JP7003124B2 - オプトエレクトロニクス半導体素子の製造方法およびオプトエレクトロニクス半導体素子 - Google Patents
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Description
オプトエレクトロニクス半導体素子の製造方法が記載される。さらにまた、オプトエレクトロニクス半導体素子が記載される。
解決されるべき課題は、種々の色の調節可能な光を放し且つ効率的に製造可能である、多数の画素を有するオプトエレクトロニクス半導体素子を記載することである。
前記の課題はとりわけ、独立請求項の特徴を有する方法によって、および半導体素子によって解決される。好ましいさらなる構成は従属請求項の対象である。
少なくとも１つの実施態様によれば、前記方法は、オプトエレクトロニクス半導体素子を製造するために役立つ。その際、複数の半導体素子を一緒に、１つのウェハ結合物(Wafer-Verbund)内で製造できる。前記オプトエレクトロニクス半導体素子は、色を調節できる光を生成するように備えられている。製造された半導体素子は、例えば表示装置として、ディスプレイとして、または例えば自動車における調節可能な発光特性を有するヘッドライトにおいて役立つ。
少なくとも１つの実施態様によれば、前記方法は一次光源を準備する段階を有する。一次光源は、エレクトロルミネッセンスを介して電磁線、殊に一次光を生成する。一次光は好ましくは、例えば最低４２０ｎｍまたは４３５ｎｍで、および／または最高４８０ｎｍまたは４６０ｎｍで、最大強度の波長を有する青色光である。
一次光源は、代替的または追加的に、他の波長範囲の電磁線を生成できる。一次光源は例えば、青色光に対して代替的または追加的に、例えば、最低３６５ｎｍで、および／または最高４２０ｎｍで、最大強度の波長を有する紫外線を生成できる。一次光源は例えば、青色光に対して代替的または追加的に、例えば、最低４８５ｎｍで、および／または最高５７５ｎｍで最大強度の波長を有する緑色光を生成できる。
少なくとも１つの実施態様によれば、一次光源は支持体を有する。支持体は、複数の駆動ユニットを含む。殊に、支持体は、トランジスタおよび／またはスイッチングユニットおよび／または制御ユニットを有する、シリコンに基づく半導体の支持体である。駆動ユニットはＣＭＯＳ技術で製造され得る。支持体は、好ましくは半導体材料、例えばシリコンまたはゲルマニウムに基づく。
少なくとも１つの実施態様によれば、前記支持体上に半導体積層構造が取り付けられている。前記半導体積層構造は、一次光を生成するように備えられている。このために、半導体積層構造は少なくとも１つの活性領域を有する。好ましくは、半導体積層構造は、ＩＩＩ－Ｖ族の化合物半導体材料に基づく。半導体材料は、例えば窒化物の化合物半導体材料、例えばＡｌnＩｎ1-n-mＧａmＮ、またはリン化物の化合物半導体材料、例えばＡｌnＩｎ1-n-mＧａmＰ、またはヒ化物の化合物半導体材料、例えばＡｌnＩｎ1-n-mＧａmＡｓまたは例えばＡｌnＧａmＩｎ1-n-mＡｓkＰ1-kであり、前記式中、各々０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、且つｎ＋ｍ≦１、並びに０≦ｋ＜１である。その際、好ましくは、半導体積層構造の少なくとも１層について、または全ての層について、０＜ｎ≦０．８、０．４≦ｍ＜１、且つｎ＋ｍ≦０．９５、並びに０＜ｋ≦０．５が該当する。その際、半導体積層構造はドーピング物質、並びに追加的な成分を有し得る。しかしながら簡潔化のために、部分的に少量のさらなる物質によって置き換えおよび／または捕われ得る場合であっても、半導体積層構造の結晶格子の本質的な成分だけ、つまりＡｌ、Ａｓ、Ｇａ、Ｉｎ、ＮまたはＰだけを記載する。
前記方法の少なくとも１つの実施態様によれば、半導体積層構造は、平面視で、電気的に互いに独立して駆動可能な複数の画素に構造化されている。この構造化は、殊に、半導体積層構造の一部の材料を除去することにより行われる。換言すれば、半導体積層構造は、例えばエッチングによって構造化される。好ましくは、半導体積層構造からの材料の除去は、隣接する画素の間で行われる。
少なくとも１つの実施態様によれば、画素は電気的に互いに独立して電気的にコンタクトされており、互いに独立して駆動可能である。その互いに独立した駆動は、支持体内の駆動ユニットを介して行われる。好ましくは、画素の各々に支持体の駆動ユニットの正確に１つが割り当てられ、その逆もまた然りである。
少なくとも１つの実施態様によれば、前記方法は１つ以上の変換ユニットを準備する段階を有する。少なくとも１つの変換ユニットは、一次光を部分的または完全に吸収し、少なくとも１つの二次光に変換するように備えられている。二次光の生成は、一次光からのフォトルミネッセンスを介して行われる。
少なくとも１つの実施態様によれば、その１つの変換ユニットまたは全ての変換ユニットは、少なくとも１つの半導体材料から、それぞれ連続して成長される。殊に、各々の変換ユニットはエピタキシャル成長される。変換ユニットは、同じ半導体材料、例えば一次光源の半導体積層構造に基づくか、またはそれとは異なる半導体材料に基づくことができる。
少なくとも１つの実施態様によれば、変換ユニットは二次光の生成のために、それぞれ単一量子井戸構造、または好ましくは多重量子井戸構造を有する。即ち、変換ユニットは、一連の多層の半導体層から構成され得る。水平方向、つまり、支持体が主に広がっている方向に対して平行に、変換ユニットの組成は好ましくは変化しないか、著しく変化しない。換言すれば、変換ユニットの半導体層は、好ましくは製造で許容される変化しない組成の範囲内で、それぞれの変換ユニット全体にわたって続いている。
少なくとも１つの実施態様によれば、変換ユニットは構造化されている。構造化に際し、変換ユニットを構成する半導体材料が部分領域において除去される。好ましくは、部分領域において半導体材料は完全に除去され、従って平面視で凹部および／または穴が変換ユニット内に生じる。さらに、それぞれの変換ユニットの半導体材料によって互いに結合されていない、変換ユニットの半導体材料の島のみが残っていてもよい。
