TWI557941B - 光電元件及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種可增進光摘出效率之光電元件結構。
發光二極體是半導體元件中一種被廣泛使用的光源。相較於傳統的白熾燈泡或螢光燈管，發光二極體具有省電及使用壽命較長的特性，因此逐漸取代傳統光源而應用於各種領域，如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備等產業。
隨著發光二極體光源的應用與發展對於亮度的需求越來越高，如何增加其發光效率以提高其亮度，便成為產業界所共同努力的重要方向。
第1圖描述了現有技術中用於半導體發光元件的LED封裝10：包括由封裝體11封裝的半導體LED晶片12，其中半導體LED晶片12具有一p-n接面13，封裝體11通常是熱固性材料，例如環氧樹脂(epoxy)或者熱塑膠材料。半導體LED晶片12透過一焊線(wire)14與兩導電架15、16連接。因為環氧樹脂(epoxy)在高溫中會有劣化(degrading)現象，因此只能在低溫環境運作。此外，環氧樹脂(epoxy)具很高的熱阻(thermal resistance)，使得第一圖的結構只提供了半導體LED晶片12高阻值的熱散逸途徑，而限制了LED 10的低功耗應用。
基於上述原因，本申請案乃提出一覆晶(flip chip)式光電元件結構。
本申請案揭露一種光電元件，包含：一半導體疊層，包含：一第一半導體層、一主動層、及一第二半導體層；一第一電極與第一半導體層電性連接；一第二電極與第二半導體層電性連接，其中第一電極與第二電極有一最小距離D1；一第三電極形成在部分第一電極之上且與第一電極電性連接；及一第四電極形成在部分第一電極之上及部分第二電極之上且與第二電極電性連接，其中第三電極與第四電極有一最小距離D2，且第三電極與第四電極之最小距離D2小於第一延伸電極103及第二電極104之最小距離D1。
為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，請參照下列描述並配合圖2A至圖3C之圖示。如圖2A~圖2H所例示，依據本發明第一實施例之光電元件之上視圖如下：如圖2A所示，本發明第一實施例之光電元件包含一基板100，一第一半導體層101、一第一電極102及一自第一電極102沿伸出來的第一延伸電極103。在第一半導體層101之上形成一主動層(未顯示)與一第二半導體層(未顯示)，並在第二半導體層(未顯示)之上形成一第二電極104。
此外，如圖2B所示，形成在第二半導體層1012之上的第二電極104’也包含至少一延伸自第二電極104’之第二延伸電極1041。在一實施例中，至少一第二延伸電極1041可形成在兩條第一延伸電極103之間。在一實施例中，也可於未被第二電極104與第二延伸電極1041覆蓋之第二半導體層1012之上選擇性地形成一反射層(未顯示)，以增加反射效率。其中，上述第一延伸電極103與第二延伸電極1041依不同設計，可為一弧形或彎曲形狀。
接著延續圖2A，如圖2C所示，以一第一絕緣層105覆蓋部分的第二電極104及部分的第一延伸電極103，使第一電極102、部分的第一延伸電極103及部分的第二電極104裸露出來。其中可定義一第一延伸電極103及第二電極104的最小距離D1。其中第一延伸電極103及第二電極104的最小距離D1可介於10~50μm、或10~40μm、或10~30μm、或10~20μm、或10~15μm。
最後，如圖2D所示一第三電極106可形成在第一電極102、第一延伸電極103及第一絕緣層105之上，並與第一電極102、第一延伸電極103電性連接。一第四電極107可形成在第二電極104及部分第一絕緣層105之上，並與第二電極104電性連接。
其中第三電極106可包含至少一第一平面區1061及至少一第一凸出部1062：第一平面區1061可大致呈一長方型結構，至少一第一凸出部1062可延伸自第一平面區1061且覆蓋未被第一平面區1061覆蓋之裸露出的第一延伸電極103。
第四電極107可包含至少一第二平面區1071及至少一第二凸出部1072：第二平面區1071可大致呈一長方型結構，至少一第二凸出部1072可延伸自第二平面區1071且覆蓋未被第二平面區1071覆蓋之部分第一絕緣層105。其中第一凸出部1062與第二凸出部1072可定義出一最小距離D2。其中第一凸出部1062與第二凸出部1072之最小距離D2可介於1~10μm、或2~10μm、或4~10μm、或6~10μm、或8~10μm。
