通常，发光元件被简单地用作信号显示装置。近来，发光元件被 积极地研究作为具有各种波长的光源和许多系统的能量。常用的发光 元件包括激光二极管(LD)和发光二极管(LED)。该LD被用作光通信 领域的光源，而LED正逐渐地被用到各种领域作为发光装置或LCD(液 晶显示器)装置和普通的显示装置的背光。
特别是，LED可以由较低的电压驱动并取得高能效，以得到低产热 并延长寿命。另外，已提出能够通过采用LED使得在现有技术中难以 实现的白光具有高亮度的技术。结果，LED有望作为替代目前使用的大 多数发光器件的重要的技术。
图1为普通的发光二极管(LED)10的截面图。如图所示，采用化 学蒸汽淀积法在用如蓝宝石、n-砷化镓(GaAs)等构成的透明衬底11 上顺序淀积缓冲层12、n-接触层13、活性层14和P-接触层15。通过 光刻处理方法和干/湿蚀刻方法进行MESA蚀刻使得n-接触层13暴露。 之后，在所形成的结构上淀积有助于光传输的电流扩散层16，以及形 成电极的部分形成图案。其后，在暴露的P-接触层15和n-接触层13 上分别形成p-电极17和n-电极18。在此，在活化层14的上部和下部 还可以形成p-镀层和n-镀层。
这种结构的LED通过加电压到p-电极17和n-电极18上而发光。 在此，在加电压时，空穴和电子被注入到p-电极17和n-电极18。所 注入的空穴和电子在活化层14中重新结合，从而向外部发光。
在LED或具有类似结构的LD中，在向外部发光时产生热。若这些 热在元件中累积，不利影响是该元件的性能下降而且寿命缩短。因此， 设计辅助支架和散热板并用于发光元件如用于光通信或照明的LED或 LD。
如具有图1所示的结构的发光元件，LED被通过电极连接到平面型 辅助支架(sub-mount)，并因此在辅助支架上形成的电极图案采用引线 结合技术与LED的电极相连接。之后，当散热板进一步与辅助支架下 部连接时，从发光元件产生的热可有效地向外散发。
但是，在一般的平板型辅助支架中，当衬底厚度减小到预定的厚 度以下时，由于衬底自身变得脆弱，其厚度应保持大于预定值。其结 果，由于发光元件产生的热通过厚的辅助支架传导到散热板以致于引 起元件性能退化。另外，由于发光元件连接到平面型辅助支架上，光 发生发散以致于降低光聚焦效率。
近来，另一方面，提高发光元件的稳定性的研究已经进行。特别 是，在应用到要求可靠性的特定设备中的发光元件中，单独的电压调 节装置与该发光元件相连接以对抗静电流入或浪涌电压输入到发光元 件的电极，从而构成发光元件组件。即，当静电或浪涌电压输入到发 光元件的电极时，瞬变电流流入发光元件，因此可使发光元件系统损 毁。结果，电压调节装置如齐纳二极管与该发光元件并联连接。
齐纳二极管(zener diode)是一种利用齐纳击穿的器件。在此，在 制作该二极管时，当杂质的浓度很高时，空间电荷区的宽度变窄，并 因此即使在反向电压时产生强电场。所产生的强电场将共用点阵组合 分解成若干自由电子和空穴。结果，齐纳二极管减小阻抗并在电压不 变的情况下允许明显的反向电流流过。因此，当具有预定的击穿电压 的齐纳二极管以相反方向与发光元件的电极相连接时，即使高静电或 浪涌电压瞬间流入，仍可保持稳定电压从而显著地缓解对发光元件系 统的冲击。
但是，在现有技术中，在发光元件连接到平面型辅助支架和散热 板之后，发光元件通过单独的引线结合工艺与恒压元件如齐纳二极管 连接以制作发光元件组件，因而构成该元件困难，增加制作成本，降 低其生产率。
另外，当构成其中具有该发光元件的发光器件时，须将数量众多 的恒压元件分别地与发光器件连接。结果，其结构变得复杂且难以制 作，从而导致成本增加。

因此，本发明的目的是提供一种结构简单、总体尺寸更小并且可 提高聚光和散热效率的发光器件及其制造方法和采用该器件的发光系 统。
为了获得这些和其他优点并根据本发明的目的，在此予以实施并 广泛描述，所提供的发光器件包括具有第一和第二电极的发光元件， 和在其主表面具有内部安装发光元件的孔穴并与发光元件电连接的半 导体构件。
