TW201448190A - 將電晶體晶圓接合至發光二極體晶圓以形成主動發光二極體模組 - Google Patents

Abstract

本發明揭示LED模組，其等具有與一LED串聯之一控制MOSFET或其他電晶體。在一實施例中，含有垂直MOSFET之一陣列之一MOSFET晶圓經對準且接合至含有垂直LED之一相應陣列之一LED晶圓，且經單件化以形成具有與一單個LED相同佔據面積之數千個主動三端LED模組。不管紅色、綠色及藍色LED之不同正向電壓，RGB模組可並聯連接，且其等之控制電壓在60Hz或更大頻率下交錯以產生一單一感知色彩，諸如白色。RGB模組可在一面板中連接，以用於一般照明或用於一彩色顯示器。

Description

將電晶體晶圓接合至發光二極體晶圓以形成主動發光二極體模組 [相關申請案之交叉參考]

此係Bradley S.Oraw於2013年1月9日申請之美國申請案第13/737,672號之部分接續案且亦主張Bradley S.Oraw於2013年3月15日申請之美國臨時申請案第61/789,106號之優先權。兩個申請案被讓渡給本受讓人且以引用的的方式併入本文中。

本發明係關於發光二極體(LED)且特定言之係關於一種含有與LED串聯以控制通過LED之電流之主動電路之單晶粒。

LED通常形成為具有陽極端子及陰極端子之晶粒。LED晶粒通常安裝在較大基板上用於熱消散及封裝。基板可含有額外電路，諸如被動式靜電放電裝置。LED晶粒及視需要基板隨後通常經封裝，其中封裝具有穩健陽極及陰極引線以焊接至印刷電路板(PCB)。

LED可由電流源控制以達成所要亮度。電流源可為形成在單獨晶粒中之MOSFET或雙極電晶體。電流源及LED通常由導線或PCB連接在一起。

提供與LED晶粒分離之電流源需要額外空間及互連，從而增加成本。存在其他缺點，包含與組件不匹配之可能性。需要提供一種具有整合電流源驅動器電路之非常緊密LED模組。

當驅動多色彩LED(諸如在彩色顯示器中或為了形成白光源)時出現額外問題。LED係具有非線性電壓對電流特性之兩端電裝置。在特定電壓臨限值之下，LED係高阻抗。在臨限值之上，LED之阻抗低得多。此臨限值主要取決於半導體LED之帶隙。帶隙針對特定峰值發射波長選擇。紅色LED具有2eV之量級之帶隙，藍色LED具有3eV之量級之帶隙且綠色LED具有介於2eV至3eV之間之帶隙。由於正向電壓與帶隙能量直接相關，故紅色、綠色及藍色LED無法簡單並聯連接以輸出所要色彩或光；各色彩之LED必須具有其自身之驅動器電路。用於形成不同色彩之LED之不同材料(例如，GaAs、GaN等)亦影響正向電壓。此外，即使在輸出相同波長之LED內，其等之正向電壓歸因於程序變化而變化，因此甚至並聯連接相同色彩之LED亦存在問題。提供各LED之單獨驅動器電路及將其互連至LED增加空間及成本。此增加的大小在試圖使顯示器中之RGB像素之大小最小化時尤其不需要。

LED可組織為被動式矩陣可定址陣列。舉例而言，一組LED可與其等連接至列選擇驅動器之陰極及其等連接至行資料匯流排之陽極連接。數個此等列可用於形成可藉由列及行定址之較大陣列。透過經定址列-行提供受控電流將在(諸)經定址位置處通電給(該等)LED以諸如針對顯示器中之彩色像素發射所要色彩及強度之光。由於LED之間之互連係一非零阻抗，故遍及互連網路之電壓降可無意地使未定址LED組正向偏壓。此偶然正向偏壓將在未定址段中導致過量光，其減小陣列之亮暗對比度。

將需要產生在連接為可定址陣列時避免上述問題之整合LED模組。

亦將需要產生整合LED模組，其中不同色彩之LED可並聯連接以形成高密度之緊密RGB像素。

亦將需要產生不同色彩之整合LED模組，其等可在單個面板中廉 價地封裝在一起以產生光用於背光照明、一般照明或彩色顯示器。

亦將需要產生多個LED模組之互連及定址方案以形成緊密光或顯示面板。

與諸如彩色顯示器中之LED之平行及可定址連接相關之問題可藉由使用主動LED模組而解決。在一實施例中，一單個垂直LED模組包含與一驅動電晶體(電壓轉電流轉換器)串聯之一LED。在模組上提供三個端子：一正電壓端子、一負電壓端子及用於控制通過LED之電流之一控制端子。當控制端子被供應一最大值控制信號時，施加至正電壓端子及負電壓端子之電壓之間之差必須足以將LED通電至其全所要亮度。

控制端子可連接至與LED串聯連接之一MOSFET之閘極或源極。添加控制端子使得LED阻抗之臨限值非線性經主動而非被動控制。對於跨模組之電力端子提供電壓之一LED模組，低阻抗狀態(其中LED正發射光)係由施加至控制端子之控制電壓判定。LED之並聯或可定址網路中之此一主動LED將始終處於一高阻抗狀態直至控制信號啟動低阻抗狀態。此主動阻抗控制減小對正向電路及寄生電壓降以及反向電流路徑之敏感度。

