CN103545336B - 半导体装置与其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种半导体装置与其制造方法。一种半导体装置，包括：一第一掺杂层；一第二掺杂层，其电性与所述第一掺杂层相同；一透明绝缘层，该透明绝缘层位于所述第一掺杂层与所述第二掺杂层之间；一第三掺杂层，该第三掺杂层位于相对该透明绝缘层的所述第二掺杂层的另一侧，且其电性与所述第二掺杂层相反；以及一导通结构，该导通结构贯穿所述第二掺杂层、所述第三掺杂层以及所述透明绝缘层，以电性耦合所述第一掺杂层以及所述第三掺杂层。

Description

半导体装置与其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体装置，特别涉及一种具有堆栈结构的半导体装置与其制造方法。

背景技术

在本领域，为了改变组件特性，有时候会形成具有堆栈结构的半导体装置。

例如，堆栈两个分别发出不同颜色光的发光二极管，可得到一种混色发光。美国专利公告号7064354公开了一种混色发光二极管，利用透明黏着层接合两个发光二极管芯片，其中一个发光二极管芯片发出黄色光，另一个发光二极管芯片发出蓝色光。

其它公知技术也公开了相关技术。例如，美国专利公告号7732803公开了堆栈的多个发光二极管，其中每个发光二极管具有P型半导体层、N型半导体层与有源层，每个发光二极管可独立控制，且发光二极管之间具有奥姆接触层。

发明内容

本发明涉及一种具有堆栈结构的半导体装置与其制造方法。

本发明一实施例提供一种半导体装置，由下而上依次包括第一掺杂层、透明绝缘层、第二掺杂层，第三掺杂层。第二掺杂层与第一掺杂层具有相同电性，第二掺杂层与第三掺杂层具有相反电性。导通结构贯穿第二掺杂层、第三掺杂层，以及透明绝缘层，以电性耦合第一掺杂层以及第三掺杂层。

本发明另一实施例提供一种半导体装置的制造方法，包括：提供一第一基板，其上形成一第一半导体单元，其中第一半导体单元由第一基板依次形成一第四掺杂层、一第一有源层以及一第一掺杂层；在第一掺杂层上形成一第一透明绝缘层；提供一第二基板，在该第二基板上形成一第二半导体单元，其中第二半导体单元由第二基板依次形成一第三掺杂层、一第二有源层以及一第二掺杂层；在第二掺杂层上形成一第二透明绝缘层；耦合第一透明绝缘层与第二透明绝缘层；移除第二基板，以暴露第三掺杂层；形成一导通结构，其贯穿第二半导体单元、第一透明绝缘层和第二透明绝缘层，以电性耦合第一半导体单元以及第二半导体单元。

附图说明

图1A至1B分别是示出根据本发明第一实施例的半导体装置的立体示意图以及其沿A-A’虚线的剖面示意图。

图1C是示出根据本发明第二实施例的半导体装置的剖面示意图。

图2A至图2I示出一种根据本发明另一实施例半导体装置的制造方法。

图3示出根据本发明第三实施例的半导体装置数组。

图4示出根据本发明第四实施例的半导体装置数组。

图5示出根据本发明第五实施例的半导体装置数组。

图6示出根据本发明第六实施例的半导体装置数组。

附图标号说明

1/1A/1B：半导体装置

2：半导体装置

10：基板

12：第一半导体单元

12a：第四掺杂层

12b：第一有源层

12c：第一掺杂层

12d：第一透明导电层

14:第二半导体单元

14a:第三掺杂层

14b:第二有源层

14c:第二掺杂层

14d:第二透明导电层

16:透明绝缘层

16a:第一透明绝缘层

16b:第二透明绝缘层

18:导通结构

18a:孔洞

18b:绝缘层

18c:导电层

22:第一电极

24:第二电极

26:内联机/连接结构

30:基板

142:暴露表面

144:暴露表面

146:暴露表面

具体实施方式

图1A与图1B示出根据本发明一实施例的半导体装置，其中图1A是立体示意图，图1B是图1A中沿A-A’虚线的剖面示意图。

参见图1A与图1B，半导体装置1包括第一半导体单元12以及第二半导体单元14，每个半导体单元12/14各包括至少一掺杂层。第一半导体单元12可位于第二半导体单元14下方，且设置在基板10上。此外，透明绝缘层16位于第一半导体单元12与第二半导体单元14之间，以便接合两半导体单元12/14；导通结构18贯穿第二半导体单元14与透明绝缘层16，以便电性耦合第一半导体单元12与第二半导体单元14。较佳地，导通结构18电性耦合第一半导体单元12的一掺杂层与第二半导体单元14的一掺杂层，上述第一半导体单元12的掺杂层与第二半导体单元14的掺杂层系电性相反，下面将详细描述其细节。

