無(wú)機(jī)電致發(fā)光器件

無(wú)機(jī)電致發(fā)光器件第1頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 無(wú)機(jī)類(lèi)EL材料和顯示器分類(lèi)第2頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.1ELD概述

3.1.1電致發(fā)光(EL)：指半導(dǎo)體，主要是熒光體在外加電場(chǎng)作用下的自發(fā)光現(xiàn)象。3.1.2ELD的歷史:1936年—法國(guó)的Destriau就發(fā)現(xiàn)EL現(xiàn)象。1950年—Sylvania公司開(kāi)發(fā)成功分散型EL元件。1983年—日本開(kāi)始薄膜ELD的批量生產(chǎn)。第3頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.3ELD分類(lèi)：按結(jié)構(gòu)：分散型EL和薄膜型EL。前者的發(fā)光層以粉末熒光體的形式構(gòu)成。后者的發(fā)光層以致密的熒光體薄膜構(gòu)成。按驅(qū)動(dòng)方式：交流驅(qū)動(dòng)型EL和直流驅(qū)動(dòng)型EL。以上可以排列組合出四種EL元件的類(lèi)型。第4頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以上四種EL器件的特征如下圖所示。

第5頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.4ELD的特征：視角大，無(wú)閃爍。圖像顯示質(zhì)量高。工作溫度范圍寬；受溫度變化的影響小。是全固體顯示元件。有小功耗、薄型、質(zhì)輕等特征。第6頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2分散型ELD的結(jié)構(gòu)和原理3.2.1.分散型交流ELD1)分散型交流ELD基本結(jié)構(gòu)：基板為ITO(In2O3:SnO2~10%重量比，導(dǎo)電：幾十，透光率：85%)玻璃板或柔性塑料板。發(fā)光層由熒光體粉末分散在有機(jī)粘結(jié)劑中做成。熒光體粉末：ZnS:Cu,Cl,或Mn原子等，可得到不同的發(fā)光色。粘結(jié)劑中采用介電常數(shù)比較高的有機(jī)油如氰乙基纖維素等。介電質(zhì)層：防止絕緣層被破壞。背面電極：Al。第7頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)分散型交流ELD發(fā)光機(jī)制：Fischer模型：ZnS熒光體粉末的粒徑:5－30μm。通常在一個(gè)ZnS顆粒中會(huì)存在點(diǎn)缺陷及線(xiàn)缺陷。電場(chǎng)在ZnS顆粒內(nèi)會(huì)呈非均勻分布，造成的發(fā)光狀態(tài)也不會(huì)相同。當(dāng)觀(guān)察一個(gè)ZnS顆粒時(shí)，發(fā)光先從若干孤立的點(diǎn)開(kāi)始，隨著電場(chǎng)增加，兩點(diǎn)的發(fā)光逐漸延伸，相互靠近，匯合成彗星狀的發(fā)光。第8頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在ZnS顆粒內(nèi)沿線(xiàn)缺陷會(huì)有Cu析出，形成電導(dǎo)率較大的CuxS(P型或金屬電導(dǎo)狀態(tài))，CuxS與ZnS形成異質(zhì)結(jié)。當(dāng)施加電壓時(shí)．CuxS/ZnS界面上會(huì)產(chǎn)生高于平均場(chǎng)強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度(105-106v/cm)。使位于界面能級(jí)的電子通過(guò)隧道效應(yīng)向ZnS內(nèi)注入，與發(fā)光中心捕獲的空穴發(fā)生復(fù)合，產(chǎn)生發(fā)光。當(dāng)發(fā)光中心為Mn時(shí)，如上所述發(fā)生的電子與這些發(fā)光中心碰撞使其激發(fā)．引起EL發(fā)光。第9頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.

