带有集成保护功能的交直流发光二极管的制作方法

专利名称：带有集成保护功能的交直流发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及交直流半导体发光二极管器件(装置)和灯的设计和实施，该器件和灯由于带有一个或多个集成保护装置而具有高可靠性。在一些具体实施方式
里，交直流发光二极管(AC/DC LED)可直接由一个交流电压驱动(比如100V、110/120V或220/240V线电压，或者6V、12V、18、24V等交流电压)，也可以由一个高直流电压驱动(如12V、48V等直流电压)。这些具体实施方式
可应用在用作指示的低功率LED和用作普通照明的高功率LED中。集成保护元件能够减小电压波动给器件性能及寿命所带来的影响。
背景技术：
常规发光二极管，由于受物理结构上的限制，通常只能工作在很低的直流电压下(取决于所用的半导体材料，大概在1V至5V之间)。

发明内容
在具体的实施方式里，本发明在芯片级上提供了一个集成保护机构，该机构能够限制电压波动对器件电流造成的影响，从而对高压交直流LED具有特别大的保护作用。在某些具体实施例中，保护机构可以被直接集成在交直流LED芯片上，或者可以被集成到交直流LED灯的封装壳内，或者可以被集成在以倒装(覆晶)方式连接的交直流LED器件的基板(submount)上。
在第一个具体实施方式
中，一个限流电阻被单片集成在交直流LED的芯片上。在一个优选的具体实施方式
里，该限流电阻由LED结构的半导体材料或位于LED结构下面的半导体层制得。在另外一个具体实施方式
里，限流电阻通过在LED芯片上沉积具有合适电阻系数的其它材料来制得。
在第二个具体实施方式
中，一个独立的限流电阻芯片以串联的方式与交直流LED芯片一起装配在灯封装壳内。LED灯的封装壳可以是T1、T1-3/4，和其它标准的LED封装，或特制的LED封装，包括交直流LED指示灯和交直流LED照明灯。
在另一个具体实施方式
中，一个交直流LED芯片被倒装在基板上，基板上同时还集成有一个无源保护电路。该无源保护电路可以包括一个电阻，一个电容，一个金属氧化变阻器，一个正温度特性(PTC)热敏电阻，和/或其它电涌保护装置。


图1(a)为现有的交流LED的示意图，该交流LED在本发明的实施例有可能会被用到。
图1(b)、(c)和(d)为本发明采用了单片集成的集总(LUMP)限流电阻的结构示意图。
图1(e)为本发明采用了单片集成的分散(DISTRIBUTED)限流电阻的结构示意图。
图2为本发明一个实施例的LED晶片材料层结构的横截面示意图。
图3(a)为本发明的另一个实施例的横截面示意图，该实施例设有一个由掺杂n-GaN材料制成的单片集成电阻，该电阻通过沉积在芯片上的金属线与LED阵列串连。
图3(b)为本发明的另一个实施例的横截面示意图，该实施例包括一个由掺杂n-GaN材料制成的单片集成电阻，该电阻通过覆晶凸点与LED阵列经设置在基板上的金属线实现串联电连接。
图3(c)为又一个实施例的横截面示意图，在该实施例中，单片集成电阻由掺杂n-GaN材料制成，该电阻通过n-GaN材料与LED阵列串接。
图3(d)为又一个实施例的横截面示意图，该实施例包括一个由掺杂n-GaN材料制成的单片集成电阻，该电阻通过覆晶凸点与LED阵列经基板上的金属线实现电连接。
图3(e)为使用集总限流电阻的实施例的俯视图，其中集总电阻呈之字形。
图3(f)为使用分散限流电阻的实施例的俯视图，其中分散电阻与独立的微型LED一一连接。
图4为使用无掺杂GaN材料制成单片集成电阻的实施例的横截面示意图。
图5为由沉积薄膜材料制成的单片集成电阻的实施例横截面示意图。
图6为限流电阻与交直流LED芯片一起集成于封装壳内的实施例示意图。
图7为限流电阻芯片与交直流LED芯片采用T1-3/4标准封装的实施例示意图，其适用于指示灯。
图8为限流电阻芯片与交直流LED芯片集成于定制的表面封装壳内的实施例示意图，其适用于高功率交流照明灯。
图9为另一可选择的实施例示意图，其保护元件与交直流LED芯片通过基板连接集成在一起。
具体实施例方式
近来，人们已经对传统的LED做出了很多改进。传统的LED只能工作在很低的直流电压下(取决于所用的半导体材料，大概在1V至5V之间)，而这种局限最近已经被克服。例如，本专利申请人拥有的美国专利US6,957,899(该专利的内容被并入本发明中作为参考)公布了一种单芯片的交流LED，它是将许多微型LED以串联的方式集成到一个公用的芯片上，从而构成一个可直接工作在高压交流或直流输入电压下的发光装置。根据所集成的LED的数量，工作电压可以是6V、12V、24V、48V、110V、240V甚至更高的直流电压。更进一步地，由于采用双电流通道，高压发光装置可以直接在100V、110/120V或220/240V交流线电压下工作，也可以直接在6V、12V、18V或24V的交流电压下工作。
