17.LED,OLED显示技术

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1、课次17. 发光二极管LED和有机发光二极管OLED显示,发光二极管LED显示,1. pn结回顾,本征半导体 T=0K时，价带中全部量子态都被电子占满，而导带中的电子态都是空的。 T0K时，热激发电子从价带中激发到导带中成为自由电子，同时在价带中产生空穴。 导带中电子和价带中空穴浓度： n型和p型半导体 掺入比基体高一价或低一价的杂质,1. pn结回顾,pn结 n型和p型半导体在接触面上由于多子扩散、少子漂移，达到动态平衡后形成稳定的pn结耗尽层（高阻区），建立稳定的内电场。 正向偏压下的pn结 p区加正电压，n区加负电压。 外电场与内电场方向相反，破坏原有平衡，多子扩散少子漂移，n区电子通过

2、耗尽层进入p区（同理p区空穴进入n区），成为非平衡少子。,1. pn结回顾,复合理论 导带中的电子与价带中的空穴互相复合时，一定要释放出多于的能量。释放能量的方式有两类： 1. 辐射复合，发射光子 按电子跃迁方式可分为： 直接复合：帯间复合，二体过程，辐射效率高，如GaAs、InP等； 间接复合：非帯间复合，声子，三体过程，一般辐射效率低，如GaP。 2. 非辐射复合，转变为热能或激发别的载流子,1. pn结回顾,2. LED发光原理,在某些半导体材料的pn结上加正向电压，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光子的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 发出光的波长由pn结的材

3、料决定。 这种利用注入式电致发光原理制作的二级管叫发光二级管，简称LED（Light Emitting Diode）。,3. LED发展史,1907年Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象，由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用，研究被摒弃了（1923年，罗塞夫Losev发现了半导体SiC中偶然形成的pn结中的发光现象） ； 20年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德国使用从锌与铜硫化物中提炼的黄磷发光，再一次因发光暗淡而停止研究； 1936年，George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告，出现了“电致发

4、光”这个术语。,3. LED发展史,20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED，只能发出不可见的红外光，于60年代面世，据说在早期的试验中，LED需要放置在液化氮里； 60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见红光的LED。磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至能产生橙色的光； 70年代中期，磷化镓作为发光光源，发出了灰白绿光。LED采用双层磷化镓芯片（一个红色另一个是绿色）能够发出黄色光。,3. LED发展史,同时期，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED，在70年代末，它能发出纯绿色的光。 80年代早期到中期对砷

5、化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色； 20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期，再一次利用了金钢砂； 90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓LED。,3. LED发展史,超亮度蓝光芯片是白光LED的核心，在这个发光芯片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自芯片上的蓝色光源再转化为白光。利用该技术可以制造出任何可见颜色的光。今天在LED市场上能看到发出各种颜色可见光的LED。 最近开发的LED不仅能发射出纯紫外光甚至能发射出真实

6、的“黑色”紫外光。 LED的发展经历了一个漫长而曲折的过程，将来LED发展到底能走多远，不得而知。也许某天能开发出发射X射线的LED？,3. LED发展史,以发光效率为标志的LED发展历程 早期开发的为普通型LED，中、低亮度；近期开发的为新型LED，蓝光，高、超高亮度。,3. LED发展史,领先世界LED产业的日亚化学成立于1956年。在1993年之前，公司主要的产品是荧光灯、显象管用的荧光粉，销售额也不过是200亿日元。 日亚化学先在1988年资助中村修二到美国佛罗里达州立大学研究有机金属气象法（MOCVD），1989年又从日本酸素制造购买了一台MOCVD设备供中村修二研究。 当时整个产业

