CN110419108B - 具有用于操作反馈的传感器节段的发光二极管 - Google Patents

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Abstract

描述了具有用于操作反馈的传感器节段的发光二极管（LED）。在蓝宝石衬底上生长半导体叠层。半导体叠层被分段以形成至少两个节段，其中一个节段（光敏传感器节段）感测来自另一个节段（发射器节段）的光发射。通过刻蚀沟槽或在节段之间形成分割层来实现分割。一个节段可以在预定的基础上在用作光敏传感器节段或发射器节段之间交替。光敏传感器节段可以检测从发射器节段发射的侧光线或来自衬底的反射光线。光敏传感器节段基于检测到的光线生成电流。检测器电路可以基于所感测的电流来提供操作反馈。

Description

具有用于操作反馈的传感器节段的发光二极管
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年12月22日提交的美国临时申请号62/438,357和2017年3月20日提交的欧洲临时申请号17161812.7的权益，其内容在此通过引用并入本文，如同完全阐述一样。
技术领域
本申请涉及发光器件。
背景技术
靠近发光二极管（LED）管芯提供的光敏传感器被用来检测来自管芯上的LED的光发射。光敏传感器可以是例如光敏二极管或光敏晶体管。然后，当LED特性改变时，通过光敏传感器的电流可以被用来检测LED故障或通过驱动器用于反馈回路中以驱动LED随着时间的推移实现恒定的亮度水平。然而，光敏传感器必须相对于LED管芯适当且一致地定位，以便使反馈信号在产品与产品之间一致。此外，光敏传感器使用LED印刷电路板或其他区域上的基板面（real estate）。此外，光敏传感器对宽范围的光（包括环境光）敏感，这影响光敏传感器的准确性。
发明内容
本文描述的是具有用于操作反馈的传感器节段的发光二极管（LED）。通常，LED层在蓝宝石衬底上形成或生长，其中LED层可以是例如氮化镓（GaN）层。在示例中，LED发射蓝光。LED层被分段、分离或隔离（本文统称为“分段”）以形成至少两个LED节段。LED节段中的一个用作相对于另一个LED节段（本文称为发射器节段）的光敏传感器（本文称为光敏传感器节段）。在一实现方式中，可以通过刻蚀沟槽来实现分段。在另一实现方式中，可以通过在LED层生长期间形成、沉积或提供氧化层来实现分段。在一实现方式中，光敏传感器可以在结构上与发射器节段相同，但是在LED管芯上具有更小的占用区域。在一实现方式中，光敏传感器节段在预定基础上在用作光敏传感器节段或发射器节段之间交替。在LED管芯上为所有LED节段提供电极。发射器节段以常规方式耦合到功率源，用于激励发射器节段。
在一实现方式中，来自发射器节段的光的小部分被侧向传输到光敏传感器节段中，这进而生成电流。该电流通常与由发射器节段发射的光成比例。电流可以被用来检测发射器节段正在操作或可以用作驱动器的反馈信号。驱动器使用反馈信号来调整驱动电流，以便随着时间的推移或随着它老化而从发射器节段创建恒定的光输出。
在一实现方式中，来自发射器节段的光被传输到蓝宝石衬底中并且由于内部反射，被反射回到光敏传感器节段，这进而生成可以如本文描述使用的电流。
在一实现方式中，LED层被分段以形成多个LED节段，其中每个节段可以表示特定颜色。在该实现方式中，红色发射节段可以用作光敏传感器节段，因为它具有最小的带隙。
光敏传感器节段不受入射环境光的显著影响，因为光敏传感器节段仅对发射器节段的窄发射波长敏感。即使发射器节段具有将初级光转换为白光或另一颜色的上覆盖磷光体层，但是发射器节段仍然将其原色光发射到光敏传感器节段中。而且，光敏传感器节段总是相对于发射器节段处于相同的位置处。因此，光敏传感器节段具有比靠近LED管芯定位的常规光敏传感器更高的准确性。
附图说明
可以从以下结合附图以示例的方式给出的描述中得到更详细的理解，在附图中：
图1是依照某些实现方式的形成为倒装芯片的单个LED管芯和子底座的说明性截面视图，其中LED层被分段以形成发射节段和用于检测发射器节段的光输出的传感器节段；
图2是依照某些实现方式的图1的LED管芯的示出四个电极的说明性仰视图；
图3是依照某些实现方式的图1的LED管芯的示出四个电极的另一说明性仰视图；
图4是依照某些实现方式的图1的LED和传感器的说明性示意图；
图5是依照某些实现方式的操作反馈电路的说明性示意图；
图6是依照某些实现方式的电路的说明性示意图；
图7是依照某些实现方式的电路的又一说明性示意图；
图8是依照某些实现方式的用于将多个LED管芯上的多个传感器连接到检测器的说明性示意图；
