TWI414082B - 具有過電壓保護之發光二極體晶片 - Google Patents

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Description

具有過電壓保護之發光二極體晶片
本發明涉及一種具有過電壓保護之發光二極體晶片。
光電組件會由於靜電放電(ESD)而受到破壞。在發光二極體晶片中，交變電場例如在施加至電路板中或外殼中時會造成晶片之損傷。
本發明的目的是在一種儘可能小的額外空間需求中保護一發光二極體晶片使不受過電壓的影響。
提供一種發光二極體晶片，其具有一種針對過電壓的保護裝置。此裝置以下稱為靜電放電保護裝置。
發光二極體晶片包括半導體層序列，其位於一載體上。藉由基板之特定區域之摻雜，將一靜電放電保護裝置積體化於載體基板中。
在一實施形式中，發光二極體晶片是一種薄膜發光二極體晶片。此處，半導體層序列生長在一例如含有藍寶石之基板上。半導體層序列之遠離該生長基板之此側是與另一載體基板相連接。此生長基板然後完全去除或一部份被去除。
半導體層序列具有一上接觸區和一下接觸區以用來達成電性接觸。此二個接觸區之一或二者例如可含有一透明的導電氧化物，其簡稱為TCO材料。在另一實施形式中，至少一接觸區包括一種金屬或金屬合金。適當的金屬是 鈀、鉑、鎳、金、銀、鋁、釕、鈦或一種具有上述金屬中的至少一種金屬之合金。
下接觸區較佳是藉由一種導電材料(例如，焊劑或導電性的黏合劑)而固定在該載體上。
在一較佳的實施形式中，該載體基板包括半導體材料，例如，矽、碳化矽、砷化鎵、氮化鎵或鍺。載體之位於靜電放電保護裝置外部之部份區域具有導電性。於此，該導電性藉由p摻雜或n摻雜來提高。為了達成電性接觸，一種電性連接面較佳是位於該載體之一遠離該半導體層序列之此側上。此連接面是與電路板之一導電軌結構相連接。
在另一實施形式中，該載體是電性絕緣載體且例如包括鋁或藍寶石之類的材料。在此種情況下，電性接觸可藉由通過該載體的接觸孔來達成，該載體具有導電性的材料。
半導體層序列之該上接觸區例如藉由一接合線而可被電性接觸。於此，在該上接觸區之一部份區域上施加金屬層(所謂接合墊)。此接合墊較佳是包括一種金屬(特別是金)或金屬合金。
一種導電性的連接材料固定在該接合墊上。例如，焊接一條接合線，其在另一端上是與一電路上的一連接區形成電性連接。
該靜電放電保護裝置較佳是積體化於該載體中，此時該載體基板之特定區域須特別地予以摻雜。
在發光二極體晶片連接至其它可能的組件(例如，電路板)之前或安裝至一外殼中之前，此種靜電放電保護裝置可保護該發光二極體晶片使不受過電壓所影響。
上述的部份區域藉由一種位障層而在電性上與其餘的載體基板相隔離。為了製成該位障層，須在基板中蝕刻一溝渠，溝渠中然後以一種絕緣材料(例如，氮化矽或二氧化矽)填入。
在一實施形式中，靜電放電保護裝置以二極體構成。
此處，該載體基板之第一區受到n-摻雜，與該第一區相鄰接的第二區受到p-摻雜。若此二極體是與半導體層序列反向平行地連接著，則發光二極體晶片至少在反向中受到保護使不受過電壓所影響。
在一較佳的實施形式中，須對該載體基板進行摻雜，以形成一種具有齊納(Zener)二極體特徵的二極體。此種齊納二極體在前向中具有一種對應於一般二極體的特徵。然而，反向中該齊納二極體由一特定的電壓開始成為低歐姆。於是，與齊納二極體成反向並聯的電子元件在前向及反向中都可受到保護使不受過電壓所影響。
在另一實施形式中，該靜電放電保護裝置具有其它電子元件的特徵。
在一較佳的實施形式中，該靜電放電保護裝置藉由一種導電結構而與半導體層序列相連接。
特別有利的是，將該靜電放電保護裝置和半導體層序列以互相反向並聯的方式而連接。導體結構例如與半導體層序列之上(upper)接觸區相連接。
