TWI609509B - 用於發光裝置之側邊互連 - Google Patents

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Description

用於發光裝置之側邊互連
本發明係關於一種半導體發光裝置，其中至少一個互連毗鄰於半導體結構而非在該半導體結構下方安置。
包含發光二極體(LED)、共振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)及邊緣發射雷射之半導體發光裝置皆在當前可用之最有效光源之列。在能夠跨越可見光譜操作之高亮度發光裝置之製造中當前所關注之材料系統包含III-V族半導體，尤其係鎵、鋁、銦及氮之二元、三元及四元合金(亦稱作III氮化物材料)。通常，藉由以下操作來製作III氮化物發光裝置：藉由金屬有機化學汽相沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)或其他磊晶技術在一藍寶石、碳化矽、III氮化物或其他適合基板上磊晶生長不同組合物及摻雜劑濃度之一半導體層堆疊。該堆疊通常包含形成於基板上方摻雜有(舉例而言)Si之一或多個n型層、形成於該(等)n型層上方之一作用區域中之一或多個發光層及形成於該作用區域上方摻雜有(舉例而言)Mg之一或多個p型層。在該等n型及p型區域上形成電觸點。
圖1圖解說明US 7,348,212中所闡述之一裝置。圖1圖解說明附接至一座架之一覆晶發光裝置。覆晶裝置包含附接至半導體裝置層74之一基板73，半導體裝置之層包含安置於一n型區域與一p型區域之間的至少一個發光或作用層。N型觸點71及p型觸點72電連接至半導體結 構74之n及p型區域。半導體結構74經由觸點71及72連接至座架70。用以將半導體結構74連接至座架70之一金屬至金屬互連係藉由以下操作形成：首先在座架70上形成薄金屬層76b及77b並在觸點71及72上形成薄金屬層76a及77a；然後將薄金屬層以微影方式圖案化成所要配置，從而產生呈所要形狀之薄金屬區域。在圖案化薄金屬區域76a、77a、76b及77b之後，將厚延性金屬層78及79電鍍於座架70或觸點71及72上，(因此)區域76a及77a或區域76b及77b上。金屬層78及79經挑選係延性的，具有高導熱性及導電性且對氧化具有合理抵抗性。然後將半導體裝置定位於座架70上且藉由引起薄金屬層76a、77a、76b、77b與厚金屬層78及79之間的交互擴散之任何程序而鄰接裝置及座架。適合程序之實例包含熱音波接合及熱壓縮接合，其中將裝置及座架加熱至(舉例而言)介於150℃與600℃之間的一溫度(通常300℃至600℃)且以對互連區之(舉例而言)介於10N/mm2與200N/mm2之間的一壓力按壓在一起。
本發明之一目標係提供一種具有毗鄰於半導體結構而非在該半導體結構下面安置之一互連之發光裝置。
本發明之實施例包含一半導體結構，該半導體結構包含安置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層。一金屬n觸點連接至該n型區域。一金屬p觸點與該p型區域直接接觸。一互連電連接至該n觸點及該p觸點中之一者。該互連毗鄰於該半導體結構而安置。
本發明之實施例包含一半導體結構，該半導體結構包括安置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層。一金屬n觸點與該n型區域直接接觸。一金屬p觸點與該p型區域直接接觸。一第一互連電連接至該n觸點及該p觸點中之一者。一第二互連電連接至該n觸點及該p觸點中之另一者。該半導體結構安置於該第一互連上面。該半導體結構之任 何部分皆不安置於該第二互連上面。