根据本发明，还提供一种发光系统，包括：包含具有第一和第二 电极的发光元件和在其主表面具有内部安装发光元件的孔穴并与发光 元件电连接的半导体构件的发光器件，其中半导体构件是具有至少两 个与其主表面上的第一和第二电极电连接的半导体区域的电压调节二 极管；其中安装发光器件并具有一对与第一和第二电极和与半导体区 域电连接的引线框架的芯柱部分；以及用于覆盖芯柱部分以密封该发 光器件的罩盖部分。
根据本发明，提供一种制造发光器件的方法，包括步骤：在半导 体衬底的主表面形成孔穴；在该主表面上形成至少一个杂质扩散区域， 从而形成多个半导体区域；在整个主表面形成绝缘层并在所形成的绝 缘层的部分上形成接触孔图案，而因此暴露多个半导体区域中的两个 区域；沿孔穴侧壁形成从孔穴底部表面到主表面上部向上延伸形成的 一对连接电极，以填充接触孔，用于将两暴露的半导体电极与随后安 装的发光元件电连接并与外部组件电连接；以及将发光元件与该对连 接电极进行连接从而在孔穴中定位发光元件。
通过下面结合附图对本发明进行的详细描述，本发明前述的和其 他的目的、特性、方面和优点将更为明显。

所包括的附图用来提供本发明的进一步理解，其被结合在本说明 书中并构成说明书的一部分，其示出了本发明的实施例并与文字描述 一起用来说明本发明的原理。
附图中：
图1为普通的发光二极管的截面图；
图2为根据本发明的第一实施例的发光器件的截面图；
图3为根据本发明的第二实施例的发光器件的截面图；
图4为根据本发明的第三实施例的发光器件的截面图；
图5为根据本发明的第四实施例的发光器件的截面图；
图6为根据本发明的第五实施例的发光器件的截面图；
图7至图12所示为根据本发明的第一实施例的发光器件的制作程 序；
图13为应用了散热部件的根据本发明的第一实施例的发光器件的 截面图；
图14为采用根据本发明的第一实施例的发光器件的发光系统的分 解透视图。

现详细描述本发明的优选实施例，附图中示出其实例。
下文中，按照附图中示出的实施例对根据本发明的发光器件进行 详细描述。
根据本发明的发光器件可以由多种实施方式，下面将说明其优选 实施例。
图2为根据本发明的第一实施例的发光器件的截面图。
如图所示，根据本发明的第一实施例的发光器件100，包括具有第 一电极17和第二电极18的发光元件10，和在其主表面具有其内部安 装发光元件10的孔穴20并与发光元件10电连接的半导体构件21。
孔穴20的深度优选大于发光器件10的高度以致于发光元件10发 出的光不会对其他元件产生影响而且发光器件100的总体尺寸可最小 化。
半导体构件21由硅材料制成，并用作在主表面形成的孔穴中安装 的发光元件10的辅助支架。另外，半导体构件21在其主表面具有至 少两个分别与发光元件10的第一电极17和第二电极18电连接的半导 体区域。因此，半导体构件21可作为电压调节二极管以稳定通过外部 电路流入的过电压。
半导体区域位于向下延伸到孔穴20的各个侧壁的主表面的上部。 即，半导体区域在未形成孔穴的主表面的部分形成。
这些半导体区域包括：通过在主表面的一部分中涂上杂质而形成 的并因此与第一电极17电连接的第一p-型半导体扩散区域23、通过 在主表面的部分中涂上杂质而形成的并因此与第二电极18电连接的第 二p-型半导体扩散区域24，以及与除第一和第二p-型半导体扩散区域 23和24以外的半导体构件21的其余区域对应的n-型半导体区域29。 即，半导体构件21可作为电压调节元件如pnp结双阈齐纳二极管。
另一方面，在半导体构件21的整个主表面形成具有在其中形成的 接触孔以将半导体区域23和24分别与发光元件10的第一和第二电极 17和18电连接的绝缘层25。在位于向内延伸到孔穴20的侧壁的半导 体元件21的主表面上的绝缘层25中形成这些接触孔，并因此通过接 触孔25a与第一和第二电极17和18电连接的各个半导体区域23和24 暴露在外部。
另外，在绝缘层25上设置一对连接电极26以使得半导体区域23、 24与发光元件10的第一和第二电极17、18电连接，并且还与外部组 件电连接。该对连接电极26沿孔穴20的侧壁从孔穴10的底表面向上 延伸到主表面上部形成。在此，绝缘层25阻断半导体构件21和连接 电极26之间的电通路。
