第10章 发光及显示器件

第10章发光及其显示器件10.1电致发光和光致发光10.2电致发光显示器件10.3有机电致发光显示（OLED）器件10.4电致发光显示器件的应用和发展前景

1光子学与光电子学原荣邱琪编著发光光是一种以电磁场形式存在的物质，其中波长为380～780nm的电磁波能够引起人眼的视觉反应，因而称为可见光。在原子能级中，处于基态的电子吸收能量（电能、热能、化学能或光能）后被激发到高能态，当这些电子跃迁回基态时，就将其能级差以光的形式发出，这就是发光。2光子学与光电子学原荣邱琪编著第10章发光及其显示器件场致发光可分为电致发光（EL）和光致发光（PL）。电致发光（EL）是直接把电能转换成光能的物理现象，从发光机理看，可分为注入型电致发光和本征型电致发光。注入型电致发光是在外电场作用下产生少数载流子注入而发光，这就是一般的普通发光二极管（LED），它是指在III-V族化合物的PN结上，注入少数载流子电子或空穴，当这些电子或空穴在晶体内再度与晶体内的多数载流子空穴或电子产生复合时而引起的发光。本征型电致发光，不伴随少数载流子注入而发光。从施加的电场高低来分类，又可分为低场电致发光和高场电致发光两种。低场电致发光一般指普通发光二极管，高场电致发光是一种高场非结型器件的发光，其材料是II-VI族化合物。光致发光显示是在磷光体中，发光中心（催化剂）首先被高频光激发，高能量光子首先被吸收，然后以低能量光子发射的一种发光显示。电致发光（LED）器件与激光器（LD）发光的根本区别是，电致发光器件没有谐振腔，它的发光基于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光；而激光器发光必须要有谐振腔，它的发光是基于受激发射，发出的是相干光激光（见第3章）。3光子学与光电子学原荣邱琪编著10.1电致发光和光致发光10.1.1发光二极管发光机理10.1.2LED材料和结构10.1.3光致发光——磷光体、白光LED、CRT和等离子体

10.1.4LED的主要特性和应用4光子学与光电子学原荣邱琪编著10.1.1发光二极管发光机理在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带（见1.5.1节）。如果占据高能带（导带）Ec的电子跃迁到低能带（价带）Ev上，就将其间的能量差（禁带能量）Eg=Ec

Ev以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差E所决定。5光子学与光电子学原荣邱琪编著图10.1.2LED的发光机理及分类自发辐射的光是一种非相干光；LED有面发光型和边发光型两类。面发光LED的出光面与PN结平面平行。边发光LED与普通的LD相同，从PN结的一个端面（与结平面垂直）出光。面发光LED的输出光功率较边发光LED的大，但发光面积大，光发散角大，与光纤耦合效率低，需专门的结构设计。边发光LED出光面小，与光纤耦合容易。6光子学与光电子学原荣邱琪编著10.1.2LED材料和结构发光二极管的材料主要是III-V族化合物半导体，如GaP、GaAs、GaN等，有直接跃迁型和间接跃迁型之分。不同的材料有不同的带隙，发出不同颜色的光，具有不同的峰值波长，如GaP，Eg=2.24eV，峰值波长为555nm，发绿色的光；又如GaAs，Eg=1.43eV，峰值波长为867nm，发近红外光。为了提高发光二极管的性能，一般都采用双异质结和量子阱结构。7光子学与光电子学原荣邱琪编著图10.1.3用不同的材料可以制成从可见光到红外光的LED8光子学与光电子学原荣邱琪编著图10.1.4面发光LED的结构半导体材料往往折射率较高，如GaAs，n=3.6，故在材料与空气的界面易发生全反射，使光不能辐射出去，如图10.1.4（a）所示。为了提高面发光LED的耦合效率，通常将LED芯片封装在塑料半透镜的中心，如图10.1.4（b）和（c）所示。透明塑料的折射率为1.5，光输出是图10.1.4（a）的4倍，而且造价也低，因而大量被使用。9光子学与光电子学原荣邱琪编著10.1.3

