の下でのアクティブ領域２内のビーム形成をさらに低減する。溝２３は好適には絶縁層の材料でもって充填されている。この種の溝は半導体層列から、例えば中間層の被着の前にエッチング方法を用いて構造化することができる。図２においては溝が垂直方向において、アクティブ領域と、半導体層列の中間層側と対向する側との間において、有利には中間層からアクティブ領域の端部まで延在し、溝の構造化に起因するアクティブ領域の損傷は低減される。溝によって包囲されている半導体層列の部分は殊に有利には、絶縁材料を介して残りの領域から電気的に分離されている。

総じて第１のミラーを用いることにより３０％またはそれ以上、有利には４０％までの外部効率を有するＲＣＬＥＤを実現することができる。

本発明は、内部共振器を備えた効率的なＶＣＳＥＬもしくは共振器を備えていないが第１のミラーを有する効率的なＬＥＤにも適していることを言及しておく。しかしながら殊に高い効率の上昇をＲＣＬＥＤまたはＶＥＣＳＥＬにおいて達成することができる。

本願は、２００４年１１月３０日付けのドイツ連邦共和国特許明細書第102004057802.8号の優先権を主張するものであり、その全体の開示内容は明示的な参照により本願に含まれるものとする。

実施例に基づいた本発明の説明は本発明をこの説明に制限するものではないとみなされるべきである。むしろ本発明は実施例、その他の記述または請求項に記載されている特徴の全ての組み合わせを、例えばそれらの組み合わせが請求項の対象でなくとも包含する。

本発明による発光半導体素子の第１の実施例の概略的な断面図。 本発明による発光半導体素子における半導体層列に関する実施例の概略的な断面図。 本発明による発光半導体素子の第２の実施例の概略的な断面図。

Claims (23)

1. ビーム形成のために設けられているアクティブ領域（２）を備えた半導体層列（１）と、前記アクティブ領域（２）の後段に配置されている第１のミラーとを有する発光半導体素子において、
   −前記第１のミラーは金属層（４）と、該金属層（４）の前記アクティブ領域（２）側とは反対側に配置されているビーム透過性で導電性の材料からなる中間層（３）とを包含し、
   −発光半導体素子は、ＲＣＬＥＤとして光学的な共振器を用いて動作し且つ非コヒーレントなビームを形成するために設けられている、またはＶＥＣＳＥＬとして外部の光学的な共振器を用いて動作し且つコヒーレントなビームを形成するために設けられていることを特徴とする、発光半導体素子。
2. 前記中間層（３）は少なくとも部分的に、前記金属層（４）において反射されたビーム成分と、前記中間層（３）の前記半導体層列（１）側と対向する側において反射されたビーム成分とを強め合って重畳するよう構成されている、請求項１記載の発光半導体素子。
3. 前記中間層（３）は
   

   

   の関係を満たす厚さＤを有し、
   ここでλは前記アクティブ領域（２）において形成されるビームの真空での波長であり、ｎ_ｚは前記中間層（３）の屈折率であり、ｋは０を含む自然数であり、ｌは０とは異なる有限の残りの長さを表す、請求項１または２記載の発光半導体素子。
4. 前記残りの長さｌは前記波長λ'（λ／ｎ_ｚ）の４分の１よりも小さく、ここでλ'は前記アクティブ領域（２）において形成されたビームの前記中間層（３）内での波長を表す、請求項３記載の発光半導体素子。
5. 前記中間層は酸化物を含有する、請求項１から４までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。
6. 前記第１のミラー（７）はブラッグミラー（１９）を包含する、請求項１から５までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。
7. 前記金属層（４）はＡｕを含有し、前記中間層（３）はＺｎＯを含有する、請求項１から６までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。
8. 前記ブラッグミラー（１９）は前記中間層（３）の前記アクティブ領域（２）側と対向する側に配置されている、請求項６または７記載の発光半導体素子。
9. 前記ブラッグミラー（１９）は２０以下の半導体層列組を有する、請求項６から８までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。
10. 前記共振器は第１のミラー（７）および第２のミラー（１３）を有し、該第２のミラーは前記アクティブ領域（２）の前記第１のミラー側とは反対側に配置されている、請求項１から９までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。
11. 半導体素子はＲＣＬＥＤとして実施されており、光学的な共振器は内部共振器である、請求項１から１０までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。
12. 前記第１のミラー（７）の反射率は前記第２のミラー（１３）の反射率よりも大きい、請求項１０または１１記載の発光半導体素子。
13. 前記ビームは前記第２のミラーを通過して半導体素子から出力結合される、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の発光半導体素子。
14. 前記第２のミラーはブラッグミラーとして実施されている、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の発光半導体素子。
15. １つまたは複数のブラッグミラーはＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、有利にはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ, Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}ＮまたはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓを含有し、ここでそれぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である、請求項６から１４までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。
16. 前記アクティブ領域において形成されるビームの波長は可視スペクトル領域にある、請求項１から１５までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。
17. 前記半導体層列（１）は支持体（６）上に配置されている、請求項１から１６までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。
18. 前記支持体（６）は前記半導体層列（１）の成長基板（１０）とは異なる、請求項１７記載の発光半導体素子。
19. 前記支持体（６）はヒートシンクを包含する、請求項１７または１８記載の発光半導体素子。
20. 前記アクティブ領域の前記第１のミラー側とは反対側には、半導体素子と電気的に接触するためのコンタクト構造（８，９）が配置されている、請求項１から１９までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。
21. 前記コンタクト構造（８，９）によって覆われる前記アクティブ領域の部分の下方に電気的な絶縁材料が配置されている、請求項２０記載の発光半導体素子。
22. 発光半導体素子は薄膜素子である、請求項１から２１までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。
23. 前記半導体層列（１）は少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、有利には材料系Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ, Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}ＮまたはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓを含有し、ここでそれぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である、請求項１から２２までの少なくとも１項記載の発光半導体素子。

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