高压交直流LED的应用主要有两类。一类是传统的应用，作为信号指示灯，这类应用并不要求LED具备高发光强度。该技术领域已经有了一定的进展。例如本专利申请人持有的美国专利申请11/102,273(该专利的内容被并入本发明中作为参考)公开了基于微型LED(参见美国专利6,410,940)的交直流指示灯。该指示灯将几十到上百个微型LED集成到一个标准LED器件那么大的面积上，并具有与标准LED相似的功率消耗(以下称之为“交流指示LED”)，从而使交流指示LED的芯片可以封装在标准T1、T1-3/4封装壳或其它用作信号指示的LED灯封装壳内。
至于芯片的大小，用作指示灯的LED芯片尺寸在0.2mm*0.2mm到0.5mm*0.5mm之间。更优选地，芯片大小约为0.4mm*0.4mm，以便可以封装在T1-3/4标准封装壳内。相应地，应用于这些指示灯类型的每个微型LED，其尺寸在20微米*20微米至50微米*50微米之间。更有选地，微型LED大小为30微米*30微米。采用其它封装壳的交流LED指示灯尺寸也可同理得出。本领域的技术人员可以认识到，芯片及微型LED的尺寸会由于所选择的具体封装方式和工作电压不同而有所区别，所需要的微型LED数量则由工作电压决定。
高压交直流LED的第二类应用是用于照明和发光，这类应用要求LED能够提供更强的发光强度和具有更高的功率(以下称之为“交流功率LED”)。本专利申请人持有的美国专利申请11/040,445(该专利申请的内容被并入本发明中作为参考)公开了一种交流功率LED通过倒装异质地集成在基板上，基板上还设有用于连接各个微型LED的金属线。在本专利申请人持有的美国专利申请11/144,982(该专利申请的内容被并入本发明中作为参考)里，多个交流功率LED芯片集成到一个基板上以形成一个大面积的交直流发射器，从而为实现照明目的提供高功率和高亮度。
交流功率LED的芯片尺寸由功率级数和线电压决定。由于所有的封装壳都是采用特制方式设计而成的，没有严格的尺寸限制，相应地，用于交流功率LED中的小型LED稍微大一些。这些用于交流功率LED中的单个小型LED的尺寸可大约在0.1mm*0.1mm到0.5mm*0.5mm之间，或甚至更大。在较佳的方案里，1W的交流功率LED阵列的芯片尺寸大约为1mm*1mm。但本领域的技术人员应该认识到，小型LED及芯片的尺寸会因功率设计和电压设计的不同而改变。因此特定的尺寸和小型LED数量，除非有特别说明，否则并不能限制本发明的保护范围。
这类工作在高交流电压下的集成在单一芯片上的交流发光器的发展，给LED在照明、指示及显示领域的应用提供了新的范例。例如，高压交流光发光器可直接由标准120V交流电供电，而不需要使用任何电压变换器。如果交流LED采用标准爱迪生或欧式旋转插头封装，则可直接插入发光灯泡插口内，或插入到灯泡电源输出端上用作发光。
然而，与这些创新相关的问题是公用电网里的交流线电压具有明显的大范围波动。例如在美国和加拿大，通常所谓的120V交流线电压实际上会在108V至132V之间变化。线电压的这种变化，虽然普通照明设备可以承受，但会给新开发的交直流LED带来灾难性的破坏。这是因为当电流流过发光二极管时，一般地会随供电电压以指数方式增大。如果没有合适的电流限制和保护，先前公开的交直流LED的可靠性及寿命将会随线电压的波动明显地降低。
为了克服这些在以前的发明中不可控制的线电压波动所引起的问题，本发明公开一种高压交直流LED器件，其通过集成一个或多个限流保护元件而提高器件的可靠性和寿命。
简单来说，本发明可这样实现将保护元件(如电阻)用一定的方式与交流LED集成在一起，使保护元件在电涌时给LED提供相应的保护，而无需其它额外的过压保护装置。因此，组合了交流LED及保护元件的芯片能够封装在一个封装壳里，以形成一个可以充分地避免过压/过流现象的完全集成的照明器。
有很多具体实施方式
可以实现本发明。虽然在本发明提到的大部分实施例中保护元件为电阻，但能够针对过压和过流现象提供必要保护的其它器件或系统也可以被采用。这些可选项包含在本发明所述的“保护元件”范围内。此外，本发明反复地提到所用的保护元件是“集成的。这里所用的术语“集成”除非有其它特别说明，否则并不是局限说保护元件与发光器件必须集成在一个芯片上。例如，在有些例子里，使用该术语的意思是保护元件与LED器件是集成在同一个芯片上，而在另外一些例子里，使用该术语则是为了表明全部装置作为一个统一的整体集成在一起成为一个器件，例如，保护元件与发光芯片被封装在一起成为一个发光灯。这种集成使交流LED能够被内置于传统封装壳内，且前所未有地取代传统白炽灯发光或其它发光技术，而无需另外提供过压保护电路，因为这里的保护元件被集成在一起了。
