TWI528855B - 交流發光二極體模組 - Google Patents

Description

交流發光二極體模組

本發明係關於一種發光二極體，特別是關於一種整合於單一晶片(single chip)上並且適用於交流電源的交流發光二極體模組。

眾所周知，發光二極體(LED)為一具有n型半導體與p型半導體之發光裝置，經由電子及電洞的再結合而發光。此種LED被廣泛使用於顯示器及背光模組(back light module)。此外，因為與傳統燈泡及螢光燈相比時，LED具有較少的電力消耗及較長的使用壽命，所以LED的應用領域已擴展到一般照明，而逐漸取代傳統的燈泡與螢光燈。

請參照第1圖，其所繪示為習知發光二極體的電路連接示意圖。首先，交流電源AC產生一交流電流i_ac至變壓器(transformer)12，而變壓器12調整交流電流i_ac的振幅並輸出第一電流i₁。接著，整流器(rectifier)14接收第一電流i₁並進行半波或全波整流後輸出第二電流i₂。濾波器(filter)16接收第二電流i₂產生具有漣波(ripple)的第三電流i₃。最後，電壓調節器(voltage regulator)18接收第三電流i₃產生固定值的直流電流i_dc與直流電壓v_dc至直流LED模組(DC LED module)19，使直流LED模組19發光。

很明顯地，習知直流LED模組19無法直接連接至交流電源AC，如果直接將直流LED模組19連接至交流電源AC，則會有直流LED模組19無法連續發光，且容易因反向電流(reverse current)而導致直流LED模組19受損。

為了解決上述問題，交流LED模組(AC LED module)即因應而生。請參照第2A與2B圖，其所繪示為習知交流LED模組。如第2A圖所示，交流LED模組20是以橋式電路(bridge circuit)的方式進行整流功能且交流LED模組20係設計在單一晶片(single chip)上。

換句話說，第2A圖的交流LED模組20係在半導體基板(substrate)上設計一個LED陣列(LED matrix)，並且使用四個LED，亦即LED4、LED5、LED6、LED7，彼此電性連接成一個橋式整流器(bridge rectifier)，而橋式整流器的二連接端(CN1、CNT2)之間則串接多個LED，亦即LED1、LED2、LED3。

如第2A圖所示，當交流LED模組20的第一輸入端IN1接收正電壓而第二輸入端IN2接收負電壓時，則串接的LED4、LED1、LED2、LED3、LED7為順向偏壓(forward bias)，LED5與LED6為逆向偏壓(reverse bias)。反之，如第2B圖所示，當交流LED模組的第一輸入端IN1接收負電壓而第二輸入端IN2接收正電壓時，則串接的LED6、LED1、LED2、LED3、LED5為順向偏壓，LED4與LED7為逆向偏壓。

也就是說，於交流電源的正極性時，當電壓的振幅小於一臨界電壓總和時，串接的LED4、LED1、LED2、LED3、LED7無法發光；當電壓的振幅大於一臨界電壓總和時，即可產生電流流過串接的LED4、LED1、LED2、LED3、LED7並且發光。同理，於交流電源的負極性時，當電壓的振幅小於一臨界電壓總和時，串接的LED6、LED1、LED2、LED3、LED5無法發光；當電壓的振幅大於一臨界電壓總和時，即可產生電流流過串接的LED6、LED1、LED2、LED3、LED5並且發光。

由上述可知，習知設計於單一晶片上的交流LED模組20，並無法同時讓所有的LED發光，因此導致整體亮度上的損失。

因此，本發明之一目的係提出一種交流LED模組，其設計在單一晶片上並利用多個蕭特基二極體(Schottky diode)連接成為橋式整流器，可以有效地提高交流LED模組的整體亮度。

本發明係提出一種交流發光二極體模組，包括：一基板；一發光二極體，位於基板上，且發光二極體包括一具有第一導電特性第一半導體層與一具有第二導電特性第二半導體層；以及一橋式整流器，位於基板上，包括複數個蕭特基二極體，其中蕭特基二極體中的一第一部份位於第一半導體層上方，且蕭特基二極體中的一第二部份位於第二半導體層上方。

