CN101515613B

CN101515613B - 半导体元件

Info

Publication number: CN101515613B
Application number: CN 200810080484
Authority: CN
Inventors: 姚久琳; 陈泽澎; 谢明勋
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2028-02-19
Also published as: CN101515613A

Abstract

本发明公开了一种半导体元件、背光模块装置及照明装置。该半导体元件包含有半导体叠层、电极、与一利用纳米压印技术所形成的导电结构形成于电极与半导体叠层之间，使电流可以透过电极与导电结构，均匀的分散至半导体叠层之中。上述的导电结构具有顶部宽度、底部宽度与高度，且其顶部宽度小于底部宽度或其高度大于底部宽度。

Description

半导体元件

技术领域

本发明涉及一半导体元件，尤其是一种具有导电点结构或导电线结构的发光二极管元件。

背景技术

发光二极管是半导体元件中一种被广泛使用的光源。相较于传统的白炽灯泡或荧光灯管，发光二极管具有省电及使用寿命较长的特性，因此逐渐取代传统光源，而应用于各种领域，如交通信号标志、背光模块、路灯照明、医疗设备等产业。随着发光二极管光源的应用与发展对于亮度的需求越来越高，如何增加其发光效率以提高其亮度，便成为产业界所共同努力的重要方向。

其中，一个有效增加发光二极管元件的功率及光通量的方法为增加管芯的表面积。然而当管芯变大，电流无法从接触电极均匀分散至发光层，若此时接触电极也随着变大以使电流均匀分散，则会产生遮光效应而减少出光面积，以上情形均造成发光二极管的发光效率无法提升。因此如何在不改变接触电极面积之前提下，而能将电流均匀地分散至发光层，提高发光二极管的发光效率，是一个尚待克服的问题。

已知作法是利用半透明的电流分散层(semi-transparent current spreadinglayer)形成于p型半导体层之上，以达成电流分散的功效。电流分散层通常越薄越好，以降低吸光效应，可是电流分散层越薄，却有薄层电阻(sheetresistance)越大的问题。

发明内容

本发明提供一种半导体元件，包含利用纳米压印技术于电极与半导体叠层之间形成导电结构，使得电流可以透过上述导电结构的设计，经由电极均匀分散至半导体叠层。上述导电结构可以是导电点结构或导电线结构的型式，其底部宽度与顶部宽度具有特定比例，或其高度大于其任一宽度，或其任一宽度小于半导体元件的发光波长。更可以进一步于半导体叠层的表面形成粗化结构或周期性凹凸结构。

本发明更提供一种半导体元件，其结构由上而下依序包含：电极、透明电极、导电结构及半导体叠层；或电极、第一透明电极、导电结构、第二透明电极及半导体叠层；或电极、导电结构及半导体叠层。

本发明再提供一种半导体元件，在位于电极与半导体叠层之间的导电结构的侧壁，形成保护层，以加强导电结构的底部支撑力，解决当导电结构的高度与宽度的比值变大或半导体叠层具有粗糙表面时，导电结构容易倾倒的问题。或者，也可以利用导电结构作为掩模，进行蚀刻，使半导体发光叠层形成多个沟道后，填入绝缘保护层，以简化工艺所需的掩模数量，降低成本。

