JP6793126B2 - 集積された電気機械スイッチを備えるｌｅｄチップ - Google Patents

集積された電気機械スイッチを備えるｌｅｄチップ Download PDF

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Description

本発明は、ＬＥＤの分野に関し、具体的には、集積スイッチ(integrated switch)を有するＬＥＤに関する
長年の研究の後に、ＬＥＤの分野に進行中の大きな進展が残っている。近年のこの進展の主な焦点は、光出力又は効率の改善（「ルーメン−ドル比」を増大させること）のための解決策を見出すことであった。しかしながら、ますます、照明用途においてＬＥＤ技術を実施することに関連する最大のコストは、ドライバ機構が利用するコンポーネント（構成部品）によって引き起こされている。
これらのコストを削減する１つの方法は、ＬＥＤ自体にドライバ機能性を統合し、それにより、これらのドライバ機能を充足する追加的な外部コンポーネントを製造する必要を回避することである。統合するのがしばしば望ましい１つの機能は、特に、直列スイッチを介してＬＥＤのオン／オフ状態を制御する能力である。ＬＥＤダイ内にスイッチを集積させることは、高価なドライバコンポーネントの必要性を部分的に排除する。
ＬＥＤに連結される直列スイッチは、例えば、それがマルチチャネルシステムの１つのチャネルを形成するときに、そのＬＥＤへの電流の流れを制御するために用いられてよい。そのようなスイッチにパルス幅変調信号を適用することによって、ＬＥＤを作動させるデューティサイクルを制御することができ、従って、知覚される輝度(brightness)を制御することができる。このようにして、マルチチャネルシステムの色は、例えば、各チャネルを独立して制御することによって制御されることがある。
ＬＥＤに連結される並列スイッチは、例えば、ＬＥＤを選択的にバイパス（迂回）するために用いられてよい。これは、例えば、整流されたＡＣ本線電圧のレベルに依存してＬＥＤをバイパスし、それにより、高価な調整電流ドライバの必要性を回避する、タップ付き線形ドライバにおいて用いられてよい。
スイッチ機能性を統合する１つのアプローチは、ＬＥＤダイの上にトランジスタを組み込むことである。しかしながら、これは特定のドーピングを有するダイ内に追加的な半導体層を設けることを必要とし、これはそのようなＬＥＤを製造するコストを増大させる。
従って、望まれているのは、例えば、チップ内にトランジスタを集積させるために必要とされるような、追加的な半導体層を設けることを必要とせずに、ＬＥＤのオン／オフ状態を制御する外部ドライバコンポーネントの必要性を減少させるような、ＬＥＤチップ内にスイッチング機能性を統合する手段である。
米国特許第６，０３７，７１９号は、画素の行列（マトリクス）として配置された複数の発光デバイスと、各それぞれの発光デバイスに連結されたアドレス指定回路とを含む、ディスプレイを開示している。アドレス指定回路は、複数の発光デバイスを制御するように動作可能な複数のマイクロマシン電気機械（ＭＥＭ）スイッチを含む。各ＭＥＭスイッチは、片持ちビームと、スイッチを閉鎖又は開放するために離間する制御電極とを含む。具体的には、電気機械スイッチは、基板上に配置された回路内で用いられ、制御電極は、基板に固定されている。
本発明は、請求項によって定められる。
本発明の特徴によれば、
半導体基板と、
第１の外部端子及び第２の外部端子と、
第１の外部端子と第２の外部端子との間に接続されるＬＥＤ構造と、
第１の外部端子と第２の外部端子との間でＬＥＤ構造と直列に又はＬＥＤ構造と並列に接続される吊りビーム静電スイッチと、
第３の外部端子と、
吊りビーム静電スイッチを制御するために第３の外部端子に接続される制御電極とを含む、
ＬＥＤチップが提供される。
よって、ＬＥＤ構造の静電作動をもたらす集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップが提供される。ＬＥＤ構造及び吊りビームスイッチの両方は、単一の共通の基板上に形成され、スイッチを静電作動させる制御電極は、チップ内に内部的に集積される。ＬＥＤ構造は、半導体層構成に亘って電流を提供するときにＬＥＤ機能性を達成する、如何なる特定の半導体層構成を含んでもよい。
直列構成において、静電スイッチ及びＬＥＤ構造は、２つの外部端子の間で直列であり、２つの外部端子の間に内部端子を備える。並列構成において、静電スイッチ及びＬＥＤ構造は並列であり、両方とも２つの外部端子の間に繋がる。
直列構成において、第１の外部端子及び内部端子は、この場合、ＬＥＤ構造のためのアノード及びカソード（又はその逆）を提供する。第１及び第２の外部端子は、ＬＥＤ及びその関連するスイッチを含む集積されたモジュールのための外部アノード／カソード端子を提供する。第３の外部端子は、デバイスをアクティブ状態と非アクティブ状態との間で切り替える制御端子として作用する。第３の外部端子を介して制御電極に電圧を印加することによって、吊りビームは、電極に向かって静電的に引き付けられるようになり、結果的な下向きの変位によって、回路が完成される。接地電圧が制御電極に印加される場合、吊りビームは、少なくとも１つの端部がスイッチ接点の１つの上に懸架された状態で、アイドル（停止状態）のままである。
それにより、本発明の実施態様は、ＭＥＭＳスイッチ技術をＬＥＤダイに効果的に統合し、ＭＥＭＳスイッチを制御する外部接点（第３の外部接点）を提供しながら、スイッチの全ての他のコンポーネントをチップレベルでＬＥＤに集積させる。ＭＥＭＳスイッチは、追加的な半導体層及び特定のドーピングを必要とせず、それにより、例えば、トランジスタ集積と比較して、コストを低減する。更に、ＭＥＭＳデバイスは成熟した技術であり、標準的な半導体技法を用いてＭＥＭＳデバイスをＬＥＤ製造プロセスに組み込み得る。
ＬＥＤ構造は、（少なくとも）第１の半導体層と、第１の半導体層上の第２の半導体層とを含み、各半導体層は、頂面と、底面とを有し、第２の半導体層は、第１の半導体層の頂面を部分的に覆う。