導體結構較佳是藉由濺鍍、蒸鍍或電鍍沈積而產生。例如，電性導體結構可由金屬構成或一部份由金屬構成。另一方式是，亦可使用一種TCO材料或透明的導電塑料 層。這些材料較佳是藉由蒸鍍、壓製、噴濺或離心分離等方式施加而成。
在另一實施形式中，電性導體結構一部份或全部由一隔離層所圍繞著。
此隔離層至少位於該導體結構和半導體層序列之未與半導體層序列之上接觸區相鄰接的層之間。因此，可防止這些組件之間可能發生的短路。該隔離層例如包括氮化矽。
在一較佳的實施形式中，半導體層序列和基板是以電性絕緣層來包封著。
於是，電子組件可受到保護使不受化學和機械的影響。此種絕緣層用之適當材料例如可以是玻璃、塑料或聚矽氧。各別的材料例如可施加成預製成的層或藉由壓印、噴濺或離心分離等方式施加而成。
電性導體結構位於電性絕緣層上或由該絕緣層所圍繞著。
為了使半導體層序列和靜電放電保護裝置可被電性接觸，須在該絕緣層中設置多個凹口。該導體結構經由各凹口而與半導體層序列或靜電放電保護裝置之各連接區相連接。這些連接區類似於其它的電性連接，例如，就像藉由一接合線來對該接合墊形成電性接觸一樣。
絕緣層中的凹口較佳是藉由雷射加工法施加而成。為了製成該導體結構，例如可使用PVD方法(例如，濺鍍)而在該絕緣層上施加一種金屬層。此金屬層可藉由電鍍沈積來強化。
另一方式是，該導體結構亦可使用壓印法(特別是絲網 印刷法)施加而成。此外，亦可使用噴濺法或離心分離法來產生可導電的材料。
在形成電性導體結構之後，其可另外以一種電性絕緣之覆蓋層來覆蓋。此一絕緣的覆蓋層較佳是一種塑料層，例如，光阻層。
依據發光二極體晶片之至少一實施形式，該靜電放電-保護裝置在與半導體層序列之生長方向平行的方向中具有至少一n摻雜和至少一p摻雜之部分區域。該保護裝置較佳是只包括一個此種n摻雜和p摻雜之部分區域。此外，這些摻雜的部份區域在與半導體層序列之生長方向平行的方向中特別是以全等方式而配置著。換言之，n摻雜和p摻雜之部分區域準確地上下配置著。
依據發光二極體晶片之至少一實施形式，靜電放電保護裝置之至少一摻雜的部份區域是藉由該位障層來與載體的其餘的部份區域相隔開。換言之，該至少一摻雜的部份區域之材料和該載體之其餘的部份區域之材料之間未直接相接觸。
依據發光二極體晶片之至少一實施形式，該靜電放電保護裝置之摻雜的部份區域藉由該位障層而與載體之其餘的部份區域完全隔開且未與該載體之其餘的部份區域直接電性相接觸。”完全隔開”的意義是指，該摻雜的部份區域之材料和該載體之其餘的部份區域之材料之間未直接相接觸。電性上未直接相接觸是指，在摻雜的部份區域和該載體之其餘的部份區域之間不會直接有電流流動。因此，由摻雜的部份區域至該載體之其餘的部份區域的電流是間 接地經由半導體層序列或經由一連接面而流動，該連接面位於該載體之遠離半導體層序列之此側上。
依據發光二極體晶片之至少一實施形式，該位障層在一與半導體層序列之生長方向平行之方向中至少20%至最多80%是向內延伸至該半導體層序列中，特別是由該載體之面向該半導體層序列之此側來觀看時。
依據發光二極體晶片之至少一實施形式，該位障層之主延伸方向定向成平行於半導體層序列之生長方向。
依據發光二極體晶片之至少一實施形式，該位障層是由溝渠來形成。此溝渠例如藉由深反應式離子蝕刻來產生。
依據發光二極體晶片之至少一實施形式，該溝渠中以一種介電質固體材料(特別是氧化矽或氮化矽)來填入。
依據發光二極體晶片之至少一實施形式，該溝渠中以一種氣體(特別是空氣)來填入。
依據發光二極體晶片之至少一實施形式，該溝渠藉由深反應式離子蝕刻來產生且具有已結構化的壁。這些已結構化的壁例如可將填入至該溝渠中的材料較佳地黏合。此材料可以是氧化矽或氮化矽。
依據發光二極體晶片之至少一實施形式，該位障層藉由pn接面來形成。此pn接面特別是具有一種空間電荷區，其形成於該靜電放電保護裝置之p摻雜之部份區域和該載體之例如n摻雜之其餘的部份區域之間的界面上。
上述之半導體晶片和有利的佈置以下將依據未按比例而繪出之圖式來詳述。
