CN111629487B - 发光二极管的驱动器与相关的照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光二极管的驱动器与相关的照明系统。实施例公开了一种驱动器，用以驱动一发光元件，包含有一整流电路以及一电流驱动电路。该整流电路包含有至少一整流二极管，电连接至一交流输入电源，用以产生一直流电源，跨于一直流电源线与一接地线之间。该电流驱动电路包含有至少一恒定电流源。该恒定电流源与该发光元件串接于该直流电源线与该接地线之间。该恒定电流源可提供一恒定电流，驱动该发光元件。该整流二极管与该恒定电流源，共同形成于一单一半导体芯片上。

Description

发光二极管的驱动器与相关的照明系统

本申请是申请日为2016年02月18日、申请号为201610090841.5、发 明名称为“发光二极管的驱动器与相关的照明系统”的发明专利申请的分案 申请。

技术领域

本发明涉及驱动发光二极管的驱动器与相关的照明系统，尤其涉及一种 具有简单架构的驱动器与照明系统。

背景技术

近年来，因为良好的电光转换效率以及较小的产品体积，发光二极管 (light-emitting diode)已经渐渐地取代阴极灯管或是钨丝，作为背光或是照 明系统的光源。只是，因为发光二极管的电压电流特性(约3伏特，直流电 驱动)，一般市电的交流输入电源无法直接驱动发光二极管，而是需要一电 源转换器，将交流输入电源转换成适当的直流电源。

照明用电往往占用市电供电非常大的部分。因此针对照明所用的电源转 换器，法规上除了要求有非常低的转换损失之外，还必须提供有良好的功率 因数(功率因数介于0到1之间)。一电子装置的功率因数越靠近1，表示该 电子装置越接近电阻式负载。

图1为公知的照明系统10，其中有桥式整流器12、功率因数校正器 (power factorcorrector)14、LED驱动电路16、以及一LED 18。功率因数 校正器14可以是一个升压电路(booster)，LED驱动电路16可以是一降压 电路(buck converter)。但是，如升压电路或是降压电路般的切换式电源转 换器，不但需要用到体积庞大且昂贵的电感元件，整个系统架构也需要使用 非常多的电子零件。因此，采用切换式电源转换器的照明系统，因其生产成本高昂比较没有市场竞争力。

发明内容

实施例公开了一种驱动器，用以驱动一发光元件，包含有一整流电路以 及一电流驱动电路。整流电路包含一整流二极管，电连接至一交流输入电源， 用以产生一直流电源，跨于一直流电源线与一接地线之间。电流驱动电路包 含一恒定电流源。该恒定电流源与该发光元件串接于直流电源线与接地线之 间。该恒定电流源可提供一恒定电流，驱动该发光元件。整流二极管与恒定 电流源，共同形成于一单一半导体芯片上。