これらの少なくとも２つの半導体層、例えば、ｎドープされた半導体層及びｐドープされた半導体層は、異なる表面積を有し、上方層が下方層の部分を露出させられたままにするよう、互いに対して積み重ねられる。２つの層は、例えば、層に電流を供給するために、下方層の上面の１つの部分が上方層との接合部を形成し、第２の部分が自由表面を提供するような、「階段状」構造を形成する。
第１の半導体層は、２つの電気的に絶縁されたサブ部分(subportions)を含み、２つのサブ部分は、半導体層内の分割チャネルによって分離され、半導体基板によってそれらの底面で物理的に接続される。
よって、下方半導体層の露出部分は、２つの別個のサブ部分、即ち、上方半導体層によって部分的に覆われているが、部分的に露出させられた、第１のサブ部分と、完全に露出させられ、分割チャネルによって第１のサブ部分から電気的に絶縁された、第２の部分とに分割される。よって、第１のサブ部分は、２つの層の間の接合部に隣接する露出させられた下方層「レッジ」(“ledge”)を含む、上述と同じ上方層に対する「階段状」構造を形成するのに対し、第２のサブ部分は、分割チャネルの反対側に分離された「プラットフォーム」(“platform”)を形成する。
この構成内で、直列構成のための内部端子は、下方半導体層の１つのサブ部分の頂面に配置されてよく、第２の外部端子は、下方半導体層の他のサブ部分の頂面に配置されてよく、制御電極は、分割チャネル内の表面上に配置されてよい。
例えば、この実施態様によれば、第１のサブ部分の露出させられた「レッジ」は、内部接点を収容してよく、第２のサブ部分によって形成された「プラットフォーム」は、第２の外部接点を収容してよく、制御電極は、分割チャネル内に存してよい。よって、制御電極は、下方半導体層の頂面よりも低いレベルに配置されてよい。
１つの具体的な実施態様において、吊りビーム静電スイッチは、第２の外部端子又は内部端子のいずれかに物理的及び電気的に接続された１つの端部を有する、２つのサブ部分を分離する分割チャネルを亘って延在してよい。
よって、吊りビームスイッチは、１つの端部で弾性的に蝶番式に取り付けられた、分割チャネルに亘って延びる、片持ち電極を含み、その場合、それは分割チャネルと接する２つの接点のうちの一方との恒久的な接続を行う。他方の端部は、その自然な（アイドル）状態において、２つの接点のうちの他方より上で懸架される。電極はチャネルの頂部を覆って延びている（架かっている）ので、チャネル内に配置された制御電極に電圧を印加することによって、２つの電極は静電的に互いに引き付けられ、故に、スイッチの懸垂された端部は、そのそれぞれの電気接点と接触させられ、回路が完成される。
代替的な実施態様において、吊りビーム静電スイッチは、浮動ブリッジ電極に物理的に接続され且つ浮動ブリッジ電極から電気的に絶縁された、分割チャネルより上で懸架された吊りクランプ電極を含んでよく、ブリッジ電極は、内部端子より上で懸架された第１の端部と、第２の外部端子より上で懸架された第２の端部とを有し、両方の電極は、分割チャネルに亘って延びる（架かる）、下方層に隣接して位置付けられる二次支持構造から蝶番式に取り付けられる。
この場合、吊りビームスイッチは、下方半導体層の頂面の高さより上に延びる高さを有する、下方層の「背後」(“behind”)に位置付けられる、二次支持構造から蝶番式に取り付けられることで、クランプ電極及びブリッジ電極の両方は、この隆起構造への物理的な接続を行うことによって、半導体層の上を浮動する。
この場合、ブリッジ電極は、分割チャネルの上に延びず（架からず）、むしろ、分割チャネルを迂回し、代わりにチャネルの周りに延在する。このようにして、制御電極によって生成される静電界は、内部接点と第２の外部接点との間を通る（又はその逆の）電流と干渉しないで済む。この実施例におけるスイッチの作動は、制御電極と吊りクランプ電極との間の静電引力によって促進され、クランプ電極は、ブリッジ電極から電気的に絶縁される。クランプ電極は、例えば、制御電極に引き付けられ得るよう接地され、クランプ電極は、この目的のための接続端子を有してよい。
ブリッジ電極は、二次支持構造の上を通り過ぎることによってチャネルの周りに延在してよい。ブリッジ電極とクランプ電極との間の物理的な接続の故に、クランプの静電引力は、ブリッジ電極の２つの端部を引っ張り、それにより、内部端子と第２の外部端子との間の回路を完成する。
直列スイッチ構成に関して上述した一般的なＭＥＭＳスイッチ設計は、スイッチが第１及び第２の外部端子の間に電気的に接続されることにより、ＬＥＤ構造と並列である、並列スイッチ構成に等しく適用されてよい。
本発明の他の特徴によれば、集積された静電スイッチを有するＬＥＤチップを製造する方法が提供され、当該方法は、
半導体基板の上にＬＥＤ構造を提供するステップと、
第１の外部端子及び第２の外部端子を提供し、ＬＥＤ構造を２つの間に接続するステップと、
第１の外部端子と第２の外部端子との間でＬＥＤ構造と直列に或いはＬＥＤ構造と並列に吊りビーム静電スイッチを提供するステップと、
吊りビーム静電スイッチを制御する制御電極を提供するステップと、
第３の外部端子を提供し、端子を制御電極に接続するステップとを含む。
ＬＥＤ構造を提供することは、第１の半導体層と、第１の半導体層上の第２の半導体層とを提供することを含み、各半導体層は、頂面と、底面とを有し、第２の半導体層は、第１の半導体層の頂面を部分的に覆う。
この構造を提供するあらゆる手段が実施されてよい。例えば、初期的に同じ表面領域（表面積）を有する層をエピタキシャル成長させ、引き続き、上方層の一部が除去されてよい。代替的に、別個のプロセスを通じて形成された、この構造を既に有する、層が設けられてよい。
この方法は、下方半導体層の頂面と底面との間にチャネルを形成し、それにより、２つの電気的に絶縁されたサブ部分を有する下方半導体層を提供することを更に含んでよく、２つのサブ部分は、基板によってそれらの底面で接続される。