图9是依照某些实现方式的电路的说明性示意图；
图10是依照某些实现方式的操作反馈电路的又一说明性示意图；
图11是依照某些实现方式的单个LED管芯和子底座的另一说明性截面视图，其中LED层被分段以形成发射节段和用于检测发射器节段的光输出的双重目的的发射器节段/传感器节段；
图12是依照某些实现方式的单个LED管芯和子底座的另一说明性截面视图，其中LED层被分段以形成发射节段和用于检测发射器节段的光输出的传感器节段；以及
图13是依照某些实现方式的用于制造具有传感器节段的LED的流程图。
具体实施方式
应当理解，已经简化了具有用于操作反馈的传感器节段的发光二极管的附图和描述，以图示出与清楚理解相关的元件，同时为了清楚的目的，消除了在典型器件工艺中发现的许多其他元件。本领域普通技术人员可以意识到在实现本发明时其他元件和/或步骤是合乎期望的和/或需要的。然而，因为这样的元件和步骤在本领域中是公知的，并且因为它们不便于对于本发明的更好理解，所以本文不提供对于这样的元件和步骤的讨论。
图1是以倒装芯片配置实现的LED管芯100的说明性截面视图，其中电极中的全部都在底部上。在另一实现方式中，LED管芯可以具有在顶部上的一个或多个电极并使用引线接合来创建电气连接。LED管芯100由半导体外延层形成，包括在生长衬底110上生长的n型层105、有源层107和p型层109。n型层105、有源层107和p型层109可以统称为半导体叠层。在非限制性说明性示例中，半导体外延层由氮化镓（GaN）制成，有源层107发射蓝光，并且生长衬底110是透明蓝宝石衬底。可以保留或去除（诸如通过激光器剥离、刻蚀、研磨或通过其他技术）生长衬底110。生长过程在晶片规模上形成，并且然后从晶片中单体化LED管芯。磷光体层（未示出）可以覆盖在生长衬底110上，用于将蓝色初级光转换成白光或任何其他颜色的光。
金属电极119与p型层109电接触，并且金属电极115经由穿过p型层109和有源层107的垂直导体117与n型层105电接触。薄的电介质（未示出）使垂直导体117与p型层109和有源层107绝缘。电介质层120使金属电极115与p型层109绝缘。在非限制性说明性示例中，电极119和115是金焊盘，其被超声焊接到陶瓷子底座130或印刷电路板上的阳极和阴极金属焊盘129和125。在一实现方式中，陶瓷子底座130可以具有通向底部金属焊盘以用于接合到印刷电路板的导电过孔（未示出）。
在LED管芯100的晶片处理期间，使用常规技术对表面进行图案化和刻蚀，以形成沟槽135，其将光敏传感器节段140与发射器节段150电气隔离。光敏传感器节段140在LED管芯100中用作嵌入式传感器。在一实现方式中，沟槽135可以填充有透明材料，以改善发射器节段150和光敏传感器节段140之间的光学耦合。光敏传感器节段140具有与发射器节段150恰好相同的层，并且具有将其n型层105连接到光敏传感器电极145的垂直导体117。光敏传感器节段140的p型层109连接到光敏传感器电极149。在一实现方式中，光敏传感器节段140将典型地具有小于发射器节段150的10％的面积。在一实现方式中，光敏传感器节段140可以是沿发射器节段150的一个边缘的小部分。在另一实现方式中，光敏传感器节段140可被发射器节段150围绕。在另一实现方式中，光敏传感器节段140可以占据LED管芯100的整个边缘。沟槽135围绕光敏传感器节段140以用于完全电气绝缘。在一实现方式中，可以通过在光敏传感器节段140周围注入某些类型的原子来提供电气隔离，这导致围绕光敏传感器节段140的GaN材料有效地成为绝缘体。
光敏传感器电极145和149接触子底座130或印刷电路板上的焊盘155和159，以连接到检测器电路（图4-10中示出）。在一实现方式中，LED管芯100上有四个电极，以允许发射器节段150和光敏传感器节段140完全独立地连接。图2图示出了图1的LED管芯100的仰视图。电极115和119以及光敏传感器电极149和145被示出为条。图3图示出了可替换的底部电极配置，其将电极115和119以及光敏传感器电极149和145示出为方形。如果发射器节段150和光敏传感器节段140共享公共参考，则仅需要三个电极。
操作上，由发射器节段150发射的侧光线160照射在光敏传感器节段140内的有源层107上，并且被转换成与发射器节段150电流相反的方向上的小电流。电流是激发光敏传感器节段140的有源层107中的电子的光子的产物。由于光敏传感器节段140和发射器节段150具有相同的有源层107，因此仅由发射器节段150发射的窄波长的光被光敏传感器节段140转换成小电流。这是有益的，因为环境光将对光敏传感器节段140的输出具有小的影响。另外，由于光敏传感器节段140非常靠近发射器节段150，因此在间隙中几乎没有光衰减。因此，该系统非常高效、可重复且准确。垂直导体117优选地远离发射器节段150定位，以不衰减光。射出发射器节段150的顶部的蓝光线165可以被磷光体层转换成任何其他颜色。这种磷光体层不影响光敏传感器节段140的操作。
