JP2009510737A - 光電半導体素子 - Google Patents
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Abstract
動作中に正面（７）から電磁放射を放出する光電半導体素子において、前記電磁放射の発生に適した活性部位（４）を有する半導体層列（１）と、別個に製造されて、前記半導体層列に取り付けられるＴＣＯ支持基板（１０）を備えるとともに、前記ＴＣＯ支持基板は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のグループに属する材料から構成されて、前記半導体層列（１）を機械的に支持する。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は光電半導体素子に関する。
成長基板上でエピタキシャル成長された半導体層列を備える光電半導体素子が、特許文献１に開示されている。一般に、成長基板は、半導体層列の内部で発生する電磁放射の一部を吸収するので、特許文献１では、分離結合手段を使って、エピタキシャル層列を分離キャリア体に固定して、前記成長基板を取り外すことを提案している。また、この場合に、分離キャリア体の材料として、例えば、半導体素子の放射を吸収する金属及び半絶縁シリコンを使用することも提案している。さらにまた、例えば、接着剤あるいは半田を結合手段として使用することも提案している。
分離キャリア体を、例えば、金属あるいはシリコンのような、半導体素子の放射を吸収する材料で作ると、放射が吸収されるので、半導体素子の効率が低下する。
そこで、本発明は、良好な放射効率を備えるとともに、簡単な手順で製造できる光電半導体素子を提供することを目的とする。
前記の目的は、請求項１に記載した特徴を備える光電半導体素子によって達成される。また、この半導体素子の有益な発展例と具体例は、従属請求項２ないし１３に示されている。
正面から電磁学的放射光を放出する光電半導体素子において：
− 電磁放射の発生に適した活性部位を有する半導体層列と、
− 別個に製造されて、前記半導体層列に取り付けられるＴＣＯ支持基板を備えるとともに、
前記ＴＣＯ支持基板は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のグループに由来する材料から構成されて、前記半導体層列を機械的に支持する。
− 電磁放射の発生に適した活性部位を有する半導体層列と、
− 別個に製造されて、前記半導体層列に取り付けられるＴＣＯ支持基板を備えるとともに、
前記ＴＣＯ支持基板は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のグループに由来する材料から構成されて、前記半導体層列を機械的に支持する。
透明酸化物導電体（”ＴＣＯ”と略記する）は透明な導電材料であり、一般に、例えば、酸化亜鉛、酸化錫、酸化カドミウム、酸化チタン、酸化インジウムあるいは酸化インジウム錫（ＩＴＯ）のような金属酸化物である。二元の金属酸化物、例えば、ＺｎＯ，ＳｎＯ２あるいはＩｎ２Ｏ３に加えて、三元の金属酸化物、例えば、Ｚｎ２ＳｎＯ４，ＣｄＳｎＯ３，ＺｎＳｎＯ３，ＭｇＩｎ２Ｏ４，ＧａＩｎＯ３，Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５あるいはＩｎ４Ｓｎ３Ｏ１２、あるいは異なる透明酸化物導電体の混合物が前記透明酸化物導電体のグループに含まれる。また、これらの透明酸化物導電体は、化学量論的構成が共通している必要はない。また、ｎ-ドープあるいはｐ-ドープを施されてもよい。
ＴＣＯ支持基板を備える光電半導体素子は、第一に、ＴＣＯが備える導電性によって、前記光電半導体素子を前記ＴＣＯ支持基板経由で電気的に接続できる点で、有益である。
さらに有益なことに、前記ＴＣＯは前記半導体素子で発生する放射に対して透過性を有するので、前記ＴＣＯ支持層は動作中に前記半導体層列で発生する放射を全く吸収しないか、比較的小部分を吸収するだけである。このことは、例えば、エピタキシャル成長基板あるいは分離放射不透明キャリアのような放射を吸収する基板を備える半導体素子に比べて、前記半導体素子の放射効率を高くするために役に立つ。