このようにして２つの分離されたサブ部分を形成することによって、処理ステップが最小されてよい。何故ならば、上述のような分離された「プラットフォーム」部分は個別に製造されなくてよいからである。むしろ、スイッチング機構の製造は、全体的にＬＥＤチップの製造と同じプロセスフロー内に完全に統合され、スイッチの要素は、典型的なＬＥＤチップアセンブリを含む標準的な半導体コンポーネントの操作から形成される。この統合は、別個に製造されたＭＥＭＳデバイスを外部ドライバコンポーネントとしてのＬＥＤチップと組み合わせることと比べて、例えば、コストを低減し、生産を単純化することがある。
この構成では、直列構成のために、内部端子が下方半導体層の１つのサブ部分の頂面に設けられてよく、第２の外部端子は、下方半導体層の代わりのサブ部分の頂面に設けられてよく、制御電極は、分割チャネル内の表面に設けられてよい。
更に、分割チャネル内に追加的に平坦化層が設けられてよく、平坦化層上に制御電極が設けられてよい。
そのような平坦化層は、制御電極が配置されるレベルを上昇させるように作用し、よって、前記電極と上の吊りスイッチとの間の変位を低減する。より近く分離は、例えば、スイッチがより低い電圧で作動させられるのを可能にする。より一般的には、チャネルを形成する方法がその基部に非平坦面を残すならば、平坦化層は、制御電極を取り付ける平坦な表面を単に提供してよい。
代替的に、制御電極は、その基部で基板の露出させられた部分にある、形成されたチャネルの底部に単に配置されてよい。
吊りビーム静電スイッチを提供するステップは、分割チャネル上に犠牲層を形成するステップと、犠牲層上に吊りビームスイッチを形成するステップと、引き続き、犠牲層を除去して、分割チャネルに亘って懸架された吊りビームスイッチを残すステップとを含んでよい。
犠牲層は、スイッチの「懸架された」又は作動されていない形状が、最終的なスイッチの所望の高さで並びに所望の形状において犠牲層を堆積させる−或いは他の方法で形成する−ことによって、精巧に作られ或いは形成されるのを可能にする。次に、鋳造(molding)又は他の方法によってスイッチを犠牲層の上に形成し、最終的に犠牲層を除去して、スイッチをその吊り状態において残してよい。
１つの実施形態において、スイッチを形成するステップは、第１の端部が、内部端子又は第２の外部接点に物理的に及び電気的に接続され、第２の端部が、犠牲層によって分離させられた、内部端子又は第２の外部端子の他方より上に配置された状態で、分割チャネルの上で電極を形成するステップを含む。
この実施形態によれば、１つの端部で弾性的に蝶番式に取り付けられた、分割チャネルに亘って延在する、片持ち電極スイッチが創られ、その場合、電極スイッチは、チャネルに接する２つの接点のうちの一方と恒久的な接続を行う。他方の端部は、その自然な（アイドル）状態において、２つの接点の他方より上で懸架される。
代替的な実施態様において、スイッチを形成するステップは、分割チャネルより上に位置付けられる、犠牲層の上にクランプ電極を形成するステップと、内部端子より上で犠牲層の上に配置される第１の端部を有し、第２の外部端子より上で犠牲層の上に配置される第２の端部を有する、電気的に絶縁されているが、物理的に接続された、ブリッジ電極を形成するステップとを含む。
この実施態様では、吊りビーム静電スイッチのための蝶番式に取り付けられた支持をもたらすために、下方層に隣接して並びに分割チャネルに亘って延びて、基板の上に配置された、二次支持構造が更に形成されてよい。
支持構造は、例えば、チップの半導体層構造全体の上に平坦化誘電体材料の層を堆積し或いは形成し、引き続き、形成された層の部分を−例えば、エッチングによって−除去し、支持構造体を形成する部分だけを残すことによって、接触端子の提供に先立って形成されてよい。
代替的に、支持構造は、本方法のプロセスフローに先立って又はプロセスフロー内で追加的に別個に製造され、引き続き、適切な位置において基板層に取り付けられてよい。
次に、添付の図面を参照して、本発明の実施例を詳細に記載する。
集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第１の例示的な実施態様の概略てきな例示を示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第１の例示的な実施態様の概略図を示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第２の例示的な実施態様の概略図を示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第１の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第１の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第１の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第１の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第１の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第２の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第２の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第２の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第２の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第２の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第２の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第２の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するＬＥＤチップの第２の例示的な実施態様を製造する例示的な方法におけるステップを示している。 集積された電気機械スイッチを有するカプセル化されたＬＥＤチップの例示的な実施態様を示している。 各々が直列スイッチを備えるＬＥＤモジュールの第１の可能な使用を示している。 各々が並列スイッチを備えるＬＥＤモジュールの第１の可能な使用を示している。