在本實施例中，上述第一凸出部1062與第二凸出部1072可盡量靠近，以增加第一延伸電極103被覆蓋的區域並減少第一絕緣層105未被覆蓋之面積，以增加第三電極106與第一延伸電極103的接觸面積而增加電性可信度，並可減少第一絕緣層105裸露之面積，進而增加反射面積，而將光線反射以增加正向出光。
在一實施例中，為達到上述的功能，第一凸出部1062與第二凸出部1072之最小距離D2應儘可能最小化，且第一凸出部1062與第二凸出部1072之最小距離D2距離可小於第一延伸電極103及第二電極104的最小距離D1。
在一實施例中，第一延伸電極103未被第三電極106與第四電極107覆蓋的面積小於第一延伸電極103總面積的2%、或1.8%、或1.5%、或1.3%、或1%、或0.8%。
如圖2E所示，係顯示本實施例圖2D中虛線位置之剖面示意圖，包含一基板100，形成在基板100之上之一第一半導體層101、一主動層1011與一第二半導體層1012，及分別形成在第一半導體層101及第二半導體層1012上之第一電極102與第二電極104。如上述說明，先以第一絕緣層105分隔開第一電極102與第二電極104，並在第一電極102與第二電極104之上分別形成第三電極106與第四電極107。
如圖2F所示，在一實施例中，也可形成一第二絕緣層108覆蓋上述第一凸出部1062與第二凸出部1072及部分的第一延伸電極103及部分的第一絕緣層105，藉以避免由於第一凸出部1062與第二凸出部1072之最小距離D2的縮小所造成的短路風險。
如圖2G所示，在一實施例中，可分別形成一第一焊墊(bonding pad)109及一第二焊墊110於第三電極106及第四電極107之上。第一焊墊109及一第二焊墊110可大致呈一長方型結構，並定義一第一焊墊109及一第二焊墊110的最小距離D3。在一實施例中，第一凸出部1062與第二凸出部1072之最小距離D2距離可小於第一焊墊109及一第二焊墊110之最小距離D3，其中第一焊墊109及一第二焊墊110之最小距離D3可介於40μm~600μm、或60μm~600μm、或80μm~600μm、或100μm~600μm、或150μm~600μm、或200μm~600μm、或250μm~600μm、或300μm~600μm、或350μm~600μm、或400μm~600μm、或450μm~600μm、或500μm~600μm、或550μm~600μm。
如圖2H所示，在一實施例中，可形成多數個第二焊墊110’於第四電極107之上且不覆蓋第一延伸電極103。
上述第一電極102、第一延伸電極103、第二電極104、第三電極106、第四電極107、第一焊墊109及一第二焊墊110、110’之材料可選自：鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、鋁(Al)、鎢(W)、錫(Sn)、或銀(Ag)等金屬材料。
如圖3A~圖3C所例示，依據本發明第二實施例之光電元件之上視圖如下：如圖3A所示，本發明第二實施例之光電元件包含一基板200，一第一半導體層201、一第一電極202及一自第一電極202延伸出來的第一延伸電極203。之後，在第一半導體層201之上形成一主動層(未顯示)與一第二半導體層(未顯示)，並在第二半導體層(未顯示)之上形成一第二電極204，且定義一第一延伸電極203及第二電極204的最小距離D1。其中第一延伸電極203及第二電極204的最小距離D1可介於10~50μm、或10~40μm、或10~30μm、或10~20μm、或10~15μm。
此外，第二電極204也可包含至少一延伸自第二電極204之第二延伸電極(未顯示)。在一實施例中，至少一第二延伸電極(未顯示)可形成在兩條第一延伸電極203之間。在一實施例中，也可於未被第二電極204與第二延伸電極(未顯示)覆蓋之第二半導體層(未顯示)之上選擇性地形成一反射層(未顯示)，以增加反射效率。其中，上述第一延伸電極203與第二延伸電極(未顯示)依不同設計，可為一弧形或彎曲形狀。
接著，以一第一絕緣層205覆蓋部分的第二電極204及部分的第一延伸電極203，使第一電極202、部分的第一延伸電極203及部分的第二電極204裸露出來。
最後，一第三電極206可形成在第一電極202、第一延伸電極203及第一絕緣層205之上，並與第一電極202、第一延伸電極203電性連接。至少一第四電極207可形成在第二電極204及部分第一絕緣層205之上，並與第二電極204電性連接。
其中第三電極206可為一梳子形狀，包含至少一第一平面區2061及至少一第一凸出部2062：第一平面區2061可大致呈一長方型結構，至少一第一凸出部2062可延伸自第一平面區2061且覆蓋未被第一平面區2061覆蓋之裸露出的第一延伸電極203。在本實施例中，上述第一凸出部2062之平行第一延伸電極203長端之邊長大於垂直第一延伸電極203長端之邊長。
