高电压固态换能器及具有电交叉连接的固态换能器阵列，以及相关系统及方法与流程

分案申请的相关信息

本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2013年8月28日、申请号为201380054762.3、发明名称为“高电压固态换能器及具有电交叉连接的固态换能器阵列，以及相关系统及方法”的发明专利申请案。

本技术涉及固态换能器，以及制造固态换能器及固态换能器阵列的方法。特定来说，本技术涉及具有电交叉连接的高电压固态换能器，以及相关系统及方法。

背景技术：

发光二极管(led)为将电能转换为光且通常包括形成于经相反掺杂的材料之间的半导体材料的一或多个活性区域的固态装置。当跨所述掺杂材料施加偏压时，所述活性区域产生可从所述led的所有表面发射的光。除led外，固态照明(“ssl”)装置还可使用有机发光二极管(“oled”)及/或聚合物发光二极管(“pled”)而非电灯丝、等离子或气体作为照明源。ssl装置用于各种各样的产品及应用中，所述产品及应用包含常见的消费型电子装置，例如移动电话、个人数字助理(“pda”)、数码相机、mp3播放器，及利用ssl装置用于背光的其它便携式电子装置。ssl装置还用于交通照明、标志牌、室内照明、户外照明，及其它类型的一般照明。

在许多应用中，需要具有提供高光输出的ssl装置，其中通过缩减电力供应输出电压与输入电压之间的差而实现更好的性能。一种实现led中的高输入电压的常规技术为将多个led裸片串联耦合为阵列。在某些实施例中，个别ssl裸片可包含串联耦合的一个以上led结。

图1a为被展示为具有两个串联结的常规高电压ssl装置10的横截面图，且图1b为所述常规高电压ssl装置10的俯视平面图。如图1a及1b所展示，高电压ssl装置10包含衬底20，衬底20承载通过绝缘材料12而彼此电隔离的多个led结构11(被个别地识别为第一led结构11a及第二led结构11b)。每一led结构11a、11b具有活性区域14，例如，含有氮化镓/氮化铟镓(gan/ingan)多量子阱(“mqw”)，活性区域14定位于p型gan15与n型gan16掺杂材料之间。高电压ssl装置10还包含呈侧向配置的在p型gan15上的第一接触件17及在n型gan16上的第二接触件19。个别ssl结构11a、11b是通过凹口22而分离，n型gan16的一部分是通过凹口22而暴露。互连件24通过凹口22串联电连接两个邻近ssl结构11a、11b。

在操作中，电力经由接触件17、19提供给ssl装置10，从而致使活性区域14发射光。通过将若干高电压ssl装置安装到单个电路板(例如，led封装阵列)以传递较高通量，可在组装级下实现较高光输出。典型阵列包含可串联耦合、并联耦合或以串联及并联耦合封装的组合而耦合的许多led封装。举例来说，可通过将若干常规高电压ssl装置10配线为并联配置而实现高电压。高电压ssl装置的阵列可为有利之处在于包含在所述阵列中的led封装的数目独立于总封装电压(第2012/0161161号美国专利公开案，其全文是以引用方式并入本文中)。然而，尽管光输出改善且通量传递较高，但并有图1a及1b的ssl装置10的阵列仍遭受结故障，这可造成芯片可用性、劣化的问题，且产生跨所述阵列中的个别耦合ssl装置的高偏压变化。举例来说，个别led结构11a可出故障、变为开路或变为短路，从而造成剩余led结构11b以及其它串联耦合或并联耦合的裸片出故障、缩减性能或丧失稳定性。因此，仍需要有助于封装且具有改善的性能及可靠性的高电压led、高电压led阵列及其它固态装置。

技术实现要素：

根据本发明的一实施例，一种固态换能器sst裸片包括：发光二极管led结构，其具有第一半导体材料及第二半导体材料；多个第一接触件，其中个别第一接触件电耦合到所述第一半导体材料；多个第二接触件，其中第二接触件电耦合到所述第二半导体材料，所述第二接触件与所述第一半导体材料电隔离；互连件，其形成于至少一个第一接触件与一个第二接触件之间；及第三接触件，其连接到所述互连件。