光致发光

——磷光体、白光LED、CRT和等离子体（PDP）

磷光体（phosphors）是一种首先被高频光激发，高能量光子首先被吸收，然后以低能量光子发射的材料。通常，光发射在称为发光中心的掺杂剂（催化剂）中发生，如图10.1.5（a）所示。10光子学与光电子学原荣邱琪编著入射电子使磷光体发光

——阴极射线导致磷光体发光

11光子学与光电子学原荣邱琪编著图10.1.5光致发光原理

（b）

催化剂

能级图

许多磷光体是在基质晶格中掺入催化剂，例如在氧化钇（Y2O3）材料中掺入铕离子（Eu3+）；这种Y2O3:Eu3+磷光体被紫外线（如近紫外200～400nm）照射后，吸收紫外光的能量，从低能级E1跃迁到高能级E2，然后又从次高能级回到次低能级，将其能级差以另一较长波长的红光（613nm）发射出来，如图10.1.5（b）所示。12光子学与光电子学原荣邱琪编著CRT显示器用高能电子束轰击CRT显示器涂层材料时，也能将电子激发到导带上，当这些电子回落到价带上时，与空穴复合，就发出等于能带差的光（hv=E）。彩色CRT显示器屏幕通常均匀地涂覆三种发光涂层，在阴极射线轰击涂层时，分别会发出蓝光、红光和绿光。如掺Mn的ZnS磷光体，通过电流时可产生场致发光（见10.2.1节）。13光子学与光电子学原荣邱琪编著图10.1.6白光LED的结构和光谱形成的过程白光LED实际上它是蓝光和黄光的混合光，因为黄色是红色和绿色的混合色，所以将蓝色和黄色混合，相当于将红色、绿色和蓝色三色混合，当然会显示白色。白光LED的出现，主要归功于氮化镓铟（GaInN）高亮度蓝光LED的研制成功。一种典型的白光LED结构如图10.1.6（a）所示，GaInN芯片在加上电压后发出蓝光，部分蓝光激发Y3Al5O12:Ce3+磷光体中的发光中心Ce3+，发出黄光，然后蓝光和黄光混合就变成了肉眼看到的白光，其光谱图如图10.1.6（b）所示。14光子学与光电子学原荣邱琪编著等离子体（PDP）显示原理利用惰性气体在一定电压（比CRT要求的低得多）作用下产生气体放电，形成等离子体，首先发射紫外光，然后在真空下激发光致发光磷光体（荧光粉）而发射可见光的一种主动发光现象。发红光的荧光粉是(Y,Cd)BO3:Eu，发绿光的是BaAl12O19:Mn，发蓝光的是BaMgAl14O23:Eu。利用这种原理可制成平板显示器件。15光子学与光电子学原荣邱琪编著10.1.4LED的主要特性和应用（a）LED的光谱特性（b）直接驱动电路（c）模拟信号输入（d）LED的P-I特性PN结材料的能带决定了LED的光谱特性，其峰值波长由禁带宽度所决定，如式（10.1.1）所示。LED发出的是非相干光，所以光谱宽带宽，如图10.1.4（a）所示。LED的工作电流一般在十到数十毫安，发射功率一般在几百微瓦到毫瓦量级。P-I特性曲线的线性区很宽，无阈值电流。在电流较大时，PN结发热，发光效率降低，出现饱和现象，如图10.1.4（d）所示。LED也可以用于低速低频短距离应用的场合，可以直接调制；LED可用于仪器仪表的指示灯，可显示符号、字符、图形和广告显示屏等。16光子学与光电子学原荣邱琪编著图10.1.8LED驱动电路（a）直接驱动电路（b）模拟信号输入（c）提供恒定电流的结型晶体管（d）数字电路驱动LED17光子学与光电子学原荣邱琪编著10.2电致发光显示器件电致发光现象是1936年由法国巴黎大学Destriau发现的。