发光二极管的驱动器与相关的照明系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种发光二极管的驱动器与相关的照明系统。实施例公开了一种驱动器，用以驱动一发光元件，包含有一整流电路以及一电流驱动电路。该整流电路包含有至少一整流二极管，电连接至一交流输入电源，用以产生一直流电源，跨于一直流电源线与一接地线之间。该电流驱动电路包含有至少一恒定电流源。该恒定电流源与该发光元件串接于该直流电源线与该接地线之间。该恒定电流源可提供一恒定电流，驱动该发光元件。该整流二极管与该恒定电流源，共同形成于一单一半导体芯片上。
【专利说明】
发光二极管的驱动器与相关的照明系统
技术领域
[0001]本发明涉及驱动发光二极管的驱动器与相关的照明系统，尤其涉及一种具有简单架构的驱动器与照明系统。
【背景技术】
[0002]近年来，因为良好的电光转换效率以及较小的产品体积，发光二极管(Iight-emitting d1de)已经渐渐地取代阴极灯管或是钨丝，作为背光或是照明系统的光源。只是，因为发光二极管的电压电流特性(约3伏特，直流电驱动)，一般市电的交流输入电源无法直接驱动发光二极管，而是需要一电源转换器，将交流输入电源转换成适当的直流电源。
[0003]照明用电往往占用市电供电非常大的部分。因此针对照明所用的电源转换器，法规上除了要求有非常低的转换损失之外，还必须提供有良好的功率因数(功率因数介于O到I之间)。一电子装置的功率因数越靠近I，表示该电子装置越接近电阻式负载。
[0004]图1为公知的照明系统10，其中有桥式整流器12、功率因数校正器(powerfactorcorrector) 14、LED驱动电路16、以及一LED 18。功率因数校正器14可以是一个升压电路(booster)，LED驱动电路16可以是一降压电路(buck converter)。但是，如升压电路或是降压电路般的切换式电源转换器，不但需要用到体积庞大且昂贵的电感元件，整个系统架构也需要使用非常多的电子零件。因此，采用切换式电源转换器的照明系统，因其生产成本高昂比较没有市场竞争力。
【发明内容】
[0005]实施例公开了一种驱动器，用以驱动一发光元件，包含有一整流电路以及一电流驱动电路。整流电路包含一整流二极管，电连接至一交流输入电源，用以产生一直流电源，跨于一直流电源线与一接地线之间。电流驱动电路包含一恒定电流源。该恒定电流源与该发光元件串接于直流电源线与接地线之间。该恒定电流源可提供一恒定电流，驱动该发光元件。整流二极管与恒定电流源，共同形成于一单一半导体芯片上。
【附图说明】
[0006]图1为公知的照明系统。
[0007]图2显示一依据本发明一实施例的LED驱动器。
[0008]图3显示三个电压波形。
[0009]图4A显示一半导体芯片上的一金属层的图案。
[0010]图4B显示将图4A的半导体芯片封装后的一集成电路示意图。
[0011]图5显示图4A中的HEMT Tl沿着线ST-ST的剖面图。
[0012]图6显示图4A中的二极管DVF3沿着线SD-SD的剖面图。
[0013]图7显示依据本发明一实施例的一照明系统。
[0014]图8显示依据本发明另一实施例的LED驱动器。
[0015]图9A显示另一半导体芯片上的一金属层的图案。
[0016]图9B显示将图9A的半导体芯片封装后的一集成电路示意图。
[0017]图10显示依据本发明另一实施例的一照明系统。
[0018]图11显示LED与额外的一稳压电容相并联的电路图。
[0019]图12显示另一半导体芯片上的一金属层的图案。
[0020]图13显示图4A中的二极管DVF3沿着线SD-SD的依据另一种实施例的芯片剖面图。
[0021]图14显示可以用来制作图13中的二极管的流程图。
[0022]图15显示依据本发明一实施例的金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)与HEMT中IDS对VDS关系。
[0023]图16显示依据本发明另一实施例的LED驱动器。
[0024]图17显示依据本发明一实施例的一半导体芯片上的一金属层的图案。
[0025]图18显示将图17的半导体芯片封装后的一集成电路。
[0026]图19显示采用图18中的集成电路实现的一照明系统。
[0027]图20显示依据本发明一实施例的一LED驱动器的电路设计。
[0028]图21显示依据本发明又一实施例的一LED驱动器，具有多个LED。
[0029]图22显示依据本发明一实施例的一二极管芯片的剖面图。
[0030]图23显示依据本发明另一实施例的LED驱动器。
[0031]图24显示了一桥式整流器。
[0032]图25举例显示一半导体芯片，其可以实现图24中的桥式整流器。
[0033]图26A、26B 与 26C 显示半导体芯片 808沿着线 CSV1-CSV1、CSV2-CSV2 与 CSV3-CSV3 的芯片剖面图。
[0034]图27显示了另一桥式整流器。
[0035]图28举例显示一半导体芯片，其可以实现图27中的桥式整流器。
[0036]图29A显示在一半导体芯片上的一增强型HEMT ME与一耗尽型的HEMT MD。
[0037]图29B则显示图29A中HEMT MD与ME之间的电连接。
[0038]图30则显示图29A中，沿着线CSV4-CSV4的芯片剖面图。
[0039]图31显示依据本发明一实施例的一LED驱动器。
[0040]图32显示了图31中的交流输入电源VAC-1N的电压波形以及流经桥式整流器844的一电流波形。
[0041]图33显示了具有正温度系数的一热敏电阻的一LED驱动器。