附图说明

图1为公知的照明系统。

图2显示一依据本发明一实施例的LED驱动器。

图3显示三个电压波形。

图4A显示一半导体芯片上的一金属层的图案。

图4B显示将图4A的半导体芯片封装后的一集成电路示意图。

图5显示图4A中的HEMT T1沿着线ST-ST的剖面图。

图6显示图4A中的二极管DVF3沿着线SD-SD的剖面图。

图7显示依据本发明一实施例的一照明系统。

图8显示依据本发明另一实施例的LED驱动器。

图9A显示另一半导体芯片上的一金属层的图案。

图9B显示将图9A的半导体芯片封装后的一集成电路示意图。

图10显示依据本发明另一实施例的一照明系统。

图11显示LED与额外的一稳压电容相并联的电路图。

图12显示另一半导体芯片上的一金属层的图案。

图13显示图4A中的二极管DVF3沿着线SD-SD的依据另一种实施例 的芯片剖面图。

图14显示可以用来制作图13中的二极管的流程图。

图15显示依据本发明一实施例的金属氧化物半导体场效晶体管 (MOSFET)与HEMT中IDS对VDS关系。

图16显示依据本发明另一实施例的LED驱动器。

图17显示依据本发明一实施例的一半导体芯片上的一金属层的图案。

图18显示将图17的半导体芯片封装后的一集成电路。

图19显示采用图18中的集成电路实现的一照明系统。

图20显示依据本发明一实施例的一LED驱动器的电路设计。

图21显示依据本发明又一实施例的一LED驱动器，具有多个LED。

图22显示依据本发明一实施例的一二极管芯片的剖面图。

图23显示依据本发明另一实施例的LED驱动器。

图24显示了一桥式整流器。

图25举例显示一半导体芯片，其可以实现图24中的桥式整流器。

图26A、26B与26C显示半导体芯片808沿着线CSV1- CSV1、CSV2- CSV2与CSV3-CSV3的芯片剖面图。

图27显示了另一桥式整流器。

图28举例显示一半导体芯片，其可以实现图27中的桥式整流器。

图29A显示在一半导体芯片上的一增强型HEMT ME与一耗尽型的 HEMT MD。

图29B则显示图29A中HEMT MD与ME之间的电连接。

图30则显示图29A中，沿着线CSV4-CSV4的芯片剖面图。

图31显示依据本发明一实施例的一LED驱动器。

图32显示了图31中的交流输入电源VAC-IN的电压波形以及流经桥式 整流器844的一电流波形。

图33显示了具有正温度系数的一热敏电阻的一LED驱动器。

图34显示了具有负温度系数的一热敏电阻的一LED驱动器。

图35显示了具有热敏电阻的另一LED驱动器。

附图标记列表

10 照明系统 12 桥式整流器

14 功率因数校正器 16 LED驱动电路

18、18B、18R LED 19 稳压电容

60 LED驱动器 62 桥式整流器

64 填谷电路 66 电流驱动电路

67 虚线 72、74、76 电压波形

80 半导体芯片 92 硅基底

94 缓冲层 95、95a 平台区

96 通道层 98 高价带间隙层

100 盖层 102金属层

102a、102b、102c、102d、102e 金属片

103 绝缘层 104金属层

104a、104b、104c、104d、104e、104f、104g、104h 金属片

105 保护层 120二极管符号

130 集成电路 140、142、144、146、148 步骤

150、152 曲线 170调整区

200 照明系统 300LED驱动器

302 电流驱动电路 330照明系统

500 LED驱动器 502桥式整流器

504 电流驱动电路 518、5181、5182、5183LED

5201、5202、5203、5204 LED段

550 半导体芯片 552集成电路

560 照明系统 600LED驱动器

700 LED驱动器 800LED驱动器

802 双向可控硅调光器 806桥式整流器

808 半导体芯片 810桥式整流器

812 半导体芯片 840LED驱动器

848 LED 850电阻

852 肖特基二极管 900LED驱动器

902、906 热敏电阻 910LED驱动器

AC+、AC- 交流输入引脚 AC1、AC2 交流电源线

ARM1、ARM2 上臂 ART、ARB 上下两臂

C1、C2、CF 电容 CC1、CC2、CC3、CC4电流开关

DB1-DB4 整流二极管 DVF1-DVF3 二极管

D端点 D1、D2 驱动引脚

GD、GE栅极 GND 接地线

GG 栅区域 IC1、IC2 分段电路

ME、MD HEMT PF1、PF2 校正引脚

S端点 S1、S2 驱动引脚

SBD1、SBD2、SBD3、SBD4 肖特基二极管

T1、T2、T3、T4 HEMT T5、T6、T7、T8耗尽型HEMT

TP1、TP2、TP3 时段 VAC-IN 交流输入电源

VCC高电压引脚 VDC-IN 直流电源

VDD直流电源线 VPEAK 电压峰值

VSS低电压引脚

具体实施方式

在本说明书中，相同的符号除另有说明外通常表示具有相同或是类似的 结构、功能、原理的元件，且为本领域技术人员可以依据本说明书的教导而 推知。为说明书的简洁度考虑，相同的符号的元件将不再重述。

在本发明的一实施例中，整个LED照明系统具有简洁的电路设计，主 要元件仅有封装有一单一半导体芯片(chip)的一集成电路、两个电容、以 及当作光源的一LED。实施例中的LED照明系统可以不需要连接额外的电 感元件。因此，LED照明系统的电路成本将会相当的低。此外，实施例中的 LED照明系统也提供了相当优良的功率因数，可以符合大多数规范的要求。

图2显示一依据本发明一实施例的LED驱动器60，其可用来驱动LED 18。LED 18可以是一高压LED，由许多微型LED(micro LED)串连在一 起所构成。举例来说，在一个实施例中，每个微型LED的正向电压约3.4 伏特，而LED 18由10多个微LED串联而成，其等效正向电压(forward voltage)约50V。

LED驱动器60大致有三级。连接到交流输入电源VAC-IN的第一级是 桥式整流器62。第二级是填谷电路(valley-fill circuit)64，作为一功率因数 校正器，可以改善整个LED驱动器60的功率因数。第三级有两个高电子迁 移率场效晶体管(high electronmobility transistor；HEMT)T1与T2，作为 电流驱动电路66。HEMT T1与T2可以各自作为一恒定电流源使用或是并联 后作为一可以提供更大电流数值的恒定电流源。以HEMT T1为例，当其漏 源电压(drain-to-source voltage，VDS)足够大时，漏源电流(drain-to-source current，IDS)，也就是从漏极流到源极的电流，将大约是一常数，几乎不随 VDS而变化，HEMT T1大致提供一恒定电流，用以驱动LED 18。

桥式整流器62包含有四个整流二极管DB1-DB4。以下将说明，这四个 整流二极管可以都是肖特基二极管(Schottky Barrier Diode；SBD)。桥式整 流器62将交流输入电源VAC-IN整流，用以产生直流电源VDC-IN，跨于直 流电源线VDD与接地线GND之间。举例来说，交流输入电源VAC-IN可以 是一般市电所提供的110VAC或是220VAC。

填谷电路64电连接于直流电源线VDD与接地线GND之间，包含有三 个二极管DVF1-DVF3与电容C1、C2。二极管DVF1-DVF3逆向串接于直流 电源线VDD与接地线GND之间。在此实施例中，电容C1与C2的电容值 大约相等，但本发明不限于此。理论上，电容C1与C2的电容电压VC1与 VC2大约可以被充电到直流电源VDC-IN的电压峰值VPEAK的一半 (0.5*VPEAK)。而当交流输入电源VAC-IN的电压绝对值低于0.5*VPEAK 时，电容C1与C2可以对直流电源线VDD与接地线GND放电。只要电容 C1与C2够大，填谷电路64可以使直流电源VDC-IN的最小值电压大约等 于0.5VPEAK，提供足够的电压使LED 18持续发光。

HEMT T1与T2都是耗尽型(depletion mode)晶体管，意味着他们的 临界电压(threshold voltage，VTH)都是负值。每个HEMT都具有一栅极(gate) 以及二通道极，而这二通道极一般又称为源极(source)与漏极(drain)。每 个HEMT T1与T2的栅极(gate)与源极(source)相互短路。以HEMT T1 为例，当其漏源电压(drain-to-source voltage，VDS)足够大时，漏源电流 (drain-to-source current，IDS)，也就是从漏极流到源极的电流，将大约是一 常数，几乎与VDS无关。所以，不论HEMT T1或T2，都可以大约当作一 恒定电流源，提供稳定的一恒定电流来驱动LED 18，使LED 18的发光强度 维持一定，不会有闪烁问题。在图2中，HEMT T1驱动LED 18，两者一起 作为负载(load)，串接在直流电源线VDD与接地线GND之间。图2以虚 线67连接了HEMT T2与LED 18，表示HEMT T2可以选择性地联合HEMT T1一同驱动LED 18，稍后将详细说明。