相同或作用相同的元件在各圖式中以相同的元件符號來表示。
第1圖顯示一發光二極體晶片之實施形式，其具有一種靜電放電保護裝置2。半導體層序列1包括一活性層11以產生電磁輻射。此半導體層序列1配置在一載體3上。例如，半導體層序列1之層12是n摻雜且另一層13是p摻雜。
發光二極體晶片較佳是一種薄膜發光二極體晶片，其中該半導體層序列1用之生長基板完全去除或一部份去除。該載體3特別是與該生長基板不同。
一靜電放電保護裝置2積體化於載體3中，此保護裝置2藉由該載體3之二個部份區域21，22之摻雜而產生。此保護裝置2此處是以齊納二極體來構成，其中此保護裝置2之第一區21是p摻雜且第二區22是n摻雜。
一電性導體結構5將該靜電放電保護裝置2與半導體層序列1之上接觸區41相連接。在這樣所形成的多個組件之反向平行的連接中，發光二極體晶片在前向和反向中都可受到保護而不受過電壓所影響。
電性導體結構5例如包括一種金屬，一種TCO材料或塑料。
電性導體結構5的一部份由一包括氮化矽之絕緣層6所覆蓋。此絕緣層6至少位於該導體結構5和該半導體層序列之未與該上接觸區41相鄰接的層13之間。於是，可使這些組件不會發生短路。
在一較佳的實施形式中，半導體層序列1和基板3是 以電性絕緣層來包封著。電性導體結構5位於該絕緣層上或由該絕緣層所圍繞著。
靜電放電保護裝置2藉由位障層31而在電性上與其餘的載體基板32相絕緣或完全隔開，使部份區域21，22之材料未與該載體3之其餘的部份區域32直接形成電性接觸。為了製成該位障層31，例如需在該基板3中蝕刻一種溝渠，其然後以一種絕緣材料(例如，氮化矽或氧化矽)來填入。此溝渠在一種與半導體層序列1之生長方向平行的方向中完全貫穿該載體3。
半導體層序列1具有一種下接觸區43和上接觸區41以達成電性接觸。此二個接觸區之一或全部例如可包括一種透明的導電氧化物。在一實施形式中，至少一接觸區包括一種金屬或金屬合金。適當的金屬例如可以是鈀、鉑、鎳、金、銀、鋁、釕、鈦或一具有這些材料中的至少一種的合金。
下接觸區43較佳是藉由導電材料(例如，焊劑)或導電的黏合劑而固定在該載體基板3上。
在一較佳的實施形式中，該載體3包括半導體材料，例如，矽、碳化矽、砷化鎵、氮化鎵或鍺。載體3之部份區域32位於該靜電放電保護裝置2之外部，此部份區域32具有導電性。於此，該導電性可藉由p摻雜或n摻雜來提高。為了達成電性接觸，該載體3在遠離該半導體層序列1之此側上應具有一電性連接面42。此連接面42可與一電路板之導電軌結構相連接。
第2圖顯示第1圖之半導體晶片之俯視圖。半導體層 序列1之遠離此載體3之層12佔有所示區域之大部份。此外，可看到上述之上接觸區41和電性連接面44。此連接面44此處可以金屬化的層(所謂接合墊)來構成，其例如含有金。在該連接面44上可焊接一導電的連接件(例如，一種接合線)，其另一端是與電路板上的另一連接區形成電性連接。
載體3在圖中之邊緣區域中未完全由半導體層序列1所覆蓋且因此可在俯視圖中辨認出。在該俯視圖之左下方之角落中，半導體層序列1具有一凹口。由絕緣層6所覆蓋的該靜電放電保護裝置2位於該凹口處。電性的導體結構5將該靜電放電保護結構2經由該絕緣層6而與該半導體層序列1之上接觸區41相連接。
第3圖顯示類似於第1圖之發光二極體晶片之實施例。載體3此處是n摻雜。由載體3之面向位半導體層序列1之此側來觀看時，該位障層31伸入至該載體3之大約50%處。位障層31藉由溝渠來形成，溝渠中例如以氮化矽或空氣來填入。靜電放電保護裝置2之p摻雜的部份區域藉由該位障層31而與載體3之其餘的部份區域32相隔開，即，部份區域21，32之材料未直接互相接觸。此外，靜電放電保護裝置2之部份區域21，22在一種與半導體層序列1之生長方向平行的方向中互相重疊。
