TWI514528B - 半導體晶片結構 - Google Patents

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Description

半導體晶片結構
本發明係有關於一種半導體技術，特別為有關於一種具有熱電致冷(thermoelectric cooler)材料之半導體晶片結構。
典型的半導體晶片(例如，發光二極體)包括面朝上(face up)及覆晶(flip chip)式晶片。由於半導體晶片內的熱傳導層鄰近於覆晶式晶片的電極層，半導體晶片內的熱能較容易從導熱係數高的電極層傳導，因此覆晶式晶片的散熱能力較高，使得晶片的內部溫度低，進而使覆晶式晶片的操作電流能夠超過正常的操作電流值(overdrive)，以降低製造成本。
然而，覆晶式晶片仍無法避免產生效率下降(droop)的效應，且過多的熱能難以散出而累積於半導體晶片內，造成晶片的使用壽命減短。
因此，有必要尋求一種新穎的半導體晶片結構，其能夠解決或改善上述的問題。
本發明實施例係提供一種半導體晶片結構，包括 一半導體晶片，其具有一對電極，且分別具有不同導電型用於電性導通。一熱電致冷材料分別設置於電極之中。
根據本發明實施例，半導體晶片結構具有熱電致冷材料，分別設置於電極的P型電極及N型電極之中。電極內的熱電致冷材料之冷端鄰近於半導體晶片鄰近熱傳導層的表面上，使得熱能從半導體晶片結構內傳導至熱電致冷材料之冷端，更經由主動熱傳導的效果，將熱能傳導至熱電致冷材料之熱端。因此，熱能從半導體晶片結構內快速地導出，有效降低半導體晶片結構的內部溫度，進而增加半導體晶片結構的使用效率，並延長使用壽命。
另外，由於可不透過額外的基材連接散熱結構，因此可避免增加半導體晶片結構的尺寸，且減少了熱電致冷材料與半導體晶片之間的界面，因此能夠有效增加熱電致冷材料的吸熱能力，進而提升半導體晶片結構之單位面積的發光極限。
根據本發明實施例，可依據操作電流及所使用的熱電致冷材料，調整熱電致冷材料的長度及接觸面積，而控制所需的冷端溫度及熱端溫度，以得到較佳的熱電致冷材料之吸熱能力。
100‧‧‧半導體晶片
101‧‧‧表面
110‧‧‧熱傳導層
200‧‧‧電極
210、220‧‧‧熱電致冷材料
250‧‧‧線路層
300‧‧‧電源單元
350‧‧‧附著層
400‧‧‧電流迴路
A、210A、220A‧‧‧接觸面積
Iopt ‧‧‧操作電流
k‧‧‧熱電材料熱傳導係數
L‧‧‧長度
Tc ‧‧‧冷端溫度
Th ‧‧‧熱端溫度
α ‧‧‧塞貝克(seeback)係數
ρ ‧‧‧熱電材料電阻率
△T‧‧‧溫差
第1A至1C圖係繪示出根據本發明實施例之半導體晶片結構的製造方法的剖面示意圖。
第2至4及5A圖係繪示出本發明不同實施例之半導體晶片結構的平面示意圖。
第5B圖係繪示出沿著第5A圖中的剖線5B-5B’的剖面示意圖。
第6圖係繪示出熱電致冷材料的立體圖。
以下說明本發明實施例之半導體晶片結構。然而，可輕易了解本發明實施例提供許多合適的發明概念而可實施於廣泛的各種特定背景。所揭示的特定實施例僅僅用於說明以特定方法製作及使用本發明，並非用以侷限本發明的範圍。 再者，在本發明實施例之圖式及說明內容中係使用相同的標號來表示相同或相似的部件。
以下配合第1A至1C圖說明本發明實施例之半導體晶片結構的製造方法。請參照第1A圖，提供一覆晶式半導體晶片100，其具有一熱傳導層110，鄰近於半導體晶片100的一表面101。半導體晶片100可為發光二極體晶片或高壓覆晶晶片。
可透過沉積製程，在半導體晶片100的表面101上形成一導電材料層，其可包括單層或多層結構。接著，在導電材料層上形成圖案化的一第一硬式罩幕層(未繪示)，並透過第一硬式罩幕層對導電材料層進行蝕刻製程(例如，乾蝕刻製程、濕蝕刻製程、電漿蝕刻製程、反應性離子蝕刻製程或其他適合的蝕刻製程)，以形成圖案化的線路層250。在一實施例中，線路層250可由共晶(eutectic)金屬層所構成。
