JP7311639B2 - ビーム変換素子を備えた半導体部品およびビーム変換素子を製造するための方法 - Google Patents
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Description
本出願は、ビーム変換素子を備えた半導体部品、およびビーム変換素子を製造するための方法に関する。
赤外線スペクトル範囲で発光する発光ダイオード、特に、１０００ｎｍを超える発光波長を有する発光ダイオードは、ＧａＰ基板上に製造することができる。ただし、これらの基板は非常に高価であり、限られた範囲しか利用できないことに加え、既知のエミッタは、比較的大きな側方発光性を示し、これによって、光学的撮像は困難である。
１つの課題は、赤外線スペクトル範囲で効率的なビーム生成を達成することである。
この課題は、とりわけ、請求項１による半導体部品によって、もしくは請求項１０によるビーム変換素子を製造するための方法によって解決される。さらなる構成および実用性は、従属請求項の対象である。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、半導体部品は、半導体チップを備える。この半導体チップは、特に、ピーク波長を有する一次ビームを生成するために設けられた活性領域を有する。半導体チップへの電圧の印加により、半導体部品の動作中に、電荷担体は、反対側から活性領域に入り、そこでビームを発光しながら再結合することができる。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、半導体部品は、ビーム変換素子を備える。このビーム変換素子は、特に半導体チップ上に配置され、例えば固定されている。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、一次ビームのピーク波長は、赤外線スペクトル範囲内にある。例えば、ピーク波長は、９００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下にある。例えば、ピーク波長は、９２０ｎｍ以上１０８０ｎｍ以下にある。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、ビーム変換素子は量子構造部を有する。
量子構造部という用語には、本出願の枠内では、特に、電荷担体が閉じ込め(confinement)によってエネルギー状態の量子化を被ることができるあらゆる構造部が含まれる。特に、量子構造部という用語には、量子化の次元に関する情報は含まれていない。したがって、量子構造部という用語には、とりわけ、量子井戸、量子細線、量子ドット、ならびにこれらの構造部のあらゆる組み合わせが含まれる。
例えば、量子構造部は複数の量子層を有し、それらの間にはバリア層が配置されている。例えば、量子層とバリア層とは、多重量子井戸（Multi Quantum Well；ＭＱＷ）構造部を形成する。ビーム変換素子は、例えば、一次ビームに対して透過性の基板を有する。この基板は、特に、量子構造部の機械的な安定化に用いられる。例えば、基板は、量子構造部の少なくとも２倍または少なくとも５倍の厚さである。基板は、例えば、量子構造部のエピタキシャル堆積のための成長基板である。代替的に、基板は、量子構造部のための成長基板とは異なっていてもよい。さらに、ビーム変換素子は、基板によって覆われなくてもよい。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、量子構造部は、一次ビームを少なくとも部分的に二次ビームに変換し、ここで、二次ビームの発光極大値の発光波長は、ピーク波長よりも大きい。発光極大値は、例えば、二次ビームの広域極大値もしくは二次ビームの局所的極大値である。
ビーム変換素子を用いることにより、半導体チップの活性領域のために使用される材料系では容易に達成することができないであろう波長範囲でビーム生成を行うことができる。例えば、二次ビームの少なくとも１つの発光極大値は、１０００ｎｍ以上１７００ｎｍ以下にある。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態では、半導体部品は、半導体チップおよびビーム変換素子を備え、ここで、ビーム変換素子は、半導体チップ上に配置されている。半導体チップは、ピーク波長を有する一次ビームを生成するために設けられた活性領域を有する。ビーム変換素子は、量子構造部を有する。一次ビームのピーク波長は、赤外線スペクトル範囲内にある。量子構造部は、一次ビームを少なくとも部分的に二次ビームに変換し、この場合、二次ビームの発光極大値の発光波長は、ピーク波長よりも大きい。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、量子構造部は、バリア層によって相互に分離された複数の量子層を有し、ここで、バリア層は、ピーク波長を有するビームのエネルギーよりも大きいバンドギャップを有する。
