JP5717640B2 - オプトエレクトロニクス半導体チップおよびオプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第10 2008 054 217.2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組み込まれる。
本発明は、オプトエレクトロニクス半導体チップ、ならびに、オプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法に関する。
半導体レーザの多くの用途にとって、放射スペクトルが可能な限り狭いスペクトル幅、単一縦モードならびに良好に制御可能な波長温度領域を有することが必要とされる。
少なくとも１つの実施形態の課題は、相互に重ねられて配置されている複数の層を有する半導体積層体を備えた、オプトエレクトロニクス半導体チップを提供することである。少なくとも１つの別の実施形態の課題は、その種のオプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法を提供することである。
これらの課題は、独立請求項に記載されている半導体チップおよび方法によって解決される。この半導体チップおよび方法の有利な実施形態および発展形態は従属請求項に記載されており、また以下の説明および図面から明らかになる。
１つの実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体チップは、殊に、相互に重なって配置されている複数の層を備えた半導体積層体を有し、また殊に、活性層と、活性層上の第１の格子層と、第１の格子層上の第２の格子層とを有し、
活性層は、動作時に放射方向に沿って電磁放射を放出することに適している活性領域を有し、
第１の格子層は、放射方向に対して垂直に延在し、格子線として構成されている複数のストライプを有し、それらのストライプ間には中間空間が配置されており、
第２の格子層は、第１の格子層のストライプおよび中間空間を覆い、かつ、非エピタキシャル被着方法によって被着されている透明材料を有する。
活性層は、動作時に放射方向に沿って電磁放射を放出することに適している活性領域を有し、
第１の格子層は、放射方向に対して垂直に延在し、格子線として構成されている複数のストライプを有し、それらのストライプ間には中間空間が配置されており、
第２の格子層は、第１の格子層のストライプおよび中間空間を覆い、かつ、非エピタキシャル被着方法によって被着されている透明材料を有する。
別の実施形態によれば、相互に重なって配置されている複数の層を備えた半導体積層体を有するオプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法は、殊に以下のステップを有する。すなわち、
Ａ）動作時に放射方向に沿って電磁放射を放出することに適している活性領域を備えた活性層を準備するステップと、
Ｂ）放射方向に対して垂直に延在し、かつ、格子線として構成されている複数のストライプとそれらストライプ間に配置されている中間空間とを放射方向に沿って有する第１の格子層を活性層上に被着するステップと、
Ｃ）非エピタキシャル被着方法によって被着される透明材料を有する第２の格子層を第１の格子層上に被着し、第１の格子層のストライプおよび中間空間を覆うステップとを有する。
Ａ）動作時に放射方向に沿って電磁放射を放出することに適している活性領域を備えた活性層を準備するステップと、
Ｂ）放射方向に対して垂直に延在し、かつ、格子線として構成されている複数のストライプとそれらストライプ間に配置されている中間空間とを放射方向に沿って有する第１の格子層を活性層上に被着するステップと、
Ｃ）非エピタキシャル被着方法によって被着される透明材料を有する第２の格子層を第１の格子層上に被着し、第１の格子層のストライプおよび中間空間を覆うステップとを有する。
以下において説明する実施形態、特徴およびそれらの組み合わせは、明示的に別記されていない限り、やはりオトエレクトロニクス半導体チップおよびオプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法に関するものである。
上記および下記において、「光」も「電磁放射」も、殊に、赤外線から紫外線の波長領域に含まれる少なくとも１つの波長または波長領域を有する電磁放射を意味する。光または電磁放射は可視波長領域、すなわち、約３５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの１つまたは複数の波長を有する近赤外線から青色の波長領域を含んでいて良い。
上記および下記において、一方の層または一方の構成要素が他方の層または他方の構成要素の「上」または「上方」に配置または被着されているということは、それらの一方の層または一方の構成要素が直に他方の層または他方の構成要素上において直接的に機械的および／または電気的に接触して配置されていることを意味する。さらにこれは、一方の層または一方の構成要素が間接的に他方の層または他方の構成要素の上ないし上方に配置されていることを意味していても良い。さらなる層および／または構成要素が一方の層と他方の層との間、もしくは一方の構成要素と他方の構成要素との間に配置されていても良い。
上記および下記において、一方の層または一方の構成要素が２つの他方の層または２つの他方の構成要素の「間」に配置されているということは、一方の層または一方の構成要素が２つの他方の層または２つの他方の構成要素のうちの一方と直接的に機械的および／または電気的に接触しているか間接的に接触しており、かつ、２つの他方の層または２つの他方の構成要素のうちの他方と直接的に機械的および／または電気的に接触していることを意味していても良い。間接的に接触している場合には、一方の層と２つの他方の層のうちの少なくとも一方の層との間、もしくは一方の構成要素と２つの他方の構成要素のうちの少なくとも一方の構成要素との間に別の層および／または別の構成要素が配置されていても良い。