[0042]图34显示了具有负温度系数的一热敏电阻的一LED驱动器。
[0043]图35显示了具有热敏电阻的另一LED驱动器。
[0044]附图标记列表
[0045]10照明系统12桥式整流器
[0046]14功率因数校正器16 LED驱动电路
[0047]18、18B、18R LED19 稳压电容
[0048]60 LED驱动器62桥式整流器
[0049]64填谷电路66电流驱动电路
[0050]67虚线72、74、76电压波形[0051 ]80半导体芯片92硅基底
[0052]94缓冲层95、95a平台区
[0053]96通道层98高价带间隙层
[0054]100盖层102金属层
[0055]102a、102b、102c、102d、102e金属片
[0056]103绝缘层104金属层
[0057]104a、104b、104c、104d、104e、104f、104g、104h 金属片
[0058]105保护层120 二极管符号
[0059]130 集成电路140、142、144、146、148 步骤
[0060]150、152 曲线170 调整区[0061 ]200照明系统300 LED驱动器
[0062]302电流驱动电路330照明系统
[0063]500 LED驱动器502桥式整流器
[0064]504 电流驱动电路518、5181、5182、5183 LED
[0065]5201、5202、5203、5204 LED段
[0066]550半导体芯片552集成电路
[0067]560照明系统600 LED驱动器
[0068]700 LED驱动器800 LED驱动器
[0069]802双向可控硅调光器806桥式整流器
[0070]808半导体芯片810桥式整流器
[0071]812半导体芯片840 LED驱动器
[0072]848 LED850 电阻
[0073]852肖特基二极管900 LED驱动器
[0074]902,906热敏电阻910 LED驱动器
[0075]AC+,AC-交流输入引脚AC1、AC2交流电源线
[0076]ARMUARM2 上臂ART、ARB 上下两臂
[0077]C1、C2、CF 电容CCl、CC2、CC3、CC4 电流开关
[0078]DB1-DB4 整流二极管DVF1-DVF3 二极管
[0079]D端点D1、D2驱动引脚
[0080]GD、GE栅极GND接地线
[0081 ]GG栅区域IC1、IC2分段电路
[0082]ME、MD HEMTPFUPF2 校正引脚
[0083]S端点S1、S2驱动引脚
[0084]SBD1、SBD2、SBD3、SBD4肖特基二极管
[0085]T1、T2、T3、T4 HEMTΤ5、Τ6、Τ7、Τ8 耗尽型HEMT
[0086]ΤΡ1、ΤΡ2、ΤΡ3时段VAC-1N交流输入电源
[0087]VCC高电压引脚VDC-1N直流电源
[0088]VDD直流电源线VPEAK电压峰值
[0089]VSS低电压引脚
【具体实施方式】
[0090]在本说明书中，相同的符号除另有说明外通常表示具有相同或是类似的结构、功能、原理的元件，且为本领域技术人员可以依据本说明书的教导而推知。为说明书的简洁度考虑，相同的符号的元件将不再重述。
[0091]在本发明的一实施例中，整个LED照明系统具有简洁的电路设计，主要元件仅有封装有一单一半导体芯片(chip)的一集成电路、两个电容、以及当作光源的一 LED。实施例中的LED照明系统可以不需要连接额外的电感元件。因此，LED照明系统的电路成本将会相当的低。此外，实施例中的LED照明系统也提供了相当优良的功率因数，可以符合大多数规范的要求。
[0092]图2显示一依据本发明一实施例的LED驱动器60，其可用来驱动LED181ED18可以是一高压LED，由许多微型LED(micro LED)串连在一起所构成。举例来说，在一个实施例中，每个微型LED的正向电压约3.4伏特，而LED 18由10多个微LED串联而成，其等效正向电压(forward voItageMtSOV0
[0093]LED驱动器60大致有三级。连接到交流输入电源VAC-1N的第一级是桥式整流器62。第二级是填谷电路(valley-fill circuit)64，作为一功率因数校正器，可以改善整个LED驱动器60的功率因数。第三级有两个高电子迀移率场效晶体管(high electron mobilitytransistor;HEMT)T1与T2，作为电流驱动电路66JEMT Tl与Τ2可以各自作为一恒定电流源使用或是并联后作为一可以提供更大电流数值的恒定电流源。以HEMT Tl为例，当其漏源电压(drain-to-source voltage，VDS)足够大时，漏源电流(drain-to-source current，IDS)，也就是从漏极流到源极的电流，将大约是一常数，几乎不随VDS而变化，HEMT Tl大致提供一恒定电流，用以驱动LED 18。
[0094]桥式整流器62包含有四个整流二极管DB1-DB4。以下将说明，这四个整流二极管可以都是肖特基二极管(Schottky Barrier D1de; SBD)。桥式整流器62将交流输入电源VAC-1N整流，用以产生直流电源VDC-1N，跨于直流电源线VDD与接地线GND之间。举例来说，交流输入电源VAC-1N可以是一般市电所提供的110VAC或是220VAC。
