CN107565377B - 一种半导体芯片结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体芯片结构，半导体芯片结构包括半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区，且半导体器件结构区的器件侧第一半导体层和珀尔帖致冷结构区的致冷侧第一半导体层共用同一半导体层，进而通过珀尔帖致冷结构区对半导体器件结构区的工作结构直接散热，降低半导体器件结构区内部热积累效应，提高半导体芯片结构的工作性能。

Description

一种半导体芯片结构

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，更为具体的说，涉及一种半导体芯片结构。

背景技术

半导体激光器具有极小的体积、超高的电光转换效率等独特优势，在固体激光泵浦、激光加工、激光通信、激光传感等领域已得到极其广泛的应用，并将在新一代的手机传感、汽车自动驾驶雷达等领域发挥重要作用。新型应用领域对半导体激光器性能的要求也越来越高，目前为止，如何实现半导体激光器的良好散热、保持其工作稳定是近年来研究的热点。

半导体激光器的器件结构由下至上依次由下电极、衬底层、下波导层、发光区、上波导层、盖层、上电极等结构组成，激光器工作时，注入的电流在发光区产生激光并由上下波导层将激光限制在发光区，通过发光区形成激光输出。由于注入到发光区的电流不能够完全转化成激光，其余部分以热的形式存在，因此半导体激光器工作时发光区温度极高，需要对激光器进行专门的散热，否则极易出现发光区损坏，导致激光器无法工作。

目前的半导体激光器散热方法一般采用外部封装的方式，将激光器的上电极或者下电极焊接到高导热性的热沉材料上，激光器发光区产生的热量需要依次通过波导层、盖层或衬底层、电极等材料层，最后才能到达热沉将热量传走，这种散热方式传导速度慢、效率低，使得激光芯片发光区易于产生热积累。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种半导体芯片结构，半导体芯片结构包括半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区，且半导体器件结构区的器件侧第一半导体层和珀尔帖致冷结构区的致冷侧第一半导体层共用同一半导体层，进而通过珀尔帖致冷结构区对半导体器件结构区的工作结构直接散热，降低半导体器件结构区内部热积累效应，提高半导体芯片结构的工作性能。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种半导体芯片结构，包括：半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区；

所述半导体器件结构区包括依次堆叠设置的第一电极、器件侧第一半导体层、器件侧第二半导体层和第二电极；

所述珀尔帖致冷结构区包括依次堆叠设置的第一热端电极、致冷侧第一半导体层、致冷侧第二半导体层和第二热端电极，以及，所述珀尔帖致冷结构区包括连通所述致冷侧第一半导体层和所述致冷侧第二半导体层的致冷电极，所述致冷电极与所述第一热端电极和第二热端电极隔离；

其中，所述器件侧第一半导体层和所述致冷侧第一半导体层共用同一半导体层。

可选的，所述器件侧第二半导体层和所述致冷侧第二半导体层为同一半导体层分割的两部分。

可选的，所述致冷侧第二半导体层包括多个致冷侧第二半导体子层，所述第二热端电极包括多个第二热端子电极，所述致冷电极包括多个致冷子电极；

其中，一所述致冷侧第二半导体子层、一所述第二热端子电极及一所述致冷子电极组成一珀尔帖致冷结构子区，多个所述珀尔帖致冷结构子区的排列方向，与所述器件侧第二半导体层至所述致冷侧第二半导体层的方向垂直。

可选的，相邻所述珀尔帖致冷结构子区之间还包括有一辅助热端电极，所述辅助热端电极连通所述致冷侧第一半导体层和一所述第二热端子电极，且不同所述辅助热端电极连接的第二热端子电极不同。

可选的，位于所述器件侧第一半导体层和所述器件侧第二半导体层之间还包括器件侧发光层。

可选的，位于所述致冷侧第一半导体层和所述致冷侧第二半导体层之间还包括：

致冷侧发光层，所述致冷侧发光层与所述器件侧发光层为同一发光层分割的两部分。

可选的，所述器件侧第一半导体层和所述致冷侧第一半导体层所共用的半导体层为衬底层，位于所述器件侧第一半导体层和所述器件侧发光层之间还包括器件侧第一类型分布布拉格反射镜；

