CN106935579A - 有源发光二极管模块 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及有源发光二极管模块。本发明揭示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。

Description

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、发明名称为“有源发光二极管模块”的发明专利申请案。
技术领域
本发明涉及发光二极管(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。
背景技术
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。
发明内容
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RGB LED(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RGB LED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。本发明固有地为每一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为根据本发明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的反平行布置。
图17说明针对彩色显示器或白光而并联连接的RGB LED模块。
图18说明图17中的RGB LED可如何使用控制电压排序以形成任何色彩，包含白光。
图19说明封装在一起，例如在彩色显示器中的单独RGB LED模块。
图20说明使用行及列寻址的RGB LED模块的可寻址网络。
图21说明RGB LED模块的阵列的寻址方案。
图22说明用于图21的网络中的RGB LED模块的封装配置。
图23说明针对改善的色彩混合的彩色LED模块的Z形布置。
图24到38说明各种两端子LED模块。
图24说明与LED串联用于设定穿过LED的电流的电阻器。
图25说明与LED串联用于调整穿过LED的电流的可变电阻器。
图26说明与LED串联的电压钳位器或调节器。
图27说明与LED串联的限流器或调节器。
图28、图29及30说明跨LED的不同电压钳位器。
图31及32说明使用晶体管及电阻器形成的电流调节器及钳位器。
图33及34说明使用晶体管、电阻器及二极管形成的电流调节器及钳位器。
图35说明使用两个晶体管的电流源。
图36说明使用两个晶体管的电压源。
图37说明使用两个晶体管的串联电流源。
图38说明针对彩色像素(包含白光像素)并联连接的两端子RGB LED模块。
在图式中相同或类似的元件用相同数字标注。
具体实施方式
图1说明三端子LED模块10中的电路。模块10形成为从晶片单件化的单个裸片。模块10含有LED 12及其源极及漏极与LED 12串联以控制穿过LED 12的电流的PMOS驱动器晶体管14。漏极-源极阻抗增加LED 12的阻抗。因此，总串联阻抗可通过调制晶体管14的栅极而控制。以此方式，晶体管14执行可变电阻或切换行为。因而，正向电流可仅在栅极偏压超过PMOS晶体管接通阈值的情况下流动。模块10可封装为仅具有三个端子16、17及18。
如下文所述，单个晶体管、有源LED的其它配置是可能的。LED及晶体管的特定配置及晶体管的特定类型的选择取决于应用的控制要求或限制。
图2说明模块10的结构的一个实施例。图2说明两个晶片20及21的小部分，其可使用不同材料及技术来形成。
晶片20为含有数千垂直LED的LED晶片。对于蓝光，材料系统可为AlInGaN，其中化学计量决定峰值发射波长。形成此类LED是众所周知的。蓝光LED最终可被磷光体覆盖以产生任何色彩。LED晶片20可替代地使用其它材料系统以实现从绿光到红光的范围宽广的峰值波长。如众所周知的，LED可包含多阱有源层。晶片20非常简化地展示，这是因为形成LED是常规的。基本上，n型外延层23及p型外延层24生长在生长衬底(例如，蓝宝石、SiC或GaAs)上方。光在pn界面上产生。有源层可形成在所述界面处。生长衬底应在高电阻或光吸收的情况下移除。n型外延层23还可薄化。
