RU2212734C1

RU2212734C1 - Semiconductor light source

Info

Publication number: RU2212734C1
Application number: RU2002119607A
Authority: RU
Inventors: Г.В. Иткинсон; А.Л. Закгейм; Е.Д. Васильева
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Светлана - Оптоэлектроника"
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2003-09-20
Also published as: RU2002119607A

Abstract

FIELD: solid state electronics; high-power light sources built around semiconductor light-emitting chips. SUBSTANCE: semiconductor light source has substrate of silicon wafer wherein at least one depression is made to receive electroluminescent semiconductor chip with ohmic contacts. Metal- sprayed current-conducting sections are formed on substrate surface and also on side surface and bottom of depression; metal-sprayed conducting section made on bottom forms contact pad which is connected to one of ohmic contacts of semiconductor chip. Novelty is that one more metal sprayed section insulated from first one is formed on depression bottom and connected to other ohmic contact of semiconductor chip. Metal-sprayed current-conducting sections on side surface of depression are made in the form of buses, each being connected to one of contact pads on bottom of depression and to metal-sprayed conducting section on substrate surface; mentioned metal-sprayed conducting sections on substrate surface are insulated from each other. EFFECT: enhanced optical power and operating reliability. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к твердотельной электронике, в частности к конструкциям мощных источников света на основе полупроводниковых излучающих кристаллов. The invention relates to solid-state electronics, in particular to the designs of high-power light sources based on semiconductor emitting crystals.

В настоящее время источники света на основе полупроводниковых электролюминесцентных кристаллов (светодиодов) широко используются в технике. Современные разработки направлены на создание эффективных полупроводниковых источников света с высокими значениями выходного светового потока (оптической мощности излучения) и коэффициента преобразования электрической энергии в оптическую (светоотдачи). Указанные параметры в значительной степени определяются величиной рабочего тока, зависящей от эффективности отвода тепла от излучающего кристалла, а также оптической эффективностью таких элементов светодиода, как иммерсионная линза, рефлектор. Кроме того, конструкции современных мощных полупроводниковых источников света выполняются, как правило, в виде многоэлементной матрицы, в связи с чем должны обеспечивать возможность плотной интеграции на едином носителе от нескольких десятков до сотен излучающих кристаллов. Currently, light sources based on semiconductor electroluminescent crystals (LEDs) are widely used in technology. Modern developments are aimed at creating effective semiconductor light sources with high values of the output light flux (optical radiation power) and the coefficient of conversion of electrical energy into optical (light output). The indicated parameters are largely determined by the magnitude of the operating current, which depends on the efficiency of heat removal from the emitting crystal, as well as the optical efficiency of such LED elements as an immersion lens and reflector. In addition, the designs of modern powerful semiconductor light sources are performed, as a rule, in the form of a multi-element matrix, and therefore should provide the possibility of tight integration on a single carrier from several tens to hundreds of emitting crystals.

Широко распространенной является конструкция полупроводникового источника света, например [А. Берг, П. Дин. Светодиоды. Мир, Москва, 1979 г., с. 620], который содержит закрытые эпоксидным куполом излучающий кристалл и металлический держатель, при этом полупроводниковый излучающий кристалл закреплен с помощью токопроводящего клея в углублении (рефлекторе), выполненном в одной из выводных ножек металлического держателя. Widespread is the design of a semiconductor light source, for example [A. Berg, P. Dean. LEDs World, Moscow, 1979, p. 620], which contains an emitting crystal and a metal holder closed by an epoxy dome, and the semiconductor emitting crystal is fixed with conductive glue in a recess (reflector) made in one of the output legs of the metal holder.

Такие устройства имеют высокое тепловое сопротивление, обусловленное, в частности, низкой теплопроводностью токопроводящего клея и малым сечением выводных ножек держателя, что ограничивает рабочий ток и, соответственно, выходную оптическую мощность рассматриваемых излучателей. Such devices have high thermal resistance, due, in particular, to the low thermal conductivity of the conductive adhesive and the small cross section of the outlet legs of the holder, which limits the operating current and, accordingly, the output optical power of the emitters in question.