10‧‧‧底部表面
12‧‧‧間隙
14‧‧‧n互連/互連
16‧‧‧p互連/互連
22‧‧‧半導體結構/區域
24‧‧‧區域
26‧‧‧導通孔/n觸點區域
30‧‧‧生長基板/基板/導電基板
32‧‧‧n型區域
34‧‧‧作用區域/發光區域
35‧‧‧半導體結構
36‧‧‧p型區域
38‧‧‧電介質/介電層
40‧‧‧p金屬層/反射p金屬/反射金屬/高反射材料/p金屬/p觸點反射金屬/p觸點金屬/反射材料
42‧‧‧p金屬層/防護金屬/p金屬/p觸點金屬
44‧‧‧電介質/介電層
46‧‧‧n金屬層/n觸點金屬/n觸點
50‧‧‧結構/波長轉換材料
70‧‧‧座架
71‧‧‧n型觸點/觸點
72‧‧‧p型觸點/觸點
73‧‧‧基板/生長基板
74‧‧‧半導體裝置層/半導體結構
76a‧‧‧薄金屬層/薄金屬區域/區域
76b‧‧‧薄金屬層/薄金屬區域/區域
77a‧‧‧薄金屬層/薄金屬區域/區域
77b‧‧‧薄金屬層/薄金屬區域/區域
78‧‧‧厚延性金屬層/厚金屬層/金屬層/互連
79‧‧‧厚延性金屬層/厚金屬層/金屬層/互連
80‧‧‧正方形/半導體結構
82‧‧‧矩形/區
圖1圖解說明具有大面積金互連之一發光裝置。
圖2係具有一側邊互連之一發光裝置之一仰視圖。
圖3係圖2中所圖解說明之裝置之一剖面圖。
圖4係圖2及圖3中所圖解說明之裝置之一部分之一剖面圖。
圖5及圖6圖解說明側邊互連之替代配置。
圖7係具有一導電基板及一側邊互連之裝置之一部分之一剖面圖。
圖8係圖7中之剖面中所部分圖解說明的具有一側邊互連之一發光裝置之一仰視圖。
圖9係圖8中所圖解說明之裝置之一俯視圖；在不同各圖中且用相同元件符號標示之類似結構可係相同結構或提供相同功能之結構。
在圖1中所圖解說明之裝置中，互連78及79皆安置於半導體結構74下面。互連78及79通常藉由一間隙或一通道而彼此電隔離。尤其在其中移除生長基板73之裝置中，通常用諸如環氧樹脂之一絕緣材料填充間隙以便以機械方式支撐半導體結構74。此等填充材料通常具有極不良導熱性，此限制互連結構之總熱傳導且限制橫向熱擴散在互連結構中之量，此可導致可減少裝置效率或甚至導致裝置故障之熱點。舉例而言，在某些裝置中，在通道中發生熱機械誘發之破裂或其他可靠性問題。
在本發明之實施例中，互連中之至少一者毗鄰於半導體結構或在該半導體結構之側上而非在該半導體結構下面安置。
儘管在下文實例中該半導體發光裝置係發射藍色或UV光之III氮 化物LED，但亦可使用除LED外的諸如雷射二極體之半導體發光裝置及由諸如其他III-V材料、III磷化物、III砷化物、II-VI材料、ZnO或基於Si之材料之其他材料系統製成之半導體發光裝置。
圖2圖解說明根據本發明之實施例之一裝置之一仰視圖。圖3圖解說明平行於仰視圖的圖2之裝置之一剖面圖。圖4係垂直於仰視圖的圖2及圖3中所圖解說明之裝置之一部分之一剖面圖。
圖2圖解說明配置於諸如一LED之一發光裝置之底部表面上之互連。一n互連14經由一n觸點電連接至n型區域，如圖4中所圖解說明及下文所闡述。n互連14安置於半導體結構下面。兩個p互連16安置於n互連14之任一側上。通常用一介電材料填充之一間隙12將p互連16與n互連14電隔離。包含發光區域之半導體結構自p互連16之區域移除或並不形成於p互連16之區域中。
