JP2010541216A

JP2010541216A - オプトエレクトロニクス半導体本体

Info

Publication number: JP2010541216A
Application number: JP2010526147A
Authority: JP
Inventors: パトリックローデ; カールエンゲル; マルチンストラスバーク; ルッツヘッペル; マティアスサバシル
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-12-24
Also published as: DE102008021403A1; TW200917537A; US8362506B2; EP2193555B1; CN101796660A; EP2193555A1; WO2009039812A1; TWI431802B; KR20100080819A; CN101796660B; US20100230698A1

Abstract

オプトエレクトロニクス半導体本体（１０）は、電磁放射（Ｓ）を放出する表側（１２）を有する基板（１１）を備えている。オプトエレクトロニクス半導体本体（１０）は、基板（１１）の裏側（１３）に配置されている半導体層列（１４）を有し、この半導体層列（１４）は、電磁放射（Ｓ）を発生させるために適している活性層（１９）を有する。オプトエレクトロニクス半導体本体（１０）は、基板（１１）とは反対を向いている、半導体層列（１４）の第１の面（１７）に配置されている第１および第２の電気接続層（１５，１６）を、さらに備えている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、オプトエレクトロニクス半導体本体に関する。

関連出願

本特許出願は、独国特許出願第１０２００７０４９７７２．７号および独国特許出願第１０２００８０２１４０３．５号の優先権を主張し、これらの文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。

オプトエレクトロニクス半導体本体は、一般には、電磁放射を発生させるために適している活性層を有する。オプトエレクトロニクス半導体は、電位を印加するための２つの端子を有する。第１の端子は、しばしば活性層の第１の側に配置され、第２の端子は活性層の第２の側に配置されている。したがって、活性層の第１の側および第２の側は接触されている。

本発明の課題は、改良されたオプトエレクトロニクス半導体本体を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する半導体本体によって解決される。改良形態および実施形態は、従属請求項の主題である。

一実施形態においては、オプトエレクトロニクス半導体本体は、表側と裏側とを有する基板を備えている。基板の表側は、電磁放射を放出するように設けられている。本オプトエレクトロニクス半導体本体は、半導体層列と、第１の接続層および第２の接続層とを、さらに備えている。半導体層列は、基板の裏側に配置されている。半導体層列は、電磁放射を発生させるために適する活性層を有する。第１の電気接続層および第２の電気接続層は、基板とは反対を向いている、半導体層列の第１の面に配置されている。

基板の裏側は、基板の下側とすることができる。基板の下側とは、半導体本体の実装時に接続リードの方を向いている、基板の側とすることができる。基板の表側は、基板の上側とすることができる。

半導体層列は、エピタキシャル成長させることができる。半導体層列は、基板上にエピタキシャルに堆積させることができる。

２つの電気接続層が、基板とは反対を向いている半導体層列の第１の面に位置しているため、電磁放射をオプトエレクトロニクス半導体本体の表側を通じて放出することと、活性層のための電気エネルギを半導体本体の裏側を介して供給することとが可能である。したがって、２つの電気接続層によって、表側を通じての放射の取出しが妨げられず、したがって、高い取出し効率（outcoupling efficiency）が達成される。基板の表側は、オプトエレクトロニクス半導体本体の表側を形成していることが好ましい。その一方で、２つの電気接続層がオプトエレクトロニクス半導体本体の裏側を形成していることができる。

基板は、格子整合基板（lattice-matched substrate）とすることができる。その場合、基板は、半導体層列の結晶格子と整合している。これにより、基板上への半導体層列のエピタキシャル堆積が単純になる。特に、基板は、基板の裏側に堆積される半導体層列の第１の層と整合する。

一実施形態においては、半導体本体、例えば、基板もしくは半導体層列またはその両方は、窒化物系化合物半導体を含んでいる。窒化物系化合物半導体を含んでいる、とは、半導体本体、特に基板もしくは半導体層列またはその両方が、ＩＩＩ属窒化物系化合物半導体材料、好ましくはＡｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｎ（０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、ｎ＋ｍ≦１）を含んでいることを意味する。この材料は、上の化学式に従って数学的に正確な組成を有する必要はない。そうではなく、この材料は、１つまたは複数のドーパントと、Ａｌ_ｎＧａ_ｎＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｎ材料の特徴的な物理特性を本質的に変化させることのない追加の構成成分とを含んでいることができる。しかしながら、説明を簡潔にする目的で、上の化学式は、結晶格子の本質的な構成成分（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、およびＮ）を含んでいるのみであり、これらの構成成分は、その一部をわずかな量のさらなる物質に置き換えることができる。

一実施形態においては、基板は、第１の窒化物系化合物半導体を含んでいる。半導体層列は、第２の窒化物系化合物半導体を含んでいる。

一実施形態においては、第１の窒化物系化合物半導体と第２の窒化物系化合物半導体とが異なる。代替実施形態においては、第１の窒化物系化合物半導体と第２の窒化物系化合物半導体とが同じである。基板および半導体層列の両方に窒化物系化合物半導体を使用することによって、基板が半導体層列と良好に整合する。

