TWI731329B - 雷射元件及其半導體元件 - Google Patents

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Abstract

一種半導體元件，自其剖面觀之，半導體元件包括：一永久基板，具有 一第一邊界及一第二邊界；一磊晶結構，位於永久基板上且包含一半導體結構，半導體結構具有鄰近該第一邊界的一第一側邊、以及鄰近第二邊界的一第二側邊；一第一金屬連接層，位於磊晶結構與永久基板之間，第一金屬連接層具有向外延伸超出第一側邊的一第一凸出部、以及向外延伸超出第二側邊的一第二凸出部；以及一第一電極，位於第一金屬連接層上且接觸第一凸出部與第二凸出部。

Description

雷射元件及其半導體元件
本發明是關於一種雷射元件，特別是關於一種覆晶式雷射元件。
垂直共振腔面射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)是雷射元件的一種，其應用之一為數據傳輸，其具有高速之優勢。
當雷射元件應用於3D感測時，需要以短脈衝、高電流操作，以提高亮度進而加大感測距離。在此高電流驅動條件下，電流分佈及晶片可靠度即顯得相當重要。
本發明提出一種具覆晶(Flip Chip)架構之垂直共振腔面射雷射(VCSEL)結構設計，其電極係形成於基板同側，且具有圍繞式金屬連接設計，藉此優化VCSEL晶片之電流分佈，同時強化晶片的可靠度。
本發明提出一種半導體元件，自其剖面觀之，所提供之半導體元件包括：一永久基板，具有一第一邊界及一第二邊界；一磊晶結構，位於永久基板上且包含一半導體結構，半導體結構具有鄰近第一邊界的一第一側邊、以及鄰近第二邊界的一第二側邊；一第一金屬連接層，位於磊晶結構與永久基板之間， 第一金屬連接層具有向外延伸超出第一側邊的一第一凸出部、以及向外延伸超出第二側邊的一第二凸出部；以及一第一電極，位於第一金屬連接層上且接觸第一凸出部與第二凸出部。
10:永久基板
100:雷射元件
300:雷射裝置
101:抗反射結構
2:晶片
20:磊晶結構
200:半導體疊層
2000:成長基板
202:第一半導體結構
2020:第一半導體疊層
204:活性結構
2040:活性疊層
205:電流侷限層
2051:電流限制區
2052:電流導通區
206:第二半導體結構
2060:第二半導體疊層
2061:端面
2062:下表面
32:第一絕緣層
322:第一開口
34:第一金屬連接層
341a:第一凸出部
341b:第二凸出部
342:第二開口
344:標記結構
40:黏合層
50:第二金屬連接層
60:第二絕緣層
601:側部
602a:第一開口部
602b:第二開口部
603:第三開口部
702:第一電極
7021:本體部
7022:環繞部
704:第二電極
80:第三絕緣層
802:第三開口
804:第四開口
902:第一金屬結構
9021:中間層
9022:結合層
904:第二金屬結構
9041:中間層
9042:結合層
B1:光學陣列
B11:光學結構
B2:電路載板
B21:第一電極墊
B22:第二電極墊
B3:支架
P:柱狀結構
P0:中心位置
P1:上表面
P2:第一側表面
E1:第一邊緣
E2:第二邊緣
S1:第二側表面
S11:第一側邊
S12:第二側邊
G:間距
G1:第一間距
G2:第二間距
G3:第三間距
C1:第一邊界
C2:第二邊界
D1:第一距離
D2:第二距離
L1:連線
L2:連線
O:中心位置
為能更進一步瞭解本發明之特徵與技術內容，請參閱下述有關本發明實施例之詳細說明及如附圖式。惟所揭詳細說明及如附圖式係僅提供參考與說明之用，並非用以對本發明加以限制；其中：
第1A圖係根據本發明之一例示實施例的雷射元件的剖面示意圖；第1B圖係第1A圖所示雷射元件的下視示意圖；第1C圖係第1A圖所示雷射元件的上視示意圖；第2A圖至第2L圖係在本發明之一實施例的雷射元件製作流程的各步驟中所完成之結構的剖面示意圖；第3A圖至第3I圖係在本發明之一實施例的雷射元件製作流程的各步驟中所完成之結構的上視或下視示意圖；第4圖係在本發明之一實施例的雷射元件製作流程的其一步驟中所完成之結構的下視示意圖。
第5圖係在本發明之一實施例的雷射裝置的剖面示意圖。
下文係參照圖式、並且以示例實施例說明本發明之概念，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。需特別注 意的是，圖式中未繪示、或說明書中未描述之元件，可為熟習發明所屬領域技藝之人士所知之形式。
