電致發光顯示:簡要概述,交流薄膜型,結構及工作原理,工作特性,彩色技術,交流厚膜薄

電致發光（EL）是一種直接把電能轉化為光能的物理現象。從發光物理的角度來討論，可以分為低場型電致發光和高場型電致發光兩種。

基本介紹

中文名：電致發光顯示
類型：一種平板顯示器技術
特點：回響速度快，視角大
用途：用作平板顯示器件

簡要概述,交流薄膜型,結構及工作原理,工作特性,彩色技術,交流厚膜薄膜混合型,交流粉末型,套用和前景,

簡要概述

低場型電致發光一般是指在III-V族化合物的PN結上注入少數載流子，產生複合而引起的發光，這就是通常的發光二極體（LED）。高場型電致發光是一種高場非結型器件的發光，其材料是II-VI族化合物。

高場型電致發光現象是1936年由法國巴黎大學的Destriau發現的。20世紀50年代希望把它做成冷光源，但亮度和壽命沒有過關，到60年代紛紛下馬。直到1974年日本用半導體技術製作成薄膜器件，把發光層夾在兩層高質量介質薄膜之間，使器件工作在交流狀態，獲得了高亮度和長壽命，奠定了現代EL平板顯示技術的基礎。到目前為止，橙黃色單色器件和多色器件已經批量生產，彩色EL器件尚未批量生產。

高場型電致發光器件結構可分為薄膜型、厚膜薄膜混合型和粉末型三種。交流薄膜型和混合型可用做矩陣顯示，是目前EL技術發展的主要方面；交流粉末型則用做LCD等的平面光源。

交流薄膜電致發光顯示是全固體化平板顯示器件，具有以下一系列固體器件所特有的性能：

1、回響速度快，達幾十微秒。

2、視角大，達

80°，可多人同時觀看。

3、工作溫度範圍寬，為-55℃~+125℃，超過一般積體電路所能承受的極端工作溫度。

4、輕薄牢固，有效器件本身沒有腔體和封接的結構，可以承受玻璃板能承受的各種震動衝擊條件。

這種器件的缺點是工作電壓較高、負載容抗較大，致使專用驅動集成塊成本較高。

交流薄膜型

結構及工作原理

典型的交流薄膜電致發光顯示（AC-TFELD）結構如圖1-1所示。在低鹼硼矽玻璃基板上製作ITO透明導電膜列電極，在其上順序製作介質層（I）—發光層（S）—介質層（I）夾心結構薄膜，頂部是與列電極正交的鋁行電極。為了防止大氣中水汽對器件的影響，其上還用環氧樹脂封合一帶凹槽的後蓋玻璃，隙內充以矽油。

器件的等效電路如圖1-2所示。在上下行列電極間加以交流脈衝電壓時，所加電壓通過介質層電容

分壓加到發光層電容

上。當發光層上的場強超過閾值場強時為

V/cm~

V/cm（此時所相應的外加電壓稱為閾值電壓），處於負極一邊I-S界面的電子通過隧道效應進入導帶，在強電場下很快加速。對橙黃色單色器件而言，當電子的能量達到2.5Ev以上,發光層里的發光中心

被激發，在激發電子躍遷回基態時，器件就發出相應於發光中心特徵能級的光。與此同時，高能電子還同時碰撞發光層基質的缺陷能級，使之雪崩電離，形成雪崩電流並在靠近陽極一邊的I-S界面積累，產生空間電荷的極化場。極化場的方向和外加電場方向相反，使發光過程迅速停止。當外加脈衝電壓反向時，極化場的方向和外加場相同，上述過程又重新開始。

工作特性

ELD最重要的工作特性是它的亮度和發光效率與工作電壓的關係，分別稱為B-U特性和n-U特性，典型的曲線如圖1-3所示。從B-U特性的形狀看，它可以分為起始的急速上升段和隨後的亮度飽和段。一般定義器件的亮度為3.4cd/

時所相應的工作電壓為閾值電壓U_th。器件正常使用時一般工作在閾值電壓以上30V處，即U_th+30V。從圖可以看到，在B-U曲線的拐點處發光效率最高。使器件工作在U_th+30V是考慮到器件亮度和發光效率的折中選擇。

彩色技術

彩色TFELD可以用三基色光的空間混合或寬譜“白色”光通過三基色濾色其的分光來實現。TFELD的發光顏色由摻雜的發光中心的特徵能級所決定，從這個意義上來講，不難找到發紅、綠、藍基色光的發光材料。但為了使發光的亮度和效率達到實用要求，要考慮發光中心離子和基質材料陽離子尺寸匹配的問題；否則發光中心不能進入晶格的替位位置，晶場發生畸變，發光效率下降。還要考慮它的碰撞激發截面較大，在基質中溶解度也比較高等，以獲得高亮度。能同時滿足這些要求的材料不多。

目前，紅色和綠色材料的亮度已經達到實用要求，但藍色材料還有一定距離，主要原因是藍光的能量較高，要求激發電子的能量較大，基質材料相應的平均自由程度較長，實現這些要求有一定難度。除了II-VI族材料中的SrS,CaS系列外，人們擴大範圍，開展三元系材料的研究，其中CaGa₂S₄系列取得了良好的結果。但總的來說，藍色發光材料仍是制約TFELD彩色化進展的重要因素。從寬譜“白色”發光材料來講，它包含三基色的成分，加上濾色器還有一定的損失，因此要求比較高的白光亮度才能分出達到實用要求的三基色光來，目前離實用還有一些距離。

