TWI705584B - 半導體晶粒 - Google Patents
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Abstract
本發明描述一種半導體晶粒(1)，其包括至少一第一發光二極體(L1)及一第二發光二極體(L2)，其中該第一發光二極體(L1)包括形成於一第一晶粒區域(A1)中之一第一二極體(D1)及沈積於該第一晶粒區域(A1)上方之一第一磷光體層(P1)；該第二發光二極體(L2)包括一第二二極體(D2)及沈積於該第二晶粒區域(A2)上方之一第二磷光體層(P2)；該第一二極體(D1)及該第二二極體(D2)反向並聯電連接；且其中該第二磷光體層(P2)之發射性質不同於該第一磷光體層(P1)之發射性質。
Description
本發明描述一種半導體晶粒、一種製造一半導體晶粒之方法及一種具有包括此一半導體晶粒之一成像模組之電子裝置。
一發光二極體(LED)包括一半導體接面且因此在製造階段處置期間而且在一電路之部分時可受靜電放電(ESD)損害。一種避免對一LED或一串LED之ESD損害之方法係反並聯(亦稱為反向並聯)連接一保護二極體。在一些實現中，保護二極體係一齊納二極體。此一保護二極體通常稱為ESD保護二極體或瞬態電壓抑制器(TVS)二極體。兩個此等反並聯二極體經連接使得其等極性反轉，即，一個二極體之陽極經連接至另一二極體之陰極。接著，無意被反向偏壓之LED受到其經正向偏壓之TVS二極體(「保護二極體」)保護。可製造一單片晶粒以包含具有其自身反並聯保護二極體之一LED，即，在相同製造程序中在一共同基板上形成兩個半導體二極體。
通常，此一反並聯配置中TVS二極體之唯一目的係在一ESD瞬態電壓之罕見情況下轉移來自反向偏壓LED之電流。TVS二極體針對通常很少發生之一特定類型之事件履行此種功能。在此一先前技術裝置中，提供一種專用但功能受限之TVS保護二極體係不可避免之成本因素。尤其在空間受限之緊湊裝置中，一TVS二極體使用有價值之資源，諸如晶粒空間、電接觸件等。
因此，本發明之一目的係提供一種避免上述問題之電路。
本發明之目的係藉由以下各者來達成：如技術方案1之半導體晶粒；如技術方案11之製造一半導體晶粒之方法；及如技術方案14之電子裝置。
根據本發明，半導體晶粒包括至少一第一發光二極體及一第二發光二極體。第一發光二極體包括形成於一第一晶粒區域中之一第一p-n接面二極體及沈積於第一晶粒區域上方之一第一磷光體層，且第二發光二極體包括形成於一第二晶粒區域中之一第二p-n接面二極體及沈積於第二晶粒區域上方之一第二磷光體層。在本發明之半導體晶粒中，第一二極體及第二二極體反並聯連接，且第二磷光體層之光學性質不同於第一磷光體層之光學性質。
一磷光體層之光學性質(「發射性質」)，即，是否升頻轉換或降頻轉換其吸收之波長及其發射之波長在很大程度上係由(若干)磷光體材料之選擇來判定。第一磷光體塗層及第二磷光體塗層可具有不同或類似層厚度。可使用一合適技術(諸如電泳沈積、磷光體印刷等)將塗層圖案化至晶粒上。替代地，磷光體可包含於在陶瓷或玻璃載體中，薄片可自該陶瓷或玻璃載體切割且在一拾放程序中放置至各自晶粒區域中。
在本發明之一較佳實施例中，兩個p-n接面二極體之層結構本質上係相同的，使得兩個二極體源自相同製造程序。在本發明之一尤佳實施例中，可使用InGaN作為發光層來實現二極體，因為InGaN之特徵在於一短波長，從而導致兩種磷光體材料(例如可見光及紅外線)之激發。替代地，可用AlGaAs/GaAs作為發光層來實現二極體，因為此材料固有地在紅外線範圍內發射且其他波長可在可含有適當晶體及/或奈米顆粒之一適當磷光體層中升頻轉換。