放射を発生するために、前記半導体素子の前記活性放射発生部位は、ｐｎ接合、ダブルへテロ構造、単一量子井戸を備えるとよい。あるいは多重量子井戸構造を備えると、さらによい。この場合、” 量子井戸構造”という名称は、量子井戸構造の次元をなんら特定するものではない。したがって、” 量子井戸構造”は、量子井戸、量子細線あるいは量子ドット及びこれらの組み合わせを包含するものである。多重量子井戸構造の例は、国際公開第０１/３９２８２号パンフレット、米国特許第５，８３１，２７７号明細書、米国特許第６，１７２，３８２号明細書及び米国特許第５，６８４，３０９号明細書の各文献に記載され、ここに挙げた事項の参考になる内容が開示されている。
前記半導体層列は、例えば、窒素化合物半導体材料、燐化合物半導体材料あるいは砒素化合物半導体材料のような、III−Ｖ族化合物半導体材料を基礎とする。
前記において、” 窒素化合物半導体材料を基礎とする”とは、前記半導体層列の少なくとも一部が窒素/III化合物半導体材料、望ましくは、下記の化学式で表される材料で構成されることを意味する。
ＡｌｎＧａｍＩｎ１−ｎ−ｍＮ ただし、０≦ｎ≦１，０≦ｍ≦１，ｎ＋ｍ≦１
また、この場合、この材料は必ずしも上記の化学式に対して数学的に正確な構造を備える必要はない。このＡｌｎＧａｍＩｎ１−ｎ−ｍＮ材料の物理的な特性を本質的に変化させないものであれば、多少の不純物や付加構造があってもよい。簡単に言えば、上記の化学式は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｎ）の結晶格子の基本構造を示すものであって、少量の部分を他の物質に置き換えることができるということである。
同様に、前記において、”燐化合物半導体材料を基礎とする”とは、前記半導体層列の少なくとも一部が燐/III化合物半導体材料、望ましくは、下記の化学式で表される材料で構成されることを意味する。
ＡｌｎＧａｍＩｎ１−ｎ−ｍＰ ただし、０≦ｎ≦１，０≦ｍ≦１，ｎ＋ｍ≦１
また、この場合、この材料も必ずしも上記の化学式に対して数学的に正確な構造を備える必要はない。このＡｌｎＧａｍＩｎ１−ｎ−ｍＰ材料の物理的な特性を本質的に変化させないものであれば、多少の不純物や付加構造があってもよい。簡単に言えば、上記の化学式は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐ）の結晶格子の基本構造を示すものであって、少量の部分を他の物質に置き換えることができるということである。
” 窒素化合物半導体材料を基礎とする”及び”燐化合物半導体材料を基礎とする”と同様に、前記において、”砒素化合物半導体材料を基礎とする”とは、前記半導体層列の少なくとも一部が砒素/III化合物半導体材料、望ましくは、下記の化学式で表される材料で構成されることを意味する。
ＡｌｎＧａｍＩｎ１−ｎ−ｍＡｓ ただし、０≦ｎ≦１，０≦ｍ≦１，ｎ＋ｍ≦１
また、この場合、この材料も必ずしも上記の化学式に対して数学的に正確な構造を備える必要はない。このＡｌｎＧａｍＩｎ１−ｎ−ｍＡｓ材料の物理的な特性を本質的に変化させないものであれば、多少の不純物や付加構造があってもよい。簡単に言えば、上記の化学式は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｓ）の結晶格子の基本構造を示すものであって、少量の部分を他の物質に置き換えることができるということである。
好適な実施例においては、前記ＴＣＯ支持層は、前記半導体層列の反射率より低い反射率を有する。一般に、ＴＣＯは前記半導体層列の反射率に比べて、著しく低い反射率を有する。前記ＴＣＯ支持層は、２以下の反射率を有し、かつ前記半導体層列は３以上の反射率を有するのが特に望ましい。しかしながら、前記半導体層列を窒素化合物からなる半導体材料で構成すれば、前記前記半導体層列の反射率を、２．２以上３以下にすることができる。
前記ＴＣＯ支持層の反射率を前記半導体層列の反射率より著しく低くすれば、前記活性部位で発生して前記ＴＣＯ支持層と前記半導体層列の境界面に入射する電磁放射の大部分は、そこで反射して前記半導体層列に戻るので、前記電磁放射が前記ＴＣＯ支持層を突き抜けないという利点をもたらす。
更なる実施例において、前記ＴＣＯ支持層は、直接接合、拡散接合あるいは接着接合を用いて取り付けられる。
直接接合及び拡散接合は、接着接合とは違って、接続層を使わないで行われる接続方法である。直接接合によれば、結合部材は互いに相手に接触させられ、前記結合部材は、例えば、ファンデルワールス力や水素結合のような弱い相互作用で互いに接合される。都合がよいことに、前記結合部材を高温に曝すと、両者の接合は強くなる。
直接接合及び拡散接合は、結合される表面の粗度の要求において、特に違いがある。
