JP2007500934A - 複数のオプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法およびオプトエレクトロニクス半導体チップ - Google Patents

Abstract

本発明は複数のオプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法に関し、これらの半導体チップはそれぞれ少なくとも１つの半導体層を備えた複数の構造素子をそれぞれ有する。この方法においては基板ならびに成長表面を有するチップ結合体ベースが提供される。成長表面の上には複数の窓を有するマスク材料層が形成され、これらの窓の大部分は１μｍ以下の平均的な広がりを有する。マスク材料は後続のステップにおいて成長すべき半導体層の半導体材料がこのマスク材料上では実質的に成長しない、または成長表面に比べて実質的に成長しにくいように選択される。続けて、半導体層が実質的に窓の内部に位置する成長表面の領域の上に析出される。さらなるステップではチップ複合体ベースが被着された材料と共に半導体チップに個別化される。さらに本発明は本方法に応じて製造されるオプトエレクトロニクス半導体チップに関する。

Description

本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第10335080.2号の優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本願に含まれるものとする。

本発明は複数のオプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法に関し、これらの半導体チップはそれぞれ少なくとも１つの半導体層を備えた複数の構造素子をそれぞれ有する。構造素子の半導体層は選択的なエピタキシによって成長する。さらに本発明はこの方法に応じて製造されるオプトエレクトロニクス半導体チップに関する。

この種のオプトエレクトロニクス半導体チップならびにこのオプトエレクトロニクス半導体チップを製造するための相応の方法は、例えばドイツ連邦共和国特許出願第199 11 717 A1号に記載されている。この半導体チップは複数のビーム出力結合素子を有し、これらのビーム出力結合素子は例えばエピタキシャル成長した半導体層列を含み、この半導体層列には電磁ビームを形成するアクティブ層が設けられている。これによってこの素子のビーム出力結合は改善されている。

各ビーム出力結合素子は被覆面上にリングコンタクトを有し、このリングコンタクトは導電性のウェブによって相互に接続されている。このことはビーム出力結合素子を導電的にコンタクト接続させるためには比較的コストが掛かるやり方であり、またこのビーム出力結合素子が所定の最小サイズを有していることを要求する。

本発明の課題は、冒頭で述べたようなオプトエレクトロニクス半導体チップの改善された製造方法を提供することである。

本発明の別の課題は、この種の方法により製造される、従来の半導体チップに比べ改善された特性を有する半導体チップを提供することである。

この課題は請求項１の特徴を備えた製造方法ないし請求項１４の特徴を備えたオプトエレクトロニクス素子によって解決される。方法の有利な実施形態は請求項２から１３の対象である。

本発明によれば、冒頭で述べたような複数のオプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法は少なくとも以下のステップを有する：
基板ならびに成長表面を有するチップ複合体ベースを準備するステップ；
成長表面上に、大部分が１μｍ以下の平均的な広がりを有する複数の窓を備えたマスク材料層を形成するステップ、ここでマスク材料は後続のステップにおいて成長すべき半導体層の半導体材料がこのマスク材料上では実質的に成長しない、または成長表面に比べて実質的に成長しにくいように選択されており、
窓の内部に位置する成長表面の領域上に半導体層を実質的に同時に成長させるステップ；
チップ複合体ベースを被着された材料と共に半導体チップに個別化するステップ。

この関係において広がりとは直線に射影した窓の長さと理解され、この直線はマスク材料層の主延在面に延びるものである。したがって平均的な広がりとは窓の全ての方向にわたる平均的な広がりである。

マスク材料層における比較的小さい窓を用いることにより、比較的高い面積密度でより小さい構造素子を形成することができる。これによって、例えば素子において形成される電磁ビームの改善された出力結合のような素子の改善された特性を得ることができる。

有利には、チップ複合体ベースは基板上にエピタキシャルに成長した少なくとも１つの半導体層を有する。
この場合、成長表面はエピタキシャルに成長した半導体層の基板側とは反対側の表面である。