在本發明之內文中，術語「發光二極體」應被理解為一p-n接面二極體及沈積於彼p-n接面二極體上之磷光體層之組合。磷光體層可被理解為包括單種磷光體材料或若干磷光體材料之一組合。磷光體層執行波長轉換，即，其將吸收由p-n接面二極體發射之電磁輻射且發射一不同波長之電磁輻射。在下文中，可假定一磷光體層具有一降頻轉換效應，即，由磷光體發射之光之波長長於由其p-n接面二極體發射之電磁輻射之波長。當然，不排除使用一升頻轉換磷光體層。
本發明基於以下洞察：在包括反並聯連接二極體之一電路中，該等二極體之各者可為另一二極體提供ESD保護，而各二極體亦可具有除ESD保護以外之一功能。因此，本發明之半導體裝置具有兩個LED，各LED具有除ESD保護以外之一特定功能，即，反並聯對之各LED具有一特定應用功能並且為另一LED提供ESD保護。出於此等原因，本發明之半導體晶粒可被描述為雙功能晶粒。在本發明之半導體晶粒中，實現各LED以履行除ESD保護以外之一功能意謂TVS保護不再係一不可避免之成本因素；代替地假借一第二應用功能提供TVS保護。
根據本發明，製造一半導體晶粒之方法包括以下步驟：在一第一晶粒區域中形成一第一p-n接面二極體且在一第二晶粒區域中形成一第二p-n接面二極體，使得第一二極體及第二二極體反並聯連接；在第一晶粒區域上方沈積一第一磷光體層；在第二晶粒區域上方沈積一第二磷光體層，其中第二磷光體層之組合物不同於第一磷光體層之組合物。
在包括一LED及一反並聯TVS二極體之一先前技術裝置中，發光二極體佔據大部分晶粒區域，且TVS二極體僅佔據小部分晶粒區域。因此，出於經濟原因，整個晶粒表面通常塗佈有包括單種磷光體組合物之一層，即使未有效地使用TVS二極體上方之磷光體。包括AlGaAs/GaAs之一TVS二極體通常將在近紅外線範圍內發射。因此，即使LED經反向偏壓，由此TVS二極體發射之電磁輻射仍不會引起磷光體層發光。
在本發明之半導體晶粒中，使用一不同磷光體材料來覆蓋專用於第二p-n接面二極體之晶粒區域。在不顯著改變磊晶沈積程序或晶粒尺寸之情況下，可僅藉由使用一不同磷光體材料來覆蓋第二p-n接面二極體之晶粒區域且適當時驅動第一LED或第二LED來獲得雙功能裝置。每當啟動第二LED時(即，第一LED經反向偏壓)，由第二p-n接面二極體發射之電磁輻射將藉由第二磷光體層轉換為一「有用」波長。
根據本發明，電子裝置包括一成像模組，且成像模組包括本發明之半導體晶粒之一實施例。因為半導體晶粒經實現以履行兩個功能(除ESD保護以外)，所以可以一有利之緊湊方式製造本發明之電子裝置之成像模組。半導體晶粒之任一對兩個LED各執行一特定功能，但由於LED反並聯連接，故僅需要兩個端子或接觸件(代替四個)。同時，保護各LED使之免受來自其相反極性「夥伴」LED之ESD損壞。
從屬技術方案及下文描述揭示本發明之尤其有利之實施例及特徵。可在適當時組合實施例之特徵。一個技術方案類別之內文中所描述之特徵可同樣適用於另一技術方案類別。
在本發明之一尤佳實施例中，第一發光二極體及第二發光二極體發射不同波長範圍內之電磁輻射。例如，第一發光二極體之二極體/磷光體組合可經實現以在可見光範圍內發射，而第二發光二極體之二極體/磷光體組合可經實現以在紅外線或近紅外線範圍內發射。較佳地，由第一二極體發射之電磁輻射與由第二二極體發射之電磁輻射之間的波長差異包括至少100 nm，藉此此波長差可被理解成在各範圍之中點之間量測。例如，在具有550 nm峰值之一可見光發射第一二極體及具有850 nm峰值之一紅外線發射第二二極體之情況中，波長差包括300 nm。在具有550 nm峰值之一可見光發射第一二極體及具有940 nm峰值之一紅外線發射第二二極體之情況中，波長差包括390 nm。
