CN101971343B - 光电组件 - Google Patents

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Abstract

一种包括载体衬底层(10)的光电组件(1)，其中载体衬底层(10)具有在晶片级在前段工序中预先构建于载体衬底层(10)之中或之上的多个电路(200)。发光二极管(100)设置在载体衬底层(10)上，发光二极管(100)的辐射特性、亮度和颜色由集成在载体衬底层(10)之中/之上的电路(200)控制。通过将多个光电组件(1、2、3)互连，制成具有极高的封装密度并且在色彩保真度和可调光性方面具有优良特性的光电组件装置。这种组件装置的独立的光电组件可以自治地或者相互耦合地或者根据环境来进行协调。

Description

光电组件
本发明涉及包含对发光结构进行控制的集成电路的光电组件。本发明还涉及由多个这种光电组件构成的光电组件装置。此外，本发明还涉及制造光电组件的方法。
具有多个发光元件的光电组件用于对物体的有效照明。发光元件可以是例如附着于并电连接于组件的组件电路板的LED（发光二极管）。组件的布线通常用混合方式实现，其中一个发光元件组可以分布于多个组件电路板上。调节和控制电路被用于控制发光元件的发光。LED的控制可以通过例如作为分立部件设置于组件电路板上的传感器来实现。分立部件具有外壳，在所述外壳中放置有芯片。组件电路板因此除了例如LED芯片外还装备有部件，其中在部件的外壳中放置有芯片，所述芯片具有用于对光、温度或色彩点进行测量的传感器。
控制和调节电路、传感器以及高性能散热器并未集成于设置有发光元件的组件之上或之中。
本发明的一个目的在于提供一种光电组件，利用所述光电组件能够以有效的方式对发光结构的发光进行控制。本发明的另一个目的在于提供一种光电组件，其中以有效的方式对发光结构的发光进行控制。本发明的又一个目的在于提供一种制造上述光电组件的方法。
光电组件具有包括多个半导体层的层结构（Schichtstruktur），其中，所述多个半导体层包括衬底层、第一层构造（Schichtanordnung）和至少第二层构造。第一层构造具有发光层并设置于所述衬底层上。第二层构造包含用以控制发光层的工作状态的至少一个电路。
第二层构造可以设置于衬底层上和/或被衬底层包围。可以将第二层构造的至少一个电路设置于衬底层上并且第二层构造的至少一个电路被衬底层包围。另外，也可以使衬底层包围所有的电路、即整个第二层构造。于是，第二层构造被完全地集成于衬底层中以节约空间。
第二层构造可以包括用于在组件中执行不同任务的不同的两个或者大量电路。
所述电路中的至少一个可以被衬底层完全围绕并且所述电路中的至少一个可以位于衬底层上或者部分地被衬底层包围。也就是说，所述电路中的一个可以被集成于衬底层中，而另一个电路至少部分地脱离衬底层。
第一层构造例如包含发光二极管，具体地是无衬底的发光二极管、CSP（芯片尺寸封装）发光二极管、有机发光二极管或者大功率发光二极管。CSP发光二极管例如记载在WO2008/131736中，其相关内容通过引用被合并入本文中。
第二层构造可以包含用于对光电组件提供静电放电保护的电路。对光电组件提供静电放电保护的电路可以利用位于用于第一层构造的接触的接触端子下方的掺杂区来形成。
第二层构造可以包含用于对第一层构造的发光层所发出的辐射的亮度或颜色进行控制的电路。
另外，第二层构造可以包含用于检测集成电路的环境亮度的电路。
第二层构造还可以包含被形成为用于提供使第一层构造的发光层的产生辐射的电压或电流的电路。
衬底层可以包含诸如硅、SiC、锗、氮化镓、氮化铝、氧化铝、氮化硅、或者这些材料的组合，或者由上述材料之一构成。根据另一个实施方式，衬底层可以被形成为膜。
下文中将提出一种光电组件装置。光电组件装置包括如上述实施方案之一所述的集成的多个光电组件。多个光电组件之一包括层构造，所述层构造设置于多个光电组件之一的衬底层上或者被多个光电组件之一的衬底层包围。所述层构造包含用于对由多个光电组件的每个发光层所发出的辐射进行控制的电路。