以及，所述器件侧第二半导体层为器件侧第二类型分布布拉格反射镜，位于所述器件侧第二半导体层和所述第二电极之间还包括器件侧接触层。

可选的，位于所述致冷侧第一半导体层和所述致冷侧发光层之间还包括致冷侧第一类型分布布拉格反射镜；

以及，所述致冷侧第二半导体层为器件侧第二类型分布布拉格反射镜，位于所述致冷侧第二半导体层和所述第二热端电极之间还包括致冷侧接触层；

其中，所述致冷侧接触层与所述器件侧接触层为同一接触层分割的两部分。

可选的，所述致冷侧第一类型分布布拉格反射镜与所述器件侧第一类型分布布拉格反射镜为同一布拉格反射镜分割的两部分，且所述致冷电极连通所述致冷侧第一半导体层和所述致冷侧接触层；

或者，所述致冷侧第一类型分布布拉格反射镜与所述器件侧第一类型分布布拉格反射镜共用同一布拉格反射镜，且所述致冷电极连通所述致冷侧第一类型分布布拉格反射镜和所述致冷侧接触层。

可选的，所述致冷电极位于所述器件侧第二半导体层和所述致冷侧第二半导体层之间形成的间隙区域。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明提供了一种半导体芯片结构，包括：半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区；所述半导体器件结构区包括依次堆叠设置的第一电极、器件侧第一半导体层、器件侧第二半导体层和第二电极；所述珀尔帖致冷结构区包括依次堆叠设置的第一热端电极、致冷侧第一半导体层、致冷侧第二半导体层和第二热端电极，以及，所述珀尔帖致冷结构区包括连通所述致冷侧第一半导体层和所述致冷侧第二半导体层的致冷电极，所述致冷电极与所述第一热端电极和第二热端电极隔离；其中，所述器件侧第一半导体层和所述致冷侧第一半导体层共用同一半导体层。

由上述内容可知，本发明提供的技术方案，半导体芯片结构包括半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区，且半导体器件结构区的器件侧第一半导体层和珀尔帖致冷结构区的致冷侧第一半导体层共用同一半导体层，进而通过珀尔帖致冷结构区对半导体器件结构区的工作结构直接散热，降低半导体器件结构区内部热积累效应，提高半导体芯片结构的工作性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种半导体芯片结构的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种半导体芯片结构的俯视图；

图3为本申请实施例提供的另一种半导体芯片结构的俯视图；

图4为本申请实施例提供的又一种半导体芯片结构的俯视图；

图5为本申请实施例提供的另一种半导体芯片结构的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的又一种半导体芯片结构的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的又一种半导体芯片结构的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所述，目前的半导体激光器散热方法一般采用外部封装的方式，将激光器的上电极或者下电极焊接到高导热性的热沉材料上，激光器发光区产生的热量需要依次通过波导层、盖层或衬底层、电极等材料层，最后才能到达热沉将热量传走，这种散热方式传导速度慢、效率低，使得激光芯片发光区易于产生热积累。

基于此，本申请实施例提供了一种半导体芯片结构，半导体芯片结构包括半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区，且半导体器件结构区的器件侧第一半导体层和珀尔帖致冷结构区的致冷侧第一半导体层共用同一半导体层，进而通过珀尔帖致冷结构区对半导体器件结构区的工作结构直接散热，降低半导体器件结构区内部热积累效应，提高半导体芯片结构的工作性能。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图7对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本申请实施例提供的一种半导体芯片结构的结构示意图，其中，半导体芯片结构包括：

半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区；

所述半导体器件结构区包括依次堆叠设置的第一电极110、器件侧第一半导体层120、器件侧第二半导体层130和第二电极140；

所述珀尔帖致冷结构区包括依次堆叠设置的第一热端电极210、致冷侧第一半导体层220、致冷侧第二半导体层230和第二热端电极240，以及，所述珀尔帖致冷结构区包括连通所述致冷侧第一半导体层220和所述致冷侧第二半导体层230的致冷电极250，所述致冷电极250与所述第一热端电极210和第二热端电极220隔离；

其中，所述器件侧第一半导体层120和所述致冷侧第一半导体层220共用同一半导体层。

需要说明的是，本申请实施例提供的半导体芯片结构，其半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区均需要连通各自相应的电源。其中，半导体器件结构区的P型侧电极连接其相应电源的正极，半导体器件结构区的N型侧电极连接其相应电源的负极，进而保证半导体器件结构区正常工作；而珀尔帖致冷结构区的P型侧热端电极连接其相应电源的负极，珀尔帖致冷结构区的N型侧热端电极连接其相应电源的正极，进而保证珀尔帖致冷结构区能够产生珀尔帖致冷效应，达到直接对半导体器件结构区的工作结构散热的目的。

