第10章 發(fā)光及顯示器件

第10章發(fā)光及其顯示器件10.1電致發(fā)光和光致發(fā)光10.2電致發(fā)光顯示器件10.3有機電致發(fā)光顯示（OLED）器件10.4電致發(fā)光顯示器件的應用和發(fā)展前景

1光子學與光電子學原榮邱琪編著發(fā)光光是一種以電磁場形式存在的物質，其中波長為380～780nm的電磁波能夠引起人眼的視覺反應，因而稱為可見光。在原子能級中，處于基態(tài)的電子吸收能量（電能、熱能、化學能或光能）后被激發(fā)到高能態(tài)，當這些電子躍遷回基態(tài)時，就將其能級差以光的形式發(fā)出，這就是發(fā)光。2光子學與光電子學原榮邱琪編著第10章發(fā)光及其顯示器件場致發(fā)光可分為電致發(fā)光（EL）和光致發(fā)光（PL）。電致發(fā)光（EL）是直接把電能轉換成光能的物理現(xiàn)象，從發(fā)光機理看，可分為注入型電致發(fā)光和本征型電致發(fā)光。注入型電致發(fā)光是在外電場作用下產生少數(shù)載流子注入而發(fā)光，這就是一般的普通發(fā)光二極管（LED），它是指在III-V族化合物的PN結上，注入少數(shù)載流子電子或空穴，當這些電子或空穴在晶體內再度與晶體內的多數(shù)載流子空穴或電子產生復合時而引起的發(fā)光。本征型電致發(fā)光，不伴隨少數(shù)載流子注入而發(fā)光。從施加的電場高低來分類，又可分為低場電致發(fā)光和高場電致發(fā)光兩種。低場電致發(fā)光一般指普通發(fā)光二極管，高場電致發(fā)光是一種高場非結型器件的發(fā)光，其材料是II-VI族化合物。光致發(fā)光顯示是在磷光體中，發(fā)光中心（催化劑）首先被高頻光激發(fā)，高能量光子首先被吸收，然后以低能量光子發(fā)射的一種發(fā)光顯示。電致發(fā)光（LED）器件與激光器（LD）發(fā)光的根本區(qū)別是，電致發(fā)光器件沒有諧振腔，它的發(fā)光基于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，是非相干光；而激光器發(fā)光必須要有諧振腔，它的發(fā)光是基于受激發(fā)射，發(fā)出的是相干光激光（見第3章）。3光子學與光電子學原榮邱琪編著10.1電致發(fā)光和光致發(fā)光10.1.1發(fā)光二極管發(fā)光機理10.1.2LED材料和結構10.1.3光致發(fā)光——磷光體、白光LED、CRT和等離子體

10.1.4LED的主要特性和應用4光子學與光電子學原榮邱琪編著10.1.1發(fā)光二極管發(fā)光機理在構成半導體晶體的原子內部，存在著不同的能帶（見1.5.1節(jié)）。如果占據(jù)高能帶（導帶）Ec的電子躍遷到低能帶（價帶）Ev上，就將其間的能量差（禁帶能量）Eg=Ec

Ev以光的形式放出。這時發(fā)出的光，其波長基本上由能帶差E所決定。5光子學與光電子學原榮邱琪編著圖10.1.2LED的發(fā)光機理及分類自發(fā)輻射的光是一種非相干光；LED有面發(fā)光型和邊發(fā)光型兩類。面發(fā)光LED的出光面與PN結平面平行。邊發(fā)光LED與普通的LD相同，從PN結的一個端面（與結平面垂直）出光。面發(fā)光LED的輸出光功率較邊發(fā)光LED的大，但發(fā)光面積大，光發(fā)散角大，與光纖耦合效率低，需專門的結構設計。邊發(fā)光LED出光面小，與光纖耦合容易。6光子學與光電子學原榮邱琪編著10.1.2LED材料和結構發(fā)光二極管的材料主要是III-V族化合物半導體，如GaP、GaAs、GaN等，有直接躍遷型和間接躍遷型之分。不同的材料有不同的帶隙，發(fā)出不同顏色的光，具有不同的峰值波長，如GaP，Eg=2.24eV，峰值波長為555nm，發(fā)綠色的光；又如GaAs，Eg=1.43eV，峰值波長為867nm，發(fā)近紅外光。為了提高發(fā)光二極管的性能，一般都采用雙異質結和量子阱結構。7光子學與光電子學原榮邱琪編著圖10.1.3用不同的材料可以制成從可見光到紅外光的LED8光子學與光電子學原榮邱琪編著圖10.1.4面發(fā)光LED的結構半導體材料往往折射率較高，如GaAs，n=3.6，故在材料與空氣的界面易發(fā)生全反射，使光不能輻射出去，如圖10.1.4（a）所示。為了提高面發(fā)光LED的耦合效率，通常將LED芯片封裝在塑料半透鏡的中心，如圖10.1.4（b）和（c）所示。透明塑料的折射率為1.5，光輸出是圖10.1.4（a）的4倍，而且造價也低，因而大量被使用。9光子學與光電子學原榮邱琪編著10.1.3