在一个实施例中，LED晶片20的底部表面涂布有透明导体层，例如薄金层，以形成与层23的欧姆接触并散布电流。每一LED部分具有形成端子T1的至少一个金属电极。金属电极可形成为薄指状物、星形或以其它方式占据小面积，以不阻挡向下方向上的大量光。在另一实施例中，LED晶片20的底部表面涂布有反射体层，使得光仅从每一单件化LED的侧面或顶部发射。
图2中的底层26代表任何形式的底部导体，包含上述导体。在实例中，底部导体为阴极导体，但是在一些实施例中，底部导体为阳极导体。
LED晶片20的顶部表面准备用于接合到晶片21的底部表面，以形成实质欧姆接触。在一个实施例中，晶片20的顶部表面为通过压力及加热接合到晶片21上类似金属层30的非常平坦的反射金属层28。在另一实施例中，晶片20及21的接合表面可通过Ziptronix公司的专有工艺执行，例如第7,842,540号美国专利所述，其以引用的方式并入本文中。LED晶片20可具有任何直径，例如3到8英寸。施加于LED晶片20的顶部表面与底部表面之间的适当电压将导致LED发射光。
顶部晶片21形成与LED晶片20中的每一LED部分相关联的垂直p沟道MOSFET。通常将存在形成在晶片中的数千LED及MOSFET。晶片21可使用p型硅衬底，其中通过常规光刻技术形成p型漏极阱32、n型栅极34及p型源极36。每一漏极阱32可具有与模块的单件化边缘相符的正方形形状。
晶片21上方的各种电介质层及金属电极可通过印刷或通过使用常规真空腔技术而形成。如果使用印刷，例如丝网印刷，那么电介质层38形成为在栅极34及源极36上方具有开口。随后使用用于掩蔽的丝网在开口中印刷第一金属层40以接触栅极34及源极36。第一金属层40可为含墨金属(例如，Ni、Ti、Al等)粒子及溶剂。当墨固化时，溶剂蒸发且金属粒子烧结在一起。另一电介质层42被印刷为在源极36金属与栅极34金属上方具有开口。额外金属层44(例如铝)被印刷在源极36金属上方，随后为厚源极电极层46。金属层可包含势垒层。图2中的端子T2及T3被设计用于下文描述的特定类型的封装及模块阵列。端子T2及T3可取决于应用及封装而不同地设计。
晶片21上方的各种电介质层及金属层可在将晶片20及21欧姆性接合在一起后形成以避免对导体造成损坏。
可印刷的LED可形成为具有介于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。对于非常小的LED大小，蚀刻为优选单件化方法。
随后使用常规技术，例如蚀刻、锯割、划线及断裂、激光等将经接合晶片20及21单件化。
图3说明简化的经单件化LED模块10。在一个实施例中，模块10的大小(占据面积)为大约0.1mm2到1mm2。端子T1展示为占据模块10的底部表面的小部分以允许光从底部表面逸出。
为了控制图3的模块10以发射光，假设图1的配置，正电压施加到源极端子T3、负电压施加到阴极端子T1，且超过MOSFET阈值的栅极-源极电压(Vgs)施加到栅极端子T2。在一个实施例中，为了使LED正向偏压，跨端子T3及T1的电压差大于2伏特。对于蓝光LED 12，所需的电压差可能大于4伏特。
图4识别取决于LED的位置及所使用的MOSFET的类型控制LED模块的各种方式。举例来说，代替通过控制其栅极电压而控制MOSFET，栅极电压可能固定(正)且源极电压可经控制以实现所要Vgs。LED及电流/电压控制晶体管的其它配置展示在下文所述的图8到15中。
使用晶片接合以将LED部分接合到晶体管部分的优点在于可使用用于两个晶片的不同材料(例如，Si及GaN)。如果LED及晶体管可基于相同材料(例如，GaN或GaAs)，那么LED层及晶体管层可外延生长在相同生长衬底上方。在一个实施例中，众所周知的类型的基于GaAs或GaN的晶体管(被称作高电子迁移率晶体管(HEMT)、异构FET(HFET)、金属半导体FET(MESFET)或调制掺杂FET(MODFET))在AlInGaP或AlInGaN LED之前或之后生长在生长衬底(例如，GaAs、GaN、SiC、蓝宝石等)上方，从而生成蓝光到红光。生长衬底可在高电阻或吸收光的情况下移除。
图5说明其中在生长衬底50上方生长LED层52，之后为晶体管层54的实例。LED模块56的顶部表面上方的电介质层及金属层可类似于图2中的那些层。如果衬底50是导电的(例如SiC)，那么其可保留在模块上。光可取决于材料及应用而离开顶部表面、底部表面或侧表面。