亮度L與電壓間的關(guān)系為

L0與V0分別為常數(shù)，其數(shù)值的大小與熒光體的粒徑，活化劑及共活化劑的濃度，發(fā)光層的厚度，有機(jī)粘結(jié)劑的介電常數(shù)等相關(guān)。2.發(fā)光效率隨電壓的增加,先是增加而后減小。發(fā)光效率的最大值一般可從亮度出現(xiàn)飽和趨勢(shì)的電壓區(qū)域得到。

3)分散型交流ELD的亮度－電壓特性及發(fā)光效率－電壓特性第10頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2.分散型直流ELD1)分散型直流ELD基本結(jié)構(gòu)：ITO玻璃基板。包銅處理：將ZnS熒光體浸在Cu2SO4溶液中進(jìn)行熱處理，使其表面產(chǎn)生具有電導(dǎo)性的CuxS層。將ZnS:Cu,Mn熒光體粉末與少量粘結(jié)劑的混合物在其上均勻涂布，厚度為30-50μm。背面電極：Al。第11頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.

ITO：正極。AL：負(fù)極。2.在定形化處理過(guò)程中Cu2+離子會(huì)從透明電極附近的熒光體粒子向AL電極一側(cè)遷移。2)分散型直流ELD發(fā)光機(jī)制第12頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.結(jié)果在透明電極一側(cè)會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有CuxS包覆的電阻率高的ZnS層(脫銅層)。4.外加電壓的大部分會(huì)作用在脫銅層上，在該層中形成106V/cm的強(qiáng)電場(chǎng)。5.在此強(qiáng)電場(chǎng)作用下，會(huì)使電子注入到ZnS層中，經(jīng)電場(chǎng)加速，成為過(guò)熱電子。6.過(guò)熱電子直接碰撞Mn2+會(huì)引起其激發(fā)，引發(fā)EL發(fā)光。第13頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月L-V特性和-V同分散型交流ELD。直流驅(qū)動(dòng):V=100V,L=500cd/m2。占空比1%的脈沖波形電壓驅(qū)動(dòng)：亮度等同直流驅(qū)動(dòng)。＝0.5-1lm/W。3)分散型直流ELD亮度-電壓特性及發(fā)光效率-電壓特性第14頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3薄膜型ELD的制備和原理

3.3.1薄膜型交流ELD(ACTFELD)1)薄膜型交流ELD基本結(jié)構(gòu)：

在玻璃基板上依次積層透明電極(ITO)，第一絕緣層，發(fā)光層，第二絕緣層，背光電極(Al)等。發(fā)光層厚0.5-1μm，絕緣層厚0.3-0.5μm，全膜厚只有2μm左右。第15頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)絕緣層作用-保護(hù)發(fā)光層，使器件穩(wěn)定ACTFELD中電場(chǎng)高達(dá)106V/cm，應(yīng)選用針孔少，致密，介質(zhì)損耗因子tan小，高擊穿場(chǎng)強(qiáng)(Ebd)的絕緣層。具有高的介電常數(shù)，減少絕緣層上的電壓，以保證發(fā)光層上有足夠電壓。絕緣層應(yīng)具有高的品質(zhì)因素：Q=·EBd=0·

r·EBd。其中，為介電常數(shù)，r為相對(duì)介電常數(shù)。擊穿時(shí)呈自熄性而非傳播性。良好的透明性，粘附性，平整性和化學(xué)穩(wěn)定性。制備工藝簡(jiǎn)單-電子束蒸發(fā)，濺射。第16頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3)主要絕緣層材料的介電特性

