CN105932020B - 整合式发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整合式发光装置。该整合式发光装置结合了至少一发光元件、包含集成电路区的控制元件以及将发光元件与控制元件电性连接的连接区。经由此结合方式，可以通过集成电路所设计的多样化功能来驱动发光元件，增加整合式发光装置的应用领域。

Description

整合式发光装置
本申请是申请日为2010年7月30日且题为“整合式发光装置及其制造方法”的第201010243795.0号发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及整合式发光装置及其制造方法，利用半导体工艺将集成电路与发光元件予以整合。此整合式发光装置并可通过集成电路所设计的功能来控制发光元件，增加其应用性。
背景技术
将发光元件与其他元件加以整合的技术不断发展中，而目前逐渐普及的发光二极管由于其体积小、能耗低，各式的应用不断衍生出来，因此如何将发光二极管整合在各种装置的方法成为有趣的课题。目前常见的整合装置主要都是以一个外部的控制元件如PCB(印刷电路板)为主体，再与封胶完成的发光二极管连接，进而通过此外部控制元件来驱动并控制此发光二极管使其发光。然而，此种整合式的发光装置的体积往往因外部控制元件过大，无法满足目前对电子产品要求在尺寸轻、薄、短、小下且功能要不断扩充的需求。
发明内容
本发明所披露的整合式发光装置包含控制元件、发光元件与连接区。控制元件具有集成电路区、多个内连栓塞与多个电源垫。连接区包含第一导电区与第二导电区。通过连接区可将控制元件与发光元件电性连接。因此，当电流经由外部电源进入此整合式发光装置时，可经由控制元件来控制此发光元件。又由于控制元件中的集成电路区可被设计成多功能且体积小的控制电路，因此整合式发光装置的应用领域可加以提升。而连接区利用与制作集成电路区的相同技术，使得在制作此整合式发光装置时更有效率。
附图说明
图1显示整合式发光装置各部元件；
图2(a)-2(d)显示整合式发光装置的控制元件的制造流程；
图3显示发光二极管；
图4(a)-4(c)显示整合式发光装置的连接区的制造流程；
图5(a)-(c)显示本发明所披露的实施例及其等效电路；
图6显示本发明所披露的实施例；
图7显示本发明所披露的又一实施例；
图8(a)-8(b)显示本发明所披露的制造流程；
图9(a)-9(b)显示本发明所披露的实施例的等效电路
图10(a)-10(d)显示本发明所披露的实施例的制造流程；
图11显示本发明所披露的又一实施例；
图12(a)-12(b)显示本发明所披露的又一实施例的制造流程；
图13显示本发明所披露的又一实施例；
图14显示本发明所披露的又一实施例；
图15显示本发明所披露的又一实施例；
附图标记说明
101:半导体基板
102:集成电路区
103:电源垫
201:第一电极
202:第二电极
203:第一半导体层
204:第二半导体层
205:发光区
301:第一导电区
302:第二导电区
具体实施方式
第一实施例:
如图1中所示，有控制元件100，此控制元件100包含半导体基板101，集成电路区102与多个电源垫103。集成电路区102形成于半导体基板101上，其中集成电路区102包含多个内连栓塞1021及介电区1022。多个电源垫103形成于集成电路区102上。所述半导体基板101的材料可为目前常见的硅(Si)、锗(Ge)、GaN、或GaAs，也可为任何一种能隙(band gap)大小介于导体与绝缘体之间的半导体材料。集成电路区102的形成方式主要是通过，但不限于，目前半导体工艺常用的黄光光刻(Photolithography)、蚀刻(Etch)、薄膜(Thin Film)、与扩散(Diffusion)、离子注入(Ion Implant)等技术制造完成。