直接接合においては、結合部材は、二乗平均粗さが１ｎｍ以下になるような、十分に平坦かつ滑らかな平面であることが望ましい。結合部材が全ての面で弾性変形して機械的に接触するように、接合面と被接合面の間に十分な相互作用エネルギーが生じなければからないからである。前記表面の反応によって、この原子接触が強力な化学結合（共有結合、イオン結合、金属結合）を生じる程度に十分あるいは不十分になる。結合部材相互の化学結合が極端に弱かったとしても、高温に曝せば、結合を強くすることができる。
拡散接合の場合は、表面祖度の要求はあまり厳格ではない。一般に、接続表面の二乗平均粗さは最大０．４μｍまで許される。しかし、結合部材を十分に接合するためには、高圧と高温に曝す必要がある。この場合、高温暴露は相応温度（絶対温度で表示した当該材料の融点に対する当該材料の温度の比）を０．５以上かつ０．８以下にすることが望ましい。また高圧暴露は接合される結合部材の材料の降伏応力の範囲の圧力にするのが望ましい。
例えば、直接接合や拡散接合のような、接続層を必要としない結合方法は、例えば接着剤のような、接続層の接続媒体が、ガスを放出したり半導体素子を汚染したりすることがないという利点がある。このため、前記半導体素子の製造過程において、結合工程の後に、接続層を使ってＴＣＯ支持層と半導体列の結合する工程で生じる温度よりも高い温度の工程を設けることが一般に可能になる。さらに、前記半導体素子の温度や化学物質に対する耐性が前記接続媒体によって制限されることもない。その結果、前記半導体素子の応用分野が広くなるし、前記半導体素子の製造後に行うプロセス、例えば、温度に対する耐性の低い回路基板への半田付けによる実装のような、組み立てや結合技術の選択の幅が広くなる。
前述した、接続層を必要としない結合方法に比べて、例えば、接着接合のような、接続層を使用する結合方法は、一般に簡単かつ都合よく実行できるという利点がある。さらに、結合される表面の不均一性は、接続層の使用によって補償されるので都合がよい。また、接続層を必要としない結合方法では、一般に、前記半導体層列は、高圧及び/又は高温に曝されるので、結合工程において前記半導体層列、特に前記活性部位が損傷する危険がより大きい。
前記ＴＣＯ支持層を接着接合法で取り付ける場合に、例えば、導電性接着剤を使えば、前記半導体層列を、前記ＴＣＯ支持層を経由して、例えば、回路基板の導電路やハウジングの電気接続部に簡単に接続することができる。
導電性接着剤の代わりに、例えば、ビスベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）のような絶縁性接着剤を使ってもよい。ＢＣＢは、多くの半導体製造プロセスと互換性があるので有益である。またＢＣＢは、前記半導体が放出する放射を容易に透過させるという利点を備える。さらに、酸素を排除するので、黄ばみを生じないが、生じてもわずかな黄ばみに留まるという利点もある。
例えば、ＢＣＢのような絶縁性接着剤を使って接合された結合部材の間に導電性を与えるために、前記接着層は、前記結合部材の表面の少なくとも一部が、前記表面の凹凸の高みにおいて、互いに直接に接触して、電気的接続が形成されるような薄さが選ばれる。本実施例において、ＴＣＯ支持層と半導体素子の間の電気的接触を改善するために、接続が予想される表面、望ましくは、結合工程において他方の結合部材の先端に接触する部位に、局所的金属接触部を配置する。この方法によれば、通常、数ｎｍの最小粗さを備える表面を互いに接触させることができる。
さらに好適な一実施例において、透明酸化物導電体のグループに由来する材料から構成されるＴＣＯ層を、前記半導体層列と前記ＴＣＯ支持基板の間に配置する。とりわけ、前記接続層を使用しない結合方法において、結合面の粗さを低減するために、前記ＴＣＯ層は使用される。この目的のために、例えば、前記半導体層列に前記ＴＣＯ層が取り付けられ、接続された前記ＴＣＯ層の表面は、化学的機械的研磨がなされる。この場合、研磨の過程で失われる材料は、前記ＴＣＯ層の厚さを決める際に考慮される。前記ＴＣＯ層の厚さは５０ｎｍ以上、１０μｍ以下とするのが望ましい。さらに望ましくは、５０ｎｍ以上、２μｍ以下とするのがよい。
さらに、前記ＴＣＯ層は、前記半導体層列と前記ＴＣＯ支持基板の間の電気的接続を改善する接触層としても働き、望ましくは、後者（前記ＴＣＯ支持基板）が本質的にオームの電流-電圧特性を備えるような効果を与える。前記ＴＣＯ層は、例えば、エピタキシャルプロセス、スパッタリングあるいはゾル−ゲルプロセスで、形成することができる。