材料EBd(MV/cm)EBd

(C/cm2)擊穿模式Y(jié)2O3123～53～5自熄Al2O3854自熄Si3N486～84～6自熄Ta2O5231.53傳播PbTiO31500.57傳播BaTiO3223.57自熄SrTiO31401.5～219～35傳播復(fù)合絕緣層：利用絕緣各種特性互補(bǔ)，提高絕緣層綜合特性。Si3N4+SiO2：Si3N4的EB比較高，性能穩(wěn)定，自熄擊穿，是一種質(zhì)量?jī)?yōu)良的絕緣介質(zhì)。但它于玻璃粘附性不好，因此使用SiO2做為和玻璃的過(guò)渡層。SiO2性能穩(wěn)定，與玻璃粘附性好，但小，用它做為過(guò)渡層時(shí)，一般厚度很小即可。Ta2O5+SiO2：克服Ta2O5傳播性擊穿。第17頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4)絕緣層薄膜的品質(zhì)因素品質(zhì)因素：Q=ε·EBd=ε0·εr·EBd作為選擇絕緣層薄膜的重要指標(biāo)。第18頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5)ACTFELD對(duì)透明電極的要求ITO：低電阻率，大尺寸，均勻性、透光性好、耐久性、耐腐蝕性，表面平整等良好性能。為減小ELD顯示屏的功耗，應(yīng)增加透明導(dǎo)電膜的厚度，減少阻抗。由此會(huì)在導(dǎo)電膜的端邊位置上使發(fā)光照、絕緣膜的厚度變薄，容易引起局部擊穿。應(yīng)從ELD器件的整體要求兼顧透明導(dǎo)電膜的厚度和電阻率。

第19頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)V>Vth(1cd/m2)時(shí)，由于隧穿效應(yīng)，電子從絕緣層與發(fā)光層間的界面能級(jí)隧穿進(jìn)入發(fā)光層的導(dǎo)帶，被106V/cm的強(qiáng)電場(chǎng)加速，使其成為過(guò)熱電子，并碰撞激發(fā)Mn等發(fā)光中心。被激發(fā)的內(nèi)殼層電子從激發(fā)能級(jí)向原始能級(jí)返回時(shí)，產(chǎn)生EL發(fā)光。高電場(chǎng)區(qū)和初始電子的存在是碰撞離化過(guò)程的必要條件。6)ACTFELD發(fā)光機(jī)制第20頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月亮度在Vth處急劇上升，此后出現(xiàn)飽和傾向。發(fā)光效率在亮度急劇上升的電壓范圍內(nèi)達(dá)最大值。上升沿：數(shù)微秒，下降沿：數(shù)毫秒，亮度：與電壓頻率(數(shù)千赫茲)呈正比增加。7)ACTFELD亮度-電壓特性及發(fā)光效率-電壓特性第21頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8)ACTFELD等效電路i：絕緣層；p：發(fā)光層；d：厚度；：介電常數(shù)；C：電容；V：電壓；Vth：閾值；S：顯示區(qū)域面積。平行板電容值C=0rS/d。在求發(fā)光層閾值電壓Vth時(shí)，通過(guò)器件的電流小，忽略發(fā)光層的電阻，并假設(shè)上、下絕緣層材料和厚度相同，由此可等效為三個(gè)平行板電容串聯(lián)。求Vp(Vth)與各上述各參數(shù)的關(guān)系。第22頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9)ACTFELD的驅(qū)動(dòng)電壓極性與光輸出波形

