電致發(fā)光課件

電致發(fā)光、其它顯示技術§6.4電致發(fā)光顯示

電致發(fā)光（Electroluminescence,EL）是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的一種物理現(xiàn)象。電致發(fā)光按激發(fā)過程不同可分為兩大類：

注入電致發(fā)光——在半導體pn結加正偏壓時產(chǎn)生少數(shù)載流子注入，與多數(shù)載流子復合發(fā)光。采用不同的摻雜工藝，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結。PN結具有單向?qū)щ娦?。一塊單晶半導體中，一部分摻有受主雜質(zhì)是P型半導體，另一部分摻有施主雜質(zhì)是N型半導體時，P型半導體和N型半導體的交界面附近的過渡區(qū)稱PN結。PN結有同質(zhì)結和異質(zhì)結兩種。用同一種半導體材料制成的PN結叫同質(zhì)結，由禁帶寬度不同的兩種半導體材料制成的PN結叫異質(zhì)結。制造PN結的方法有合金法、擴散法、離子注入法和外延生長法等。制造異質(zhì)結通常采用外延生長法。在P型半導體中有許多帶正電荷的空穴和帶負電荷的電離雜質(zhì)。在電場的作用下，空穴是可以移動的，而電離雜質(zhì)（離子）是固定不動的。N型半導體中有許多可動的負電子和固定的正離子。當P型和N型半導體接觸時，在界面附近空穴從P型半導體向N型半導體擴散，電子從N型半導體向P型半導體擴散?？昭ê碗娮酉嘤龆鴱秃希d流子消失。因此在界面附近的結區(qū)中有一段距離缺少載流子，卻有分布在空間的帶電的固定離子，稱為空間電荷區(qū)。P型半導體一邊的空間電荷是負離子，N型半導體一邊的空間電荷是正離子。正負離子在界面附近產(chǎn)生電場，這電場阻止載流子進一步擴散，達到平衡。根據(jù)PN結的材料、摻雜分布、幾何結構和偏置條件的不同，利用其基本特性可以制造多種功能的晶體二極管：利用PN結單向?qū)щ娦钥梢灾谱髡鞫O管、檢波二極管和開關二極管，利用擊穿特性制作穩(wěn)壓二極管和雪崩二極管；利用高摻雜PN結隧道效應制作隧道二極管；利用結電容隨外電壓變化效應制作變?nèi)荻O管。使半導體的光電效應與PN結相結合還可以制作多種光電器件：利用前向偏置異質(zhì)結的載流子注入與復合可以制造半導體激光二極管與半導體發(fā)光二極管；利用光輻射對PN結反向電流的調(diào)制作用可以制成光電探測器；用光生伏特效應可制成太陽電池。此外，利用兩個PN結之間的相互作用可以產(chǎn)生放大、振蕩等多種電子功能。PN結是構成雙極型晶體管和場效應晶體管的核心，是現(xiàn)代電子技術的基礎，在二級管中廣泛應用。

高場電致發(fā)光——將發(fā)光材料粉末與介質(zhì)的混合體或單晶薄膜夾持于透明電極板之間，外施電壓，由電場直接激勵電子與空穴復合而發(fā)光。高場電致發(fā)光分為交流和直流兩種，如粉末型交流電致發(fā)光與粉末型直流電致發(fā)光。6.4.1注入電致發(fā)光顯示

發(fā)光二極管（LightEmittingDiode,簡稱LED）是注入電致發(fā)光顯示器件的代表。發(fā)光二極管是利用少數(shù)載流子流入pn結直接將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導體發(fā)光元件。

LED構造的核心是用磷化鎵或砷化鎵等半導體發(fā)光材料晶片做成的pn結，晶片的大小約0.3×0.3×0.2mm3，晶片外用透明度高和折射率高的材料（一般用環(huán)氧樹脂）包封，樹脂外觀視應用要求做成各種形式。也可以在LED的底座上安置兩枚或兩枚以上晶片，各晶片材料不同，發(fā)出不同的色光，當各晶片發(fā)不同強度的光時，它們將產(chǎn)生不同混色，使發(fā)光二極管顯示不同色光。