本発明は、ＬＥＤの電気機械的制御のための集積された静電スイッチを有するＬＥＤチップを提供する。吊りビームスイッチ(suspended beam switch)が、導電性の制御電極より上で浮動し、電極の充電によって、スイッチは下向きに引き付けられて、ＬＥＤ構造と外部電極との間の接続を行うか、或いは、さもなければ、ＬＥＤ構造に亘る接続を行ってよい。ＬＥＤチップを製造する方法が更に提供され、そこでは、スイッチング機構の製造はＬＥＤ構造の製造と完全に統合される。
よって、本発明の実施態様は、ＬＥＤチップ内にＭＥＭＳスイッチデバイス集積させて、この機能を達成する専用の外部ドライバコンポーネントを設けることを必要とせずに、ＬＥＤのオン／オフ制御を可能にする。トランジスタスイッチと対照的に、ＭＥＭＳスイッチは、専用の半導体層を必要とせず、故に、ＬＥＤチップ内への集積はより簡単且つより安価である。具体的には、ＬＥＤ素子及びスイッチ素子の両方の製造を完全に統合することによって、チップの製造は、標準的なＬＥＤ製造技法と実質的に類似のプロセスを利用する完全に線形のプロセスフロー（プロセスの流れ）を含んでよい。
図１は、本発明に従ったＬＥＤチップの簡単な第１の実施例を示している。２つの電気的に絶縁されたサブ部分２ａ，２ｂ(subportions)を有する、第１の（下方）半導体層が、基板層６の上に配置されている。２つのサブ部分２ａ，２ｂは、分割チャネル８によって分離されており、分割チャネル８内には、頭上に懸架されたビームスイッチ１２を静電的に引き付けるために制御電極１０が取り付けられている。第１のサブ部分２ａの頂面を部分的に覆って、下方半導体層の第１のサブ部分２ａの上に積み重ねられているのは、第２の（上方）半導体層１４である。上方半導体層１４の頂面に配置されているのは、第１の外部端子１６である。２つの半導体層は、２つの積み重ねられた層がＬＥＤ ＰＮ接合を形成するよう、適切に、そして、互いに対して反対方向に、ドープされる。第１の下方層サブ部分２ａの露出面の上には、内部接点１８が取り付けられ、内部接点１８の上には、吊りビームスイッチ１２の一端が浮動している。吊りビーム１２の他端は、第２の外部端子２０に物理的及び電気的に接続され、第２の外部端子２０は、下方半導体層の第２のサブ部分２ｂに取り付けられている。第１の外部端子１６及び第２の外部端子２０は、全体として、組み合わせＬＥＤ及びスイッチモジュールのためのアノード及びカソード（又はその逆の）接続を含む。
制御電極１０には、制御電極に外部電圧を提供するための第３の外部端子が取り付けられている。制御電極に適切な電圧を印加すると、吊りビーム１２は、電極に静電的に引き付けられるようになり、その吊り端部(suspended end)を下方に変位させ、内部端子１８と接触させる。次に、電気接続が第１の外部端子１６と内部端子１８との間で行われ、それにより、電流が、第１の外部端子１６と第２の外部端子２０との間に接続されるＬＥＤ構造を介して、第１の外部端子１６と第２の外部端子２０との間で流れるのを可能にする。故に、制御電極１０は、吊りビームスイッチ１２の静電作動及びＬＥＤチップ２２のオン／オフ制御を提供する。
図１の具体的な実施例において、下方層は、ｎドープ層を含むように示されており、上方層は、ｐドープ層を含むように示されている。しかしながら、これらの層は、代替的な実施形態において、それらの順序に関して逆にされてよいことが理解されるべきである。加えて、他の実施例は、例えば、追加的な中間半導体層を含む、より複雑な構造を有する、ＬＥＤ素子を含んでよい。
この第１の実施態様の異なる実施例によれば、追加的な非半導電性層を設けられてよい。例えば、絶縁層又は誘電体層を制御電極１０の上に塗布して、絶縁層又は誘電体層を取り囲む２つの下方層サブ部分２ａ，２ｂ及び上に吊るされたビームスイッチ１２の両方から絶縁層又は誘電体層を導電的に絶縁してよい。幾つかの実施例において、この層はＳｉＮの誘電体層を含んでよい。加えて、そのような層の厚さを選択的に制御することによって、制御電極とビームスイッチとの間の分離距離を制御することができる。絶縁層をより薄くすることは、チップの作動のために必要とされるより低い制御電圧をもたらす。
所与の実施例において、第１の下方半導体層サブ部分２ａ及び第２の下方半導体層サブ部分２ｂは、分割チャネル８又は分離レーンによって電気的に絶縁されるが、この分離を達成する異なる方法も可能であることに更に留意のこと。例えば、２つのサブ部分は、下方層の上に塗布された絶縁層によって分離されてよく、或いは、第２のサブ部分は、例えば、絶縁層によって層の残余から電気的に絶縁された隆起部分を含んでよい。
１つの実施態様において、基板層は、パターニングされた(patterned)サファイア基板（ＰＳＳ）のような、サファイア基板層を含んでよい。パターニングされたサファイア基板ＬＥＤは、より従来的な基板組成のＬＥＤと比較して輝度が向上するという利点を有する。サファイア基板の表面上でのパターニング(patterning)は、基板境界に到達した後に反射してＬＥＤに戻される光の量を減少させ、故に、素子の全体的な輝度を向上させる。しかしながら、代替的な実施形態では、特定の光出力又は生産仕様に従って並びに製造時に利用可能な技術に対応して、任意の適切な材料が基板のために用いられてよい。
図２には、上述のような第１の実施態様の実施例の概略図が示されている。制御電極１０は、絶縁誘電体層３０によって覆われており、吊りビーム１２の下で分割チャネル８内に位置している。ビーム１２は、第１の下方半導体層サブ部分２ａに取り付けられた内部端子１８と第２の下方層サブ部分２ｂの表面に取り付けられた第２の外部端子２０又は「Ｎ接点」(“N contact”)との間に架かっている(span)。第１の外部接点１６又は「Ｐ接点」(“P contact”)が、ｐドープ上方半導体層１４の表面に取り付けられている。
