TW202220232A - 半導體元件 - Google Patents

Abstract

一種半導體元件，包括一基板、一磊晶結構、一第一電極層及一溝槽。基板具有一第一表面與一第二表面。磊晶結構，形成於基板的第一表面上且包含複數個發光孔。第一電極層，位於磊晶結構上且包含不相連的第一區域和第二區域。溝槽，位於第一區域和第二區域之間且具有一第一部分係對應於磊晶結構之位置。

Description

半導體元件

本揭露是關於一種半導體元件，特別是關於一種具有發光孔陣列的半導體元件。

半導體元件（例如：發光二極體或是雷射二極體）皆須經亮度-電流-電壓（LIV）測試，且測試時係採單顆元件方式進行。目前的垂直共振腔面射型雷射元件（VCSEL）可包含複數個發光孔，當對此雷射元件進行LIV測試時，所有的發光孔皆會發光，因此對於特性不佳的發光孔難以辨識出。

本揭露提出一種半導體元件。半導體元件，包括一基板、一磊晶結構、一第一電極層及一溝槽。基板具有一第一表面與一第二表面。磊晶結構，形成於基板的第一表面上且包含複數個發光孔。第一電極層，位於磊晶結構上且包含不相連的第一區域和第二區域。溝槽，位於第一區域和第二區域之間且具有一第一部分係對應於磊晶結構之位置。

下文係參照圖式，並且以示例實施例說明本揭露之概念，在圖式或說明中，相似或相同的部分係使用相同的元件符號；再者，圖式係為利於理解而繪製，圖式中各層之厚度與形狀並非元件之實際尺寸或成比例關係。須特別注意的是，圖式中未繪示、或說明書中未描述之元件，可為熟習本揭露所屬領域技藝之人士所知之形式。

請參閱第1A圖、第1B圖及第1C圖，其係根據本揭露之一實施例的半導體元件100的上視示意圖與剖面示意圖，其中第1B圖係沿第1A圖中的線I-I（通過發光孔）所示之剖面示意圖，第1C圖係沿第1A圖中的線II-II（未通過發光孔）所示之剖面示意圖。為求圖面清晰，在第1A圖中係僅繪示出發光孔、凹部結構及電極層等，俾使本實施例之技術特徵不受混淆。

在本實施例中，半導體元件100可為、但不限於是垂直共振腔面射型雷射元件（VCSEL）。如圖所示，半導體元件100包括基板110、磊晶結構120、位於磊晶結構120上的接觸層130、以及發光孔。磊晶結構120位於基板110的第一表面110A上，且包括第一半導體結構122、活性結構124和第二半導體結構126。半導體元件100選擇性地還包括電流侷限層125，其位於接觸層130和基板110之間。詳言之，電流侷限層125可位於活性結構124和第二半導體結構126之間、或活性結構124和第一半導體結構122之間。電流侷限層125具有電流限制區1251及電流導通區125A。電流通過電流導通區125A而產生光，因而電流導通區125A定義為發光孔。在本實施例中，半導體元件100具有彼此相鄰的複數個電流導通區125A，從而定義了呈陣列式排列的複數個發光孔125A1～125A4、125B1～125B4、…、125N1～125N4。

半導體元件100還包括複數個凹部結構140，其係形成於磊晶結構120內；亦即，凹部結構140係形成於第一半導體結構122、活性結構124和第二半導體結構126內。詳言之，凹部結構140貫穿第一半導體結構122、活性結構124及一部分的第二半導體結構126，從而暴露出第二半導體結構126。或者，凹部結構140貫穿第一半導體結構122、活性結構124及第二半導體結構126，從而暴露出基板110。在本實施例中，凹部結構140係用以進行後續的氧化製程，進以形成電流侷限層125。在本實施例中，自第1A圖所示之上視圖觀之，概呈圓形的各發光孔125A1、125A2、125A3、125A4周圍係形成有六個凹部結構140，且相鄰的兩個發光孔之間（例如：發光孔125A1和125A2之間、發光孔125A2和125A3之間、發光孔125A3和125A4之間）係僅具有一個凹部結構140。透過氧化製程及/或凹部結構140的形狀的控制，可定義電流導通區125A的尺寸及形狀，亦即定義半導體元件100的發光孔的尺寸及形狀。

半導體元件100進一步包括保護層150、第一電極層160以及第二電極層170。保護層150覆蓋接觸層130且覆蓋凹部結構140的側面和底面內，保護層150具有複數個第一開口150A，從而暴露出接觸層130。第一電極層160位於保護層150上且可部分填入而未填滿凹部結構140、或是完全填滿凹部結構140，並且經由保護層150的第一開口150A而連接接觸層130以供半導體元件100整體對外電性連接。第一電極層160具有複數個第二開口160A，係對應於複數個電流導通區125A（發光孔），第二電極層170覆蓋基板110的第二表面110B。第一電極層160與第二電極層170供半導體元件100整體對外電性連接用。第一電極層160和第二電極層170包含金屬。