圖3圖解說明自頂部觀看的圖2之裝置。出於簡便性，在圖3中不包含可係裝置之部分且在圖4中圖解說明之一波長轉換材料及生長基板。半導體結構22係裝置之中心中之一矩形。在半導體結構22之任一側上之兩個區域24中，移除或不形成半導體結構。不具有半導體材料之區域24與結構之底部上之間隙12及p互連16對準。
圖3中所圖解說明之裝置係一覆晶裝置，亦即，n觸點及p觸點兩者皆形成於半導體結構之一側上且大部分光透過半導體結構之另一側提取。在圖3之半導體結構中圖解說明多個導通孔26。導通孔26經蝕刻穿過半導體結構以曝露其上可形成一n觸點之n型區域之一部分。p觸點形成於環繞導通孔26之半導體區上。儘管圖3圖解說明n觸點導通孔之一6×10陣列，但可製成n觸點及p觸點之任何適合配置，包含一單個n觸點而非n觸點導通孔之一陣列。另外，n觸點區域26不需要如所圖解說明為橢圓形且可係包含(舉例而言)正方形、矩形或圓形之任何適合形狀。
圖4係圖2及圖3中所圖解說明之裝置之一部分之一剖面圖。圖4中所圖解說明之結構未必按比例。舉例而言，與p互連16及n互連14相比，諸如半導體結構35、p金屬層40及42以及n金屬層46之結構可比所繪示薄的多。此外，與p互連16及n互連14相比，導通孔26之深度可比所繪示小的多。如上文所闡述，圖2圖解說明圖4之裝置之底部表面10。圖3係在圖4中之(若干)導通孔26之位階處所截取之一剖面圖。
圖2、圖3及圖4中所圖解說明之裝置係藉由在一生長基板30上生長一半導體結構35而形成，如此項技術中已知。生長基板30可係諸如(舉例而言)藍寶石、SiC、Si、GaN或一複合基板之任何適合基板。在某些實施例中，生長基板30之厚度與總晶粒面積(包含下文所闡述之側邊互連面積)之平方根成比例。在某些實施例中，對於一1mm2晶粒，基板厚度可係至少200μm厚。在某些實施例中，將其上生長有半導體結構的基板30之表面在生長之前粗糙化或圖案化，此舉可改良自裝置之光提取。該半導體結構包含夾在n與p型區域之間的一發光或作用區域。可首先生長一n型區域32且其可包含不同組合物及摻雜劑濃度之多個層，舉例而言，包含諸如緩衝層或成核層之製備層及/或經設計以促進生長基板之移除之層(其可係n型或未經有意摻雜)，及針對為使發光區域有效地發射光而期望之特定光學、材料或電性質而設計之n型或甚至p型裝置層。在該n型區域上方生長一發光或作用區域34。適合發光區域之實例包含一單個厚或薄發光層或一多量子井發光區域，該多量子井發光區域包含由障壁層分離之多個薄或厚發光層。然後，可在發光區域上方生長一p型區域36。如同n型區域，該p型區域可包含不同組合物、厚度及摻雜劑濃度之多個層，包含未經有意摻雜之層或n型層。圖4中之結構展示為相對於半導體結構之生長方向翻轉。
在半導體結構之生長後，在裝置之邊緣處之區域24中，蝕除半 導體結構之整個厚度以顯露生長基板30。可形成並圖案化一電介質38(諸如矽或任何其他適合材料之一種氧化物或氮化物)以電隔離經蝕刻區域之邊緣。(圖4圖解說明具有一絕緣基板之一裝置且因此展示僅隔離半導體結構35之邊緣之電介質38。電介質38可覆蓋半導體結構35之整個邊緣或其可延伸超過包含作用區域之邊緣之一部分。在具有一導電基板之一裝置中，在區域24中，電介質38在基板30與反射p金屬40之間延伸以防止p互連16透過基板30使裝置短路)。如下文所闡述，區域24及導通孔26可在單獨蝕刻步驟中形成，或其可在相同蝕刻步驟中形成。在形成電介質38後，在半導體結構35上方、在電介質38上方且在區域24中之生長基板30之所曝露表面上方形成一p觸點。如圖4中所圖解說明，p觸點包含形成於p型區域36上之一反射金屬40。反射金屬40通常係銀的，但可係任何適合金屬或一多層堆疊。一防護金屬42可安置於反射金屬40上方。防護金屬42防止或減少反射金屬40之電遷移。如圖4中所圖解說明，防護金屬42可延伸超過反射金屬40之邊緣以便囊封反射金屬40。反射金屬40覆蓋半導體結構35之側壁，及因此可改良自裝置之光提取。