少なくとも１つの実施態様によれば、少なくとも１つの変換ユニットの構造化は、半導体積層構造の画素に相応して行われる。例えば、半導体材料の構造化に際し、半導体積層構造を画素に構造化したパターンと同じパターンを使用する。従って、相応の画素が稼働の際に二次光を生成するように、画素の少なくとも一部を、変換ユニットの半導体材料の領域に各々割り当てることができる。
少なくとも１つの実施態様によれば、構造化された変換ユニットが半導体積層構造上に施与される。これによって、構造化後に残っている変換層の半導体材料が、画素の一部に割り当てられる。この割り当ては好ましくは一対一である。
少なくとも１つの実施態様において、オプトエレクトロニクス半導体素子の製造方法は、以下の段階を、例えば記載された順序で備え且つ有する：
・ 支持体と、その上に取り付けられた一次光を生成するための半導体積層構造とを有する、一次光源を準備する段階、ここで、前記半導体積層構造は、平面視で、複数の電気的に互いに独立して駆動可能な画素に構造化されており、且つ前記支持体は画素を駆動するための複数の駆動ユニットを有する、
・ 一次光を少なくとも１つの二次光に変換するように備えられている少なくとも１つの変換ユニットを準備する段階、ここで、前記変換ユニットは、少なくとも１つの半導体材料から連続して成長される、
・ 前記変換ユニットを構造化する段階、ここで、半導体材料の部分領域が画素に相応して除去される、および
・ 前記変換ユニットを半導体積層構造上に施与し、残っている半導体材料を画素の一部に一義的に割り当てる段階。
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・ 前記変換ユニットを構造化する段階、ここで、半導体材料の部分領域が画素に相応して除去される、および
・ 前記変換ユニットを半導体積層構造上に施与し、残っている半導体材料を画素の一部に一義的に割り当てる段階。
少なくとも１つの実施態様によれば、一次光源は、独国特許出願公開第１０２０１４１０１８９６号明細書(DE102014101896A1)または独国特許出願公開第１０２０１４１０５９９９号明細書(DE102014105999A1)の刊行物内に記載されるように構成される。一次光源に関するこれらの刊行物の開示内容は、参照をもって取り込まれるものとする。駆動ユニットと、画素に構造化された半導体積層構造とを有する支持体を有するそのような一次光源は、マイクロ発光ダイオード、略してマイクロＬＥＤとも称される。
マイクロＬＥＤは、大抵は単色発光素子である。３つの単色発光マイクロＬＥＤ、つまり赤色光用の１つのマイクロＬＥＤ、緑色光用の１つ、および青色光用の１つを用いて、カラー画像を生成できるようにするために、マイクロＬＥＤから発せられる光を、プリズムを介して混合し、重ね合わせることができる。さらに、カラー画像を、個々のピクセルの発光から直接的に生成でき、その際、半導体材料製の異なる色を発光する個々の画素が、横に並び合って置かれるか、または垂直に重ねて積まれて配置され得る。しかしながら、そのような配置は、個々の画素を個別に位置付けなければならないという条件によって製造が非常に煩雑であるか、または追加的な光学部品を有するかのいずれかである。
これに対し、本願内に記載される方法では、マイクロＬＥＤの形態の半導体素子を効率的に製造でき、その際、個々の画素は単独の半導体積層構造からもたらされる。少なくとも１つの変換ユニットを施与することにより、緻密且つ効率的に製造可能な構造で、種々の色を発する画素を製造できる。これは殊に、半導体積層構造を画素に分割することによる、変換ユニットの構造化によって達成される。その際、変換ユニットも半導体積層構造も、ウェハ平面上に製造可能である。
変換ユニット内でフォトルミネッセンスを介して異なる色を生成することにより、単色発光の一次光源をマイクロＬＥＤの形態で使用することが可能である。その際、例えば電気的なコンタクトおよびパッシベーション層の構成も、他の策に対して比較的単純且つ効率的である。変換ユニットのためにエピタキシャル成長された半導体層を使用することは、種々の波長で発光する複数の層を含む層堆積物の製造を可能にする。さらに、変換ユニットのためのそのような半導体層を用いて、殊に青色光について高い吸収度に調節して、一次光の局所的な完全変換を達成できる。さらに、それぞれのフォトルミネッセンス光のスペクトル的に狭い帯域でのスペクトルが達成可能であり、そのことは、例えばディスプレイ用途の際に大きな色域の範囲を利用可能にする。半導体積層構造上での特定の位置に、特に好ましくは単独の変換ユニットだけが存在しているので、不所望の吸収損失を回避することができる。変換ユニットの半導体材料領域の間の隙間を満たすために平坦化工程を使用することにより、機械的な安定化が可能になる。さらに、変換ユニットを、直接接合を介して一次光源上に施与できる。
少なくとも１つの実施態様によれば、半導体積層構造の画素への構造化に際し、半導体積層構造の残っている領域の位置は互いに相対的に変更されない。換言すれば、個々の画素のための領域は、例えば後の平坦化方法によって初めて並べられるのではなく、画素は、後の並べ替えまたは配置替えを行うことなく半導体積層構造から直接的に製造される。好ましくは、これは変換ユニットの構造化についても該当する。即ち、変換ユニットの半導体材料の残っている部分領域は、その場所および位置に関して、構造化後または構造化の際に互いに相対的に変更されない。
少なくとも１つの実施態様によれば、半導体積層構造上に、複数の変換ユニットが施与される。好ましくは、正確に２つの変換ユニットが取り付けられる。その際、第１の変換ユニットは、青色光を緑色光へと変換するために役立ち、且つ第２の変換ユニットは青色光を赤色光に変換するために役立つ。一次光源が紫外線を発し且つ青色光は発しないかまたはほとんど発しない場合、好ましくは、青色光を生成するための第３の変換ユニットが存在する。
少なくとも１つの実施態様によれば、変換ユニットの半導体層は、共通の成長基板上に重なり合って成長される。換言すれば、変換ユニットは、共通の、連続して成長する半導体積層構造であってよい。
少なくとも１つの実施態様によれば、単数または複数の変換ユニットは、共通の成長基板上でさらに構造化される。その構造化は、例えばフォトリソグラフィーまたはエッチングにより行われる。好ましくは、変換ユニットは時間的に順次構造化される。