換言すれば、ピーク波長を有するビームのエネルギーは、価電子帯から伝導帯へバリア層内で電荷担体を励起するためには十分ではない。つまり、ビーム変換素子における一次ビームのビーム吸収は、実質的に量子層内で直接行われる。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、量子構造部は、それらのバンドギャップに関して相互に異なる少なくとも２つの量子層を有する。換言すれば、量子構造部の発光スペクトルは、少なくとも２つの発光帯を有し、それらの発光極大値は相互に異なる。例えば、二次ビームの２つの発光極大値間のスペクトル距離は、発光極大値の半値半幅の合計よりも大きい。これらの発光極大値は、発光スペクトルにおいて明確に解決される。代替的に、隣接する極大値間のスペクトル距離は、発光帯の重畳が全体的に発光スペクトルの拡幅につながるくらいに小さくてもよい。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、量子構造部は、ＩｎＰの格子定数を有する。つまり、量子構造部のために使用される半導体材料は、例えば、ＭＢＥまたはＭＯＶＰＥを用いて、ＩｎＰを有する成長基板上にエピタキシャル堆積させることができる。この材料は、張力が結晶内に亀裂を引き起こさない限り、格子適合化または張力を形成することができる。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、量子構造部は、以下の材料系のグループ、すなわち、Ｇａｘ Ｉｎ１－ｘ Ａｓｙ Ｐ１－ｙ、Ｉｎｘ Ｇａ１－ｘ Ａｓｙ Ｓｂ１－ｙ、Ｉｎｘ Ｇａ１－ｘ Ａｓ、Ｉｎｘ Ｇａ１－ｘ Ｐｙ Ｓｂ１－ｙ、Ｉｎｘ Ａｌ１－ｘ Ｐｙ Ｓｂ１－ｙからの少なくとも１つの材料を有し、ただし、ｘおよびｙは、それぞれ、材料の格子定数がＩｎＰの格子定数に対応するように選択され、この場合、ｘ≦１であり、ｙ≦１である。特に、前述の半導体材料を用いることにより、直接的なバンドギャップを得ることができ、そのため、光の吸収も発光も効率的に行うことが可能である。
材料の格子定数がＩｎＰの格子定数に対応するということは、材料の固有の格子定数がＩｎＰの格子定数と同じであるか、あるいは少なくとも、材料が弛緩することなくＩｎＰ上で緊張したまま成長するくらいに偏差が少ないことを意味する。
例えば、量子構造部のための材料の固有の格子定数は、ＩｎＰの格子定数と最大で２％、特に最大で１％異なっている。
上記の材料を用いれば、１０００ｎｍ以上１７００ｎｍ以下の発光波長を確実に達成することができる。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、ビーム変換素子は、半導体部品の平面図で見て、半導体チップの活性領域の少なくとも９０％を覆っている。特に、ビーム変換素子は、活性領域を完全に覆うこともできる。つまり、活性領域の主要延在面に対して垂直に放射されたビームは、事前にビーム変換素子を通過することなく、半導体部品から、全く出射できないか、比較的僅かな割合しか出射することができない。この種の構成は、特に、半導体部品の発光スペクトルにおける一次ビームが望ましくないか、少なくとも必要とされない半導体部品に対して適している。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、ビーム変換素子は、半導体部品の平面図で見て、半導体チップの活性領域の最大８０％を覆っている。この場合、半導体部品からは一次ビームのかなりの部分も出射する。これにより、発光スペクトルの全体的なスペクトル幅が拡大する。一次ビームもスペクトル全体に含まれる半導体部品は、特に、広帯域発光が望まれる用途、例えばバイオセンサシステム用途に適している。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、ビーム変換素子は、最大で２００μｍの厚さを有する。この厚さは、ここでは、活性領域の主要延在面に対して垂直な拡がりに関連している。ビーム変換素子が薄いほど、半導体部品の動作中にビーム変換素子から側方に放射されるビームは一層少なくなる。そのため、総じて放射されるビームは、半導体部品の下流に配置される光学素子によってより容易に成形することができる。