图2a～2d进一步详细地描述集成电路区102的形成方式。首先，如图2(a)所示为半导体基板101，具有表面1011。其次，如图2(b)所示在半导体基板101的表面1011形成多个固态控制单元1023与多个分隔区1024，任一固态控制单元1023包含至少一掺杂区(dopantarea)1023a、栅极(gate)1023b与至少一连线1023c。多个固态控制单元1023可为场效晶体管(MOSFET)、二极管(Diode)、可程式元件(FPGA)、双极晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、结型场效应管(JFET)等。接着如图2(c)所示，形成介电区1022与多个内连栓塞1021，其中介电区1022可包含一层或一层以上的介电层，介电区1022的材料可为氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氧化钛(TiOx)、FSG(氟硅酸盐玻璃Fluorosilicate Glass)、PSG(磷硅酸盐玻璃Phosphosilicate Glass)、BPSG(硼硅酸盐玻璃Borophosphosilicate Glass)或氧化铝(AlOx)等，制造方式可通过CVD(Chemical Vapor Deposition化学气相沉积)、旋涂(Spin Coating)等技术完成。多个内连栓塞1021与固态控制单元1023电性连接。接着如图2(d)所示，在集成电路区102上方形成多个电源垫103以完成控制元件100。上述的控制元件100由于具备逻辑电路的功能，因此当有外部电源，例如直流电源，可通过电源垫103将电流导入集成电路区102中的多个固态控制单元1023，而控制元件100会依其所设计的电路进行运作。
图3显示本实施例中所包含的发光元件200，此发光元件可为发光二极管、激光、SoC(芯片上系统System on Chip)LED(发光二极管)或上述选择的任意组合。在本实施例中以发光二极管为例。发光二极管200包含第一电极201、第二电极202、第一半导体层203、第二半导体层204与发光区205。为了提高出光效率，此发光二极管200也可选择性地加入反射层、电流分散层(图未示)。此发光元件200的形成方式是在成长基板(图未示)上以已知的发光二极管制造流程制造而成。半导体层与发光层的主要材料可为III-V族半导体材料，例如AlGaInP系列或GaN系列半导体材料：AlGaInP、AlInP、AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN，或II-VI族半导体材料，如、ZnSe、ZnSeCr、ZnSeTe、ZnS、CdSe等。
接着，如图4所示为连接区300的形成过程示意图。首先如图4(a)所示在控制元件100的集成电路区102上以例如薄膜技术沉积形成导电薄膜305。接着，如图4(b)所示，以例如黄光光刻与蚀刻等工艺将导电薄膜305的部分去除，形成包含第一导电区301与第二导电区302的连接区300。另外，如图4(c)所示，可选择性地再施加如黄光光刻与蚀刻等工艺将第一导电区301与第二导电区302制作成厚度相异的两个导电区。第一导电区301与第二导电区302分别与控制元件100的内连栓塞1021电性连接。
图5(a)所示为将上述的控制元件100、发光二极管200与连接区300组合而成的整合式发光装置10A的示意图。在此实施例中，与控制元件100连接的连接区300的第一导电区301电性连接发光二极管200的第一电极201；与控制元件100连接的连接区300的第二导电区301电性连接发光二极管200的第二电极202。连接区300的第一导电区301与第二导电区302与发光二极管200的第一电极201与第二电极202之间可以键接等方式予以接合。本实施例中，连接区300可进一步包含围绕在第一导电区301与第二导电区302的周围的绝缘区(图未示)以避免导电区与外界环境产生电性干扰，并可改善整合式发光装置10A的整体机械强度。绝缘区可透过CVD、旋涂(Spin Coating)等工艺形成，其材料可为氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氧化钛(TiOx)、FSG、PSG、BPSG或氧化铝(AlOx)等，也可透过填充(filling)的方式将例如为聚亚酰胺、苯并环丁烷、过氟环丁烷或环氧树脂围绕在第一导电区301与第二导电区302的周围。
