TWI855134B

TWI855134B - 化合物半導體元件及化合物半導體裝置

Info

Publication number: TWI855134B
Application number: TW109128192A
Authority: TW
Inventors: 梁皓鈞; 偉善楊; 詹燿寧; 陳怡名; 李世昌
Original assignee: 晶元光電股份有限公司
Priority date: 2020-08-19
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2024-09-11
Also published as: TW202209706A; CN114078993A; US12002906B2; US20220059727A1

Abstract

一種化合物半導體元件，包括主動結構、半導體接觸層、電極、絕緣層、第一開口、以及第二開口。主動結構具有第一導電型半導體層、第二導電型半導體層、以及主動層位於第一導電型半導體層及第二導電型半導體層之間。半導體接觸層位於第二導電型半導體層上且具有第一開口。電極具有一上表面，且電極完全覆蓋半導體接觸層及第一開口。絕緣層覆蓋電極及主動結構且具有第二開口。第二導電型半導體層自第一開口露出。電極自第二開口露出。

Description

化合物半導體元件及化合物半導體裝置

本申請係關於一種化合物半導體元件，特別關於一種具有半導體接觸層之化合物半導體元件。

隨著科技的發展，化合物半導體材料已可被製造成各種化合物半導體元件，並廣泛應用於照明、醫療、顯示、通訊、感測、電源系統等領域。舉例來說，包含三族及五族元素的化合物半導體材料可應用於光電半導體元件如發光二極體(Light emitting diode，LED)。

本揭露提供一種化合物半導體元件，包括主動結構、半導體接觸層、電極、絕緣層、第一開口、以及第二開口。主動結構具有第一導電型半導體層、第二導電型半導體層、以及主動層位於第一導電型半導體層及第二導電型半導體層之間。半導體接觸層位於第二導電型半導體層上且具有第一開口。電極具有一上表面，完全覆蓋半導體接觸層及第一開口。絕緣層覆蓋電極及主動結構且具有第二開口。第二導電型半導體層自第一開口露出。電極自第二開口露出。第一開口之寬度大於第二開口之寬度的90%。

本揭露提供一種化合物半導體裝置，包括化合物半導體元件以及焊接線。化合物半導體元件包括主動結構、半導體接觸層、電極、絕緣層、第一開口、以及第二開口。主動結構具有第一導電型半導體層、第二導電型半導體層、以及主動層位於第一導電型半導體層及第二導電型半導體層之間。半導體接觸層位於第二導電型半導體層上且具有一第一開口。電極具有一上表面，且電極完全覆蓋半導體接觸層及第一開口。絕緣層覆蓋電極及主動結構且具有一第二開口。焊接線接合至電極，且焊接線與電極之接合處具有一接合寬度。第二導電型半導體層自第一開口露出。電極自第二開口露出。於化合物半導體元件之一剖面觀之，第二開口之寛度大於接合寬度。

10、10’:化合物半導體元件

11、11’:區域

100:基底

102:中間層

103:主動結構

103a:第一導電型半導體層

103b:主動層

103c:第二導電型半導體層

103c1:平台部

103c2:凸部

104:半導體接觸層

104a:內邊界

104b:外邊界

104c:斷開部

104s:島狀結構

105:第一電極

105s:上表面

106:第二電極

107:絕緣層

107a:內邊界

107b:外邊界

20:化合物半導體裝置

21:載板

22:第一接合墊

23:第二接合墊

24:焊接線

241:第一凸塊

242:第二凸塊

243:線體

C1:第一開口

C2:第二開口

CD1、CD2、D1、D2、D4、D5:寬度

D3、L:距離

第1A圖為剖面示意圖，顯示符合本揭露之化合物半導體元件之一實施例。第1B圖為第1A圖之局部放大圖；其中第1B圖之上方圖為上視示意圖，第1B圖之下方圖為沿剖面線AA’之剖面示意圖。

第2A圖為剖面示意圖，顯示符合本揭露之化合物半導體元件之一實施例。第2B圖為第2A圖之局部放大圖；其中第2B圖之上方圖為上視示意圖，第2B圖之下方圖為沿剖面線BB’之剖面示意圖。

