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1、第三章 无机电致发光器件,3.1 ELD(electroluminescence device)概述3.2 分散型ELD的结构和原理3.3 薄膜型ELD的制备和原理3.4 陶瓷厚膜为绝缘介质的电致发光器件 3.5 LED的结构、发光基本原理和应用重点:TFELD的结构和原理难点:高场下无机电致发光器件的发光原理,无机类EL材料和显示器分类,3.1 ELD概述,3.1.1 电致发光(EL)：指半导体，主要是荧光体在外加电场作用下的自发光现象。3.1.2 ELD的历史:1936年法国的Destriau 就发现EL现象。1950年 Sylvania公司开发成功分散型EL元件。1983年日本开始薄膜E
2、LD的批量生产。,3.1.3 ELD分类：按结构：分散型EL和薄膜型EL。前者的发光层以粉末荧光体的形式构成。后者的发光层以致密的荧光体薄膜构成。按驱动方式：交流驱动型EL和直流驱动型EL。以上可以排列组合出四种EL元件的类型。,以上四种EL器件的特征如下图所示。,3.1.4 ELD的特征：视角大，无闪烁。图像显示质量高。工作温度范围宽；受温度变化的影响小。是全固体显示元件。有小功耗、薄型、质轻等特征。,3.2分散型ELD的结构和原理,3.2.1.分散型交流ELD,1)分散型交流ELD基本结构：基板为ITO(In2O3:SnO210%重量比，导电：几十，透光率：85%)玻璃板或柔性塑料板。发光
3、层由荧光体粉末分散在有机粘结剂中做成。荧光体粉末：ZnS:Cu,Cl,或Mn原子等，可得到不同的发光色。粘结剂中采用介电常数比较高的有机油如氰乙基纤维素等。介电质层：防止绝缘层被破坏。背面电极：Al。,2)分散型交流ELD发光机制：,Fischer模型：ZnS荧光体粉末的粒径:530m。通常在一个ZnS颗粒中会存在点缺陷及线缺陷。电场在ZnS颗粒内会呈非均匀分布，造成的发光状态也不会相同。当观察一个ZnS颗粒时，发光先从若干孤立的点开始，随着电场增加，两点的发光逐渐延伸，相互靠近，汇合成彗星状的发光。,在ZnS颗粒内沿线缺陷会有Cu析出，形成电导率较大的CuxS(P型或金属电导状态)，CuxS
4、与ZnS形成异质结。当施加电压时CuxS/ZnS界面上会产生高于平均场强的电场强度(105-106v/cm)。使位于界面能级的电子通过隧道效应向ZnS内注入，与发光中心捕获的空穴发生复合，产生发光。当发光中心为Mn时，如上所述发生的电子与这些发光中心碰撞使其激发引起EL发光。,1.亮度L与电压间的关系为 L0与V0分别为常数，其数值的大小与荧光体的粒径，活化剂及共活化剂的浓度，发光层的厚度，有机粘结剂的介电常数等相关。2.发光效率随电压的增加,先是增加而后减小。发光效率的最大值一般可从亮度出现饱和趋势的电压区域得到。,3)分散型交流ELD的亮度电压特性及发光效率电压特性,3.2.2.分散型直流
5、ELD,1)分散型直流ELD基本结构：ITO玻璃基板。包铜处理：将ZnS荧光体浸在Cu2SO4溶液中进行热处理，使其表面产生具有电导性的CuxS层。将ZnS:Cu,Mn荧光体粉末与少量粘结剂的混合物在其上均匀涂布，厚度为30-50m。背面电极：Al。,1.ITO：正极。AL：负极。2.在定形化处理过程中Cu2+离子会从透明电极附近的荧光体粒子向AL电极一侧迁移。,2)分散型直流ELD发光机制,3.结果在透明电极一侧会出现没有CuxS包覆的电阻率高的ZnS 层(脱铜层)。4.外加电压的大部分会作用在脱铜层上，在该层中形成106V/cm的强电场。5.在此强电场作用下，会使电子注入到ZnS层中，经电
