TWI389287B

TWI389287B - 具有用於靜電放電保護之積體快速切換二極體之發光二極體晶片

Info

Publication number: TWI389287B
Application number: TW094116731A
Authority: TW
Inventors: 錢德巴特傑絡墨
Original assignee: 飛利浦露明光學公司
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2013-03-11
Also published as: EP1601019A3; TW200614486A; JP5015433B2; US7064353B2; EP1601019A2; US20050274956A1; JP2005340849A; EP1601019B1

Description

具有用於靜電放電保護之積體快速切換二極體之發光二極體晶片

本發明係關於發光二極體(LED)，且尤其係關於用於LED晶片之靜電放電(ESD)保護。

假若用於LED晶片之ESD保護為已熟知的且為常見的。LED，尤其是基於氮化鎵之LED特別容易受到由一跨越其陽極與陰極之反向偏壓所產生之損害。正常環境中之ESD電壓可超過10,000伏特。

圖1至圖3中說明一用於提供用於一LED晶片之ESD保護之方法的一實例，其於美國專利第6,547,249號中得到描述，且被頒予至本發明者及其他人。此專利以引用的方式併入本文中。圖1說明以一反平行組態進行連接之形成於相同半導體晶片上之兩個二極體。在正常操作中對LED 10施加正向偏壓且使LED 10發光。一旦將一反向偏壓施加至LED 10之端子，ESD保護二極體12即導電以自LED 10分路電流且將整個LED 10上之反向偏壓箝位至整個二極體12上之電壓降落。

圖2及圖3分別為'249專利中所述之一單片ESD保護電路之一實施例40的一俯視圖及一截面圖。

二極體結構A及B形成於一高電阻性之基板20上。將一結構A作為一LED連接以產生光，而另一結構B用以箝位LED A中之反向崩潰。P型層41a及41b覆蓋形成於n型層42a及42b上之作用區域49a及49b。一渠溝43形成於裝置A與裝置B之間。n型層42a及42b上之建立接觸之突出部分為曝露的，因此n電極45a及45b位於渠溝43之相對側上。除了為層間互連件或為此等區域之接點(如p接點或n接點)所製造之開口處之外，一介電層47使電鍍金屬層46a與所有電接點電絕緣。P電極44a及n電極45b由互連件46a連接，因此LED A之p接點連接至箝位裝置B之n接點。在沈積互連46a件之區域中，藉由介電層47使LED A之n接點與互連件46a分離。如圖2中所示，LED A之p接點與箝位裝置B之n接點之間之互連件形成於該裝置之一側上，且LED A之n接點與箝位裝置B之p接點之間之互連件形成於該裝置之另一側上。隨後可藉由焊料凸塊或焊線接合48將該結構連接至一子基板或其它結構(未圖示)。

與將一ESD二極體與欲發光之LED置放在相同的晶片上之作法相關之缺點為該ESD二極體用盡該晶片上之區域，因此減小了發光二極體之可用區域及光輸出。儘管當施加正向偏壓時該ESD二極體可輸出光，但是該光輸出對於其ESD功能係無意義的。另一問題為，必須載運穿過該施加了正向偏壓之ESD二極體之高電流而使其穿過該二極體之串聯電阻。該串聯電阻包括金屬之電阻及形成該ESD二極體的N型及P型材料之體電阻。該串聯電阻於高ESD電流時變得極為重要，因為一相對較高之電壓(V＝IR_s )可在整個串聯電阻上降落。另外，圖1至圖3之該等結構不允許個別地測試發光二極體及ESD二極體之品質及可靠性，因為該等互連件已製造於該晶片上。

本文揭示一經改良之ESD保護電路。一相對較小之ESD保護二極體與一發光二極體形成於相同之晶片上。在一實施例中，該ESD二極體為用一渠溝而與該發光二極體分離之一臺面型二極體。將該ESD二極體製造成遠小於該發光二極體以使其使用較少之區域。

為了減小該ESD二極體之串聯電阻，將該金屬層與該曝露之N型材料之間之接觸區域造長且其實際上擴展了晶片之寬度。描述用於ESD二極體之PN接合面以及N及P金屬接點之各種組態以用於減小該串聯電阻及增加崩潰電壓。

在一實施例中，該發光二極體及ESD二極體並未互連於該晶片上，因此可於封裝之前對其進行個別測試。在封裝、晶片載具或一子基板中，使呈反平行組態之二極體之互連件處於晶片之外部。

