RU2142176C1

RU2142176C1 - Light source

Info

Publication number: RU2142176C1
Application number: RU97109754A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Карпович; Н.П. Криворотов; В.А. Хан
Original assignee: Карпович Нина Васильевна; Криворотов Николай Павлович; Хан Владимир Александрович
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 1999-11-27

Abstract

FIELD: semiconductor optoelectronics; solid-state light sources. SUBSTANCE: device has fluorescent semiconductor chips with p-n junctions placed in N depressions of base and relevant contacts on their both sides; base is made of silicon strip covered with insulating layer carrying isolated bonding sections that cover depressions and adjacent sections of base; upper contact of each i-th chip is connected through wire electrode to bonding section of i-th depression and upper contact of i-th chip, to bonding area above base surface. EFFECT: improved power, reduced size, facilitated manufacture. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники, а именно к твердотельным источникам света. The invention relates to the field of semiconductor optoelectronics, and in particular to solid-state light sources.

Источники света на основе полупроводниковых электролюминесцентных диодов (светодиодов) широко используются в технике. Так, например, для создания телевизионных систем ночного видения, современных систем охранной сигнализации, телекоммуникационных средств связи, использующих открытые оптические каналы связи, требуются малогабаритные, высокоэффективные источники света с большой мощностью излучения, поскольку при прочих равных условиях мощность излучения источника света определяет дальность действия этих систем. Источники излучения с такими параметрами могут быть выполнены в виде многоэлементного излучающего прибора, в котором отдельные излучающие элементы соединены между собой последовательно или параллельно. Последовательное соединение позволяет эффективно использовать мощность источника питания. Параллельное соединение излучающих элементов или звеньев из последовательно соединенных элементов обеспечивает возможность создания источника света с заданной выходной световой мощностью. Light sources based on semiconductor electroluminescent diodes (LEDs) are widely used in technology. So, for example, to create night vision television systems, modern alarm systems, and telecommunication facilities using open optical communication channels, small-sized, highly efficient light sources with high radiation power are required, since, other things being equal, the radiation power of the light source determines the range of these systems. Sources of radiation with such parameters can be made in the form of a multi-element radiating device, in which individual radiating elements are interconnected in series or in parallel. Serial connection allows you to effectively use the power of the power source. Parallel connection of radiating elements or links from series-connected elements provides the possibility of creating a light source with a given output light power.

Известна матрица светоизлучающих диодов [1], которая содержит плату печатного монтажа с регулярно расположенными на ней светодиодами и общей линзой, выполненной посредством формирования из эпоксидной смолы. A known matrix of light emitting diodes [1], which contains a printed circuit board with regularly mounted LEDs and a common lens made by forming from epoxy resin.

Для устройства характерны простота в изготовлении и невысокая стоимость. The device is characterized by ease of manufacture and low cost.

Существенными недостатками являются:
-большие габариты, определяемые суммарными размерами корпусных светодиодов, входящими в него;
-значительные потери световой мощности за счет поглощения части излучения конструктивными элементами соседних светодиодов;
-трудность формирования узкой диаграммы направленности источника света из-за размещения светодиодов на большой площади.Significant disadvantages are:
- large dimensions determined by the total dimensions of the case LEDs included in it;
- Significant loss of light power due to the absorption of part of the radiation by the structural elements of adjacent LEDs;
-the difficulty of forming a narrow radiation pattern of the light source due to the placement of LEDs over a large area.

Эти недостатки в значительной мере устраняются в источниках света, использующих бескорпусные источники света. These disadvantages are largely eliminated in light sources using open-frame light sources.