單個LED常用來做各種指示燈，如將單個LED拼排成符號、字符或縱橫矩陣排列，可顯示符號、字符和圖形。LED的主要特點：工作電壓低，能在電壓2V左右工作，可用電池供電或直接與集成驅(qū)動電路相連，驅(qū)動簡單。LED是小型的高亮度發(fā)光元件，如GaAlAs材料的LED，當電流為20mA時，發(fā)光強度可達到100cd。發(fā)光響應快。由于注入pn結正向電流而發(fā)光，因此控制輸入電流的大小，開斷LED，發(fā)光響應十分快，可達1ns，這對于光的高速度調(diào)制十分有利。壽命長，耐沖擊。亮度半衰時間達到十萬小時以上，而且，LED是小型、固體發(fā)光元件，有高的可靠性。LED目前存在的缺點：

LED發(fā)光效率太低，作為大屏幕顯示時，顯得功耗比較大。單色光LED的種類及其發(fā)展歷史最早應用半導體P-N結發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀60年代初。當時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λp=650nm），在驅(qū)動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光（λp=555nm），黃光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)（λp=615nm）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的光效可以達到50流明/瓦。單色光LED的應用

最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。另外，LED燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領域都得到了應用。白光LED的開發(fā)

對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光。現(xiàn)在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。目前已商品化的第一種產(chǎn)品為藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉，其最好的發(fā)光效率約為25流明/瓦。YAG多為日本日亞公司的進口，價格在2000元/公斤。第二種是日本住友電工開發(fā)出以ZnSe為材料的白光LED，不過發(fā)光效率較差。某些種類的白色LED光源離不開四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍粉和石榴石結構的黃色粉在未來較被看好的是三波長光，即以無機紫外光晶片加R.G.B三顏色熒光粉，用于封裝LED白光，預計三波長白光LED今年有商品化的機機會。但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小，穩(wěn)定性要求也高，具體應用方面還在探索之中。業(yè)界概況

在LED業(yè)者中，日亞化學是最早運用上述技術工藝研發(fā)出不同波長的高亮度LED，以及藍紫光半導體激光（LaserDiode；LD），是業(yè)界握有藍光LED專利權的重量級業(yè)者。在日亞化學取得蘭色LED生產(chǎn)及電極構造等眾多基本專利后，堅持不對外提供授權，僅采自行生產(chǎn)策略，意圖獨占市場，使得藍光LED價格高昂。但其他已具備生產(chǎn)能力的業(yè)者相當不以為然，部分日系LED業(yè)者認為，日亞化工的策略，將使日本在藍光及白光LED競爭中，逐步被歐美及其他國家的LED業(yè)者搶得先機，屆時將對整體日本LED產(chǎn)業(yè)造成嚴重傷害。因此許多業(yè)者便千方百計進行藍光LED的研發(fā)生產(chǎn)。目前除日亞化學和住友電工外，還有豐田合成、羅沐、東芝和夏普，美商Cree，全球3大照明廠奇異、飛利浦、歐司朗以及HP、Siemens、Research、EMCORE等都投入了該產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)，對促進白光LED產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化、市場化方面起到了積極的促進作用。Fig.1SchematicdiagramoffabricatedLEDwithsurfacenano-structure.Fig.2Fabricationprocessesofperiodicnano-structureonLEDsurfacebyusingnanoimprintlithographyandreactiveionetchingmethod;(a)spincoatingresinonNifilm,(b)duplicatingnano-structureonresinbypressingthemold,(c)removingbacklogofresin,(d)etchingNifilmbyArplasmaetching,(e)etchingGaNandAlGaNfilmbyRIEusingBCl3andCl2gases,(f)removingNifilmbyaqueousHNO3.Fig.3SurfaceSEMimageafterfabricatingnano-structurebyNILusing500nmpitchmold.(a)(b)(c)(d)Fig.4ELimagesforthesampleswithvariouspitches(m)atthesamep-electrodediameterof20mm;(a)m=200nm,(b)297nm,(c)395nmand(d)498nmpitch(m),respectively.Fig.5ELangularspatialdistributiontakenfromthesampleswithnon-patternand500nmpitchnano-structureonthesamplesurface.6.4.2高場電致發(fā)光顯示1.交流薄膜電致發(fā)光顯示（ACTFEL）