因而，绝缘层25优选用具有高传热系数的AIN，ZnO，BeO，氧化硅 和氮化硅之一制成。
在此，第一和第二电极17、18通过由能够电性地和形式地 (schematically)连接该连接电极和发光元件10的金属材料(即 An-Sn，In，Pb-Sn等)形成的安装部件28分别与该对连接电极26电 连接。
另一方面，沿孔穴侧壁形成反射部分以聚焦发光元件10发出的光 从而增加光的强度和密度。反射部分优选采用具有高反射系数的金属 材料如Al、Ag等制成。
从图13可以看到，用于将发光元件10产生的热向外传输的散热 部件200安装在半导体构件2的主表面的反面。该散热部件200优选 用金属如铜或铁制成。
另一方面，其他的发光元件如激光二极管(LD)和示出的发光二 极管(LED)一样可用作发光元件10。
下文中，将描述本发明的其他实施例。
在说明本发明的实施例时，与前述的本发明的第一实施例相同的 结构和其说明将被省略。
图3为根据本发明的第二实施例的发光器件的截面图。
如图所示，在半导体构件21的主表面上形成的并通过绝缘层25 的接触孔25a与该对连接电极26电连接的半导体区域包括通过在主表 面的部分涂上杂质而形成并因此与发光元件10的第一电极17电连接 的p-型半导体扩散区域23；和与除该p-型半导体扩散区域23以外的 半导体构件21的其余区域对应并因此与发光元件10的第二电极18电 连接的n-型半导体区域29。也就是说，通过仅形成分别与该对连接电 极26电连接的半导体区域的一个区域作为p-型杂质扩散区域，该对连 接电极26之一形成与由n-型硅材料制成的半导体构件21本身连接。 据此，半导体构件21可用作电压调节元件如pn结齐纳二极管。
因此，如在本发明的第一和第二实施例中所示，为了使得半导体 构件21作为电压调节二极管，在延伸到孔穴20侧壁的上端的主表面 上形成与该对连接电极26电连接的若干半导体区域。但是，该半导体 区域可在孔穴20的底表面形成。
图4为根据本发明的第三实施例的发光器件的截面图。
参照图4，通过绝缘层47的接触孔47a与该对连接电极26电连接 的半导体区域包括在孔穴20的底部表面涂覆以通过该对连接电极26 之一与第一电极17电连接的p-型半导体扩散区域48，和与除p-型半 导体扩散区域48以外的半导体构件21其余区域对应并通过另一连接 电极26与孔穴20底部表面的第二电极18电连接的n-型半导体区域 29。因此，半导体构件21可用作电压调节元件如pn结齐纳二极管。
另一方面，在孔穴20的底部表面形成半导体区域，并在孔穴20 的底部表面形成绝缘层47的接触孔47a以使得半导体区域暴露。在此， 半导体区域48和29通过所形成以填充接触孔47a的该对连接电极26 与发光元件10电连接。
图5为根据本发明的第四实施例的发光器件的截面图。在半导体 构件21中设置的半导体区域包括在孔穴20的底部表面涂覆以通过该 对连接电极26之一与第一电极17电连接的第一p-型半导体扩散区域， 在孔穴20的底部表面涂覆以通过另一连接电极26与第二电极18电连 接的第二p-型半导体扩散区域49，和与除第一和第二型半导体扩散区 域48和49以外的半导体构件21其余区域对应的n-型半导体区域29。 即，半导体构件21可用作电压调节元件如pnp结双阈齐纳二极管。如 第三实施例中所描述的，在孔穴20底部表面形成的绝缘层47上形成 接触孔47a以与第一和第二p-型半导体区域48和49相对应。
图6为根据本发明的第五实施例的发光器件的截面图。如图所示， 作为半导体构件中设置的多个半导体区域的p-井(p-well)和n-井 (n-well)在孔穴底部表面形成。
也就是说，半导体区域包括在半导体构件21的主表面的部分中， 即孔穴20的底部表面涂覆的并因此与第一电极17电连接的p-型半导 体扩散区域53，以及在该p-型半导体扩散区域53的部分涂覆形成并 因此与第二电极18电连接的n-型半导体扩散区域54。
尽管图中未示出，在半导体构件21中构建具有p-井和p-井中的 n-井的半导体区域的方法，如在本发明的第一和第二实施例中示出的， 即使在延伸到孔穴20的侧面上端的半导体构件21的主表面的上部也 可以实施。通过构造这些p-井和n-井，半导体构件21可用作电压调 节元件如pn结齐纳二极管。
