光电半导体与OLED发展现况.docx

光电半导体与OLED发展现况.docx

《光电半导体与OLED发展现况.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电半导体与OLED发展现况.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

光电半导体与OLED发展现况

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、侧射型激光、与面射型激光的发展现况，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。

1、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-EmittingDiode,LED）及半导体激光（LaserDiode,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（CathodeRayTube,CRT）显示器已逐渐被薄膜晶体管液晶显示器（ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay,TFT-LCD）或电浆显示器（PlasmaDisplayPanel,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（OrganicLight-EmittingDiode,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、侧射型激光（Edge-EmittingLaser,EEL）与面射型激光（Vertical-CavitySurface-EmittingLaser,VCSEL）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。

2、光电组件

接下来逐项介绍发光二极管、侧射型激光、面射型激光、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。

（1）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（SingleQuantumWell,SQW），成功长成尖峰波长为267nm的发光二极管，脉冲操作下之最大功率可达4.5mW；当输入电流为435mA时，连续波操作最大功率为165μW[1]。

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269nm，当连接两个LED并外加40mA的直流电时，其光输出功率可达0.85mW[2]。

以上研发成果皆为紫外光发光二极管的翘楚，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（AdvancedPhysicalModelsofSemiconductorDevices）仿真软件来分析InGaN多量子井（MultipleQuantumWell,MQW）结构的LED组件特性。

我们参考Tadatomo等人在2001年所设计的InGaNLED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3nm，井障（barrier）的材料为GaN，厚度是10nm，组件为350μm350μm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382nm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-onvoltage约为3.0V，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。

（2）侧射型激光

侧射型激光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、蓝光或紫外光激光的探讨。

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1.55μm通讯光源，这一些材料的优点是成长激光结构时，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光驱或烧录机之激光光源；蓝光激光或是紫外光激光则为InGaN与AlGaN材料系统，短波长激光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激光结构，此组件在光激发及室温操作下其激光波长可达241.5nm[4]，是近期紫外光激光的最新突破。

而台湾目前侧射型激光相关厂商包括国联、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量子井激光的相关研究，我们使用LASTIP（LASerTechnologyIntegratedProgram）仿真软件探讨电子溢流与载子分布不均匀对激光特性的影响[5]。

活性层电子溢流效应容易导致激光的临界电流增高，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激光操作性能的重要因素。

图3是单一量子井与双量子井（DoubleQuantumWell,DQW）InGaN激光结构，当激光波长范围在392461nm时临界电流与波长的关系图。

若激光输出波长小于427nm时，DQW结构有较低的临界电流；当激光波长大于427nm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]。

（3）面射型激光

由于短程光纤通讯用塑料光纤最低损失窗大约在670nm的波段，再加上塑料光纤价格便宜，光的耦合效率也较高，还兼有柔软、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，同时由于面射型激光具有高速调变、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面射型激光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270meV左右，比AlGaAs材料小了80meV，热电阻也是AlGaAs的2至3倍，因此在AlGaInP面射型激光的相关研究上，仍有许多困难必需加以克服[8]。

有关AlGaInP面射型激光的最新发展，2002年德国的Knigge等人设计的红光VCSEL在波长650nm的光输出功率为4.3mW，而670nm的光输出功率可达10mW[9]，可说是AlGaInP面射型激光近年来最大的突破。

在AlGaInP面射型激光的相关研究上，我们尝试以PICS3D（PhotonicIntegratedCircuitSimulatorin3D）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激光性能图，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的激光性能。

另一方面，我们也曾经模拟在850nmGaAsVCSEL的活性层中加入少量的In，研究结果显示激光组件的临界电流、斜率效能与特性温度都获得相当程度的改善[11]。

除了AlGaInP红光面射型激光之外，长波长材料GaInNAs与GaInNAsSb亦是近年来面射型激光的研究重点，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激光方面，Tawara等人于2003年设计三量子井InGaNVCSEL结构，激光共振腔长度为4个波长，DBR（DistributedBraggReflector）材料使用SiO2/ZrO2，在室温光激发下激光波长为401nm。

由于此激光具有高品质的活性层结构，激发光源的临界能量密度只需5.1mJ/cm2[12]。

相信在氮化物晶体品质不断的提升之下，必能促进蓝光、紫光与紫外光面射型激光更进一步的发展。

（4）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（LowTemperaturePoly-Silicon,LTPS）技术与主动式OLED（ActiveMatrixOLED,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SeikoEpson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OLED全彩显示器。

与以往ㄧ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（FlexibleOLED,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）与TPD（N,N’-diphenyl-N,N’-di（3-methylphenyl）-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine）及ITO（IndiumTinOxide）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（RecombinationRate）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25V时，电流只有30nA，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：

http:

//163.23.210.150/oled/。

3、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、侧射型激光、与面射型激光之外，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.Mayes,D.Shiell,L.Gautero,S.R.Darvish,P.Kung,andM.Razeghi,“4.5mWoperationofAlGaN-based267nmdeep-ultravioletlight-emittingdiodes,”Appl.Phys.Lett.,vol.83,pp.4701-4703,2003.

[2]V.Adivarahan,S.Wu,J.P.Zhang,A.Chitnis,M.Shatalov,andV.Mandavilli,“High-efficiency269nmemissiondeepultravioletlight-emittingdiodes,”Appl.Phys.Lett.,vol.84,pp.4762-4764,2004.

