將晶體管晶片接合到發光二極管晶片以形成有源發光二極管模塊的制作方法
【專利說明】將晶體管晶片接合到發光二極管晶片以形成有源發光二極管模塊
[0001]相關串請案的交叉參考
[0002]此是布雷德利.S.奧羅(Bradley S.0raw)于2013年I月9日申請的第13/737，672號美國申請案的部分接續案且還主張布雷德利.S.奧羅于2013年3月15日申請的第61/789，106號美國臨時申請案的優先權。兩個申請案都被讓渡給本受讓人且以引用的方式并入本文中。
技術領域
[0003]本發明涉及發光二極管(LED)，且特定地說涉及一種含有與LED串聯以控制通過LED的電流的有源電路的單裸片。
【背景技術】
[0004]LED通常形成為具有陽極端子及陰極端子的裸片。LED裸片通常安裝在較大襯底上用于散熱及封裝。襯底可含有額外電路，例如無源靜電放電裝置。LED裸片及任選襯底隨后通常經封裝，其中封裝具有堅固陽極及陰極引線以焊接到印刷電路板(PCB)。
[0005]LED可由電流源控制以實現所需亮度。電流源可為形成在單獨裸片中的MOSFET或雙極晶體管。電流源及LED通常由導線或PCB連接在一起。
[0006]提供與LED裸片分離的電流源需要額外空間及互連，從而增加成本。存在其它缺點，包含與組件不匹配的可能性。需要提供一種具有集成的電流源驅動器電路的非常緊湊LED模塊。
[0007]當驅動多顏色LED(例如在彩色顯示器中或為了形成白光源)時出現額外問題。LED是具有非線性的電壓對電流特性的兩端電裝置。在特定電壓閾值之下，LED是高阻抗。在閾值之上，LED的阻抗低得多。此閾值主要取決于半導體LED的帶隙。帶隙是針對特定峰值發射波長而選擇。紅色LED具有大約2eV的帶隙，藍色LED具有大約3eV的帶隙，且綠色LED具有介于2eV至3eV之間的帶隙。由于正向電壓與帶隙能量正相關，所以紅色、綠色及藍色LED無法簡單地并聯連接以輸出所需顏色或光；每一顏色的LED必須具有其自身的驅動器電路。用于形成不同顏色的LED的不同材料(例如，GaAs, GaN等)還影響正向電壓。此外，即使在輸出相同波長的LED內，其正向電壓也歸因于制程變化而變化，因此甚至并聯連接相同顏色的LED也存在問題。為每一 LED提供單獨驅動器電路及將其互連到LED增大空間及成本。此增大的大小在試圖使顯示器中的RGB像素的大小最小化時尤其不合需要。
[0008]LED可組織為無源矩陣可尋址陣列。舉例來說，可連接一組LED，其陰極連接到行選擇驅動器且其陽極連接到列數據總線。數個此類行可用于形成可按行及列尋址的較大陣列。通過經尋址行-列提供受控電流將給在經尋址位置處的LED通電以發射所需顏色及強度的光(例如針對顯示器中的彩色像素)。由于LED之間的互連是非零阻抗，所以遍及互連網絡的電壓降可無意中使未尋址LED組正向偏壓。此偶然正向偏壓將在未尋址段中導致過量光，其減小陣列的亮暗對比度。
[0009]將需要產生在連接為可尋址陣列時避免上述問題的集成LED模塊。
[0010]還將需要產生集成LED模塊，其中不同顏色的LED可并聯連接以形成高密度的緊湊RGB像素。
[0011]還將需要產生不同顏色的集成LED模塊，其可在單個面板中廉價地封裝在一起以產生用于背光照明、一般照明或彩色顯示器的光。
[0012]還將需要產生多個LED模塊的互連及尋址方案以形成緊湊的燈或顯示面板。
【發明內容】
[0013]與例如彩色顯示器中的LED的并聯及可尋址連接相關的問題可通過使用有源LED模塊而解決。在一個實施例中，單個垂直LED模塊包含與垂直驅動晶體管(電壓轉電流轉換器)串聯的LED。在模塊上提供三個端子:正電壓端子、負電壓端子及用于控制通過LED的電流的控制端子。當控制端子被供應最大值控制信號時，施加到正電壓端子及負電壓端子的電壓之間的差必須足以將LED通電到其所需的全亮度。
[0014]控制端子可連接到與LED串聯連接的MOSFET的柵極或源極。添加控制端子使得LED阻抗的閾值非線性經主動而非被動控制。對于跨模塊的電力端子提供電壓的LED模塊，低阻抗狀態(其中LED正發射光)是由施加到控制端子的控制電壓確定。LED的并聯或可尋址網絡中的此有源LED將始終處于高阻抗狀態直到控制信號啟動低阻抗狀態為止。此主動阻抗控制減小對正向電壓及寄生電壓降以及反向電流路徑的敏感度。