さらにまた、前記ＴＣＯ層に加えて、ＴＣＯ接触層を、前記半導体層列と前記ＴＣＯ支持基板の間に配置してもよい。同様に、前記ＴＣＯ接触層も透明酸化物導電体のグループに由来する材料で構成され、前記半導体層列と前記ＴＣＯ支持層の間の電気的接続を改善し、望ましくは、後者（前記ＴＣＯ支持基板）に、本質的にオームの電流-電圧特性を与える。また、同様に、前記ＴＣＯ接触層は、エピタキシャルプロセス、スパッタリングあるいはゾル−ゲルプロセスで、形成することができる。
同様に、前記ＴＣＯ接触層の厚さは、５０ｎｍ以上１０μｍ以下とするのが望ましい。さらに望ましくは、５０ｎｍ以上２μｍ以下とするのがよい。
前記ＴＣＯ層及び前記ＴＣＯ接触層にはドーパントを添加することもできる。なお、このドーパントには、望ましくは、Ａｌ，Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｔｉ，ＺｒあるいはＨｆのようなｎ型のドーパントが含まれる。ｎ型のドーパントについては、例えば、”Ｎｅｗ ｎ-ｔｙｐｅ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｏｘｉｄｅｓ”Ｔ．Ｍｉｎａｍｉ，ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，Ａｕｇｕｓｔ ２０００と題された文献に記述されていて、ここに挙げた事項の参考になる内容が開示されている。
さらに、前記ＴＣＯ接触層を複数の層で構成してもよい。例えば、前記ＴＣＯ接触層にｎ-ドープ層を備えて、望ましくは、前記ｎ-ドープ層が前記ＴＣＯ支持基板に直接隣接するようにしてもよい。また同様に、ｎ-ドープされたトランスバース導電層を備えて、望ましくは、前記トランスバース導電層が前記半導体層列に直接隣接するようにしてもよい。なお、前記ｎ-ドープ層は前記トランバース導電層よりも高度にドープされる。
前記ＴＣＯ接触層の厚さは５０ｎｍ以上かつ１０μｍ以下とするのがよい。望ましくは、５０ｎｍ以上かつ２μｍ以下、さらに望ましくは、１μｍ以上かつ５μｍ以下とすると、さらによい。
前記ＴＣＯ層あるいは前記ＴＣＯ接触層によって、一般に、前記ＴＣＯ支持基板と前記半導体層列の電気的接続が改善される。前記ＴＣＯ層あるいは前記ＴＣＯ接触層は、前記半導体層列に、例えばスパッタリングのような適切な蒸着法で着膜されて、前記蒸着法で着膜された層と前記半導体材料の間に良好な電気的接続が生じるからである。結合工程において、前記ＴＣＯ支持基板と前記ＴＣＯ層および前記ＴＣＯ接触層を良好に電気的接続させることは、前記ＴＣＯ支持基板と前記半導体層列を結合することに比べて、一般に極めて簡単である。
さらに好適な実施例において、前記半導体素子の放射を反射する反射層を、前記半導体層列の前記活性領域と前記半導体素子の背面、つまり前記半導体素子の正面の反対側に、配置する。また、
前記反射層を前記半導体層列と前記支持基板の間に配置するとさらに望ましい。このような反射層は、前記半導体層列から放出されて前記支持基板に向かうる放射を前記半導体層列に戻す反射の改善に役立つ。これによって、前記半導体素子の放射効率は改善される。
前記反射層を前記半導体層列と前記支持基板の間に配置するとさらに望ましい。このような反射層は、前記半導体層列から放出されて前記支持基板に向かうる放射を前記半導体層列に戻す反射の改善に役立つ。これによって、前記半導体素子の放射効率は改善される。
この場合において、前記反射層を複数の層で構成してもよい。また、例えば、面の一部にだけ反射層を形成してもよいし、横方向に反射層を構成してもよい。
さらに好適な実施例においては、分布ブラッグ反射鏡（「ＤＢＲ鏡」と略記する）を前記反射層として使用する。ＤＢＲ鏡は、反射率が高い層と低い層を交互に積み重ねて構成される。また、ＤＢＲ鏡は、とりわけ、その上面に垂直に入射する放射光を反射する。前記支持基板が前記半導体層列よりも低い反射率を有すると、前記前記支持基板と前記半導体層列の境界面に斜めに入射する放射光は、一般に、前記境界面で反射するが、前記境界面に垂直に入射する放射光は失われる。ＤＢＲ鏡を前記半導体層列の活性部位と前記支持基板の間にＤＢＲ鏡を配置すると、前記半導体素子の放射効率を向上するのに都合がよい。
前記反射層を前記半導体層列の活性部位と前記支持基板の間に配置することに加えて、あるいはその代わりに、前記半導体素子の背面に金属層を備えてもよい。第一に、前記半導体層列の活性部位と前記支持基板の間に配置された前述の反射層のように、前記金属層は、放射を前記半導体素子の正面に向けるので、放射効率が向上する。第二に、前記金属層は、一般に、前記半導体素子の背面と導電性接着剤または半田の間の電気的接続を改善する。なお前記導電性接着剤または半田は、あとで前記半導体素子をハウジングあるいは回路基板に実装するために使用される。
