TWI678944B - 發光二極體之驅動器與相關之照明系統 - Google Patents

Abstract

實施例揭露一種驅動器，用以驅動一發光元件，包含有一整流電路以及一電流驅動電路。該整流電路包含有至少一整流二極體，電連接至一交流輸入電源，用以產生一直流電源，跨於一直流電源線與一接地線之間。該電流驅動電路包含有至少一定電流源。該定電流源與該發光元件串接於該直流電源線與該接地線之間。該定電流源可提供一定電流，驅動該發光元件。該整流二極體與該定電流源，共同形成於一單一半導體晶片上。

Description

發光二極體之驅動器與相關之照明系統

本發明係關於驅動發光二極體之驅動器與相關之照明系統，尤關於一種具有簡單架構之驅動器與照明系統。

近年來，因為良好的電光轉換效率以及較小的產品體積，發光二極體(light-emitting diode)已經漸漸地取代陰極燈管或是鎢絲，作為背光或是照明系統的光源。只是，因為發光二極體的電壓電流特性(約3伏特，直流電驅動)，一般市電的交流輸入電源並無法直接驅動發光二極體，而是需要一電源轉換器，將交流輸入電源轉換成適當的直流電源。

照明用電往往占用市電供電非常大的部分。因此針對照明所用的電源轉換器，法規上除了要求有非常低的轉換損失之外，還必須提供有良好的功率因數(功率因數介於0到1之間)。一電子裝置的功率因數愈靠近1，表示該電子裝置越接近電阻式負載。

第1圖為習知的照明系統10，其中有橋式整流器12、功率因數校正器(power factor corrector)14、LED驅動電路16、以及一LED 18。功率因數校正器14可以是一個昇壓電路(booster)，LED驅動電路16可以是一降壓電路(buck converter)。但是，如昇壓電路或是降壓電路般的切換式電源轉換器， 不但需要用到體積龐大且昂貴的電感元件，整個系統架構也需要使用非常多的電子零件。因此，採用切換式電源轉換器的照明系統，因其生產成本高昂比較沒有市場競爭力。

實施例揭露一種驅動器，用以驅動一發光元件，包含有一整流電路以及一電流驅動電路。整流電路包含一整流二極體，電連接至一交流輸入電源，用以產生一直流電源，跨於一直流電源線與一接地線之間。電流驅動電路包含一定電流源。該定電流源與該發光元件串接於直流電源線與接地線之間。該定電流源可提供一定電流，驅動該發光元件。整流二極體與定電流源，共同形成於一單一半導體晶片上。