半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、半導体チップは、支持体を有し、ここで、活性領域と支持体との間にミラー層、特に金属ミラー層が配置されている。
特に、支持体は、半導体チップの活性領域のための成長基板とは異なる。この種の半導体チップは、薄膜半導体チップとも称される。そのような薄膜半導体チップの場合、側方の放射は減少し、ミラー層とは反対側の半導体チップのビーム出射面を通る放射の増加に有利になる。
特に、記載されたビーム変換素子に関連する薄膜半導体チップは、半導体部品の側方の放射を低減し、発光されたビームの光学的結像性を改善するために適している。さらに、半導体チップから側方に出射し、その結果、ビーム変換素子に入射しない一次ビームの割合を低減することができる。これにより、発光スペクトルにおける一次ビームの割合が、特に比較的大きな放射角度で増加する可能性もある。
さらに、複数のビーム変換素子を製造するための方法が提示されている。
本方法の少なくとも１つの実施形態によれば、量子構造部を有する半導体積層体が、例えばＭＢＥまたはＭＯＶＰＥを用いて基板上に堆積される。
量子構造部は、例えば、単結晶層として格子整合されてＩｎＰを含む基板上に堆積される。特に、基板の少なくとも１つの堆積表面は、ＩｎＰによって形成される。これにより、最適な吸収および発光効率を備えた高い層品質を特に確実に達成することができる。
本方法の少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体は、多数のビーム変換素子に個別化される。つまり、ウェーハ複合体において複数のビーム変換素子を同時に製造することができ、この場合、複合体の個別化の際に複数のビーム変換素子が生じる。
本方法の少なくとも１つの実施形態によれば、基板は、特に個別化の前に、少なくとも部分的に量子構造部から除去される。つまり、基板は、完成したビーム変換素子にはもはや存在しないか、特に厚みの薄くなった一部のみが存在している。
本方法の少なくとも１つの実施形態によれば、量子構造部から基板を少なくとも部分的に除去するために犠牲層が除去される。この犠牲層は、量子構造部と、量子構造部とは反対側の基板裏側との間に、例えば、量子構造部と基板の堆積面との間に位置している。犠牲層は、例えば、化学的手法によって簡単かつ確実に除去することができる層である。
本方法の少なくとも１つの実施形態によれば、分離核が基板に導入され、これらの分離核に沿って基板の一部が分離される。これらの分離核は、例えば、イオン注入によって導入することができる。分離は、例えば、基板の加熱を用いて行うことができる。
本方法の少なくとも１つの実施形態によれば、基板の少なくとも一部は、本方法のさらなる製造サイクルにおいて、量子構造部を有する半導体積層体の堆積のために再利用される。これにより、ビーム変換素子のための製造コストがさらに低減され得る。
本方法の少なくとも１つの実施形態によれば、基板は、個別化の前に薄膜化される。これは、例えば、機械的手法、例えば研削、研磨、またはラッピングなどによって行われる。基板が薄いほど、ビーム変換素子からの側方の発光を一層少なくすることができる。それに対して、量子構造部のための半導体積層体の堆積中、基板の厚さをより大きくすることができ、そのため、半導体積層体のための堆積の温度が比較的高い場合であっても、基板は十分な機械的安定性を有する。
記載の方法は、上記でさらに説明したビーム変換素子の製造に特に適している。それゆえ、本方法に関連して説明された特徴は、ビーム変換素子にも使用することができ、その逆も可能である。
記載の半導体部品もしくは記載の方法を用いることにより、特に、以下の効果を達成することができる。
活性領域については、特に電気的励起によって一次ビームを効率的に生成することができる材料系が使用できる。これにより、特に、半導体チップ用の新規の材料系の確立に比べて、所望のより長い波長を有するビームを生成するために比較的僅かな技術的コストしか生じない。
半導体チップの製造のために、人間の目には白く見えるビームもしくは可視スペクトル範囲の他のビームを生成する、ビーム生成光源のための確立された技術に類似した製造プロセスを使用することができる。
量子構造部を有するビーム変換素子を用いることにより、半導体部品のビームのスペクトル特性は、例えば、量子構造部の量子層のバンドギャップおよび／または層厚さの変化を用いて、予め設定された要件に特に容易にかつ確実に適合化させることができる。これとは異なり、赤外スペクトル範囲で発光する蛍光体の発光スペクトルはほとんど変化しない。二次ビームの発光波長は、１０００ｎｍ～１８００ｎｍまでの全スペクトル範囲にわたって調整可能である。