半导体装置1、第一半导体单元12和/或第二半导体单元14可以是光伏电池、发光二极管、晶体管、光传感器，或二极管等。

在本实施例中，较佳地，第一半导体单元12由下而上可包括第四掺杂层12a、第一有源层12b、第一掺杂层12c以及第一透明导电层12d。第二半导体单元14可包括第三掺杂层14a、第二有源层14b、第二掺杂层14c以及第二透明导电层14d。其中，第一掺杂层12c与第二掺杂层14c的电性相同，第二掺杂层14c与第三掺杂层14a的电性相反，第一掺杂层12c与第四掺杂层12a的电性相反。此处「电性」是指掺杂的型态，也即，P型或N型。

在一实施例中，半导体装置1是一光伏电池，且第一有源层12b的能隙小于第二有源层14b的能隙(energygap)。

在本实施例中，半导体装置1的第一半导体单元12与第二半导体单元14是发光二极管。

在本实施例中，第一掺杂层12c以及第二掺杂层14c是P型掺杂层，第三掺杂层14a与第四掺杂层12a是N型掺杂层。

在本实施例中，基板10包括极化(polar)基板、半极化(semi-polar)基板或非极化(non-polar)基板，并且其材质可以是砷化镓(GaAs)、锗(Ge)表面形成的锗化硅(SiGe)、硅(Si)表面形成的碳化硅(SiC)、铝(Al)表面形成的氧化铝(Al2O3)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)、氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、蓝宝石(sapphire)、玻璃、石英或其组合，但不局限于此。第四掺杂层12a、第一有源层12b、第一掺杂层12c、第三掺杂层14a、第二有源层14b，以及第二掺杂层14c的材料包含三族氮化物，例如氮化铟(InN)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铟铝镓(InAlGaN)等，但不局限于上述材料。

在本实施例中，导通结构18至少包括孔洞18a、绝缘层18b、导电层18c。孔洞18a贯穿第二掺杂层14c、第三掺杂层14a，以及透明绝缘层16。绝缘层18b形成于孔洞18a的侧壁处。导电层18c填满孔洞18a，且电性耦合第一掺杂层12c与第三掺杂层14a。通过增加导通结构18分布在半导体装置1的数量，可提高第一半导体单元12以及第二半导体单元14的载子传输分布，以加强半导体装置1的效率。

在本实施例中，第三掺杂层14a在相对于第二掺杂层14c的暴露表面142，可具有粗糙结构。如果半导体装置1是光伏电池，则粗糙结构可有效提高光吸收量，以加强半导体装置1的光电转换效率；如果半导体装置1是发光二极管，则粗糙结构可有效提高半导体装置1的出光量。

在本实施例中，为了方便与其它半导体装置或外部端点电性耦合，在第四掺杂层12a的暴露表面144，可具有第一电极22；在透明导电层14d的暴露表面146，可具有第二电极24。当在第二电极24提供电压，电流由第二掺杂层14c和第三掺杂层14a，再经由导通结构18，流向第一掺杂层12c。其中，第一电极22或第二电极24是N型电极，则其材质可由钛、铝、铬、铂、金的其中之一或其组合所构成，例如铬/铂/金(Cr/Pt/Au)、钛/铝/铂/金(Ti/Al/Pt/Au)或钛/铂/金(Ti/Pt/Au)；第一电极22或第二电极24是P型电极，则其材质可由镍、铂、银、氧化铟锡的其中之一或其组合所构成，例如镍/银(Ni/Ag)、镍/铂/银(Ni/Pt/Ag)或氧化铟锡/银(ITO/Ag)。

上述透明绝缘层16的材料可包括透明氧化物，例如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、二氧化钛(TiO2)、或氧化钽(Tantalumpentoxide，Ta2O5)。上述第一透明导电层12d以及第二透明导电层14d的材料可包括下列材料的其中之一或其组合：锑锡氧化物(AntimonyTinOxide,ATO)、铟锡氧化物(IndiumTinOxide,ITO)、氧化锡(TinOxide,SnO2)、氧化锌掺杂铝(aluminumdopedzincoxide,AZO)、氧化锌掺杂镓(Galliumdopedzincoxide,GZO)和氧化锌掺杂铟(Indiumdopedzincoxide,IZO)。

