KR20150132422A - 능동 led 모듈을 형성하기 위한 led 웨이퍼에 대한 트랜지스터 웨이퍼의 본딩 - Google Patents
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Abstract
제어 MOSFET, 또는 LED와 직렬인 다른 트랜지스터를 갖는 LED 모듈이 개시된다. 일 실시예에서, 수직 MOSFET의 어레이를 포함하는 MOSFET 웨이퍼가 수직 LED의 대응하는 어레이를 포함하는 LED 웨이퍼에 대해 정렬되고 본딩되며, 단일 LED로서 동일한 풋프린트를 갖는 수천개의 능동 3 단자 LED 모듈을 형성하도록 개별화된다. 적색, 녹색 및 청색 LED의 상이한 순방향 전압에도 불구하고, RGB 모듈은 병렬로 연결될 수 있고 이들의 제어 전압은 백색과 같은, 단일 지각색을 생성하도록 60Hz 이상에서 스태거링된다. RGB 모듈은 일반적인 조명을 위한 또는 컬러 디스플레이를 위한 패널에서 연결될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 교차 참조
본원은 브래들리 에스. 오라우에 의해 2013년 1월 9일 출원된 미국 출원 번호 13/737,672의 부분 계속 출원이고 또한 브래들리 에스. 오라우에 의해 2013년 3월 15일 출원된 미국 가출원 번호 61/789,106에 대한 우선권을 주장한다. 두 출원서는 본 출원인에게 양도되고 본원에서 참조로 통합된다.
본 발명은 발광 다이오드(LED)에 관한 것이고, 특히, LED를 통해 전류를 제어하는 LED와 직렬인 능동 회로를 포함하는 단일 다이에 관한 것이다.
LED는 통상적으로 애노드 단자 및 캐소드 단자를 갖는 다이로서 형성된다. LED 다이는 통상적으로 열 방출 및 패키징을 위해 더 큰 기판 상에 장착된다. 이 기판은 수동 정전기 방전 디바이스와 같은 추가 회로를 포함할 수 있다. LED 다이 및 선택적 기판은 또한 통상적으로 패키징되고, 패키지는 인쇄 회로 보드(PCB)에 납땜되는 강건한 애노드 및 캐소드 납(lead)을 갖는다.
LED는 원하는 밝기를 달성하기 위해 전류원에 의해 제어될 수 있다. 전류원은 개별 다이에 형성되는 바이폴라 트랜지스터 또는 MOSFET이 될 수 있다. 전류원 및 LED는 통상적으로 배선 또는 PCB에 의해 함께 연결된다.
LED 다이와 분리된 전류원을 제공하는 것은 추가 공간 및 상호접속부를 필요로 하기 때문에 비용이 추가된다. 컴포넌트의 미스매칭의 가능성을 포함하여 다른 단점들이 존재한다. 초소형 LED 모듈에는 집적 전류원 드라이버 회로를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
추가적인 문제점들은 예를 들어, 컬러 디스플레이에서 또는 백색 광원을 생성하기 위해 다색 LED를 구동할 때 발생하기도 한다. LED는 비선형 전압 대 전류 특성을 갖는 2 단자 전기 디바이스이다. 특정 전압 임계치 미만에서, LED는 고 임피던스이다. 임계치를 초과하면, LED의 임피던스는 더 낮아진다. 이 임계치는 주로 반도체 LED의 밴드갭에 따른다. 밴드갭은 특정 피크 방출 파장에 대해 선택된다. 적색 LED는 대략 2eV의 밴드갭을 갖고, 청색 LED는 대략 3eV의 밴드갭을 갖고, 녹색 LED는 2eV 내지 3eV 사이의 밴드갭을 갖는다. 순방향 전압은 직접 밴드갭 에너지와 관련되기 때문에, 적색, 녹색, 및 청색 LED는 원하는 색 또는 광을 출력하도록 단순하게 병렬로 연결될 수 없고, 각각의 컬러 LED는 자체 드라이버 회로를 구비해야만 한다. 상이한 컬러 LED를 형성하는데 사용되는 상이한 재료(예를 들어, GaAs, GaN 등)도 순방향 전압에 영향을 준다. 또한, 동일한 파장을 출력하는 LED 내에서 조차, 이들의 순방향 전압은 프로세스 변형에 기인하여 변하므로, 동일한 컬러 LED를 병렬로 연결하는 것에도 문제가 있다. 각각의 LED에 대해 개별 드라이버 회로를 제공하고 이를 LED와 상호접속시키는 것은 공간 및 비용을 추가시킨다. 이 추가된 크기는 특히 디스플레이에서 RGB 픽셀의 크기를 최소화하려고 시도할 때 바람직하지 않다.
LED는 수동 매트릭스 어드레싱가능 어레이로 조직될 수 있다. 예를 들어, LED 세트는 로우 선택 드라이버에 연결되는 이들의 캐소드 및 컬럼 데이터 버스에 연결되는 이들의 애노드로 연결될 수 있다. 다수의 이들 로우는 로우 및 컬럼에 의해 어드레싱가능한 더 큰 어레이를 형성하는데 사용될 수 있다. 어드레싱된 로우 컬럼을 통해 제어된 전류를 제공하는 것은 예를 들어, 디스플레이에서 컬러 픽셀에 대해 원하는 컬러 및 광도를 방출하기 위해 어드레싱된 위치에서의 LED에 에너지를 가할 것이다. LED 사이의 상호접속은 비제로 임피던스(a non-zero impedence)이기 때문에, 상호접속 네트워크 전반에서의 전압 강하는 LED의 비 어드레싱된 세트(a non-adressed set)를 우연히 순방향 바이어싱할 수 있다. 이러한 우연한 순방향 바이어스는 어레이의 명암 대비를 감소시키는 비 어드레싱된 세그먼트에서의 과도한 광을 야기할 것이다.
어드레싱가능한 어레이에서 연결될 때 상술된 문제점들을 회피하는 집적된 LED 모듈을 생성하는 것이 바람직할 것이다.
고밀도의 소형 RGB 픽셀을 형성하도록 상이한 컬러의 LED가 병렬로 연결될 수 있는 집적된 LED 모듈을 생성하는 것이 또한 바람직할 것이다.
백라이팅을 위한, 일반적인 조명을 위한, 또는 컬러 디스플레이를 위한 광을 생성하기 위해 단일 패널에서 값싸게 함께 패키징될 수 있는 상이한 컬러의 집적된 LED 모듈을 생성하는 것이 또한 바람직할 것이다.
소형 조명 또는 디스플레이 패널을 형성하는 다수의 LED 모듈을 위한 상호접속 및 어드레싱 스킴을 생성하는 것이 또한 바람직할 것이다.
컬러 디스플레이에서와 같이, LED의 병렬 및 어드레싱가능한 접속과 관련된 문제점들은 능동 LED 모듈에 의해 해결될 수 있다. 일 실시예에서, 단일 수직 LED 모듈은 수직 드라이브 트랜지스터(전압 대 전류 컨버터)와 직렬인 LED를 포함한다.양의 전압 단자, 음의 전압 단자, 및 LED를 통해 전류를 제어하기 위한 제어 단자와 같은 세 단자가 모듈 상에 제공된다. 양의 전압 단자와 음의 전압 단자에 인가되는 전압들 사이의 차이는 제어 단자가 최대 값 제어 신호로 공급될 때 LED를 완전한 원하는 밝기까지 에너자이징하기에 충분해야만 한다.
제어 단자는 LED와 직렬로 연결된 MOSFET의 게이트 또는 소스에 연결될 수 있다. 제어 단자는 LED 임피던스의 임계치 비선형성이 수동적으로 보다는 능동적으로 제어되도록 추가된다. 전압이 모듈의 전원 단자를 통해 제공되는 LED 모듈에 대해, 저 임피던스 상태(LED가 발광하는 곳)는 제어 단자에 의해 인가되는 제어 전압에 의해 결정된다. LED의 병렬 또는 어드레싱가능한 네트워크에서 이러한 능동 LED는 제어 신호가 저 임피던스 상태를 활성화할 때까지 항상 고 임피던스 상태가 될 것이다. 이 능동 임피던스 제어는 순방향 전압에 대한 민감도 및 기생 전압 강하에 대한 민감도 및 역 전류 경로를 감소시킨다.