さらに、必要に応じて、ビーム変換素子の量子層の変化を介して、マルチバンド発光および／または広域スペクトル発光を容易に達成することができる。
励起は、比較的長波のビームで行うことができる。一次ビームと二次ビームとの間の僅かなスペクトル距離によって、半導体部品の高い効率が、少ないストークスシフト（Stokes Shift）と同時に達成される。
さらなる構成および実用性は、図面に関連した以下の実施例の説明から明らかになる。
同一、同種、もしくは作用が同じ要素には、図面中同じ参照記号が付されている。
これらの図はそれぞれ概略図であり、それゆえ、必ずしも縮尺通りではない。むしろ、比較的小さな要素、特に層厚さは、明確化のために誇張的に大きく示される場合がある。
図１Ａには、図１Ｂに示される線ＡＡ’に沿った断面図における半導体部品１の一実施例が示されている。この半導体部品１は、一次ビームを生成するために設けられた活性領域２０を有する半導体チップ２を備えている。この活性領域は、半導体チップの第１の半導体層２１と第２の半導体層２２との間に位置している。例えば、第１の半導体層２１はｎ導電性であり、第２の半導体層２２はｐ導電性であり、またはその逆も可能である。半導体チップの接点４５とさらなる接点４６との間で外部電圧を印加することにより、電荷担体は、第１の半導体層２１と、反対側の第２の半導体層２２とを介して活性領域２０に到達し、そこで一次ビームを発光しながら再結合することができる。
半導体チップ２上にはビーム変換素子３が配置されている。このビーム変換素子３は、接着層４を用いて半導体チップ２に取り付けられている。例えば、接着層にはシリコーンもしくはエポキシが含まれている。接着層４は、好適には、活性領域２０で生成されたビームに対して透過性である。
ビーム変換素子３は、量子構造部３０を有する。図示を簡単化するために、図１Ａでは２つの量子層３１および２つのバリア層３２が示されている。しかしながら、量子層の数は、例えば、１以上５０以下の量子層など、広範囲において変更可能である。
量子構造部３０は、ビーム変換素子３の基板３５上に配置されている。例えば、基板は、特に、量子構造部３０のエピタキシャル堆積のための成長基板である。しかしながら、量子構造部３０の半導体層のための成長基板は、半導体部品１内に完全に含まれる必要があるのではなく、むしろ、ビーム変換素子３の製造中に完全にもしくは部分的に除去されてもよい。
一次ビームのピーク波長は、例えば、赤外線スペクトル範囲内にある。例えば、ピーク波長は、９２０ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下、特に９４０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下にある。
例えば、半導体チップ２の活性領域２０は、Ｉｎｘ Ｇａｙ Ａｌ１－ｘ－ｙ Ａｓｚ Ｐ１－ｚの材料系に基づいている。材料組成ｘ、ｙ、およびｚのパラメータは、特に、材料が成長基板としてのＧａＡｓ基板上に単結晶で堆積可能となるように選択される。
図示の実施例では、半導体チップ２は、活性領域２０を有する半導体積層体のための成長基板が、完成した半導体チップ内にもはや存在しない薄膜半導体チップとして構成されている。活性領域２０を有する半導体積層体は、接続層２６を用いて支持体２９に固定されている。支持体２９自体は、成長基板の結晶純度に課せられた高い要件を満たす必要はない。活性領域２０と支持体２９との間に、さらに、特に金属製のミラー層２５が配置されており、そのため、活性領域２０において生成され、支持体２９の方向に放射されるビームが反射され、半導体チップ２の支持体２９とは反対側のビーム出射面２００から出射する。
活性領域２０で生成された一次ビームは、ビーム変換素子３の量子構造部３０において、少なくとも部分的に二次ビームに変換される。
バリア層は、それらの材料組成に関して、好適には、それらが、ピーク波長を有する一次ビームのビームエネルギーよりも大きいバンドギャップを有するように選択されている。このことは、図２Ａにおいて、量子構造部３０の価電子帯ＥＶおよび伝導帯ＥＣの概略図に基づいて示されている。矢印によって示されている一次ビーム５は、バリア層３２においてではなく、量子層３１において吸収される。これによって生じる励起５１は、矢印によって表されている。