图1C示出根据本发明第二实施例的半导体装置2。本实施例与图1A实施例的不同处在于，省略了第一透明导电层12d及第二透明导电层14d，而第二电极24位于第二掺杂层14c的暴露表面146。

图2A至图2I示出根据本发明一实施例半导体装置的制造方法。

如图2A所示，在基板10上形成第一半导体单元12，其可以包括第四掺杂层12a、第一有源层12b、第一掺杂层12c、以及第一透明导电层12d。第一半导体单元12的材料可包含三族氮化物。在本实施例中，第四掺杂层12a是N型掺杂层，例如N型氮化镓层；第一有源层12b可以是单一或多重量子井层；第一掺杂层12c是P型掺杂层，例如P型氮化镓层。在另一实施例，可省略第一透明导电层12d。

此外，在基板10与第四掺杂层12a之间，可具有一缓冲层(未示出)。在一实施例中，缓冲层可包含下列材料的其中之一或其任意组合：未掺杂氮化镓(GaN)、n型氮化镓、氮化铝、氮化铝镓、氮化镁、或氮化硅。

形成第一透明导电层12d的方法可包括：浸渍涂布(dipcoating)、旋转涂布(spincoating)、喷雾涂布(spraycoating)、化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,CVD)、蒸发(Evaporation)或溅镀(Sputtering)。

如图2B所示，在第一透明导电层12d(或第一掺杂层12c)的上方，形成第一透明绝缘层16a，形成方法可与形成第一透明导电层12d的方法相同。此外，可利用一工艺技术，例如，打磨(polish)，以磨平第一透明绝缘层16a。

如图2C所示，在基板30上形成第二半导体单元14，其可包括第三掺杂层14a、第二有源层14b、第二掺杂层14c、以及第二透明导电层14d。第二半导体单元14的材料可包含三族氮化物。在本实施例中，第三掺杂层14a是N型掺杂层，例如N型氮化镓层；第二有源层14b可以是单一或多重量子井层；第二掺杂层14c是P型掺杂层，例如P型氮化镓层。在另一实施例中，可省略第二透明导电层14d。

此外，在基板30与第三掺杂层14a之间，可具有一缓冲层(未示出)。在一实施例中，缓冲层可包含下列材料的其中之一或其任意组合：未掺杂氮化镓(GaN)、n型氮化镓、氮化铝、氮化铝镓、氮化镁、或氮化硅。形成第二透明导电层14d的方法可与形成第一透明导电层12d的方法相同。

如图2D所示，在第二透明导电层14d(或第二掺杂层14c)的上方，形成第二透明绝缘层16b，形成方法可与形成第二透明导电层14d的方法相同。此外，可利用一工艺技术，例如，打磨(polish)，以磨平第二透明绝缘层16b。

如图2E所示，倒置第二半导体单元14与基板30，使第二透明绝缘层16b对准第一透明绝缘层16a。接着，在一耦合条件下，将第二透明绝缘层16b与第一透明绝缘层16a耦合成一透明绝缘层16。上述耦合条件包括加热和/或加压。例如，以不破坏第一、第二半导体单元12/14的温度，例如700-800℃加热，通过相同的接口材料经过加压加热互相融合，而使第二透明绝缘层16b与第一透明绝缘层16a耦合。上述透明第一绝缘层16a与第二透明绝缘层16b的材料，包含在耦合条件下的可互相融合的材料，例如二氧化硅(SiO2)。

接着，如图2F所示，可移除基板30，并且选择性地，可以粗糙化第三掺杂层14a的暴露表面142，在表面142形成粗糙结构。例如，可利用湿式蚀刻法形成粗糙结构。移除基板30的方法，可以是雷射剥离技术(laserlift-off)或湿式蚀刻法，但不局限于此。

接着，如图2G所示，由第三掺杂层14a蚀刻至少一孔洞18a，孔洞18a贯穿第三掺杂层14a、第二有源层14b、第二掺杂层14c、第二透明导电层14d、以及透明绝缘层16，以暴露第一透明导电层12d(如果没有第一透明导电层12d，则暴露第一掺杂层12c)。同时，蚀刻第二半导体单元14的一部分与第一半导体单元12的一部分，以暴露出第四掺杂层12a的一暴露表面144，以及第二透明导电层14d(或第二掺杂层14c)的一暴露表面146。蚀刻的方法，可包含，但不局限于感应耦合电浆反应离子蚀刻(InductivelyCoupledPlasmaReactiveIonEtching，ICP-RIE)或雷射蚀刻。

