有源發光二極管模塊制造技術

本申請涉及有源發光二極管模塊。本發明專利技術揭示LED模塊，其具有與LED串聯的控制MOSFET或其它晶體管。在一個實施例中，MOSFET晶片接合到LED晶片且經單件化以形成具有與單個LED相同的占據面積的數千個有源三端子LED模塊。盡管紅光、綠光及藍光LED具有不同的正向電壓，RGB模塊可并聯連接且其控制電壓以60Hz或更大Hz交錯以產生單一感知色彩，例如白色。所述RGB模塊可連接于面板中以用于通用照明或彩色顯示器。面板中的單個電介質層可囊封所有所述RGB模塊，以形成緊湊且價廉的面板。描述用于彩色顯示器及照明面板兩者的各種尋址技術。描述用于減小所述LED對輸入電壓的變化的敏感度的各種電路。

【技術實現步驟摘要】
有源發光二極管模塊分案申請的相關信息本案是分案申請。該分案的母案是申請日為2013年1月25日、申請號為201380008594.4、專利技術名稱為“有源發光二極管模塊”的專利技術專利申請案。
本專利技術涉及發光二極管(LED)且特定來說涉及一種含有與LED串聯以控制穿過LED的電流的有源電路的單裸片。
技術介紹
LED通常形成為具有陽極端子及陰極端子的裸片。LED裸片通常安裝在較大襯底上用于散熱及封裝。襯底可含有額外電路，例如無源靜電放電裝置。隨后通常對LED裸片及任選的襯底進行封裝，其中封裝具有穩固陽極及陰極引線以焊接到印刷電路板(PCB)。LED可由電流源控制以實現所要亮度。電流源可為形成在單獨裸片中的MOSFET或雙極晶體管。電流源及LED通常由導線或PCB連接在一起。提供與LED裸片分開的電流源需要額外空間及互連，從而增加成本。存在其它缺點，所述缺點包含與組件不匹配的可能性。需要提供一種具有集成電流源驅動器電路的非常緊湊的LED模塊。當驅動多色彩LED時出現額外問題，例如在彩色顯示器中或為了形成白光源。LED為具有非線性電壓對電流特性的兩端子電裝置。在特定電壓閾值之下，LED具有高阻抗。在所述閾值之上，LED的阻抗低得多。此閾值主要取決于半導體LED的帶隙。帶隙是針對特定峰值發射波長而選擇。紅光LED具有2eV的量級的帶隙，藍光LED具有3eV的量級的帶隙且綠光LED具有介于2eV到3eV之間的帶隙。由于正向電壓與帶隙能量直接相關，所以紅光、綠光及藍光LED無法簡單并聯連接以輸出所要色彩或光；每一色彩的LED必須具有其自身的驅動器電路。用于形成不同色彩的LED的不同材料(例如，GaAs、GaN等)也影響正向電壓。此外，即使在輸出相同波長的LED內，其正向電壓也歸因于工藝變化而變化，因此甚至連并聯連接相同色彩的LED也存在問題。提供每一LED的單獨驅動器電路并將其互連到LED增加了空間及成本。這在試圖使顯示器中的RGB像素的大小最小化時特別有問題。LED可組織為無源矩陣可尋址陣列。舉例來說，一組LED可與其連接到行選擇驅動器的陰極及其連接到列數據總線的陽極連接。數個這些行可用于形成可通過行及列尋址的較大陣列。通過經尋址行-列提供受控電流將在經尋址位置上給LED通電以例如針對顯示器中的彩色像素發射所要色彩及強度的光。由于LED之間的互連為非零阻抗，所以遍及互連網絡的電壓降可無意地使未尋址LED組正向偏壓。此偶然正向偏壓將在未尋址段中導致過量光，此減小陣列的亮暗對比度。此問題因面朝下印刷LED的放置而惡化，其中面朝下LED用于反向偏壓瞬時電壓抑制。向下LED與面朝上LED反平行。在簡單尋址方案中，僅向上LED旨在發射光。當行未被選擇時，相關聯LED以亞閾值電壓偏壓或可能反向偏壓。反平行向下LED在未選定行被反向偏壓的情況下是有問題的，其使向下LED正向偏壓，從而導致其發射光而減小陣列的亮-暗對比度。可能需要創建在連接為可尋址陣列時避免上述問題的集成LED模塊。還可能需要創建集成LED模塊，其中不同色彩的LED可并聯連接以形成高密度的緊湊RGB像素。還可能需要創建不同色彩的集成LED模塊，其可在單個面板中廉價地封裝在一起以產生用于背光照明、用于通用照明或用于彩色顯示器的光。還可能需要創建多個LED模塊的互連及尋址方案以形成緊湊光或顯示面板。