その後、矢印によって示されているより長い波長を有する二次ビーム６が発光可能になる。この発光は、例えば、量子層によって形成された量子井戸の基底状態から行われる。つまり、量子層３１の直接的な光励起が行われ、それによって、特に効率的なビーム変換が行われる。
図２Ａに示される実施例では、量子層３１のバンドギャップは、相互に異ならないか、相互に僅かに異なるだけである。これにより、スペクトル的に狭帯域の発光スペクトルが生じる。
これとは異なりに、図２Ｂには、少なくとも２つの量子層３１がそれらのバンドギャップに関して相互に異なる実施例が示されている。量子構造部３０の量子層３１についての材料パラメータの選択を介して、半導体部品の発光スペクトルが、予め設定されたビーム特性に容易にかつ確実に適合化可能である。
図３Ａ～図３Ｄには、半導体部品の発光スペクトルの様々な構成が示されており、ここでは、それぞれ強度が、波長λの関数として任意の単位で示されている。特性曲線９０１は、それぞれ一次ビームを表し、特性曲線９０２は二次ビームを表す。図３Ａに示される実施例では、二次ビームは、厳密に１つの発光極大値を有し、これは広域な最大値を表している。
しかしながら、相互に異なる量子層によれば、図３Ｂに示されるように、二次ビームが、相互に異なる発光極大値９０２１もしくは９０２２を有する相互に離間された２つ以上の発光帯を有している発光スペクトルも達成することができる。例えば、２つの発光極大値９０２１，９０２２間のスペクトル距離は、発光帯の半値半幅（half width at half maximum；ＨＷＨＭ）の合計よりも長くなってもよく、そのため、この発光スペクトルは、二次ビームにおいて相互に明らかに異なる発光極大値を有する。
代替的に、図３Ｃに示されるように、隣接する発光極大値間の距離がより僅かであってもよい。この場合、発光極大値９０２１、９０２２、および９０２３は、共通のスペクトル的に拡幅された発光ピークまで重畳することができ、そのため、半導体部品１は、スペクトル的に特に広幅なビームによって際立っている。つまり、量子層の所期の変化により、二次ビームの発光スペクトルを拡幅することができる。
図３Ｄに示されるように、一次ビーム９０１のスペクトルも、２つ以上の発光極大値、例えば、発光極大値９０１１およびさらなる発光極大値９０１２を有することができる。
量子構造部３０には、ＩｎＰ上にエピタキシャル堆積可能である材料が特に適している。
例えば、量子構造部は、以下の材料系のグループ、すなわち、Ｇａｘ Ｉｎ１－ｘ Ａｓｙ Ｐ１－ｙ、Ｉｎｘ Ｇａ１－ｘ Ａｓｙ Ｓｂ１－ｙ、Ｉｎｘ Ｇａ１－ｘ Ａｓ、Ｉｎｘ Ｇａ１－ｘ Ｐｙ Ｓｂ１－ｙ、Ｉｎｘ Ａｌ１－ｘ Ｐｙ Ｓｂ１－ｙからの少なくとも１つの材料を有し、ただし、ｘおよびｙは、それぞれ、材料の格子定数がＩｎＰの格子定数に対応するようにもしくは少なくとも近似するように選択される。一次ビームには、少なくとも９２０ｎｍ、例えば少なくとも９３０ｎｍもしくは少なくとも９４０ｎｍであるピーク波長が特に適しており、そのため、一次ビームは、ビーム変換素子３のＩｎＰ基板３５および同じ材料からなるバリア層３２によって吸収されない。
半導体部品１の発光スペクトルにおける一次ビームの割合は、半導体チップ２のビーム出射面２００のビーム変換素子３による被覆率を用いて設定することもできる。このことは、図１Ｂ～図１Ｅに基づいて示されている。図１Ｂに示される実施例では、半導体チップ２は、半導体チップ２のコーナー領域に前面側接点４５を有する。ビーム変換素子３は、凹部３９を有しており、そのため、接点４５は、例えばワイヤボンディング結合を用いて、半導体部品１の外部との電気的接触接続のためにアクセス可能である。活性領域２０は、完全に覆われているか、少なくとも実質的に完全に、例えば少なくとも９０％の被覆率で覆われている。つまり、ビーム出射面２００を通って出射する一次ビームは、それが半導体部品１の前面１０から出射することができる前に、ビーム変換素子３を通過しなければならない。
これとは異なり、図１Ｃに示される実施例におけるビーム変換素子３は、例えば最大で８０％または最大で６０％の被覆率で、半導体チップ２の活性領域２０を部分的にのみ覆う。これにより、一次ビームのかなりの割合が、半導体部品１の前面１０におけるビーム変換素子３の側方から出射する。このことは、一次ビームが半導体部品１の発光スペクトルにおいて望まれる場合に特に有利である。
図１Ｄおよび図１Ｅの実施例は、接点４５がコーナー領域ではなく、半導体チップ２の側面２７に沿って延在している点で、図１Ｂおよび図１Ｃによる実施例とは異なっている。図１Ｄに示される実施例では、ビーム変換素子３は、図１Ｃに関連して説明したように、半導体チップ２の活性領域２０を所定の領域でのみ覆い、そのため、半導体チップ２のビーム出射面のかなりの割合はビーム変換素子によって覆われないままである。図１Ｅに示される実施例では、ビーム出射面は、完全にもしくは実質的に完全にビーム変換素子３によって覆われている。この目的のために、ビーム変換素子は、単純な、例えば矩形の形態を有することができる。