在一實例中，紅色、綠色及藍色LED模組在多色彩顯示器之陣列中並聯連接，其中任意組之RGB LED(形成單個像素)可藉由跨三個模組之電壓端子施加相同電壓而定址。各模組之控制端子連接至不同的可變控制電壓以達成像素中之紅色、綠色及藍色LED之所要亮度。控制電壓按60Hz或更大頻率依序施加使得RGB LED的不同正向電壓不再相關。

在另一實施例中，模組針對一白光源而串聯及並聯連接，其中白點藉由紅光、綠光及藍光的相對組合而設定。各色彩的控制電壓及 各色彩的工作週期經設定以達成所要白點。

在其他實施例中，各種電路與LED整合以使LED的亮度對輸入電壓的變動較不敏感。

模組可藉由將一LED晶圓接合至一驅動器電晶體晶圓而形成，藉此將各LED之一端子連接至各驅動器電晶體之一端子以形成串聯連接。接合晶圓隨後被單件化以一次性形成數千個模組。模組極為緊密，因為佔據面積可大約相同於一單個習知LED晶粒(例如，0.25mm²至1mm²)。

若模組可印刷，則佔據面積小得多。可印刷模組可經形成具有介於50um²至5000um²之間之頂部表面積範圍。可印刷小群組之模組之一陣列，其中各群組中之模組並聯連接以形成具有一所要最大亮度之一單一色彩像素。在一實施例中，模組之封裝亦藉由印刷形成。

驅動器可為一雙極電晶體、一MOSFET或其他類型電晶體。在一些實施例中，流動通過模組之電流實質上完全垂直。在其他實施例中，電流垂直且橫向流動。

在使用數百個中等功率LED之大型照明系統中，為LED之各者提供習知驅動電路將係不切實際的。對於此等白光源，許多LED通常串聯連接，且跨串連接一高電壓。在先前技術中，提供此一高電壓有時需要一升壓調節器，從而增加系統成本。本發明固有地為各LED提供其自身的驅動器，允許甚至不同色彩之許多LED並聯連接使得其等可用低電壓(例如，5伏)驅動。為各LED提供其自身之驅動器亦使各LED能被控制以輸出所需亮度，而不管程序變動、亮度隨溫度的改變及亮度隨時間的改變。

各種模組實施例及製作方法連同適於LED顯示器或白光源之LED模組之各種可定址陣列描述。

10‧‧‧三端發光二極體(LED)模組

12‧‧‧發光二極體(LED)

14‧‧‧PMOS驅動器電晶體

16‧‧‧端子

17‧‧‧端子

18‧‧‧端子

20‧‧‧晶圓

21‧‧‧晶圓

23‧‧‧n型磊晶層

24‧‧‧p型磊晶層

26‧‧‧底層

28‧‧‧反射金屬層

30‧‧‧金屬層

32‧‧‧p型汲極井

34‧‧‧n型閘極

36‧‧‧p型源極

38‧‧‧介電層

40‧‧‧第一金屬層

42‧‧‧介電層

44‧‧‧金屬層

46‧‧‧源極電極層

62‧‧‧基板

64‧‧‧導體

66‧‧‧介電層

68‧‧‧反射膜

70‧‧‧第二導體

72‧‧‧介電層

74‧‧‧第三導體

78‧‧‧發光二極體(LED)

79‧‧‧發光二極體(LED)

80‧‧‧發光二極體(LED)

