TWI760865B - 具有形成於相同基板上之發光二極體及垂直金屬氧化物半導體電晶體之主動式發光二極體模組 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種發光二極體(LED)模組，其含有與一LED串聯之一整合MOSFET驅動器電晶體。在一實施例中，在一矽基板上之一介面層上磊晶生長基於GaN之LED層。MOSFET閘極形成於該矽基板中之一溝渠中且在加偏壓於該閘極以接通該LED時產生一頂部源極與一底部汲極之間的一垂直通道。晶粒上之一導體使該MOSFET與該LED串聯連接。一電源電極位於該晶粒之一頂部上，另一電源電極位於該晶粒之底部上，且該閘極電極可位於該晶粒之該頂部或側上。
Description
本發明係關於發光二極體(LED)，且特定言之，本發明係關於一種含有與一LED串聯之驅動器電路以控制通過LED之電流之單一晶粒。
LED通常形成為具有一陽極端子及一陰極端子之晶粒。一LED晶粒通常安裝於一較大基板上以進行散熱及封裝。基板可含有諸如一被動式靜電放電裝置之額外電路。接著，通常封裝LED晶粒及選用基板，其中封裝具有用於焊接至一印刷電路板(PCB)之耐用陽極及陰極引線。
LED可由一外部電流源控制以達成一所要亮度。電流源可為形成於一單獨晶粒中之一MOSFET或一雙極電晶體。電流源及LED通常由導線或一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以增加成本。存在包含組件可能不匹配之其他缺點。
申請人先前已發明美國專利第9,577,007號所揭示之具有一整合驅動器電晶體之一極小型LED模組，該專利以引用的方式併入本文中。在該專利中，描述具有一整合橫向通道PMOS或NMOS電晶體之單晶片LED模組。LED及MOSFET在晶粒上串聯連接以形成一3端子裝置。藉由控制MOSFET之閘極來接通LED。
LED及MOSFET形成於諸如一矽基板、一SiC基板、一GaN基板或一藍寶石基板之相同基板上。就一藍寶石基板而言，移除藍寶石基板，使得模組可垂直傳導電流。儘管MOSFET通道係橫向的(使用一頂部橫向閘極)，但頂部LED電極與晶粒之底部電極之間的電流流動因橫向通道與底部電極之間使用一垂直導電路徑而為垂直的。垂直導電路徑可為摻雜基板或由一導電材料填充之一雷射鑽孔。
因為通道係橫向的(在晶粒之頂面上)，所以模組之表面積相對較大以增加費用及大小。此組態可防止LED模組用作一顯示器中之小型像素。此外，穿過基板材料之長垂直傳導路徑導致電力損耗。穿過基板雷射鑽孔及使用一導體來填充孔增加很多費用。
需要一種具有形成於相同基板上且串聯連接之一MOSFET及LED之改良LED模組，其中電流垂直傳導於一底部電極與一頂部電極之間，且其中LED模組不具有上述缺點。
本發明描述用於一整合LED模組中之一垂直通道MOSFET之各種設計，該整合LED模組含有相同晶粒中之一LED及驅動器電晶體。垂直通道MOSFET具有垂直方向上之一高導電性且使用可使用一反應性離子蝕刻(RIE)來形成之一溝渠。此導致一極小型及高效率LED模組以使更多LED能夠製造於一單一晶圓上。無需在一基板中雷射鑽孔。
MOSFET可完全包圍形成於中心中之LED，或LED可包圍MOSFET。無論何種情況，將通過MOSFET之電流均勻供應至LED以實現跨LED之實質上均勻亮度。
相關申請案之交叉參考
本申請案基於2018年4月10日申請之美國臨時申請案第62/655,726號且主張該案之優先權，該案讓與本發明受讓人且以引用的方式併入本文中。
圖1係本發明LED模組10之一實施例之一示意圖，LED模組10形成為自一晶圓單粒化之一單一晶粒。在晶粒上形成與一LED 14串聯之一NMOS電晶體12。為了繪示，LED 14將展示為形成於晶粒之頂部上以自晶粒之頂部發射光。晶粒之一表面上之一陽極電極18連接至一正電壓，且形成於對置表面上之一陰極電極20連接至相對於陽極電壓之一負電壓。可自頂部或側接取一控制端子22以控制通過電晶體12之電流且因此控制LED 14之亮度。在一實施例中，LED 14係基於GaN且發射藍光或UV光。可將一磷光體或量子點沈積於LED 14上以產生各種色彩。
圖2係形成為一晶粒之圖1之電路之一實施例。晶粒之中心線可穿過LED或穿過MOSFET，其取決於哪個部分包圍另一者。
在實例中，基板24係N+型矽。基板24充當一汲極。在基板24上，諸如藉由在P型摻雜劑之磊晶生長或植入至基板24之表面中期間原位摻雜來形成一輕度摻雜P-基極區域26。接著，在頂面上形成一高度摻雜N+源極區域28及一P+基極接觸區域30。儘管源極區域28及接觸區域30展示為位於垂直閘極32之「內」側上，但區域28及30可位於閘極32之兩側上或僅位於「外」側上。因為電壓可較低，所以層可較薄。
所有型式之基板可由相同導電性之一偏重度摻雜層上輕度摻雜層組成。此外，在所有型式中，最終可藉由在形成各種半導體層之後研磨來薄化基板。
接著，藉由遮罩及使用RIE之蝕刻來形成一閘極溝渠34。溝渠34自頂面延伸至N+基板24。接著，氧化或依其他方式絕緣溝渠壁以形成一薄閘極氧化層36，接著使用一摻雜多晶矽來至少部分填充溝渠34以形成導電閘極32。
溝渠34多晶矽引導至可位於晶粒之頂面上之任何位置處之一金屬閘極電極40或甚至引導至一側電極以最小化表面面積。
溝渠34、源極區域28及基極接觸區域30包圍一中心LED 14以將電流均勻注入至LED 14中以實現跨LED 14之一均勻亮度。圖右側可為晶粒之中心線。若由MOSFET包圍LED，則在生長LED層以形成LED部分之後，蝕除LED之一周邊區域以暴露其中形成電晶體區域及溝渠之一半導體表面。
在另一實施例中，MOSFET驅動器部分形成由LED部分包圍之晶粒之中間部分。若由LED包圍MOSFET，則在生長LED層以形成LED部分之後，蝕除LED之一中心區域以暴露其中形成電晶體區域及溝渠之一半導體表面。
基板24可為矽或適合於形成一垂直MOSFET之任何其他材料。LED 14可由獨立於基板24材料之一材料形成。
一絕緣介面層42位於基極區域26之頂面上。需要介面層42介接矽之晶格與GaN之晶格以最小化破裂及位錯。在矽上生長GaN層係眾所周知的且存在完成其之各種方式。S. Pal等人之論文「Silicon -- A New Substrate for GaN Growth」(Bulletin of Materials Science，2004年12月，第27卷，第6期，第501頁至第504頁)描述在矽上形成GaN層之各種方式且以引用的方式併入本文中。自2004年論文之後，技術已變得更普遍及成熟。在一實例中，介面層42包括一Al薄層、接著一AlN晶種層、接著一AlGaN或AlInGaN緩衝層，其等可包含組分之一漸變以最終匹配LED層之晶格常數。在一實施例中，LED層係AlInGaN以發射藍光。LED 14可為具有一P型層44、一薄主動層46及一N型層48之一異質接面LED。電子及電洞在主動層46中組合以發射一峰值波長(其取決於用於形成主動層46之材料)。可在層44及48上形成用於與金屬歐姆接觸之N+及P+接觸層。LED製造之熟習技術者已熟知在一矽基板上形成基於GaN之異質接面LED。
亦可使用一GaN、GaAs或SiC基板。
接著，圖案化一介電質50以使各種金屬部分絕緣。
接著，圖案化一金屬層以形成接觸N+源極區域28、P+基極接觸區域30及P型層44之頂面之一源極金屬52。因此，源極金屬52使LED 14與電晶體12串聯連接。藉由蝕除N型層48之一部分來暴露P型層44之一邊緣部分。
可在N型層48上形成諸如ITO或燒結奈米線之一透明導體層以均勻散佈電流，同時允許光自LED 14射出。將電流傳導至LED 14之陰極之陰極電極54金屬可沿透明導體層之邊緣形成，或形成金屬指狀物或一星形圖案以將電流施加至N型層48，同時允許光自LED 14射出。圖2之橫截面切穿不透明金屬陰極電極54，且其他橫截面可不展示N型層48上之任何不透明金屬層54。基板24之底面可經薄化及金屬化以形成一陽極電極57。
一光線58展示為由主動層46發射且穿過N型層48之一透明表面而射出。
稍後將描述之圖10及圖11中展示圖2之結構之實例性俯視圖。
圖3繪示相同於圖2之電晶體12，但LED具有形成於介面層42上之一基於GaN之N層60，接著在N型層60上形成主動層62及P型層64。在此實例中，必須形成不阻擋來自P型層64之頂部之大量光之源極金屬52。可使用相對於圖2所描述之相同技術來使光線66能夠穿過P型層64而逸出，同時源極金屬52將電流供應至P型層64。
當使晶粒正向偏壓且將一足夠閘極電壓施加於閘極電極40時，P-型基極區域緊鄰閘極32反轉以形成N+源極區域28與N+基板24之間的一垂直導電通道以傳導一電流通過LED 14以接通LED 14。因為基板24可為高度導電及非常薄且通道具有高導電性，所以由電流產生之電力損耗(及熱)非常少。
圖4繪示可用於代替圖2及圖3中之NMOS電晶體12之另一類型之垂直NMOS電晶體70。LED部分及其連接可相同於圖2或圖3。
在圖4中，溝渠74中之導電閘極72包圍LED部分且形成晶粒之側之部分。閘極電極40可圍繞晶粒形成一金屬環以在一插座或其他電接點中接觸一金屬電極。晶粒可在一導電基板上配置成一所要圖案以將正電壓供應至晶粒，且一介電材料可沈積於間隙內以使導電基板絕緣。接著，一導電材料可填充間隙以接觸閘極電極40。另一介電層可使閘極導體之頂部絕緣，且可圖案化一頂部導體層以電接觸頂部電極。
可設想諸多其他設計。
圖5係一LED/驅動模組78之一示意圖，其中一PMOS電晶體80與一LED 82串聯且連接至LED 82之陰極。
圖6係對應於圖5之圖式之LED/驅動器模組78之一部分之一橫截面圖，其中使用一溝渠式垂直PMOS驅動器電晶體80。結構相同於圖2，但用於形成PMOS電晶體80及LED 82之材料之極性被反轉，其意謂陽極電極84係頂部電極且陰極電極86係連接至P+基板88汲極之底部電極。
在圖6中，基板88係P+，基極區域90係N-，源極區域92係P+，且基極接觸區域94係N+。LED P型層96形成於N型層98上，其中一主動層99位於其等之間。光穿過P型層96而逸出。
圖7繪示圖6之LED/驅動器模組78，但其中使LED層反轉。在介面層42上形成P型層100，接著形成主動層102及N型層104。
圖8繪示可替換圖6或圖7中之MOSFET部分之一溝渠式垂直PMOS驅動器電晶體106。除極性反轉之外，其相同於圖4之電晶體。藉由使用此類型電晶體，可圍繞晶粒之周邊形成閘極電極40，且晶粒可較小。
圖9類似於圖2，但NMOS驅動器電晶體106形成為具有一擴散P型井區域108之一DMOS電晶體。所有電晶體可為使用摻雜劑之一雙擴散之DMOS電晶體。具有一上輕度摻雜N層109之一N+基板24用於形成DMOS電晶體，其中P型井區域108形成於N層109中，且閘極32可視情況延伸至N+基板24部分以降低導通電阻。
圖10係具有六邊形底面積之一LED/驅動器晶粒110之一俯視圖，其中MOSFET驅動器部分112包圍LED部分114以將電流均勻注入至LED中。在另一實施例中，MOSFET驅動器部分形成由LED部分包圍之中間部分114。
圖11係具有一正方形底面積之一LED/驅動器晶粒116之一俯視圖，其中MOSFET驅動器部分118包圍LED部分120以將電流均勻注入至LED中。在另一實施例中，MOSFET驅動器部分形成由LED部分包圍之中間部分120。
在一實施例中，LED模組之大小(底面積)係約0.05 mm2
至約1 mm2
。若將模組印刷為一墨水，則大小可小得多。
多個LED可形成於一單一模組中且可串聯及/或並聯連接。LED可由整合於模組中之一單一電晶體驅動。
本發明之LED模組可用於任何適合應用(其包含申請人之美國專利第9,577,007號及第9,153,732號中所揭示之所有應用，該兩個專利以引用的方式併入本文中)中。一應用用於形成一顯示器中之紅色、綠色及藍色像素之一緊湊陣列。
儘管已展示及描述本發明之特定實施例，但熟習技術者應明白，可在不背離本發明之情況下對其廣泛態樣作出改變及修改，因此，隨附申請專利範圍將落於本發明之真正精神及範疇內之所有此等改變及修改涵蓋於其範疇內。
10:發光二極體(LED)模組
12:NMOS電晶體
14:發光二極體(LED)
18:陽極電極
20:陰極電極
22:控制端子
24:N+基板
26:P-基極區域
28:N+源極區域
30:P+基極接觸區域
32:閘極
34:閘極溝渠
36:閘極氧化層
40:閘極電極
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44:P型層
46:主動層
48:N型層
50:介電質
52:源極金屬
54:陰極電極
57:陽極電極
58:光線
60:N型層
62:主動層
64:P型層
66:光線
70:NMOS電晶體
72:閘極
74:溝渠
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80:PMOS電晶體
82:LED
84:陽極電極
86:陰極電極
88:P+基板
90:基極區域
92:源極區域
94:基極接觸區域
96:P型層
98:N型層
99:主動層
100:P型層
102:主動層
104:N型層
106:PMOS電晶體/NMOS電晶體
108:P型井區域
109:N層
110:LED/驅動器晶粒
112:MOSFET驅動器部分
114:LED部分/中間部分
116:LED/驅動器晶粒
118:MOSFET驅動器部分
120:LED部分/中間部分
圖1係連接至一LED之陽極之一NMOS驅動器電晶體之一示意圖。
圖2係對應於圖1之圖式之一LED/驅動器模組之一部分之一橫截面圖，其中使用一溝渠式垂直NMOS驅動器電晶體。
圖3繪示圖2之LED/驅動器模組，但其中使LED層反轉。
圖4繪示可替換圖2或圖3中之MOSFET部分之一溝渠式垂直NMOS驅動器電晶體。
圖5係連接至一LED之陰極之一PMOS驅動器電晶體之一示意圖。
圖6係對應於圖5之圖式之一LED/驅動器模組之一部分之一橫截面圖，其中使用一溝渠式垂直PMOS驅動器電晶體。
圖7繪示圖6之LED/驅動器模組，但其中使LED層反轉。
圖8繪示可替換圖6或圖7中之MOSFET部分之一溝渠式垂直PMOS驅動器電晶體。
圖9類似於圖2，但NMOS驅動器電晶體形成為一DMOS電晶體。所有電晶體可為使用摻雜劑之一雙擴散之DMOS電晶體。
圖10係具有六邊形底面積之一LED/驅動器晶粒之一俯視圖，其中MOSFET驅動器部分包圍LED部分以將電流均勻注入至LED中，或LED部分包圍MOSFET驅動器部分以將電流均勻注入至LED中。
圖11係具有一正方形底面積之一LED/驅動器晶粒之一俯視圖，其中MOSFET驅動器部分包圍LED部分以將電流均勻注入至LED中，或LED部分包圍MOSFET驅動器部分以將電流均勻注入至LED中。
使用相同元件符號來標記圖中之相同或類似元件。
12:NMOS電晶體
14:發光二極體(LED)
24:N+基板
26:P-基極區域
28:N+源極區域
30:P+基極接觸區域
32:閘極
34:閘極溝渠
36:閘極氧化層
40:閘極電極
42:介面層
44:P型層
46:主動層
48:N型層
50:介電質
52:源極金屬
54:陰極電極
57:陽極電極
58:光線
Claims (19)
- 一種形成為一單一單片晶粒之發光裝置，其包括：一發光二極體(LED)，其至少具有一第一導電性之一第一LED層及一第二導電性之一第二LED層，該第一LED層及該第二LED層磊晶生長於一半導體材料之一頂面上；一垂直通道之MOSFET，其形成於該半導體材料中，該MOSFET具有形成於該半導體材料中之一溝渠中之一源極、一汲極及一閘極；一第一電極，其電耦合至該半導體材料之一底面；一閘極電極，其電耦合至該閘極；一第一導體，其將該汲極或該源極之一者電連接至該第一LED層以使該MOSFET與該LED串聯連接；及一第二電極，其電耦合至該第二LED層，其中當將一正向電壓施加於該第一電極與該第二電極之間且將一接通閘極電壓施加於該閘極電極時，一垂直導電通道產生於該源極區域與該汲極之間的該半導體材料中以傳導電流通過該LED以使該LED通電，其中該半導體材料包括該第二導電性類型之一基板及該第二導電性類型之該基板上之一第一導電性類型之一第一層。
- 如請求項1之裝置，其中該半導體材料包括一導電基板。
- 如請求項2之裝置，其中該基板包括矽且該LED包括GaN。
- 如請求項1之裝置，其中該半導體材料包括矽、SiC、GaN及GaAs之一者。
- 如請求項1之裝置，其進一步包括該LED與該半導體材料之該頂面之間的一介面層以磊晶生長該第一LED層及該第二LED層。
- 如請求項5之裝置，其中該第一LED層及該第二LED層包括GaN。
- 如請求項1之裝置，其中該LED包圍該MOSFET。
- 如請求項1之裝置，其中該MOSFET包圍該LED。
- 如請求項1之裝置，其中該MOSFET係一PMOS電晶體。
- 如請求項1之裝置，其中該MOSFET係一NMOS電晶體。
- 如請求項1之裝置，其中沿實質上垂直於該第一電極之該晶粒之一側暴露該閘極電極。
- 如請求項1之裝置，其中該溝渠具有一敞開側以將該閘極電極電連接至暴露於該溝渠之該敞開側上之該導電材料。
- 如請求項1之裝置，其中該源極係形成於該半導體材料之一頂面上。
- 如請求項1之裝置，其中該第一層係該基板之一上層，且該基板之一底部係該第二導電性類型。
- 如請求項1之裝置，其中該半導體材料包括該第二導電性類型之一基板及該第二導電性類型之該基板上之該第二導電性類型之一第一層，其中該第二導電性類型之該基板比該第二導電性類型之該第一層更高度摻雜。
- 如請求項1之裝置，其中該MOSFET係一DMOS型MOSFET，該裝置進一步包括：該第一導電性類型之一井區域，該閘極延伸穿過該井區域；及其中形成於該井區域中之該源極係該第二導電性類型。
- 如請求項16之裝置，其中該半導體材料包括該第二導電性類型之一基板及該第二導電性類型之該基板上之該第二導電性類型之一第一層，其中該第二導電性類型之該基板比該第二導電性類型之該第一層更高度摻雜，且其中該井區域形成於該第一層中。
- 如請求項17之裝置，其中該閘極延伸穿過該井區域、該第一層而進入該第二導電性類型之該基板。
- 如請求項1之裝置，其中該晶粒可印刷於一溶液中。
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