本发明也提供一种半导体元件，包含半导体叠层，具有第一半导体层、有源层与第二半导体层；以及导电结构，形成于第一半导体层或第二半导体层之中。

透过上述各种导电结构的设计，可以使电流经由电极，均匀的分散至半导体叠层，使发光效率提高。

附图说明

图1A为本发明第一实施例的第一步骤。

图1B为本发明第一实施例的第二步骤。

图1C为本发明第一实施例的第三步骤。

图1D为本发明第一实施例的第四步骤。

图1E为本发明第一实施例的第五步骤。

图1F为本发明第一实施例的第六步骤。

图1G为本发明第一实施例的结构剖面图。

图1H为本发明第一实施例的上方透视图。

图2A为本发明第二实施例的结构图。

图2B为本发明第二实施例的上方透视图。

图3A为本发明第三实施例的结构图。

图3B为本发明第四实施例的结构图。

图3C为本发明第五实施例的结构图。

图3D为本发明第六实施例的结构图。

图4A为本发明第七实施例的结构图。

图4B为本发明第八实施例的结构图。

图5为本发明第九实施例的结构图。

图6为本发明第十实施例的结构图。

图7为本发明的背光模块装置。

图8为本发明的照明装置。

图9为本发明的导电点结构的SEM照片。

图10为本发明的导电线结构的SEM照片。

附图标记说明

101暂时基板 102光致抗蚀剂层

103压印模板 104图案化光致抗蚀剂层

105成型光致抗蚀剂层 111基板

112第一半导体层 113有源层

114第二半导体层 115导电点结构

116透明导电层 117第一电极

118第二电极 121导电线结构

122沟槽 131粗糙化结构

132周期性凹凸结构 141第一透明导电层

142第二透明导电层 151保护层

161绝缘保护层 162透明导电层

710光源装置 711半导体元件

720光学装置 730电源供应系统

810光源装置 820电源供应系统

811半导体元件 830控制元件

具体实施方式

本发明利用纳米压印技术，在半导体元件的电极与半导体叠层间形成导电结构，例如为许多导电点或导电线结构，使电流可以从电极经由导电点或导电线等结构设计，均匀分散至半导体叠层。由于纳米压印技术所形成的导电结构宽度相当细小，甚至小于半导体元件的发光波长，所以并不会产生明显的遮光现象，而可以有效提升半导体元件的发光效率。上述的结构，并不局限于任何特定半导体元件，例如可以是发光元件、太阳能光电元件或二极管元件等。基于上述的发明特征提出各种不同的实施例，如下所述。

图1A～1G是本发明第一实施例的工艺步骤示意图。如图1A所示，于暂时基板101上形成光致抗蚀剂层102；另制备具有纳米结构的压印模板103。然后，进行如图1B所示的纳米压印步骤，将原本压印模板103的纳米结构，压印至光致抗蚀剂层102，而形成具有梯型形状的图案化光致抗蚀剂层104。再者，更于基板111上形成半导体叠层，包含第一半导体层112、有源层113与第二半导体层114，并将第二工艺步骤所形成的具有梯型形状的图案化光致抗蚀剂层104，连结于第二半导体层114之上，如图1C所示。接着利用剥离方法，将暂时基板101移除，如图1D所示。然后再利用氧等离子体(O2Plasma)对图案化光致抗蚀剂层104的表面进行蚀刻以移除部分光致抗蚀剂层，形成如图1E所示的倒梯形的成型光致抗蚀剂层105。接着，如图1F所示以溅射(Sputtering)法或电子束沉积(E-beam)法，填入导电材料于成型光致抗蚀剂层105的空隙，再用剥离法将成型光致抗蚀剂层105移除，便可以获得多个上尖下宽而接近三角形的导电点结构115，其实际形状如图9的扫描电子显微镜(SEM)照片所示。上述的导电点结构115具有与第二半导体层114所接触的底部宽度W1、顶部宽度W2位于底部宽度W1的相对侧、以及高度H为底部宽度W1与顶部宽度W2之间的距离；其中底部宽度W1小于5μm，较佳为介于0.1μm～3μm之间。再者，顶部宽度W2小于底部宽度W1的0.7倍，较佳为小于底部宽度W1的0.35倍或是接近于三角形的结构。另一方面，其高度H则大于底部宽度W1，较佳为底部宽度W1的1.5倍以上。再者，本实施例的底部宽度W1与顶部宽度W2更可以是小于半导体元件的发光波长，且其高度H大于50μm。

最后，在导电点结构115上方形成透明导电层116，并分别于透明导电层116的上方形成第一电极117，以及于基板111下方形成第二电极118，如图1G所示，即完成本实施例的具有多个可将电流均匀分散的导电点结构的半导体元件。透过上述的半导体元件结构设计，可以使电流从第一电极117，经透明导电层116做横向传导，再透过导电点结构115使电流均匀分散开来并往下传导至半导体叠层，不让电流只集中在第一电极117的下方区域。而图1H为本实施例图1G的上方透视图，显示导电点结构115为点状均匀地分散在半导体元件之中。

