TWI631738B - 光電半導體裝置及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種光電半導體裝置，包括導電載體；半導體層主體，具有第一半導體層、第二半導體層、及用以產生電磁輻射的輻射發射層，半體層主體具有至少一個延伸穿過輻射發射層的凹部；第一電極及第二電極；第一電性連接層，電性連接於第一半導體層與第一電極之間；第二電性連接層，電性連接於第二半導體層與第二電極之間，且透過凹部自導電載體向第二半導體層延伸；以及齊納二極體結構，間隔於第一電性連接層及第二電性連接層之間， 使第一電性連接層與第二電性連接層電性相依，其中齊納二極體結構的至少一部分結構位於第一電極及該第二電極之間的電流通路中。
Description
本發明係關於一種光電半導體晶片，特別是關於一種具電路保護元件的半導體發光裝置。
在高功率的光電半導體裝置，例如發光二極體晶片中，常常需要適當的靜電放電(electrostatic discharge，ESD)防護措施，來保護發光二極體晶片。傳統的作法通常是要在發光二極體晶片之外額外並聯二極體等保護元件，然而如此的作法通常會增加成本及佔用電子產品電路佈局的空間，另外一種作法則是把保護二極體整合至發光二極體的製程中，但現有技術無法針對不同的需求輕易的調整變化，因而增加了設計上和生產上的成本，及不同用應用狀況下產品製造彈性變化的不足。
本發明的目的之一，即為解決上述困擾而提供一具有靜電放電防護功能的光電半導體裝置及其製程。
本發明提供一種光電半導體裝置，包括導電載體；半導體層主體，具有第一半導體層、第二半導體層、及用以產生電磁輻射的輻射發射層，其中輻射發射層夾設於第一半導體層及第二半導體層之間、第二半導體層位於輻射發射層遠離導電載體的一側、且半體層主體具有至少一個延伸穿過輻射發射層的凹部；第一電極及第二電極；第一電性連接層，電性連接於第一半導體層與第一電極之間；第二電性連接層，電性連接於第二半導體層與第二電極之間，且透過凹部自導電載體向第二半導體層延伸；以及齊納二極體結構，間隔於第一電性連接層及第二電性連接層之間， 使第一電性連接層與第二電性連接層電性相依，其中齊納二極體結構的至少一部分結構位於第一電極及該第二電極之間的電流通路中，其中除了以齊納二極體作為抗靜電二極體結構之外，亦可使用其他具靜電保護之結構。
在一實施例中，齊納二極體結構包括第一電性半導體層，位於齊納二極體結構面向第一電性連接層的一側；以及第二電性半導體層，位於齊納二極體結構面向第二電性連接層的一側。
在另一實施態樣中，本發明的光電半導體裝置包含串連的複數個齊納二極體結構，且二相鄰之齊納二極體結構之間以一金屬層連接。
在一實施例中，齊納二極體結構位於第二電性連接層遠離導電載體的一側，並伴隨第二電性連接層於凹部內朝第二半導體層延伸。
本發明的光電半導體裝置更可包括一絕緣層，位於凹部內，並使得半導體層主體與齊納二極體結構電性隔離。另一種隔離方式是使半導體層主體與齊納二極體結構相接之表面為不導電的一鈍化表面。
在一實施例中，第一電性連接層位於齊納二極體結構遠離導電載體的一側，且於第一電性連接層遠離導電載體的一側與第一半導體層電性接觸。 第一電性連接層為一反射鏡保護層。本發明的光電半導體裝置更可包括反射鏡歐姆接觸層，位於反射鏡保護層與第一半導體層之間，並提供反射鏡保護層與第一半導體層間之歐姆接觸。