일례에서, 적색, 녹색, 및 청색 LED 모듈은 다중 컬러 디스플레이에 대한 어레이에서 병렬로 연결되고, 임의의 세트의 RGB LED(단일 픽셀을 형성함)는 세 모듈의 전압 단자를 통해 동일한 전압을 인가함으로써 어드레싱가능하다. 각 모듈의 제어 단자는 상이한 가변 제어 전압에 연결되어 픽셀에서의 적색, 녹색, 및 청색 LED의 원하는 밝기를 달성한다. 제어 전압은 60Hz 이상에서의 시퀀스로 인가되어서 RGB LED의 상이한 순방향 전압은 더이상 관련이 없다.
다른 실시예에서, 모듈은 백색 광원에 대해 직렬 및 병렬로 연결되고, 백색점은 적색, 녹색, 및 청색의 상대적인 조합에 의해 설정된다. 각각의 컬러에 대한 제어 전압 및 각각의 컬러에 대한 듀티 사이클은 원하는 백색점을 달성하도록 설정된다.
다른 실시예에서, 다양한 회로는 LED와 함께 집적되어 LED의 밝기를 입력 전압에서의 변형에 덜 민감하게 만든다.
모듈은 LED 웨이퍼를 드라이버 트랜지스터 웨이퍼에 본딩함으로써 형성될 수 있고, 각각의 LED의 단자를 각각의 드라이버 트랜지스터의 단자에 연결하여 직렬 접속을 형성한다. 본딩된 웨이퍼는 또한 한번에 수천개의 모듈을 형성하도록 개별화된다. 풋프린트는 단일의 종래의 LED 다이(예를 들어, 0.25 mm2 내지 1mm2)와 거의 동일한 것이 될 수 있기 때문에 모듈은 극히 소형이다.
모듈이 프린트가능한 것이면, 풋프린트는 더 작다. 프린트가능한 모듈은 50 내지 5000 um2 사이의 상면 영역 범위로 형성될 수 있다. 모듈의 작은 그룹의 어레이는 프린트될 수 있고, 각 그룹의 모듈은 원하는 최대 밝기를 갖는 단일 컬러 픽셀을 형성하도록 병렬로 연결된다. 일 실시예에서, 모듈에 대한 패키징은 또한 프린팅에 의해 형성된다.
드라이버는 바이폴라 트랜지스터, MOSFET, 또는 다른 타입 트랜지스터가 될 수 있다. 일부 실시예에서, 모듈을 통과하는 전류 흐름은 실질적으로 완전하게 수직이다. 다른 실시예에서, 전류는 수직으로 그리고 측면으로 흐른다.
수백개의 중간 전원 LED를 사용하는 큰 조명 시스템에서, LED의 각각에 대한 종래의 드라이브 회로를 제공하는 것은 비현실적일 수 있다. 이러한 백색 광원에 대해, 많은 LED는 통상적으로 직렬로 연결되고, 고 전압은 스트링을 통해 연결된다. 종래 기술에서, 이러한 고 전압을 제공하는 것은 종종 스텝 업 레귤레이터(a step up regulator)를 필요로 하여, 시스템에 비용을 추가시킨다. 본 발명은 각 LED에 자체 드라이버를 제공하여, 심지어 상이한 컬러의 많은 LED가 병렬로 연결되는 것을 가능하게 하여서 이들이 저 전압(예를 들어, 5볼트)으로 구동될 수 있도록 한다. 각 LED에 자체 드라이버를 제공하는 것은 또한 각 LED가 프로세스 변형에도 불구하고 원하는 밝기를 출력하도록 제어되는 것을 가능하게 하고, 온도에 따라 밝기를 변화시키고, 시간에 따라 밝기를 변화시킨다.
LED 디스플레이 또는 백색 광원에 적합한 LED 모듈의 다양한 어드레싱가능한 어레이와 함께 다양한 모듈 실시예 및 제조 방법이 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 LED 모듈의 개략도이다.
도 2는 드라이버 트랜지스터 웨이퍼에 본딩되는 LED 웨이퍼의 작은 일부분의 단면도이다.
도 3은 단일의 개별화된 모듈의 단순화된 단면도이다.
도 4는 LED의 위치 및 사용되는 드라이버 트랜지스터의 타입에 따라, 도 3에서 모듈의 세 단자에 고정 전압 및 가변 제어 전압을 인가하는 다양한 방식을 도시한다.
도 5는 패널에서와 같이, 패키징 이후의 개별화된 모듈 다이를 도시한다.
도 6은 LED의 애노드에 연결된 PMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 7은 LED의 애노드에 연결된 pnp 바이폴라 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 8은 LED의 애노드에 연결된 NMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 9는 LED의 애노드에 연결된 npn 바이폴라 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 10은 LED의 캐소드에 연결된 PMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 11은 LED의 캐소드에 연결된 pnp 바이폴라 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 12는 LED의 캐소드에 연결된 NMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 13은 LED의 캐소드에 연결된 npn 바이폴라 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 14는 컬러 디스플레이를 위해 또는 백색광을 생성하기 위해 병렬로 연결된 RGB LED 모듈을 도시한다.
도 15는 백색광을 포함하여, 임의의 색상을 생성하도록 제어 전압을 사용하여 도 14의 RGB LED가 시퀀싱될 수 있는 방법을 도시한다.
도 16은 컬러 디스플레이에서와 같이, 함께 패키징된 개별 RGB LED 모듈을 도시한다.
도 17은 전압 클램프, 전류 레귤레이터, 또는 다른 회로를 형성하도록 LED와 동일한 기판에서 트랜지스터 및 다른 회로가 집적될 수 있는 방법을 도시한다. 외부 제어 전압이 필요하지 않다. 이는 RGB 모듈과 같은, 2 단자 LED 모듈을 야기하고, 모듈은 백색광 픽셀을 포함하여, 컬러 픽셀에 대해 병렬로 연결된다.
도 18 내지 도 35는 다양한 타입의 LED 모듈을 형성하기 위한 다양한 드라이브 트랜지스터 및 방법을 도시하는 단면도이다.
도 18은 LED 모듈을 위한 드라이버로서 사용되는 수직 pnp 바이폴라 트랜지스터를 도시한다.
도 19는 LED 모듈을 위한 드라이버로서 사용되는 수직 p 채널 MOSFET을 도시한다.
도 20은 LED 모듈을 위한 드라이버로서 사용되는 트렌치 게이트 수직 p 채널 MOSFET을 도시한다.
도 21 내지 도 26은 도 18 또는 도 19의 드라이버 웨이퍼를 형성하고 LED 웨이퍼에 본딩하기 위해 이를 준비하는 제조 단계를 도시한다.
도 27 및 도 28은 드라이버 웨이퍼에 본딩하기 위한 LED 웨이퍼를 준비하기 위한 제조 단계를 도시한다.
도 29는 도 28의 LED 웨이퍼에 도 26의 드라이버 웨이퍼를 본딩하는 것을 도시한다.
도 30은 LED 웨이퍼로부터의 사파이어 기판의 제거를 도시한다.
도 31은 LED 웨이퍼의 저면의 캐소드 금속화를 도시한다.
도 32 내지 도 35는 도 19의 p 채널 MOSFET 드라이버를 형성하고 전도체 층에 의한 전기 접촉을 위한 중심 돌출 소스 전극을 형성하는 추가적인 단계를 도시한다. 도 18의 pnp 바이폴라 트랜지스터 드라이버는 상이한 금속화 패턴을 사용하여 제조될 수 있다.
도면에서 동일한 또는 유사한 요소들은 동일한 숫자로 라벨링된다.
도 2는 드라이버 트랜지스터 웨이퍼에 본딩되는 LED 웨이퍼의 작은 일부분의 단면도이다.