半導体積層体の層はそれぞれ相互に平行に配置されている延在方向ないし延在面を有し、半導体積層体の相互に重なって配置されている層は配置方向に沿って相互に接して配置されている。配置方向は延在方向に直交する方向、もしくは延在面に直交する方向に配向されている。
第１の格子層は殊に格子線を有し、この格子線はストライプ状の凸部として実施されており、それらの凸部間には中間空間を形成する凹部が存在する。このことは、凹部ないし中間空間が第１の格子層の端から端まで延びていないことを意味しても良い。これとは異なり、中間空間によって空間的に相互に隔てられている、相互に別個に配置されたストライプを第１の格子層が有していても良い。第１の格子層のストライプ間の第２の格子層は中間空間において、第１の格子層を貫通し、この第１の機能層の下に位置する機能層まで突出していても良い。機能層に関しては下記において詳述する。
第２の格子層の透明材料は、有利には、非エピタキシャルな被着によって、その下に位置する層、例えば活性層および／または機能層とは異なる結晶構造、殊に適合されていない結晶構造を有していても良い。さらに、透明材料は活性層の材料系、または、活性層および別の機能層の材料系とは異なっていても良い。第２の機能層の下に位置する１つまたは複数の層の結晶構造までは継続させないことに適している、化学的な被着方法および物理的な被着方法を含んでいても良い非エピタキシャル被着方法によって、結晶格子に適合されていない第２の格子層を形成することができる。これによって、本明細書において説明する方法およびオプトエレクトロニクス半導体チップによる第２の格子層を、エピタキシャル成長した層の被着後に、その適合されていない結晶構造に基づき識別することができる。
本明細書において説明する半導体積層体ないし半導体チップは殊に有利にはレーザダイオードとして構成されており、このレーザダイオードは動作時に、誘導放出によって惹起されるコヒーレントな電磁放射を形成することができる。放射方向は有利には、半導体積層体の層の延在方向ないし延在面に沿って平行に配向されており、また殊に活性層に沿って平行に配向されている。このことは、半導体チップが殊に有利にはいわゆるエッジエミッタとして構成されていることを意味し、このエッジエミッタは半導体積層体の少なくとも１つの側面を介して電磁放射を放出できることを意味している。
半導体積層体は活性層内の活性領域として、例えばｐｎ接合部、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）または多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有していても良い。本願において、量子井戸構造という概念は、殊に閉じ込め（confinement）によってキャリアのエネルギ状態を量子化することのできるあらゆる構造を含む。殊に、量子井戸構造の概念には量子化の次元数に関する規定は含まれない。したがって量子井戸構造には、例えば、量子箱、量子細線、量子点、またそれらの構造のあらゆる組み合わせが含まれる。半導体積層体は活性領域を備えた活性層の他に別の機能層および機能領域を有していても良く、例えば、ｐ型またはｎ型にドープされたキャリア輸送層、すなわち電子輸送層または正孔輸送層、ｐ型またはｎ型にドープされた、もしくはドープされていない、閉じ込め層、クラッド層、導波体層、バリア層、平坦化層、バッファ層、保護層ならびに電極、また、それらの層の組み合わせから選択された別の機能層および機能領域を有していても良い。電極はそれぞれ、Ａｇおよび／またはＡｕおよび／またはＳｎおよび／またはＴｉおよび／またはＰｔおよび／またはＰｄおよび／またはＮｉを含む１つまたは複数の金属層を有していても良い。さらには、例えばバッファ層および／またはバリア層および／または保護層のような付加的な層を、半導体積層体の配置方向に対して垂直に、例えば半導体積層体の周囲に、すなわち半導体積層体の側面に配置することができる。
有利な実施形態においては、半導体積層体が活性層を有し、この活性層は活性領域内に量子井戸構造を含み、また、いわゆる二次井戸として実施されている２つの導波体層間に配置されており、これによっていわゆる「分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造：seperate confinement heterostructure）」が形成される。ＳＣＨ構造によって、キャリアの閉じ込めと、形成された電磁放射の活性層の延在面に沿った垂直方向における案内とを別個に最適化することができる。有利には、ＳＣＨ構造を少なくとも２つの別の導波体層間および／または少なくとも２つのクラッド層間に配置することができる。半導体積層体の前述の層また同様に別の層を１つの基板上に配置することができる。上述の方法ステップＡないし活性層の準備は、その種の層列の準備またはそのヴァリエーションを意味していても良い。
さらには基板の構成に応じて、活性層側と同じ基板表面において、基板と活性層との間に電極を配置することができる。これとは異なり、活性層側とは反対側の表面に電極を配置することもできる。別の電極は基板から見て、活性層の上方に配置されている。