10‧‧‧照明系統

12‧‧‧橋式整流器

14‧‧‧功率因數校正器

16‧‧‧LED驅動電路

18、18B、18R‧‧‧LED

19‧‧‧穩壓電容

60‧‧‧LED驅動器

62‧‧‧橋式整流器

64‧‧‧填谷電路

66‧‧‧電流驅動電路

67‧‧‧虛線

72、74、76‧‧‧電壓波形

80‧‧‧半導體晶片

92‧‧‧矽基底

94‧‧‧緩衝層

95、95a‧‧‧平台區

96‧‧‧通道層

98‧‧‧高價帶間隙層

100‧‧‧蓋層

102‧‧‧金屬層

102a、102b、102c、102d、102e‧‧‧金屬片

103‧‧‧絕緣層104‧‧‧金屬層

104a、104b、104c、104d、104e、104f、104g、104h‧‧‧金屬片

105‧‧‧護層

120‧‧‧二極體符號

130‧‧‧積體電路

140、142、144、146、148‧‧‧步驟

150、152‧‧‧曲線

170‧‧‧調整區

200‧‧‧照明系統

300‧‧‧LED驅動器

302‧‧‧電流驅動電路

330‧‧‧照明系統

500‧‧‧LED驅動器

502‧‧‧橋式整流器

504‧‧‧電流驅動電路

518、5181、5182、5183‧‧‧LED

5201、5202、5203、5204‧‧‧LED段

550‧‧‧半導體晶片

552‧‧‧積體電路

560‧‧‧照明系統

600‧‧‧LED驅動器

700‧‧‧LED驅動器

800‧‧‧LED驅動器

802‧‧‧雙向可控矽調光器

806‧‧‧橋式整流器

808‧‧‧半導體晶片

810‧‧‧橋式整流器

812‧‧‧半導體晶片

840‧‧‧LED驅動器

848‧‧‧LED

850‧‧‧電阻

852‧‧‧蕭特基二極體

900‧‧‧LED驅動器

902、906‧‧‧熱敏電阻

910‧‧‧LED驅動器

AC+、AC-‧‧‧交流輸入接腳

AC1、AC2‧‧‧交流電源線

ARM1、ARM2‧‧‧上臂

ART、ARB‧‧‧上下兩臂

C1、C2、CF‧‧‧電容

CC1、CC2、CC3、CC4‧‧‧電流開關

DB1-DB4‧‧‧整流二極體

DVF1-DVF3‧‧‧二極體

D‧‧‧端點

D1、D2‧‧‧驅動接腳

GD、GE‧‧‧閘極

GND‧‧‧接地線

GG‧‧‧閘區域

IC1、IC2‧‧‧分段電路

ME、MD‧‧‧HEMT

PF1、PF2‧‧‧校正接腳

S‧‧‧端點

S1、S2‧‧‧驅動接腳

SBD1、SBD2、SBD3、SBD4‧‧‧蕭特基二極體

T1、T2、T3、T4‧‧‧HEMT

T5、T6、T7、T8‧‧‧耗盡模式HEMT

TP1、TP2、TP3‧‧‧時段

VAC-IN‧‧‧交流輸入電源

VCC‧‧‧高電壓接腳

VDC-IN‧‧‧直流電源

VDD‧‧‧直流電源線

VPEAK‧‧‧電壓峰值

VSS‧‧‧低電壓接腳

第1圖為習知的照明系統。

第2圖顯示一依據本發明一實施例的LED驅動器。

第3圖顯示三個電壓波形。

第4A圖顯示一半導體晶片上之一金屬層之圖案。

第4B圖顯示將第4A圖之半導體晶片封裝後的一積體電路示意圖。

第5圖顯示第4A圖中之HEMT T1沿著線ST-ST的剖面圖。

第6圖顯示第4A圖中之二極體DVF3沿著線SD-SD的剖面圖。

第7圖顯示依據本發明一實施例的一照明系統。

第8圖顯示依據本發明另一實施例的LED驅動器。

第9A圖顯示另一半導體晶片上之一金屬層的圖案。

第9B圖顯示將第9A圖之半導體晶片封裝後的一積體電路示意圖。

第10圖顯示依據本發明另一實施例的一照明系統。

第11圖顯示LED與額外的一穩壓電容相並聯之電路圖。

第12圖顯示另一半導體晶片上之一金屬層之圖案。

第13圖顯示第4A圖中之二極體DVF3沿著線SD-SD的依據另一種實施例之晶片剖面圖。

第14圖顯示可以用來製作第13圖中之二極體的流程圖。

第15圖顯示依據本發明一實施例之金氧半場效電晶體(MOSFET)與HEMT中IDS對VDS關係。

第16圖顯示依據本發明另一實施例之LED驅動器。

第17圖顯示依據本發明一實施例之一半導體晶片上之一金屬層之圖案。

第18圖顯示將第17圖之半導體晶片封裝後的一積體電路。

第19圖顯示採用第18圖中之積體電路實現的一照明系統。

第20圖顯示依據本發明一實施例之一LED驅動器之電路設計。

第21圖顯示依據本發明又一實施例之一LED驅動器，具有多個LED。

第22圖顯示依據本發明一實施例之一二極體晶片之剖面圖。

第23圖顯示依據本發明另一實施例之LED驅動器。

第24圖顯示了一橋式整流器。

第25圖舉例顯示一半導體晶片，其可以實現第24圖中的橋式整流器。

第26A、26B與26C圖顯示半導體晶片808沿著線CSV1-CSV1、CSV2-CSV2與CSV3-CSV3的晶片剖面圖。

第27圖顯示了另一橋式整流器。

第28圖舉例顯示一半導體晶片，其可以實現第27圖中的橋式整流器。

第29A圖顯示在一半導體晶片上的一增強模式HEMT ME與一耗盡模式的HEMT MD。

第29B圖則顯示第29A圖中HEMT MD與ME之間的電連接。

第30圖則顯示第29A圖中，沿著線CSV4-CSV4的晶片剖面圖。

第31圖顯示依據本發明一實施例之一LED驅動器。

第32圖顯示了第31圖中的交流輸入電源VAC-IN的電壓波形以及流經橋式整流器844的一電流波形。

第33圖顯示了具有正溫度係數的一熱敏電阻之一LED驅動器。

第34圖顯示了具有負溫度係數的一熱敏電阻之一LED驅動器。

第35圖顯示了具有熱敏電阻之另一LED驅動器。

在本說明書中，相同的符號除另有說明外通常表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。

在本發明的一實施例中，整個LED照明系統具有簡潔的電路設計，主要元件僅有封裝有一單一半導體晶片(chip)的一積體電路、兩個電容、以及當作光源的一LED。實施例中的LED照明系統可以不需要連接額外的電感元件。因此，LED照明系統之電路成本將會相當的低。此外，實施例中的LED照明系統也提供了相當優良的功率因數，可以符合大多數規範的要求。

第2圖顯示一依據本發明一實施例的LED驅動器60，其可用來驅動LED 18。LED 18可以是一高壓LED，由許多微型LED(micro LED)串連在一 起所構成。舉例來說，在一個實施例中，每個微型LED的正向電壓約3.4伏特，而LED 18由10多個微LED串聯而成，其等效正向電壓(forward voltage)約50V。

LED驅動器60大致有三級。連接到交流輸入電源VAC-IN的第一級是橋式整流器62。第二級是填谷電路(valley-fill circuit)64，做為一功率因數校正器，可以改善整個LED驅動器60的功率因數。第三級有兩個高電子遷移率場效電晶體(high electron mobility transistor；HEMT)T1與T2，作為電流驅動電路66。HEMT T1與T2可以各自作為一定電流源使用或是並聯後作為一可以提供更大電流數值的定電流源。以HEMT T1為例，當其汲源電壓(drain-to-source voltage，VDS)足夠大時，汲源電流(drain-to-source current，IDS)，也就是從汲極流到源極的電流，將大約是一常數，幾乎不隨VDS而變化關，HEMT T1大致提供一定電流，用以驅動LED 18。

橋式整流器62包含有四個整流二極體DB1-DB4。以下將說明，這四個整流二極體可以都是蕭特基二極體(Schottky Barrier Diode；SBD)。橋式整流器62將交流輸入電源VAC-IN整流，用以產生直流電源VDC-IN，跨於直流電源線VDD與接地線GND之間。舉例來說，交流輸入電源VAC-IN可以是一般市電所提供的110VAC或是220VAC。

填谷電路64電連接於直流電源線VDD與接地線GND之間，包含有三個二極體DVF1-DVF3與電容C1、C2。二極體DVF1-DVF3逆向串接於直流電源線VDD與接地線GND之間。在此實施例中，電容C1與C2的電容值大約相等，但本發明不限於此。理論上，電容C1與C2的電容電壓VC1與VC2大約可以被充電到直流電源VDC-IN之電壓峰值VPEAK的一半(0.5*VPEAK)。而當交流輸入電源VAC-IN的電壓絕對值低於0.5*VPEAK時，電容C1與C2可以對直流電源線VDD與接地線GND放電。只要電容C1與C2夠大，填谷電路64可以使直流電源VDC-IN的最小值電壓大約等於0.5VPEAK，提供足夠的電壓使LED 18持續發光。