[0095]填谷电路64电连接于直流电源线VDD与接地线GND之间，包含有三个二极管DVFl-DVF3与电容Cl、C2。二极管DVF1-DVF3逆向串接于直流电源线VDD与接地线GND之间。在此实施例中，电容Cl与C2的电容值大约相等，但本发明不限于此。理论上，电容Cl与C2的电容电压VCl与VC2大约可以被充电到直流电源VDC-1N的电压峰值VPEAK的一半(0.5*VPEAK)。而当交流输入电源VAC-1N的电压绝对值低于0.5*VPEAK时，电容Cl与C2可以对直流电源线VDD与接地线GND放电。只要电容Cl与C2够大，填谷电路64可以使直流电源VDC-1N的最小值电压大约等于0.5VPEAK，提供足够的电压使LED 18持续发光。
[0096]HEMT Tl与T2都是耗尽型(deplet1n mode)晶体管，意味着他们的临界电压(threshold voltage，VTH)都是负值。每个HEMT都具有一栅极(gate)以及二通道极，而这二通道极一般又称为源极(source)与漏极(drain)。每个HEMT Tl与T2的栅极(gate)与源极(source)相互短路。以HEMT Tl为例，当其漏源电压(drain-to-source voltage，VDS)足够大时，漏源电流(drain-to-source current，IDS)，也就是从漏极流到源极的电流，将大约是一常数，几乎与VDS无关。所以，不论HEMT Tl或T2，都可以大约当作一恒定电流源，提供稳定的一恒定电流来驱动LED 18 JiLED 18的发光强度维持一定，不会有闪烁问题。在图2中，HEMT Tl驱动LED 18，两者一起作为负载(load)，串接在直流电源线VDD与接地线GND之间。图2以虚线67连接了HEMT T2与LED 18，表示HEMT T2可以选择性地联合HEMT Tl —同驱动LED 18，稍后将详细说明。
[0097 ]图3显不交流输入电源Vac-1n的电压波形72、没有填谷电路64时的直流电源Vdoin的电压波形74、以及有填谷电路64时的直流电源VDC-1N的电压波形76。举例来说，交流输入电源Vac-1n是220VAC，为一正弦波，如同图3所示。电压波形74表示没有填谷电路64时的虚拟结果。如果没有填谷电路64，桥式整流器62将提供简单的全波整流，所以会将电压波形72中电压值为负的部分，转变成正，如同电压波形74所示。填谷电路64会将电压波形74中的波谷填入，或是使电压波形74中的波谷不再那么的深，如同电压波形76所示。为了叙述上的方便，以下的说明有时将采用电压波形74来讲解事件发生的时序。举例来说，电压波形74到达波峰时，代表电压波形72(交流输入电源VAC-1N)到达波峰或是波谷时。
[0098]时段TPl从电压波形74大于等于电压波形76开始，直到电压波形74随时间上升直至峰值VPEAK结束。在时段TPl中，LED 18发光的电能将直接来自交流输入电源VAC-1N，所以电压波形76等于电压波形74。此时，一旦直流电源VDC-1N的电压大于电容电压VCl与VC2两者的和，电容Cl与C2将会被交流输入电源VAC-1N所充电。当电压波形74达峰值VPEAK时，电容电压VCl与VC2大约都会是0.5VPEAK。
[0099]时段TP2从电压波形74由达到峰值VPEAK开始，直到电压波形74下降至一半峰值(1/2VPEAK)为止。在时段TP2中，电压波形74随时间开始下降，而LED 18发光的电能将直接来自交流输入电源VAC-1N，所以电压波形76等于电压波形74。因为电容Cl与C2没有充放电，电容电压VCl与VC2都将维持在0.5VPEAK。
[0100]时段TP3从电压波形74低于0.5VPEAK后开始，大约就是电压波形74的波谷出现的时间。在时段TP3内，电容Cl会通过二极管DVF3放电，来供电给HEMT Tl与LED 18。类似地，电容C2会通过二极管DVFl放电，一样供电给HEMT Tl与LED 18。电容电压VCl与VC2将随着时间降低，降低的速度视电容Cl与C2的电容值而定。时段TP3终止于电压波形74从波谷反弹后而高于电容电压VCl或VC2时。之后由另一个时段TPl接续。如同图3的电压波形76所示，只要电容Cl与C2够大，直流电源VDC-1N就可能提供足够的电压使LED 18持续发光。
[0101]只要电容Cl与C2够大，填谷电路64所达到的功率因数，可以符合大多数国家的功率因数要求。
[0102]在一实施例中，图2中的整流二极管DB1-DB4、二极管DVF1-DVF3、以及HEMT Tl与T2，都共同形成于一单一半导体芯片上。图4A显示一半导体芯片80上的一金属层104的图案，并标示图2中的二极管与HEMT在半导体芯片80上的相对位置。半导体芯片80可以是一以氮化镓为导通通道材料(GaN-based)的单片微波集成电路(monolithic microwaveintegrated circuit ；MMIC)。在图4A中，每个二极管的元件结构大约都相类似，都是一肖特基二极管，而HEMT Tl与T2的元件结构也相类似。图5显示了，图4A中的HEMT Tl沿着线ST-ST的芯片剖面图；图6显示了，图4A中的二极管DVF3沿着线SD-SD的芯片剖面图。图中其他的二极管与HEMT的元件结构可以类推而得知。