目前ACTFEL多采用雙絕緣層ZnS:Mn薄膜結構。器件由三層組成，發(fā)光層被夾在兩絕緣層之間，這樣就消除了不希望有的漏電流，并且在電場作用下不會擊穿。ACTFEL結構示意圖

發(fā)光層摻不同雜質(zhì)可發(fā)不同的光，目前以錳的效率高。ACTFEL具有記憶功能：如果對ACTFEL器件施加一組脈沖電壓，每個脈沖作用下器件發(fā)光亮度與前一脈沖的極性關系極大：當下一脈沖反極性時，器件的亮度顯著增大；反之，當下一個脈沖為同極性時，器件亮度便顯著地減小。在通常室內(nèi)光照度下，這種記憶效應可維持幾分鐘，但在黑暗中可保持十幾個小時。記憶效應機制：脈沖電壓產(chǎn)生強電場，使發(fā)光層中電子加速。在這些電子穿過發(fā)光層時，激發(fā)錳發(fā)光中心。已穿過發(fā)光層的電子便在發(fā)光層與絕緣層的界面上積累起來，這些電子在電場移去后仍將留在界面處，于是在發(fā)光層兩邊形成極化電荷。如果下一脈沖方向反轉(zhuǎn)，則極化電場與脈沖電壓產(chǎn)生的電場疊加，總電場變大，所以發(fā)光亮度增大。ACTFEL的優(yōu)點：亮度高（5000cd/m2，5Hz）壽命長（大于20000h，不劣化）穩(wěn)定性極好具有本征灰度存儲能力可用光筆或投影法實現(xiàn)光學書寫擦除分辨率可以做得較高（100×100板中可得到20線/厘米的分辨率）工作溫度范圍寬（-55℃~+125℃）ACTFEL的缺點：靜電電容大動作速度受限制沒有自掃描、自位移功能

所以，驅(qū)動電路不易簡化，顔色只有橙黃色效率較高，其他顔色效率很低，工作電壓高，使集成化困難。2.交流粉末電致發(fā)光顯示

交流粉末電致發(fā)光板的發(fā)光粉用銅、鋁等激活的硫化鋅（ZnS：CU，AL或ZnS：Pb，CU，AL）與樹脂等透明有機介質(zhì)混合后，涂布在兩個電極中間，厚度為10um~100um，電極之一為透明的，這就構成了電致發(fā)光板。大量的發(fā)光粉晶體懸浮在絕緣介質(zhì)中，小晶粒線度為幾微米到幾十微米，由于發(fā)光層中介質(zhì)是絕緣的，防止了發(fā)光材料與電極直接接觸。

當外加電壓后，通過容性電流時，發(fā)現(xiàn)晶粒內(nèi)呈線狀發(fā)光。這與光致發(fā)光、陰極射線發(fā)光時熒光粉晶體發(fā)光不同，線狀發(fā)光在多數(shù)情況下呈現(xiàn)尾對尾的慧星形。線對的兩頭間的距離：多晶粉末為1um~10um，單晶可大于100um，甚至達到毫米量級，發(fā)光線直徑＜0.1um，亮度可高達3×105cd/m2。發(fā)光線對的兩部分在交變電場作用下交替發(fā)光，而場強總是從其頭部指向尾部，發(fā)光線長度隨電場在線方向的分量增強而變長，但線對的頭之間距離保持不變。6.5其他顯示技術

