CN110739295B - 半导体管芯 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种半导体管芯(1)，包括至少第一发光二极管(L1)和第二发光二极管(L2)，其中第一发光二极管(L1)包括形成在第一管芯区域(A1)中的第一二极管(D1)和沉积在第一管芯区域(A1)上的第一磷光体层(P1)；第二发光二极管(L2)包括第二二极管(D2)和沉积在第二管芯区域(A2)上的第二磷光体层(P2)；第一二极管(D1)和第二二极管(D2)反并联电连接；并且其中第二磷光体层(P2)的光学属性与第一磷光体层(P1)的光学属性不同。
Description
技术领域
本发明描述了半导体管芯，制造半导体管芯的方法，以及具有包括这种半导体管芯的成像模块的电子设备。
背景技术
发光二极管(LED)包括半导体结，并且因此在制造阶段的处理期间可能被静电放电(ESD)损坏，而且当是电路的一部分时也会被损坏。避免对一LED或一串LED的ESD损坏的一种方法是反并联（也称为反向并联）连接保护二极管。在一些实现中，保护二极管是齐纳二极管。这种保护二极管通常被称为ESD保护二极管或瞬态电压抑制器(TVS)二极管。连接两个这样的反并联二极管，使得它们的极性反转，即一个二极管的阳极连接到另一个二极管的阴极。则意外反向偏置的LED由其正向偏置的TVS二极管（“保护二极管”）保护。单片管芯可以制造成包括具有其自己的反并联保护二极管的LED，即，在相同的制造工艺中在公共衬底上形成两个半导体二极管。
通常，在这种反并联布置中TVS二极管的唯一目的是在极少的ESD瞬态电压情况下转移来自反向偏置LED的电流。TVS二极管仅针对通常很少发生的特定类型的情况实现这一个功能。在这种现有技术器件中，提供专用但功能受限的TVS保护二极管是不可避免的成本因素。特别是在空间受限的紧凑器件中，TVS二极管使用有价值的资源，诸如管芯空间、电接触部等。
因此，本发明的目的是提供一种避免上面概述的问题的电路。
发明内容
本发明的目的通过权利要求1的半导体管芯、通过根据权利要求11的制造半导体管芯的方法、以及通过权利要求14的电子设备来实现。
根据本发明，半导体管芯包括至少第一发光二极管和第二发光二极管。第一发光二极管包括形成在第一管芯区域中的第一p-n结二极管和沉积在第一管芯区域上的第一磷光体层，并且第二发光二极管包括形成在第二管芯区域中的第二p-n结二极管和沉积在第二管芯区域上的第二磷光体层。在本发明的半导体管芯中，第一二极管和第二二极管反并联连接，并且第二磷光体层的光学属性不同于第一磷光体层的光学属性。
磷光体层的光学属性（“发射属性”）——即它是上转换还是下转换、它吸收的波长和它发射的波长——在很大程度上由（多个）磷光体材料的选择确定。第一和第二磷光体涂层可以具有不同或相似的层厚度。可以使用合适的技术（诸如电泳沉积、磷光体印刷等）将涂层图案化到管芯上。可替换地，可以将磷光体包括在陶瓷或玻璃载体中，在取放工艺中，可以从陶瓷或玻璃载体切割薄片并将其放置到相应的管芯区域上。
在本发明的优选实施例中，两个p-n结二极管的层结构基本相同，使得两个二极管都来自相同的制造工艺。在本发明的特别优选的实施例中，可以使用InGaN作为发光层来实现二极管，因为InGaN的特征在于短波长，从而导致两种磷光体材料（例如可见和红外）的激发。可替换地，可以用AlGaAs/GaAs作为发光层来实现二极管，因为该材料固有地在红外范围内发射，并且其他波长可以在适当的磷光体层中上转换，该磷光体层可以包含适当的晶体和/或纳米颗粒。