第3A圖及第3B圖為上視示意圖，顯示符合本揭露之半導體接觸層及第一電極之實施例。

第4圖為剖面示意圖，顯示符合本揭露之化合物半導體裝置之一實施例。

請參閱第1A圖及第1B圖，其中，第1A圖為剖面示意圖，顯示符合本揭露之化合物半導體元件10之一實施例；第1B圖為第1A圖之局部放大圖；其中第1B圖之上方圖為上視示意圖，第1B圖之下方圖為沿剖面線AA’之剖面示意圖。化合物半導體元件10包含基底100、中間層102、主動結構103、半導體接觸層104、第一電極105、絕緣層107、第二電極106、第一開口C1、以及第二開口C2。第1A圖之區域11包含第一電極105及半導體接觸層104。基底100可為導電基板，包含導電材料如：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、碳化矽(SiC)、磷化鎵(GaP)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、鍺(Ge)或矽(Si)等。中間層102係形成於基底100及主動結構103之間，並可因應化合物半導體元件10之設計要求提供晶格成長、晶格緩衝、結構接合、電性接觸、光學反射、及/或電流分散等功能，且為實現上述功能，中間層102可包含對應功能之材料及結構，此為本領域人士所熟知，不在此贅述。

主動結構103形成於中間層102上，且具有第一導電型半導體層103a、主動層103b、以及第二導電型半導體層103c依序形成於中間層102上。半導體接觸層104形成於主動結構103之第二導電型半導體層103c上，覆蓋一部分的第二導電型半導體層103c。自化合物半導體元件10之上視觀之，如第1B圖之上方圖所示，半導體接觸層104呈一封閉的環形(loop)，例如為圓環形。第一電極105例如呈一圓形且完全覆蓋半導體接觸層104，即第一電極105覆蓋半導體接觸層104的所有上表面及所有側壁。於此實施例，自上視觀之，半導體接觸層104具有一內邊界104a以及一外邊界104b，其中，內邊界104a定義出第一開口C1(即內邊界104a為第一開口C1之邊界)。外邊界104b與內邊界104a可呈相同或不同的幾何圖形。於本實施例，如第1B圖所示，內邊界104a與外邊界104b均呈圓形，且第一開口C1亦呈圓形。外邊界104b所定義之幾何圖形可具有一寬度D1，寬度D1為外邊界104b所定義之幾何圖形之最大寬度。於此實施例中，寬度D1即為圓環形的半導體接觸層104之外徑。於此實施例中，半導體接觸層104具有一寬度D4。具體來說，寬度D4為外邊界104b及內邊界104a之間相隔的距離。於一實施例，寬度D1例如為75至120μm。寬度D4例如為3至15μm。第一開口C1具有一寬度CD1，於此實施例，內邊界104a所定義的幾何圖形可具有一寬度CD1，寬度CD1為內邊界104a所定義的幾何圖形之最大寬度，於此實施例中，其等於第一開口C1的寬度CD1(即圓環形的半導體接觸層104之內徑)。第一電極105完全覆蓋第一開口C1且與第二導電型半導體層103c相接。自第一開口C1露出的第二導電型半導體層103c與第一電極105相接，即第二導電型半導體層103c未被半導體接觸層104覆蓋的部分與第一電極105相接。於一實施例，寬度CD1不小於60μm，例如為60至100μm。