6.5.1投影顯示投影顯示分為CRT投影和LCD投影顯示兩種。前投式液晶顯示系統(tǒng)：采用三基色投影方式，光源為金屬鹵素燈，來自光源的白光經(jīng)兩個二向色鏡分離成紅、綠、藍三基色，形成3個TFTLCD。經(jīng)液晶光閥調(diào)制后的三基色光再經(jīng)過兩個二向色鏡并通過一個投影透鏡投射到屏幕上，也可通過3個投影透鏡分別投射到屏幕上合成彩色圖像。

每個基色的亮度取決于光源每種光譜的強度、二向色鏡的色彩分離特性和每個液晶光閥的調(diào)制度，使用適當?shù)臑V色片和調(diào)制度能得到正確的亮度比例。

背投式液晶顯示的基本原理同前投式液晶顯示系統(tǒng)。

通常認為液晶投影適用于前投式系統(tǒng)，在光線較暗的室內(nèi)顯示非常大的影像，液晶前投式投射裝置十分緊湊，體積小，屏幕容易安置（可掛在墻上），光源的壽命也較長。

目前，采用強光光源（金屬鹵素燈）和高分辨率液晶光閥的液晶投影得到的圖像質(zhì)量，已可與直視式CRT顯示相媲美。CRT背投式顯示無須外光源，它在較亮的室內(nèi)環(huán)境下也能產(chǎn)生十分生動的影像，但由于受投影空間的限制，屏幕尺寸大通常在40~60英寸之間，最大可達70英寸左右?，F(xiàn)在，CRT和LCD的前投和背投式顯示四種方式中，CRT背投影電視和LCD前投影電視得到了較快的發(fā)展。6.5.2真空熒光顯示真空熒光顯示（VFD），也稱低能電子發(fā)光顯示，它利用了氧化鋅（ZnO:Zn）等熒光粉在數(shù)十伏以下的低能電子轟擊下的發(fā)光現(xiàn)象。VFD器件是一個典型的真空三極管結構，它由陰極、柵極、陽極組成。陰極發(fā)射的電子在柵極控制下加速飛向陽極，在陽極電壓作用下，這些具有一定能量的電子轟擊圖形陽極上的熒光粉使其發(fā)光，如對陽極圖形電極選址，就可顯示不同數(shù)字與圖形。陰極是一根或多根細鎢絲的燈絲，上面涂覆一層堿金屬鋇、鍶、鈣的三元碳酸鹽，在管子制造工藝中，玻殼排氣封接前對燈絲通電加熱，使陰極激活，這時三元碳酸鹽分解，在燈絲上留下堿金屬氧化物。這種直熱式氧化物陰極是很好的電子發(fā)射源，工作溫度約650℃。陰極的激活條件對VFD的特性有很大影響。位于陰極和陽極之間的柵極是用極薄的金屬板蝕刻成的細密格子或龜紋形金屬網(wǎng)，它對電子有較高的透過率，透過率的高低對VFD管子中的電流分配、亮度、顯示質(zhì)量等都有直接的影響。陽極和熒光粉層做在玻璃底板上，將涂層材料借助厚膜印刷技術和燒結工藝反復進行，在玻璃底板上依次做好金屬導線、絕緣層和陽極的圖形。當圖形較復雜、連線密度高時，采用厚膜印刷工藝只能在玻璃底板上規(guī)定尺寸內(nèi)做成多層結構，這會使成本增高，驅(qū)動不便，這時可采用厚膜、薄膜混合工藝，將陽極和引線做成鋁薄膜，而用厚膜技術印制絕緣層。涂在陽極外的熒光粉采用低壓電子熒光粉ZnO:Zn等，不同用途要求VFD的熒光粉發(fā)不同顔色的光，采用ZnO:Zn發(fā)綠色光。6.5.3電致變色顯示電致變色：指電致著色和發(fā)光現(xiàn)象，從顯示的角度看則是專門指施加電壓后物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應使顔色發(fā)生可逆性的電致變色現(xiàn)象。電致變色有三種主要形式：（1）離子由電解液進入材料引起變色；（2）金屬薄膜電沉積在觀察電極上；（3）彩色不溶性有機物析出在觀察電極上。電致變色的優(yōu)點：顯示鮮明、清晰，優(yōu)于液晶顯示板；視角大，無論從什么角度看都有較好的對比度；具有存儲性能，如書寫電壓去掉且電路斷開后，顯示信號仍可保持幾小時到幾天，甚至一個月以上，存儲功能不影響壽命；在存儲狀態(tài)下不消耗功率；工作電壓低，僅為0.5V~20V，可與集成電路匹配；器件可做成固體化。電致變色顯示的缺點：響應慢，響應速度（約500ms）接近秒的數(shù)量級；對頻繁改變的顯示，功耗大致是液晶功耗的數(shù)百倍；往復顯示的壽命不高（只有106~107次）。許多液態(tài)或固態(tài)的有機物或無機物都有電致變色功能，其中三氧化鎢WO3被研究較多，因為在WO3中離子的遷移率高，電子注入會產(chǎn)生對可見光的強烈吸收。6.5.4電泳顯示電泳是指懸浮于液體中的電荷粒子在外電場作用下的定向移動并附著在電極上的現(xiàn)象。電泳顯示的基本原理：