半導體元件100包含至少一溝槽162形成於第一電極層160內且將第一電極層160分隔為複數個不相連的區域。如第1A~1C圖所示，在本實施例中，溝槽162具有一第一部分係對應於凹部結構140A之位置且將第一電極層160分隔為不相連的第一區域1601和第二區域1602。換言之，第一區域1601與第二區域1602彼此物理性地不接觸。凹部結構140A具有一第一寬度（W1）且溝槽162之第一部分具有一小於第一寬度（W1）的第二寬度（W2）。如第1B圖所示，自半導體元件100的剖面觀之，溝槽162係位於發光孔（例如發光孔125A1和發光孔125A2）之間。如第1C圖所示，溝槽162具有一第二部分係對應於磊晶結構的位置或位於磊晶結構上。換言之，於磊晶結構的堆疊方向上，溝槽162係與磊晶結構重疊。溝槽162之第二部分具有第三寬度（W3），第三寬度大於、等於或小於第二寬度（W2）。當第一區域1601和第二電極層170與外部電極連接而進行LIV測試時，發光孔125A1、125A3、125B1、125B3、125N1、125N3會發光，且發光孔125A2、125A4、125B2、125B4、125N24、125N4不會發光。類似地，當第二區域1602和第二電極170與外部電極連接時，發光孔125A2、125A4、125B2、125B4、125N24、125N4會發光，且發光孔125A1、125A3、125B1、125B3、125N1、125N3不會發光。由上可知，藉此，可分別判斷出各區域之發光孔是否有亮度不均勻、光電特性不佳、甚至是失效等問題。於其他實施例中，溝槽162係可不對應於凹部結構140的位置且對應於其他結構之位置（例如：絕緣層150或電流限制區1251）且使第一電極層160分隔為複數個不相連的區域，藉此可對於各區域而進行LIV測試。

半導體元件100進一步選擇性地包括阻絕結構I，阻絕結構I形成於磊晶結構120中以阻絕橫向電流的傳遞，降低半導體元件整體串聯電阻，並進一步降低半導體元件的RC常數，有效提高調變的頻寬（即操作頻寬）。阻絕結構I可透過氧化製程或離子佈植（ion implant）製程而形成。如第1B圖所示，阻絕結構I係形成於第二半導體結構126中。於其他實施例中，阻絕結構I可進一步形成於第一半導體結構122及/或活性結構124中。

在本實施例中，第一半導體結構122和第二半導體結構126分別包含複數個不同折射率的膜層交互週期性的堆疊（例如，高鋁含量的AlGaAs層及低鋁含量的AlGaAs層之交互週期性堆疊），以形成分散式布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflector，DBR），使得自活性結構124發射的光可以在兩個反射鏡中反射以形成同調光。第一半導體結構122的反射率高於第二半導體結構126的反射率，藉此使同調光朝向第一電極層160的方向射出。第一半導體結構122、第二半導體結構126及活性結構124之材料包含三五族化合物半導體，例如GaAs、InGaAs、AlGaAs、AlGaInAs、GaP、InGaP、AlInP、AlGaInP、GaN、InGaN、AlGaN、AlGaInN、AlAsSb、InGaAsP、InGaAsN或AlGaAsP等化合物。在本揭露內容之實施例中，若無特別說明，上述化學表示式包含「符合化學劑量之化合物」及「非符合化學劑量之化合物」，其中，「符合化學劑量之化合物」例如為三族元素的總元素劑量與五族元素的總元素劑量相同；反之，「非符合化學劑量之化合物」例如為三族元素的總元素劑量與五族元素的總元素劑量不同。舉例而言，化學表示式為AlGaInAs即代表包含三族元素鋁（Al）及/或鎵（Ga） 及/或銦（In），以及包含五族元素砷（As），其中三族元素（鋁及/或鎵及/或銦）的總元素劑量可以與五族元素（砷）的總元素劑量相同或相異。另外，若上述由化學表示式表示的各化合物為符合化學劑量之化合物時，AlGaAs代表Al _x1Ga _{（ 1-x1 ）}As，其中，0＜x1＜1；AlInP代表Al _x2In _{（ 1-x2 ）}P，其中，0＜x2＜1；AlGaInP代表（Al _y1Ga _{（ 1-y1}） _1-x3In _x3P，其中，0＜x3＜1，0＜y1＜1；AlGaInAs代表 （Al _y2Ga _{（ 1-y2 ）}） _1-x4In _x4As，其中，0≦x4≦1，0≦y2≦1；AlGaN代表Al _x5Ga _{（ 1-x5 ）}N，其中，0＜x5＜1；AlAsSb代表 AlAs _x6Sb _{（ 1-x6 ）}，其中，0≦x6≦1；InGaP代表In _x7Ga _{（ 1-x7 ）}P，其中，0＜x7＜1；InGaAsP代表In _x8Ga _1-x8As _1-y3P _y3，其中，0≦x8≦1，0≦y3≦1；InGaAsN代表In _x8Ga _1-x8As _1-y4N _y4，其中，0＜x9＜1，0＜y4＜1；AlGaAsP代表Al _x10Ga _1-x10As _1-y5P _y5，其中，0＜x10＜1，0＜y5＜1InGaAs代表In _x11Ga _{（ 1-x11 ）}As，其中，0＜x11＜1；InGaN代表In _x12Ga _{（ 1-x12 ）}N，其中，0＜x12＜1；AlGaInN代表（Al _y6Ga _{（ 1-y6}） _1-x13In _x13P，其中，0＜x13＜1，0＜y6＜1。