图3显示交流输入电源V_AC-IN的电压波形72、没有填谷电路64时的直 流电源V_DC-IN的电压波形74、以及有填谷电路64时的直流电源V_DC-IN的电 压波形76。举例来说，交流输入电源V_AC-IN是220VAC，为一正弦波，如同 图3所示。电压波形74表示没有填谷电路64时的虚拟结果。如果没有填谷 电路64，桥式整流器62将提供简单的全波整流，所以会将电压波形72中电 压值为负的部分，转变成正，如同电压波形74所示。填谷电路64会将电压 波形74中的波谷填入，或是使电压波形74中的波谷不再那么的深，如同电 压波形76所示。为了叙述上的方便，以下的说明有时将采用电压波形74来 讲解事件发生的时序。举例来说，电压波形74到达波峰时，代表电压波形 72(交流输入电源V_AC-IN)到达波峰或是波谷时。

时段TP1从电压波形74大于等于电压波形76开始，直到电压波形74 随时间上升直至峰值VPEAK结束。在时段TP1中，LED 18发光的电能将 直接来自交流输入电源VAC-IN，所以电压波形76等于电压波形74。此时， 一旦直流电源VDC-IN的电压大于电容电压VC1与VC2两者的和，电容C1 与C2将会被交流输入电源VAC-IN所充电。当电压波形74达峰值VPEAK时，电容电压VC1与VC2大约都会是0.5VPEAK。

时段TP2从电压波形74由达到峰值VPEAK开始，直到电压波形74下 降至一半峰值(1/2VPEAK)为止。在时段TP2中，电压波形74随时间开始 下降，而LED 18发光的电能将直接来自交流输入电源VAC-IN，所以电压 波形76等于电压波形74。因为电容C1与C2没有充放电，电容电压VC1 与VC2都将维持在0.5VPEAK。

时段TP3从电压波形74低于0.5VPEAK后开始，大约就是电压波形74 的波谷出现的时间。在时段TP3内，电容C1会通过二极管DVF3放电，来 供电给HEMT T1与LED 18。类似地，电容C2会通过二极管DVF1放电， 一样供电给HEMT T1与LED 18。电容电压VC1与VC2将随着时间降低， 降低的速度视电容C1与C2的电容值而定。时段TP3终止于电压波形74从 波谷反弹后而高于电容电压VC1或VC2时。之后由另一个时段TP1接续。 如同图3的电压波形76所示，只要电容C1与C2够大，直流电源VDC-IN 就可能提供足够的电压使LED 18持续发光。

只要电容C1与C2够大，填谷电路64所达到的功率因数，可以符合大 多数国家的功率因数要求。

在一实施例中，图2中的整流二极管DB1-DB4、二极管DVF1-DVF3、 以及HEMT T1与T2，都共同形成于一单一半导体芯片上。图4A显示一半 导体芯片80上的一金属层104的图案，并标示图2中的二极管与HEMT在 半导体芯片80上的相对位置。半导体芯片80可以是一以氮化镓为导通通道 材料(GaN-based)的单片微波集成电路(monolithic microwaveintegrated circuit；MMIC)。在图4A中，每个二极管的元件结构大约都相类似，都是 一肖特基二极管，而HEMT T1与T2的元件结构也相类似。图5显示了，图4A中的HEMT T1沿着线ST-ST的芯片剖面图；图6显示了，图4A中的二 极管DVF3沿着线SD-SD的芯片剖面图。图中其他的二极管与HEMT的元 件结构可以类推而得知。

图5的例子中，硅基底92上的缓冲层94可以是掺杂有碳(C-doped) 的本征(intrinsic)GaN。通道层96可以是本征(intrinsic)GaN，其上形成 有一高价带间隙(high-bandgap)层98，其材料可为本征的AlGaN。盖层100 可以是本征GaN。盖层100、高价带间隙层98与通道层96被图案化而成为 一平台区95(mesa)。二维电子云(2D-electron gas)可以形成于通道层96 内邻接于高价带间隙层98的量子阱(quantum well)，作为导电通道。图案化(patterned)的金属层102的材料可以是钛、铝或是这两种材料的迭层。 在图5中，金属层102在平台区95的上方形成两个金属片(metal strips)102a、 102b，分别跟平台区95形成两个欧姆接触(ohmic contact)，使得金属片102a、 102b分别作为HEMT T1的源极与漏极。金属层104的材料可以是钛、金或 是这两种材料的迭层。举例来说，由下而上，金属层104有一镍层(Ni)、 一铜层(Cu)以及一铂层(Pt)，其中铂层可以增加稍后形成的护层105彼 此之间的粘着度(adhesion)，防止在焊垫过程时产生剥离的问题。在其他实 施例中，金属层104也可以是镍层(Ni)、金层(Au)以及铂层(Pt)的迭层， 或者镍层(Ni)、金层(Au)以及钛层(Ti)的迭层。在图5中，图案化的金属 层104形成了金属片104a、104b与104c。金属片104b接触了平台区95的 中央上方，形成一肖特基接触(schottky contact)，作为HEMT T1的栅极。图5中的104a与104c分别接触了102a、102b，提供HEMT T1的源极与漏 极到其他电子元件的电性连接。请同时参考图5与图4A，可以发现HEMT T1 的栅极(金属片104b)，通过金属层104，短路到金属片104a，也短路到HEMT T1的源极。图5的右部分则显示了HEMT T1的等效电路图。金属层104上 方有保护层105，其材料可以是氮氧化硅(silicon oxinitride，SiON)。保护 层105被图案化，用来形成封装时所需要的焊垫(bonding pad)。举例来说， 图5中，左半边保护层105没有盖住的部分，可以焊接至低电压引脚VSS (稍后将解释)的焊线(bonding wire)；而右半边保护层105没有盖住的部 分，可以焊接至驱动引脚D1(稍后将解释)的焊线。