根据本发明的另一实施例，一种发光二极管led阵列包括：发光换能器结构，其具有第一侧处的第一半导体材料、与所述第一侧相对的第二侧处的第二半导体材料，及所述第一半导体材料与所述第二半导体材料之间的发光活性区域；多个第一接触件，其中个别第一接触件电耦合到所述第一半导体材料；多个第二接触件，所述第二接触件电耦合到所述第二半导体材料，其中所述第二接触件与所述第一半导体材料电隔离；多个第三接触件，所述第三接触件电耦合到第一接触件及第二接触件中的至少一者，所述第三接触件与所述第一半导体材料及所述第二半导体材料电隔离；及多个交叉连接，其介于所述多个第三接触件之间。

根据本发明的又一实施例，一种固态换能器sst裸片的阵列包括：第一端子；第二端子；及多个sst裸片，其耦合于所述第一端子与所述第二端子之间，其中所述sst裸片中的至少一对并联耦合，其中：所述多个sst裸片个别地包含多个结，所述多个结与每一个别结之间的互连件串联耦合；且所述个别sst裸片具有耦合到所述互连件的交叉连接接触件。

附图说明

可参考下列图式更好地理解本揭露内容的许多方面。图式中的组件未必按比例绘制。而是重点在于清楚地说明本揭露内容的原理。而且，在图式中，若干视图内的相同参考数字是指对应部件。

图1a及1b为根据现有技术而配置的高电压led装置的示意横截面图及俯视平面图。

图2a为根据本技术的实施例而配置的固态换能器(sst)阵列的示意俯视平面图。

图2b到2c为图2a所展示且根据本技术的实施例的多结sst裸片的横截面图。

图3为根据本技术的实施例的形成具有串联耦合的多个结的sst裸片的方法的流程图。

图4为根据本技术的实施例的具有电交叉连接的sst裸片的阵列组合件的示意方框图。

图5为根据本技术的实施例的形成高电压发光二极管(hvled)的阵列的方法的流程图。

具体实施方式

下文描述固态换能器(“sst”)以及相关系统及方法的若干实施例的具体细节。术语“sst”通常是指包含半导体材料作为活性介质以将电能转换为可见光谱、紫外光谱、红外光谱及/或其它光谱中的电磁辐射的固态装置。举例来说，sst包含固态光发射器(例如，led、激光二极管等)，及/或除电灯丝、等离子或气体以外的其它发射源。sst可替代地包含将电磁辐射转换为电的固态装置。另外，取决于术语“衬底”被使用的上下文，术语“衬底”可指晶片级衬底或指单一化装置级衬底。所属领域的技术人员还应理解，本技术可具有额外实施例，且本技术可在无下文参考图2a到5所描述的实施例的若干细节的情况下实践。

图2a为根据本技术的实施例而配置的固态换能器(sst)阵列100的示意俯视平面图。如图2a所展示，sst阵列100包含可并联耦合的两个sst裸片110(被个别地识别为第一sst裸片110a及第二sst裸片110b)。出于简单起见，在图2a中仅说明两个sst裸片110；然而，所属领域的一般技术人员将认识到，sst阵列100可包含被布置为多种配置(例如，串联、并联，或串联及并联对准的裸片110的组合)的额外sst裸片110。

图2b及2c为根据本技术的实施例的图2a的多结sst裸片110a的横截面图。一起参考图2a到2c，sst裸片110可包含衬底120，衬底120承载通过绝缘材料112而彼此电隔离的多个led结构111(分别被个别地识别为第一led结构111a及第二led结构111b)。出于说明的目的，在个别裸片110a、110b中的每一者中仅展示两个led结构111a及111b；然而，将理解，在其它实施例中，sst裸片110可包含三个、四个、五个及/或其它合适数目个led结构111。在其它实施例中，sst裸片110还可包含透镜、镜面，及/或其它合适光学组件及/或电组件(未展示)。