在一个实施例里，电阻和交流LED制作在同一块芯片上，从而构成具有保护功能的单片集成交流LED。
在一个单片集成实施例里，电阻与交流LED同时制造，并以制作交流LED的n型半导体为电阻材料。在制造交流LED的过程中，电阻也可以利用构成交流LED的p型半导体材料，交流LED内的无掺杂半导体材料或n型、p型及无掺杂半导体材料的组合来制造。这些集成制作工艺包括使用如下发光材料的LED(i)III-V族氮化物(III-Nitride)半导体；(ii)III-V半导体(如GaAs，InP，AlGaAs，AlGaInP)；(iii)II-VI半导体；(iv)ZnO或SiC；(v)有机半导体；(vi)场致发光聚合物。
作为一种替代方式，电阻也可以不采用制作LED的材料，而是通过外部材料的沉积来形成。例如，电阻的制造不使用制作LED本身的材料，而是使用单独沉积的钽金属氮化物(tantalum nitride)、镍铬铁合金(nichrome)、或其它可用作电阻的材料。在这些情况下，单独沉积的电阻材料可以使用金属线与LED阵列串联连接在同一块芯片上。
在另外一类实施例里，电阻和交流LED芯片通过倒装方式安装到基板上而实现串联连接。该类实施例可以有很多种形式，在一种方式中，电阻构建在交流LED芯片上，而另外一种方式中，电阻构建在基板上并通过基板上的金属线与交流LED串联。另外，电阻、正温度特性(PTC)热敏电阻、变阻器、电容或它们之间的组合都可以包含在这类实施例里。
在另外一个实施例里，电阻和交流LED构建在两块独立的芯片上，然后在LED灯封装壳内用金属线将电阻和交流LED接合在一起形成两者的集成。
作为一种理想但非必须情况，所构建的电阻阻值应该大于1KΩ。然而在较优方案里，电阻阻值应该在10KΩ至30KΩ范围内。很明显，所用的电阻有可能会更大或更小，然而依然属于本发明的范围。
作为指示灯和其它低功率发光应用时，本发明的制作过程能够让使用者制作总尺寸小于0.5mm*0.5mm的交流LED芯片。这样小的芯片能够封装在T1、T1-3/4或其它适于低功率的封装壳内。此外，由于集成保护元件的存在，LED能够正常运作而不会出现电网电压的波动所导致的破坏。
对于高功率发光应用，例如，120V或220V下的商用或家庭照明，本发明的制造过程让使用者制作总尺寸大于0.5mm*0.5mm的交流LED芯片成为可能。这些商用发光设备一般要用更大及更多的LED以产生更多的光，同时消耗相当多的功率。通过这里已经公开了的制作过程，保护元件(如电阻)很容易整合到高功率发光封装壳内，并达到所需的性能而不会由于功率波动的而受到影响。
以下将结合说明书附图对本发明的实施例进一步描述图1(a)为已经被此专利申请人所拥有的一些早期专利公开的无任何保护元件的交流LED。图1(b)、(c)和(d)分别采用不同的实施方案举例说明了本发明，在这些实施方案中，集成保护元件为限流电阻且被集成在交流LED芯片上。这些限流电阻在制作交流LED的同时制成。如图1(b)所示的实施例，在两条交流电通路中的任一条中，阻值为R的电阻与相应的LED阵列以串联方式连接。在较优方案里，所用电阻就是通常说的限流电阻。图1(c)中，一个阻值为R的限流电阻与两条电流支路同时串联。图1(d)中，采用两个阻值为R/2的电阻(R/2+R/2＝R)使器件的设计更便利。需要注意的是，电阻可以设置在器件的任何位置。电阻阻值的选择取决于交直流LED的工作电流、工作电压、封装标准及应用领域。还需要注意的是，本发明的范围并不局限于这里所公开的电阻的阻值及其位置。更进一步地说，使用其他替代方式得到的器件也应该在本发明权利要求书所概括的范围内。例如，在具体的实施例里，除了用集总电阻外，限流电阻也可以由多个阻值较小的分散电阻构成。图1(e)所示的实施例中，采用多个阻值较小的分散电阻分别与交直流LED内的每个独立的微型LED连接。
需要明确的是，上文及下文所述的实施例描述的LED包括白、蓝、绿、黄、红或其他可见光的发光二极管。这些二极管的阵列可以发相同颜色光，也可以发多种颜色混合光。此外，它们也可是发出红外线或紫外线的LED。因此本发明所公开的技术进步并不受限于发光二极管的特定发光类型。