如第1A圖及第1B圖所示，絕緣層107覆蓋第一電極105及主動結構103。自上視觀之，絕緣層107具有一內邊界107a以及一外邊界107b，其中內邊界107a定義出第二開口C2(即內邊界107a為第二開口C2之邊界)。外邊界107b與內邊界107a可呈相同或不同的幾何圖形。於本實施例，如第1B圖所示，外邊界107b呈矩形，內邊界107a呈圓形且第二開口C2亦呈圓形。內邊界107a所定義的幾何圖形可具有一寬度CD2，寬度CD2為內邊界107a所定義的幾何圖形之最大寬度，且等於第二開口C2之寬度CD2。如第1B圖之下方圖所示，絕緣層107的內邊界107a在垂直方向上與半導體接觸層104的內邊界104a不重疊。當將內邊界107a與內邊界104a垂直投影於第一電極 105之上表面時，兩者之間相隔一距離L。即，第一開口C1之邊界與第二開口C2之邊界在水平方向上相隔距離L。於一實施例，距離L可在大於0μm且小於5μm的範圍內，例如為1至3μm。第一電極105之一部份上表面未被絕緣層107覆蓋而自第二開口C2露出。於本實施例，自化合物半導體元件10之上視觀之，如第1B圖所示，第二開口C2之邊界完全位於第一開口C1之邊界內，即，第一開口C1之寬度CD1大於第二開口C2之寬度CD2。於一實施例，第二開口C2之寬度CD2不小於55μm，例如為55至115μm。於上視圖中，第二開口C2之面積不小於2375μm²，例如為2800至10000μm²。於一實施例中，自化合物半導體元件10之上視觀之，如第1B圖之上方圖所示，第一開口C1及第二開口C2分別具有例如圓形或矩形的幾何形狀，並且大致具有相同之幾何中心。

如第1A圖及第1B圖之下方圖所示，第一電極105形成於主動結構103及半導體接觸層104上，且第一電極105具有一寬度D2大於半導體接觸層104之寬度D1。自上視觀之，第一電極105具有一幾何形狀，例如圓形或矩形，並且與第一開口C1及/或第二開口C2大致具有相同之幾何中心。於一實施例，第二開口C2之寬度CD2大於等於寬度D2的80%，例如大於等於寬度D2的90%且小於寬度D2。自上視觀之，絕緣層107覆蓋於第一電極105上表面105s之邊緣，而靠近第一電極105之幾何中心的部分未被絕緣層107覆蓋。於一實施例，於第一電極105之上表面105s，絕緣層107所占面積比例小於等於30%，例如20%以下。於一實施例，寬度D2不小於100μm，例如為120至150μm。於此實施例，第一電極105填充第一開口C1且包覆半導體接觸層104。第一電極105的厚度不小於3μm，例如為3至10μm。於一些實施例，當第一電極105的厚度在3μm以上，化合物半導體元件10之良率可進一步獲得改善。於一些實施例，當第一電極105的厚度超過10μm，製程中材料成本可能過高。

第二導電型半導體層103c具有平台部103c1及凸部103c2凸出於平台部103c1。凸部103c2之寬度小於平台部103c1之寬度。第一電極105位於凸部103c2上且不位於平台部103c1之外周圍上，或者凸部103c2之寬度等於第一電極之寬度D2。凸部103c2之側壁與第一電極105之側壁齊平。於此實施例，絕緣層107連續覆蓋在第一電極105之上表面105s及側壁、第二導電型半導體層103c之凸部103c2之側壁、以及主動結構103上。如第1B圖之下方圖所示，半導體接觸層104之側壁與第一電極105之側壁間隔一距離D3，或者，半導體接觸層104與絕緣層107未直接接觸，並且間隔所述之距離D3。於一實施例，距離D3例如為1μm至10μm。平台部103c1及凸部103c2之組成材料可相同或不同。於一實施例，當平台部103c1及凸部103c2之組成材料不同時，以電子顯微鏡如SEM觀察時可看到平台部103c1及凸部103c2之間存在明顯界面。

於一些實施例，第一電極105完全覆蓋半導體接觸層104，即第一電極105覆蓋半導體接觸層104之所有上表面及所有側壁，藉此可保護半導體接觸層104之材料，避免於製程中半導體接觸層104的材料因氧化等反應導致化合物半導體元件10的光電特性不佳的情況。

於一實施例中，自化合物半導體元件10之上視觀之，第一電極105之幾何中心及/或半導體接觸層104之幾何中心大致上重疊於化合物半導體元件10之幾何中心。第二電極106形成於基底100之底面上，其中，第一電極105及第二電極106用以分別電性連接至外部元件或電源之二端點。於一實施例，化合物半導體元件10可為一發光二極體晶片、雷射二極體晶片或光電二極體晶片。