基板は、結晶性の窒化ガリウムを含んでいることができる。基板は、窒化ガリウム単結晶として形成されていることが好ましい。窒化ガリウムを含んでいる基板上に、窒化ガリウムをベースとするエピタキシャル層を堆積させることによって、基板と半導体層列との間の屈折率の不連続性を小さく維持する、または回避することができる。このようにして、基板の裏側における導波路効果を低減または回避することができる。ホモエピタキシャルに堆積させることによって、半導体層列内の転位の数が最小になる。転位密度を、１平方センチメートルあたり１０^７を大きく下回る転位とすることができる。

代替実施形態においては、基板は、補助キャリア、好ましくは結晶性の補助キャリアを備えており、この補助キャリアは、基板の表側の方に、好ましくは基板の表側に配置されている。半導体層列は、窒化物系化合物半導体を含んでいる。窒化物系化合物半導体は、上の化学式による窒化アルミニウムインジウムガリウム系化合物半導体として実現されていることが好ましい。半導体層列は、基板の裏側にヘテロエピタキシャルに堆積されている。補助キャリアは結晶性とすることができる。補助キャリアは、成長基板として形成することができる。補助キャリアは、窒化物系化合物半導体をベースとする半導体層列の材料とは異なる材料を含んでいることが好ましい。補助キャリアを使用することによって、オプトエレクトロニクス半導体本体の、費用効果の高い製造が促進される。

一実施形態においては、補助キャリアは、結晶性の酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３を備えている。補助キャリアは、酸化アルミニウムの単結晶として実現されていることが好ましい。酸化アルミニウムの単結晶は、一般にはサファイアと称する。

一改良形態においては、基板の裏側は、補助キャリアと半導体層列との屈折率の差の影響が低減するように実現されている。これにより、放射収率（radiation yield）がさらに高まる。

一改良形態においては、補助キャリアの第１の主面があらかじめ所定の構造にされている。補助キャリアのこの第１の主面は半導体層列に面しており、したがって、基板の表側とは反対を向いている。このようなあらかじめパターン化された基板（略してＰＰＳ）によって、半導体層列のエピタキシャル堆積を容易にすることができる。

一実施形態においては、基板は、補助キャリアの第１の主面に配置されている、特に、堆積されている、核形成層を有することができる。この核形成層は、所定の構造を有する核形成層として構築することができる。核形成層は、５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の寸法を有するラテラル構造を有することができる。核形成層は、５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の横方向寸法および縦方向寸法を有する構造を備えていることが好ましい。一般的な寸法の値は３０ｎｍである。核形成層は金属を含んでいることができる。核形成層の寸法が小さいため、核形成層において表面プラズモンが発生し得る。

一改良形態においては、基板は、補助キャリアの第１の主面に配置されている、特に、堆積されている、バッファ層を有することができる。このバッファ層は、オプションとして、核形成層の上に配置する、特に、堆積させることができる。バッファ層は、誘電体層を含んでいることができる。誘電体層は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物（それぞれ略してＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ）を含んでいることができる。これに代えて、またはこれに加えて、バッファ層は、窒化アルミニウムガリウムもしくは窒化ガリウム、またはその両方を含んでいる。バッファ層は、窒化アルミニウムガリウムと窒化ガリウムの接合（略してＡｌＧａＮ−ＧａＮ接合）を含んでいることができる。ＡｌＧａＮ−ＧａＮ接合は、エピタキシャルに堆積させることができる。バッファ層は、半導体層列と整合している基板の裏側を形成することができ、したがって、半導体層列をエピタキシャルに堆積させることができ、高い放射収率を達成することができる。

一改良形態においては、バッファ層は所定の構造を有する。バッファ層の横方向寸法および横方向寸法は、５ｎｍ〜５μｍの範囲内とすることができる。バッファ層の横方向寸法および縦方向寸法は、６０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内とすることができる。バッファ層は、凹凸構造を有することができる。凹凸構造は、不規則な構造とすることができる。

バッファ層は、オプションとして、周期的な格子構造として実現される。

一改良形態においては、半導体層列または半導体層列の第１の層を、所定の構造にエピタキシーを行う方法（method of structuring the epitaxy）によって基板の裏側に堆積させる。この目的のため、例えば、補助キャリア、核形成層、バッファ層のうちの少なくとも１つが、所定の構造を有することができる。半導体層列の第１の層が基板の裏側に配置される。この第１の層を、オプションとして、所定の構造にすることができる。所定の構造にエピタキシーを行うことによって、５ｎｍ〜５μｍの範囲内の横方向寸法および縦方向寸法を有する構造を実現することができる。第１の層は、凹凸構造として、または周期的な格子構造として、実現することができる。構造の横方向寸法および縦方向寸法は、６０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましい。構造的なエピタキシーを行う方法は、所定の構造にエピタキシーを行う方法（method for structured epitaxy）として、または選択的なエピタキシーを行う方法（method for selective epitaxy）として、またはエピタキシャルオーバーグロースの方法（method for epitaxial overgrowth）として、設定することができる。エピタキシャルオーバーグロースの方法は、エピタキシャルラテラルオーバーグロース（略してＥＬＯＧ）としても公知である。ＥＬＯＧ方法においては、エピタキシャル堆積が基板上の個々の場所において開始される。エピタキシャル層（最初は島の形としてのみ存在する）は、エピタキシャル工程の過程において連続的なエピタキシャル層に成長し、これが第１の層を構成する。この工程において、エピタキシャル層の成長が開始される場所の間の領域は、オーバーグロースする。横方向にオーバーグロースさせる隙間領域は、マスク層によって形成することができる。したがって、エピタキシャル層は、少なくとも基板側に所定の構造を有する。