Известен полупроводниковый источник света [патент РФ 2114492, H 01 L 33/00, публ. 1998 г.], который содержит излучающий кристалл, помещенный в углублении, выполненном в металлической или металлизированной подложке, а также крышку, выполненную в виде полусферической линзы. Углубление в подложке имеет форму усеченного конуса, поверхность которого отражает излучение. Излучающий кристалл закреплен в углублении с помощью токопроводящего клея. Known semiconductor light source [RF patent 2114492, H 01 L 33/00, publ. 1998], which contains a radiating crystal placed in a recess made in a metal or metallized substrate, as well as a cap made in the form of a hemispherical lens. The recess in the substrate has the shape of a truncated cone, the surface of which reflects the radiation. The radiating crystal is fixed in the recess using conductive glue.

Использование для размещения излучающего кристалла металлической или металлизированной подложки способствует снижению теплового сопротивления, что обуславливает увеличение рабочего тока и, соответственно, увеличение оптической мощности устройства. Кроме того, размещение излучающего кристалла в отражающем свет углублении (рефлекторе) повышает светоотдачу устройства. The use of a metal or metallized substrate to place the emitting crystal helps to reduce thermal resistance, which leads to an increase in the operating current and, accordingly, an increase in the optical power of the device. In addition, the placement of the emitting crystal in the light-reflecting recess (reflector) increases the light output of the device.

Однако данное устройство невозможно использовать для создания на его основе мощных многоэлементных источников света с плотной интеграцией излучающих кристаллов на едином носителе. However, this device cannot be used to create powerful multielement light sources with the tight integration of emitting crystals on a single carrier.

В качестве ближайшего аналога авторами выбран полупроводниковый источник света [патент РФ 2142176, H 01 L 33/00, публ. 1999 г.], представляющий собой матрицу электролюминесцентных кристаллов, размещенных в углублениях пирамидальной формы, выполненных на подложке из пластины кремния. На верхней и тыльной сторонах каждого кристалла выполнены омические контакты. Поверхность каждого углубления покрыта металлом с частичным его выходом вокруг углублений на поверхность подложки. Указанные токопроводящие участки металлизации образуют на дне углубления и на поверхности подложки контактные площадки. Нижний омический контакт каждого кристалла соединен с контактной площадкой на дне углубления. Верхний омический контакт каждого кристалла соединен с помощью проволочного электрода с контактной площадкой на поверхности подложки. The authors chose the semiconductor light source as the closest analogue [RF patent 2142176, H 01 L 33/00, publ. 1999], which is a matrix of electroluminescent crystals placed in recesses of a pyramidal shape made on a substrate of a silicon wafer. Ohmic contacts are made on the upper and back sides of each crystal. The surface of each recess is coated with metal with its partial exit around the recesses on the surface of the substrate. These conductive metallization sections form contact pads on the bottom of the recess and on the surface of the substrate. The lower ohmic contact of each crystal is connected to the contact pad at the bottom of the recess. The upper ohmic contact of each crystal is connected using a wire electrode with a contact pad on the surface of the substrate.

Конструкция рассматриваемого устройства позволяет достигнуть плотной интеграции на едином носителе большого количества излучающих кристаллов и применить для изготовления источника света современные эффективные гибридно-интегральные технологии. При этом, поскольку кремний обладает высоким коэффициентом теплопроводности, в данном устройстве обеспечивается эффективный отвод тепла от кристаллов и, как следствие, увеличивается оптическая мощность источника света. Сформированные на поверхности подложки и углублений токопроводящие участки металлизации позволяют осуществить простую по своему конструктивному решению разводку омических контактов для электрического соединения кристаллов. Кроме того, углубления, поверхность которых покрыта токопроводящим металлом, выполняют функцию рефлекторов, что повышает светоотдачу рассматриваемого источника света. The design of the device in question allows one to achieve tight integration on a single carrier of a large number of emitting crystals and apply modern effective hybrid-integrated technologies for the manufacture of the light source. Moreover, since silicon has a high coefficient of thermal conductivity, this device provides efficient heat removal from crystals and, as a result, the optical power of the light source increases. Conductive metallization sections formed on the surface of the substrate and depressions make it possible to arrange ohmic contacts for electrical connection of crystals, which is simple in its constructive solution. In addition, the recesses, the surface of which is coated with conductive metal, perform the function of reflectors, which increases the light output of the light source in question.