驅(qū)動(dòng)電壓極性與光輸出波形當(dāng)施加不同極性的脈沖電壓時(shí)發(fā)光強(qiáng)度高。當(dāng)施加相同極性的脈沖電壓時(shí)發(fā)光強(qiáng)度就下降。繼續(xù)施加相同極性的脈沖電壓甚至不能發(fā)光。原因：由于發(fā)光層中產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)和電子被驅(qū)趕到處于暫態(tài)陽(yáng)極對(duì)應(yīng)的發(fā)光層和絕緣層界面處所致。造成發(fā)光層有效電壓降低，碰撞離化幾率減少，發(fā)光降低，甚至不能發(fā)光。脈沖極性反向時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)疊加，發(fā)光層上的有效電壓增加，電子從另一界面隧穿進(jìn)入發(fā)光層，對(duì)發(fā)光離子的碰撞離化幾率增加，發(fā)光增強(qiáng)。第23頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10)ACTFELD發(fā)光材料特性RGB三基色中，紅光由ZnS:Mn的橙黃光通過(guò)濾光片得到，效率1lm/W；綠光ZnS:Tb，效率1lm/W；藍(lán)光SrS:Ce的CIE色坐標(biāo)為：x=0.19，y=0.38的藍(lán)綠光，效率大于1lm/W。SrS:Ce成為白光的最佳選擇材料。第24頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系三種稀土離子Tb，ErHo摻雜的ZnSACTFELD。以ZnS:TbF3，ZnS:ErF3，ZnS:HoF3為例，三者均為綠光，主要發(fā)射譜線(xiàn)的峰值波長(zhǎng)分別為542，552和550nm。增加發(fā)光中心的數(shù)目，有利于提高發(fā)光亮度，但是隨著摻雜濃度的增加，減少了發(fā)光中心之間的距離，發(fā)光中心之間的相互作用將導(dǎo)致能量傳遞和濃度猝滅。第25頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系在較低的摻雜濃度范圍內(nèi)，發(fā)光亮度隨著濃度的增加而增加，并達(dá)到一個(gè)極大值，隨著濃度的增加，發(fā)光亮度反而下降，即出現(xiàn)深度猝滅現(xiàn)象。

ZnS:TbF3，ZnS:ErF3，ZnS:HoF3ACTFELD的亮度極大值分別為2300cd/m2，1100cd/m2和600cd/m2，分別對(duì)應(yīng)最佳摻雜濃度為1.4102mol，7.0103mol和3.0103mol。第26頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系ZnS:TbF3，ZnS:ErF3，ZnS:HoF3ACTFELD發(fā)射光譜與濃度關(guān)系第27頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系對(duì)于ZnS:TbF3薄膜，隨著摻雜濃度的增加，藍(lán)光5D37F6的躍遷逐漸減小，直到消失。交叉馳豫：一個(gè)被激發(fā)的Tb3離子，處于5D3

能級(jí)上的電子可以列輻射躍遷到5D4能級(jí)，而將能量傳遞給鄰近未被的Tb3離子，使其基態(tài)7F6上的電子躍遷到7F0能級(jí)，即5D3

5D4

?(無(wú)輻射能量傳遞)7F6

7F0的交叉馳豫。，這一過(guò)程有利于5D4

7F6的綠色發(fā)光，所以，Tb3離子在ZnS薄膜中有很高的最佳濃度(1.4102mol)，從而有最高的發(fā)光亮度的極大值(2300cd/m2)。

第28頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系ZnS:HoF3薄膜，摻雜濃度增加，5F55I8(紅光)明顯上升，5S25I8(綠光)相對(duì)降低。交叉馳豫：從能級(jí)圖，5S25I4能級(jí)差與5I85I7的能級(jí)差非常接近。當(dāng)摻雜濃度增加時(shí)，發(fā)生5S25I4?5I85I7的交叉馳豫，不利于綠光發(fā)射。交叉馳豫幾率很大，正因如此，Ho3在ZnS具有較低的最佳摻雜濃度(3.0103mol)和亮度(600cd/m2)。第29頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ACTFELD發(fā)光亮度與摻雜濃度的關(guān)系ZnS:ErF3薄膜，摻雜濃度增加，綠色發(fā)光(2H11/2+4S3/2)4I15/2相對(duì)減少而紅色發(fā)光4F9/24I15/2相對(duì)增大，同時(shí)，4F5/24I15/2和4F7/24I15/2發(fā)射強(qiáng)度減小而4G11/24I15/2和2H9/24I15/2發(fā)射強(qiáng)度增加。交叉馳豫：從能級(jí)圖，2H11/24F9/2能級(jí)差與4F7/22H9/2和4F5/24G11/2的能級(jí)差非常接近。當(dāng)摻雜濃度增加時(shí)，可能發(fā)生2H11/24F9/2?4F5/24G11/2或4F7/22H9/2的交叉馳豫，不利于綠光發(fā)射。但是這一過(guò)程發(fā)生在兩個(gè)被激發(fā)離子之間，幾率較小，因此，Er3在ZnS具有中等的最佳摻雜濃度(7.0103mol)和亮度極大值(1100cd/m2)。第30頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月11)flatpanelACTFELdisplays(fromPlanarSystemsInc.)