在形成p觸點後，穿過p觸點金屬、p型區域36、作用區域34蝕刻導通孔26以曝露n型區域32之一部分。可用一電介質44給導通孔26之側壁加襯以防止作用區域34之短路。電介質44可係矽或任何其他適合材料之一種氧化物或氮化物。一n觸點金屬46形成於電介質44上方且與n型區域32直接接觸。n觸點金屬至n型區域32之電連接可在導通孔26內側或底部處。N觸點金屬46通常係鋁，但可使用任何適合金屬或一多層堆疊。
將形成n互連14及p互連16之一厚金屬層安置於n觸點金屬46之後的結構上。互連14及16可係金、銅或包含一多層堆疊之任何其他適合金屬。在某些實施例中，互連14及16係反射的。舉例而言，互連14及 16可製成反射的以便增加互連之側壁之反射率。用一高反射材料40(反射p觸點金屬)及防護金屬42來塗佈最接近基板30之互連16之頂部表面。反射金屬40可增加基板內側之光之反射性。
將厚金屬層圖案化以開放電隔離n互連14與p互連16之一間隙12。可用諸如聚矽氧、環氧樹脂、聚合物、一有機材料、苯并環丁烯(BCB)或任何其他適當材料之一電介質來填充間隙12。在某些實施例中，用諸如BCB之一電介質來填充間隙12，此避免由於熱機械問題所致之破裂及其他可靠性相關問題。N互連14與n觸點金屬46電接觸且藉由介電層44與p金屬40及42電隔離。P互連16與p金屬40及42電接觸且藉由間隙12與n觸點金屬46電隔離。側邊互連或互連(圖2至圖4之裝置中之p互連16)在某些實施例中可係至少300μm寬且在某些實施例中不超過500μm寬。間隙12在某些實施例中可係至少100μm寬且在某些實施例中不超過300μm寬。互連14及16用以將LED電連接至諸如一印刷電路板或任何其他適合結構之一外部結構。在某些實施例中，互連14及16之極性係相反的以使得側邊互連16電連接至n型區域且另一互連14電連接至p型區域。可藉由適當地圖案化電介質38及44以及間隙12而使互連14及16之極性與圖4中所展示之配置相反。可需要一或多個額外電介質及/或金屬層。可修改所闡述及所圖解說明之蝕刻步驟，或可包含一或多個額外蝕刻步驟。在圖7中圖解說明其中互連14及16之極性與圖4中所展示之配置相反之一裝置之一項實例。
可包含(舉例而言)一波長轉換材料、一濾光器及光學結構(諸如透鏡)中之一或多者之一結構50可安置於生長基板30上方。在某些實施例中，生長基板30保持為最終裝置之部分。在其他實施例中，將生長基板30薄化或自半導體結構35整個移除。
如圖4中所圖解說明，半導體結構35安置於n互連14與生長基板30之間，或n互連14與其中移除生長基板30之波長轉換材料50之間。 無半導體結構安置於p互連16與生長基板30之間，或p互連16與波長轉換材料50之間。p互連16侷限於不具有半導體材料之一區域。
該等互連並非限制於圖2中所圖解說明之配置。圖5及圖6圖解說明具有互連之替代配置之裝置之底部。在圖5中所圖解說明之裝置中，半導體結構安置於裝置之中心處之正方形80中。p互連16安置於半導體結構之三個側上且實質上環繞該半導體結構。n互連14安置於半導體結構之一側上。儘管不需要，但n互連14在圖5中所圖解說明之配置中之整個半導體結構80下面延伸。
在圖6中所圖解說明之裝置中，半導體結構安置於裝置之中心處之矩形82中。n互連14安置於半導體結構之一側上且p互連16安置於半導體結構之另一側上。恰好在半導體結構下面之區82可用於散熱且在裝置中可不涉及電。