接着，如图2H所示，在孔洞18a的侧壁形成绝缘层18b，以及形成导电层18c以填满孔洞18a，并接触第三掺杂层14a。通过导电层18c，第一掺杂层12c(透过第一透明导电层12d)与第三掺杂层14a电性耦合。

接着，如图2I所示，在暴露表面144形成第一电极22，在暴露表面146形成第二电极24。

图3示出根据本发明第三实施例的半导体装置数组。在基板10上形成多个前述的半导体装置，例如，半导体装置1A与半导体装置1B，其中，半导体装置1A的第二电极24，可通过内联结构26(interconnect)或其它连接结构26，电性耦合半导体装置1B的第一电极22，从而形成一串联数组。

图4示出根据本发明的第四实施例的半导体装置数组。在基板10上，形成多个前述的半导体装置，例如，半导体装置1A与半导体装置1B，其中，两相邻半导体装置(例如1A/1B)共享一个第二电极24，形成一并联数组。

图5示出根据本发明第五实施例的半导体装置数组。在基板10上，形成多个前述的半导体装置，例如，半导体装置1A与半导体装置1B，其中，两相邻半导体装置(例如1A/1B)共享一个第一电极22，形成一并联数组。

图6示出根据本发明第六实施例的一种半导体装置数组。此半导体数组为一串联数组，半导体装置1的第一电极22，连接相邻半导体装置1的第二电极24。串联数组可以是奇数数组，也即，行数或列数的其中之一为奇数。通过上述半导体数组的排列方式可有效减少内联结构26的面积。

在上述各实施例中，半导体单元12/14的P型掺杂层、有源层、以及N型掺杂层可视为一个磊晶结构，其可利用隧穿结(tunneljunction)或其它结层，连接或堆栈更多的磊晶结构。也即，每个半导体单元12/14可具有多个磊晶结构。

根据本发明的说明书，本领域技术人员可以做各种修饰、改动或替换。因此，本发明的说明书仅是用于本领域技术人员，示出如何实现本发明，所述的实施例仅为较佳实施例。本领域技术人员阅读本发明的说明书后，可知道本发明实施例中的哪些组件与材料可做替换，哪些组件或工艺步骤顺序可变更，哪些特征可被单独应用。凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包括在本发明的权利要求范围内。

Claims (17)

1.一种半导体装置，包括：

一第一掺杂层；

一第二掺杂层，其电性与所述第一掺杂层相同；

一透明绝缘层，所述透明绝缘层位于所述第一掺杂层与所述第二掺杂层之间；

一第三掺杂层，所述第三掺杂层位于相对所述透明绝缘层的所述第二掺杂层的另一侧，且其电性与所述第二掺杂层相反；以及

复数个导通结构，所述复数个导通结构贯穿所述第二掺杂层、所述第三掺杂层以及所述透明绝缘层，以电性耦合所述第一掺杂层以及所述第三掺杂层，

其中每个导通结构包括:

一孔洞，所述孔洞贯穿所述第二掺杂层、所述第三掺杂层以及所述透明绝缘层；

一绝缘层，所述绝缘层形成在所述孔洞的侧壁；

一导电层，所述导电层填满所述孔洞，且电性耦合所述第一掺杂层与所述第三掺杂层。

2.如权利要求1所述的半导体装置，还包括两透明导电层，分别位于所述透明绝缘层与所述第一掺杂层之间，以及所述透明绝缘层与所述第二掺杂层之间。

3.如权利要求1所述的半导体装置，还包括一基板、一第四掺杂层、一第一有源层以及一第二有源层，所述第四掺杂层位于所述基板与所述第一掺杂层之间，并且其电性与所述第一掺杂层相反；所述第一有源层位于所述第一掺杂层与所述第四掺杂层之间从而形成一第一半导体单元；所述第二有源层位于所述第二掺杂层与所述第三掺杂层之间从而形成一第二半导体单元。