第四電極207可大致呈一長方型結構，覆蓋在被第一絕緣層205覆蓋的第一延伸電極203之上。其中第一凸出部2062與第四電極207可定義出一最小距離D2。其中第一凸出部2062與第四電極207之最小距離D2可介於1~10μm、或2~10μm、或4~10μm、或6~10μm、或8~10μm。
在本實施例中，藉由將第三電極206設計成為梳子形狀且與第一電極202、第一延伸電極203精準對位可達成第三電極206及第四電極207的最小化設計而節省材料成本。
在本實施例中，上述第一凸出部2062與第四電極207可盡量靠近，以增加第一延伸電極203被覆蓋的區域並減少第一絕緣層205未被覆蓋之面積，以增加第三電極206與第一延伸電極203的接觸面積而增加電性可信度，並可減少第一絕緣層205裸露之面積，進而增加反射面積，而將光線反射以增加正向出光。
在一實施例中，為達到上述的功能，第一凸出部2062與第四電極207之最小距離D2應儘可能最小化，且第一凸出部2062與第四電極207之最小距離D2距離可小於第一延伸電極203及第二電極204的最小距離D1。
在一實施例中，第一延伸電極203未被第三電極206與第四電極207覆蓋的面積小於第一延伸電極203總面積的2%、或1.8%、或1.5%、或1.3%、或1%、或0.8%。
如圖3B所示，在一實施例中，也可形成一第二絕緣層208覆蓋上述第一凸出部2062與第四電極207及部分的第一延伸電極203及部分的第一絕緣層205，藉以避免由於第一凸出部2062與第四電極207之最小距離D2的縮小所造成的短路風險。
如圖3C所示，在一實施例中，可分別形成一第一焊墊(bonding pad)209及一第二焊墊210於第三電極206及第四電極207之上。第一焊墊209可包括至少兩部分，包含一梳子狀的第一區2091形成在上述第三電極206之上及至少一第二區2092形成在兩第一延伸電極203之間及第一絕緣層205之上。第二焊墊210可大致呈一長方型結構，並定義一第一焊墊209及一第二焊墊210的最小距離D3，在一實施例中，第一凸出部2062與第四電極207之最小距離D2距離可小於第一焊墊209及一第二焊墊210之最小距離D3。其中第一焊墊209及一第二焊墊210之最小距離D3可介於40μm~600μm、或60μm~600μm、或80μm~600μm、或100μm~600μm、或150μm~600μm、或200μm~600μm、或250μm~600μm、或300μm~600μm、或350μm~600μm、或400μm~600μm、或450μm~600μm、或500μm~600μm、或550μm~600μm。
在本實施例中，第一焊墊209之第二區2092未與第一電極202、第一電極延伸部203、第二電極204、第三電極206、第四電極207、第二焊墊210、以及第一焊墊209的第一區2091電性相連，且第二區2092的材料選自導熱係數高及反射率高的材料，例如銅(Cu)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、銀(Ag)等導熱係數大於50W/ml及反射率大於50%的材料。此設計可使本光電元件於之後的覆晶製程中在承受推力時不會直接拉扯到第一延伸電極203與第三電極206，而可增加元件之強度，減少失效的風險，且使用高導熱係數及高反射率材料的特性，使得第二區2092可作為光電元件的散熱途徑，進而增加反射面積，而將光線反射以增加正向出光。
如圖3D所示，在一實施例中，可形成多數個第二焊墊210’於第四電極207之上且不覆蓋第一延伸電極203。
上述第一電極202、第一延伸電極203、第二電極204、第三電極206、第四電極207、第一焊墊209及一第二焊墊210、210’之材料可選自：鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、鋁(Al)、鎢(W)、錫(Sn)、或銀(Ag)等金屬材料。