为简洁的缘故，图6与图5相同或类似的部分不再累述。图6中，金属 层102在平台区95的上方形成两个金属片102c、102d，图案化的金属层104 则形成了金属片104d、104e与104f。与图5相类似，金属片104e可作为一 HEMT的栅极。虽然金属片102d可以作为一HEMT的一源极，但金属片102d 上没有接触到金属层104。在另一实施例中，金属片102d可以省略而不形成。 金属片104f接触平台区95的一部分上表面与一侧壁，形成另一个肖特基接 触，可以作为一肖特基二极管，其阴极等效上短路到图6的HEMT的源极。 请同时参考图6与图4A。金属片104e，通过金属层104，短路到金属片104f， 其为肖特基二极管的阳极。图6的右部分显示了左半部的等效电路连接图， 电路行为上等效为一个二极管。图6的右部分同时显示一特别的二极管符号 120，来代表图6中的等效电路。二极管符号120也使用于图2中，表示整 流二极管DB1-DB4与二极管DVF1-DVF3，每个都是由一HEMT与一肖特 基二极管所复合而成的二极管。

图4B显示将半导体芯片80封装后的一集成电路130，其只有8个引脚 (pin)，分别是：高电压引脚VCC、校正引脚PF1与PF2、低电压引脚VSS、 交流输入引脚AC+与AC-、驱动引脚D1与D2。请参阅图4A，其中也显示 了每个引脚，通过焊线(bonding wire)，电性短路到由金属层104图案化后 所形成的金属片，而这些金属片也提供了半导体芯片80中电子元件相对应 的输入或输出端点相互连接。举例来说，驱动引脚D1电连接到HEMT T1 的漏极，校正引脚PF1电连接到二极管DVF3的阴极。

图7显示依据本发明所实施的一照明系统200。集成电路130固定在印 刷电路板202上。通过印刷电路板202上的金属线，电容C1电连接于高电 压引脚VCC与校正引脚PF1之间，电容C2电连接于低电压引脚VSS与校 正引脚PF2之间，LED 18电连接于高电压引脚VCC与驱动引脚D1之间， 交流输入引脚AC+与AC-电连接到交流输入电源VAC-IN。通过先前的解说 可以了解，图7的照明系统200很简洁，仅仅用了4个电子零件(两个电容 C1与C2、集成电路130与LED 18)，就实现了图2中的LED驱动器60。 没有昂贵且体积庞大的电感元件，照明系统200成本得以降低，且整个产品 体积也可以缩小。

图7中，集成电路130的驱动引脚D2(电连接到HEMT T2的漏极)， 可以视交流输入电源VAC-IN的交流电压不同，而决定是否电连接至LED 18。换言之，集成电路130可以选择性地用单单一个HEMT(T1)，或是用 两个HEMT(T1与T2)并联来驱动LED 18发光。举例来说，假定集成电 路130中的HEMT T1与T2元件大小都一样，分别可提供大约一样的1u单 位恒定电流。当图7的照明系统200运用于交流输入电源VAC-IN为110VAC 时，可以选用正向电压(forward voltage)为50V的LED作为LED 18，并 且连接驱动引脚D1以及D2一起到LED 18，LED 18此时所消耗的功率约 2u*50(＝100u)。而当图7的照明系统200运用于交流输入电源VAC-IN为 220VAC时，可以选用正向电压为100V的LED作为LED 18，并且单单连 接驱动引脚D1到LED 18，并保持驱动引脚D2浮动空接，LED 18此时所 消耗的功率约1u*100(＝100u)。如此，尽管交流输入电源VAC-IN的交流电 压不一样，只要选用正向电压不同的LED，LED 18消耗的功率可以大约相 同(都大约是100u)，那照明系统200所产生的照明亮度就大约也会是相同。 换言之，集成电路130不只是适用于220VAC的交流输入电源，也可适用于 110VAC的交流输入电源。这对于照明系统200的制造商而言是非常方便的， 可以节省照明系统200的零件库存管理成本。

在图2中，电流驱动电路66连接于LED 18与接地线GND之间，但本 发明并不限于此。图8显示另一依据本发明所实施的LED驱动器300，用来 驱动LED 18。在图8中，电流驱动电路302具有HEMT T3与T4，HEMT T3 与T4的漏极一起电连接到直流电源线VDD，LED 18电连接于接地线GND 与电流驱动电路302之间。图9A显示一半导体芯片310上的金属层140的 图案，并标示图8中的二极管与HEMT的相对位置。图5也可代表图9A中 的HEMT T3沿着线ST-ST的芯片剖面图；图6也可代表图9A中的二极管 DVF3沿着线SD-SD的芯片剖面图。图9B显示将半导体芯片310封装后的 一集成电路320，其只有8个引脚(pin)，分别是：高电压引脚VCC、校正 引脚PF1与PF2、低电压引脚VSS、交流输入引脚AC+与AC-、驱动引脚 S1与S2。图10显示依据本发明所实施的另一照明系统330，其实现了图8 中的LED驱动器300。图8、9A、9B与10，可以参照先前图2、4A、4B与 7以及相关的解说，而得知其原理、操作、以及优点，为简洁故，不再累述。

如同图11的实施例所示，额外的一稳压电容19可以与LED 18并联。 稳压电容19可以降低LED 18的跨压VLED的变化，甚至增加LED 18在交 流输入电源VAC-IN的一周期时间内的工作周期(duty cycle)或发光时间， 减少LED 18闪烁(flickering)的可能性。