第31頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月器件結(jié)構(gòu)：在薄膜發(fā)光層的兩側(cè)直接形成電極。1-Al電極；2-發(fā)光層；3-透明電極；4-玻璃基板。器件的發(fā)光機(jī)制：碰撞激發(fā)型由于沒(méi)有絕緣膜保護(hù)，很難保證不發(fā)生絕緣破壞，因此難以穩(wěn)定地維持強(qiáng)電場(chǎng)，從而需要導(dǎo)入限制電流層。3.3.2.薄膜型直流電致發(fā)光(DC-TFELD)第32頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4陶瓷厚膜為絕緣介質(zhì)的電致發(fā)光器件–加拿大ifire公司

ceramicthick-filmdielectricelectroluminescentdevices(TDELDs)

1)TDEL器件結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)TFEL(a)和TDEL(b)器件結(jié)構(gòu)的比較第33頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1)TDEL器件的結(jié)構(gòu)

常規(guī)的TFEL器件：夾心型結(jié)構(gòu)，光從下電極ITO和玻璃基片側(cè)透出。TDEL器件：由于陶瓷厚膜不透明，光線(xiàn)不能從陶瓷絕緣層和玻璃基片透出。TDEL器件：“倒置”結(jié)構(gòu)。功能層依次為：玻璃基片、內(nèi)電極、陶瓷厚膜、平整化介質(zhì)、發(fā)光層、透明絕緣層、上電極，光從上電極ITO側(cè)透出。第34頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)顆粒對(duì)TFEL和TDEL器件的影響

第35頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3)TDEL器件的介質(zhì)特性陶瓷厚膜采用高介電常數(shù)、低溫?zé)Y(jié)的電子陶瓷，通過(guò)絲網(wǎng)印刷或流延工藝直接制備于基片上，厚度約20m，介電常數(shù)r為1000-10000。采用了陶瓷厚膜工藝，TDEL器件實(shí)際上是厚膜和薄膜混合型的顯示器件。由于厚膜比TFEL中的薄膜介質(zhì)厚好幾倍，它顯著地提高了介電強(qiáng)度和抗電擊穿強(qiáng)度，并有效地消除了針孔缺陷問(wèn)題和減少了工藝過(guò)程中對(duì)外來(lái)雜質(zhì)的敏感度，提高了成品率。第36頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

4)

TDEL器件的特性

由于陶瓷厚膜很高的介電常數(shù)和厚度之比，器件的工作電壓低、亮度高。TDEL比TFEL改善了亮度-電壓特性，容易通過(guò)脈沖幅度調(diào)制實(shí)現(xiàn)灰度控制，有利于實(shí)現(xiàn)高性能的視頻圖像顯示。陶瓷厚膜具有良好的抗電擊穿能力而且無(wú)傳播性擊穿，對(duì)工藝過(guò)程中引入的缺陷如：針孔、顆粒和劃痕不靈敏。第37頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4)TDEL器件的特性TDEL器件顯示穩(wěn)定，無(wú)閃爍；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，顏色鮮明，并且顏色及亮度隨視角的變化很小，所以TDEL具有寬的視角；由于陶瓷厚膜的堅(jiān)固性，增加了TDEL器件的強(qiáng)度；高介電常數(shù)的厚膜介質(zhì)可采用簡(jiǎn)單的絲網(wǎng)印刷制備，工藝步驟減少，而且容易實(shí)現(xiàn)可以大面積制備，可以獲得大面積的顯示器件；TDEL器件具有較寬的工作溫度范圍。