图6说明其中在生长衬底上方生长LED层52及晶体管层54的实例。生长衬底随后被移除且金属电极(未展示)形成在LED层52的暴露表面上方。晶体管上方的电介质层及金属层可类似于图2中的所述层。光随后可从与晶体管表面相对的LED层52的底部表面离开。
图6还可说明其中晶体管层54生长在衬底晶片上且LED层52随后生长在晶体管层54上方的实例。晶体管层54因此充当LED层52的生长衬底。在一个实施例中，生长衬底可为用于生长GaN层的常规衬底，例如蓝宝石、SiC、GaN、硅等。如上所述，晶体管层54针对FET可为一或多个GaN层。LED层52随后生长以形成发射蓝光的常规基于GaN的异质结LED。生长衬底随后例如通过使用激光剥离或研磨而移除以暴露晶体管层54。晶体管层54随后可薄化。在一个实施例中，晶体管层54为n型GaN层且在衬底移除后，晶体管层54的n型表面随后经历常规光刻掩蔽及掺杂工艺(例如，通过扩散或植入)以形成图2所示的p型栅极区域及n型源极区域。图2所示的电介质层及金属层随后可印刷以形成图2所示的晶体管结构。
在图6所代表的另一实施例中，晶体管为异质结型且层54可生长为n型源极层、p型栅极层及n型漏极层。可使用相反导电性。LED层52随后生长在晶体管层54的顶层上方。在生长衬底移除后，可蚀刻半导体层且金属层可沉积以电接触晶体管中的各种层。图2所示的电介质层及金属层随后可印刷以完成FET结构。其它类型的晶体管可与LED层52一体形成。形成基于GaN的晶体管是常规的。
所得晶片随后被单件化以用低成本形成数千个个别LED模块10。
通过生长LED层52及晶体管层54以形成一体结构，跨接合势垒(如图2中)的任何电压降得以避免且效率提高。制造成本与图2的接合结构相比也小得多。
图7说明经封装以囊封其且提供用于施加电力及控制信号到模块10的导体的模块10。经囊封模块10可形成其中许多模块囊封在同一面板中的显示面板的部分。在图7中，提供衬底62，例如透明塑料或玻璃面板，具有用于直接接合到LED模块10的端子T1的金属导体64。在面板中，可能存在连接到阵列中的各种LED模块的许多导体64，或单个导体板可并联连接LED模块。金属导体64最终连接到电力端子。来自LED的光可向下发射穿过衬底62。金属导体64可具有用于接合到端子T1的金属垫。金属导体64还可包含透明导体部分。电介质层66随后丝网印刷在衬底62上方以囊封模块10的侧面。电介质层66还可囊封衬底62所支撑的其它模块。
模块10可具有在囊封之前形成在其侧面上以防止侧向光发射的反射膜68，或电介质层66可为反射的，例如白色。如果需要，膜68还可代表电介质涂层。或者，来自LED的侧光被电介质层66向上及向下反射，例如其中电介质层66含有白色二氧化钛粒子。在此情况中，衬底62可为反射性的，因此所有光最终穿过面板的顶部表面离开。
第二金属导体70形成在MOSFET及电介质66上方以接触栅极端子T2。电介质层72形成在金属导体70上方，且第三金属导体74形成在电介质层72上方以接触源极端子T3。在一个实施例中，金属导体64、70及72为可寻址LED面板(例如彩色显示器或白光源)的窄列及行线。
在多数情况中，电介质层66将比电介质层72厚得多。薄电介质层72适于在导体70及74传导PMOS晶体管的正电压及控制电压的情况下将导体70与74分开，因为这两个导体之间的泄漏不成问题。因此，端子T1应为负电压端子。端子T2或T3的哪个应为正电压端子及哪个应为控制端子的选择取决于应用。通常，顶部导体74的电阻率将低于中间导体70。因而，端子T3的良好选择将为较高电流正电压端子。
面板可包含各种色彩的数千个LED模块10，例如原色红色、绿色及蓝色或其它色彩，例如黄色及白色。所有LED可为蓝光LED，而红色及绿色由红光及绿光磷光体形成。如果面板为待用于通用照明或用作LCD的背光的白光面板，那么每一LED可为涂布有增加绿光及红光分量以形成白光的磷光体的蓝光LED。面板的厚度可为2mm的量级且可为任何大小。各种LED可连接为任何配置，例如串联、并联或组合以实现所要电压降及电流。
光可以多种方式从经封装模块10发射。如果晶体管晶片21对可见光透明，导体70及74是透明的或较窄且晶片20与21之间的接合界面透明，那么LED光可发射穿过图7的定向的顶部表面。透明晶片21可为SiC或GaN，且晶体管可为众所周知的GaN HEMT、MOSFET或MESFET。底部导体64及衬底62可为反射性的。