技術實現思路
與例如彩色顯示器中的LED的平行及可尋址連接相關的問題可通過使用有源LED模塊而解決。在一個實施例中，單個垂直LED模塊包含與垂直驅動晶體管(電壓-電流轉換器)串聯的LED。在模塊上提供三個端子：正電壓端子、負電壓端子及用于控制穿過LED的電流的控制端子。當控制端子被供應最大值控制信號時，施加到正電壓端子及負電壓端子的電壓之間的差必須足以將LED通電到其全所要亮度。控制端子可連接到與LED串聯連接的MOSFET的柵極或源極。添加控制端子使得LED阻抗的閾值非線性被有源而非無源地控制。對于跨模塊的電力端子提供電壓的LED模塊，低阻抗狀態(其中LED正發射光)由施加到控制端子的控制電壓決定。LED的并聯或可尋址網絡中的此有源LED將總是處于高阻抗狀態直到控制信號激活低阻抗狀態為止。此有源阻抗控制減小對正向電壓及寄生電壓降及反向電流路徑的敏感度。在一個實例中，紅光、綠光及藍光LED模塊在多色彩顯示器的陣列中并聯連接，其中任何組的RGBLED(形成單個像素)可通過跨三個模塊的電壓端子施加相同電壓而尋址。每一模塊的控制端子連接到不同的可變控制電壓以實現像素中的紅光、綠光及藍光LED的所要亮度。控制電壓按60Hz或更大依序施加使得RGBLED的不同正向電壓不再相關。在另一實施例中，模塊針對白光源而串聯及并聯連接，其中白點通過紅光、綠光及藍光的相對組合而設定。每一色彩的控制電壓及每一色彩的工作周期經設定以實現所要白點。在其它實施例中，各種電路與LED集成以使LED的亮度對輸入電壓的變化較不敏感。模塊可通過將LED晶片接合到驅動器晶體管晶片而形成，借此將每一LED的端子連接到每一驅動器晶體管的端子以形成串聯連接。接合晶片隨后被單件化以一次性形成數千個模塊。在另一實施例中，LED及驅動器晶體管在彼此上方生長為外延層，或驅動器晶體管可通過摻雜劑的擴散或植入而形成。模塊極為緊湊，這是因為占據面積可大致與單個常規LED裸片相同(例如，0.5mm2到1mm2)。在一個實施例中，LED絲網印刷在晶片上。可印刷LED可形成有介于50um2到5000um2的頂部表面積范圍，從而允許模塊具有相同頂部表面積。在使用數百個中等功率LED的大型照明系統中，為LED中的每一者提供常規驅動電路可能不可行。對于此類白光源，許多LED通常串聯連接，且高電壓跨串連接。在現有技術中，提供此高電壓有時需要升壓調節器從而增加系統成本。本專利技術固有地為每一LED提供其自身的驅動器，從而允許甚至不同色彩的許多LED并聯連接使得其可用低壓(例如，5伏特)驅動。為每一LED提供其自身的驅動器還使每一LED能被控制以輸出所需亮度，而不管工藝變化、亮度隨溫度的改變及亮度隨時間的改變如何。連同適于LED顯示器或白光源的LED模塊的各種可尋址陣列一起描述各種模塊實施例。在一個實施例中，模塊的封裝通過印刷形成。附圖說明圖1為根據本專利技術的一個實施例的單個LED模塊的示意圖。圖2為接合到驅動器晶體管晶片的LED晶片的小部分的截面圖。圖3為單個單件化模塊的簡化橫截面圖。圖4說明取決于LED的位置及所使用的驅動器晶體管的類型而將固定電壓及可變控制電壓施加到3中的模塊的三個端子的不同方式。圖5及6說明通過生長外延層而形成的LED及驅動器晶體管。圖7說明封裝之后，例如面板中的單件化模塊裸片。圖8說明連接到LED的陽極的PMOS驅動器晶體管。圖9說明連接到LED的陽極的pnp雙極驅動器晶體管。圖10說明連接到LED的陽極的NMOS驅動器晶體管。圖11說明連接到LED的陽極的npn雙極驅動器晶體管。圖12說明連接到LED的陰極的PMOS驅動器晶體管。圖13說明連接到LED的陰極的pnp雙極驅動器晶體管。