具體而言，光電元件係包含發光二極體(LED)、光電二極體(photodiode)、光敏電阻(photoresister)、雷射(laser)、紅外線發射體(infrared emitter)、有機發光二極體(organic light-emitting diode)及太陽能電池(solar cell)中至少其一。基板100、200係為一成長及/或承載基礎。候選材料可包含導電基板或不導電基板、透光基板或不透光基板。其中導電基板材料其一可為鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、銦化磷(InP)、碳化矽(SiC)、矽(Si)、鋁酸鋰(LiAlO2)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、金屬。透光基板材料其一可為藍寶石(Sapphire)、鋁酸鋰(LiAlO2)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、玻璃、鑽石、CVD鑽石、與類鑽碳(Diamond-Like Carbon；DLC)、尖晶石(spinel,MgAl2O4)、氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiOX)及鎵酸鋰(LiGaO2)。
上述第一半導體層101、201及第二半導體層(未顯示)係彼此中至少二個部分之電性、極性或摻雜物相異、或者係分別用以提供電子與電洞之半導體材料單層或多層(「多層」係指二層或二層以上，以下同。)，其電性選擇可以為p型、n型、及i型中至少任意二者之組合。主動層(未顯示)係位於第一半導體層101、201及第二半導體層(未顯示)之間，為電能與光能可能發生轉換或被誘發轉換之區域。電能轉變或誘發光能者係如發光二極體、液晶顯示器、有機發光二極體；光能轉變或誘發電能者係如太陽能電池、光電二極體。上述第一半導體層101、201、主動層(未顯示)及第二半導體層(未顯示)其材料包含一種或一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及矽(Si)所構成群組。
依據本發明之另一實施例之光電元件係一發光二極體，其發光頻譜可以藉由改變半導體單層或多層之物理或化學要素進行調整。常用之材料係如磷化鋁鎵銦(AlGaInP)系列、氮化鋁鎵銦(AlGaInN)系列、氧化鋅(ZnO)系列等。主動層(未顯示)之結構係如：單異質結構(single heterostructure；SH)、雙異質結構(double heterostructure；DH)、雙側雙異質結構(double-side double heterostructure；DDH)、或多層量子井(multi-quantμm well；MQW)。再者，調整量子井之對數亦可以改變發光波長。
於本發明之一實施例中，第一半導體層101、201與基板100、200間尚可選擇性地包含一緩衝層(buffer layer，圖未示)。此緩衝層係介於二種材料系統之間，使基板之材料系統”過渡”至半導體系統之材料系統。對發光二極體之結構而言，一方面，緩衝層係用以降低二種材料間晶格不匹配之材料層。另一方面，緩衝層亦可以是用以結合二種材料或二個分離結構之單層、多層或結構，其可選用之材料係如：有機材料、無機材料、金屬、及半導體等；其可選用之結構係如：反射層、導熱層、導電層、歐姆接觸(ohmic contact)層、抗形變層、應力釋放(stress release)層、應力調整(stress adjustment)層、接合(bonding)層、波長轉換層、及機械固定構造等。在一實施例中，此緩衝層之材料可為AlN、GaN，且形成方法可為濺鍍(Sputter)或原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)。
第二半導體層(未顯示)上更可選擇性地形成一接觸層(未顯示)。接觸層係設置於第二半導體層(未顯示)遠離主動層(未顯示)之一側。具體而言，接觸層可以為光學層、電學層、或其二者之組合。光學層係可以改變來自於或進入主動層(未顯示)的電磁輻射或光線。在此所稱之「改變」係指改變電磁輻射或光之至少一種光學特性，前述特性係包含但不限於頻率、波長、強度、通量、效率、色溫、演色性(rendering index)、光場(light field)、及可視角(angle of view)。電學層係可以使得接觸層之任一組相對側間之電壓、電阻、電流、電容中至少其一之數值、密度、分布發生變化或有發生變化之趨勢。接觸層之構成材料係包含氧化物、導電氧化物、透明氧化物、具有50%或以上穿透率之氧化物、金屬、相對透光金屬、具有50%或以上穿透率之金屬、有機質、無機質、螢光物、磷光物、陶瓷、半導體、摻雜之半導體、及無摻雜之半導體中至少其一。於某些應用中，接觸層之材料係為氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化銦鋅、氧化鋅鋁、與氧化鋅錫中至少其一。若為相對透光金屬，其厚度係約為0.005μm~0.6μm。
以上各圖式與說明雖僅分別對應特定實施例，然而，各個實施例中所說明或揭露之元件、實施方式、設計準則、及技術原理除在彼此顯相衝突、矛盾、或難以共同實施之外，吾人當可依其所需任意參照、交換、搭配、協調、或合併。