所述层构造可以包含用于由多个光电组件的每个发光层所发出的辐射的亮度、颜色、或者色彩混合的协调的电路。
所述层构造例如可以包含用于对由所述多个光电组件的每个发光层所发出的辐射进行无线电遥控的电路。
下文中将提供一种制造光电组件的方法。根据所述方法，在载体层上生长具有发光层的第一层构造。此外，制备具有多个半导体层的层结构，其中所述多层半导体层包括衬底层和第二层构造，其中第二层构造包含用于控制发光层的工作状态的电路。第一层构造设置于衬底层上。
根据所述方法的一个改进实施方式，提供一种具有多个半导体层的层结构，其中第二层构造设置于衬底层上或者集成于衬底层中。
根据所述方法的另一个实施方式，第二层构造通过层沉积法设置于衬底层上或者通过离子注入法集成于衬底层中。
本发明的更多的特点，优选实施方式以及优点将由以下结合附图对实施例的描述得出。
图1为光电组件的第一实施方式；
图2A为具有ESD保护电路的光电组件的第二实施方式的俯视图；
图2B为具有ESD保护电路的光电组件的第二实施方式的剖面图；
图3为光电组件的第三实施方式；
图4为生长于载体层上的发光层；
图5为预先构建并集成有对发光层的发光进行控制的电路的载体衬底；
图6为具有集成的多个光电组件的光电组件装置。
图1为具有集成电路的光电组件1的一个实施方式，所述集成电路具有被预先构建于载体衬底层中的有源和无源的电子部件200。载体衬底层10例如为硅晶片，在所述载体衬底层10之上/之中预先构建了不同的集成电路200。载体衬底的预先构建已经在晶片级在前段工序（Frontend）中完成，由此制成具有集成电路的光电组件。
发光半导体层结构100设置于载体衬底层10上。半导体层结构100例如包括发光层101、102。半导体层结构100例如可以包含例如发射红光、绿光或蓝光的一个或多个LED芯片。每个LED芯片都通过附着层40附着于载体衬底层10上。辐射发射组件100，例如有机发光二极管（OLED）、大功率LED或者CSP发光二极管，可以设置于载体衬底层10上。
发光半导体层结构100例如也可以是无衬底LED。在无衬底LED中发光层101、102不再设置在载体10的载体材料——例如锗载体或硅载体——上，而是直接设置于载体上。发光半导体层结构100可以粘接在或者焊接在载体衬底层10上。利用这种不具有衬底和正面触点(SubstratundVorderseitenkontakt)的LED芯片，可以实现光电组件的平坦均匀的结构。
如果半导体层结构100设置于载体衬底层10上，则预先构建了载体衬底层。所述预先构建是在前段工序中将多个层构造200设置在载体衬底层10之中或之上而实现的。在载体衬底层10中，例如在硅半导体晶片中，可以例如在前段工序中实现层构造201，所述层构造201被形成为用于对发光半导体层结构100的电路以及其它设置在载体衬底层10之中或之上的集成电路提供静电放电的保护。集成在载体衬底层10中的层构造201例如可以是集成的保护二极管。另外，电路201可以包括集成于衬底层10中的ESD滤波器。
在图1所示的光电组件1中，例如在载体衬底层10上设置两个发光半导体层结构100、例如LED芯片。光电组件还可以具有其它的LED芯片。为了对LED芯片的发光层101、102所发出的辐射的辐射特性、颜色或者亮度进行控制，可以在制造光电组件的前段工序中将另一个层结构202设置于载体衬底层10上。利用层构造202实现例如一种集成电路结构，利用这种集成电路结构使得能够协调位于载体衬底层10上的多个LED芯片100的亮度、颜色和辐射特性。因此，可以使由明显偏色的个别的发光体所引起的不良效果可以被均质化。
在图1所示的光电组件的实施方式中，在载体衬底层10上设置另一个层构造203。层构造203包含例如光电二极管电路。层构造203也是在光电组件的光刻制造的前段工序中设置于载体衬底层10上的。
