JP2024519808A - 光電子半導体チップ及び構成要素 - Google Patents

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Abstract

少なくとも1つの実施形態では、光電子半導体チップ(1)は、-支持体(2)と、-放射線(R)を生成するための少なくとも1つの活性ゾーン(33)を有する支持体(2)の半導体層列(3)と、-放射線を出力結合するための半導体層列(3)の出力結合ファセット(34)の光学高屈折率層(4)と、-放射線(R)を全反射するための高屈折率層(4)の外面(45)に直接的になされた低屈折率コーティング(5)とを備え、-半導体層列(3)は、半導体層列(3)の成長方向(G)に対して垂直な活性ゾーン(33)において放射線(R)を誘導するよう構成され、-高屈折率層(4)は、成長方向(G)に対して平行な外面(45)の放射線(R)を偏向するように構成されている。【選択図】図1

Description

光電子半導体チップが提供される。さらに、そのような光電子半導体チップを有する構成要素も提供される。
米国特許出願公開第2009/0097519号明細書及び国際公開第2019/170636号の文献では、斜めに配向された偏向ファセットを有する半導体レーザが見られる。
効率よく製造可能な光電子半導体チップ及び構成要素を提供することを課題とする。
この課題は、とりわけ、光電子半導体チップ及び独立請求項の特徴を有する構成要素によって解決される。好ましいさらなる実施形態は、従属請求項の主題である。
少なくとも1つの実施形態によれば、光電子半導体チップは、支持体を備える。支持体は、半導体チップを機械的に担持し支持する構成要素であってもよい。支持体は、半導体チップを電気的に接続するために用いられてもよい。
少なくとも1つの実施形態によれば、光電子半導体チップは、放射線を発生するための1つまたは複数の活性ゾーンが配置された半導体層列を含む。少なくとも1つの活性ゾーンは、特に少なくとも1つのpn接合及び/または少なくとも1つの量子ウェル構造を含む。量子ウェルという用語は、量子化の次元に関するいかなる意味も展開するものではない。したがって、量子ウェルという用語は、例えば、多次元の量子ウェル、1次元の量子細線、及び0次元と見なされるべき量子ドットならびにそれらの構造のあらゆる組み合わせを含む。
半導体層列は、好ましくはIII-V族の化合物半導体材料をベースとするものである。半導体材料は、例えば、窒化物系化合物半導体材料、例えばAlIn1-n-mGaN、またはリン化物系化合物半導体材料、例えばAlIn1-n-mGaP、または同様にヒ素化合物半導体材料、例えばAlIn1-n-mGaAsまたは例えば、AlGaIn1-n-mAs1-k、であり、それぞれの場合、0≦n≦1、0≦m≦1、及びn+m≦1、ならびに0≦k<1である。例えば、0<n≦0.8、0.4≦m<1及びn+m≦0.95ならびに0<k≦0.5が、半導体層列の少なくとも1つの層またはすべての層に適用される。
これに関連して、半導体層列は、ドーパント及び付加的な構成要素を含むことができる。ただし、簡素にするために、半導体層列の結晶格子の必須構成要素、つまりAl、As、Ga、In、N、またはPが前述され、これらが少量の付加的な物質で部分的に置き換えられる及び/または補足される場合もある。
好ましくは、半導体層列は、材料系AlIn1-n-mGaNまたはAlIn1-n-mGaAsに基づいている。動作中に活性ゾーンによって生成される放射線は、特に、350nm以上600nm以下のスペクトル領域、または590nm以上960nm以下のスペクトル領域にある。
少なくとも1つの実施形態によれば、光電子半導体チップは、光学高屈折率層を含む。この少なくとも1つの高屈折率層は、半導体層列の少なくとも1つの出力結合ファセットに配置されている。少なくとも1つの出力結合ファセットは、半導体層列からの放射線の放射線出力結合に機能する。
少なくとも1つの実施形態によれば、光電子半導体チップは、光学高屈折率層を含む。低屈折率コーティングは、好ましくは、高屈折率層の外面に直接配置されている。外面は、半導体層列とは反対側を向いている。高屈折率層との相互作用において、低屈折率コーティングは、放射線の全反射に役立つ。
少なくとも1つの実施形態によれば、半導体層列は、半導体層列の成長方向に対して垂直に、活性ゾーンにおいて放射線を誘導するように構成されている。このために、半導体層列は、導波体とその周囲のクラッド層とを含むことができ、少なくとも1つの活性ゾーンは導波体に位置している。平行線という用語は、例えば、放射線が成長方向に対する法線平面に対して最大15°または最大5°または最大2°の角度で誘導されることを意味する。
少なくとも1つの実施形態によれば、高屈折率層は、成長方向に対して平行な外面で放射を偏向するように構成されている。このことは、例えば最大で45°または最大で15°または最大で5°の角度公差で当てはまる。
少なくとも1つの実施形態では、光電子半導体チップは、支持体と、放射線を生成するための少なくとも1つの活性ゾーンを有する支持体の半導体層列と、放射を出力結合するための半導体層列の出力結合ファセット上の光学高屈折率層と、放射線の全反射のための高屈折率層の外面に直接なされた光学的な低屈折率コーティングとを含む。半導体層列は、半導体層列の成長方向に対して垂直に、活性ゾーンにおいて放射線を誘導するように構成されている。高屈折率層は、成長方向に対して平行な外面で放射線を方向転換するように構成されており、高屈折率層と低屈折率コーティングとが協働し、それによって、高屈折率層と低屈折率コーティングとの間の界面は、放射線の全反射のために構成されている。
特に、半導体チップは、HCSELとも称される水平方向キャビティを有する面放射レーザである。「面放射」とは、放射面が半導体層列の成長方向に対して垂直に配向されていることを意味し、「水平方向」とは、放射面に対して平行な方向を意味することができる。したがって、本明細書に記載される半導体チップには、好適には、特に高屈折率層と低屈折率コーティングとの組み合わせから形成された偏向素子が組み込まれており、関連する出力結合ファセットは、例えば45°の偏向プリズムを形成するか、または成長方向に対して平行に配向されている。したがって、半導体チップをレーザとしてコスト効率的に設計することができる。それというのも、製造においてLEDのようなプロセスを使用することができ、スクライビング及びブレイキングのような特別なレーザプロセスを必要としないからである。