在第4圖之實施例中，位障層31是由靜電放電保護裝置2之p摻雜的部份區域21和n摻雜的部份區域22之間的pn接面以及載體3之其餘的部份區域32所形成。半導體層序列1之與載體3相面對的層13在此種情況下較佳是p摻雜者，半導體層序列1之與載體3相遠離的層12較佳是n 摻雜者。
在發光二極體晶片正常操作時，在該載體3上例如施加一種正電壓，且在該上接觸區41上施加一種負電壓。於是，電流經由該上接觸區41、n摻雜之層12、活性層11、p摻雜之層13和該下接觸區43以及情況需要時亦經由該載體3而流動。由於p摻雜之部份區域21是與連接成陰極的該上接觸區41相連接，則在該發光二極體晶片正常操作時電流未由p摻雜的部份區域21流至n摻雜的部份區域22。
若該發光二極體晶片未在操作中而未施加一確定的外部電壓時，則在靜電保護情況下在該半導體層序列1的截止方向中產生一種電壓時將有電流經由摻雜的部份區域21、22而流出，以防止該發光二極體晶片被破壞。
該位障層31之製造方法顯示在第5圖中。依據第5A圖，在載體3上施加一種光阻9且予以結構化。應形成有該位障層31的各區域是由該光阻9所覆蓋。
依據第5B圖，蝕刻過程是以深反應式離子蝕刻來進行，以便在由該光阻所覆蓋的各區域中將該載體3之材料予以剝蝕且因此形成一種溝渠7。此溝渠7當然只具有一種小的深度。
在下一步驟中，如第5C圖所示，在光阻9和溝渠7上施加一種鈍化層90。
由第5D圖可知，在待蝕刻的各區域中將該鈍化層90去除，以便在下一蝕刻步驟中使該溝渠7加深。
第5C和5D圖之步驟因此經常重複，直至該溝渠7達到所期望的深度為止，請比較第5E圖。
最後，將該鈍化層90和光阻9都去除，使該載體3和溝渠7以所期望的深度而裸露出。由於該溝渠7重複地蝕刻，則該溝渠7之壁8具有一種結構。此結構例如可在一種可選擇的(optional)下一步驟中(其中須將一種材料設置在該溝渠7中)使該材料較佳地黏合至該壁8上且因此亦黏合至該溝渠7中。
本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍-或不同實施例之各別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。
本專利申請案主張德國專利申請案DE 10 2007 061 479.0之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
1‧‧‧半導體層序列
11‧‧‧活性區
12‧‧‧半導體層序列之遠離該載體之層
13‧‧‧半導體層序列之面向該載體之層
2‧‧‧靜電放電保護裝置
21‧‧‧該保護裝置之p摻雜部份區域
22‧‧‧該保護裝置之n摻雜部份區域
3‧‧‧載體
31‧‧‧位障層
32‧‧‧其餘之載體基板，其不屬於該保護裝置
41‧‧‧上接觸區
42‧‧‧連接面
43‧‧‧下接觸區
44‧‧‧電性連接面
5‧‧‧電性導體結構
6‧‧‧絕緣層
7‧‧‧溝渠
8‧‧‧溝渠之壁
9‧‧‧光阻
90‧‧‧鈍化層
第1圖 具有一積體化於載體中的齊納二極體之半導體晶片之切面圖。
第2圖 顯示第1圖之半導體晶片之俯視圖。
第3圖 具有位障層之半導體晶片之切面圖，該位障層未完全貫穿該載體。
第4圖 半導體晶片之切面圖，其中該位障層由pn接面所形成。
第5圖 以溝渠形成半導體晶片的位障層時之製程的圖解。
1‧‧‧半導體層序列
11‧‧‧活性區
12‧‧‧半導體層序列之遠離該載體之層
13‧‧‧半導體層序列之面向該載體之層
2‧‧‧靜電放電保護裝置
21‧‧‧該保護裝置之p摻雜部份區域
22‧‧‧該保護裝置之n摻雜部份區域
3‧‧‧載體
31‧‧‧位障層
32‧‧‧其餘之載體基板，其不屬於該保護裝置
41‧‧‧上接觸區
42‧‧‧連接面
43‧‧‧下接觸區
44‧‧‧電性連接面
5‧‧‧電性導體結構
6‧‧‧絕緣層

Claims (15)

