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(jī)電致發(fā)光顯示（OLED）器件10.4電致發(fā)光顯示器件的應(yīng)用和發(fā)展前景

1光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著發(fā)光光是一種以電磁場(chǎng)形式存在的物質(zhì)，其中波長(zhǎng)為380～780nm的電磁波能夠引起人眼的視覺(jué)反應(yīng)，因而稱為可見(jiàn)光。在原子能級(jí)中，處于基態(tài)的電子吸收能量（電能、熱能、化學(xué)能或光能）后被激發(fā)到高能態(tài)，當(dāng)這些電子躍遷回基態(tài)時(shí)，就將其能級(jí)差以光的形式發(fā)出，這就是發(fā)光。2光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著第10章發(fā)光及其顯示器件場(chǎng)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(zhuǎn)換成光能的物理現(xiàn)象，從發(fā)光機(jī)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(chǎng)作用下產(chǎn)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(jié)上，注入少數(shù)載流子電子或空穴，當(dāng)這些電子或空穴在晶體內(nèi)再度與晶體內(nèi)的多數(shù)載流子空穴或電子產(chǎn)生復(fù)合時(shí)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(chǎng)高低來(lái)分類，又可分為低場(chǎng)電致發(fā)光和高場(chǎng)電致發(fā)光兩種。低場(chǎng)電致發(fā)光一般指普通發(fā)光二極管，高場(chǎng)電致發(fā)光是一種高場(chǎng)非結(jié)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(méi)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(jiàn)第3章）。3光子學(xué)與光電子學(xué)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(jī)理10.1.2LED材料和結(jié)構(gòu)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(yīng)用4光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著10.1.1發(fā)光二極管發(fā)光機(jī)理在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶（見(jiàn)1.5.1節(jié)）。如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）Ec的電子躍遷到低能帶（價(jià)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(shí)發(fā)出的光，其波長(zhǎng)基本上由能帶差E所決定。5光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著圖10.1.2LED的發(fā)光機(jī)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(jié)平面平行。邊發(fā)光LED與普通的LD相同，從PN結(jié)的一個(gè)端面（與結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。邊發(fā)光LED出光面小，與光纖耦合容易。6光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著10.1.2LED材料和結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的材料主要是III-V族化合物半導(dǎo)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(zhǎng)，如GaP，Eg=2.24eV，峰值波長(zhǎng)為555nm，發(fā)綠色的光；又如GaAs，Eg=1.43eV，峰值波長(zhǎng)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(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)。7光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著圖10.1.3用不同的材料可以制成從可見(jiàn)光到紅外光的LED8光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著圖10.1.4面發(fā)光LED的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)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(jià)也低，因而大量被使用。9光子學(xué)與光電子學(xué)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(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著入射電子使磷光體發(fā)光