[0015]在一個實例中，紅色、綠色及藍色LED模塊在多顏色顯示器的陣列中并聯連接，其中任意組的RGB LED(形成單個像素)可通過跨三個模塊的電壓端子施加相同電壓而尋址。每一模塊的控制端子連接到不同的可變控制電壓以實現像素中的紅色、綠色及藍色LED的所需亮度。控制電壓是按60Hz或更大頻率依序施加使得RGB LED的不同正向電壓不再相關。
[0016]在另一實施例中，針對白光源，模塊被串聯及并聯連接，其中白點是通過紅光、綠光及藍光的相對組合而設置。每一顏色的控制電壓及每一顏色的工作循環經設置以實現所需白點。
[0017]在其它實施例中，各種電路與LED集成以使LED的亮度對輸入電壓的變動較不敏感。
[0018]可通過將LED晶片接合到驅動器晶體管晶片，借此將每一 LED的端子連接到每一驅動器晶體管的端子以形成串聯連接而形成模塊。經接合晶片隨后被切分以一次性形成數千個模塊。模塊極為緊湊，因為占據面積可大約相同于單個常規LED裸片(例如，0.25mm2到 Imm2) ο
[0019]如果模塊可印刷，那么占據面積小得多。可形成具有介于50um2到5000um2之間的頂部表面積范圍的可印刷模塊。可印刷小的模塊群組的陣列，其中每一群組中的模塊并聯連接以形成具有所需最大亮度的單一顏色像素。在一個實施例中，模塊的封裝也通過印刷形成。
[0020]驅動器可為雙極晶體管、MOSFET或其它類型晶體管。在一些實施例中，流動通過模塊的電流實質上完全垂直。在其它實施例中，電流垂直且橫向流動。
[0021]在使用數百個中等功率LED的大型照明系統中，為LED中的每一者提供常規驅動電路將是不切實際的。對于此類白光源，許多LED通常串聯連接，且在串兩端連接高電壓。在現有技術中，提供此高電壓有時需要升壓調節器，從而增加系統成本。本發明固有地為每一 LED提供其自身的驅動器，允許甚至不同顏色的許多LED并聯連接，使得其可用低電壓(例如，5伏)驅動。為每一 LED提供其自身的驅動器還使每一 LED能被控制以輸出所需亮度，而不管制程變動、亮度隨溫度的改變及亮度隨使用期的改變。
[0022]連同適于LED顯示器或白光源的LED模塊的各種可尋址陣列一起描述了各種模塊實施例及制作方法。
【附圖說明】
[0023]圖1是根據本發明的一個實施例的單個LED模塊的示意圖。
[0024]圖2是接合到驅動器晶體管晶片的LED晶片的小部分的橫截面圖。
[0025]圖3是單個經切分模塊的簡化橫截面圖。
[0026]圖4圖解說明取決于LED的位置及所使用的驅動器晶體管的類型而將固定電壓及可變控制電壓施加到圖3中的模塊的三個端子的各種方式。
[0027]圖5圖解說明在封裝在例如面板中之后的經切分模塊裸片。
[0028]圖6圖解說明連接到LED的陽極的PMOS驅動器晶體管。
[0029]圖7圖解說明連接到LED的陽極的pnp雙極驅動器晶體管。
[0030]圖8圖解說明連接到LED的陽極的NMOS驅動器晶體管。
[0031]圖9圖解說明連接到LED的陽極的npn雙極驅動器晶體管。
[0032]圖10圖解說明連接到LED的陰極的PMOS驅動器晶體管。
[0033]圖11圖解說明連接到LED的陰極的pnp雙極驅動器晶體管。
[0034]圖12圖解說明連接到LED的陰極的NMOS驅動器晶體管。
[0035]圖13圖解說明連接到LED的陰極的npn雙極驅動器晶體管。
[0036]圖14圖解說明經并聯連接的用于彩色顯示器或產生白光的RGB LED模塊。
[0037]圖15圖解說明可如何使用控制電壓對圖14中的RGB LED定序以產生任何顏色，包含白光。
[0038]圖16圖解說明一起封裝在例如彩色顯示器中的單獨RGB LED模塊。
[0039]圖17圖解說明晶體管及其它電路可如何集成在與LED相同的襯底中以形成電壓鉗位器、電流調節器或其它電路。無需外部控制電壓。此導致兩端LED模塊，例如RGB模塊，其中模塊經并聯連接用于彩色像素，包含白光像素。
[0040]圖18到35是圖解說明各種驅動晶體管及用于形成各種類型的LED模塊的方法的橫截面圖。
[0041]圖18圖解說明用作LED模塊的驅動器的垂直pnp雙極晶體管。
[0042]圖19圖解說明用作LED模塊的驅動器的垂直P溝道M0SFET。
[0043]圖20圖解說明用作LED模塊的驅動器的溝槽-柵極垂直P溝道M0SFET。
[0044]圖21到26圖解說明用于形成圖18或圖19的驅動器晶片且準備所述驅動器晶片以接合到LED晶片的制作步驟。
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