図４では、特定の材料系を用いてどの発光波長が達成できるかが示されている。直線９０５および９０６は、ここではガリウムヒ素もしくはリン化インジウムの格子定数を示している。ここからは、ガリウムヒ素の格子定数を用いても、１０００ｎｍ以上１７００ｎｍ以下のスペクトル範囲の発光を容易に達成できないことが明らかである。ＩｎＮ、ＧａＮ、およびＡｌＮのコーナーポイントを有する窒化物半導体の材料系９９０は、その他の図示の材料系とは異なって、閃亜鉛鉱構造部ではなく、ウルツ鉱構造部で成長し、それゆえ、その他の図示の材料系と容易に組み合わせることはできない。
ただし、ＩｎＰの格子定数を用いれば、１０００ｎｍ以上１７００ｎｍ以下のスペクトル範囲を達成することができる。このことは、２本の直線９０７の間の矢印９０８に基づいて示されている。
図５Ａには、それぞれＧａＡｓ基板上に堆積された様々な発光ダイオードについての放射されたビームの強度の測定値が示されている。ピーク波長が９５０ｎｍ～１０００ｎｍのビームは効率的に生成することができるのに対して、ピーク波長が１０００ｎｍを超える比較サンプルについては強度が大幅に低下している。つまり、１０００ｎｍを超えるピーク波長のビームの直接の生成については、この材料系は、条件付きでのみ適している。
図５Ｂには、様々な２つの動作電流における発光ダイオードについての強度の測定値が、波長に依存して示されている。この発光ダイオードについては、いくつかの量子層での活性領域において層厚さが拡大している。これにより、約１５ｎｍ相互に離間された２つの発光帯が生じる。このことは、結果として拡幅された発光スペクトルを生じさせる。この手順は、記載のビーム変換素子の量子構造部や他の発光波長にも移行可能であり、これにより、二次ビームのより拡幅された発光スペクトルが達成可能である（図３Ｃ参照）。
図５Ｃには、トンネル接合部を介して相互に電気的に接続された２つの活性領域がそれぞれ堆積されている２つの基板についての電気光学的測定値が示されている。特性曲線９１０は、第１の活性領域が、８１０ｎｍでの発光のための量子層と、１０２０ｎｍでの発光のための量子層とを有する構造部に基づいている。第２の活性領域は、８５０ｎｍでの発光のための量子層と、９４０ｎｍでの発光のための量子層とを有している。この手順は、記載のビーム変換素子の量子構造部や他の発光波長にも移行可能であり、これにより、相互に離間された個々の発光帯を有する二次ビームの発光スペクトルが達成可能である（図３Ｄ参照）。
特性曲線９２０は、８１０ｎｍおよび８５０ｎｍでの発光帯のいくつかの量子層が、所期のようにより厚い層厚さで形成された修正構造部に基づいている。これにより、付加的な発光がやや長い波長で生じる。つまり、このスペクトルは、個々の発光帯を有しており、ここでは、発光ピークが部分的に所期のように拡幅されている。
総じて、図５Ｂおよび図５Ｃの測定結果は、量子構造部の発光スペクトルの設計における高い融通性を裏付けている。
図６Ａ～図６Ｃには、ビーム変換素子を製造するための方法についての実施例が記載されている。基板３５上には、図６Ｂに示されるように、量子構造部３０を有する半導体積層体３００がエピタキシャルに堆積される。その後、複数のビーム変換素子３への個別化が行われる。この個別化は、例えば、機械的に、例えば鋸引きによって、または化学的に、例えばエッチングによって、あるいはレーザー切断を用いて行われる。
個別化の前もしくはその最中に、製造すべきビーム変換素子のための凹部を実現することもできる。それにより、矩形の断面を有していないビーム変換素子を簡単なやり方で製造することができる（図１Ｂに示されるビーム変換素子３と凹部３９との比較参照）。
そのようにして製造されたビーム変換素子は、その他の点では、先の図面に関連して説明されたように構成されてもよく、それゆえ、ここではより詳細には説明しない。
個別化されたビーム変換素子３は、その後、半導体部品の製造のために半導体チップ上に載置され、これに固定され得る。
これにより、ビーム変換素子３のための基板３５のサイズは、半導体チップの製造が行われる基板のサイズには依存しない。そのため、例えば、半導体チップの製造が６インチ基板のプロセスに基づいて行われる場合であっても、費用効果のより高い４インチ基板をビーム変換素子のために使用することができる。