对于采用标准T1、T1-3/4或其它封装壳的交流指示LED灯，典型的额定功率是40mW至120mW，因受限于封装壳的散热能力，最大功率只能达到约150mW。举一个例子，在美国标准线电压是120V交流电，采用标准T1-3/4封装壳的交流指示LED灯最大电流约为1mA(或者说电流不超过1mA)。由于电流流经LED时会随工作电压而呈指数增大，在没有任何限流保护措施情况下，当交流电压漂移至130V时，流经120V额定电压的交流LED指示灯的电流将明显增大，而输入功率将比最大的上限功率高好多，交流LED灯会在很短的时间内因为过热而受损。如有一个阻值为10KΩ至30KΩ的限流电阻与交流LED指示灯串联时，当线电压漂移到130V时，电流就会被限制在1mA以下，从而使得交流LED指示灯的寿命明显延长到与普通直流LED灯相当。
在常规照明应用场合，交流功率LED灯在一个高很多的电流下工作(20mA或更高)，工作电流的大小依赖于封装壳的散热能力。在这种环境下，使用限流电阻以提高装置的寿命显得更为重要。
在后面的描述中，将会列举几个具体实施方式
。在这些具体实施方式
里，用n型半导体、p型半导体、无掺杂半导体、绝缘半导体或它们的组合，或其它材料(包括外部沉积材料)制成电阻，从而实现把限流电阻直接单片集成在LED芯片上。本发明所概括的原理适用于大量的半导体材料。虽然所公开的具体实施方式
都针对基于III-V族氮化物(III-Nitride)半导体(如GaN、InN、AlN及它们的合金AlGaN、InGaN、AlGaInN)的交流指示LED灯或交流功率LED灯的交流发光二极管，但本发明的原理也同样可应用在其它各种半导体装置上。例如，类似的保护装置可以用在基于其它半导体(如III-V半导体，包括GaAs，InP，AlGaAs，AlGaInP，和SiC、ZnO等其它半导体)的交流发光二极管上。各种有机半导体，或有机场致发光材料，或聚合物场致发光材料也可以用在本发明上。因此，本发明所概括的构思并不局限于具体所使用的半导体材料。
如图2，交流发光二极管的制作从外延晶片结构开始。晶片包括一个绝缘的衬底(例如蓝宝石)或一个被沉积的绝缘层覆盖的导电衬底(如Si、SiC或其它衬底材料)11、一个无掺杂的GaN层12、一个掺杂了Si的n型GaN层13、一个多量子阱光活性区域层14、以及p型GaN层15。由于材料固有的性质，无掺杂的GaN层12具有n型导电性，但它的导电性比特意掺杂的GaN层13的要低很多。一般地，层12的电阻系数为0.1至1Ω·cm，而层13的电阻系数则为0.003至0.03Ω·cm。层12与层13结合在一起被称为n-GaN层。众所周知，当在衬底上生长GaN时，首先在低温(约550℃)下于衬底上生长一层很薄的厚度约为25nm的无定形(amorphous)层，然后在高温(大于950℃)下退火形成多晶作为成核层，接下来，在高温环境下生长厚的GaN层(大于2微米)作为缓冲层，其目的是在缓冲层生长增厚的过程中逐步减少缺陷。在该缓冲区上，LED结构的晶片薄膜外延层，包括n型层、多量子阱光活性区域层以及p型层，都可以生长且具有高的晶体质量。这里我们把无定形/多晶体成核层和缓冲区层概括地称为无掺杂GaN层12。
在第一个具体实施方式
里，LED的掺杂n型半导体材料用于制作具有设计阻值的电阻。如图3(a)，晶片首先刻蚀到n-GaN层13上使掺杂n-GaN曝露出来，然后刻蚀到绝缘衬底11上使每一个独立的LED相互隔离。电流扩散层20，p触点19、n触点18均由金属沉积形成。接下来，绝缘材料16沉积在刻蚀侧壁上，然后形成金属线17，由金属线17把多个独立的微型LED串连起来从而构成一个交流LED。为了利用掺杂n-GaN层13单片集成限流电阻，在朝向掺杂n-GaN层13进行的第一次刻蚀时，要控制刻蚀的深度使得掺杂n-GaN层13保留0.5-2微米。在朝向绝缘衬底进行第二次刻蚀时，形成具有一定几何形状的n-GaN带。在两个n触点18沉积在n-GaN带的两末端后，其中一末端连接电源输入端，另外一末端与交流LED的第一个独立的微型LED的p触点连接，从而使一个集总限流电阻R被集成到LED阵列中。采用公知的方法，即可从第一电极31和第二电极32接入电源。集总电阻的阻值取决于所形成的掺杂n-GaN带的几何形状及电阻系数。
电阻的阻值需要调整以满足设计要求。根据下面的公式，控制掺杂n-GaN带的几何形状就可得到所需电阻