半導体積層体をエピタキシャル層列として、すなわちエピタキシャル成長された半導体積層体として構成することができる。この場合には、半導体積層体を例えばＡｌＧａＡｓベースで構成することができる。ＡｌＧａＡｓベースの半導体チップおよび半導体積層体には、殊に、エピタキシャル成長された半導体積層体が通常の場合は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ただし０≦ｘ≦１）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系から成る材料を有する少なくとも１つの個別層を含む種々の個別層から成る層列を有する半導体積層体が含まれる。殊に、ＡｌＧａＡｓベースの材料を含む活性層は、赤色から赤外線までの波長領域にある１つまたは複数のスペクトル成分を有する電磁放射を放出するのに適している。さらに、この種の材料は前述の元素の他に、または前述の元素の代わりに、Ｉｎおよび／またはＰを含んでいても良い。
さらには、代替的または付加的に、半導体積層体をＩｎＧａＡｌＮベースで構成することができる。ＩｎＧａＡｌＮベースの半導体チップおよび半導体積層体には、殊に、エピタキシャル成長された半導体積層体が通常の場合は、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（ただし０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１、かつ、ｘ＋ｙ≦１）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系から成る材料を有する少なくとも１つの個別層を含む種々の個別層から成る層列を有する半導体積層体が含まれる。
ＩｎＧａＡｌＮをベースの少なくとも１つの活性層を有する半導体積層体は、例えば、有利には紫外線から緑色の波長領域にある電磁放射を放出することができる。
択一的または付加的に、半導体積層体はＩｎＧａＡｌＰベースのものであっても良い。すなわち、半導体積層体は異なる種々の個別層を有することができ、そのうち少なくとも１つの個別層はＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＰ（但し０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ、ｘ＋ｙ≦１）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系から成る材料を有する。ＩｎＧａＡｌＰをベースの少なくとも１つの活性層を有する半導体積層体または半導体チップは、例えば、有利には緑色から赤色の波長領域にある１つまたは複数のスペクトル成分を有する電磁放射を放出することができる。
択一的または付加的に、半導体積層体または半導体チップは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系の他に、またはその代わりに、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料系を含むことができる。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料は、例えばＢｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒのような第２族元素のうちの少なくとも１つの元素と、例えばＯ，Ｓ，Ｓｅのような第６族元素のうちの少なくとも１つの元素とを含む。殊に、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料は、２元、３元または４元の化合物を含有し、これらは第２族元素のうちの少なくとも１つの元素と、第６族元素のうちの少なくとも１つの元素とを含む。その種の２元、３元または４元の化合物はさらに、例えば１つまたは複数のドーパントならびに付加的な成分を含むこともできる。例えばＩＩ−ＶＩ化合物半導体材料にはＺｎＯ，ＺｎＭｇＯ，ＣｄＳ，ＺｎＣｄＳおよびＭｇＢｅＯが属する。
半導体積層体はさらに基板を有し、この基板上には上述のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料系が析出されている。この場合、基板は半導体材料、例えば上述の化合物半導体材料系を含んでいても良い。殊に、基板はＧａＰ，ＧａＮ，ＳｉＣ，Ｓｉおよび／またはＧｅを含むことができるか、またはそれらの材料から成るものであって良い。
基本横モードでの半導体積層体ないし半導体チップの動作を実現するために、活性領域の少なくとも一方の側に配置されている半導体積層体の層を例えばウェブ状および／またはテーパ状に構造化することができる。ウェブ導波体、リプル導波体、「リッジ構造」、「楔構造」または「テーパ構造」として公知である、半導体積層体のその種の構造は、当業者には周知のものであるので、ここでは詳細に説明しない。
選択された縦モードにおいて半導体積層体ないし半導体チップの動作を実現するために、第１の格子層および第２の格子層は活性領域において形成された電磁放射のいわゆる垂直フィードバック結合を実現し、したがってレーザ共振器またはレーザ共振器の一部を形成する。第１の格子層および第２の格子層を、活性領域の真上に配置することができるか、または縦方向に活性領域からずらされてはいるが、依然として共振器領域内には位置するように配置することができ、これによって前者の場合にはいわゆる「分布帰還型構造（ＤＦＢ構造：distributed feetback structure）」を形成することができ、後者の場合にはいわゆる「分布ブラッグ反射鏡構造（ＤＢＲ構造：distributed Bragg reflector structure）」を形成することができる。ＤＦＢ構造およびＤＢＲ構造の基本的な機能および基本的な構造は当業者には公知であるので、ここでは詳細に説明しない。