本發明更提出一種交流發光二極體模組，包括：一基板；一發光二極體，位於基板上；以及一橋式整流器，位於基板上，電連接於發光二極體，橋式整流器包括複數個蕭特基二極體且蕭特基二極體位於基板上且未與發光二極體重疊。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照第3圖，其所繪示為本發明交流LED模組第一實施例。根據本發明的第一實施例，交流LED模組包含四個蕭特基二極體(Schottky diode)，亦即SD1、SD2、SD3、SD4，連接成為一個橋式整流器。而橋式整流器的第一輸入端IN1與第二輸入端IN2即為交流LED模組30的二輸入端，用以接收一交流電源。如圖所示，第一蕭特基二極體SD1陽極端(anode)連接至第一輸入端IN1而第一蕭特基二極體SD1陰極端(cathode)連接至第一連接端CN1；第二蕭特基二極體SD2陽極端連接至第二連接端CN2而第二蕭特基二極體SD2陰極端連接至第二輸入端IN2；第三蕭特基二極體SD3陽極端連接至第二輸入端IN2而第三蕭特基二極體SD3陰極端連接至第一連接端CN1；第四蕭特基二極體SD4陽極端連接至第二連接端CN2而第四蕭特基二極體SD4陰極端連接至第一輸入端IN1。再者，橋式整流器的第一連接端CN1與第二連接端CN2之間連接一LED32。

由於蕭特基二極體的順向偏壓很低，因此交流LED模組30可在低壓AC電源下正常操作，亦即，約3V的電壓強度即可使得交流LED模組30正常操作。再者，由於蕭特基二極體SD1、SD2、SD3、SD4重疊於LED32之上，而利用此橋式整流器所完成的交流LED模組30，不論輸入端IN1與IN2的極性為何，LED 32均能夠發光，因此交流LED模組30的整體亮度可有效地提高。

請參照第4A與4B圖，其所繪示為本發明第一實施例單一晶片上的交流LED模組上視圖以及剖面圖。以藍光LED為主的交流LED模組為例，藍寶石基板(sapphire substrate)410上主要有n型氮化鎵半導體層(n type GaN layer)420、p型氮化鎵半導體層(p type GaN layer)430，而n型氮化鎵半導體層420與p型氮化鎵半導體層430之間還有一作用層425(active layer)，亦即n型氮化鎵半導體層420、作用層425、與p型氮化鎵半導體層430形成藍光LED的主體。此外，在p型氮化鎵半導體層430上設置有p型指狀電極(p finger electrode)436，在n型氮化鎵半導體層420上則設置有n型指狀電極(n finger electrode)426。

於本實施例中，二個蕭特基二極體SD2、SD4堆疊於曝露的n型氮化鎵半導體層420上方；二個蕭特基二極體SD1、SD3堆疊於p型氮化鎵半導體層430上方。再者，第一蕭特基二極體SD1陽極端連接至第一輸入端IN1而第一蕭特基二極體SD1陰極端連接至p型指狀電極(p finger electrode)436；第二蕭特基二極體SD2陽極端連接至n型指狀電極(n finger electrode)426而第二蕭特基二極體SD2陰極端連接至第二輸入端IN2；第三蕭特基二極體SD3陽極端連接至第二輸入端IN2而第三蕭特基二極體SD3陰極端連接至p型指狀電極436；第四蕭特基二極體SD4陽極端連接至n型指狀電極426而第四蕭特基二極體SD4陰極端連接至第一輸入端IN1。其中p型指狀電極436與n型指狀電極426可視為橋式整流器的第一連接端與第二連接端，而p型指狀電極536與n型指狀電極526分別連接至藍光LED的p型氮化鎵半導體層530與n型氮化鎵半導體層520。

由第4A圖的a、b二點的剖面圖即如第4B圖所示。首先介紹藍光LED，於藍寶石基板410成長一n型氮化鎵半導體層420、一作用層425、與一p型氮化鎵半導體層430。而於p型氮化鎵半導體層430上可形成電流阻擋層(current blocking layer)432，而透明銦錫氧化導電層(ITO)434覆蓋於p型氮化鎵半導體層430與電流阻擋層432上，即形成LED藍光二極體。其中，作用層425可為一單異質(single heterostructure，SH)，雙異質(double heterostructure，DH)，單量子井(single quantum well，SQW)，或多量子井(multiple quantum well，MQW)結構的作用層。