在一个实施例中，衬底120可包含金属、金属合金、掺杂硅，及/或其它导电衬底材料。举例来说，在一个实施例中，衬底120可包含铜、铝，及/或其它合适金属。在其它实施例中，衬底120还可包含陶瓷材料、硅、多晶硅，及/或其它整体非导电衬底材料。

在某些实施例中，绝缘材料112可包含氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)，及/或经由热氧化、化学气相沉积(“cvd”)、原子层沉积(“ald”)及/或其它合适技术形成于衬底120上的其它合适非导电材料。在其它实施例中，绝缘材料112可包含聚合物(例如，聚四氟乙烯，及/或其它四氟乙烯的含氟聚合物)、环氧树脂，及/或其它聚合材料。

led结构111a、111b经配置以响应于外加电压而发射光及/或其它类型的电磁辐射。在图2b及2c所说明的实施例中，led结构111a、111b各自具有第一侧132，及与第一侧132相对的第二侧134。led结构111a、111b个别地包含第一侧132处的第一半导体材料115、第二侧134处的第二半导体材料116，及位于第一半导体材料115与第二半导体材料116之间的活性区域114。在其它实施例中，led结构111还可包含氮化硅、氮化铝(aln)，及/或其它合适中间材料。

第一半导体材料115及第二半导体材料116可为掺杂半导体材料。在某些实施例中，第一半导体材料115可包含p型gan(例如，掺杂有镁(mg))，且第二半导体材料116可包含n型gan(例如，掺杂有硅(si))。在其它实施例中，第一半导体材料115可包含n型gan，且第二半导体材料116可包含p型gan。在其它实施例中，第一半导体材料115及第二半导体材料116可个别地包含以下至少一者：砷化镓(gaas)、砷化铝镓(algaas)、磷砷化镓(gaasp)、磷化镓(iii)(gap)、硒化锌(znse)、氮化硼(bn)、氮化铝镓(algan)，及/或其它合适半导体材料。

活性区域114可包含单量子阱(“sqw”)、多量子阱(mqw)，及/或单粒半导体材料(例如，ingan)，例如厚度大于约10纳米且高达约500纳米的单粒半导体材料(例如，ingan)。在某些实施例中，活性区域114可包含ingansqw、gan/inganmqw，及/或ingan块体材料。在其它实施例中，活性区域114可包含磷化铝镓铟(algainp)、氮化铝镓铟(algainn)，及/或其它合适材料或布置。

在某些实施例中，第一半导体材料115、活性区域114及第二半导体材料116中的至少一者可经由金属有机化学气相沉积(“mocvd”)、分子束外延(“mbe”)、液相外延(“lpe”)及氢化物气相外延(“hvpe”)形成于衬底材料120上。在其它实施例中，led结构111的前述组件及/或其它合适组件(未展示)中的至少一者可使用其它合适外延生长技术而形成。

个别led结构111a、111b还各自包含第一电极或接触件117(被个别地识别为117a及117b)及第二电极或接触件119(被个别地识别为119a及119b)。第一接触件117a、117b分别电耦合到第一led结构111a及第二led结构111b的第一半导体材料115。第二接触件119a、119b分别电耦合到第一led结构111a及第二led结构111b的第二半导体材料116。如图2c所展示，第一led结构111a包含位于第一半导体材料115上的第一接触件117a，且第二led结构111b包含通过活性区域114及第一半导体材料115中的间隙130而位于第二半导体材料116上的第二接触件119b。第一接触件117a及第二接触件119b提供外部电接触点以用于将sst裸片110与外部接触件及/或装置耦合以接收或施加电力。