도 3은 단일의 개별화된 모듈의 단순화된 단면도이다.
도 4는 LED의 위치 및 사용되는 드라이버 트랜지스터의 타입에 따라, 도 3에서 모듈의 세 단자에 고정 전압 및 가변 제어 전압을 인가하는 다양한 방식을 도시한다.
도 5는 패널에서와 같이, 패키징 이후의 개별화된 모듈 다이를 도시한다.
도 6은 LED의 애노드에 연결된 PMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 7은 LED의 애노드에 연결된 pnp 바이폴라 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 8은 LED의 애노드에 연결된 NMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 9는 LED의 애노드에 연결된 npn 바이폴라 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 10은 LED의 캐소드에 연결된 PMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 11은 LED의 캐소드에 연결된 pnp 바이폴라 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 12는 LED의 캐소드에 연결된 NMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 13은 LED의 캐소드에 연결된 npn 바이폴라 드라이버 트랜지스터를 도시한다.
도 14는 컬러 디스플레이를 위해 또는 백색광을 생성하기 위해 병렬로 연결된 RGB LED 모듈을 도시한다.
도 15는 백색광을 포함하여, 임의의 색상을 생성하도록 제어 전압을 사용하여 도 14의 RGB LED가 시퀀싱될 수 있는 방법을 도시한다.
도 16은 컬러 디스플레이에서와 같이, 함께 패키징된 개별 RGB LED 모듈을 도시한다.
도 17은 전압 클램프, 전류 레귤레이터, 또는 다른 회로를 형성하도록 LED와 동일한 기판에서 트랜지스터 및 다른 회로가 집적될 수 있는 방법을 도시한다. 외부 제어 전압이 필요하지 않다. 이는 RGB 모듈과 같은, 2 단자 LED 모듈을 야기하고, 모듈은 백색광 픽셀을 포함하여, 컬러 픽셀에 대해 병렬로 연결된다.
도 18 내지 도 35는 다양한 타입의 LED 모듈을 형성하기 위한 다양한 드라이브 트랜지스터 및 방법을 도시하는 단면도이다.
도 18은 LED 모듈을 위한 드라이버로서 사용되는 수직 pnp 바이폴라 트랜지스터를 도시한다.
도 19는 LED 모듈을 위한 드라이버로서 사용되는 수직 p 채널 MOSFET을 도시한다.
도 20은 LED 모듈을 위한 드라이버로서 사용되는 트렌치 게이트 수직 p 채널 MOSFET을 도시한다.
도 21 내지 도 26은 도 18 또는 도 19의 드라이버 웨이퍼를 형성하고 LED 웨이퍼에 본딩하기 위해 이를 준비하는 제조 단계를 도시한다.
도 27 및 도 28은 드라이버 웨이퍼에 본딩하기 위한 LED 웨이퍼를 준비하기 위한 제조 단계를 도시한다.
도 29는 도 28의 LED 웨이퍼에 도 26의 드라이버 웨이퍼를 본딩하는 것을 도시한다.
도 30은 LED 웨이퍼로부터의 사파이어 기판의 제거를 도시한다.
도 31은 LED 웨이퍼의 저면의 캐소드 금속화를 도시한다.
도 32 내지 도 35는 도 19의 p 채널 MOSFET 드라이버를 형성하고 전도체 층에 의한 전기 접촉을 위한 중심 돌출 소스 전극을 형성하는 추가적인 단계를 도시한다. 도 18의 pnp 바이폴라 트랜지스터 드라이버는 상이한 금속화 패턴을 사용하여 제조될 수 있다.
도면에서 동일한 또는 유사한 요소들은 동일한 숫자로 라벨링된다.
도 1은 3 단자 LED 모듈(10)에서 회로의 일 실시예를 도시한다. 모듈(10)은 웨이퍼로부터 개별화된 단일 다이로서 형성된다. 모듈(10)은 LED(12)를 통해 전류를 제어하는 LED(12)와 직렬인 소스 및 드레인을 갖는 LED(12) 및 PMOS 드라이버 트랜지스터(14)를 포함한다. 드레인 소스 임피던스는 LED(12)의 임피던스에 추가한다. 따라서, 총 직렬 임피던스는 트랜지스터(14)의 게이트를 조정하는 것에 의한 제어가 될 수 있다. 이 방식으로, 트랜지스터(14)는 가변 저항 또는 스위칭 동작을 수행한다. 이로써, 순방향 전류는 오직 게이트가 PMOS 트랜지스터 턴 온 임계치를 초과하여 바이어싱될 때만 흐를 수 있다. 모듈(10)은 오직 세 단자(16, 17 및 18)만을 갖도록 패키징될 수 있다.
이후에 설명되는 바와 같이, 단일 트랜지스터의 다른 구성, 능동 LED가 가능하다. LED 및 트랜지스터의 특정 구성 및 트랜지스터의 특정 타입의 선택은 적용예의 제어 필요조건 또는 제약에 의존한다.
도 2는 모듈(10)의 구조의 일 실시예를 도시한다. 도 2는 상이한 재료 및 기술을 사용하여 형성될 수 있는, 두 웨이퍼(20 및 21)의 작은 부분을 도시한다.
웨이퍼(20)는 수천개의 수직 LED를 포함하는 LED 웨이퍼이다. 청색 광에 대해, 재료 시스템은 AlInGaN이 될 수 있고, 화학량론은 피크 방출 파장을 결정한다. 이러한 LED를 형성하는 것은 잘 알려져 있다. 결과적으로 청색 LED는 임의의 컬러를 생성하기 위해 인광체(a phosphor)로 커버될 수 있다. 대신에 LED 웨이퍼(20)는 UV로부터 자외선으로의 광범위한 피크 파장을 달성하도록 다른 재료 시스템을 사용할 수 있다. 잘 알려진 바와 같이, LED는 다중 우물 능동 층(a multi-well active layer)을 포함할 수 있다. LED를 형성하는 것은 통상적인 것이기 때문에 웨이퍼(20)는 매우 지나치게 단순화하여 도시되었다. 기본적으로, n 타입 에피택셜 층(23) 및 p 타입 에피택셜 층(24)은 성장 기판(a growth substrate)(예를 들어, 사파이어, SiC, 또는 GaAs) 위에 성장된다. 광은 pn 인터페이스에서 생성된다. 다중 우물 능동 층은 인터페이스에서 형성될 수 있다. 성장 기판은 고도로 저항성이거나 광 흡수성이면 제거되어야한다. n 타입 에피택셜 층(23)은 또한 씨닝(thinned)될 수 있다.
일 실시예에서, LED 웨이퍼(20)의 저면은 금 박층 또는 다른 타입의 투명 전도체와 같은, 투명 전도체 층으로 코팅되어, 층(23) 및 확산 전류(spread current)에 대한 옴 접촉(ohmic contact)을 형성한다. 각 LED 부분은 단자 T1을 형성하는 적어도 하나의 금속 전극을 갖는다. 금속 전극은 아래쪽 방향으로의 상당한 양의 광을 차단하지 않도록 얇은 손가락, 별표 형상으로 형성될 수 있거나, 작은 영역을 차지할 수 있다. 다른 실시예에서, LED 웨이퍼(20)의 저면이 반사층(reflector layer)으로 코팅되어서 광이 오직 각 개별화된 LED의 측부 또는 상부로부터 방출된다.
도 2에서 저면 층(26)은 상술된 것을 포함하여, 임의의 형태의 저면 전도체를 나타낸다. 예시에서, 저면 전도체는 캐소드 전극이지만, 일부 실시예에서, 저면 전도체는 애노드 전극이다.
