光电半导体与OLED 发展现况

1、光电半导体与OLED发展现况作者：陈俊荣、张永政、刘柏挺、郭艳光摘要本文介绍发光二极管、侧射型雷射、与面射型雷射的发展现况，并且分别使用本实验室的仿真软件APSYS、LASTIP与PICS3D配合典型的结构为实例介绍其相关特性。另外也介绍有机发光二极管的最新发展与国内外市场的概况，并以APSYS仿真软件分析由Alq3及TPD所组成的双层OLED组件特性。一、 绪论光电半导体的产品已广泛应用在生活中的各个层面中，例如：发光二极管(Light-Emitting Diode, LED)及半导体雷射(Laser Diode, LD)，其应用范围包括照明、指示器光源、光信息储存系统、激光打印机、光纤通讯

2、及医疗等。其它的产品如光侦测器、太阳能电池、光放大器及晶体管等，每一项产品的应用都与今日高科技时代的生活息息相关。自从视讯时代来临之后，显示器的品质便成为市场考量的重要因素，早期的阴极射线管(Cathode Ray Tube, CRT)显示器已逐渐被薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, TFT-LCD)或电浆显示器(Plasma Display Panel, PDP)所取代，尤其个人计算机显示器被TFT-LCD取代的速度更快，因此造就了台湾TFT-LCD产业这两年来蓬勃的发展。另一方面，有机发光二极管(Organic L

3、ight-Emitting Diode, OLED)的崛起也受到学术界与产业界的高度重视，若将OLED应用于显示科技上，未来可望创造大型挠曲性显示器。此外，柯达公司 OLED平面显示器核心专利技术即将于2005年到期，这将为全球显示器市场带来无限商机。国内现有TFT-LCD制造厂商也不敢轻忽OLED未来可能带来的冲击，更不愿意在产品生命周期被极度压缩的年代里被淘汰，因此纷纷投入人力在OLED的研发上。本文将就目前学术界在LED、侧射型雷射(Edge-Emitting Laser, EEL)与面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)

4、 的研究现况，以及国内相关制造厂商做介绍。另外，对于OLED的应用与国内外制造厂商的最新发展现况也做了详细的说明。二、 光电组件接下来逐项介绍发光二极管、侧射型雷射、面射型雷射、与有机发光二极管的发展现况，并且使用本实验室的仿真软件以典型的结构为实例介绍其相关特性。(一) 发光二极管目前发光二极管的发展，已经包含可见光范围的所有波段以及红外光的部份，并且皆已商品化。然而，蓝紫光与紫外光的部份，仍有许多研究单位尚在探讨如何改善组件的性能。红光波段的发光材料主要以AlGaInP为主，蓝紫光及紫外光的发光材料则以InGaN与AlGaN为主。由于紫外光发光二极管可做为白光发光二极管的激发光源，因此近年

5、来倍受重视。但是，短波长氮化物的发展却受限于基板的开发与高品质p态薄膜的成长，直到今日仍是光电领域研究的重点。Yasan等人在2003年以AlGaN材料系统制成单一量子井结构(Single Quantum Well, SQW)，成功长成尖峰波长为267 nm的发光二极管，脉冲操作下之最大功率可达4.5 mW；当输入电流为435 mA时，连续波操作最大功率为165 mW1。Adivarahan等人在2004年同样以AlGaN为材料，并在活性层设计三个量子井的结构，其发光波长为269 nm，当连接两个LED并外加40 mA的直流电时，其光输出功率可达0.85 mW2。以上研发成果皆为紫外光发光二极

6、管的翘楚，日后如能有更多突破，必可加速白光发光二极管的发展，使其成为现代生活照明的主力。除了学术界最新的突破外，台湾发光二极管厂商包括国联、亿光、东贝及光磊等，从2004年3月起业绩与营收可望创下新高，又因白光LED需求量大增，也使LED晶粒厂持续获利，因此台湾光电产业营收总值可望再创历史新高。在发光二极管的相关研究上，本实验室以APSYS(Advanced Physical Models of Semiconductor Devices)仿真软件来分析InGaN多量子井(Multiple Quantum Well, MQW)结构的LED组件特性。我们参考Tadatomo等人在2001年所设计

7、的InGaN LED结构(如图1所示)3，其中活性层设计为4个量子井，井的材料为In0.07Ga0.93N，厚度是3 nm，井障(barrier)的材料为GaN，厚度是10 nm，组件为350 mm350 mm矩形形状，n-contact则仿真实际制作组件时蚀刻至GaN层并与p-contact同侧，发光波长为382 nm的紫外光。图2为InGaN发光二极管的L-I及I-V特性图，组件的turn-on voltage约为3.0 V，输入电流对应于发光功率趋势与实验曲线大致相符，未来将改变结构设计以求增进组件性能。(二) 侧射型雷射侧射型雷射近年来的发展主要针对长波长新颖材料的开发，与短波长红光、