由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，半导体芯片结构包括半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区，且半导体器件结构区的器件侧第一半导体层和珀尔帖致冷结构区的致冷侧第一半导体层共用同一半导体层，进而通过珀尔帖致冷结构区对半导体器件结构区的工作结构直接散热，降低半导体器件结构区内部热积累效应，提高半导体芯片结构的工作性能。

在本申请一实施例中，器件侧第二半导体层130和致冷侧第二半导体层230可以位于同一侧，对此，本申请实施例提供的所述器件侧第二半导体层130和所述致冷侧第二半导体层230可以为同一半导体层分割的两部分，通过同一半导体层分割为器件侧第二半导体层130和致冷侧第二半导体层230，能够减少制备半导体芯片结构的工艺流程，降低成本。

在器件侧第二半导体层130和致冷侧第二半导体层230可以位于同一侧的条件下，本申请实施例提供的珀尔帖致冷结构区可以为如下结构形式：

在本申请一实施例中，珀尔帖致冷结构区可以为一整体结构，即，本申请实施例提供的致冷电极250和第二热端电极240均为一完整电极，参考图2所示，为本申请实施例提供的一种半导体芯片结构的俯视图，致冷电极250和第二热端电极240在俯视角度下均为面状电极，且均为一完整个体。

另外，在本申请一实施例中，珀尔帖致冷结构区可以分多个子区域，且将多个子区域并联设置，即，将第致冷侧第二半导体层230分割为多个子结构，将第二热端电极240分割为多个子结构，以及，将致冷电极250分割为多个子结构，通过三者的子结构组合为多个珀尔帖致冷结构区的子区域。参考图3所示，为本申请实施例提供的另一种半导体芯片结构的俯视图，其中，所述致冷侧第二半导体层230包括多个致冷侧第二半导体子层231，所述第二热端电极240包括多个第二热端子电极241，所述致冷电极250包括多个致冷子电极251；

其中，一所述致冷侧第二半导体子层231、一所述第二热端子电极241及一所述致冷子电极251组成一珀尔帖致冷结构子区，多个所述珀尔帖致冷结构子区的排列方向，与所述器件侧第二半导体层130至所述致冷侧第二半导体层230的方向垂直。其中，多个所述珀尔帖致冷结构子区的排列方向，与所述器件侧第二半导体层至所述致冷侧第二半导体层的方向垂直，上述的两个方向均为在同一水平面上的方向。

此外，在本申请一实施例中，在将珀尔帖致冷结构区分多个子区域时，还可以将多个子区域串联设置，参考图4所示，为本申请实施例提供的又一种半导体芯片结构的俯视图，其中，所述致冷侧第二半导体层230包括多个致冷侧第二半导体子层231，所述第二热端电极240包括多个第二热端子电极241，所述致冷电极250包括多个致冷子电极251；

其中，一所述致冷侧第二半导体子层231、一所述第二热端子电极241及一所述致冷子电极251组成一珀尔帖致冷结构子区，多个所述珀尔帖致冷结构子区的排列方向，与所述器件侧第二半导体层130至所述致冷侧第二半导体层230的方向垂直。

以及，相邻所述珀尔帖致冷结构子区之间还包括有一辅助热端电极242，所述辅助热端电极242连通所述致冷侧第一半导体层220和一所述第二热端子电极241，且不同所述辅助热端电极242连接的第二热端子电极241不同。

在本申请一实施例中，本申请提供的半导体芯片结构，其具体可以为半导体光源结构，如发射半导体激光器、垂直腔面发射半导体激光器、发光二极管等；此外，半导体芯片结构还可以为无源半导体芯片结构，如二极管、三极管等拥有P型层和N型层的半导体的集成电路芯片结构及器件，对此本申请不做具体限制。

下面结合附图对本申请实施例提供的半导体光源结构进行详细的描述。参考图5所示，为本申请实施例提供的一种半导体芯片结构的结构示意图，其中，位于所述器件侧第一半导体层120和所述器件侧第二半导体层130之间还包括器件侧发光层160。

需要说明的是，本申请实施例提供的器件侧发光层160可以为单量子阱、多量子阱、量子点、量子线等结构，对此本申请不作具体限制。此外，本申请实施例提供的半导体芯片结构的材料体系可以为半导体AlGaAs材料、GaN材料，也可为应变型多元材料AlGaInP,InGa+AsP、GaSb等材料体系，对此本申请同样不做具体限制。其中，发光区工作时产生的热量可以直接通过致冷电极传导消耗，使得发光区内部一直保持较低的工作温度，有效提高发光区结构的出光性能。