6、场加速，成为过热电子。6.过热电子直接碰撞Mn2+会引起其激发，引发EL发光。,L-V特性和-V同分散型交流ELD。直流驱动:V=100V,L=500cd/m2。占空比1%的脉冲波形电压驱动：亮度等同直流驱动。0.5-1lm/W。,3)分散型直流ELD亮度-电压特性及发光效率-电压特性,3.3 薄膜型ELD的制备和原理薄膜型交流ELD(ACTFELD),1)薄膜型交流ELD基本结构：在玻璃基板上依次积层透明电极(ITO)，第一绝缘层，发光层，第二绝缘层，背光电极(Al)等。发光层厚0.5-1m，绝缘层厚0.3-0.5m，全膜厚只有2m左右。,2)绝缘层作用-保护发光层，使器件稳定,ACTFEL
7、D中电场高达106V/cm，应选用针孔少，致密，介质损耗因子tan小，高击穿场强(Ebd)的绝缘层。具有高的介电常数，减少绝缘层上的电压，以保证发光层上有足够电压。绝缘层应具有高的品质因素：Q=EBd=0 rEBd。其中，为介电常数，r为相对介电常数。击穿时呈自熄性而非传播性。良好的透明性，粘附性，平整性和化学稳定性。制备工艺简单-电子束蒸发，溅射。,3)主要绝缘层材料的介电特性,复合绝缘层：利用绝缘各种特性互补，提高绝缘层综合特性。Si3N4+SiO2：Si3N4的EB比较高，性能稳定，自熄击穿，是一种质量优良的绝缘介质。但它于玻璃粘附性不好，因此使用SiO2做为和玻璃的过渡层。SiO2性能
8、稳定，与玻璃粘附性好，但小，用它做为过渡层时，一般厚度很小即可。Ta2O5+SiO2：克服Ta2O5传播性击穿。,4)绝缘层薄膜的品质因素,品质因素：Q=EBd=0 rEBd作为选择绝缘层薄膜的重要指标。,5)ACTFELD对透明电极的要求,ITO：低电阻率，大尺寸，均匀性、透光性好、耐久性、耐腐蚀性，表面平整等良好性能。为减小ELD显示屏的功耗，应增加透明导电膜的厚度，减少阻抗。由此会在导电膜的端边位置上使发光照、绝缘膜的厚度变薄，容易引起局部击穿。应从ELD器件的整体要求兼顾透明导电膜的厚度和电阻率。,当VVth(1cd/m2)时，由于隧穿效应，电子从绝缘层与发光层间的界面能级隧穿进入发光
9、层的导带，被106V/cm的强电场加速，使其成为过热电子，并碰撞激发Mn等发光中心。被激发的内壳层电子从激发能级向原始能级返回时，产生EL发光。高电场区和初始电子的存在是碰撞离化过程的必要条件。,6)ACTFELD发光机制,亮度在Vth处急剧上升，此后出现饱和倾向。发光效率在亮度急剧上升的电压范围内达最大值。上升沿：数微秒，下降沿：数毫秒，亮度：与电压频率(数千赫兹)呈正比增加。,7)ACTFELD亮度-电压特性及发光效率-电压特性,8)ACTFELD等效电路,i：绝缘层；p：发光层；d：厚度；：介电常数；C：电容；V：电压；Vth：阈值；S：显示区域面积。平行板电容值C=0rS/d。在求发光
10、层阈值电压Vth时，通过器件的电流小，忽略发光层的电阻，并假设上、下绝缘层材料和厚度相同，由此可等效为三个平行板电容串联。求Vp(Vth)与各上述各参数的关系。,9)ACTFELD的驱动电压极性与光输出波形,驱动电压极性与光输出波形当施加不同极性的脉冲电压时发光强度高。当施加相同极性的脉冲电压时发光强度就下降。继续施加相同极性的脉冲电压甚至不能发光。原因：由于发光层中产生内建电场和电子被驱赶到处于暂态阳极对应的发光层和绝缘层界面处所致。造成发光层有效电压降低，碰撞离化几率减少，发光降低，甚至不能发光。脉冲极性反向时，外加电场与内建电场叠加，发光层上的有效电压增加，电子从另一界面隧穿进入发光层，
11、对发光离子的碰撞离化几率增加，发光增强。,10)ACTFELD发光材料特性,RGB三基色中，红光由ZnS:Mn的橙黄光通过滤光片得到，效率1lm/W；绿光ZnS:Tb，效率1lm/W；蓝光SrS:Ce的CIE色坐标为：x=0.19，y=0.38的蓝绿光，效率大于1lm/W。SrS:Ce成为白光的最佳选择材料。,ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系,三种稀土离子Tb，Er Ho掺杂的ZnS ACTFELD。以ZnS:TbF3，ZnS:ErF3，ZnS:HoF3为例，三者均为绿光，主要发射谱线的峰值波长分别为542，552和550nm。增加发光中心的数目，有利于提高发光亮度，但是随着掺杂浓度的增
