有源发光二极管模块制造技术

本申请涉及有源发光二极管模块。本发明专利技术揭示LED模块，其具有与LED串联的控制MOSFET或其它晶体管。在一个实施例中，MOSFET晶片接合到LED晶片且经单件化以形成具有与单个LED相同的占据面积的数千个有源三端子LED模块。尽管红光、绿光及蓝光LED具有不同的正向电压，RGB模块可并联连接且其控制电压以60Hz或更大Hz交错以产生单一感知色彩，例如白色。所述RGB模块可连接于面板中以用于通用照明或彩色显示器。面板中的单个电介质层可囊封所有所述RGB模块，以形成紧凑且价廉的面板。描述用于彩色显示器及照明面板两者的各种寻址技术。描述用于减小所述LED对输入电压的变化的敏感度的各种电路。

【技术实现步骤摘要】
有源发光二极管模块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1月25日、申请号为201380008594.4、专利技术名称为“有源发光二极管模块”的专利技术专利申请案。
本专利技术涉及发光二极管(LED)且特定来说涉及一种含有与LED串联以控制穿过LED的电流的有源电路的单裸片。
技术介绍
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。随后通常对LED裸片及任选的衬底进行封装，其中封装具有稳固阳极及阴极引线以焊接到印刷电路板(PCB)。LED可由电流源控制以实现所要亮度。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。提供与LED裸片分开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，所述缺点包含与组件不匹配的可能性。需要提供一种具有集成电流源驱动器电路的非常紧凑的LED模块。当驱动多色彩LED时出现额外问题，例如在彩色显示器中或为了形成白光源。LED为具有非线性电压对电流特性的两端子电装置。在特定电压阈值之下，LED具有高阻抗。在所述阈值之上，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。红光LED具有2eV的量级的带隙，蓝光LED具有3eV的量级的带隙且绿光LED具有介于2eV到3eV之间的带隙。由于正向电压与带隙能量直接相关，所以红光、绿光及蓝光LED无法简单并联连接以输出所要色彩或光；每一色彩的LED必须具有其自身的驱动器电路。用于形成不同色彩的LED的不同材料(例如，GaAs、GaN等)也影响正向电压。此外，即使在输出相同波长的LED内，其正向电压也归因于工艺变化而变化，因此甚至连并联连接相同色彩的LED也存在问题。提供每一LED的单独驱动器电路并将其互连到LED增加了空间及成本。这在试图使显示器中的RGB像素的大小最小化时特别有问题。LED可组织为无源矩阵可寻址阵列。举例来说，一组LED可与其连接到行选择驱动器的阴极及其连接到列数据总线的阳极连接。数个这些行可用于形成可通过行及列寻址的较大阵列。通过经寻址行-列提供受控电流将在经寻址位置上给LED通电以例如针对显示器中的彩色像素发射所要色彩及强度的光。由于LED之间的互连为非零阻抗，所以遍及互连网络的电压降可无意地使未寻址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，此减小阵列的亮暗对比度。此问题因面朝下印刷LED的放置而恶化，其中面朝下LED用于反向偏压瞬时电压抑制。向下LED与面朝上LED反平行。在简单寻址方案中，仅向上LED旨在发射光。当行未被选择时，相关联LED以亚阈值电压偏压或可能反向偏压。反平行向下LED在未选定行被反向偏压的情况下是有问题的，其使向下LED正向偏压，从而导致其发射光而减小阵列的亮-暗对比度。可能需要创建在连接为可寻址阵列时避免上述问题的集成LED模块。还可能需要创建集成LED模块，其中不同色彩的LED可并联连接以形成高密度的紧凑RGB像素。还可能需要创建不同色彩的集成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、用于通用照明或用于彩色显示器的光。还可能需要创建多个LED模块的互连及寻址方案以形成紧凑光或显示面板。
技术实现思路
与例如彩色显示器中的LED的平行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-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穿过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通电到其全所要亮度。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阻抗的阈值非线性被有源而非无源地控制。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)由施加到控制端子的控制电压决定。LED的并联或可寻址网络中的此有源LED将总是处于高阻抗状态直到控制信号激活低阻抗状态为止。此有源阻抗控制减小对正向电压及寄生电压降及反向电流路径的敏感度。在一个实例中，红光、绿光及蓝光LED模块在多色彩显示器的阵列中并联连接，其中任何组的RGBLED(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光、绿光及蓝光LED的所要亮度。控制电压按60Hz或更大依序施加使得RGBLED的不同正向电压不再相关。在另一实施例中，模块针对白光源而串联及并联连接，其中白点通过红光、绿光及蓝光的相对组合而设定。每一色彩的控制电压及每一色彩的工作周期经设定以实现所要白点。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化较不敏感。模块可通过将LED晶片接合到驱动器晶体管晶片而形成，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。接合晶片随后被单件化以一次性形成数千个模块。在另一实施例中，LED及驱动器晶体管在彼此上方生长为外延层，或驱动器晶体管可通过掺杂剂的扩散或植入而形成。模块极为紧凑，这是因为占据面积可大致与单个常规LED裸片相同(例如，0.5mm2到1mm2)。在一个实施例中，LED丝网印刷在晶片上。可印刷LED可形成有介于50um2到5000um2的顶部表面积范围，从而允许模块具有相同顶部表面积。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可能不可行。对于此类白光源，许多LED通常串联连接，且高电压跨串连接。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。本专利技术固有地为每一LED提供其自身的驱动器，从而允许甚至不同色彩的许多LED并联连接使得其可用低压(例如，5伏特)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，而不管工艺变化、亮度随温度的改变及亮度随时间的改变如何。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各种模块实施例。在一个实施例中，模块的封装通过印刷形成。附图说明图1为根据本专利技术的一个实施例的单个LED模块的示意图。图2为接合到驱动器晶体管晶片的LED晶片的小部分的截面图。图3为单个单件化模块的简化横截面图。图4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3中的模块的三个端子的不同方式。图5及6说明通过生长外延层而形成的LED及驱动器晶体管。图7说明封装之后，例如面板中的单件化模块裸片。图8说明连接到LED的阳极的PMOS驱动器晶体管。图9说明连接到LED的阳极的pnp双极驱动器晶体管。图10说明连接到LED的阳极的NMOS驱动器晶体管。图11说明连接到LED的阳极的npn双极驱动器晶体管。图12说明连接到LED的阴极的PMOS驱动器晶体管。图13说明连接到LED的阴极的pnp双极驱动器晶体管。图14说明连接到LED的阴极的NMOS驱动器晶体管。图15说明连接到LED的阴极的npn双极驱动器晶体管。图16说明用于瞬时电压抑制的LED本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种照明装置，其包括：第一发光二极管LED，其至少具有第一电导率的第一LED层和第二电导率的第二LED层，所述第一LED层和所述第二LED层在半导体材料的顶部表面上被外延生长；第一晶体管，其在所述半导体材料的所述顶部表面上或其中形成，所述第一晶体管具有第一载流节点、第二载流节点和控制节点，其中所述第一LED围绕所述第一晶体管，且所述第一晶体管大体上位于所述第一LED的中央；及第一导体，其将所述第一晶体管的所述第一载流节点连接到所述第一LED层以将所述第一晶体管与所述LED串联连接，以使得当跨越所述第二LED层和所述第一晶体管的所述第二载流节电而施加电压且当所述晶体管传导电流时，电流穿过所述第一晶体管而横向流动且穿过所述LED而垂直流动以照亮所述LED。