当有外部电源50，例如直流电源产生电流时，可先通过控制元件的电源垫103导入发光装置10A中，形成如图5(b)与图5(c)的等效电路，亦即控制元件100为源极(source)而发光二极管200为漏极(drain)，或控制元件100为漏极(drain)而发光二极管200为源极(source)。连接区300为连接控制元件100与发光二极管200的线路。控制元件100可依应用的需要设计成数毫米至数厘米尺寸大小的芯片，再利用此微小的控制元件100来控制及驱动发光二极管200。所整合形成的发光装置具有较小的体积，工艺也更为简化。此外，整合式发光装置10A完成后，可再进行封装以形成外形单一的整合式发光装置。
控制元件100的集成电路区102可被设计成具有应用功能的控制元件，可以提供如整流、放大、等不同的功能。以目前讲究轻薄短小的无线装置为例，可以将作为显示模块的背光源中的发光二极管200利用本发明所披露的工艺将此发光二极管透过连接区300与控制元件100—在此为上述的无线装置的主要控制电路—结合成整合式发光装置10A。接着透过控制元件100来调整发光二极管200的电流进而改变显示模块的亮度。又或控制元件100可设计为整流器，可将交流电转换为直流电，因此整合式发光装置10A于封装完成后可直接利用交流电源进行发光。
第二实施例:
本发明所披露的另一实施例如图6所示，包含控制元件100B、发光元件200B与连接区300B。控制元件100B的结构与制作流程与第一实施例相同。发光元件200B为垂直式结构的发光二极管，包含第一电极201B、第二电极202B、第二半导体层204B与发光层205B。连接区300B包含第一导电区301B、第二导电区302B与电桥303B。发光元件200B的第一电极201B与连接区300B的第一导电区301B电性连接，发光元件200B的第二电极202B通过连接区300B的电桥303B与第二导电区302B电性连接。电桥303B可为金属线。本实施例中，连接区300B可进一步包含绝缘区(图未示)围绕在第一导电区301B与第二导电区302B的周围以避免与外界环境产生电性干扰，并可改善整合式发光装置10B的整体机械强度。绝缘区可透过CVD、旋涂(Spin Coating)等工艺形成，其材料可为氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氧化钛(TiOx)、FSG、PSG、BPSG或氧化铝(AlOx)等，也可透过填充的方式将例如为聚亚酰胺、苯并环丁烷、过氟环丁烷或环氧树脂围绕在第一导电区301B与第二导电区302B的周围。
第三实施例:
本发明所披露的另一实施例10C如图7所示。本实施例包含控制元件100C、连接区300C与发光元件200C。控制元件100C包含半导体基板101C、上表面110C、下表面120C、集成电路区102C、多个电源垫103C，第一连接垫104C、第二连接垫105C、第一穿透栓塞106C与第二穿透栓塞107C。集成电路区102C包含多个内连栓塞1021C及介电区1022C。第一连接垫104C、第二连接垫105C与多个电源垫103C形成于上表面110C。第一穿透栓塞106C与第二穿透栓塞107C分别自控制元件100C的上表面110C延伸至控制元件100C的下表面120C，并电性连接第一连接垫104C与第二连接垫105C。介电区1022C可包含一层或一层以上的介电层，介电区1022的材料可为氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氧化钛(TiOx)、FSG、PSG、BPSG或氧化铝(AlOx)等，制造方式可通过CVD(化学气相沉积Chemical VaporDeposition)、旋涂(SpinCoating)等技术完成。第一连接垫104C与第二连接垫105C的形成方式可在制作电源垫103C时，以同一步骤制作完成。发光元件200C可为发光二极管、激光、或芯片上系统(SOC)发光二极管，在本实施例中，是以发光二极管为例。此发光二极管200C包含第一电极201C、第二电极202C、第一半导体层203C、第二半导体层204C、发光区205C及选择性地加入反射层206C以增加出光效率。