81‧‧‧p通道MOSFET

82‧‧‧p通道MOSFET

83‧‧‧p通道MOSFET/導體

84‧‧‧導體

86‧‧‧導體

87‧‧‧導體

88‧‧‧導體

90‧‧‧封裝

91‧‧‧發光二極體(LED)模組

92‧‧‧發光二極體(LED)模組

93‧‧‧發光二極體(LED)模組

94‧‧‧導體

96‧‧‧基板

98‧‧‧導體

100‧‧‧導體

101‧‧‧導體

102‧‧‧導體

106‧‧‧兩端模組

107‧‧‧兩端模組

108‧‧‧兩端模組

112‧‧‧p+型矽生長基板

114‧‧‧p型集極

116‧‧‧n型基極

118‧‧‧p+型射極

120‧‧‧p型漂移區域/層

122‧‧‧n型本體

124‧‧‧p+型源極

126‧‧‧閘極介電質

128‧‧‧導電閘極

130‧‧‧溝槽化閘極

132‧‧‧接觸件

134‧‧‧生長基板

136‧‧‧基於GaN之n型層

138‧‧‧基於GaN之p型層

140‧‧‧反射陽極電極

142‧‧‧陰極電極

144‧‧‧處置2晶圓

146‧‧‧閘極介電質

148‧‧‧介電質

150‧‧‧導電閘極

152‧‧‧源極電極

154‧‧‧溝槽

T1‧‧‧端子

T2‧‧‧端子

T3‧‧‧端子

圖1係根據本發明之一實施例之單個LED模組之示意圖。

圖2係接合至驅動器電晶體晶圓之LED晶圓之一小部分之截面圖。

圖3係單個單件化模組之簡化截面圖。

圖4圖解說明取決於LED之位置及所使用之驅動器電晶體之類型而將固定電壓及可變控制電壓施加至圖3中之模組之三個端子之各種方式。

圖5圖解說明在封裝在諸如一面板中之後之單件化模組晶粒。

圖6圖解說明連接至LED之陽極之PMOS驅動器電晶體。

圖7圖解說明連接至LED之陽極之pnp雙極驅動器電晶體。

圖8圖解說明連接至LED之陽極之NMOS驅動器電晶體。

圖9圖解說明連接至LED之陽極之npn雙極驅動器電晶體。

圖10圖解說明連接至LED之陰極之PMOS驅動器電晶體。

圖11圖解說明連接至LED之陰極之pnp雙極驅動器電晶體。

圖12圖解說明連接至LED之陰極之NMOS驅動器電晶體。

圖13圖解說明連接至LED之陰極之npn雙極驅動器電晶體。

圖14圖解說明經並聯連接用於彩色顯示器或產生白光之RGB LED模組。

圖15圖解說明可如何使用控制電壓序列化圖14中之RGB LED以產生任意色彩，包含白光。

圖16圖解說明一起封裝在諸如彩色顯示器中之單獨RGB LED模組。

圖17圖解說明電晶體及其他電路可如何整合在與LED相同之基板中以形成電壓鉗位器、電流調節器或其他電路。無需外部控制電壓。此導致2端子LED模組，諸如RGB模組，其中模組經並聯連接用於一彩色像素，包含一白光像素。

圖18至圖35係圖解說明各種驅動電晶體之截面圖及用於形成各種類型之LED模組之方法。

圖18圖解說明用作LED模組之驅動器之一垂直pnp雙極電晶體。

圖19圖解說明用作LED模組之驅動器之一垂直p通道MOSFET。

圖20圖解說明用作LED模組之驅動器之一溝槽-閘極垂直p通道MOSFET。

圖21至圖26圖解說明用於形成圖18或圖19之驅動器晶圓且製備該驅動器晶圓以接合至LED晶圓之製作步驟。

圖27及圖28圖解說明用於製備LED晶圓以接合至一驅動器晶圓之製作步驟。

圖29圖解說明將圖26之驅動器晶圓接合至圖28之LED晶圓。

圖30圖解說明從LED晶圓移除藍寶石基板。

圖31圖解說明LED晶圓之底部之陰極金屬化。

圖32至圖35圖解說明用於形成圖19之p通道MOSFET驅動器及用於形成一中心凸起源極電極以供一導體層電接觸之額外步驟。圖18之pnp雙極電晶體驅動器可使用一不同金屬化圖案製作。

在圖式中相同或類似之元件用相同數字標注。

圖1圖解說明三端LED模組10中之電路之一實施例。模組10形成為自晶圓單件化之單個晶粒。模組10含有一LED 12及一PMOS驅動器電晶體14，該PMOS驅動器電晶體14之源極及汲極與LED 12串聯以控制通過LED 12之電流。汲極-源極阻抗增加LED 12之阻抗。因此，總串聯阻抗可藉由調變電晶體14之閘極而控制。以此方式，電晶體14執行一可變電阻或切換行為。因而，正向電流可僅在閘極經偏壓超過PMOS電晶體開啟臨限值的情況下流動。模組10可封裝為僅具有三個端子16、17及18。

如下文所述，單個電晶體、主動LED之其他組態係可行的。LED及電晶體之特定組態及電晶體之特定類型之選擇取決於應用之控制要求或限制。

圖2圖解說明模組10之結構之一實施例。圖2圖解說明兩個晶圓20及21之小部分，其可使用不同材料及技術形成。

晶圓20係含有數千個垂直LED之LED晶圓。對於藍光，材料系統可為AlInGaN，其中化學計量決定峰值發射波長。形成此等LED係眾所周知的。藍色LED可最終覆蓋有磷光體以產生任意色彩。LED晶圓20可代替性地使用其他材料系統以達成從UV至紅色之一廣泛峰值波長範圍。如眾所周知的，LED可包含一多井主動層。晶圓20非常簡化地展示，此係因為形成LED係習知的。基本上，一n型磊晶層23及p型磊晶層24係生長在一生長基板(例如，藍寶石、SiC或GaAs)上方。光係產生在pn介面處。一多井主動層可形成在介面處。在高電阻或光吸收的情況下，應移除生長基板。亦可薄化n型磊晶層23。

在一實施例中，LED晶圓20之底部表面塗佈有一透明導體層，諸如一薄金層或另一類型之透明導體，以製成至層23之歐姆接觸並散佈電流。各LED部分具有形成端子T1之至少一金屬電極。金屬電極可形成為薄指狀物、星形或以其他方式佔據小面積以，免在向下方向上阻擋大量光。在另一實施例中，LED晶圓20之底部表面塗佈有一反射體層，使得光僅從各單件化LED之側面或頂部發射。