或者，光可发射穿过封装的底部，其中导体64较薄或透明且衬底62透明。晶片接合界面可为反射性金属。
或者，所有LED光可透射穿过LED的侧壁，随后向上或向下反射穿过封装的顶部或底部表面。晶片接合界面可为反射性金属。电介质层66可为漫射反射的以向上及向下反射光。如果光将发射穿过顶部表面，那么导体70和74可为窄或透明的。导体64及衬底62随后可为反射的。针对底部表面透射，导体70及74可为反射的，导体64为窄或透明的且衬底62为透明的。
在模块(例如图3的单裸片模块)中，控制晶体管可连接为高压侧晶体管或低压侧晶体管，且晶体管可为MOSFET、双极晶体管或本文所述的任何其它类型的晶体管。所有晶体管类型形成为垂直晶体管。图8到15说明一些可能的配置。形成所有垂直晶体管类型是众所周知的。
图8与图1相同。
图9使用高压侧pnp双极晶体管作为控制晶体管。
图10使用高压侧n沟道MOSFET作为控制晶体管。
图11使用高压侧npn双极晶体管作为控制晶体管。
图12使用低压侧p沟道MOSFET作为控制晶体管。
图13使用低压侧pnp双极晶体管作为控制晶体管。
图14使用低压侧n沟道MOSFET作为控制晶体管。
图15使用低压侧npn双极晶体管作为控制晶体管。
形成在每一单件化LED模块的晶片21(图2)中的电路可包含以任何方式互连的多个晶体管及其它组件，例如电阻器。每一LED模块还可包含与形成在晶片21中的组件互连的多个LED。接合LED晶片及“电子器件”晶片的界面可包含形成LED与电子器件晶片中的组件之间的多个导电路径的电极图案。举例来说，形成在LED晶片顶部上的电极图案可对应于形成在电子器件晶片底部上用于形成机械接合及提供特定电子互连的电极图案。粘着剂也可用于额外机械接合晶片。
涉及采用薄电介质层及薄导体的LED模块的高密度布置的问题可能是复杂的。举例来说，印刷导电层之间的泄漏会形成可能增强可控制性或使可控制性降级的寄生电流路径。归因于泄漏的可能寄生电阻在图16的电路中说明为Rlk1、Rlk2及Rlk3。图16的电路80可为显示面板的小部分，其中反平行连接的模块紧密封装在一起以形成单色彩的像素。
“面朝上”LED 82旨在经控制以发射显示面板的光且“面朝下”LED 83旨在通过在高反向瞬态电压的情况下使端子86及94短路而提供LED 82的反向电压瞬态保护。在简单寻址方案中，仅LED 82旨在被点亮。当一行未被选定时，相关联LED(例如，LED82)以亚阈值偏压或可能反向偏压。反平行LED(例如，LED 83)在未选定行被反向偏压的情况下存在问题，此使那些LED正向偏压，从而导致其发射光并减小阵列的亮-暗对比度。
在图16中，LED 82在栅极控制端子84为低于施加到端子86的正电压的阈值电压时发射光，使得MOSFET 88接通。此时，MOSFET 90及LED 83断开。电阻Rlk1代表端子84与正电压端子86之间的泄漏。此泄漏有利，这是因为其提供p沟道MOSFET 88及90两者的弱上拉，从而断开MOSFET 88及90(且断开LED 82及83)作为默认、非受控状态。正电压端子86与负电压端子94之间的泄漏(表示为Rlk2)导致功率损耗且因此降低功率效率；但是，Rlk2为高电阻。控制端子84与负电压端子94之间的泄漏(表示为Rlk3)为MOSFET 88的弱栅极下拉且因此使LED 82的可控制性降级。但是，Rlk3导致MOSFET 90的栅极与源极之间的一些追踪，因此有利于断开LED 83。
如所见，寄生电阻问题应在高密度应用中予以考虑。寄生电容也可予以考虑。
图17说明含有至少三个LED模块的单个封装中的电路。封装可为含有可寻址LED的阵列的显示面板。一个模块包含发射红光的LED 98，一个模块包含发射绿光的LED 99且一个模块包含发射蓝光的LED 100。LED 98及99可为磷光体涂布的蓝光LED。类似于图1及2，模块包含p沟道MOSFET 101、102及103。封装包含将源极电连接在一起的导体106(例如，X地址线)及将LED的阴极连接在一起的导体108(X地址线)使得模块并联连接。每一LED被由导体110到112(例如，Y地址线)施加到其相应MOSFET的栅极的单独控制电压控制。以此方式，任何色彩的光(包含白光)可由封装产生。三个模块可形成显示器中的单色像素或可为白光面板的部分。