方法の有利な実施形態において、チップ複合体ベースは基板上にエピタキシャルに成長した半導体層列を有し、この半導体層列は電磁ビームを放射するアクティブ領域を含む。相応に、成長表面は半導体層列の基板側とは反対側の表面である。続けて成長表面上に被着された構造素子の半導体層は構造化部を形成し、この構造化部は例えばチップ複合体ベースにおいて形成される電磁ビームの出力結合を改善するという目的を果たすものである。

構造素子は択一的または付加的に、電磁ビームを放射するアクティブ領域を備えているエピタキシャルに成長した半導体層列をそれぞれ有している。

マスク材料層のための有利な材料はＳｉＯ_２、Ｓｉ_ｘＮ_ｙまたはＡｌ_２Ｏ_３を有する。

構造素子の半導体層の成長後に、この半導体層上に有利には導電性のコンタクト材料からなる層が被着され、このコンタクト材料はアクティブ領域から放射される電磁ビームに対して透過性であるので、複数の構造素子の半導体層はコンタクト材料によって導電的に相互に接続される。これによって簡単なやり方で電気的なコンタクト構造を形成することができ、さらにはこのコンタクト構造によって素子内で形成される電磁ビームは僅かな程度しか吸収されない。

本方法の実施形態においては、マスク材料層が半導体層の被着後に好適には少なくとも部分的に除去される。

本方法の別の実施形態においては、半導体層列の成長後に有利には、マスク材料の除去に択一的または付加的に、平坦化層が成長表面にわたって被着される。この平坦化層によって、この平坦化層と接している半導体層の屈折率よりも屈折率が小さい材料が平坦化層のために選択される場合には、光の出力結合を改善することができる。

平坦化層は有利には、誘電性の特性を備えた材料を有する。

構造素子の半導体層の成長時には、電磁ビームの出力結合にとって有利な形状、例えば少なくとも近似的にレンズ状の形状を有する半導体層が形成されるように成長条件が有利には調節され、また択一的または付加的に成長中に変更される。

マスク材料層および半導体層の成長は殊に有利には有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて行われる。

オプトエレクトロニクス半導体チップは、本発明による方法またはこの方法の実施形態により製造されている点で優れている。

方法ないしオプトエレクトロニクス半導体チップのさらなる利点、有利な実施形態および構成は、図１ａから図３と関連させて説明する以下の実施例より明らかになる。ここで、
図１ａから１ｄは本方法の実施例の種々の段階における成長表面の一部を概略的に示し、
図２はオプトエレクトロニクス素子の第１の実施例の概略的な断面図を示し、
図３はオプトエレクトロニクス素子の第２の実施例の概略的な断面図を示す。

実施例および図面において、同一の構成要素または同じ働きをもつ構成要素にはそれぞれ同じ参照符号が付されている。図示されている構成要素ならびにそれらの構成要素相互の大きさの比率は縮尺通りに示していない。むしろ図面における幾つかの細部はより良い理解のために誇張して大きく表されている。

図１ａから１ｄには、マスク材料１からなるマスク材料層１１が成長している間の成長表面３の一部が時間の経過に従った順序でそれぞれ示されている。マスク材料層１１は現場で、静的に分布している複数の窓が生じるように閉塞していない層の形状で成長する。「現場で」とは、素子の半導体層の成長が行われたエピタキシ反応器と同じエピタキシ反応器において成長が行われることを意味する。択一的に、閉塞されたマスク材料層を成長させ、続けてそのマスク材料層にフォトリソグラフィおよびエッチングによって窓を形成することもできる。