著しいコスト効率性を実現し、さもなくばレーザによるミラーコーティングに必要な分離プロセスを用いずにウェハレベルの処理をすることに加えて、多くの用途、例えば投影用途における波長変換材料のポンピングが利用可能である。他の可能な用途は、航空宇宙分野ならびに自動車分野または一般照明の分野である。さらに、面放射により、特に平坦なパッケージが可能になり、したがってLEDパッケージ技術との高い相乗効果が可能となる。
少なくとも1つの実施形態によれば、光電子半導体チップは、半導体レーザである。すなわち、動作時に、半導体チップは、コヒーレント放射を放射するように構成されている。
少なくとも1つの実施形態によれば、放射線の最大強度の波長において、高屈折率コーティングは、低屈折率コーティングよりも少なくとも0.6または少なくとも0.8または少なくとも1.0高い屈折率を有する。これは、特に室温、すなわち300Kで、または半導体チップの意図された動作温度で当てはまる。
少なくとも1つの実施形態によれば、活性ゾーンと高屈折率層との間の屈折率の差は、最大0.3または最大0.2または最大0.1または最大0.05である。これは、特に室温、すなわち300Kで、または半導体チップの意図された動作温度で当てはまる。
少なくとも1つの実施形態によれば、高屈折率層は直接的に出力結合ファセットに配置され、出力結合ファセットは成長方向に対して横方向に配向される。例えば、成長方向と出力結合ファセットとの間の角度は、最小15°または最小30°及び/または最大75°または最大60°、例えば45°である。
少なくとも1つの実施形態によれば、光電子半導体チップはさらに、1つまたは複数の出力結合鏡を直接的に出力結合ファセットに備える。少なくとも1つの出力結合鏡は、特にブラッグミラーである。
少なくとも1つの実施形態によれば、高屈折率層は直接的に出力結合鏡に配置され、出力結合ファセットは成長方向に対して平行に配向される。例えば平行または垂直という用語は、本明細書及び以下では特に、最大で15°または最大で10°または最大で5°の角度の誤差で適用される。
少なくとも1つの実施形態によれば、高屈折率層は、出力結合ファセット及び/または出力結合鏡のための平坦化層である。すなわち、高屈折率層は、出力結合ファセットの凹凸または粗さを低減することができる。換言すれば、高屈折率層は、出力結合ファセット自体よりも、出力結合ファセットと反対側に向く面においてより滑らかであってよく、及び/またはより平坦であってよい。いずれにせよ、凹凸または粗さにわたって平均化された出力結合ファセットは、好ましくは平坦な表面である。
少なくとも1つの実施形態によれば、高屈折率層は、出力結合ファセットに対する角度補正層であり、その結果、外面と出力結合ファセットとの間の角度は、0.1°以上20°以下の間、または0.2°以上10°以下の間、または0.2°以上3°以下である。すなわち、高屈折率層によって、放射線の出力結合方向を、出力結合ファセット自体に比べて正確に設定及び/または調整することができる。
少なくとも1つの実施形態によれば、光電子半導体チップはさらに、出力結合ファセットとは反対向きの低屈折率コーティングの面に、放射線を直接的に反射するメタライゼーションを含む。このようなメタライゼーションにより、低屈折率コーティングを通過する半導体層列で生成された放射線の一部をなおも利用することが可能になる。
少なくとも1つの実施形態によれば、支持体は、半導体層列の成長基板である。これにより、放射線は、支持体を通して放出される。
少なくとも1つの実施形態によれば、支持体は、半導体層列が固定手段により取り付けられた代替支持体である。すなわち、半導体層列の成長基板を代替支持体に置き換えるか、または、成長基板に加えて代替支持体を設けることが可能である。この場合、外面が原因で、支持体から離れる方向に、特に代替支持体から離れる方向に放射線が放出されることが可能である。
少なくとも1つの実施形態によれば、支持体は、半導体層列に対して切欠きを有しており、これにより支持体は、出力結合ファセットに面した支持面を有する。この場合、低屈折率コーティングを支持面に適用することができ、高屈折率層を低屈折率コーティングに着座させることができる。
少なくとも1つの実施形態によれば、半導体層列は、平面図で見て、及び活性ゾーンを有しない少なくとも1つの領域で見て、固定手段により基板に堆積された低屈折率コーティングに取り付けられている。固定手段は、少なくとも1つの金属を基礎とすることができる。
少なくとも1つの実施形態によれば、出力結合ファセットとは反対側にある半導体層列のさらなるファセットは、成長方向に対して斜めに配向されている。あるいは、さらなるファセットは成長方向に対して平行に配向されている。
少なくとも1つの実施形態によれば、さらなるファセットに割り当てられたさらなる支持面は、成長方向に対して平行に配向されているので、さらなる支持面は、活性ゾーンから活性ゾーンへ戻るさらなる支持面に到達する放射線の放射線構成要素を反射するように構成されている。
少なくとも1つの実施形態によれば、光電子半導体チップはさらに、ビームをビーム補正するための光学系を含む。光学系は、平面図で見て、例えば完全にまたは部分的に外面の上方に配置されている。平面図で見て、光学系は、外面よりも大きくてもよい。光学系を支持体から製造することが可能である。
さらに、上記の実施形態のうちの1つ以上に関連して説明した少なくとも1つの光電子半導体チップを有する部品が開示される。したがって、光電子半導体チップのための構成要素の特徴もまた開示され、その逆も同様である。
少なくとも1つの実施形態では、構成要素は、複数の光電子半導体チップと実装プラットフォームとを含む。半導体チップは、実装プラットフォームに実装され、半導体チップの光学系によって、半導体チップの放射線の方向が互いに整合されている。