Известно осветительное устройство [2], которое выполнено в виде электрически связанных между собой блоков, каждый из которых содержит металлическую пластину, в которой сформировано углубление для размещения светоизлучающего элемента, участки внешней поверхности, за исключением углублений, покрыты изоляционным слоем, поверх которого нанесен электропроводный слой. Верхний контакт светоизлучающего элемента проволочным выводом соединен с электропроводным слоем, а нижний контакт образует омический контакт непосредственно с пластиной. Наличие двух изолированных контактов в каждом блоке источника позволяет осуществить на диэлектрической монтажной плате последовательное или параллельное соединение этих блоков. За счет использования бескорпусных диодов существенно уменьшены габариты источника света по сравнению с источниками света на корпусных диодах и увеличена мощность излучения за счет того, что излучающие элементы расположены в отражающих свет углублениях. A lighting device [2] is known, which is made in the form of electrically interconnected blocks, each of which contains a metal plate in which a recess is formed to accommodate the light-emitting element, parts of the outer surface, with the exception of the recesses, are coated with an insulating layer over which an electrically conductive layer is applied . The upper contact of the light-emitting element by a wire terminal is connected to the electrically conductive layer, and the lower contact forms an ohmic contact directly with the plate. The presence of two isolated contacts in each block of the source allows for the series or parallel connection of these blocks on a dielectric circuit board. Due to the use of housing-free diodes, the dimensions of the light source are significantly reduced compared to light sources on housing diodes and the radiation power is increased due to the fact that the emitting elements are located in the recesses reflecting the light.

Существенным недостатком данного устройства является высокая трудоемкость, а следовательно и стоимость, так как использован индивидуальный метод изготовления отдельных блоков с последующей установкой их на диэлектрической монтажной плате. Кроме того, пластический металл, из которого изготавливается пластина, обладает более высоким коэффициентом линейного расширения, чем полупроводниковый излучающий элемент. Это приводит к трудностям обеспечения надежного и термостабильного контакта полупроводникового элемента с основанием. A significant disadvantage of this device is the high complexity, and therefore the cost, since the individual method of manufacturing individual blocks with their subsequent installation on a dielectric circuit board is used. In addition, the plastic metal from which the plate is made has a higher coefficient of linear expansion than the semiconductor emitting element. This leads to difficulties in ensuring reliable and thermostable contact of the semiconductor element with the base.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является источник света [3], выполненный в виде гибридно-интегральной матрицы светоизлучающих диодов, размещенных в отражающих свет углублениях. Основание состоит из подложки и отражателя. Подложка выполнена из керамики, на которой в соответствии с определенной топологией нанесены токопроводящие полоски, с которыми соединены кристаллы светоизлучающих диодов. На керамическую подложку наклеен отражатель, выполненный в виде пластины кремния, в которой методом фотолитографии сформирована сетка отверстий пирамидальной формы, боковые наклонные стенки которых покрыты слоем алюминия. Наличие отражателя в виде единой пластины позволяет компактно расположить диоды и создать малогабаритное устройство. Конструктивное выполнение устройства обуславливает большие трудности реализации последовательного соединения полупроводниковых кристаллов, что делает проблематичным создание мощного источника света на базе прототипа. При этом необходимость использования двухэлементного основания, состоящего из керамической подложки и кремниевого отражателя, усложняет технологию изготовления, а невозможность точного совмещения подложки и отражателя приводит к снижению коэффициента внешнего квантового выхода устройства. The closest technical solution, selected as a prototype, is a light source [3], made in the form of a hybrid integrated matrix of light-emitting diodes placed in light-reflecting recesses. The base consists of a substrate and a reflector. The substrate is made of ceramic, on which, in accordance with a certain topology, conductive strips are applied, to which crystals of light-emitting diodes are connected. A reflector made in the form of a silicon plate is glued onto the ceramic substrate, in which a grid of pyramidal holes is formed by photolithography, the side inclined walls of which are covered with a layer of aluminum. The presence of a reflector in the form of a single plate allows you to compactly arrange the diodes and create a small-sized device. The structural design of the device causes great difficulties in the implementation of serial connection of semiconductor crystals, which makes it difficult to create a powerful light source based on the prototype. Moreover, the need to use a two-element base, consisting of a ceramic substrate and a silicon reflector, complicates the manufacturing technology, and the inability to accurately combine the substrate and the reflector reduces the coefficient of the external quantum yield of the device.

Задачей изобретения является создание мощного, малогабаритного, технологичного в изготовлении источника излучения. The objective of the invention is the creation of a powerful, compact, technologically advanced in the manufacture of a radiation source.