請參照第1B圖，在去除第一硬式罩幕層之後，透過沉積製程(例如，電鍍製程、濺鍍製程、鋼板印刷製程或其他適合的製程)，將熱電致冷材料形成於線路層250上。接著，在熱電致冷材料層上形成圖案化的一第二硬式罩幕層(未繪示)，並透過第二硬式罩幕層對熱電致冷材料層進行蝕刻製程(例如，乾蝕刻製程、濕蝕刻製程、電漿蝕刻製程、反應性離子蝕刻製程或其他適合的蝕刻製程)，以形成圖案化的熱電致冷材料210及220。在本實施例中，熱電致冷材料210及220可包括銻化鉍(BiSb)、碲化鉍(Bi2 Te3 )、碲化鉛(PbTe)、鈰鐵鈷鉍化合物(CeFe4-x Cox Sb12)或矽化鍺(SiGe)或其他類似的材料。
半導體晶片及熱電致冷材料分別與其他金屬之間具有不同的匹配型，使得半導體晶片與熱電致冷材料互相接合時會產生晶格匹配的問題，因此線路層250通常由不同材料的多層結構所構成。舉例來說，線路層250可包括鈦及鉭。
接著，在去除第二硬式罩幕層之後，可透過P型摻雜物(例如，硼或氟化硼)及N型摻雜物(例如，磷或砷)，分別對熱電致冷材料210及220進行摻雜製程(例如，離子佈植製程)，使得熱電致冷材料210及220分別具有P型及N型的導電類型。在其他實施例中，熱電致冷材料210及220可分別具有N型及P型的導電類型。
接著，透過沉積製程，在熱電致冷材料210及220上形成一附著材料，且在附著材料上形成圖案化的一第三硬式罩幕層(未繪示)，並透過第三硬式罩幕層對附著材料進行蝕刻製程，以形成圖案化的附著層350。附著層350可包括單層或多 層結構，且可由導電材料(例如，金錫(AuSn)、錫銅(SnCu)、錫銦鉍(SnInBi)、鉍、鎳錫(NiSn)合金等)所構成。
在本實施例中，熱電致冷材料210及220夾設於線路層250與附著層350之間。線路層250、熱電致冷材料210及附著層350組成P型電極，線路層250、熱電致冷材料220及附著層350組成N型電極，且P型電極及N型電極構成用於電性導通的一對電極200。
接著，請參照第1C圖，將一電源單元300分別電性連接至電極200的P型電極及N型電極，以構成同一電流迴路400。在一實施例中，可透過附著層350，與其他外部線路或封裝體(未繪示)電性連接。
根據本發明實施例，覆晶式半導體晶片結構具有熱電致冷材料210及220，分別設置於電極200的P型電極及N型電極之中。當開啟電源單元300時，電流自電源單元300通入電極200之間的P型熱電致冷材料210至半導體晶片100的熱傳導層110，且經由電極200之間的N型熱電致冷材料220流出至電源單元300，如第1C圖所示。此時，熱電致冷材料210及220的一端會形成冷端，且另一端形成熱端。熱電致冷材料210及220能夠進行主動熱傳導，強制將熱能從相對溫度較低的冷端傳導至相對溫度較高的熱端。也就是說，透過電極200內的熱電致冷材料210及220，使得貼附於熱電致冷材料210及220之冷端的線路層250與貼附於熱電致冷材料210及220之熱端的附著層350具有相異的溫度。在本實施例中，P型熱電致冷材料210的熱傳導方向相反於電流方向，而N型熱電致冷材料220的熱傳導方向 相同於電流方向。
熱電致冷材料210及220之冷端鄰近於半導體晶片100中鄰近熱傳導層110的表面101上，使得熱能從半導體晶片結構內傳導至熱電致冷材料210及220之冷端，更經由主動熱傳導的效果，將熱能傳導至熱電致冷材料210及220之熱端。因此，熱能從半導體晶片結構內快速地導出，有效降低半導體晶片結構的內部溫度，進而增加半導體晶片結構的使用效率，並延長使用壽命。