請參閱第1A圖，其係根據本發明之一實施例之雷射元件的剖面示意圖。本實施例之雷射元件100包括永久基板10，以及位於永久基板10一側上之磊晶結構20，磊晶結構20包括至少一個柱狀結構P；在本實施例中，磊晶結構20包含複數個柱狀結構P。各柱狀結構P包含依序位於永久基板10上的一第一半導體結構202、一電流侷限層205以及一活性結構204。複數個柱狀結構P可以為規則排列(regular arrangement)或非規則排列(random arrangement)於一第二半導體結構206上，所謂規則排列是指複數個柱狀結構P之間具有特定的空間關係，並以固定的、具重複性的方式排列。在一些規則排列的柱狀結構P中，相鄰的柱狀結構P之間的間距大致相同；在另一些規則排列的柱狀結構P中，多個柱狀結構P是沿著一特定方向排列。電流侷限層205可選擇設置於活性結構204與第一半導體結構202之間，或者設置於活性結構204與第二半導體結構206之間。各柱狀結構P包含朝向永久基板10的一上表面P1、以及連接上表面P1及第二半導體結構206的一第一側表面P2，此外，磊晶結構20另包含遠離永久基板10的一下表面2062，下表面2062為第二半導體結構206的一表面。在本實施例中，第一半導體結構202之導電型態為P型，而第二半導體結構206之導電型態為N型。為求圖示簡潔，第1A圖僅以五個柱狀結構P作為例示，惟在VCSEL實際產品中，係可視應用時的電流及功率需求來調整柱狀結構P的數量，例如為100~1000個，但不以此為限。電流侷限層205包含一電流限制區2051、以及由電流限制區2051所圍繞的一電流導通區2052，電流導通區2052的導電率高於電流限制區2051，以使電流集中導通於電流導通區2052中。
詳言之，根據所述實施例，第一半導體結構202與活性結構204係部分覆蓋於第二半導體結構206上，並暴露第二半導體結構206之一端面2061。雷射元件100還包括第一絕緣層32和第一金屬連接層34。第一絕緣層32係覆蓋於柱狀結構P之第一側表面P2、第二半導體結構206之端面2061及部分的上表面P1，第一絕緣層32具有第一開口322，將部分的上表面P1從第一絕緣層32暴露出來。第一金屬連接層34係位於第一絕緣層32上，且通過第一開口322與第一半導體結構202形成電性連接。第一金屬連接層34具有一第二開口342，使得活性結構204所發射的光可以由第二開口342向永久基板10的方向射出於雷射元件100外。此外，第二半導體結構206具有一第一側邊S11及相對應於第一側邊S11之一第二側邊S12，且第一金屬連接層34具有一第一凸出部341a延伸至超出第一側邊S11，及一第二凸出部341b延伸至超出第二側邊S12。第一凸出部341a和第二凸出部341b可用以作為後續的電性連接之用，詳細結構及電性連接方式將於下文中詳述。
本實施例的雷射元件100更包含一黏合層40，上述磊晶結構20係藉由黏合層40而連接於永久基板10。在遠離永久基板10側的第二半導體結構206上具有一第二金屬連接層50，第二金屬連接層50與第二半導體結構206電性連接。本發明之雷射元件100包括一第二絕緣層60，第二絕緣層60覆蓋第二金屬連接層50。第二絕緣層60具有一側部601，且一第一開口部602a及一第二開口部602b穿過第二絕緣層60。側部601覆蓋第二半導體結構206之第一側邊S11、第二側邊S12，第一開口部602a進一步穿過第一絕緣層32以暴露出第一金屬連接層34的第一凸出部341a，且第二開口部602b進一步穿過第一絕緣層32以暴露出第一金屬連接層34的第二凸出部341b。第二絕緣層60還具有一第三開口部603暴露出 第二金屬連接層50。本發明之雷射元件100包括一第一電極702及一第二電極704，第一電極702及第二電極704位於永久基板10的同一側且互相物理性分離。
在本實施例中，雷射元件100為覆晶式(flip chip type)雷射元件，後續可使用焊料將雷射元件100接合至外部電路(例如印刷電路板PCB)。第一電極702分別通過第一開口部602a和第二開口部602b連接於第一金屬連接層34，並透過第一金屬連接層34的第一凸出部341a和第二凸出部341a電性連接於第一半導體結構202，且第一電極702係覆蓋第二絕緣層60之側部601並延伸至覆蓋於第二金屬連接結構50上，第二絕緣層60位於第一電極702及第二金屬連接結構50之間，以避免形成一短路路徑。第二電極704通過第三開口部603連接第二金屬連接層50，藉此使第二電極704電性連接於第二半導體結構206。
除上述結構以外，本發明之雷射元件100可進一步包括一第一金屬結構902及一第二金屬結構904，兩者分別位於第一電極702及第二電極704上。本發明之雷射元件100進一步包括一第三絕緣層80覆蓋第一電極702以及第二電極704。詳言之，第三絕緣層80具有一第三開口802以暴露第一電極702、以及一第四開口804以暴露第二電極704；第一金屬結構902透過第三開口802與第一電極702電性連接，第二金屬結構904則透過第四開口804與第二電極904電性連接。此外，第一金屬結構902及第二金屬結構904之間具有一間距G介於10μm至200μm之間。在本實施例中，由雷射元件100的下視圖觀之，第一金屬結構902的形狀與第二金屬結構904的形狀不同，以作為電性辨識之用(如第3I圖所示)。