補助キャリアを有する基板の上記の実施形態によって、補助キャリアの格子と半導体層列の格子との間の格子整合が達成される。したがって、格子が整合していない場合に生じる転位密度のレベルが減少する。このような転位は、非発光再結合中心として振る舞うことがある。転位を回避することによって、半導体本体の効率が高まる。さらに、補助キャリアと半導体層列との間の屈折率の差の影響を低減することができる。基板の裏側は、補助キャリアの屈折率が半導体層列の屈折率と整合するように構築することができる。

一実施形態においては、オプトエレクトロニクス半導体本体は、取出し構造を備えている。取出し構造は、基板の表側に配置されている。取出し構造は、基板の表側に形成される層を備えていることができる。

一改良形態においては、基板は、取出し構造を備えている。この改良形態によると、取出し構造は基板において実現されている。したがって、電磁放射は取出し構造を通じて基板の表側から放出され、したがって、電磁放射の強度の角度依存性を調整することができる。

好ましい改良形態においては、取出し構造を備えている基板には、窒化物系化合物半導体、特に、窒化ガリウムが使用される。取出し構造に必要な構造、特にくぼみは、基板にエッチングすることができる。窒化物系化合物半導体はドライまたはウェットケミカルエッチングによって容易に所定の構造にすることができるため、取出し構造を基板に効率的に形成することができる。

一改良形態においては、オプトエレクトロニクス半導体本体は、ミラー、特に誘電体ミラーを備えており、このミラーは、半導体層列の第１の面（基板とは反対を向いている）に配置されている。このミラーは、半導体層列と、第１の電気接続層もしくは第２の電気接続層またはその両方との間の少なくとも特定の領域に、配置されていることが好ましい。活性層によって放出される電磁放射の一部分が、ミラーによって基板の表側の方向に反射される。これによって、放射取出し量が増大する。

一実施形態においては、ミラーは、誘電体層と金属層とを有する。誘電体層は、半導体層列上に堆積されている。誘電体層は、例えば、シリコン酸化物またはシリコン窒化物（それぞれ略してＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ）を含んでいることができる。金属層は、反射器としての役割を果たす。金属層は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）、窒化チタンタングステン（ＴｉＷＮ）、または合金を含んでいることができる。合金は、これらの金属または金属化合物の１つを含んでいることが好ましい。

一改良形態においては、誘電体層および金属層が少なくとも１つのくぼみを有し、したがって、第１の電気接続層もしくは第２の電気接続層、またはその両方が、半導体層列の層におけるこれら少なくとも１つのくぼみの中に配置されている。このようにして、第１の電気接続層もしくは第２の電気接続層、またはその両方と半導体層列との導電性接触が達成される。これによって、ミラーを貫通しての貫通式接続（through-connection）が形成される。

ミラーの誘電体層と金属層との間に接着促進層を配置することができる。接着促進層は、白金、チタン、チタンタングステン、または窒化チタンタングステンなどの金属を含んでいることができる。接着促進層の厚さは、５ｎｍまたはそれ以下とすることができ、好ましくは１ｎｍまたはそれ以下である。チタンタングステンおよび窒化チタンタングステンは、接着促進層のみならず拡散バリアとしても使用することができる。白金は、拡散バリアおよび反射器のいずれとしても良好な特性を有する。

一実施形態においては、第１の電気接続層もしくは第２の電気接続層、またはその両方は、多層構造を有する。

一実施形態においては、第１の電気接続層もしくは第２の電気接続層、またはその両方は、透明導電性酸化物を有する。透明導電性酸化物（略してＴＣＯ）は、透明な導電性材料であり、一般的には金属酸化物（例えば、亜鉛酸化物、スズ酸化物、カドミウム酸化物、チタン酸化物、インジウム酸化物、インジウム亜鉛酸化物、またはインジウムスズ酸化物（略してＩＴＯ））である。金属−酸素の二元化合物（例えば、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３）以外に、金属−酸素の三元化合物（例えば、Ｚｎ_２ＳｎＯ_４、ＣｄＳｎＯ_３、ＺｎＳｎＯ_３、ＭｇＩｎ_２Ｏ_４、ＧａＩｎＯ_３、Ｚｎ_２Ｉｎ_２Ｏ_５、またはＩｎ_４Ｓｎ_３Ｏ_１２）、あるいはさまざまな透明導電性酸化物の混合物も、ＴＣＯの群に属する。さらに、透明導電性酸化物は、必ずしも化学量論的組成に対応している必要はなく、ｐ型にドープする、またはｎ型にドープすることもできる。このような透明導電性酸化物は、インジウムスズ酸化物またはインジウム亜鉛酸化物を含んでいることが好ましい。透明導電性酸化物によって、第１の電気接続層もしくは第２の電気接続層、またはその両方における電流拡散が達成される。

オプトエレクトロニクス半導体本体は、発光ダイオードとして、特に、薄膜発光ダイオードチップとして実現することができ、特に、電磁放射は可視光とすることができる。

一実施形態においては、オプトエレクトロニクス半導体本体を製造する方法は、電磁放射を放出する表側と、裏側とを備えている基板、を設けるステップ、を含んでいる。基板の裏側に半導体層列をエピタキシャルに堆積させる。半導体層列は、電磁放射を発生させるために適している活性層を備えている。基板とは反対を向いている半導体層列の第１の面に、第１の電気接続層および第２の電気接続層を堆積させる。