彩色TFELD也採用單色的夾心形式，在結構上可以分為發光層圖案結構和寬譜發光加濾色器結構兩種。圖案型結構中發光層要光刻成一個個像素，工藝上比較複雜。為了解決不同基色像素閾值電壓不同的問題和方便地調整白場平衡，有人把紅色、綠色像素做在一塊基板上，把藍色單獨做在另一塊基板上，然後兩塊基板上下對準封在一起，如圖1-4所示，較好地解決了這個問題。寬譜發光器件中發光層不需要光刻，但需要三基色濾色器。為了防止在工藝過程中濾色器的劣化，可做成倒置式結構，濾色器最後製作，如圖1-5所示。

交流厚膜薄膜混合型

針對交流薄膜電致發光顯示存在的不足，電致發光顯示要在套用中取得競爭優勢，必須在彩色化、亮度、可靠性、低生產成本方面取得較大進展。加拿大iFire公司開發了厚膜薄膜混合結構電致發光顯示（TDELD）。TDELD技術是在交流薄膜電致發光顯示的原理基礎上，採用厚膜薄膜混合結構，用高介電常數厚膜介質替代TFELD中的一層薄膜介質，提高抗擊穿能力和減小工作電壓還可以使用較薄膜電致發光要厚一些的螢光層，使顯示器亮度和可靠性都得到較高。此外，iFire公司還採用單一螢光層加顏色轉換層實現彩色化的技術。

TDELD結構和寬譜型倒置式結構多色ELD結構類似，主要由玻璃後基板、金屬列電極、厚膜介質層、藍光發光層、透明行電極、介質層、藍紅轉換層、藍綠轉換層、藍濾色膜、前透明蓋板構成，如圖1-6所示。圖中的金屬電極由於不需要透明，可以採用厚膜精密絲網印刷工藝，這樣具有較好的導電性和較低的生產成本；金屬電極上面的絕緣層，TFELD器件中的厚度約0.2um，而TDELD中用的是厚度為10um~20um高介電常數厚膜介質，可採用絲網印刷工藝或塗覆工藝。採用高介電常數的厚膜介質之後，除了改善性能之外，也易於套用於大基板生成。在實際工藝中，在厚膜介質層上還需要進行平整化工藝和一層薄膜介質工藝，改善與螢光層的界面性能。

此外，在彩色化方面，TDELD採用藍光轉換法實現彩色顯示，如圖1-6所示。即由同樣的發光材料製作發光層，發光層發出的光去激發光轉換層從而發射能量較低的光。藍光是三基色中頻率最高的顏色，因此其能量也最高，TDELD中的發光層採用能發射藍光的BaAl₂S₄：Eu材料，它具有較好的色純和發光效率。光轉換層需要具有較高的藍光到紅光的轉換效率和藍光到綠光的轉換效率，還要有較好的色純，並且在長時間藍光照射下能穩定發光。藍色轉換法有效地避開了白光濾色法效率低的問題，也避開了三基色直接發光法的發光材料性能及壽命的不一致性、生產工藝要求高等問題。

交流粉末型

將發光材料粉末和介質材料混合，用絲網印刷等方法製作成數十微米厚的發光層，在兩面加上電極，經良好的防潮密封就成為交流粉末電致發光板。這種器件可以做在玻璃基板上，也可以做在塑膠基板上，厚度可以小於1nm。所用基質材料是ZnS，在其中摻以不同的發光中心就可以得到不同的顏色。這種器件大都用作平面冷光源、LCD的背光源、儀錶盤照明、引示牌照明等，在軍事上有一定的套用。該器件的亮度和驅動頻率成正比，一般用100V、400Hz的中頻驅動。目前用做LCD背光源的器件亮度在100cd/

以上，半亮度壽命在3000h左右。

套用和前景

TFELD因其優異的環境性能和良好的顯示質量，在工作條件惡劣和對體積有嚴格要求的場合獲得廣泛套用。美國的太空梭、M1A2主戰坦克和輕型軍用直升飛機、英國的“挑戰者”號坦克等都使用TFELD。在海灣戰爭中一共有16種武器系統採用TFELD,經受了沙漠戰爭的實地考驗。美國陸軍曾一次購買1.2萬個中小型ELD裝備野戰部隊。民用方面，在工業控制和醫療設備上也因其顯示質量優異而獲得套用。

在技術上，TFELD的發展主要是提高藍色發光材料的亮度和效率。藍色材料不過關，實現彩色化就有問題，套用也只能局限在一個有限的範圍內。TFELD的另一個發展是和有源矩陣相結合，製成有源ELD，即AM-ELD。有源矩陣做在單晶矽上，用成熟的IC技術可以做得十分精細。高分辨力、高亮度的AM-ELD已經成功地用做頭盔顯示和虛擬現實顯示，其分辨力高達300l/mm。

TDELD技術有可能套用到大尺寸彩色顯示領域，已開發出17英寸VGA（對比度1000:1，亮度300cd/

）和34英寸寬屏擴展圖形陣列（WXGA），目前處在開發批量生產技術階段。

電致發光顯示