殊に、第２の格子層が第１の格子層よりも低い屈折率を有していても良い。これによって、放射方向に沿って、屈折率が周期的に変化する立体格子を実現することができ、この立体格子はＤＦＢ構造およびＤＢＲ構造に関して、典型的な分布型フィードバック結合ないしブラッグ反射を実現する。活性領域において形成される電磁放射の波長は、格子、すなわち第１の格子層および第２の格子層によって、すなわち格子においてフィードバックされる波長の構造的な干渉によって決定される。有利には、格子の材料においてその格子の２倍の周期に相当する波長が共振器において振動するように格子の周期性、すなわち第１の格子層の１つのストライプとそのストライプに隣接するストライプとの間隔を選択することができる。活性層と、第１の格子層および第２の格子層との間に配置されている別の層、例えば導波体層および／またはクラッド層の厚さは、形成された電磁放射の導波体領域内でのモードと第１の格子層との十分に大きい重畳が実現されるように選定されている。
公知のＤＦＢレーザ構造およびＤＢＲレーザ構造においては、格子を形成する層のエピタキシャル析出によって格子構造が形成される。このために、所定の屈折率を有する材料が帯状に形成され、続いて、それとは異なる屈折率を有する材料が大面積でエピタキシャルに成長される。この成長プロセスは例えば、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ材料系において技術的に可能なものであるが、煩雑であり、また費用が掛かる。しかしながらＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ材料系のようなアルミニウムを含有する材料系においては、この種のエピタキシャル成長はアルミニウムの高い酸化能力に起因して、非常に大きな手間をもってしか技術的に実現できない、もしくは技術的に不可能である。したがって、殊に、ＡｌＧａＡＳ／ＧａＡｓ材料系においては、例えばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ材料系に由来する技術的なアプローチは成果を収めることができなかった。代替的に、所望のスペクトル特性を表面格子によって達成することができるが、その際に生じる高い光学的な損失に起因して、そのような解決手段は商用的に殆ど実施されることはない。
本発明による半導体チップおよび本発明による方法では、第２の格子層がステップＣにおいて、非エピタキシャル被着方法、有利には物理的な被着方法、殊に蒸着またはスパッタリングによって被着される。これによって、半導体積層体の活性層の上方にＤＦＢまたはＤＢＲと同等の構造を形成することができ、この際に、公知の技術的に煩雑なエピタキシャル成長ステップ、またはほぼ実現不可能なエピタキシャル成長ステップを実施する必要はない。このために、第１の格子層内にストライプを形成した後に、すなわち周期的な格子を規定した後に、蒸着またはスパッタリングを用いたエピタキシャル成長の代わりに、第２の格子層を大面積で、また構造化することなく、第１の格子層のストライプとその間の中間空間の上に被着させることができる。導波体構造の案内されるモードは、第１の格子層のストライプを有する領域およびストライプを有さない領域において、第１の格子層の屈折率と第２の格子層の屈折率とが異なることに基づき僅かに異なる伝播定数を有し、この伝播定数を有効屈折率によって表すこともできる。いわゆるデューティ比の適切な設計によって、すなわち格子周期に対するストライプの幅の比率によって、また第１の格子層および第２の格子層の層厚の適切な設計によって、種々の格子領域、つまりいわゆる「線」、すなわち第１の格子層のストライプないし格子線と、いわゆる「空間」、すなわち第２の格子層によって覆われており、また埋められている、第１の格子層のストライプ間の中間空間とによって、有効屈折の十分に大きい差を調整することができる。これによって、半導体チップの共振器内での前進する電磁波と後退する電磁波との垂直方向の結合が生じる。この結合の強度は有効屈折率の差に比例する。
第２の格子層の透明材料は、殊に、第２の格子層の下に位置する層との電気的な接触接続部も形成することができる。このために透明材料は、殊に有利には導電性の透明材料で良い。さらに、透明材料は第２の格子層の下に位置する層よりも低い屈折率を有する。
第２の格子層は２．５以下の屈折率を有することができる。殊に有利には、第２の格子層の屈折率は２以下である。第１の格子層の屈折率に比べて第２の格子層の屈折率が低くなればなるほど、「線」の有効屈折率と「空間」の有効屈折率との差が一層大きくなる。すなわち、第１の格子層のストライプを有する領域の有効屈折率と、中間空間を有する領域の有効屈折率との差が一層大きくなる。第２の格子層において適切な透明材料を使用することによって、公知のＤＦＢレーザまたはＤＢＲレーザにおけるエピタキシャル成長された格子において実現される屈折率差よりも大きい、第１の格子層との屈折率差を達成することができる。何故ならば、エピタキシャル成長層は一般的に、成長された格子層の屈折率に比較的近い屈折率を有するからである。さらには、活性層と第１の格子層ないし第２の格子層との間に配置されているクラッド層および／または導波体層を、エピタキシャル成長された格子を備えた従来のＤＦＢレーザまたはＤＢＲレーザにおけるものよりも薄くすることができる。さらには、活性領域において形成される電磁放射は、高い屈折率差によって、第２の格子層への非常に浅い侵入深さを有することができ、これによって第２の格子層における吸収による光学的な損失を僅かなものに留めることができる。