集成模块在控制并联连接的不同色彩的LED时的优点在于模块可具有连接到正电压及负电压的两个共同端子，第三端子每次选择单个LED。通过每次仅接通一个色彩的LED，其正向电压不影响跨越其它LED的电压。举例来说，如果控制电压皆同时被拉低，那么红光LED 98的低正向电压可防止绿光及蓝光LED接通。只要每次仅一个LED色彩活动，则不同正向电压之间不存在冲突。不同LED色彩的接通持续时间可在时间上分割(时分多路复用)，且控制电压电平可针对有源LED正向电压而调整。在一个实施例中，施加到MOSFET 101到103的栅极的控制电压按高于大约60Hz的频率依序提供，其中控制电压的相对工作周期控制所感知的光的色彩。
图18为单个循环中用于控制来自三个模块的光发射的红光、绿光及蓝光LED 98到100的相对接通时间的实例。控制电压可针对每一色彩的LED而不同以导致相应LED发射特定预定通量级(例如，标称最大亮度)，借此任何总体亮度级及色彩(包含白光或中性光)可通过控制每个循环的绝对接通时间(针对亮度)及相对接通时间(针对色彩)而实现。
图19说明含有三个LED模块109、110及111的封装108。封装可为可寻址LED的整个面板，且图19可仅说明面板的一小部分。模块109含有红光LED，模块110含有绿光LED且模块111含有蓝光LED。在图19的实例中，LED的阴极端子T1由导体114连接在一起、由衬底116支撑。来自封装108的光发射的方向可为参考图7所述的那些方向中的任何者。模块109到111中的晶体管为p沟道MOSFET，其中充分低于源极电压的栅极电压接通晶体管及LED。晶体管的栅极由导体118共同连接且晶体管的源极分别被导体120、121及122接触，延伸到附图页面中且延伸出附图页面。跨导体114及118的电压高于LED中的任何者的正向电压。通过以时分方式个别控制源极电压，可分别控制相应晶体管以传导任何电流以控制RGB色彩的混合。
电介质层66及72可与图7中相同。
或者，图19中的晶体管的源极可由取代导体120到122的导体连接在一起，且栅极被取代共同导体118的导体分别接触以允许经由栅极电压个别控制晶体管。
在一个实施例中，图19的结构代表具有五个端子的单个三模块封装。在另一实施例中，图19的结构仅为具有单个衬底116的大得多的面板的一部分，其中每一彩色像素位置含有三个RGB模块。电介质66可为囊封面板上的所有模块的单个电介质层。行中的像素可通过跨行(X)导体114及118施加电压而寻址，且经寻址的行中的任何像素位置上的个别LED可通过施加适当控制电压到列(Y)导体120到122而接通。列中的许多模块可接收相同控制电压，但未寻址行中的LED将不会接通。
在许多LED可同时接通的高功率(>0.1W/in2)照明应用(包含背光照明LCD)中，对于给定功率增大操作电压及减小电流是有利的。印刷互连件中的功率损耗与电流的平方成比例；因此，效率可通过串联连接多个LED段而增大，其加总为较大电压但较低电流。图20说明具有多段串联连接(列)的并联RGB LED(行)的照明面板。面板可能大得多。LED 124及p沟道MOSFET 125的每一组合为以上述任何方式形成的单个模块。
在使用图20的面板的一个实例中，白光形成如下。正电压(例如，15伏特)施加到导体130且负电压(例如，接地)施加到导体132。由于LED中的任一者的最大正向电压假设为4伏特且存在串联的三个LED，所以15伏特足以驱动每一串。在图20的实例中，红光LED在最左一列中，绿光LED在中央一列中，且蓝光LED在最右一列中。列中的所有红光LED由施加到导体136的相同红光控制电压控制，列中的所有绿光LED由施加到导体138的相同绿光控制电压控制且列中的所有蓝光LED由施加到导体140的相同蓝光控制电压控制。控制电压量级可不同以实现穿过每一列LED的所要电流。控制电压按例如如图18所示的次序及工作周期施加，以实现所要总体色彩输出。沿着导体136、138及140的电阻分压器导致列中的每一MOSFET具有相同Vgs。导体132与130之间由高值电阻器形成的另一电阻分压器确保每一行的模块在LED断开时具有跨越其的相同电压，因此列中的所有MOSFET将同时接通。
来自RGB LED的光将在距离面板的表面仅几毫米处混合及/或漫射面板可用于提高光的均匀度。
代替使用导体130与132之间的电阻分压器，单独电压可施加到X导体130、134、142及144中的每一者以跨每一行施加5伏特。