本發明之半導體晶粒之p-n接面二極體可取決於其中將使用晶粒之預期應用來製造，即，可根據兩個反並聯連接二極體之預期發射波長為兩個二極體選擇共用磊晶層之材料及厚度。例如，若半導體晶粒主要用作一光源，則第一二極體可經形成為一可見光範圍發射發光二極體，而第二二極體可經形成為具有使用相同磊晶層在近紅外線內發射之附加功能之一TVS二極體。第一二極體可使用整個晶粒之80%或更多，而第二二極體係在剩餘體積中實現。藉由選擇一合適磷光體(例如將藍色波長轉換成紅外線波長之磷光體)，可達成第二二極體(其主要功能係對第一LED提供TVS保護)之附加功能。當第一或「主」二極體經反向偏壓時，第二二極體經正向偏壓且因此「導通」，且由第二LED發射之紅外線光可用作例如一相機配置之一聚焦輔助紅外線光源，或用作一偽造品偵測配置中之特定晶粒之一偵測器。
若第一二極體用作可見光譜中之一光源，則p-n接面可經實現以發射在波長範圍380 nm至470 nm內之光，且施加至第一晶粒區域之磷光體層可包括在範圍480 nm至800 nm內發射之一或多個降頻轉換磷光體。
在一替代實施例中，兩個發光二極體發射可見光譜中之電磁輻射。此一裝置可用作具有一適當LED點弧排程之雙色閃光燈。由於兩個發射表面係並排的，因此可使用將廣角光重定向成一更緊湊光束之一合適光學配置，例如一「光再循環光學器件」。替代地，可使用一透明窗口、一漫射器或任何合適準直器，如熟習此項技術者所熟悉。
在一進一步實施例中，兩個發光二極體發射紅外線光譜之不同區中之電磁輻射。此一裝置之一應用可為波長選擇性Li-Fi或面部辨識、虹膜辨識等。例如，以940 nm發射之第一LED可用於面部辨識，且以850 nm發射之第二LED可用於虹膜辨識。
在另一實施例中，第一二極體在可見光譜中發射，而第二二極體在近紅外線範圍內發射。施加至第一晶粒區域之一升頻轉換磷光體將在紫外線(UV)範圍內發射，而施加至第二晶粒區域之一降頻轉換磷光體在紅外線(IR)範圍內發射。此一半導體晶粒可應用於一贗品或偽造品偵測裝置中。當經正向偏壓時，第一二極體可用來照明印刷品以偵測使用一UV螢光染料編碼之資訊。當第二二極體經正向偏壓時，其可用來照明印刷品以偵測使用一IR螢光染料編碼之任何資訊。以此方式，可容易地偵測在相關區域中未能含有適當染料之一贗品。
該製造方法可包括確保半導體晶粒之可靠性及確保兩個應用之最佳效能之步驟。例如，該方法可包括在第一晶粒區域與第二晶粒區域之間形成一分離層以防止串擾之一步驟。此一分離層可經實現為一鏡子、一吸收層、一散射-反射層等。
如上文所指示，第一晶粒區域之大小可不同於第二晶粒區域之大小。此等區域之大小及尺寸很大程度上可取決於預期應用，此將判定由反並聯對之二極體所需之功率。例如，若半導體晶粒將用作具有作為一聚焦輔助紅外線光源之一附加功能之一相機閃光燈之一可見光譜光源，則與第二(紅外線發射)晶粒區域相比，第一(可見光譜發射)晶粒區域可相對較大。二極體區域之相對大小通常將取決於其等功率消耗。第一LED可佔據整體晶粒之一相對大矩形部分，而第二LED可經形成於較小剩餘區域中以在一側、兩側、三側或四側上與第一LED接界。
本發明之半導體晶粒不限於單對反並聯二極體。同樣地，半導體晶粒可經製造為包括兩對或更多對此等反並聯連接二極體。在另一種實現中，一串串聯連接LED或一群組並聯連接LED可由亦經實現為如所描述之一功能LED之單個TVS二極體保護。