殊に、透明材料は上述の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を有することができる。ＴＣＯは、例えば酸化亜鉛、酸化スズ、酸化カドミウム、酸化チタン、酸化インジウムまたは酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような金属酸化物を含有する透明な導電性材料を含む。ＺｎＯ，ＳｎＯ2またはＩｎ2Ｏ3などの２元の金属酸素化合物の他に、Ｚｎ2ＳｎＯ4，ＣｄＳｎＯ3，ＺｎＳｎＯ3，ＭｇＩｎ2Ｏ4，ＧａＩｎＯ3，Ｚｎ2Ｉｎ2Ｏ5またはＩｎ4Ｓｎ3Ｏ12などの３元の金属酸素化合物や、種々の透過性の導電性酸化物の混合物もＴＣＯ群の材料に属する。さらに、ＴＣＯは必ずしも化学量論的な組成に対応していなければならないものではなく、ｐ型またはｎ型にドープされたものでも良い。殊に有利には、容易に被着できること、また良好に処理できることに基づき、第２の格子層は酸化亜鉛および／またはＩＴＯを含む。透明材料として１つまたは複数のＴＣＯを含む第２の格子層の屈折率は２よりも小さくても良く、例えば約１．６である。
第１の格子層は活性層および／または別の層、例えば導波体層および／またはクラッド層の材料系から成る半導体材料を有していても良い。第１の格子層および第２の格子層の活性層への良好な電気的な接続を保証するために、第１の格子層をコンタクト層として構成することもできる。このために、第１の格子層が、例えば十分に高いドーパントを有していても良い。ＡｌＧａＡｓ材料系においては、第１の格子層は例えばＧａＡｓを有していても良い。
第１の格子層を製造するために、上述のステップＡまたは上述のステップＢは別の部分ステップＢ１を有し、また別の部分ステップＢ２およびＢ３を有する。すなわち、
Ｂ１）第１の格子層を大面積で被着するステップ、
Ｂ２）活性領域の放射方向に対して垂直に延びる複数のストライプと、それらのストライプ間に位置する中間空間とを備えたマスク層を被着するステップ、
Ｂ３）マスク層の中間空間の領域において第１の格子層を湿式化学的にエッチングするステップ。
Ｂ１）第１の格子層を大面積で被着するステップ、
Ｂ２）活性領域の放射方向に対して垂直に延びる複数のストライプと、それらのストライプ間に位置する中間空間とを備えたマスク層を被着するステップ、
Ｂ３）マスク層の中間空間の領域において第１の格子層を湿式化学的にエッチングするステップ。
部分ステップＢ１を、例えば、ステップＡにおいて準備された活性領域におけるエピタキシャル成長によって実施することができ、上述のように、ステップＡにおいては付加的な導波体層および／またはクラッド層を備えた活性層を準備することができる。したがって有利には、部分ステップＢ１はステップＡと共に単一のエピタキシャルステップにおいて実施される。ステップＢ２においては、適切な材料の大面積での被着と、それに続くリソグラフィステップでの構造化とによってマスク層を形成することができる。ステップＢ３においては、第１の格子層をマスク層の中間空間においてのみ部分的にエッチングすることができるので、中間空間として第１の格子層における凹部を形成することができる。これとは異なり、第１の格子層をマスク層の中間空間において完全にエッチングすることができ、それにより第１の格子層のストライプはエッチングされた中間空間によって相互に隔てることができる。
第１の格子層の高さは２０ｎｍ以上、有利には５０ｎｍ以上、殊に有利には８０ｎｍ以上で良い。第１の格子層の高さが大きくなればなるほど、殊にストライプとその間に存在する中間空間が大きく形成されればされるほど、それにより得られる格子領域間の有効屈折率差は一層大きくなり、また、そのようにして製造されたレーザ共振器の達成可能な結合係数も一層高くなる。殊に、本願において説明する第１の格子層および第２の格子層によって、１０／ｃｍ以上、有利には２０／ｃｍ以上、殊に有利には３０／ｃｍ以上の結合係数を達成することができる。
後続のステップＤにおいて、上述の材料のうちの１つを有する電極層を第２の格子層上に被着させることができる。
さらには、活性層と第１の格子層との間に、大面積で被着された、構造化されていないコンタクト層を配置することができる。コンタクト層はエピタキシャルに成長された半導体材料を有することができる。付加的なコンタクト層によって、第１の格子層ないし第２の格子層と、その下に位置する層、殊に活性層との間の電気的な接続を改善することができる。殊に、コンタクト層によって、大面積の均等な電気的な接続を実現することができる。第１の格子層および第２の格子層が同一の材料を有していても良い。
さらに、第１の格子層とコンタクト層との間には中間層を配置することができ、この中間層は第１の格子層と同様にストライプ状に構造化される、もしくは構造化されている。中間層を例えばエッチストップ層として構成することができ、このエッチストップ層はコンタクト層上の第１の格子層の製造を容易にする。中間層はＧａＡｓから成る第１の格子層において、例えばＰ含有材料、有利にはＩｎＧａＰおよび／またはＡｌＧａＰを有することができる、またはそれ等の材料から成るもので良い。この場合、中間層の高さは第１の格子層と関連させて上記において説明した範囲の大きさを有することができる。
上述の透明材料、殊にＴＣＯを有する第１の格子層および第２の格子層によって、活性領域において形成される電磁放射のモードプロフィールを明確に制御することができ、公知のレーザ構造における結合係数と同等の高さの結合係数が実現される。殊に、エピタキシャル成長された格子構造を有していない、ＤＦＢレーザ半導体チップまたはＤＢＲレーザ半導体チップを実現することができる。
本発明のさらなる利点、有利な実施形態および発展形態は、図１Ａから図５を参照する以下の実施例の説明より明らかになる。