【技术特征摘要】
2012.02.23 US 61/602,439;2013.01.09 US 13/737,6721.一种照明装置，其包括：第一发光二极管LED，其至少具有第一电导率的第一LED层和第二电导率的第二LED层，所述第一LED层和所述第二LED层在半导体材料的顶部表面上被外延生长；第一晶体管，其在所述半导体材料的所述顶部表面上或其中形成，所述第一晶体管具有第一载流节点、第二载流节点和控制节点，其中所述第一LED围绕所述第一晶体管，且所述第一晶体管大体上位于所述第一LED的中央；及第一导体，其将所述第一晶体管的所述第一载流节点连接到所述第一LED层以将所述第一晶体管与所述LED串联连接，以使得当跨越所述第二LED层和所述第一晶体管的所述第二载流节电而施加电压且当所述晶体管传导电流时，电流穿过所述第一晶体管而横向流动且穿过所述LED而垂直流动以照亮所述LED。2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括穿过所述半导体材料而形成的第二导体，所述第二导体将所述第一晶体管的所述第二载流节点耦合到所述装置的底部端子，且其中跨越所述装置的所述底部端子和所述第二LED层施加所述电压以当所述第一晶体管接通时照亮所述LED。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述半导体材料包括导电衬底，其中跨越所述衬底的底部表面和所述第二LED层施加所述电压以当所述第一晶体管接通时照亮所述LED。4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一晶体管为场效应晶体管FET。5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一晶体管为双极性晶体管。6.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置为三端子装置，其中所述LED的所述第二LED层连接到所述装置的第一端子，所述第一晶体管的所述第二载流节点电耦合到所述装置的第二端子，且所述第一晶体管的所述控制节点耦合到所述装置的第三端子。7.根据权利要求1所述的装置，其中所述半导体材料包括硅、SiC、GaN和GaAs中的一者。8.根据权利要求1所述的装置，其中所述半导体材料为高电阻率层，其中所述第一LED层为覆盖所述高电阻率层而生长的第一基于GaN的层，其中所述第一晶体管的至少一部分形成在所述第一基于GaN的层中。9.根据权利要求1所述的装置，其中在所述半导体材料上形成有高电阻率层，在所述高电阻率层上生长有所述第一LED层和所述第二LED层，且其中所述第一晶体管的至少一部分形成在所述半导体材料中但没有覆盖所述高电阻率层。10.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：布拉德利·S·奥拉韦，
申请(专利权)人：尼斯迪格瑞科技环球公司，
类型：发明
国别省市：美国,US