CN102361054B - 光电半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体光电元件，包含：基板；半导体系统，包含有源层形成于基板之上；及电极结构，形成于半导体系统之上，此电极结构包含：第一电性接触区或第一电性打线垫，第二电性打线垫，第一电性延伸线路，及第二电性延伸线路，其中第一电性延伸线路与第二电性延伸线路以立体跨接方式交错，且部分第一电性延伸线路与第一电性接触区或第一型打线垫位于有源层的相异两侧。

Description

光电半导体装置

本申请文件是2008年12月5日提交的第200810184859.7号发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明关于一种半导体光电元件，尤其关于一种半导体光电元件的电极结构。

背景技术

传统发光二极管存在着电流密度分布不均的现象，称的为电流拥塞(Current Crowding)。电流拥塞常常会造成元件局部热累积，同时使得发光效率减低，情况严重者甚至还可能造成元件损坏。

发光二极管的电极结构设计(layout)主要是为了解决电流拥塞现象，增加电流注入半导体层的均匀性。主要考虑的结构参数包括p型电极与n型电极的间的距离以及打线垫(pad)与延伸线路(finger)的摆设位置。然而，随着发光二极管的操作功率的增高，造成芯片尺寸的加大，使得在延伸线路末端的电流传递明显受到电阻累积的影响而常发生注入不均匀的结果。

目前有些设计将p型与n型电极做在芯片的上下两端，即所谓的垂直型芯片。但此法须要将外延基板去除使原本连接基板的第一电性层暴露出，以于此表面形成第一电极。另须在原本外延结构表面的第二电性层之上形成反射层、第二电极、与永久基板，工艺颇为繁复致使良率不易维持与工艺成本偏高。

发明内容

一种半导体光电元件，包含：基板；半导体系统，包含有源层形成于基板之上；及电极结构，形成于半导体系统之上，此电极结构包含：第一电性接触区或第一电性打线垫，第二电性打线垫，第一电性延伸线路，及第二电性延伸线路，其中第一电性延伸线路与第二电性延伸线路以立体跨接方式交错，且部分第一电性延伸线路与第一电性接触区或第一型打线垫位在有源层的相异两侧。

本发明乃利用立体交错的方法，使得发光二极管结构中两种不同电性的电极结构(包含打线垫与延伸线路)更有设计上的弹性空间，并且兼顾工艺稳定性高与成本低的好处。

附图说明

图式简单说明如下：

图1是依本发明设计第一实施例的一种半导体光电元件其电极结构的俯视图；

图2A是本发明第一实施例的半导体光电元件电极结构于p型延伸线路与n型延伸线路交会跨接处A-A’的剖面图；

图2B是本发明第一实施例的半导体光电元件电极结构于n型接触区B-B’的剖面图；

图3是依本发明设计第二实施例的一种半导体光电元件其电极结构的俯视图；

图4是依本发明设计第三实施例的一种半导体光电元件其电极结构的俯视图；

图5是依本发明设计第四实施例的一种半导体光电元件其电极结构的俯视图；

图6是本发明设计第五实施例的一种半导体光电元件其电极结构的俯视图。

主要元件符号说明

101、301、401、501、601～p型打线垫

102、206、302、402、502、602～p型延伸线路

103、208、303、403～n型接触区

104、207、304、404、503～n型延伸线路

105、305、405、504、604～n型打线垫

201～基板

202～第一电性层

203～有源层

204～第二电性层

205、505～绝缘层

5021、6021～直向p型延伸线路

5022、6022～横向p型延伸线路

5031、6031～直向n型延伸线路

605～横向绝缘层

5032、6032～横向n型延伸线路

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、特征和优点，以下配合图式说明本发明的实施例。但值得注意的是，为了清楚描述起见，本说明书所附的图式并未按照比例尺加以绘示。

请参考图1，是依本发明设计第一实施例的一种半导体光电元件其电极结构的俯视图，包括至少一个p型打线垫101、多条p型延伸线路102、多个n型接触区103、多条n型延伸线路104、及至少一个n型打线垫105。其中p型延伸线路102形成多个封闭对称形状，且有至少一个p型打线垫101形成在p型延伸线路之上。而n型接触区103则设置在上述封闭对称形状之中，并以多条n型延伸线路104互相电性连接。此外，p型延伸线路102与n型延伸线路104分别电性连接至p型打线垫101与n型打线垫105。在本实施例中，p型延伸线路102与n型延伸线路104交会的立体跨接处106(stericcrossover)，以绝缘层分隔，形成立体交错设计。其中上述电极结构材料可选自：铬(Cr)、钛(Ti)、镍(Ni)、铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)、或银(Ag)等金属材料。

