将晶体管晶片接合到发光二极管晶片以形成有源发光二极管模块的制作方法

文档序号:9332858阅读:424来源:国知局
将晶体管晶片接合到发光二极管晶片以形成有源发光二极管模块的制作方法
【专利说明】将晶体管晶片接合到发光二极管晶片以形成有源发光二极管模块
[0001]相关串请案的交叉参考
[0002]此是布雷德利.S.奥罗(Bradley S.0raw)于2013年I月9日申请的第13/737,672号美国申请案的部分接续案且还主张布雷德利.S.奥罗于2013年3月15日申请的第61/789,106号美国临时申请案的优先权。两个申请案都被让渡给本受让人且以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及发光二极管(LED),且特定地说涉及一种含有与LED串联以控制通过LED的电流的有源电路的单裸片。
【背景技术】
[0004]LED通常形成为具有阳极端子及阴极端子的裸片。LED裸片通常安装在较大衬底上用于散热及封装。衬底可含有额外电路,例如无源静电放电装置。LED裸片及任选衬底随后通常经封装,其中封装具有坚固阳极及阴极引线以焊接到印刷电路板(PCB)。
[0005]LED可由电流源控制以实现所需亮度。电流源可为形成在单独裸片中的MOSFET或双极晶体管。电流源及LED通常由导线或PCB连接在一起。
[0006]提供与LED裸片分离的电流源需要额外空间及互连,从而增加成本。存在其它缺点,包含与组件不匹配的可能性。需要提供一种具有集成的电流源驱动器电路的非常紧凑LED模块。
[0007]当驱动多颜色LED(例如在彩色显示器中或为了形成白光源)时出现额外问题。LED是具有非线性的电压对电流特性的两端电装置。在特定电压阈值之下,LED是高阻抗。在阈值之上,LED的阻抗低得多。此阈值主要取决于半导体LED的带隙。带隙是针对特定峰值发射波长而选择。红色LED具有大约2eV的带隙,蓝色LED具有大约3eV的带隙,且绿色LED具有介于2eV至3eV之间的带隙。由于正向电压与带隙能量正相关,所以红色、绿色及蓝色LED无法简单地并联连接以输出所需颜色或光;每一颜色的LED必须具有其自身的驱动器电路。用于形成不同颜色的LED的不同材料(例如,GaAs, GaN等)还影响正向电压。此外,即使在输出相同波长的LED内,其正向电压也归因于制程变化而变化,因此甚至并联连接相同颜色的LED也存在问题。为每一 LED提供单独驱动器电路及将其互连到LED增大空间及成本。此增大的大小在试图使显示器中的RGB像素的大小最小化时尤其不合需要。
[0008]LED可组织为无源矩阵可寻址阵列。举例来说,可连接一组LED,其阴极连接到行选择驱动器且其阳极连接到列数据总线。数个此类行可用于形成可按行及列寻址的较大阵列。通过经寻址行-列提供受控电流将给在经寻址位置处的LED通电以发射所需颜色及强度的光(例如针对显示器中的彩色像素)。由于LED之间的互连是非零阻抗,所以遍及互连网络的电压降可无意中使未寻址LED组正向偏压。此偶然正向偏压将在未寻址段中导致过量光,其减小阵列的亮暗对比度。
[0009]将需要产生在连接为可寻址阵列时避免上述问题的集成LED模块。
[0010]还将需要产生集成LED模块,其中不同颜色的LED可并联连接以形成高密度的紧凑RGB像素。
[0011]还将需要产生不同颜色的集成LED模块,其可在单个面板中廉价地封装在一起以产生用于背光照明、一般照明或彩色显示器的光。
[0012]还将需要产生多个LED模块的互连及寻址方案以形成紧凑的灯或显示面板。