以下では、例示的実施形態に基づいて、本明細書に記載されている光電子半導体チップ及び本明細書に記載されている構成要素を図面を参照してより詳細に説明する。同一の参照符号は、個々の図面において同一の要素を示している。しかしながら、縮尺への言及は示されておらず、むしろ、より良い理解のために、個々の要素が誇張して大きく示されている場合がある。
本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の共振器長手方向に平行な概略断面図を示す。 図1の光電子半導体チップを製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 図1の光電子半導体チップを製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 図1の光電子半導体チップを製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 図1の光電子半導体チップを製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 ここに説明される光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な断面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に説明される光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本明細書に記載される光電子半導体チップの例示的実施形態を製造するためのプロセスステップの概略的な断面図を示す。 本本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップの例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップを伴う構成要素の例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップを伴う構成要素の例示的実施形態の概略的な上面図を示す。 本明細書に記載されている光電子半導体チップを伴う構成要素の例示的実施形態の概略的な上面図を示す。
図1には、光電子半導体チップ1の例示的実施形態が示されている。半導体チップ1は、レーザダイオードチップであることが好ましい。半導体チップ1は、例えばAlInGaNで作製される半導体層列3を含む。例えば、半導体層列3の活性ゾーン33は、動作中、青色光、緑色光、及び/または近紫外放射線Rを発生させるように構成されている。活性ゾーン33を、半導体層列3の導波管に埋め込むことができ、導波管は、明示的に図示されていない、半導体層列3のクラッド層によって制限することができる。半導体層列3を、支持体2として成長基板21に依然として配置することができる。
半導体層列3は、半導体層列3の成長方向Gに対して約45°に向けられた2つの出力結合ファセット34を有している。これにより、半導体層列3は、成長基板21から離れる方向に狭くなる。活性ゾーン33で発生した放射線は、出力結合ファセット34を通って半導体層列3から出射する。
光学的な高屈折率層4が出力結合ファセット34の各々に直接的に配置されている。高屈折率層4は、半導体層列3と同じまたはほぼ同じ屈折率を有する。高屈折率層4は、例えばNbOまたはLiNbOで作製され、ゾルゲル法により適用することができるか、またはZnSから作製されるか、スパッタされたアモルファスGaNからも作製される。高屈折率層4の外面45は、比較的滑らかであり、成長方向Gに対して正確に45°に配向され得る。すなわち、高屈折率層4によって、出力結合ファセット34の向きの補正及び出力結合ファセット34の平滑化を行うことができる。
外面45には、光学的に低屈折率のコーティング5が直に設けられている。低屈折率コーティング5は、好ましくは電気絶縁性であり、例えばSiO、またはMgFまたはCaFなどのフッ化物で作製されている。低屈折率コーティング5は、比較的薄くし得る。高屈折率層4と低屈折率コーティング5との相互作用において、外面45は、放射線Rの全反射のために構成されている。
固定手段63は、任意選択に、高屈折率層4の側方に隣接して配置されている。固定手段63は、好ましくは導電性であり、はんだであってよい。固定手段63は、さらなる支持体2としての代替支持体22に、半導体層列3を電気的に接触させること、及び機械的に接続することを可能にする。代替支持体22は、好ましくは高屈折率層4に適合するように構造化されて、例えばサファイアから作製される。したがって、活性ゾーン33は、さらなる支持体2、22の切欠き24に位置している。
半導体層列3をさらに電気的に接触させるために、低屈折率コーティング5は、半導体層列3の、代替支持体22に面した接触面30において穿孔され得るので、電気的な接触手段64は、低屈折率コーティング5を通って半導体層列3を通過することができる。代替支持体22の支持面25において、低屈折率コーティング5は、場合により、代替支持体22に直接配置されている。
半導体層列3から離れる方向において、支持面25には、成長方向Gに対して垂直に配向された領域が続き得る。支持面25には、成長基板21から離れる方向に向けられた別の領域が続き得る。この領域には、任意選択に、成長基板21から離れる方向に延在するさらなる領域が続き得る。
さらに、任意選択に、低屈折率コーティング5と高屈折率層4との間の接触面30に、ギャップ8を配置することが可能である。
したがって、活性ゾーン33において発生された放射線Rは、出力結合ファセット34を通って高屈折率層4の中に入り、それぞれの外面45に達する。外面45において、放射線Rは、全反射によって成長基板21に向けられ、例えば、成長基板21の放射面37の2つの領域から放射される。
図2~図5は、図1に示した光電子半導体チップ1の例示的な製造プロセスを示す。
図2によれば、活性ゾーン33がプリファセット35間の領域にのみ留まるように、半導体層列3が成長基板21に形成され、パターニングされる。半導体層列3の構造化はドライエッチングにより行われる、なぜなら、ウェットエッチングにより例えば45°の出力結合ファセット34の正しい角度を生成することが困難であるからである。しかしながら、ドライエッチングが原因で、プリファセット35は比較的粗い。