以下以工艺流程配合图1、图2A与图2B说明本发明第一实施例制作方法：半导体光电元件包含一个形成于基板201上的半导体系统及形成在半导体系统之上的电极结构。半导体系统包含可以进行或诱发光电能转换的半导体元件、装置、产品、电路、或应用。具体而言，半导体系统包含发光二极管(light-emitting diode；LED)、激光二极管(laser diode；LD)、太阳能电池(solar cell)、有机发光二极管(organic light-emitting diode)中至少其一。于本说明书中“半导体系统”一词并非限制该系统内所有次系统或单元皆以半导体材料制成，其他非半导体材料，例如：金属、氧化物、绝缘体等皆可选择性地整合于此半导体系统之中。

于本发明的第一实施例中，半导体系统最少包含一第一电性层202、一有源层(active layer)203、以及一第二电性层204。第一电性层202及一第二电性层204彼此中至少二个部分的电性、极性或掺杂物相异、或者分别用以提供电子与空穴的材料单层或多层(“多层”指二层或二层以上，以下同。)若第一电性层202及一第二电性层204由半导导体材料构成，则其电性选择可以为p型、n型、及i型中至少任意二者的组合。有源层203位于第一电性层202及第二电性层204之间，为电能与光能可能发生转换或被诱发转换的区域。电能转变或诱发光能者如发光二极管、有机发光二极管；光能转变或诱发电能者如太阳能电池、光电二极管。

以发光二极管而言，转换后光的发光频谱可以藉由改变半导体系统中一层或多层的物理或化学配置进行调整。常用的材料如磷化铝镓铟(AlGaInP)系列、氮化铝镓铟(AlGaInN)系列、氧化锌(ZnO)系列，半导体系统并包含一种或一种以上的物质选自镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及硅(Si)所构成群组。有源层203的结构如：单异质结构(singleheterostructure；SH)、双异质结构(double heterostructure；DH)、双侧双异质结构(double-side double heterostructure；DDH)、或多层量子阱(multi-quantum well；MQW)。再者，调整量子阱的对数亦可以改变发光波长。

基板201用以成长或承载半导体系统，适用的材料系包含但不限于锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、铟化磷(InP)、蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、铝酸锂(LiAlO₂)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、玻璃、复合材料(composite)、钻石、CVD钻石、与类钻碳(diamond-like carbon；DLC)等。

基板201与半导体系统之间还可选择性地包含一过渡层(未显示)。过渡层介于二种材料系统之间，使基板的材料系统”过渡”至半导体系统的材料系统。对发光二极管的结构而言，一方面，过渡层是例如缓冲层(buffer layer)等用以降低二种材料间晶格不匹配的材料层。另一方面，过渡层亦可以是用以结合二种材料或二个分离结构的单层、多层或结构，其可选用的材料如：有机材料、无机材料、金属、及半导体等；其可选用的结构如：反射层、导热层、导电层、欧姆接触(ohmic contact)层、抗形变层、应力释放(stressrelease)层、应力调整(stress adjustment)层、接合(bonding)层、波长转换层、及机械固定构造等。

第二电性层204上还可选择性地形成一接触层(未显示)。接触层设置于第二电性层204远离有源层203的一侧。具体而言，接触层可以为光学层、电学层、或其二者的组合。光学层可以改变来自于或进入有源层203的电磁辐射或光线。在此所称的“改变”是指改变电磁辐射或光的至少一种光学特性，前述特性包含但不限于频率、波长、强度、通量、效率、色温、演色性(rendering index)、光场(light field)、及可视角(angle of view)。电学层可以使得接触层的任一组相对侧间的电压、电阻、电流、电容中至少其一的数值、密度、分布发生变化或有发生变化的趋势。接触层的构成材料包含氧化物、导电氧化物、透明氧化物、具有50％或以上穿透率的氧化物、金属、相对透光金属、具有50％或以上穿透率的金属、有机质、无机质、萤光物、磷光物、陶瓷、半导体、掺杂的半导体、及无掺杂的半导体中至少其一。于某些应用中，接触层的材料为氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化铟锌、氧化锌铝、与氧化锌锡中至少其一。若为相对透光金属，其厚度约为0.005μm～0.6μm。

蚀刻上述第二电性层204与有源层203至暴露出部分不连续的第一电性层202。然后在第二电性层上特定区域铺盖绝缘层205，以避免随后要形成的n型接触区直接与第二电性层204与有源层203接触而造成电性短路。的后依电极结构设计，利用黄光法定义出n型接触区208、p型延伸线路206与p型打线垫(未显示)的位置，使用蒸镀或电镀方式使金属覆盖于上述定义区域，形成n型接触区208、p型延伸线路206与p型打线垫(未显示)。