成長表面３は例えばｎ−ＧａＡｓからなる基板の面でよく、マスク材料１は例えばＳｉ_ｘＮ_ｙからなる。

マスク材料１の成長は成長表面３の分散的な点において始まり、それらの点においてマスク材料１からなるクリスタリットが生じる。マスク材料１からなるクリスタリットはさらなる経過では横方向、すなわち成長表面３に平行な方向において一体となるように成長する（図１ａから１ｄを参照されたい）。ここで成長条件は例えば、２次元の成長が優勢であるように、すなわちマスク材料１からなるクリスタリットが専ら成長表面に並行な面で成長し、この成長表面に垂直な方向では僅かな程度しか成長しないように調節することができる。択一的に、成長条件を相応に調節することによって、主としてクリスタリットの３次元の成長を達成することもできる。すなわち、考えられる全ての成長方向において成長率がほぼ等しいか、等しいオーダにある成長も達成することができる。

ここで成長条件とは、例えばエピタキシ反応器内の圧力、温度、材料の流れおよび成長期間のような外部から調節できる制御可能ないし可変のパラメータであると解される。所定の成長特性を達成するためのこの種のパラメータに関する精確な値を大きく変更することができ、またそのような値は例えばエピタキシ反応器の区分および幾何学的な寸法または成長させるべき材料に依存する。

成長条件を調節することにより、マスク材料層の成長時に窓の形状または大きさのみを変更できるのではなく、例えば有利には、成長表面上に窓を形成する面の厚さも調節することができる。

閉塞していないＳｉ_ｘＮ_ｙ層の製造は例えば、典型的には５００℃から１１００℃の範囲でよい適切な反応器温度でＭＯＶＰＥ反応器内にＳｉＨ_４およびＮＨ_３を導入することによって行われる。しかしながら反応器温度はこの範囲よりも高い温度または低い温度でもよい。そのような方法は、例えばHageman, P. R.等によるphys. stat. sol. (a) 188, No. 2 (2001)、第659頁から第662頁に記載されており、その限りにおいてこの刊行物の内容は参照により本願に含まれるものとする。択一的にＳｉ源として、テトラエチルシリコン（Ｓｉ（Ｃ_２Ｈ_５）_４）またはエピタキシに適した類似のＳｉ含有化合物も使用することができる。

図１ｄに示されている成長の状態ではマスク層１１が完成している。マスク材料層１１は形状および開口面積が異なる静的で分散的な複数の窓２を有する。析出条件は、窓の大分部が１μｍ以下の平均的な広がりを有するように選択されている。窓の広がりが小さいことによって、比較的小さいより多くの構造素子を形成することができ、また例えば素子構造からの改善されたビーム出力結合を達成することができる。

続けて、この窓２の内部に位置する成長表面３の領域には、例えば半導体層列８が選択的に析出される（図２または３を参照されたい）。この半導体層列は例えばリン化物化合物半導体を基礎とすることができ、有利には材料Ｉｎ_ｎＧａ_ｍＡｌ_{１−ｎ−ｍ}Pを有することができ、ここで０≦ｎ≦１，０≦ｍ≦１およびｎ＋ｍ≦１である。これらの材料は、１つまたは複数のドーパントならびに付加的な要素を含有することができ、これらは材料の物理的な特性を実質的に変化させない。

半導体層列８は構造素子１２を形成する。本発明の主旨においては、複数の構造素子の半導体層列が重畳すること、または複数の構造素子が少なくとも１つの共通の半導体層を有することも可能である。このことは例えば、隣接する構造素子１２の半導体層列が部分的または完全に一体となるまで、半導体層列８が横方向においてマスク材料層にわたり成長する場合である。このような場合、隣接する２つの構造素子間の境界は、マスク材料層上に存在する半導体材料が最小の厚さを有することになる線に沿って延びている。

図２において、構造素子１２を形成する半導体層列８はアクティブ領域を有し、このアクティブ領域は電流が供給されると電磁ビームを放射する。しかしながら構造素子１２がアクティブ領域を有していないことも考えられ、その場合構造素子１２をレンズ状の形状を有するただ１つの半導体層から形成することができる。

アクティブ領域は例えば発光ダイオードのための従来のｐｎ接合部を有する。この種の構造は当業者に周知であり、したがってここではこれ以上詳細に説明しない。

窓が異なる大きさの開口面を有することによって、この開口面内に析出される半導体層列８の層に関して異なる材料組成が生じる。したがって電磁ビームを放射する構造において異なる放射スペクトルが得られるので、その結果この種のビーム放射素子を用いることにより、従来の素子を用いる場合に比べてより広範な放射スペクトルを達成することができる。