HEMT T1與T2都是耗盡模式(depletion mode)電晶體，意味著他們的臨界電壓(threshold voltage，VTH)都是負值。每個HEMT都具有一閘極(gate)以及二通道極，而這二通道極一般又稱為源極(source)與汲極(drain)。每個HEMT T1與T2的閘極(gate)與源極(source)相互短路。以HEMT T1為例，當其汲源電壓(drain-to-source voltage，VDS)足夠大時，汲源電流(drain-to-source current，IDS)，也就是從汲極流到源極的電流，將大約是一常數，幾乎與VDS無關。所以，不論HEMT T1或T2，都可以大約當作一定電流源，提供穩定的一定電流來驅動LED 18，使LED 18的發光強度維持一定，不會有閃爍問題。在第2圖中，HEMT T1驅動LED 18，兩者一起作為負載(load)，串接在直流電源線VDD與接地線GND之間。第2圖以虛線67連接了HEMT T2與LED 18，表示HEMT T2可以選擇性地聯合HEMT T1一同驅動LED 18，稍後將細部說明。

第3圖顯示交流輸入電源V_AC-IN的電壓波形72、沒有填谷電路64時的直流電源V_DC-IN之電壓波形74、以及有填谷電路64時的直流電源V_DC-IN的電壓波形76。舉例來說，交流輸入電源V_AC-IN是220VAC，為一正弦波，如同第3圖所示。電壓波形74表示為沒有填谷電路64時的虛擬結果。如果沒有填谷電路64，橋式整流器62將提供簡單的全波整流，所以會將電壓波形72中電壓值為負的部分，轉變成正，如同電壓波形74所示。填谷電路64會將電壓波形74中之波谷填入，或是使電壓波形74中之波谷不再那麼的深，如同電壓波形76所示。為了敘述上的方便，以下說明有時將採用電壓波形74來講解事件發生的時序。舉例來說，電壓波形74到達波峰時，代表電壓波形72(交流輸入電源V_AC-IN)到達波峰或是波谷時。

時段TP1從電壓波形74大於等於電壓波形76開始，直到電壓波形74隨時間上升直至峰值VPEAK結束。在時段TP1中，LED 18發光的電能將直接 來自交流輸入電源VAC-IN，所以電壓波形76等於電壓波形74。此時，一旦直流電源VDC-IN的電壓大於電容電壓VC1與VC2兩者的和，電容C1與C2將會被交流輸入電源VAC-IN所充電。當電壓波形74達峰值VPEAK時，電容電壓VC1與VC2大約都會是0.5VPEAK。

時段TP2從電壓波形74由達到峰值VPEAK開始，直到電壓波形74下降至一半峰值(1/2VPEAK)為止。在時段TP2中，電壓波形74隨時間開始下降，而LED 18發光的電能將直接來自交流輸入電源VAC-IN，所以電壓波形76等於電壓波形74。因為電容C1與C2沒有充放電，電容電壓VC1與VC2都將維持在0.5VPEAK。

時段TP3從電壓波形74低於0.5VPEAK後開始，大約就是電壓波形74之波谷出現的時間。在時段TP3內，電容C1會透過二極體DVF3放電，來供電給HEMT T1與LED 18。類似的，電容C2會透過二極體DVF1放電，一樣供電給HEMT T1與LED 18。電容電壓VC1與VC2將隨著時間降低，降低的速度視電容C1與C2的電容值而定。時段TP3終止於電壓波形74從波谷反彈後而高於電容電壓VC1或VC2時。之後由另一個時段TP1接續。如同第3圖之電壓波形76所示，只要電容C1與C2夠大，直流電源VDC-IN就可能提供足夠的電壓使LED 18持續發光。

只要電容C1與C2夠大，填谷電路64所達到的功率因數，可以符合大多數國家的功率因數要求。

在一實施例中，第2圖中的整流二極體DB1-DB4、二極體DVF1-DVF3、以及HEMT T1與T2，都共同形成於一單一半導體晶片上。第4A圖顯示一半導體晶片80上之一金屬層104之圖案，並標示第2圖中的二極體與 HEMT在半導體晶片80上的相對位置。半導體晶片80可以是一以氮化鎵為導通通道材料(GaN-based)的單晶微波積體電路(monolithic microwave integrated circuit；MMIC)。在第4A圖中，每個二極體的元件結構大約都相類似，都是一蕭特基二極體，而HEMT T1與T2的元件結構也相類似。第5圖顯示了，第4A圖中之HEMT T1沿著線ST-ST的晶片剖面圖；第6圖顯示了，第4A圖中之二極體DVF3沿著線SD-SD的晶片剖面圖。圖中其他的二極體與HEMT之元件結構可以類推而得知。