Для решения поставленной задачи в источнике света, содержащем размещенные в N углублениях основания электролюминесцирующие полупроводниковые кристаллы с p-n переходами и омическими контактами к ним с обеих сторон, в отличие от прототипа, основание выполнено в виде пластины из кремния, покрытой слоем диэлектрика, на котором расположены изолированные друг от друга участки металлизации, покрывающие углубления и прилежащую к ним поверхность основания. Металлизация усиливает эффект отражения света от боковых стенок углублений и одновременно выполняет функцию токопроводящего покрытия. Для осуществления последовательного соединения верхний контакт каждого i-го кристалла соединен проволочным электродом с металлизацией i-1 углубления, а верхний контакт 1-го кристалла соединен с контактной площадкой, расположенной на поверхности основания. В изобретении сохранены положительные качества прототипа, а именно:
- малые габариты, так как использование основания, выполненного из кремния, позволяет за счет плотного расположения углублений, с хорошо отражающими свет боковыми стенками, изготовить источник излучения с большим количеством кристаллов, расположенных на малой площади;
- технологичность при изготовлении, так как может быть использована высокоэффективная гибридно-интегральная технология, позволяющая реализовать групповой метод изготовления многоэлементного излучателя. Предложенная конструкция основания в виде монолитной пластины кремния упрощает технологию изготовления, так как исключены операции по изготовлению керамической подложки и совмещения подложки и отражателя.To solve the problem in a light source containing electroluminescent semiconductor crystals placed in N recesses of the base with pn junctions and ohmic contacts to them on both sides, unlike the prototype, the base is made in the form of a silicon plate coated with a dielectric layer on which are insulated from each other, plating areas covering the recesses and the adjacent surface of the base. Metallization enhances the effect of light reflection from the side walls of the recesses and at the same time serves as a conductive coating. To make a series connection, the top contact of each i-th crystal is connected by a wire electrode with metallization of the i-1 recess, and the top contact of the 1st crystal is connected to a contact pad located on the base surface. The invention retained the positive qualities of the prototype, namely:
- small dimensions, since the use of a base made of silicon allows, due to the dense arrangement of the recesses with well-reflecting side walls, to produce a radiation source with a large number of crystals located on a small area;
- manufacturability in manufacturing, since a highly efficient hybrid-integrated technology can be used to implement the group method of manufacturing a multi-element emitter. The proposed design of the base in the form of a monolithic silicon wafer simplifies the manufacturing technology, since the operations of manufacturing a ceramic substrate and combining the substrate and reflector are excluded.

Использование основания в виде единой пластины из кремния с нанесенным слоем диэлектрика и изолированными друг от друга участками металлизации позволило осуществить простую по своему конструктивному решению разводку омических контактов для последовательного соединения кристаллов, обеспечивающего возможность создания мощных источников излучения, в отличие от прототипа. Устройство по сравнению с прототипом обладает более высоким коэффициентом внешнего квантового выхода за счет исключения возможности неточного совмещения подложки и отражателя. The use of a base in the form of a single silicon wafer with a deposited dielectric layer and metallization sections isolated from each other made it possible to easily arrange ohmic contacts for series connection of crystals, which makes it possible to create powerful radiation sources, unlike the prototype. The device compared with the prototype has a higher coefficient of external quantum yield due to the elimination of the possibility of inaccurate alignment of the substrate and the reflector.

На фиг.1 приведена схема конструкции источника света. Figure 1 shows the design diagram of the light source.

На фиг.2 приведено схематическое изображение одного углубления основания с расположенным в нем кристаллом в разрезе. Figure 2 shows a schematic illustration of one recess of the base with a sectional crystal located in it.