本發明之雷射元件100可選擇性包含一抗反射結構101位於永久基板10上方，且遠離第一電極702及第二電極704。抗反射結構101可用以減少雷射元件100發出的光在永久基板10與空氣之間的界面反射，以避免雷射元件100 的發光效率降低或產生非理想的光形。抗反射結構101可以為單層或多層，當為單層時，抗反射結構101之折射率係介於永久基板10之折射率及外界環境(例如：空氣)之折射率之間，例如，抗反射結構101之折射率為1.1~1.65，單層的抗反射結構101的材料例如為SiOx、MgF2。抗反射結構101具有一厚度，較佳為活性結構204之發光波長的四分之一之整數倍，亦即，如發光波長為λ，則抗反射結構101的厚度為(λ/4)×n，n為大於或等於1的整數。抗反射結構101亦可以為由高折射率材料和低折射率材料堆疊而成的多層結構，例如為SiOx/TiOx、SiOx/TiOx/SiOx。
在本實施例中，第一半導體結構202與第二半導體結構206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)，使得由活性結構204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202的反射率低於第二半導體結構206的反射率，藉此使同調光朝向永久基板10的方向射出。第一半導體結構202、第二半導體結構206及活性結構204之材料包含三五族化合物半導體，例如可以為AlGaInAs系列、AlGaInP系列、AlInGaN系列、AlAsSb系列、InGaAsP系列、InGaAsN系列、AlGaAsP系列等，例如AlGaInP、GaAs、InGaAs、AlGaAs、GaAsP、Gap、InGaP、AlInP、GaN、InGaN、AlGaN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系列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，AlGaInAs系列即代表(Aly1Ga(1-y1))1-x1Inx1As，其中，0≦x1≦1，0≦y1≦1；AlGaInP系列即代表(Aly2Ga(1-y2))1-x2Inx2P，其中，0≦x2≦1，0≦y2≦1；AlInGaN系列即代表(Aly3Ga(1-y3))1-x3Inx3N，其中，0≦x3≦1，0≦y3≦1；AlAsSb系列即代表AlAsx4Sb(1-x4)，其中，0≦x4≦1；InGaAsP系列即代表Inx5Ga1-x5As1-y4Py4，其中，0≦x5≦1，0≦y4≦1；InGaAsN系列即代表Inx6Ga1-x6As1-y5Ny5，其中，0≦x6≦1，0≦y5≦1；AlGaAsP系列即代表Alx7Ga1-x7As1-y6Py6，其中，0≦x7≦1，0≦y6≦1。
視其材料不同，活性結構204可發出峰值波長(peak wavelength)介於700nm及1700nm的紅外光、峰值波長介於610nm及700nm之間的紅光、峰值波長介於530nm及570nm之間的黃光、峰值波長介於490nm及550nm之間的綠光、峰值波長介於400nm及490nm之間的藍光或深藍光、或是峰值波長介於250nm及400nm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750nm及1200nm之間的紅外光。
電流侷限層205的材料可以為上述之三五族半導體材料，於本實施例中，電流侷限層205的材料為AlGaAs，且活性結構204、第一半導體結構202及第二半導體結構206的材料皆包含鋁。電流侷限層205的鋁含量大於活性結構204、第一半導體結構202及第二半導體結構206的鋁含量，舉例而言，電流侷限層205的鋁含量大於97%。在本實施例中，電流侷限層205的電流限制區2051的氧含量大於電流導通區2052的氧含量，使電流限制區2051具有較電流導通區2052較低的導電率。黏合層40為對活性結構204發光具有高透光率的材料，如透光率大於80%，黏合層40的材料為絕緣材料，例如：苯並環丁烯樹脂(B-staged bisbenzocyclobutene，BCB)、環氧樹脂(epoxy resin)、聚醯亞胺(polyimide)、SOG(spin-on glass)、矽氧樹脂(silicone)或八氟環丁烷(Perfluorocyclobutane，PFCB)。