視其材料不同，活性結構124可發出峰值波長（peak wavelength）介於700 nm及 1700 nm的紅外光、峰值波長介於610 nm及700 nm之間的紅光、峰值波長介於530 nm及570 nm之間的黃光、峰值波長介於490 nm及550 nm之間的綠光、峰值波長介於400 nm及490 nm之間的藍光或深藍光、 或是峰值波長介於250 nm及400 nm之間的紫外光。在本實施例中，活性結構204的峰值波長為介於750 nm及1200 nm之間的紅外光。

當第一半導體結構122和第二半導體結構126包含複數個的膜層且皆包含鋁時，可使得第一半導體結構122中或第二半導體結構126之其中一層或多層之鋁含量大於97%（定義為電流侷限層125）。舉例來說，於本實施例中，第二半導體結構126之其中一層或多層之鋁含量大於97%（定義為電流侷限層125）且大於活性結構124、第二半導體結構126之其他膜層及第一半導體結構122的鋁含量，藉此，在進行氧化製程後，具有鋁含量大於97%之該層或該些層之部分會被氧化以形成電流限制區 （例如：氧化鋁），未被氧化之部分則為電流導通區。詳言之，當凹部結構140形成於第一半導體結構122、活性結構124及第二半導體結構126中時，第一半導體結構122、活性結構124及第二半導體結構126的側壁會被曝露出，因此當半導體元件100設置於一含氧的環境時，氧氣會透過凹部結構140和第一半導體結構122、活性結構124或第二半導體結構126發生化學反應進而形成電流侷限層125。因此，透過凹部結構140的配置位置及數量和氧化製程的控制（例如氧氣濃度或/及氧化時間），可調整電流侷限層125的深度H1及形狀（氧化鋁的深度）進而定義電流導通區125A的形狀。在本實施例中，由上視圖視之，電流侷限層125為一概呈環形，且電流導通區125A為概呈圓形。

類似地，可設計第一半導體結構122、第二半導體結構126和活性結構124的材料，進行濕式氧化製程以形成阻絕結構I於其中。如第1B圖所示，阻絕結構I具有一深度H2小於電流侷限層125之一深度H1。深度H1為6-12um且深度H2為2 um -5um。或者，佈植氫離子（H ⁺）、氦離子（He ⁺）或氬離子（Ar ⁺）來進行離子佈植製程以形成阻絕結構I。

接觸層130係為一歐姆接觸層且與磊晶結構120形成電連接，其材料可包括金屬、金屬合金、金屬氧化物或半導體。金屬包括鋁（Al）、銀（Ag）、鉻 （Cr）、鉑（Pt）、鎳（Ni）、鍺（Ge）、鈹（Be）、金（Au）、鈦（Ti）、鎢（W）或鋅（Zn）。金屬合金包括上述金屬之合金。金屬氧化物（透明導電氧化物，Transparent Conductive Oxide, TCO）包括氧化銦錫（ITO）、氧化銦（InO）、氧化錫（SnO）、氧化鎘錫（CTO）、氧化銻錫（ATO）、氧化鋁鋅（AZO）、氧化鋅錫（ZTO）、氧化鎵鋅（GZO）、氧化銦鎢（IWO）、氧化鋅（ZnO）或氧化銦鋅（IZO）。半導體包含AlGaAs、GaAs或InGaP 。

請參閱第2A圖及第2B圖，其中第2A圖係根據本揭露之一實施例的半導體元件上視示意圖；以及第2B圖係沿第2A圖中的線A-A所示之半導體元件剖面示意圖。

本實施例之半導體元件200具有與第1A圖至第1C圖所示半導體元件100相同的構成與結構，惟其差異在於，半導體元件200具有一接合結構280，其位於半導體元件200中不具發光孔的區域的第一電極層160上並且覆蓋一部分溝槽162，以連接半導體元件200之第一電極層160的複數個（圖中所示為兩個）不相連的第一區域1601及第二區域1602。