再者，第二蕭特基二極體SD2包括一歐姆接觸層446、一半導體層444、與一金屬層442。而歐姆接觸層446可視為第二蕭特基二極體SD2的陰極端，金屬層452可視為第二蕭特基二極體SD2的陽極端。其中，第二蕭特基二極體SD2的陽極端即連接至藍光LED的陰極端，而第二蕭特基二極體SD2的陰極端即可連接至第二輸入端IN2(未繪示)。同理，第三蕭特基二極體SD3可包括一歐姆接觸層456、一半導體層454、與一金屬層452。其中，半導體層454可視為第三蕭特基二極體SD3的陰極端，金屬層452可視為第三蕭特基二極體SD3的陽極端，而第三蕭特基二極體SD3的陰極端即連接至藍光LED的陽極端，第三蕭特基二極體SD3的陽極端即連接至第二輸入端藍光LED的陽極端IN2。再者，上述半導體層444、454的材料一般為電子濃度較高的n型半導體材料。例如，SiC、TiO₂、ZnO、CNT、Fe₂O₃層。而金屬層442、452為金、銀、或鉑金屬(Pt)。

請參照第5圖，其所繪示為本發明交流LED模組第一實施例的另一製造方式。此交流LED模組500特徵在於將所有的蕭特基二極體SD1、SD2、SD3、SD4皆製作於藍寶石基板510上方，並且不重疊(overlap)於藍光LED上。其中，第一蕭特基二極體SD1陽極端連接至第一輸入端IN1而第一蕭特基二極體SD1陰極端連接至p型指狀電極536；第二蕭特基二極體SD2陽極端連接至n型指狀電極526而第二蕭特基二極體SD2陰極端連接至第二輸入端IN2；第三蕭特基二極體SD3陽極端連接至第二輸入端IN2而第三蕭特基二極體SD3陰極端連接至p型指狀電極536；第四蕭特基二極體SD4陽極端連接至n型指狀電極526而第四蕭特基二極體SD4陰極端連接至第一輸入端IN1。而p型指狀電極536與n型指狀電極526即可視為橋式整流器的第一連接端與第二連接端，而p型指狀電極536與n型指狀電極526分別連接至藍光LED的p型氮化鎵半導體層530與n型氮化鎵半導體層520。

請參照第6圖，其所繪示為本發明交流LED模組第二實施例。根據本發明的第二實施例，交流LED模組60可根據輸入端IN1、IN2的交流電振幅，串接適當數目的蕭特基二極體使得交流LED模組60正常運作。根據本發明的實施例，利用四個串接蕭特基二極體組，亦即SD_1、SD_2、SD_3、SD_4，連接成為一個橋式整流器。而每一個串接蕭特基二極體組中包括多個串接蕭特基二極體(例如3個)。

再者，橋式整流器的第一連接端CN1與第二連接端CN2之間連接一LED 62。

由於第二實施例交流LED模組的上視圖相同於第一實施例，因此不再贅述。請參照第7圖，其所繪示為本發明第二實施例單一晶片上的交流LED模組區域剖面圖。由於藍光LED的結構相同此處不再贅述。再者，第二蕭特基二極體組SD_2堆疊於n型氮化鎵半導體層720上方；第三蕭特基二極體SD_3堆疊於p型氮化鎵半導體層730上方。

再者，由第七圖可知，第二蕭特基二極體組SD_2與第三蕭特基二極體組各包括三個串接的蕭特基二極體。而每個蕭特基二極體中的半導體層的材料一般為電子濃度較高的n型半導體材料，例如。例如SiC、TiO₂、ZnO、CNT、Fe₂O₃層，而金屬層為金、銀、或鉑金屬(Pt)。

同理，所有的蕭特基二極體組也可以形成於藍寶石基板的上方，並且不重疊(overlap)於藍光LED。而蕭特基二極體組的結構與上述相同，不再贅述。

因此，本發明之優點係提出一種交流LED模組，可使得交流LED模組在低壓AC電源正常工作。再者，利用蕭特基二極體重疊於發光LED上所完成的橋式整流器，不論輸入端IN1與IN2的極性為何，LED均能夠發光，因此可以使得交流LED模組的整體亮度有效地提高。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