上述第一絕緣層32、第二絕緣層60及第三絕緣層80的材料包含非導電材料。非導電材料包含有機材料或無機材料。有機材料包含Su8、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)或氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)。無機材料包含矽膠(Silicone)或玻璃(Glass)、氧化鋁(Al2O3)、氮化矽(SiNx)、氧化矽(SiOx)、氧化鈦(TiOx)、或氟化鎂(MgFx)。在一實施例中，第一絕緣層32、第二絕緣層60及/或第三絕緣層80包含一層或複數層(例如為布拉格反射鏡(DBR)結構，藉由交替堆疊兩層副層來形成，例如SiOx副層和TiOx副層)。
第一金屬連接層34及第二金屬連接層50的材料可以包含金屬，例如：鋁(Al)、銀(Ag)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、鎳(Ni)、鍺(Ge)、鈹(Be)、金(Au)、鈦(Ti)、鎢(W)或鋅(Zn)。第一電極702及第二電極704的材料可以為金屬材料，例如金(Au)、錫(Sn)、鈦(Ti)或其合金。在本實施例中，第一電極702可為一複層電極結構，例如往遠離永久基板10的方向可分別包含鈦(Ti)層及金(Au)層。第二電極704與第一電極702具有相同的材料及結構組成。第一電極702的材料與第一金屬結構902不同，且第二電極704的材料與第二金屬結構904不同，舉例而言，第一金屬結構902及第二金屬結構904至少包含一元素，而第一電極702及第二電極704則未包含該元素，以避免固晶或在大電流操 作下，外界的(含錫)焊料破壞第一電極702及第二電極704而產生電性失效，可進一步提高本發明之雷射元件100的可靠度。上述之該元素可用以阻擋焊料擴散至第一電極702及第二電極704中，該元素例如為鎳(Ni)及/或鉑(Pt)。詳言之，第一金屬結構902及第二金屬結構904可分別包含複數層，例如朝遠離基板10方向依序各別包含一中間層9021、9041及一結合層9022、9042，中間層9021、9041的材料不同於第一電極702及第二電極704，藉此防止焊料(例如：錫或金錫合金(AuSn))擴散至第一電極702及第二電極704，因此中間層9021、9041的材料較佳的包含金(Au)、錫(Sn)和銅(Cu)以外的金屬元素，例如鎳(Ni)及/或鉑(Pt)。結合層9022、9042的材料包含具有高延展性的金屬材料，較佳的包含金(Au)。本實施例的中間層9021、9041材料為往遠離永久基板10方向依序堆疊的鉑(Pt)及鎳(Ni)，結合層9022、9042的材料為金(Au)。換言之，往遠離永久基板的方向，金屬結構902，904包含鎳層、鉑層及金層。
第1B圖為第1A圖所示之雷射元件100的下視圖，即自第一金屬結構902及第二金屬結構904的方向(如第1A圖中箭頭C所示之方向)觀察雷射元件100之視圖，且第1A圖為沿著第1B圖中的線A-A’剖面所顯示之剖面示意圖。第1C圖為第1A圖所示之雷射元件100的上視圖，即自永久基板10的方向(如第1A圖中箭頭D所示之方向)觀察雷射元件100之視圖，且第1A圖為沿著第1C圖中的線B-B’剖面所顯示之剖面示意圖。
如第1B圖所示，第二絕緣層60具有分佈於雷射元件100的周圍區域的複數個開口部，例如兩個第一開口部602a和兩個第二開口部602b，且相鄰的第一開口部602a及第二開口部602b之間、相鄰的第一開口部602a之間及相鄰的第二開口部602b之間各具有一第一間距G1。此外，如第1C圖所示，在本實施例中， 第一金屬連接層34係形成有數個標記結構344，標記結構344係互相對稱，並透過數個標記結構344之間的連線L1、L2可定義出雷射元件100的中心位置O，便於機器辨識以利後續封裝製程的進行。上述各第一間距G1的位置係與各標記結構344相對應。需特別說明，第1B圖、第1C圖的虛線線條表示該結構由下視圖/上視圖無法直接觀察到，僅可視虛線線條之輪廓。
在本實施例中，第二型半導體結構206大致為置中位於永久基板10上，即第二型半導體結構206的任一側邊至相鄰的永久基板10之一邊界的距離大致相等，藉此使第一金屬結構902及第二金屬結構904(或者使第一電極702及第二電極704)可配置於雷射元件100之對稱位置上，有利於後續進行封裝程序之結構設計，並提高有效區域面積。詳言之，如第1B圖所示，由雷射元件100的第二半導體結構206朝向活性結構204的方向觀之，永久基板10具有與第一側邊S11相鄰之一第一邊界C1、以及與該第一邊界C1相對且與第二側邊S12相鄰之一第二邊界C2，第一邊界C1及第二邊界C2互相對應且各設置於永久基板10的側邊。第一側邊S11與第一邊界C1之間的一第一距離D1與第二側邊S12與第二邊界C2之間的一第二距離D2的差距小於第一距離D1的30%；亦即，第一距離D1和第二距離D2之間的差距0≦(D1-D2)/D1<30%，在另一實施例中，0≦(D1-D2)/D1<20%；較佳地，0≦(D1-D2)/D1<15%。在另一實施例中，1%<(D1-D2)/D1<10%。在本實施例中，第一距離D1等於第二距離D2。