LED 웨이퍼(20)의 상면은 실질적으로 옴 접촉을 형성하도록 웨이퍼(21)의 저면에 본딩되기 위해 준비된다. 웨이퍼(20 및 21)는 웨이퍼(21)의 각 트랜지스터 영역이 웨이퍼(20)에서의 각 LED 영역과 수직으로 정렬되도록 정렬된다. 일 실시예에서, 웨이퍼(20)의 상면은 압력 및 열에 의해 웨이퍼(21) 상의 유사한 금속 층(30)에 본딩되는 매우 평평한 반사 금속 층(28)이다. 다른 실시예에서, 웨이퍼(20 및 21)의 연결 표면은 본원에서 참조로 통합되는 미국 특허 번호 제 7,842,540 호에서 설명되는 것과 같은, Ziptronix, Inc.에 의해 수행되는 독점 프로세스에 의한 것이 될 수 있다. LED 웨이퍼(20)는 3 내지 8 인치와 같은 임의의 지름을 가질 수 있다. LED 웨이퍼(20)의 상면과 저면 사이에 인가되는 적합한 전압은 LED가 광을 방출하는 것을 가능하게 할 것이다.
상부 웨이퍼(21)는 수직 p 채널 트랜지스터의 어레이를 형성하고, 각 트랜지스터는 LED 웨이퍼(20)의 LED 영역과 연관된다. 웨이퍼에서 형성되는 수천개의 LED 및 트랜지스터가 통상적으로 존재할 것이다. 웨이퍼(21)는 종래의 포토리소그래픽 기술, p 타입 드레인 우물(32), n 타입 게이트(34), 및 p 타입 소스(36)에 의해 형성되는 p 타입 실리콘 기판을 사용할 수 있다. 다양한 영역은 개별화 이후에 모듈의 원하는 형상에 따라 육각형 또는 정사각형을 가질 수 있다.
웨이퍼(21) 위의 다양한 유전체 층 및 금속 전극은 프린팅에 의해 또는 종래의 포토리소그래픽 기술 및 진공 챔버 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 유전체 층(38)은 게이트(34) 및 소스(36) 위의 개구로 형성된다. 제 1 금속 층(40)은 또한 게이트(34) 및 소스(36)와 접촉하는 개구에 증착된다. 제 1 금속 층(40)은 잉크 포함 금속(예를 들어, Ni, Ti, Al 등) 입자 및 용액이 될 수 있다. 잉크가 큐어링(cured)될 때, 용액은 증발하고 금속 입자는 함께 신터링(sintered)된다. 다른 유전체 층(42)은 소스(36) 금속 및 게이트(34) 금속 위의 개구로 형성된다. 알루미늄과 같은, 추가 금속 층(44)은, 두꺼운 소스 전극 층(46)이 후속하는 소스(36) 금속 위에 증착된다. 금속 층은 배리어 층을 포함할 수 있다. 도 2의 단자(T2 및 T3)는 이후에 설명되는 특정 타입의 패키징 및 모듈의 어레이에 대해 설계된다. 단자(T2 및 T3)는 적용예 및 패키징에 따라 상이하게 설계될 수 있다.
웨이퍼(21) 위의 다양한 유전체 층 및 금속 층은 전도체에 대한 손상을 회피하기 위해 웨이퍼(20 및 21)가 저항으로 함께 본딩된 이후에 형성될 수 있다.
본딩된 웨이퍼(20 및 21)는 또한 에칭(etching), 소잉(sawing), 스크라이빙 및 브레이킹(scribing-and-breaking), 레이저, 트렌치 에칭 및 접착 층을 본딩하는 웨이퍼 용해 등과 같은 임의의 다양한 기술을 사용하여 개별화된다. 프린트가능한 LED는 50 내지 5000um2 사이의 상면 영역 범위로 형성될 수 있다. 매우 작은 LED 사이즈에 대해, 에칭은 개별화를 위해 선호되는 방법이다.
도 3은 간이화된 개별화 LED 모듈(10)을 도시한다. 일 실시예에서, 모듈(10)의 크기(풋프린트)는 약 0.1mm2 내지 1mm2이다. 광이 저면으로부터 탈출하는 것을 가능하게 하는 모듈(10)의 저면의 작은 부분을 차지하는 단자 T1이 도시된다.
광을 방출하는 도 3의 모듈(10)을 제어하기 위해, 도 1의 구성을 가정하면, 양의 전압이 소스 단자 T3에 인가되고, 음의 전압이 캐소드 단자 T1에 인가되고, MOSFET 임계치를 초과하는 게이트 소스 전압(Vgs)이 게이트 단자 T2에 인가된다. 일 실시예에서, LED를 순방향 바이어스하기 위해, 단자 T3 및 T1을 가로지르는 전압 차는 2볼트 보다 더 크다. 청색 LED(12)에 대해, 필요한 전압 차는 4볼트 보다 더 클 수 있다.
도 4는 사용되는 MOSFET의 타입 및 LED의 위치에 따라, LED 모듈을 제어하는 다양한 방식을 식별한다. 예를 들어, MOSFET의 게이트 전압을 제어함으로써 MOSFET을 제어하는 것 대신에, 게이트 전압이 고정될 수 있고(예를 들어, 양, 음, 또는 접지) 소스 전압은 원하는 Vgs를 달성하도록 제어될 수 있다. LED의 다른 구성 및 트랜지스터를 제어하는 전류/전압은 이후에서 설명되는 도 6 내지 도 13에서 도시된다.
트랜지스터 부분에 LED 부분을 본딩하는 웨이퍼 본딩을 사용하는 것에 대한 장점은 두 웨이퍼에 대해 상이한 재료(예를 들어, Si 및 GaN)가 사용될 수 있다는 것이다. 각각의 웨이퍼에 대한 성장 기판은 고도로 저항성이거나 광을 흡수하면 제거될 수 있다.
도 5는 캡슐화(encapsulate)하고 전원 및 제어 신호를 모듈(10)에 인가하기 위한 전도체를 제공하도록 패키징된 모듈(10)을 도시한다. 캡슐화된 모듈(10)은 디스플레이 패널의 부분을 형성할 수 있고 많은 모듈은 동일한 패널에서 캡슐화된다. 도 5에서, 투명 플라스틱 또는 유리 패널과 같은 기판(62)은 LED 모듈(10)의 단자 T1에 직접 본딩하기 위한 전도체(64)가 제공된다. 전도체(64)는 최소의 광을 차단하기 위해 후면의 작은 영역을 커버하는 투명이 될 수 있거나 금속이 될 수 있다. 패널에서, 어레이로 다양한 LED 모듈에 연결된 전도체(64)가 존재할 수 있거나, 단일 전도체 시트는 LED 모듈을 병렬로 연결할 수 있다. 전도체(64)는 궁극적으로 전원 단자에 연결된다. LED로부터의 광은 기판(62)을 통해 아래쪽으로 방출될 수 있다. 유전체 층(66)은 또한 기판(62) 위에 프린팅되어 모듈(10)의 측면을 캡슐화한다. 유전체 층(66)은 또한 기판(62)에 의해 지지되는 다른 모듈을 캡슐화할 수 있다.
모듈(10)은 측면 광 방출을 방지하도록 캡슐화 이전에 그 측면 상에 형성된 반사막(68)을 가질 수 있거나, 유전체 층(66)은 백색과 같이 반사될 수 있다. 막(68)은 또한 필요할 때 유전체 코팅하는 것을 나타낼 수 있다. 대안적으로, LED로부터의 측면 광은 유전체 층(66)에 의해 위쪽으로 그리고 아래쪽으로 반사되고, 유전체 층(66)은 백색 티타늄 산화 입자를 포함한다. 이러한 경우에, 기판(62)은 반사될 수 있어서 모든 광은 궁극적으로 패널의 상면을 통해 탈출한다.
제 2 전도체(70)는 트랜지스터 및 유전체(66) 위에 형성되어 게이트 단자 T2와 접촉한다. 유전체 층(72)은 제 2 전도체(70) 위에 형성되고, 제 3 전도체(74)는 유전체 층(72) 위에 형성되어 소스 단자 T3와 접촉한다. 일 실시예에서, 전도체(64, 70, 및 72)는 컬러 디스플레이 또는 백색 광원과 같은, 어드레싱가능한 LED 패널의 좁은 컬럼 및 로우 라인이다.