可容易地將ESD二極體設計應用於氮化鎵覆晶LED及絲焊的LED。

除了將發光二極體50展示為遠大於ESD保護二極體52之外，圖4為類似於圖1之示意圖。因為對二極體52之光輸出並無需要，所以二極體52之面積可為極小。在一實施例中，ESD二極體之面積小於晶片面積之30%。此允許發光二極體50可利用該晶片之更多區域。

圖5說明ESD二極體52之阻抗組件。PN接合面之阻抗主要由接合電阻R_j 及接合電容C_j 來判定，其中歸因於電容之阻抗由Z＝1/jωCj給出。此阻抗對於一給定之接合面面積很大程度上維持不變量。然而，該二極體之串聯電阻R_s 極大地取決於ESD二極體52之布局。該串聯電阻於高的ESD電流之分路期間變得極為重要，因為一電壓在整個串聯電阻上降至等於V＝IR_s 。此電壓降落必須保持較低以避免損壞發光二極體50。

圖6為併入圖4之LED 50及ESD保護二極體52的一LED晶片之俯視圖。通常，為形成LED晶片，先在基板上方形成N磊晶層，接著在生長作用區域層，接著在作用區域層上方生長P磊晶層。隨後蝕刻頂部層以曝露用於金屬接觸之N型材料之部分。類似於圖3中所示的，藉由一渠溝60使ESD二極體52與LED 50分離。該ESD保護二極體52係藉由接合N型材料56及P型材料58而形成。LED 50係藉由接合覆蓋N型材料62之P型材料64而形成，該接合形成一具有平行於該晶圓表面之表面的較大發光接合面。隨後沈積及蝕刻金屬層以產生對P型及N型層的歐姆接觸。通常，該P接觸金屬為銀，且該N接觸金屬為鋁、鈦、或鈦/金合金。

該等N及P型材料之各者由一金屬層部分66、67、68及69來接觸。該等金屬部分66至69將電流分配於半導體材料之一較大區域之上。金屬互連件70及71使如圖4中所示之二極體50及52互連。一介電層使金屬互連件70及71絕緣於下方之金屬層。該等金屬層經由通道72及73(經由介電層形成)而彼此附著。形成焊線接合墊或焊料凸塊74及75，以用於接合至線或用於直接接合至一子基板。

儘管與LED 50之面積相比，二極體52之面積較小，但是實際上該PN接合面及金屬部分68及69跨越晶片之整個寬度。藉由用金屬部分68及69將PN接合面之一長邊緣沿該PN接合面之幾乎整個長度而接觸，ESD二極體52之串聯電阻R_s 的N體電阻部分之減小程度極其大於具有相同之PN接合面面積但具有一較短接觸邊之二極體之該部分。此允許長及窄之ESD二極體52佔據很小之晶片面積而仍具有一極小之串聯電阻。在另一實施例中，接觸N型材料之金屬層部分跨越了該PN接合面之長度的至少50%。

在一實施例中，該晶片面積為1至4 mm² ，其中該ESD保護二極體包含少於約10%之晶片面積。在一實施例中，該ESD保護二極體具有一在約20,000 um² 至60,000 um² 之間之面積且可為大於約2 kV之反向偏壓放電提供保護。若將該晶片用於諸如汽車應用之富含ESD的環境中，則可增加ESD二極體之尺寸，以使其具有約60,000 um² 至100,000 um² 之面積，且能夠分路遠大於2 kV之放電電壓。由於對低功率輸出發光之需要(諸如對小於1 mm² 之晶片之需要)而減小了晶片之尺寸，故該ESD保護二極體可包含小於30%之晶片面積且為大於約600伏特之反向偏壓放電提供保護。

在較佳實施例中，該ESD二極體52為一縱橫比大於約2：1之臺面型二極體，從而減小該串聯電阻。其它分離方法可用於替代渠溝。舉例而言，可藉由使用離子植入形成槽或井來使用PN接合面分離以絕緣該二極體52。

圖7為形成於相同晶片上之一LED及ESD保護二極體之另一實施例的俯視圖。為進一步減小串聯電阻，圍繞P型材料之大部分周邊(超過75%)而曝露P型材料下方之N型材料且使其與金屬部分80接觸。與圖6中所示之組態相比較，此有效地將該串聯電阻減小50%。圖7進一步展示覆蓋該P型材料之金屬部分82。

圖7與圖6之間之另一差異為，形成該ESD二極體金屬部分及PN接合面而不具有任一銳角轉角；所有轉角皆為圓形。拐角特徵之存在導致產生彼等特徵處之電場集中。藉由使該等拐角變圓來最小化該等拐角處之電場集中，允許經由保護二極體將較大之ESD脈衝放電而不引起該二極體之失效。