在未去除衬底110的实现方式中，全内反射和菲涅耳反射光线167被反射回到光敏传感器节段1240并且被转换成与发射器节段1250电流相反方向上的电流，如本文描述的那样。
图4是LED管芯100的说明性示意图，其示出了具有电极115和119的发射器节段150以及具有光敏传感器电极145和149的光敏传感器节段140。示出了进入到发射器节段150内以激励发射器节段150的正向电流ILED连同由光敏传感器节段140生成的在相反方向上流动的电流IS的方向。
图5是依照某些实现方式的操作反馈电路500的说明性示意图。操作反馈电路500包括发射器节段505、光敏传感器节段510和连接到光敏传感器节段510的检测器电路515。尽管光敏传感器节段510独立地生成电流，但是可以跨光敏传感器节段510施加反向偏置电压，以在线性范围内操作光敏传感器节段510，使得光敏传感器节段510输出与发射器节段505的亮度成比例。出于说明的目的，在电路500中未示出这种可选的反向偏置电压。
检测器电路515包括连接到电阻器RB、RC和RE的晶体管520。输出电压Vout与生成的光敏传感器节段510电流反相关，其可以与发射器节段505的亮度成正比。当很少或没有光时，Vout将约为V +。当光敏传感器节段510电流大（晶体管520的VCE可忽略不计）时，Vout与V +的比率约为RE/（RE+RC）+VBE。因此，Vout可以被用来检测发射器节段505的故障，或者可以被用作LED驱动器530的反馈，以便尽管发射器节段505的特性随着时间的推移而改变，但仍将亮度保持在相同水平。由于光敏传感器节段510输出可能受温度影响，因此可以添加温度补偿电路（未示出）。
图6是依照某些实现方式的电路600的另一说明性示意图。电路600包括发射器节段605、光敏传感器节段610和连接到光敏传感器节段610的检测器电路615。检测器电路615包括连接到反馈电阻器RFB的运算放大器620。输出电压Vout等于光敏传感器节段615电流IS乘以反馈电阻，并且具有负的幅度。可以选择反馈电阻器RFB以调整输出电压Vout对光敏传感器节段615电流IS的灵敏度。在该实现方式中，光敏传感器节段615总是在0V处偏置，并且偏置不随光敏传感器节段615电流IS的变化而改变。如果期望一些其他电压偏置，则应当将该偏置施加到运算放大器620的“+”输入端子。输出Vout相对于传感器电流IS反相。
图7是依照某些实现方式的电路700的另一说明性示意图。电路700包括发射器节段705、光敏传感器节段710和连接到光敏传感器节段710的检测器电路715。检测器电路715包括连接到反馈电阻器RFB的运算放大器720。输出电压Vout等于光敏传感器节段715电流IS乘以反馈电阻，并且具有负的幅度。可以选择反馈电阻器RFB以调整输出电压Vout对光敏传感器节段715电流IS的灵敏度。在该实现方式中，光敏传感器节段715总是被偏置为0V，并且偏置不随光敏传感器节段715电流IS的变化而改变。如果期望一些其他电压偏置，则应当将该偏置施加到运算放大器720的“+”输入端子。此时，输出Vout相对于传感器电流IS反相。输出Vout被输入到反相电路730以使Vout不反相。在一实现方式中，反相电路730是运算放大器735。
图8是依照某些实现方式的用于将多个LED管芯上的多个传感器连接到检测器的电路800的说明性示意图。电路800包括多个LED管芯8051-805N，多个LED管芯中的每一个包括发射器节段8101-810N和光敏传感器节段8151-815N。每个光敏传感器节段8151-815N连接到检测器电路820。在一实现方式中，每个光敏传感器节段8151-815N连接到运算放大器825的输入端。电路800确保在正常操作期间每个光敏传感器节段8151-815N被偏置为0V。输出电压Vout等于所有单独的光敏传感器节段8151-815N电流之和的负值乘以反馈电阻RFB。这意味着来自每个光敏传感器节段8151-815N的信号被相加或平均，乘以常数，并被反转以生成输出电压Vout。图8的偏置电路是说明性的，并且在不脱离本文的说明书和权利要求的范围的情况下，其他方案是可能的。