连接区300C包含第一导电区301C、第二导电区302C、绝缘区400C、以及第一连接面320C。连接区300C以例如黄光光刻、蚀刻、薄膜等工艺在控制元件100C的下表面120C上形成第一导电区301C、第二导电区302C与绝缘区400C。第一导电区301C与第二导电区302C的组成材料可以为金属、金属化合物及其组合。绝缘区400C可为由多层绝缘层组成的复合结构，其材料可为氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氧化钛(TiOx)、FSG、PSG、BPSG或氧化铝(AlOx)等。制造方式可通过CVD、旋涂(Spin Coating)或填充等技术完成。第一导电区301C电性连接控制元件100C的第一穿透栓塞106C，第二导电区302C电性连接第二穿透栓塞107C。
图8(a)-(b)进一步说明本实施例第一穿透栓塞106C与第二穿透栓塞107C的制造流程示意图。首先如图8(a)以例如黄光光刻与蚀刻等技术自下表面120C蚀刻出延伸至上表面110C的第一穿透孔1061C与第二穿透孔1071C。接着如图8(b)所示，以化学气相沉积(CVD)、溅镀(Sputter)、电镀(Electro Plating)或物理气相沉积(PVD)等薄膜工艺将单层或多层的金属、金属化合物及其组合填入第一穿透孔1061C与第二穿透孔1071C，进而形成第一穿透栓塞106C与第二穿透栓塞107C。在此要特别提出的是，制作电源垫、第一及第二连接垫与制作第一、第二穿透栓塞的顺序是可以互相交换的，也就是除了上述的流程之外，也可以先完成第一、第二穿透栓塞再制作电源垫与连接垫。另外，为了减少第一与第二穿透栓塞对集成电路区102C的干扰，可选择性地在形成第一穿透孔1061C与第二穿透孔1071C后，先在第一穿透孔1061C的内壁与第二穿透孔1071C的内壁镀上具介电性质的隔离层，接着再以化学气相沉积、溅镀、电镀或物理气相沉积等薄膜技术将单层或多层的金属、金属化合物及其组合填入第一穿透孔与第二穿透孔形成第一、第二穿透栓塞。
当有外部电源，例如直流电源产生电流时，可透过控制元件100C的电源垫103C导入发光装置10C中，形成如图9(a)与图9(b)的等效电路。亦即控制元件100C为源极(source)而发光二极管200C为漏极(drain)，或控制元件100C为漏极(drain)而发光二极管200C为源极(source)。连接区300C为连接控制元件100C与发光二极管200C的线路。
通过在控制元件100C中形成第一穿透栓塞106C与第二穿透栓塞107C，可将发光元件200C置于靠近控制元件100C的下表面120C的一侧。由于第一穿透栓塞106C与第二穿透栓塞107C可在非集成电路区102C的其他区域完成，因此可避开控制元件100C内部复杂的集成电路区102C而增加工艺的容忍度。本实施例的另一优点是，由于发光元件200C靠近控制元件100C的下表面120C的一侧，控制元件100C的上表面110C上增加了空间，可与第二控制元件连接并整合成具多功能的系统。
第四实施例:
如图10(a)所示，此实施例包含控制元件100D，具有第一表面110D、第二表面120D、半导体基板101D、集成电路区102D、多个电源垫103D、第一连接垫104D与第一穿透栓塞106D。集成电路区102D包含多个内连栓塞1021D、与介电区1022D。第一连接垫104D与多个电源垫103D形成于第一表面110D上，且第一连接垫104D电性连接集成电路区102D与第一穿透栓塞106D。电源垫103D可与外部电源电性连接，将电流导入控制元件100D中。第一穿透栓塞106D自控制元件100D的第一表面110D延伸至第二表面120D，并电性连接第一连接垫104D。第一连接垫104D可在同时制作电源垫103C时，以同一步骤制作完成。半导体基板101D有延伸部1011D突出控制元件100D外。介电区1022C可包含一层或一层以上的介电层，介电区1022的材料可为氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氧化钛(TiOx)、FSG、PSG、BPSG或氧化铝(AlOx)等形成。制造方式可通过CVD(Chemical VaporDeposition化学气相沉积)、旋涂(Spin Coating)等技术完成。第一穿透栓塞106D的工艺与第三实施例中的第一穿透栓塞106C工艺相同。