[3]K.Taadatomo,H.Okagawa,Y.Ohuchi,T.Tsunekawa,Y.Imada,M.Kato,andT.Taaguchi,“HighoutputpowerInGaNultravioletlight-emittingdiodesfabricatedonpatternedsubstratesusingmetalorganicvaporphaseepitaxy,”Jpn.J.Appl.Phys.,vol.40,pp.L583-L585,2001.

[4]T.Takano,Y.Narita,A.Horiuchi,andH.Kawanishi,“Room-temperaturedeep-ultravioletlasingat241.5nmofAlGaNmultiple-quantum-welllaser,”Appl.Phys.Lett.,vol.84,pp.3567-3569,2004.

[5]Y.-K.KuoandY.-A.Chang,“EffectsofelectroniccurrentoverflowandinhomogeneouscarrierdistributiononInGaNquantum-welllaserperformance,”IEEEJ.QuantumElectron.,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,andK.Chocho,“InGaN/GaN/AlGaN-basedlaserdiodesgrownonGaNsubstrateswithafundamentaltransversemode,”Jpn.J.Appl.Phys.,vol.37,pp.L1020-L1022,1998.

[7]S.Nakamura,M.Senoh,S.Nagahama,N.Iwasa,T.Matsushita,andT.Mukai,“BlueInGaN-basedlaserdiodeswithanemissionwavelengthof450nm,”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.BringansandD.F.Welch,“StrainedGaxIn1-xP/（AlGa）0.5In0.5Pheterostructureandquantumwelllaserdiodes,”IEEEJ.QuantumElectron.,vol.30,pp.593-607,1994.

[9]A.Knigge,M.Zorn,M.Weyers,andG.Tränkle,“High-performancevertical-cavitysurface-emittinglaserswithemissionwavelengthbetween650and670nm,”Electron.Lett.,vol.38,pp.882-883,2002.

[10]A.Knigge,M.Zorn,J.Sebastian,K.Vogel,H.Wenzel,M.Weyers,andG.Tränkle,“High-efficiencyAlGaInP/AlGaAsvertical-cavitysurface-emittinglaserswith650nmwavelength,”IEEProc.-Optoelectron.,vol.150,pp.110-114,2003.

[11]Y.Chang,Y.-K.Kuo,andM.-F.Huang,“Characteristicsof850-nmInGaAs/AlGaAsvertical-cavitysurface-emittinglasers,”inSemiconductorLasersandApplications,ProceedingsofSPIE,vol.4913,pp.31-40,2002.

[12]T.Tawara,H.Gotoh,T.Akasaka,N.Kobayashi,andT.Saitoh,“Low-thresholdlasingofInGaNvertical-cavitysurface-emittinglaserswithdielectricdistributedBraggreflectors,”Appl.Phys.Lett.,vol.83,pp.830-832,2003.

作者简介

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、半导体激光组件、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-gelQswitch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激光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:

btliou@mail.hit.edu.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激光实验室的负责人，研究专长为半导体激光、发光二极管、光学量测、数值模拟与分析。

E-mail:

ykuo@cc.ncue.edu.tw

http:

//ykuo.ncue.edu.tw/

4´InGaN/GaNMQW

100-nmp-GaN

50-nmp-AlGaN

50-nmn-AlGaN

n-contact

p-contact

6.0-μmn-GaN

图1InGaN/GaNMQWLED结构

图2InGaN/GaNMQWLED之L-I及I-V特性曲线

ThresholdCurrent（mA）

Wavelength（nm）

图3SQW与DQW结构激光波长对临界电流关系

图4AlGaInP面射型激光结构

图5650nmVCSEL仿真与实验激光性能图

图6OLED组件结构图

图7能带、再结合速率与载子浓度分布图

图8OLED组件I-V特性图

表1OLED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

全球首次宣布OLED应用商品化

1997年

日本先锋电子

多彩OLED汽车音响面板

为OLED商品开启了一股热潮

1998年

英国CDT

主动式高分子OLED单色显示器

高分子OLED之应用

1999年

日本三洋电机与美国Kodak合作开发

2.4吋主动式全彩OLED显示器

全球第一部采用低温多晶硅（LTPS）薄膜晶体管驱动的2.4吋主动式全彩OLED显示器

2000年

美国Motorola

多彩OLED手机面板

全球第一家量产OLED的公司

2001年

韩国三星SDI

15.1吋主动式全彩OLED显示器样品

2002年

日本东芝

17吋主动式OLED显示器

2002年

飞利浦

配备OLED显示屏的刮胡刀

全球第一个高分子OLED的商业化产品

2003年

日本SONY

13吋OLED平面显示器

已进入量产

2003年

台湾奇美光电

20吋OLED平面显示器

由amorphoussiliconTFTs所驱动

2003年

台湾铼宝科技

小尺寸全彩OLED面板

全彩量产化技术已成熟，为全球第二家、台湾第一家量产OLED的公司

2003年

台湾光磊科技

1.1、1.2、2.0、3.1吋被动式全彩OLED面板

产品寿命达一万小时

2003年

美国Kodak

配备OLED屏幕的数字相机

全球第一台使用OLED屏幕的数字相机

2004年

台湾东元激光

小尺寸多彩OLED面板

2004年

日本三洋

2.2吋全彩OLED面板

分辨率可达114,000dots

2004年

日本SeikoEpson

40吋OLED全彩显示器

目前世界第一大尺寸的OLED全彩显示器（高分子）

2004年

飞利浦

13吋OLED面板

高分子OLED

表2国内外投资OLED材料与技术专利厂商