在本发明的上下文中，术语“发光二极管”应被理解为p-n结二极管和沉积在该p-n结二极管上的磷光体层的组合。磷光体层可以被理解为包括单个磷光体材料或若干磷光体材料的组合。磷光体层执行波长转换，即它将吸收由p-n结二极管发射的电磁辐射并以不同波长发射电磁辐射。在下文中，可以假设磷光体层具有下转换效应，即由磷光体发射的光的波长长于由其p-n结二极管发射的电磁辐射的波长。当然，不排除使用上转换磷光体层。
本发明基于以下见解：在包括反并联连接的二极管的电路中，二极管中的每一个可以为另一个二极管提供ESD保护，而每个二极管也可以具有除ESD保护之外的功能。因此，本发明的半导体器件具有两个LED，每个LED具有除ESD保护之外的特定功能，即，反并联对中的每个LED具有特定的应用功能以及为另一个LED施行提供ESD保护。由于这些原因，本发明的半导体管芯可以被描述为双功能管芯。在本发明的半导体管芯中，使每个LED以实现除ESD保护之外的功能意味着TVS保护不再是不可避免的成本因素；替代地，假借第二应用功能来提供TVS保护。
根据本发明，制造半导体管芯的方法包括以下步骤：在第一管芯区域中形成第一p-n结二极管，并且在第二管芯区域中形成第二p-n结二极管，使得第一二极管和第二二极管反并联连接；在第一管芯区域上沉积第一磷光体层；并且在第二管芯区域上沉积第二磷光体层，其中第二磷光体层的组分不同于第一磷光体层的组分。
在包括LED和反并联TVS二极管的现有技术器件中，发光二极管占据管芯面积的大部分，并且TVS二极管仅占据管芯面积的一小部分。因此，出于经济原因，即使不有效地使用TVS二极管上的磷光体，整个管芯表面也通常涂覆有包括单个磷光体组分的层。包括AlGaAs/GaAs的TVS二极管将通常在近红外范围内发射。因此，即使LED被反向偏置，由该TVS二极管发射的电磁辐射也不会使磷光体层发光。
在本发明的半导体管芯中，使用不同的磷光体材料来覆盖专用于第二p-n结二极管的管芯区域。在不对外延沉积工艺或管芯尺寸进行显著改变的情况下，有可能简单地通过使用不同的磷光体材料来覆盖第二p-n结二极管的管芯区域并且视情况驱动第一LED或者第二LED来获得双功能器件。每当第二LED被激活时（即，第一LED被反向偏置），由第二p-n结二极管发射的电磁辐射将被第二磷光体层转换为“有用”波长。
根据本发明，电子设备包括成像模块，并且成像模块包括本发明的半导体管芯的实施例。因为半导体管芯被实现为实现两个功能（除了ESD保护之外），所以可以以有利的紧凑方式制造本发明的电子设备的成像模块。半导体管芯的任何两个LED的对各自执行特定功能，但是由于LED反并联连接，因此仅需要两个端子或接触部（而不是四个）。同时，每个LED都从其相反极性“伙伴”LED受到保护而免于ESD损坏。
从属权利要求和以下描述公开了本发明的特别有利实施例和特征。可以视情况将实施例的特征组合。在一个权利要求类别的上下文中描述的特征可以同样地适用于另一权利要求类别。
在本发明的特别优选的实施例中，第一发光二极管和第二发光二极管发射不同波长范围内的电磁辐射。例如，第一发光二极管的二极管/磷光体组合可以被实现为在可见范围内发射，而第二发光二极管的二极管/磷光体组合可以被实现为在红外或近红外范围内发射。优选地，由第一二极管发射的电磁辐射与由第二二极管发射的电磁辐射之间的波长差包括至少100nm，其中该波长差可以理解为在每个范围的中点之间测量。例如，在具有峰值为550 nm的可见发射第一二极管和具有峰值为850 nm的红外发射第二二极管的情况下，波长差包括300 nm. 在具有峰值为550 nm的可见发射第一二极管和具有峰值为940 nm的红外发射第二二极管的情况下，波长差包括390 nm。