迄今为止，必须在使单独的LED芯片产生均质的辐射特征，在组件总成的组装之前的制造过程中已经将在亮度和颜色（波长）方面具有同样的或者至少相似的辐射特性的LED芯片进行了分类。利用光电二极管203，图1所示的光电组件可以被掌握周围环境的亮度。据此，使得发光层100的光辐射能够与占优势的环境亮度相适应。这种适应是利用控制电路202实现的，所述控制电路202控制LED芯片100的亮度、颜色和辐射特征。通过调整LED芯片的辐射，避免了昂贵且只能靠大量努力才能进行的对LED芯片的精细分类，而这种对LED芯片的精细分类在迄今为止的没有调节措置的组件中是必要的。
通过对单独的发光层101、102的辐射参数进行调整，可以被廉价且有效地在最终应用中对单独的发光二极管在辐射特性上的偏差进行校正。因此，LED组件中的以前不可销售的次品也仍然可以使用。类似地，可以对例如设置于发光半导体层结构100之上的透镜或转换材料的色差所造成的不良效果进行补偿。根据发光层的工作状态和制造公差，尤其是根据用户或者制造者的意愿，可以在本地或工厂对辐射特性进行协调和调整。
可以在载体衬底层10上设置另一个层构造204。层构造204与层构造201、202和203一样已经通过光刻工艺在前段工序中被设置在载体衬底层10上。利用层构造204，可以在光电组件1中集成用于对发光层结构100的电流/电压进行调节的电路结构，更确切地说是有源集成电路，例如控制电路202。
电路结构204中也可以是用于发光层的电流稳定和功率稳定的电路。电路结构204例如设置于载体衬底层10上的附着层40之上。
为了与光电组件1连接，在载体衬底层10中设置连接导体50，即所谓的通孔（Via）。在载体衬底层的背面，设置与通孔50连接的触点60用于随后的焊接。触点例如可以是突起触点61或键合焊盘触点62。
为了使层结构100和200分别与触点60相连接，在载体衬底层10上配置另一个层构造。该层构造例如可以作为印制导线30而蒸镀或溅射在载体衬底层10上。
为了对结构100和200进行保护，在图1所示的实施方式中，在载体衬底10之上设置可透过辐射的保护层20。保护层20可以包含例如丙烯酸树脂、环氧树脂或硅树脂或者硅酮。在保护层20中可以嵌入荧光转换微粒。
图2A表示了光电组件的一个实施方式，其剖面图表示在图2B中。发光半导体层结构100设置于衬底层10——例如Si层——的上表面上。半导体层结构100与同样设置于衬底层10的上表面上的印制导线30相连接。印制导线30可以被实现为例如金制的接触端子。接触端子通过镀敷了的通孔51与背面触点31相连接。所述背面触点可以是金属层，例如金层。
在接触端子的一部分之下设置有层构造201。层构造201可以包括例如图2A所示的通过离子注入法形成于衬底层10中的掺杂区201a和201b。由掺杂区201a和201b构成的层结构形成ESD保护二极管，例如肖特基二极管。所述二极管的特性能够在掺杂区201a和201b的制造过程中通过修改掺杂区的尺寸和掺杂区的间距来给定。
关于导通方向，ESD保护二极管201与发光半导体层结构100的二极管结构的导通方向反向并联。在半导体层100的二极管结构的静电放电时，载流子通过嵌入在衬底层10中的ESD保护二极管201放电。
图3表示了光电组件1的另一个实施方式。在图3所示的光电组件的实施方式中，在前段工序中通过光刻工艺在载体衬底层10中集成了其它的层构造201、202、205、206。所述层构造实现了用于ESD保护和发光层100的控制/调节的集成电路。
发光层100可以是例如LED芯片，并与图1所示的实施方式类似的方式设置于载体衬底层10上。LED例如被粘接或焊接在衬底层上。发光层可以被形成为例如有机发光二极管（OLED）、大功率发光二极管或者CSP发光二极管。在发光层100之上，可以设置散射器或者转换器70。通过转换器70，层构造100的发光层101、102所产生的辐射被转换成另一个波长的辐射。光电组件可以因此发射混合颜色的——优选为白色的——光。
为了控制单独的发光层101、102的辐射特性，特别地，为了控制辐射光的亮度和颜色，在光电组件的制造期间在前段工序中在载体衬底层10中集成了层构造202。利用控制电路202，使得能够例如产生发光层101、102所发出的光的颜色混合光。由此，能够——尤其是在载体衬底10上设置多个LED结构100时——产生白色光点。