图10(b)～10(d)所示为连接区300D的制造流程示意图。首先，以例如黄光光刻与蚀刻等工艺在半导体基板的延伸部1011D形成两个连接孔303D，接着再如图10(c)所示以例如化学气相沉积、溅镀、电镀、物理气相沉积等工艺及其组合将导电层304D形成在控制元件100D的第二表面120D并填入连接孔303D中。导电层304D的材料可为单层或多层的金属、金属化合物及其组合。最后，如图10(d)所示，以例如黄光光刻与蚀刻等工艺形成第一导电区301D与第二导电区302D，其中第一导电区301D电性连接第一穿透栓塞106D。在本实施例中，连接区300D可利用控制元件100D的半导体基板的延伸部1011D的部分加以完成，不需另外制作绝缘区来包覆第一与第二导电区。
图11显示透过连接区300D将发光二极管200D与控制元件100D连接形成整合式发光装置10D。此整合式发光装置10D可在制作完成后，再透过连接区300D的第二导电区302D与第二发光元件电性连接。又由于发光元件200D是在半导体基板的延伸部1011D与控制元件100D电性连接，因此可以利用控制元件100D的第一表面110D再与其他元件，如第二控制元件或第二发光元件连接。
第五实施例:
在本实施例中，如图12(a)～(b)所示，有半导体晶片500，在此晶片上形成多个控制元件100E与多个连接区300E。控制元件与连接区的制造方法与上述诸实施例相似，是以例如黄光光刻、蚀刻、薄膜、扩散与离子注入等工艺进行，而下本实施例中是于晶片级工艺(wafer level process)下完成，因而可以快速且大量的同时完成多个控制元件100E与连接区300E。本实施例又包含载板600，包含多个发光元件200E。接着如图12(b)所示，将此多个发光元件200E与多个连接区300E以键接的方式接合，因此控制元件100E与发光元件200E透过连接区300E电性连接。最后再如图13将载板600移除，形成多个整合式发光装置10E。此多个整合式发光装置10E可以分别切割成单一个整合式发光装置10E，或者也可依需要切割成包含一个以上的整合式发光装置10E的发光系统。
图14绘示本发明实施例包含背光模块700。其中，背光模块装置700包含由本发明上述任意实施例的发光装置711所构成的光源装置710、置于光源装置710的出光路径上的光学装置720以将光做适当处理后出光、以及电源供应系统730以提供上述光源装置710所需的电源。
图15为本发明实施例的照明装置800的示意图。其中，照明装置800可为车灯、街灯、手电筒、路灯或指示灯等等。其中，照明装置800可包括由本发明上述的任意实施例的发光装置811所构成光源装置810、电源供应系统820以提供光源装置810所需的电源、以及控制元件830用以控制电流输入光源装置810。
本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims (10)

1.一种整合式发光装置，包含：
一第一控制元件，其中该第一控制元件包含一半导体基板，一集成电路区形成在该半导体基板的一第一部分上，以及多个电源垫形成在该集成电路区上；
一第一发光元件，形成在该半导体基板的一第二部分上；以及
一穿透栓塞，穿过该半导体基板以电性连接该第一控制元件以及该第一发光元件。
2.如权利要求1所述的整合式发光装置，还包含形成在该半导体基板的该第二部分上的一连接区。
3.如权利要求2所述的整合式发光装置，还包含穿过该半导体基板的该第二部分的一连接孔以及填满该连接孔的一导电层。
4.如权利要求3所述的整合式发光装置，其中该连接区位于该半导体基板上相对于该第一发光元件的相对侧，以及该连接区以该导电层电性连接该第一发光元件。
5.如权利要求4所述的整合式发光装置，其中该穿透栓塞与该连接区连接。
6.如权利要求4所述的整合式发光装置，其中该第一发光元件包含电性连接该连接区的一电极。
7.如权利要求5所述的整合式发光装置，其中该第一控制元件还包含在该集成电路区上并连接该穿透栓塞到该集成电路区的一连接垫。
8.如权利要求1所述的整合式发光装置，其中该集成电路区包含电性连接到该多个电源垫的多个内连栓塞，以及一介电区，其中该多个内连栓塞内嵌在该介电区中。
9.如权利要求1所述的整合式发光装置，还包含在该集成电路区上的一第二控制元件。
10.如权利要求1所述的整合式发光装置，还包含在该集成电路区上的一第二发光元件。
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