本發明也提供一種光電半導體裝置的製造方法，包括形成半導體層主體，其中半導體層主體包括第一半導體層、第二半導體層，及夾設於第一半導體層及第二半導體層之間的輻射發射層；於半導體層主體上蝕刻出凹部，其中凹部自第一半導體層延伸穿過該輻射發射層；於半導體層主體上形成第一電性連接層，其中第一電性連接層與第一半導體層電性接觸；於第一電性連接層上形成至少一齊納二極體結構；於至少一齊納二極體結構上形成一第二電性連接層，其中齊納二極體結構使第一電性連接層及第二電性連接層電性相依；以及形成第一電極及第二電極，分別電性連接於第一電性連接層及第二電性連接層，並使齊納二極體結構的至少一部分結構位於第一電極及第二電極之間的電流通路中。
形成抗靜電二極體結構的步驟可包括於第一電性連接層上形成第一電性半導體層；於第一電性半導體層上形成第二電性連接層，而與第一電性半導體層共同形成一齊納二極體結構；欲形成多於一個齊納二極體結構時，執行一串連步驟，包括先於欲串連的齊納二極體結構的第二電連接層上形成一金屬層，再於金屬層上形成下一個齊納二極體結構；以及重覆執行串連步驟，直到所形成的齊納二極體結構達到一預設數量。
形成第二電性連接層的步驟可包括於凹部內形成第二電性連接層的上半部，其中上半部於凹部的底側與第二半導體層電性接觸；以及在齊納二極體結構上形成第二電性連接層的下半部，且下半部與上半部電性接觸。
前述光電半導體裝置的製造方法更可包括於該凹部內形成絕緣層，使得半導體層主體與齊納二極體結構電性隔離的步驟。另一實施例中，則可以利用電漿表面處理，使半導體層主體與齊納二極體結構相接之表面形成鈍化表面，以使得半導體層主體與齊納二極體結構電性隔離。
第一電性連接層可為一反射鏡保護層。前述光電半導體裝置的製造方法更可包括於反射鏡保護層與第一半導體層之間形成反射鏡歐姆接觸層，以提供反射鏡保護層與第一半導體層間之歐姆接觸。
前述光電半導體裝置的製造方法更可包括形成第二電性連接層後，於該第二電性連接層上形成一導電載體的步驟。
半導體層主體可形成於一成長基板上，且於形成該導電載體後，可執行一翻轉動作，使導電載體與成長基板的方位互換，之後更可去除成長基板。於形成半導體層主體前，可先於成長基板上形成一緩衝層，且在執行該翻轉動作後，除去緩衝層。
請參閱圖1，光電半導體裝置1可為但不限定於一發光二極體晶片，其包括導電載體2及形成於導電載體2上的半導體層主體3。半導體層主體3具有第一半導體層31、第二半導體層32、及用以產生電磁輻射的輻射發射層33。第一半導體層31及第二半導體層32可具有不同的電性。輻射發射層33夾設於第一半導體層31及第二半導體層32之間而形成例如發光二極體結構。第二半導體層32則位於輻射發射層33遠離導電載體2的一側。半體層主體3具有至少一個自第一半導體層31延伸穿過輻射發射層33的凹部34。半導體層主體3連接至第一電極41及第二電極42，其中第一半導體層31與第二半導體層32分別藉由第一電性連接層43及第二電性連接層44電性連接至第一電極41與第二電極42。第二電性連接層44透過凹部34自導電載體2向第二半導體層32延伸並與其電性接觸。在一實施例中，第一電極為由Cr、Pt或Au等金屬構成的正極，透過由Ti或Pt等金屬構成的第一電性連接層43電性連接至由P型磊晶半導體構成的第一半導體層31 ；第二電極42為由Ti、Pt或Au等金屬構成的負極，透過Si構成的導電載體2及由Ti、Pt、Au或In等金屬構成的第二電性連接層44電性連接至由N型磊晶半導體構成的第二半導體層32，但本發明不限於此。