8、蓝光或紫外光雷射的探讨。目前长波长的新颖材料以GaInNAs与GaInNAsSb为主，应用于长程光纤通讯1.3及1.55 mm通讯光源，这一些材料的优点是成长雷射结构时，导电带有较大的能隙差，高温操作时可以有效局限电子于活性层中以减少溢流，达到高温操作的目的。而短波长红光材料主要以AlGaInP为主，可用于DVD光驱或烧录机之雷射光源；蓝光雷射或是紫外光雷射则为InGaN与AlGaN材料系统，短波长雷射光可以达到更高密度光信息储存的目的。Takano等人在2004年设计三量子井AlGaN雷射结构，此组件在光激发及室温操作下其雷射波长可达241.5 nm4，是近期紫外光雷射的最新突破。而台湾目前

9、侧射型雷射相关厂商包括国联、全新、联亚及光环等，主要产品则以光通讯及光信息储存为主。全球LD的市场规模由1999年的29.2亿成长至2004年的76.3亿美元，未来台湾若有更多企业投入上游产业，LD产业体系将更加完整，并能全面提升台湾光电产业的竞争力。有关短波长InGaN量子井雷射的相关研究，我们使用LASTIP(LASer Technology Integrated Program)仿真软件探讨电子溢流与载子分布不均匀对雷射特性的影响5。活性层电子溢流效应容易导致雷射的临界电流增高，而电洞的有效质量大也可能使其在量子井中分布不均匀。仿真结果显示，AlGaN阻碍层可以有效改善电子溢流的情形；此

10、外，除了在高温下成长InGaN量子井时容易导致活性层中铟的解离外，载子在量子井中分布不均匀亦是影响雷射操作性能的重要因素。图3是单一量子井与双量子井(Double Quantum Well, DQW)InGaN雷射结构，当雷射波长范围在392-461 nm时临界电流与波长的关系图。若雷射输出波长小于427 nm时，DQW结构有较低的临界电流；当雷射波长大于427 nm时，SQW结构有较低的临界电流。此模拟结果与Nakamura等人实验上所观察到的现象有相同的趋势6-7。(三) 面射型雷射由于短程光纤通讯用塑料光纤最低损失窗大约在670 nm的波段，再加上塑料光纤价格便宜，光的耦合效率也较高，还

11、兼有柔软、抗弯曲、耐震动、抗辐射及施工方便等优点，可代替传统的石英光纤及铜缆，非常适合用于连接点较多的局域网络，同时由于面射型雷射具有高速调变、圆形光束、单模操作及低临界电流等优点，是相当理想的光纤光源。基于以上因素，AlGaInP面射型雷射成为近几年的研究重点。然而在材料特性方面，AlGaInP具有天生不利的条件，其导电带最大能隙差只有270 meV左右，比AlGaAs材料小了80 meV，热电阻也是AlGaAs的2至3倍，因此在AlGaInP面射型雷射的相关研究上，仍有许多困难必需加以克服8。有关AlGaInP面射型雷射的最新发展，2002年德国的Knigge等人设计的红光VCSEL在波长

12、650 nm的光输出功率为4.3 mW，而670 nm的光输出功率可达10 mW9，可说是AlGaInP面射型雷射近年来最大的突破。在AlGaInP面射型雷射的相关研究上，我们尝试以PICS3D(Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D)仿真软件探讨Knigge等人在2003年所设计的三量子井VCSEL结构(如图4所示)10，图5为理论仿真与实验所得的雷射性能图，临界电流与斜率效能大致吻合，未来将做进一步的最佳化设计，期能改善VCSEL的雷射性能。另一方面，我们也曾经模拟在850 nm GaAs VCSEL的活性层中加入少量的In，研究结果显示雷射

13、组件的临界电流、斜率效能与特性温度都获得相当程度的改善11。除了AlGaInP红光面射型雷射之外，长波长材料GaInNAs与GaInNAsSb亦是近年来面射型雷射的研究重点，主要应用仍是做为长程光纤通讯的光源。在短波长氮化物面射型雷射方面，Tawara等人于2003年设计三量子井InGaN VCSEL结构，雷射共振腔长度为4个波长，DBR(Distributed Bragg Reflector) 材料使用SiO2/ZrO2，在室温光激发下雷射波长为401 nm。由于此雷射具有高品质的活性层结构，激发光源的临界能量密度只需5.1 mJ/cm212。相信在氮化物晶体品质不断的提升之下，必能促进蓝光