R＝ρ·A/L其中，R为电阻，ρ为所用具体材料的电阻系数，A为n-GaN带的横截面积，L为带的长度。对一个横截面为典型矩形的掺杂n-GaN带来说，A＝W·H，其中W、H为横截面的宽、高。因此可见，可以采用对具体器件来说最简便的方式，巧妙地处理横截面积(或宽及高)和长度，使电阻能够单片集成到器件内。在一个具体实施例中，具有典型的0.01Ω·cm电阻系数的掺杂n-GaN被用来制做阻值为10kΩ的电阻。如果厚度(或高度)为1微米，则掺杂n-GaN带的长宽比例应该是100∶1。如果掺杂n-GaN带的宽度为5微米，则它的长度为500微米。这条掺杂n-GaN带可以是直的，也可以是复杂的形状，比如之字形，以便n-GaN带能够限制在紧凑的区域内。一个本领域的技术人员应该知道，大量的其它几何结构都可以被采用而得到同样的结果。尽管图3(c)公示了使用掺杂n-GaN制作电阻，其它替代或补充的材料也可被使用。比如，所用半导体材料可包括结晶的和/或无定形的结构，还可以是包括外延层或缓冲区层的薄膜。除了n型掺杂外，材料也可以是p型掺杂、绝缘掺杂、无掺杂半导体，或者是它们的组合。除了III-V氮化物半导体GaN外，半导体也可以包括不同的III-V氮化物半导体，如InN、AlN及它们的合金AlGaN、InGaN、AlGaInP。此外，III-V半导体包括GaAs、InP、AlGaAs、AlGaInP或其它材料在内的III-V半导体也可被使用。甚至包括ZnO、SiC或者其它半导体材料在内的其它非III-N氮化物或非III-V半导体材料同样也可以使用。这些半导体材料可以是有机半导体或有机场致发光材料。应该知道，在本具体实施方式
或所有其它类似本具体实施方式
里，所采用的具体材料除非有特别说明，否则不能限制本发明的范围。
如图3(b)所示，为图3(a)所示LED的另外一种替换实施方式。申请号为11/040,445的美国专利申请(该专利申请的内容被并入本发明中作为参考)公开了这类倒装(覆晶)装置。具体来说，该申请公开了一种异质集成于基板(submount)上的交流功率LED，并在基板上形成连接独立微型LED的金属线。本发明采用这一技术，在图3(b)中增加了用n-GaN构建的集总电阻R，该电阻通过凸点54及基板上的金属线53将电源端与邻近的单个LED连接。在优选方案里，基板包括覆盖着绝缘材料52的金属基底51。然而，应该知道基板可以根据情况的需要采用很多种形式。例如，基板可以是覆盖着聚合物的铝或铜。基板也可以是基于硅、SiC、AlN或其它材料。采用这种倒装结构，横跨沟槽沉积的电线(如图3(a)里的金属线17)则不再需要。
图3(c)举例说明了另外一个用n-GaN构建集总电阻R的例子。与前述具体实施方式
类似，图3(c)的发光二极管结构包括衬底111、无掺杂GaN层112、n型GaN层113、活性区域层114、p型GaN层115、绝缘材料116、金属线117、n触点118、p触点119、电流扩散层120以及电极131和132。然而在这里电阻R和它邻近的单个LED直接通过掺杂n-GaN层113连接在一起。因此，保护装置R完全由层113延伸扩展而得。因为电阻R是通过n-GaN层113直接连接在电源端的，所以并不需要独立的金属连线。与图3(a)及这里所述的所有其它实施例一样，除非有特别说明，否则采用的材料不能认为是对本发明保护范围的限制。虽然这里采用了掺杂n-GaN层，但这里也可以采用如上一个实施例所述的其他材料，且一样在本发明的范围内。
如图3(d)所示为一个倒装(覆晶)结构的实施例，集总电阻R(包括延伸的n型GaN层113)和每一个独立的微型LED通过凸点154及基板上的金属线153电连接至电源端及相邻的单个微型LED。在优选方案里，基板是覆盖着绝缘材料152的金属基层151。但正如上文所讨论的，其它基板也可使用。
图3(e)为图3(c)的俯视图，其中延伸的n型GaN层113被刻蚀成之字形。之字形增大了电传输通过n-GaN层113的距离。因此，之字形将节点132和电流扩散层120之间的电阻增大到满足设计要求。层113的形状可以选用其它形状刻蚀，如蜿蜒的，笔直的，取决于电阻系数和其它需要满足的电学设计要求。
与图3(e)相比，图3(f)列举了另外一个例子，限流电阻由多个分散电阻组成，而不再是单个集总电阻R。图3(e)所示实施例，与前面实施例相似，包括衬底311、无掺杂GaN层、n型GaN层313、活性区域层、p型GaN层、绝缘材料316、金属线317、n触点318、p触点319、电流扩散层320以及电极331和332。然而与图3(e)所不同的是，在图3(f)所示的具体实施方式
中，交流发光二极管的每一个独立的微型LED都与一个由n型GaN层313构成的小电阻r连接，所有这些小电阻的总和与设计要求的电阻阻值相等。这样，分散电阻的总和与集总电阻R(见图3(e))相等。