对发光半导体层结构100的发光的控制可以例如是温度的函数。为此，在层构造202中可以包含电路205以记录光电组件的温度。
对发光层100的辐射特性的控制可以是环境亮度的函数。为此，在载体衬底层10的上表面上通过光刻工艺制成被形成为例如光电二极管电路的层构造203。在光电二极管之上可以设置光学元件80，优选为用于形成光束的元件、例如透镜。根据对光电二极管所检测的环境亮度的分析，控制电路202调节发光层100的发光。
在另一个实施方式中，发光的改变可以由用户通过遥控来实现。为此，层构造202可以包含接收由发射器通过无线连接所发送的控制信号的接收电路。
为了对载体衬底层10之中或之上的有源集成电路以及发光层101、102提供静电放电保护，层构造201被预先构建于衬底层10中。利用层构造201实现ESD保护电路。ESD保护电路可以是集成于衬底层10中的保护二极管。也可以利用电路结构201实现ESD滤波器。电路结构201还可以是在载体衬底层10制造期间在前段工序中通过光刻工艺集成于晶片10中的其它的无源网络。
为了释放由光电组件的电路结构200以及发光半导体结构100所产生热量，设置散热器300。LED半导体结构100与散热器300相连接。散热器300可以是由例如碳质金刚石（kohlenstoffartigenDiamant）形成的高性能散热器。散热器可以集成在衬底层10中，确切的说集成在衬底层——例如硅晶片——的上表面上。
另外，也可以在硅过渡基板（Siliziumsubmounts）10的背面部分中集成有源或者无源的冷却装置。至于光电组件的元件的有源冷却，例如也可以在载体衬底层10中集成微泵（Mikropumpen）206。在将LED粘接或焊接在衬底层10的上表面上之前，可以在光电组件的制造期间在晶片加工的前段工序中将多个微机电系统集成或预先构建在衬底层10之中或之上。这种系统也包括高性能硅继电器电路或作为电源——尤其是针对小的无法接近的控制模块——的太阳能电池。
LED结构100通过包含印制导线30的布线层与被预先构建或集成于晶片之中或之上的电路结构200相连接。LED也可以通过印制导线30与集成于晶片背面的控制和调节元件相连接。
在硅过渡基板的背面，还可以集成有可编程存储逻辑电路元件。这种调节元件或开关元件可以是通过无线遥控或通过印制导线30可编程的或者是静态的。也可以在正面而非背面进行集成。利用大的硅电路复杂度，可以层叠更多的硅层。利用这些逻辑电路，可以根据应用调整光电组件的工作点。光电组件1的修正也可以在工厂永久地完成。据此可以使老化处理均衡化。
为了与光电集成电路相连接，设置可以被形成为突起触点61或键合焊盘触点62的外部连接60。为了将外部连接与光电组件的电路结构连接起来，在衬底层10中设置连接导体（通孔）50。为了将集成光电组件1与多个集成光电组件连接成一个组件装置，可以例如在载体衬底层10的上表面——例如在载体衬底层的不直接处于光束路径中的一侧——上设置用于组件间连接的连接件63。连接件63可以被实现为比如电的、机械的、或者光学的插接件或者螺纹连接件。
作为用于载体衬底层10的材料，优选地使用Si、SiC、Ge、GaN。此外，载体材料可以具有氮化铝、氧化铝或者氮化硅。为了防止发光层所发出的光在被形成为半导体晶片的载体层中产生自由载流子，载体衬底层10——尤其是发光层100的区域中的上表面由钝化层400覆盖。在钝化层400之上可以设置其它的保护层、转换层、抗反射层或者多个光学元件。
也可以使用柔性膜作为载体衬底层10而不使用硅晶片。可以粘接所述膜。在该实施方式中，可以通过合适的载带来调整散热或供电。
图1、2和3所示的光电组件的实施方式可以设置于壳体中。在很多情况下，不需要壳体。所述组件可以例如直接设置于卤素灯灯座中。