在本申请一实施例中，为了减少工艺流程，本申请实施例提供的位于所述致冷侧第一半导体层220和所述致冷侧第二半导体层230之间还包括：

致冷侧发光层260，所述致冷侧发光层260与所述器件侧发光层160为同一发光层分割的两部分。即，在制备半导体芯片结构时，无需去除致冷侧的发光层材料，进而能够减少工艺流程，并且减小后续制备结构层的难度。

在本申请实施例提供的半导体芯片结构为半导体光源结构时，其可以为垂直腔面发射半导体激光器，参考图6所示，为本申请实施例提供的一种半导体芯片结构的结构示意图，其中，位于所述器件侧第一半导体层120和所述器件侧第二半导体层130之间还包括器件侧发光层160，并且，所述致冷侧第一半导体层220和所述致冷侧第二半导体层230之间还包括：致冷侧发光层260，所述致冷侧发光层260与所述器件侧发光层160为同一发光层分割的两部分。

以及，本申请实施例提供的所述器件侧第一半导体层120和所述致冷侧第一半导体层220所共用的半导体层为衬底层，位于所述器件侧第一半导体层120和所述器件侧发光层160之间还包括器件侧第一类型分布布拉格反射镜170；

以及，所述器件侧第二半导体层130为器件侧第二类型分布布拉格反射镜，位于所述器件侧第二半导体层130和所述第二电极140之间还包括器件侧接触层180。

进一步的，为了减少工艺流程，位于所述致冷侧第一半导体层220和所述致冷侧发光层260之间还包括致冷侧第一类型分布布拉格反射镜270；

以及，所述致冷侧第二半导体层230为器件侧第二类型分布布拉格反射镜，位于所述致冷侧第二半导体层230和所述第二热端电极240之间还包括致冷侧接触层280；

其中，所述致冷侧接触层280与所述器件侧接触层180为同一接触层分割的两部分。

参考图6所示，本申请实施例提供的所述致冷侧第一类型分布布拉格反射镜270与所述器件侧第一类型分布布拉格反射镜170为同一布拉格反射镜分割的两部分，且所述致冷电极250连通所述致冷侧第一半导体层220和所述致冷侧接触层280；

或者，参考图7所示，为本申请实施例提供的又一种半导体芯片的结构示意图，其中，所述致冷侧第一类型分布布拉格反射镜270与所述器件侧第一类型分布布拉格反射镜170共用同一布拉格反射镜，且所述致冷电极250连通所述致冷侧第一类型分布布拉格反射镜270和所述致冷侧接触层280。

在本申请上述任意一实施例中，在器件侧第二半导体层和致冷侧第二半导体层位于同一侧时，器件侧第二半导体层和致冷侧第二半导体层之间具有间隙，其中，所述致冷电极位于所述器件侧第二半导体层和所述致冷侧第二半导体层之间形成的间隙区域。其中，致冷电极可以连通间隙处的致冷侧第一半导体层的裸露表面后，向上延伸连通至致冷侧第二半导体层的表面。以及，在半导体芯片结构包括有致冷侧接触层时，可以向上延伸连通至致冷侧接触层的表面。

在本申请上述任意一实施例中，在器件侧第二半导体层和致冷侧第二半导体层位于同一侧时，本申请实施例提供的所述第一电极和所述第一热端电极可以为单独的个体，或者，所述第一电极和所述第一热端电极共用同一电极层，对此本申请不做具体限制。

在本申请上述任意一实施例中，本申请提供的器件侧第一半导体层和致冷侧第一半导体层均为N型半导体层，则器件侧第二半导体层和致冷侧第二半导体层均为P型半导体层；其中，第一类型分布布拉格反射镜为N型分布布拉格反射镜，第二类型分布布拉格反射镜为P型分布布拉格反射镜；

或者，器件侧第一半导体层和致冷侧第一半导体层均为P型半导体层，则器件侧第二半导体层和致冷侧第二半导体层均为N型半导体层；其中，第一类型分布布拉格反射镜为P型分布布拉格反射镜，第二类型分布布拉格反射镜为N型分布布拉格反射镜。

本申请实施例提供了一种半导体芯片结构，包括：半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区；所述半导体器件结构区包括依次堆叠设置的第一电极、器件侧第一半导体层、器件侧第二半导体层和第二电极；所述珀尔帖致冷结构区包括依次堆叠设置的第一热端电极、致冷侧第一半导体层、致冷侧第二半导体层和第二热端电极，以及，所述珀尔帖致冷结构区包括连通所述致冷侧第一半导体层和所述致冷侧第二半导体层的致冷电极，所述致冷电极与所述第一热端电极和第二热端电极隔离；其中，所述器件侧第一半导体层和所述致冷侧第一半导体层共用同一半导体层。

