CN103956426B - 半导体发光芯片及发光装置 - Google Patents
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Abstract
一种半导体发光芯片,包括一晶粒区,分别设于所述晶粒区两侧的一N面电极和一P面电极,以及设于所述晶粒区与所述P面电极之间的一限流层,其中,所述P面电极具有多层金属结构,包括一欧姆接触层、一具有良好导热性的散热层、一焊料阻挡层以及一焊料反应层。本发明还提供一种发光装置。相比于现有技术,在本发明的半导体发光芯片及发光装置中,所述半导体发光芯片设有一散热层,可以有效地将半导体发光芯片产生的热量向水平方向扩散,有效地增加了芯片的散热面积,达到有效散热的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光芯片,特别涉及一种具有多层金属的电极结构的半导体发光芯片及具有该发光芯片的发光装置。
背景技术
半导体发光芯片如大功率发光二极管芯片和大功率激光芯片的电流分布是否均匀和热量能否有效发散是影响其寿命和制约其应用的重要原因。如何把电阻、热阻降低到最小,是涉及到芯片结构、热沉结构以及贴片工艺的复合问题。
目前通用的办法是在热沉上镀大厚度、导热性好的金属,在其上再镀上焊料。在烧结过程中,通过芯片上的金属与热沉上的金属的反应, 把芯片固定在热沉上,同时实现热沉和芯片之间的电导通和热导通。但是焊料的导热率比芯片上的金属的导热率低很多,如此,半导体发光芯片的发光区域产生的热还来不及沿水平方向扩散,就受到导热率差的焊料的阻碍,导致半导体发光芯片的发光区域产生的热不能很快地扩散到热沉里。故,不能有效的而解决大功率半导体发光芯片的散热问题。
发明内容
有鉴于此,有必要提供一种可及时有效散热的半导体发光芯片及其发光装置。
一种半导体发光芯片,包括一晶粒区,分别设于所述晶粒区两侧的一N面电极和一P面电极,其特征在于:所述P面电极包括依次层叠设置的一欧姆接触层、一散热层、一焊料阻挡层以及一焊料反应层,所述欧姆接触层与晶粒区电连接。
一种半导体发光装置,包括一热沉,设于所述热沉上的一半导体发光芯片,以及用于承载所述热沉的一基板,其中,所述半导体发光芯片采用上述半导体发光芯片。
相比于现有技术,在本发明的半导体发光芯片及其发光装置中,所述半导体发光芯片设有一散热层,可以有效地将半导体发光芯片产生的热量向水平方向扩散,如此在热沉上有比较大的扩散面积,热量就可以很快被热沉带走,达到有效散热的效果。
附图说明
图1是本发明中半导体发光芯片的剖视图。
图2是本发明中半导体发光装置的剖面图。
图3是图2中热沉结构的剖面图。
主要元件符号说明
半导体发光芯片 | 10 |
晶粒区 | 11 |
N面 | 111 |
P面 | 112 |
N面电极 | 12 |
P面电极 | 13 |
欧姆接触层 | 131 |
表面 | 1311 |
散热层 | 132 |
焊料阻挡层 | 133 |
焊料反应层 | 134 |
限流层 | 14 |
导电区 | 15 |
半导体发光装置 | 100 |
热沉 | 20 |
绝缘基板 | 21 |
第一侧面 | 211 |
第二侧面 | 212 |
导电层 | 22 |
支撑部 | 221 |
支撑面 | 2211 |
第一对位面 | 2212 |
连接部 | 222 |
连接面 | 2221 |
第二对位面 | 2222 |
绝缘沟槽 | 223 |
导热层 | 23 |
焊接层 | 24 |
焊接面 | 241 |
端面 | 242 |
安装基板 | 30 |
顶面 | 31 |
底面 | 32 |
反应区 | 40 |
反应面 | 41 |
渗入面 | 42 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
图1为本发明的半导体发光芯片10的一较佳实施例。
在本实施例中,所述半导体发光芯片10采用半导体激光芯片,该半导体发光芯片10采用的是半导体材料砷化镓(GaAs)或砷化铝镓(AlGaAs),其厚度在150μm左右。可以理解的,在其它实施例中,所述半导体发光芯片10也可以采用发光二极管芯片,其材料也可以是其它半导体材料。