圖2中之底層26表示任意形式之底部導體，包含上述導體。在實例中，底部導體係陰極電極，但是在一些實施例中，底部導體係陽極電極。

製備LED晶圓20之頂部表面以接合至晶圓21之底部表面，以形成一實質上歐姆接觸。晶圓20及21經對準使得晶圓21中之各電晶體區域與晶圓20中之各LED區域垂直對準。在一實施例中，晶圓20之頂部表 面係藉由壓力及熱接合至晶圓21上之一類似金屬層30之一非常平坦反射金屬層28。在另一實施例中，晶圓20及21之接合表面可憑藉由Ziptronix Inc.執行之一專屬程序，諸如以引用的方式併入本文中之美國專利第7,842,540號所述。LED晶圓20可具有任意直徑，諸如3至8英寸。在LED晶圓20之頂部表面與底部表面之間施加之一適當電壓將導致LED發射光。

頂部晶圓21形成垂直p通道電晶體之一陣列，其中各電晶體與LED晶圓20中之一LED區域相關。通常將存在形成在一晶圓中之數千個LED及電晶體。晶圓21可使用一p型矽基板，其中藉由習知光微影技術形成一p型汲極井32、一n型閘極34及一p型源極36。各種區域可取決於單件化後模組之所要形狀而具有一六邊形形狀或一正方形形狀。

晶圓21上方之各種介電層及金屬電極可藉由印刷或藉由使用習知光微影及真空腔技術而形成。一介電層38形成為在閘極34及源極36上方具有開口。隨後，一第一金屬層40沈積在開口中以接觸閘極34及源極36。第一金屬層40可為含金屬(例如，Ni、Ti、Al等)粒子及一溶劑之一墨水。當墨水固化時，溶劑蒸發且金屬粒子燒結在一起。另一介電層42形成為在源極36金屬及閘極34金屬上方具有開口。一額外金屬層44(諸如鋁)沈積在源極36金屬上方，接著沈積一厚源極電極層46。金屬層可包含一障壁層。圖2中之端子T2及T3經設計用於下文描述之模組之封裝及陣列之一特定類型。端子T2及T3取決於應用及封裝而不同地設計。

晶圓21上方之各種介電層及金屬層可在晶圓20及21歐姆接合在一起後形成以避免對導體的損壞。

隨後使用多種技術(諸如蝕刻、鋸切、劃線斷裂、雷射、蝕刻溝槽及溶解一晶圓接合黏著層等)之任意者單件化接合晶圓20及21。可 印刷LED可形成有介於50um²至5000um²之間之一頂部表面積範圍。對於非常小的LED大小，蝕刻係較佳單件化方法。

圖3圖解說明一簡化之單件化LED模組10。在一實施例中，模組10之大小(佔據面積)為大約0.1mm²至1mm²。端子T1展示為佔據模組10之底部表面之一小部分以允許光從底部表面逸出。

為了控制圖3之模組10以發射光，假設圖1之組態，施加一正電壓至源極端子T3，施加一負電壓至陰極端子T1，且施加超過MOSFET臨限值之一閘極-源極電壓(Vgs)至閘極端子T2。在一實施例中，為了使LED正向偏壓，跨端子T3及T1之電壓差大於2伏。對於藍色LED 12，所需之電壓差可大於4伏。

圖4識別取決於LED之位置及所使用之MOSFET之類型控制LED模組之各種方式。舉例而言，藉由控制MOSFET之閘極電壓代替控制MOSFET，閘極電壓可係固定的(例如，正、負或接地)且源極電壓可經控制以達成所要Vgs。LED及電流/電壓控制電晶體之其他組態展示在下文所述之圖6至圖13中。

使用晶圓接合以將LED部分接合至電晶體部分之一優點在於可使用針對兩個晶圓之不同材料(例如，Si及GaN)。任一晶圓之生長基板可在高電阻性或吸收光的情況下移除。

圖5圖解說明模組10，其經封裝以囊封模組10且提供用於施加電力及控制信號至模組10之導體。經囊封模組10可形成其中許多模組囊封在相同面板中之一顯示面板之部分。在圖5中，提供一基板62(諸如，透明塑膠或玻璃面板)，其具有用於直接接合至LED模組10之端子T1之一導體64。導體64可為透明的或可為覆蓋背表面之一小區域以阻擋最小量之光之一金屬。在面板中，可存在連接至一陣列中之各種LED模組之許多導體64或一單個導體板可並聯連接LED模組。導體64最終連接至一電力端子。來自LED之光可向下發射穿過基板62。一介 電層66隨後印刷在基板62上方以囊封模組10之側面。介電層66亦可囊封由基板62所支撐之其他模組。

模組10可具有在囊封之前形成在其側面上以防止側光發射之一反射膜68，或介電層66可具反射性，諸如白色。若需要，膜68亦可表示一介電塗層。或者，來自LED之側光藉由介電層66向上及向下反射，諸如其中介電層66含有白色二氧化鈦粒子。在此一情況中，基板62可具反射性，因此所有光最終透過面板之頂部表面離開。

一第二導體70形成在電晶體及介電質66上方以接觸閘極端子T2。一介電層72形成在第二導體70上方，且一第三導體74形成在介電層72上方以接觸源極端子T3。在一實施例中，導體64、70及72係一可定址LED面板(諸如彩色顯示器或白光源)之窄行及列線。