图4A中的图案仅仅是作为一个例子，本发明并不限于此。图12显示 另一半导体芯片上的一金属层104的图案。图12大致类似于图4A，为简洁 的缘故，彼此相同或类似的部分不再累述。在图4A中，位于每个二极管中 间位置的一栅极，都只有通过一个图案化后金属层104的一上臂ARM1连接 到其阳极(譬如图6中的金属片104f)；位于每个HEMT中间位置的一栅极， 也都是通过一个图案化后金属层104的一上臂ARM2连接到其源极(譬如图 5中的金属片104a)。然而，在图12中，如同例示的栅区域GG，每个二极 管中间位置的栅极，通过图案化后金属层104的上下两臂ART与ARB连接 到其阳极；而位于每个HEMT中间位置的一栅极，也都是通过图案化后金 属层104的上下两臂连接到其源极。与图4A的设计相较之下，图12中的二 极管的上下两臂结构在制作上比较对称，在显影、曝光、磊晶、蚀刻等过程 的过程中比较不易被上下两臂之间的结构压缩空间，(上下两臂的)宽度会 比较一致、结构比较不易有破损或者变形；而图4A的结构因为仅有单臂， 在制作时容易在制作其他部分时造成整个臂宽度不一致的情况，而这种情况 也容易导致大电流或者大电压的聚集而造成击穿。因此图12的上下两臂的 结构因为整个结构宽度较为一致，也不易受到其他结构影响而变形，使得图 12的结构具有较高的击穿电压耐受能力。

图5与图6中的剖面图也并非用来限制本发明的保护范围。举例来说， 如图13显示图4A中的二极管DVF3沿着线SD-SD依据另一种实施例的芯 片剖面图。图13与图6，为简洁的缘故，彼此相同或类似的部分不再累述。 与图6不同，图13中的金属片104e与盖层100之间夹有一绝缘层103，其 材料譬如说是氧化硅。绝缘层103的存在也可以增强二极管的击穿电压耐受 能力。

图14显示用来制作图13中的二极管的流程图。步骤140先形成平台区。 举例来说，先在缓冲层94上分别形成通道层96、高价带间隙层98、与盖层 100。然后以感应式耦合电浆蚀刻等方式图案化这三层而完成平台区95。步 骤142形成欧姆接触。举例来说，分别沉积钛/铝/钛/金作为金属层102，之 后对金属层102图案化，形成金属片102a、102b等。步骤144形成绝缘层 103。举例来说，先沉积一二氧化硅层，然后将其图案化，剩下的二氧化硅 层便成为绝缘层103。步骤146形成肖特基接触与图案化。举例来说，步骤 146先依序沉积镍/金/铂作为金属层104，然后对金属层104图案化形成金属 片104a、104b、104c等。金属层104与金属层102之间为欧姆接触，但金 属层104与平台区95之间则为肖特基接触。步骤148形成保护层105，并对 之图案化，以形成焊垫开孔。当然，图14的流程图也适用于制作图12中的HEMT。而通过适当的调整，图14中的流程图，也可以用来制作如图4A中 的二极管与HEMT，例如省略步骤144，或者加入其他过程。

虽然图2与图5中的HEMT T1与T2可以视为恒定电流源，但是其可 能不是一个完全理想的电流源。HEMT T1与T2的漏源电流(IDS)，在饱和 区时，可能依然跟漏源电压(VDS)有些许相关。图15显示了金属氧化物 半导体场效晶体管(MOSFET)与HEMT中，IDS对VDS关系。曲线150 与152分别针对以硅为基材的一金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET) 以及一HEMT。从曲线150可以发现，在金属氧化物半导体场效晶体管中， IDS与VDS大约都是正相关，也就是VDS越大，IDS越大。但是HEMT则 不同。从曲线152可以发现，在HEMT中，当VDS超过一特定值时，IDS 与VDS的关系，会从正相关变成负相关。而这个特定值可以通过过程上的参数，来加以设定。该HEMT的特性有一个特别的好处，当VDS因为市电 电压不稳而突然飙高时，IDS反而会下降，可能可以降低消耗于HEMT的电 功率，所以避免HEMT被烧毁。

在先前几个实施例中，LED驱动器有一填谷电路，但本发明并不限于 此。图16显示了另一LED驱动器500，用以驱动LED 518，其包含了几个 LED段5201、5202、5203串接在一起。LED驱动器500中并没有填谷电路。 LED驱动器500中的桥式整流器502与电流驱动电路504可以一起整合在一 半导体芯片上，封装成一集成电路。图17显示一半导体芯片550上的一金 属层104的图案，并标示图16中的二极管与HEMT在半导体芯片550上的 相对位置。半导体芯片550整合了LED驱动器500中的桥式整流器502与 电流驱动电路504。图18显示将半导体芯片550封装后的一集成电路552。 图19显示采用图18中的集成电路552实现LED驱动器500的一照明系统 560。图16至19可以通过先前的教导而了解，故其细节不在此累述。从图 19可以发现整个照明系统560采用了非常少量的电子零件(一电容CF、集 成电路552与LED 518)。照明系统560成本将得以降低，且整个产品也更 加精简。