12、加，减少了发光中心之间的距离，发光中心之间的相互作用将导致能量传递和浓度猝灭。,ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系,在较低的掺杂浓度范围内，发光亮度随着浓度的增加而增加，并达到一个极大值，随着浓度的增加，发光亮度反而下降，即出现深度猝灭现象。ZnS:TbF3，ZnS:ErF3，ZnS:HoF3 ACTFELD的亮度极大值分别为2300cd/m2，1100cd/m2和600cd/m2，分别对应最佳掺杂浓度为1.4102mol，7.0103mol和 3.0103mol。,ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系,ZnS:TbF3，ZnS:ErF3，ZnS:HoF3 ACTFELD发射光谱与浓度关
13、系,ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系,对于ZnS:TbF3 薄膜，随着掺杂浓度的增加，蓝光5D37F6的跃迁逐渐减小，直到消失。交叉驰豫：一个被激发的Tb3离子，处于5D3 能级上的电子可以列辐射跃迁到5D4能级，而将能量传递给邻近未被的Tb3离子，使其基态7F6上的电子跃迁到7F0能级，即5D3 5D4(无辐射能量传递)7F6 7F0的交叉驰豫。，这一过程有利于5D4 7F6的绿色发光，所以，Tb3离子在ZnS薄膜中有很高的最佳浓度(1.4102mol)，从而有最高的发光亮度的极大值(2300cd/m2)。,ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系,ZnS:HoF3薄膜，掺杂浓度增加，5
14、F55I8(红光)明显上升，5S25I8(绿光)相对降低。交叉驰豫：从能级图，5S25I4能级差与5I85I7的能级差非常接近。当掺杂浓度增加时，发生5S25I45I85I7的交叉驰豫，不利于绿光发射。交叉驰豫几率很大，正因如此，Ho3在ZnS具有较低的最佳掺杂浓度(3.0103mol)和亮度(600cd/m2)。,ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系,ZnS:ErF3薄膜，掺杂浓度增加，绿色发光(2H11/2+4S3/2)4I15/2相对减少而红色发光4F9/24I15/2相对增大，同时，4F5/24I15/2和4F7/24I15/2发射强度减小而4G11/24I15/2和2H9/24I1
15、5/2发射强度增加。交叉驰豫：从能级图，2H11/24F9/2能级差与4F7/22H9/2和4F5/24G11/2的能级差非常接近。当掺杂浓度增加时，可能发生2H11/2 4F9/2 4F5/2 4G11/2或4F7/2 2H9/2的交叉驰豫，不利于绿光发射。但是这一过程发生在两个被激发离子之间，几率较小，因此，Er3在ZnS具有中等的最佳掺杂浓度(7.0103mol)和亮度极大值(1100cd/m2)。,11)flat panel ACTFEL displays(from Planar Systems Inc.),器件结构：在薄膜发光层的两侧直接形成电极。1-Al电极；2-发光层；3-透明电
16、极；4-玻璃基板。器件的发光机制：碰撞激发型由于没有绝缘膜保护，很难保证不发生绝缘破坏，因此难以稳定地维持强电场，从而需要导入限制电流层。,3.3.2.薄膜型直流电致发光(DC-TFELD),3.4 陶瓷厚膜为绝缘介质的电致发光器件 加拿大ifire公司ceramic thick-film dielectric electroluminescent devices(TDELDs),1)TDEL器件结构和特点TFEL(a)和TDEL(b)器件结构的比较,1)TDEL器件的结构,常规的TFEL器件：夹心型结构，光从下电极ITO和玻璃基片侧透出。TDEL器件：由于陶瓷厚膜不透明，光线不能从陶瓷绝缘层