  1. 一種發光二極體晶片，包括：半導體層序列(1)，其位於載體(3)上；以及靜電放電保護裝置(2)，其保護該發光二極體晶片不受過電壓影響，其中，該半導體層序列(1)包括n摻雜的層(12)及p摻雜的層(13)，該靜電放電保護裝置(2)藉由該載體(3)之部份區域(21，22)之摻雜而產生，且該靜電放電保護裝置(2)之至少一個摻雜的部份區域(21，22)係藉由位障層(31)而與該載體(3)之其餘的部份區域(32)隔開，其中該靜電放電保護裝置(2)包括至少一個n摻雜的部份區域(22)及至少一個p摻雜的部份區域(21)，該靜電放電保護裝置(2)藉由電性導體結構(5)而與該半導體層序列(1)反向並聯地(anti-parallel)連接，且該半導體層序列(1)至少一部份是由絕緣層(6)所覆蓋，電性導體結構(5)位於該絕緣層(6)上，位障層(31)係藉由填入氧化矽或氮化矽的溝渠(7)形成，或者是形成該位障層(31)用的溝渠(7)被填入氣體。
  2. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片，其中靜電放電保護裝置(2)以二極體來形成。
  3. 如申請專利範圍第2項之發光二極體晶片，其中靜電放電保護裝置(2)以齊納二極體來形成。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之發光二極體晶片，其中靜 電放電保護裝置(2)被絕緣層(6)覆蓋。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之發光二極體晶片，其中該電性導體結構(5)至少部份地被絕緣層(6)覆蓋。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之發光二極體晶片，其中該基板(3)至少部份地被絕緣層(6)覆蓋。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之發光二極體晶片，其中該電性導體結構(5)藉由濺鍍、蒸鍍或電鍍沈積而產生。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之發光二極體晶片，其中靜電放電保護裝置(2)的部份區域(21，22)係配置在與該半導體層序列(1)之生長方向平行的方向上。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之發光二極體晶片，其中該半導體層序列(1)於有該靜電放電保護裝置(2)存在的邊緣區域具有凹口，該靜電放電保護裝置未被該半導體層序列(1)覆蓋。
  10. 如申請專利範圍第1或2項之發光二極體晶片，其中靜電放電保護裝置(2)之摻雜的部份區域(21，22)藉由該位障層(31)而與該載體(3)之其餘的部份區域(32)完全相隔開且未與該其餘的部份區域(32)直接電性接觸。
  11. 如申請專利範圍第1或2項之發光二極體晶片，其中該位障層(31)在與該半導體層序列(1)之生長方向平行的方向上伸入該載體(3)至少達到20%且最多達到80%。
  12. 如申請專利範圍第1或2項之發光二極體晶片，其中該位障層(31)完全貫穿該載體(3)。
  13. 如申請專利範圍第6項之發光二極體晶片，其中該半導體層序列(1)和該載體(3)被絕緣層(6)包封且該電性導體 結構(5)被絕緣層(6)包封。
  14. 如申請專利範圍第1或2項之發光二極體晶片，其中該溝渠(7)藉由深反應式離子蝕刻來產生且具有已結構化的壁(8)。
  15. 如申請專利範圍第1或2項之發光二極體晶片，其在該載體(3)之遠離該半導體層序列(1)之側上具有與電路板連接的電性連接面(42)，且在該半導體層序列(1)之遠離該載體(3)之側上具有與接合線(bonding wire)連接的另一個電性連接面(44)。
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