本オプトエレクトロニクス半導体本体は、一方の側から接触可能であるオプトエレクトロニクス半導体本体として実現されていることが好ましい。オプトエレクトロニクス半導体本体の裏側から接触されているため、オプトエレクトロニクス半導体本体の表側における放射取出しが極めて効率的である。したがって、本オプトエレクトロニクス半導体本体は、フリップチップ技術においてキャリア、具体的には、回路基板またはハウジングに載せることができる。

以下では、本発明について、いくつかの実施形態に関連して図面を参照しながら詳しく説明する。同じ機能または効果を有する層、領域、および構造には、同じ参照数字を付してある。層、領域、または構造の機能が互いに一致している場合、図面のそれぞれにおいてその説明を繰り返さない。

提案する原理によるオプトエレクトロニクス半導体本体の例示的な実施形態を示している。提案する原理によるオプトエレクトロニクス半導体本体の例示的な実施形態を示している。提案する原理による、取出し構造を有するオプトエレクトロニクス半導体本体のさらなる例示的な実施形態を示している。提案する原理による、取出し構造を有するオプトエレクトロニクス半導体本体のさらなる例示的な実施形態を示している。提案する原理による、取出し構造を有するオプトエレクトロニクス半導体本体のさらなる例示的な実施形態を示している。提案する原理による、取出し構造を有するオプトエレクトロニクス半導体本体のさらなる例示的な実施形態を示している。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは、提案する原理による、所定の構造を有する核形成層を有するオプトエレクトロニクス半導体本体の例示的な実施形態を示している。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、提案する原理による、所定の構造を有するバッファ層を有するオプトエレクトロニクス半導体本体の例示的な実施形態を示している。図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃは、提案する原理による、所定の構造を有する基板を有するオプトエレクトロニクス半導体本体のさらなる例示的な実施形態を示している。

図１Ａは、提案する原理によるオプトエレクトロニクス半導体本体の例示的な実施形態を示している。オプトエレクトロニクス半導体本体１０は、表側１２および裏側１３を有する基板１１を備えている。オプトエレクトロニクス半導体本体１０は、さらに、半導体層列１４と、第１の電気接続層１５および第２の電気接続層１６とを備えている。半導体層列１４は、基板１１の裏側１３に配置されている。半導体層列１４は、第１の面１７および第２の面１８を有する。半導体層列１４の第１の面１７は基板１１とは反対を向いている。これに対して、半導体層列１４の第２の面１８は、基板１１の裏側１３に配置されている。第１の電気接続層１５および第２の電気接続層１６は、半導体層列１４の第１の面１７に配置されている。半導体層列１４は、活性層１９と、少なくとも１つのｎ型層２０と、少なくとも１つのｐ型層２１とを、さらに備えている。少なくとも１つのｎ型層２０は、活性層１９と基板１１との間、すなわち、活性層１９と半導体層列１４の第２の面１８との間に、配置されている。少なくとも１つのｐ型層２１は、活性層１９と半導体層列１４の第１の面１７との間に配置されている。

基板１１の裏側１３は、基板１１の下側とすることができる。基板１１の下側とは、半導体本体１０の実装時に接続リードの方を向いている、基板１１の側である。基板１１の表側１２は、基板１１の上側とすることができる。

ｐ型層２１および活性層１９は、いくつかのくぼみ２２を備えている。くぼみ２２は、第１の接続層１５をｎ型層２０に接続している。第１の接続層１５は、ｎ型層２０とのいくつかの導電性接触部を有する。図１Ａには、ｎ型層２０との導電性接続層１５の３つの接触部を示してある。第２の導電性（接続層１６は、ｐ型層２１との接触部をさらに備えている。第１の絶縁体層２３は、くぼみ２２の側壁上と、ｐ型層２１の特定の領域上に配置されている。第１の電気接続層１５は、くぼみ２２におけるｎ型層２０上と、第１の絶縁体層２３上とに配置されている。第２の絶縁体層２４は、第１の電気接続層１５上の特定の領域に配置されている。第２の電気接続層１６は、第２の絶縁体層２４上とｐ型層２１上とに配置されている。領域３１においては、半導体層列１４と第２の接続層１６との間に第１の接続層１５が配置されている。この領域３１において、第１の接続層１５は、第２の絶縁体層２４によって第２の接続層１６から電気的に絶縁されている。

第１の電気接続層１５および第２の電気接続層１６は、それぞれ、第１の接続面２５および第２の接続面２６を有する。第１の接続面２５および第２の接続面２６は、ほぼ平面内に配置されている。これら２つの接続面２５，２６は、第２の面１８よりも半導体層列１４の第１の面１７の近くに配置されている。ミラー２７は、ｐ型層２１と第１の絶縁体層２３との間に配置されている。ミラー２７は、誘電体層２８と金属層２９とを備えている。誘電体層２８は、半導体層列１４の第１の面１７の特定の領域に堆積されている。金属層２９は、誘電体層２８上に配置されている。第２の電気接続層１６は、自身がｐ型層２１の上に配置されている領域に、透明導電性酸化物３０を含んでいる。透明導電性酸化物３０は、層として形成されている。基板１１は、結晶性の窒化ガリウムを含んでいる。基板１１は、窒化ガリウムの単結晶として実現されている。半導体層列１４は、窒化物系化合物半導体を含んでいる。半導体層列１４は、窒化ガリウム系化合物半導体または窒化インジウムガリウム化合物半導体を含んでいる。