虽然发射器节段150可以随着老化而降低其亮度（给定相同的输入电流的情况下），但是光敏传感器节段140将以慢的多的速率改变其特性，因为没有高电流通过它。而且，光通量和温度应该低于发射器节段150所暴露至的光通量和温度。作为结果，预期光敏传感器节段140的响应随时间的推移比发射器节段150的响应更稳定。光敏传感器节段140的通量相关性和温度相关性可以与发射器节段150的通量相关性和温度相关性不同。
如图6-8中所描述和图示的，可以使用LED驱动器将检测器电路的输出用于反馈回路中。比如，可以使驱动器的电流输出等于某个标称值加上与传感器电流成反比（或者与反相传感器电路中的一个的反相输出成比例）的附加电流。反馈将调整驱动电流，直到生成的光达到期望的值。可以通过调整标称电流或反馈程度来控制生成的光的量（与驱动器电流成比例）。可以通过调整图6-8中的反馈电阻器RFB来调整反馈的量，或者可以在驱动电路中对其进行调整。
提供这种反馈的一个优点是驱动电流随着LED（发射器节段）老化可以自动增加。在LED老化期间，输出功率通常通过降低而改变。向LED驱动器提供基于光学的反馈可以允许LED驱动器进行补偿，从而在器件的寿命期间使光输出保持恒定。LED可以在相对长的时间内保持非常恒定的光输出。根据LED驱动器调整输出的量，LED驱动器可以在某个时刻停止增加电流。在达到该时刻后，LED光输出将随时间开始降低。另一方面，如果LED驱动器从不停止增加电流以补偿LED的老化，则LED将保持恒定的光输出，直到其发生灾难性故障。这可能是一好处，因为灾难性故障将向用户发信号以更换该单元（unit）。
由于LED光输出在长时段内保持恒定，因此可以更努力地驱动LED并且更接近驱动电流故障极限。将从单个LED生成更多的光，并且每单位光通量的成本将减少。类似地，可以在更热的温度下、更接近温度故障极限下驱动LED，从而减少散热器的成本。
对于最终低成本光源的情况，该反馈可以允许LED在高温和高电流密度下操作。这减少了散热器的成本并减少了所需的LED的数量。LED将以恒定的光输出操作，直到发生灾难性故障。
这种提供反馈的方法应当在许多应用（诸如汽车、直接颜色（direct colors）和故障模式是通量降级的光照）中是有用的。
如果可以使光敏传感器输出电流相对独立于温度，那么该反馈还可以使LED输出随着操作温度的变化而稳定。
还有可能的是对在某个时间段内来自光敏传感器节段的信号进行集成，等同于对发射器节段的光输出进行集成。这可以给出有关光的剂量的信息。例如，发射器节段可以保持开启直到已经收集了一定数量的光子，并且然后将信号发送到LED驱动器以将发射器节段切断。这可能在LED中找到用于相机闪光灯应用的应用。关于偏置传感器和读出集成信号的集成电路的示例，参见John David Vincent、John Vampola、Greg Pierce、SteveHodges、Mark Stegall的“红外和可见检测器操作和测试的基础（Fundamentals ofInfrared and Visible Detector Operation and Testing）”的第7章，其内容并入本文。
如果在发射器节段140中没有生成预定量的通量，则光敏传感器节段150可以被用来发送信号。例如，可以使输出在正常操作期间是负的并且当存在故障时是正的。还有可能的是，使输出在正常操作期间接近0V或某个参考电压并且在出现故障时是一些其他电压。
图9是依照某些实现方式的电路900的说明性示意图。电路900包括发射器节段905、光敏传感器节段910和连接到光敏传感器节段910的检测器电路915。检测器电路915包括运算放大器920，运算放大器920在正输入端子处连接到电压源925并且在负输入端子处连接到电阻器RFD。检测器电路915在发射器节段905正常操作（具有足够的通量）时提供负电压输出，并且在存在故障（即，发射器节段905生成不足够的通量）时提供正电压。选择电阻器RFD、VREF和V1以调整最小可接受传感器电流IS（min）=（VREF-V1）/RFD。V1是用来偏置电阻器RFD的电压。V1应当小于VREF加传感器开路电压，并且可以被设定为0V、-V或VREF。
图10是依照某些实现方式的电路1000的说明性示意图。电路1000包括发射器节段1005、光敏传感器节段1010和连接到光敏传感器节段1010的检测器电路1015。检测器电路1015包括运算放大器1020，运算放大器1020在正输入端子处连接到电压源1025并且在负输入端子处连接到电阻器RFD。反馈二极管1030连接在运算放大器1020的输出端和运算放大器1020的负输入端子之间。检测器电路1015在正常操作期间提供输出电压Vout，其等于参考电压VREF减去反馈二极管1020的导通电压VFD。在故障期间，Vout接近正轨电压。在该实现方式中，光敏传感器节段1010在正常操作期间被偏置为0V。这些电路是说明性的，并且在不脱离本文说明书和权利要求的范围的情况下，设想其他电路。