以下參照第2A圖至第2L圖，說明本發明之雷射元件100的製作流程。
如第2A圖所示，提供一晶片2。所述晶片2包括形成於成長基板2000上之半導體疊層200，半導體疊層200依序包含第二半導體疊層2060、活性疊 層2040與第一半導體疊層2020位於成長基板2000上。半導體疊層200可以以磊晶方式成長於成長基板2000上，磊晶方式包含、但不限於金屬有機化學氣相沉積法、氫化物氣相磊晶法、分子束磊晶法、液相磊晶法等。成長基板2000包含三五族材料，且其晶格常數與半導體疊層200互相匹配，本實施例之成長基板2000的材料為砷化鎵(GaAs)。在其他實施例中，成長基板2000的材料可以為磷化銦(InP)、藍寶石(sapphire)、氮化鎵(GaN)或碳化矽(SiC)等。
接著，對前述晶片2實施蝕刻程序，以蝕刻去除部分的第一半導體疊層2020以及部分的活性疊層2040，從而形成複數個柱狀結構P，並暴露出第二半導體疊層2060之端面2061。至此，各柱狀結構P包含一第一半導體結構202及一活性結構204，且具有上表面P1及第一側表面P2，第一側表面P2連接上表面P1及端面2061，如第2B圖所示。
接著，於各柱狀結構P中形成電流侷限層205，從而形成如第2C圖所示之結構。在本實施例中，係於各第一半導體結構202和各活性結構204之間形成電流侷限層205，各電流侷限層205包含電流限制區2051及電流限制區2051所環繞之電流導通區2052。電流侷限層205的形成方法可以是透過氧化製程以將預定形成電流限制區2051的區域產生材料氧化。舉例來說，第一半導體結構202包含複數個不同折射率的高鋁含量的AlGaAs層及低鋁含量的AlGaAs層交互週期性堆疊，且活性結構204、第一半導體結構202及第二半導體結構206的材料皆包含鋁。第一半導體結構202中之其中一層之鋁含量大於97%(定義為電流侷限層205)且大於活性結構204、第一半導體結構202及第二半導體結構206的鋁含量。由於電流侷限層205的鋁含量大於活性結構204、第一半導體結構202及第二半導體結構206的鋁含量，在進行氧化製程後，僅有電流侷限層205明顯被氧化，進而 形成具有低導電率的電流限制區2051。或者，可透過離子佈植(ion implant)製程在複數個柱狀結構P中形成低導電率的電流限制區2051，並藉由光罩同時定義上述的電流導通區2052。離子佈植可以是藉由在預定形成電流限制區2051的區域佈植氫離子(H+)、氦離子(He+)或氬離子(Ar+)等來實現，電流限制區2051的離子濃度大於電流導通區2052，使電流限制區2051具有較低的導電率。於另一實施例中，氧化製程與離子佈植製程可同時被用於複數個柱狀結構P中，例如，有些柱狀結構P中的電流限制區2051是用離子佈植製程來形成，另一些柱狀結構P中的電流限制區2051是用氧化製程來形成。或者，有些柱狀結構P具有透過離子佈植製程形成的電流限制區，同時也具有透過氧化製程形成的電流限制區(圖未示)。
如第2D圖所示，形成第一絕緣層32覆蓋於柱狀結構P之第一側表面P2、第二半導體結構206及部分的上表面P1。第一絕緣層32係形成有第一開口322，以暴露出部分的上表面P1。第一開口322之上視形狀可以為例如圓形、橢圓形、正方形、不規則形狀等。於本實施例中，由上視觀之，第一開口322的形狀為圓環狀(併參下述關於第3B圖之說明)，但不以此為限。在本實施例中，第一絕緣層32具有複數個第一開口322，各第一開口322位於各柱狀結構P之各上表面P1上。在另一實施例中，各柱狀結構P的各上表面P1上具有複數個第一開口322。
如第2E圖所示，於第一絕緣層32上形成第一金屬連接層34，所述第一金屬連接層34係覆蓋第一絕緣層32並填充至第一開口322中，藉此與第一半導體結構202電性連接。第一金屬連接層34具有一第二開口342在柱狀結構P的上表面P1側，從而暴露出下方之第一絕緣層32，使得活性結構204產生的光線可由第二開口342射出雷射元件100。第一金屬連接層34的第二開口342之上視形狀可 以為例如圓形、橢圓形、正方形、不規則形狀等。於本實施例中，由上視觀之，第二開口342的形狀為圓形(併參下述關於第3C圖之說明)，但不以此為限。在本實施例中，第一金屬連接層34具有複數個第二開口342，且各第二開口342大致位於各柱狀結構P之上表面P1的中心位置。在另一實施例中，各柱狀結構P的各上表面P1上具有複數個第二開口342。