第１の電気接続層１５および第２の電気接続層１６には、オプトエレクトロニクス半導体本体１０の裏側から接続可能である。第１の電気接続層１５およびｎ型層２０と、第２の電気接続層１６およびｐ型層２１とによって、活性層１９に電位が印加される。活性層１９の両端の電圧降下によって電磁放射Ｓが発生し、この電磁放射は、第１の成分においてｎ型層２０および基板１１を通過し、基板１１の表側１２において放出される。電磁放射の第２の成分は、活性層１９から半導体層列１４の第１の面１７の方向に放出される。電磁放射の第２の成分の一部はミラー２７によって反射され、したがって、この部分も基板１１の表側１２から放出される。

ｎ型層２０にはいくつかのくぼみ２２を介して複数箇所から接触されており、したがって、第１の接続面２５からｎ型層２０への低抵抗接続が達成されている。ｐ型層２１を貫通して層間接触させる効果として、第１の接続面２５および第２の接続面２６が、基板１１とは反対を向いているオプトエレクトロニクス半導体本体１０の裏側に配置されており、したがって、第１の接続面２５および第２の接続面２６を、キャリア（図示していない）、例えばハウジングの上に容易に実装できる。したがって、放射は、ハウジングを備えたオプトエレクトロニクス半導体本体１０の電気的接触部によって妨げられることなく表側１２において放出されることができ、したがって、放射収率が高まり、高い費用効率においてオプトエレクトロニクス半導体本体１０を収容することができる。放射収率は、ミラー２７によってさらに高まる。

図１Ｂは、提案する原理によるオプトエレクトロニクス半導体本体のさらなる例示的な実施形態を示している。半導体層列１４、第１の電気接続層１５および第２の電気接続層１６、第１の絶縁体層２３および第２の絶縁体層２４、ミラー２７、および透明導電性酸化物３０は、図１Ａと同様に実現されている。図１Ａに示した例示的な実施形態とは異なる点として、図１Ｂによるオプトエレクトロニクス半導体本体１０の基板１１’は、補助キャリア４０を有する。補助キャリア４０は、基板１１の表側１２に配置されている。補助キャリア４０は、結晶性の補助キャリアとして形成されている。補助キャリア４０は、結晶性の酸化アルミニウムを含んでいる。基板１１’は、補助キャリア４０と基板１１’の裏側１３との間に配置されているバッファ層４１をさらに備えている。バッファ層４１は、取出し層として実現することもできる。バッファ層４１は、窒化アルミニウムガリウムまたは窒化ガリウムを含んでいる。バッファ層４１は、補助キャリア４０の第１の主面４２に配置されている。第１の主面４２は、半導体層列１４に面している、補助キャリア４０の主面である。

基板１１’および補助キャリア４０は、電磁放射Ｓに対して透明である。基板１１’は、バッファ層４１によって半導体層列１４と整合している。したがって、半導体層列１４と基板１１’との間の屈折率の不連続性の影響が低減し、したがって、表側１２における放射収率が高い。さらに、バッファ層４１によって、層列１４の結晶格子定数と補助キャリア４０の結晶格子定数とが整合し、したがって、転位密度が減少し、これによって放射収率が同様に高まる。

補助キャリア４０は、酸化アルミニウムの単結晶として形成されていることが好ましい。

代替実施形態においては、バッファ層４１は誘電体層を含んでいる。この誘電体層は、例えば、シリコン酸化物またはシリコン窒化物を含んでいることができる。

代替実施形態（図示していない）においては、バッファ層４１の代わりに、核形成層を主面４２に堆積させることができる。核形成層は、第１の単結晶面を形成することができる。

代替実施形態（図示していない）においては、主面４２とバッファ層４１との間に核形成層を配置することができる。バッファ層４１は、半導体層列１４に対する核形成層の格子整合を促進することができる。

図２Ａ〜図２Ｄは、提案する原理による、さまざまな取出し構造を有するオプトエレクトロニクス半導体本体の合計４つの例示的な実施形態を示している。図２Ａ〜図２Ｄに示した実施形態は、図１Ａおよび図１Ｂに示した実施形態の改良形態である。図２Ａ〜図２Ｄに示した実施形態の半導体層列１４、第１の電気接続層１５および第２の電気接続層１６、第１の絶縁体層２３および第２の絶縁体層２４、ミラー２７、および透明導電性酸化物は、図１Ａおよび図１Ｂにおける各層に対応しており、したがって、以下では説明しない。

図２Ａ〜図２Ｄのそれぞれには、断面図と、基板１１の表側１２における平面図とを示してある。基板１１は長方形として形成されている。図２Ａ〜図２Ｄによると、基板１１は、それぞれの取出し構造５０を備えている。取出し構造５０は、基板１１に形成されている。

図２Ａによると、取出し構造５０は、マイクロレンズ５１として実現されている。マイクロレンズ５１は、円形ライン５２によって画定されている。円形ライン５２の直径Ｄは、基板１１の長方形の第１の辺の長さＳＬ１より小さく、かつ第２の辺の長さＳＬ２より小さい。