図２には本方法により製造されるオプトエレクトロニクス素子の一部が概略的な断面図で示されている。チップ複合体ベース５は基板４ならびにこの基板上にエピタキシャルに成長した半導体層または半導体層列６を包含し、この半導体層または半導体層列の基板４側とは反対側に成長表面３が形成される。成長表面３の上にはマスク材料層１１が成長し、このマスク材料層１１は図示されている素子の一部において窓を有し、この窓に半導体層列８が選択的に析出されている。

マスク材料層１１の最大の厚さは例えば僅か数ｎｍでよく、また半導体層列８の高さよりも薄い。これによって半導体層列８の半導体層は、この半導体層列８を包囲しているマスク材料層１１の厚さ以上の高さになると、横方向の成長により部分的にはマスク材料層１１にわたっても成長する。

半導体層列８が成長するための成長条件は、例えばレンズ状の形状を有する半導体層列８が形成されるように選択されるか、成長の間に変更される。択一的に、この形状は円錐台状またはポリエドラ状であってもよい。

この関係において成長条件の概念は前述のマスク材料１の成長と同じように理解される。成長条件は成長すべき半導体材料の種類およびエピタキシ装置の種類の他に、例えば圧力、温度、材料の流れおよび成長期間のようなパラメータに関する所定の値の調節がまさに半導体材料の成長に作用するように、マスク材料１の種類にも大きく依存する。

図２に示した実施例においては、最後に成長した半導体層が半導体層列８の他の全ての半導体層を覆う。これにより、導電性のコンタクト材料７からなる層が例えば面状に成長表面３全体にわたって、ないし半導体層列８およびマスク材料１の上に被着され、この際半導体層列８の種々の半導体層が電気的に短絡することはない。コンタクト材料７として例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）または幾つかの原子膜の厚さの例えばプラチナからなる金属層が適しており、それらは厚さが薄いので半導体層列８のアクティブ領域から放射されるビームに対して透過性である。

ＩＴＯを有するコンタクト材料は付加的にこの種の薄い金属層を有することができ、この金属層はＩＴＯの前に析出される。これによって、コンタクト材料７と半導体層列８との間のコンタクトの導電性を改善することができる。

コンタクト材料７と半導体層列８との間に導電性のコンタクトを生じさせるために、通常では素子をコンタクト材料７の被着後に適切な温度で十分に長く可鍛化する必要がある。この措置は当業者に周知であり、したがってここでは詳細には説明しない。

可鍛化の前または後にコンタクト材料７上にボンディングパッドを被着することができ、このボンディングパッドを介して半導体層列を一方の側から例えばボンディングワイヤを用いてコンタクト接続することができる（図示せず）。

基板４が裏面、すなわち成長表面側とは反対側にコンタクト材料を有し、且つ導電的に接続されている場合には、ボンディングパッドおよび裏面のコンタクトを介して、さらに接続されている素子に直接電圧を印加してその機能を検査することができる（直接検査；Direct Probing）。

図２に示した素子の一部においては、択一的または付加的に基板４上に配置されている半導体層列６も電磁ビームを放射するアクティブ領域を有することができる。素子に電圧が印加されると電流がマスク材料層１１により窓２の領域に限定されるので、光形成領域は実質的に、窓２の下にある半導体層列６のアクティブ領域の一部に限定されている。

図３には素子の第２の実施例が示されている。図２に基づき説明した実施例との相違は、この実施例における製造方法が半導体層列８の被着後にマスク材料層１１の除去を含むことであり、そのような除去を選択的なエッチングによって行うことができる。

続けて、成長表面３および半導体層列８には平坦化層１０が被着され、この平坦化層１０は例えば誘電性材料からなるものでよく、その屈折率は半導体層列８の材料の屈折率よりも小さい。