前記方法の少なくとも１つの実施態様によれば、変換ユニットの１つだけが、共通の成長基板上で構造化される。この変換ユニットの構造化後、変換ユニットと共通の成長基板との結合物が半導体積層構造に、好ましくはウェハ接合により固定される。引き続き、成長基板の取り外しが、例えばレーザー処理、エッチングおよび／または機械的な方法、例えば研削により行われる。最後に、少なくとも１つのさらなる変換ユニットが構造化され、その際、この構造化は一次光源の半導体積層構造において行われる。
少なくとも１つの実施態様によれば、複数の変換ユニットが一次光源の半導体積層構造上に施与される。その際、各々の変換ユニットは固有の成長基板上で成長される。従って、それらの変換ユニットは、各々、別々に製造された固有の半導体層の順を示す。
少なくとも１つの実施態様によれば、変換ユニットの構造化は、各々所属する成長基板上で行われる。それによって、半導体積層構造直上での変換ユニットの構造化を回避できる。
少なくとも１つの実施態様によれば、相応の変換ユニットの構造化後、１つ以上の平坦化層が施与される。平坦化層は、光透過性材料から構成され、且つ好ましくは無機材料から、例えば酸化物、例えば酸化ケイ素または酸化アルミニウム、または窒化物、例えば窒化ケイ素または窒化アルミニウムからなる。
少なくとも１つの実施態様によれば、平坦化層により、半導体材料の構造化からもたらされる変換ユニットの個々の島状領域が機械的に固く互いに結合される。その際、平坦化層のための材料は、変換ユニットの半導体材料の直上に存在できる。代替的に、平坦化層の材料と、変換ユニットの半導体材料との間に、コーティング、殊に光学的な機能を付与するコーティング、例えば光分離またはミラーが存在できる。
少なくとも１つの実施態様によれば、平坦化層は、該当の変換ユニットの所属する成長基板とは反対の側を部分的または完全に覆う。その際、平坦化層は、この側を永続的に、または特定の製造段階の間、一時的にのみ覆うことができる。
少なくとも１つの実施態様によれば、変換ユニットは、各々、別々の成長基板上に成長される。続いて、変換ユニットは、成長基板から取り外す前に、直接的な結合によって、殊に中間層を用いるかまたは用いないで、互いに固定される。これによって、変換ユニットから積層構造が製造される。
少なくとも１つの実施態様によれば、変換ユニットから積層構造が構造化され、その際、殊に１つだけの変換ユニットが構造化される。続いて、この積層構造を、一次光源の半導体積層構造に固定する。この後、残っている成長基板を除去できる。その後、前もってまだ構造化されていない変換ユニットを構造化できる。
少なくとも１つの実施態様によれば、変換ユニットが重ね合わされて、または変換ユニットが半導体積層構造に、ウェハ接合を用いて固定される。これは、中間層を用いないウェハ接合、殊にいわゆる直接接合または陽極接合であってよい。代替的に、殊に酸化物または窒化物の中間層を使用でき、そのウェハ接合は、例えば共晶接合、ガラス接合または接着接合であってよい。
少なくとも１つの実施態様によれば、支持体と、変換ユニットの支持体とは反対の光出射側との間の光路は、有機材料不含である。換言すれば、光は半導体素子内で無機材料だけを通過する。これによって、長寿命を達成でき、殊に青色光の高い出力密度を得ることができる。
少なくとも１つの実施態様によれば、いくつかの画素は変換ユニットに割り当てられていない。これらの画素からは、波長の変換が行われずに一次光が発せられる。さらに、残りの画素に、正確に１つの変換ユニットが各々割り当てられる。従って、画素のところで重なり合って積まれた変換ユニットは存在しない。例えば、一次光を発し、波長の変換を行わずに、青色光を発する画素が存在する。さらに、一次光を発し、波長の変換を行わずに、緑色光を発する画素が存在し得る。この場合、例えば、青色光および緑色光が電気的に励起された層堆積物を介して生成され、且つ赤色光が光学的に励起された半導体層を介して生成されることができる。
少なくとも１つの実施態様によれば、複数の、殊に正確に３つの異なる色を発する画素が表示領域にまとめられる。そのような表示領域はカラーピクセルとも称される。その表示領域は、異なる色の光を調節して発することができる。表示領域内の画素のこの配置により、半導体素子を用いて、画像または映像、または可変の光のパターンを表示することができる。
少なくとも１つの実施態様によれば、隣接する画素および／または隣接する表示領域は、隔壁を用いて互いに光分離されている。隔壁は、１つ以上の光不透過性材料から構成され得る。隔壁は、生成された光について吸収性または反射性であることができる。
少なくとも１つの実施態様によれば、隔壁は変換ユニット全体に広がっている。その際、隔壁は、半導体積層構造と面一で終端しているか、または半導体積層構造を部分的または完全に貫いていてよい。隔壁が半導体積層構造内へ突き出ている場合、その隔壁は例えば電気的に絶縁性の材料から構成されるか、または半導体積層構造に対して電気的に絶縁して設計される。代替的に、例えば、半導体積層構造のｎ型伝導性の側が、隔壁を介して電気的にコンタクトされていることができ、それによって隔壁を通じて画素にわたる共通の電気的コンタクトが実現され得る。
少なくとも１つの実施態様によれば、半導体積層構造は、全ての画素にわたって一貫し且つ連続して、且つ好ましくは隙間なく広がっている。代替的に、半導体積層構造は、隣接する画素および／または表示領域の間の領域では完全に除去されて、画素または表示領域が、半導体積層構造の島によって実現されている。
少なくとも１つの実施態様によれば、変換ユニットの半導体積層構造に向いた側に、少なくとも１つのミラー層が施与されている。その単数または複数のミラー層は、割り当てられる変換ユニット内で生成される二次光について不透過性または十分に不透過性である。好ましくは、ミラー層は、この二次光を反射するように備えられている。殊に、ミラー層は一次光については透過性であり、例えばダイクロイックミラーによって実現されている。
少なくとも１つの実施態様によれば、変換ユニットの支持体とは反対の側に、少なくとも１つのフィルタ層が存在する。フィルタ層は、一次光に対して不透過性であり、且つ二次光に対して透過性である。その際、フィルタ層は一次光について吸収または反射して作用できる。選択的に、フィルタ層を二次光についての反射防止層として構成できる。