可藉由適當地圖案化電介質38及44以及間隙12而製成圖5及圖6中所圖解說明之互連配置。可修改所闡述及所圖解說明之蝕刻步驟，或可包含一或多個額外蝕刻步驟。在某些實施例中，可使用一或多個額外電介質或金屬層以便視需要配置p互連及n互連。
圖8圖解說明根據本發明之實施例之具有一導電基板之一裝置之一仰視圖。圖9圖解說明圖8之裝置之一俯視圖。圖7係圖8及圖9中所圖解說明之裝置之一部分之一剖面圖。
如圖8中所圖解說明，n互連14安置於區域24(其中自基板30移除半導體結構35之區域)中。p互連16安置於圖9中所展示之區域22中之半導體結構35下面。N互連14及p互連16藉由間隙12彼此電隔離，可用一電介質來填充間隙12，如上文所闡述。
圖7中所圖解說明之結構係以與圖4中所圖解說明之結構類似之一方式形成。p觸點反射金屬40及防護金屬42形成於p型區域36上。一介電層38經形成以隔離半導體結構35之經蝕刻邊緣。電介質38沿著其 中移除半導體結構35之區域24中之生長基板30之一部分延伸。
n觸點金屬46形成於區域24中，與導電基板30直接接觸。N觸點金屬46藉由電介質38與p觸點金屬40及42電隔離。在給裝置加正向偏壓時，電子自n互連14穿過n觸點46穿過導電基板30穿過n型區域32到達發光區域34。電洞自p互連16穿過p觸點金屬40及42穿過p型區域36到達發光區域34。如圖9中所圖解說明，不需要導通孔。因此，圖7中所圖解說明之裝置可比具有經形成以容納n觸點金屬之一類似大小裝置(如圖4中所圖解說明)具有更大發光區域面積。
在本文中所闡述之實施例中之某些實施例中，與不具有側邊互連之習用裝置相比，改良了LED之反射性。舉例而言，圖3中之區域24係高反射的，在某些實施例中甚至比區域22更反射，此乃因毗鄰於基板30(圖4中所圖解說明)之反射材料40係極反射的。可藉由將一分散式布拉格反射器(DBR)安置於反射材料40與基板30之間而進一步改良區域24中之反射性。為形成一DBR，將如此項技術中已知之不同折射率之若干層之一交替堆疊安置於反射材料40與基板30之間。一DBR可經調諧以沿特定方向反射光及/或引導光以(舉例而言)增強自基板30至周圍或至結構50中之光提取。
本文中所闡述之側邊互連可具有數個優點。由於半導體結構下面之所有或幾乎所有空間皆被一互連或其他導熱結構佔用，因此該裝置可具有比在半導體結構下面包含一間隙以電隔離互連之一裝置(諸如圖1之裝置)低之熱阻。可增強橫向熱擴散且可減少或消除熱點。在其中自基板移除半導體結構之區域中之反射p觸點金屬可(舉例而言)藉由反射藉由一波長轉換層背向散射之光而改良自裝置之光提取。半導體結構下面之生長基板及/或互連可在不具有任何間隙之情況下以機械方式支撐半導體結構，此可防止或減少與一非經支撐半導體結構相關聯之故障機構之發生。此外，由於最多僅一個互連安置於半導體 結構下面，因此n觸點設計係靈活的且可經最佳化用於(舉例而言，藉助如圖3中所圖解說明之大數目個小觸點導通孔)使電流擴散穿過n層。
詳細闡述本發明後，熟習此項技術者將瞭解，在給出本揭示內容之情況下，可在不背離本文中所闡述之本發明概念之精神之情況下對本發明做出修改。因此，並不意欲將本發明之範疇限制於所圖解說明及闡述之特定實施例。
10‧‧‧底部表面
12‧‧‧間隙
14‧‧‧n互連/互連
16‧‧‧p互連/互連
24‧‧‧區域
26‧‧‧導通孔/n觸點區域
30‧‧‧生長基板/基板/導電基板
32‧‧‧n型區域
34‧‧‧作用區域/發光區域
35‧‧‧半導體結構
36‧‧‧p型區域
38‧‧‧電介質/介電層