Однако сплошная металлизация боковых стенок и дна углубления обуславливает применение проволочных электродов для электрического соединения излучающих кристаллов. При этом навесной проволочный монтаж, как известно, является основной причиной отказов светодиодных источников света. However, the continuous metallization of the side walls and the bottom of the recess leads to the use of wire electrodes for the electrical connection of emitting crystals. In this case, mounted wire mounting, as you know, is the main cause of failure of LED light sources.

Задачей заявляемого изобретения является создание полупроводникового источника света, обладающего высокой оптической мощностью и надежностью работы. The task of the invention is the creation of a semiconductor light source with high optical power and reliability.

Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый источник света содержит подложку из пластины кремния с выполненным в ней по меньшей мере одним углублением, в котором размещен электролюминесцентный полупроводниковый кристалл с омическими контактами. При этом на поверхности подложки, а также на боковой поверхности и на дне углубления, сформированы токопроводящие участки металлизации, причем токопроводящий участок металлизации на дне углубления образует контактную площадку, которая соединена с одним из омических контактов полупроводникового кристалла. Согласно изобретению на дне углубления сформирован еще один изолированный от первого токопроводящий участок металлизации, соединенный с другим омическим контактом полупроводникового кристалла. Токопроводящие участки металлизации на боковой поверхности углубления выполнены в виде шин, каждая из которых соединена с одной из контактных площадок на дне углубления и с токопроводящим участком металлизации на поверхности подложки, при этом указанные токопроводящие участки металлизации на поверхности подложки изолированы друг от друга. The essence of the invention lies in the fact that the semiconductor light source comprises a substrate of a silicon wafer with at least one recess formed in it, in which an electroluminescent semiconductor crystal with ohmic contacts is placed. In this case, conductive metallization sections are formed on the surface of the substrate, as well as on the side surface and on the bottom of the recess, and the conductive metallization section at the bottom of the recess forms a contact pad that is connected to one of the ohmic contacts of the semiconductor crystal. According to the invention, at the bottom of the recess is formed another conductive metallization section isolated from the first and connected to another ohmic contact of the semiconductor crystal. Conductive metallization sections on the side surface of the recess are made in the form of tires, each of which is connected to one of the contact pads at the bottom of the recess and with a conductive metallization section on the surface of the substrate, while these conductive metallization sections on the surface of the substrate are isolated from each other.

Целесообразным является, чтобы поверхность углубления, свободная от шин и контактных площадок, была покрыта материалом с высоким коэффициентом отражения света. It is advisable that the surface of the recess, free from tires and pads, was covered with a material with a high light reflectance.

Целесообразным является, чтобы свободный объем углубления был заполнен либо прозрачной иммерсионной средой, либо иммерсионной средой, содержащей включения диспергатора или люминофора. It is advisable that the free volume of the recess be filled either with a transparent immersion medium or with an immersion medium containing inclusions of a dispersant or phosphor.

Размещение в предлагаемом устройстве излучающих кристаллов в углублениях подложки из пластины кремния обеспечивает хороший отвод тепла от кристаллов, что способствует увеличению рабочего тока и повышению оптической мощности, а также позволяет достигнуть плотной интеграции излучающих кристаллов на едином носителе. The placement in the proposed device of emitting crystals in the recesses of the substrate from a silicon wafer provides good heat removal from the crystals, which helps to increase the operating current and increase optical power, and also allows to achieve tight integration of emitting crystals on a single carrier.