少なくとも１つの実施態様によれば、フィルタ層および／またはミラー層は、所属する変換ユニットを完全に覆う。代替的に、所属する変換ユニットは、フィルタ層および／またはミラー層で部分的にだけ覆われている。
少なくとも１つの実施態様によれば、変換ユニットの少なくとも１つ、または全ての変換ユニットおよび／または半導体積層構造は、少なくとも１μｍまたは２μｍ、および／または最大１５μｍまたは１０μｍまたは６μｍの厚さを有する。換言すれば、変換ユニットおよび半導体積層構造は薄い。
少なくとも１つの実施態様によれば、画素は平面視で少なくとも２μｍまたは３μｍまたは１０μｍの平均直径を有する。代替的または追加的に、前記平均粒直径は、最大３００μｍまたは２００μｍまたは８０μｍである。殊に、それらの値は、平均直径についてのみでなく、画素が平面視で正方形または長方形に成形されている場合には画素の平均辺長についても該当する。
少なくとも１つの実施態様によれば、隣接する画素間の間隔は、少なくとも０．３μｍまたは０．５μｍまたは１μｍ、および／または最大１０μｍまたは６μｍまたは３μｍである。画素間の間隔は、好ましくは画素の平均直径の最大２５％または１０％または３％である。
少なくとも１つの実施態様によれば、完成した半導体素子は少なくとも１０または１００または１０００個の画素を有する。代替的または追加的に、前記画素数は、最大で１０8または１０7または１０6または１０5である。同じことが表示領域の数について該当し得る。
さらにまた、オプトエレクトロニクス半導体素子が記載される。前記半導体素子は、好ましくは１つ以上の上記の実施態様に関連して記載された方法で製造される。従って、前記方法についての特徴は、前記半導体素子についても開示され、その逆もまた然りである。
少なくとも１つの実施態様において、オプトエレクトロニクス半導体素子は、支持体と、その上に取り付けられた一次光を生成するための半導体積層構造とを含む、一次光源を有する。さらには、前記半導体素子は、少なくとも１つの半導体材料製の少なくとも１つの変換ユニットを有し、前記変換ユニットは、一次光を、フォトルミネッセンスを介して少なくとも１つの二次光に変換するように備えられている。半導体積層構造および変換ユニットは、互いに別々に製造され、且つ連続して成長するわけではない。半導体積層構造は、平面視で、電気的に互いに独立して駆動可能な複数の画素に構造化されている。前記支持体は、画素を駆動するための複数の駆動ユニットを有し、それは好ましくは画素に対して１：１で割り当てられて存在する。いくつかの画素は変換ユニットに割り当てられていないため、これらの画素は一次光を発し、その際、残りの画素に、正確に１つの変換ユニットが各々割り当てられている。
複数の異なる色を発する画素は、色に関して調節可能な光を発するように備えられている表示領域にまとめられている。さらに、支持体と、変換ユニットの支持体とは反対の光出射側との間の光路は、有機材料不含である。
本願内に記載される方法および本願内に記載される半導体素子を、図面と関連付けて、実施例を用いて以下でより詳細に説明する。個々の図面において同じ符号は同じ要素を示す。しかしながらその際、寸法通りに示されるわけではなく、むしろよりよい理解のために個々の要素は強調して示されている。
図１に、オプトエレクトロニクス半導体素子１の製造方法を模式的に示す。図１Ａによれば、成長基板５を準備する。成長基板５は、例えばＧａＡｓ基板である。成長基板５の上に、２つの変換ユニット３、４のための２つの半導体材料３１、４１を成長させる。その際、まず、赤色光を生成するための第２の半導体材料４１を成長させ、その上に緑色光を生成するための第１の半導体材料３１を成長させる。
両方の半導体材料３１、４１は、例えばＩｎＧａＡｌＰに基づく。赤色光を生成するための第２の半導体材料４１は、好ましくはＩｎＧａＡｌＰに基づく。ＩｎＧａＡｌＰの代替的に、第１の半導体材料３１は、ＩｎＧａＮに基づいてもよく、例えばサファイヤ基板上に成長される。そのような光透過性のサファイヤ基板は、図１には描かれていないが、半導体材料３１に取り付けられたままであることがある。半導体材料３１、４１は、各々複数の層から構成され、且つ好ましくは、フォトルミネッセンスを介して緑色または赤色の二次光を生成可能な多重量子井戸構造を有する。
多重量子井戸構造は、例えば１０以上の量子井戸構造を有することができる。第１の半導体材料３１内の多重量子井戸構造は、例えば２０以上の量子井戸構造を有することができる。さらに、第１の半導体材料３１内の多重量子井戸構造は、例えば１００以下の量子井戸構造を有することができる。第２の半導体材料４１内の多重量子井戸構造は、例えば２０以上の量子井戸構造を有することができる。さらに、第２の半導体材料４１内の多重量子井戸構造は、例えば１００以下の量子井戸構造を有することができる。１つの実施態様によれば、第１および／または第２の半導体材料内の量子井戸構造の数は、２０～５０の量子井戸構造である。第１の半導体材料３１内の量子井戸構造の数と第２の半導体材料４１内の量子井戸構造の数とは、異なり得る。さらに、第１および第２の半導体材料３１、４１内の量子井戸構造の数は、一次光源２の半導体積層構造２２内の量子井戸構造の数より大きくてよい。
図１Ｂの工程段階において、第１の半導体材料３１が構造化されることが示されている。その際、殊にエッチングによって、第１の半導体材料３１がところどころで完全に除去されるので、場所により第２の半導体材料４１が露出される。この構造化では、第２の半導体材料４１はその他には影響を及ぼされないままである。
第１の半導体材料３１の構造化を、例えば湿式化学的または乾式化学的なエッチングによって行う。その際、第１の半導体材料３１の個々の残っている島状領域は、半導体素子１の画素２４の大きさに相応する。それらの島状領域は、例えば少なくとも３μｍおよび／または最大２００μｍの辺長を有する。平面視で、それらの領域は例えば正方形、長方形、円形または六角形である。それらの領域は、長方形のパターンにおいて直交的(kartesisch)または六角形に配置され得る。第２の半導体材料４１についても、全ての他の実施例についても相応して該当する。