[0103]图5的例子中，硅基底92上的缓冲层94可以是掺杂有碳(C-doped)的本征(intrinsic )GaN。通道层96可以是本征(intrinsic )GaN，其上形成有一高价带间隙(high-bandgap)层98，其材料可为本征的AlGaN。盖层100可以是本征GaN。盖层100、高价带间隙层98与通道层96被图案化而成为一平台区95(mesa)。二维电子云(2D_electron gas)可以形成于通道层96内邻接于高价带间隙层98的量子阱(quantum well)，作为导电通道。图案化(patterned)的金属层102的材料可以是钛、铝或是这两种材料的迭层。在图5中，金属层102在平台区95的上方形成两个金属片(metal strips) 102a、102b，分别跟平台区95形成两个欧姆接触(ohmic contact)，使得金属片102a、102b分别作为HEMT Tl的源极与漏极。金属层104的材料可以是钛、金或是这两种材料的迭层。举例来说，由下而上，金属层104有一镍层(Ni)、一铜层(Cu)以及一铂层(Pt)，其中铂层可以增加稍后形成的护层105彼此之间的粘着度(adhes1n)，防止在焊垫过程时产生剥离的问题。在其他实施例中，金属层104也可以是镍层(Ni)、金层(Au)以及铂层(Pt)的迭层，或者镍层(Ni)、金层(Au)以及钛层(Ti)的迭层。在图5中，图案化的金属层104形成了金属片104a、104b与104c。金属片104b接触了平台区95的中央上方，形成一肖特基接触(schottky contact) JtSHEMT Tl的栅极。图5中的104a与104c分别接触了 1 2a、1 2b，提供HEMT TI的源极与漏极到其他电子元件的电性连接。请同时参考图5与图4A，可以发现HEMT Tl的栅极(金属片104b)，通过金属层104，短路到金属片104a，也短路到HEMT Tl的源极。图5的右部分则显示了HEMT Tl的等效电路图。金属层104上方有保护层105，其材料可以是氮氧化娃(siI icon oxinitride，S1N)。保护层105被图案化，用来形成封装时所需要的焊垫(bonding pad)。举例来说，图5中，左半边保护层105没有盖住的部分，可以焊接至低电压引脚VSS(稍后将解释)的焊线(bonding wire);而右半边保护层105没有盖住的部分，可以焊接至驱动引脚Dl(稍后将解释)的焊线。
[0104]为简洁的缘故，图6与图5相同或类似的部分不再累述。图6中，金属层102在平台区95的上方形成两个金属片102c、102d，图案化的金属层104则形成了金属片104d、104e与104f。与图5相类似，金属片104e可作为一 HEMT的栅极。虽然金属片102d可以作为一 HEMT的一源极，但金属片102d上没有接触到金属层104。在另一实施例中，金属片102d可以省略而不形成。金属片104f接触平台区95的一部分上表面与一侧壁，形成另一个肖特基接触，可以作为一肖特基二极管，其阴极等效上短路到图6的HEMT的源极。请同时参考图6与图4A。金属片104e，通过金属层104，短路到金属片104f，其为肖特基二极管的阳极。图6的右部分显示了左半部的等效电路连接图，电路行为上等效为一个二极管。图6的右部分同时显示一特别的二极管符号120，来代表图6中的等效电路。二极管符号120也使用于图2中，表示整流二极管DB1-DB4与二极管DVF1-DVF3，每个都是由一 HEMT与一肖特基二极管所复合而成的二极管。
[0105]图4B显示将半导体芯片80封装后的一集成电路130，其只有8个引脚(pin)，分别是:高电压引脚VCC、校正引脚PFI与PF2、低电压引脚VSS、交流输入弓I脚AC+与AC-、驱动引脚Dl与D2。请参阅图4A，其中也显示了每个引脚，通过焊线(bonding wire)，电性短路到由金属层104图案化后所形成的金属片，而这些金属片也提供了半导体芯片80中电子元件相对应的输入或输出端点相互连接。举例来说，驱动引脚Dl电连接到HEMT Tl的漏极，校正引脚PFl电连接到二极管DVF3的阴极。
[0106]图7显示依据本发明所实施的一照明系统200。集成电路130固定在印刷电路板202上。通过印刷电路板202上的金属线，电容Cl电连接于高电压引脚VCC与校正引脚PFl之间，电容C2电连接于低电压引脚VSS与校正引脚PF2之间，LED 18电连接于高电压引脚VCC与驱动引脚Dl之间，交流输入引脚AC+与AC-电连接到交流输入电源VAC-1N。通过先前的解说可以了解，图7的照明系统200很简洁，仅仅用了 4个电子零件(两个电容Cl与C2、集成电路130与LED 18)，就实现了图2中的LED驱动器60。没有昂贵且体积庞大的电感元件，照明系统200成本得以降低，且整个产品体积也可以缩小。
[0107]图7中，集成电路130的驱动引脚D2(电连接到HEMT T2的漏极)，可以视交流输入电源VAC-1N的交流电压不同，而决定是否电连接至LED18。换言之，集成电路130可以选择性地用单单一个HEMT(Tl)，或是用两个HEMT(T1与T2)并联来驱动LED 18发光。举例来说，假定集成电路130中的HEMT Tl与T2元件大小都一样，分别可提供大约一样的Iu单位恒定电流。当图7的照明系统200运用于交流输入电源VAC-1N为110 VAC时，可以选用正向电压(forwardvoltage)为50V的LED作为LED 18，并且连接驱动引脚Dl以及D2—起到LED 18, LED 18此时所消耗的功率约2u*50 ( = 10u)。而当图7的照明系统200运用于交流输入电源VAC-1N为220VAC时，可以选用正向电压为100V的LED作为LED 18，并且单单连接驱动引脚Dl到LED
18,并保持驱动引脚D2浮动空接，LED 18此时所消耗的功率约lu*100( = 10u)。如此，尽管交流输入电源VAC-1N的交流电压不一样，只要选用正向电压不同的LED，LED 18消耗的功率可以大约相同(都大约是10u)，那照明系统200所产生的照明亮度就大约也会是相同。换言之，集成电路130不只是适用于220VAC的交流输入电源，也可适用于110VAC的交流输入电源。这对于照明系统200的制造商而言是非常方便的，可以节省照明系统200的零件库存管理成本。