半導体層列８が導電的にコンタクト接続できるようにするために、平坦化層１０は続けて少なくとも部分的に薄くされるか、除去され、その結果半導体層列８の最も外側の層が露出される。続けてこの最も外側の層には、図２に基づき説明した実施例と同様に導電性のコンタクト材料７が被着されて可鍛化される。

続けてチップ複合体ベース５を被着されている材料と共に複数のオプトエレクトロニクス半導体チップに個別化することができる。これらの半導体チップはそれぞれ複数の構造素子１２を含む。

本発明の保護範囲は、実施例に基づく本発明の既述の説明に限定されるものではない。例えば、マスク材料層内の窓を、その窓内にほぼ１次元の半導体素子構造が成長されるように小さく形成することができる。本発明はあらゆる新しい特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴の組み合わせ各々が含まれ、またこのことはそのような組み合わせが特許請求の範囲に明示的には記載されていないにしてもあてはまる。

本方法の実施例の種々の段階における成長表面の一部の概略図。 オプトエレクトロニクス素子の第１の実施例の概略的な断面図。 オプトエレクトロニクス素子の第２の実施例の概略的な断面図

Claims (14)

1. それぞれ少なくとも１つの半導体層を備えた複数の構造素子をそれぞれが有する、複数のオプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法において、
   少なくとも以下のステップ：
   −基板ならびに成長表面を有するチップ複合体ベースを準備するステップ；
   −前記成長表面上に、大部分が１μｍ以下の平均的な広がりを有する複数の窓を備えたマスク材料層を形成するステップ、ここで、マスク材料は後続のステップにおいて成長すべき半導体層の半導体材料が該マスク材料上では実質的に成長しない、または前記成長表面に比べて実質的に成長が悪いように選択されており、
   −前記窓の内部に位置する前記成長表面の領域上に半導体層を実質的に同時に成長させるステップ；
   −前記チップ複合体ベースを被着された材料と共に半導体チップに個別化するステップ；
   を有することを特徴とする、複数のオプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法。
2. 前記チップ複合体ベースは前記基板上にエピタキシャルに成長した少なくとも１つの半導体層を有し、前記成長表面はエピタキシャルに成長した前記半導体層の前記基板側とは反対側の表面である、請求項１記載の方法。
3. 前記チップ複合体ベースは前記基板上にエピタキシャルに成長した半導体層列を有し、該半導体層列は電磁ビームを放射するアクティブ領域を有し、前記成長表面は前記半導体層列の前記基板側とは反対側の表面である、請求項１または２記載の方法。
4. 前記構造素子は、電磁ビームを放射するアクティブ領域を備えているエピタキシャルに成長した半導体層列をそれぞれ有する、請求項１または２記載の方法。
5. 前記マスク材料はＳｉＯ_２、Ｓｉ_ｘＮ_ｙまたはＡｌ_２Ｏ_３を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記半導体層の成長後に、前記アクティブ領域から放射される電磁ビームに対して透過性である導電性のコンタクト材料からなる層を前記半導体層上に被着させ、複数の構造素子の半導体層を前記コンタクト材料により導電的に相互に接続する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記マスク材料層の平均的な厚さは、構造素子の前記半導体層の合計の厚よりも薄い、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記マスク材料層を前記半導体層の被着後に少なくとも部分的に除去する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記半導体層列の成長後に、平坦化層を前記成長表面にわたって被着させる、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記平坦化層に対して、前記半導体層の屈折率よりも屈折率が小さい材料を選択する、請求項９記載の方法。
11. 前記平坦化層に対して、誘電性の特性を有する材料を選択する、請求項９または１０記載の方法。
12. 前記半導体層が成長する成長条件を、前記構造素子の半導体層がレンズ状、円錐台状またはポリエドラ状の形状を形成するように調節する、および／または、成長中に変更する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 前記半導体層の成長を有機金属気相成長法を用いて行う、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法により製造されることを特徴とする、オプトエレクトロニクス半導体チップ。

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