12．．．變壓器

14．．．整流器

16．．．濾波器

18．．．電壓調節器

19．．．直流LED模組

20、30、60．．．交流LED模組

32、62．．．LED

400、500．．．交流LED模組

410、510、710．．．藍寶石基板

420、520、720．．．n型氮化鎵半導體層

425、725．．．作用層

426、526．．．n型指狀電極

430、530、730．．．p型氮化鎵半導體層

432．．．電流阻擋層

434．．．銦錫氧化導電層

436、536．．．p型指狀電極

442、452．．．金屬層

444、454．．．半導體層

446、456．．．歐姆接觸層

LED1、LED2、LED3、LED4、LED5、LED6、LED7．．．發光二極體

IN1、IN2．．．輸入端

CN1、CN2．．．連接端

SD1、SD2、SD3、SD4．．．蕭特基二極體

SD_1、SD_2、SD_3、SD_4．．．蕭特基二極體組

第1圖所繪示為習知發光二極體的電路連接示意圖。

第2A與2B圖所繪示為習知交流LED模組。

第3圖所繪示為本發明交流LED模組第一實施例。

第4A與4B圖所繪示為本發明第一實施例單一晶片上的交流LED模組上視圖以及剖面圖。

第5圖所繪示為本發明交流LED模組第一實施例的另一製造方式。

第6圖所繪示為本發明交流LED模組第二實施例。

第7圖所繪示為本發明第二實施例單一晶片上的交流LED模組區域剖面圖。

30．．．交流LED模組

32．．．LED

SD1．．．第一蕭特基二極體

SD2．．．第二蕭特基二極體

SD3．．．第三蕭特基二極體

SD4．．．第四蕭特基二極體

IN1．．．第一輸入端

IN2．．．第二輸入端

CN1．．．第一連接端

CN2．．．第二連接端

Claims (10)

1. 一種交流發光二極體模組，包括一基板；一發光二極體，位於該基板上，且該發光二極體包括一具有第一導電特性的第一半導體層與一具有第二導電特性的第二半導體層；以及一橋式整流器，位於該基板上，電連接於該發光二極體，包括複數個蕭特基二極體，其中該些蕭特基二極體包括一第一蕭特基二極體位於該第二半導體層上方，以及一第二蕭特基二極體位於該第一半導體層上方，且當輸入一交流電流時，該發光二極體會持續發光。
2. 如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體模組，其中，該發光二極體包括：該第一半導體層，位於該基板上方；一作用層，覆蓋部份該第一半導體層；該第二半導體層，覆蓋於該作用層；一電流阻擋層，覆蓋部份該第二半導體層；以及一導電層，覆蓋該電流阻擋層與該第二半導體層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之交流發光二極體模組，其中該作用層係一單異質、雙異質、單量子井、或多量子井結構的作用層。
4. 如申請專利範圍第2項所述之交流發光二極體模組，其中 該第一半導體層係為一n型氮化鎵半導體層，該第二半導體層係為一p型氮化鎵半導體層。
5. 如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體模組，其中，該些蕭特基二極體更包括：一第三蕭特基二極體，位於該發光二極體的該第二半導體層上；以及一第四蕭特基二極體，位於該發光二極體的該第一半導體層上。
6. 如申請專利範圍第5項所述之交流發光二極體模組，其中，該橋式整流器的一第一輸入端電連接至該第一蕭特基二極體的陽極端以及該第四蕭特基二極體的陰極端；該橋式整流器的一第二輸入端電連接至該第三蕭特基二極體的陽極端以及該第二蕭特基二極體的陰極端；該第二半導體層電連接至該第一蕭特基二極體的陰極端以及該第三蕭特基二極體的陰極端；該第一半導體層電連接至該第四蕭特基二極體的陽極端以及該第二蕭特基二極體的陽極端。
7. 如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體模組，其中，每一該蕭特基二極體包括：相互堆疊的一半導體層與一金屬層，其中，該半導體層為該蕭特基二極體的陰極端，該金屬層為該蕭特基二極體陽極端。
8. 如申請專利範圍第7項所述之交流發光二極體模組，其中 該半導體層係包含SiC、TiO₂、ZnO、CNT、或者Fe₂O₃；且該金屬層係包含一金、銀、或鉑金屬。
9. 如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體模組，其中，該第一蕭特基二極體包括：堆疊的一第一蕭特基二極體組，位於該發光二極體的該第二半導體層上。
10. 如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體模組，其中，該第二蕭特基二極體包括：堆疊的一第二蕭特基二極體組，位於該發光二極體的該第一半導體層上。