另一方面，当半导体构件21构建为pn结电压调节二极管时，该 电压调节二极管须与发光元件10进行并联电连接，而且电压调节二极 管和发光元件10必须反电极电连接。
下面根据本发明的多个实施例中的第一实施例说明发光器件制造 方法。
图7至图12所示为根据本发明的第一实施例的发光器件的制作程 序。
如前所述，在此所采用的发光元件可以是发光二极管或激光二极 管。将要描述的制造方法是通过对硅晶片的批处理进行的。
如图所示，根据本发明的第一实施例的发光器件的制造方法，包 括步骤：在半导体衬底的主表面中形成孔穴(图7和图8)，在所述主 表面上形成至少一个杂质扩散区域以形成多个半导体区域(图9)，在 主表面上形成绝缘层并在该绝缘层的局部形成接触孔图案以暴露多个 半导体区域中的两个区域(图10)，沿孔穴侧壁形成从孔穴底部表面向 上延伸到主表面上部的一对连接电极以填充该接触孔，从而将两暴露 的半导体区域与随后安装的发光元件电连接并还与外部组件电连接 (图11)，以及将该发光元件与该对连接电极相连接以将发光元件定位 在孔穴内(图12)。
下面将更详细地描述该制造方法。
首先，如图7所示，在由厚度大于后面安装的发光元件的高度的 硅材料制成的半导体衬底21的两表面采用化学气相沉积法(CVD)形成 在进行湿蚀刻时采用的掩膜层22。之后，采用光刻法和蚀刻法将掩膜 层22形成图案以使得该半导体衬底21的主表面的部分暴露。
接着，如图8所示，通过采用湿蚀刻的体显微机械加工技术，在 通过掩膜22形成图案暴露的半导体衬底21的主表面上形成孔穴20。 此时，所形成的孔穴20的深度必须大于将要安装在此的发光元件10 的高度以致于在后续步骤中定位在孔穴中的发光元件10不受其他邻近 的元件的影响并且通过制造用于安装发光元件10的孔穴20的薄的底 部表面使发光元件产生的热易于向外部扩散。
然后如图9所示，在延伸到孔穴20侧壁的上端的主表面上形成第 一p-型杂质扩散区域23和第二p-型杂质扩散区域24以使得半导体衬 底21可用作电压调节二极管。
接着，如图10所示，在具有在其上形成的孔穴20的半导体衬底 21的整个主表面上形成绝缘层25。再蚀刻绝缘层25的部分以形成接 触孔25a，从而部分地暴露第一和第二p-型杂质扩散区域23、24。其 后，在绝缘层25上形成一对连接电极26以与第一和第二p-型杂质扩 散区域23、24电连接并还沿孔穴侧壁从孔穴20底部表面向上延伸。 如图10所示，连接电极26向上延伸到半导体衬底21的主表面。结果， 连接电极26使得随后安装的发光元件的各个电极17和18与第一和第 二p-型杂质扩散区域23、24电连接，并且也作为连接外部电路的连接 衬垫。
在此，绝缘层25可采用薄膜淀积法如溅射法或汽化法由AIN、ZnO 或BeO之一制成。同时，绝缘层25可形成为绝缘薄膜如氧化硅薄膜或 氮化硅薄膜。
另外，该对连接电极26优选在绝缘层25上形成金属层之后采用 提升(lift-off)法形成图案。并可采用金属层蚀刻法形成图案。
接着，如图11所示，由具有高反射系数的金属制成的反射部分27 沿孔穴20侧壁分别形成在连接电极26上。用于在其上安装发光元件 的安装部件28形成在位于孔穴20底部表面的连接电极26的部分。
当连接电极26由具有高反射系数的金属制成时可以不设置反射层 27。但是，最好设置独立的反射层27以更加有效地聚集发光元件10 发出的光。
另外，安装部件28优选采用提升法形成，并可由任何可与连接电 极26和发光元件10连接的金属如An-Sn、In、Pb、Pn-Sn等制成。
接着，如图12所示，在硅晶片上形成的多种结构通过切割处理被 分开作为单个晶片。随后，采用倒装片结合法将发光元件10接合到在 孔穴20中的连接电极26上形成的安装部件28。通过这些步骤，制成 根据本发明的第一实施例的发光器件100。
下文中，将描述根据本发明的第二至第五实施例的发光器件的制 造方法，并且与根据第一实施例的发光器件的制造方法相同的部分予 以省略。