请参见图1,本发明的半导体发光芯片10包括一晶粒区11,分别设于所述晶粒区11两侧的一N面电极12和一P面电极13,以及设于所述晶粒区11与所述P面电极13之间的一限流层14。
所述晶粒区11包括一N面111和与所述N面111相背设置的一P面112。所述P面电极13贴设于所述P面112,且部分覆盖所述P面112。所述P面电极13具有多层金属结构,包括一欧姆接触层131、一散热层132、一焊料阻挡层133以及一焊料反应层134。所述欧姆接触层131、散热层132、焊料阻挡层133和焊料反应层134自晶粒区11的P面112依次向下,且层层磊叠。所述N面电极12贴设于所述晶粒区11的N面111,并覆盖所述N面111。在其它实施例中,所述N面电极12可以具有与所述P面电极13相似的结构,或者具有所述P面电极13的简化结构。
所述限流层14贴设于所述晶粒区11的P面112,且覆盖所述P面112的部分区域。在本实施例中,所述限流层14是自所述晶粒区11的P面112的周边向中央铺设而成,并在晶粒区11的P面112中央留有未设限流层14的一导电区15。该导电区15可为任意的几何图形,在本实施例中,该导电区15呈矩形。所述限流层14采用的是绝缘材料,如氮化硅(SiN)或二氧化硅(SiO2)。在本实施例中,所述限流层14采用二氧化硅(SiO2),且其厚度在0.1μm左右。所述限流层14用于限制电流的注入宽度,从而控制半导体发光芯片10发光区域的宽度。
所述欧姆接触层131设于所述限流层14和所述导电区15的表面,并覆盖所述限流层14和所述导电区15。在本实施例中,所述欧姆接触层131的剖面呈倒T形,包含有一平整的表面1311。可以理解的,在其它实施例中,所述欧姆接触层131的剖面也可以为其它形状。所述欧姆接触层131的表面1311与晶粒区11的P面112相互平行。本实施例中,所述欧姆接触层131采用的是钛(Ti)、铂(Pt)、金(Au)的多层材料,其厚度为0.2-0.5μm。可以理解的,在其它实施例中,所述欧姆接触层131也可以采用其它材料和厚度。所述欧姆接触层131用于电性连接所述晶粒区11和所述P面电极13的其它层。
所述散热层132贴设于所述欧姆接触层131的表面1311,并完全覆盖所述欧姆接触层131的表面1311。所述散热层132由导热性好的金属材料制成,其制作工艺可采用热蒸发、电镀或化学镀。在本实施例中,所述散热层132采用金属金(Au),其厚度介于2-10μm之间。可以理解的,在其它实施例中,所述散热层132也可采用其它金属材料,如金属铜(Cu)或银(Ag)。
所述焊料阻挡层133设于所述散热层132的表面,并覆盖所述散热层132。所述焊料阻挡层133采用的是不与所述散热层132反应的金属材料,用以保护所述散热层132。在本实施例中,所述焊料阻挡层133采用金属钛(Ti),其厚度介于0.05-0.5μm之间。
可以理解的,在其它实施例中,当所述散热层132采用2-10μm的金属金(Au)时,所述焊料阻挡层133还可以采用0.05-0.5μm的金属铬(Cr);当所述散热层132选用2-10μm的金属铜(Cu)或银(Ag)时,所述焊料阻挡层133则可以选用0.05-4μm的金属镍(Ni)。
所述焊料反应层134设于所述焊料阻挡层133的表面,并覆盖所述焊料阻挡层133。在本实施例中,所述焊料反应层134采用的材料是金属金(Au),其厚度介于0.3-2μm之间,如0.5μm。可以理解的,在其它实施例中,所述焊料反应层134也可采用其它的金属材料。
相比于传统半导体发光芯片的结构,本发明的半导体发光芯片10在所述欧姆接触层131和所述焊料反应层134之间设有具有良好导热性的一散热层132和用于保护该散热层132的一焊料阻挡层133。如此在使用时,因所述限流层14采用的是绝缘材料二氧化硅(SiO2),其导热性不如金属材料,故所述半导体发光芯片10产生的热量主要自导电区15经由欧姆接触层131传递至所述散热层132,少部分的热量自所述限流层14经由欧姆接触层131传递至所述散热层132。因所述散热层132的金属具有良好的导热性,故可以及时的、有效的将所述半导体发光芯片10产生的热量向水平方向扩散,达到有效散热的效果。