第5圖的例子中，矽基底92上之緩衝層94可以是摻雜有碳(C-doped)的本質(intrinsic)GaN。通道層96可以是本質(intrinsic)GaN，其上形成有一高價帶間隙(high-bandgap)層98，其材料可為本質之AlGaN。蓋層100可以是本質GaN。蓋層100、高價帶間隙層98與通道層96被圖案化而成為一平台區95(mesa)。二維電子雲(2D-electron gas)可以形成於通道層96內鄰接於高價帶間隙層98的量子井(quantum well)，作為導電通道。圖案化(patterned)的金屬層102的材料可以是鈦、鋁或是這兩種材料的疊層。在第5圖中，金屬層102在平台區95的上方形成兩個金屬片(metal strips)102a、102b，分別跟平台區95形成兩個歐姆接觸(ohmic contact)，使得金屬片102a、102b分別作為HEMT T1的源極與汲極。金屬層104的材料可以是鈦、金或是這兩種材料的疊層。舉例來說，由下而上，金屬層104有一鎳層(Ni)、一銅層(Cu)以及一鉑層(Pt)，其中鉑層可以增加稍後形成之護層105彼此之間的粘著度(adhesion)，防止在焊墊製程時產生剝離的問題。在其他實施例中，金屬層104也可以是鎳層(Ni)、金層(Au)以及鉑層(Pt)的疊層，或者鎳層(Ni)、金層(Au)以及鈦層(Ti)的疊層。在第5圖中，圖案化之金屬層104形成了金屬片104a、104b與104c。金屬片104b接觸了平台區95的中央上方，形成一蕭特基接觸(schottky contact)，作為HEMT T1的閘極。第5圖中的104a與104c分別接觸了102a、102b，提供HEMT T1的源極與汲極到其他電子元件的電性連接。請同時參考第5圖與第4A圖，可以發現HEMT T1的閘極(金屬片104b)，透過金屬層104，短路到金屬片104a，也短路到HEMT T1的源極。第5圖的右部分則顯示了HEMT T1的等效電路圖。金屬層104上方有護層105，其材料可以是氮氧化矽(silicon oxinitride，SiON)。護層105被圖案化，用來形成封裝時所需要的焊墊(bonding pad)。舉例來說，第5圖中，左半邊護層105沒有蓋住的部分，可以焊接至低電壓接腳VSS(稍後將解釋)之焊線(bonding wire)；而右半邊護層105沒有蓋住的部分，可以焊接至驅動接腳D1(稍後將解釋)之焊線。

為簡潔之緣故，第6圖與第5圖相同或類似之部分不再累述。第6圖中，金屬層102在平台區95的上方形成兩個金屬片102c、102d，圖案化之金屬層104則形成了金屬片104d、104e與104f。與第5圖相類似的，金屬片104e可作為一HEMT的閘極。雖然金屬片102d可以作為一HEMT的一源極，但金屬片102d上沒有接觸到金屬層104。在另一實施例中，金屬片102d可以省略而不形成。金屬片104f接觸平台區95的一部分上表面與一側壁，形成另一個蕭特基接觸，可以作為一蕭特基二極體，其陰極等效上短路到第6圖之HEMT的源極。請同時參考第6圖與第4A圖。金屬片104e，透過金屬層104，短路到金屬片104f，其為蕭特基二極體之陽極。第6圖之右部分顯示了左半部之等效電路連接圖，電路行為上等效為一個二極體。第6圖之右部分同時顯示一特別之二極體符號120，來代表第6圖中的等效電路。二極體符號120也使用於第2圖中，表示整流二極體DB1-DB4與二極體DVF1-DVF3，每個都是由一HEMT與一蕭特基二極體所複合而成的二極體。

第4B圖顯示將半導體晶片80封裝後的一積體電路130，其只有8個接腳(pin)，分別是：高電壓接腳VCC、校正接腳PF1與PF2、低電壓接腳VSS、交流輸入接腳AC+與AC-、驅動接腳D1與D2。請參閱第4A圖，其中也顯示了每個接腳，透過焊線(bonding wire)，電性短路到由金屬層104圖案化後所形成的金屬片，而這些金屬片也提供了半導體晶片80中電子元件相對應的輸入或輸出端點相互連接。舉例來說，驅動接腳D1電連接到HEMT T1的汲極，校正接腳PF1電連接到二極體DVF3的陰極。

第7圖顯示依據本發明所實施的一照明系統200。積體電路130固定在印刷電路板202上。透過印刷電路202上的金屬線，電容C1電連接於高電壓接腳VCC與校正接腳]PF1之間，電容C2電連接於低電壓接腳VSS與校正接腳PF2之間，LED 18電連接於高電壓接腳VCC與驅動接腳D1之間，交流輸入接腳AC+與AC-電連接到交流輸入電源VAC-IN。透過先前的解說可以了解，第7圖之照明系統200很簡潔的，僅僅用了4個電子零件(兩個電容C1與C2、積體電路130與LED 18)，就實現了第2圖中的LED驅動器60。沒有昂貴且體積龐大的電感元件，照明系統200成本得以降低，且整個產品體積也可以縮小。

第7圖中，積體電路130的驅動接腳D2(電連接到HEMT T2的汲極)，可以視交流輸入電源VAC-IN的交流電壓不同，而決定是否電連接至LED 18。換言之，積體電路130可以選擇性地用單單一個HEMT(T1)，或是用兩個HEMT(T1與T2)並聯來驅動LED 18發光。舉例來說，假定積體電路130中的HEMT T1與T2元件大小都一樣，各別可提供大約一樣的1u單位定電流。當第7圖的照明系統200運用於交流輸入電源VAC-IN為110VAC時，可以選用正向電壓(forward voltage)為50V的LED作為LED 18，並且連接驅動接腳D1以及D2一起 到LED 18，LED 18此時所消耗的功率約2u*50(=100u)。而當第7圖的照明系統200運用於交流輸入電源VAC-IN為220VAC時，可以選用正向電壓為100V的LED作為LED 18，並且單單連接驅動接腳D1到LED 18，並保持驅動接腳D2浮動空接，LED 18此時所消耗的功率約1u*100(=100u)。如此，儘管交流輸入電源VAC-IN的交流電壓不一樣，只要選用正向電壓不同的LED，LED 18消耗的功率可以大約相同(都大約是100u)，那照明系統200所產生的照明亮度就大約也會是相同。換言之，積體電路130不只是適用於220VAC的交流輸入電源，也可適用於110VAC的交流輸入電源。這對於照明系統200的製造商而言是非常方便的，可以節省照明系統200的零件庫存管理成本。