如第2F圖所示，藉由黏合層40將柱狀結構P1及第二半導體疊層2060接合至永久基板10。本實施例的永久基板10為對活性結構204發光具有高透光率的材料，如透光率大於80%之藍寶石。接合至永久基板10後，第一凸出部341a及第二凸出部341b較第一半導體結構202遠離永久基板10。接著，移除位於第二半導體疊層2060側之成長基板2000，形成如第2G圖所示之結構。
如第2H圖所示，接著，於去除成長基板2000後所暴露出的第二半導體疊層2060上形成一第二金屬連接層50，且由剖視觀之，第二金屬連接層50的寬度W1小於第二半導體疊層2060的寬度以暴露一部份的第二半導體疊層2060。第二金屬連接層50的寬度W1亦小於永久基板10的寬度W2。
如第2I圖所示，接著實施蝕刻程序，移除第二半導體疊層2060的周圍區域，例如靠近永久基板10之第一邊界C1及第二邊界C2的第二半導體疊層2060，以形成第二半導體結構206。第二半導體結構206為凸出於第一金屬連接層34之一高台。複數個柱狀結構P具有靠近第一邊界C1之一第一邊緣E1，第二半導體結構206具有靠近第一邊界C1之第一側邊S11，且在圖中X軸之方向，第一側邊S11較該第一邊緣E1靠近該第一邊界C1。此外，第二金屬連接層50具有一側面係較第一邊緣E1靠近該第一邊界C1，更者，第二金屬連接層50的所有側面較複數個柱狀結構P之邊緣靠近邊界。換句話說，第二金屬連接層50覆蓋的所有柱狀結 構P1。在另一實施例中，第二金屬連接層50的所有側面較複數個柱狀結構P之邊緣遠離邊界，換言之，第二金屬連接層50僅覆蓋部分的柱狀結構P1。
除了朝向永久基板10的端面2061外，第二半導體結構206還包含下表面2062遠離永久基板10且相對應端面2061，第一側邊S11及第二側邊S12連接端面2061及下表面2062。
如第2J圖所示，於第二半導體結構206上形成第二絕緣層60，覆蓋第一側邊S11、第二側邊S12、部分的下表面2062以及部分第二接觸金屬層50。接著，移除位於第一接觸金屬層34的周圍區域上的部份第一絕緣層32以及第二絕緣層60以形成第一和第二開口部602a、602b，並將第一和第二凸出部341a、341b暴露出來。第二絕緣層60於第二接觸金屬層50上形成有第三開口部603，以暴露出部分的第二接觸金屬層50。
接著，如第2K圖所示，於第二絕緣層60上形成一第一電極702及一第二電極704，第一電極702通過第一開口部602a和第二開口部602b直接接觸並電連接於第一金屬連接層34，第二電極704通過第三開口部603連接第二金屬連接層50。
接著，如第2L圖所示，形成第三絕緣層80覆蓋於部分之第一電極702及部分之第二電極704。第三絕緣層80具有第三開口802以暴露第一電極702及第四開口804以暴露第二電極704。
之後，於第一絕緣層80上形成第一金屬結構902及第二金屬結構904，第一金屬結構902透過第三開口802與第一電極702電性連接，第二金屬結構904則透過第四開口804與第二電極704電性連接，以形成如第1A圖所示之雷射元 件100。部分的第一金屬結構902之表面與第二金屬結構904之表面實質上具有相同的水平高度，以利於後續使用焊料將雷射元件100連接至外界電路。
第3A圖至第3I圖為本申請案之一實施例的雷射元件製作流程的各步驟中所完成之結構的上視或下視示意圖。第3A圖至第3C圖為由第一半導體結構202朝向活性結構204的方向觀之的上視圖，第3D圖至第3I圖為由活性結構204朝向第一半導體結構202的方向觀之的下視圖。
第3A圖為對照第2B圖所示的結構的上視圖，於本實施例中，柱狀結構P的個數為621個，且複數個柱狀結構P以最密堆積的方式規則排列為一陣列。
第3B圖為對照第2D圖所示的結構的上視圖及其部分放大圖，第一絕緣層32係覆蓋於複數個柱狀結構P上，且具有複數個第一開口322，藉此各別將複數個柱狀結構P的上表面P1暴露出來。
第3C圖為對照第2E圖所示的結構的上視圖，第一金屬連接層34覆蓋於第一絕緣層32上，且具有複數個第二開口342，第二開口342對應地位於複數柱狀結構P的上表面P1上，從而形成雷射元件100的複數個出光孔。第一金屬連接層34的邊緣具有四個標記結構344，且藉由對應的標記結構344之間的連線L1、L2可定義出雷射元件100的中心位置O。
第3D圖為對照第2H圖所示的結構的下視圖，在第二半導體疊層2060上形成第二金屬連接層50。
第3E圖為對照第2I圖所示的結構的下視圖。移除第二半導體疊層2060的周圍區域，形成第二半導體結構206。