接着利用高介电材料，例如：SiO_x、SiN_x、Al₂O₃、TiO_x等无机氧化物或有机介电材料覆盖绝缘层于整个元件表面后，再利用黄光、蚀刻等工艺暴露出已经形成的n型接触区208与p型打线垫(未显示)。最后使用黄光工艺定义出n型打线垫208及n型延伸线路207的位置，再使用蒸镀或电镀方式使金属覆盖于上述定义的区域，形成n型打线垫208及n型延伸线路207，完成本发明所谓具有立体交错形式的电极结构。

图2A是本发明第一实施例的半导体光电元件的电极结构于图一的p型延伸线路102与n型延伸线路104的一交会跨接处A-A’的剖面图。p型延伸线路206形成于第二电性层204之上，一绝缘层205形成于p型延伸线路206与第二电性层204之上，最后再形成一n型延伸线路207于绝缘层205之上，与p型延伸线路206电性隔绝，而形成立体交错形式。

图2B是本发明第一实施例的半导体光电元件的电极结构于n型接触区B-B’的剖面图。形成一绝缘层205包围上述第二电性层204与有源层203之后，形成一n型延伸线路207于绝缘层205之上与第二电性层204电性隔绝后，再以金属形成一n型接触区208。其中n型接触区208的金属直接接触第一电性层202，而n型延伸线路207则形成在有源层203的上方。

图3与图4是显示依本发明设计第二与第三实施例的一种半导体光电元件其电极结构的俯视图：包括至少一个p型打线垫301、401；多条p型延伸线路302、402；多个n型接触区303、403；多条n型延伸线路304、404；及至少一个n型打线垫305、405。其中p型延伸线路形成多个封闭对称形状，而n型接触区则设置在上述封闭对称形状之中，并以多条n型延伸线路互相电性连接；此外，p型延伸线路与n型延伸线路分别电连接至p型打线垫与n型打线垫。在本设计中，p型延伸线路与n型延伸线路交会的立体跨接处(steric crossover)，以绝缘层分隔，形成立体交错设计。

图5与图6是显示本发明电极结构的另一种实施方式。图5是显示依本发明设计第四实施例的一种半导体光电元件其电极结构的俯视图，包括至少一个p型打线垫501、多条p型延伸线路502、多条n型延伸线路503、至少一个n型打线垫504及多个绝缘层505。

p型延伸线路502形成多个封闭形状，包含多条直向p型延伸线路5021、及多条横向p型延伸线路5022。多条直向n型延伸线路5031与横向n型延伸线路5032则设置在上述p型延伸线路中，其中部分直向p型延伸线路5021与n型延伸线路5032形成立体交错跨接。至少一个p型打线垫501形成在直向p型延伸线路5021与横向p型延伸线路5022交会处。

在本实施例中，直向n型延伸线路5031与横向n型延伸线路5032皆以形成沟渠(图式包围n型延伸线路的方框)的方式，蚀刻第二电性层与有源层至暴露出部分第一电性层而与第一电性层电性连接，详细实施方式与上述第一实施例相同，不再赘述。

在横向n型延伸线路5032的沟渠形成后，于直向p型延伸线路5021与横向n型延伸线路5032欲交错跨接的区域覆盖绝缘层505，再形成直向p型延伸线路5021于上述绝缘层505上，以形成两不同电性电极的立体跨接。

至少一个n型打线垫504设置在直向n型延伸线路5031与横向n型延伸线路5032的交错区域，其形成是藉由绝缘层505覆盖n型延伸线路沟渠区，而以导线(未显示)电连接n型延伸线路至绝缘层之上，形成n型打线垫504于有源层之上。

图6是显示依本发明设计第五实施例的一种半导体光电元件其电极结构的俯视图，包括至少一个p型打线垫601、多条p型延伸线路602、多条n型延伸线路603、至少一个n型打线垫604及至少一个横向绝缘层605。

p型延伸线路602形成多个封闭形状，包含多条直向p型延伸线路6021、及多条横向p型延伸线路6022。多条直向n型延伸线路6031与横向n型延伸线路6032则设置在上述p型延伸线路中，其中部分直向p型延伸线路6021与n型延伸线路6032形成立体交错跨接。至少一个p型打线垫601形成在直向p型延伸线路6021与横向p型延伸线路6022交会处。