图2a及2c展示可在led结构111a的第一侧132处接达的第一接触件117a。如所说明，第一接触件117a可形成于第一半导体材料115的较小部分上方。在其它实施例(未展示)中，第一接触件117a可延伸于下方第一半导体材料115的较大部分上方。第一接触件117a可使用化学气相沉积(“cvd”)、物理气相沉积(“pvd”)、原子层沉积(“ald”)、旋涂、图案化及/或此项技术中所知的其它合适技术而形成。在一些实施例中，第一接触件117a可由非反射性材料形成。在其它实施例中，包含镍(ni)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、钨(w)及/或其它反射性材料的反射性接触件材料可用以形成第一接触件117a。

同样地，第二接触件119b可在led结构111b的第一侧132处通过间隙130而接达。合适的第二接触件材料可包含钛(ti)、铝(al)、镍(ni)、银(ag)，及/或其它合适导电材料。第二接触件119b还可使用cvd、pvd、ald或半导体制造技术中所知的其它合适技术而形成。如所描述，举例来说，可通过蚀刻led结构111b的一部分而形成间隙130，所述部分从sst裸片110的第一侧132延伸到第二半导体材料116或延伸到第二半导体材料116中。在图2a及2c所说明的实施例中，第二接触件119b可定位于led结构111b的边缘附近或定位于所述边缘处，使得无需介电材料用于将第二接触件119b与第一半导体材料115或活性区域114电绝缘。然而，在其它实施例中，第二接触件119可为led结构111内的埋式接触元件，例如第13/346,495号美国专利申请案所描述的垂直布置固态换能器中描述的接触元件，所述专利申请案的全文是以引用方式并入本文中。在此类实施例中，led结构111中的经蚀刻壁的介电涂层可使第二接触件119与第一半导体材料115及活性区域114电隔离。

如图2a到2c所展示，led结构111a、111b被布置为侧向阵列，其中沟道126(图2a及2c)将邻近led结构111a、111b分离。个别led结构111a、111b还包含凹口122，第二半导体材料116的一部分是通过凹口122而暴露。互连件124通过对应凹口122电连接两个邻近led结构111a、111b。因而，第一led结构111a及第二led结构111b彼此串联耦合。在一个实施例中，互连件124可为第一led结构111a上的第二接触件119a与第二led结构111b上的第一接触件117b之间的互连点。接触件117b、119a可通过与针对第一接触件117a及第二接触件119b所描述的技术类似的技术(例如，cvd、pvd、ald或其它合适技术)而沉积于或以其它方式形成于凹口122中。

沟道126分隔sst装置110，使得sst裸片110的led结构111a、111b彼此隔离。举例来说，沟道126可在接触件117b、119a及互连件124形成于凹口122中之前形成，且可延伸到led结构111a、111b的第二侧134(如图2b及2c所展示)。在一个实施例中，沟道126及/或凹口122的侧壁的全部或部分可涂布有介电材料138(图2c)。在一些布置中，介电材料138可沿着延伸通过第一半导体材料115及活性区域114的路径使第二接触件119电绝缘(未展示)。介电材料138可包含二氧化硅(sio2)、氮化硅(sin)，及/或其它合适介电材料，且可使用cvd、pvd、ald、图案化及/或此项技术中所知的其它合适技术而沉积。

sst裸片110还可包含耦合到互连件124且根据本技术的实施例的第三接触件140。如图2a所说明，sst裸片110可具有定位于沟道126中且经由一或多个导电线142电耦合到互连件124的一或多个第三接触件140。在一个实施例中，第三接触件140可通过第一led结构111a与第二led结构111b之间的沟道126而在外部接达。在其它实施例中，第三接触件140可定位于led结构111a或111b的第一侧132处，其中合适的绝缘材料或介电材料插入在第三接触件140与下方第一半导体材料115之间。合适的第三接触件材料140可包含钛(ti)、铝(al)、镍(ni)、银(ag)，及/或其它合适导电材料。第三接触件140还可使用cvd、pvd、ald或半导体制造技术中所知的其它合适技术而形成。

在所说明的实施例中，介电材料138经定位以将所暴露的第三接触件140与第一半导体材料115、第二半导体材料116及活性区域114侧向分开地绝缘，且因此缩减在后续处理期间或在操作中使接触件彼此短路的可能性。在其它实施例中，sst裸片110可包含介电材料138的较大或较小涂层或部分。