许多小面板可连接在一起以形成单个大面板。小面板可取决于所要电压及电流连接为串联及并联的任何组合，或每一面板可由其自身的电力供应器分别驱动。在一个实施例中，面板形成用于通用照明的2x4英尺天花板面板(灯)。
在另一实施例中，图20的面板可为彩色显示器。对于彩色显示器，导体130与132之间的电阻分压器被免除，且每次通过跨行提供例如5伏特的电压而对单行模块寻址。随后，控制电压依序施加到导体136、138及140以产生单色像素的RGB色彩。显示器可为任何大小。
如果图20的面板将用于通用照明，那么无需行寻址，且串联红光、绿光及蓝光LED的列仅通过施加控制电压到导体136、138及140以接通各种MOSFET而以快速时分重复模式寻址。对于人眼，色彩混合在一起而无闪烁。每一色彩的接通时间(串联的LED的特定数量)或每一色彩的控制电压可经选择以产生所要的感知色彩(例如，白点)。所发射的色彩可经控制以可供用户选择。
对于照明面板(相对于具有可寻址像素的彩色显示器)，个别RGB元素的会聚对于减小未混合色彩的视觉公害很重要。因此，必须使个别LED色彩图案化为常规图案，其将会聚为特定漫射长度内的所要色彩。其次，对于暖白色，需要比绿光及蓝光大得多的红光功率。具有常规图案及两倍于绿光及蓝光LED的红光LED的两级RGB阵列展示于图21中。图21说明用于通用照明的灯中的RGB LED的寻址方案。两级互连将红光控制导体与绿光及蓝光导体分开。蓝光及绿光LED的行交替，而红光LED在每一行中介于蓝光LED与绿光LED之间。
在图21中，面板中的所有LED的阴极连接到共同接地导体且所有晶体管(例如，p沟道MOSFET)的栅极连接到共同正电压导体。因此，将控制源极电压以控制穿过LED的电流。蓝光通道地址总线150将蓝光X导体152耦合到蓝光LED的晶体管的源极。绿光通道地址总线154将绿光X导体156耦合到绿光LED的晶体管的源极。如果蓝光及绿光LED使用大致相同的正向电压，那么地址总线150及154可连接在一起。红光通道地址总线158较宽且耦合到红光LED的晶体管的源极。因此，由面板输出的总体色彩由施加到三个地址总线150、154及158的电压及控制电压的工作周期控制。连接到导体及总线的红光、绿光及蓝光LED模块的阵列159布满面板。红光、绿光及蓝光LED的数量及类型可经选择以实现面板的最佳效率。
图22展示图21的两级RGB阵列面板的小部分的沿着图21中的线22-22的锯齿状横截面图，其展示一组RGB LED封装模块。所有电介质层及导体层可通过印刷形成。
在图22中，衬底160可为透明板。支撑在衬底160上的接地(或负电压)导体162连接到红光模块166、绿光模块167及蓝光模块168的阴极端子。导体162可为透明或薄的以允许光发射穿过衬底160。电介质层164囊封模块166到168的侧面。栅极导体166连接到模块166到168中的MOSFET的栅极。固定正电压(相对于导体162电压)施加到栅极导体166。电介质层168形成在导体166上方。单独导体152及156(延伸到附图中且延伸出附图)连接到蓝光模块168及绿光模块167的相应源极电极157以分别控制到蓝光及绿光LED的电流。每一红光LED模块具在导体152及156上方延伸的凸起源极接触件170。电介质层172形成在导体152及156上方及电介质层168上方。红光通道地址总线158随后形成在电介质层172上方以接触红光LED模块166的所有源极173。总线158覆盖RGB LED模块的整个阵列且还充当反射体。如所见，所得面板具有两级控制导体以分别控制到红光、绿光及蓝光LED的电流。如上所述，图21的阵列中的LED并联连接且LED的不同色彩以依序方式控制。多个阵列可串联及并联连接在一起而以最佳电压及电流实现具有任何总体亮度的任何大小面板。
在一个实施例中，导体152及156的宽度为大约1mm或更小。LED可产生50um2到1mm2的像素大小。对于需要跨面板的均匀光的白光源，RGB色彩仅在面板上方大约1mm到2mm的高度上混合。还可使用漫射板。红光、绿光及蓝光LED可按60Hz或更大频率依序通电以避免闪烁。相应工作周期决定面板所发射的总体色彩。
或者，图22可表示形成彩色显示器或任何其它应用的单个可控像素的单个、封装RGB灯。