上述的暂时基板101，可以是金属基板、绝缘基板、半导体基板或热塑性高分子基板，如铜(Cu)基板、镍(Ni)基板、环氧树脂(Epoxy)基板、蓝宝石(Sapphire)基板或氮化镓(GaN)基板；基板111，可以是蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、磷化镓砷(GaAsP)或金属基板如铜(Cu)基板、镍(Ni)基板；光致抗蚀剂层102，可以是软性金属层、UV胶、热固性材料、热塑性高分子层或氧化铟锡层；压印模板103，可以是由下列材料经由图案化工艺所形成，例如硅(Si)、镍(Ni)、氮化镓(GaN)、石英、蓝宝石(Sapphire)与高分子材料等；第一半导体层112、有源层113与第二半导体层114，可以由磷化铝铟镓(AlGaInP)系列或氮化铟镓(InGaN)系列的半导体材料，经由外延工艺形成；导电点结构115，可以是金(Au)、银(Ag)、铬/金(Cr/Au)、金/铍金/金(Au/BeAu/Au)或金/锗金镍/金(Au/GeAuNi/Au)或纳米碳管所组成；透明导电层116可以是氧化铟锡、氧化铟锌、氧化镉锡、氧化锌、氧化铟、氧化锡、氧化铜铝、氧化铜镓、氧化锶铜或纳米碳管所组成；第一电极117与第二电极118，可以是铬/金(Cr/Au)、钛/铂/金(Ti/Pt/Au)、金/铍金/金(Au/BeAu/Au)、或金/锗金镍/金(Au/GeAuNi/Au)所组成。下述其他图式中相同的元件将标以相同的标号，且不再赘述，合先述明。

图2A与图2B为本发明的第二实施例。其工艺方法与结构，与第一实施例大致相似，主要的差异是将导电点结构115以导电线结构121取代。电流透过这些各种不同的图案设计的导电线结构121，均匀地分散至整体半导体元件，如图2B所示。上述的导电线结构121，具有与第二半导体层114所接触的底部宽度W1、顶部宽度W2位于底部宽度W1的相对侧、以及高度H为底部宽度W1与顶部宽度W2之间的距离；其中底部宽度W1小于5μm，较佳为介于0.1μm～3μm之间。再者，顶部宽度W2小于底部宽度W1的0.7倍，且较佳为小于底部宽度W1的0.35倍或是一个接近于三角形的结构。另一方面，其高度H大于底部宽度W1，且较佳为底部宽度W1的1.5倍。本实施例的导电线结构121为截面接近三角形的长条结构，其实际形状如图10的扫描电子显微镜(SEM)照片所示。

更可以进一步在第二半导体层114的表面进行粗糙化工程，形成粗糙化结构131，如图3A所示为本发明的第三实施例；或者，在第二半导体层114的表面，形成具有周期性或准周期的凹凸结构132，如图3B所示为本发明的第四实施例。透过上述两种结构，可以将有源层113所产生的光更有效的导出，而增加半导体元件的发光效率。

本发明的纳米压印技术有别于一般传统的掩模技术，可以简单而有效的产生线宽更小的光致抗蚀剂图案，并且轻易的完成后续的图案化工艺。所以本发明更提出如图3C所示的第五实施例，于粗糙度(Ra)界于0.1μm～3μm的第二半导体层114的表面133上方，利用纳米压印技术形成导电线结构121。另外提出第六实施例，如图3D所示，利用纳米压印技术于第二半导体层114上方形成光致抗蚀剂图案，然后对第二半导体层114进行蚀刻形成多个沟槽122，再将导电线结构121填入多个沟槽中以形成平面134，之后再覆盖上透明导电层116与第一电极117。

图4A为本发明的第七实施例。如图所示，本实施例是于第一电极117下方设置各种不同图案的导电线结构121，并与第一电极117直接电性连结；因此电流便可以从第一电极117，直接透过导电线结构121的传导，均匀的分散至整体元件；同时也可以设计具有指状延伸图案(图未示)的第一电极117，置于导电线结构121的上方，以便若导电线结构121有断线产生时，仍可透过上方第一电极117的指状延伸图案，做电性导通。而本发明第的八实施例，如图4B所示，其主要特征是先在第二半导体层114的上方，形成第一透明导电层141；之后在第一透明导电层141的上方形成导电线结构121，再覆盖第二透明导电层142；最后将第一电极117形成于第二透明导电层142之上。

图5所示为本发明的第九实施例。其工艺方法与结构，与第一实施例大致相似，唯一的差异是，还包含保护层151，包覆于导电线结构121的侧边位置，以增加导电线结构121与第二半导体层114的附着强度，用以解决当导电线结构121的高度与宽度的比值变大时，导电线结构121缺乏支持而剥落的问题。其中，上述的保护层151可以是透明材料例如二氧化硅或高分子材料，利用溶胶凝胶法(Sol-gel)或旋转涂布法(Spin Coating)，于导电线结构121的侧边位置形成保护层151。