图4和5表示了用于制造图1、2和3所示的光电组件的制造方法。图4表示了载体层500，在载体层500上生长了具有发光层101、102的层构造100。发光层例如可以是在作为载体层的蓝宝石上生长的外延层。发光层101和102从载体层500突起并配备有触点、例如金属触点。
如图5所示，包括具有金属触点的发光层的LED芯片设置于预先构建的载体衬底层10上。载体衬底层10例如可以是硅晶片，其中，如图1、2和3所示，已经在硅晶片的制造期间在前段工序中集成了电路200。电路200可以是例如控制LED芯片的辐射特性、亮度或者颜色混合的控制和调节电路，或者是ESD保护电路。为了控制从LED芯片100发出的辐射的亮度，半导体晶片10已经在前段工序中被预先构建有被形成为光电二极管的层构造。图1、2和3所示的单个电路201、202、203、204、205、206和207可以例如通过光刻法在半导体晶片10的制造或加工期间被集成。电路例如通过在载体衬底层10上沉积各个层而形成为层结构。此外，层可以通过掺杂工艺或者离子注入法直接集成于载体衬底中。
在光电组件的制造过程中，优选地在前段工序中将尽量多的部件直接集成在载体衬底层10之中或之上。除图5所示的电路之外，还可以在半导体晶片之上或者之中预先构建逻辑电路、通孔、导热层以及触点，尤其是用于后续的焊料接合的键合焊盘触点和突起触点。据此，避免了放置分立元器件，例如通过取放法（Pick-and-PlaceVerfahrens）来放置分立元器件。因为功能器件被并行地在晶片上建造并集成并且只在制造结束时被分离，所以这种光电组件在制造上是特别紧凑和廉价的。
图6表示了组件装置的实施方式，其中多个光电组件1、2和3被彼此连接。属于该组件装置的单个光电组件可以具有图1、2或3所示的结构。所述光电组件通过组件间连接件63彼此连接。
在图6所示的组件排列中，光电组件1具有被预先构建于载体衬底层10上的集成的控制电路202。控制电路202用于控制整个组件装置。各个光电组件1、2和3可以自治地或者相互耦合地或者根据环境——例如如环境亮度——来进行协调。因此，例如，可以使发光体发出均质化的暖色调白光或冷色调白光并用发光体照亮房间。明显偏色的个别的发光体的效果可以被均质化。
通过使用集成于载体衬底层10中的控制电路202，图6所示的组件装置能够以主/从方式工作。因此例如可以在组件装置以及相应的其它组件中实现的颜色混合和白光点确定。
图6所示的组件装置可以例如用于照亮房间或者房间的一部分，例如照亮食品柜台。由于组件装置可以以主/从方式工作，因此能够以这种方式控制位于光电组件上的各个LED芯片：即，例如将所有食物均匀照明而不管环境亮度和柜台体积如何。主电路可以例如这样控制各个模块的被连接的集成电路：即，例如，当柜台前没有顾客时启动节电程序。
由于可以改变发光二极管的辐射特性，使得也可以，例如，对发光二极管的老化效应进行补偿，尤其是例如当红色发光二极管开始比同一组件装置中的蓝色发光二极管亮而随后不成比例地比蓝色发光二极管暗时。由于辐射特性的控制和调节能够改变颜色混合，因此可以例如可靠地避免食品柜台中肉类的偏绿色的光。
本专利申请要求德国专利申请102008024927.0和102008049777.0的优先权，其内容通过引用被并入本文中。
本发明不受所述实施方案的描述的限制。本发明包括每个新颖特点和特点的每种组合，特别包括权利要求中的特点的任意组合，即使所述特点或组合本身没有明显地在权利要求或实施方案中被提出。

Claims (11)

1.一种光电组件装置，包括：
多个光电组件(1、2、3)，其中每个光电组件包括：
具有多个半导体层(10、20、100、200)的层结构，包括衬底层(10)、第一层构造(100)和第二层构造(200)，
其中，第一层构造(100)具有发光层(101、102)，所述发光层(101、102)设置于衬底层(10)上，
第二层构造(200)包含不同的两个或多个电路(201、202、203、204)，其中所述电路(201、202、203、204)的至少一个用于控制发光层的工作状态，