——陰極射線導(dǎo)致磷光體發(fā)光

11光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著圖10.1.5光致發(fā)光原理

（b）

催化劑

能級(jí)圖

許多磷光體是在基質(zhì)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(jí)E1躍遷到高能級(jí)E2，然后又從次高能級(jí)回到次低能級(jí)，將其能級(jí)差以另一較長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅光（613nm）發(fā)射出來(lái)，如圖10.1.5（b）所示。12光子學(xué)與光電子學(xué)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(shí)，也能將電子激發(fā)到導(dǎo)帶上，當(dāng)這些電子回落到價(jià)帶上時(shí)，與空穴復(fù)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(shí)，分別會(huì)發(fā)出藍(lán)光、紅光和綠光。如摻Mn的ZnS磷光體，通過(guò)電流時(shí)可產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)光（見(jiàn)10.2.1節(jié)）。13光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著圖10.1.6白光LED的結(jié)構(gòu)和光譜形成的過(guò)程白光LED實(shí)際上它是藍(lán)光和黃光的混合光，因?yàn)辄S色是紅色和綠色的混合色，所以將藍(lán)色和黃色混合，相當(dāng)于將紅色、綠色和藍(lán)色三色混合，當(dāng)然會(huì)顯示白色。白光LED的出現(xiàn)，主要?dú)w功于氮化鎵銦（GaInN）高亮度藍(lán)光LED的研制成功。一種典型的白光LED結(jié)構(gòu)如圖10.1.6（a）所示，GaInN芯片在加上電壓后發(fā)出藍(lán)光，部分藍(lán)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(lán)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(xué)與光電子學(xué)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(chǎn)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(jiàn)光的一種主動(dòng)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(lán)光的是BaMgAl14O23:Eu。利用這種原理可制成平板顯示器件。15光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著10.1.4LED的主要特性和應(yīng)用（a）LED的光譜特性（b）直接驅(qū)動(dòng)電路（c）模擬信號(hào)輸入（d）LED的P-I特性PN結(jié)材料的能帶決定了LED的光譜特性，其峰值波長(zhǎng)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(jí)。P-I特性曲線的線性區(qū)很寬，無(wú)閾值電流。在電流較大時(shí)，PN結(jié)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(yīng)用的場(chǎng)合，可以直接調(diào)制；LED可用于儀器儀表的指示燈，可顯示符號(hào)、字符、圖形和廣告顯示屏等。16光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著圖10.1.8LED驅(qū)動(dòng)電路（a）直接驅(qū)動(dòng)電路（b）模擬信號(hào)輸入（c）提供恒定電流的結(jié)型晶體管（d）數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)LED17光子學(xué)與光電子學(xué)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(guó)巴黎大學(xué)Destriau發(fā)現(xiàn)的。但因亮度和壽命沒(méi)有過(guò)關(guān)，直到1974年日本科學(xué)家用半導(dǎo)體技術(shù)制作成薄膜器件，把發(fā)光層夾在兩層高質(zhì)量介質(zhì)薄膜之間，使器件工作在交流狀態(tài)，獲得了高亮度和長(zhǎng)壽命特性，奠定了現(xiàn)代電致發(fā)光平板顯示器件的基礎(chǔ)。電致發(fā)光從器件結(jié)構(gòu)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(shù)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(xué)與光電子學(xué)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(yīng)速度快，達(dá)幾十微秒；視角大，達(dá)80o，可多人同時(shí)觀看；工作溫度范圍寬，為55oC～125oC，超過(guò)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(méi)有腔體和封裝問(wèn)題，可以承受玻璃板所能承受的各種震動(dòng)沖擊。這種器件的缺點(diǎn)是工作電壓較高，負(fù)載容抗較大，致使專用驅(qū)動(dòng)集成電路成本較高。19光子學(xué)與光電子學(xué)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(jié)構(gòu)，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(jī)介質(zhì)。本質(zhì)上，這種電致發(fā)光器件是在加上脈沖電壓時(shí)，懸浮在絕緣介質(zhì)中的微?。◣孜⒚椎綆资⒚祝┌l(fā)光粉晶體的發(fā)光現(xiàn)象。20光子學(xué)與光電子學(xué)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(gè)電容Ca和兩個(gè)串聯(lián)的發(fā)光二極管的并聯(lián)，Ci是絕緣介質(zhì)等效電容。21光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著ELD器件的工作原理當(dāng)上下電極加上脈沖電壓時(shí)，所加電壓U通過(guò)介質(zhì)電容加到發(fā)光層電容Ca上。當(dāng)發(fā)光層上的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)器件閾值場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，處于負(fù)極與介質(zhì)界面一邊的電子通過(guò)隧道效應(yīng)進(jìn)入導(dǎo)帶，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下很快加速。當(dāng)電子能量達(dá)到2.5eV以上時(shí)，發(fā)光層里的二價(jià)錳離子（Mn2+）被激發(fā)，當(dāng)激發(fā)電子躍遷回基態(tài)時(shí)，器件就發(fā)出相應(yīng)于發(fā)光中心能級(jí)與基態(tài)能級(jí)差的光。與此同時(shí)，高能電子還同時(shí)碰撞發(fā)光層基質(zhì)的缺陷能級(jí)，使之雪崩電離，形成雪崩電流，并在陽(yáng)極和介質(zhì)界面積累，產(chǎn)生空間電荷極化場(chǎng)。