マイクロレンズ５１は、電磁放射Ｓが基板１１の表側１２に直角の方向に高い強度にて放出されるように、電磁放射Ｓを集光（concentrates）する。基板１１は、例えば、窒化物系化合物半導体を含んでおり、なぜなら、このような化合物半導体においては、小さい技術コストによってマイクロレンズ５１をエッチングできるためである。エッチングにはドライエッチング法を使用する。

図２Ｂによると、取出し構造５０’は、回折光学素子５５（略してＤＯＥ）を備えている。回折光学素子５５は、基板１１に実現されている。回折光学素子５５はマイクロレンズ５６を備えており、マイクロレンズ５６を中心として何本かのライン５７が配置されている。マイクロレンズ５６は、楕円境界５８を有する。相応して、マイクロレンズ５６の周りのライン５７は、楕円形として実現されている。ライン５７は、三角形断面を有する。

電磁放射Ｓを基板１１に直角の方向に集光する、実質的に平面の構造が、回折光学素子５５によって実現されている。

図２Ｃによると、取出し構造５０’’は、フォトニック結晶（略してＰｈＣ）６０として実現されている。フォトニック結晶６０は、基板１１に形成されている。この目的のため、表側１２において基板１１にくぼみ６１がエッチングされている。くぼみ６１は、平面視したとき円形である。くぼみ６１は、規則的なパターンとして配置されている。図２Ｃに示した実施形態によると、フォトニック結晶は、４×４に配置されたくぼみ６１を備えている。

図２Ｄによると、取出し構造５０’’は、格子６５として実現されている。この目的のため、基板１１に帯状のくぼみがエッチングされている。帯状のくぼみ６６は、平面視したとき長方形として形成されている。帯状のくぼみ６６は、互いに平行に配置されている。このようにして基板１１に格子６５が形成されている。

したがって、格子６５によって電磁放射Ｓの方向依存性を形成することができる。

あるいは、基板は、それぞれの取出し構造５０を有する補助キャリア４０を備えていることができる。この実施形態によると、取出し構造５０は、補助キャリア４０に形成される。

図３Ａ〜図３Ｃ、図４Ａ〜図４Ｃ、および図５Ａ〜図５Ｃは、提案する原理による、所定の構造のエピタキシャル成長が行われるオプトエレクトロニクス半導体本体のいくつかの例示的な実施形態を示している。これらの図に示した実施形態は、図１Ｂに示した実施形態の改良形態である。したがって、基板１１’は、補助キャリア４０を備えている。オプトエレクトロニクス半導体本体１０は、図１Ａおよび図１Ｂに対応する半導体層列１４、第１の電気接続層１５および第２の電気接続層１６、ミラー２７、第１の絶縁体層２３および第２の絶縁体層２４、および透明導電性酸化物３０を、さらに備えている。第１の電気接続層１５および第２の電気接続層１６、ミラー２７、第１の絶縁体層２３および第２の絶縁体層２４、および透明導電性酸化物３０は、明瞭さを目的として、図３Ａ〜図３Ｃ、図４Ａ〜図４Ｃ、および図５Ａ〜図５Ｃには図示しておらず、図１Ａに基づいてすでに詳しく説明してある。

図３Ａは、提案する原理によるオプトエレクトロニクス半導体本体の例示的な実施形態を示しており、この実施形態においては、基板１１’は核形成層７０を備えている。核形成層７０は、補助キャリア４０の第１の主面４２に配置されている。したがって、核形成層７０は、補助キャリア４０と半導体層列１４との間に配置されている。核形成層７０は、くぼみ７１として形成されている構造を有する。くぼみ７１は、核形成層７０を所定の構造にする、すなわち所定の構造にエピタキシーを行う役割を果たしている。半導体層列１４は、核形成層７０の上と、核形成層７０が除去される部分における補助キャリア４０の上とに堆積されている。核形成層７０は、１ｎｍ〜１μｍの範囲内の厚さを有する。核形成層７０の一般的な厚さは２５ｎｍである。核形成層７０は、成長開始層と称することもできる。核形成層７０は、化合物半導体を含んでいる。この化合物半導体は、窒化物系化合物半導体である。この化合物半導体層は、例えば窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムから作製することができる。核形成層７０は凹凸面を有することができる。

図３Ａに示した断面を形成するためには、核形成層７０を補助キャリア４０の上に堆積させる。次に、フォトリソグラフィステップおよびエッチングステップにおいて、核形成層７０を所定の構造にする。次に、半導体層列１４をエピタキシャルに堆積させる。核形成層７０は、補助キャリア４０上における半導体層列１４の成長を促進する。

図３Ｂは、オプトエレクトロニクス半導体本体の代替実施形態を示している。図３Ａとは異なり、基板１１’は、バッファ層４１をさらに有する。バッファ層４１は、図３Ａに示した、所定の構造を有する核形成層７０の上、または、核形成層７０が除去された部分における補助キャリア４０の上に、堆積されている。このバッファ層４１の上には半導体層列１４が配置されている。この実施形態によると、所定の構造を有する核形成層７０およびバッファ層４１は、補助キャリア４０と半導体層列１４との間の格子整合の役割を果たしている。核形成層７０を所定の構造にすることによって、半導体層列１４と補助キャリア４０との間の接合面における導波路効果が低減する。