実施例および図面において、同一の構成要素または同様に作用する構成要素にはそれぞれ同一の参照符号が付されている。図示されている構成要素およびそれらの相互のサイズ比は、基本的に縮尺通りに示されたものではなく、むしろ個々の構成要素、例えば層、構成部分、構成素子および領域はより見やすくするため、および／または、より良い理解のために過度に厚くまたは過度に大きく描かれている場合もある。
図１Ａから図１Ｅには、１つの実施例によるオプトエレクトロニクス半導体チップ１００の製造方法が示されている。
図１Ａによる第１のステップＡにおいては活性層４が準備される。殊に、このために、活性層４を含む複数の層を有する半導体積層体が準備される。活性層４は活性領域１１を有し、この活性領域１１は、オプトエレクトロニクス半導体チップ１００の動作時に、参照番号９９が付された放射方向に沿って電磁放射を放出することに適している。半導体積層体の層の配置方向は図示されている放射方向９９に対して垂直な方向である。
図示されている実施例において、準備された半導体積層体はＧａＡｓから成る基板１を含み、この基板１の上にはＡｌＧａＡｓから成るｎ導電型のクラッド層２が配置されている。クラッド層２の上には、ＡｌＧａＡＳから成るｎ導電型の導波体層３と、多重量子井戸構造を備えた、ＩｎＧａＡｓを含有する約７ｎｍの厚さの活性層４と、ＡｌＧａＡｓから成るｐ導電型の導波体層５とが配置されている。活性層４および導波体層３，５は冒頭で述べたＳＣＨ構造を形成する。活性層４は約９２０ｎｍの波長を有する電磁放射の形成に適している。導波体層５の上には、ＡｌＧａＡｓから成るｐ導電型のクラッド層６が配置されている。クラッド層２および６は、２０％以上かつ３０％以下のＡｌ含有量を有し、また数１００ｎｍ、例えば４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の厚さを有する。導波体層３および５は、５％以上かつ１５％以下のＡｌ含有量を有し、また数１０ｎｍ、例えば５０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の厚さを有する。
基板１は成長基板で良く、この成長基板上に機能層２から６をエピタキシャルに成長させることができる。これとは異なり、半導体積層体を薄膜技術により作成することができる。このことは、機能層２から６が成長基板上に成長され、続けてそれら機能層２から６が、図１Ａに示した半導体積層体の基板１を形成する支持基板上に移されることを意味する。成長技術に応じて、基板１には図示されている実施例のようなｎ導電側の層を対向させることができるか、ｐ導電型の層を対向させることもできる。
図示されている層および材料とは異なり、冒頭で述べた特徴、殊に冒頭で述べた活性層を備えた半導体積層体を準備することもできる。したがって、以下の説明は既述の材料およびその組み合わせに限定することを意図したものではない。
後続のステップＢにおいては、放射方向９９に垂直に延在する複数のストライプ７０と、それらのストライプ７０間に存在する中間空間７９とを備えた第１の格子層７が形成される。このために、図１Ｂによる部分ステップＢ１においては、クラッド層６の上に第１の格子層７が大面積で構造化されずにエピタキシャル成長される。部分ステップＢ１は、有利には、機能層２から６のエピタキシャル形成と一緒に単一のエピタキシャルステップで実施される。図示されている実施例において、第１の格子層７はｐ型にドープされたＧａＡｓから成るものであり、それと同時にコンタクト層として構成されている。（図示してない）リソグラフィステップと、それに続く湿式化学的なエッチングステップとによって、後続の部分ステップＢ２およびＢ３においては、格子線を有する格子構造が、放射方向９９に対して垂直に延在し、かつ、中間空間７９によって相互に隔てられているストライプ７０の形状で第１の格子層７に形成される（図１Ｃを参照されたい）。これらのストライプ７０および中間空間７９は、放射方向９９に沿って、第１の格子層７の材料を有する領域と、この第１の格子層７の材料を有さない領域との周期的な一連の領域を形成する。ストライプ７０および中間空間７９の寸法ならびにストライプ７０を有する領域の長さおよび中間空間７９を有する領域の長さ、すなわち格子領域の長さは、ＤＦＢレーザおよびＤＢＲレーザに関する当業者には公知の観点にしたがい選定され、また放出される電磁放射の所望の特性に依存する。図示されている実施例においては、第１の格子層７が端から端まで完全にエッチングされるので、中間空間７９によってストライプ７０は空間的に相互に隔てられる。これとは異なり、中間空間７９が第１の格子層７における凹部を形成しても良く、そのような凹部は第１の格子層７が端から端まで完全にエッチングされないことによって形成される（図示せず）。ストライプ７０を相互に完全に隔てることによって、また第１の格子層７の端から端まで延在している中間空間７９によって、より大きい有効屈折率差を達成することができる。図２の実施例に関連させて下記においても説明するが、中間空間７９が凹部として構成されている場合には、活性層４への均一な電流注入を達成することができる。
図１Ｄによる後続の部分ステップＣにおいては、第２の格子層８が蒸着またはスパッタリングによって第１の格子層７のストライプ７０および中間空間７９の上に被着される。物理的な被着方法によって、第２の格子層８はその結晶構造に関してエピタキシャル成長された層とは異なるにもかかわらず、クラッド層６との接触抵抗に関して類似する電気的な特性を達成することができる。さらには、第１の格子層７のエピタキシャル成長の際に半導体積層体の層内のＡｌ含有量に基づき生じる虞のある酸化について問題点を回避することができる。第２の格子層８はその被着後に第１の格子層７を覆うので、その高さは第１の格子層７の高さよりも高い。第２の格子層８はＴＣＯによって形成される透明材料を含み、また図示されている実施例においては約１．６の屈折率を有するＩＴＯまたは酸化亜鉛である。