請參閱第2A圖及第2B圖，其中，第2A圖為剖面示意圖，顯示符合本揭露之化合物半導體元件10’之一實施例；第2B圖為第2A圖之局部放大圖；其中第2B圖之上方圖為上視示意圖，第2B圖之下方圖為沿剖面線BB’之剖面示意圖。第2A圖之區域11’包含第一電極105及半導體接觸層104。本實施例的化合物半導體元件10’與化合物半導體元件10之差異在於：於本實施例，自上視觀之，如第2B圖所示，半導體接觸層104之內邊界104a較第二開口C2之邊界更靠近第二開口C2之幾何中心，即，第一開口C1之邊界完全位於絕緣層107之第二開口C2之邊界內，第二開口C2具有一寬度CD2大於第一開口C1之寬度CD1，因此，可增加半導體接觸層104與第二導電型半導體層103c之接觸面積以進一步降低接觸電阻。於一實施例，距離L小於寬度CD2的5%；第一開口C1之寬度CD1大於第二開口C2之寬度CD2之90%，藉由此設計上的控制，可同時兼顧半導體接觸層104與第二導電型半導體層103c之間維持良好的接觸電阻，並可避免在水平方向上半導體接觸層104的位置太靠近第二開口C2之幾何中心而影響後續於封裝打線接合時的良率。此外，如第2B圖之下方圖所示，絕緣層107的內邊界107a在垂直方向上與半導體接觸層104重疊。本實施例中的其他各層或結構之位置、相對關係及材料組成等內容及結構變化例亦已於先前實施例中進行了詳盡之說明，於此不再贅述。

於一些實施例，半導體接觸層104及第一電極105可具有其他之形狀及結構。半導體接觸層104可呈一開放的環形。例如，半導體接觸層104可具有一或多個斷開部104c以形成開放的環形。如第3A圖及第3B圖所示，半導體接觸層104可包含彼此分離的多個島狀結構104s。各斷開部104c隔開相鄰的島狀結構104s。於一實施例，島狀結構104s的個數例如可在2至6的範圍，例如3、4、5。第一電極105呈一圓形且可完全覆蓋半導體接觸層104，即第一電極105覆蓋半導體接觸層104之所有上表面及所有側壁，而藉由具有彼此分離的多個島狀結構104s，可增加第一電極105與半導體接觸層104接觸之表面積，進一步降低第一電極105與半導體接觸層104之間的接觸阻值。如第3B圖所示之實施例，半導體接觸層104可呈一開放的方環形並具有複數個島狀結構104s，第一電極105呈一方形且完全覆蓋半導體接觸層104，即第一電極105覆蓋半導體接觸層104之所有上表面及所有側壁。

請參閱第4圖，顯示符合本揭露之化合物半導體裝置20之一實施例。化合物半導體裝置20包括如前述之化合物半導體元件10，更包含載板21、第一接合墊22、第二接合墊23、以及焊接線24。化合物半導體元件10之詳細結構已如前述，不在此贅述。焊接線24包含第一凸塊241、第二凸塊242、以及線體243連接至第一凸塊241及第二凸塊242。第一凸塊241及第二凸塊242沿著焊接線24之中心軸方向的截面寬度大於線體243之截面寬度。第一接合墊22位於載板21上，並透過焊接線24以電性連接至第一電極105。焊接線24之第一凸塊241接合至化合物半導體元件10之第一電極105，焊接線24之第二凸塊242接合至載板21之第一接合墊22。第二接合墊23位於載板21上，並接合至化合物半導體元件10之第二電極106。焊接線24與第一電極105相接之接面具有一接合寬度D5，其中，化合物半導體元件10之第二開口C2之寛度CD2大於接合寬度D5。接合寬度D5可在50μm至100μm的範圍內，例如約60μm、70μm、80μm或90μm。於一實施例，從上視觀之，焊接線24與第一電極105上表面相接之面積例如是佔第一電極105上表面之面積的90%以下。載板21例如為封裝次載體(package submount)或印刷電路板(printed circuit board；PCB)。第一接合墊22及第二接合墊23分別包含單層或多層金屬結構並且包含至少一材料選自於鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、鋁(Al)及銅(Cu)所組成之群組。於一實施例，焊接線24之第一凸塊241、第二凸塊242、以及線體243整體包含相同之金屬材料，例如金、銀、鋁或銅。焊接線24之第一凸塊241、第二凸塊242、以及線體243可為一體成形。