第38頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4)TDELD彩色實(shí)現(xiàn)方案三重成型+彩色濾光片和顏色轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)現(xiàn)彩色顯示的比較

CBB(color-by-blue)技術(shù)無(wú)需彩色濾光片，并且提高了紅光和綠光的色純度。另外，該技術(shù)如同白光轉(zhuǎn)換彩色一樣簡(jiǎn)單，與白光加濾色方法相比，由于顏色轉(zhuǎn)換的有效性，產(chǎn)生更加高的亮度和能量效率。第39頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5)TDEL的優(yōu)勢(shì)TDEL器件的優(yōu)勢(shì)和潛力主要在于制備、成本和性能，即簡(jiǎn)單的工藝、較低的成本和優(yōu)異的視頻性能。由于厚膜比TFEL中的薄膜介質(zhì)厚好幾倍，它顯著地提高了介電強(qiáng)度和抗電擊穿強(qiáng)度，并有效地消除了針孔缺陷問(wèn)題和減少了工藝過(guò)程中對(duì)外來(lái)雜質(zhì)的敏感度，提高了成品率。TDEL技術(shù)對(duì)凈化室要求低。從工藝和生產(chǎn)所需環(huán)境角度，與PDP和LCD相比，在資金和組件成本方面可有30-50%的優(yōu)勢(shì)。第40頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6)17英寸TDEL彩色顯示器

亮度>300cd/m2對(duì)比度1000:1顯示彩色數(shù)1677萬(wàn)視角170響應(yīng)時(shí)間2ms白光色度10000K顏色范圍118EBU;85NTSC組件外型430mm×330mm×20mm厚度3cm重量3.9kg工作溫度范圍40C

85C發(fā)光顏色熒光材料CIE色坐標(biāo)紅色ZnS:Mnx=0.65,y=0.35綠色ZnS:Tbx=0.28,y=0.64藍(lán)色(Mg,Ba)Al2S4:Eux=0.14,y=0.08第41頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7)34英寸TDEL彩色顯示器2004-SID-發(fā)光效率-1.5lm/W，目標(biāo)-2lm/W或更高。CBB技術(shù)，分辨率-1280×768，功耗-200W，響應(yīng)時(shí)間-2ms，錐形視角-170，對(duì)比度-500:1，亮度-500cd/m2，NTSC-90%。

第42頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.5LED的結(jié)構(gòu)和發(fā)光基本原理

發(fā)光二極管(light-emittingdiode-LED)：當(dāng)在其整流方向施加電壓時(shí),有電流注入,電子與空穴復(fù)合，其一部分能量變換為光并發(fā)射的二極管。1907年－H.J.Round在碳化硅晶體中發(fā)現(xiàn)LED的注入型發(fā)光現(xiàn)象。

1968年－GaAsP紅色LED燈投入市場(chǎng)。近年來(lái)高亮度RGBW-LED廣泛用于信息顯示。

第43頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1)LED的特性：屬于固體元件，工作狀態(tài)穩(wěn)定、可靠性高，其連續(xù)通電時(shí)間(壽命)可達(dá)105h以上。驅(qū)動(dòng)電壓僅為幾伏，電流為數(shù)十毫安。尺寸通常為數(shù)百微米見(jiàn)方，是很小的。發(fā)光顏色，近于單色光，即其發(fā)光的光譜是很窄的。第44頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月將LED芯片置于導(dǎo)體框架上，連接引線(xiàn)之后，用透明樹(shù)脂封裝，做成顯示燈。由7個(gè)LED芯片構(gòu)成典型的數(shù)字顯示元件。

2)LED顯示器的結(jié)構(gòu):第45頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月LED分類(lèi)數(shù)碼管

(Display)大功率

(HighPowerLED)貼片

(SMD)食人魚(yú)

(P4)普通LED

(P2)第46頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3)LED材料LED材料的要求：電子與空穴的注入效率要高。電子與空穴復(fù)合時(shí)放出的能量應(yīng)與所需要的發(fā)光波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。LED材料的種類(lèi)：Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料Ⅳ-Ⅳ族半導(dǎo)體材料

第47頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.