図１Ｅによる後続のステップＤにおいては、第２の格子層８の上に電極層９が被着される。活性領域１１を備えた活性層４の両側において電気的な接続を行うために、基板１の活性層４側とは反対側の表面に別の電極層を被着させることもできる（図示せず）。これとは異なり、例えば、別の電極層を基板１の活性層４側に配置し、クラッド層２に直接的に接触接続させることもできる（図示せず）。
このようにして製造された、図１Ｅによるオプトエレクトロニクス半導体チップ１００は公知のＤＦＢレーザと同様に構成されており、配置方向においては第１の格子層７および第２の格子層８が活性領域１１のすぐ上に配置されている。第２の格子層８の屈折率が低いことによって、活性層４の活性領域１１において形成されて、半導体積層体において伝播する光学モードの大部分は第１の格子層７の（光学的に）損失の少ない半導体材料へと案内され、また第２の格子層とは極僅かにしか重畳しない。
この効果は図４のグラフに示唆されている。図１Ｅにおける切断面９８に対応するｘ軸上には、半導体積層体の配置方向に沿った、基板１の活性層側４側とは反対側の表面からの間隔ｘがマイクロメートルの単位でプロットされている。曲線４０は、左側のｙ軸に関連付けられた半導体積層体の機能層の屈折率を示す。基板の屈折率は約３．６であり、クラッド層の屈折率は約３．４である。ｘ軸上の約３μｍの範囲においては、約３．７の屈折率を有する活性層と、約３．５の屈折率を有する導波体層ないしＳＣＨ層とが見て取れる。これに続いて、参照番号４１が付された領域には、約３．６の第１の格子層７の屈折率が示されている。これに続いて、約１．６の屈折率を有する第２の格子層８を見て取ることができる。曲線４２および４３は、右側のｙ軸に関連付けられた、半導体積層体における光学モードの出力Ｐを適当な単位で示したものである。曲線４２は図１Ｅにおける切断軸９８の領域、すなわち第１の格子層７のストライプ７０の領域における光学モードの出力に対応し、これに対し曲線４３は中間空間７９の領域における光学モードの出力を示す。曲線４３に関しては、厳密に言えば、領域４１において示されている屈折率が第２の格子層の屈折率、すなわち約１．６に相当する曲線４０が示されていなければならないことを言及しておく。曲線４２と曲線４３を比較すると、光学モードは第２の格子層と僅かにしか重畳していないことが見て取れる。
光学モードが第２の格子層と殆ど重畳しないこの効果は、図示されているオプトエレクトロニクス半導体チップ１００の効率にとって決定的に重要なものである。何故ならば、第２の格子層のＴＣＯは第１の格子層７の半導体材料よりも遙かに高い光学的な損失を有するものであるが、重畳が僅かであることによって不利には作用しないからである。縦方向（放射方向）における第１の格子層７の材料の周期的な存在によって、もしくは周期的な欠如によって、すなわち、一連のストライプ７０および中間空間７９が周期的に存在することによって、効果的なモード屈折率の周期的な変化が生じ、これは公知のＤＦＢレーザと同様に、活性領域において形成される電磁放射のスペクトル特性の垂直方向のフィードバック結合ならびに相応の変化をもたらすものである。
この関係において、図５には格子層７の高さｄ（単位ｎｍ）に依存する、左側のｙ軸に関連付けられた、この高さにより達成される屈折率差Δｎと、右側のｙ軸に関連付けられた、この屈折率Δｎにより得られる結合係数ｋが示されており、屈折率差Δｎは曲線５１でもって表されており、また結合係数ｋは曲線５２でもって表されている。第１の格子層７として、１：１のデューティ比、すなわちストライプ７０と中間空間７９との幅の１：１の比率を有する矩形格子を想定している。図５からは、公知のＤＦＢレーザの領域において約３０／ｃｍのｋを有する結合係数を達成できることが見て取れる。結合係数ｋをさらに変更する手段は、基板から見て上側に位置するクラッド層の厚さの変更である。
図２および図３には、別の実施例として、図１Ｅによるオプトエレクトロニクス半導体チップ１００の修正形態が示されている。
図２によるオプトエレクトロニクス半導体チップ２００は、活性層４と第１の格子層７との間において、クラッド層６上にコンタクト層１０を有し、このコンタクト層１０は構造化されておらず、また大面積でクラッド層６上に被着されている。これによって、第１の格子層７および第２の格子層８の材料および電気的な特性に依存せずに、第１の格子層７および第２の格子層８の均一な電気的な接続を達成することができる。これによって、活性層４への電流注入も可能な限り均一にすることができ、殊に前述の実施例よりも均一にすることができる。前述の実施例においては、主として、第１の格子層７のストライプ７０を介して、第１の格子層の下に位置する機能層への電流注入が行われていたが、図２の実施例においては面全体にわたる電流供給を行うことができる。これによって、格子層７，８とその下に位置する機能層との間の接触抵抗を低減することができる。コンタクト層１０は第１の格子層７と同様に高ドープされたＧａＡｓを有する。コンタクト層１０と第１の格子層７との間には、ストライプ７０の領域において、中間層７１が配置されており、この中間層７１は図示されている実施例においてＡｌＧａＡｓから成るものである。中間層７１は第１の格子層７のストライプ７０を形成するために上記のステップＢにおけるエッチストップ層として使用される。
図３には、図１Ｅおよび図２の実施例とは異なり、ＤＢＲのように構成されているオプトエレクトロニクス半導体チップ３００が示されている。中間空間７９およびストライプを有する第１の格子層が第２の格子層８の材料と共に、活性層４の活性領域１１から縦方向にずらされて配置されている。活性層４を第１の格子層７の領域において除去することもでき、このことは破線によって示唆されている。