在本實施例中，接合結構280係一金屬接合結構（例如金球或焊錫），並可進一步形成有對外連接之金屬線路（圖中未示）。在本實施例中，金屬接合結構280係覆蓋溝槽162的一部分（例如：覆蓋第二部分未覆蓋第一部分），從而使得半導體元件200的複數發光孔（例如第一發光孔125A1和第二發光孔125A2）共同對外導通，實現雷射元件晶片200的正常、完整運作功能。

在本揭露中，利用製程步驟將一顆具有複數個發光孔的半導體元件的電極層分為多個區塊，即可於點測時進行分區測試，判斷出特性不佳或亮度不均的發光孔；而後於電極層上打線形成接合結構，即可於實際使用時仍與一般具有複數個發光孔的半導體元件的操作完全相同。

需注意的是，本揭露所提之前述實施例係僅用於例示說明本揭露，而非用於限制本揭露之範圍。熟習本揭露所屬領域技藝之人對本揭露所進行之諸般修飾和變化皆不脫離本揭露之精神與範疇。不同實施例中相同或相似的構件、或不同實施例中以相同元件符號表示的構件係具有相同的物理或化學特性。此外，在適當的情況下，本揭露之上述實施例係可互相組合或替換，而非僅限於上文所描述的特定實施例。在一實施例中所描述的特定構件與其他構件的連接關係亦可應用於其他實施例中，其皆落於本揭露如附申請專利範圍之範疇。

100:半導體元件 110:基板 110A:第一表面 110B:第二表面 120:磊晶結構 122:第一半導體結構 124:活性結構 125:電流侷限層 125A:開口 125A1～125N4:發光孔 126:第二半導體結構 130:接觸層 140:凹部結構 140A:凹部結構 150:保護層 150A:第一開口 160:第一電極層 1601:第一區域 1602:第二區域 162:溝槽 170:第二電極層 200:半導體元件 280:接合結構

為能更進一步瞭解本揭露之特徵與技術內容，請參閱下述有關本揭露實施例之詳細說明及如附圖式。惟所揭詳細揭露及如附圖式係僅供參考與說明之用，並非用以對本揭露加以限制；其中：

第1A圖係根據本揭露之一實施例的半導體元件上視示意圖；

第1B圖係沿第1A圖中的線I-I所示之半導體元件剖面示意圖；

第1C圖係沿第1A圖中的線II-II所示之半導體元件剖面示意圖；

第2A圖係根據本揭露之一實施例的半導體元件上視示意圖；以及

第2B圖係沿第2A圖中的線A-A所示之半導體元件剖面示意圖。

無

100:半導體元件

110:基板

110A:第一表面

110B:第二表面

120:磊晶結構

122:第一半導體結構

124:活性結構

125:電流侷限層

125A:開口

125A1~125A4:發光孔

126:第二半導體結構

130:接觸層

140:凹部結構

140A:凹部結構

150:保護層

150A:第一開口

160:第一電極層

162:溝槽

170:第二電極層

Claims (10)

1. 一種半導體元件，包括： 一基板，具有一第一表面與一第二表面； 一磊晶結構，形成於該基板的該第一表面上且包含複數個發光孔；一第一電極層，位於該磊晶結構上且包含不相連的第一區域和第二區域；以及 一溝槽，位於該第一區域和該第二區域之間且具有一第一部分係對應於該磊晶結構之位置。
2. 如請求項1所述的半導體元件，更包含一凹部結構，形成於該磊晶結構內。
3. 如請求項2所述的半導體元件，其中，該溝槽更具有一第二部分係對應於該凹部結構之位置。
4. 如請求項3所述的半導體元件，其中，該凹部結構具有一第一寬度，該溝槽之該第二部分具有一第二寬度，該第二寬度小於該第一寬度。
5. 如請求項3所述的半導體元件，更包含一接合結構，未覆蓋該溝槽之該第二部分。
6. 如請求項1所述的半導體元件，更包含一接合結構，覆蓋該該溝槽之該第一部分。
7. 如請求項1所述的半導體元件，其中，該溝槽之該第一部分具有一第三寬度，該第三寬度大於、等於或小於該第二寬度。
8. 如請求項1所述的半導體元件，更包含一電流侷限層，位於該基板和該第一電極層之間。
9. 如請求項1所述的半導體元件，其中，該電流侷限層包含一電流侷限區和一電流導通區。
10. 如請求項1所述的半導體元件，其中，該第一電極層具有複數個開口，對應於該複數個發光孔。

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