При этом выбранная схема размещения токопроводящих участков металлизации на поверхности подложки и на поверхности углубления обеспечивает ряд преимуществ предлагаемого устройства. Наличие на дне углубления двух изолированных друг от друга контактных площадок для двух омических контактов кристалла, а также наличие на боковой поверхности углубления шин, соединенных с участками металлизации на поверхности подложки, позволяют осуществить рациональную схему разводки омических контактов без применения проволочного навесного монтажа, что повышает надежность работы устройства. Кроме того, контактные площадки занимают только часть поверхности дна, за счет чего увеличивается общая площадь, с которой происходит сбор выходящего из кристалла излучения. При этом в зоне распространения излучения отсутствуют проволочные электроды. Указанные факторы способствуют возрастанию выходного светового потока в заявляемом устройстве. Moreover, the selected layout of conductive metallization sections on the surface of the substrate and on the surface of the recess provides several advantages of the proposed device. The presence on the bottom of the recess of two isolated contact pads for two ohmic crystal contacts, as well as the presence on the side surface of the recess of the busbars connected to the metallization areas on the substrate surface, allow a rational wiring of ohmic contacts without the use of wire mounted mounting, which increases reliability device operation. In addition, the contact pads occupy only part of the bottom surface, thereby increasing the total area with which the radiation emerging from the crystal is collected. Moreover, in the zone of propagation of radiation there are no wire electrodes. These factors contribute to an increase in the output light flux in the inventive device.

Конструктивные особенности предлагаемого устройства обуславливают возможность использования в нем современных наиболее эффективных излучающих кристаллов с односторонним тыльным расположением планарных омических контактов, которые припаиваются к соответствующим контактным площадкам на дне углубления (так называемый "флип-чип" монтаж). При этом, поскольку при " флип-чип" монтаже основные тепловыделяющие области кристалла (p-n переход и контакты) находятся в непосредственной близости к кремниевой подложке, источник света, содержащий указанные кристаллы, характеризуется пониженным значением теплового сопротивления, что способствует повышению рабочего тока и, соответственно, увеличению оптической мощности. The design features of the proposed device make it possible to use modern, most efficient emitting crystals with one-sided rear arrangement of planar ohmic contacts, which are soldered to the corresponding contact pads at the bottom of the recess (the so-called "flip chip" mounting). Moreover, since during the “flip chip” installation the main heat-generating regions of the crystal (pn junction and contacts) are located in close proximity to the silicon substrate, the light source containing these crystals is characterized by a lower value of thermal resistance, which contributes to an increase in the operating current and, accordingly an increase in optical power.

Таким образом, конструктивные особенности заявляемого полупроводникового источника света позволяют обеспечить его высокую оптическую мощность и надежность работы. Thus, the design features of the inventive semiconductor light source make it possible to ensure its high optical power and reliability.

Покрытие свободной от шин и контактных площадок поверхности углубления (рефлектора) отражающим покрытием, в качестве которого применяют материал с высоким коэффициентом отражения света, обеспечивает увеличение светоотдачи заявляемого источника света. В качестве указанных материалов могут быть использованы, например, алюминий, серебро, интерференционные диэлектрические покрытия. В случае выполнения отражающего покрытия из металла участки поверхности углубления, занятые отражающим покрытием, изолируются от токопроводящих участков металлизации, сформированных на боковых стенках и на дне углубления. При этом для формирования отражающего покрытия целесообразно использовать иной металл, чем металл, применяемый для формирования контактных площадок на дне углубления. Это связано с тем, что выбрать один вид металла, которому присущи одновременно свойства, необходимые для материала отражающего покрытия (высокий коэффициент отражения) и свойства, необходимые для материала контактных площадок, к которым припаиваются омические контакты (низкое тепловое сопротивление, высокая электропроводность), чрезвычайно сложно. Coating the surface of the recess (reflector) free of tires and pads with a reflective coating, which is used as a material with a high light reflection coefficient, provides an increase in the light output of the inventive light source. As these materials can be used, for example, aluminum, silver, interference dielectric coatings. If a reflective coating is made of metal, the surface portions of the recess occupied by the reflective coating are isolated from the conductive metallization portions formed on the side walls and at the bottom of the recess. In this case, it is advisable to use a metal other than the metal used to form the contact pads at the bottom of the recess to form a reflective coating. This is due to the fact that choosing one type of metal that simultaneously possesses the properties necessary for the material of the reflective coating (high reflection coefficient) and the properties necessary for the material of the contact pads to which ohmic contacts are soldered (low thermal resistance, high electrical conductivity) is extremely difficult.