この第１の実施態様は、極めて簡単な設計及び構造から利益を得るが、ＬＥＤ自体の駆動電圧が制御電極と吊りビームとの間の相互作用に影響を与えるという欠点有する。駆動電流はチップの静電スイッチングを容易にするコンポーネントと極めて同じコンポーネントによって運ばれるので、静電気作用は通過電流の影響を受けることがある。
これを回避するために、本発明の第２の実施態様によれば、吊りビームスイッチは、２つの別個の、そして、電気的に絶縁された素子、即ち、ＬＥＤ駆動電流を運ぶ素子と、制御電極と静電的に相互作用する素子とに分割される。
図３は、この第２の実施態様の第１の実施例の概略図を示している。この実施例によれば、吊りビーム静電スイッチ１２は、制御電極１０を配置する分割チャネル８の上に懸架された(suspended)吊りクランプ電極３４(suspended clamp electrode)と、浮動ブリッジ電極３６(floating bridge electrode)とを含み、浮動ブリッジ電極３６は、内部端子１８の上に懸架された第１の端部と、第２の外部端子２０の上に懸架された第２の端部とを有する。吊りクランプ電極は、接触端子（コンタクト）によって接地に接続されている。浮動ブリッジ電極の２つの端部は、支持絶縁層３８によってクランプ電極に物理的に取り付けられている。両方の電極は、絶縁材料から成る二次支持構造４２に物理的に取り付けられ、基板の隣接部分に取り付けられた分割チャネルの１つの端部の「背後」(“behind”)に位置付けられる。両方の電極は、全体として、アイドル時に接点１８及び２０の上で浮動し且つ作動時に下向きに変形するよう、支持構造から「蝶番式に取り付けられ」る(“hinge”)、吊りビームスイッチを含む。
電圧が制御電極１０に印加されると、クランプ電極３４は静電的に引き付けられ、そして、物理的接続層３８の故に、それと共に、ブリッジ電極３６を引き、その２つの端部は、内部接点１８及び第２の外部接点２０とそれぞれ接触し、それにより、チップに亘る回路を完成させる。
クランプ電極３４及びブリッジ電極３６は電気的に絶縁されているので、ＬＥＤの駆動電流は、ひとたびスイッチがアクティブ化させると、スイッチの静電作動と干渉しない。
物理的接続層は、例えば、ＳｉＮのような、任意の適切な絶縁材料又は誘電材料を含んでよい。
他の実施例において、実施態様は、追加的な絶縁層、誘電体層又は支持層を含んでよい。１つの実施例において、分割チャネル８は、平坦化誘電体層４６によって部分的に充填され、制御電極１０は、平坦化誘電体層の上に配置される。そのような平坦化層は、制御電極が配置されるレベルを上昇させるように作用し、よって、前記電極と上の吊りスイッチとの間の変位を減少させる。より近い分離は、例えば、スイッチがより低い電圧で作動させられるのを可能にする。チャネルを形成する方法がその基部に非平坦表面を残すならば、平坦化層は、より一般的には、制御電極を取り付ける平坦な表面を単に提供してよい。
加えて、第１の実施態様におけるように、制御電極は、上にあるクランプ電極３４からの絶縁又は分離をもたらすために、１つの実施例では、ＳｉＮの、誘電体層又は絶縁層で覆われてよい。この誘電体層（又は複数の誘電体層）の厚さは、制御電極とクランプ電極との間の分離距離を決定し、故に、スイッチの作動に必要な電圧を決定する。
第２の外部接点２０とブリッジ電極３６のそれぞれの張出し端部との間の電圧差、故に、静電引力に起因する偶発的な作動を防止するために、ブリッジ電極の右手側の表面は、静電力を最小にするために、幾つかの実施例において、有意に小さいサイズを有してよい。
ＬＥＤ及び静電スイッチとのダイレベル集積は、チップが標準的なＬＥＤ製造技術と実質的に類似のプロセスを利用する線形のプロセスフローを用いて構築されるのを可能にする。具体的には、チップのスイッチコンポーネントは、典型的なＬＥＤチップを含む正統的な半導体層構造の単純な操作に統合されてよく、実際に部分的に作製されてよい。その上、プロセスフローに対する変更又はプロセスフロー内で必要とされる追加的なステップは、典型的には、ＭＥＭＳデバイス製造の分野において既に周知のステップ又は手順である。故に、以下に記載する方法は、それらのそれぞれの技術分野において周知であり、その上、そのために技術が成熟し、実現のために既に存在する、製造技術の統合のみを構成する。
図４ａ乃至図ｅには、上述のような本発明の第１の実施形態に従ったＬＥＤチップの製造のための第１の例示的なプロセスフローの段階が例示されている。
図４ａは、ＬＥＤ構造の形成後、ＭＥＭＳスイッチの形成前の構造を示している。図４ａに示すように、その表面の上に配置された積層された下方半導体層２ａ，２ｂ及び上方半導体層１４を有する基板層６が先ず提供され、下方半導体層は、分割チャネル８によって分離された２つの分離されたサブ部分２ａ，２ｂから成り、第１のサブ部分２ａは、上方層１４によって部分的に覆われた頂面を有し、第２のサブ部分２ｂは、露出させられた頂面を有する。第１の外部端子１６が、上方半導体層１４の表面に設けられ、内部接点１８が、下方半導体層の第１のサブ部分２ａの頂面の露出させられた区画に設けられる。制御端子１０が、分割チャネル８内に設けられ、外部接触端子（図示せず）が、外部制御信号の提供のために制御端子に接続される。
１つの実施例において、上方半導体層１４及び下方半導体層２ａ，２ｂは、基板層６の上にエピタキシャル成長させられ、次に、その場で(in situ)フォトリソグラフィエッチング(photolithographic etching)によって成形されて、図４ａに示す構造が形成される。例えば、上方及び下方半導体層は、初期的に基板６の上で成長させられてよく、各々は基板の同じ領域を覆う−上方層は、下方層の頂面を全体的に覆い、引き続き、図４ａの構造を形成するために、層の部分が除去される。具体的には、上方半導体層１４の部分が先ず除去され、引き続き、分割チャネル８が下方半導体層２を通じて形成されて、２つの分離された下方層サブ部分２ａ，２ｂを形成する。