但因亮度和寿命没有过关，直到1974年日本科学家用半导体技术制作成薄膜器件，把发光层夹在两层高质量介质薄膜之间，使器件工作在交流状态，获得了高亮度和长寿命特性，奠定了现代电致发光平板显示器件的基础。电致发光从器件结构可分为薄膜型、后膜薄膜混合型和粉末型三种。薄膜型和混合型可用做矩阵显示，是目前电致发光技术发展的主要方向，粉末型则用做LCD等的平面背光源。薄膜电致发光显示是全固体化平板显示器件，具有固体器件所特有的性能。18光子学与光电子学原荣邱琪编著10.2.1薄膜电致发光显示薄膜电致发光显示固体器件的性能：响应速度快，达几十微秒；视角大，达80o，可多人同时观看；工作温度范围宽，为55oC～125oC，超过一般集成电路所能承受的极端工作温度；轻薄牢固，有效器件本身没有腔体和封装问题，可以承受玻璃板所能承受的各种震动冲击。这种器件的缺点是工作电压较高，负载容抗较大，致使专用驱动集成电路成本较高。19光子学与光电子学原荣邱琪编著图10.2.1薄膜电致发光显示器件典型的薄膜电致发光显示（ELD）器件是将发光层夹持在行电极和列电极之间的一种结构，行电极和列电极相互正交。发光层是掺有荧光粉（如显示黄橙色的ZnS:Mn）的透明而绝缘的胶合有机介质。本质上，这种电致发光器件是在加上脉冲电压时，悬浮在绝缘介质中的微小（几微米到几十微米）发光粉晶体的发光现象。20光子学与光电子学原荣邱琪编著图10.2.2薄膜电致发光显示（ELD）器件ELD器件的发光层等效为一个电容Ca和两个串联的发光二极管的并联，Ci是绝缘介质等效电容。21光子学与光电子学原荣邱琪编著ELD器件的工作原理当上下电极加上脉冲电压时，所加电压U通过介质电容加到发光层电容Ca上。当发光层上的场强超过器件阈值场强时，处于负极与介质界面一边的电子通过隧道效应进入导带，在强电场作用下很快加速。当电子能量达到2.5eV以上时，发光层里的二价锰离子（Mn2+）被激发，当激发电子跃迁回基态时，器件就发出相应于发光中心能级与基态能级差的光。与此同时，高能电子还同时碰撞发光层基质的缺陷能级，使之雪崩电离，形成雪崩电流，并在阳极和介质界面积累，产生空间电荷极化场。极化场的方向和外加电场方向反向，使发光过程迅速停止。当外加脉冲电压反向时，极化场方向和外加场同向，上述过程又重新开始。器件在脉冲电压激发下的发光波形如图10.2.3（a）所示。22光子学与光电子学原荣邱琪编著图10.2.3ELD器件的工作特性由图10.2.3（a）可见，器件发光亮度与前一个脉冲的极性关系极大，当下一个脉冲反极性时，器件的亮度显著增强；反之，当下一个脉冲为同极性时，器件的亮度便显著减弱。器件正常使用时，一般工作在阈值电压以上，，当亮度开始出现饱和时，发光效率最大。23光子学与光电子学原荣邱琪编著图10.2.4在发光层中掺入不同种类的荧光粉就可以得到不同种类的发光颜色彩色薄膜ELD可以用三基色光的空间混合或宽谱白光通过三基色滤色器的分光来实现（见5.3.3节）。ELD的发光颜色由掺杂的发光中心的特征能级所决定，从这个意义上来讲，不难找到发红、绿、蓝基色光的发光材料，如图10.2.4所示。目前，红色、绿色材料的亮度已经达到实用的要求，但蓝色材料还有一定的距离，主要原因是蓝色的能量较高，要求激发电子的能量较大。24光子学与光电子学原荣邱琪编著10.2.2后膜/薄膜混合电致发光显示