图23说明针对改善的色彩混合的红光、绿光及蓝光LED模块的Z形布置。在图23中，红光LED模块180的短对角线布置为Z形列。类似地，绿光LED模块182的短对角线布置为Z形列且蓝光LED模块184的短对角线布置为Z形列。额外红光LED模块列可插入绿光列与蓝光列之间以增加更大暖度到所得白光。RGB光的Z形针对跨面板的更均匀白光而更好地混合光。到RGB LED模块的连接可与参考图21及22所述相同，因此为简洁起见不展示。
在一些应用中，将相同色彩的LED模块并联连接有好处。可能存在任何数量的并联连接的足部。LED模块串可形成并联电路的每一足部且每一足部可包含不同数量的串联LED模块。单个足部中的LED一起通电且各足部被独立控制。此技术可用于调整从并联电路发射的总体亮度(通量)，同时允许LED以最大效率操作，其通常在相对较低电流下获得。因此，为了实现更高亮度，代替增大穿过LED模块串的电流(其导致较低效率)，具有较少LED的一串LED模块可在最佳电流下通电。时分多路复用可用于高效获得任何亮度级。
图24到38说明可形成为晶片接合模块的两端子LED模块或其中无源或有源电路外延生长在与LED的相同晶片上或其中无源或有源电路通过使掺杂物扩散或植入LED晶片中而形成的各种配置。模块可具有顶部电极及底部电极，其中底部电极为LED的阴极且顶部电极为无源或有源电路的电极。设想LED的其它定向。图24到38的电路控制穿过LED的电流及/或通过减小对输入电压变化的敏感度而提供LED的实质上均匀照度。
图24说明在单个模块裸片194中与LED 192串联的用于调整穿过LED的电流的电阻器190。如图24，最简单的V-I转换器用串联电阻实现。电阻缓冲LED电压的变化。对于LED的大输入电压及相对较小正向电压，电流大致等于输入电压除以串联电阻。如果输入电压比正向LED电压大得多，那么如图24中，固定电阻可足以减小LED性质的不确定性。对于并联连接的RGB LED模块，每一模块中的串联电阻可经选择使得每一LED同时被照亮。这防止具有低正向电压的LED(例如红光LED)将跨绿光及蓝光LED的电压钳位为低于绿光及蓝光LED的正向电压的电压。串联电阻下降足够电压以防止此钳位。
对于接近正向LED电压的输入电压，可变电阻196(例如图25所示)用在两端子模块中以调整穿过LED 192的电流。使用可变电阻，这是因为LED的正向电压在LED之间稍微变化且电阻值的精确度对于实现所需电流很重要。可变电阻可为有源装置，包含晶体管。
图26说明与单个模块中的LED 192串联或跨单个模块中的LED 192的电压钳位器或调节器198。串联电阻器实现不减小对输入电压变化的照度敏感度。为了缓冲电压源不确定性，可使用图27所示的电压钳位器或调节器198或电流调节器或限流器200。对于足够大的输入电压，照度因此独立于输入电压。
图28、29及30说明跨LED的不同电压钳位器202、206及210。电压钳位器可由单个二极管(图28)、串联的数个二极管(图29)或齐纳二极管(图30)实现。二极管钳位器限制施加到LED的电压且串联电阻限制到LED的电流。
电压钳位及二极管限制的更稳健方法可使用晶体管实现。图31说明跨LED的钳位器212且图32说明使用晶体管及电阻器形成的限流器214。晶体管提供有源构件以改变串联电阻及因此减小对输入电压的敏感度。图9的模块可用于通过在连接在晶体管的基极与负端子之间的半导体材料中形成电阻器而形成图31的电路。类似地，图11的模块可用于通过在连接在晶体管的基极与正端子之间的半导体材料中形成电阻器而形成图32的电路。
图24到38的电路中的不同另一者可使用图9及11的模块通过在半导体材料中形成额外电路元件及在元件之间形成连接而形成。
图33说明钳位器218且图34说明使用晶体管、电阻器及二极管形成的电流调节器222及钳位器。
图35说明使用两个晶体管的电流源226。如果使用更多晶体管，那么可实现更好调节。
图36说明使用两个晶体管的电压源230。
图37说明使用两个晶体管的串联电流源234。
图38说明并联连接的图24到37的两端子模块中的任何者，其中三个模块240、242、244含有红光、绿光及蓝光LED以在照明面板中形成单个照明元件，例如用于通用照明或背光照明。电路246针对每一色彩的LED设定以发射所要亮度(通过设定穿过LED的特定电流)同时还设定跨模块的所要电压降以允许RGB LED中的每一者接通。集成LED模块可并联以在无其它外部组件的情况下实现均匀照度。在另一实施例中，所有LED为相同色彩，包含具有磷光体涂布以产生白光的蓝光LED。