図3に示されている任意選択的なステップでは、プリファセット35が平滑化されて、出力結合ファセット34が形成される。
図4によれば、光学的高屈折率層4が形成され、パターニングされる。このプロセスでは、外面45と、電気的接触手段のための開口部とが形成されている。したがって、高屈折率層4は、開口部を除いて、接触面30において成長方向Gに対して垂直に、面状に配向され得る。例えば、外面45は、成長方向Gに対して45°の角度で配向されている。基板2に近く、外面45に放射線Rが入射する領域の外側では、高屈折率層4は、任意選択に、成長方向Gに対して平行に延在する側面を有することができる。
図2及び図3における成長方向Gに対する、例えば45°の出力結合ファセット34の角度を生成することができる誤差は、例えば0.5°である。それに対して、高屈折率層4が異なる材料であることに起因して、外面45の角度は、例えば0.1°のみに公差または0.05°のみの公差で生成され得る。したがって、外面45と、関連付けられる出力結合ファセット34との間の角度は、例えば少なくとも0.1°、及び/または最大で3°である。
図5において、さらなる支持体2、22は、予め構造化が設けられて、低屈折率コーティング5に設けられることが示されている。同様に、低屈折率コーティング5は既に構造化されており、任意選択的に電気的接触手段64が配置されている。
図示されていないさらなるプロセスステップでは、図4及び図5の構成要素が組み立てられて、図1の半導体チップ1に到達する。
したがって、図2~図5のプロセスは、完全な側面がエッチングの角度の不正確さを償うようにするために、高屈折率層4と組み合わせて、エッチングされた出力結合ファセット34を作製するために使用することができる。したがって、スクライビング及びブレイキングによりファセットを形成することが、コスト節約を伴う、側面の角度における所望の高い精度を達成するために、必要ではない。
図6は、半導体チップ1の他の例示的実施形態を示す。この場合、ただ1つの出力結合ファセット34とは反対側の別のファセット36が存在する。さらなるファセット36は成長方向Gに対して平行に向けられている。また、さらなるファセット36には、高屈折率層4が直接存在するが、低屈折率コーティング5は存在しない。低屈折率コーティング5の代わりに、端面鏡コーティング65、例えばブラッグミラーが存在している。したがって、成長方向Gに対して平行に方向付けられたさらなるファセット36には、高屈折率層4の関連付けられる側面と同様に、別の支持面26が関連付けられている。
端面鏡コーティング65は、電気的接触手段64のための開口部から始まることができる。図6の図示の代わりに、端面鏡コーティング65を低屈折率コーティング5に置き換えないが、半導体層列3に面した低屈折率コーティング5の側に、さらに設けることも可能である。
他のすべての点において、図1~図5のコメントは図6と同様に適用され、逆もまた同様である。
図7及び図8は、半導体層列3の上面図を示すが、さらなる支持体2、22及び低屈折率コーティング5は、図示を単純にするために描かれていない。
図7によれば、出力結合ファセット45の生成後に残る半導体層列3の部分は、角錐台として成形されている。すなわち、半導体層列3のこの部分におけるすべての側方ファセットは、成長方向Gに対して横方向に配向されており、例えば、成長方向Gに対して約45°の角度を有する。
これに対して、図8は、放射線Rと接触していないファセットを成長方向Gに対して平行またはほぼ平行に向けることができることを示している。
図7及び図8では、例えば図1に関連して図示されているように、それぞれの事例で、出力結合ファセット34のうちの2つが存在している。ただし、同様に、図7及び図8の構造を、1つの出力結合ファセット45のみを有する半導体チップ1に適用することも可能であり、例えばさらなるファセット36を有する半導体チップ1については、図6を参照されたい。
他のすべての点において、図1~図6のコメントは図7及び図8と同様に適用され、逆もまた同様である。
図9及び図10の例示的実施形態は、特に、放射面37にエッチングされたファセット及び低出力密度を有し、例えば青色または緑色の放射線Rを放射するGaNベースのHCSELに関する。特に、図9及び図10に示されているようなこれらの半導体チップ1を用いることにより、半導体チップ1の周りに密閉している気密性のパッケージまたはハウジングを省くことができる。
GaNベースのレーザは、その高い出力密度及び狭い放射線の放射パターンにより、出力結合ファセットを保護するために通常は密閉して封止されたハウジングを通常必要とする。これは、かなりのコストを伴う。支持体2を通して出力結合し、放射線Rを支持体2内部に向け直すことによって、特に図9及び図10による半導体チップ1の場合には、放射線Rの経路が拡大され、それによって、放射面37の出力密度は、もはや密閉での封入が不要な程度まで低下する。
出力結合ファセット34及び/またはさらなるファセット36は、先行する実施形態と同様にエッチングによって生成することができる。さらに、集積オンチップTIR偏向ミラーが、HCSEL概念による表面エミッタを実現するために設けられている。TIRは、内部全反射を表している。このことは、全体として、例えば外部の偏向ミラーまたはプリズムの接合などによる、他のアプローチ及び解決手段と比較して、著しいコスト削減及び性能上の利点を意味する。
図9及び図10によれば、AlInGaNベースの半導体層列3は、基板2に堆積され、これは、例えば、約2.46の屈折率を有する、GaNから作製される成長基板21である。出力結合ファセット34及び反対側のさらなるファセット36は、互いに平行に及び成長方向Gに向けられている。出力結合ファセット34は、好ましくは、端面鏡コーティング65として高反射性ブラッグミラーを備える。さらなるファセット36には、好ましくは、端面鏡コーティング65として高反射性ブラッグミラーがある。出力結合ファセット34には、好ましくは、放射線Rに対してより低い反射率、例えば少なくとも30%及び/または最大で80%の反射率を有する出力結合鏡61が、直接設けられている。出力結合鏡61及び/または端面鏡コーティング65は、ファセット34、36のパッシベーションとしても機能し得る。