図Ｃ１の工程段階において、平坦化層７３が面状に堆積される。平坦化層７３は、好ましくは電気絶縁性の誘電体材料から、例えば二酸化ケイ素から製造されている。平坦化層７３によって第１の半導体材料３１の島状に残っている領域間の隙間が充填されて、全体的に変わらず一定の厚さを有する層が製造される。さらに、平坦化層７３によって、第１の半導体材料３１の島状領域が互いに固く結合される。平坦化層７３は第１の半導体材料３１と共に、第１の変換ユニット３を形成する。
図Ｃ１によれば、平坦化層７３は第１の半導体材料３１と同じ厚さを有するので、第１の半導体材料３１と平坦化層７３とは、成長基板５から離れる方向に互いに面一で終端している。これに対し、図Ｃ２では、平坦化層７３の厚さが第１の半導体材料３１の厚さよりも大きいことが示されている。成長基板５とは反対の側で、第１の半導体材料３１は完全に平坦化層７３で覆われている。平坦化層７３は第１の半導体材料３１と共に、ここでもまた、変わらず一定の厚さを有する。この厚さは例えば、少なくとも５μｍおよび／または最大１２μｍであり、平坦化層７３は、第１の半導体材料３１を好ましくは最大５μｍまたは２μｍまたは１μｍだけ超えている。これは、好ましくは全ての他の実施例にも該当する。
図Ｃ１またはＣ２に示されるような平坦化層７３に関するバリエーションは、他の全ての実施例においても相応して存在し得る。記載を簡単にするために、以下ではそれらのバリエーションの１つについてのみ示す。
図１Ｄにおいて、図Ｃ１からの、または代替的に図Ｃ２からの結合物を、一次光源２に取り付けることが示されている。この取り付けは好ましくは直接接合によって行われる。その際、図Ｃ１からの結合物を、一次光源２の半導体積層構造２２と、図１Ｄに示すように直接的に接合する。代替的に、図示されていない中間層、例えば二酸化ケイ素製の中間層を、一次光源２と図Ｃ１からの結合物との間の付着を媒介するために施与することができる。代替的に、付着の媒介のために、図Ｃ２からの平坦化層７３を考慮することができる。
一次光源２はさらに、支持体２１も有する。支持体２１内に、複数の駆動ユニット２３が存在する。支持体２１は好ましくはシリコンに基づき、駆動ユニット２３はＣＭＯＳ技術で支持体２１内に製造されている。半導体積層構造２２はＡｌＩｎＧａＮに基づき、且つ青色光を生成するように備えられている。その際、半導体積層構造２２は複数の画素２４に分割されている。画素２４の各々が好ましくは正確に１つの駆動ユニット２３に割り当てられ、その逆もまた然りである。
隣接する画素２４の間に、場合により分離領域２６がある。分離領域２６を介して、個々の画素２４を互いに電気的に絶縁および／または光分離できる。半導体積層構造２２は、分離領域２６で、例えば充填されていないかまたは充填されたトレンチによって部分的にのみ中断されつつも、連続している層として支持体２１全体にわたって広がって実現されている。平面視で、画素２４は例えば長方形、正方形、円形または六角形に構成されている。
図１Ｅの工程段階では、図１Ｄから成長基板５が除去される。成長基板５の取り外しは、例えば研削、研磨、ウェットエッチングまたはドライエッチングによって、レーザーリフトオフ(Laserabhebe)法、またはそれらの組み合わせによって行われる。
続いて、図１Ｆを見ると、第２の半導体材料４１が、先述の第１の半導体材料３１と同じように構造化され、ここで、その構造化は半導体積層構造２２の上で実施される。半導体積層構造２２は、この構造化によって影響されない。同様に、さらなる平坦化層７３の施与を行う。さらなる平坦化層７３は第２の半導体材料４１と共に、第２の変換ユニット４を形成する。
両方の半導体材料３１、４１の島状に残っている領域は、画素２４のための半導体積層構造２２の領域と同じ大きさを有する。例として、例えばＲＧＢユニットの場合は画素２４の１／３、または例えばＲＧＧＢユニットの場合は画素２４の１／４が、変換ユニット３、４を有さないので、これらの画素２４は直接的に一次光Ｂ、好ましくは青色光を発する。残りの画素２４は、変換ユニット３、４の正確に１つだけに割り当てられている。変換ユニット３、４を介して第１の二次光Ｇおよび第２の二次光Ｒが生成され、ここで、それは好ましくは緑色光および赤色光である。一次光Ｂは、変換ユニット３、４で完全またはほぼ完全に吸収される。
３つの異なる色を発する画素２４は、表示領域６（ピクセルとも称する）にまとめられる。ピクセルは、一次光Ｂから、および二次光Ｇ、Ｒから構成される、異なる色の光を調節して発するように備えられる。
図１において、個々の表示領域６は赤色光、緑色光および青色光について各々正確に１つの領域を有し、つまり、ＲＧＢユニットを形成する。同様に、緑色光のための２つの領域が存在して、４つの画素２６でＲＧＧＢユニットを形成してもよいし、黄色光のための追加的なユニットがＲＧＢＹユニットを形成してもよい。さらに、追加的に、白色光を生成するための蛍光体を有するユニットが存在して、ＲＧＢＷユニットをもたらすことができる。白色光または黄色光の生成は、図示されない第３の変換ユニットで行われ、前記第３の変換ユニットは第１および第２の変換ユニット３、４上に積まれて配置されている。表示領域６は、好ましくは各々正確に３つまたは４つの画素２６を有する。同様に、一次光源２として、赤色、青色および緑色用の３つの蛍光体、および場合により黄色または白色用の蛍光体を備えた紫外光を発する半導体積層構造が存在でき、ここで、個々の蛍光体領域は好ましくは互いに独立して励起可能である。
変換ユニット３、４は半導体積層構造２２上で重複しないので、変換ユニット３、４を任意の順で施与できる。
図１Ｆの平坦化層７３の他に、図示されないさらなる、殊に透明の薄層を、追加的または代替的なパッシベーションおよび／または封止として使用してもよい。平坦化層７３、任意の中間層並びにパッシベーションおよび／または封止を、二酸化ケイ素の他に、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化タンタル、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉまたは希土類金属の透明酸化物または窒化物からも製造できる。その際、両方の平坦化層７３は同じ材料から、または互いに異なる材料から製造できる。