在另外一个可供选择的实施例里(这里没有用图表示出来)，LED的掺杂p型半导体材料用于制作单片集成电阻，如同n型GaN层113。P型GaN带115在第一次刻蚀时(向n-GaN层进行刻蚀时)就设计成具有一定的几何形状。为实现这种结构，两个p-GaN触点形成于p-GaN带的两端，而侧壁采用绝缘材料隔离。例如图4中的绝缘材料416。限流电阻的一端与电源输入端连接，另外一端与发光二极管阵列中的第一个独立的发光二极管连接，从而使限流电阻集成到发光二极管阵列中。电阻的阻值取决于制得的p-GaN的几何形状及电阻系数。例如p-GaN具有典型的2Ω·cm电阻系数，且厚0.25微米，为了得到阻值为10kΩ的电阻，p-GaN带的长宽比例应该为1∶8。应该认识到的是，当采用n型半导体上面的掺杂p型半导体制作电阻时，电阻上的电压具有极值，极值电压的大小取决于半导体p-n结的击穿电压。与上文所讨论的由n型GaN材料(如层113)外延扩展而成的电阻一样，掺杂p型材料(如层115)也可以外延扩展而形成所需电阻。
在图4公开的另外一个具体实施方式
里，LED的无掺杂半导体材料用于制作单片集成的电阻。与之前的具体实施方式
类似，图4所示装置包括衬底411、无掺杂GaN层412、n型GaN层413、活性区域层414、p型GaN层415、绝缘材料416、金属线417、n触点418、p触点419、电流扩散层420、电极431及432。电阻的制作需要再多一个刻蚀步骤，即如图所示，刻蚀无掺杂GaN层412。在两个n触点418沉积到GaN带的两端后，电阻的一端与电源输入端431连接，另外一端与交流发光二极管阵列中的第一个独立的微型发光二极管连接，从而使电阻以串联方式接入到微型发光二极管阵列中(如图4)。电阻的阻值取决于无掺杂GaN带的几何形状及其电阻系数。例如，无掺杂GaN具有典型的0.5Ω·cm电阻系数，且其厚度为1微米，为了得到一个10kΩ的电阻，无掺杂GaN带的长宽比应该为1∶2。限流电阻也可采用其它非矩形的几何形状，且仍然属于本发明的范围内。应该指出的是，在这里我们采用构成LED装置的材料(n层、p层、无掺杂层等)在交直流发光二极管芯片上制造出单片集成电阻；采用同样的方法，利用构成半导体器件本身的材料，也可将电阻单片集成到其它半导体器件中，例如三极管、激光二极管、探测器等。此外，采用这种方法也可制作其它单一集成无源元件，如电感、电容。
图5为另外一个具体实施方式
。与之前所述实施例类似，图5所示的具体实施方式
也包括衬底511、无掺杂GaN层512、n型GaN层513、活性区域层514、p型GaN层515、绝缘材料516、金属线517、n触点518、p触点519、电流扩散层520、电极531及532。然而本实施例还包括一个单独沉积的限流电阻525，该电阻由沉积的材料形成。这些材料的沉积是在刻蚀到绝缘衬底后进行的。在刻蚀后，特定材料(优选钽氮化物TaNx或镍铬铁合金Nichrome)的薄膜以几十到几百纳米的厚度沉积形成一定的几何形状，从而得到所需阻值。本领域技术人员应该知道，也可以使用其它电阻薄膜材料，而这仍然属于本发明的范围内。TaNx或镍铬铁合金形成的薄片电阻每平方毫微米为5Ω至250Ω，能够满足限流电阻的需求。当电阻两端的导电连接形成后，为了稳定电阻的阻值，电导材料要在含氧环境下高温退火。需要注意的是，电导材料也可以沉积在导电衬底上的绝缘层上。
如图6所示，在另外一个方式中，一个独立于交流发光二极管芯片的电阻604与交流发光二极管芯片602集成在一起，并一起被内置于封装壳600内。封装壳600可以是T1、T1-3/4或其它标准的，也可以是定制的LED封装壳，包括表面贴型封装壳。封装好的交流LED可以配置成满足低功率要求的指示灯，或高功率的普通照明灯。
图7显示了另外一个例子，该例子把本发明的原理应用到在标准T1-3/4封装壳，而该封装壳可用作指示灯领域。在此，封装壳700可适当调整以便放置独立的裸体晶片电阻704，该电阻704通过连结金属线712与交流发光二极管芯片702电连接。本领域技术人员应该认识到，标准封装壳700包括穹顶形的环氧化物透镜706、管脚708以及反射镜杯710。裸体晶片电阻704具有一个适当的阻值从而保护交流发光二极管芯片702免受损坏。在此，晶片电阻704通过银浆或其它焊接剂安装在封装壳的一个管脚上，通过其底部的触点与该管脚电连接；而交流发光二极管芯片安装在反射镜杯710中。利用金属线，交流发光二极管的一个电极连到封装壳的另外一个管脚上，而交流发光二极管另外一个电极连到电阻704顶部的触点，从而使该电阻与交流发光二极管芯片702串联。裸体晶片电阻704的优选尺寸是20mil*20mil，也可以更小。例如，来自Vishay Electro-Films公司的薄膜背面接触式电阻(BCR)尺寸就为20mil*20mil。这个尺寸使电阻704很容易安置在紧凑的封装壳里。