光学的高屈折率層4は、半導体層列3と反対側を向いている出力結合鏡61の面に、直接配置されており、例えば、約2.44の屈折率を有するNbOまたは約2.47の屈折率を有するZnSから作製されている。外面45は、成長方向Gに対して例えば45°の角度に方向付けられている。
外面45には、直に、例えばSiO、MgFまたはCaFから作製され、好ましくは最大で2.0の屈折率を有する、光学的に低屈折率のコーティング5がある。低屈折率コーティング5は、好ましくは、放射線Rと接触する外面45の領域にわたって一定の層の厚さを有する。
任意選択に、半導体層列3と反対側を向いている低屈折率コーティング5の面に直接、反射メタライゼーション62、あるいはブラッグミラーが配置されている。反射メタライゼーション62は、例えば、Al、Ag、Au、または放射線Rの波長に応じて層系Cr-Auから作製される。
放射面37における放射線Rの出力密度を十分に低減するために、支持体2は、好ましくは少なくとも200μm及び/または最大2mmの厚さを有する。例えば、支持体2の厚さは0.3mmである。
活性ゾーン33の平面及び活性ゾーン33に対して平行な方向における高屈折率層4の有効な厚さは、例えば、少なくとも2μmまたは少なくとも8μm及び/または最大0.2mmまたは最大0.1mmまたは最大30μmである。すなわち、高屈折層4の有効な厚さは、基板2の厚さよりも格段に小さくてよい。
例えば、低屈折率コーティング5の厚さは、少なくとも0.2μm及び/または最大2μmである。
支持体2の放射面37には、任意選択的に、少なくとも放射線Rに関連する領域において、反射防止コーティング66、例えばSiO、またはSiOのλ/4層が設けられている。
好ましくは、例えば金属層である第1の電気的接触層91及び第2の電気的接触層92が、半導体層列3の放射面37及び接触面30にある支持体2に配置されている。
図9によれば、半導体層列3が配置されている支持体2の支持体上面20は平坦である。しかしながら、特定の要求に応じて支持体2の厚さを調節することができるようにするために、支持体上面20を構造化することもできる。図10を参照されたい。例えば、支持体2は、半導体層列3の領域では、低屈折率コーティング5の領域よりも厚い。
NbOとGaNの屈折率のマッチングが非常に良好であるため、NbO/GaNの移行時に、対応する界面で障害反射が発生しない。加えて、非結晶性材料としてのNbOは、例えば、45°の外面45を生成するために、良好にエッチングすることができる。
図11は、図9に示す半導体チップ1の上面図を示す。したがって、半導体層列3は、上方から見たときに矩形であることができ、全ファセットは、成長方向Gに対して平行に配向することができる。
他のすべての点において、図1~図8のコメントは図9~図11と同様に適用され、逆もまた同様である。
図12は、半導体チップ1の例示的実施形態を示し、これにおいて、半導体層列3が材料系AlInGaAsに基づいており、活性ゾーン33は、赤色または近赤外線の放射線Rを生成するように構成されている。他のすべての実施形態と同様に、半導体層列3は、複数の活性ゾーン33を備えることができる。活性ゾーン33はすべて、同じ波長の放射線Rを生成するように構成することができるか、または異なる波長の放射線Rを生成するように構成することができる。
図12にはさらに、支持体2に光学系7を作製できることが示されている。光学系7は、例えばコリメートレンズである。そのような光学系7はまた、他のすべての実施形態の例においても存在し得る。特に、図1の半導体チップ1は、エッチングされたファセット34、36と共にパルス動作するように構成されたGaAsベースのHCSELである。
例えばLiDAR適用のためのパルス状GaAsレーザ、特に3つの活性ゾーン33を有するトリプルスタックレーザ、ひいては厚いエピタキシャル成長された半導体層列3は、HCSELとして実現される場合、半導体層列3全体にわたって正確に45°の勾配を必要とし、これは、活性ゾーン33の異なる材料に起因して達成が困難である。このことが保証されない場合、特に、より深い活性ゾーン33及び関連する導波路に対して、高い損失が生じる。特に、依然として傾いているのが共振器の一部である場合には、半導体層列3の厚さ全体にわたって、45°の傾きを正確に捉えることは困難である。
図12のGaAsベースの半導体チップ1においても、ファセット34、36がエッチングによって生成され、集積オンチップTIR偏向ミラーを特徴づけることにより、HCSELが実現される。このことは、外部の偏向ミラー、接着プリズムなどを使用といった他のアプローチ及び解決法と比較して、著しいコスト削減及び性能面での利点を意味する。この概念により、標準的なエッジエミッタアプローチと同程度の大きさの効率を達成することができる。このことは、特に、45°の外面45が実際の共振器の外側にあるので、当てはまる。別の利点は、ここで説明した概念における理想的な45°の傾きからの偏差を、放射面37の光学系7を補うことによって、補えることにある。このことは、1つの活性ゾーン33のみを有する半導体チップ1にも当てはまる。
図12に示されている半導体チップ1では、支持体2は特に、約3.6の屈折率を有するGaAs成長基板21であり、これは約870nmを超える波長に対して透過性である。光学的高屈折率層4は、同様に、例えば、約2.28の屈折率を有するNbOから作製されており、2.0未満の屈折率を有する低屈折率コーティング5と比較して、高屈折率である。低屈折率コーティング5は、例えば、SiO、MgF、またはCaFから作製されている。反射メタライゼーション62は、例えばAl、Ag、AuまたはCr-Auのものである。
支持体上面20と高屈折率層4との間の界面での放射線Rの反射を防止するために、支持体2と高屈折率層4との間には、好ましくは反射防止コーティング66が存在する。反射防止コーティング66は、特に、高屈折率の層4がSiOまたはNbOのものである場合には、例えばTiOのλ/4層であり、この場合、SiOは、特に約1.75の屈折率を有していてもよい。単層の反射防止コーティング66の代わりに、ブラッグ層列のような多層システムを使用することもできる。