本發明之半導體晶粒非常適用於一空間受限環境，例如一行動裝置(諸如一智慧型電話)。裝置外殼僅需要設計成包含單個孔隙以暴露單個半導體晶粒之兩個發射區。此外，二極體對之陰極及陽極端子僅需要兩個接觸墊。在一合適多工器電路之情況下，可用單個驅動器達成半導體晶粒之兩個功能，因為在任何時間僅兩個二極體之一者處於作用中。此外，由於本發明之半導體晶粒封裝僅需要兩個接觸墊，因此與兩個個別LED封裝之一配置相比，簡化熱設計態樣。兩個此等單獨LED封裝需要四個接觸墊，出於可焊性要求，其等必須藉由最小間隙分離，由此犧牲作用中熱接觸區域。兩個此等個別LED封裝始終將需要兩個以上接觸墊之最緊湊配置會遭受較差熱效能。
如上文所指示，本發明之半導體晶粒可用於各種應用中。例如，已知設計併入一可見光發射LED以照明一場景之一相機閃光燈及用於一聚焦輔助功能之IR發射二極體。此一相機閃光燈可使用本發明之半導體晶粒之一實施例來實現，利用一可見光發射第一LED及一紅外線發射第二LED來實現。在一成像序列之聚焦輔助階段期間，驅動器定址IR發射LED使得可見光發射第一LED經反向偏壓且因此處於非作用中。在成像序列之閃光階段期間，驅動器定址可見光發射二極體，使得IR發射LED經反向偏壓且因此處於非作用中。
本發明之半導體晶粒亦可併入雙色相機閃光燈中，例如使用兩種稍微不同之白色色調以便達成一更自然照明效應之一閃光燈。
類似地，一行動裝置(諸如一智慧型電話)可能包含本發明之半導體晶粒之一實施例，且使用半導體晶粒之IR二極體來履行一IR遙控功能、一Li-Fi功能等。
本發明之半導體晶粒亦可併入執行全光譜光譜分析之一裝置中。在此一實施例中，LED之一者可在包含UV光譜之可見範圍內發射，而另一LED可在紅外線範圍內發射。如上述，若用來印刷真實文件或貨幣之墨水併入在彼(等)範圍內發光之磷光體，則此一裝置可用來區分印刷贗品或偽造品貨幣。本發明之半導體晶粒可用於近紅外線光譜學以結合用於物件辨識之可見影像分析執行一測試物件之化學分析。
本發明之其他目的及特徵將自結合隨附圖式考量之下文詳細描述而變得顯而易見。然而，應理解，圖式僅僅係出於圖解目的而設計且並非作為本發明之限制之一定義。
圖1展示本發明之一第一實施例，其中發光二極體對L1、L2係以一反並聯組態配置。可假定反並聯對形成為單個晶粒1 (或「單片」晶粒)，如圖2中所繪示。藉由在形成於一第一晶粒區域中之一第一p-n接面二極體D1上方施覆一第一磷光體塗層P1來形成一第一發光二極體L1，而藉由在形成於剩餘晶粒區域中之一第二p-n接面二極體D2上方施覆一第二磷光體塗層P2來形成一第二發光二極體L2。選擇p-n接面二極體D1、D2及磷光體層P1、P2之材料組合物，使得第一p-n接面D1經正向偏壓時發射之光在不同於第二p-n接面D2經正向偏壓時發射之光之一波長範圍內。
圖2亦指示二極體D1、D2之間的一分離層10以防止串擾。如熟習此項技術者所知，分離層可經實現為一鏡子、一吸收層、一散射-反射層等。
圖3展示本發明之半導體晶粒之一實施例之例示性發射光譜，其中波長λ (以奈米[nm]為單位)沿X軸且發射振幅(以任意單位[au])沿Y軸。第一發光二極體L1經實現以在經正向偏壓時發射可見光譜中之光，且第一發射光譜31覆蓋在範圍450 nm至650 nm內之波長。第二發光二極體L2經實現以在經正向偏壓時發射紅外線範圍內之光，且第二發射光譜32覆蓋在範圍700 nm至900 nm內之波長。在此例示性實施例中，波長差Δλ (在範圍中點之間量測)為約250 nm。
圖4及圖5展示本發明之半導體晶粒1之實施例之簡化平面視圖。圖4展示類似於上文圖2之一實施例，其中專用於第一二極體D1之區域A1為總晶粒區域之約75%，而TVS二極體(例如，當第一LED經反向偏壓時亦兼作一紅外線二極體)佔據總晶粒區域之剩餘25%。圖5展示其中專用於第一二極體D1之區域A1為總晶粒區域之約60%，而第二二極體D2佔據總晶粒區域之剩餘40%之一實施例。此實現可適用於其中LED用於UV/IR偽造品偵測或例如雙色閃光燈之一應用。