在第2圖中，電流驅動電路66連接於LED 18與接地線GND之間，但本發明並不限於此。第8圖顯示另一依據本發明所實施的LED驅動器300，用來驅動LED 18。在第8圖中，電流驅動電路302具有HEMT T3與T4，HEMT T3與T4的汲極一起電連接到直流電源線VDD，LED 18電連接於接地線GND與電流驅動電路302之間。第9A圖顯示一半導體晶片310上之金屬層140的圖案，並標示第8圖中的二極體與HEMT的相對位置。第5圖也可代表第9A圖中之HEMT T3沿著線ST-ST的晶片剖面圖；第6圖也可代表第9A圖中之二極體DVF3沿著線SD-SD的晶片剖面圖。第9B圖顯示將半導體晶片310封裝後的一積體電路320，其只有8個接腳(pin)，分別是：高電壓接腳VCC、校正接腳PF1與PF2、低電壓接腳VSS、交流輸入接腳AC+與AC-、驅動接腳S1與S2。第10圖顯示依據本發明所實施的另一照明系統330，其實現了第8圖中的LED驅動器300。第8、9A、9B與10圖，可以參照先前第2、4A、4B與7圖以及相關之解說，而得知其原理、操作、以及優點，為簡潔故，不再累述。

如同第11圖之實施例所示，額外的一穩壓電容19可以與LED 18並聯。穩壓電容19可以降低LED 18的跨壓VLED之變化，甚至增加LED 18在交流輸入電源VAC-IN之一週期時間內的工作週期(duty cycle)或發光時間，減少LED 18閃爍(flickering)的可能性。

第4A圖中的圖案僅僅是作為一個例子，本發明並不限於此。第12圖顯示另一半導體晶片上之一金屬層104之圖案。第12圖大致類似於第4A圖，為簡潔之緣故，彼此相同或類似之部分不再累述。在第4A圖中，位於每個二極體中間位置的一閘極，都只有透過一個圖案化後金屬層104的一上臂ARM1連接到其陽極(譬如第6圖中的金屬片104f)；位於每個HEMT中間位置的一閘極，也都是透過一個圖案化後金屬層104的一上臂ARM2連接到其源極(譬如第5圖中的金屬片104a)。然而，在第12圖中，如同例示之閘區域GG，每個二極體中間位置的閘極，透過圖案化後金屬層104的上下兩臂ART與ARB連接到其陽極；而位於每個HEMT中間位置的一閘極，也都是透過圖案化後金屬層104的上下兩臂連接到其源極。與第4A圖之設計相較之下，第12圖中的二極體的上下兩臂結構在製作上比較對稱，在顯影、曝光、磊晶、蝕刻等製程的過程中比較不易被上下兩臂之間的結構壓縮空間，(上下兩臂的)寬度會比較一致、結構比較不易有破損或者變形；而第4A圖的結構因為僅有單臂，在製作時容易在製作其他部分時容易造成整個臂寬度不一致的情況，而這種情況也容易導致大電流或者大電壓的聚集而造成崩潰。因此第12圖的上下兩臂的結構因為整個結構寬度較為一致，也不易受到其他結構影響而變形，使得第12圖的結構具有較高的崩潰電壓耐受能力。

第5圖與第6圖中的剖面圖也並非用來限制本發明的權利範圍。舉例來說，如第13圖顯示第4A圖中之二極體DVF3沿著線SD-SD依據另一種實施例 之晶片剖面圖。第13圖與第6圖，為簡潔之緣故，彼此相同或類似之部分不再累述。與第6圖不同的，第13圖中的金屬片104e與蓋層100之間夾有一絕緣層103，其材料譬如說是氧化矽。絕緣層103的存在也可以增強二極體的崩潰電壓耐受能力。

第14圖顯示用來製作第13圖中之二極體的流程圖。步驟140先形成平台區。舉例來說，先在緩衝層94上分別形成通道層96、高價帶間隙層98、與蓋層100。然後以感應式耦合電漿蝕刻等方式圖案化這三層而完成平台區95。步驟142形成歐姆接觸。舉例來說，分別沉積鈦/鋁/鈦/金做為金屬層102，之後對金屬層102圖案化，形成金屬片102a、102b等。步驟144形成絕緣層103。舉例來說，先沉積一二氧化矽層，然後將其圖案化，剩下的二氧化矽層便成為絕緣層103。步驟146形成蕭特基接觸與圖案化。舉例來說，步驟146先依序沉積鎳/金/鉑作為金屬層104，然後對金屬層104圖案化形成金屬片104a、104b、104c等。金屬層104與金屬層102之間為歐姆接觸，但金屬層104與平台區95之間則為蕭特基接觸。步驟148形成護層105，並對之圖案化，以形成焊墊開孔。當然，第14圖的流程圖也適用於製作第12圖中的HEMT。而藉由適當的調整，第14圖中的流程圖，也可以用來製作如第4A圖中的二極體與HEMT，例如省略步驟144，或者加入其他製程。

雖然第2圖與第5圖中的HEMT T1與T2可以視為定電流源，但是其可能不是一個完全理想的電流源。HEMT T1與T2的汲源電流(IDS)，在飽和區時，可能依然跟汲源電壓(VDS)有些許相關。第15圖顯示了金氧半場效電晶體(MOSFET)與HEMT中，IDS對VDS關係。曲線150與152分別是針對以矽為基材的一金氧半場效電晶體(MOSFET)以及一HEMT。從曲線150可以發現，在金氧半場效電晶體中，IDS與VDS大約都是正相關，也就是VDS越大，IDS越 大。但是HEMT則不同。從曲線152可以發現，在HEMT中，當VDS超過一特定值時，IDS與的關係，會從正相關變成負相關。而這個特定值可以透過製程上的參數，來加以設定。這HEMT的特性有一個特別的好處，當VDS因為市電電壓不穩而突然飆高時，IDS反而會下降，可能可以降低消耗於HEMT的電功率，所以避免HEMT被燒毀。