图8展示了另外一个例子，它是针对具有较大尺寸的交流功率LED芯片安置在封装壳800里。这是普通的表面封装壳。一个具有适当阻值的裸体晶片电阻804，通过银浆或其他焊接剂安装在封装壳的一个管脚808上，并且通过电阻的底部触点与该管脚电连接。交流发光二极管芯片802通过粘贴材料或焊接剂816安装在底部金属块814上，位于绝缘壁810之间，密封于外壳806内。通过连接金属线812，交流发光二极管的一个电极连接到封装壳的一个管脚上，另外一个电极连接到晶片电阻804的顶端触点上，从而使得电阻804与交流发光二极管芯片串联连接。需要注意的是，采用图8所示结构的交流发光二极管芯片可以是裸露的芯片，也可以是集成了交流发光二极管芯片和基板的覆晶芯片。
在图9所公开的另外一个具体结构900里，交流发光二极管芯片906以倒装的形式安置在基板902上(见图3(b)，其描述了倒装(覆晶)结构的实现方式)，然后保护电路和元件被集成到同一个基板902上。这种结构使集成更为复杂的保护电路成为可能。例如，变阻器908可以集成到基板上，使得它与交流电源输入端连接。当电源过压或电压尖峰信号出现时，变阻器的阻值迅速减小，产生一个即时分流支路保护交流发光二极管。在所公开的优先方案里，金属氧化变阻器(MOV)是优选的变阻器。但其它器件也能够被包括进去以达到同样的目的，这仍然属于本发明的范围。
其它的结构也可以集成到已经描述的物理结构内。例如，在图9中，904表示的是一个直接安置在基板上的微型表贴电阻，该电阻可以用正温度特性(PTC)热敏电阻代替。
在正常工作情况下，PTC热敏电阻904处于一个低电阻状态。当过流现象发生时，温度升高引起PTC热敏电阻904转换到高电阻状态，从而使通过LED的电流限制在一个正常的运行水平。当强电流状态消失后，PTC热敏电阻复位到低电阻状态，允许正常运行电流流经LED装置。需要声明的是，这些比较复杂的构造并不排除采用较简单的结构，例如，当采用上文讨论到的倒装技术时，基本的电阻元件可以安装在基板上，从而实现图1(b)-(e)所示的结构功能，只是在这里发光芯片也要安置在基板上。
除了提及的无源元件可提供保护措施外，裸露于芯片外的、能够稳定电压或限制电流的硅集成电路(IC)也可以集成到基板上对LED装置进行保护。
同样需要注意的是，上文公开的保护装置也可用于连接在线路板上的交直流发光二极管。
通过上述详细地描述本发明，本领域技术人员应意识到，根据本发明公开的内容所作的修改仍然没有脱离本发明的精神。需要明白的是，本发明并不局限于解释和描述时采用的具体实施方式
，除非这些限制包括在下列权利要求书中。
权利要求
1.一种照明装置，其特征在于包括一个或多个LED器件，集成于一块芯片上；以及一个集成保护元件与所述一个或多个LED器件连接；所述元件用于防止照明装置出现过压或过流现象。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述元件为电阻。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述芯片包含一种半导体材料；而所述保护元件由所述芯片上该种半导体材料制成。
4.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于所述半导体材料包括一种n型半导体材料。
5.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于所述半导体材料包括一种p型半导体材料。
6.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于所述半导体材料包括无掺杂半导体材料。
7.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于所述半导体材料由下列两种或两种以上材料组成(i)一种n型半导体材料，(ii)一种p型半导体材料，(iii)一种无掺杂半导体材料。
8.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于所述半导体材料包括下列材料之一(i)III-N氮化物材料GaN，InN，AlN，以及它们的合金AlGaN，InGaN，AlInN，AlGaInN；(ii)III-V材料GaAs，InP，AlGaAs，AlGaInP；(iii)ZnO，SiC；(iv)有机半导体；(v)有机电致发光材料；(vii)聚合物电致发光材料。
9.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述一个或多个LED器件中的一个单独的LED的半导体材料层外延扩展形成所述集成保护元件。