另外，由於熱電致冷材料210及220設置於半導體晶片結構的電極200之中，且與半導體晶片100構成同一電流迴路400，因此可不透過額外的基材連接散熱結構，而避免增加半導體晶片結構的尺寸。再者，由於未透過額外的基材作連接，減少了熱電致冷材料與半導體晶片之間的界面，因此能夠有效增加熱電致冷材料的吸熱能力，進而提升半導體晶片結構之單位面積的發光極限。
根據本發明實施例，熱電致冷材料210及220的操作電流為Iopt ，且其範圍為：
其中L為熱電致冷材料210及220的長度、A為熱電致冷材料210及220與其他膜層的接觸面積(如第6圖所示)、Tc 為冷端溫度、Th 為熱端溫度、△T=Th -Tc 、α 為塞貝克(seeback)係數、ρ 為熱電材料電阻率、k為熱電材料熱傳導係數。根據操作電 流及所使用的熱電致冷材料，可調整熱電致冷材料210及220的長度L及接觸面積A，控制所需的冷端溫度Tc 及熱端溫度Th ，以得到較佳的熱電致冷材料之吸熱能力。
在本實施例中，熱電致冷材料210及220可包括單層或多層結構。例如，熱電致冷材料210及220由多層熱電致冷材料所構成，且彼此透過陶瓷基板或適合的材料作接合，以提供均溫的表面。多層熱電致冷材料可增加冷端與熱端之間的溫差△T，進而提升吸熱能力。
以下配合第2至4及5A圖說明本發明不同實施例之半導體晶片結構的平面示意圖，且第5B圖係繪示出沿著第5A圖中的剖線5B-5B’的剖面示意圖，其中相同於第1A至1C圖的部件係使用相同的標號並省略其說明。為了清楚顯示半導體晶片結構中的各個部件的相對位置關係，第2至4圖中並未繪示出附著層350、電源單元300及電流迴路400，且第5A及5B圖中並未繪示出電源單元300及電流迴路400。
請參照第2圖，在本實施例中，半導體晶片結構可具有彼此間隔排列的四對電極200，每對電極200包括一P型熱電致冷材料210及一N型熱電致冷材料220，在半導體晶片100的表面101上排列為一2X4的陣列，使同一行的熱電致冷材料具有相同的導電型，而同一列的熱電致冷材料具有不同的導電型。在一實施例中，P型熱電致冷材料210及N型熱電致冷材料220為一矩形柱體，且矩形柱體具有一長度L及一接觸面積A，如第6圖所示。在其他實施例中，P型熱電致冷材料210及N型熱電致冷材料220可為橢圓形、圓角矩形或多邊形之柱體(未繪 示)。
在本實施例中，P型熱電致冷材料210及N型熱電致冷材料220分別具有接觸面積210A及220A，接觸面積210A小於接觸面積220A。在另一實施例中，接觸面積210A可等於或大於接觸面積220A。
請參照第3圖，在本實施例中，半導體晶片結構可僅具有一對電極200，且P型熱電致冷材料210的接觸面積210A等於N型熱電致冷材料220的接觸面積220A。在另一實施例中，接觸面積210A可不同於接觸面積220A。當P型熱電致冷材料210的接觸面積210A等於N型熱電致冷材料220的接觸面積220A時，散熱效果較佳。
請參照第4圖，在本實施例中，半導體晶片結構可具有彼此間隔排列的八對電極200，其分別包括一P型熱電致冷材料210及一N型熱電致冷材料220，在半導體晶片100的表面101上排列為一4X4的陣列，使同一行中相鄰兩列以及同一列中相鄰兩行的熱電致冷材料具有不同的導電型及相同的接觸面積210A及220A。在一實施例中，可透過附著層350(未繪示)，將半導體晶片結構貼附於其他外部線路或封裝體(未繪示)上，以形成不同對電極200之間的電性導通。
相較於第3圖的實施例之半導體晶片結構僅具有接觸面積相同的一對電極200，在相同單位面積下，第4圖的實施例之半導體晶片結構具有彼此間隔排列且接觸面積相同的複數對電極200，熱電致冷材料210及220內的電流密度較均勻，使得有效的吸熱面積較大，因此複數對電極200能夠提高 熱電致冷材料的面積利用率，進而具有較高的吸熱能力，且更有效降低半導體晶片結構的內部溫度。
可以理解的是，第2至4圖中的P型熱電致冷材料210及N型熱電致冷材料220的數量、外型、接觸面積的大小及排列方式僅作為範例說明，並不限定於此，其實際的數量、外型、接觸面積的大小及排列方式取決於設計需求。