图6所示为本发明的第十实施例。其中形成此元件的方法为，先利用使用纳米压印技术，于半导体叠层的第二半导体层114之上形成导电线结构121，然后再利用上述所形成的导电线结构121作为掩模，利用感应偶合等离子体离子蚀刻法(Inductively Coupled plasma)对半导体叠层进行蚀刻，产生如图所示的导电线结构121下方的半导体叠层柱状结构及多个沟槽；之后使用绝缘材料将多个沟槽填满，形成绝缘保护层161；最后于绝缘保护层161上方，形成透明导电层162及第一电极117，以完成该实施例的元件结构。透过上述半导体叠层柱状结构的设计，可以增加半导体叠层所产生的光的发光效率。其中该透明保护层可以是环氧树脂(Epoxy)、二氧化硅(SiO₂)等材料所组成。

上述的所有实施例的结构并不只局限于导电点结构或导电线结构，两者均可以互换或同时存在，或者是其它具有相同特性的导电结构；同时也并不局限于金属材料，只要是具有导电特性的材料即可。本发明的导电点结构或导电线结构并不局限位于电极与半导体叠层之间，也可以同时是位于半导体叠层的上下两面，或半导体叠层之中或不同半导体叠层之间，以作为分散电流之用。

图7显示一背光模块装置。其中上述背光模块装置包含：由上述任意实施例的半导体元件711所构成的光源装置710；光学装置720置于光源装置710的出光路径上，负责将光做适当处理后出光；以及电源供应系统730，提供上述光源装置710所需的电源。

图8显示一照明装置。上述照明装置可以是车灯、街灯、手电筒、路灯、指示灯等等。其中照明装置包含：光源装置810，由上述任意实施例的半导体元件811所构成；电源供应系统820，提供光源装置810所需的电源；以及控制元件830以控制电源供应系统820输入光源装置810的电源。

虽然本发明已藉各实施例说明如上，然其并非用以限制本发明的范围；且任何对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。

Claims

1.一种半导体元件，包含：

半导体叠层；

电极，形成于该半导体叠层之上，以及

多个导电结构，形成于该半导体叠层之上，并与该电极电性相连，以作为分散电流之用，且该多个导电结构的每一个具有与该半导体叠层接触的底部宽度，位于该底部宽度的相对侧的顶部宽度，以及一高度为该底部宽度与该顶部宽度的距离，其中该顶部宽度与该底部宽度的比值小于0.7，且该底部宽度小于5μm。

2.如权利要求1所述的半导体元件，其中该顶部宽度与该底部宽度的比值为小于0.35。

3.如权利要求1所述的半导体元件，其中该底部宽度为0.1μm～3μm或小于该半导体元件的发光波长。

4.如权利要求1所述的半导体元件，其中该高度大于该底部宽度。

5.如权利要求1所述的半导体元件，其中该高度为该底部宽度的1.5倍以上。

6.如权利要求1所述的半导体元件，其中还包含粗糙化结构或周期性凹凸结构于该半导体叠层的表面或具有一平均粗糙度大于0.1μm的该半导体叠层的表面。

7.如权利要求1所述的半导体元件，还包含一保护层形成于该导电结构的侧壁。

8.如权利要求1所述的半导体元件，还包含一透明导电层覆盖于该导电结构之上或另一透明导电层形成于该导电结构与该半导体叠层之间。

9.如权利要求1所述的半导体元件，还包含多个沟槽位于该半导体叠层之中，并以一绝缘保护层填满。

10.如权利要求1所述的半导体元件，其中该导电结构是导电点结构或导电线结构。

11.如权利要求1所述的半导体元件，其中该导电结构是导电线结构，以及还包含一电极直接形成于该导电线结构的上方。

12.一种背光模块装置，包含：

光源装置，由权利要求1～11所述的任一半导体元件所组成；

光学装置，位于该光源装置的出光路径上；以及

电源供应系统，提供该光源装置所需的电源。

13.一种照明装置，包含：

光源装置，由权利要求1～11所述的任一半导体元件所组成；

电源供应系统，提供该光源装置所需的电源；以及

控制元件，控制该电源供应系统输入该光源装置的电源。