4.如权利要求1所述的半导体装置，其中所述第三掺杂层相对于所述第二掺杂层的一暴露表面具有一粗糙结构。

5.如权利要求3所述的半导体装置，还包括两电极，分别位于所述第四掺杂层的一暴露表面，以及位于所述第二掺杂层的一暴露表面。

6.如权利要求1所述的半导体装置，其中所述透明绝缘层的材料包含下列材料的其中之一或其组合：二氧化硅、氮化硅、二氧化钛以及氧化钽。

7.如权利要求2所述的半导体装置，其中所述两透明导电层的材料包括下列材料的其中之一或其组合：锑锡氧化物、铟锡氧化物、氧化锡、氧化锌掺杂铝、氧化锌掺杂镓以及氧化锌掺杂铟。

8.一种半导体装置的制造方法，包括：

提供一第一基板，在所述第一基板上形成一第一半导体单元，其中所述第一半导体单元由所述第一基板依次形成一第四掺杂层、一第一有源层以及一第一掺杂层；

在所述第一掺杂层上形成一第一透明绝缘层；

提供一第二基板，在所述第二基板上形成一第二半导体单元，其中所述第二半导体单元由所述第二基板依次形成一第三掺杂层、一第二有源层以及一第二掺杂层；

在所述第二掺杂层上形成一第二透明绝缘层；

耦合所述第一透明绝缘层与所述第二透明绝缘层；

移除所述第二基板，以暴露所述第三掺杂层；

形成复数个导通结构，所述复数个导通结构贯穿所述第二半导体单元、所述第一透明绝缘层和所述第二透明绝缘层，以电性耦合所述第一半导体单元以及所述第二半导体单元，

其中形成每个导通结构的步骤包括：

由所述第三掺杂层蚀刻一孔洞，所述孔洞贯穿所述第二半导体单元、所述第一透明绝缘层和所述第二透明绝缘层，以暴露所述第一掺杂层的一部分；

在所述孔洞的侧壁形成一绝缘层；以及

形成一导电层以填满所述孔洞，且与所述第一掺杂层以及所述第三掺杂层电性耦合。

9.如权利要求8所述的制造方法，还包括分别在所述第二掺杂层以及所述第一透明绝缘层之间形成一第一透明导电层，以及在所述第一掺杂层以及所述第二透明绝缘层之间形成一第二透明导电层。

10.如权利要求9所述的制造方法，其中所述第一透明导电层、所述第二透明导电层、所述第一透明绝缘层以及所述第二透明绝缘层的形成方法包括浸渍涂布法、旋转涂布法、喷雾涂布法、化学气相沉积法、蒸发法或溅镀法。

11.如权利要求8所述的制造方法，其中在形成所述第一透明绝缘层或/和所述第二透明绝缘层之后，还包括磨平所述第一透明绝缘层或/和所述第二透明绝缘层。

12.如权利要求8所述的制造方法，其中所述半导体装置包括一光伏电池，所述第一有源层的能隙小于所述第二有源层的能隙。

13.如权利要求8所述的制造方法，还包括粗糙化相对所述第二掺杂层的所述第三掺杂层的一暴露表面。

14.如权利要求8所述的制造方法，还包括：

蚀刻所述第二半导体单元的一部分、所述第一透明绝缘层的一部分、所述第二透明绝缘层的一部分、所述第一掺杂层的一部分以及所述第一有源层的一部分，以暴露所述第四掺杂层；

在所述第四掺杂层的一暴露表面形成一第一电极。

15.如权利要求8所述的制造方法，还包括；

蚀刻所述第三掺杂层的一部分以及所述第二有源层的一部分，以暴露所述第二掺杂层；

在所述第二掺杂层的暴露表面形成一第二电极。

16.如权利要求8所述的制造方法，其中所述耦合的方法包括加热或加压。

17.一种半导体装置，包括：

一第一半导体单元；

一第二半导体单元；

一透明绝缘层，所述透明绝缘层位于所述第一半导体单元与所述第二半导体单元之间；以及

复数个导通结构，所述复数个导通结构贯穿所述第一半导体单元与所述第二半导体单元的其中之一以及所述透明绝缘层，并电性耦合所述第一半导体单元与所述第二半导体单元，

其中每个导通结构包括:

一孔洞，所述孔洞贯穿所述第一半导体单元与所述第二半导体单元的其中之一以及所述透明绝缘层；

一绝缘层，所述绝缘层形成在所述孔洞的侧壁；

一导电层，所述导电层填满所述孔洞，且电性耦合所述第一半导体单元与所述第二半导体单元。