本発明は実施例に基づく上記の説明によってそれらの実施例に限定されるものではない。むしろ本発明はあらゆる新規の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、このことはそのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていないにしてもあてはまる。
Claims (17)
- 相互に重なって配置されている複数の層を備えた半導体積層体を有するオプトエレクトロニクス半導体チップにおいて、
活性層（４）と、該活性層（４）上のエピタキシャルに成長された第１の格子層（７）と、該第１の格子層（７）上の第２の格子層（８）とを有し、
前記活性層（４）は、動作時に放射方向（９９）に沿って電磁放射を放出することに適している活性領域（１１）を有し、
前記第１の格子層（７）は、前記放射方向（９９）に対して垂直に延在し、格子線として構成されている複数の相互に隔てられているストライプ（７０）と、該ストライプ（７０）間に配置されている中間空間（７９）とを前記放射方向（９９）に沿って有し、
前記第２の格子層（８）は、前記第１の格子層（７）の前記ストライプ（７０）および前記中間空間（７９）を覆い、かつ、非エピタキシャル被着方法によって被着されている透明材料を有する、
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。 - 前記第２の格子層（８）は前記第１の格子層（７）よりも低い屈折率を有する、請求項１記載の半導体チップ。
- 前記第２の格子層（８）の屈折率は２．５以下である、請求項１または２記載の半導体チップ。
- 前記屈折率は２以下である、請求項３記載の半導体チップ。
- 前記第２の格子層（８）の前記透明材料は、透明導電性酸化物を含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体チップ。
- 前記透明導電性酸化物は酸化亜鉛または酸化インジウムスズである、請求項５記載の半導体チップ。
- 前記第２の格子層（８）は蒸着またはスパッタリングを用いて被着されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の半導体チップ。
- 前記第１の格子層（７）はコンタクト層として構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の半導体チップ。
- 前記第１の格子層（７）と前記活性層（４）との間には構造化されていないコンタクト層（１０）が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の半導体チップ。
- 前記第１の格子層（７）と前記構造化されていないコンタクト層（１０）との間には中間層（７１）が配置されている、請求項９記載の半導体チップ。
- 前記中間層（７１）はエッチストップ層として構成されている、請求項１０記載の半導体チップ。
- 前記第１の格子層（７）および前記第２の格子層（８）は、前記半導体積層体の配置方向に沿って、前記活性領域（１１）の上方に配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の半導体チップ。
- 前記第１の格子層（７）および前記第２の格子層（８）は、縦方向において、前記活性領域（１１）からずらされて配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の半導体チップ。
- 前記第２の格子層（８）上に電極（９）が配置されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の半導体チップ。
- 相互に重なって配置されている複数の層を備えた半導体積層体を有する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、
Ａ）動作時に放射方向（９９）に沿って電磁放射を放出することに適している活性領域（１１）を備えた活性層（４）を準備するステップと、
Ｂ）前記放射方向（９９）に対して垂直に延在し、かつ、格子線として構成されている複数の相互に隔てられているストライプ（７０）と、該ストライプ（７０）間に配置されている中間空間（７９）とを前記放射方向（９９）に沿って有する第１の格子層（７）を前記活性層（４）上にエピタキシャル成長によって被着するステップと、
Ｃ）非エピタキシャル被着方法によって被着される透明材料を有する第２の格子層（８）を前記第１の格子層（７）上に被着し、前記第１の格子層（７）の前記ストライプ（７０）および前記中間空間（７９）を覆うステップとを有す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の製造方法。 - 前記透明材料は透明導電性酸化物を含み、前記透明材料を前記ステップＣにおいて蒸着またはスパッタリングによって被着させる、請求項１５記載の方法。
- 前記ステップＡまたは前記ステップＢは別の部分ステップ、すなわち、
Ｂ１）前記第１の格子層（７）を大面積で被着するステップ、
を有し、かつ、
前記ステップＢは別の部分ステップ、すなわち
Ｂ２）前記活性領域（１１）の前記放射方向（９９）に対して垂直に延在する複数のストライプと、該ストライプ間に存在する中間空間とを備えたマスク層を被着するステップ、
Ｂ３）前記マスク層の中間空間の領域内に前記第１の格子層（７）を湿式化学的にエッチングするステップ、
を有する、請求項１５または１６記載の方法。
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