图24到38的模块中的任何者还可包含与LED串联以形成三端子模块的图1到23的晶体管控制器。
本文所述的所提出的解决方案将V-I驱动器与LED集成在单个裸片中。驱动器及LED形成集成电路，其制造于两个晶片接合衬底或同一衬底上。此集成减小LED及到全局系统的互连的固有及寄生不确定性。集成与使用非集成V-I驱动器相比还极大地减小电路的大小及成本。这允许每一LED具有其自身的专用驱动器。
此外，为每一LED提供其自身的可控驱动器使每一LED能被控制以输出所要亮度，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。
上述实例已使用MOSFET及双极晶体管；但是本发明的范围不受晶体管技术的限制。实现可使用CMOS、BiCMOS、BCD或其它集成电路工艺形成。还可使用未展示的额外晶体管技术，例如JFET、IGBT、闸流晶体管(SCR)、三端双向可控硅元件及其它。
虽然已展示及描述本发明的特定实施例，但是所属领域的技术人员应了解可进行改变及修改而不脱离本发明的较宽泛方面，且因此所附权利要求书将在其范围内涵盖落在本发明的真实精神及范围内的所有此类改变及修改。

Claims (18)

1.一种照明装置，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.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一LED和所述第一晶体管为第一模块的部分，所述装置进一步包括包含第一模块的多个模块，其中所述多个模块中的LED发射不同波长的光。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述装置发射红光、绿光和蓝光的组合。
12.一种用于形成发光装置的方法，其包括：
提供半导体材料；
生长第一发光二极管LED的多个层，所述多个层包括第一导电率的第一LED层和第二导电率的第二LED层，所述第一LED层和所述第二LED层在所述半导体材料的顶部表面被外延生长；
在所述半导体材料的所述顶部表面上或其中形成第一晶体管，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中央；及
形成第一导体，所述第一导体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层的第一导体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。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括穿过所述半导体材料形成第二导体，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。
14.根据权利要求12所述的方法，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。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述装置为三端子装置，其中所述LED的所述第二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。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一LED在形成所述第一晶体管之前形成，所述方法进一步包括：
刻蚀所述第一LED层或所述第二LED层中的至少一者以暴露用于形成所述第一晶体管的区域；及
在所暴露的区域中形成所述第一晶体管。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一晶体管在形成所述第一LED之前形成，所述方法进一步包括：
掩蔽所述第一晶体管以暴露所述半导体材料上的区域；及
在所述半导体材料的所暴露区域上生长所述第一LED的所述多个层。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述半导体材料包括硅、SiC、GaN和GaAs中的一者。
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