[0108]在图2中，电流驱动电路66连接于LED18与接地线GND之间，但本发明并不限于此。图8显示另一依据本发明所实施的LED驱动器300，用来驱动LED 18。在图8中，电流驱动电路302具有HEMT T3与T4，HEMT T3与T4的漏极一起电连接到直流电源线VDD，LED 18电连接于接地线GND与电流驱动电路302之间。图9A显示一半导体芯片310上的金属层140的图案，并标示图8中的二极管与HEMT的相对位置。图5也可代表图9A中的HEMT T3沿着线ST-ST的芯片剖面图；图6也可代表图9A中的二极管DVF3沿着线SD-SD的芯片剖面图。图9B显示将半导体芯片310封装后的一集成电路320，其只有8个引脚(pin)，分别是:高电压引脚VCC、校正引脚PFl与PF2、低电压引脚VSS、交流输入引脚AC+与AC-、驱动引脚SI与S2。图10显示依据本发明所实施的另一照明系统330，其实现了图8中的LED驱动器300。图8、9A、9B与10，可以参照先前图2、4A、4B与7以及相关的解说，而得知其原理、操作、以及优点，为简洁故，不再累述。
[0109]如同图11的实施例所示，额外的一稳压电容19可以与LED 18并联。稳压电容19可以降低LED 18的跨压VLED的变化，甚至增加LED 18在交流输入电源VAC-1N的一周期时间内的工作周期(duty cycle)或发光时间，减少LED 18闪烁(flickering)的可能性。
[0110]图4A中的图案仅仅是作为一个例子，本发明并不限于此。图12显示另一半导体芯片上的一金属层104的图案。图12大致类似于图4A，为简洁的缘故，彼此相同或类似的部分不再累述。在图4A中，位于每个二极管中间位置的一栅极，都只有通过一个图案化后金属层104的一上臂ARMl连接到其阳极(譬如图6中的金属片104f);位于每个HEMT中间位置的一栅极，也都是通过一个图案化后金属层104的一上臂ARM2连接到其源极(譬如图5中的金属片104a)。然而，在图12中，如同例示的栅区域GG，每个二极管中间位置的栅极，通过图案化后金属层104的上下两臂ART与ARB连接到其阳极;而位于每个HEMT中间位置的一栅极，也都是通过图案化后金属层104的上下两臂连接到其源极。与图4A的设计相较之下，图12中的二极管的上下两臂结构在制作上比较对称，在显影、曝光、磊晶、蚀刻等过程的过程中比较不易被上下两臂之间的结构压缩空间，(上下两臂的)宽度会比较一致、结构比较不易有破损或者变形；而图4A的结构因为仅有单臂，在制作时容易在制作其他部分时造成整个臂宽度不一致的情况，而这种情况也容易导致大电流或者大电压的聚集而造成击穿。因此图12的上下两臂的结构因为整个结构宽度较为一致，也不易受到其他结构影响而变形，使得图12的结构具有较高的击穿电压耐受能力。
[0111]图5与图6中的剖面图也并非用来限制本发明的保护范围。举例来说，如图13显示图4A中的二极管DVF3沿着线SD-SD依据另一种实施例的芯片剖面图。图13与图6，为简洁的缘故，彼此相同或类似的部分不再累述。与图6不同，图13中的金属片104e与盖层100之间夹有一绝缘层103，其材料譬如说是氧化硅。绝缘层103的存在也可以增强二极管的击穿电压耐受能力。
[0112]图14显示用来制作图13中的二极管的流程图。步骤140先形成平台区。举例来说，先在缓冲层94上分别形成通道层96、高价带间隙层98、与盖层100。然后以感应式耦合电浆蚀刻等方式图案化这三层而完成平台区95。步骤142形成欧姆接触。举例来说，分别沉积钛/铝/钛/金作为金属层102，之后对金属层102图案化，形成金属片102a、102b等。步骤144形成绝缘层103。举例来说，先沉积一二氧化硅层，然后将其图案化，剩下的二氧化硅层便成为绝缘层103。步骤146形成肖特基接触与图案化。举例来说，步骤146先依序沉积镍/金/铂作为金属层104，然后对金属层104图案化形成金属片104a、104b、104c等。金属层104与金属层102之间为欧姆接触，但金属层104与平台区95之间则为肖特基接触。步骤148形成保护层105，并对之图案化，以形成焊垫开孔。当然，图14的流程图也适用于制作图12中的HEMT。而通过适当的调整，图14中的流程图，也可以用来制作如图4A中的二极管与HEMT，例如省略步骤144，或者加入其他过程。
[0113]虽然图2与图5中的HEMTTl与T2可以视为恒定电流源，但是其可能不是一个完全理想的电流源。HEMT Tl与T2的漏源电流(IDS)，在饱和区时，可能依然跟漏源电压(VDS)有些许相关。图15显示了金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)与HEMT中，IDS对VDS关系。曲线150与152分别针对以硅为基材的一金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)以及一 HEMT。从曲线150可以发现，在金属氧化物半导体场效晶体管中，IDS与VDS大约都是正相关，也就是VDS越大，IDS越大。但是HEMT则不同。从曲线152可以发现，在HEMT中，当VDS超过一特定值时，IDS与VDS的关系，会从正相关变成负相关。而这个特定值可以通过过程上的参数，来加以设定。该HEMT的特性有一个特别的好处，当VDS因为市电电压不稳而突然飙高时，IDS反而会下降，可能可以降低消耗于HEMT的电功率，所以避免HEMT被烧毁。