在多數情況中，介電層66將比介電層72厚得多。薄介電層72適於在導體70及74傳導PMOS電晶體之正電極及控制電壓的情況下將導體70與74分離，因為此兩個導體之間的洩漏將不成問題。因此，端子T1應為負電壓端子。端子T2或T3之哪一者應為正電壓端子且哪一者應為控制端子之選擇取決於應用。通常，頂部導體74之電阻率將低於中間導體70。因而，端子T3之良好選擇將為較高電流正電壓端子。

面板可包含多種色彩之數千個LED模組10，諸如原色(紅色、綠色及藍色)或其他色彩，諸如黃色及白色。所有LED可為藍色LED，其中紅色及綠色係由紅色及綠色磷光體形成。若面板係待用於一般照明或用作LCD之背光之一白光面板，則各LED可為塗佈有增加綠色及紅色分量之一磷光體以形成白光之一藍色LED。面板之厚度可為2mm之量級且可為任意大小。多種LED可以任意組態(諸如，串聯、並聯或組合)連接以達成所要電壓降及電流。

光可以多種方式從經封裝模組10發射。若電晶體晶圓21(圖2)對可見光透明，則導體70及74係透明的或窄的且晶圓20與21之間之接合 介面係透明的，則LED光可透過圖5之定向上之頂部表面發射。一透明晶圓21可為SiC或GaN，且電晶體可為一熟知GaN HEMT、MOSFET或MESFET。底部導體64及基板62可具反射性。

或者，光可透過封裝之底部發射，其中導體64係薄的或透明的且基板62係透明的。晶圓接合介面可為一反射性金屬。

或者，所有LED光可透射穿過LED之側壁，隨後向上或向下反射穿過封裝之頂部或底部表面。晶圓接合介面可為一反射性金屬。介電層66可具漫反射性以向上及向下反射光。若光將透過頂部表面發射，則導體70和74可為窄或透明的。導體64及基板62隨後可具反射性。針對底部表面透射，導體70及74可具反射性，導體64係窄或透明的且基板62係透明的。

在模組(諸如圖3之單晶粒模組)中，控制電晶體可連接為高側電晶體或低側電晶體，且電晶體可為MOSFET、雙極電晶體、JFET或本文所述之任意其他類型之電晶體。所有電晶體類型垂直傳導電流。圖6至圖13圖解說明一些可行組態。形成所有垂直電晶體類型係眾所周知的。

圖6與圖1相同。

圖7使用一高側pnp雙極電晶體作為控制電晶體。

圖8使用一高側n通道MOSFET作為控制電晶體。

圖9使用一高側npn雙極電晶體作為控制電晶體。

圖10使用一低側p通道MOSFET作為控制電晶體。

圖11使用一低側pnp雙極電晶體作為控制電晶體。

圖12使用一低側n通道MOSFET作為控制電晶體。

圖13使用一低側npn雙極電晶體作為控制電晶體。

針對各經單件化LED模組形成在晶圓21(圖2)中之電路可包含以任意方式互連之多個電晶體及其他組件，諸如電阻器。各LED模組亦 可包含與形成在晶圓21中之組件互連之多個LED。接合LED晶圓及「電子器件」晶圓之介面可包含一電極圖案，該電極圖案產生LED與電子器件晶圓中之組件之間之多個導電路徑。例如，形成在LED晶圓之頂部上之一電極圖案可對應於形成在電子器件晶圓之底部上之一電極圖案以產生一機械接合且提供一特定電子互連件。一黏著劑亦可用於額外機械接合晶圓。

圖14圖解說明含有至少三個LED模組之單個封裝中之電路。封裝可為含有可定址LED之一陣列之一顯示面板。一模組包含發射紅光之一LED 78，一模組包含發射綠光之一LED 79且一模組包含發射藍光之一LED 80。LED 78及79可為磷光體塗佈之藍色LED。類似於圖1，模組包含p通道MOSFET 81、82及83。封裝包含將源極電連接在一起之導體83(例如，X位址線)及將LED之陰極連接在一起之導體84(X位址線)使得模組並聯連接。各LED藉由憑藉導體86至88(例如，Y位址線)施加至其各自MOSFET之閘極之一單獨控制電壓控制。以此方式，任意色彩之光(包含白色)可由封裝產生。三個模組可形成一顯示器中之一單一色彩像素或可為一白光面板之部分。

積體模組在控制並聯連接之不同色彩之LED時之優點在於模組可具有連接至正電壓及負電壓之兩個共同端子，其中第三端子每次選擇單個LED。藉由每次僅開啟一彩色LED，其正向電壓不影響跨其他LED之電壓。舉例而言，若同時拉低全部控制電壓，則紅色LED 78之低正向電壓將防止綠色及藍色LED開啟。只要每次僅一LED色彩處於作用中，則不同正向電壓之間不存在衝突。不同LED色彩之開啟持續時間可在時間上劃分(分時多工)，且控制電壓位準可針對主動LED正向電壓而調整。在一實施例中，施加至MOSFET 86至88之閘極之控制電壓按高於大約60Hz之頻率依序提供，其中控制電壓之相對工作循環控制光之所感知色彩。