Источник света, представленный на фиг.1, содержит основание 1, выполненное из монолитной пластины кремния площадью 5х5 мм и толщиной 0.3 мм, покрытой окисной пленкой, по периметру пластины сформированы 14 прямоугольных углублений 2.1, 2.2,...2.14 в виде усеченных пирамид высотой 0.15 мм и площадью верхнего основания 0.7х0.7 мм, все углубления и прилежащие к ним участки основания покрыты слоем металла 3, металлизация одного углубления от другого отделена изолирующими канавками 4, в центральной части пластины находится сквозное отверстие 5 для внешних выводов, между углублениями и сквозным отверстием пластины находятся контактные площадки 6, 7, 8, 9. Контактные площадки 6 и 7 электрически соединены между собой проволочной перемычкой 10. В углублениях 2.1, 2.2,...2.14 размешены полупроводниковые электролюминесцирующие кристаллы 11.1, 11.2, . ..11.14 с p-n переходами и омическими контактами к ним с обеих сторон, при этом кристаллы соединены в две параллельные цепочки, каждая из которых состоит из семи последовательно соединенных светоизлучающих кристаллов, нижними омическими контактами которые контактируют с металлизацией углублений, а верхние контакты разведены следующим образом: контакты первого и четырнадцатого кристаллов 11.1 и 11.14 золотой проволокой 12 методом термокомпрессии соединены с контактными площадками 6, 7, контакты второго и тринадцатого кристаллов 11.2 и 11.13 соответственно с металлизацией первого и четырнадцатого углублений 2.1 и 2.14, контакты третьего и двенадцатого кристаллов 11.3 и 11.12 соответственно с металлизацией второго и тринадцатого углублений 2.2 и 2.13 и так далее, соответственно контакты седьмого и восьмого кристаллов соединены с металлизацией шестого и девятого углублений 2.6 и 2.9, металлизация углублений 2.7 и 2.8 проволочными перемычками 10 соединены с контактными площадками 8, 9, контактные площадки 6, 8, 9 с помощью внешних выводов 13 подключены к источнику питания. Конструкция одного углубления основания с кристаллом в разрезе, представленная на фиг.2, содержит основание 1 с углублением 2, слой окисной пленки 14, слой металлизации 3, изолирующая дорожка 4, кристалл 11, золотая проволока 12. The light source shown in Fig. 1 contains a base 1 made of a monolithic silicon wafer with an area of 5x5 mm and a thickness of 0.3 mm, coated with an oxide film, 14 rectangular recesses 2.1, 2.2, ... 2.14 are formed around the perimeter of the plate in the form of truncated pyramids with a height 0.15 mm and the area of the upper base 0.7x0.7 mm, all the recesses and adjacent sections of the base are covered with a metal layer 3, the metallization of one recess from the other is separated by insulating grooves 4, in the central part of the plate there is a through hole 5 for external output There are contact pads 6, 7, 8, 9 between the recesses and the through hole of the plate. The contact pads 6 and 7 are electrically interconnected by a wire jumper 10. Semiconductor electroluminescent crystals 11.1, 11.2 are placed in the recesses 2.1, 2.2, ... 2.14, . ..11.14 with pn junctions and ohmic contacts to them on both sides, while the crystals are connected in two parallel chains, each of which consists of seven light-emitting crystals connected in series, the lower ohmic contacts that are in contact with the metallization of the recesses, and the upper contacts are separated as follows : the contacts of the first and fourteenth crystals 11.1 and 11.14 with a gold wire 12 are connected by thermal compression to the contact pads 6, 7, the contacts of the second and thirteenth crystals 11.2 and 11.13 respectively with the metallization of the first and fourteenth recesses 2.1 and 2.14, the contacts of the third and twelfth crystals 11.3 and 11.12, respectively, with the metallization of the second and thirteenth recesses 2.2 and 2.13, and so on, respectively, the contacts of the seventh and eighth crystals are connected with the metallization of the sixth and ninth recesses 2.6 and 2.9, metallization of the recesses 2.7 and 2.8 with wire jumpers 10 is connected to the contact pads 8, 9, the contact pads 6, 8, 9 are connected to the power source using external terminals 13. The design of one recess of the base with the crystal in the context, shown in figure 2, contains the base 1 with a recess 2, a layer of oxide film 14, a layer of metallization 3, an insulating track 4, crystal 11, a gold wire 12.

Источник света работает следующим образом. Контактные площадки с помощью выводов 13 подключаются к источнику питания с напряжением 12 В минусом к площадкам 8, 9, а плюсом к площадке 6. При этом p-n переходы кристаллов 11.1, 11.2, ...11.14 смещаются в пропускном направлении и начинают излучать свет. The light source operates as follows. The contact pads using pins 13 are connected to a 12 V power supply minus to pads 8, 9, and plus to pads 6. In this case, the p-n junctions of crystals 11.1, 11.2, ... 11.14 are displaced in the transmission direction and begin to emit light.