17、和玻璃基片透出。TDEL器件：“倒置”结构。功能层依次为：玻璃基片、内电极、陶瓷厚膜、平整化介质、发光层、透明绝缘层、上电极，光从上电极ITO侧透出。,2)颗粒对TFEL和TDEL器件的影响,3)TDEL器件的介质特性,陶瓷厚膜采用高介电常数、低温烧结的电子陶瓷，通过丝网印刷或流延工艺直接制备于基片上，厚度约20m，介电常数r为1000-10000。采用了陶瓷厚膜工艺，TDEL器件实际上是厚膜和薄膜混合型的显示器件。由于厚膜比TFEL中的薄膜介质厚好几倍，它显著地提高了介电强度和抗电击穿强度，并有效地消除了针孔缺陷问题和减少了工艺过程中对外来杂质的敏感度，提高了成品率。,4)TDEL器件的特性
18、,由于陶瓷厚膜很高的介电常数和厚度之比，器件的工作电压低、亮度高。TDEL比TFEL改善了亮度-电压特性，容易通过脉冲幅度调制实现灰度控制，有利于实现高性能的视频图像显示。陶瓷厚膜具有良好的抗电击穿能力而且无传播性击穿，对工艺过程中引入的缺陷如：针孔、颗粒和划痕不灵敏。,4)TDEL器件的特性,TDEL器件显示稳定，无闪烁；陶瓷厚膜表面有一定的光吸收作用和粗糙度，提高了比度高，颜色鲜明，并且颜色及亮度随视角的变化很小，所以TDEL具有宽的视角；由于陶瓷厚膜的坚固性，增加了TDEL器件的强度；高介电常数的厚膜介质可采用简单的丝网印刷制备，工艺步骤减少，而且容易实现可以大面积制备，可以获得大面积的
19、显示器件；TDEL器件具有较宽的工作温度范围。,4)TDELD彩色实现方案,三重成型+彩色滤光片和颜色转换过程实现彩色显示的比较 CBB(color-by-blue)技术无需彩色滤光片，并且提高了红光和绿光的色纯度。另外，该技术如同白光转换彩色一样简单，与白光加滤色方法相比，由于颜色转换的有效性，产生更加高的亮度和能量效率。,5)TDEL的优势,TDEL器件的优势和潜力主要在于制备、成本和性能，即简单的工艺、较低的成本和优异的视频性能。由于厚膜比TFEL中的薄膜介质厚好几倍，它显著地提高了介电强度和抗电击穿强度，并有效地消除了针孔缺陷问题和减少了工艺过程中对外来杂质的敏感度，提高了成品率。TD
20、EL技术对净化室要求低。从工艺和生产所需环境角度，与PDP和LCD相比，在资金和组件成本方面可有30-50%的优势。,6)17英寸TDEL彩色显示器,7)34英寸TDEL彩色显示器,2004-SID-发光效率-1.5lm/W，目标-2lm/W或更高。CBB技术，分辨率-1280768，功耗-200W，响应时间-2ms，锥形视角-170，对比度-500:1，亮度-500cd/m2，NTSC-90%。,3.5 LED的结构和发光基本原理,发光二极管(light-emitting diode-LED)：当在其整流方向施加电压时,有电流注入,电子与空穴复合，其一部分能量变换为光并发射的二极管。1907
21、年在碳化硅晶体中发现 LED的注入型发光现象。1968年GaAsP红色LED灯投入市场。近年来高亮度RGBW-LED广泛用于信息显示。,1)LED的特性：属于固体元件，工作状态稳定、可靠性高，其连续通电时间(寿命)可达105h以上。驱动电压仅为几伏，电流为数十毫安。尺寸通常为数百微米见方，是很小的。发光颜色，近于单色光，即其发光的光谱是很窄的。,将LED芯片置于导体框架上，连接引线之后，用透明树脂封装，做成显示灯。由7个LED芯片构成典型的数字显示元件。,2)LED显示器的结构:,LED分类,数码管(Display),大功率(High Power LED),贴片(SMD),食人鱼(P4),普通