半導体積層構造２２の画素２４と、構造化された変換ユニット３、４との間の煩雑なアライメントを回避するために、特定のアクティブに稼働する画素２４の半導体積層構造２２からの一次光の発光を利用して、フォトレジストを局所的に硬化または溶解させることができる。これは、例えば、半導体積層構造２２の直上での変換ユニット３、４の構造化の際に行われる（例えば図１Ｆ参照）。
光取出しの改善のために、変換ユニット３、４または半導体積層構造２２は、支持体２１と反対の側で、各々粗面化部を有し得る。場合により、このために追加的な保護層をかかる粗面化部に施与でき、それを任意に平坦化してよい。さらに、選択的に、平坦化層７３、または支持体２１から離れて存在する少なくとも１つの平坦化層７３も、粗面化部を備えることができる。
図２の方法の場合、図２Ａに示されるように、半導体材料３１、４１を２つの異なる成長基板５の上で成長させる。続いて、図２Ｂに示されるように、半導体材料３１、４１を互いに接合し、成長基板５の１つを除去する。
さらなる工程段階を、図１Ａ～１Ｆと類似して行うことができる。
図３に示されるような方法の場合、半導体材料３１、４１をそれぞれ別途の成長基板５の上で成長させ、且つ成長基板５の上で構造化する（図３Ａ参照）。これに続き、平坦化層７３の施与を行う（図３Ｂ参照）。
続いて、両方の変換ユニット３、４をまず一緒に結合して、引き続き半導体積層構造２２に取り付けるか、または変換ユニット３、４を順次、半導体積層構造２２に連続して取り付ける（図３Ｃ参照）。
図４に示されるような半導体素子１の実施例の場合、隣接する画素２４の間に光不透過性の隔壁２５ａ、２５ｂが存在する。これらの隔壁２５ａ、２５ｂにより、画素２４の間、または代替的に隣接する表示領域６の間のみで、光分離を達成でき、光学的なクロストークが低減または防止される。従って、飽和色を表示でき、且つより大きな色域の範囲を達成できる。
隔壁２５ａ、２５ｂを、変換ユニット３、４の構造化と共に、例えば、所属する平坦化層７３を製造する前に、半導体材料３１、３２のエッチングされた側面を金属または誘電体でミラー化することにより、製造できる。同様に、隔壁２５ａ、２５ｂを、平坦化層７３の製造後に、例えばトレンチをエッチングし、引き続き反射性または吸収性の材料で充填することにより製造できる。
隔壁２５ａは、変換ユニット３、４上に限定されて残っていてもよい。隔壁２５ａは、半導体積層構造２２まで達するに過ぎず、半導体積層構造２２の中には達しない。これに対し、変換ユニット３、４の構造化後に引き続き製造される隔壁２５ｂは、半導体積層構造２２の中まで達し、その半導体積層構造２２を、場合により存在する分離領域２６と共に場合により完全に貫く。
隔壁２５ａ、２５ｂは例えば、金属から製造されている。隔壁２５ｂが導電性材料製である場合、その隔壁２５ｂは特に好ましくは、電気的な短絡を避けるために、画素２４の間の図示されない金属被覆部までは達しない。代替的に、隔壁２５ａ、２５ｂを介して、半導体積層構造２２の、支持体２１とは反対の側での電気的コンタクトが達成されてもよい。隔壁２５ａ、２５ｂはさらに、金属スペーサー、またはフォト技術によって製造される光学的な分離であってよい。
個々の画素２４を、ｐ型側、つまり殊に支持体２１に向いた側で構造化することができる。殊に支持体２１に向いた側でのｎ型コンタクトのために、半導体積層構造２２を、隣接する画素２４の間で部分的に除去できる。その際、画素２４を互いにより良好に光分離するために、ｎ型側から、殊に変換ユニット３、４を施与する前に、ｎ型伝導性のＧａＮをこのｎ型コンタクトまで除去できる。同様に、まず全ての変換ユニット３、４を施与し、構造化し、そして平坦化し、その後に初めて、個々の画素２４の間でトレンチまたは凹部を、殊にリソグラフィーによって構造化することができる。これらの反射性または吸収性材料で満たされたトレンチまたは凹部は、ｎ型ＧａＮ内に突き出していてよい。
そのような隔壁２５ａ、２５ｂは、全ての他の実施例においても存在し得る。好ましくは、半導体素子１内で、図４の左半分の隔壁２５ａだけ、または右半分の隔壁２５ｂだけが一貫して存在する。
図５の実施例の場合、追加的にミラー層７１および／またはフィルタ層７２が存在する。ミラー層７１、例えばダイクロイックミラーおよび／または誘電体ミラーは、所属する変換ユニット３、４の一次光源２に向いた側で各々存在する。殊に、ミラー層７１は、半導体材料３１、４１に直接的に取り付けられている。ミラー層７１によって、一次光から生成された二次光が、半導体積層構造２２に戻らないことが達成される。図５に示される他に、ミラー層７１を、第１または第２の半導体材料３１、４１に製造するのではなく、半導体積層構造２２に直接的に一貫して製造することができる。
ミラー層７１に対して代替的または追加的に、フィルタ層７２が存在する。フィルタ層７２により、変換されていない、殊に青色の一次光が個々の画素２４から出てくることが防がれる。フィルタ層７２は、複数の画素２４にわたって一貫して施与されてもよいし、個々の画素２４上に限定されていてもよい。
図６に、隔壁２５ａの製造方法を示す。図６Ａによれば、構造化された半導体材料３１上に、原材料層２７が一貫して且つ一定の厚さに合わせて施与される。例えば、原材料層２７は金属層である。原材料層２７は例えば、化学気相堆積、物理気相堆積、原子層堆積またはスパッタによって施与される。
続いて、図６Ｂに示すように、異方性エッチング、例えばドライエッチングを行い、原材料層２７を半導体材料３１の側面だけに残すことにより、隔壁２５ａを形成する。
図６の工程段階は、例えば図１Ｂまたは３Ａのまたは１Ｆの工程段階で追加的に行うことができる。
図７に関し、第１の一次光Ｂ１を発し、波長の変換を行わない画素２４が存在する、さらなる実施例が記載される。さらに、第２の一次光Ｇ２を発し、波長の変換を行わない画素２４が存在する。第１の一次光Ｂ１は青色光であり、第２の一次光Ｇ２は緑色光である。その際、青色光および緑色光は電気的な励起により生成される。二次光Ｒ１、例えば赤色光を発する画素２４がさらに存在する。赤色光は第２の変換ユニット４によって生成される。