図４ａの半導体層構造がひとたび形成されると、次に、接触端子１６，１８，１０がそれらのそれぞれの表面に設けられる。接触は、接触のための所望の部位での金属層の制御された堆積及びパターニング(pattering)を通じてその場で(in situ)形成される。
図４の具体的な実施例において、方法はｐドープ層の下にｎドープ層を設けることを含むものとして示されているが、別の(alternative)実施形態において、これらの層は、ＰＮ接合を創る交互の順序を有して形成されてよい。更に、特定の実施態様では、追加的な中間半導体層、例えば、ｐ層とｎ層との間の多重量子井戸スタックが設けられてもよい。
図４ｂに例示するように、堆積された金属接点１６，１８，１０を有する半導体層構造がひとたび提供／形成されると、２つの積み重ねられた層、即ち、制御端子１０を覆う誘電体層又は絶縁層５０及び第１の層５０の上の第１の犠牲層５２が、分割チャネル8内に設けられる。誘電体層又は絶縁層は、１つの実施例では、例えば、ＳｉＮで構成されてよい。犠牲層は、例えば、ＳｉＯ２で構成されてよい。しかしながら、任意の適切な材料が代替的に用いられてよく、その場合、犠牲層は、誘電体層を所定の場所に残しながら、容易にエッチング除去され(etched away)てよい、材料で構成されてよい。反応器内の１回の堆積運転の間に、両方の層５０，５２を順次的に追加し得る。これらの堆積ステップの後に、それらの層はエッチングされる。
図４Ｃに例示するように、次に、第１の犠牲層５２の上に、第２の犠牲層５４が提供され、この層は分割チャネル８の上に亘って延び、内部端子１８を少なくとも部分的に覆い、下方半導体層の第２のサブ部分２ｂの頂面の区画を部分的に覆う。その場合、第２の犠牲層もＳｉＯ２であり、内部端子１８によって形成される接触電極の高さより上の高さに達する。
図４ｄに示すように、第２の犠牲層５４の上に、吊りビーム電極／スイッチ１２が形成される。第２の犠牲層は、その頂面に亘って、張出しビームのために望ましい特定の形状を取るよう、堆積され且つ／或いはパターニングされる。吊りビーム電極１２は、第２の犠牲層５４の頂面を覆って並びに第２の下方層サブ部分２ｂの頂面を少なくとも部分的に覆って形成される。このように、吊りスイッチ及び第２の外部接点２０の両方が形成され、第２の外部接点２０は、チップの使用中にＬＥＤ用の駆動電流を提供するためにある。
吊りスイッチ１２の形成は、例えば、犠牲層５４に亘って金属層を堆積させること、並びに犠牲層５４及び第２のサブ部分２ｂの所望の部分のみを覆うように層をパターニングし(patterning)或いはエッチングすることを含んでよい。
図４ｅに示すように、吊り電極１２がひとたび形成されると、形成された第２の外部接点２０に一端で物理的及び電気的に接続され且つ他端で内部接点１８より上に懸架された吊りスイッチ１２を残すよう、２つの犠牲層５２，５４が除去される。
犠牲層の除去は、例えば、エッチングによって行われてよい。特定の場合には、例えば、ＳｉＮから成る誘電体層５０が提供され、ＳｉＯ２から成る犠牲層５２，５４が提供され、フッ化水素酸（蒸気／湿式エッチング）によってエッチングして犠牲層を除去し得る。ＳｉＮは、フッ化水素酸に対して耐性があり、故に、エッチング処理後に制御電極の上に誘電体層５２として残って、十分な絶縁を保証する。
図４ａ乃至図４ｅによって描写し（且つ上述した）例示的な製造方法は、必要とされる別個のプロセスステップの数及び様々な層内で利用される異なる材料の数に関して有意な単純性という特別な利点を有する。しかしながら、上記のように、この方法によってもたらされる特定の実施態様は、ＬＥＤ自体の駆動電圧がスイッチの作動挙動に影響を与えるという欠点を有する。
故に、図５ａ乃至５ｈには、上述し（且つ図３に示した）ような、本発明の第２の実施態様をもたらす例示的な方法におけるプロセスステップが描写されている。図５ａに示すように、この方法は、その表面上に堆積された、積層されたｎドープ半導体層及びｐドープ半導体層を有する基板層６を先ず提供することを含み、下方（ｎドープ）層２ａ，２ｂは、分割チャネル８によって２つの絶縁されたサブ部分に分割され、第１のサブ部分２ａは、上方半導体層１４によって部分的に覆われ、第２のサブ部分２ｂは、露出させられた頂面を有する。よって、ＬＥＤ構造の従来的な形成の後にこの方法を再び記載する。
図５ｂは、図５ａの半導体層構造が平坦化誘電体層６０によって覆われ或いは「充填される」(“filled”)、方法の次の段階を示している。平坦化誘電体層６０は、１つの実施例において、ベンゾシクロブテンの層を含んでよいが、他の実施例では、異なる材料を含んでよい。引き続き、平坦化誘電体層は、図５ｃに示すように分割チャネル８を部分的に充填するよう、パターニングされてよく、エッチング戻しされ(etched back)てよい。同様に、パターニング及びエッチングプロセスを通じて形成されるのは、分割チャネル８の一端に隣接して、２つの下方半導体層サブ部分２ａ，２ｂの間に延びている（架かっている）、図５ｃに描写された層構造の「背後」にある基板６の部分の上に堆積された二次支持構造４２（明瞭性のために図５に示されていないが、本発明の第２の実施態様の図３の描写に示されている）である。
平坦化誘電体層６０のエッチング／パターニングの後、外部及び内部接触端子１６，１８，２０が半導体層のそれぞれの表面に設けられ、制御端子１０が分割チャネル内に配置される平坦化誘電体層の頂面に設けられる。外部電圧の供給のために制御端子に接続される第３の外部端子（図示せず）も設けられる。第１の製造方法におけるように、これらの端子は、典型的には、堆積及びパターニングによってその場で形成される。