光学系7はまた、高速軸補正を含み得、及び/または放射線Rの90°偏向に対する角度の補正のために構成され得る。光学系7は、例えば支持体2に接着または接合またはエッチングされる。
他のすべての点において、図1~図11のコメントは図12と同様に適用され、逆もまた同様である。
図13は、低屈折率コーティング5がまたブラッグ層のスタックとして設計され得ることを示している。すなわち、この場合、低屈折率コーティング5は、高屈折率コーティング4と相互作用する全反射コーティングとして作用する必要はない。同じことが他のすべての実施形態にも当てはまる。
他のすべての点において、図12のコメントは図13と同様に適用され、逆もまた同様である。
図14は、高屈折率層4、低屈折率コーティング5、及び任意選択の反射メタライゼーション62を接触面30で平坦化する必要がないことを示している。同じことは、他のすべての実施形態に当てはまる。
さらに、図14に、光学系7は、凸状または両凸の収束レンズである必要がなく、メタ光学系または回折光学素子によって形成されていてもよく、または対応する構成要素を含んでいてもよいことが示されている。同じことは、他のすべての実施形態に当てはまる。
他のすべての点において、図12及び図13のコメントは図14と同様に適用され、逆もまた同様である。
図15に示す実施形態では、成長基板21は置換基板22に置き換えられている。したがって、放射面37は、基板2とは反対側を向いている高屈折率層4の面に配置されている。やはり反射防止コーティング66が存在してもよい。
他のすべての点において、図12~図14のコメントは図15と同様に適用され、逆もまた同様である。
図16には、図15に基づいて、低屈折率コーティング5が図13と同様にブラッグミラーとして設計され得ることが示されている。他のすべての点において、図13及び図15のコメントは図16と同様に適用され、逆もまた同様である。
図17~図28は、任意選択としての反射メタライゼーション62の形態を除き、図15に示されたように構成された半導体チップ1の製造方法を示している。例えば、図17は、活性領域33を有する半導体層列3が成長基板21に連続的に成長されることを示している。
図18によれば、出力結合ファセット34及びさらなるファセット36が形成されるように半導体層列3がパターニングされる。これらのファセット34、36は成長方向Gに対して平行に位置合わせされている。ファセット34、36は、スクライビング及びブレイキングによって生成されるのではなく、エッチングによって生成される。このエッチングは、湿式化学及び/または乾式化学プロセスを含んでもよいし、または湿式化学及び/または乾式化学プロセスであってもよい。
図19のステップでは、端面鏡コーティング65及び出力結合鏡61が、ファセット34、36に生成される。端面鏡コーティング65及び出力結合鏡61は、好ましくはブラッグミラーである。
図20のステップでは、高屈折率層のための出発層41が堆積される。出発層41は、大きな領域にわたって、任意選択に出力結合鏡61にのみ堆積させることができる。
図21は、高屈折率層4が外面45を形成するためにエッチングによってパターニングされていることを示している。次に、図22を参照して、低屈折率コーティング5は、好ましくは一定の層の厚さで生成される。
次いで、任意選択の反射メタライゼーション62のための少なくとも1つの金属が適用される。図15に示す場合とは異なり、この金属は、大きな領域で、比較的厚く適用することもまたできる。この金属はまた、図23に示されているものとは異なり、半導体層列3とは反対側を向いた端面鏡コーティング65の面に配置することができる。成長方向Gに対して平行な方向における反射メタライゼーション62の厚さは、半導体層列3の厚さと同じかそれより厚くすることができる。
図24の任意選択のステップでは、層4、5、62を平坦化し、層4、5、62を、成長基板21から離れる方向で、半導体層列3及び鏡61、65と同一平面にすることができる。
図25によれば、例えばSiまたはGeで作製されている代替支持体22が、成長基板21とは反対側を向いている半導体層列3の側に取り付けられるように、再接合が行われている。代替支持体22を取り付けた後、成長基板21を除去した。
図26のステップでは、反射防止コーティング66が適用され、その結果、放射面37が生じる。
最後に、図28は、電気接触層91、92が置換基板22及び半導体層列3に取り付けられていることを示している。
図17~図28のプロセスは、図15に示されたものと同様の、半導体チップ1を製造するための例として用いられるが、もちろん、他の実施形態による半導体チップ1の製造要件に適合可能である。
特に、図29~図31は、アンチビームチルト光学系7が設けられた半導体チップ1の例示的実施形態に関し、すなわち、支持体2に対する外面45の位置ずれ及び/または放射線Rの望ましくない傾斜を償い得る光学系に関する。これにより、HCSELの設計を効率的に実現することができる。
エッチングプロセスにおける外面45の実現における誤差により、傾斜とも称される放射線の角度の傾きまたはスキューが生じる。例えば、外面45における+/-1°の変動は、例えば屈折率の差に起因する、放射された放射線Rの+/-5°の傾斜を意味する。このことは、放射線Rの調節、コリメーション、及び/またはフォーカシングを必要とする多くの適用にとって極めて好ましからざるものである。
例えばGaN基板21に適切なレンズの設計を組み込むことによって、例えばラジアルLEDと同様に、これらの出力ビームの傾きを補償することができる。特に、レーザモードがその開始点で典型的には幅が数100nm~2μmだけであるのみならず、支持体2がひと際厚いので、45°の外面45におけるビームのサイズは、レンズの設計のための点光源であると想定できる。支持体の厚さは、レンズ表面の間隔を良好に規定する。例えば、エッチング技術を用いて適切なラジアルレンズ形状を実現することができる。他のレンズ形状も、例えば、メタ光学構造または回折構造であってよい。別の利点として、ここでは、圧縮及び/または高速軸コリメーションまたはプレコリメーションを行うことができ、または光学的機能に統合することができる。