應注意的是，雖然第4圖的化合物半導體裝置20中是以化合物半導體元件10進行說明，然本領域具通常知識者應理解化合物半導體元件10’亦同樣地適用於第4圖所繪示的結構。

本揭露之化合物半導體元件10可避免焊接線24於接合至第一電極105時，因打線之壓/應力造成半導體接觸層104之破裂或剝離。具體地，焊接線24於接合製程接合至第一電極105時會形成第一凸塊241以增加與第一電極105之接合面積及強度，藉由控制第一凸塊241之接合寬度D5小於絕緣層107之第二開口C2之寛度CD2、或者控制第一開口C1之寬度CD1大於第二開口C2之寬度CD2之90%，可同時兼顧半導體接觸層104與第二導電型半導體層103c之間維持良好的接觸電阻，並可避免焊接線24接合至第一電極105時因半導體接觸層104向內過度延伸而造成半導體接觸層104之破裂，改善化合物半導體元件10之良率。

於一實施例，基底100可為一磊晶基板用以透過例如有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)磊晶成長中間層102、主動結構103、及半導體接觸層104。於一實施例，化合物半導體元件10為一發光二極體晶片，化合物半導體元件10之主動層103b所發出的光係朝向絕緣層107發出，基底100可依需求選擇對於主動層103b所發出的光為透明或不透明之材料。於另一實施例，基底100可為一接合基板，中間層102包含一黏結材料，例如金屬或高分子材料，用以接合基底100及主動結構103，其中，主動結構103係先磊晶成長於一磊晶基板，並於透過中間層102接合至基底100後移除所述之磊晶基板，因此，化合物半導體元件10不具有所述之磊晶基板。

於上述之各實施例中，第一導電型半導體層103a具有第一導電型並且第二導電型半導體層103c具有第二導電型相反於第一導電型。第一導電型例如為p型，使得第一導電型半導體層103a可提供電洞，第二導電型例如為n型，使得第二導電型半導體層103c可提供電子，並且電子及電洞於主動層103b結合以發出特定波長之光線。於另一實施例，第一導電型例如為n型，使得第一導電型半導體層103a可提供電子，第二導電型例如為p型，使得第二導電型半導體層103c可提供電洞，並且電子及電洞於主動層103b結合以發出特定波長之光線。

於上述之各實施例中，中間層102、第一導電型半導體層103a、主動層103b、第二導電型半導體層103c、半導體接觸層104可包含相同系列之III-V族化合物半導體材料，例如AlInGaAs系列、AlGaInP系列或AlInGaN系列。其中，AlInGaAs系列可表示為(Al_x1In_(1-x1))_1-x2Ga_x2As，AlInGaP系列可表示為(Al_y1In_(1-y1))_1-y2Ga_y2P，AlInGaN系列可表示為(Al_z1In_(1-z1))_1-z2Ga_z2N，其中，0≦x₁,y₁,z₁≦1，0≦x₂,y₂,z₂≦1。於一實施例，化合物半導體元件10為一發光二極體晶片，化合物半導體元件10發出之光線決定於主動層103b之材料組成，例如主動層103b之材料包含AlGaInP系列時，可發出峰值波長(peak wavelength)為700至1700nm的紅外光、610nm至700nm的紅光、或是峰值波長為530nm至570nm的黃光。當主動層103b之材料包含InGaN 系列時，可發出峰值波長為400nm至490nm的藍光、深藍光，或是峰值波長為490nm至550nm的綠光。當主動層103b之材料包含AlGaN系列時，可發出峰值波長為250nm至400nm的紫外光。於一實施例，主動層103b之材料包含三元III-V族半導體材料如In_xGa_1-xAs，0<x<1；第一導電型半導體層103a之材料包含三元III-V族半導體材料如Al_yGa_1-yAs，0<y<1；第二導電型半導體層103c之材料包含三元III-V族半導體材料如Al_zGa_1-zAs，0<z<1。