图11是以倒装芯片配置实现的LED管芯1100的说明性截面视图，其中电极中的全部都在底部上。在另一实现方式中，LED管芯可以具有在顶部上的一个或多个电极并使用引线接合来创建电气连接。LED管芯1100由半导体外延层形成，包括在生长衬底1110上生长的n型层1105、有源层1107和p型层1109。在非限制性说明性示例中，半导体外延层由氮化镓（GaN）制成，有源层1107发射蓝光，并且生长衬底1110是透明蓝宝石衬底。可以保留或去除（诸如通过激光器剥离、刻蚀、研磨或通过其他技术）生长衬底110。生长过程在晶片规模上形成，并且然后从晶片中单体化出LED管芯。磷光体层（未示出）可以覆盖在生长衬底1110上，用于将蓝色初级光转换成白光或任何其他颜色的光。
金属电极1119与p型层1109电接触，并且金属电极1115经由穿过p型层1109和有源层1107的垂直导体1117与n型层1105电接触。薄的电介质（未示出）使垂直导体1117与p型层1109和有源层1107绝缘。电介质层1120使金属电极1115与p型层1109绝缘。在非限制性说明性示例中，电极1119和1115是金焊盘，其被超声焊接到陶瓷子底座1130或印刷电路板上的阳极和阴极金属焊盘1129和1125。在一实现方式中，陶瓷子底座1130可以具有通向底部金属焊盘以用于接合到印刷电路板的导电过孔（未示出）。
在LED管芯1100的晶片处理期间，使用常规技术对表面进行图案化和刻蚀，以形成沟槽1135，其将双重目的节段1140与发射器节段1150电气隔离。双重目的节段1140在LED管芯1100中用作嵌入式传感器并且用作发射器。在一实现方式中，沟槽1135可以填充有透明材料，以改善发射器节段1150和双重目的节段1140之间的光学耦合。双重目的节段1140具有与发射器节段1150恰好相同的层，并且具有将其n型层1105连接到双重目的电极1145的垂直导体1117。双重目的节段1140的p型层1109连接到双重目的电极1149。沟槽1135围绕双重目的节段1140以完全电气绝缘。在一实现方式中，可以通过在双重目的节段1140周围注入某些类型的原子来提供电气隔离，这导致围绕双重目的节段1140的GaN材料有效地成为绝缘体。
双重目的电极1145和1149连接到子底座1130或印刷电路板上的接触焊盘1155和1159，以连接到检测器电路1180（图4-10中示出细节）。在一实现方式中，LED管芯1100上有四个电极，以允许发射器节段1150和光敏传感器节段1140完全独立地连接。
在一实现方式中，双重目的节段1140在周期性的基础上在作为光敏传感器操作或作为发射器操作之间切换。在一实现方式中，双重目的节段1140在需求的基础上在作为光敏传感器操作或作为发射器操作之间切换。在一实现方式中，控制器1190可以操作作为如本文描述的光敏传感器或作为诸如发射器节段1150的发射器的双重目的节段1140。控制器1190可以经由子底座1130和双重目的电极1145和1149以及接触焊盘1155和1159连接到双重目的节段1140。
操作上，当双重目的节段1140作为光敏传感器操作时，由发射器节段1150发射的侧光1160照射在双重目的节段1140内的有源层1107上，并且被转换成在与发射器节段1150电流相反方向上的小电流。电流是激发双重目的节段1140的有源层1107中的电子的光子的产物。由于双重目的节段1140和发射器节段1150具有相同的有源层1107，因此仅由发射器节段1150发射的窄波长的光被双重目的节段1140转换成小电流。这是有益的，因为环境光将对双重目的节段1140的输出具有小的影响。此外，由于双重目的节段1140非常接近发射器节段1150，所以在间隙中几乎没有光衰减。因此，该系统非常高效、可重复且准确。垂直导体1117优选地远离发射器节段1150定位以不衰减光。从发射器节段1150的顶部射出的蓝色光线1165可以被磷光体层转换成任何其他颜色。这种磷光体层不影响双重目的节段1140的操作。当双重目的节段1140作为发射器操作时，从双重目的节段1140的顶部射出的蓝色光线1167可以被磷光体层转换成任何其他颜色。