相応に、図29には傾き補正が示されている。図面を簡単にするために、高屈折率層4及び低屈折率コーティング5は、非常に概略的にのみ示されている。
他の全例示的実施形態でもまた可能であるように、さらなるファセット36はまた、成長方向Gに対して45°の角度で配向されていてもよい。出力結合鏡61はまた、他の全例示的実施形態においても可能であるように、支持体2と、少なくとも1つの活性ゾーン33を有している半導体層列3の領域との間に配置されていてもよい。
他のすべての点において、図1~図28のコメントは図29と同様に適用され、逆もまた同様である。
図30によれば、傾斜の補正に加えて高速軸補正がまた実行されている。
さらに、他の全例示的実施形態において同様に可能であるように、放射線Rの波長変更のために、反射防止コーティング66の場所に、発光層67が存在していてよい。
他のすべての点において、図29のコメントは図30と同様に適用され、逆もまた同様である。
図31には、光学系7が回折光学素子またはメタ光学系として設計できることが示されている。
他のすべての点において、図29及び図30のコメントは図31と同様に適用される。
図32は、先行する例示的実施形態のうちの1つによる半導体チップ1を含む構成要素10の例示的実施形態を示している。半導体チップ1は、実装プラットフォーム11、例えばセラミック基板に配置されている。実装プラットフォーム11は、半導体チップ1に電気的に接触するための導電性コーティング12を備えている。例えば、電気的な接触は、ボンディングワイヤであり得る電気的な接続15によって行われる。
したがって、半導体チップ1は、例えばSMDパッケージに実装され、このパッケージは、プリント回路基板にはんだ付けするための下面に接触面を有することができる。パッケージ基板、つまり実装プラットフォーム11は、例えばAlNから作製されるセラミックであってよく、これは、その主要面の間に電気的ビアを有している。2つの電気接触部の他に、下面に、放熱のためのさらなる無電位接触部を実装することができる。
機械的保護のために、半導体チップ1は、例えば、エポキシ樹脂などの有機封止剤またはシリコーンで、描画されていないパッケージに、封入可能である。必要に応じて、さらなる光学素子、例えばレンズを構成要素10またはパッケージの一部とすることができる。
他のすべての点において、図29~図31のコメントは図32と同様に適用される。
ハウジング基板、すなわち実装プラットフォーム11はまた、例えばQFNハウジングなどのCu製の金属リードフレームとすることもできる。このためには、支持体材料13によって互いに機械的に接続されたリードフレーム部分14が存在し得る。
他のすべての点において、図32のコメントは図33と同様に適用される。
図34による構成要素10は、複数の半導体チップ1を含み、これにより、全半導体チップ1が同一の構造であってもよいし、異なる種類の半導体チップ1が取り付けられてもよく、例えば、異なる色の放射線Rが生成される。
すなわち、複数の半導体チップ1を共通の組立プラットフォーム11で組立てて接触させる。複数の半導体チップ1の電気的な接続は、例えば直列回路として作製されている。これにより、市販のドライバを使用することが可能となり、必要なワイヤ断面が低減される。実装プラットフォーム11毎に複数の電気的なストリングが可能である。
共通の実装プラットフォーム11は、例えば、図32に示す少なくとも1つのセラミックに基づき、SMDパッケージとして設計されてもよい。択一的に、実装プラットフォーム11は、金属基板、例えばAlまたはCu、高い熱伝導率を有する誘電体、及び構造化された導体面から作製されるプリント回路基板として設計され得る。
機械的保護のために、半導体チップ1は今回も、例えば、エポキシ樹脂などの有機封止剤またはシリコーンで、封入可能である。さらなる光学素子、例えばレンズも構造体の一部であってよい。
構成要素10は、図示されていない、温度監視のためのNTCなどの適切な構成要素を含み得る。
実装プラットフォーム11とするプリント回路基板の場合には、支持体13は、図示されていない、ヒートシンクに実装するための電気的な接触及びドリル穴のためのソルダーパッドまたはコネクタを有することができる。
光学系7により、特に、個々の半導体チップ1の放射線の方向を相互に正確に整合させることができる。この目的のために、光学系7を、任意選択として個々に、それぞれの要件、すなわち半導体チップのレベルで適合させることができる。
図に示される構成要素は、好ましくは、示されている順序で互いに続き、特に別段の記載がない限り互いの直後に続く。図面において互いに接触していない構成要素は、好適には隔てられている。線が互いに平行に示されるとき、関連付けられる面は、好ましくは同様に互いに対して平行に整列される。さらに、示されている構成要素の互いに対する相対的な位置は、別段の指示がない限り、図に正確に再現されている。
本明細書に記載の本発明は、実施形態に基づく説明により限定されるものではない。むしろ、特に特許請求の範囲の特徴の任意の組み合わせを含む任意の新しい特徴及び特徴の任意の組み合わせは、この特徴または組み合わせ自体が特許請求の範囲または実施形態に明示的に記載されていなくても、本発明に含まれる。
本特許出願は、ドイツ特許出願第10 2021 113 856.6号の優先権を主張し、その開示内容を参照により本明細書に援用する。
1 光電子半導体チップ
2 支持体
20 支持体上面
21 成長基板
22 代替支持体
23 ファスナ
24 切欠き
25 支持面
26 さらなる支持面
3 半導体層列
30 接触面
33 活性ゾーン
34 出力結合ファセット
35 プリファセット
36 さらなるファセット
37 放射面
4 光学的高屈折率層
41 高屈折率層用の開始層
45 高屈折率層の外面
5 光学的な低屈折率コーティング
61 出力結合鏡
62 反射メタライゼーション
63 固定手段
64 電気的接触手段
65 端面鏡コーティング
66 反射防止コーティング
67 発光層
7 光学系
8 ギャップ
91 第1の電気的接触層
92 第2の電気的接触層
10 構成要素
11 実装プラットフォーム
12 導電性コーティング
13 支持体材料
14 リードフレーム部分
15 電気的な接続