14、、紫光与紫外光面射型雷射更进一步的发展。(四) 有机发光二极管OLED显示器具有轻薄、可挠曲、易携、全彩、高亮度、省电、视角宽广及高应答速度等优点，替未来人机互动的接口开启了新的视野。OLED产业于1999年以后迅速成长，目前正进入产业化阶段，详见表1。根据DisplaySearch最新报告指出，2003年全球OLED产值达到2.6亿美元，预测2008年OLED市场产值将达35亿美元。OLED在材料与技术专利部分主要有两大阵营，分别为小分子及高分子材料，详见表2。目前OLED量产的产品有90%以上为被动式单色或多彩小尺寸显示器，应用市场主要为手机、PDA、手持游戏机和数字相机等。若从技术及市场

15、发展趋势来看，OLED将会往主动式、全彩和大尺寸发展，进而直接威胁TFT-LCD和PDP等平面显示器的市场。在产业界，目前主要的趋势是将低温多晶硅(Low Temperature Poly-Silicon, LTPS)技术与主动式OLED(Active Matrix OLED, AMOLED)做整合。由于OLED属于电流驱动组件，需要稳定的电流来控制发光。以载子移动率高的LTPS技术先行取得稳定电压后，再转换成稳定的电流来驱动AMOLED，开发出低温制程、节省成本、省电与画质更佳的OLED显示器。日本Seiko Epson公司于2004年5月发表了40吋OLED全彩显示器，为目前世界最大的OL

16、ED全彩显示器。与以往般小分子OLED所使用的蒸镀制程不同的是，该项产品采用高分子OLED喷墨印刷技术。若能利用此技术整合成可挠曲式OLED(Flexible OLED, FOLED)，再加上产官学研各界的发光材料与结构设计研发，相信近期内便会有使用大屏幕可挠曲式显示屏幕的数字产品出现。在学术界方面，目前主要的OLED研究课题为：OLED发光材料效率及Lifetime提升改进、OLED结构设计与各层界面间的详细性质探讨、以及可挠曲式OLED制程技术研发等。在OLED的相关研究上，我们尝试以APSYS仿真软件研究由Alq3(tris (8-hydroxy-quinoline) aluminum)

17、与TPD(N,N-diphenyl-N,N-di(3-methylphenyl)-1,1-biphenyl-4,4-diamine)及ITO(Indium Tin Oxide)电极所组成的双层OLED组件，如图6所示。图7是组件的能带、再结合速率(Recombination Rate)与载子浓度分布图，其中再结合速率为相对大小。由于Alq3与TPD材料在界面形成位能障，造成电子与电洞的累积，且载子的再结合速率主要发生在靠近电洞传输层之处。图8是模拟所得OLED的I-V特性图，当电压为25 V时，电流只有30 nA，显示有机物之电阻大而导电性不如半导体。在未来的研究计划中，我们将针对OLED组件

18、做进一步的改良设计与特性分析，并探讨如何增进OLED的发光性能，其它有关OLED的相关信息请参考本实验室网址：50/oled/。三、 结论光电产业已经成为台湾未来数年内的明星产业，除了发光二极管、侧射型雷射、与面射型雷射之外，有机发光二极管渐渐成为台湾学术界与产业界的研究重点之一。本实验室已经成功地使用APSYS、LASTIP、与PICS3D仿真软件从事各种光电半导体组件特性的研究，接下来我们计划以APSYS仿真软件探讨OLED组件的材料与光学特性，期能对台湾光电产业的发展有所贡献。参考文献1 A. Yasan, R. McClintock, K. Maye

19、s, D. Shiell, L. Gautero, S. R. Darvish, P. Kung, and M. Razeghi, “4.5 mW operation of AlGaN-based 267 nm deep-ultraviolet light-emitting diodes,” Appl. Phys. Lett., vol. 83, pp. 4701-4703, 2003.2 V. Adivarahan, S. Wu, J. P. Zhang, A. Chitnis, M. Shatalov, and V. Mandavilli, “High-efficiency 269 nm

20、emission deep ultraviolet light-emitting diodes,” Appl. Phys. Lett., vol. 84, pp. 4762-4764, 2004.3 K. Taadatomo, H. Okagawa, Y. Ohuchi, T. Tsunekawa, Y. Imada, M. Kato, and T. Taaguchi, “High output power InGaN ultraviolet light-emitting diodes fabricated on patterned substrates using metalorganic

