TWI464900B - 光電半導體裝置 - Google Patents

Description

光電半導體裝置

本發明係關於一種半導體光電元件，尤其關於一種半導體光電元件之電極結構。

傳統發光二極體存在著電流密度分佈不均的現象，稱之為電流擁塞(Current Crowding)。電流擁塞常常會造成元件局部熱累積，同時使得發光效率減低，情況嚴重者甚至還可能造成元件損壞。

發光二極體之電極結構設計(layout)主要是為了解決電流擁塞現象，增加電流注入半導體層的均勻性。主要考慮的結構參數包括p型電極與n型電極之間的距離以及打線墊(pad)與延伸線路(finger)的擺設位置。然而，隨著發光二極體的操作功率的增高，造成晶片尺寸的加大，使得在延伸線路末端的電流傳遞明顯受到電阻累積的影響而常發生注入不均勻的結果。

目前有些設計係將p型與n型電極做在晶片的上下兩端，即所謂的垂直型晶片。但此法須要將磊晶基板去除使原本連接基板之第一電性層曝露出，以於此表面形成第一電極。另須在原本磊晶結構表面之第二電性層之上形成反射層、第二電極、與永久基板，製程頗為繁複致使良率不易維持與製程成本偏高。

一種半導體光電元件，包含：一基板；一半導體系統，包含一主動層形成於基板之上；及一電極結構，形成於半導體系統之上，此電極結構包含：一第一電性接觸區或第一電性打線墊，一第二電性打線墊，一第一電性延伸線路，及一第二電性延伸線路，其中第一電性延伸線路與第二電性延伸線路以立體跨接方式交錯，且部分第一電性延伸線路與第一電性接觸區或第一型打線墊位在主動層之相異兩側。

本發明乃利用立體交錯之方法，使得發光二極體結構中兩種不同電性之電極結構(包含打線墊與延伸線路)更有設計上的彈性空間，並且兼顧製程穩定性高與成本低的好處。

以下配合圖式說明本發明之實施例。

請參考第一圖，係依本發明設計第一實施例之一種半導體光電元件其電極結構之上視圖，包括至少一個p型打線墊101、多條p型延伸線路102、多個n型接觸區103、多條n型延伸線路104、及至少一個n型打線墊105。其中p型延伸線路102形成多個封閉對稱形狀，且有至少一個p型打線墊101形成在p型延伸線路之上。而n型接觸區103則設置在上述封閉對稱形狀之中，並以多條n型延伸線路104互相電性連接。此外，p型延伸線路102與n型延伸線路104分別電性連接至p型打線墊101與n型打線墊105。在本實施例中，p型延伸線路102與n型延伸線路104交會之立體跨接處106(steric crossover)，以絕緣層分隔，形成立體交錯設計。其中上述電極結構材料可選自：鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、鋁(Al)、或銀(Ag)等金屬材料。

以下以製程流程配合第一圖、第二A圖與第二B圖說明本發明第一實施例製作方法：半導體光電元件包含一個形成於基板201上之半導體系統及形成在半導體系統之上之電極結構。半導體系統係包含可以進行或誘發光電能轉換之半導體元件、裝置、產品、電路、或應用。具體而言，半導體系統係包含發光二極體(light-emitting diode；LED)、雷射二極體(laser diode；LD)、太陽能電池(solar cell)、有機發光二極體(organic light-emitting diode)中至少其一。於本說明書中「半導體系統」一詞並非限制該系統內所有次系統或單元皆以半導體材料製成，其他非半導體材料，例如：金屬、氧化物、絕緣體等皆可選擇性地整合於此半導體系統之中。

於本發明之第一實施例中，半導體系統最少包含一第一電性層202、一主動層(active layer)203、以及一第二電性層204。第一電性層202及一第二電性層204係彼此中至少二個部分之電性、極性或摻雜物相異、或者係分別用以提供電子與電洞之材料單層或多層(「多層」係指二層或二層以上，以下同。)若第一電性層202及一第二電性層204係由半導導體材料構成，則其電性選擇可以為p型、n型、及i型中至少任意二者之組合。主動層203係位於第一電性層202及第二電性層204之間，為電能與光能可能發生轉換或被誘發轉換之區域。電能轉變或誘發光能者係如發光二極體、有機發光二極體；光能轉變或誘發電能者係如太陽能電池、光電二極體。