Заполнение свободного объема углубления иммерсионной средой обеспечивает герметизацию кристалла и способствует увеличению вывода из него излучения. При этом иммерсионная среда может содержать включения диспергатора для улучшения восприятия свечения из-за увеличения размера светящегося пятна. Иммерсионная среда может также содержать включения люминофора для преобразования длины волны излучаемого кристаллом света, в частности в конструкциях полупроводниковых источниках белого света, интенсивно развивающихся в настоящее время. Filling the free volume of the recess with an immersion medium ensures the sealing of the crystal and helps to increase the output of radiation from it. In this case, the immersion medium may contain dispersant inclusions to improve the perception of luminescence due to the increase in the size of the luminous spot. The immersion medium may also contain phosphor inclusions for converting the wavelength of the light emitted by the crystal, in particular in designs of semiconductor white light sources that are currently undergoing intensive development.

На фиг.1 представлен чертеж общего вида фрагмента полупроводникового источника света (разрез), на фиг.2 - то же (вид сверху). Figure 1 presents a drawing of a General view of a fragment of a semiconductor light source (section), figure 2 is the same (top view).

Устройство содержит подложку 1 из пластины кремния с поперечными размерами 20•3,5 мм и толщиной 0,38 мм, в которой методом анизотропного травления через соответствующую маску вытравлено десять углублений 2 в форме усеченных пирамид глубиной 0,2 мм, сечением в основании 0,95•0,7 мм с наклоном боковых стенок к вертикали 35^o и шагом 1,98 мм. Поверхности подложки 1 и углублений 2 покрыты слоем 3 диэлектрика, в частности слоем диоксида кремния толщиной 0,5 мкм. На дне углублений 2 сформированы токопроводящие участки металлизации, образующие контактные площадки 4. На боковой поверхности углублений 2 сформированы токопроводящие участки металлизации, выполненные в виде шин 5, а на поверхности подложки 2 сформированы токопроводящие участки 6 металлизации. Токопроводящие участки металлизации сформированы путем последовательного гальванического осаждения слоя меди толщиной 3 мкм и слоя сплава олово-свинец толщиной 3 мкм Каждая из шин 5 соединена с контактной площадкой 4 и токопроводящим участком 6 металлизации. При этом участки металлизации 6 изолированы друг от друга. Свободные от шин 5 и контактных площадок 4 участки 7 поверхности углублений 2 покрыты материалом с высоким коэффициентом отражения света, в частности зеркалом из алюминия толщиной 0,1 мкм с коэффициентом отражения более 80% (в диапазоне 400-900 нм). Зеркало из алюминия напылялось на поверхность углублений 2 с использованием метода обратной маски (взрывной фотолитографии). Участки 7 изолированы от контактных площадок 4 и шин 5. На дне углублений 2 размещены полупроводниковые люминесцентные кристаллы 8 с омическими контактами 9. В качестве излучающих кристаллов 8 использованы, в частности, кристаллы мезаконструкции AlGaAs (ИК и красного диапазона) с тыльным расположением омических контактов 8. Указанные кристаллы 8 монтировались "флип-чип" методом путем пайки при температуре 230^oС осажденным на дно углублений 2 припоем (олово-свинец) омических контактов 8 к контактным площадкам 4. Углубления 2 с излучающими кристаллами 8 заполнены иммерсионной средой 10 - эпоксидным компаундом с коэффициентом преломления 1,55.The device contains a substrate 1 of a silicon wafer with transverse dimensions of 20 • 3.5 mm and a thickness of 0.38 mm, in which ten depressions 2 in the form of truncated pyramids with a depth of 0.2 mm and a cross section in the base of 0 are etched through an appropriate mask using an anisotropic etching 95 • 0.7 mm with a slope of the side walls to a vertical of 35 ^o and a pitch of 1.98 mm. The surfaces of the substrate 1 and the recesses 2 are coated with a dielectric layer 3, in particular a layer of silicon dioxide with a thickness of 0.5 μm. At the bottom of the recesses 2, conductive metallization sections are formed, forming contact pads 4. On the side surface of the recesses 2, conductive metallization sections are formed in the form of tires 5, and on the surface of the substrate 2, conductive metallization sections 6 are formed. The conductive metallization sections are formed by successive galvanic deposition of a 3 μm thick copper layer and a 3 μm thick tin-lead alloy layer. Each of the busbars 5 is connected to a pad 4 and a conductive metallization section 6. Moreover, the metallization sections 6 are isolated from each other. Free from tires 5 and contact pads 4, sections 7 of the surface of the recesses 2 are coated with a material with a high light reflectance, in particular a mirror of aluminum with a thickness of 0.1 μm with a reflectance of more than 80% (in the range of 400-900 nm). An aluminum mirror was sprayed onto the surface of the recesses 2 using the reverse mask method (explosive photolithography). Sections 7 are isolated from the contact pads 4 and tires 5. At the bottom of the recesses 2 there are semiconductor luminescent crystals 8 with ohmic contacts 9. As emitting crystals 8, in particular, AlGaAs mesoscale crystals (IR and red range) with the rear arrangement of ohmic contacts 8 are used These crystals 8 were mounted "flip chip" by soldering at a temperature of 230 ^o With deposited on the bottom of the recesses 2 solder (tin-lead) ohmic contacts 8 to the contact pads 4. Recesses 2 with radiating crystals and 8 are filled with an immersion medium 10 - an epoxy compound with a refractive index of 1.55.