图16与19并非用来限制集成电路552的应用。图20举例一LED驱动 器600，可用以说明包含桥式整流器502与电流驱动电路504的集成电路的 另一应用。在图20中，电流驱动电路504中的HMET T1与T2可以选择性 地用来驱动LED 518，其包含了几个LED段5201、5202、5203。LED驱动 器600另有分段电路IC1与IC2，其可以依据直流电源VDC-IN的高低而成 为短路或是开路。举例来说，当直流电源VDC-IN比LED段5203的正向电 压略高时，分段电路IC1与IC2都是短路电路，所以LED段5203发光，而 LED段5201、5202不发光；当直流电源VDC-IN增加到超过LED段5202 与5203的正向电压总和时，分段电路IC1为短路电路，分段电路IC2为开 路电路，所以LED段5202与5203发光，而LED段5201不发光；当直流 电源VDC-IN再增加到超过LED段5201、5202与5203的正向电压总和时， 分段电路IC1也跟着变成开路电路，所以LED段5201、5202与5203都发 光。使得LED驱动器600的电光转换效率更好，功率因数与总谐波失真率 都能得到良好的控制。

依据本发明所实施的一集成电路并不限于只是整合了一桥式整流器与 一电流驱动电路。先前所述的集成电路130与552仅仅作为例子。举例来说， 依据本发明所实施的一集成电路除了有桥式整流器与电流驱动电路之外，还 整合有一些二极管或HEMT，可用于图20中的分段电路IC1与IC2中。

本发明所实施的集成电路并不只限于耗尽型的HEMT。在一些实施例 中，集成电路包含有增强型(enhancement-mode)HEMT，其导通电流可以 通过提供适当的栅电压来加以控制，由此改变所驱动的LED段所发出的光 强度。例如在图20中利用分段电路IC1与IC2调整启动的LED段5201、5202、 5203的同时，可以调整增强型HEMT的栅电压以改变HEMT输入到LED 段5201、5202、5203的电流，进而改变LED段5201、5202、5203所发出 的光强度。

尽管先前所揭示的LED驱动器或是照明系统，每个都是用以驱动单一 LED 518，但本发明并不限于此。在一些实施例中，可以有两个或是以上的 LED，以不同的电流，分别被驱动。图21举例一LED驱动器700，其中电 流驱动电路504中的HEMT T1与T2，分别驱动LED18R与18B。举例来说， HEMT T1所提供的驱动电流小于HEMT T2所提供的驱动电流，而LED18R 大致为红光LED，而LED 18B大致为蓝光LED。

图6与图13中的二极管，分别都形成于单一平台区95上，但本发明并 不限于此。图22显示另一种实施例中，一二极管的芯片剖面图。图22中与 图6以及图13彼此相同或类似的部分，为简洁的缘故，不再累述。图22中 有两个平台区95与95a。金属片102e于平台区95a上，形成一欧姆接触； 而金属片102d则在于平台区95上，形成另一欧姆接触。金属片102d与102e 通过金属片104g，彼此短路电连接。金属片104f作为二极管的一阳极，金 属片104d则作为二极管的一阴极。图22中的结构，可以增强二极管的击穿 电压耐受能力。

先前所教导的电流驱动电路66、302与504，都用来驱动发光二极管 (LED)，但本发明并不限于此。图23显示依据本发明另一实施例的LED 驱动器800，其与图16相似，彼此之间相同之处，可以参考先前的说明而了 解，为简洁的缘故，不再说明。与图16的LED驱动器500不同，图23中 的LED驱动器800多了一双向可控硅调光器(TRIAC dimmer)802，而且 电流驱动电路804中的HEMT T1直接连接于直流电源线VDD与接地线 GND之间，没有驱动任何LED。当一双向可控硅调光器关闭，大约呈现开 路时，需要有一定量的维持电流(holdingcurrent)，才可以避免误动作发生。 在图23中，HEMT T1可以提供双向可控硅调光器802所需要的维持电流。 设计上来说，HEMT T2可以提供相对的大电流，使LED 518发光；而HEMTT1可以提供相对的小电流，当LED 518不发光时，当作双向可控硅调光器 802所需要的维持电流。

先前实施例中的二极管都是以图6中的二极管符号120表示，其是由一 HEMT与一肖特基二极管所复合而成的二极管。但是本发明并不限于此。所 有实施例中的二极管，可以全部或是部分替换成其他种二极管。举例来说， 图24显示了一桥式整流器806，其以四个肖特基二极管SBD1、SBD2、SBD3、 SBD4所构成。

图25举例显示一半导体芯片808上的金属层104与平台区95的图案， 其可以实现图24中的桥式整流器806。图26A、26B与26C显示半导体芯 片808沿着线CSV1-CSV1、CSV2-CSV2与CSV3-CSV3的芯片剖面图。举 例来说，图24中的肖特基二极管SBD1连接于交流电源线AC1与接地线 GND之间。图25与图26A中显示具有一多指状结构(multi-fingerstructure) 的HEMT。HEMT的栅端作为肖特基二极管SBD1的阳极，HEMT的通道端 作为肖特基二极管SBD1的阴极。等效上，肖特基二极管SBD1由许多的小 肖特基二极管并联所构成。多指状结构的HEMT可以在有限的芯片面积中， 提供较大的驱动电流。

在先前的实施例中，每一个二极管，也可以用多个二极管串联来实施， 如同图27所举例的。图27显示了另一桥式整流器810。举例来说，在桥式 整流器810的交流电源线AC1与接地线GND之间，具有两个串接的肖特基 二极管。图28举例显示一半导体芯片812上的金属层104与平台区95的图 案，其可以实现图27中的桥式整流器810。图26A、26B与26C也可以用 以显示半导体芯片812沿着线CSV1-CSV1、CSV2-CSV2与CSV3-CSV3的 芯片剖面图。