本发明的半导体管芯的p-n结二极管可以根据将要使用管芯的预期应用来制造，即，可以根据两个二极管的预期发射波长来为两个反并联连接的二极管选择共用外延层的材料和厚度。例如，如果半导体管芯将被主要用作光源，则第一二极管可以形成为可见范围发射的发光二极管，而第二二极管可以形成为TVS二极管，该TVS二极管使用相同的外延层具有在近红外发射的附加功能。第一二极管可以使用整个管芯的80％或更多，而第二二极管在剩余体积中实现。通过选择合适的磷光体（例如将蓝色波长转换成红外波长的磷光体），可以实现第二二极管（其主要功能是为第一LED提供TVS保护）的附加功能。当第一或“主”二极管反向偏置时，第二二极管正向偏置并因此“接通”，并且由第二LED发射的红外光可以用作例如相机布置的聚焦辅助红外光源或用作伪造品检测布置中的特定管芯的检测器。
如果第一二极管用作可见光谱内的光源，则p-n结可以被实现为发射380 nm-470nm波长范围内的光，并且应用到第一管芯区域的磷光体层可以包括一个或多个在480 nm-800 nm范围内发射的下转换磷光体。
在可替换的实施例中，两个发光二极管都发射可见光谱内的电磁辐射。这种器件可以用作具有适当的LED激发安排的双色闪光灯。由于两个发射表面是并排的，因此可以使用合适的光学器件布置，例如“光回收光学器件”，其将广角光重定向到更紧凑的束中。可替换地，可以使用透明窗口、漫射器或任何合适的准直器，如技术人员将所熟悉的。
在另一实施例中，两个发光二极管发射红外光谱的不同区中的电磁辐射。这种器件的应用可以是波长选择性Li-Fi或面部识别、虹膜识别等。例如，在940 nm处发射的第一LED可以用于面部识别，并且在850 nm处发射的第二LED可以用于虹膜识别。
在另一实施例中，第一二极管在可见光谱内发射，而第二二极管在近红外范围内发射。应用到第一管芯区域的上转换磷光体将在紫外(UV)范围内发射，而应用到第二管芯区域的下转换磷光体在红外(IR)范围内发射。这种半导体管芯可以在假冒物或伪造品检测设备中得到应用。当正向偏置时，第一二极管可以被用来照射印刷品以检测使用UV荧光染料编码的信息。当第二二极管正向偏置时，它可以被用来照射印刷品以检测使用IR荧光染料编码的任何信息。以这种方式，可以容易地检测到在相关区域中未能包含适当染料的假冒物。
该制造方法可以包括确保半导体管芯的可靠性并确保两种应用的最佳性能的步骤。例如，该方法可以包括在第一管芯区域和第二管芯区域之间形成分离层以防止串扰的步骤。这种分离层可以被实现为反射镜、吸收层、散射反射层等。
如上面指示的，第一管芯区域的大小可以与第二管芯区域的大小不同。这些区域的大小和尺寸可以在很大程度上取决于预期的应用，该预期应用将决定反并联对的二极管所需的功率。例如，如果半导体管芯将被用作具有作为聚焦辅助红外光源的附加功能的相机闪光灯的可见光谱光源，则与第二（红外发射）管芯区域相比，第一（可见光谱发射）管芯区域可能相对较大。二极管区域的相对大小通常将取决于它们的功耗。第一LED可以占据整个管芯的相对大的矩形部分，而第二LED可以形成在较小的剩余区域中以在一侧、两侧、三侧或四侧上与第一LED接界。
本发明的半导体管芯不限于反并联二极管的单个对。同样地，半导体管芯可以被制造为包括反并联连接的二极管的两对或更多这种对。在另一种实现中，一串串联连接的LED或一组或并联连接的LED可以由单个TVS二极管保护，该TVS二极管也被实现为如描述的功能LED。
本发明的半导体管芯非常适合于在空间受限的环境中使用，例如在诸如智能电话的移动设备中。设备外壳仅需要被设计成包括单个孔以暴露单个半导体管芯的两个发射区。此外，二极管对的阴极和阳极端子仅需要两个接触焊盘。利用合适的多路转接器电路，半导体管芯的两个功能可以用单个驱动器实现，因为只有两个二极管中的一个在任何时候都是有效的。此外，由于本发明的半导体管芯封装仅需要两个接触焊盘，因此与两个单独的LED封装的布置相比，简化了热设计方面。两个这样的独立LED封装需要四个接触焊盘，所述接触焊盘由于可焊性要求必须以最小间隙分离，从而牺牲了有效热接触面积。两个这样的单独LED封装的最紧凑布置将总是需要多于两个的接触焊盘，从而将遭受较差的热性能。