7、界对蓝绿光LED都束手无策，而作为今天LED最主要材料的氮化镓，当时很难找到与之晶格常数相匹配的衬底，这样生长的外延片原子排列就不规则，发光效率无法提升。同时，作为发光二极管中不可缺少的部分P型GaN成长不易。 因此在1990年前后，氮化物半导体研究几经周折，甚至当时日亚化学还一度中止了中村修二的研究。,3. LED发展史,技术的突破首先从被称为氮化物之父的名古屋大学的赤崎勇教授开始，他利用MOCVD在低温下成长了氮化铝缓冲层，而后在高温下成长氮化镓。 随后，中村修二在1991年利用低温成长非结晶氮化镓缓冲层，再以高温成长氮化镓结晶。 1989年，赤崎勇教授利用电子束照射得到P型氮化镓，中村修

8、二直接利用热退火完成P型氮化镓的制作。 这样，困扰氮化物半导体的两个重大问题先后被赤崎和中村攻克，从此开创了今天氮化物半导体在白光LED中的核心地位。,3. LED发展史,日亚化学也因为中村修二“诺贝尔奖级别”的发明奠定了世界领先地位1993年首先开发出蓝色LED，1997年开发出紫外LED，1999年蓝紫色LED样品开始出货，2001年开始提供白光LED。 世界领先的LED制造商Cree公司2006第一季度业绩，获利2170万美元，销售收入1.039亿。 Lumileds公司2004年的成绩也非常喜人，销售收入增长43%达到2.8亿美元，纯利润0.62亿美元，增长2倍，预期未来纯利润将保持在

9、2025%之间。 相比之下，年产60亿颗白光LED的日亚化学成绩更加突出，其产能几乎是Cree公司的2倍，2004年LED销售额接近20亿美元，税前利润超过50%。,3. LED发展史,飞利浦公司以9.5亿美元的代价取得了Lumileds公司47%的股份，合计96.5%的绝对控股权，表达了飞利浦公司对LED进入照明领域前景的信心。随后，两公司联合开发汽车照明模块，以推动汽车制造商采用固态照明解决方案的进程。 在LED应用的另一个重要领域，LCD背光源部分，飞利浦以15亿美元的代价取得了LG-LCD半数股份。 飞利浦在LED时下增长最快的两个领域：汽车照明和LCD背光源部分，都形成了良好的整合关

10、系。,3. LED发展史,日亚（中村修二）与丰田合成（赤崎勇）的竞争：相互起诉，互有胜负。 日亚与美国Cree公司的争斗：2001年5月东京地方法院驳回日亚控告Cree公司在蓝光LED上的侵权被驳回，导致蓝光LED结构不再为日亚一家垄断。 日亚与中村修二的矛盾：不满待遇，1999年中村修二愤然出走，进而成为Cree公司的得力干将，并且对日亚化学提起了专利权不属于职务发明的确权之诉。如果诉讼成功，日亚化学专利权的根本将受到动摇。,3. LED发展史,2002年，日亚与丰田和解，Cree和Lumileds签署相互进出口许可合同，四家公司达成专利交叉许可协议，由竞争转为合作。 欧美同行的竞争压力改变

11、了日亚化学的专利授权政策，也给台湾LED企业一个做大的机会。 2004年8月，日亚授权台湾光磊科技公司蓝光专利。 2005年，台湾连续发生两起大的并购，成就了晶元电与元砷两家大的LED厂商，LED产能世界前5强，使得台湾白光LED市场占有超过20%，成为仅次于日本的第二大供应地。,3. LED发展史,台湾的LED之父石修在日本开始MOCVD外延技术时，极力建议台湾省工业研究院建立MOCVD研发技术，但是其时主事者张忠谋以LED前途不明，德州仪器放弃了LED研究投入为由拒绝。 10年后，石修建议台湾省着手MOCVD关键技术，摆脱台湾省外延芯片依赖欧美日的局面。好在此次恰逢世界LED产业投资高峰，