齊納二極體結構5間隔於第一電性連接層43及第二電性連接層44之間， 使第一電性連接層43與第二電性連接層44電性相依。為達成靜電放電防護功能，齊納二極體結構5的部分結構53位於第一電極41及該第二電極42之間的電流通路4(圖中僅顯示 一部分)中，成為電路保護元件。齊納二極體結構5包括第一電性半導體層51以及第二電性半導體層52。第一電性半導體層51可為但不限定為N型半導體，如氮化鋁摻雜矽(AlN:Si)、矽摻雜磷(Si:P)、鍺摻雜磷(Ge:P) 、碳化矽(SiC)，或氧化鋅(ZnO)…等，位於齊納二極體結構5面向第一電性連接層43的一側。第二電性半導體層52可為但不限定為P型半導體，如氮化鋁摻雜鎂(AlN:Mg)、矽摻雜硼(Si:B)、鍺摻雜硼(Ge:B) 、碳化矽(SiC)，或氧化鋅(ZnO)…等，位於齊納二極體結構5面向第二電性連接層52的一側。齊納二極體結構5位於第二電性連接層44遠離導電載體2的一側，與第二電性連接層44相接，並伴隨第二電性連接層44於凹部34內朝第二半導體層32延伸。
光電半導體裝置1更包括一絕緣層6，位於凹部34內，並使得半導體層主體3與齊納二極體結構5電性隔離。另外，如圖4G所示，可使半導體層主體3與齊納二極體結構5相接之表面為不導電的一鈍化表面35，也能達到使半導體層主體3與齊納二極體結構5電性隔離的效果。在一實施例中，絕緣層6由SiO
2構成，但本發明不在此限。
第一電性連接層43位於齊納二極體結構5遠離導電載體2的一側，且於第一電性連接層43遠離導電載體2的一側與第一半導體層31電性接觸。第一電性連接層43為一反射鏡保護層。光電半導體裝置1更包括反射鏡歐姆接觸層45，位於反射鏡保護層(第一電性連接層43)與第一半導體層31之間，並提供反射鏡保護層與第一半導體層31間之歐姆接觸。在一實施例中，反射鏡歐姆接觸層45可由Ag、TiW或Pt等金屬構成。
在操作光電半導體裝置1時，可施加順向偏壓在第一電極41及第二電極42上，而使電流沿電流方向D1流經半導體層主體3，使其內的發光二極體結構發光。而在逆向偏壓的情況下，由於齊納二極體結構5位於電流通路4上，電流將沿電流方向D2流至齊納二極體結構5，因其具有遠大於一般二極體的逆向崩潰電壓範圍的特性，故可以提供光電半導體裝置1電路保護。當在不同的應用情況中，保護元件所需承受的電壓值範圍有時要更大，而無法由單一的齊納二極體結構來達成，此時即可串連的多個齊納二極體結構，串連的方式是製作以垂直等方式堆疊的前述之齊納二極體結構，且二相鄰之齊納二極體結構之間以金屬層連接。圖2顯示了在光電半導體裝置1’中二個以堆疊方式製作的齊納二極體結構5a及5b，二者以上下堆疊的方式相鄰，且二者中間以金屬層54連接。齊納二極體結構5a/5b的部分結構53a/53b位於第一電極41及該第二電極42之間的電流通路4中，成為串連的電路保護元件。圖2中齊納二極體結構串連的數量僅為示例，實際串連數量仍可依各種不同應用而調整。
圖3A~3G顯示了本發明光電半導體裝置的一製造流程實施例。如圖3A所示，首先於以藍寶石(Sapphire)或碳化矽等為材質的成長基板7上以例如但不限定於磊晶等方式依序成長緩衝層8、第二半導體層32、輻射發射層33及第一半導體層31，其中第二半導體層32、輻射發射層33及第一半導體層31構成了半導體層主體3。第一半導體層31及第二半導體層32分別植入不同電性的摻質，輻射發射層33則未摻雜。接著，在半導層主體3上以微影蝕刻製程蝕刻出凹部34。其中，凹部34自第一半導體層31延伸穿過輻射發射層33，而使部分第二半導體層32在凹部34底部顯露。在一實施例中，緩衝層8、第二半導體層32、輻射發射層33及第一半導體層31的材質可分別為u-GaN、n-GaN、未摻雜的GaN及p-GaN，但不以此為限。