極化場(chǎng)的方向和外加電場(chǎng)方向反向，使發(fā)光過(guò)程迅速停止。當(dāng)外加脈沖電壓反向時(shí)，極化場(chǎng)方向和外加場(chǎng)同向，上述過(guò)程又重新開(kāi)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(xué)與光電子學(xué)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(jiàn)，器件發(fā)光亮度與前一個(gè)脈沖的極性關(guān)系極大，當(dāng)下一個(gè)脈沖反極性時(shí)，器件的亮度顯著增強(qiáng)；反之，當(dāng)下一個(gè)脈沖為同極性時(shí)，器件的亮度便顯著減弱。器件正常使用時(shí)，一般工作在閾值電壓以上，，當(dāng)亮度開(kāi)始出現(xiàn)飽和時(shí)，發(fā)光效率最大。23光子學(xué)與光電子學(xué)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?qū)捵V白光通過(guò)三基色濾色器的分光來(lái)實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)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(jí)所決定，從這個(gè)意義上來(lái)講，不難找到發(fā)紅、綠、藍(lán)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(dá)到實(shí)用的要求，但藍(lán)色材料還有一定的距離，主要原因是藍(lán)色的能量較高，要求激發(fā)電子的能量較大。24光子學(xué)與光電子學(xué)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(zhì)替代薄膜ELD中的一層薄膜介質(zhì)，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(lán)光轉(zhuǎn)換法實(shí)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(zhuǎn)換層，從而發(fā)射能量較低的紅光和綠光。25光子學(xué)與光電子學(xué)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(zhì)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(zhì)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(qū)動(dòng)頻率成正比，一般用100V、400Hz的交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)。與其他顯示器件相比，電致發(fā)光顯示器（ELD）的研究開(kāi)發(fā)起步很早，但未能捷足先登占領(lǐng)市場(chǎng)，至今僅有部分產(chǎn)品達(dá)到商品化，有些姍姍來(lái)遲。主要原因是色彩進(jìn)展緩慢，高耐壓驅(qū)動(dòng)IC芯片價(jià)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(lán)色）和多色顯示器發(fā)展。26光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著10.3有機(jī)電致發(fā)光顯示（OLED）器件近年來(lái)，有機(jī)電致發(fā)光顯示（OELD或OLED）器件的研究取得突破性進(jìn)展，引起產(chǎn)業(yè)界的高度重視，因?yàn)樗鲃?dòng)發(fā)光，發(fā)光效率高，色彩豐富，工作電壓低（10V），視角寬，響應(yīng)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(qū)動(dòng)，是極具發(fā)展前途的顯示技術(shù)。有機(jī)電致發(fā)光（OELD）顯示是通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)有機(jī)半導(dǎo)體薄膜材料來(lái)達(dá)到發(fā)光和顯示的目的。OLED是全固態(tài)器件，無(wú)真空腔，無(wú)液態(tài)成分，既薄又輕，所以不怕震動(dòng)，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(lǐng)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(yīng)用空間。27光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著10.3.1OLED器件的結(jié)構(gòu)OLED有單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。用作有機(jī)發(fā)光器件的材料可分為有機(jī)小分子和聚合物兩類。通過(guò)材料設(shè)計(jì)，有機(jī)電致發(fā)光材料的光譜范圍可以覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)，在有機(jī)基質(zhì)材料中，摻入熒光或磷光染料來(lái)獲得所希望的發(fā)光顏色，同時(shí)也可提高器件效率，延長(zhǎng)其壽命。28光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著10.3.2OLED顯示的工作原理OLED的發(fā)光機(jī)理一般認(rèn)為，在外界電壓的驅(qū)動(dòng)下，由電極注入的電子和空穴在有機(jī)物中與有機(jī)發(fā)光分子相遇，并將能量傳遞給有機(jī)發(fā)光分子，將電能轉(zhuǎn)換為分子內(nèi)能，使價(jià)電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；當(dāng)受激發(fā)分子價(jià)電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)，發(fā)出其能級(jí)差的光子。29光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著OLED發(fā)光機(jī)理可簡(jiǎn)單地分為以下幾個(gè)過(guò)程：（1）在外加電場(chǎng)的作用下，電子和空穴分別從陰極和陽(yáng)極向夾在電極之間的有機(jī)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(jī)發(fā)光分子相遇產(chǎn)生激子；（4）當(dāng)激子由激發(fā)態(tài)輻射躍遷到基態(tài)時(shí)，就將激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間的能級(jí)差以光的形式發(fā)射出來(lái)，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(xué)與光電子學(xué)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(jī)電致發(fā)光顯示的驅(qū)動(dòng)方式也有無(wú)源驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)圖5.3.7）和有源驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)圖5.3.15）之分。OLED有源驅(qū)動(dòng)是在器件基板上制作薄膜晶