如同先前所述，在本发明的实施例的半导体芯片中，并不限于只能有耗 尽型的HEMT与肖特基二极管，也可以包含有增强型(enhancement mode， E-mode)的HEMT。图29A显示在一半导体芯片上的一增强型HEMT ME 与一耗尽型的HEMT MD，两者的金属层104与平台区95的图案。图29B 则显示图29A中HEMT MD与ME之间的电连接。图30则显示图29A中， 沿着线CSV4-CSV4的芯片剖面图。如同图30所示，左半边为一增强型HEMT ME，其中作为栅极GE的金属片104h与盖层100之间夹有一绝缘层103。 盖层100与高价带间隙层98在金属片104h下方的部分，形成有一调整区 170。举例来说，调整区170可以将氟离子局部地注入盖层100与高价带间 隙层98而形成。相较于图22左半部的耗尽型HEMT MD，图30左半边的 增强型HEMTME多了调整区170以及绝缘层103，两者都可以用来调整或 增加一HEMT的临界电压值Vt(threshold voltage)。

如同图29A、29B与30所示，耗尽型HEMT MD的栅极GD，通过金 属层104的电性连接，短路到增强型HEMT ME的端点S。

图29B中的电路，当HEMT ME关闭(开路)时，HEMT ME与HEMT MD一起，可以承担分散从端点D到端点S之间的跨压，所以可以有相当好 的耐压能力。当HEMT ME开启(导通)时，HEMT MD可以作为一个恒定 电流源，限制端点D到端点S之间的最大电流量。

图29A与29B中的增强型HEMT也可以作为一半导体芯片中的主动开 关。图31显示依据本发明一实施例的一LED驱动器840的电路设计，其具 有增强型HEMT与耗尽型HEMT。除了一些肖特基二极管与电阻外，LED 驱动器840还包含有电流开关CC1、CC2、CC3，以及耗尽型HEMT T8，彼 此的电性连接如图31所示。在一半导体芯片上，电流开关CC1、CC2、CC3 可以以图29A与图30中的元件结构而实现。在一实施例中，电流开关CC1、 CC2、CC3以及耗尽型HEMT T8，可以导通的最大电流，分别是电流值I1、 I2、I3与I4，且I1<I2<I3<I4。每个电流开关CC1、CC2、CC3都有一个控制 端(也就是一增强型HEMT的栅端)，通过一个相对应的电阻，共同连接到 肖特基二极管852，其具有另一端连接到接地线GND。

图32显示了图31中的交流输入电源VAC-IN的电压波形以及流经桥式 整流器844的一电流波形。随着直流电源线VDD到接地线GND之间的跨 压从0V开始逐渐升高，电流开关CC1、CC2、CC3会全部开启。此时，只 有LED段5201发光，LED段5202、5203、5204都不发光，流经LED段 5201的驱动电流被电流开关CC1所限制，最大为电流值I1。随着直流电源 线VDD到接地线GND之间的跨压继续升高，电流开关CC1关闭而LED段 5202加入发光，此时，流经LED段5201与5202的驱动电流被电流开关CC2 所限制，最大为电流值I2。当直流电源线VDD到接地线GND之间的跨压 继续升高后，电流开关CC2关闭而LED段5203加入发光，此时，流经LED段5201、5202、5203的驱动电流被电流开关CC3所限制，最大为电流值I3。 当直流电源线VDD到接地线GND之间的跨压超过一定程度时，电流开关 CC1、CC2、CC3会全部关闭，LED段5201、5202、5203、5204全部都发 光。此时，流经LED段5201、5202、5203、5204的驱动电流被耗尽型HEMT T8所限制，最大为电流值I4。当直流电源线VDD到接地线GND之间的跨 压从最高点慢慢下降时，电流开关CC3、CC2、CC1会依序渐渐开启导通。 从图32可以发现，图31的LED驱动器840不只是有良好的功率因数(power factor)，而且会有相当低的总谐波失真率(totalharmonic distortion，THD)。

于图31中，对应每个电流开关CC3、CC2、CC1，都有两个反向串接 的肖特基二极管，连接于每个电流开关的一控制端与一高压端之间。而在另 一个实施例中，这些肖特基二极管(图31中总共有6个)可以省略不做， 降低成本。

连接于电阻850与接地线GND之间的肖特基二极管852，可以用来限 定电流开关CC3、CC2、CC1的控制端的最高电压。当突波高压出现在直流 电源线VDD上时，肖特基二极管852可以防止一增强型HEMT因过高栅电 压而导致损坏。

图31中的LED驱动器840中，所有的肖特基二极管以及HEMT，都可 以整合于一以氮化镓为导通通道材料(GaN-based)的单片微波集成电路。 举例来说，肖特基二极管可以用图6或是图26A中的元件结构来实现，而增 强型HEMT与耗尽型HEMT可以分别用图30中的左半部与右半部的元件结 构来实现。换言之，实现LED驱动器840时，可能只需要一单片微波集成 电路、一些电阻元件、一LED 848以及一印刷电路板(printed circuit board， PCB)而已，成本非常低廉。

随着环境温度的升高，以恒定电流驱动的一LED，其发光亮度可能会 减弱。为了弥补高温所导致的亮度衰减，所以在本发明的一些实施例中，可 以用正温度系数或是负温度系数的热敏电阻，来调整对LED的驱动电流。

图33显示了具有正温度系数的一热敏电阻的一LED驱动器900，其中， 热敏电阻902的两端，分别连接到电流开关CC4内的增强型HEMT ME1的 一栅端与一通道端。耗尽型HEMT T5作为一恒定电流源，大约提供一恒定 电流流经正温度系数热敏电阻902，增强型HEMT ME1工作于线性区。当 环境温度增加时，热敏电阻902的电阻上升，因此，电流开关CC4的控制 栅的电压也变高，增加了流经LED 518的电流。如此，可以使LED 518的 发光量，大约不随着温度变化而改变。

图34显示了具有负温度系数的一热敏电阻的一LED驱动器906，其中， 耗尽型HEMTT6可作为一恒定电流源，其所提供的恒定电流大致由其源极 电压所决定。当环境温度增加时，热敏电阻906的电阻下降，因此，耗尽型 HEMT T6的源极电压变低，耗尽型HEMT T6的栅对源(gate to source)电 压增加，因此增加了流经LED 518的电流。如此，可以使LED 518的发光 量，大约不随着温度变化而改变。