22、LED(P2),3)LED材料LED材料的要求：电子与空穴的注入效率要高。电子与空穴复合时放出的能量应与所需要的发光波长相对应。LED材料的种类：-族半导体材料-族半导体材料-族半导体材料,1.直接跃迁型：在价带顶与导带底不存在动量差，复合几率高。2.间接跃迁型：在价带顶与导带底存在动量差，为了保持动量守恒，需要声子参与迁移过程，复合几率低。,4)LED材料的能带结构,3.等电子陷阱：同族元素掺杂，使间接迁移达到很高的发光效率。4.多元化合物型：两种及以上晶体混合，通过混晶结构制作禁带宽度连续变化的晶体。,pn结的零偏、反偏和正偏,零偏状态下内建电势差形成的势垒维持着p区和n区内载流子的平衡内
23、建电场造成的漂移电流和扩散电流相平衡,pn 结两端加正向偏压Va后，Va基本上全降落在耗尽区的势垒上；由于耗尽区中载流子浓度很小，与中性P区和N区的体电阻相比耗尽区电阻很大。势垒高度由平衡时的eVbi降低到了e(Vbi-Va)；正向偏置电压Va在势垒区中产生的电场与自建电场方向相反，势垒区中的电场强度减弱，并相应的使空间电荷数量减少，势垒区宽度变窄。,产生了净扩散流；电子：N区 P区空穴：P区 N区热平衡时载流子漂移流与扩散流相互抵消的平衡被打破：势垒高度降低，势垒区中电场减弱，相应漂移运动减弱，因而使得漂移运动小于扩散运动，产生了净扩散流。,在空间电荷区的两侧产生了过剩载流子；通过势垒区进入
24、P区的电子和进入N区的空穴分别在界面（-xp和xn）处积累，从而产生了过剩载流子。这称为正向注入，由于注入的载流子对它进入的区域来说都是少子，所以又称为少子注入。对于注入的少子浓度远小于进入区多子浓度的情况称为小注入。边界上注入的过剩载流子，不断向体内扩散，经过大约几个扩散长度后，又恢复到了平衡值。,上式即为理想pn结的电流-电压特性方程，我们可以进一步定义Js为：,则理想pn结的电流-电压特性可简化为：,尽管理想pn结电流-电压方程是根据正偏pn结推导出来的，但它同样应当适用于理想的反偏状态。可以看到，反偏时，电流饱和为Js,当PN结正偏电压远大于Vt时，上述电流电压特性方程中的1项就可以忽
25、略不计。PN结二极管的IV特性及其电路符号如下图所示。,PN结中总的正偏电流密度应该是空间电荷区复合电流密度与理想的扩散电流密度之和，即：将复合电流Jrec和扩散电流JD两个关系式绘成曲线则如下图所示，图中同时还包含了PN结中总的正偏电流密度的变化关系。,由此图中可见，在小电流区域，正偏PN结中以空间电荷区复合电流为主，而在大电流区域，则以理想PN结的扩散电流为主。一般情况下正偏PN结的电流为：,其中n称为理想因子，一般介于1和2之间。,化合物半导体,化合物半导体(Compound Semiconductor)由周期表不同族元素形成的化合物 例如：II-VI,III-V及IV-IV族化合物II
26、I-V族化合物：光电半导体产业应用最广泛的之料例如：III族元素Al,Ga,In及V族元素N,P,As容易形成 如GaN,GaAs,GaP,InP 等二元化合物三元化合物：由三个元素形成之化合物例如：AlGaAs(III,III,V)及GaAsP(III,V,V)三族及五族总摩尔数比需为1:1AlxGa1-xAs=x AlAs+(1-x)GaAsGaAsYP1-Y=Y GaP+(1-Y)GaAs四元化合物：由四个元素形成的化合物例如：AlGaInP(四元高亮度LED主要发光材料)Al1-X-YGaXInYP=(1-X-Y)AlP+X GaP+YInP,异质结结构LED和衬底对发光性能的影响,G
27、a1xAlxAs红色LED的结构a)单异质结(SH)结构 b)双异质结(DH)结构,在p型GaAs衬底上生长宽Eg的n型Ga1xAlxAs晶体，使电子容易向p型区电注入，而n型区作为光取出窗口而得到高亮度的红色光LED。它和GaP的红色LED不一样，发光强度没有饱和现象，能够实现大电流驱动获得高亮度红色LED。这一点与In1-xGaxP橙色LED基本相同。为了提高亮度特性，将Ga1xAlxAs LED的单异质结(SH)结构改为与半导体激光二极管相类似的双异质结(DH)结构。该结构去掉了光吸收带(GaAs衬底)，把载流子限域在双异质结内，从而提高了发光特性。使用双异质结结构可以得到很高的发光亮度