대부분의 경우에, 유전체 층(66)은 유전체 층(72) 보다 더 훨씬 두꺼울 것이다. 전도체(70 및 74)가 PMOS 트랜지스터에 대한 양의 제어 전압을 전도한다면 이들 두 전도체 사이의 누설은 중요한 것이 아니기 때문에 얇은 유전체 층(72)은 전도체(70 및 74)를 분리하기에 적합할 것이다. 따라서, 단자 T1은 음의 전압 단자가 되어야한다. 단자 T2 및 T3 중 어느 것이 양의 전압 단자이고 어느 것이 제어 단자인지를 선택하는 것은 적용예에 따른다. 통상적으로 상부 전도체(74)는 중간 전도체(70) 보다 더 낮은 저항성이 될 것이다. 이로써, 단자 T3에 대한 선택은 더 높은 전류의 양의 전압 단자가 될 것이다.
패널은 원색의 적색, 녹색, 및 청색, 또는 노란색 및 백색과 같은 다른 컬러와 같이, 다양한 컬러의 많은 수천개의 LED 모듈(10)을 포함할 수 있다. 모든 LED는 적색 및 녹색 인광체에 의해 형성되는 적색 및 녹색 컬러를 갖는 청색 LED가 될 수 있다. 패널이 일반적인 조명에 대해 또는 LCD를 위한 백라이트로서 사용될 백색광 패널이면, 각 LED는 백색광을 형성하도록 녹색 및 적색 컴포넌트를 추가한 인광체로 코팅된 청색 LED가 될 수 있다. 패널은 대략 2mm 두께가 될 수 있고 임의의 크기가 될 수 있다. 다양한 LED는 원하는 전압 강하 및 전류를 달성하는 직렬, 병렬, 또는 조합과 같은, 임의의 구성으로 연결될 수 있다.
광은 다양한 방식으로 패키징된 모듈(10)로부터 방출될 수 있다. 트랜지스터 웨이퍼(21)(도 2)가 가시광에 대해 투명하면, 전도체(70 및 74)는 투명하거나 좁고, 웨이퍼(20 및 21) 사이에 본딩된 인터페이스는 투명하고, LED 광은 도 5의 방향에서 상면을 통해 방출될 수 있다. 투명 웨이퍼(21)는 SiC 또는 GaN이 될 수 있고, 트랜지스터는 잘 알려진 GaN HEMT, MOSFET, 또는 MESFET이 될 수 있다. 하부 전도체(64) 및 기판(62)은 반사될 수 있다.
대안적으로, 광은 패키지의 저면을 통해 방출될 수 있고, 전도체(64)는 얇거나 투명하고 기판(62)은 투명하다. 웨이퍼 본딩 인터페이스는 반사가능한 금속이 될 수 있다.
대안적으로, 모든 LED 광은 LED의 측벽을 통과하여 전달될 수 있고, 또한 패키지의 상면 또는 저면을 통해 위쪽 또는 아래쪽으로 반사될 수 있다. 웨이퍼 본딩 인터페이스는 반사가능한 금속이 될 수 있다. 유전체 층(66)은 광을 위쪽 및 아래쪽으로 반사시키도록 확산 반사가능할 수 있다. 광이 상면을 통과하여 방출되는 것이면 전도체(70 및 74)는 좁거나 투명할 수 있다. 전도체(64) 및 기판(62)이 또한 반사가능할 수 있다. 저면 전송을 위해, 전도체(70 및 74)가 반사가능할 수 있고, 전도체(64)는 좁거나 투명하고, 기판(62)은 투명할 수 있다.
모듈(예를 들어, 도 3의 단일 다이 모듈)에서, 제어 트랜지스터는 하이 사이드 트랜지스터 또는 로우 사이드 트랜지스터로서 연결될 수 있고, 트랜지스터는 MOSFET, 바이폴라 트랜지스터, JFET 또는 본원에서 언급된 임의의 다른 타입의 트랜지스터가 될 수 있다. 모든 트랜지스터 타입은 전류를 수직으로 전도시킨다. 도 6 내지 도 13은 가능한 구성의 일부를 도시한다. 모든 수직 트랜지스터 타입을 형성하는 것이 잘 알려져 있다.
도 6은 도 1과 동일하다.
도 7은 제어 트랜지스터로서 하이 사이드 pnp 바이폴라 트랜지스터를 사용한다.
도 8은 제어 트랜지스터로서 하이 사이드 n 채널 MOSFET을 사용한다.
도 9는 제어 트랜지스터로서 하이 사이드 npn 바이폴라 트랜지스터를 사용한다.
도 10은 제어 트랜지스터로서 로우 사이드 p 채널 MOSFET을 사용한다.
도 11은 제어 트랜지스터로서 로우 사이드 pnp 바이폴라 트랜지스터를 사용한다.
도 12는 제어 트랜지스터로서 로우 사이드 n 채널 MOSFET을 사용한다.
도 13은 제어 트랜지스터로서 로우 사이드 npn 바이폴라 트랜지스터를 사용한다.
각 개별화된 LED 모듈에 대해 웨이퍼(21)(도 2)에 형성된 회로는 임의의 방식으로 상호접속된 저항기와 같은 다른 컴포넌트 및 다수의 트랜지스터를 포함할 수 있다. 각 LED 모듈은 또한 웨이퍼(21)에 형성된 컴포넌트와 상호접속되는 다수의 LED를 포함할 수 있다. LED 웨이퍼 및 "전자" 웨이퍼를 본딩하는 인터페이스는 LED와 전자 웨이퍼에서의 컴포넌트 사이에 다수의 전도성 경로를 생성하는 전자 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, LED 웨이퍼 상부에 형성된 전자 패턴은 기계적 본드를 생성하고 특정 전자 상호접속부를 제공하기 위한 전자 웨이퍼의 저면 상에 형성되는 전극 패턴에 대응할 수 있다. 접착제는 또한 웨이퍼를 추가적으로 기계적으로 본딩하는데 사용될 수 있다.
도 14는 적어도 세 개의 LED 모듈을 포함하는 단일 패키지의 회로를 도시한다. 패키지는 어드레싱가능한 LED의 어레이를 포함하는 디스플레이 패널이 될 수 있다. 하나의 모듈은 적색 광을 방출하는 LED(78)를 포함하고, 하나의 모듈은 녹색 광을 방출하는 LED(79)를 포함하고, 하나의 모듈은 청색 광을 방출하는 LED(80)를 포함한다. LED(78 및 79)는 청색 LED로 코팅된 인광체가 될 수 있다. 모듈은 도 1과 유사하게, p 채널 MOSFET(81, 82 및 83)을 포함한다. 패키지는 소스들을 함께 전기적으로 연결하는 전도체(83)(예를 들어, X-어드레스 라인)와 LED의 캐소드들을 함께 연결하는 전도체(84)(X-어드레스 라인)를 포함하여서 모듈은 병렬로 연결된다. 각 LED는 전도체(86 내지 88)(예를 들어, Y-어드레스 라인)에 의해 이의 개별 MOSFET의 게이트에 인가되는 개별 제어 전압에 의해 제어된다. 이 방식으로, 백색을 포함하는 임의의 컬러 광은 패키지에 의해 발생될 수 있다. 세 개의 모듈은 디스플레이에서 단일 컬러 픽셀을 형성할 수 있거나 백색광 패널의 부분이 될 수 있다.
병렬로 연결된 상이한 컬러 LED를 제어할 때, 집적된 모듈의 장점은 모듈이 양의 전압 및 음의 전압에 연결된 두 공통 단자와 한번에 단일 LED를 선택하는 제 3 단자를 가질 수 있다는 것이다. 오직 한번에 하나의 컬러 LED를 턴 온하는 것에 의해, 이의 순방향 전압은 다른 LED를 가로지르는 전압에 영향을 주지않는다. 예를 들어, 제어 전압이 모두 동시에 낮게 풀링되면, 적색 LED(78)의 낮은 순방향 전압은 녹색 및 청색 LED가 턴 온되는 것을 방지할 것이다. 오직 하나의 LED 컬러가 한번에 활성인 동안에, 상이한 순방향 전압들 사이에 충돌이 존재하지 않는다. 상이한 컬러의 턴 온 기간은 시간으로 분할될 수 있고(시간 분할 멀티플렉싱), 제어 전압 레벨은 능동 LED 순방향 전압에 대해 조정될 수 있다. 일 실시예에서, MOSFET(86 내지 88)의 게이트에 인가되는 제어 전압은 약 60Hz 초과의 주파수로 순차적으로 제공되고, 제어 전압의 상대적인 듀티 사이클은 광의 지각색(perceived color)을 제어한다.