其中所述电路(201、202、203、204)中的至少一个由衬底层(10)完全包围，并且所述电路(201、202、203、204)中的至少一个直接设置于衬底层(10)上或被衬底层(10)部分包围，
其中第一层构造(100)和第二层构造(200)通过印制导线(30)相连接，
其中第二层构造(200)包含用于对光电组件提供静电放电保护的电路(201)，以及
其中所述多个光电组件(1、2、3)之一包括包含控制电路的第三层构造，所述第三层构造设置于所述多个光电组件(1、2、3)之一的衬底层(10)之上或被所述多个光电组件(1、2、3)之一的衬底层(10)所包围，
其中所述控制电路用于对由每个光电组件(1，2，3)所发出的辐射进行控制。
2.如权利要求1所述的光电组件装置，其中，在所述光电组件(1、2、3)的至少一个中，所述印制导线(30)的至少一个与第二层构造(200)的至少一个电路(201、202、203、204)电连接并且被衬底层(10)包围。
3.如权利要求1或2所述的光电组件装置，其中，在所述光电组件(1、2、3)的至少一个中，用于对光电组件提供静电放电保护的电路(201)是通过在所述印制导线(30)之下的衬底层(10)的掺杂区(201a、201b)形成的，并且所述印制导线(30)实现为用于与第一层构造(100)相接触的接触端子。
4.如权利要求1或2所述的光电组件装置，其中，在所述光电组件(1、2、3)的至少一个中，第二层构造(200)包含用于控制第一层构造(100)的发光层之一所发出的辐射的亮度或颜色的电路(202)。
5.如权利要求1或2所述的光电组件装置，其中，在所述光电组件(1、2、3)的至少一个中，第二层构造(200)包含被形成为对第一层构造(100)的发光层的发光提供电压或电流的电路(204)。
6.如权利要求1或2所述的光电组件装置，其中，
在所述光电组件(1、2、3)的至少一个中，第二层构造(200)包含用于对光电组件提供静电放电保护的电路(201)、用于控制第一层构造(100)的发光层之一所发出的辐射的亮度或颜色的电路(202)、用于检测集成电路的环境亮度的电路(203)以及被形成为对第一层构造(100)的发光层的发光提供电压或电流的电路(204)。
7.如权利要求1或2所述的光电组件装置，其中，所述包含控制电路的第三层构造包含用于对由每个光电组件(1、2、3)所发出的辐射的亮度、颜色或颜色混合进行协调的电路。
8.如权利要求1或2所述的光电组件装置，其中，所述包含控制电路的第三层构造包含用于对由所述多个光电组件(1、2、3)所发出的辐射进行无线遥控的电路。
9.一种制造如权利要求1或2所述的光电组件装置的方法，包括以下步骤：
在载体层(600)上生长具有发光层(101、102)的第一层构造(100)，
制备具有多个半导体层(10、20、200)的层结构，其中所述多个半导体层包括衬底层(10)和第二层构造(200)，所述第二层构造(200)包含不同的两个或多个电路(201、202、203、204)，所述电路(201、202、203、204)中的至少一个用于控制发光层的工作状态，所述电路(201、202、203、204)中的至少一个被衬底层(10)完全包围，并且所述电路(201、202、203、204)中的至少一个直接设置于衬底层(10)上和/或被衬底层(10)部分包围，
将第一层构造(100)设置在衬底层(10)上，
通过印制导线(30)将所述第一层构造(100)连接到所述第二层(200)，以制造光电组件，
布置多个这种光电组件，以制造光电组件装置。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述具有多个半导体层(10、20、200)的层结构通过将第二层构造(200)设置在衬底层(10)上或者集成在衬底层(10)中来制备。
11.如权利要求9所述的方法，其中，第二层构造(200)的至少一个电路通过层沉积法设置在衬底层(10)上和/或通过离子注入法集成在衬底层(10)中。
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