於一實施例，當化合物半導體元件10為一光電二極體晶片時，依據主動層103b之材料(或能隙(band gap)來決定欲被吸收之光線的波長範圍。主動層103b可吸收能量大於其能隙的光。例如，主動層103b的能隙可設計介於0.72ev與1.77ev(其相對應波長為介於700nm及1700nm的紅外光)、介於1.77ev與2.03ev(其相對應波長為介於610nm及700nm之間的紅光)、介於2.1ev與2.175ev(其相對應波長為介於570nm及590nm之間的黃光)、介於2.137ev與2.48ev(其相對應波長為介於500nm及580nm之間的綠光)、介於2.53ev與3.1ev(其相對應波長為介於400nm及490nm之間的藍光或深藍光)、或是介於3.1ev與4.96ev(其相對應波長為介於250nm及400nm之間的紫外光)。具體來說，當化合物半導體元件10為一光電二極體晶片時，主動層103b可包含III-V族化合物半導體如GaAs、InP、InGaAs、AlGaAs、AlGaInAs、GaP、InGaP、AlInP、AlGaInP、GaN、InGaN、AlGaN、AlGaInN、AlAsSb、InGaAsP、InGaAsN或AlGaAsP。

半導體接觸層104之材料可不同於第二導電型半導體層103c之材料。於一些實施例，半導體接觸層104之材料包含二元III-V族半導體材料，例如為GaAs，且可與第二導電型半導體層103c具有相同的導電型態。半導體接觸層104之厚度可在5nm至50nm的範圍內。於一些實施例，為了避免半導體接觸層104吸收主動層103b所發出之光線而影響發光效率，半導體接觸層104之厚度可設定在1nm以下且/或由上視觀之半導體接觸層104之環狀面積可設定為主動層103b面積的10%以下，例如在2%至5%的範圍內。

於上述之各實施例中，第一電極105及第二電極106係包含單層或多層金屬結構。第一電極105及第二電極106包含至少一材料選自於鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銀(Ag)、金(Au)、鋁(Al)及銅(Cu)所組成之群組。第一電極105係與半導體接觸層104直接接觸並形成具有第一阻值R1之界面，例如為歐姆接觸，且第一電極105係與第二導電型半導體層103c直接接觸且形成具有第二阻值R2之界面，其中，第一阻值R2係大於第二阻值R1，使得電流主要經由半導體接觸層104流入(或流出)第一電極105。

於上述之各實施例中，絕緣層107包含介電材料，例如氧化鉭(TaO_x)、氧化鋁(AlO_x)、二氧化矽(SiO_x)、氧化鈦(TiO_x)、氮化矽(SiN_x)、氧化鈮(Nb₂O₅)或旋塗玻璃(SOG)。在一實施例，絕緣層107包含一分散式布拉格反射鏡(DBR；Distributed Bragg Reflector)結構，其中，所述之DBR結構係包含複數個第一介電層及複數個第二介電層相互交疊，且所述之第一介電層與所述之第二介電層具有不同的折射率，當化合物半導體元件10發出之光透過基底100摘出時，絕緣層107如DBR結構有助於將光反射朝向基底100摘出，以增加化合物半導體元件10的效率。於一實施例，絕緣層107之上表面可具有小於0.1μm之平均粗糙度(Ra)，例如小於0.05μm，當化合物半導體元件10為一發光二極體晶片，於驅動時可發出具有140°以上的可視角度(viewing angle)之光場，而適用於廣視角之應用。

具體來說，本揭露內容之化合物半導體元件及化合物半導體裝置可應用於照明、醫療、顯示、通訊、感測、電源系統等領域的產品，例如燈具、監視器、手機、平板電腦、車用儀表板、電視、電腦、光學滑鼠、穿戴裝置(如手錶、手環、項鍊等)、交通號誌、戶外顯示器、醫療器材等。

以上所述者，僅為本揭露之較佳實施例而已，並非用來限定本揭露實施之範圍，舉凡依本揭露申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本揭露之申請專利範圍內。

10:化合物半導體元件