如图2c所展示，介电材料138可涂布沟道126的内壁，但不覆盖第三接触件140。在特定实施例中，导电线142可形成于互连件124与第三接触件140之间的介电材料138上方。导电线142可由合适导电材料制成，合适导电材料是例如镍(ni)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、钨(w)及/或其它合适导电材料。导电线142下方的介电材料138将第三接触件140与第一接触件117a电隔离。导电线142可使用沉积、图案化及/或此项技术中所知的其它合适方法而形成，且可由类似于用于第二接触件材料119及/或第三接触件材料140的导电材料的导电材料制成。

sst裸片110a、110b可经历进一步处理以添加用于附接到额外衬底及/或装置的元件。举例来说，接合衬垫(未展示)可分别电耦合到第一接触件117a、第二接触件119b及第三接触件140。所述接合衬垫可为金属或金属合金结构(例如，ni、ag、cu、sn、al、w等)。在一些布置中，导线接合146(图2c)可用以将外部装置、额外裸片及/或其它电源电耦合到sst裸片110的第一接触件117a及第二接触件119b。在其它实施例中，所得的sst裸片110可包含可在不需要导线接合(例如，使用回流焊工艺)的情况下安装于板、封装或另一组件上的第一接触件117a及第二接触件119b。

在一个实施例中，第三接触件140可提供预备件用于在耦合于sst阵列100中的邻近sst裸片110b之间形成交叉连接144(图2a)。交叉连接144可提供电连接到位于sst阵列100内的sst裸片110a、110b的多个led结构111a、111b之间的至少一个中间点。在操作中，交叉连接144可提供跨个别sst裸片110(例如，裸片110a、110b)的缩减的偏压变化。参考图2a，在sst裸片110a上的第三接触件140与sst裸片110b上的对应第三接触件140之间具有交叉连接的情况下，第一led结构111a及第二led结构111b可被施加相同电压。另外，交叉连接144可提供预防sst裸片110或sst阵列100故障的保护。举例来说，如果一个led结构出故障且变为开路或短路，那么额外led结构使用交叉连接144而仍保持操作。

在特定实例中，如果sst裸片110a的led结构111a变为短路(例如，具有低电阻)，那么施加到两个并联sst裸片110的电压将优先流过sst裸片110a的led结构111a，且sst裸片110b将不操作或以减小的能力而操作。正向电压将流到sst裸片110a的led结构111b；然而，交叉连接144均匀地提供正向电压到sst裸片110a的led结构111b以及sst裸片110b的led结构111b两者。因而，尽管led结构111a有故障，但更多裸片仍保持操作。因此，电耦合到led结构111a与111b之间的互连件124的第三接触件140在高电压(例如，多结)sst裸片110内提供可接达的电连接。在额外实施例中，sst裸片110可包含两个以上led结构111，且因此可包含多个互连件124，其中对应的第三接触件140提供例如并联耦合的sst裸片110之间的额外交叉连接144。

图3为根据本技术的实施例的形成具有串联耦合的多个结的sst裸片的方法300的流程图。如图3所展示，方法300的初始阶段(方框302)可包含形成发光二极管(led)结构，led结构具有第一侧处的第一半导体材料、与第一侧相对的第二侧处的第二半导体材料，及第一半导体材料与第二半导体材料之间的发光活性区域。方法300的另一阶段(方框304)包含在第一结上形成第一接触件，其中第一接触件电耦合到第一半导体材料。在另一阶段(方框306)中，方法300包含在第二结上形成第二接触件，其中第二接触件电耦合到第二半导体材料。

方法300可包含在第一结与第二结之间形成互连件的又一阶段(方框308)，其中互连件电耦合到第一半导体材料及第二半导体材料。在一些布置中，第一接触件、第二接触件及交叉连接接触件可从led结构的第一侧接达。在又一阶段(方框310)中，方法300包含形成电耦合到互连件的交叉连接接触件。交叉连接接触件可用以在位于第一结与第二结之间的中间点处以阵列形式将sst裸片电耦合到另一裸片。