図７Ａ～図７Ｃに示される実施例は、基板３５が、量子構造部３０の堆積後（図７Ａ）に、例えば研磨などの機械的な方法（図７Ｂ）によって薄くなるという点で、図６Ａ～図６Ｃに関連して説明される実施例とは異なる。その後、個別化が行われる（図７Ｃ）。これにより、ビーム変換素子３に残留する基板の厚さを低減することができる。基板の厚さが少ないほど、ビーム変換素子から側方に出射するビームの割合を一層低減することができる。
例えば、ビーム変換素子は、薄膜化後、最大で２００μｍの厚さを有する。
図８Ａ～図８Ｄには、元の基板によって覆われないビーム変換素子３を製造することができる方法が記載されている。この目的のために、基板３５と量子構造部３０との間に、犠牲層３７が配置されている（図８Ｂ）。この犠牲層は、その後、例えば、選択的エッチング手法によって除去することができる。そのため、量子構造部３０および基板３５は、相互に分離される（図８Ｃ）。
この量子構造部および基板の分離は、好適には、個別化の前に行われ（図８Ｄ）、そのため、基板３５は、さらなる製造サイクルにおいて半導体積層体の堆積のために改めて使用することができる。比較的コストのかかる成長基板のこの再利用によって、ビーム変換素子のための製造コストをさらに低減することができる。さらに、特に薄いビーム変換素子が製造可能である。
図９Ａから図９Ｄに記載された実施例では、基板３５は分離核３８を有する。これらの分離核は、例えば、イオン注入によって基板に導入することができる。例えば、水素イオンの注入が適している。
このことは、量子構造部３０（図９Ｂ）のための半導体積層体が堆積される前に既に行うことができる。これとは異なって、最初に量子構造部３０を堆積させ、それに続いて分離核３８を形成することも考えられる。
この分離核３８に沿って、基板３５は、例えば熱ブラストによって、分割することができる（図９Ｃ）。これによって、基板の分離部分３５１が生じる。
最終的に、個別化は、前述の実施例において説明したように行うことができる（図９Ｄ）。
分離部分３５１は、場合によっては、図８Ａ～図８Ｄに関連して説明したように、基板の表面が準備された後に再び使用することができる。
説明してきた半導体部品１および説明してきた製造方法を用いることにより、赤外線スペクトル範囲、特に１０００ｎｍ以上１７００ｎｍ以下の範囲のビームを、特に効率的なやり方で生成することができる。発光スペクトルは、特に量子構造部の量子層に対する材料組成と層厚さとを選択することによって、半導体部品の各用途に簡単に適合化させることができる。
例えば、半導体部品は、例えば水分もしくは湿度検出などの分析用途のための光源として適している。二次ビームは、半導体部品の発光スペクトルを単独で形成してもよいし、一次ビームに対して付加的に存在していてもよい。
さらに、特に、薄膜半導体チップとして形成された半導体チップ２に関連して、半導体部品の前面側において優勢なビーム発光を達成することができ、そのため、空間ビーム特性が下流の光学素子を介して簡略的に形成可能である。
この目的のために、ＧａＡｓ成長基板が除去される薄膜技術を用いることができる。
本特許出願は、独国特許出願第１０２０１９１１５３５１．４号の優先権を主張するものであり、これによって、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、実施例に基づく説明により限定されるものではない。むしろ、本発明は、任意の新しい特徴だけでなく、あらゆる新規の特徴ならびにこれらの特徴のあらゆる組み合わせを包含し、これは、特に、それらの特徴もしくはそれらの組み合わせ自体が特許請求の範囲もしくは実施例において明示的に示されていなくても、特許請求の範囲における特徴のあらゆる組み合わせを含んでいる。
１ 半導体部品
１０ 前面
２ 半導体チップ
２０ 活性領域
２００ ビーム出射面
２１ 第１の半導体層
２２ 第２の半導体層
２５ ミラー層
２６ 接続層
２７ 側面
２９ 支持体
３ ビーム変換素子
３０ 量子構造部
３００ 半導体積層体
３１ 量子層
３２ バリア層
３５ 基板
３５１ 分離部分
３７ 犠牲層
３８ 分離核
３９ 凹部
４ 接着層
４５ 接点
４６ さらなる接点
５ 一次ビーム
５１ 励起
６ 二次ビーム
９０１ 特性曲線
９０１１ 極大値
９０１２ 極大値
９０２ 特性曲線
９０２１ 極大値
９０２２ 極大値
９０２３ 極大値
９０５ 直線
９０６ 直線
９０７ 直線
９０８ 矢印
９１０ 特性曲線
９２０ 特性曲線
９９０ 窒化物半導体の材料系
１０ 前面
２ 半導体チップ
２０ 活性領域
２００ ビーム出射面
２１ 第１の半導体層
２２ 第２の半導体層
２５ ミラー層