圖14說明連接到LED的陰極的NMOS驅動器晶體管。圖15說明連接到LED的陰極的npn雙極驅動器晶體管。圖16說明用于瞬時電壓抑制的LED本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種照明裝置，其包括：第一發光二極管LED，其至少具有第一電導率的第一LED層和第二電導率的第二LED層，所述第一LED層和所述第二LED層在半導體材料的頂部表面上被外延生長；第一晶體管，其在所述半導體材料的所述頂部表面上或其中形成，所述第一晶體管具有第一載流節點、第二載流節點和控制節點，其中所述第一LED圍繞所述第一晶體管，且所述第一晶體管大體上位于所述第一LED的中央；及第一導體，其將所述第一晶體管的所述第一載流節點連接到所述第一LED層以將所述第一晶體管與所述LED串聯連接，以使得當跨越所述第二LED層和所述第一晶體管的所述第二載流節電而施加電壓且當所述晶體管傳導電流時，電流穿過所述第一晶體管而橫向流動且穿過所述LED而垂直流動以照亮所述LED。

【技術特征摘要】
2012.02.23 US 61/602,439;2013.01.09 US 13/737,6721.一種照明裝置，其包括：第一發光二極管LED，其至少具有第一電導率的第一LED層和第二電導率的第二LED層，所述第一LED層和所述第二LED層在半導體材料的頂部表面上被外延生長；第一晶體管，其在所述半導體材料的所述頂部表面上或其中形成，所述第一晶體管具有第一載流節點、第二載流節點和控制節點，其中所述第一LED圍繞所述第一晶體管，且所述第一晶體管大體上位于所述第一LED的中央；及第一導體，其將所述第一晶體管的所述第一載流節點連接到所述第一LED層以將所述第一晶體管與所述LED串聯連接，以使得當跨越所述第二LED層和所述第一晶體管的所述第二載流節電而施加電壓且當所述晶體管傳導電流時，電流穿過所述第一晶體管而橫向流動且穿過所述LED而垂直流動以照亮所述LED。2.根據權利要求1所述的裝置，其進一步包括穿過所述半導體材料而形成的第二導體，所述第二導體將所述第一晶體管的所述第二載流節點耦合到所述裝置的底部端子，且其中跨越所述裝置的所述底部端子和所述第二LED層施加所述電壓以當所述第一晶體管接通時照亮所述LED。3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述半導體材料包括導電襯底，其中跨越所述襯底的底部表面和所述第二LED層施加所述電壓以當所述第一晶體管接通時照亮所述LED。4.根據權利要求1所述的裝置，其中所述第一晶體管為場效應晶體管FET。5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述第一晶體管為雙極性晶體管。6.根據權利要求1所述的裝置，其中所述裝置為三端子裝置，其中所述LED的所述第二LED層連接到所述裝置的第一端子，所述第一晶體管的所述第二載流節點電耦合到所述裝置的第二端子，且所述第一晶體管的所述控制節點耦合到所述裝置的第三端子。7.根據權利要求1所述的裝置，其中所述半導體材料包括硅、SiC、GaN和GaAs中的一者。8.根據權利要求1所述的裝置，其中所述半導體材料為高電阻率層，其中所述第一LED層為覆蓋所述高電阻率層而生長的第一基于GaN的層，其中所述第一晶體管的至少一部分形成在所述第一基于GaN的層中。9.根據權利要求1所述的裝置，其中在所述半導體材料上形成有高電阻率層，在所述高電阻率層上生長有所述第一LED層和所述第二LED層，且其中所述第一晶體管的至少一部分形成在所述半導體材料中但沒有覆蓋所述高電阻率層。10.根據權...

【專利技術屬性】
技術研發人員：布拉德利·S·奧拉韋，
申請(專利權)人：尼斯迪格瑞科技環球公司，
類型：發明
國別省市：美國,US