在本实施例中，直向的n型延伸线路6031以形成沟渠(图式包围n型延伸线路的方框)的方式，蚀刻第二电性层与有源层至暴露出部分第一电性层而与第一电性层电性连接，详细实施方式与以上述第一实施例相同，不再赘述。

在形成直向n型延伸线路6031的沟渠后，形成一横向绝缘层605，可隔绝直向p型延伸电路6021与的后形成的横向n型延伸电路6032。再形成一横向n型延伸线路6032电性连接直向n型延伸线路6031。其中横向n型延伸线路6032与直向p型延伸线路6021交错的区域，藉由上述横向绝缘层605形成两不同电性电极的立体跨接。

至少一个n型打线垫604设置在直向n型延伸线路6031与横向n型延伸线路6032的交错区域，直接与横向n型延伸线路6032电性连接，不需形成沟渠，可直接暴露出而与其他打线连接。但n型打线垫604也可设置于沟渠区中，直接电性连接第一电性层及其他打线。

此外，本发明的半导体光电元件还可以进一步地与其他元件组合连接以形成一发光装置(light-emitting apparatus)。此发光装置包含一具有至少一电路的次载体(sub-mount)；至少一焊料(solder)位于上述次载体上，藉由此焊料将半导体光电元件黏结固定于次载体上并使半导体光电元件的基板与次载体上的电路形成电连接；以及，一电性连接结构，以电性连接半导体光电元件的电极结构与次载体上的电路；其中，上述的次载体可以是导线架(leadframe)或大尺寸镶嵌基底(mounting substrate)，以方便发光装置的电路规划并提高其散热效果。

本发明的电极结构较习用设计有更多优点，例如：p型延伸线路与n型延伸线路，不再需要受到彼此保持某个距离范围的原则限制，而是可让第二电性延伸线路独自布置成半封闭或封闭图案。而第一电性延伸线路则采取在封闭图形中心点与第二电性层表面有跳跃式接触的方式进行布局。此种电极结构将电流的分布区隔成数个次单元(半封闭或封闭图案)并以几何对称的概念将电流均匀注入发光二极管。因此，本发明的电极结构可以在芯片尺寸大幅增加时而简单地利用增加次单元的数目而完成。

此外，本发明将部分n型延伸线路与n型接触区或n型打线垫设置在有源层相异两侧，而与p型延伸线路做立体跨接，不须要像习知方式挖除过多的半导体面积，可以减少半导体光电元件的可用面积因设计上的损失进而提升发光效率。

以上各图式与说明虽仅分别对应特定实施例，然而，各个实施例中所说明或揭露的元件、实施方式、设计准则、及技术原理除在彼此显相冲突、矛盾、或难以共同实施之外，可依其所需任意参照、交换、搭配、协调、或合并。

虽然本发明已说明如上，然其并非用以限制本发明的范围、实施顺序、或使用的材料与工艺方法。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 (8)

1.一种半导体光电元件，包含：

第一电性层；

第二电性层；

有源层，位于第一电性层与第二电性层之间；

第一打线垫，电性连接至该第一电性层；

第二打线垫，电性连接至该第二电性层；

第一延伸线路，连接至该第一打线垫；

第二延伸线路，连接至该第二打线垫，并与该第一延伸线路以立体跨接方式交错于该第一电性层及该第二电性层上方；及

绝缘层，位于该第一延伸线路与该第二延伸线路交错之处。

2.如权利要求1所述的半导体光电元件，其中该第二延伸线路形成至少一个封闭的图案。

3.如权利要求1所述的半导体光电元件，其中该第二延伸线路与该第一电性层之距离小于该第一延伸线路与该第一电性层之距离。

4.如权利要求1所述的半导体光电元件，其中该第二延伸线路包围该第一延伸线路。

5.如权利要求1所述的半导体光电元件，更包含一第一接触区，穿过该第二电性层。

6.如权利要求1所述的半导体光电元件，更包含一第一接触区，被该第二延伸线路包围。

7.如权利要求1所述的半导体光电元件，更包含一沟渠，暴露出该第一电性层之一部分。

8.一种半导体光电元件，包含：

第一电性层；

第二电性层；

有源层，位于第一电性层与第二电性层之间；

第一打线垫，电性连接至该第一电性层；

第二打线垫，电性连接至该第二电性层；

第一延伸线路，连接至该第一打线垫；

第二延伸线路，连接至该第二打线垫，并且该第二延伸线路与该第一延伸线路以立体跨接方式交错于该第二电性层上方；及

绝缘层，位于该第一延伸线路与该第二延伸线路交错之处。