在兩塊玻璃間夾一層厚約50um的膠質(zhì)懸浮體，兩塊玻璃上都涂有透明導電層，膠質(zhì)懸浮體由懸浮液、可溶性著色染料、懸浮色素微粒及穩(wěn)定劑或電荷控制劑組成。其中色素微粒由于吸附液體中雜質(zhì)離子而帶同號電荷。當加上外電場，微粒便移向一個電極，該電極就呈色素粒子顔色，一旦電場反向，微粒也反向移動，該電極又變成懸浮液的顔色。即懸浮液顔色相當于背景顔色，微粒顔色就是欲顯示的字符顔色，兩者之間應有較大反差。將透明電極制成需要的電極形狀時，就可以顯示較復雜的圖形。電泳顯示的主要優(yōu)點有：在大視角和環(huán)境光強變化大時仍有較高的對比度；具有較高的響應速度，且顯示電流低；有存儲能力，撤出外電壓后仍能使圖像保持幾個月以上；工作壽命長（104小時）或可開關108次以上；采用控制技術可實現(xiàn)矩陣選址，可與集成電路配合；價格低、工藝簡單。“反斗篷”讓哈利波特無處隱身

哈利?波特當心！一組中國科學家開發(fā)出了一種能讓你的隱形斗篷顯形的方法。根據(jù)美國光學學會（OSA）的開放獲取雜志《光學快報》（OpticsExpress）最新一期發(fā)表的一篇新論文，一件隱形斗篷下面的某些物質(zhì)可能讓隱形的物體重新可見?！半[蔽是一個重要的問題，因為隱形可以有助于在敵對的環(huán)境下生存”，中國上海交通大學的HuanyangChen說。他和同事提出了一種理論的“反斗篷”，它可以部分抵消隱形斗篷的效應，這是隱形斗篷導致的另一個重要的問題。如果這聽上去更像是電影魔術，那么這絕非偶然。從1933年的經(jīng)典電影《隱身人》到最近分集上映的《哈利?波特》系列電影，能實現(xiàn)隱形的裝置長久以來是電影幻想的素材。然而，近年來，科學家利用特殊類型的“超”材料證明了這些好萊塢幻想總有一天可能成真。這些材料能夠有效地隱形是由于它們與光相互作用的方式。所有的材料都會用散射、反射和吸收等方式改變照射到它們的光線。例如，我們看到顏色是由于不同的材料和涂層和光的相互作用不同。轉(zhuǎn)變介質(zhì)斗篷是特殊的材料，它可以讓光線彎曲得如此強烈，以至于光線居然完全貼著物體行進。20