以發光二極體而言，轉換後光之發光頻譜可以藉由改變半導體系統中一層或多層之物理或化學配置進行調整。常用之材料係如磷化鋁鎵銦(AlGaInP)系列、氮化鋁鎵銦(AlGaInN)系列、氧化鋅(ZnO)系列，半導體系統並包含一種或一種以上之物質選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及矽(Si)所構成群組。主動層203之結構係如：單異質結構(single heterostructure；SH)、雙異質結構(double heterostructure；DH)、雙側雙異質結構(double-side double heterostructure；DDH)、或多層量子井(multi-quantum well；MQW)。再者，調整量子井之對數亦可以改變發光波長。

基板201係用以成長或承載半導體系統，適用之材料係包含但不限於鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、銦化磷(InP)、藍寶石(sapphire)、碳化矽(SiC)、矽(Si)、鋁酸鋰(LiAlO₂ )、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、玻璃、複合材料(composite)、鑽石、CVD鑽石、與類鑽碳(diamond-like carbon；DLC)等。

基板201與半導體系統之間更可選擇性地包含一過渡層(未顯示)。過渡層係介於二種材料系統之間，使基板之材料系統”過渡”至半導體系統之材料系統。對發光二極體之結構而言，一方面，過渡層係例如緩衝層(buffer layer)等用以降低二種材料間晶格不匹配之材料層。另一方面，過渡層亦可以是用以結合二種材料或二個分離結構之單層、多層或結構，其可選用之材料係如：有機材料、無機材料、金屬、及半導體等；其可選用之結構係如：反射層、導熱層、導電層、歐姆接觸(ohmic contact)層、抗形變層、應力釋放(stress release)層、應力調整(stress adjustment)層、接合(bonding)層、波長轉換層、及機械固定構造等。

第二電性層204上更可選擇性地形成一接觸層(未顯示)。接觸層係設置於第二電性層204遠離主動層203之一側。具體而言，接觸層可以為光學層、電學層、或其二者之組合。光學層係可以改變來自於或進入主動層203的電磁輻射或光線。在此所稱之「改變」係指改變電磁輻射或光之至少一種光學特性，前述特性係包含但不限於頻率、波長、強度、通量、效率、色溫、演色性(rendering index)、光場(light field)、及可視角(angle of view)。電學層係可以使得接觸層之任一組相對側間之電壓、電阻、電流、電容中至少其一之數值、密度、分布發生變化或有發生變化之趨勢。接觸層之構成材料係包含氧化物、導電氧化物、透明氧化物、具有50%或以上穿透率之氧化物、金屬、相對透光金屬、具有50%或以上穿透率之金屬、有機質、無機質、螢光物、磷光物、陶瓷、半導體、摻雜之半導體、及無摻雜之半導體中至少其一。於某些應用中，接觸層之材料係為氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化銦鋅、氧化鋅鋁、與氧化鋅錫中至少其一。若為相對透光金屬，其厚度係約為0.005μm~0.6μm。

蝕刻上述第二電性層204與主動層203至暴露出部份不連續之第一電性層202。然後在第二電性層上特定區域鋪蓋絕緣層205，以避免隨後要形成之n型接觸區直接與第二電性層204與主動層203接觸而造成電性短路。之後依電極結構設計，利用黃光法定義出n型接觸區208、p型延伸線路206與p型打線墊(未顯示)之位置，使用蒸鍍或電鍍方式使金屬覆蓋於上述定義區域，形成n型接觸區208、p型延伸線路206與p型打線墊(未顯示)。

接著利用高介電材料，例如：SiO_x 、SiN_x 、Al₂ O₃ 、TiO_x 等無機氧化物或有機介電材料覆蓋絕緣層於整個元件表面後，再利用黃光、蝕刻等製程暴露出已經形成之n型接觸區208與p型打線墊(未顯示)。最後使用黃光製程定義出n型打線墊208及n型延伸線路207之位置，再使用蒸鍍或電鍍方式使金屬覆蓋於上述定義之區域，形成n型打線墊208及n型延伸線路207，完成本發明所謂具有立體交錯形式之電極結構。