前記半導体素子の正面に凹凸を備えるとさらによい。前記半導体素子の正面の凹凸は、前記半導体素子の表面での多重反射が減少させるので、放射の送出が改善される。また、放射をより高効率で送出するために前記半導体素子の正面にこれ以外の構造、例えば、その側面の寸法が前記半導体素子から放出される放射の波長以下にした構造要素を備える周期構造を設けることも考えられる。
前記半導体素子に電流拡散層を備えてもよい。前記電流拡散層は前記半導体層列の前記半導体素子の正面に対向する側に取り付けられるとともに、透明酸化物導電体のグループに由来する材料で構成される。前記電流拡散層は、前記正面から前記半導体素子に印加される電流を可能な限り均等に横に広げて、前記半導体層列に、特に前記活性部位に分配するという有益な効果を奏する。これによって、エネルギー消費を変えずに、放射の発生量を増加させることができる。また、前記半導体の放出特性をより均質にすることができる。また、さらに有益なことに、前記電流拡散層を透明酸化物導電体で構成すると、半導体材料で構成した場合に比べて、前記電流拡散層を著しく薄くすることができる。さらに、前記電流拡散層を透明酸化物導電体で構成すると、前記半導体素子の放射光に対する吸収効率の高い材料、例えば金属のような材料で構成した場合に比べて、前記電流拡散層で吸収される放射を著しく小さくすることができる。
前記正面において、前記半導体素子と電気的に接触するために、好適な一実施例において、導電性を有する電気接合パッドを備える。前記電気接合パッドを経由するとともに、例えば、ボンディングワイヤを使用して、前記半導体素子を、ハウジングの電気接続部あるいは回路基板の電気接続部に電気的に接続することができる。
以下、図１ないし図４を参照しながら、４個の実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
実施例及び図面において、同一の構成要素あるいは同一の機能を有する構成要素には、それぞれの場合において、同一の符号を付与している。また図示された構成要素は、原則として、縮尺が正しくなるような配慮はなされていない。むしろ、個々の構成要素、例えば、層の厚さは、理解しやすいように、誇張して描かれることがある。
図１に示した実施例において、半導体素子は半導体層列１を備える。半導体層列１は，ｎ側に取り付けられた電流拡散層２、ｎ型被覆層３、活性部位４、ｐ型被覆層５及びｐ型接触層６を有する。活性部位４はｐ型被覆層５とｎ型被覆層３の間に配置され、ｎ型被覆層３は活性部位４と半導体素子の放射放出正面７の間に配置される。またｐ型被覆層５は、活性部位４と半導体素子の背面８の間に配置される。ｐ型接触層６は、ｐ型被覆層５の、半導体素子の背面８に対向する面に取り付けられ、電流拡散層２は、ｎ型被覆層３の半導体素子の放出方向の下流に配置される。さらに、正面電気接合パッド９が電流拡散層２に取り付けられ、例えば、コンタクトフィンガー（図示せず）が正面電気接合パッド９から、半導体素子の放射放出正面７の上を通って、横に伸びる。また、正面電気接合パッド９に、半導体素子をハウジングあるいは回路基板の導電部位に電気的に接続するボンディングワイヤを取り付けることもできる。ボンディングワイヤを取り付けないで、半導体素子の正面を電気的に接続することもできる。例えば、半導体素子の放射放出正面７をハウジングあるいは回路基板の導電部位に電気的に接続する導電層を使うこともできる。
さらに、ＴＣＯ接触層１３が、ｐ型接触層６の、半導体素子の背面８に対向する面に取り付けられる。ＴＣＯ接触層は、接続層を使わないで、拡散接合や直接接合によってＴＣＯ支持基板１０に接続される。ＴＣＯ支持基板１０は、ＴＣＯのグループに由来する材料で構成されるので、導電性を備えるとともに、半導体素子の放射に対して透過性を有する。なお、ＴＣＯ接触層の材質は、必ずしもＴＣＯ支持基板の材質と共通している必要はない。
本実施例では、半導体層列１は燐化合物系の半導体材料から構成される。また、本実施例では、活性部位４は、例えば、ドープされていないＩｎＧａＡｌＰから構成され、１００ｎｍから１μｍの間の厚さを備え、動作中に黄色から赤色のスペクトル領域の可視光線を電磁放射する。ｎ型被覆層３は、ｎ−ドープされたＩｎＡｌＰから構成され、ｐ型被覆層５はｐ-ドープされたＩｎＡｌＰから構成される。ｎ型被覆層３およびｐ型被覆層５は、それぞれ、２００ｎｍから１μｍの間の厚さを有する。ｐ型接触層６は、高度にｐ-ドープされたＡｌＧａＡｓから構成され、５０ｎｍから２００ｎｍの間の厚さを有する。電流拡散層２は、ＩｎＧａＡｌＰあるいはＡｌＧａＡｓから構成され、１μｍから１０μｍの厚さを備えるのが望ましい。ＴＣＯ接触層１３はＴＣＯ、本実施例では、例えば２％のアルミニウムでドープされた酸化亜鉛からなり、５０ｎｍから２０００ｎｍの間の厚さを備える。