28、。,Good current spreading,current spreading&light spreading,Reflecting Backing light,current spreadinglight transmission,Methods of Enhance Brightness,Other Famous LED Maker LED Structures,Wafer Bond,TS Bond Method,LED Growth on GaAs,GaAs Remove,Wafer bonding,N-GaP,LED ChipFabrication,Future Work(We
29、can invent and get patterns),Change UEC Structure,Let GaAs SurfaceRough,then ITO,ChangeToshiba Pattern Structure,7）LED的特点和应用,亮度高、色纯度高、工作电压低、功耗小、小型化而易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击和性能稳定。绿色照明 由不同的半导体材料和发光原理可以得到能发出不同色彩的LED。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着全彩、大功率、更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、绿色制造方向发展。显示方面，LED可以显示文字、数字(数码管)，
30、也可以显示图形图像(LED矩阵模块)。从应用场所方面，LED显示屏分为室内和室外显示屏。,8)LED显示屏实例,LED显示屏为目前可实现的最大尺寸的FPD(拼接型),日本中央赛马会2006年吉尼斯世界纪录的世界最大的LED显示屏。画面尺寸-2651英寸，长66.4m高11.2m，面积为743.68m2，约为网球场的3倍。,8)LED显示屏实例,目前有报道长250米，宽30米的LED显示屏北京奥运会-,LED模块中LED个数按RGB为2:1:1。屏点数为横5312纵896。RGB LED以12.5mm的间隔排列，共计475万9552个。画面亮度最大为5000cd/m2。即使在阳光充足时也可很清晰
31、，与家用电视相比，画面亮度约提高了20倍。帧频为60。可在4096个级别调节。耗电量为564kW。,7）LED的特点和应用,亮度高、色纯度高、工作电压低、功耗小、小型化而易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击和性能稳定。绿色照明 由不同的半导体材料和发光原理可以得到能发出不同色彩的LED。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着全彩、大功率、更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、绿色制造方向发展。显示方面，LED可以显示文字、数字(数码管)，也可以显示图形图像(LED矩阵模块)。从应用场所方面，LED显示屏分为室内和室外显示屏。,8)LED显示屏实例,LED显示屏为目前可实现的最大尺寸的FPD(拼接型),日本中央赛马会2006年吉尼斯世界纪录的世界最大的LED显示屏。画面尺寸-2651英寸，长66.4m高11.2m，面积为743.68m2，约为网球场的3倍。,8)LED显示屏实例,目前有报道长250米，宽30米的LED显示屏北京奥运会，上海世博会-,LED模块中LED个数按RGB为2:1:1。屏点数为横5312纵896。RGB LED以12.5mm的间隔排列，共计475万9552个。画面亮度最大为5000cd/m2。即使在阳光充足时也可很清晰，与家用电视相比，画面亮度约提高了20倍。帧频为60。可在4096个级别调节。耗电量为564kW。,