図３Ｂに示した断面を形成するためには、核形成層７０を補助キャリア４０の上に堆積させる。次に、フォトリソグラフィステップおよびエッチングステップにおいて、核形成層７０を所定の構造にする。その後、バッファ層４１をエピタキシャルに堆積させ、次いで半導体層列１４をエピタキシャルに堆積させる。

図３Ｃは、図３Ａおよび図３Ｂに示したオプトエレクトロニクス半導体本体の断面の例示的な実施形態を示している。図３Ｃには、核形成層７０の断面を示してある。核形成層７０は、円形くぼみ７１を有する。くぼみ７１は、１０ｎｍ〜３μｍの範囲内の直径Ｄ’を有する。くぼみ７１の一般的な直径Ｄ’は、２μｍである。１つのくぼみ７１から次のくぼみ７１までの距離Ａ’は、２０ｎｍ〜１０μｍの範囲内の値を有することができる。一般的な距離Ａ’の値は５μｍである。距離Ａ’（「ピッチ」とも称する）は、くぼみ７１の一カ所の縁部と、それに最も近いくぼみ７１の最も近い縁部との間の距離を表す。

代替実施形態においては、くぼみ７１は、六角形構造またはその他の幾何学構造を有する。

図４Ａは、提案する原理による、所定の構造を有するバッファ層４１を有するオプトエレクトロニクス半導体本体の例示的な実施形態を示している。バッファ層４１は、補助キャリア４０の第１の主面４２に配置されている。バッファ層４１は、くぼみ７２として形成されている構造を有する。くぼみ７２は、バッファ層４１を所定の構造にする、すなわち所定の構造にエピタキシーを行う役割を果たす。半導体層列１４は、バッファ層４１の上と、バッファ層４１が除去された部分における補助キャリア４０の上とに堆積されている。

図４Ａに示した断面を形成するためには、バッファ層４１を補助キャリア４０上に堆積させる。フォトリソグラフィおよびエッチングステップにおいて、バッファ層４１を所定の構造にしてくぼみ７２を形成する。次に、半導体層列１４をエピタキシャルに堆積させる。バッファ層４１の厚さは、０．５μｍ〜８μｍの範囲内の値を有する。バッファ層４１の厚さの一般的な値は、３μｍである。

図４Ｂは、図４Ａに示した実施形態の改良形態である、オプトエレクトロニクス半導体本体の例示的な実施形態を示している。図４Ｂによると、基板１１’は、核形成層７１をさらに備えている。核形成層７０は、補助キャリア４０の第１の主面４２に堆積されている。したがって、核形成層７０は、補助キャリア４０とバッファ層４１との間に位置している。半導体層列１４は、この場合も、バッファ層４１の上、または、バッファ層４１が構造化されている部分における核形成層７０の上に、堆積されている。

図４Ｂに示した断面を実現するためには、核形成層７０を補助キャリア４０の上に堆積させ、次に、バッファ層４１を核形成層７０の上に堆積させる。バッファ層４１の堆積プロセスは、エピタキシャル的に行う。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングステップにおいて、バッファ層４１を所定の構造にしてくぼみ７２を形成する。次に、半導体層列１４をエピタキシャルに堆積させる。

図４Ｃは、図４Ａまたは図４Ｂに示したオプトエレクトロニクス半導体本体の断面を示している。図４Ｃには、バッファ層４１の断面を示してある。バッファ層４１は円形くぼみ７２を有する。くぼみ７２の直径Ｄ’’は、８０ｎｍ〜３μｍの範囲内の値を有する。７２の直径Ｄ’’の一般的な値は、２μｍである。２つのくぼみの間の距離Ａ’’は、１２０ｎｍ〜１０μｍの範囲内の値を有する。距離Ａ’’の一般的な値は、５μｍである。

図５Ａは、提案する原理による、所定の構造を有する基板を有するオプトエレクトロニクス半導体本体の例示的な実施形態を示している。基板１１’の補助キャリア４０も、くぼみ７３として形成されている構造を有する。補助キャリア４０は、第１の主面４２におけるくぼみ７３を有する。くぼみ７３は、１０ｎｍ〜２μｍの範囲内の深さを有する。くぼみ７３の深さの一般的な値は、５００ｎｍである。くぼみ７３は、補助キャリア４０を所定の構造にする、すなわち所定の構造にエピタキシーを行う役割を果たしている。補助キャリア４０は、半導体層列１４の上に堆積されている。図５Ａに示した断面を形成するためには、フォトリソグラフィステップおよびエッチングステップによって補助キャリア４１を所定の構造にする。次に、半導体層列１４を堆積させる。

図５Ｂは、図５Ａに示した実施形態の改良形態であるオプトエレクトロニクス半導体本体の例示的な実施形態を示している。図５Ｂによると、基板１１’は、所定の構造を有する補助キャリア４０と、核形成層７０と、バッファ層４１とを備えている。核形成層７０は、この実施形態においては、補助キャリア４０の上に配置されており、バッファ層４１は核形成層７０の上に配置されている。

図５Ｂに示した断面を実現するためには、フォトリソグラフィステップおよびエッチングステップによって、補助キャリア４０を所定の構造にしてくぼみ７３を形成する。次に、エピタキシーシステムにおいて、核形成層７０を補助キャリア４０の上に堆積させる。核形成層７０の上にバッファ層４１をエピタキシャルに堆積させ、バッファ層４１の上に半導体層列１４をエピタキシャルに堆積させる。本方法の一実施形態においては、核形成層７０の堆積と、バッファ層４１および半導体層列１４の堆積は、真空を中断することなく実行することができ、したがって、高品質の層が達成される。