如上面指示的，本发明的半导体管芯可以被用来在各种种类的应用中获益。例如，已知设计相机闪光灯以并入照射场景的可见发射LED和用于聚焦辅助功能的IR发射二极管。这种相机闪光灯可以使用本发明的半导体芯管芯的实施例来实现，本发明的半导体管芯利用可见发射的第一LED和红外发射的第二LED来实现。在成像序列的聚焦辅助阶段期间，驱动器寻址IR发射LED，使得可见发射的第一LED被反向偏置并因此无效。在成像序列的闪光阶段期间，驱动器寻址可见发射二极管，使得IR发射LED被反向偏置并因此无效。
本发明的半导体管芯还可以被并入在双色相机闪光灯中，例如使用两种略微不同的白色调以便实现更自然的光照效果的闪光灯。
类似地，诸如智能电话的移动设备可以包括本发明的半导体管芯的实施例，并且使用半导体管芯的IR二极管来实现IR远程控制功能、Li-Fi功能等。
本发明的半导体管芯也可以被并入在执行全光谱光谱分析的设备中。在这种实施例中，LED中的一个可以在包括UV光谱的可见范围内发射，而另一个LED可以在红外范围内发射。如上所述，如果用来印刷真实文件或货币的墨水包含在（多个）那些范围内发荧光的磷光体，则这种设备可以被用来区分印刷假冒物或伪造货币。本发明的半导体管芯可以用于近红外光谱以执行对于测试对象的化学分析，结合用于对象识别的可见图像分析。
根据结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其它目的和特征将变得清楚明白。然而，应该理解，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为本发明的限制的定义。
附图说明
图1示出了反并联二极管对的电路图；
图2示出了本发明的半导体管芯的实施例；
图3示出了本发明的半导体管芯的实施例的示例性光谱对；
图4和5示出了本发明半导体管芯的实施例的简化平面图；
图6示出了本发明实施例的示例性电路图；
图7示出了根据本发明的电子设备7的实施例；
图8示出了本发明的半导体管芯的另一示例性实施例。
在附图中，相同的数字自始至终指代相同对象。附图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1示出了本发明的第一实施例，其中发光二极管L1、L2的对以反并联配置布置。可以假设反并联对形成为单个管芯1（或“单片”管芯），如图2中图示出的。通过在形成在第一管芯区域中的第一p-n结二极管D1上应用第一磷光体涂层P1来形成第一发光二极管L1，同时通过在形成在剩余的管芯区域中的第二p-n结二极管D2上应用第二磷光体涂层P2来形成第二发光二极管L2。选择p-n结二极管D1、D2和磷光体层P1、P2的材料组分，使得当第一p-n结D1正向偏置时发射的光与当第二p-n结正向偏置时发射的光处于不同的波长范围。
图2还指示用来防止串扰的二极管D1、D2之间的分离层10。如技术人员将已知的，分离层可以被实现为反射镜、吸收层、散射反射层等。
图3示出了本发明的半导体管芯的实施例的示例性发射光谱，其具有沿着X轴的波长λ（以纳米[nm]计），以及沿着Y轴的发射振幅（以任意单位[au]计）。第一发光二极管L1被实现为在正向偏置时发射可见光谱内的光，并且第一发射光谱31覆盖450-650 nm范围内的波长。第二发光二极管L2被实现为在正向偏置时发射红外范围内的光，并且第二发射光谱32覆盖在700-900nm范围内的波长。在该示例性实施例中，（在范围中点之间测量的）波长差Δλ是约250 nm。