在先前數個實施例中，LED驅動器有一填谷電路，但本發明並不限於此。第16圖顯示了另一LED驅動器500，用以驅動LED 518，其包含了數個LED段5201、5202、5203串接在一起。LED驅動器500中並沒有填谷電路。LED驅動器500中的橋式整流器502與電流驅動電路504可以一起整合在一半導體晶片上，封裝成一積體電路。第17圖顯示一半導體晶片550上之一金屬層104之圖案，並標示第16圖中的二極體與HEMT在半導體晶片550上的相對位置。半導體晶片550整合了LED驅動器500中的橋式整流器502與電流驅動電路504。第18圖顯示將半導體晶片550封裝後的一積體電路552。第19圖顯示採用第18圖中之積體電路552實現LED驅動器500的一照明系統560。第16至19圖可以透過先前的教導而了解，故其細節不在此累述。從第19圖可以發現整個照明系統560採用了非常少量的電子零件(一電容CF、積體電路552與LED 518)。照明系統560成本將得以降低，且整個產品也更加精簡。

第16與19圖並非用來限制積體電路552之應用。第20圖舉例一LED驅動器600，可用以說明包含橋式整流器502與電流驅動電路504的積體電路的另一應用。在第20圖中，電流驅動電路504中的HMET T1與T2可以選擇性地用來驅動LED 518，其包含了數個LED段5201、5202、5203。LED驅動器600另有分段電路IC1與IC2，其可以依據直流電源VDC-IN的高低而成為短路或是開路。舉例來說，當直流電源VDC-IN比LED段5203的正向電壓略高時，分段電路IC1 與IC2都是短路電路，所以LED段5203發光，而LED段5201、5202不發光；當直流電源VDC-IN增加到超過LED段5202與5203的正向電壓總和時，分段電路IC1為短路電路，分段電路IC2為開路電路，所以LED段5202與5203發光，而LED段5201不發光；當直流電源VDC-IN再增加到超過LED段5201、5202與5203的正向電壓總和時，分段電路IC1也跟著變成開路電路，所以LED段5201、5202與5203都發光。使得LED驅動器600的電光轉換效率更好，功率因數與總諧波失真率都能得到良好的控制。

依據本發明所實施的一積體電路並不限於只是整合了一橋式整流器與一電流驅動電路。先前所述的積體電路130與552僅僅作為例子。舉例來說，依據本發明所實施的一積體電路除了有橋式整流器與電流驅動電路之外，還整合有一些二極體或HEMT，可用於第20圖中的分段電路IC1與IC2中。

本發明所實施的積體電路並不只限於耗盡模式的HEMT。在一些實施例中，積體電路包含有增強型模式(enhancement-mode)HEMT，其導通電流可以透過提供適當的閘電壓來加以控制，藉此改變所驅動之LED段所發出之光強度。例如在第20圖中利用分段電路IC1與IC2調整啟動的LED段5201、5202、5203的同時，可以調整增強型模式HEMT的閘電壓以改變HEMT輸入到LED段5201、5202、5203的電流，進而改變LED段5201、5202、5203所發出的光強度。

儘管先前所揭示的LED驅動器或是照明系統，每個都是用以驅動單一LED 518，但本發明並不限於此。在一些實施例中，可以有兩個或是以上的LED，以不同的電流，分別的被驅動。第21圖舉例一LED驅動器700，其中電流驅動電路504中的HEMT T1與T2，分別驅動LED 18R與18B。舉例來說，HEMT T1所提供的驅動電流小於HEMT T2所提供的驅動電流，而LED 18R大致為紅光LED，而LED 18B大致為藍光LED。

第6圖與第13圖中的二極體，分別都形成於單一平台區95上，但本發明並不限於此。第22圖顯示另一種實施例中，一二極體之晶片剖面圖。第22圖中與第6圖以及第13圖彼此相同或類似之部分，為簡潔之緣故，不再累述。第22圖中有兩個平台區95與95a。金屬片102e於平台區95a上，形成一歐姆接觸；而金屬片102d則在於平台區95上，形成另一歐姆接觸。金屬片102d與102e透過金屬片104g，彼此短路電連接。金屬片104f作為二極體的一陽極，金屬片104d則作為二極體的一陰極。第22圖中的結構，可以增強二極體的崩潰電壓耐受能力。

先前所教導的電流驅動電路66、302與504，都用來驅動發光二極體(LED)，但本發明並不限於此。第23圖顯示依據本發明另一實施例之LED驅動器800，其與第16圖相似，彼此之間相同之處，可以參考先前之說明而了解，為簡潔的緣故，不再說明。與第16圖之LED驅動器500不同的，第23圖中的LED驅動器800多了一雙向可控矽調光器(TRIAC dimmer)802，而且電流驅動電路804中的HEMT T1直接連接於直流電源線VDD與接地線GND之間，沒有驅動任何LED。當一雙向可控矽調光器關閉，大約呈現開路時，需要有一定量的維持電流(holding current)，才可以避免誤動作發生。在第23圖中，HEMT T1可以提供雙向可控矽調光器802所需要的維持電流。設計上來說，HEMT T2可以提供相對的大電流，使LED 518發光；而HEMT T1可以提供相對的小電流，當LED 518不發光時，當作雙向可控矽調光器802所需要的維持電流。

先前實施例中的二極體都是以第6圖中之二極體符號120表示，其是由一HEMT與一蕭特基二極體所複合而成的二極體。但是本發明並不限於此。所有實施例中的二極體，可以全部或是部分替換成其他種二極體。舉例來說， 第24圖顯示了一橋式整流器806，其以四個蕭特基二極體SBD1、SBD2、SBD3、SBD4所構成。