[0114]在先前几个实施例中，LED驱动器有一填谷电路，但本发明并不限于此。图16显示了另一LED驱动器500，用以驱动LED 518，其包含了几个LED段5201、5202、5203串接在一起。LED驱动器500中并没有填谷电路。LED驱动器500中的桥式整流器502与电流驱动电路504可以一起整合在一半导体芯片上，封装成一集成电路。图17显示一半导体芯片550上的一金属层104的图案，并标示图16中的二极管与HEMT在半导体芯片550上的相对位置。半导体芯片550整合了LED驱动器500中的桥式整流器502与电流驱动电路504。图18显示将半导体芯片550封装后的一集成电路552。图19显示采用图18中的集成电路552实现LED驱动器500的一照明系统560。图16至19可以通过先前的教导而了解，故其细节不在此累述。从图19可以发现整个照明系统560采用了非常少量的电子零件(一电容CF、集成电路552与LED 518)。照明系统560成本将得以降低，且整个产品也更加精简。
[0115]图16与19并非用来限制集成电路552的应用。图20举例一LED驱动器600，可用以说明包含桥式整流器502与电流驱动电路504的集成电路的另一应用。在图20中，电流驱动电路504中的HMET Tl与T2可以选择性地用来驱动LED 518，其包含了几个LED段5201、5202、52031ED驱动器600另有分段电路ICl与IC2，其可以依据直流电源VDC-1N的高低而成为短路或是开路。举例来说，当直流电源VDC-1N比LED段5203的正向电压略高时，分段电路ICl与IC2都是短路电路，所以LED段5203发光，而LED段5201、5202不发光；当直流电源VDC-1N增加到超过LED段5202与5203的正向电压总和时，分段电路ICl为短路电路，分段电路IC2为开路电路，所以LED段5202与5203发光，而LED段5201不发光；当直流电源VDC-1N再增加到超过LED段5201、5202与5203的正向电压总和时，分段电路ICl也跟着变成开路电路，所以LED段5201、5202与5203都发光。使得LED驱动器600的电光转换效率更好，功率因数与总谐波失真率都能得到良好的控制。
[0116]依据本发明所实施的一集成电路并不限于只是整合了一桥式整流器与一电流驱动电路。先前所述的集成电路130与552仅仅作为例子。举例来说，依据本发明所实施的一集成电路除了有桥式整流器与电流驱动电路之外，还整合有一些二极管或HEMT，可用于图20中的分段电路ICl与IC2中。
[0117]本发明所实施的集成电路并不只限于耗尽型的HEMT。在一些实施例中，集成电路包含有增强型(enhancement-mode )HEMT，其导通电流可以通过提供适当的栅电压来加以控制，由此改变所驱动的LED段所发出的光强度。例如在图20中利用分段电路I Cl与IC2调整启动的LED段5201、5202、5203的同时，可以调整增强型HEMT的栅电压以改变HEMT输入到LED段5201、5202、5203的电流，进而改变LED段5201、5202、5203所发出的光强度。
[0118]尽管先前所揭示的LED驱动器或是照明系统，每个都是用以驱动单一LED 518，但本发明并不限于此。在一些实施例中，可以有两个或是以上的LED，以不同的电流，分别被驱动。图21举例一LED驱动器700，其中电流驱动电路504中的HEMT Tl与T2，分别驱动LED 18R与18B。举例来说，HEMT Tl所提供的驱动电流小于HEMT T2所提供的驱动电流，而LED 18R大致为红光LED，而LED 18B大致为蓝光LED。
[0119]图6与图13中的二极管，分别都形成于单一平台区95上，但本发明并不限于此。图22显示另一种实施例中，一二极管的芯片剖面图。图22中与图6以及图13彼此相同或类似的部分，为简洁的缘故，不再累述。图22中有两个平台区95与95a。金属片102e于平台区95a上，形成一欧姆接触;而金属片102d则在于平台区95上，形成另一欧姆接触。金属片102d与102e通过金属片104g，彼此短路电连接。金属片104f作为二极管的一阳极，金属片104d则作为二极管的一阴极。图22中的结构，可以增强二极管的击穿电压耐受能力。
[0120]先前所教导的电流驱动电路66、302与504，都用来驱动发光二极管(LED)，但本发明并不限于此。图23显示依据本发明另一实施例的LED驱动器800，其与图16相似，彼此之间相同之处，可以参考先前的说明而了解，为简洁的缘故，不再说明。与图16的LED驱动器500不同，图23中的LED驱动器800多了一双向可控硅调光器(TRIAC dimmer)802，而且电流驱动电路804中的HEMT TI直接连接于直流电源线VDD与接地线GND之间，没有驱动任何LED。当一双向可控娃调光器关闭，大约呈现开路时，需要有一定量的维持电流(holding current)，才可以避免误动作发生。在图23中，HEMT Tl可以提供双向可控硅调光器802所需要的维持电流。设计上来说，HEMT T2可以提供相对的大电流，使LED 518发光;而HEMT Tl可以提供相对的小电流，当LED 518不发光时，当作双向可控硅调光器802所需要的维持电流。
[0121 ]先前实施例中的二极管都是以图6中的二极管符号120表示，其是由一 HEMT与一肖特基二极管所复合而成的二极管。但是本发明并不限于此。所有实施例中的二极管，可以全部或是部分替换成其他种二极管。举例来说，图24显示了一桥式整流器806，其以四个肖特基二极管 SBD1、SBD2、SBD3、SBD4 所构成。