40‧‧‧p金屬層/反射p金屬/反射金屬/高反射材料/p金屬/p觸點反射金屬/p觸點金屬/反射材料
42‧‧‧p金屬層/防護金屬/p金屬/p觸點金屬
44‧‧‧電介質/介電層
46‧‧‧n金屬層/n觸點金屬/n觸點
50‧‧‧結構/波長轉換材料

Claims (15)

  1. 一種發光裝置，其包括：一半導體結構，其包括安置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層，該半導體結構具有一第一側及一第二側，其中該第二側相對於(opposite)該第一側；一金屬n觸點(metal n-contact)，其連接至該n型區域，及一金屬p觸點，其與該p型區域直接接觸，其中該n觸點與該p觸點兩者皆形成於該半導體結構之該第一側上，其中提取自(extracted from)該半導體結構之大部分光係提取自該半導體結構之該第二側；及一互連(interconnect)，其與該n觸點及該p觸點中之一者直接接觸，其中該互連毗鄰於(adjacent to)該半導體結構而安置。
  2. 如請求項1之發光裝置，其進一步包括上覆於該互連及該半導體結構之一生長基板。
  3. 如請求項2之發光裝置，其中無半導體材料安置於該互連與該生長基板之間。
  4. 如請求項2之發光裝置，其中該互連係一第一互連，該裝置進一步包括電連接至該n觸點及該p觸點中之另一者之一第二互連，其中該半導體結構安置於該第二互連與該生長基板之間。
  5. 如請求項4之發光裝置，其中該第一互連電連接至該p觸點且該第二互連電連接至該n觸點。
  6. 如請求項2之發光裝置，其中該互連係一第一互連，該裝置進一步包括電連接至該n觸點及該p觸點中之另一者之一第二互連，其中該第二互連毗鄰於該半導體結構而安置。
  7. 如請求項2之發光裝置，其中該p觸點安置於該互連與該生長基 板之間。
  8. 如請求項2之發光裝置，其中該生長基板係導電的，且該金屬n觸點安置於該生長基板與該互連之間，該互連與該生長基板直接接觸。
  9. 如請求項1之發光裝置，其中該p觸點安置於該半導體結構之一側壁上方及該互連上方。
  10. 如請求項9之發光裝置，其中該p觸點安置於一分散式布拉格反射器與該互連之間。
  11. 一種半導體發光裝置，其包括：一半導體結構，其包括安置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層，該半導體結構具有一第一側及一第二側，其中該第二側相對於該第一側；一金屬n觸點，其與該n型區域直接接觸，及一金屬p觸點，其與該p型區域直接接觸，其中該n觸點與該p觸點兩者皆形成於該半導體結構之該第一側上，其中提取自該半導體結構之大部分光係提取自該半導體結構之該第二側；及一第一互連，其電連接至該n觸點及該p觸點中之一者，及一第二互連，其電連接至該n觸點及該p觸點中之另一者，其中該半導體結構安置於該第一互連上面且無半導體結構安置於該第二互連上面。
  12. 如請求項11之半導體發光裝置，其進一步包括安置於該半導體結構及該第二互連上面之一生長基板。
  13. 如請求項12之半導體發光裝置，其進一步包括安置於該生長基板上面之一波長轉換材料。
  14. 如請求項11之半導體發光裝置，其中該p觸點安置於該半導體結構之一側壁上方及該第二互連上方。
  15. 如請求項14之半導體發光裝置，其中該p觸點安置於一分散式布拉格反射器與該第二互連之間。
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