請參照第5A及5B圖，其繪示出本發明另一實施例之半導體晶片結構的剖面及平面示意圖，第5A及5B圖中的半導體晶片結構類似於第4圖中的半導體晶片結構。差異在於第5A及5B圖中的半導體晶片結構之附著層350連接不同對電極200之P型熱電致冷材料210及N型熱電致冷材料220，以提供不同對電極200之間的電性導通。因此，半導體晶片結構可作為獨立元件，而不需額外連接其他外部線路或封裝體。
根據本發明實施例，電極200內的熱電致冷材料210及220之冷端鄰近於半導體晶片100中鄰近熱傳導層110的表面101上，使得熱能從半導體晶片結構內傳導至熱電致冷材料210及220之冷端，更經由主動熱傳導的效果，將熱能傳導至熱電致冷材料210及220之熱端。因此，熱能從半導體晶片結構內快速地導出，有效降低半導體晶片結構的內部溫度，使得覆晶式半導體晶片結構即使操作於超過正常的操作電流值，仍可維持較高的使用效率，並延長使用壽命。
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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可更動與組合上述各種實施例。
100‧‧‧半導體晶片
101‧‧‧表面
110‧‧‧熱傳導層
200‧‧‧電極
210、220‧‧‧熱電致冷材料
250‧‧‧線路層
350‧‧‧附著層

Claims (10)

  1. 一種半導體晶片結構，包括：一半導體晶片，具有一對電極，且分別具有不同導電型用於電性導通；以及一熱電致冷材料，分別設置於該些電極之中，其中該熱電致冷材料的操作電流為Iopt ，且範圍為<Iopt ×L /A <，L為長度、A為接觸面積、Tc 為冷端溫度、Th 為熱端溫度、α為塞貝克(seeback)係數、ρ為熱電材料電阻率、k為熱電材料熱傳導係數、△T=Th -Tc 。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體晶片結構，其中該對電極為一P型電極與一N型電極。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體晶片結構，其中該些電極包括一線路層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之半導體晶片結構，其中該些電極更包括一附著層。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體晶片結構，其中該附著層包括單層或多層結構。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之半導體晶片結構，其中該熱電致冷材料夾設於該線路層與該附著層之間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體晶片結構，其中該線路層與該附著層具有相異的溫度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體晶片結構，更包括一電源單元，電性連接至該些電極以構成同一電流迴路。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之半導體晶片結構，其中該半導體晶片為發光二極體晶片或高壓覆晶晶片。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之半導體晶片結構，其中該熱電致冷材料包括BiSb、Bi2 Te3 、PbTe、CeFe4-x Cox Sb12 、SiGe。
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