Полупроводниковый источник света

 

Изобретение относится к твердотельной электронике, в частности к конструкциям мощных источников света на основе полупроводниковых излучающих кристаллов. Техническим результатом изобретения является создание полупроводникового источника света, обладающего высокой оптической мощностью и надежностью работы. Сущность изобретения: 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. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к твердотельной электронике, в частности к конструкциям мощных источников света на основе полупроводниковых излучающих кристаллов.

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.

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.

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.

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.

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.

Однако данное устройство невозможно использовать для создания на его основе мощных многоэлементных источников света с плотной интеграцией излучающих кристаллов на едином носителе.

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.

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.

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.

Задачей заявляемого изобретения является создание полупроводникового источника света, обладающего высокой оптической мощностью и надежностью работы.

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.

Целесообразным является, чтобы поверхность углубления, свободная от шин и контактных площадок, была покрыта материалом с высоким коэффициентом отражения света.

Целесообразным является, чтобы свободный объем углубления был заполнен либо прозрачной иммерсионной средой, либо иммерсионной средой, содержащей включения диспергатора или люминофора.

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.

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.

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.

Таким образом, конструктивные особенности заявляемого полупроводникового источника света позволяют обеспечить его высокую оптическую мощность и надежность работы.

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.

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.

На фиг.1 представлен чертеж общего вида фрагмента полупроводникового источника света (разрез), на фиг.2 - то же (вид сверху).

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.

Источник света работает следующим образом.

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.

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).

Формула изобретения

1. Полупроводниковый источник света, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.

2. Полупроводниковый источник света по п. 1, отличающийся тем, что поверхность углубления, свободная от шин и контактных площадок, покрыта материалом с высоким коэффициентом отражения света.

3. Полупроводниковый источник света по п. 1 или 2, отличающийся тем, что свободный объем углубления заполнен либо прозрачной иммерсионной средой, либо иммерсионной средой, содержащей включения диспергатора или люминофора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2