圖15係單個循環中用於控制來自三個模組之光發射之紅色、綠色及藍色LED 78至80之相對接通時間之實例。控制電壓可針對各色彩LED而不同以導致各自LED發射一特定預定通量位準(例如，一標稱最大亮度)，藉此任意總體亮度位準及色彩(包含白光或中性光)可藉由控制每循環之絕對接通時間(針對亮度)及相對接通時間(針對色彩)而達成。

圖16圖解說明含有三個LED模組91至93之一封裝90。封裝可為可定址LED之整個面板，且圖16可僅圖解說明面板之一小部分。模組91含有一紅色LED，模組92含有一綠色LED，且模組93含有一藍色LED。在圖16之實例中，LED之陰極端子T1藉由導體94連接在一起而由基板96支撐。來自封裝90之光發射的方向可為就圖5所論述之該等方向之任意者。模組91至93中之電晶體係p通道MOSFET，其中充分低於源極電壓之一閘極電壓開啟電晶體及LED。電晶體之閘極藉由導體98共同連接，且電晶體之源極分別被延伸至圖式頁面中且自圖式頁面延伸出的導體100至102接觸。跨導體94及98之電壓高於LED之任意者的正向電壓。藉由以分時方式個別地控制源極電壓，各自電晶體可分別被控制以傳導任意電流，以控制RGB色彩之混合，諸如產生白光或控制一像素色彩。來自RGB LED之光將在僅距離面板之面幾毫米之處混合，及/或一漫射面板可用於改良光之均勻度。

介電層66及72可與圖5中相同。

或者，圖16中之電晶體之源極可藉由取代導體100至102之導體而連接在一起，且閘極被取代共同導體98的導體分別接觸，以經由閘極電壓個別地控制電晶體。

在一實施例中，圖16之結構表示具有五個端子之一單個三模組封裝。在另一實施例中，圖16之結構僅為具有一單個基板96之一較大面板之一部分，其中各彩色像素位置含有三個RGB模組。介電質66可 為囊封面板上之所有模組之單個介電層。在一列中之像素可藉由跨列(X)導體94及98施加一電壓而定址，且經定址列中之任意像素位置處之個別LED可藉由施加一適當控制電壓至行(Y)導體100至102而開啟。在一行中之許多模組可接收相同控制電壓，但未定址列中之LED不會開啟。

在許多LED可同時接通之高功率(>0.1W/in²)照明應用(包含背光照明一LCD)中，增大操作電壓及減小電流對於給定功率係有利的。印刷互連件之功率損耗與電流之平方成比例；因此，效率可藉由串聯連接多個LED段而增大，其加總為較大電壓但較低電流。因此，為增大操作電壓，可以串聯及並聯之組合來耦合模組。

若圖16之面板將用於一般照明，則無需列定址，且串聯紅色、綠色及藍色LED之行僅藉由施加控制電壓至控制端子而以一快速分時重複型樣定址。對於人眼，色彩摻合在一起而無閃爍。每個色彩之接通時間、串聯之LED的特定數目或每個色彩的控制電壓可經選擇以產生所要感知色彩(例如，白點)。所發射之色彩可經控制以可由使用者選擇。

對於一照明面板(相對於具有可定址像素之彩色顯示器)，個別RGB元素之會聚對於減小未混合色彩之視覺公害係重要的。因此，可期望使個別LED色彩圖案化為一規則圖案，其將會聚於特定漫射長度內之所要色彩。其次，對於暖白色，需要比綠色及藍色大得多的紅色功率。可使用具有一規則圖案及兩倍於綠色及藍色LED之紅色LED之一RGB陣列。

在一單個模組內，可形成二極體、電阻器及電晶體。電晶體之基極或閘極可在內部連接至一電阻器以形成一電壓或電流限制器或其他電路。因此，模組可能僅需兩個操作電壓端子且無需控制端子。此可適於一般照明目的或背光照明目的。驅動器通常被特性化為一電壓 至電流(V-I)驅動器。

圖17圖解說明並聯連接之兩端模組106至108，其中三個模組106至108含有紅色、綠色及藍色LED以形成一光面板中之單個光元件，諸如用於一般照明或背光照明。針對各彩色LED設定電路以發射所要亮度(藉由設定通過LED之一特定電流)，同時亦設定跨模組之所要電壓降以允許RGB LED之各者開啟。整合LED模組可經並聯以在無其他外部組件的情況下達成均勻照明。在另一實施例中，所有LED為相同色彩，包含具有一磷光體塗層以產生白光之藍LED。

圖18至圖35係晶圓之部分之截面圖，其等圖解說明用於形成各種類型之LED模組之方法。為簡潔起見，僅展示晶圓之一裝置區域。

圖18圖解說明用作LED模組之驅動器之一垂直pnp雙極電晶體。一p+型矽生長基板112用於驅動器晶圓。一p型集極114形成在基板112上方，接著形成n型基極116及p+型射極118。

圖19圖解說明用作LED模組之驅動器之一垂直p通道MOSFET。在p+型基板112上方形成一p型漂移區域120，接著形成n型本體122及p+型源極124。閘極介電質126熱生長在通道區域上方，接著形成導電閘極128。源極124藉由截面平面外之一金屬源極電極短接至本體122。