Предлагаемый источник света обладает малыми габаритами. Благодаря использованию кремниевой пластины можно очень плотно расположить углубления под кристаллы и свести полезную площадь, то есть площадь занимаемую кристаллами, до 15%. The proposed light source has small dimensions. Thanks to the use of a silicon wafer, it is possible to place the recesses under the crystals very tightly and reduce the usable area, that is, the area occupied by the crystals, to 15%.

Для изготовления данного источника света может быть использована эффективная гибридно-интегральная технология. Технология изготовления предлагаемого устройства значительно проще чем у прототипа, так как исключена необходимость проведения технологического процесса по изготовлению керамической подложки, исключена операция совмещения подложки и отражателя. For the manufacture of this light source can be used effective hybrid integrated technology. The manufacturing technology of the proposed device is much simpler than that of the prototype, since it eliminates the need for a technological process for manufacturing a ceramic substrate, eliminates the operation of combining the substrate and the reflector.

Выполнение основания из монолитной пластины кремния позволяет повысить коэффициент внешнего квантового выхода устройства за счет исключения возможности неточного совмещения держателя и отражателя, которая присуща прототипу. The implementation of the base of a monolithic silicon wafer allows to increase the coefficient of the external quantum yield of the device by eliminating the possibility of inaccurate alignment of the holder and reflector, which is inherent in the prototype.

При этом кремний имеет коэффициент теплового расширения (КТР), более близкий к КТР сложных полупроводниковых соединений, чем керамические материалы, поэтому контакт полупроводникового кристалла с кремниевым основанием более надежен, чем у прототипа. Кремний обладает более высоким коэффициентом теплопроводности по сравнению с наиболее часто используемыми керамическими материалами (например, такими как поликор, ситалл), поэтому лучше отводит тепло от кристаллов и тем самым способствует повышению внешнего квантового выхода и надежности источника света. In this case, silicon has a thermal expansion coefficient (CTE) closer to that of complex semiconductor compounds than ceramic materials, so the contact of the semiconductor crystal with a silicon base is more reliable than that of the prototype. Silicon has a higher coefficient of thermal conductivity compared to the most commonly used ceramic materials (for example, such as polycor, ceramic), therefore, it better removes heat from crystals and thereby increases the external quantum yield and reliability of the light source.

Использование основания в виде единой пластины из кремния с нанесенным слоем диэлектрика и изолированными друг от друга участками металлизации позволило осуществить простую по своему конструктивному решению разводку омических контактов для последовательного соединения диодов, обеспечивающего возможность создания мощных источников излучения. The use of a base in the form of a single silicon wafer with a deposited dielectric layer and metallization sections isolated from each other made it possible to easily arrange ohmic contacts for the series connection of diodes, which makes it possible to create powerful radiation sources.

При этом данная конструкция позволяет соединять кристаллы как последовательно, так и параллельно. Moreover, this design allows you to connect the crystals both in series and in parallel.

Источники информации
1. Заявка на изобретение Японии N7-617, МКИ: H 01 L 33/00, "Матрица светоизлучающих диодов".Sources of information
1. Application for the invention of Japan N7-617, MKI: H 01 L 33/00, "Matrix of light emitting diodes."

2. Заявка на изобретение Японии В4 4-47469, МКИ: H 01 L 33/00, "Осветительное устройство". 2. Application for the invention of Japan B4 4-47469, MKI: H 01 L 33/00, "Lighting device".

3. Отчет по НИР, гос. рег. N Ф 11 697, 1981 г. (прототип). 3. Report on research, state. reg. N F 11 697, 1981 (prototype).

Claims

A light source containing N, where N is a natural number greater than one, light-reflecting recesses of the base, electroluminescent semiconductor crystals with pn junctions and ohmic contacts to them on both sides, characterized in that the base is made in the form of a silicon plate coated with a dielectric layer on which the metallization sections isolated from each other are located, covering the recesses and the adjacent surface of the base, while the upper contact of each jth crystal is connected by wire an electrode with metallization j-1 recesses, where j is a natural number greater than 0, and the upper contact of the 1st crystal is connected to a contact pad located on the surface of the base.