도 15는 세 개의 모듈로부터의 광 방출을 제어하기 위한 단일 사이클의 적색, 녹색, 및 청색 LED(78 내지 80)의 상대적인 온 타임(on-time)의 일례이다. 제어 전압은 각 컬러 LED에 대해 상이할 수 있어서 각각의 LED가 특정 사전결정된 플럭스 레벨(예를 들어, 공칭 최대 밝기)을 방출하는 것을 야기하고, 백색 또는 무채색을 포함하는, 임의의 전체 밝기 레벨 및 컬러는 사이클 당 절대적 온 타임(밝기에 대해) 및 상대적인 온 타임(컬러에 대해)을 제어함으로써 달성될 수 있다.
도 16은 세 개의 LED 모듈(91 내지 93)을 포함하는 패키지(90)를 도시한다. 패키지는 어드레싱가능한 LED의 전체 패널이 될 수 있고, 도 16은 단지 패널의 작은 부분을 도시할 수 있다. 모듈(91)은 적색 LED를 포함하고, 모듈(92)은 녹색 LED를 포함하고, 모듈(93)은 청색 LED를 포함한다. 도 16의 예시에서, LED의 캐소드 단자 T1은 전도체(94)에 의해 함께 연결되고, 기판(96)에 의해 지지된다. 패키지(90)로부터의 광 방출의 방향은 도 5와 관련하여 논의된 임의의 방향이 될 수 있다. 모듈(91 내지 93)에서의 트랜지스터는 p 채널 MOSFET이고, 소스 전압의 충분히 미만인 게이트 전압은 트랜지스터 및 LED를 턴 온한다. 트랜지스터의 게이트는 전도체(98)에 의해 공통으로 연결되고, 트랜지스터의 소스는 도면 페이지 내부 및 외부로 연장되는 전도체(100 내지 102)에 의해 분리되어 접촉된다. 전도체(94 및 98)를 가로지르는 전압은 임의의 LED의 순방향 전압 보다 더 크다. 시간 분할 방식으로 소스 전압을 개별적으로 제어함으로써, 각각의 트랜지스터는 백색광을 생성하거나 픽셀 컬러를 제어하는 것과 같이, RGB 컬러의 혼합을 제어하도록 임의의 전류를 전도시키도록 분리하여 제어될 수 있다. RGB LED로부터의 광은 패널의 표면으로부터 오직 몇 밀리미터 혼합될 것이고/거나 확산 패널은 광의 균일성을 향상시키는데 사용될 수 있다.
유전체 층(66 및 72)은 도 5와 동일한 것이 될 수 있다.
대안적으로, 도 16에서 트랜지스터의 소스는 전도체(100 내지 102)를 대체하는 전도체에 의해 함께 연결될 수 있고, 게이트는 공통 전도체(98)를 대체하는 전도체에 의해 분리되어 접촉되어 게이트 전압을 통해 트랜지스터를 개별적으로 제어하는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에서, 도 16의 구조는 다섯개의 단자를 갖는 단일 3 모듈 패키지를 나타낸다. 다른 실시예에서, 도 16의 구조는 단지 단일 기판(96)을 갖는 더 큰 패널의 일부이고, 각각의 컬러 픽셀 위치는 세 개의 RGB 모듈을 포함한다. 유전체(66)는 패널 상의 모든 모듈을 캡슐화하는 단일 유전체 층이 될 수 있다. 로우의 픽셀은 로우(X) 전도체(94 및 98)를 가로질러 전압을 인가함으로써 어드레싱될 수 있고, 어드레싱된 로우의 임의의 픽셀 위치에서의 개별적인 LED는 적합한 제어 전압을 컬럼(Y) 전도체(100 내지 102)에 인가함으로써 턴 온 될 수 있다. 컬럼에서의 많은 모듈은 동일한 제어 전압을 수신할 수 있지만, 비 어드레싱된 로우에서 LED는 턴 온하지 않을 것이다.
많은 LED가 동시에 턴 온 될 수 있는 높은 전력(> 0.1 W/in2) 조명 적용예(LCD를 백라이팅하는 것을 포함함)에서, , 주어진 전력은 동작 전압을 증가시키고 전류를 감소시키는 것이 이점이다. 인쇄된 상호접속부에서의 전력 손실은 전류의 제곱에 비례하고, 따라서 효율성은 다수의 LED 세그먼트를 직렬로 연결(이는 더 큰 전압이지만 더 낮은 전류로 합산됨)함으로써 증가될 수 있다. 따라서, 동작 전압을 증가시키기 위해, 모듈은 직렬 및 병렬의 조합으로 커플링될 수 있다.
도 16의 패널이 일반적인 조명을 위해 사용되는 것이면, 로우 어드레싱에 대한 필요성이 존재하지 않고, 일련의 적색, 녹색, 및 청색 LED의 컬럼은 단지 제어 전압을 제어 단자로 인가함으로써 신속한 시간 분할 반복 패턴으로 어드레싱된다. 사람의 눈에는, 컬러가 깜박임 없이 함께 섞인다. 컬러 당 온 타임, 일련의 특정 개수의 LED, 또는 컬러 당 제어 전압은 원하는 지각색(예를 들어, 백색점)을 생성하도록 선택될 수 있다. 방출된 컬러는 사용자에 의해 선택가능하도록 제어될 수 있다.
(어드레싱가능한 픽셀을 갖는 컬러 디스플레이와 대향되는) 조명 패널에 대해, 개별적인 RGB 요소의 수렴은 혼합되지 않은 컬러의 시각적 방해물을 감소시키는데 중요하다. 따라서, 특정 확산 길이 내에서 원하는 컬러로 수렴할 규칙적인 패턴으로 개별적인 LED 컬러를 패터닝하는 것이 바람직할 것이다. 두번째로, 따뜻한 백색에 대해서는, 녹색 및 청색에 비해 상당히 많은 적색 전력이 필요하다. RGB 어레이는 규칙적인 패턴을 갖고 녹색 및 청색 LED의 두 배로 많은 적색 LED가 사용될 수 있다.
단일 모듈 내에서, 다이오드, 저항기, 및 트랜지스터가 형성될 수 있다. 트랜지스터의 베이스 또는 게이트는 전압 또는 전류 제한기, 또는 다른 회로를 형성하도록 저항기에 내부적으로 연결될 수 있다. 따라서, 모듈은 오직 두 동작 전압 단자만을 필요로 할 수 있고 제어 단자가 필요하지 않을 수 있다. 이는 일반적인 조명 목적 또는 백라이팅 목적에 대해 적합할 수 있다. 드라이버는 일반적으로 전압 대 전류(V-to-I) 드라이버로서 특징지어진다.
도 17은 병렬로 연결된 2 단자 모듈(106 내지 108)을 도시하고, 세 개의 모듈(106 내지 108)은 예를 들어, 일반적인 조명 또는 백라이팅을 위해, 광 패널에서 단일 광 요소를 형성하도록 적색, 녹색, 및 청색 LED를 포함한다. 회로는 원하는 밝기를 방출하기 위해 각 컬러 LED에 대해 설정되고(LED를 통해 특정 전류를 설정함으로써) 그 동안 모듈을 가로질르는 원하는 전압 강하를 설정하여 RGB LED의 각각이 턴 온되는 것을 가능하게 한다. 집적된 LED 모듈은 다른 외부 컴포넌트 없이 균일한 휘도를 달성하도록 병렬이 될 수 있다. 다른 실시예에서, 모든 LED는 백색 광을 생성하는 인광체 코팅을 갖는 청색 LED를 포함하여, 동일한 컬러이다.