【发明内容】

[0013]与例如彩色显示器中的LED的并联及可寻址连接相关的问题可通过使用有源LED模块而解决。在一个实施例中,单个垂直LED模块包含与垂直驱动晶体管(电压转电流转换器)串联的LED。在模块上提供三个端子:正电压端子、负电压端子及用于控制通过LED的电流的控制端子。当控制端子被供应最大值控制信号时,施加到正电压端子及负电压端子的电压之间的差必须足以将LED通电到其所需的全亮度。
[0014]控制端子可连接到与LED串联连接的MOSFET的栅极或源极。添加控制端子使得LED阻抗的阈值非线性经主动而非被动控制。对于跨模块的电力端子提供电压的LED模块,低阻抗状态(其中LED正发射光)是由施加到控制端子的控制电压确定。LED的并联或可寻址网络中的此有源LED将始终处于高阻抗状态直到控制信号启动低阻抗状态为止。此主动阻抗控制减小对正向电压及寄生电压降以及反向电流路径的敏感度。
[0015]在一个实例中,红色、绿色及蓝色LED模块在多颜色显示器的阵列中并联连接,其中任意组的RGB LED(形成单个像素)可通过跨三个模块的电压端子施加相同电压而寻址。每一模块的控制端子连接到不同的可变控制电压以实现像素中的红色、绿色及蓝色LED的所需亮度。控制电压是按60Hz或更大频率依序施加使得RGB LED的不同正向电压不再相关。
[0016]在另一实施例中,针对白光源,模块被串联及并联连接,其中白点是通过红光、绿光及蓝光的相对组合而设置。每一颜色的控制电压及每一颜色的工作循环经设置以实现所需白点。
[0017]在其它实施例中,各种电路与LED集成以使LED的亮度对输入电压的变动较不敏感。
[0018]可通过将LED晶片接合到驱动器晶体管晶片,借此将每一 LED的端子连接到每一驱动器晶体管的端子以形成串联连接而形成模块。经接合晶片随后被切分以一次性形成数千个模块。模块极为紧凑,因为占据面积可大约相同于单个常规LED裸片(例如,0.25mm2到 Imm2) ο
[0019]如果模块可印刷,那么占据面积小得多。可形成具有介于50um2到5000um2之间的顶部表面积范围的可印刷模块。可印刷小的模块群组的阵列,其中每一群组中的模块并联连接以形成具有所需最大亮度的单一颜色像素。在一个实施例中,模块的封装也通过印刷形成。
[0020]驱动器可为双极晶体管、MOSFET或其它类型晶体管。在一些实施例中,流动通过模块的电流实质上完全垂直。在其它实施例中,电流垂直且横向流动。
[0021]在使用数百个中等功率LED的大型照明系统中,为LED中的每一者提供常规驱动电路将是不切实际的。对于此类白光源,许多LED通常串联连接,且在串两端连接高电压。在现有技术中,提供此高电压有时需要升压调节器,从而增加系统成本。本发明固有地为每一 LED提供其自身的驱动器,允许甚至不同颜色的许多LED并联连接,使得其可用低电压(例如,5伏)驱动。为每一 LED提供其自身的驱动器还使每一 LED能被控制以输出所需亮度,而不管制程变动、亮度随温度的改变及亮度随使用期的改变。
[0022]连同适于LED显示器或白光源的LED模块的各种可寻址阵列一起描述了各种模块实施例及制作方法。
【附图说明】
[0023]图1是根据本发明的一个实施例的单个LED模块的示意图。
[0024]图2是接合到驱动器晶体管晶片的LED晶片的小部分的横截面图。
[0025]图3是单个经切分模块的简化横截面图。
[0026]图4图解说明取决于LED的位置及所使用的驱动器晶体管的类型而将固定电压及可变控制电压施加到图3中的模块的三个端子的各种方式。
[0027]图5图解说明在封装在例如面板中之后的经切分模块裸片。
[0028]图6图解说明连接到LED的阳极的PMOS驱动器晶体管。
[0029]图7图解说明连接到LED的阳极的pnp双极驱动器晶体管。
[0030]图8图解说明连接到LED的阳极的NMOS驱动器晶体管。
[0031]图9图解说明连接到LED的阳极的npn双极驱动器晶体管。
[0032]图10图解说明连接到LED的阴极的PMOS驱动器晶体管。
[0033]图11图解说明连接到LED的阴极的pnp双极驱动器晶体管。
[0034]图12图解说明连接到LED的阴极的NMOS驱动器晶体管。
[0035]图13图解说明连接到LED的阴极的npn双极驱动器晶体管。
[0036]图14图解说明经并联连接的用于彩色显示器或产生白光的RGB LED模块。
[0037]图15图解说明可如何使用控制电压对图14中的RGB LED定序以产生任何颜色,包含白光。
[0038]图16图解说明一起封装在例如彩色显示器中的单独RGB LED模块。
[0039]图17图解说明晶体管及其它电路可如何集成在与LED相同的衬底中以形成电压钳位器、电流调节器或其它电路。无需外部控制电压。此导致两端LED模块,例如RGB模块,其中模块经并联连接用于彩色像素,包含白光像素。
[0040]图18到35是图解说明各种驱动晶体管及用于形成各种类型的LED模块的方法的横截面图。
[0041]图18图解说明用作LED模块的驱动器的垂直pnp双极晶体管。
[0042]图19图解说明用作LED模块的驱动器的垂直P沟道M0SFET。
[0043]图20图解说明用作LED模块的驱动器的沟槽-栅极垂直P沟道M0SFET。
[0044]图21到26图解说明用于形成图18或图19的驱动器晶片且准备所述驱动器晶片以接合到LED晶片的制作步骤。
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