CN115763665A - 微型半导体元件以及微型半导体结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微型半导体元件以及微型半导体结构。微型半导体元件包括磊晶结构以及光学层。光学层配置于磊晶结构上。光学层为多层膜结构且包括第一膜层、第二膜层以及配置于第一膜层与第二膜层之间的第三膜层。第一膜层的折射率与第二膜层的折射率皆大于第三膜层的折射率。第三膜层的厚度大于第一膜层的厚度与第二膜层的厚度。光学层对微型半导体元件的外部光的反射率大于微型半导体元件的磊晶结构的自发光。本发明的微型半导体元件可让外部光对磊晶结构的影响最小化，以确保磊晶结构本身的特性，可具有较佳的结构可靠度。

Description

微型半导体元件以及微型半导体结构

技术领域

本发明涉及一种半导体元件以及半导体结构，尤其涉及一种微型半导体元件以及微型半导体结构。

背景技术

激光转移技术为现行微型半导体元件巨量转移的主流转移技术之一。激光本身为高能量的准直性光源，即使聚焦于特定的移除膜层，依然会有部分光源散射至磊晶结构中，而影响芯片特性与可靠度。

发明内容

本发明是针对一种微型半导体元件，其具有较佳的结构可靠度。

本发明还针对一种微型半导体结构，其包括上述的微型半导体元件，可具有较佳的结构可靠度。

根据本发明的实施例，微型半导体元件包括磊晶结构以及光学层。光学层配置于磊晶结构上。光学层为多层膜结构且包括第一膜层、第二膜层以及配置于第一膜层与第二膜层之间的第三膜层。第一膜层的折射率与第二膜层的折射率皆大于第三膜层的折射率。第三膜层的厚度大于第一膜层的厚度与第二膜层的厚度。光学层对微型半导体元件的外部光的反射率大于微型半导体元件的磊晶结构的自发光。

根据本发明的实施例，微型半导体结构包括基板以及至少一微型半导体元件。微型半导体元件配置于基板上，且微型半导体元件包括磊晶结构以及光学层。光学层配置于磊晶结构上。光学层为多层膜结构且包括第一膜层、第二膜层以及配置于第一膜层与第二膜层之间的第三膜层。第一膜层的折射率与第二膜层的折射率皆大于第三膜层的折射率。第三膜层的厚度大于第一膜层的厚度与第二膜层的厚度。光学层对微型半导体元件的外部光的反射率大于微型半导体元件的磊晶结构的自发光。

基于上述，在本发明的微型半导体元件中，光学层是配置于磊晶结构上，其中光学层对微型半导体元件的外部光的反射率大于微型半导体元件的磊晶结构的自发光。借此，可让外部光对磊晶结构的影响最小化，以确保磊晶结构本身的特性，而使本发明的微型半导体元件具有较佳的结构可靠度。

附图说明

图1A是依照本发明的一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图；

图1B是图1A中光学层的放大示意图；

图1C是另一实施例的一种光学层的放大示意图；

图2是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图；

图3是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图；

图4是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图；

图5是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图；

图6是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图；

图7是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图；

图8是依照本发明的一实施例的一种微型半导体元件的剖面示意图；

图9是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图。

附图标记说明

10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h:微型半导体结构；

100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h1、100h2、100h3:微型半导体元件；

110:磊晶结构；

112:上表面；

114:下表面；

116:周围表面；

120a、120a’、120b、120e、120g、120h1、120h2、120h3:光学层；

120b1、120g1:第一子光学层；

120b2、120g2:第二子光学层；

122a:第一膜层；

124a:第二膜层；

125a、125h1、125h2、125h3:光学叠层；

126a:第三膜层；

127a:高折射率层；

129a:低折射率层；

130、135:电极；

140:保护层；

150:可见光反射层；

160、170:外部光穿透层；

200a、200b:基板；

210:移除层；

E:自发光；

L1:外部光；

V:可见光；

T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8:厚度。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

图1A是依照本发明的一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图。图1B是图1A中光学层的放大示意图。请同时参考图1A与图1B，在本实施例中，微型半导体结构10a包括基板200a以及至少一微型半导体元件(示意地示出一个微型半导体元件100a)。微型半导体元件100a配置于基板200a上，且微型半导体元件100a包括磊晶结构110以及光学层120a。光学层120a配置于磊晶结构110上。光学层120a为多层膜结构且包括第一膜层122a、第二膜层124a以及配置于第一膜层122a与第二膜层124a之间的第三膜层126a。第一膜层122a的折射率与第二膜层124a的折射率皆大于第三膜层126a的折射率。第三膜层126a的厚度T3大于第一膜层122a的厚度T1与第二膜层124a的厚度T2。光学层120a对微型半导体元件100a的外部光L1的反射率大于微型半导体元件100a的磊晶结构110的自发光E。特别说明的是，此处省略示出磊晶结构110的N、P型半导体层和发光层，自发光E是自磊晶结构110发出的光。外部光L1则是用来转移微型半导体元件100a的激光光或外部环境光等，而非自磊晶结构110发出的光，在此并不为限。