도 18 내지 도 35는 다양한 타입의 LED 모듈을 형성하기 위한 방법을 도시하는 웨이퍼의 부분의 단면도이다. 단순함을 위해 웨이퍼의 오직 하나의 디바이스 영역만이 도시된다.
도 18은 LED 모듈에 대한 드라이브로서 사용되는 수직 pnp 바이폴라 트랜지스터를 도시한다. p+ 타입 실리콘 성장 기판(112)이 드라이버 웨이퍼에 대해 사용된다. p- 타입 컬렉터(114)는 기판(112) 위에 형성되고, 후속하여 n- 타입 베이스(116) 및 p+ 타입 에미터(118)를 형성한다.
도 19는 LED 모듈에 대한 드라이버로서 사용되는 수직 p-채널 MOSFET을 도시한다. p+ 타입 기판(112) 위에 p- 타입 드리프트 영역(120)이 형성되고, 후속하여 n- 타입 바디(122) 및 p+ 타입 소스(124)를 형성한다. 게이트 유전체(126)는 채널 영역 위에 열적으로 성장되고 후속하여 전도성 게이트(128)를 형성한다. 소스(124)는 단면의 평면 외부의 금속 소스 전극에 의해 바디(122)에 대해 단락된다.
도 20은 LED 모듈에 대해 드라이버로서 사용되는 트렌치 게이트 수직 p 채널 MOSFET을 도시한다. 영역(120, 122, 및 124)은 도 19와 유사한 것이 될 수 있다. 트렌치(126)는 p 타입 드리프트 영역/층(120)으로 에칭되고, 트렌치(126)의 벽은 얇은 유전체 층(128)으로 코팅된다. 전도성 게이트 재료는 또한 트렌치된 게이트(130)를 형성하도록 트렌치를 충진한다.
도 18 내지 20에서, 에미터-베이스 및 소스-게이트와 같은, 상면 피쳐는 패터닝된 금속 층에 의해 접촉되어 도 3의 모듈 단자 T2 및 T3을 형성한다.
도 21 내지 도 26은 도 18 또는 도 19의 드라이버 웨이퍼를 형성하고 LED 웨이퍼에 본딩하기 위해 이를 준비하는 제조 단계를 도시한다.
도 21에서, 인시튜 도핑(in-situ doping) 동안의 에피택셜 성장에 의해 또는 주입에 의해 p+ 타입 실리콘 기판(112)은 그 위에 p- 타입 컬렉터(114)를 형성하였다.
도 22에서, 상면은 마스킹되고 n-타입 베이스(또는 바디)(116)는 n-타입 도펀트의 주입에 의해 형성된다.
도 23에서, 상면은 마스킹되고 p+ 타입 에미터(또는 소스)(118)가 p-타입 도펀트의 주입에 의해 형성된다.
도 24에서, 핸들 1(또는 캐리어) 웨이퍼(130)는 릴리즈가능한 접착제(a releasable adhesive)를 사용하여 압력 하에서 드라이버 트랜지스터 웨이퍼의 상부에 부착된다. 접착층은 사용되는 측정 접착층에 대해 적합한 방법에 의해 큐어링된다.
도 25에서, 예를 들어, 분쇄 또는 화학적-기계적 연마(CMP)에 의해, 기판(112)이 제거되는 동안 핸들 1 웨이퍼(130)가 기계적 지지를 위해 사용된다. 이는 드라이버 트랜지스터의 수직 저항을 감소시킨다.
도 26에서, 트랜지스터의 저면은 Ti 또는 Au와 같은 저저항의 매끄러운 접촉(132)을 형성하도록 금속화된다.
도 27 및 도 28에서, LED 웨이퍼가 준비된다. GaN 기반 LED에 대해, 비록 SiC, GaN, 또는 실리콘이 사용될 수 있지만, 예시에서 사용되는 청색을 방출하는 성장 기판(134)은 사파이어이다. 다양한 중간층이 LED GaN 층을 갖는 기판(134)을 격자 매칭(lattice-match)시키는데 사용될 수 있다. GaN 기판 n-타입 층(136)(예를 들어, AlInGaN)은 에피택셜로 성장되고, 후속하여 능동층(도시되지 않음)을 성장시키고, 후속하여 GaN 기반 p-타입 층(138)을 성장시킨다. 매우 평탄하고 드라이버 트랜지스터 웨이퍼 상에서 평탄한 컨택트(132)(도 26)와 본딩할 수 있는 Ti 또는 Au와 같은 반사가능한 애노드 전극(140)을 형성하도록 상면이 금속화된다. 전극(140)은 전도 및 반사의 목적을 위한, 은 반사층과 같은, 복수의 금속층과, 본딩 층을 위한 Au 또는 Ti 층을 포함할 수 있다. 전극은 양호한 옴 연결을 위해 연마될 수 있다.
도 29는 도 26의 드라이버 웨이퍼를 도 28의 LED 웨이퍼에 본딩하는 것을 도시한다. Ti-Ti 또는 Au-Au 본딩은 열 및 압력 하에서 수행될 수 있다.
도 30은 기계적 지지를 위해 핸들 1 웨이퍼(130)를 사용하는 동안 LED 웨이퍼로부터 사파이어 기판(134)을 제거하는 것을 도시한다. 기판(134)은 분쇄 또는 광 절연막 제거(laser lift-off)에 의해 제거될 수 있다.
도 31은 LED의 캐소스 전극(142)을 형성하는 웨이퍼의 금속화를 도시한다. 금속은 전류를 확산시키지만 광이 LED의 저면으로부터 탈출하는 것을 가능하게 하는 얇은 핑거를 형성할 수 있다. 대안적으로, 캐소드 전극은 중앙에서 또는 주변부 주위에서 작은 금속 전극을 갖는 투명 전도체를 포함할 수 있다.
도 32는 릴리즈가능한 접착제를 통해 캐소드 전극(142)에 접착하여 본딩되는 핸들 2 웨이퍼(144)를 도시한다.
도 33은 사용되는 접착제의 타입에 따라 용액에 접착 본드를 용해시키는 것에 의해 또는 다른 수단(예를 들어, 열)에 의해 제거되는 핸들 1 웨이퍼(130)를 도시한다.
도 33의 트랜지스터 영역은 pnp 바이폴라 트랜지스터(도 18) 또는 p-채널 MOSFET 중 하나의 트랜지스터 영역이 될 수 있다. 도 34에서 도시된 단계는 p-채널 MOSFET이 되는 트랜지스터를 야기한다. 게이트 유전체(146)는 성장되고 패터닝되어서 채널 영역에 가로놓인다. 더 두꺼운 유전체(148)는 증착되고 패터닝되어 게이트 유전체(146)를 노출시킨다. 전도성 게이트(150)(금속 또는 폴리실리콘)는 적어도 채널 영역 위에 형성되어 채널을 인버팅하고 충분한 게이트 소스 전압으로 트랜지스터를 턴 온한다. pnp 바이폴라 트랜지스터가 형성되면, 트랜지스터는 약 0.6 볼트 초과의 베이스 에미터 전압으로 턴 온될 것이다.
키가 높은 소스 전극(152)은 소스 전극(152)이 도 16에서의 전도체(102)와 같은, 전도체 층에 의해 접촉되는 것을 가능하게 하도록 형성된다. Si3N4 또는 SiO2와 같은 유전체 패시베이션 층은 노출된 반도체 표면 위에 형성될 수 있다.
트랜지스터는 육각형을 형성하는 것과 같이, 소스 전극(152)으로 실질적으로 대칭이 될 수 있고, 게이트(150)는 연속적이고 소스 전극(152)을 둘러싼다. 트랜지스터의 하향 형상은 대신에 정사각형이 될 수 있다.
도 35에서, 포토리소그래피를 사용하여, 트렌치(154)가 패터닝되고, 다양한 층을 통과하여 에칭되어 캐소드 전극(142)을 핸들 2 웨이퍼(144)에 본딩하는 전착층을 노출시킨다. 트렌치(154)는 모듈의 하향 형상을 정의한다.