圖20圖解說明用作LED模組之驅動器之一溝槽-閘極垂直p通道MOSFET。區域120、122及124可類似於圖19中之區域。溝槽126經向下蝕刻至p型漂移區域/層120中，且溝槽126之壁塗佈有一薄的介電層128。隨後，導電閘極材料填充溝槽以形成溝槽化閘極130。

在圖18至圖20中，頂部表面特徵(諸如射極-基極及源極-閘極)被一經圖案化金屬層接觸以形成圖3中之模組端子T2及T3。

圖21至圖26圖解說明用於形成圖18或圖19之驅動器晶圓且製備驅動器晶圓用於接合至LED晶圓之製作步驟。

在圖21中，p+型矽基板112已藉由在就地摻雜期間之磊晶生長或藉由植入而在其上方形成p型集極114。

在圖22中，頂部表面被遮罩且n型基極(或本體)116藉由植入n型摻雜劑而形成。

在圖23中，頂部表面被遮罩且p型射極(或源極118)藉由植入p型摻雜劑而形成。

在圖24中，一處置1(或載體)晶圓130使用一可釋放黏著劑在壓力下附貼至驅動器電晶體晶圓之頂部。黏著層藉由適於所使用之特定黏著層之一方法而固化。

在圖25中，處置1晶圓130用於機械支撐而諸如藉由研磨或化學-機械拋光(CMP)移除基板112。此減小驅動器電晶體之垂直電阻。

在圖26中，電晶體之底部表面經金屬化以形成一低電阻、光滑接觸件132，諸如Ti或Au。

在圖27及圖28中，製備LED晶圓。對於發射藍光之基於GaN之LED，實例中所使用之生長基板134係藍寶石，但是可使用SiC、GaN或矽。各種中間層可用於將基板134與LED GaN層晶格匹配。磊晶生長一基於GaN之n型層136(例如，AlInGaN)，接著生長一主動層(未展示)，之後生長一基於GaN之p型層138。頂部表面經金屬化以形成一反射陽極電極140(諸如Ti或Au)，其非常光滑且可與驅動器電晶體晶圓上之光滑接觸件132(圖26)接合。電極140可包括複數個金屬層，諸如用於導電及反射之目的之銀反射層及用於接合層之一Au或Ti層。電極可經拋光用於一良好歐姆連接。

圖29圖解說明將圖26之驅動器晶圓接合至圖28之LED晶圓。Ti-Ti或Au-Au接合可在熱及壓力下製成。

圖30圖解說明在將處置1晶圓130用於機械支撐的同時從LED晶圓移除藍寶石基板134。基板134可藉由研磨或雷射剝離移除。

圖31圖解說明晶圓之金屬化以形成LED之陰極電極142。金屬可形成薄的指狀物以散佈電流但允許光從LED之底部逸出。或者，陰極電極可包括一透明導體，其在中心或周邊周圍具有一小的金屬電極。

圖32圖解說明經由一可釋放黏著劑膠合至陰極電極142之一處置2晶圓144。

圖33圖解說明取決於所使用之黏著劑之類型藉由在一溶液中溶解黏著劑接合或藉由其他方式(例如，熱)移除處置1晶圓130。

圖33之電晶體區域可為一pnp雙極電晶體(圖18)或一p通道MOSFET之電晶體區域。圖34中所示之步驟導致作為一p通道MOSFET之電晶體。一閘極介電質146經生長及圖案化以上覆於通道區域。一較厚介電質148經沈積及圖案化以暴露閘極介電質146。一導電閘極150(金屬或多晶矽)至少形成在通道區域上方以使通道反相且用一足夠閘極-源極電壓開啟電晶體。若形成一pnp雙極電晶體，則電晶體將用高於大約0.6伏之一基極-射極電壓開啟。

一高的源極電極152經形成以使源極電極152能夠被一導體層接觸，諸如圖16中之導體102。一介電鈍化層(諸如Si₃N₄或SiO₂)可形成在暴露半導體表面上方。

電晶體可相對於源極電極152實質上對稱，諸如形成一六邊形形狀，其中閘極150係連續的且圍繞源極電極152。電晶體之自上而下形狀可取而代之為正方形。

在圖35中，溝槽154使用光微影圖案化且經蝕刻穿過各種層以暴露將陰極電極142接合至處置2晶圓144之黏著層。溝槽154界定模組之自上而下形狀。

隨後，暴露黏著層溶解在一溶液中以使單件化模組從處置2晶圓釋放。一黏性可伸展膜可在單件化之前附著至晶圓之頂部表面以在封裝模組時針對一取置程序維持模組之相對位置。

本文所述之所提出之解決方案將V-I驅動器與LED整合在單個晶粒中。驅動器及LED形成一積體電路晶粒，其被製作在接合在一起之兩個晶圓上，隨後被單件化。此整合減小LED及至全域系統之互連件之固有及寄生不確定性。與使用非整合V-I驅動器相比，整合亦極大地減小電路之大小及成本。此允許各LED具有其自身之專用驅動器。