详细来说，在本实施例中，基板200a具体化为暂时基板且包括移除层210，其中移除层210配置于光学层120a与基板200a间，且光学层120a的杨氏模量大于移除层210a的杨氏模量。于后续制程时，基板200a与移除层210可以被移除，而剩下微型半导体元件100a，因此目前的微型半导体结构10a属于一种Chip on Carrier(COC)的模式。

请再参考图1A，本实施例的磊晶结构110具有彼此相对的上表面112与下表面114以及连接上表面112与下表面114的周围表面116。光学层120a是配置于磊晶结构110的上表面112，且自发光E自上表面112透出，意即上表面112为出光面。微型半导体元件100a还可包括电极130、135以及保护层140。电极130、135以及保护层140皆配置于磊晶结构110的下表面114上，其中保护层140位于电极130、135与磊晶结构110之间，且电极130、135分别穿过保护层140与磊晶结构110电性连接。此处，电极130、135位于磊晶结构110的同一侧，因此微型半导体元件100a具体化属于水平式微型半导体元件，如水平式微型发光二极管。此外，保护层140的材质例如是做为绝缘和保护的无机材料，如二氧化硅(SiO₂)或氮化硅(SiN)，但不以此为限。

请再同时参考图1A与图1B，当磊晶结构110从成长基板(未示出)上移除后，即可通过物理或化学气相沉积的制程方式来制作光学层120a。光学层120a的第一膜层122a的折射率例如是1.9至2.8，而第一膜层122a的厚度T1例如是10纳米至30纳米之间，其中第一膜层122a的材质例如是二氧化钛(TiO₂)、五氧化二钽(Ta₂O₅)、五氧化二铌(Nb₂O₅)或二氧化铪(HfO₂)，但不以此为限。光学层120a的第二膜层124a的折射率例如是1.9至2.8，而第二膜层124a的厚度T2例如是10纳米至30纳米之间，其中第二膜层124a的材质例如是二氧化钛(TiO₂)、五氧化二钽(Ta₂O₅)、五氧化二铌(Nb₂O₅)或二氧化铪(HfO₂)，但不以此为限。于一实施例中，第一膜层122a与第二膜层124a的折射率、厚度及材质皆相同。于一实施例中，第一膜层122a与第二膜层124a的折射率、厚度及材质至少其中一者不同。光学层120a的第三膜层126a的折射率例如是1.4至1.8，而第三膜层126a的厚度T3例如是35纳米至75纳米之间，其中第三膜层126a的材质例如是二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)或氟化镁(MgF₂)，但不以此为限。也就是说，膜层的折射率越大，则膜层的厚度越薄。特别是，本实施例的第一膜层122a、第二膜层124a以及第三膜层126a的堆叠可形成长波通(Long Wave Pass,LWP)的效果。

于一实施例中，光学层120a可反射转移用的紫外光激光波长。具体来说，当外部光L1的波长例如是介于240纳米至400纳米时，在此波长范围中具有一波段(如半高宽(Fullwidth at half maximum，FWHM)小于2纳米)的较佳的反射率，至少反射率大于60％。光学层120a于可见光波段(如波长为420纳米至700纳米之间)时，则具备良好的穿透率，此处为大于70％的穿透率，换言之，反射率小于30％。因此，外部光L1的反射率大于微型半导体元件100a的自发光E的反射率的2倍。于一实施例中，外部光L1可例如是准分子激光，如248纳米的氟化氪(KrF)准分子激光或者是全固态半导体激光(Diode Pumped Solid State laser,DPSS)但不以此为限。此外，本实施例的光学层120a例如具有介于380纳米至440纳米的截止波长，可更有效的增加外部光L1的反射。