接著，如圖3B所示，於凹部34內形成絕緣層6，以便使得半導體層主體3與後續將形成的齊納二極體結構得以電性隔離。絕緣層6的形成步驟包括先在半導體層主體3上沈積如二氧化矽等絕緣材料，再以微影蝕刻製程去除多餘的絕緣材料，而使第一半導體層31的表面及在凹部34的底部的第二半導體層32的表面暴露出來。之後，濺鍍一層Ag、TiW或Pt等金屬，並對此金屬層施以圖案化製程，以在第一半導體層31的表面形成反射鏡歐姆接觸層45。接著，沉積Ti或Pt等金屬，繼以圖案化製程，形成覆蓋於第一半導體層31表面的第一電性連接層43，且以沉積Au、Pt或Cr等金屬及相關圖案化製程，在凹部34的底側未被絕緣層6所覆蓋的第二半導體層32上，形成第二電性連接層44的上半部441，其與第二半導體層32電性接觸。
然後，如圖3C及圖3D所示，以磊晶及摻雜程序於第一電性連接層51上及凹部34內形成第一電性半導體層51，並以磊晶及摻雜程序於第一電性半導體層上51形成第二電性半導體層52，以構成齊納二極體結構5。其中，第一電性半導體層51及第二電性半導體層52係摻入不同電性的摻質，例如在一實施例中，第一電性半導體層51為P型且第二電性半導體層52為N型。之後，如圖3E所示，在齊納二極體結構5上方濺鍍Ti、Pt、Au或In等金屬，使其填平凹部34並覆蓋第二電性半導體層52的表面，形成第二電性連接層44的下半部442。第二電性連接層44的下半部442在凹部34中與上半部441電性接觸，而與之組成完整的第二電性連接層44。如此一來，具抗靜電功能的齊納二極體結構5間隔並連接於第一電性連接層43及第二電性連接層44之間，並使二者電性相依。欲形成如圖2所示的多於一個齊納二極體結構(如5a、5b)時，可執行一串連步驟，包括先於欲串連的齊納二極體結構(例如5b)的第二電性連接層上形成一金屬層54，再於金屬層54上形成下一個齊納二極體結構(例如5a)。此一串連步驟可被重覆執行，直到所形成的齊納二極體結構達到一預設數量。
於第二電性連接層44的下半部442的表面接合矽等材料，而形成如矽晶圓之類的導電載體2。其中，導電載體2可植入與第二半導體層32相同電性的摻質，以利第二電極42與第二半導體層32間之電導通。之後，可執行一翻轉動作，將包括成長基板7的整個裝置晶片倒置，使導電載體2與成長基板7的方位互換，即使成長基板7變成在最上方，而導電載體2則在下方。在一實施例中，可以將倒置後的裝置晶片上方的成長基板7及緩衝層8去除，而露出第二半導體層32的表面。
圖3F顯示了依序將倒置後的剝離或是研磨去除晶片上方的成長基板7及電漿蝕刻緩衝層8後，以圖型化製程去除部分半導體層主體3而形成的渠溝36的步驟。其中，部分第一電性連接層43的表面露出於渠溝36的底部。在圖3G中，第二半導體層32的表面被粗糙化，並在渠構36內濺鍍Cr、Pt或Au等金屬而形成第一電極41，並且在第二半導體層32被粗糙化的表面覆上透明的氧化矽(SiO2)保護層321。另外，也在導電載體2下方表面濺鍍Ti、Pt或Au等金屬，形成第二電極42。
在圖4A~4G所顯示的另一製造流程實施例中，大部分的步驟與圖3A~3G所示的步驟類似，惟在圖4B所示的反射鏡歐姆接觸層45及第一電性連接層43完成之後，並不如圖3B所示的形成絕緣層6，而是如圖4C所示，以電漿表面處理而在凹部34的側表面及底部周緣表面形成鈍化表面35。如此一來，在形成如圖4D所示的第一電性半導體層51時，鈍化表面35即可使半導體層主體3及第一電性半導體層51電性隔離。