第3F圖為對照第2J圖所示的結構的下視圖。如第3F圖所示，形成第二絕緣層60，接著移除部分的第二絕緣層60以及第一絕緣層32以形成第一開口部602a和第二開口部602b，並暴露出第一金屬連接層34的第一凸出部341a及第二凸出部341b。第二絕緣層60另具有第三開口部603以暴露出第二金屬連接層50。在此實施例中，第一開口部602a和第二開口部602b的數量為複數個(例如各有兩個)，並且圍繞在第二半導體結構206的周圍。第一開口部602a和第二開口部602b的形狀為L型。相鄰的開口部之間係隔有一第一間距G1，其對應於第一金屬連接層34的標記結構344。在其他實施例中，如第4圖所示，第二絕緣層60之開口部602a、602b可互相連接(即相鄰的第一開口部602a及第二開口部602b之間、相鄰的第一開口部602a之間及相鄰的第二開口部602b之間不具有間距G1)，且形成環繞於雷射元件100的周圍區域之一環狀配置。換言之，第二絕緣層60僅具有一個開口部，其形狀為口型。
第3G圖為對照第2K圖所示的結構的下視圖，第一電極702及第二電極704各位於第一金屬連接層34及第二金屬連接層50上。在本實施例中，第一電極702包含一本體部7021及連接於本體部7021的一環繞部7022，且第一電極702的上視面積大於第二電極704的上視面積。第3G圖之虛線代表本體部7021及環繞部7022之間的邊界。本體部7021之形狀為方形，且環繞部7022之形狀為口型。如第4圖所示，當第二絕緣層60僅具有一個開口部時，環繞部7022與開口部具有相同的形狀(例如：口型)，環繞部7022完全覆蓋開口部且具有一上視面積大於開口部之一上視面積。環繞部7022覆蓋第一側邊S11及第二側邊S12。
請參照第2K圖及第3G圖所示，環繞部7022環繞第二電極704且透過第一和第二開口部602a、602b與第一金屬連接層34接觸，藉此電性連接第一半 導體結構202及第一電極702；第二電極704透過第三開口部603與第二金屬連接層50接觸，藉此電性連接第二半導體結構206及第二電極704。此外，本體部7021與第二電極704具有一第二間距G2，環繞部7022與第二電極704具有一第三間距G3，第三間距G3小於第二間距G2。
第3H圖為對照第2L圖所示的結構的下視圖，第三絕緣層80位於第一電極702及第二電極704上，第三絕緣層80具有第三開口802及第四開口804，藉此分別暴露第一電極702之本體部7021及第二電極704。
第3I圖為對照第1A圖所示結構的下視圖，請參照第1A圖及第3I圖，此步驟係形成第一金屬結構902及第二金屬結構904，且第一金屬結構902透過第三開口802連接第一電極702，且第二金屬結構904透過第四開口804連接第二電極704。
本發明之一實施例的雷射元件100屬覆晶式雷射元件，其可在短脈衝、高電流的條件下操作。相較於傳統垂直型雷射元件採電極形成於永久基板的相對兩側，並作金屬打線連接的電極架構，本實施例之雷射元件100無須額外的金屬打線即可在高電流條件下操作，進以提高雷射元件100之發光亮度，並且增加感測距離(例如達10公尺)。同時，由於本發明之雷射元件100無須透過設置額外的金屬打線與外界電路連接，可改善寄生電容的問題，以利於高頻操作時具有快速的反應時間。此外，本發明之雷射元件100亦具有較快的反應速度，例如訊號上升時間(rise time，Tr)及訊號下降時間(fall time，Tf)皆較短，並可強化其可靠度。
又如第1A圖所示，本發明一實施例中之第一電極702高度H實質上主要為對應第二半導體結構206的磊晶層厚度，第一電極70的高度H小於 8.5μm，例如為5μm~8μm，或者為5.5μm~7μm。第一電極70的高度於上述範圍可有效避免第一電極702的材料在製程過程中，因側壁披覆性不佳而造成電性失效的風險，並且亦能縮短雷射元件100的電流路徑以利電流傳送效率。
此外，本發明一實施例之雷射元件100的第一電極702及第二電極704皆進一步設有第三絕緣層80與第一、二金屬結構902、904，進而避免雷射元件100在大電流應用下，其焊料(如：金屬錫膏)容易因高熱而與電極材料(例如金)形成共晶結構，進而影響電極的效能。因此，本發明之雷射元件100之可靠度能夠有效提升。
更甚者，根據本發明一實施例之雷射元件100具有優良的結構對稱性，其有利於後續封裝程序的進行。具體而言，本發明之雷射元件100中，第二半導體結構206位於雷射元件100的實質中心位置，使第一金屬結構902及第二金屬結構904亦可配置於雷射元件100之對稱位置上，故有利於後續進行封裝程序之結構設計，並提高有效區域面積。