第二A圖係本發明第一實施例之半導體光電元件之電極結構於圖一之p型延伸線路102與n型延伸線路104之一交會跨接處A-A’之剖面圖。p型延伸線路206形成於第二電性層204之上，一絕緣層205形成於p型延伸線路206與第二電性層204之上，最後再形成一n型延伸線路207於絕緣層205之上，與p型延伸線路206電性隔絕，而形成立體交錯形式。

第二B圖係本發明第一實施例之半導體光電元件之電極結構於n型接觸區B-B’之剖面圖。形成一絕緣層205包圍上述第二電性層204與主動層203之後，形成一n型延伸線路207於絕緣層205之上與第二電性層204電性隔絕後，再以金屬形成一n型接觸區208。其中n型接觸區208之金屬直接接觸第一電性層202，而n型延伸線路207則形成在主動層203之上方。

第三圖與第四圖係顯示依本發明設計第二與第三實施例之一種半導體光電元件其電極結構之上視圖：包括至少一個p型打線墊301、401；多條p型延伸線路302、402；多個n型接觸區303、403；多條n型延伸線路304、404；及至少一個n型打線墊305、405。其中p型延伸線路形成多個封閉對稱形狀，而n型接觸區則設置在上述封閉對稱形狀之中，並以多條n型延伸線路互相電性連接；此外，p型延伸線路與n型延伸線路分別電連接至p型打線墊與n型打線墊。在本設計中，p型延伸線路與n型延伸線路交會之立體跨接處(steric crossover)，以絕緣層分隔，形成立體交錯設計。

第五圖與第六圖係顯示本發明電極結構之另一種實施方式。第五圖係顯示依本發明設計第四實施例之一種半導體光電元件其電極結構之上視圖，包括至少一個p型打線墊501、多條p型延伸線路502、多條n型延伸線路503、至少一個n型打線墊504及多個絕緣層505。

p型延伸線路502形成多個封閉形狀，包含多條直向p型延伸線路5021、及多條橫向p型延伸線路5022。多條直向n型延伸線路5031與橫向n型延伸線路5032則設置在上述p型延伸線路中，其中部份直向p型延伸線路5021與n型延伸線路5032形成立體交錯跨接。至少一個p型打線墊501形成在直向p型延伸線路5021與橫向p型延伸線路5022交會處。

在本實施例中，直向n型延伸線路5031與橫向n型延伸線路5032皆以形成溝渠(圖式包圍n型延伸線路之方框)之方式，蝕刻第二電性層與主動層至暴露出部份第一電性層而與第一電性層電性連接，詳細實施方式與上述第一實施例相同，不再贅述。

在橫向n型延伸線路5032之溝渠形成後，於直向p型延伸線路5021與橫向n型延伸線路5032欲交錯跨接之區域覆蓋絕緣層505，再形成直向p型延伸線路5021於上述絕緣層505上，以形成兩不同電性電極的立體跨接。

至少一個n型打線墊504設置在直向n型延伸線路5031與橫向n型延伸線路5032之交錯區域，其形成係藉由絕緣層505覆蓋n型延伸線路溝渠區，而以導線(未顯示)電連接n型延伸線路至絕緣層之上，形成n型打線墊504於主動層之上。

第六圖係顯示依本發明設計第五實施例之一種半導體光電元件其電極結構之上視圖，包括至少一個p型打線墊601、多條p型延伸線路602、多條n型延伸線路603、至少一個n型打線墊604及至少一個橫向絕緣層605。

p型延伸線路602形成多個封閉形狀，包含多條直向p型延伸線路6021、及多條橫向p型延伸線路6022。多條直向n型延伸線路6031與橫向n型延伸線路6032則設置在上述p型延伸線路中，其中部份直向p型延伸線路6021與n型延伸線路6032形成立體交錯跨接。至少一個p型打線墊601形成在直向p型延伸線路6021與橫向p型延伸線路6022交會處。

在本實施例中，直向之n型延伸線路6031以形成溝渠(圖式包圍n型延伸線路之方框)之方式，蝕刻第二電性層與主動層至暴露出部份第一電性層而與第一電性層電性連接，詳細實施方式與以上述第一實施例相同，不再贅述。