Источник света работает следующим образом. The light source operates as follows.

Последовательно соединенные излучающие кристаллы 8 подключают к источнику электрического питания (на чертеже не показан), при этом p-n переходы кристаллов смещаются в пропускном направлении и начинают излучать свет. Serially connected emitting crystals 8 are connected to an electric power source (not shown in the drawing), while the pn transitions of the crystals are shifted in the transmission direction and begin to emit light.

Описанная конструкция для инфракрасного AlGaAs (λ=810 нм) источника света из десяти последовательно соединенных излучающих кристаллов обеспечила значение теплового сопротивления менее 1,5^oС/Вт, рабочий ток до 700 мА и входную рассеиваемую мощность до 15 Вт. При этом излучаемая оптическая мощность достигла 1 Вт, что вдвое превышает оптическую мощность одного из наиболее мощных из известных ИК-источников света OD 669 Opto Diode Corp. (США).The described design for an infrared AlGaAs (λ = 810 nm) light source from ten serially connected emitting crystals provided a thermal resistance value of less than 1.5 ^o C / W, operating current up to 700 mA and input power dissipation up to 15 W. In this case, the radiated optical power reached 1 W, which is twice the optical power of one of the most powerful infrared light sources OD 669 Opto Diode Corp. (USA).

Claims

1. A semiconductor light source containing a substrate of a silicon wafer with at least one recess made in it, in which an electroluminescent semiconductor crystal with ohmic contacts is placed, while on the surface of the substrate, as well as on the side surface and on the bottom of the recess, conductive metallization portions are formed moreover, the conductive metallization section at the bottom of the recess forms a contact pad, which is connected to one of the ohmic contacts of the semiconductor crystal, in that at the bottom of the recess there is formed another conductive metallization section isolated from the first one and connected to another ohmic contact of the semiconductor crystal, the conductive metallization sections on the side surface of the depression are made in the form of tires, each of which is connected to one of the contact pads at the bottom of the depression and with a conductive metallization portion on the surface of the substrate, wherein said conductive metallization portions on the surface of the substrate are isolated from each other.

2. The semiconductor light source according to claim 1, characterized in that the surface of the recess, free of tires and pads, is coated with a material with a high light reflection coefficient.

3. A semiconductor light source according to claim 1 or 2, characterized in that the free volume of the recess is filled either with a transparent immersion medium or an immersion medium containing inclusions of a dispersant or phosphor.