為能夠於製造期間完全地測試LED及ESD保護二極體，於晶片製造完成之後將該等二極體互連至該晶片之外部。圖7中之該等圓點83至86表示用於相關之金屬互連的焊料凸塊或焊線接合墊。

圖8為由接觸下方N型材料之一N金屬部分88完全包圍之ESD二極體P型材料的俯視圖。圖8之該組態進一步減小電場集中及串聯電阻。

圖9說明其中ESD二極體N型材料曝露於P型材料之兩側且被金屬部分92及93接觸的另一實施例。如與圖6之組態相比較，此有效地將串聯電阻減小50%。

本文所述之任一裝置可為此類型：其中光向上發射而穿過P型區域，且基板附加至一反射杯及散熱片。導線自晶片之頂部表面延伸至封裝之端子。用於該發光二極體部分之金屬接點可形成相互交叉之指狀物、或為薄帶、或具有孔、或極薄且透明，從而減小金屬所引起之對光線之阻斷。

為消除由該等焊線接合及各種金屬層所引起之對光線之阻斷，該LED可為諸如圖10中所示之覆晶類型。在圖10中，基板98為一諸如SiC或藍寶石之透明基板98。將一SiC或藍寶石基板用作一用於基於GaN之LED的生長基板。光輸出向上輸出而穿過透明基板98。一反射層(例如銀)可沈積於該覆晶之底部上，以朝著該基板向上反射光。LED二極體50及ESD二極體52以一渠溝60而彼此分離。蝕刻磊晶P型層100以曝露用於金屬接觸之下方N型層102。一作用層104展示於N型層與P型層102與100之間，以增強光輸出。可於該ESD二極體52中之N與P型層之間刪除該作用層。

諸如金屬層與高傳導率半導體層之組合的導電材料106提供LED晶片之一平坦接觸表面以用於連接至一子基板110。已於Michael Krames等人之美國專利第6,521,914號中描述了用於形成覆晶之技術，該案以引用的方式併入本文中。子基板110包含一其上形成有金屬接觸墊以用於電接觸LED晶片上之電極的矽晶片及各種互連件，以形成圖4之反平行組態且提供連接至LED封裝之接腳的端子。可將圖7至圖9中所示之焊料凸塊直接連接至子基板110上之金屬接觸墊。該LED封裝一般包含一外殼、一透鏡、端子及其它結構。

雖然已詳細描述了本發明，但熟習此項技術者應瞭解，儘管給定了本發明之揭示，但可不脫離本文所述之發明性概念的精神而對本發明作出修改。因此，並不意欲將本發明之範疇限於所說明及所描述之該等特定實施例的。