12、工研院接受了建议。 上世纪90年代末，工研院出来的研究团队以及国外回中国台湾人才创立了晶元光电、国联、胜阳等外延片厂商，掌握了高亮度外延片制造技术，弥补了台湾省上游LED产业缺口。,3. LED发展史,在手机和LCD背光源市场，白光LED性能已经满足要求，现在的问题是成本仍然过于高昂，而进入汽车车前灯甚至普通照明领域，现有的白光LED性能还略显不足。 在蓝光LED领域，专利授权和合作成为主流。 而在有望取得更高发光效率的紫外光领域，各家在研发上的竞争正如火如荼的进行。 市场短暂的平稳也必然随着紫光LED的突破而重新趋于激烈。,4. LED结构与制作工艺、材料,4. LED结构与制作工艺、材料,

13、制作LED不但需要优质无缺陷的单晶材料，为了形成LED发光中心，还需要对单晶材料做可控掺杂。1. 外延生长技术 从大直径单晶上切下来的单晶片含有缺陷量，不能直接用于LED制作，只能用作衬底，在其上外延生长所需优质单晶薄膜。 在单晶衬底上生长一层新单晶的技术外延。新单晶层的取向取决于衬底，并由衬底向外延伸而成，故称“外延层”。 外延生长技术：气相外延VPE、液相外延LPE、分子束外延MBE和金属有机化合物气相沉淀MOCVD。,4. LED结构与制作工艺、材料,2. 扩散技术 扩散技术用于LED制造中的掺杂。 扩散过程分两步：首先通过气相沉淀或涂敷的方法，在基片表面覆盖一层所希望的掺杂剂，使基片表

14、面上含有一定量的杂质预沉积；然后加温使杂质原子向晶体内运动。 扩散深度主要取决于温度和扩散时间。 对于-族化合物，由于受主杂质族元素比施主杂质族元素更容易扩散，所以常常在n型晶体衬底上使用受主杂质Zn作为杂质原子进行扩散以形成pn结。,4. LED结构与制作工艺、材料,3. 制备电极 在电极引线与pn结间需形成欧姆接触。 对于-族化合物半导体的欧姆接触电极：n型为Au-Si，Au-Ge（Au含量96%最佳）；p型为Au-Bu，Au-Zn。 制备过程：先将合金膜蒸发在半导体材料上，然后进行热处理，形成欧姆接触电极。 制备好电极后，经光刻工艺形成一定电极图形，便可切片成小管芯，置于引线架上固定，焊

15、好引线，并把反光板安装在管芯四周，从而制得常见发光二极管。,4. LED结构与制作工艺、材料,4. LED结构与制作工艺、材料,对应于可见光的光谱范围，材料的禁带宽度应为：1.72eV Eg 3.1eV Si的Eg是1.12eV，故不能用； GaAs的Eg是1.43eV，用它做的LED光谱中心为0.9m，也不行； -族化合物半导体带隙覆盖整个可见光，且是直接能带，但由于严重的自补偿作用，难以制成好的pn结或达不到重掺杂，注入效率不高； 实际的LED材料多为-族化合物半导体：二元合金GaP，三元合金GaAsP、GaAlAs等，四元合金In-GaAlP，蓝色LED材料SiC、ZnSe、GaN等。,

16、4. LED结构与制作工艺、材料,1. 伏安特性2. 亮度与电流关系 低电流密度下m=1.31.5； 高电流密度下m=13. 温度特性4. 光谱特性5. 响应速度 主要取决于少子寿命6. 电光性能的表述（光度学）,5. LED特性、技术指标与特点,LED屏的技术指标：P66 1. 室内屏系列：面积一般在十几平方米以下，点密度较高，在非阳光直射或灯光照明环境下使用，观看距离在几米以外，屏体不具备密封防水能力。 根据控制方式和显示颜色分为：室内全彩色视频屏、室内双基色视频屏、室内单色屏 2. 半室外屏系列：一般使用发光单灯组成发光点，适用于亮度较高又可防水的环境。 3. 室外屏系列：面积一般在10m2以上，亮度较高，可以在阳光直射环境下使用，观看距离在十几米以外，屏体具备密封防水能力。,