依据本发明所实施的LED驱动器，并不限于只能有一个LED或是只能 有一个热敏电阻。图35显示了LED驱动器910，其具有LED 5181、5182 与5183。类似图33所教导的，流经LED 5181的驱动电流，受热敏电阻902 控制，随着温度增加而增加。类似图34所教导的，流经LED 5182的驱动电 流，受热敏电阻906控制，随着温度增加而增加。而流经LED 5183的驱动 电流，受耗尽型HEMT T7所控制，大致不随温度而变化。在一实施例中， LED 5183是一蓝光LED，而LED 5181或5182是一红光LED。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明保护范围所做的等同变 化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (13)

1.一种驱动器，用以驱动发光元件，包含有：

缓冲层；

驱动电路，形成于该缓冲层之上，包含有第一高电子迁移率场效晶体管，该第一高电子迁移率场效晶体管用以电性连接该发光元件，其中该第一高电子迁移率场效晶体管包含有第一平台区，二维电子云形成于该第一平台区内；

整流电路，形成于该缓冲层之上，电性连接该驱动电路；以及

第一复合式二极管，电性连接于该驱动电路及该整流电路之间，其中该第一复合式二极管包含有：

第四平台区，二维电子云形成于该第四平台区内；

第一金属片，形成于该第四平台区之上且和该第四平台区形成肖特基接触，以作为该第一复合式二极管之阳极；

第二金属片，形成于该第四平台区之上且和该第四平台区形成肖特基接触，其中该第二金属片电性连接该第一金属片；及

第三金属片，形成于该第四平台区之上且和该第四平台区形成欧姆接触，以作为该第一复合式二极管之阴极。

2.一种驱动器，用以驱动发光元件，包含有：

缓冲层；

驱动电路，形成于该缓冲层之上，包含有第一高电子迁移率场效晶体管，该第一高电子迁移率场效晶体管用以电性连接该发光元件；

整流电路，形成于该缓冲层之上，电性连接该驱动电路；以及

第二复合式二极管，电性连接于该驱动电路及该整流电路之间；其中该第二复合式二极管包含有：

第五平台区及第六平台区，二维电子云形成于该第五平台区内及该第六平台区内；

第四金属片，形成于该第五平台区之上且和该第五平台区形成肖特基接触，以作为该第二复合式二极管之阳极；

第五金属片，形成于该第六平台区之上且和该第六平台区形成肖特基接触，其中该第五金属片电性连接该第四金属片；及

第六金属片，形成于该第六平台区之上且和该第六平台区形成欧姆接触，以作为该第二复合式二极管之阴极。

3.如权利要求1所述的驱动器，其中该第一平台区与该第四平台区分别包含高价带间隙层与通道层，二维电子云形成于通道层内邻接于高价带间隙层量子阱。

4.如权利要求2所述的驱动器，其中该第五平台区与该第六平台区分别包含高价带间隙层与通道层，二维电子云形成于通道层内邻接于高价带间隙层量子阱。

5.如权利要求1或2所述的驱动器，还包含第二高电子迁移率场效晶体管，该第二高电子迁移率场效晶体管串联该第一高电子迁移率场效晶体管，串联的该第二高电子迁移率场效晶体管与该第一高电子迁移率场效晶体管用以并联该发光元件。

6.如权利要求5所述的驱动器，其中该第二高电子迁移率场效晶体管的导通电压大于该第一高电子迁移率场效晶体管的导通电压。

7.如权利要求5所述的驱动器，其中该第二高电子迁移率场效晶体管包含有栅极、通道层与调整部，该调整部位于该栅极与该通道层之间，该调整部用以提供电场。

8.如权利要求5所述的驱动器，还包含齐纳二极管，电性连接于该整流电路与该第二高电子迁移率场效晶体管的控制端之间。

9.如权利要求1或2所述的驱动器，还包含电容，并联该发光元件，该第一高电子迁移率场效晶体管串联于该发光元件。

10.如权利要求1或2所述的驱动器，还包含热敏电阻，电性连接于该第一高电子迁移率场效晶体管的一端。

11.如权利要求1或2所述的驱动器，其中该驱动电路包含有第三高电子迁移率场效晶体管，该第三高电子迁移率场效晶体管经由二端并联于该整流电路，该第三高电子迁移率场效晶体管的控制端电性连接该二端其中之一。

12.如权利要求1或2所述的驱动器，其中该整流电路包含有第三复合式二极管，其中该第三复合式二极管包含有：

第七平台区，二维电子云形成于该第七平台区内；

第七金属片，形成于该第七平台区之上且和该第七平台区形成肖特基接触，以作为该整流电路的该第三复合式二极管之阳极；

第八金属片，形成于该第七平台区之上且和该第七平台区形成肖特基接触，其中该第八金属片电性连接该第七金属片；及

第九金属片，形成于该第七平台区之上且和该第七平台区形成欧姆接触，以作为该整流电路的该第三复合式二极管之阴极。

13.如权利要求1或2所述的驱动器，其中该整流电路包含有第四复合式二极管，其中该第四复合式二极管包含有：

第八平台区及第九平台区，二维电子云形成于该第八平台区内及该第九平台区内；

第十金属片，形成于该第八平台区之上且和该第八平台区形成肖特基接触，以作为该整流电路的该第四复合式二极管之阳极；

第十一金属片，形成于该第九平台区之上且和该第九平台区形成肖特基接触，其中该第十一金属片电性连接该第十金属片；及

第十二金属片，形成于该第九平台区之上且和该第九平台区形成欧姆接触，以作为该整流电路的该第四复合式二极管之阴极。

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