노출된 접착층은 또한 핸들 2 웨이퍼로부터 개별화된 모듈을 릴리즈하도록 용액에 용해된다. 끈적하고, 늘어나는 막은 모듈을 패키징할 때 픽 앤 플레이스 프로세스(a pick-and-place process)를 위해 모듈의 상대적인 위치를 유지하도록 개별화 이전에 웨이퍼의 상면에 부착될 수 있다.
본원에서 설명된 제안된 솔루션은 단일 다이에서 V 대 I 드라이버를 LED와 함께 집적시킨다. 드라이버 및 LED는 집적된 회로 다이를 형성하고, 이는 함께 본딩되는 두 웨이퍼 상에 제조되어 개별화된다. 이 집적은 LED 및 글로벌 시스템으로의 상호접속부의 내재적 및 기생적 불확실성을 감소시킨다. 집적은 또한 집적된 V 대 I 드라이버를 사용하는 것과 비교하여 회로의 크기 및 비용을 상당히 감소시킨다. 이는 각 LED가 자체 전용 드라이버를 갖는 것을 가능하게 한다.
추가적으로, 각 LED에 자체 제어가능한 드라이버를 제공하는 것은 각 LED가 프로세스 변형, 온도에 의한 밝기의 변화, 및 시간에 의한 밝기의 변화에도 불구하고 원하는 밝기를 출력하도록 제어되는 것을 가능하게 한다.
일부 이전 예시는 MOSFET 및 바이폴라 트랜지스터를 사용하였지만, 본 발명의 범위는 트랜지스터 기술로 제한되지 않는다. 구현은 COMS, BiCMOS, BCD, 또는 다른 집적된 회로 프로세스를 사용하여 생성될 수 있다. 도시되지 않은 추가적인 트랜지스터 기술은 JFET, IGBT, 사이리스터(SCR), 트라이액(Triac) 및 다른 것이 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예가 도시되고 설명되었지만, 더 폭넓은 양상에서 본 발명으로부터 벗어남이 없이 변경 및 수정이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이고, 따라서, 첨부된 청구항은 이들의 범위 내에서 본 발명의 참 사상 및 범위 내에 속하는 모든 이러한 변경 및 수정을 포함하는 것이다.
Claims (18)
- 집적 드라이버 및 발광 다이오드(LED) 모듈로서,
상부 LED 전도 표면(a top LED conducting surface) 및 하부 LED 전도 표면(a bottom LED conducting surface)을 갖는 수직 발광 다이오드(LED)와,
상기 LED와 직렬인 수직 트랜지스터를 포함하며,
상기 트랜지스터는 제 1 단자, 제 2 단자, 및 제 3 단자를 갖고, 상기 제 1 단자는 상기 트랜지스터의 하부 전도 표면이고, 상기 트랜지스터의 하부 전도 표면은 전도성 본딩 층(a conductive bonding layer)에 의해 상기 상부 LED 전도 표면에 전기적으로 그리고 기계적으로 본딩되고,
상기 LED 및 상기 트랜지스터는 실질적으로 동일한 크기이고,
상기 LED는 제 1 전압이 상기 저면 LED 전도 표면에 인가되고, 제 2 전압이 상기 제 2 단자에 인가되고, 제 1 제어 전압이 상기 제 3 단자에 인가될 때 광을 방출하도록 구성되는
집적 드라이버 및 LED 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 트랜지스터는 상면을 갖고, 상기 제 2 단자 및 상기 제 3 단자는 상기 상면 상에 형성되는
집적 드라이버 및 LED 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 트랜지스터는 FET인
집적 드라이버 및 LED 모듈.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 단자는 드레인 단자이고, 상기 제 2 단자는 게이트 단자이고, 상기 제 3 단자는 소스 단자인
집적 드라이버 및 LED 모듈.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 단자는 드레인 단자이고, 상기 제 2 단자는 소스 단자이고, 상기 제 3 단자는 게이트 단자인
집적 드라이버 및 LED 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 트랜지스터는 바이폴라 트랜지스터인
집적 드라이버 및 LED 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 LED 전도 표면은 애노드이고 상기 하부 LED 전도 표면은 캐소드인
집적 드라이버 및 LED 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 LED 전도 표면은 캐소드이고 상기 하부 LED 전도 표면은 애노드인
집적 드라이버 및 LED 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 LED는 GaN 기반이고 상기 트랜지스터는 실리콘 기반인
집적 드라이버 및 LED 모듈.
- 조명 디바이스(a lighting device)를 형성하는 방법으로서,
발광 다이오드(LED) 웨이퍼에 수직 LED의 제 1 어레이를 형성하는 단계―상기 LED의 각각은 상부 LED 전도 표면 및 하부 LED 전도 표면을 가짐―와,
트랜지스터 웨이퍼에 수직 트랜지스터의 제 2 어레이를 형성하는 단계―상기 트랜지스터의 각각은 제 1 단자, 제 2 단자, 및 제 3 단자를 갖고, 상기 제 1 단자는 상기 트랜지스터의 하부 전도 표면임―와,
상기 트랜지스터 웨이퍼의 각 트랜지스터 영역이 상기 LED 웨이퍼의 각 LED 영역과 정렬되도록 상기 LED 웨이퍼를 상기 트랜지스터 웨이퍼와 정렬시키는 단계와,
상기 LED 웨이퍼의 상부 LED 전도 표면을 상기 트랜지스터 웨이퍼의 하부 전도 표면에 본딩함으로써 본딩된 웨이퍼를 형성하여 본딩 층에 의해 상기 상부 LED 전도 표면을 상기 하부 전도 표면에 전기적으로 그리고 기계적으로 본딩하는 단계와,
상기 본딩된 웨이퍼를 개별화(singulating)하여 개별 모듈을 생성하는 단계―각 모듈은 적어도 드라이버 트랜지스터 및 LED를 포함함―를 포함하는
조명 디바이스 형성 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 수직 LED의 제 1 어레이를 형성하는 단계는 LED 성장 기판(LED growth substrate) 위에 LED 층을 에피택셜로 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 방법은 상기 LED 웨이퍼의 상부 LED 전도 표면을 상기 트랜지스터 웨이퍼의 하부 전도 표면에 본딩한 이후에 상기 성장 기판을 제거하는 단계를 더 포함하는
조명 디바이스 형성 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 수직 트랜지스터의 제 2 어레이를 형성하는 단계는 기판 위에 트랜지스터 영역을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 방법은 상기 LED 웨이퍼의 상부 LED 전도 표면을 상기 트랜지스터 웨이퍼의 하부 전도 표면을 본딩하기 이전에 상기 기판을 제거하는 단계를 더 포함하는
조명 디바이스 형성 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 기판을 제거하기 이전에 상기 트랜지스터 웨이퍼의 상면에 제 1 캐리어 웨이퍼를 부착하는 단계를 더 포함하는
조명 디바이스 형성 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 하부 LED 전도 표면에 제 2 캐리어 웨이퍼를 부착하는 단계와, 그 다음 상기 제 1 캐리어 웨이퍼를 제거하여 상기 트랜지스터 웨이퍼의 상면을 처리하는 단계를 더 포함하는
조명 디바이스 형성 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 LED 웨이퍼 및 상기 트랜지스터 웨이퍼의 트렌치를 상기 제 2 캐리어 웨이퍼까지 에칭하여 상기 개별 모듈을 정의하고, 그 다음 상기 제 2 캐리어 웨이퍼로부터 상기 개별 모듈을 제거하는 단계를 더 포함하는
조명 디바이스 형성 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 개별 모듈을 패키징하여 광을 생성하는 모듈의 어레이를 형성하는 단계를 더 포함하는
조명 디바이스 형성 방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 모듈의 어레이는 어드레싱가능한 컬러 디스플레이(an addressable color display)의 부분인
조명 디바이스 형성 방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 모듈의 어레이는 백색광을 생성하는 광원의 일부인
조명 디바이스 형성 방법.
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