由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，半导体芯片结构包括半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区，且半导体器件结构区的器件侧第一半导体层和珀尔帖致冷结构区的致冷侧第一半导体层共用同一半导体层，进而通过珀尔帖致冷结构区对半导体器件结构区的工作结构直接散热，降低半导体器件结构区内部热积累效应，提高半导体芯片结构的工作性能。以及，在制备半导体芯片结构时，半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区的结构层均能够通过同一层分割而成，如器件侧和致冷侧第二半导体层等，进而能够有效降低制作成本。并且，半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区的结构层均能够通过同一层分割而成，能够实现半导体芯片结构一体化，降低半导体芯片的体积，提高其适用范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种半导体芯片结构，其特征在于，包括：半导体器件结构区和珀尔帖致冷结构区；

所述半导体器件结构区包括依次堆叠设置的第一电极、器件侧第一半导体层、器件侧第二半导体层和第二电极；

所述珀尔帖致冷结构区包括依次堆叠设置的第一热端电极、致冷侧第一半导体层、致冷侧第二半导体层和第二热端电极，以及，所述珀尔帖致冷结构区包括连通所述致冷侧第一半导体层和所述致冷侧第二半导体层的致冷电极，所述致冷电极与所述第一热端电极和第二热端电极隔离；

其中，所述器件侧第一半导体层和所述致冷侧第一半导体层共用同一半导体层；

所述器件侧第二半导体层和所述致冷侧第二半导体层为同一半导体层分割的两部分；

所述致冷侧第二半导体层包括多个致冷侧第二半导体子层，所述第二热端电极包括多个第二热端子电极，所述致冷电极包括多个致冷子电极；

其中，一所述致冷侧第二半导体子层、一所述第二热端子电极及一所述致冷子电极组成一珀尔帖致冷结构子区，多个所述珀尔帖致冷结构子区的排列方向，与所述器件侧第二半导体层至所述致冷侧第二半导体层的方向垂直。

2.根据权利要求1所述的半导体芯片结构，其特征在于，相邻所述珀尔帖致冷结构子区之间还包括有一辅助热端电极，所述辅助热端电极连通所述致冷侧第一半导体层和一所述第二热端子电极，且不同所述辅助热端电极连接的第二热端子电极不同。

3.根据权利要求1所述的半导体芯片结构，其特征在于，位于所述器件侧第一半导体层和所述器件侧第二半导体层之间还包括器件侧发光层。

4.根据权利要求3所述的半导体芯片结构，其特征在于，位于所述致冷侧第一半导体层和所述致冷侧第二半导体层之间还包括：

致冷侧发光层，所述致冷侧发光层与所述器件侧发光层为同一发光层分割的两部分。

5.根据权利要求4所述的半导体芯片结构，其特征在于，所述器件侧第一半导体层和所述致冷侧第一半导体层所共用的半导体层为衬底层，位于所述器件侧第一半导体层和所述器件侧发光层之间还包括器件侧第一类型分布布拉格反射镜；

以及，所述器件侧第二半导体层为器件侧第二类型分布布拉格反射镜，位于所述器件侧第二半导体层和所述第二电极之间还包括器件侧接触层。

6.根据权利要求5所述的半导体芯片结构，其特征在于，位于所述致冷侧第一半导体层和所述致冷侧发光层之间还包括致冷侧第一类型分布布拉格反射镜；

以及，所述致冷侧第二半导体层为器件侧第二类型分布布拉格反射镜，位于所述致冷侧第二半导体层和所述第二热端电极之间还包括致冷侧接触层；

其中，所述致冷侧接触层与所述器件侧接触层为同一接触层分割的两部分。

7.根据权利要求6所述的半导体芯片结构，其特征在于，所述致冷侧第一类型分布布拉格反射镜与所述器件侧第一类型分布布拉格反射镜为同一布拉格反射镜分割的两部分，且所述致冷电极连通所述致冷侧第一半导体层和所述致冷侧接触层；

或者，所述致冷侧第一类型分布布拉格反射镜与所述器件侧第一类型分布布拉格反射镜共用同一布拉格反射镜，且所述致冷电极连通所述致冷侧第一类型分布布拉格反射镜和所述致冷侧接触层。

8.根据权利要求1所述的半导体芯片结构，其特征在于，所述致冷电极位于所述器件侧第二半导体层和所述致冷侧第二半导体层之间形成的间隙区域。