第25圖舉例顯示一半導體晶片808上之金屬層104與平台區95之圖案，其可以實現第24圖中的橋式整流器806。第26A、26B與26C圖顯示半導體晶片808沿著線CSV1-CSV1、CSV2-CSV2與CSV3-CSV3的晶片剖面圖。舉例來說，第24圖中的蕭基特二極體SBD1連接於交流電源線AC1與接地線GND之間。第25圖與第26A圖中顯示具有一多指狀結構(multi-finger structure)的HEMT。HEMT的閘端做為蕭基特二極體SBD1的陽極，HEMT的通道端做為蕭基特二極體SBD1的陰極。等效上，蕭基特二極體SBD1由許多的小蕭基特二極體並聯所構成。多指狀結構的HEMT可以在有限的晶片面積中，提供較大的驅動電流。

在先前的實施例中，每一個二極體，也可以用數個二極體串聯來實施，如同第27圖所舉例的。第27圖顯示了另一橋式整流器810。舉例來說，在橋式整流器810的交流電源線AC1與接地線GND之間，具有兩個串接的蕭基特二極體。第28圖舉例顯示一半導體晶片812上之金屬層104與平台區95之圖案，其可以實現第27圖中的橋式整流器810。第26A、26B與26C圖也可以用以顯示半導體晶片812沿著線CSV1-CSV1、CSV2-CSV2與CSV3-CSV3的晶片剖面圖。

如同先前所述的，在本發明的實施例之半導體晶片中，並不限於只能有耗盡模式的HEMT與蕭基特二極體，也可以包含有增強模式(enhancement mode，E-mode)的HEMT。第29A圖顯示在一半導體晶片上的一增強模式HEMT ME與一耗盡模式的HEMT MD，兩者的金屬層104與平台區95之圖案。第29B圖則顯示第29A圖中HEMT MD與ME之間的電連接。第30圖則顯示第29A圖中，沿著線CSV4-CSV4的晶片剖面圖。如同第30圖所示的，左半邊為一增強模式HEMT ME，其中作為閘極GE的金屬片104h與蓋層100之間夾有一絕緣層103。蓋層100 與高價帶間隙層98在金屬片104h下方的部分，形成有一調整區170。舉例來說，調整區170可以將氟離子局部地佈植入蓋層100與高價帶間隙層98而形成。相較於第22圖左半部的耗盡模式HEMT MD，第30圖左半邊的增強模式HEMT ME多了調整區170以及絕緣層103，兩者都可以用來調整或增加一HEMT的臨界電壓值Vt(threshold voltage)。

如同第29A、29B與30圖所示，耗盡模式HEMT MD的閘極GD，透過金屬層104的電性連接，短路到增強模式HEMT ME的端點S。

第29B圖中的電路，當HEMT ME關閉(開路)時，HEMT ME與HEMT MD一起，可以承擔分散從端點D到端點S之間的跨壓，所以可以有相當好的耐壓能力。當HEMT ME開啟(導通)時，HEMT MD可以作為一個定電流源，限制端點D到端點S之間的最大電流量。

第29A與29B圖中的增強模式HEMT也可以作為一半導體晶片中的主動開關。第31圖顯示依據本發明一實施例之一LED驅動器840之電路設計，其具有增強模式HEMT與耗盡模式HEMT。除了一些蕭基特二極體與電阻外，LED驅動器840還包含有電流開關CC1、CC2、CC3，以及耗盡模式HEMT T8，彼此的電性連接如第31圖所示。在一半導體晶片上，電流開關CC1、CC2、CC3可以以第29A圖與第30圖中的元件結構而實現。在一實施例中，電流開關CC1、CC2、CC3以及耗盡模式HEMT T8，可以導通的最大電流，分別是電流值I1、I2、I3與I4，且I1<I2<I3<I4。每個電流開關CC1、CC2、CC3都有一個控制端(也就是一增強模式HEMT之閘端)，透過一個相對應的電阻，共同連接到蕭基特二極體852，其具有另一端連接到接地線GND。

第32圖顯示了第31圖中的交流輸入電源VAC-IN的電壓波形以及流經橋式整流器844的一電流波形。隨著直流電源線VDD到接地線GND之間的跨 壓從0V開始逐漸升高，電流開關CC1、CC2、CC3會全部開啟。此時，只有LED段5201發光，LED段5202、5203、5204都不發光，流經LED段5201的驅動電流被電流開關CC1所限制，最大為電流值I1。隨著直流電源線VDD到接地線GND之間的跨壓繼續升高，電流開關CC1關閉而LED段5202加入發光，此時，流經LED段5201與5202的驅動電流被電流開關CC2所限制，最大為電流值I2。當直流電源線VDD到接地線GND之間的跨壓繼續升高後，電流開關CC2關閉而LED段5203加入發光，此時，流經LED段5201、5202、5203的驅動電流被電流開關CC3所限制，最大為電流值I3。當直流電源線VDD到接地線GND之間的跨壓超過一定程度時，電流開關CC1、CC2、CC3會全部關閉，LED段5201、5202、5203、5204全部都發光。此時，流經LED段5201、5202、5203、5204的驅動電流被耗盡模式HEMT T8所限制，最大為電流值I4。當直流電源線VDD到接地線GND之間的跨壓從最高點慢慢下降時，電流開關CC3、CC2、CC1會依序漸漸開啟導通。從第32圖可以發現，第31圖的LED驅動器840不只是有良好的功率因數(power factor)，而且會有相當低的總諧波失真率(total harmonic distortion，THD)。

於第31圖中，對應每個電流開關CC3、CC2、CC1，都有兩個反向串接的蕭基特二極體，連接於每個電流開關之一控制端與一高壓端之間。而在另一個實施例中，這些蕭基特二極體(第31A圖中總共有6個)可以省略不做，降低成本。

連接於電阻850與接地線GND之間的蕭基特二極體852，可以用來限定電流開關CC3、CC2、CC1之控制端的最高電壓。當突波高壓出現在直流電源線VDD上時，蕭基特二極體852可以防止一增強模式HEMT因過高閘電壓而導致之毀損。