G 半導体層列の成長方向

Claims (15)

  1. 光電子半導体チップ(1)であって、
    -支持体(2)
    -放射線(R)を生成するための少なくとも1つの活性ゾーン(33)を有する前記支持体(2)上の半導体層列(3)、
    -前記放射線を出力結合するための前記半導体層列(3)の出力結合ファセット(34)上の光学高屈折率層(4)、及び
    -前記放射線(R)の全反射のための前記高屈折率層(4)の外面(45)に直接なされた光学的な低屈折率コーティング(5)を含み
    -前記半導体層列(3)は、前記半導体層列(3)の成長方向(G)に対して垂直な前記活性ゾーン(33)において前記放射線(R)を誘導するよう構成され、
    -前記高屈折率層(4)は、前記成長方向(G)に対して平行な前記外面(45)の前記放射線(R)を偏向するように構成されており、
    -前記支持体(2)は、代替支持体(22)であり、前記放射線(R)は、前記外面(45)により前記支持体(2)から離れるように放射され、
    -前記支持体(2)が前記半導体層列(3)のための切欠き(24)を有し、それによって、前記支持体(2)が前記出力結合ファセット(34)に面する支持面(25)を有し、前記低屈折率コーティング(5)が前記支持面(25)に適用され、前記高屈折率層(4)が前記低屈折率コーティング(5)に着座し、
    -平面図で、及び活性ゾーン(33)を有していない少なくとも1つの領域で見た前記半導体層列(3)が、固定手段(63)によって前記支持体(2)に適用された前記低屈折率コーティング(5)に固定される、光電子半導体チップ(1)。
  2. 前記放射線(R)の最大強度の波長において、前記高屈折率層(4)が、前記低屈折率コーティング(5)よりも少なくとも0.6高い屈折率を有する半導体レーザである、請求項1に記載の光電子半導体チップ(1)。
  3. 前記活性ゾーン(33)と前記高屈折率層(4)との間の屈折率の差が、最大で0.3であり、
    前記高屈折率層(4)は、前記出力結合ファセット(34)に直接配置されており、前記出力結合ファセット(34)は、前記成長方向(G)に対して横方向に配向されている、請求項1または2に記載の光電子半導体チップ(1)。
  4. 前記出力結合ファセット(34)上に直接、出力結合鏡(61)をさらに備え、
    前記高屈折率層(4)は、前記出力結合鏡(61)に直接配置されており、前記出力結合ファセット(34)は、前記成長方向(G)に対して平行に配向されている、請求項1または2に記載の光電子半導体チップ(1)。
  5. 前記高屈折率層(4)は、前記出力結合ファセット(34)及び/または前記出力結合鏡(61)のための平坦化層である、請求項1から4のいずれか1項に記載の光電子半導体チップ(1)。
  6. 前記高屈折率層(4)は、前記外面(45)と前記出力結合ファセット(34)との間の角度が0.1°以上20°以下となるような、前記出力結合ファセット(34)に対する角度補正層である、請求項1から5のいずれか1項に記載の光電子半導体チップ(1)。
  7. 前記放射線(R)に対して反射し、前記出力結合ファセット(34)とは反対側の前記低屈折率コーティング(5)の面に直接的に配置される、メタライゼーション(62)をさらに含む、請求項1から6のいずれか1項に記載の光電子半導体チップ(1)。
  8. 前記低屈折率コーティング(5)が、前記支持体(2)に面した前記半導体層列(3)の接触面(30)に穿孔されており、それによって、電気的接触手段(64)が、前記低屈折率コーティング(5)を通って前記半導体層列(3)に導かれ、
    前記支持体(2)の前記支持面(25)において、前記低屈折率コーティング(5)が、前記支持体(2)に直接配置されている、請求項1から7のいずれか1項に記載の光電子半導体チップ(1)。
  9. 前記低屈折率コーティング(5)と前記高屈折率層(4)との間の前記接触面(30)にギャップ(8)が設けられている、請求項8に記載の光電子半導体チップ(1)。
  10. 横方向において、すなわち前記成長方向(G)に対して垂直な方向で、及び前記半導体層列(3)から離れる方向において、前記支持体(2)の第1の領域は、前記支持面(25)に隣接しており、前記成長方向(G)に対して垂直に配向されており、前記支持体(2)の第2の領域は、前記第1の領域に隣接しており、前記支持体(2)の厚さは、前記半導体層列(3)から離れる方向で前記第2の領域において減少している、請求項9に記載の光電子半導体チップ(1)。
  11. 前記固定手段(63)は、少なくとも1つの金属をベースとするか、または金属合金である、請求項10に記載の光電子半導体チップ(1)。
  12. 前記出力結合ファセット(34)とは反対側のさらなるファセット(36)が、前記成長方向(G)に対して傾斜して配向されており、
    前記さらなるファセット(35)に関連するさらなる支持面(26)は、前記成長方向(G)に対して平行に配向されており、それによって、前記さらなる支持面(26)は、前記活性ゾーン(33)から前記活性ゾーン(33)へ戻る前記さらなる支持面(26)に到達する前記放射線(R)の放射線構成要素を反射するように構成されている、請求項1から11のいずれか1項に記載の光電子半導体チップ(1)。
  13. さらに、前記放射線(R)に対するビーム補正のための光学系(7)を備えており、
    前記光学系(7)は、平面図で見て前記外面(45)の上方に配置されている、請求項1から12のいずれか1項に記載の光電子半導体チップ(1)。
  14. 前記光学系(7)は、前記支持体(2)から生成されている、請求項13に記載の光電子半導体チップ(1)。
  15. -複数の、請求項13および14の少なくとも1つに記載の光電子半導体チップ(1)と、
    -実装プラットフォーム(11)と、を含み、
    前記半導体チップ(1)は、前記実装プラットフォーム(11)に実装されており、前記半導体チップ(1)の前記光学系(7)によって、前記半導体チップ(1)の放射線の方向が互いに適合される、構成要素(10)。
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