在形成直向n型延伸線路6031之溝渠後，形成一橫向絕緣層605，可隔絕直向p型延伸電路6021與之後形成之橫向n型延伸電路6032。再形成一橫向n型延伸線路6032電性連接直向n型延伸線路6031。其中橫向n型延伸線路6032與直向p型延伸線路6021交錯之區域，藉由上述橫向絕緣層605形成兩不同電性電極的立體跨接。

至少一個n型打線墊604設置在直向n型延伸線路6031與橫向n型延伸線路6032之交錯區域，直接與橫向n型延伸線路6032電性連接，不需形成溝渠，可直接暴露出而與其他打線連接。但n型打線墊604也可設置於溝渠區中，直接電性連接第一電性層及其他打線。

此外，本發明之半導體光電元件更可以進一步地與其他元件組合連接以形成一發光裝置(light-emitting apparatus)。此發光裝置包含一具有至少一電路之次載體(sub-mount)；至少一焊料(solder)位於上述次載體上，藉由此焊料將半導體光電元件黏結固定於次載體上並使半導體光電元件之基板與次載體上之電路形成電連接；以及，一電性連接結構，以電性連接半導體光電元件之電極結構與次載體上之電路；其中，上述之次載體可以是導線架(lead frame)或大尺寸鑲嵌基底(mounting substrate)，以方便發光裝置之電路規劃並提高其散熱效果。

本發明之電極結構較習用設計有更多優點，例如：p型延伸線路與n型延伸線路，不再需要受到彼此保持某個距離範圍的原則限制，而是可讓第二電性延伸線路獨自佈置成半封閉或封閉圖案。而第一電性延伸線路則採取在封閉圖形中心點與第二電性層表面有跳躍式接觸的方式進行佈局。此種電極結構將電流的分布區隔成數個次單元(半封閉或封閉圖案)並以幾何對稱的概念將電流均勻注入發光二極體。因此，本發明的電極結構可以在晶片尺寸大幅增加時而簡單地利用增加次單元的數目而完成。

此外，本發明將部分n型延伸線路與n型接觸區或n型打線墊設置在主動層相異兩側，而與p型延伸線路做立體跨接，不須要像習知方式挖除過多的半導體面積，可以減少半導體光電元件的可用面積因設計上的損失進而提升發光效率。

以上各圖式與說明雖僅分別對應特定實施例，然而，各個實施例中所說明或揭露之元件、實施方式、設計準則、及技術原理除在彼此顯相衝突、矛盾、或難以共同實施之外，吾人當可依其所需任意參照、交換、搭配、協調、或合併。

雖然本發明已說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍、實施順序、或使用之材料與製程方法。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之精神與範圍。

101、301、401、501、601．．．p型打線墊

102、206、302、402、502、602．．．p型延伸線路

103、208、303、403．．．n型接觸區

104、207、304、404、503．．．n型延伸線路

105、305、405、504、604．．．n型打線墊

201．．．基板

202．．．第一電性層

203．．．主動層

204．．．第二電性層

205、505．．．絕緣層

5021、6021．．．直向p型延伸線路

5022、6022．．．橫向p型延伸線路

5031、6031．．．直向n型延伸線路

605．．．橫向絕緣層

5032、6032．．．橫向n型延伸線路

根據以上所述之較佳實施例，並配合所附圖式說明，讀者當能對本發明之目的、特徵和優點有更深入的理解。但值得注意的是，為了清楚描述起見，本說明書所附之圖式並未按照比例尺加以繪示。

圖式簡單說明如下：

第一圖係依本發明設計第一實施例之一種半導體光電元件其電極結構之上視圖；

第二A圖係本發明第一實施例之半導體光電元件電極結構於p型延伸線路與n型延伸線路交會跨接處A-A’之剖面圖；

第二B圖係本發明第一實施例之半導體光電元件電極結構於n型接觸區B-B’之剖面圖；

第三圖係依本發明設計第二實施例之一種半導體光電元件其電極結構之上視圖；

第四圖係依本發明設計第三實施例之一種半導體光電元件其電極結構之上視圖；

第五圖係依本發明設計第四實施例之一種半導體光電元件其電極結構之上視圖；

第六圖依本發明設計第五實施例之一種半導體光電元件其電極結構之上視圖。

101．．．p型打線墊

102．．．p型延伸線路

103．．．n型接觸區

104．．．n型延伸線路

105．．．n型打線墊

Claims (20)