图4为根据本技术的实施例的具有电交叉连接的sst裸片210的阵列组合件200的示意方框图。如图4所展示，阵列组合件200包含第一端子202、第二端子204，及并联耦合于第一端子202与第二端子204之间的多个sst裸片210。第一端子202及第二端子204经配置以从外部电力供应器(未展示)接收输入电压。

在所说明的实施例中，sst裸片210被布置为彼此并联耦合的单独串，其被个别地识别为206a到d。串206a到d各自被展示为具有单个sst裸片210，每一sst裸片210具有多个led结211(例如，被个别地识别为111a及111b的led结构)；然而，在其它实施例中，sst裸片210可被布置为单个串及/或具有其它合适布置。在其它实施例中，串206a到d中的至少一者可承载一个以上串联sst裸片210。

在某些实施例中，个别sst裸片210具有通过互连件224串联电耦合的两个led结211a、211b。在其它实施例中，个别裸片210可包含通过互连件串联电耦合的两个以上led结211(例如，三个、四个、五个等)。阵列组合件200还包含在串206a到d之间电耦合sst裸片110的互连件224的多个交叉连接244。因而，通过端子202、204所提供的输入电压可流过串206a到d及在所述串之间流动，以提供替代电路径用于改善光输出及较高通量传递。因此，并有sst裸片210或裸片110(图2a到2c所说明)的阵列组合件(例如组合件200)具有克服结故障的预备件，从而提供跨阵列中的个别耦合sst裸片的缩减的偏压变化。而且，阵列组合件200可甚至在结故障之后仍保持处于使用中，从而提供改善的芯片性能及可靠性，由此缩减制造成本。

图5为根据本技术的实施例的形成高电压发光二极管(hvled)的阵列的方法400的流程图。如图5所展示，方法400的初始阶段(方框402)可包含提供第一端子及第二端子，例如用于从外部电力供应器接收输入电压。方法400的另一阶段(方框404)包含将多个hvled耦合于第一端子与第二端子之间。在一些实施例中，至少一对hvled可并联耦合。多个hvled可个别地包含多个结，多个结与每一个别结之间的互连件串联耦合。在一些布置中，个别hvled具有耦合到互连件的交叉连接接触件。

方法400的另一阶段(方框406)可包含在hvled中的至少所述对上的交叉连接接触件之间形成交叉连接。在一些布置中，接合衬垫可耦合到交叉连接接触件，且在接触件之间形成交叉连接可包含在接合衬垫之间进行导线接合。额外阶段(未展示)可包含将第一端子及第二端子电耦合到ac电源或其它电源。

根据前述内容，将了解，已出于说明的目的而在本文中描述本技术的具体实施例，但可在不偏离本揭露内容的情况下作出各种修改。sst裸片110、210及阵列组合件100、200可包含额外组件，及/或本文中描述的组件的不同组合。举例来说，sst裸片110可包含两个以上结，及/或具有一个以上互连件124。在此类布置中，可形成额外的第三接触件140，其在多个结或led结构之间提供额外的中间电接达点。此外，阵列100包含sst裸片110的1x1阵列，且阵列组合件200包含sst裸片210的1x4阵列。在其它实施例中，组合件及阵列可包含不同数目个sst裸片，及/或具有不同形状(例如，矩形、圆形等)。另外，在特定实施例的上下文中描述的本技术的某些方面可在其它实施例中消除。举例来说，介电材料138的配置可经变更以暴露或覆盖半导体材料、接触件或导电线的不同组合。另外，虽然已在所述实施例的上下文中描述与本技术的某些实施例相关的优点，但其它实施例也可展现此类优点，且并非所有实施例一定需要展现此类优点才算属于本发明的范围。因此，本揭露内容及相关技术可涵盖本文中未明确展示或描述的其它实施例。