光致發(fā)光

——磷光體、白光LED、CRT和等離子體（PDP）

磷光體（phosphors）是一種首先被高頻光激發(fā)，高能量光子首先被吸收，然后以低能量光子發(fā)射的材料。通常，光發(fā)射在稱為發(fā)光中心的摻雜劑（催化劑）中發(fā)生，如圖10.1.5（a）所示。10光子學與光電子學原榮邱琪編著入射電子使磷光體發(fā)光

——陰極射線導致磷光體發(fā)光

11光子學與光電子學原榮邱琪編著圖10.1.5光致發(fā)光原理

（b）

催化劑

能級圖

許多磷光體是在基質晶格中摻入催化劑，例如在氧化釔（Y2O3）材料中摻入銪離子（Eu3+）；這種Y2O3:Eu3+磷光體被紫外線（如近紫外200～400nm）照射后，吸收紫外光的能量，從低能級E1躍遷到高能級E2，然后又從次高能級回到次低能級，將其能級差以另一較長波長的紅光（613nm）發(fā)射出來，如圖10.1.5（b）所示。12光子學與光電子學原榮邱琪編著CRT顯示器用高能電子束轟擊CRT顯示器涂層材料時，也能將電子激發(fā)到導帶上，當這些電子回落到價帶上時，與空穴復合，就發(fā)出等于能帶差的光（hv=E）。彩色CRT顯示器屏幕通常均勻地涂覆三種發(fā)光涂層，在陰極射線轟擊涂層時，分別會發(fā)出藍光、紅光和綠光。如摻Mn的ZnS磷光體，通過電流時可產生場致發(fā)光（見10.2.1節(jié)）。13光子學與光電子學原榮邱琪編著圖10.1.6白光LED的結構和光譜形成的過程白光LED實際上它是藍光和黃光的混合光，因為黃色是紅色和綠色的混合色，所以將藍色和黃色混合，相當于將紅色、綠色和藍色三色混合，當然會顯示白色。白光LED的出現(xiàn)，主要歸功于氮化鎵銦（GaInN）高亮度藍光LED的研制成功。一種典型的白光LED結構如圖10.1.6（a）所示，GaInN芯片在加上電壓后發(fā)出藍光，部分藍光激發(fā)Y3Al5O12:Ce3+磷光體中的發(fā)光中心Ce3+，發(fā)出黃光，然后藍光和黃光混合就變成了肉眼看到的白光，其光譜圖如圖10.1.6（b）所示。14光子學與光電子學原榮邱琪編著等離子體（PDP）顯示原理利用惰性氣體在一定電壓（比CRT要求的低得多）作用下產生氣體放電，形成等離子體，首先發(fā)射紫外光，然后在真空下激發(fā)光致發(fā)光磷光體（熒光粉）而發(fā)射可見光的一種主動發(fā)光現(xiàn)象。發(fā)紅光的熒光粉是(Y,Cd)BO3:Eu，發(fā)綠光的是BaAl12O19:Mn，發(fā)藍光的是BaMgAl14O23:Eu。利用這種原理可制成平板顯示器件。15光子學與光電子學原榮邱琪編著10.1.4LED的主要特性和應用（a）LED的光譜特性（b）直接驅動電路（c）模擬信號輸入（d）LED的P-I特性PN結材料的能帶決定了LED的光譜特性，其峰值波長由禁帶寬度所決定，如式（10.1.1）所示。LED發(fā)出的是非相干光，所以光譜寬帶寬，如圖10.1.4（a）所示。LED的工作電流一般在十到數(shù)十毫安，發(fā)射功率一般在幾百微瓦到毫瓦量級。P-I特性曲線的線性區(qū)很寬，無閾值電流。在電流較大時，PN結發(fā)熱，發(fā)光效率降低，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，如圖10.1.4（d）所示。LED也可以用于低速低頻短距離應用的場合，可以直接調制；LED可用于儀器儀表的指示燈，可顯示符號、字符、圖形和廣告顯示屏等。16光子學與光電子學原榮邱琪編著圖10.1.8LED驅動電路（a）直接驅動電路（b）模擬信號輸入（c）提供恒定電流的結型晶體管（d）數(shù)字電路驅動LED17光子學與光電子學原榮邱琪編著10.2電致發(fā)光顯示器件電致發(fā)光現(xiàn)象是1936年由法國巴黎大學Destriau發(fā)現(xiàn)的。