图2为本发明的半导体发光装置100的一较佳实施例。
请参见图2,本发明的半导体发光装置100包括包括一热沉20,设于所述热沉20上的一半导体发光芯片10,以及用于承载所述热沉20的一安装基板30。所述半导体发光芯片10采用的是上述的如图1所示的半导体发光芯片10。
请同时参见图3,所述热沉20包括一绝缘基板21,分设于该绝缘基板21二侧的一导电层22和一导热层23,以及设于所述导电层22一侧的一焊接层24。
所述绝缘基板21包括一第一侧面211和与所述第一侧面211相背设置的一第二侧面212。所述绝缘基板21采用的材料为陶瓷,其厚度在0.33mm左右。该绝缘基板21起到隔离所述导电层22和导热层23的作用,同时也起到导热、散热的作用。可以理解的,在其它实施例中,所述绝缘基板21也可采用其它的绝缘材料。
在本实施例中,所述导电层22的材料采用为金属钛(Ti),镍(Ni)或铜(Cu),且其表层设有一层金属金(Au)。可以理解的,在其它实施例中,所述导电层22也可以采用其它具有导电性能的材料。所述导电层22设于所述绝缘基板21的第一侧面211之上,包括一支撑部221和一连接部222,二者相互间隔设置,且于二者之间形成一绝缘沟槽223。所述绝缘沟槽223贯穿所述导电层22。所述支撑部221包括一支撑面2211和一第一对位面2212。所述连接部222包括一连接面2221和一第二对位面2222。在本实施例中,该支撑面2211和连接面2221位于同一平面,且该平面与所述绝缘基板21的第一、二侧面211、212相平行。可以理解的,在其它实施例中,支撑面2211和连接面2221也可以部位于同一平面。所述第一、二对位面2212、2222相对设置,且分别作为所述绝缘沟槽223的二侧面。所述连接部222用于电性连接所述半导体芯片10的N面电极12。
所述导热层23可采用与所述导电层22相同的材料。该导热层23贴设于所述绝缘基板21的第二侧面212之上,并覆盖所述第二侧面212。
所述焊接层24设于所述导电层22的支撑部221的支撑面2211之上,并覆盖所述支撑面2211的部分区域。所述焊接层24包括一焊接面241和一端面242。在本实施例中,所述端面242与所述支撑部221的第一对位面2212位于同一竖直面。可以理解的,在其他实施例中,所述焊接层24的端面242也可以自支撑部221的第一对位面2212其中央缩进,从而与所述支撑部221的支撑面2211共同构成一倒“T”形。在本实施例中,所述焊接层24采用金锡合金(AuSn),其厚度在5μm左右。可以理解的,在其它实施例中,所述焊接层24也可以采用其它焊料材料,如铟(In)、银铜锡合金(AgCuSn)等。
请再次参见图2,所述安装基板30为一平面板体,包括一顶面31和与所述顶面31背对设置的一底面32。所述顶面31用于承载所述热沉20结构,同时与所述热沉20的导电层22的支撑部221和连接部222电性连接。在本实施例中,所述安装基板30采用PCB板。可以理解的,在其它实施例中,所述安装基板30也可采用其它板体。
本发明的实施例中的半导体发光装置100在制作时,先将具有多层金属的P面电极13的半导体发光芯片10烧结于所述热沉20的焊接层24的焊接面241之上。在烧结过程中,所述P面电极13的焊料反应层134的组成金属金(Au)与所述热沉20的焊接层24的组成材料金锡合金(AuSn)反应,形成一种含金(Au)成分更多的金锡合金(AuSn)。同时所述散热层132的金属金(Au)被所述焊料阻挡层133保护,不进行反应。如此,半导体发光芯片10将被固定于所述热沉20之上,同时实现了所述热沉20和所述半导体发光芯片10之间的电导通和热导通。再将所述热沉20设于所述安装基板30的顶面31,使得所述热沉20的导热层23贴设于所述安装基板30的顶面31的中央。最后,通过引线A电性连接所述半导体发光芯片10的N面电极12和所述热沉20的导电层22的连接部222,通过引线B电性连接所述导电层22的支撑部221和所述安装基板30,通过引线C电性连接所述导电层22的连接部222和所述安装基板30。