このために、半導体積層構造２２は、第２の一次光Ｇ２を生成するための第１の半導体積層構造２２ａと、第１の一次光Ｂ１を生成するための第２の半導体積層構造２２ｂとを有する。半導体積層構造２２内で支持体２１から離れる方向での層の順は例えば以下のとおりである： ｐ型ドープ層、例えばｐ型ＧａＮと、緑色光を生成するための活性層と、ｎ型ドープ層、例えばｎ型ＧａＮとを有する第１の半導体積層構造２２ａ、トンネルコンタクト、ｐ型ドープ層、例えばｐ型ＧａＮと、青色光を生成するための活性層と、ｎ型ドープ層、例えばｎ型ＧａＮとを有する第２の半導体積層構造２２ｂ。
青色の画素２４については、第１の半導体積層構造２２ａのｐ型ドープ層および緑色光を生成するための活性層が除かれる。ｎ型コンタクトは、第２の半導体積層構造２２ｂの上方のｎ型ドープ層に接続している。
緑色の画素２４については、ｎ型コンタクトが、第１の半導体積層構造２２ａの下方のｎ型ドープ層に接続している。そのｎ型コンタクト（図示せず）は側方から引き出される。
赤色の画素２４については、第１の半導体積層構造２２ａのｐ型ドープ層および緑色光を生成するための活性層が除かれることがある。ｎ型コンタクトは、第２の半導体積層構造２２ｂの上方のｎ型ドープ層に接続している。代替的に、ｐ型ドープ層および緑色光を生成するための活性層を存置し、変換ユニット４の励起のために利用してもよい。この場合、ｎ型コンタクトは、第１の半導体積層構造２２ａの下方のｎ型ドープ層に接続している。
本願内で記載される発明は、実施例を用いた記載に限定されない。むしろ、本発明は、各々新規の特徴並びに特徴の各々の組み合わせ、殊に本願内で、特許請求の範囲に含まれる特徴の組み合わせを、この特徴またはこの組み合わせがそれ自体明示的に特許請求の範囲および実施例内に記載されていない場合でも含む。
独国特許出願第１０２０１６２２０９１５．９号の優先権を請求し、これは参照をもって本願内に含まれるものとする。
１ オプトエレクトロニクス半導体素子
２ 一次光源
２１ 支持体
２２ 半導体積層構造
２２ａ 第１の半導体積層構造
２２ｂ 第２の半導体積層構造
２３ 駆動ユニット
２４ 画素
２５ 光不透過性隔壁
２６ 分離領域
２７ 原材料層
３ 第１の変換ユニット
３１ 半導体材料
４ 第２の変換ユニット
４０ 光出射側
４１ 半導体材料
５ 成長基板
６ 表示領域（ピクセル）
７１ ミラー層
７２ フィルタ層
７３ 平坦化層
Ｂ 一次光
Ｂ１ 第１の一次光
Ｇ 第１の二次光
Ｇ２ 第２の一次光
Ｒ 第２の二次光
Ｒ１ 二次光
２ 一次光源
２１ 支持体
２２ 半導体積層構造
２２ａ 第１の半導体積層構造
２２ｂ 第２の半導体積層構造
２３ 駆動ユニット
２４ 画素
２５ 光不透過性隔壁
２６ 分離領域
２７ 原材料層
３ 第１の変換ユニット
３１ 半導体材料
４ 第２の変換ユニット
４０ 光出射側
４１ 半導体材料
５ 成長基板
６ 表示領域（ピクセル）
７１ ミラー層
７２ フィルタ層
７３ 平坦化層
Ｂ 一次光
Ｂ１ 第１の一次光
Ｇ 第１の二次光
Ｇ２ 第２の一次光
Ｒ 第２の二次光
Ｒ１ 二次光
Claims (20)
- オプトエレクトロニクス半導体素子（１）の製造方法であって、以下の段階：
・ 支持体（２１）と、その上に取り付けられた一次光（Ｂ）を生成するための半導体積層構造（２２）とを有する、一次光源（２）を準備する段階、ここで、前記半導体積層構造（２２）は、平面視で、複数の電気的に互いに独立して駆動可能な画素（２４）に構造化されており、且つ前記支持体（２１）は画素（２４）を駆動するための複数の駆動ユニット（２３）を有する、
・ 一次光（Ｂ）を２つの異なる色の二次光（Ｇ、Ｒ）へと変換するように備えられる２つの異なる色の変換ユニット（３、４）を準備する段階、ここで、前記変換ユニット（３、４）は、少なくとも１つの半導体材料（３１、４１）から連続して成長される、
・ 前記変換ユニット（３、４）を構造化する段階、ここで、前記半導体材料（３１、４１）の部分領域が画素（２４）に相応して除去される、および
・ 前記変換ユニット（３、４）を前記半導体積層構造（２２）上に施与し、残っている半導体材料（３１、４１）を画素（２４）の一部に一義的に割り当てる段階
を有し、少なくとも２つの変換ユニット（３、４）を重ね合わせて共通の成長基板（５）上に成長させ、２つの異なる色の前記変換ユニット（３、４）を、それぞれ平行かつ異なった平面で配置する構造化をする、前記方法。 - 前記半導体積層構造（２２）の画素への構造化の際も、前記半導体材料（３１、４１）の構造化の際も、前記半導体積層構造（２２）の、または前記半導体材料（３１、４１）の残っている領域の位置が、互いに相対的に変化されず、前記半導体積層構造（２２）はＡｌＩｎＧａＮに基づき、前記半導体材料（３１、４１）はＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰまたはＡｌＩｎＧａＡｓに基づき、且つ前記支持体（２１）はＳｉまたはＧｅに基づく、請求項１に記載の方法。
- 変換ユニット（３）の１つだけを前記共通の成長基板（５）上で構造化し、この変換ユニット（３）の構造化後に、前記半導体積層構造（２２）に固定し、その後に成長基板（５）を取り外し、その後に初めて、少なくとも１つのさらなる変換ユニット（３）を構造化する、請求項１または２に記載の方法。
- 複数の前記変換ユニット（３、４）を、各々固有の成長基板（５）上で成長させる、請求項１または２に記載の方法。
- 前記変換ユニット（３、４）を、各々所属する成長基板（５）の上で構造化し、その構造化後にそれぞれ、光透過性材料製の平坦化層（７３）を施与し、且つ前記平坦化層（７３）は、前記変換ユニット（３、４）を、所属する成長基板（５）とは反対の側を少なくとも一時的に完全に覆う、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
- 前記成長基板（５）の取り外し前に、前記変換ユニット（３、４）を互いに固定し、続いて前記変換ユニット（３）の１つを構造化し、その後に前記半導体積層構造（２２）への固定を行い、続いて残っている成長基板（５）の取り外しを実施し、その後に初めて、少なくとも１つのさらなる変換ユニット（３）を構造化する、請求項４に記載の方法。