雖然本發明已說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍、實施順序、或使用之材料與製程方法。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之精神與範圍。
100、200．．．基板
101、201．．．第一半導體層
1011．．．主動層
1012．．．第二半導體層
102、202．．．第一電極
103、203．．．第一延伸電極
104、204．．．第二電極
105、205．．．第一絕緣層
106、206．．．第三電極
1061、2061．．．第一平面區
1062、2062．．．第一凸出部
107、207．．．第四電極
1071．．．第二平面區
1072．．．第二凸出部
108、208．．．第二絕緣層
109、209．．．第一焊墊
2091．．．第一區
2092．．．第二區
110、110’、210、210’．．．第二焊墊
D1．．．第一電極與第二電極之距離
D2．．．第三電極與第四電極之距離
D3．．．第一焊墊與第二焊墊之距離
圖1係習知之發光元件結構圖。
圖2A-2D，2F-2H係本發明第一實施例之發光元件上視圖。
圖2E係本發明第一實施例之發光元件剖面圖。
圖3A-3D係本發明第二實施例之發光元件上視圖。
100．．．基板
101．．．第一半導體層
102．．．第一電極
103．．．第一延伸電極
104．．．第二電極
105．．．第一絕緣層
106．．．第三電極
1061．．．第一平面區
1062．．．第一凸出部
107．．．第四電極
1071．．．第二平面區
1072．．．第二凸出部
109．．．第一焊墊
110．．．第二焊墊
D1．．．第一電極與第二電極之距離
D2．．．第三電極與第四電極之距離
D3．．．第一焊墊與第二焊墊之距離
Claims (15)
- 一種光電元件，包含：一半導體疊層，包含：一第一半導體層、一主動層、及一第二半導體層；一第一電極與該第一半導體層電性連接；一第二電極與該第二半導體層電性連接；一第三電極形成在部分該第一電極之上且與該第一電極電性連接；及一第四電極形成在部分該第一電極之上及部分該第二電極之上且與該第二電極電性連接；其中該第三電極為一梳子狀，該第三電極包含一第一主要區域及複數個第一凸出部，且該複數個第一凸出部延伸自該第一主要區域且覆蓋未被該第一主要區域覆蓋之裸露出的該第一電極。
- 如請求項1所述之光電元件，其中更包含一基板形成在該半導體疊層之上，其中該基板與該第一電極形成在該半導體疊層之相對側。
- 如請求項1所述之光電元件，其中該第一電極包含一延伸電極，及/或該第二電極包含一第二延伸電極。
- 如請求項1所述之光電元件，其中該第四電極包含一第二主要區域及複數個第二凸出部，且該第二主要區域大致呈一長方型結構，且該複數個第二凸出部延伸自該第 二主要區域且覆蓋未被該第二主要區域覆蓋之裸露出的該第一電極。
- 如請求項1所述之光電元件，其中該第一電極未被該第三電極與該第四電極覆蓋的面積小於該第一電極總面積的2%。
- 如請求項1所述之光電元件，其中該第一主要區域大致呈一長方型結構，且該第四電極大致為一長方形結構並覆蓋部分的該第一電極。
- 如請求項6所述之光電元件，其中該第一凸出部之平行該第一電極長端之邊長大於垂直第一電極長端之邊長。
- 如請求項1所述之光電元件，更包含一第一焊墊形成在該第三電極之上及一第二焊墊形成在該第四電極之上。
- 如請求項7所述之光電元件，其中該第三電極與該第四電極之間有一最小距離D2，該第一焊墊與該第二焊墊之間具有一最小距離D3，且該最小距離D2小於該最小距離D3。
- 如請求項7所述之光電元件，其中該第一焊墊包含一梳子狀結構的第一區及一大致為長方形的第二區，其中該第一區覆蓋該第三電極之上且該第二區形成在兩該第一電極之間。
- 如請求項9所述之光電元件，其中更包含一絕緣層形成在該第一電極及該第二電極之上，且該第二區位於該絕 緣層之上。
- 如請求項9所述之光電元件，其中該第二區的材料選自導熱係數大於50W/ml及反射率大於50%的材料。
- 如請求項1所述之光電元件，其中該第一電極與該第二電極之間有一最小距離D1介於10~50μm，及/或該第三電極與該第四電極之間有一最小距離D2介於1~10μm。
- 如請求項9所述之光電元件，其中該最小距離D3介於40μm~600μm。
- 如請求項3所述之光電元件，其中該第一電極與第二延伸電極為一弧形或彎曲形狀。
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