10.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述集成保护元件由在所述芯片上另外沉积的材料组成。
11.根据权利要求10所述的照明装置，其特征在于所述集成保护元件包含钽金属氮化物或镍铬铁合金材料制成。
12.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述一个或多个LED器件包含多个串联连接的LED。
13.根据权利要求12所述的照明装置，其特征在于所述集成保护元件有复数个，每一保护元件插入连接在两个LED之间；所述复数个集成保护元件的全部电阻组合能避免所述复数个LED器件的电流过大。
14.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述芯片倒装粘贴在基板上。
15.根据权利要求14所述的照明装置，其特征在于所述集成保护元件和所述一个或多个LED器件，通过基板上的导电装置连接。
16.根据权利要求14所述的照明装置，其特征在于所述保护元件为一个电阻，或一个正温度系数(PTC)热敏电阻，或一个变阻器，或一个电容器。
17.根据权利要求14所述的照明装置，其特征在于所述保护元件为一个集成电路芯片，该集成电路芯片构建或粘贴在基板上。
18.根据权利要求14所述的照明装置，其特征在于所述保护元件安置在所述基板上。
19.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述芯片和所述元件可以包含在一个普通封装壳内。
20.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述芯片尺寸小于0.5mm*0.5mm，且与所述保护元件一起集成在一个标准封装壳内用作指示灯。
21.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述装置工作电压为100V交流电，或120V交流电，或220V交流电。
22.一种照明装置，其特征在于包括一个LED阵列，包括一个或多个电连接的LED器件，且内置于一个封装壳内；以及一个集成于封装壳内的保护元件，所述保护元件与一个或多个LED器件电连接，使一个或多个LED器件避免出现过压或过流现象。
23.根据权利要求22所述的照明装置，其特征在于所述保护元件为一个裸露的电阻芯片，该电阻芯片通过导电元件，电连接在所述一个或多个串联的LED器件与封装壳的一个电极之间。
24.根据权利要求22所述的照明装置，其特征在于所述保护元件为安置在所述电极上的薄膜电阻；所述导电元件为连接到在所述薄膜电阻顶端面的金属线。
25.一种制作LED器件的方法，该LED器件可在交变电压下使用，其特征在于包括以下步骤a)在一个芯片上制作包含一个或多个LED的一个或多个LED阵列器件；b)在所述芯片上建立两条电流支路，以适应所述交变电源；c)将保护元件集成到所述器件上；d)将所述保护元件与所述一个或多个LED阵列器件电连接；e)让所述保护元件具有一个电阻值，使保护元件足以防止LED装置出现过压或过流现象。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于还包括以下步骤a)将所述器件放置于封装壳内；b)将所述元件集成到所述封装壳内，以完成集成步骤。
27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于还包括以下步骤将所述元件单片地集成到所述芯片上，以完成集成步骤。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于还包括以下步骤在所述芯片的电流通道上，制造该半导体材料的一个附加部分，以构建所述保护元件。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于还包括所述附加部分产生的阻值为所述半导体材料的电阻系数乘以所述附加部分的横截面积，再除以所述附加部分的长度。
全文摘要
本发明公开了一种带集成保护功能的二极管照明装置，包括一个或多个LED器件，集成于一块芯片上，以及一个集成保护元件与所述一个或多个LED器件连接。集成保护元件用于防止照明装置出现过压或过流现象，从而使照明装置具有高可靠性。本发明的照明装置可应用在用作指示的低功率LED和用作普通照明的高功率LED中。
文档编号H02H9/00GK101072464SQ200710104968
公开日2007年11月14日 申请日期2007年5月10日 优先权日2006年10月6日
发明者范朝阳, 李景, 林景瑜, 江红星 申请人:范朝阳, 李景, 林景瑜, 江红星