简言之，由于本实施例的光学层120a是配置于磊晶结构110上的出光面(即上表面112上)，其中光学层120a对微型半导体元件100a的外部光L1的反射率大于微型半导体元件100a的磊晶结构110的自发光E。借此，于激光转移过程中，外部光L1(如紫外光激光)可使移除层210及其上的基板200a与光学层120a分离，且光学层120a的设置可让激光散射光的影响最小化，可确保磊晶结构110本身的特性，而使本实施例的微型半导体结构10a具有较佳的结构可靠度。再者，上述光学层120a的设计亦可让激光制程具备较大的参数调整空间，较佳地，可适用于需要多次翻转制程的转移技术，例如，能使用强度稍强的激光的来转移又能确定不伤害磊晶结构110。此外，本实施例的基板200a与移除层210可以被移除，因此可减少移除层210的材料厚度，意即，不用刻意做很厚来避免激光烧蚀磊晶结构110)，可增加移除效率，且也可以降低激光的使用功率。

值得一提的是，本实施例并不限制光学层120a的结构型态，虽然于此处中，是以三层膜层来做为举例说明，但于其他实施例中，光学层的膜层数亦可大于三层以上。

图1C是另一实施例的一种光学层的放大示意图。请同时参考图1B及图1C，本实施例的光学层120a’与图1B的光学层120相似，两者的差异在于：在本实施例中，光学层120a’还包括光学叠层125a，配置于第一膜层122a与第二膜层124a之间，且包括成对且交替配置的至少一高折射率层(示意地示出二层高折射率层127a)与至少一低折射率层(示意地示出二层低折射率层129a)，其中低折射率层129a的厚度T5大于高折射率层127a的厚度T4。此处，一个高折射率层127a与一个低折射率层129a的堆叠构成一对，而上述有二个高折射率层127a以及二个低折射率层129呈交替堆叠，因此是构成二对。

详细来说，在本实施例中，光学叠层125a是配置于第三膜层126a与第二膜层124a之间，其中第三膜层126a位于第一膜层122a与光学叠层125a的一个高折射率层127a之间，但不以此为限。于另一实施例中，光学叠层125a亦可配置于第一膜层122a与第三膜层126a之间，其中第三膜层126a位于第二膜层124a与光学叠层125a的一个低折射率层之间，具体而言，第三膜层126a与光学叠层125a可形成个高折射层与个低折射率层，但不以此为限。光学叠层125a的高折射率层127a的折射率例如是1.9至2.8，而高折射率层127a的厚度T4例如是20纳米至60纳米之间，其中高折射率层127a的材质例如是二氧化钛(TiO₂)、五氧化二钽(Ta₂O₅)、五氧化二铌(Nb₂O₅)或二氧化铪(HfO₂)，但不以此为限。光学叠层125a的低折射率层129a的折射率例如是1.4至1.8，而低折射率层129a的厚度T5例如是35纳米至75纳米之间，其中低折射率层129a的材质例如是二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)或氟化镁(MgF₂)，但不以此为限。第一膜层122a的厚度T1或第二膜层124a的厚度T2小于高折射率层127a的厚度T4的60％以下，较佳地，例如是50％。

此外，本实施例并不限制光学叠层125a的层数，虽然于此处是以二对(即二个高折射率层127a与二个低折射率层129a交替堆叠)来做为举例说明，但于其他实施例中，亦可仅有一对(即一个高折射率层127a与一个低折射率层129a)，或者是，三对膜层以上，此仍属与本实施例所欲保护的范围。值得一提的是，于一实施例中，第一膜层122a、第二膜层124a、第三膜层126a与光学叠层125a亦可采用同一制程来完成，可节省制程时间。

由于光学层120a’中的光学叠层125a可由不同折射率且不同厚度的材料交替堆叠而成，因此可通过膜层参数优化，来提高对外部光L1(如紫外光激光，请参考图1A)的反射率。

在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。

图2是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图。请同时参考图1A及图2，本实施例的微型半导体结构10b与图1A的微型半导体结构10a相似，两者的差异在于：在本实施例中，微型半导体元件100b的光学层120b包括第一子光学层120b1与第二子光学层120b2。第一子光学层120b1位于磊晶结构110的上表面112，而第二子光学层120b2位于磊晶结构110的下表面114，其中保护层140位于第二子光学层120b2与磊晶结构110之间。简言之，由于本实施例的光学层120b是同时设置在出光面(即上表面112)与电极面(即下表面114)上，因此不管对微型半导体元件100b的那一面进行激光加工(即外部光L1射入上表面112或下表面114时)，都可有效地保护磊晶结构110，而使本实施例的微型半导体结构10b具有较佳的结构可靠度。在未示出的实施例中，光学层亦可做为保护层，省略保护层的制作。