綜上所述，本發明於光電半導體的電流路徑中提供齊納二極體結構，不需要在發光二極體晶片之外額外並聯二極體等保護元件，如此可以降低成本及節省電子產品電路佈局的空間，同時齊納二極體結構可視需求以金屬層串連，增加裝置應用範圍調整變化的彈性，降底了設計和生產上的成本。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1、1’、1’’‧‧‧光電半導體裝置
2‧‧‧導電載體
3‧‧‧半導體層主體
31‧‧‧第一半導體層
32‧‧‧第二半導體層
321‧‧‧保護層
33‧‧‧輻射發射層
34‧‧‧凹部
35‧‧‧鈍化表面
36‧‧‧渠溝
4‧‧‧電流通路
41‧‧‧第一電極
42‧‧‧第二電極
43‧‧‧第一電性連接層
44‧‧‧第二電性連接層
441‧‧‧上半部
442‧‧‧下半部
45‧‧‧反射鏡歐姆接觸層
5、5a、5b‧‧‧齊納二極體結構
51‧‧‧第一電性半導體層
52‧‧‧第二電性半導體層
53、53a、53b‧‧‧部分結構
54‧‧‧金屬層
6‧‧‧絕緣層
7‧‧‧成長基板
8‧‧‧緩衝層
D1、D2‧‧‧電流方向
2‧‧‧導電載體
3‧‧‧半導體層主體
31‧‧‧第一半導體層
32‧‧‧第二半導體層
321‧‧‧保護層
33‧‧‧輻射發射層
34‧‧‧凹部
35‧‧‧鈍化表面
36‧‧‧渠溝
4‧‧‧電流通路
41‧‧‧第一電極
42‧‧‧第二電極
43‧‧‧第一電性連接層
44‧‧‧第二電性連接層
441‧‧‧上半部
442‧‧‧下半部
45‧‧‧反射鏡歐姆接觸層
5、5a、5b‧‧‧齊納二極體結構
51‧‧‧第一電性半導體層
52‧‧‧第二電性半導體層
53、53a、53b‧‧‧部分結構
54‧‧‧金屬層
6‧‧‧絕緣層
7‧‧‧成長基板
8‧‧‧緩衝層
D1、D2‧‧‧電流方向
圖1為根據本發明一實施例的光電半導體結構剖面圖。 圖2為為根據本發明另一實施例的光電半導體結構剖面圖。 圖3A~3G為根據本發明一實施例的光電半導體之製造流程示意圖。 圖4A~圖4G為根據本發明另一實施例的光電半導體之製造流程示意圖。
Claims (19)
- 一種光電半導體裝置，包括： 一導電載體； 一半導體層主體，具有一第一半導體層、一第二半導體層、及用以產生電磁輻射的一輻射發射層，其中該輻射發射層夾設於該第一半導體層及該第二半導體層之間、該第二半導體層位於該輻射發射層遠離該導電載體的一側、且該半體層主體具有至少一個自該第一半導體層表面延伸穿過該輻射發射層的凹部； 一第一電極及一第二電極； 一第一電性連接層，電性連接於該第一半導體層與該第一電極之間； 一第二電性連接層，電性連接於該第二半導體層與該第二電極之間，且透過該凹部自該導電載體向該第二半導體層延伸；以及 一齊納二極體結構，間隔於該第一電性連接層及該第二電性連接層之間， 使該第一電性連接層與該第二電性連接層電性相依，其中該齊納二極體結構的至少一部分位於該第一電極及該第二電極之間的一電流通路中。
- 如請求項1所述之光電半導體裝置，其中該齊納二極體結構包括： 一第一電性半導體層，位於該齊納二極體結構面向該第一電性連接層的一側；以及 一第二電性半導體層，位於該齊納二極體結構面向該第二電性連接層的一側。
- 如請求項2所述之光電半導體裝置，其中包含串連的複數個該齊納二極體結構，且二相鄰之該齊納二極體結構之間以一金屬層連接。
- 如請求項1所述之光電半導體裝置，其中該齊納二極體結構位於該第二電性連接層遠離該導電載體的一側，並伴隨該第二電性連接層於該凹部內朝該第二半導體層延伸。
- 如請求項4所述之光電半導體裝置，更包括一絕緣層，位於該凹部內，並使得該半導體層主體與該齊納二極體結構電性隔離。
- 如請求項4所述之光電半導體裝置，其中該半導體層主體與該齊納二極體結構相接之表面為不導電的一鈍化表面。