21、vapor phase epitaxy,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 40, pp. L583-L585, 2001.4 T. Takano, Y. Narita, A. Horiuchi, and H. Kawanishi, “Room-temperature deep-ultraviolet lasing at 241.5 nm of AlGaN multiple-quantum-well laser,” Appl. Phys. Lett., vol. 84, pp. 3567-3569, 2004.5 Y.-K. Kuo and Y.-A. Chang, “Ef

22、fects of electronic current overflow and inhomogeneous carrier distribution on InGaN quantum-well laser performance,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 40, pp. 437-444, 2004.6 S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku, Y. Sugimoto, T. Kozaki, H. Umemoto, M. Sano

23、, and K. Chocho, “InGaN/GaN/AlGaN-based laser diodes grown on GaN substrates with a fundamental transverse mode,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 37, pp. L1020-L1022, 1998.7 S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Matsushita, and T. Mukai, “Blue InGaN-based laser diodes with an emission wavelengt

24、h of 450 nm,” Appl. Phys. Lett., vol. 76, pp. 22-24, 2000.8 D. B. Bour, R. S. Geels, D. W. treat, T. L. Paoli, F. Ponce, R. L. Thomton, B. S. Krusor, R. D. Bringans and D. F. Welch, “Strained GaxIn1-xP/(AlGa)0.5In0.5P heterostructure and quantum well laser diodes,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 30

25、, pp. 593-607, 1994.9 A. Knigge, M. Zorn, M. Weyers, and G. Trnkle, “High-performance vertical-cavity surface-emitting lasers with emission wavelength between 650 and 670 nm,” Electron. Lett., vol. 38, pp. 882-883, 2002.10 A. Knigge, M. Zorn, J. Sebastian, K. Vogel, H. Wenzel, M. Weyers, and G. Trnk

26、le, “High-efficiency AlGaInP/AlGaAs vertical-cavity surface-emitting lasers with 650 nm wavelength,” IEE Proc.-Optoelectron., vol. 150, pp. 110-114, 2003.11 Y. Chang, Y.-K. Kuo, and M.-F. Huang, “Characteristics of 850-nm InGaAs/AlGaAs vertical-cavity surface-emitting lasers,” in Semiconductor Laser

27、s and Applications, Proceedings of SPIE, vol. 4913, pp. 31-40, 2002.12 T. Tawara, H. Gotoh, T. Akasaka, N. Kobayashi, and T. Saitoh, “Low-threshold lasing of InGaN vertical-cavity surface-emitting lasers with dielectric distributed Bragg reflectors,” Appl. Phys. Lett., vol. 83, pp. 830-832, 2003.作者简

28、介陈俊荣，现为国立彰化师范大学光电科技研究所硕士班研究生，目前在郭艳光教授的指导之下撰写硕士论文，研究方向为光电半导体材料特性之探讨、半导体雷射组件、发光二极管与有机发光二极管之设计、模拟、与分析。张永政，现为国立彰化师范大学光电科技研究所硕士班研究生，目前在郭艳光教授的指导之下撰写硕士论文，研究方向为sol-gel Q switch及有机发光二极管之设计、模拟、与分析。刘柏挺，现任私立修平技术学院机械工程系助理教授，最高学历为国立成功大学机械工程研究所博士，目前是彰化师大蓝光雷射实验室研究群的成员，研究专长为三五族光电半导体组件的分析与设计、光机电整合自动化、与机械力学。E-mail: bt

29、.tw郭艳光，现任国立彰化师范大学物理系所暨光电科技研究所教授，最高学历为美国南加州大学电机研究所博士，目前是彰化师大蓝光雷射实验室的负责人，研究专长为半导体雷射、发光二极管、光学量测、数值模拟与分析。E-mail: .tw.tw/4InGaN/GaN MQW100-nm p-GaN50-nm p-AlGaN50-nm n-AlGaNn-contactp-contact6.0-mm n-GaN 图1 InGaN/GaN MQW LED结构图2 InGaN/GaN MQW LED之L-I及I-V特

30、性曲线Threshold Current (mA)Wavelength (nm)图3 SQW与DQW结构雷射波长对临界电流关系p-DBR:Al0.95Ga0.05As/Al0.5Ga0.5As 35 pairsAlAs oxidation1-l AlGaInP cavity with compressivelystrained InGaP QWsn-DBR:AlAs/Al0.5Ga0.5As 55.5 pairsGaAs substrate图4 AlGaInP面射型雷射结构图5 650 nm VCSEL仿真与实验雷射性能图80-nm TPD40-nm Alq310-nm anode ITOmetal cathode图6 OLED组件结构图图7 能带、再结合速率与载子浓度分布图图8 OLED组件I-V特性图表1 OLED应用产品进程表年份公司产品说明1996年日本先锋电子单色绿光OLED显示器全球首次宣