第31圖中的LED驅動器840中，所有的蕭基特二極體以及HEMT，都可以整合於一以氮化鎵為導通通道材料(GaN-based)的單晶微波積體電路。 舉例來說，蕭基特二極體可以用第6圖或是第26A圖中的元件結構來實現，而增強模式HEMT與耗盡模式HEMT可以分別用第30圖中的左半部與右半部的元件結構來實現。換言之，實現LED驅動器840時，可能只需要一單晶微波積體電路、一些電阻元件、一LED 848以及一印刷電路板(printed circuit board，PCB)而已，成本非常低廉。

隨著環境溫度的升高，以定電流驅動的一LED，其發光亮度可能會減弱。為了彌補高溫所導致的亮度衰減，所以在本發明的一些實施例中，可以用正溫度係數或是負溫度係數的熱敏電阻，來調整對LED的驅動電流。

第33圖顯示了具有正溫度係數的一熱敏電阻之一LED驅動器900，其中，熱敏電阻902的兩端，分別連接到電流開關CC4內之增強模式HEMT ME1的一閘端與一通道端。耗盡模式HEMT T5作為一定電流源，大約提供一定電流流經正溫度係數熱敏電阻902，增強模式HEMT ME1操作於線性區。當環境溫度增加時，熱敏電阻902的電阻上升，因此，電流開關CC4的控制閘之電壓也變高，增加了流經LED 518的電流。如此，可以使LED 518的發光量，大約不隨著溫度變化而改變。

第34圖顯示了具有負溫度係數的一熱敏電阻之一LED驅動器906，其中，耗盡模式HEMT T6可作為一定電流源，其所提供的定電流大致由其源極電壓所決定。當環境溫度增加時，熱敏電阻906的電阻下降，因此，耗盡模式HEMT T6的源極電壓變低，耗盡模式HEMT T6的閘對源(gate to source)電壓增加，因此增加了流經LED 518的電流。如此，可以使LED 518的發光量，大約不隨著溫度變化而改變。

依據本發明所實施的LED驅動器，並不限於只能有一個LED或是只能有一個熱敏電阻。第35圖顯示了LED驅動器910，其具有LED 5181、5182與 5183。類似第33圖所教導，流經LED 5181的驅動電流，受熱敏電阻902控制，隨著溫度增加而增加。類似第34圖所教導的，流經LED 5182的驅動電流，受熱敏電阻906控制，隨著溫度增加而增加。而流經LED 5183的驅動電流，受耗盡模式HEMT T7所控制，大致不隨溫度而變化。在一實施例中，LED 5183是一藍光LED，而LED 5181或5182是一紅光LED。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (9)

1. 一種驅動器，連接一交流輸入電源與一雙向可控矽調光器以驅動一發光元件，包含：一整流電路，電性連接該交流輸入電源以產生一直流電源，該整流電路包含一整流二極體，並電連接該雙向可控矽調光器；以及一電流驅動電路，包含：一第一定電流源，與該發光元件串接，並提供一電流用以驅動該發光元件；以及一第二定電流源，連接該整流電路，用以供電給該雙向可控矽調光器，其中，該整流二極體包含一蕭特基二極體，該蕭特基二極體包含一耗盡模式高電子遷移率場效電晶體，該耗盡模式高電子遷移率場效電晶體具有一第一金屬片以及一第二金屬片，分別作為該耗盡模式高電子遷移率場效電晶體之一閘極與一通道極，該第一金屬片透過複數個金屬臂電性連接至該第二金屬片，且該第一金屬片、該第二金屬片以及該等金屬臂屬於同一金屬層。
2. 一種驅動器，連接一交流輸入電源以驅動一發光元件，包含：一整流電路，電性連接該交流輸入電源，並包含一整流二極體以產生一直流電源；以及一電流驅動電路，包含一第一定電流源與該發光元件串接於該直流電源與一接地線之間，該第一定電流源可提供一電流用以驅動該發光元件；其中，該整流二極體包含一蕭特基二極體，該蕭特基二極體包含一耗盡模式高電子遷移率場效電晶體，該耗盡模式高電子遷移率場效電晶體具有一第一金屬片以及一第二金屬片，分別作為該耗盡模式高電子遷移率場效電晶體之一閘極與一通道極，該第一金屬片透過複數個金屬臂電性連接至該第二金屬片，且該第一金屬片、該第二金屬片以及該等金屬臂屬於同一金屬層。
3. 如申請專利範圍第1或第2項之驅動器，其中，該耗盡模式高電子遷移率場效電晶體包含一多指狀結構。
4. 如申請專利範圍第1或第2項之驅動器，更包含一功率因數校正器，該功率因數校正器包含有複數個二極體。
5. 如申請專利範圍第1或第2項之驅動器，更包含有一熱敏電阻電連接該第一定電流源，使該電流隨環境溫度升高而增加。
6. 如申請專利範圍第5項之驅動器，其中，該熱敏電阻係為一正溫度係數熱敏電阻，該第一定電流源包含有一耗盡模式高電子遷移率場效電晶體以及一增強模式高電子遷移率場效電晶體，該增強模式高電子遷移率場效電晶體包含有一閘極以及複數個通道端，該複數個通道端其中之一與該閘極連接該熱敏電阻。
7. 如申請專利範圍第6項之驅動器，其中，該增強模式高電子遷移率場效電晶體包含有一絕緣層隔絕該閘極以及該複數個通道端。
8. 如申請專利範圍第2項之驅動器，更包含一第二定電流源，該第二定電流源提供的最大電流值與該第一定電流源提供的最大電流值不相同。
9. 如申請專利範圍第1或第8項之驅動器，該第二定電流源提供的最大電流值與該第一定電流源提供的最大電流值不相同。