用高介电常数厚膜介质替代薄膜ELD中的一层薄膜介质，以便提高抗击穿能力，减小工作电压，增厚荧光层，提高亮度。该器件在单一荧光层上采用蓝光转换法实现彩色显示，即用同样的发光材料制作发光层，发光层发出的光去激发光转换层，从而发射能量较低的红光和绿光。25光子学与光电子学原荣邱琪编著10.2.3粉末电致发光显示将发光材料粉末和介质材料混合，用丝网印刷等方法制作成数十微米厚的发光层，在两面加上电极，经密封防潮后就成为粉末电致发光板。这种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。所用基质材料是ZnS，掺以不同的发光中心材料，就可以得到不同的颜色。这种器件大都用做平面冷光源、LCD的背光源、仪表盘照明等。该器件的亮度和驱动频率成正比，一般用100V、400Hz的交流信号驱动。与其他显示器件相比，电致发光显示器（ELD）的研究开发起步很早，但未能捷足先登占领市场，至今仅有部分产品达到商品化，有些姗姗来迟。主要原因是色彩进展缓慢，高耐压驱动IC芯片价格较高。目前，掺入ZnS:Mn的电致单色（发橙黄色）显示器件已经商品化，正在向双色（红色、绿色）、三色（红色、绿色和蓝色）和多色显示器发展。26光子学与光电子学原荣邱琪编著10.3有机电致发光显示（OLED）器件近年来，有机电致发光显示（OELD或OLED）器件的研究取得突破性进展，引起产业界的高度重视，因为它主动发光，发光效率高，色彩丰富，工作电压低（10V），视角宽，响应快，能耗低，分辨率高，工作温度范围宽。可采用与集成电路相匹配的直流低压驱动，是极具发展前途的显示技术。有机电致发光（OELD）显示是通过电流驱动有机半导体薄膜材料来达到发光和显示的目的。OLED是全固态器件，无真空腔，无液态成分，既薄又轻，所以不怕震动，使用方便，广泛用于武器装备和恶劣环境。此外，OLED还可作为显示领域的平面背光源和照明光源使用。因此，OLED具有良好的发展前景，其中柔性显示屏具有潜在的应用空间。27光子学与光电子学原荣邱琪编著10.3.1OLED器件的结构OLED有单异质结和双异质结两种不同的结构形式。用作有机发光器件的材料可分为有机小分子和聚合物两类。通过材料设计，有机电致发光材料的光谱范围可以覆盖整个可见光区，在有机基质材料中，掺入荧光或磷光染料来获得所希望的发光颜色，同时也可提高器件效率，延长其寿命。28光子学与光电子学原荣邱琪编著10.3.2OLED显示的工作原理OLED的发光机理一般认为，在外界电压的驱动下，由电极注入的电子和空穴在有机物中与有机发光分子相遇，并将能量传递给有机发光分子，将电能转换为分子内能，使价电子从基态跃迁到激发态；当受激发分子价电子从激发态回到基态时，发出其能级差的光子。29光子学与光电子学原荣邱琪编著OLED发光机理可简单地分为以下几个过程：（1）在外加电场的作用下，电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机薄膜层注入；（2）注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移；（3）电子和空穴在发光层与有机发光分子相遇产生激子；（4）当激子由激发态辐射跃迁到基态时，就将激发态和基态之间的能级差以光的形式发射出来，这就是电致发光。荧光光子的能量为hv=S1S0，磷光光子的能量为hv=T1S0。30光子学与光电子学原荣邱琪编著10.3.3有源矩阵OLED显示器件与5.3.4节介绍的液晶显示一样，有机电致发光显示的驱动方式也有无源驱动（见图5.3.7）和有源驱动（见图5.3.15）之分。OLED有源驱动是在器件基板上制作薄膜晶