但因亮度和壽命沒有過關，直到1974年日本科學家用半導體技術制作成薄膜器件，把發(fā)光層夾在兩層高質量介質薄膜之間，使器件工作在交流狀態(tài)，獲得了高亮度和長壽命特性，奠定了現(xiàn)代電致發(fā)光平板顯示器件的基礎。電致發(fā)光從器件結構可分為薄膜型、后膜薄膜混合型和粉末型三種。薄膜型和混合型可用做矩陣顯示，是目前電致發(fā)光技術發(fā)展的主要方向，粉末型則用做LCD等的平面背光源。薄膜電致發(fā)光顯示是全固體化平板顯示器件，具有固體器件所特有的性能。18光子學與光電子學原榮邱琪編著10.2.1薄膜電致發(fā)光顯示薄膜電致發(fā)光顯示固體器件的性能：響應速度快，達幾十微秒；視角大，達80o，可多人同時觀看；工作溫度范圍寬，為55oC～125oC，超過一般集成電路所能承受的極端工作溫度；輕薄牢固，有效器件本身沒有腔體和封裝問題，可以承受玻璃板所能承受的各種震動沖擊。這種器件的缺點是工作電壓較高，負載容抗較大，致使專用驅動集成電路成本較高。19光子學與光電子學原榮邱琪編著圖10.2.1薄膜電致發(fā)光顯示器件典型的薄膜電致發(fā)光顯示（ELD）器件是將發(fā)光層夾持在行電極和列電極之間的一種結構，行電極和列電極相互正交。發(fā)光層是摻有熒光粉（如顯示黃橙色的ZnS:Mn）的透明而絕緣的膠合有機介質。本質上，這種電致發(fā)光器件是在加上脈沖電壓時，懸浮在絕緣介質中的微小（幾微米到幾十微米）發(fā)光粉晶體的發(fā)光現(xiàn)象。20光子學與光電子學原榮邱琪編著圖10.2.2薄膜電致發(fā)光顯示（ELD）器件ELD器件的發(fā)光層等效為一個電容Ca和兩個串聯(lián)的發(fā)光二極管的并聯(lián)，Ci是絕緣介質等效電容。21光子學與光電子學原榮邱琪編著ELD器件的工作原理當上下電極加上脈沖電壓時，所加電壓U通過介質電容加到發(fā)光層電容Ca上。當發(fā)光層上的場強超過器件閾值場強時，處于負極與介質界面一邊的電子通過隧道效應進入導帶，在強電場作用下很快加速。當電子能量達到2.5eV以上時，發(fā)光層里的二價錳離子（Mn2+）被激發(fā)，當激發(fā)電子躍遷回基態(tài)時，器件就發(fā)出相應于發(fā)光中心能級與基態(tài)能級差的光。與此同時，高能電子還同時碰撞發(fā)光層基質的缺陷能級，使之雪崩電離，形成雪崩電流，并在陽極和介質界面積累，產生空間電荷極化場。極化場的方向和外加電場方向反向，使發(fā)光過程迅速停止。當外加脈沖電壓反向時，極化場方向和外加場同向，上述過程又重新開始。器件在脈沖電壓激發(fā)下的發(fā)光波形如圖10.2.3（a）所示。22光子學與光電子學原榮邱琪編著圖10.2.3ELD器件的工作特性由圖10.2.3（a）可見，器件發(fā)光亮度與前一個脈沖的極性關系極大，當下一個脈沖反極性時，器件的亮度顯著增強；反之，當下一個脈沖為同極性時，器件的亮度便顯著減弱。器件正常使用時，一般工作在閾值電壓以上，，當亮度開始出現(xiàn)飽和時，發(fā)光效率最大。23光子學與光電子學原榮邱琪編著圖10.2.4在發(fā)光層中摻入不同種類的熒光粉就可以得到不同種類的發(fā)光顏色彩色薄膜ELD可以用三基色光的空間混合或寬譜白光通過三基色濾色器的分光來實現(xiàn)（見5.3.3節(jié)）。ELD的發(fā)光顏色由摻雜的發(fā)光中心的特征能級所決定，從這個意義上來講，不難找到發(fā)紅、綠、藍基色光的發(fā)光材料，如圖10.2.4所示。目前，紅色、綠色材料的亮度已經(jīng)達到實用的要求，但藍色材料還有一定的距離，主要原因是藍色的能量較高，要求激發(fā)電子的能量較大。24光子學與光電子學原榮邱琪編著10.2.2后膜/薄膜混合電致發(fā)光顯示