图12是以倒装芯片配置实现的LED管芯1200的说明性截面视图，其中电极中的全部都在底部上。在另一实现方式中，LED管芯可以具有在顶部上的一个或多个电极并使用引线接合来创建电气连接。LED管芯1200由半导体外延层形成，包括在生长衬底1210上生长的n型层1205、有源层1207和p型层1209。在非限制性说明性示例中，半导体外延层由氮化镓（GaN）制成，有源层1207发射蓝光，并且生长衬底1210是透明蓝宝石衬底。可以保留或去除（诸如通过激光器剥离、刻蚀、研磨或通过其他技术）生长衬底1210。生长过程在晶片规模上形成，并且然后从晶片中单体化出LED管芯。磷光体层（未示出）可以覆盖在生长衬底1210上，用于将蓝色初级光转换成白光或任何其他颜色的光。
金属电极1219与p型层1209电接触，并且金属电极1215经由穿过p型层1209和有源层1207的垂直导体1217与n型层1205电接触。薄的电介质（未示出）使垂直导体1217与p型层1209和有源层1207绝缘。电介质层1220使金属电极1215与p型层1209绝缘。在非限制性说明性示例中，电极1219和1215是金焊盘，其被超声焊接到陶瓷子底座1230或印刷电路板上的阳极和阴极金属焊盘1229和1225。在一实现方式中，陶瓷子底座1230可以具有通向底部金属焊盘以用于接合到印刷电路板的导电过孔（未示出）。
在LED管芯1200的晶片处理期间，分割层1235将光敏传感器节段1240与发射器节段1250电气地和光学地隔离和/或绝缘。在一实现方式中，分割层1235将光敏传感器节段1240与发射器节段1250电气地和光学地隔离和/或绝缘，以最大化光输出。在一实现方式中，可以结合分割层1235来添加附加层，以将光线聚焦或引导至发射器节段150之外。在一实现方式中，分割层1235是使用常规技术（包括，例如如本领域已知的图案化表面、掩模和沉积给定的材料）沉积的氧化物层。在一实现方式中，分割层1235通过离子注入形成。光敏传感器节段1240在LED管芯1200中用作嵌入式传感器。光敏传感器节段1240具有与发射器节段1250恰好相同的层，并且具有将其n型层1205连接到光敏传感器电极1245的垂直导体1217。光敏传感器节段1240的p型层1209连接到光敏传感器电极1249。在一实现方式中，光敏传感器节段1240将典型地具有小于发射器节段1250的10％的面积。在一实现方式中，光敏传感器节段1240可以是沿发射器节段1250的一个边缘的小部分。在另一实现方式中，光敏传感器节段1240可以被发射器节段1250围绕。在另一实现方式中，光敏传感器节段1240可以占据LED管芯1200的整个边缘。
操作上，例如，蓝色光线1265从发射器节段1250的顶部发射到生长衬底1210中。全内反射和菲涅耳反射光线1267被反射回到光敏传感器节段1240，并且被转换成在与发射器节段1250电流相反方向上的电流。电流是激发光敏传感器节段1240的有源层1207中的电子的光子的产物。由于光敏传感器节段1240和发射器节段1250具有相同的有源层1207，因此仅由发射器节段1250发射的窄波长的光被光敏传感器节段1240转换成电流。这是有益的，因为环境光将对光敏传感器节段1240的输出具有小的影响。垂直导体1217优选地远离发射器节段1250定位，以不衰减光。从发射器节段1250的顶部射出的蓝色光线1265可以被磷光体层转换成任何其他颜色。这种磷光体层不影响光敏传感器节段1240的操作。
光敏传感器电极1245和1249接触子底座1230或印刷电路板上的焊盘1255和1259，以连接到检测器电路（图4-10中示出）。在一实现方式中，LED管芯1200上有四个电极，以允许发射器节段1250和光敏传感器节段1240完全独立地连接。
本文描述的实现方式中的每一个可以利用其他实现方式的技术来使用。例如，图11的实现方式可以利用图12中描述的绝缘层来实现。
在一实现方式中，LED管芯可以被分段成多个节段，其中一个节段用作光敏传感器。在该实现方式中，用作光敏传感器的节段被用来感测所有发射器节段的性能。在一实现方式中，每个节段可以发射不同的颜色。在一实现方式中，红色发射发射器节段充当光敏传感器，因为红色发射发射器节段具有最小的带隙。
对于本文描述的实现方式，通常，当LED串联连接时，通过将LED串电压与期望相比较来完成故障检测。然而，许多电压感测电路假设故障是短路或假设故障是开路。而且，电压感测故障检测电路受在器件的寿命期间发生的LED电压变化的影响。本发明实现基于光学的故障检测或反馈。它是正在被感测的光，而不是电压。这种基于光学的故障检测方案不需要故障将是开路还是短路的假设。而且，它不受器件的寿命期间操作电压变化的影响。