２６ 接続層
２７ 側面
２９ 支持体
３ ビーム変換素子
３０ 量子構造部
３００ 半導体積層体
３１ 量子層
３２ バリア層
３５ 基板
３５１ 分離部分
３７ 犠牲層
３８ 分離核
３９ 凹部
４ 接着層
４５ 接点
４６ さらなる接点
５ 一次ビーム
５１ 励起
６ 二次ビーム
９０１ 特性曲線
９０１１ 極大値
９０１２ 極大値
９０２ 特性曲線
９０２１ 極大値
９０２２ 極大値
９０２３ 極大値
９０５ 直線
９０６ 直線
９０７ 直線
９０８ 矢印
９１０ 特性曲線
９２０ 特性曲線
９９０ 窒化物半導体の材料系
Claims (15)
- 半導体チップ（２）と、該半導体チップ上に配置されたビーム変換素子（３）とを備えた半導体部品（１）であって、
前記半導体チップは、ピーク波長を有する一次ビーム（５）を生成するために設けられた活性領域（２０）を有し、
前記ビーム変換素子は、量子構造部（３０）を有し、
前記量子構造部は、バリア層（３２）によって相互に分離された複数の量子層（３１）を有し、
前記一次ビームの前記ピーク波長は、赤外線スペクトル範囲内にあり、
前記量子構造部は、前記一次ビームを少なくとも部分的に二次ビーム（６）に変換し、前記二次ビームの発光極大値の発光波長は、１０００ｎｍ以上１７００ｎｍ以下の範囲であり、前記ピーク波長よりも大きい、半導体部品（１）。 - 前記バリア層（３２）は、前記ピーク波長を有する前記一次ビームのエネルギーよりも大きいバンドギャップを有する、請求項１記載の半導体部品。
- 前記量子構造部は、前記量子構造部のバンドギャップに関して相互に異なる少なくとも２つの量子層を有する、請求項１または２記載の半導体部品。
- 前記量子構造部は、ＩｎＰの格子定数を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体部品。
- 前記量子構造部は、以下の材料系のグループ、すなわち、Ｇａｘ Ｉｎ１－ｘ Ａｓｙ Ｐ１－ｙ、Ｉｎｘ Ｇａ１－ｘ Ａｓｙ Ｓｂ１－ｙ、Ｉｎｘ Ｇａ１－ｘ Ａｓ、Ｉｎｘ Ｇａ１－ｘ Ｐｙ Ｓｂ１－ｙ、Ｉｎｘ Ａｌ１－ｘ Ｐｙ Ｓｂ１－ｙからの少なくとも１つの材料を有し、ただし、前記ｘおよび前記ｙは、それぞれ、前記材料の格子定数がＩｎＰの格子定数に対応するように選択される、請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体部品。
- 前記ビーム変換素子は、前記半導体部品の平面図で見て、前記半導体チップの前記活性領域の最大８０％を覆っている、請求項１から５までのいずれか１項記載の半導体部品。
- 前記ビーム変換素子は、前記半導体部品の平面図で見て、前記半導体チップの前記活性領域の少なくとも９０％を覆っている、請求項１から５までのいずれか１項記載の半導体部品。
- 前記ビーム変換素子は、最大２００μｍの厚さを有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の半導体部品。
- 前記半導体チップは、支持体（２９）を有し、前記活性領域と前記支持体との間にミラー層（２５）が配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の半導体部品。
- 請求項１から９までのいずれか１項記載の半導体部品を製造するための方法であって、
ａ）量子構造部（３０）を有する半導体積層体（３００）を、基板（３５）上に堆積させるステップと、
ｂ）前記半導体積層体を、複数のビーム変換素子（３）に個別化するステップと、
ｃ）個別化された前記ビーム変換素子（３）を、接着剤（４）を用いて前記半導体チップ（２）上に取り付けるステップとを含む、方法。 - 前記基板を、少なくとも部分的に前記量子構造部から除去する、請求項１０記載の方法。
- 前記量子構造部（３０）と前記基板（３５）の堆積面との間に位置する犠牲層（３７）が除去される、請求項１１記載の方法。
- 分離核（３８）が前記基板に導入され、前記分離核に沿って前記基板の一部が分離される、請求項１１記載の方法。
- 前記基板の少なくとも一部は、前記方法のさらなる製造サイクルにおいて前記ステップａ）のために再利用される、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の方法。
- 前記基板は、前記ステップｂ）の前に薄膜化される、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の方法。
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