- 少なくとも１つの前記変換ユニット（３、４）を、ウェハ接合によって前記半導体積層構造（２２）に取り付け、前記支持体（２１）と、前記変換ユニット（３、４）の前記支持体（２１）とは反対の光出射側（４０）との間の光路が有機材料不含である、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
- 前記画素（２４）のいくつかには、変換ユニット（３）が割り当てられず、これらの画素は一次光（Ｂ）を発し、残りの画素（２４）には、正確に１つの変換ユニット（３、４）が各々割り当てられ、重なり合って積まれる変換ユニット（３）は存在せず、且つ３つの異なる色を発する画素（２４）が表示領域（６）にまとめられ、前記表示領域（６）が異なる色の光を調節して発することができる、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
- 隣接する画素（２４）は光不透過性の隔壁（２５）で互いに光分離されており、前記隔壁（２５）は少なくとも１つの変換ユニット（３、４）を完全に貫いており、且つ前記半導体積層構造（２２）を少なくとも部分的に貫いている、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
- 前記半導体積層構造（２２）が一貫し且つ連続して、全ての画素（２４）の上に広がっている、請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
- 前記変換ユニット（３、４）の前記半導体積層構造（２２）に向いた側に、少なくとも１つのミラー層（７１）を施与し、且つ前記ミラー層（７１）は、割り当てられた変換ユニット（３、４）内で生成される二次光（Ｇ、Ｒ）に対して不透過性であり且つ一次光（Ｂ）に対して透過性である、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
- 前記変換ユニット（３、４）の前記支持体（２１）とは反対の側に、少なくとも１つのフィルタ層（７２）を施与し、且つ前記フィルタ層（７２）は一次光（Ｂ）に対して不透過性であり、前記フィルタ層（７２）は変換ユニット（３、４）を完全に覆っている、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。
- 前記変換ユニット（３、４）または変換ユニット（３、４）の各々および／または前記半導体積層構造（２２）が、境界値を含む１μｍ～１０μｍの厚さを有し、前記画素（２４）が、平面視で、境界値を含む３μｍ～２００μｍの平均直径を有し、隣接する画素（２４）間の距離は、境界値を含む０．３μｍ～６μｍであり、且つ完成した半導体素子（１）は、境界値を含む１００～１０7個の画素（２４）を包含する、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法。
- 前記隔壁（２５）が、電気的に絶縁性の材料から構成されるか、または前記半導体積層構造（２２）に対して電気的に絶縁している、請求項９に記載の方法。
- 前記半導体積層構造（２２）のｎ型伝導性の側が、隔壁（２５）を介して電気的にコンタクトされている、請求項９に記載の方法。
- 前記変換ユニットの少なくとも１つ、または全ての前記変換ユニットが、少なくとも１μｍの厚さおよび最大６μｍの厚さを有する、請求項１から１５までのいずれか１項に記載の方法。
- 前記変換ユニット（３、４）または前記半導体積層構造（２２）が、支持体（２１）と反対の側で、粗面化部を有する、請求項１から１６までのいずれか１項に記載の方法。
- 少なくとも２つの前記変換ユニット（３、４）を重ね合わせてエピタキシャル成長させる、請求項１から１７までのいずれか１項に記載の方法。
- ・ 支持体（２１）と、その上に取り付けられた一次光（Ｂ）を生成するための半導体積層構造（２２）とを有する一次光源（２）、および
・ 少なくとも１つの半導体材料（３１、４１）製の、前記一次光（Ｂ）を２つの異なる色の二次光（Ｇ、Ｒ）へと変換するように備えられている２つの異なる色の変換ユニット（３、４）
を有するオプトエレクトロニクス半導体素子（１）であって、
・ 前記半導体積層構造（２２）および前記変換ユニット（３、４）が互いに別々に製造され、且つ連続して成長されておらず、
・ 前記半導体積層構造（２２）は平面視で、複数の電気的に互いに独立して駆動可能な画素（２４）に構造化されており、
・ 前記支持体（２１）は、画素（２４）を駆動するための複数の駆動ユニット（２３）を有し、
・ 前記画素（２４）のいくつかには変換ユニット（３）が割り当てられておらず、これらの画素は一次光（Ｂ）を発し、且つ残りの画素（２４）に正確に１つの変換ユニット（３、４）が各々割り当てられており、
・ 複数の異なる色を発する画素（２４）が、異なる色の光を調節して発するように備えられる表示領域（６）にまとめられており、且つ、
・ 前記支持体（２１）と、前記変換ユニット（３、４）の支持体（２１）とは反対の光出射側（４０）との間の光路が有機材料不含であり、
前記半導体材料（３１、４１）は、前記半導体積層構造（２２）に対し平行に異なった平面で配置されている、前記オプトエレクトロニクス半導体素子（１）。 - 前記変換ユニット（３、４）が、第１の半導体材料（３１）と第２の半導体材料（４１）を有し、前記第１の半導体材料（３１）と前記半導体積層構造（２２）との距離が、前記第２の半導体材料（４１）と前記半導体積層構造（２２）との距離とは異なる請求項１９に記載のオプトエレクトロニクス半導体素子（１）。
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| JP2020532138A (ja) * | 2017-08-30 | 2020-11-05 | オスラム オーエルイーディー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＯＳＲＡＭ ＯＬＥＤ ＧｍｂＨ | オプトエレクトロニクス半導体デバイスを製造する方法およびオプトエレクトロニクス半導体デバイス |
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