JP2007027728A - オプトエレクトロニックチップ - Google Patents

Abstract

【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。
【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。
【選択図】図１

Description

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。

ＷＯ０２／１３２８１Ａ１に、発光性の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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、高品質の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。

有利には担体は、半導体ボディに対して熱膨張係数が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。

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。

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。

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。

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、または金属含有のミラー層を含む。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、反射率の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、反射性の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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、幾何光学の法則に従って屈折される。

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。

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。

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。

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。

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。

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 ｎ_２＜ｎ_１
ここでは、Ｒは半導体材料から成る球の半径を表し、ｎ_２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の屈折率を表し、ｎ_１は、球を形成するための半導体材料の屈折率を表す。

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。

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。

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。

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。

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の酸化。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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に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。

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。

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。

また、担体がフレキシブルな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。

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の誘電体層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Ｓｉ_３Ｎ_４またはＳｉＮから成るか、またはこれらの材料を含む。

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。

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。

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。

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。

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、窒化III／V族化合物半導体材料を含み、有利にはＡｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｎ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、Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｎ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。

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Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｐ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、Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｐ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。

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Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ａｓ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、Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ａｓ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。

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。

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、エネルギー状態の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。

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。

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の垂直方向の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。

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。

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。

図１の実施例では、部分領域３はｙ^２＝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。

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。

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に均質に分布するのに適するように設けられる。

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の電流分布は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。

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。

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の計算値が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。

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。放出波長は、６５０ｎｍである。

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材料体系で形成される。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ｎ_１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 ｎ_２／ｎ_１
ここでは、ｎ_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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、後続のドライエッチングとを使用して行われる。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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の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。

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。

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。

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。

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。

Claims (26)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
20. 半導体層のシーケンス（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。
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。
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。
23. 基板（２０）を薄くする、請求項２２記載の製造方法。
24. 基板（２０）を除去する、請求項２２記載の製造方法。
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。
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。

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