此外，為各LED提供其自身之可控驅動器使各LED能夠經控制以輸出所要亮度，而不管程序變動、亮度隨溫度的改變及亮度隨時間的改變。

一些前述實例已使用MOSFET及雙極電晶體；但是本發明之範疇不受電晶體技術的限制。實現可使用CMOS、BiCMOS、BCD或其他積體電路程序產生。亦可使用未展示之額外電晶體技術，諸如JFET、IGBT、閘流電晶體(SCR)、三端雙向可控矽元件及其他。

雖然已展示及描述本發明之特定實施例，但是熟習此項技術者應瞭解可進行改變及修改而不脫離本發明之較寬泛態樣，且因此隨附申請專利範圍請求項將在其等之範疇內涵蓋落在本發明之真實精神及範疇內之所有此等改變及修改。

10‧‧‧三端LED模組

20‧‧‧晶圓

21‧‧‧晶圓

23‧‧‧n型磊晶層

24‧‧‧p型磊晶層

26‧‧‧底層

28‧‧‧反射金屬層

30‧‧‧金屬層

32‧‧‧p型汲極井

34‧‧‧n型閘極

36‧‧‧p型源極

38‧‧‧介電層

40‧‧‧第一金屬層

42‧‧‧介電層

44‧‧‧金屬層

46‧‧‧源極電極層

T1‧‧‧端子

T2‧‧‧端子

T3‧‧‧端子

Claims (18)

1. 一種整合驅動器及發光二極體(LED)模組，其包括：一垂直發光二極體(LED)，其具有一頂部LED導電表面及一底部LED導電表面；及一垂直電晶體，其與該LED串聯，該電晶體具有一第一端子、一第二端子及一第三端子，該第一端子係該電晶體之一底部導電表面，該電晶體之該底部導電表面藉由一導電接合層電及機械接合至該頂部LED導電表面，該LED及該電晶體為實質上相同大小，該LED經組態以在將一第一電壓施加至該底部LED導電表面，將一第二電壓施加至該第二端子且將一第一控制電壓施加至該第三端子時發射光。
2. 如請求項1之模組，其中該電晶體具有一頂部表面，其中該第二端子及該第三端子係形成在該頂部表面上。
3. 如請求項1之模組，其中該電晶體係一FET。
4. 如請求項3之模組，其中該第一端子係一汲極端子，該第二端子係一閘極端子，且該第三端子係一源極端子。
5. 如請求項3之模組，其中該第一端子係一汲極端子，該第二端子係一源極端子，且該第三端子係一閘極端子。
6. 如請求項1之模組，其中該電晶體係一雙極電晶體。
7. 如請求項1之模組，其中該頂部LED導電表面係一陽極，且該底部LED導電表面係一陰極。
8. 如請求項1之模組，其中該頂部LED導電表面係一陰極，且該底部LED導電表面係一陽極。
9. 如請求項1之模組，其中該LED係基於GaN，且該電晶體係基於 矽。
10. 一種形成一發光裝置之方法，其包括：在一LED晶圓中形成垂直發光二極體(LED)之一第一陣列，該等LED之各者具有一頂部LED導電表面及一底部LED導電表面；及在一電晶體晶圓中形成垂直電晶體之一第二陣列，該等電晶體之各者具有一第一端子、一第二端子及一第三端子，該第一端子係該等電晶體之一底部導電表面；將該LED晶圓與該電晶體晶圓對準，使得該電晶體晶圓中之各電晶體區域與該LED晶圓中之各LED區域對準；藉由將該LED晶圓之該頂部LED導電表面接合至該電晶體晶圓之該底部導電表面，以藉由一接合層將該頂部LED導電表面電及機械接合至該底部導電表面而形成經接合晶圓；及單件化該等經接合晶圓以產生個別模組，各模組含有至少一驅動器電晶體及一LED。
11. 如請求項10之方法，其中形成垂直LED之該第一陣列包括在一LED生長基板上方磊晶生長LED層，該方法進一步包括在將該LED晶圓之該頂部LED導電表面接合至該電晶體晶圓之該底部導電表面之後移除該生長基板。
12. 如請求項10之方法，其中形成垂直電晶體之該第二陣列包括在一基板上方形成電晶體區域，該方法進一步包括在將該LED晶圓之該頂部LED導電表面接合至該電晶體晶圓之該底部導電表面之前移除該基板。
13. 如請求項12之方法，進一步包括在移除該基板之前將一第一載體晶圓附貼至該電晶體晶圓之一頂部表面。
14. 如請求項13之方法，進一步包括將一第二載體晶圓附貼至該底 部LED導電表面，且隨後移除該第一載體晶圓以處理該電晶體晶圓之一頂部表面。
15. 如請求項14之方法，進一步包括在該LED晶圓及該電晶體晶圓中向下蝕刻溝槽至該第二載體晶圓以界定該等個別模組，隨後從該第二載體晶圓移除該等個別模組。
16. 如請求項14之方法，進一步包括封裝該等個別模組以形成模組之一陣列，用於產生光。
17. 如請求項16之方法，其中該模組陣列係一可定址彩色顯示器之部分。
18. 如請求項16之方法，其中該模組陣列係產生白光之一光源之部分。