图3是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图。请同时参考图1A及图3，本实施例的微型半导体结构10c与图1A的微型半导体结构10a相似，两者的差异在于：在本实施例中，微型半导体元件100c还包括可见光反射层150，其中可见光反射层150配置于下表面114(即电极面)。由于本实施例的光学层120a配置于磊晶结构110的出光面(即上表面112)，而可见光反射层150配置于磊晶结构110的电极面(即下表面114)，因此外部光L1(如紫外光激光)与可见光V皆可被反射。此处，可见光反射层150例如是布拉格反射层，可以将磊晶结构110往电极面的出光，反射至出光面增加出光，也可以避免外部可见光V的干扰。于另一实施例中，可见光反射层150亦可配置于磊晶结构110的上表面112，且光学层120a配置于磊晶结构110的下表面114。

图4是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图。请同时参考图1A及图4，本实施例的微型半导体结构10d与图1A的微型半导体结构10a相似，两者的差异在于：在本实施例中，微型半导体元件100d还包括外部光穿透层160，配置于下表面114(即电极面)。由于本实施例的光学层120a配置于磊晶结构110的出光面(即上表面112)，而外部光穿透层160配置于磊晶结构110的电极面(即下表面114)，因此有利于不小心已进入磊晶结构110的外部光L1(如紫外光波段的紫外光激光)可以被释放出去且不要再反射进来。于一实施例中，也可以在下表面114上设置有如图3的可见光反射层150，例如是分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector,DBR)，则可反射可见光且让紫外光激光穿透。

图5是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图。请同时参考图1A及图5，本实施例的微型半导体结构10e与图1A的微型半导体结构10a相似，两者的差异在于：在本实施例中，微型半导体元件100e的光学层120e是配置于下表面114(即电极面)，其中保护层140位于磊晶结构110与光学层120e之间。在制作上，于晶圆制程中形成保护层140之后，即可通过物理或化学气相沉积的制程方式来制作光学层120e。之后，于激光转移过程中，外部光L1(即紫外光激光)可使移除层210及其上的基板200a与光学层120e分离，而光学层120e可让激光散射光的影响最小化，可确保磊晶结构110本身的特性，而使本实施例的微型半导体结构10e具有较佳的结构可靠度。

图6是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图。请同时参考图5及图6，本实施例的微型半导体结构10f与图5的微型半导体结构10e相似，两者的差异在于：在本实施例中，微型半导体元件100f还包括外部光穿透层170，配置于上表面112(即出光面)。由于本实施例的光学层120e配置于磊晶结构110的电极面(即下表面114)，而外部光穿透层170配置于磊晶结构110的出光面(即上表面112)，因此有利于已进入磊晶结构110的外部光L1(如紫外光波段的紫外光激光)可以被释放出去且不要再反射进来。

图7是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图。请同时参考图5及图7，本实施例的微型半导体结构10g与图5的微型半导体结构10e相似，两者的差异在于：在本实施例中，微型半导体元件100g的光学层120g包括第一子光学层120g1与第二子光学层120g2。第一子光学层120g1位于磊晶结构110的上表面112，而第二子光学层120g2位于磊晶结构110的下表面114。第一子光学层120g1与第二子光学层120g2所反射的外部光L1、L2具有不同波长，例如是不同的紫外光波段的波长。也就是说，本实施例的可用于不同面的剥离制程。第一子光学层120g1设置于上表面112，只能反射外部光L2，且允许进入磊晶结构110的外部光L1穿透；而，第二子光学层120g2设置于下表面114，只能反射外部光L1，且允许进入磊晶结构110的外部光L2穿透。于一实施例中，外部光L1的波长介于可介于外部光L2的波长与可见光的波长之间。

图8是依照本发明的一实施例的一种微型半导体元件的剖面示意图。请同时参考图1A及图8，本实施例的微型半导体元件100a即为图1A的微型半导体结构10a移除基板200a及移除层210。由于光学层120a是配置于磊晶结构110上，其中光学层120a对微型半导体元件100a的外部光L1的反射率大于微型半导体元件100a的磊晶结构110的自发光E，因此可确保磊晶结构110本身的特性不受外部光L1的影响，而使本实施例的微型半导体元件100a具有较佳的结构可靠度。

图9是依照本发明的另一实施例的一种微型半导体结构的剖面示意图。请同时参考图1A及图9，本实施例的微型半导体结构10h与图1A的微型半导体结构10a相似，两者的差异在于：在本实施例中，基板200b为线路基板，且微型半导体元件包括具有不同色光的多个微型半导体元件100h1、100h2、100h3，其中微型半导体元件100h1、100h2、100h3以覆晶接合的方式与基板200b电性连接。换言之，本实施例的微型半导体结构10h具体化为显示装置。此处，不同色光的微型半导体元件100h1、100h2、100h3因出光波长不同，分别具有不同厚度的光学层120h1、120h2、120h3。具体来说，在本实施例中，光学层120h1、120h2、120h3分别包括不同层数的光学叠层125h1、125h2、125h3，因而分别具有厚度T6、T7、T8。