圖6展示本發明之一實施例之一例示性電路圖。包括發光二極體L1、L2之反並聯對之晶粒1經圍封於具有兩個電極接觸件61、62之一封裝60中。該圖展示開關S1、S2、S3、電壓源V1、V2及一閃光燈電流槽C1之一配置。控制開關使得電流流動通過第一LED L1或第二LED L2。
圖7展示根據本發明之一電子裝置7之一實施例。該裝置係包括一成像模組之一行動電話。該圖展示成像模組之一相機鏡頭70及包括上文所描述之半導體晶粒1之一實施例之一閃光燈單元71。因此，閃光燈71具有一第一LED L1 (例如以照明一場景)及一第二LED L2 (其主要用作第一LED L1之TVS保護，但亦具有一次要功能，諸如虹膜辨識、偽造品偵測等)。儘管已以較佳實施例及其變動之形式揭示本發明，但將理解，在不脫離本發明之範疇之情況下可對本發明進行眾多額外修改及變動。
圖8展示本發明之半導體晶粒1之進一步例示性實施例。在圖之上部分中，一晶粒1經實現使得一本質上正方形或矩形之第一發光二極體L1在所有側上藉由一窄第二發光二極體L2圍封。因此，使磷光體區P1、P2塑形。在圖之下部分中，一晶粒1經實現使得一本質上正方形或矩形之第一發光二極體L1在三側上藉由一窄U形第二發光二極體L2圍封。因此，使磷光體區P1、P2塑形。
為了清楚起見，應理解，貫穿本申請案使用「一」或「一個」不排除複數個，且「包括」不排除其他步驟或元件。
1:半導體晶粒
7:電子裝置
10:分離層
31:第一發射光譜/第一光譜
32:第二發射光譜/第二光譜
60:封裝/晶粒封裝
61:電極接觸件/接觸墊
62:電極接觸件/接觸墊
70:相機鏡頭
71:閃光燈單元/閃光燈/閃光燈配置
A1:第一晶粒區域
A2:第二晶粒區域
C1:電流槽
D1:第一p-n接面二極體/二極體/第一p-n接面
D2:第二p-n接面二極體/二極體/第二p-n接面
L1:第一發光二極體/二極體
L2:第二發光二極體/二極體
P1:磷光體層/第一磷光體塗層/磷光體區
P2:磷光體層/第二磷光體塗層/磷光體區
S1:開關
S2:開關
S3:開關
V1:電壓源
V2:電壓源
Δλ:波長差
圖1展示一反並聯二極體對之一電路圖；
圖2展示本發明之半導體晶粒之一實施例；
圖3展示用於本發明之半導體晶粒之一實施例之一例示性光譜對；
圖4及圖5展示本發明之半導體晶粒之實施例之簡化平面視圖；
圖6展示本發明之一實施例之一例示性電路圖；
圖7展示根據本發明之一電子裝置7之一實施例；
圖8展示本發明之半導體晶粒之進一步例示性實施例。
在圖式中，類似數字自始至終指代類似物件。圖中之物件未必按比例繪製。
1:半導體晶粒
10:分離層
D1:第一p-n接面二極體/二極體/第一p-n接面
D2:第二p-n接面二極體/二極體/第二p-n接面
L1:第一發光二極體/二極體
L2:第二發光二極體/二極體
P1:磷光體層/第一磷光體塗層/磷光體區
P2:磷光體層/第二磷光體塗層/磷光體區
Claims (15)
- 一種半導體晶粒(1)，其包括至少一第一發光二極體(L1)及一第二發光二極體(L2)，其中該第一發光二極體(L1)包括形成於一第一晶粒區域(A1)中之一第一二極體(D1)及沈積於該第一晶粒區域(A1)上方之一第一磷光體層(P1)；該第二發光二極體(L2)包括一第二二極體(D2)及沈積於該第二晶粒區域(A2)上方之一第二磷光體層(P2)；該第一二極體(D1)及該第二二極體(D2)反向並聯電連接；且其中該第二磷光體層(P2)之發射性質不同於該第一磷光體層(P1)之發射性質。