所述半导体发光芯片10烧结于所述热沉20之后,所述P面电极13的焊料反应层134的金属Au与所述热沉20的焊接层24的组成材料金锡合金(AuSn)反应,同时,所述导电层22的表层金属金(Au)同样与所述热沉20的焊接层24的组成材料金锡合金(AuSn)反应,三者共同构成一反应区40。所述反应区40覆盖于所述焊料阻挡层133之上且略微渗入所述导电层22。所述反应区40包括一反应面41和与所述反应面41背对的一渗入面42。所述反应面41与所述焊料阻挡层133相贴。所述渗入面42延伸至所述导电层22的支撑部221的支撑面2211的下方。
相比于现有技术,本发明的半导体发光装置100在所述欧姆接触层131和所述焊料反应层134之间设有具有良好导热性的一散热层132和用于保护该散热层132的一焊料阻挡层133。所述半导体发光芯片10产生的热量自导电区14经由欧姆接触层131传递至所述散热层132。因为芯片10与热沉20在烧结过程中,所述散热层132的金属是被所述焊料阻挡层133保护好的,同时所述散热层132的金属具有良好的导热性,故而可以及时的、有效的将所述芯片10的发光区13产生的热量向水平方向扩散。如此,在热沉22上有比较大的扩散面积,热量就可以很快被热沉20带走,避免了因热量不能很快地扩散到所述热沉20里而导致的不能及时有效的散热的问题。
此外,因为本发明中的半导体发光芯片10的P面电极13中有散热层132的存在,可以及时有效的将所述芯片10产生的热量实现散热,减低所述半导体发光芯片10的温度。故而可以减低对所述热沉20的要求,从而降低热沉20的生产成本。因为散热层132扩大了芯片10的有效散热面积,所以对热沉20的导热性的要求可以降低,比如可以采用没有厚铜的热沉20。同时,所述半导体发光芯片10的面积相对于所述热沉20的面积要小,在所述芯片10上增加所述散热层132所需要的金属数量比在所述热沉20上镀厚金属的数量要少,从而成本也少。
可以理解的是,对于本领域的普通技术人员来说,可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形,而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种半导体发光芯片,包括一晶粒区,分别设于所述晶粒区两侧的一N面电极和一P面电极,其特征在于:所述P面电极包括依次层叠设置的一欧姆接触层、一散热层、一焊料阻挡层以及一焊料反应层,所述欧姆接触层与所述晶粒区电连接,所述欧姆接触层的剖面呈倒T形。
2.如权利要求1所述的半导体发光芯片,其特征在于:所述晶粒区与所述P面电极之间还包括一限流层,所述限流层采用绝缘材料,自所述晶粒区周边向中央铺设,并在晶粒区中央留有未设限流层的一导电区,所述导电区与所述欧姆接触层接触。
3.如权利要求1所述的半导体发光芯片,其特征在于:所述散热层由金属材料制成。
4.如权利要求1所述的半导体发光芯片,其特征在于:所述焊料阻挡层的材料与所述散热层的材料不相互反应,以保护所述散热层。
5.如权利要求4所述的半导体发光芯片,其特征在于:所述散热层采用厚度为2-10μm的金属金,所述焊料阻挡层采用厚度为0.05-0.5μm的金属钛或金属铬。
6.如权利要求4所述的半导体发光芯片,其特征在于:所述散热层采用厚度为2-10μm的金属金、铜或银,所述焊料阻挡层采用厚度为0.05-4μm的金属镍。
7.一种半导体发光装置,包括一热沉,设于所述热沉上的一半导体发光芯片,以及用于承载所述热沉的一基板,其特征在于:所述半导体发光芯片采用如权利要求1-6任意一项所述的半导体发光芯片。
8.如权利要求7所述的半导体发光装置,其特征在于:所述热沉包括一绝缘基板,分设于该绝缘基板二侧的一导电层和一导热层,以及设于所述导电层一侧的一焊接层,所述焊接层与所述半导体发光芯片的焊料反应层连接。
9.如权利要求8所述的半导体发光装置,其特征在于:所述导电层包括一支撑部和一连接部,且二者相互间隔设置,所述焊接层设于所述导电层的支撑部上。
10.如权利要求8所述的半导体发光装置,其特征在于:所述半导体发光芯片通过所述焊料反应层烧结于所述热沉的焊接层表面,在烧结过程中,所述焊料反应层的金属与所述焊接层的金属共晶反应使所述半导体发光芯片与热沉固定连接。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |