TW201205774A - An integrated lighting apparatus and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
201205774 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一整合式發光裝置及其製造方法，利用半 導體製程將積體電路與發光元件予以整合。此整合式發光裝 置並可藉由積體電路所設計的功能來控制發光元件，增加其 應用性。 【先前技術】 將I，元件與其他元件加以整合的技術不斷發展 低，逐漸普及的發光二極體由於其體積小、能耗 整合在i的應用不斷衍生出來’因此如何將發光二極體 整合裝置，裝置的方法成為—有趣的課題。目前常見的 板為一主要都是以一個外部的控制元件如PCB電路 透過此外t再與"'封膠完成的發光二極體連接，進而 發光。然工制元件來驅動並控制此發光二極體使其 控制元此種整合式的發光裝置的體積往往因外部 輕、薄、=大’無法滿足目前對電子產品要求在尺寸 _彳、下且功能要不斷擴充的需求。 【發明内容】 件一3明所揭露的整合式發光裝置包含-控制元 “元件與一連接區。控制元件具有一積體電路 201205774 區複數個内連;j：全塞與複數個電源墊。連接區包含一第 -導電區與-第二導電區。透過連接區可將控制元件與 發光元件電f生連接。因此，當電流經由一外部電源進入 此整合式發光裝置時’可經由控制元件來控制此發光元 件。又由於控制元件中的積體電路區可㈣計成一多功 月t*且體積小的控制電路，因此整合式發光裝置的應用領 域可加以提升。而連接區利用與製作積體電路區的相同 技術’使得在製作此整合式發光裝置時更有效率。 【實施方式】 第一實施例： 如第1圖中所示，有一控制元件100，此控制元件1〇〇 包含一半導體基板101 , 一積體電路區102與複數個電源 墊103。積體電路區102形成於半導體基板101上，其中 積體電路區102包含複數個内連栓塞1〇21及一介電區 1022。複數個電源墊1〇3形成於積體電路區1〇2上。所述 半導體基板101的材料可為目前常見的矽(Si)、鍺(Ge)、 GaN、或GaAs ’也可為任何一種能隙（band gap)大小介於 導體與絕緣體之間的半導體材料。積體電路區102的形成 方式主要是藉由’但不限於，目前半導體製程常用的黃光微 影(Photolithography)、蚀刻(Etch)、薄膜(Thin Film)、與擴散 (Diffusion)、離子植入(Ion Implant)等技術製造完成。 圖2a〜2d進一步詳細地描述積體電路區102的形成方式。 首先，如圖2(a)所示為一半導體基板101，具有一表面 201205774 1011。其次，如圖2(b)所示在半導體基板101的表面1011 形成複數個固態控制單元1023與複數個分隔區1〇24,任 一固態控制單元1023包含至少一摻雜區（dopant area)l023a、一閘極(gate)l023b 與至少一連線 l〇23c。複 數個固態控制單元1023可為場效電晶體(M0SFET)、二 極體(Diode)、可程式元件(FPGA)、雙極性電晶體（BJT)、 絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、結型場效應管(JFET)等。接著 如圖2(c)所示，形成介電區1022與複數個内連栓塞1〇21， 鲁 其中介電區1022可包含一層或一層以上的介電層，介電區 1022的材料可為氧化矽（Si〇x)、氮化矽（SiNx)、氧化鈦 (TiOx)、FSG(Fluorosilicate Glass)、PSG(Phosphosilicate Glass)、BPSG(Borophosphosilicate Glass)或氧化鋁（A10x) 專，製造方式可藉由 CVD(Chemical Vapor Deposition)、 Spin Coating等技術完成。複數個内連栓塞i〇2i與固態 控制單元1023電性連接。接著如第2(d)圖所示，在積體 電路區102上方形成複數個電源墊1〇3以完成控制元件 Φ 100。上述的控制元件100由於具備邏輯電路的功能，因 此當有一外部電源，例如一直流電源，可透過電源墊103 將電流導入積體電路區102中的複數個固態控制單元 1023 ’而控制元件1〇〇會依其所設計的電路進行運作。 第3圖顯示本實施例中所包含的一發光元件2〇〇， 此發光元件可為一發光二極體、一雷射、一 S〇C(System onChip)LED或上述選擇之任意組合。在本實施例中係 以一發光二極體為例。發光二極體200包含一第一電極 201、一第二電極202、一第一半導體層203、一第二半 5 201205774 導體層204與一發光區2〇5。為了提高出光效率’此發 光二極體200也可選擇性地加入一反射層、一電流分散 層（圖未示）。此發光元件2〇〇的形成方式是在一成長基 板（圖未示）上以習知的發光二極體製造流程製造而成。 半導體層與發光層的主要材料可為ΠΙ-V族半導體材 料，例如AlGalnP系列或GaN系列半導體材料： AlGalnP、AllnP、AIN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN， 或 II-VI 族半導體材料，如、ZnSe、ZnSeCr、ZnSeTe、 ZnS、CdSe 等。 接著，如第4圖所示為一連接區3〇〇之形成過程 示意圖。首先如第4(a)圖所示在控制元件1〇〇的積體電 路區102上以例如薄膜技術沉積形成一導電薄膜3〇5。 接著，如第4(b)圖所示，以例如黃光微影與蝕刻等製程 將導電薄膜305的部分去除，形成一包含第一導電區3〇1 與一第二導電區302之連接區300。另外，如第4(c)圖 所示，可選擇性地再施加如黃光微影與蝕刻等製程將第 -導 301與第二導電區搬製作成厚度相異的兩個 導電區。第一導電區301與第二導電區3〇2分別與控制 元件100的内連栓塞1〇21電性連接。 : 第5(a)圖所示為將上述的控制元件1〇〇、發光二極 體200與連接區組合而成之—整合式發光裝置— 之示意圖。在此實施射，與控制元件⑽連接的連 區3〇0的第一導電區301電性連接發光二極體200的第 -電極2〇1與控制元件1〇〇連接的連接區3〇〇 201205774 導電區301電性連接發光二極體200的第二電極202。 連接區300的第一導電區301與第二導電區302與發光 二極體200的第一電極201與第二電極202之間可以鍵 接等方式予以接合。本實施例中，連接區3〇〇可進一步 包含一絕緣區（圖未示）圍繞在第一導電區3〇1與第二導 電區302的周圍以避免導電區與外界環境產生電性干 擾’並可改善整合式發光裝置l〇A的整體機械強度。絕 緣區可透過CVD、Spin Coating等製程形成，其材料可 為氧化矽（SiOx)、氮化矽（siNx)、氧化鈦(Ti〇x)、FSG、 PSG、BPSG或氧化鋁(Al〇x)等，也可透過填充（filling) 的方式將例如為聚亞醯胺、苯并環丁烷、過氟環丁烷或 環氧樹脂圍繞在第一導電區301與第二導電區302的周 圍。 當有一外部電源50，例如一直流電源產生____電流 時，可先透過控制元件的電源墊1〇3導入發光裝置1〇A 中，形成一如第5(b)與第5(c)圖的等效電路，亦即控制 元件100為一源極(source)而發光二極體2〇〇為一汲極 (drain)或控制元件100為一沒極(drain)而發光二極體 200為一源極(source)。連接區3〇〇為連接控制元件1〇〇 與發光一極體200的線路。控制元件1〇〇可依應用的需 要設計成錢米至數厘米尺寸大小的晶片，再利用此一 微小的控制元件1〇〇來控制及驅動發光二極體2〇〇。所 整合形成的發光裝置具有較小的體積，製程也更為簡 化。此外’整合式發光裝i 10A完成後，可再進行封裝 以形成一外形單一的整合式發光裝置。 201205774 控制元件100的積體電路區102可被設計成具有應 用功能的控制元件，可以提供如整流、放大、等不同的 功月b以目則溝究輕薄短小的無線裝置為例，可以將一 作為顯示模組的一背光源中的發光二極體2〇〇利用本發 明所揭露的製程將此發光二極體透過連接區3 〇 〇與控制 元件100—在此為上述的無線裝置的一主要控制電路一 結合成一整合式發光裝置10A。接著透過控制元件1〇〇 來調整發光二極體200的電流進而改·變顯示模組的亮 度。又或控制元件100可設計為一整流器，可將交流電 轉換為直流電，因此整合式發光裝置10A於封裝完成後 _ 可直接利用交流電源進行發光。 第二實施例： 本發明所揭露的另一實施例如第6圖所示，包含 一控制元件100B、一發光元件200B與一連接區3〇〇B ^ 控制元件100B的結構與製作流程與第一實施例相同。
發光元件200B為一垂直式結構的發光二極體，包含一 · 第一電極201B、一第二電極202B、一第二半導體層2〇4B 與一發光層205B。連接區3〇〇B包含一第一導電區 301B、一第二導電區3〇28與一電橋3〇3B.。發光元件 200B的第一電極201B與連接區300B的第一導電區 301B電性連接，發光元件2〇〇B的第二電極2〇2b透過 連接區300B的電橋303B與第二導電區302B電性連 接。電橋303B可為一金屬線。本實施例中，連接區3〇〇B 8 201205774 可進一步包含一絕緣區（圖未示）圍繞在第一導電區3〇ib 與第二導電區302B的周圍以避免與外界環境產生電性 干擾，並可改善整合式發光裝置10B的整體機械強度。 絕緣區可透過CVD、Spin Coating等製程形成，其材料 可為氧化矽（SiOx)、氮化矽（SiNx)、氧化鈦(Ti〇x)、FSg、 PSG、BPSG或氧化鋁(Al〇x)等，也可透過填充的方式將 例如為聚亞醯胺、苯并環丁烷、過氟環丁烷或環氧樹脂 圍繞在第一導電區301B與第二導電區3〇2B的周圍。 第三實施例： 本發明所揭露的另一實施例10c如第7圖所示。本 實施例包含一控制元件100C、一連接區3〇〇c與一發光 元件200C。控制元件100C包含一半導體基板1〇1〇：、一 上表面110C、一下表面120C、一積體電路區102C、複 數個電源整103C，一第一連接墊1 〇4c、一第二連接塾 φ l〇5C、一第一穿透栓塞100C與一第二穿透栓塞1(y7C。 積體電路區102C包含複數個内連栓塞1〇21c及一介電 區1022C。第一連接墊i〇4C、第二連接墊i〇5C與複數 個電源墊l〇3C形成於上表面ii〇c。第一穿透栓塞i〇6C 與第二穿透栓塞107C分別自控制元件i〇〇c的上表面 iioc延伸至控制元件looc的下表面12〇c，並電性連接 第一連接墊104C與第二連接墊1〇5(：。介電區1〇22C可 包含一層或一層以上的介電層，介電區1〇22的材料可 為氧化矽（Si〇x)、氮化矽（SiNx)、氧化鈦(Ti〇x)、FSG、 201205774 PSG、BPSG或氧化鋁(A10x)等，製造方式可藉由 CVD(Chemical Vapor Deposition)、Spin Coating 等技術 完成。第一連接墊104C與第二連接墊105C的形成方式 可在製作電源墊103C時，以同一步驟製作完成。發光 元件200C可為一發光二極體、一雷射、或一 S0C發光 二極體，在本實施例中，是以一發光二極體為例。此發 光二極體200C包含一第一電極201C、一第二電極 202C、一第一半導體層203C、一第二半導體層204C、 一發光區205C及選擇性地加入一反射層206C以增加出 光效率。 連接區300C包含一第一導電區301C、一第二導電 區302C、一絕緣區400C、以及一第一連接面320C。連 接區300C以例如黃光微影、蝕刻、薄膜等製程在控制 元件100C的下表面120C上形成第一導電區301C、第 二導電區302C與絕緣區400C。第一導電區301C與第 二導電區302C的組成材料可以為金屬、金屬化合物及 其組合。絕緣區400C可為一由多層絕緣層組成的複合 結構’其材料可為氧化矽（Si〇x)、氮化矽（以队）、氧化欽 (TiOx)、FSG、PSG、BPSG 或氧化鋁(A10x)等。製造方 式可藉由CVD、SpinCoating或填充等技術完成。第一 導電區301C電性連接控制元件1〇〇c的第一穿透栓塞 106C，第二導電區302c電性連接第二穿透栓塞1〇?^。 第8(a)-(b)圖進一步說明本實施例第一穿透栓塞 106C與一第二穿透栓塞1〇7C的製造流程示意圖。首先 10 201205774 如第8(a)圖以例如黃光微影與蝕刻等技術自下表面 120C蝕刻出延伸至上表面n〇c的一第一穿透孔1〇61c 與一第二穿透孔l〇7ic。接著如第8(b)圖所示，以化學 氣相沉積（CVD)、濺鍍（Sputter)、電鍍(Electr〇plating) 或物理氣相沉積(PVD)等薄膜製程將單層或多層的金 屬、金屬化合物及其組合填入第一穿透孔1〇61c與第二 穿透孔1071C，進而形成第一穿透栓塞1〇6(：與第二穿 透栓塞107C。在此要特別提出的是，製作電源墊、第一 • 及第二連接墊與製作第一、第二穿透栓塞的順序是可以 互相交換的，也就是除了上述的流程之外，也可以先完 成第一、第二穿透栓塞再製作電源墊與連接墊。另外， 為了減少第一與第二穿透栓塞對積體電路區1〇2c的干 擾，可選擇性地在形成第一穿透孔1〇61c與第二穿透孔 1071C後，先在第一穿透孔1〇61c的内壁盥第_ 膚㈣錄上-具介電性質的隔離層 學氣相沉積、賤鍍、電鍍或物理氣相沉積等薄膜技術將 單層或多層的金屬、金屬化合物及其組合填入第一穿透 孔與第二穿透孔形成第一、第二穿透栓塞。 當有一外部電源，例如一直流電源產生一電流時， 可透過控制元件l00c的電源墊1〇3c導入發光裝置i〇c 中，形成一如第9(a)與第9(b)圖的等效電路。亦即控制 元件l〇〇C為一源極(source)而發光二極體2〇〇(：為一 極(dram)’或控制c為—祕(—η)而發光二極 體200C為一源極(s〇urce)。連接區3〇〇c為連 件100C與發光二極體20〇c的線路。 工 201205774 藉由在控制元件100C中形成第一穿透栓塞1〇6C與 第一穿透栓塞107C，可將發光元件2〇〇c置於靠近控制 元件100C的下表面120C之一側。由於第一穿透栓塞 106C與第二穿透栓塞107C可在非積體電路區i〇2c的 其他區域完成，因此可避開控制元件1〇〇c内部複雜的 積體電路區102C而增加製程的容忍度。本實施例的另 一優點是，由於發光元件200C靠近控制元件1〇〇(：的下 表面120C之一側，控制元件1〇〇c的上表面u〇c上增 加了空間，可與一第二控制元件連接並整合成一具多功 能的系統。 第四實施例： 如第10(a)圖所示’此實施例包含一控制元件剛D， 具有一第一表面110D、一第二表面120D、一半導體基 板101D、一積體電路區i〇2D、複數個電源塾i〇3D、一 第一連接墊104D與一第一穿透栓塞1〇6D。積體電路 區102D包含複數個内連栓塞1〇2id、與一介電區 1022D。第一連接墊i〇4D與複數個電源墊ι〇3ϋ形成於 第一表面110D上，且第一連接墊1()4D電性連接積體電 路區102D與第一穿透栓塞1〇6D。電源墊1〇3D可與外 部電源電性連接’將電流導入控制元件1〇〇D中。第一 穿透栓塞106D自控制元件1〇〇D的第一表面n〇D延伸 至第二表面120D，並電性連接第一連接墊1〇4D。第一 連接墊104D可在同時製作電源墊1〇3C時，以同一步驟 12 201205774 製作完成。半導體基板101D有一延伸部1〇11D突出栌 制元件100D外。介電區1022C可包含一層或一層以2 的介電層，介電區1022的材料可為氧化石夕(Si〇x)、氮化 石夕（SiNx)、氧化鈦(Ti〇x)、FSG、PSG、BpsG 或氧化銘（Αΐ〇χ) 等形成。製造方式可藉由CVD(Chemical Vap〇r '
Deposition)、Spin coating等技術完成。第一穿透栓塞 106D的製程與第三實施例中的第—穿透栓塞lQ6c製程 相同。 籲第10(b)〜10(d)圖所示為連接區3〇〇D之製造流程示 思圖首先’以例如百光微影與姓刻等製程在半導體基 板的延伸部1011D形成兩個連接孔3〇3D，接著再如第 10(c)圖所示以例如化學氣相沉積、濺鍍、電鍍、物理氣 相沉積等製程及其組合將一導電層3〇4D形成在控制元 件100D的第二表面i2〇D並填入連接孔3〇3D中。導電 層304D的材料可為單層或多層的金屬、金屬化合物及 其組合。最後，如第10(d)圖所示，以例如黃光微影與姓 φ 刻等製程形成第一導電區301D與第二導電區302D，其 中第一導電區301D電性連接第一穿透栓塞1〇6D。在本 實施例中，連接區300D可利用控制元件i〇〇D的半導體 基板的延伸部1011D的部分加以完成，不需另外製作絕 緣區來包覆第一與第二導電區。 第11圖顯示透過連接區3〇〇D將一發光二極體200D 與控制元件100D連接形成一整合式發光裝置1〇D。此 整合式發光褒置10D可在製作完成後，再透過連接區 13 201205774 300D的第二導電i 3〇2D與-第二發光元件電性連接。 又由於發光元件200D是在半導體基板的延伸部1〇UD 與控制元件100D電性連接，因此可以利用控制元件 100D的第—表面11GD再與其他元件，如—第二控制元 件或一第二發光元件連接。 第五實施例： 在本實施例中，如第12(a)〜(b)圖所示，有一半 ，體晶圓500,在此晶圓上形成複數個控制元件i〇〇e與 複數個連接區300E。控制元件與連接區的製造方法與上 述諸實施例相似，是以例如黃光微影、㈣、薄膜了擴 散與離子植人等製程進行，而於本實施例中係於一晶圓 級製程（wafer level process)下完成，因而可以快速且大 里的同時元成複數個控制元件100E與連接區3〇〇e。本 實施例又包含一載板600 ,包含複數個發光元件2〇〇E。 接著如圖12(b)所示，將此複數個發光元件2〇〇£與複數 個連接區300E以鍵接的方式接合，因此控制元件1〇〇E 與發光元件200E透過連接區3〇〇E電性連接。最後再如 圖13將載板600移除，形成複數個整合式發光裝置 10E。此複數個整合式發光裝置10E可以分別切割成單 —個整合式發光裝置l〇E，或者也可依需要切割成一發 光系統包含一個以上的整合式發光裝置1〇E的。 第14圖係繪示本發明一實施例包含一背光模組 201205774 700。其中，背光模組裝置700包含由本發明上述任意實 施例之發光裝置711所構成的光源裝置71〇、置於光源裝 置710之出光路徑上的光學裝置72〇以將光做適當處理後 出光、以及電源供應系統730以提供上述光源裝置71〇所 需之電源。 第15圖係本發明實施例之照明裝置8〇〇的示意圖。 其中，照明裝置800可為車燈、街燈、手電筒、路燈或指 示燈等等。其中，照明裝置800可包括由本發明上述之任 _ 意實施例的發光裝置811所構成光源裝置810、電源供應 系統820以提供光源裝置81〇所需之電源、以及控制元件 830用以控制電流輸入光源裝置81〇。 本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非 用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯 而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示一整合式發光裝置各部元件； 第，)-2(_辭—整合式發光裝置的__控制元件的製造 流程； 第3圖顯示_發光二極體； 第4(如_顯示—整合式發光裝置的—連接區的製造流 15 201205774 程； 第5(a)-(c)圖顯示本發明所揭露之一實施例及其等效電路； 第6圖顯示本發明所揭露之一實施例； 第圖顯示本發明所揭露之又一實施例； 第8(a)-8(b)圖顯示本發明所揭露之製造流程； 第9⑻-9(b)圖顯示本發明所揭露之一實施例之等效電路 第10(a)-10(d)圖顯示本發明所揭露之一實施例之製造流 程； 第11圖顯示本發明所揭露之又一實施例； 第12(a)-12⑻圖顯示本發明所揭露之又一實施例之製造流 程； 第13圖顯示本發明所揭露之又一實施例； 第14圖顯示本發明所揭露之又一實施例； 第15圖顯示本發明所揭露之又一實施例； 【主要元件符號說明】 101:半導體基板 102 :積體電路區 103 :電源墊 201:第一電極 202:第二電極 203:第一半導體層 204:第二半導體層 205:發光區 301:第一導電區 302:第二導電區 16
Claims (1)
- 201205774 七、申請專利範圍： 1. 一整合式發光裝置，包含： > :控制元件包含一半導體基板，一積體電路區形成於 。亥半導體基板上，以及複數個電源墊形成於該積體電 路區上； 一發光元件，包含一發光區，一第一電極，一第二 電極；以及 一連接區，其中該連接區包含一第一導電區與一第 二導電區，該發光元件之第一電極藉由該第一導電區 電性連接該控制元件’該發光元件之第二電極藉由該第 一導電區電性連接該控制元件。 2. 如申請專利範圍第丨項所述的整合式發光裝置，其中該半導 體基板包含一延伸部。 3·如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置進一步包含 一第二控制元件。 4. 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置進一步包含 一第一發光元件。 5. 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，該控制元件 又包含一或複數個穿透栓塞與一或複數個連接墊。 17 201205774 6. 7. 8. 9. 10. 如申請專利範圍第5項所述的整合式發光裝置，其中該一或 複數個穿透检塞包含一隔離層。 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，其中該發光 元件又包含一反射層。 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，其中該連接 區又包含一電橋。 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，其中該發光 元件為一發光二極體、一雷射、或一soc(systemon Chip)LED。 一整合式發光裝置，包含：一晶圓； ，數個控制元件位於該晶圓上，其中任一該控制元件 包含一半導體基板，一積體電路區形成於該半導體基 板上，以及複數個電源墊形成於該積體電路區上； 一載板； ’ 件光元件位於該上，其巾任—該些發光元 t3一發光區’ 一第一電極，一第二電極；以及 個連接區位於該晶圓上，其中該連接區包含一 電區與-第二導電區’該發光元件之第—電極 18 201205774 藉由該第一導電區電性連接該控制元件，該發光元件之 第二電極措由該第二導電區電性連接該控制元件。19
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