図５ｄに示すように、接触端子がひとたび設けられると、制御端子１０を覆う誘電体材料６４の層が設けられ、誘電体層の上に、第１の犠牲層６６が設けられ、第１の犠牲層の頂面が隣接する接触端子１８及び２０の頂面と整列するよう、組み合わせ厚さを有する２つの層が設けられる。しかしながら、電極のこの整列は任意的である。犠牲層は、幾つかの実施例において、ＳｉＯ２の層を含んでよい。しかしながら、当業者は、犠牲層の組成のために他のそのような材料が存在することを理解するであろう。誘電体層６４は、クランプ電極の電気的な絶縁をもたらす働きをする。
図５ｅに描写するように、内部端子１８及び第２の外部端子２０の頂面の全体を覆い、第１の犠牲層６６に亘って延びる、第２の犠牲層６８が引き続き堆積させられて、分割チャネル８を覆う。
第２の犠牲層６８が所定の場所にある状態で、吊りビームスイッチの金属コンポーネントが引き続き形成される。上述のように、本発明の第２の実施態様における吊りビームスイッチ（図３を参照）は、電気的に絶縁されたブリッジ電極３６と、クランプ電極３４とを含む。ブリッジ電極は、内部端子の上に懸架された第１の端部３６ａと、第２の外部端子の上に懸架された第２の端部３６ｂとを有する。クランプ電極３４は、分割チャネル８及びその中に配置される制御電極１０の上で物理的に浮動する。図３に示すように、ブリッジ電極３６及びクランプ電極３４の両方は、二次支持構造４２と物理的に接続され、ブリッジ電極は、二次支持構造の頂面を介して２つの下方層サブ部分２ａ，２ｂの間に延びている（架かっている）。故に、図５ｆによって例示するような、ブリッジ電極及びクランプ電極の形成において、第１の金属層は、堆積させられ（且つパターニングされて）、支持構造体の頂面に亘って、第１の端部端子３６ａから後方の二次支持構造（図示せず）まで「後向きに」延び、そして、再び前方に延びて、第２の端部端子３６ｂを形成する。２つの端部端子の間には、クランプ電極３４が形成され、クランプ電極３４は、「後向きに」延びて支持構造４２と物理的な接触を行うが、堆積させられたブリッジ電極３６と物理的接触を行わない。
金属接触要素３６ａ，３６ｂ，３４を形成した後、これらの要素は誘電体層７２によって覆われる（図５ｇを参照）。誘電体層は、単一の実体として動く統合された吊りビームスイッチ構造１２を形成するために、３つの接触地点を互いに物理的に結合するように作用する。
この誘電体層の堆積（又は他の塗布）後、第１及び第２の犠牲層６６，６８は、例えば、エッチングによって除去されて（図５ｈを参照）、内部及び第２の外部端子の上に懸架されるクランプ電極３４及びブリッジ電極３６と制御電極とをそれぞれ残す。
スイッチングのためにＭＥＭＳアクチュエータを用いるとき、デバイスを密封することは、デバイスの適切な機能を保証し、寿命を最大にするために、重要である。故に、多数の実施態様によれば、ＬＥＤチップは、カプセル化構成(encapsulation arrangement)内に入れられてよい。電子実装の分野には、電気デバイスの敏感な部分を気密に封止し得る幾つかの技術が存在する。
図６は、ＬＥＤチップの第１の上述の実施態様を含む装置が、デバイスのコンポーネントを周囲環境から気密に封止するキャッピング構造７６内に入れられている、そのような構成の簡単な実施例を示している。キャッピング構造は、ガラスで形成されてよく、幾つかの実施例では、白色光ＬＥＤを創るために蛍光体で追加的に覆われてよい。このような方法において装置を封止する場合には、第１、第２及び第３の外部端子への接続は、シールの外側に経路指定される(routed)ことが必要である。ＬＥＤチップをカプセル化する他の方法が考えられてもよい。
上の実施例は、ＬＥＤと、直列スイッチとを含む、ＬＥＤモジュールを創る。各チップ内に直列に複数のＬＥＤがあってよい。代わりに、スイッチはＬＥＤと並列でよく、同じ基本処理アプローチ(basis processing approach)が適用されてよい。
例えば、接点１６，１８を外部アノード端子及びカソード端子として用い、接点１６及び２０を互いに電気的に接続することによって、並列アーキテクチャが形成されてよい。このようにして、ダイオードは、外部接点１８及び１６（＝２０）の間にあり、スイッチも、外部接点１８及び１６（＝２０）の間にもある。この場合には、電極が外部端子として機能し、静電ビーム用の接触端子としても機能し得るように、電極１８はより大きくさせられる必要がある。
よって、同じ構造であるが、１つの追加的な内部接続を備える構造を用いて、並列構成を形成し得る。
他の構成では、３つの接点１６，１８，２０を全て外部端子として提供することができ、その場合、外部相互接続部は、スイッチが直列スイッチとして連結されているか或いは並列スイッチとして連結されているかを決定することができる。その場合、モジュール全体は、４つの外部端子を有する。
もちろん、他の異なる設計が直列バージョン及び並列バージョンのために用いられてよい。電極を共用するのを避けるために、ＬＥＤ及びスイッチは、チップ内で完全に独立していてよく、５つの外部端子、即ち、ＬＥＤのために２つの外部端子、スイッチのために３つの外部端子を備える。その場合、行われる外部接続は、コンポーネントが直列であるか或いは並列であるかを決定し得る。
図７は、統合された直列スイッチを備えるＬＥＤの駆動電流モジュールの１つの可能な使用を示している。並列に示された３つのモジュールがある。各モジュール８０は、赤色、緑色及び青色、又は白色、寒白色及び温白色のような、異なる色出力をもたらす。各色は、チャネルとして機能し、スイッチは、例えば、各チャネルからの光の寄与を制御するＰＷＭ（パルス幅変調）信号によって制御される。
図８は、統合された並列スイッチを備えるＬＥＤの駆動電流モジュールの１つの可能な使用を示している。直列に示された３つのモジュール９０がある。並列スイッチは、いくつのモジュールが回路内にあるか制御する。整流される本線信号レベル(mains signal level)に依存して、使用されるモジュールの数を選択することができ、それにより、必要とされるドライバを単純化する。よって、スイッチは、整流される本線電圧信号(mains voltage signal)に同期して制御される。
ＬＥＤと関連付けられる直列スイッチ又は並列スイッチを活用することがある他の回路がある。