[0122]图25举例显示一半导体芯片808上的金属层104与平台区95的图案，其可以实现图24中的桥式整流器806。图26A、26B与26C显示半导体芯片808沿着线CSV1-CSV1、CSV2-CSV2与CSV3-CSV3的芯片剖面图。举例来说，图24中的肖特基二极管SBDl连接于交流电源线ACl与接地线GND之间。图25与图26A中显示具有一多指状结构(mult1-f inger structure)的HEMT AEMT的栅端作为肖特基二极管SBDl的阳极，HEMT的通道端作为肖特基二极管SBDl的阴极。等效上，肖特基二极管SBDl由许多的小肖特基二极管并联所构成。多指状结构的HEMT可以在有限的芯片面积中，提供较大的驱动电流。
[0123]在先前的实施例中，每一个二极管，也可以用多个二极管串联来实施，如同图27所举例的。图27显示了另一桥式整流器810。举例来说，在桥式整流器810的交流电源线ACl与接地线GND之间，具有两个串接的肖特基二极管。图28举例显示一半导体芯片812上的金属层104与平台区95的图案，其可以实现图27中的桥式整流器810。图26A、26B与26C也可以用以显示半导体芯片812沿着线CSV1-CSV1、CSV2-CSV2与CSV3-CSV3的芯片剖面图。
[0124]如同先前所述，在本发明的实施例的半导体芯片中，并不限于只能有耗尽型的HEMT与肖特基二极管，也可以包含有增强型(enhancement mode，E-mode)的HEMT。图29A显示在一半导体芯片上的一增强型HEMT ME与一耗尽型的HEMT MD，两者的金属层104与平台区95的图案。图29B则显示图29A中HEMT MD与ME之间的电连接。图30则显示图29A中，沿着线CSV4-CSV4的芯片剖面图。如同图30所示，左半边为一增强型HEMT ME，其中作为栅极GE的金属片104h与盖层100之间夹有一绝缘层103。盖层100与高价带间隙层98在金属片104h下方的部分，形成有一调整区170。举例来说，调整区170可以将氟离子局部地注入盖层100与高价带间隙层98而形成。相较于图22左半部的耗尽型HEMT MD，图30左半边的增强型HEMT ME多了调整区170以及绝缘层103，两者都可以用来调整或增加一HEMT的临界电压值Vt(threshold voltage)。
[0125]如同图29A、29B与30所示，耗尽型HEMT MD的栅极⑶，通过金属层104的电性连接，短路到增强型HEMT ME的端点S。
[0126]图29B中的电路，当HEMT ME关闭(开路MtHEMT ME与HEMT MD—起，可以承担分散从端点D到端点S之间的跨压，所以可以有相当好的耐压能力。当HEMT ME开启(导通)时，HEMT MD可以作为一个恒定电流源，限制端点D到端点S之间的最大电流量。
[0127]图29A与29B中的增强型HEMT也可以作为一半导体芯片中的主动开关。图31显示依据本发明一实施例的一 LED驱动器840的电路设计，其具有增强型HEMT与耗尽型HEMT。除了一些肖特基二极管与电阻外，LED驱动器840还包含有电流开关CCl、CC2、CC3，以及耗尽型HEMT T8，彼此的电性连接如图31所示。在一半导体芯片上，电流开关CCl、CC2、CC3可以以图29A与图30中的元件结构而实现。在一实施例中，电流开关CCl、CC2、CC3以及耗尽型HEMTT8，可以导通的最大电流，分别是电流值Il、I2、I3与14，且I1<I2<I3<I4。每个电流开关CCl、CC2、CC3都有一个控制端(也就是一增强型HEMT的栅端)，通过一个相对应的电阻，共同连接到肖特基二极管852，其具有另一端连接到接地线GND。
[0128]图32显示了图31中的交流输入电源VAC-1N的电压波形以及流经桥式整流器844的一电流波形。随着直流电源线VDD到接地线GND之间的跨压从OV开始逐渐升高，电流开关CC1、CC2、CC3会全部开启。此时，只有LED段5201发光，LED段5202、5203、5204都不发光，流经LED段5201的驱动电流被电流开关CCl所限制，最大为电流值11。随着直流电源线VDD到接地线GND之间的跨压继续升高，电流开关CCl关闭而LED段5202加入发光，此时，流经LED段5201与5202的驱动电流被电流开关CC2所限制，最大为电流值12。当直流电源线VDD到接地线GND之间的跨压继续升高后，电流开关CC2关闭而LED段5203加入发光，此时，流经LED段5201、
5202、5203的驱动电流被电流开关CC3所限制，最大为电流值13。当直流电源线VDD到接地线GND之间的跨压超过一定程度时，电流开关CC1、CC2、CC3会全部关闭，LED段5201、5202、
5203、5204全部都发光。此时，流经1^0段5201、5202、5203、5204的驱动电流被耗尽型册組'T8所限制，最大为电流值14。当直流电源线VDD到接地线GND之间的跨压从最高点慢慢下降时，电流开关CC3、CC2、CC1会依序渐渐开启导通。从图32可以发现，图31的LED驱动器840不只是有良好的功率因数(power factor)，而且会有相当低的总谐波失真率(to ta Iharmonic distort1n,THD)ο
[0129]于图31中，对应每个电流开关0:3、0:2、0:1，都有两个反向串接的肖特基二极管，连接于每个电流开关的一控制端与一高压端之间。而在另一个实施例中，这些肖特基二极管(图31A中总共有6个)可以省略不做，降低成本。