10．．．LED發光二級體

12．．．ESD保護二極體

20．．．基板

40．．．單片ESD保護電路之一實施例

41a、41b．．．P型層

42a、42b．．．n型層

43．．．渠溝

44a．．．P電極

45a、45b．．．n電極

46a．．．電鍍金屬層/互連件

47．．．介電層

48．．．焊線接合

49a、49b．．．作用區域

50．．．LED發光二極體

52．．．ESD保護二極體

56、62．．．N型材料

58、64．．．P型材料

60．．．渠溝

66、67、68、69．．．金屬層部分

70、71．．．金屬互連件

72、73．．．通道

74、75．．．焊線接合墊或焊料凸塊

80．．．金屬部分

82．．．金屬部分

83、84、85、86．．．圓點

88．．．N金屬部分

92、93．．．金屬部分

98．．．透明基板

100．．．磊晶P型層

102．．．N型層

104．．．作用層

106．．．導電材料

110．．．子基板

A、B．．．結構

圖1為形成於相同晶片上且以一反平行組態進行連接之一先前技術的發光二極體及一ESD保護二極體之示意圖。

圖2為實施圖1之組態的一LED晶片之俯視圖。

圖3為跨越圖2中之虛線的圖2之結構的截面圖。

圖4為說明與一發光二極體在相同之晶片上之一小ESD保護二極體的本發明之一實施例的示意圖。

圖5為說明該ESD保護二極體及與該ESD保護二極體相關之串聯電阻之阻抗的示意圖。

圖6為圖4之結構之一實施例的俯視圖。

圖7為不具有金屬互連件之圖4之結構之另一實施例的俯視圖。

圖8為不具有金屬互連件之圖4之結構的另一實施例。

圖9為不具有金屬互連件之圖4之結構的另一實施例。

圖10為一可使用本文所述之任一特徵的安裝於一子基板上之簡化覆晶LED及ESD二極體之截面圖。

10．．．LED發光二級體

12．．．ESD保護二極體

Claims

一種發光裝置，其包含：一發光二極體(LED)，其係由半導體材料形成於一基板上，藉由對該LED之端子施加一正向偏壓來發光；一靜電放電(ESD)保護二極體，其係由半導體材料形成於該基板上，該ESD保護二極體以一反並聯(anti-parallel)組態連接至該LED，以用於當一高於一臨限位準之反向偏壓施加至該LED之該等端子時，藉由自該LED分路電流來保護該LED免受損壞，該ESD保護二極體包含形成一PN接合面之N型材料與P型材料之一接合面，其中該PN接合面之一長度為該PN接合面之一寬度的至少兩倍，且其中該ESD保護二極體所佔據之該基板的一面積小於該LED及ESD保護二極體在該基板上所佔據之總面積的30%；及一金屬層部分，其至少沿該PN接合面之該長度的50%而接觸該N型材料，其中形成在相同的該基板上的該LED及該ESD保護二極體並未由形成在該基板上的任何導體電性連結，而係僅藉由該LED及該ESD保護二極體之外的一封裝中的導體連結，以允許在封裝之前的製造期間使該LED與該ESD保護二極體分開測試。
如請求項1之裝置，其中該ESD保護二極體所佔據之該基板的該面積小於該LED及ESD保護二極體在該基板上所佔據之該總面積的10%。
如請求項1之裝置，其中該金屬層部分至少沿該PN接合面之該長度的75%而接觸該N型材料。
如請求項1之裝置，其中接觸該N型材料之該金屬層部分大體包圍該P型材料。
如請求項1之裝置，其中接觸該N型材料之該金屬層部分完全包圍該P型材料。
如請求項1之裝置，其中接觸該N型材料之該金屬層部分於該P型材料之至少兩側上接觸該N型材料。
如請求項1之裝置，其中一作用區域係形成於該PN接合面處。
如請求項1之裝置，其中該LED及該ESD保護二極體係由形成於該LED及ESD保護二極體之表面上的金屬層部分互連。
如請求項1之裝置，其中該LED及該ESD保護二極體係由該LED及該ESD保護二極體外部之一子基板上的導體互連。
如請求項1之裝置，其中該LED及ESD保護二極體之一表面面積小於1 mm² 。
如請求項1之裝置，其中該LED及ESD保護二極體之一表面面積大於1 mm² 。
如請求項1之裝置，其中該ESD保護二極體之一表面面積為20,000至60,000平方微米。
如請求項1之裝置，其中該ESD保護二極體之一表面面積為60,000至100,000平方微米。
如請求項1之裝置，其進一步包含一在該LED與該ESD保護二極體之間的用於分離該LED與該ESD保護二極體之渠溝。
如請求項1之裝置，其中該LED及ESD保護二極體為基於氮化鎵之二極體。
如請求項1之裝置，其中該LED及ESD保護二極體形成一覆晶。
如請求項1之裝置，其中該PN接合面之至少一部分具有修圓角。
一種用於形成一發光裝置之方法，其包含：於一基板上形成一發光二極體(LED)，該LED藉由對該LED之端子施加一正向偏壓來發光；於該基板上形成一靜電放電(ESD)保護二極體，該ESD保護二極體以一反平行組態連接至該LED，以用於當一高於一臨限位準之反向偏壓施加至該LED之該等端子時，藉由自該LED分路電流來保護該LED免受損壞，該ESD保護二極體包含形成一PN接合面之N型材料與P型材料之一接合面，其中該PN接合面之一長度為該PN接合面之一寬度的至少兩倍，且其中該ESD保護二極體所佔據之該基板的一面積小於該LED及ESD保護二極體在該基板上所佔據之總面積的30%；及形成一金屬層部分，其至少沿該PN接合面之該長度的50%而接觸該N型材料，其中形成在相同的該基板上的該LED及該ESD保護二極體並未由形成在該基板上的任何導體電性連結，因此在封裝之前該LED及該ESD保護二極體未電性連接，以允許在封裝之前的製造期間該LED與該ESD保護二極體分開測試；及將形成在相同的該基板上的該LED及該ESD保護二極體安裝於一封裝中，其中該封裝包含電性連接該LED及該ESD保護二極體的導體。
如請求項18之方法，其中該ESD保護二極體所佔據之該基板的該面積小於該LED及ESD保護二極體在該基板上所佔據之該總面積的10%。
如請求項18之方法，其中該金屬層部分至少沿該PN接合面之該長度的75%而接觸該N型材料。