本明細書の概説部分で、既に言及したように、放射を発生する活性部位４は、例えば、ｐｎ接合、ダブルへテロ構造、単一量子井戸あるいは多重量子井戸構造を備える。ｎ型被覆層３およびｐ型被覆層５は、活性部位４への各チャージキャリアを制限する役割がある。また、ｐ型接触層６は、ＴＣＯ接触層１３と半導体層列１の間の電気的接触を改善して、望ましくは、オームの電流−電圧特性を与えるのと同時に、正面電気接合パッド９を経由して前記半導体素子に印加される電流を、電流拡散層２を使って、可能な限り均等に横に広げて、半導体層列１に、とりわけ、活性放射発生部位４に分配する。
本実施例では、半導体層列１は、例えば、ＧａＡｓ成長基板上でエピタキシャルに成長する。ＴＣＯ接触層１３は、ｐ型接触層６の、前記半導体素子の背面８に対向する面に隣接して、例えば、蒸着法あるいは塗布法によって取り付けられる。前記ＴＣＯ接触層１３は、例えば、スパッタリング、気相蒸着法、あるいはゾル−ゲルプロセスによって、エピタキシャルに形成される。ＴＣＯ層を取り付けるためのゾル−ゲルプロセスは、例えば、独国特許出願公開第１９７１９１６２号明細書、あるいはＬ．Ｓｐａｎｈｅｌ他の”Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｌｕｓｔｅｒｓ ｉｎ Ｓｏｌ-Ｇｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ：Ｑｕａｎｔｉｚｅｄ Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ，Ｇｅｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｉｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ＺｎＯ Ｃｏｌｌｏｉｄｓ”、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．（１９９１），１１３，２８２６−２８３３に記載され、ここに挙げた事項の参考になる内容が開示されている。
ＴＣＯ支持基板１０は、例えば、ＺｎＯあるいはＩＴＯからなり、５０μｍから２００μｍの間の厚さを備え、拡散接合によりＴＣＯ接触層に隣接して取り付けられる。そのために、ＴＣＯ支持基板１０とＴＣＯ接触層１３の対向面を互いに接触させ、１０７５℃から１５２５℃の間の温度と接合される二材の降伏応力の領域の圧力に、数時間の間に曝す。その結果、ＴＣＯ接触層１３とＴＣＯ支持基板１０の間に、強固で機械的に安定した接合が生じる。通常は、さらに好都合なことに、ＴＣＯ接触層１３とＴＣＯ支持基板１０の間に、導電性を具備する接合が形成される。
ＴＣＯ支持層１０を取り付けた後で、前記成長基板は、例えば、研磨及び/又は選択的湿式化学エッチングによって、削減または除去することができる。
半導体層列１の反射率（ｎ（ＩｎＧａＡｌＰ）≒３．５）とＴＣＯ支持層１０の反射率（ｎ（ＺｎＯ）≒１．８５）の違いによって、図１に示す前記半導体素子では、半導体層列１の活性領域４で発生して、半導体層列１とＴＣＯ支持層１０の境界面に入射する放射は、前記境界面で反射して半導体層列１の中に戻る。
図１に係る実施例の半導体素子とは対照的に、図２に係る実施例の半導体素子は、凸凹を有する正面７を備えている。この正面７は、例えば、エッチングによって形成することができる。正面７に凹凸を設けると、前記半導体素子から周囲へ前記放射を良好に放出することができる。正面７に凹凸を設けると、一般に、半導体素子と周辺環境の境界面における多重反射による放射の損失が減少するからである。
さらに、図２に示した前記半導体素子の背面８には、金属層１４を備える。前記半導体素子をハウジング又は回路基板に取り付けるために後で使われる導電性接着剤あるいは半田との電気的接触を良好にするために、金属層１４は取り付けられる。また、金属層１４は半導体層列１で発生する放射を反射して半導体層列１の中に戻す。金属層１４は、例えば、金あるいはアルミニウムを含む。