1. 一種半導體光電元件，包含：一基板；一半導體系統形成於該基板之上，包含一主動層；及一電極結構，形成於該半導體系統之上，該電極結構包含：一第一電性接觸區及第一電性打線墊至少其一；一第二電性打線墊；一第一電性延伸線路；及一第二電性延伸線路，其中該第一電性延伸線路與該第二電性延伸線路以立體跨接方式交錯，且該第一電性延伸線路與該第二電性延伸線路位在該主動層之上，用以將電流均勻注入該半導體系統。
2. 如專利申請範圍第1項所述之半導體光電元件，其中該半導體系統更包含一第一電性層及一第二電性層。
3. 如專利申請範圍第2項所述之半導體光電元件，其中該第一電性延伸線路電性連接該第一電性接觸區或該第一電性打線墊，且該第二電性延伸線路電性連接該第二電性打線墊。
4. 如專利申請範圍第1項所述之半導體光電元件，其中該第二電性延伸線路形成一封閉之對稱幾何結構。
5. 如專利申請範圍第4項所述之半導體光電元件，其中該 封閉之對稱幾何結構包括：三角形、四邊形、菱形、六角形或八角形。
6. 如專利申請範圍第4項所述之半導體光電元件，其中該第一電性接觸區或該第一電性打線墊形成於該第二電性延伸線路形成之對稱幾何結構之中央。
7. 如專利申請範圍第1項所述之半導體光電元件，其中該第一電性打線墊或該第一電性接觸區形成於至少兩條該第一電性延伸線路交會處。
8. 如專利申請範圍第4項所述之半導體光電元件，其中該第二電性打線墊形成於該第二電性延伸線路形成之對稱幾何結構之上。
9. 如專利申請範圍第2項所述之半導體光電元件，其中該第二電性延伸線路形成於該第二電性層之上，並與該第二電性層電性連接。
10. 如專利申請範圍第2項所述之半導體光電元件，更包括一絕緣層形成於該第二電性層之上。
11. 如專利申請範圍第10項所述之半導體光電元件，其中該第一電性延伸線路形成於該絕緣層之上。
12. 如專利申請範圍第2項所述之半導體光電元件，其中該第一電性接觸區與該第一電性層直接接觸且與該第一電性層電性連接。
13. 如專利申請範圍第10項所述之半導體光電元件，其中 該絕緣層形成於該第一電性延伸線路與該第二電性延伸線路之交會處。
14. 如專利申請範圍第10項所述之半導體光電元件，其中該第一電性延伸線路包含一直向第一電性延伸線路與一橫向第一電性延伸線路且該橫向第一電性延伸線路之下覆蓋一橫向絕緣層。
15. 如專利申請範圍第2項所述之半導體光電元件，更包含一導線電性連接該第一電性層與形成於該主動層上側之該第一電性打線墊。
16. 如專利申請範圍第1項所述之半導體光電元件，其中該電極結構材料可選自包含一種或一種以上之物質選自鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、鋁(Al)、及銀(Ag)等金屬材料。
17. 如專利申請範圍第10項所述之半導體光電元件，其中該絕緣層材料包含一種或一種以上之物質選自SiO_x 、SiN_x 、Al₂ O₃ 、TiO_x 等無機氧化物及有機介電材料。
18. 如專利申請範圍第1項所述之半導體光電元件，其中該半導體系統之材料包含一種或一種以上之物質選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及矽(Si)所構成群組。
19. 如專利申請範圍第1項所述之半導體光電元件，其中該半導體系統係包含發光二極體(light-emitting diode； LED)、雷射二極體(laser diode；LD)、太陽能電池(solar cell)、有機發光二極體(organic light-emitting diode)中至少其一。
20. 如專利申請範圍第1項所述之半導體光電元件，其中該第一電性打線墊為一n型打線墊且該第二電性打線墊為一p型打線墊。