直接躍遷型：在價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底不存在動(dòng)量差，復(fù)合幾率高。2.間接躍遷型：在價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底存在動(dòng)量差，為了保持動(dòng)量守恒，需要聲子參與遷移過(guò)程，復(fù)合幾率低。4)LED材料的能帶結(jié)構(gòu)第48頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.等電子陷阱：同族元素?fù)诫s，使間接遷移達(dá)到很高的發(fā)光效率。4.多元化合物型：兩種及以上晶體混合，通過(guò)混晶結(jié)構(gòu)制作禁帶寬度連續(xù)變化的晶體。第49頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月pn結(jié)的零偏、反偏和正偏第50頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月零偏狀態(tài)下內(nèi)建電勢(shì)差形成的勢(shì)壘維持著p區(qū)和n區(qū)內(nèi)載流子的平衡內(nèi)建電場(chǎng)造成的漂移電流和擴(kuò)散電流相平衡第51頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月pn結(jié)兩端加正向偏壓Va后，Va基本上全降落在耗盡區(qū)的勢(shì)壘上；由于耗盡區(qū)中載流子濃度很小，與中性P區(qū)和N區(qū)的體電阻相比耗盡區(qū)電阻很大。勢(shì)壘高度由平衡時(shí)的eVbi降低到了e(Vbi-Va)；正向偏置電壓Va在勢(shì)壘區(qū)中產(chǎn)生的電場(chǎng)與自建電場(chǎng)方向相反，勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，并相應(yīng)的使空間電荷數(shù)量減少，勢(shì)壘區(qū)寬度變窄。第52頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生了凈擴(kuò)散流；電子：N區(qū)→P區(qū) 空穴：P區(qū)→N區(qū)熱平衡時(shí)載流子漂移流與擴(kuò)散流相互抵消的平衡被打破：勢(shì)壘高度降低，勢(shì)壘區(qū)中電場(chǎng)減弱，相應(yīng)漂移運(yùn)動(dòng)減弱，因而使得漂移運(yùn)動(dòng)小于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了凈擴(kuò)散流。第53頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在空間電荷區(qū)的兩側(cè)產(chǎn)生了過(guò)剩載流子；通過(guò)勢(shì)壘區(qū)進(jìn)入P區(qū)的電子和進(jìn)入N區(qū)的空穴分別在界面（-xp和xn）處積累，從而產(chǎn)生了過(guò)剩載流子。這稱(chēng)為正向注入，由于注入的載流子對(duì)它進(jìn)入的區(qū)域來(lái)說(shuō)都是少子，所以又稱(chēng)為少子注入。對(duì)于注入的少子濃度遠(yuǎn)小于進(jìn)入?yún)^(qū)多子濃度的情況稱(chēng)為小注入。邊界上注入的過(guò)剩載流子，不斷向體內(nèi)擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)大約幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度后，又恢復(fù)到了平衡值。第54頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上式即為理想pn結(jié)的電流-電壓特性方程，我們可以進(jìn)一步定義Js為：則理想pn結(jié)的電流-電壓特性可簡(jiǎn)化為：盡管理想pn結(jié)電流-電壓方程是根據(jù)正偏pn結(jié)推導(dǎo)出來(lái)的，但它同樣應(yīng)當(dāng)適用于理想的反偏狀態(tài)。可以看到，反偏時(shí)，電流飽和為Js第55頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)PN結(jié)正偏電壓遠(yuǎn)大于Vt時(shí)，上述電流－電壓特性方程中的－1項(xiàng)就可以忽略不計(jì)。PN結(jié)二極管的I－V特性及其電路符號(hào)如下圖所示。第56頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)中總的正偏電流密度應(yīng)該是空間電荷區(qū)復(fù)合電流密度與理想的擴(kuò)散電流密度之和，即：將復(fù)合電流Jrec和擴(kuò)散電流JD兩個(gè)關(guān)系式繪成曲線(xiàn)則如下圖所示，圖中同時(shí)還包含了PN結(jié)中總的正偏電流密度的變化關(guān)系。