在传感器二极管电极与LED电极分离的情况下，还有可能的是将LED和传感器连线在一起。如果它们并联连线，那么传感器二极管与LED一起生成光，从而使器件更高效。当它们反并联连线时，传感器二极管表现得像瞬态电压抑制二极管。使LED和传感器电极在管芯上分离的一个优点是连接配置不在LED芯片上发生，而是在子底座或印刷电路板上发生。不同的子底座配置可以导致更高效率的并联连接、用于瞬态电压抑制的反并联配置或用作LED和传感器的独立布线。
在另一实施例中，传感器是独立形成的管芯，其小于LED管芯，但具有相同的半导体层。传感器芯片安装在与LED芯片相同的封装中以保持预定的位置关系。然后该封装具有四个电极，诸如图2或3中示出的那样。
图13是依照某些实现方式的用于制造发光器件的流程图。通过在衬底上生长半导体叠层来形成发光二极管（LED）管芯，其中半导体叠层包括n型层、有源层和p型层（1305）。在半导体叠层的生长期间形成隔离配置以电气隔离半导体叠层的节段（1310）。在一实现方式中，隔离配置光学地隔离节段。在一实现方式中，隔离配置是沟槽。在一实现方式中，隔离配置是经由离子注入或氧化工艺实现的绝缘阻隔。发射器节段由被配置成发射第一光线的一个节段形成（1315）。双重目的节段由另一节段形成，来以第一模式操作以感测第二光线并生成响应于第二光线的电流，并且被配置成以第二模式操作以发射第三光线，该双重目的节段被配置成在给定的基础上在第一模式和第二模式之间切换（1320）。第一电极连接到发射器节段以提供功率来激励发射器节段（1325）。第二电极连接到双重目的节段，第二电极被配置成以第一模式操作以将电流发送到检测器，检测器电路被配置成将电流转换成提供关于发射器节段的操作反馈的信号，并且第二电极被配置成以第二模式操作以提供功率来激励双重目的节段来发射第三光线（1330）。
本文描述的实施例可以被并入到任何合适的发光器件中。本发明的实施例不限于所图示的特定结构，诸如例如图1-13的器件。
尽管在上面描述的示例和实施例中，半导体发光器件是发射蓝光或UV光的III族氮化物LED，但是除了LED之外的半导体发光器件（诸如激光器二极管）也在本发明的范围内。另外，本文描述的原理可以适用于由其他材料系统（诸如其他III-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II-VI族材料、ZnO或Si基材料）制成的半导体发光器件。
本文描述的用于具有用于操作反馈的传感器节段的发光二极管的非限制性方法可以针对各种应用和用途而被修改，同时保持在权利要求的精神和范围内。本文描述的和/或附图中示出的实现方式和变型仅以示例的方式呈现，并且对于范围和精神不是限制的。本文的描述可以适用于使用和制造具有用于操作反馈的传感器节段的发光二极管的方法的所有实现方式，尽管它可以关于特定实现方式来被描述。
如本文所描述的，本文描述的方法不限于执行任何（多个）特定功能的任何（多个）特定元件，并且所呈现的方法的一些步骤不一定以示出的顺序发生。例如，在一些情况下，两个或更多个方法步骤可以以不同的顺序发生或同时发生。另外，所描述的方法的一些步骤可以是可选的（即使没有明确说明是可选的），并且因此可以被省略。本文公开的方法的这些和其他变型将是容易清楚明白的，尤其是考虑到用于使用和制造具有用于如本文描述的操作反馈的传感器节段的发光二极管的方法的描述，并且被认为是在本发明的全部范围内。
可以省略或利用其他实现方式来实现一些实现方式的一些特征。本文描述的器件要素和方法要素可以是可互换的，并且可以在本文描述的示例或实现方式中的任一个中使用或从本文描述的示例或实现方式中的任一个中省略。
尽管以上以特定组合描述了特征和要素，但是每个特征或要素可以在没有其他特征和要素的情况下单独使用，或者以与其他特征和要素或不与其他特征和要素的各种组合来使用。

Claims (20)

1.一种发光器件，包括：
发射器节段，包括第一半导体叠层，所述第一半导体叠层包括n型材料、p型材料和在所述n型材料和所述p型材料之间的有源材料；
双重目的节段，其与所述发射器节段电气隔离并且包括n型材料、p型材料和在所述n型材料和所述p型材料之间的有源材料的第二半导体叠层，其中所述发射器节段和所述双重目的节段通过对发光二极管(LED)层分段而形成，所述发射器节段被配置成发射第一光线，所述双重目的节段被配置成作为光敏传感器操作以感测第二光线并生成响应于第二光线的电流或者作为发射器操作以发射第三光线，且该双重目的节段被配置成在给定的基础上在作为光敏传感器操作或作为发射器操作之间切换；
透明材料，其设置在所述发射器节段和所述双重目的节段两者的上方，以及
设置在所述发射器节段上的第一电极和第二电极。
2.根据权利要求1所述的器件，还包括在所述第一和所述第二半导体叠层之间的电气绝缘材料。
3.根据权利要求2所述的器件，其中所述绝缘材料是透明的。