図１に係る実施例の半導体素子とは対照的に、図２に係る実施例の前記半導体素子はＴＣＯ接触層１３を備えないで、ＴＣＯ層１５を備える。本実施例において、ＴＣＯ層１５は、ＴＣＯ支持基板１０と本質的に同一の材料、すなわちＺｎＯで構成される。また本実施例では、ＴＣＯ支持基板１０は、直接接合によって、ＴＣＯ層１５に接合される。そのために、接合される二材の表面の粗さは一般に１ナノメータ以下でなければならない。そうでなければ、接合される二材の表面の双方を研磨しなければならない。ＴＣＯ層１５を研磨しなければならない場合、ＴＣＯ層１５の厚さを選択する際に、これを考慮しなければならない。
互いに接合されるＴＣＯ支持基板１０とＴＣＯ層１５の表面の粗さが、前述の値よりも小さければ、ＴＣＯ支持基板１０とＴＣＯ層１５は互いに直接接触させられ、３００°Ｃから１０００°Ｃの間の温度に数時間曝される。そうすると、ＴＣＯ支持基板１０とＴＣＯ層１５の間に、強固で機械的に安定した接合が得られる。本実施例においては、通常は、都合のよいことに、ＴＣＯ接触層１３とＴＣＯ支持基板１０の間に導電性を備えた接合が得られる。さらに、前記高温曝気に加えて、約２０ｂａｒまでの高圧曝気を行うと効果がある。しかしながら、これは通常は絶対的に必要なものではない。
この接合において、ＴＣＯ層１５はＴＣＯ接触層１３の代替手段としてだけでなく、ＴＣＯ接触層１３に追加して使用することができることを指摘しなければならない。この場合、ＴＣＯ接触層１３は、ｐ型接触層６とＴＣＯ層１５の間、あるいは、ＴＣＯ層１５とＴＣＯ支持基板１０の間のいずれかに配置される。
さらに、接合される表面を重度にｎドープしてもよい。例えば、ＴＣＯ支持基板１０と半導体層列１の間の導電性を改善するために、本明細書の概説部で先に説明したｎ型ドーパントのいずれかでドープしてもよい。
図１及び図２に係る実施例の半導体素子とは対照的に、図３に係る実施例の半導体素子は、反射層を備えている。本実施例では、ｐ型被覆層５とｐ型接触層６の間に配置されたＤＢＲ鏡１１を前記反射層として備えている。本実施例のＤＢＲ鏡１１は、反射率の高い層と反射率の低い層を交互に１０層から２０層を重ねた層列を備える。また、黄色から赤色の間のスペクトル範囲の可視光線を反射するために、本実施例のＤＢＲ鏡１１は、例えば、ＡｌＧａＡｓあるいはＡｌＧａＩｎＰから構成され、アルミニウム及び/又はガリウムの成分の含有量を違がえて、各層の反射率を交互に違えている。
さらに、図３に係る実施例の半導体素子は、図１に係る実施例の半導体素子とは対照的に、ＴＣＯ接触層１３とＴＣＯ支持基板１０の間に接着層１６が配置されている。接着層１６には、例えば、導電性接着剤、望ましくは、半導体素子の放射に対して透過性を有する接着剤が含まれる。
導電性接着剤の代わりに、例えば、ＢＣＢのような絶縁性接着剤を使って、半導体層列１を支持基板１０に取り付けてもよい。この場合、接合される表面の粗度は、少なくとも、数ｎｍの領域にある。本実施例において、接着層１６は、接合される表面の粗さによって生じる高みの間に接着剤が保持される一方で、前記表面が、前記高みにおいて互いに直接機械的に接触して、前記表面の間の導電性が得られるように、薄くされる。
半導体層列１をＴＣＯ支持基板１０に取り付けるために、例えば、ＢＣＢのような絶縁性接着剤を使用する場合、前記絶縁性接着剤は、例えば、接合される表面の一方又は両方にスピンコーティングによって、薄い層をなすように取り付けられる。前記接着剤が取り付けられると、前記接合される二表面は互い接触する。それに圧力を加えると、余分な接着剤が横方向に押し出されて、接着層１６が十分に薄くなり、前述したように、前記接合される二表面の高みを経由して、電気的な接続が生じるようになる。
図１に係る実施例の半導体素子とは対照的に、図４に係る実施例の半導体素子はｎ型接触層１２を有する。このｎ型接触層１２は、高度にｎ-ドープされたＡｌＧａＡｓからなり、５０ｎｍから２００ｎｍの間の厚さを有し、ｎ型被覆層３の、半導体素子の放射放出正面７に対向する面に形成される。また、ＴＣＯで構成されるｎ側電流拡散層２は、２００ｎｍから１μｍの間の厚さを有し、半導体の層列１から見て、ｎ型接触層１２の下流側に形成される。ｎ型接触層１２とＴＣＯで構成されるｎ側電流拡散層２の電気的接続を改善して、望ましくは、オームの電流−電圧特性を与えるために、これらの層が接触する場所を、例えば、Ａｕ/Ｇｅ（図示せず）で構成してもよい。