由此圖中可見(jiàn)，在小電流區(qū)域，正偏PN結(jié)中以空間電荷區(qū)復(fù)合電流為主，而在大電流區(qū)域，則以理想PN結(jié)的擴(kuò)散電流為主。一般情況下正偏PN結(jié)的電流為：其中n稱(chēng)為理想因子，一般介于1和2之間。第57頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體

(CompoundSemiconductor)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III-V族化合物：光電半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最廣泛的之料例如：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：由三個(gè)元素形成之化合物例如：AlGaAs(III,III,V)及GaAsP(III,V,V)三族及五族總摩爾數(shù)比需為1:1AlxGa1-xAs=xAlAs+(1-x)GaAsGaAsYP1-Y=YGaP+(1-Y)GaAs四元化合物：由四個(gè)元素形成的化合物例如：AlGaInP(四元高亮度LED主要發(fā)光材料)

Al1-X-YGaXInYP=(1-X-Y)AlP+XGaP+YInP第58頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)LED和襯底對(duì)發(fā)光性能的影響Ga1xAlxAs紅色LED的結(jié)構(gòu)a)單異質(zhì)結(jié)(SH)結(jié)構(gòu)

b)雙異質(zhì)結(jié)(DH)結(jié)構(gòu)在p型GaAs襯底上生長(zhǎng)寬Eg的n型Ga1xAlxAs晶體，使電子容易向p型區(qū)電注入，而n型區(qū)作為光取出窗口而得到高亮度的紅色光LED。它和GaP的紅色LED不一樣，發(fā)光強(qiáng)度沒(méi)有飽和現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)大電流驅(qū)動(dòng)獲得高亮度紅色LED。這一點(diǎn)與In1-xGaxP橙色LED基本相同。為了提高亮度特性，將Ga1xAlxAsLED的單異質(zhì)結(jié)(SH)結(jié)構(gòu)改為與半導(dǎo)體激光二極管相類(lèi)似的雙異質(zhì)結(jié)(DH)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)去掉了光吸收帶(GaAs襯底)，把載流子限域在雙異質(zhì)結(jié)內(nèi)，從而提高了發(fā)光特性。使用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以得到很高的發(fā)光亮度。第59頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GaAsN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayerWindowlayerGaAsN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayerWindowlayerDBRGaAsN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayerWindowlayerDBRGaAsCapLayerITOLayerGoodcurrentspreadingcurrentspreading&lightspreadingReflectingBackinglightcurrentspreading＆lighttransmissionMethods

of

EnhanceBrightness第60頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GaAsN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayerWindowlayerDBRWindowlayerGaAsUECStructureGaPN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayerWindowlayerWaferBondTSBondStructureOtherFamousLEDMakerLEDStructuresGaAsN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayerP-AlGaAsWindowlayerDBRncurrentBlockinglayerToshibaPatternStructure第61頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GaAsN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayer50umWindowlayerWaferBondTSBondMethodLEDGrowthonGaAsGaAsRemoveN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayer50umWindowlayerWaferbondingN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayer50umWindowlayerN-GaPGaPN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayerWindowlayerWaferBondLEDChipFabrication第62頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第63頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FutureWork(Wecaninventandgetpatterns)GaAsN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayerWindowlayerDBRWindowlayerAlGaAsChangeUECStructureGaAsN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayerWindowlayerDBRGaAsRoughCapLayerITOLayerLetGaAsSurfaceRough,thenITOChangeToshibaPatternStructureGaAsN-confinedlayerQuantumwellP-confinedlayerP-AlGaAsWi