在根据本发明的第二实施例的发光器件的制造方法中，在形成多 个半导体区域时，在延伸到孔穴20的侧壁上端的主表面上仅形成一个 p-型杂质扩散区域23。因而，当暴露两个半导体区域时，p-型杂质扩 散区域23的一部分和由硅材料制成的n-型半导体衬底21的一部分暴 露在主表面，从而形成绝缘层25的接触孔25a图案。
另外，在根据第三实施例的发光器件的制造方法中，在形成多个 半导体区域时，在孔穴20的底部表面上仅形成一个p-型杂质扩散区域。 因而，当暴露两个半导体区域时，形成绝缘层47的接触孔47a图案以 在孔穴20的底部表面上暴露p-型杂质扩散区域的一部分和n-型半导 体衬底21的一部分。
另一方面，在根据第四实施例的发光器件的制造方法中，在形成 多个半导体区域时，在孔穴20的底部表面上分别形成第一p-型杂质扩 散区域48和第二p-型杂质扩散区域49。因此，当暴露两个半导体区 域时，形成绝缘层25的接触孔25a图案以在孔穴20的底部表面上分 别暴露第一p-型杂质扩散区域48和第二p-型杂质扩散区域49。
在根据第五实施例的发光器件的制造方法中，在形成多个半导体 区域时，在孔穴的底部表面上分别形成p-型杂质扩散区域53和在p- 型杂质扩散区域53的部分涂覆形成的n-型杂质扩散区域54。因此， 当暴露两个半导体区域时，形成绝缘层47的接触孔47a图案以在孔穴 的底部表面上分别暴露p-型杂质扩散区域53和n-型杂质扩散区域54。
另外，采用与第五实施例的制造方法相同的方法，p-型杂质扩散 区域和在p-型杂质扩散区域的部分涂覆形成的n-型杂质扩散区域可在 延伸到孔穴侧壁上端的半导体衬底主表面上形成。
在另一方面，图13所示为安装在采用这些方法制造的发光器件100 的下部，即，在安装有发光元件10的半导体衬底21的主表面的反面 的散热部件200。如图所示，由于散热部件200和发光元件10之间的 半导体衬底21，也就是，孔穴20的底部表面部分较薄，发光元件10工 作所产生的热通过半导体衬底和散热部件200更易于向外扩散，从而 防止发光器件100恶化。
图14所示为应用到光通信系统的具有根据本发明的实施例的发光 器件的发光系统的结构，特别是，常用作光电子元件封装的TO外壳 (TO-can)。
如图14所示，采用该发光器件的发光系统500包括前述的具有安 装在其上的散热部件200的发光器件100，其上安装有发光器件100和 与连接电极26电连接的一对引线框架310和320的芯柱部分300，以 及覆盖所述芯柱部分300以密封该发光器件100的罩盖部分。
也就是说，采用这种粘结剂将其上安装有发光器件100的散热部 件200与具有高传热效率的芯柱部分300结合，接着，采用引线接合 工艺将在芯柱部分300上设置的引线框架310和320在外部与暴露在 发光器件100外的连接电极26电连接。然后将具有由透镜(未示出) 或石英制成的透明窗口(未示出)的罩盖部分400覆盖并封装发光器 件100和连接线以保护发光器件100和采用引线接合工艺与其连接的 导线。
如目前所述，在根据本发明的发光器件中，通过在半导体衬底主 表面中形成深度大于发光元件的高度的孔穴并在该半导体衬底主表面 上形成至少两个包括与发光元件的两个电极电连接的杂质扩散区域的 半导体区域，该半导体衬底可用作电压调节二极管以保护发光元件不 受通过连接电极从外部流入的静电或浪涌电压的影响。除此之外，由 于发光元件安装在孔穴中，发光器件的总尺寸可以很紧凑。
另外，由于通过在发光元件所处的孔穴的每个侧壁设置反射部分 可更加有效地聚集发光元件所发出的光，因此提高光的输出效率。
由于能使安装发光元件的孔穴具有薄的底部表面，发光元件所产 生的热通过具有高的热传导系数的硅材料的半导体衬底和与其结合的 散热部件更易于向外扩散。
另外，根据本发明的发光器件可通过采用显微机械加工技术在硅 晶片上制作成单个芯片。结果，可降低制造成本并易于批量生产。
由于本发明在不脱离其实质或必要特性的前提下可以多种方式实 施，应当理解上述实施例不限于前述的具体细节，除非特别说明，而 应在所附权利要求所限定的实质和范围内可作广泛解释，因此，所有 落入该权利要求界定的范围或其等同范围内的变更和修改也将包含在 所附权利要求中。