4.根据权利要求1所述的器件，还包括设置在所述透明材料的上方的波长转换材料。
5.根据权利要求1所述的器件，还包括第一过孔，所述第一过孔穿过所述发射器节段的所述p型材料和所述n型材料中的一个以及所述有源材料而形成，所述第一过孔内衬有电气绝缘材料并且填充有导电材料。
6.根据权利要求1所述的器件，还包括第二过孔，所述第二过孔穿过所述双重目的节段的所述p型材料和所述n型材料中的一个以及所述有源材料而形成，所述第二过孔内衬有电气绝缘材料并且填充有导电材料。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述透明材料具有背离所述n型材料并且与第一表面相对的第二表面，并且被配置成提供照射在所述第二表面上的一些量的光的全内反射。
8.根据权利要求2所述的器件，其中所述电气绝缘材料完全围绕所述双重目的节段。
9.一种发光二极管(LED)器件系统，包括：
发光元件，所述发光元件包括：
半导体叠层，所述半导体叠层包括n型材料、p型材料和在所述n型材料和所述p型材料之间的有源材料；
电气隔离区，其将所述半导体叠层电气隔离成作为发射器部分的第一部分和作为双重目的部分的第二部分，其中所述发射器部分被配置成发射第一光线，以及所述双重目的部分被配置成作为光敏传感器操作以感测第二光线并生成响应于第二光线的电流或者作为发射器操作以发射第三光线，并且所述双重目的部分被配置成在给定的基础上在作为光敏传感器操作或作为发射器操作之间切换；
驱动器电路，其电气耦合到所述第一部分，并且被配置成提供驱动电流以驱动作为发射器的所述第一部分；以及
偏置电路，其被电气耦合以操作作为光敏传感器操作的所述第二部分，并且基于照射在所述第二部分上的光的量来向所述驱动器电路提供输入电流。
10.根据权利要求9所述的系统，还包括设置在所述第一部分和所述第二部分两者的上方的透明衬底。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括：
至少一个阳极电极，其设置在所述发光元件上；以及
至少一个阴极电极，其设置在所述发光元件上，
所述第一部分和所述第二部分中的每一个电气耦合到所述至少一个阴极电极中的一个和所述至少一个阳极电极中的一个。
12.根据权利要求10所述的系统，还包括设置在所述透明衬底上方的波长转换层。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述透明衬底具有与第一表面相对的第二表面，并且被配置成提供照射在所述透明衬底的所述第二表面上的光的全内反射。
14.根据权利要求9所述的系统，其中所述电气隔离区包括所述半导体叠层中的半导体材料的绝缘区和沟槽中的一个。
15.根据权利要求9所述的系统，还包括控制器，所述控制器被配置成执行下列中的至少一个：
在作为发射器的操作和作为光敏传感器的操作之间周期性地切换所述第二部分；或者
响应于控制信号在作为发射器的操作和作为光敏传感器的操作之间切换所述第二部分。
16.根据权利要求9所述的系统，其中所述偏置电路被配置成偏置所述第二部分以在由所述第一部分发射的光低于阈值的情况下提供正电压，并且在由所述第一部分发射的光高于所述阈值的情况下提供负电压。
17.根据权利要求9所述的系统，其中到所述驱动器电路的所述输入电流在由所述第一部分发射的光低于阈值的情况下将所述驱动电流调整更高。
18.一种制造发光二极管(LED)器件的方法，所述方法包括：
在衬底上生长n型材料、p型材料、和有源材料，以在所述衬底上形成半导体叠层；
穿过所述p型材料、所述n型材料和所述有源材料刻蚀沟槽，以将所述半导体叠层划分成发射器部分和双重目的部分，其中所述发射器部分被配置成发射第一光线，以及所述双重目的部分被配置成作为光敏传感器操作以感测第二光线并生成响应于第二光线的电流或者作为发射器操作以发射第三光线，且所述双重目的部分被配置成在给定的基础上在作为光敏传感器操作或作为发射器操作之间切换；
将相应的第一电极直接电气耦合到所述双重目的部分和所述发射器部分的所述n型材料和所述p型材料中的一个；
穿过所述发射器部分和所述双重目的部分中的每一个形成分离过孔；以及
通过每个分离过孔将相应的第二电极与所述p型材料和所述n型材料中的另一个电气耦合。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括利用透明材料填充所述沟槽。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述衬底上方设置波长转换材料。
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