代替実施形態（図示していない）においては、核形成層７０を省くことができ、したがって、バッファ層４１が補助キャリア４０の上に直接堆積される。

図５Ｃは、図５Ａおよび図５Ｂに示したオプトエレクトロニクス半導体本体の断面の例示的な実施形態を示している。補助層４０の断面を示してある。補助層４０は円形くぼみ７３を有する。くぼみ７３は、８０ｎｍ〜３μｍの範囲内の直径Ｄ’’’を有する。直径Ｄ’’’の一般的な値は、２μｍである。２つのくぼみ７３の間の距離Ａ’’’は、１２０ｎｍ〜１０μｍの範囲内の値を有する。距離Ａ’’’の一般的な値は、５μｍである。

代替実施形態においては、くぼみ７３は、六角形構造またはその他の幾何学構造を有する。

図３Ａ〜図３Ｃ、図４Ａ〜図４Ｃ、および図５Ａ〜図５Ｃによると、核形成層７０、バッファ層４１、または補助キャリア４０が所定の構造を有することによって、補助キャリア４０と半導体層列１４との間の導波路効果が低減する。核形成層７０もしくはバッファ層４１、またはその両方は、補助キャリア４０と半導体層列１４との間の格子整合を促進する。核形成層７０におけるくぼみ７１、バッファ層４１におけるくぼみ７２、または補助キャリア４０におけるくぼみ７３には、半導体層列１４がエピタキシャル的にオーバーグローン(overgrown)する。

核形成層７０は、エピタキシーシステムにおいて堆積させることができる。バッファ層４１は、同様にエピタキシーシステムにおいて堆積させることができる。

核形成層７０、バッファ層４１、または補助キャリア４０を所定の構造にすることによって、フォトニック結晶の効果を達成することができる。

ここまで本発明について実施形態を参照しながら説明したが、本発明はこれらの説明に制限されない。本発明は、特徴のすべてと、特徴の組合せすべて（特に、請求項における特徴のすべての組合せを含む）を包含し、このことは、その特徴自体、またはその組合せ自体が、請求項または例示的な実施形態に明示的に記載されていない場合にも該当する。

Claims

オプトエレクトロニクス半導体本体であって、
− 電磁放射（Ｓ）を放出する表側（１２）を有する基板（１１）と、
− 前記基板（１１）の裏側（１３）に配置されている半導体層列（１４）であって、前記電磁放射（Ｓ）を発生させる活性層（１９）を有する、前記半導体層列（１４）と、
− 前記基板（１１）とは反対を向いている、前記半導体層列（１４）の第１の面（１７）に配置されている第１および第２の電気接続層（１５，１６）と、
を備えている、オプトエレクトロニクス半導体本体。
前記基板（１１）および半導体層列（１４）が窒化物系化合物半導体を含んでいる、請求項１に記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記基板（１１）が結晶性の窒化ガリウムを含んでいる、請求項２に記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記基板（１１’）が、前記基板（１１’）の表側に配置されている補助キャリア（４０）を備えており、前記半導体層列（１４）が、前記基板（１１’）の裏側（１３）に配置されている窒化物系化合物半導体を含んでいる、請求項１に記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記補助キャリア（４０）が結晶性の酸化アルミニウムを含んでいる、請求項４に記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記半導体層列（１４）に面している、前記補助キャリア（４０）の第１の主面（４２）が、所定の構造を備えている、請求項４または請求項５のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記基板（１１’）が、前記半導体層列（１４）に面している、前記補助キャリア（４０）の前記第１の主面（４２）に配置されている核形成層（７０）、を備えている、請求項４から請求項６のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記核形成層（７０）が所定の構造を備えている、請求項７に記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記基板（１１’）が、
前記半導体層列（１４）に面している、前記補助キャリア（４０）の前記第１の主面（４２）の上、または、前記補助キャリア（４０）の前記第１の主面（４２）に配置されている前記核形成層（７０）の上、に配置されているバッファ層（４１）、
を備えている、
請求項４から請求項８のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記バッファ層（４１）が所定の構造を備えている、請求項９に記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記基板（１１，１１’）の前記表側（１２）からの前記電磁放射（Ｓ）の放出が、取出し構造（５０）を通じて行われる、請求項１から請求項１０のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記取出し構造（５０，５０’，５０’’，５０’’’）が、マイクロレンズ（５１）、回折光学素子（５５）、フォトニック結晶（６０）、または格子（６５）を備えている、請求項１１に記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記活性層（１９）によって生成される前記電磁放射（Ｓ）の一部を反射するため、前記基板（１１，１１’）とは反対を向いている、前記半導体層列（１４）の前記第１の面（１７）の特定のセクションに配置されているミラー（２７）、を備えている、請求項１から請求項１２のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記ミラー（２７）が少なくとも１つのくぼみ（２２）を有し、前記第１の電気接続層（１５）が、前記少なくとも１つのくぼみ（２２）の中に前記半導体層列（１４）との導電性接触部を有する、請求項１３に記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。
前記ミラー（２７）が誘電体層（２８）または金属層（２９）を備えている、請求項１３または請求項１４に記載のオプトエレクトロニクス半導体本体。