光电半导体与OLED发展现况.docx

1、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-Emitting Diode, LED)及半导体激光(Laser Diode, LD)，其应用范围包括照明、指示器光源、光信息储

2、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(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

3、光二极管(Organic Light-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、侧射型激光(Edge-Emitting Laser, EEL)与面射型激光(Vertical-Cavity Surface-Emitting

4、 Laser, 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

5、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(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 W1。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

6、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(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Tadato

7、mo等人在2001年所设计的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 m 350 m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。(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

8、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1.55 m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241.5 nm4，是近期紫外光激光

9、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(LASer Technology Integrated Program)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

10、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(Double Quantum Well, DQW)InGaN激光结构，当激光波长范围在392 461 nm时临界电流与波长的关系图。若激光输出波长小于427 nm时，DQW结构有较低的临界电流；当激光波长大于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。(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670 nm的波段，再加上塑料光纤价格便宜，

11、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

12、的红光VCSEL在波长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(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850 nm GaAs VCSEL的活性层中加入少量的

13、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InGaN VCSEL结构，激光共振腔长度为4个波长，DBR(Distributed Bragg Reflector) 材料使用SiO2/ZrO2，在室温光激发下激光波长为401 nm。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5.1 mJ/cm212。相信在氮化物晶体品质不断的

14、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

15、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(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

16、，为目前世界最大的OLED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

17、) aluminum)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，

18、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. McClinto

19、ck, K. Mayes, 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-efficie

20、ncy 269 nm 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 me

21、talorganic 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.

22、 Chang, “Effects 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. Umemo

23、to, M. Sano, 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 emissio

24、n wavelength 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 Electro

25、n., vol. 30, 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,

26、and G. Trnkle, “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 Semicond

27、uctor Lasers 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. 830-83

28、2, 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-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

29、。E-mail: btlioumail.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: ykuocc.ncue.edu.twhttp:/ykuo.ncue.edu.tw/4InGaN/GaN MQW100-nm p-GaN50-nm p-AlGaN50-nm n-AlGaNn-contactp-contact6.0-m n-GaN 图1 InGaN/GaN MQW LED结构图2 InGaN/GaN MQW LE

30、D之L-I及I-V特性曲线Threshold Current (mA)Wavelength (nm)图3 SQW与DQW结构激光波长对临界电流关系图4 AlGaInP面射型激光结构图5 650 nm VCSEL仿真与实验激光性能图图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

31、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SDI15.1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SONY13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amorphous silicon TFTs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114,000 dots2004年日本Seiko Epson40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