图4和5示出了本发明的半导体管芯1的实施例的简化平面图。图4示出了与上面的图2类似的实施例，其中专用于第一二极管D1的区域A1约为总管芯面积的75％，而TVS二极管（例如，当第一LED被反向偏置时，也兼作红外二极管）占据总管芯面积的剩余25％。图5示出了一实施例，其中专用于第一二极管D1的区域A1约为总管芯面积的60％，而第二二极管D2占据总管芯面积的剩余40％。该实现可以适用于其中LED用于例如UV/IR伪造品检测或用于双色闪光灯的应用。
图6示出了本发明实施例的示例性电路图。包括发光二极管L1、L2反并联对的管芯1被包围在具有两个电极接触部61、62的封装60中。该图示出了开关S1、S2、S3、电压源V1、V2和闪光灯电流吸收器C1的布置。控制开关使得电流流过第一LED L1或第二LED L2。
图7示出了根据本发明的电子设备7的实施例。该设备是包括成像模块的移动电话。该图示出了成像模块的相机镜头70和包括上述半导体管芯1的实施例的闪光灯单元71。因此，闪光灯71具有第一LED L1（例如用于照射场景）和第二LED L2，第二LED L2主要用作第一LED L1的TVS保护，但是还具有诸如虹膜识别、伪造品检测等的辅助功能。尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。
图8示出了本发明的半导体管芯1的另一示例性实施例。在该图的上部分中，管芯1被实现为使得基本上正方形或矩形的第一发光二极管L1在所有侧面上被狭窄的第二发光二极管L2包围。磷光体区P1、P2相应地成形。在该图的下部分中，管芯1被实现为使得基本上正方形或矩形的第一发光二极管L1在三个侧面上被狭窄的U形第二发光二极管L2包围。磷光体区P1、P2相应地成形。
为了清楚起见，应该理解，贯穿本申请对于“一”或“一个”的使用并不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。
附图标记
半导体管芯 1
分离层 10
发光二极管 L1、L2
二极管 D1、D2
磷光体层 P1、P2
第一光谱 31
第二光谱 32
波长差 Δλ
第一管芯区域 A1
第二管芯区域 A2
管芯封装 60
接触焊盘 61、62
开关 S1、S2、S3
电压源 V1、V2
电流吸收器 C1
电子设备 7
相机镜头 70
闪光灯布置 71
Claims (17)
1.一种半导体管芯(1)，包括至少第一发光二极管(L1)和第二发光二极管(L2)，其中
-所述第一发光二极管(L1)包括形成在第一管芯区域(A1)中的第一二极管(D1)和沉积在所述第一管芯区域(A1)上的第一磷光体层(P1)；
-所述第二发光二极管(L2)包括第二二极管(D2)和沉积在第二管芯区域(A2)上的第二磷光体层(P2)；
-所述第一二极管(D1)和所述第二二极管(D2)反并联电连接；并且其中
-所述第二磷光体层(P2)的光学属性与所述第一磷光体层(P1)的光学属性不同。
2.根据权利要求1所述的半导体管芯，其中所述第一发光二极管(L1)和所述第二发光二极管(L2)发射不同波长范围内的电磁辐射。
3.根据权利要求2所述的半导体管芯，其中由所述第一发光二极管(L1)发射的电磁辐射与由所述第二发光二极管(L2)发射的电磁辐射之间的波长差（Δλ）包括至少200 nm。
4.根据权利要求2所述的半导体管芯，其中由所述第一发光二极管(L1)发射的电磁辐射与由所述第二发光二极管(L2)发射的电磁辐射之间的波长差（Δλ）包括至少250 nm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体管芯，其中第一二极管(D1)被提供作为第二二极管(D2)的瞬态电压抑制器，第二二极管(D2)被提供作为第一二极管(D1)的瞬态电压抑制器。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的半导体管芯，其中第一发光二极管(L1)发射可见光谱内的电磁辐射。