[0130]连接于电阻850与接地线GND之间的肖特基二极管852，可以用来限定电流开关CC3、CC2、CC1的控制端的最高电压。当突波高压出现在直流电源线VDD上时，肖特基二极管852可以防止一增强型HEMT因过高栅电压而导致损坏。
[0131]图31中的LED驱动器840中，所有的肖特基二极管以及HEMT，都可以整合于一以氮化镓为导通通道材料(GaN-based)的单片微波集成电路。举例来说，肖特基二极管可以用图6或是图26A中的元件结构来实现，而增强型HEMT与耗尽型HEMT可以分别用图30中的左半部与右半部的元件结构来实现。换言之，实现LED驱动器840时，可能只需要一单片微波集成电路、一些电阻元件、一LED 848以及一印刷电路板(printed circuit board，PCB)而已，成本非常低廉。
[0132]随着环境温度的升高，以恒定电流驱动的一LED，其发光亮度可能会减弱。为了弥补高温所导致的亮度衰减，所以在本发明的一些实施例中，可以用正温度系数或是负温度系数的热敏电阻，来调整对LED的驱动电流。
[0133]图33显示了具有正温度系数的一热敏电阻的一LED驱动器900，其中，热敏电阻902的两端，分别连接到电流开关CC4内的增强型HEMT MEI的一栅端与一通道端。耗尽型HEMTT5作为一恒定电流源，大约提供一恒定电流流经正温度系数热敏电阻902，增强型HEMT MEl工作于线性区。当环境温度增加时，热敏电阻902的电阻上升，因此，电流开关CC4的控制栅的电压也变高，增加了流经LED 518的电流。如此，可以使LED 518的发光量，大约不随着温度变化而改变。
[0134]图34显示了具有负温度系数的一热敏电阻的一LED驱动器906，其中，耗尽型HEMTT6可作为一恒定电流源，其所提供的恒定电流大致由其源极电压所决定。当环境温度增加时，热敏电阻906的电阻下降，因此，耗尽型HEMT Τ6的源极电压变低，耗尽型HEMT Τ6的栅对源(gate to source)电压增加，因此增加了流经LED 518的电流。如此，可以使LED 518的发光量，大约不随着温度变化而改变。
[0135]依据本发明所实施的LED驱动器，并不限于只能有一个LED或是只能有一个热敏电阻。图35显示了LED驱动器910，其具有LED 5181、5182与5183。类似图33所教导的，流经LED5181的驱动电流，受热敏电阻902控制，随着温度增加而增加。类似图34所教导的，流经LED5182的驱动电流，受热敏电阻906控制，随着温度增加而增加。而流经LED 5183的驱动电流，受耗尽型HEMT T7所控制，大致不随温度而变化。在一实施例中，LED 5183是一蓝光LED，而LED 5181 或5182是一红光LED。
[0136]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明保护范围所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【主权项】
1.一种驱动器，用以驱动一发光元件，包含有: 一整流电路，包含一整流二极管，用以接收一交流输入电源并产生一直流电源，跨于一直流电源线与一接地线之间；以及 一电流驱动电路，包含一恒定电流源，其中该恒定电流源用以与该发光元件串接于该直流电源线与该接地线之间，该恒定电流源可提供一第一恒定电流，驱动该发光元件； 其中，该整流二极管与该恒定电流源，共同形成于一单一半导体芯片上。2.如权利要求1所述的驱动器，其中，该整流二极管包含一肖特基二极管以及一高电子迀移率场效晶体管。3.如权利要求1所述的驱动器，其中，该整流二极管包含有一多指状结构的HEMT。4.如权利要求1所述的驱动器，还包含一双向可控硅调光器耦接在该交流输入电源与该整流二极管之间，以及一第二恒定电流源直接连接至该直流电源线与该接地线，用以提供该双向可控硅调光器的一维持电流。5.如权利要求1所述的驱动器，还包含有一功率因数校正器，校正该驱动器的功率因数，其包含有多个二极管，逆向串联于该直流电源线与该接地线之间，其中，这些二极管形成于该单一半导体芯片上。6.如权利要求1所述的驱动器，还包含有一热敏电阻，用来控制该恒定电流源，使驱动该发光元件的一驱动电流，随环境温度升高而增加。7.如权利要求6所述的驱动器，其中，该热敏电阻为一正温度系数热敏电阻，该恒定电流源包含有一耗尽型高电子迀移率场效晶体管以及一增强型高电子迀移率场效晶体管，该增强型高电子迀移率场效晶体管包含有一栅极以及二通道端，该二通道端其中的一个与该栅端之间，耦接有该热敏电阻。8.如权利要求7所述的驱动器，其中，该增强型高电子迀移率场效晶体管包含有一栅绝缘层，用以隔绝该栅极以及该二通道端，该栅绝缘层下形成有一调整区，用以调整该增强型高电子迀移率场效晶体管的一临界电压。9.如权利要求1所述的驱动器，其中，还包含一第二恒定电流源，提供的最大电流值与该第一恒定电流源提供的最大电流值不相同。10.如权利要求1所述的驱动器，其中，该整流二极管包含有一肖特基二极管，其以一耗尽型高电子迀移率场效晶体管所构成，该耗尽型高电子迀移率场效晶体管具有一第一金属片以及一第二金属片，分别作为该耗尽型高电子迀移率场效晶体管的一栅极与一通道极，该第一金属片通过二金属臂电性连接至该第一金属片，且该第一金属片、该第二金属片以及这些金属臂均由同一金属层图案化而形成。
【文档编号】H05B33/08GK105939549SQ201610090841
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年2月18日
【发明人】黄知澍, 吴长协, 谢明勋
【申请人】晶元光电股份有限公司