請參照第5圖所示，本發明一實施例之雷射裝置300包含雷射元件100、光學陣列B1及電路載板B2。雷射元件100位於電路載板B2上，且電性連接於電路載板B2的第一電極墊B21及第二電極墊B22，詳言之，雷射元件100的第一金屬結構902及第二金屬結構904可以透過焊料(solder，圖未示)電性連接至第一電極墊B21及第二電極墊B22，且光學陣列B1包含多個光學結構B11。在一些實施例中，光學陣列B1可以為微米鏡陣列(microlens array)，光學結構B11可為規則排列或非規則排列，用以將由雷射元件100射出的光展開，以具有較大的視野(Field of View，FOV)。上述雷射元件100、光學陣列B1及電路載板B2可以透過支架B3整合在一起。本發明之實施例中所述的雷射元件100具有高散熱效 率，特別適用於飛時測距(ToF：Time of Flight)的3D感測裝置或泛光照明器(Flood illuminator)等，惟雷射元件100的應用領域並不限於此。
需注意的是，本發明所提之前述實施例係僅用於例示說明本發明，而非用於限制本發明之範圍。熟習本發明所屬領域技藝之人對本發明所進行之諸般修飾和變化皆不脫離本發明之精神與範疇。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，本發明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，其皆落於本發明如附申請專利範圍之範疇。
10:永久基板
100:雷射元件
20:磊晶結構
202:第一半導體結構
204:活性結構
205:電流侷限層
2051:電流限制區
2052:電流導通區
206:第二半導體結構
2061:端面
2062:下表面
32:第一絕緣層
322:第一開口
34:第一金屬連接層
341a:第一凸出部
341b:第二凸出部
342:第二開口
40:黏合層
50:第二金屬連接層
60:第二絕緣層
601:側部
602a:第一開口部
602b:第二開口部
603:第三開口部
702:第一電極
704:第二電極
80:第三絕緣層
802:第三開口
804:第四開口
902:第一金屬結構
9021:中間層
9022:結合層
904:第二金屬結構
9041:中間層
9042:結合層
P:柱狀結構
P1:上表面
P2:第一側表面
H:電極高度
101:抗反射結構

Claims (10)

  1. 一種半導體元件，自其剖面觀之，該半導體元件包括：一永久基板，具有一第一邊界及一第二邊界；一磊晶結構，位於該永久基板上且包含一半導體結構，該半導體結構具有鄰近該第一邊界的一第一側邊、以及鄰近該第二邊界的一第二側邊；一第一金屬連接層，位於該磊晶結構與該永久基板之間，該第一金屬連接層具有向外延伸超出該第一側邊的一第一凸出部、以及向外延伸超出該第二側邊的一第二凸出部；以及一第一電極，位於該第一金屬連接層上且接觸該第一凸出部與該第二凸出部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射元件，其中，自其剖面圖觀之，該第一側邊和該第一邊界相距一第一距離(D1)，該第二側邊和該第二邊界相距一第二距離(D2)，該第一距離(D1)和該第二距離之間的差距小於該第一距離的30%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射元件，其中該第一電極具有小於8.5μm之一高度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射元件，其中該第一電極包含一本體部與一環繞部，該環繞部連結該本體部且覆蓋該第一側邊及該第二側邊。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之雷射元件，更包含一第二電極，其中該本體部與該第二電極之間具有一第一間距(G2)，該環繞部與該第二電極之間具有一第二間距(G3)，該第二間距小於該第一間距。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之雷射元件，更包含一第二電極，其中，自該雷射元件之上視圖觀之，該第一電極環繞該第二電極。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之雷射元件，更包含一絕緣層，該絕緣層具有呈環狀之一開口部。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之雷射元件，其中該第一電極包含一本體部與一環繞部，該環繞部完全覆蓋該開口部，且該環繞部的上視面積大於該開口部的上視面積。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之雷射元件，更包含一抗反射結構，係覆蓋該永久基板。
  10. 一種半導體裝置，包括：一電路載板；如申請專利範圍第1項所述之雷射元件，位於該電路載板上；以及一光學陣列，位於該半導體元件上。
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