- 如請求項1之半導體晶粒，其中該第一發光二極體(L1)及該第二發光二極體(L2)發射不同波長範圍內之電磁輻射。
- 如請求項2之半導體晶粒，其中由該第一發光二極體(L1)發射之該電磁輻射與由第二發光二極體(L2)發射之該電磁輻射之間的波長差(△λ)包括至少200nm，更佳地至少250nm。
- 如請求項1至3中任一項之半導體晶粒，其中各二極體(D1、D2)經提供作為另一二極體(D1、D2)之一瞬態電壓抑制器。
- 如請求項1至3中任一項之半導體晶粒，其中一發光二極體(L1)發射 可見光譜中之電磁輻射。
- 如請求項5之半導體晶粒，其中該可見光譜發光二極體(L1)之該磷光體層(P1)包括以下任一者：YAG：Ce；(Y,Lu)AG：Ce及(Ba,Sr)2Si5N8：Eu(BSSN)；Sr[LiAl3N4]：Eu2+；銪活化鋇鎂鋁酸鹽；ZnS：Ag；Sr3MgSi2O8：Eu；Y3-xAl5-yGayO12：Cex，其中0.002<x<0.12且0<=y<=0.4；Sr1-x-yCaySiAlN3：Eux，其中0.001<x<0.03且0<=y<=1。
- 如請求項1至3中任一項之半導體晶粒，其中兩個發光二極體(L1、L2)發射該可見光譜中之電磁輻射。
- 如請求項6之半導體晶粒，其中一發光二極體(L2)發射紅外線範圍內之電磁輻射。
- 如請求項8之半導體晶粒，其中該紅外線光譜發光二極體(L2)之該磷光體層(P2)包括以下任一者：RE3Ga5-x-yAxSiO14：Cry(RE=La、Nd、Gd、Yb、Tm；A=Al、Sc)，其中0x
1且0.005
y
0.1；Gd3-xRExSc2-y-zLnyGa3-wAlwO12：Crz(Ln=Lu、Y、Yb、Tm；RE=La、Nd)，其中0
x
3，0
y
1.5，0
z
0.3且0
w
2；AAEM1-xF6：Crx(A=Li、Cu；AE=Sr、Ca；M=Al、Ga、Sc)，其中0.005
x
0.2；A2-x(WO4)3：Crx(A=Al、Ga、Sc、Lu、Yb)，其中0.003
x
0.5；Sc1-x-yAxBO3：Cry(A=Ga、Al、In、Lu、Y、Yb)，其中0
x
1且0.005
y
0.1。
- 如請求項9之半導體晶粒，其中兩個發光二極體(L1、L2)發射紅光-紅外線範圍內之電磁輻射。
- 一種製造一半導體晶粒(1)之方法，其包括以下步驟：在一第一晶粒區域(A1)中形成一第一二極體(D1)且在一第二晶粒區域(A2)中形成一第二二極體(D2)，使得該第一二極體(D1)及該第二二極體(D2)反向並聯連接；在該第一晶粒區域(A1)上方沈積一第一磷光體層(P1)以完成一第一發光二極體(L1)；及在該第二晶粒區域(A2)上方沈積一第二磷光體層(P2)以完成一第二發光二極體(L2)，其中該第二磷光體層(P2)之發射性質不同於該第一磷光體層(P1)之發射性質。
- 如請求項11之方法，其中該第一晶粒區域(A1)經形成為包括總晶粒區域之至少50%，更佳至少75%。
- 如請求項11或12之方法，其包括在該第一發光二極體(L1)與該第二發光二極體(L2)之間形成一分離層(10)之一步驟。
- 一種電子裝置(7)，其包括一成像模組，且其中該成像模組包括如請求項1至10中任一項之半導體晶粒(1)。
- 如請求項14之電子裝置，其中該半導體晶粒(1)經實現為該成像模組之一相機閃光配置(71)之部分。
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