図１に係る実施例の半導体素子、および図４に係る実施例の半導体素子においては、ｐ型接触層６とＴＣＯ支持層１０の間に、ＴＣＯで構成されるＴＣＯ接触層１３を備える。この場合、ＴＣＯ接触層１３は必ずしもＴＣＯ支持層１０と同一の材料で構成されない。またＴＣＯ接触層１３は、支持層１０と半導体層列１の電気的接触を改善し、望ましくは、オームの電流−電圧特性を与える。ＴＣＯ支持層１０は、例えば、直接接合又は拡散接合によって前記半導体層列に固定される。ＴＣＯ支持層１０は、あるいは、接着接合によって前記半導体層列に固定されてもよい。
本特許出願は、ドイツ特許出願１０２００６０２３６８５．８と１０２００５０４６６９１．５に基づく優先権を主張するものであり、当該基礎出願の開示事項を本願発明に包含される。
本発明は、実施例の記載によって限定されない。むしろ、あらゆる新規な特性と特性の組み合わせが本発明に包含される。例え、その特性または組み合わせそのものが、特許請求の範囲あるいは実施例に明確に定義されていなかったとしても、特許請求の範囲に記載されたあらゆる特性の組み合わせが本発明に包含される。
Claims (13)
- 動作中に正面（７）から電磁放射を放出する光電半導体素子において、
前記電磁放射の発生に適した活性部位（４）を有する半導体層列（１）と、
別個に製造されて、前記半導体層列に取り付けられるＴＣＯ支持基板（１０）を備えるとともに、
前記ＴＣＯ支持基板は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のグループに由来する材料から構成されて、前記半導体層列（１）を機械的に支持する
ことを特徴とする光電半導体素子。 - 前記ＴＣＯ支持基板は、前記半導体層列の反射率より小さい反射率を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光電半導体素子。 - 前記ＴＣＯ支持基板（１０）は、直接接合、拡散接合または接着接合によって前記半導体層列に取り付けられる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光電半導体素子。 - 前記ＴＣＯ支持基板（１０）は、ビス・ベンゾシクロブテンを含有する接着剤によって前記半導体層列に取り付けられる
ことを特徴とする請求項３に記載の光電半導体素子。 - ＴＣＯのグループに由来する材料から構成されるＴＣＯ層が、前記半導体層（１）と前記ＴＣＯ支持基板（１０）の間に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電半導体素子。 - ＴＣＯ接触層（１３）が、前記半導体層列（１）と前記ＴＣＯ支持基板（１０）の間に配置されて、前記半導体層列（１）と前記ＴＣＯ支持基板（１０）を電気的に接続するとともに、
前記ＴＣＯ接触層（１３）は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のグループに由来する材料から構成される
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電半導体素子。 - 前記ＴＣＯ接触層（１３）は、１μｍ以上かつ５μｍ以下の厚さを有する
ことを特徴とする請求項６に記載の光電半導体素子。 - 前記半導体素子の放射を反射する反射層が、前記半導体層列（１）の前記活性部位（４）と前記ＴＣＯ支持基板（１０）の間に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電半導体素子。 - 前記反射層は、ＤＢＲ鏡（１１）（分布ブラッグ反射鏡）である
ことを特徴とする請求項８に記載の光電半導体素子。 - 前記半導体素子の背面（８）が、前記半導体素子の正面の反対側に配置されるとともに、
前記背面（８）は金属層（１４）を備える
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電半導体素子。 - 前記金属層（１４）は、前記半導体素子の放射を反射するように形成されている
ことを特徴とする請求項１０に記載の光電半導体素子。 - 前記正面（７）は、凹凸を備える
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電半導体素子。 - 透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のグループに由来する材料から構成される電流拡散層（２）が、前記半導体層列（１）の、前記半導体素子の前記正面（７）に対向する側に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電半導体素子。
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