- 如請求項1所述之光電半導體裝置，其中該第一電性連接層位於該齊納二極體結構遠離該導電載體的一側，且於該第一電性連接層遠離該導電載體的一側與該第一半導體層電性接觸。
- 如請求項7所述之光電半導體裝置，其中該第一電性連接層為一反射鏡保護層。
- 如請求項8所述之光電半導體裝置，更包括一反射鏡歐姆接觸層，位於該反射鏡保護層與該第一半導體層之間，並提供該反射鏡保護層與該第一半導體層間之歐姆接觸。
- 一種光電半導體裝置的製造方法，包括： 形成一半導體層主體，其中該半導體層主體包括一第一半導體層、一第二半導體層，及夾設於該第一半導體層及該第二半導體層之間的一輻射發射層； 於該半導體層主體上蝕刻出一凹部，其中該凹部自該第一半導體層延伸穿過該輻射發射層； 於該半導體層主體上形成一第一電性連接層，其中該第一電性連接層與該第一半導體層電性接觸； 於該第一電性連接層上形成至少一齊納二極體結構； 於該至少一齊納二極體結構上形成一第二電性連接層，其中該齊納二極體結構使該第一電性連接層及該第二電性連接層電性相依；以及 形成一第一電極及一第二電極，分別電性連接於該第一電性連接層及該第二電性連接層，並使該至少一齊納二極體結構的至少一部分結構位於該第一電極及該第二電極之間的電流通路中。
- 如請求項10所述之光電半導體裝置的製造方法，其中形成該至少一齊納二極體結構的步驟包括： 於該第一電性連接層上形成一第一電性半導體層； 於該第一電性半導體層上形成一第二電性連接層，而與該第一電性半導體層共同形成一齊納二極體結構； 欲形成多於一個齊納二極體結構時，執行一串連步驟，該串連步驟包括先於欲串連的齊納二極體結構的第二電性連接層上形成一金屬層，再於該金屬層上形成下一個齊納二極體結構；以及 重覆執行該串連步驟，直到所形成的齊納二極體結構達到一預設數量。
- 如請求項10所述之光電半導體裝置的製造方法，其中形成該第二電性連接層的步驟包括: 於該凹部內形成該第二電性連接層的一上半部，其中該上半部於該凹部的底側與該第二半導體層電性接觸；以及 在該至少一齊納二極體結構上形成該第二電性連接層的一下半部，且該下半部與該上半部電性接觸。
- 如請求項10所述之光電半導體裝置的製造方法，更包括於該凹部內形成一絕緣層，使得該半導體層主體與該齊納二極體結構電性隔離的步驟。
- 如請求項10所述之光電半導體裝置的製造方法，更包括利用電漿表面處理，使該半導體層主體與該齊納二極體結構相接之表面形成一鈍化表面，以使得該半導體層主體與該齊納二極體結構電性隔離的步驟。
- 如請求項10所述之光電半導體裝置的製造方法，其中該第一電性連接層為一反射鏡保護層。
- 如請求項15所述之光電半導體裝置的製造方法，更包括於該反射鏡保護層與該第一半導體層之間形成一反射鏡歐姆接觸層的步驟，以提供該反射鏡保護層與該第一半導體層間之歐姆接觸。
- 如請求項10所述之光電半導體裝置的製造方法，更包括下列步驟： 形成該第二電性連接層後，於該第二電性連接層上形成一導電載體。
- 如請求項17所述之光電半導體裝置的製造方法，其中該半導體層主體係形成於一成長基板上，且該方法更包括下列步驟： 於形成該導電載體後，執行一翻轉動作，使該導電載體與該成長基板的方位互換；以及 去除該成長基板。
- 如請求項18所述之光電半導體裝置的製造方法，更包括下列步驟： 於形成該半導體層主體前，先於該成長基板上形成一緩衝層，且在執行該翻轉動作後，除去該緩衝層。
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