用高介電常數(shù)厚膜介質替代薄膜ELD中的一層薄膜介質，以便提高抗擊穿能力，減小工作電壓，增厚熒光層，提高亮度。該器件在單一熒光層上采用藍光轉換法實現(xiàn)彩色顯示，即用同樣的發(fā)光材料制作發(fā)光層，發(fā)光層發(fā)出的光去激發(fā)光轉換層，從而發(fā)射能量較低的紅光和綠光。25光子學與光電子學原榮邱琪編著10.2.3粉末電致發(fā)光顯示將發(fā)光材料粉末和介質材料混合，用絲網(wǎng)印刷等方法制作成數(shù)十微米厚的發(fā)光層，在兩面加上電極，經(jīng)密封防潮后就成為粉末電致發(fā)光板。這種器件可以做在玻璃基板上，也可以做在塑料基板上，厚度可以小于1mm。所用基質材料是ZnS，摻以不同的發(fā)光中心材料，就可以得到不同的顏色。這種器件大都用做平面冷光源、LCD的背光源、儀表盤照明等。該器件的亮度和驅動頻率成正比，一般用100V、400Hz的交流信號驅動。與其他顯示器件相比，電致發(fā)光顯示器（ELD）的研究開發(fā)起步很早，但未能捷足先登占領市場，至今僅有部分產品達到商品化，有些姍姍來遲。主要原因是色彩進展緩慢，高耐壓驅動IC芯片價格較高。目前，摻入ZnS:Mn的電致單色（發(fā)橙黃色）顯示器件已經(jīng)商品化，正在向雙色（紅色、綠色）、三色（紅色、綠色和藍色）和多色顯示器發(fā)展。26光子學與光電子學原榮邱琪編著10.3有機電致發(fā)光顯示（OLED）器件近年來，有機電致發(fā)光顯示（OELD或OLED）器件的研究取得突破性進展，引起產業(yè)界的高度重視，因為它主動發(fā)光，發(fā)光效率高，色彩豐富，工作電壓低（10V），視角寬，響應快，能耗低，分辨率高，工作溫度范圍寬?？刹捎门c集成電路相匹配的直流低壓驅動，是極具發(fā)展前途的顯示技術。有機電致發(fā)光（OELD）顯示是通過電流驅動有機半導體薄膜材料來達到發(fā)光和顯示的目的。OLED是全固態(tài)器件，無真空腔，無液態(tài)成分，既薄又輕，所以不怕震動，使用方便，廣泛用于武器裝備和惡劣環(huán)境。此外，OLED還可作為顯示領域的平面背光源和照明光源使用。因此，OLED具有良好的發(fā)展前景，其中柔性顯示屏具有潛在的應用空間。27光子學與光電子學原榮邱琪編著10.3.1OLED器件的結構OLED有單異質結和雙異質結兩種不同的結構形式。用作有機發(fā)光器件的材料可分為有機小分子和聚合物兩類。通過材料設計，有機電致發(fā)光材料的光譜范圍可以覆蓋整個可見光區(qū)，在有機基質材料中，摻入熒光或磷光染料來獲得所希望的發(fā)光顏色，同時也可提高器件效率，延長其壽命。28光子學與光電子學原榮邱琪編著10.3.2OLED顯示的工作原理OLED的發(fā)光機理一般認為，在外界電壓的驅動下，由電極注入的電子和空穴在有機物中與有機發(fā)光分子相遇，并將能量傳遞給有機發(fā)光分子，將電能轉換為分子內能，使價電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；當受激發(fā)分子價電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，發(fā)出其能級差的光子。29光子學與光電子學原榮邱琪編著OLED發(fā)光機理可簡單地分為以下幾個過程：（1）在外加電場的作用下，電子和空穴分別從陰極和陽極向夾在電極之間的有機薄膜層注入；（2）注入的電子和空穴分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移；（3）電子和空穴在發(fā)光層與有機發(fā)光分子相遇產生激子；（4）當激子由激發(fā)態(tài)輻射躍遷到基態(tài)時，就將激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間的能級差以光的形式發(fā)射出來，這就是電致發(fā)光。熒光光子的能量為hv=S1S0，磷光光子的能量為hv=T1S0。30光子學與光電子學原榮邱琪編著10.3.3有源矩陣OLED顯示器件與5.3.4節(jié)介紹的液晶顯示一樣，有機電致發(fā)光顯示的驅動方式也有無源驅動（見圖5.3.7）和有源驅動（見圖5.3.15）之分。OLED有源驅動是在器件基板上制作薄膜晶