综上所述，在本发明的微型半导体元件中，光学层是配置于磊晶结构上，其中光学层对微型半导体元件的外部光的反射率大于微型半导体元件的磊晶结构的自发光。借此，可让外部光对磊晶结构的影响最小化，以确保磊晶结构本身的特性，而使本发明的微型半导体元件具有较佳的结构可靠度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种微型半导体元件，其特征在于，包括：

磊晶结构；以及

光学层，配置于所述磊晶结构上，所述光学层为多层膜结构，且包括第一膜层、第二膜层以及配置于所述第一膜层与所述第二膜层之间的第三膜层，其中所述第一膜层的折射率与所述第二膜层的折射率皆大于所述第三膜层的折射率，而所述第三膜层的厚度大于所述第一膜层的厚度与所述第二膜层的厚度，且所述光学层对所述微型半导体元件的外部光的反射率大于所述微型半导体元件的所述磊晶结构的自发光。

2.根据权利要求1所述的微型半导体元件，其特征在于，所述外部光的反射率大于所述自发光的反射率的2倍。

3.根据权利要求2所述的微型半导体元件，其特征在于，所述外部光的波长介于240纳米至400纳米。

4.根据权利要求2所述的微型半导体元件，其特征在于，所述光学层具有介于380纳米至440纳米的截止波长。

5.根据权利要求1所述的微型半导体元件，其特征在于，所述光学层还包括光学叠层，配置于所述第一膜层与所述第二膜层之间，所述光学叠层包括成对且交替配置的至少一高折射率层与至少一低折射率层，所述至少一低折射率层的厚度大于所述至少一高折射率层的厚度。

6.根据权利要求5所述的微型半导体元件，其特征在于，所述第一膜层的厚度或所述第二膜层的厚度小于所述至少一高折射率层的厚度的60％以下。

7.根据权利要求1所述的微型半导体元件，其特征在于，所述磊晶结构具有彼此相对的上表面与下表面以及连接所述上表面与所述下表面的周围表面，所述自发光自所述上表面透出，其中所述光学层配置于所述上表面、所述下表面或其组合。

8.根据权利要求7所述的微型半导体元件，其特征在于，还包括：

可见光反射层，配置于所述磊晶结构的所述上表面且所述光学层配置于所述下表面，或者是，配置于所述磊晶结构的所述下表面且所述光学层配置于所述上表面。

9.根据权利要求7所述的微型半导体元件，其特征在于，还包括：

外部光穿透层，配置于所述磊晶结构的所述上表面且所述光学层配置于所述下表面，或者是，配置于所述磊晶结构的所述下表面且所述光学层配置于所述上表面。

10.根据权利要求7所述的微型半导体元件，其特征在于，所述光学层包括第一子光学层与第二子光学层，所述第一子光学层与所述第二子光学层分别位于所述上表面与所述下表面，且所述第一子光学层与所述第二子光学层所反射的所述外部光具有不同波长。

11.一种微型半导体结构，其特征在于，包括：

基板；以及

至少一微型半导体元件，配置于所述基板上，所述至少一微型半导体元件包括：

磊晶结构；以及

光学层，配置于所述磊晶结构上，所述光学层为多层膜结构且包括第一膜层、第二膜层以及配置于所述第一膜层与所述第二膜层之间的第三膜层，其中所述第一膜层的折射率与所述第二膜层的折射率皆大于所述第三膜层的折射率，而所述第三膜层的厚度大于所述第一膜层的厚度与所述第二膜层的厚度，且所述光学层对所述微型半导体元件的外部光的反射率大于所述微型半导体元件的所述磊晶结构的自发光。

12.根据权利要求11所述的微型半导体结构，其特征在于，还包括：

移除层，配置于所述光学层与所述基板之间，其中所述基板为暂时基板，且所述光学层的杨氏模量大于所述移除层的杨氏模量。

13.根据权利要求11所述的微型半导体结构，其特征在于，所述光学层还包括光学叠层，配置于所述第一膜层与所述第二膜层之间，所述光学叠层包括成对且交替配置的至少一高折射率层与至少一低折射率层，所述至少一低折射率层的厚度大于所述至少一高折射率层的厚度。

14.根据权利要求13所述的微型半导体结构，其特征在于，所述基板为线路基板，所述至少一微型半导体元件为具有不同色光的多个微型半导体元件，且不同色光的所述多个微型半导体元件分别具有不同厚度的所述光学叠层。

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