7.根据权利要求6所述的半导体管芯，其中可见光谱发光二极管(L1)的所述第一磷光体层(P1)包括YAG:Ce、(Y,Lu)AG:Ce和(Ba,Sr)2Si5N8:Eu(BSSN)、SR[LiAl3N4]:Eu2+、Eu活化的Ba-Mg-铝酸盐、ZnS:Ag、Sr3MgSi2O8:Eu、Y3-xAl5-yGayO12:Cex（其中0.002 <x <0.12且0<=y <=0.4）、Sr1-x-yCaySiAlN3:Eux（其中0.001 <x <0.03且0 <=y <=1）中的任一种。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的半导体管芯，其中两个发光二极管(L1、L2)都发射可见光谱内的电磁辐射。
9.根据权利要求7所述的半导体管芯，其中第二发光二极管(L2)发射红外范围内的电磁辐射。
10.根据权利要求9所述的半导体管芯，其中红外光谱发光二极管(L2)的所述第二磷光体层(P2)包括RE3Ga5-x-yAxSiO14:Cry(RE=La、Nd、Gd、Yb、Tm；A=Al、Sc)(其中0≤x≤1且0.005≤y≤0.1)、Gd3-xRExSc2-y-zLnyGa3-wAlwO12:Crz(Ln=Lu、Y、Yb、Tm；RE=La、Nd)(其中0≤x≤3；0≤y≤1.5；0≤z≤0.3；且0≤w≤2)、AAEM1-xF6:Crx(A=Li、Cu；AE=Sr、Ca；M=Al、Ga、Sc)(其中0.005≤x≤0.2)、A2-x(WO4)3:Crx(A=Al、Ga、Sc、Lu、Yb)(其中0.003≤x≤0.5)、Sc1-x-yAxBO3:Cry(A=Ga、Al、In、Lu、Y、Yb)(其中0≤x≤1且0.005≤y≤0.1)中的任一种。
11.根据权利要求10所述的半导体管芯，其中两个发光二极管(L1、L2)都发射红-红外范围内的电磁辐射。
12.一种制造半导体管芯(1)的方法，包括以下步骤：
-在第一管芯区域(A1)中形成第一二极管（D1）并且在第二管芯区域(A2)中形成第二二极管(D2)，使得所述第一二极管(D1)和所述第二二极管(D2)反并联连接；
-在所述第一管芯区域(A1)上沉积第一磷光体层(P1)，以完成第一发光二极管(L1)；并且
-在所述第二管芯区域(A2)上沉积第二磷光体层(P2)，以完成第二发光二极管(L2)，其中所述第二磷光体层(P2)的光学属性与所述第一磷光体层（P1）的光学属性不同。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一管芯区域(A1)形成为包括总管芯面积的至少50％。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一管芯区域(A1)形成为包括总管芯面积的至少75％。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，包括在所述第一发光二极管(L1)和所述第二发光二极管(L2)之间形成分离层(10)的步骤。
16.一种电子设备(7)，包括成像模块，并且其中所述成像模块包括根据权利要求1至11中任一项所述的半导体管芯(1)。
17.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述半导体管芯(1)被实现为所述成像模块的相机闪光灯布置(71)的一部分。
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