請求する発明を実施する当業者は、図面、本開示、及び付属の特許請求の範囲の研究から、開示した実施態様に対する他の変形を理解し且つ達成し得る。特許請求の範囲において、「含む」(“comprising”)という用語は、他の要素又はステップを排除せず、単数形の表現は、複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属項において列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に用い得ないことを示さない。特許請求の範囲における如何なる参照符号も、その範囲を限定するものとして解釈されてならない。

Claims (9)

  1. 半導体基板と、
    第１の外部端子及び第２の外部端子と、
    前記第１の外部端子と第２の外部端子との間に接続されるＬＥＤ構造であって、第１の半導体層と、該第１の半導体層の上の第２の半導体層とを含み、各半導体層は、頂面と、底面とを有する、ＬＥＤ構造と、
    前記第１の外部端子と前記第２の外部端子との間で前記ＬＥＤ構造と直列に接続される、或いは前記ＬＥＤ構造と並列に接続される、吊りビーム静電スイッチと、
    第３の外部端子と、
    前記吊りビーム静電スイッチを制御するために前記第３の外部端子に接続される制御電極とを含み、
    前記第１の半導体層は、前記第１の半導体層内の分割チャネルによって絶縁され且つ前記半導体基板によってそれらの底面で物理的に接続された、２つの電気的に絶縁されたサブ部分を含み、
    前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層の頂面を部分的に覆い、
    内部端子が前記ＬＥＤ構造のアノード又はカソードに接続され、前記第１の半導体層の一方のサブ部分の頂面に配置され、
    前記第２の外部端子は、前記第１の半導体層の他方のサブ部分の頂面に配置され、前記制御電極は、前記分割チャネル内の表面に配置される、
    ＬＥＤチップ。
  2. 前記吊りビーム静電スイッチは、一端を前記第２の外部端子又は前記内部端子のいずれかに物理的及び電気的に接続させて、前記２つのサブ部分を分離する前記分割チャネルに亘って延在する、請求項１に記載のＬＥＤチップ。
  3. 前記吊りビーム静電スイッチは、浮動ブリッジ電極に物理的に接続され且つ該浮動ブリッジ電極から電気的に絶縁されて、前記分割チャネルより上で懸架された吊りクランプ電極を含み、前記浮動ブリッジ電極は、前記内部端子より上で懸架された第１の端部と、前記第２の外部端子より上で懸架された第２の端部とを有し、両方の電極は、前記分割チャネルに亘って延びて、前記第１の半導体層に隣接して位置付けられる、二次支持構造から蝶番式に取り付けられる、請求項１に記載のＬＥＤチップ。
  4. 集積された静電スイッチを有するＬＥＤチップを製造する方法であって、
    第１の半導体層と、該第１の半導体層上の第２の半導体層とを提供するステップを含み、各半導体層は、頂面と、底面とを有し、前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層の頂面を部分的に覆う、半導体基板の上にＬＥＤ構造を提供する、ステップと、
    第１の外部端子及び第２の外部端子を提供し、前記ＬＥＤ構造を前記２つの外部端子の間に接続するステップと、
    前記第１の半導体層の頂面と底面との間に分割チャネルを形成し、それにより、２つの電気的に絶縁されたサブ部分を有する前記第１の半導体層を提供するステップであって、前記２つのサブ部分は、前記半導体基板によってそれらの底面で接続される、ステップと、
    前記第１の外部端子と前記第２の外部端子との間で前記ＬＥＤ構造と直列に、或いは前記ＬＥＤ構造と並列に、吊りビーム静電スイッチを提供するステップと、
    該吊りビーム静電スイッチを制御する制御電極を提供するステップと、
    第３の外部端子を提供し、該第３の外部端子を前記制御電極に接続するステップと、
    前記第１の半導体層の１つのサブ部分の頂面に内部端子を提供するステップとを含み、
    前記第２の外部端子は、前記第１の半導体層の別のサブ部分の頂面に設けられ、前記制御電極は、前記分割チャネル内の表面に設けられる、
    方法。
  5. 前記分割チャネル内に平坦化層を提供するステップを更に含み、前記制御電極は、該平坦化層の上に提供される、請求項４に記載の方法。
  6. 前記吊りビーム静電スイッチを提供するステップは、前記分割チャネルの上に犠牲層を形成するステップと、該犠牲層の上に前記吊りビームスイッチを形成するステップと、次に、前記犠牲層を除去して、前記分割チャネルに亘って懸架された吊りビームスイッチを残すステップとを含む、請求項４又は５に記載の方法。
  7. 前記吊りビーム静電スイッチを形成するステップは、第１の端部が、前記内部端子又は前記第２の外部端子に物理的に及び電気的に接続され、第２の端部が、前記犠牲層によって分離された、前記内部端子又は第２の外部端子の他方より上に配置された状態で、前記分割チャネルの上で電極を形成するステップを含む、請求項６に記載の方法。
  8. 前記吊りビーム静電スイッチを形成するステップは、前記分割チャネルより上に位置付けられる、前記犠牲層の上にクランプ電極を形成するステップと、前記内部端子より上で前記犠牲層の上に配置される第１の端部を有し、前記第２の外部端子より上で前記犠牲層の上に配置される第２の端部を有する、電気的に絶縁されているが、物理的に接続された、ブリッジ電極を形成するステップとを含む、請求項７に記載の方法。
  9. 前記吊りビーム静電スイッチのための蝶番式に取り付けられた支持をもたらすために、前記第１の半導体層に隣接して並びに前記分割チャネルに亘って延びて、前記半導体基板の上に配置される、二次支持構造を形成するステップを更に含む、請求項８に記載の方法。
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