场致发光，又称电致发光（EL），是固体发光材料在电场激发下发光的现象，是1920年古登和波尔发现的，在某些物质加电压后会发光德国学者。

简介

场致发光，又称电致发光（EL），是固体发光材料在电场激发下发光的现象，是1920年德国学者古登和波尔发现的，在某些物质加电压后会发光，。1923年苏联的罗塞夫发现了SiC中偶然形成的p-n结中的光发射。1936年，德斯垂发现掺入荧光粉ZnS的蓖麻油一加上电场就会发光。1947年，美国学者麦克玛斯特发明了导电玻璃，利用它可以制作平面光源，但亮度不够高，1955年美国的沃尔夫在GaP上观测到Ⅲ-Ⅴ族半导体发出的可见光，1962年美国的潘可夫从GaAs中获得了红外光，20世纪70年代后，由于薄膜晶体管（TFT）技术的发展，EL在寿命、效率、亮度、存储上的缺点得到了部分克服，成为大型显示技术三大最有前途的发展方向之一。下面我们介绍一下场致发光显示的一些知识。

分类

按照场致发光激发过程的不同将其分为两类：

（1）注入式电致发光

由直接装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子和空穴在晶体内再复合时发光的现象。注入式电致发光的基本结构是结型二极管（LED）。

（2）本征电致发光

又分高场电致发光与低能电致发光。其中高场电致发光是荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激发或离化，电子在回复基态时辐射发光。而低能电致发光是指某些高电导荧光粉在低能电子注入时的激励发光现象。

低能电致发光的典型代表是荧光显示，虽说这种显示具有亮度高、发光颜色鲜明、工作电压低、功耗小、响应速度快、能用普通LSI直接驱动、寿命长，品种多等有点，但主要用于数字、文字、简单图形显示等方面，而高场电致发光与LED被认为是大屏幕显示最有前途的发展方向。

LED

LED是注入式电致发光的典型例子。注入式电致发光现象最早要追溯到1923年苏联的罗塞夫发现的SiC中偶然形成的p-n结中的光发射，但直到20世纪60年代人们才用GaAsP外延生长技术制成了第一只实用化红光LED，其后不久橙色、黄色LED也相继问世，LED得到迅速发展：70年代绿光LED得以实现，80年代初，高亮度LED拓展了LED的应用范围，1911年，利用MOCBD外延工艺制作出的超高亮度红、橙、黄LED更使LED走出室外，19941年GaN超高亮度蓝光LED问世及其后不久的超高亮度绿光LED，还有近年的紫光GaN LED研制成功，实现了LED发光颜色覆盖红、橙、黄、绿、蓝、紫可见光全谱，为全色显示奠定了基础。

P型和N型半导体接触时，在界面上形成p-n结，并由于扩散作用而在结两侧形成耗尽层。当给p-n结加正电压时，耗尽层减薄，注入到p区和n区的电子和空穴分别与原空穴和电子复合，并以光的形式辐射出能量。复合发光可以发生在导带和价带之间，称直接带间跃迁复合，也可以发生在杂质能级上，称间接带间跃迁复合。直接带间跃迁复合跃迁具有概率大、发光效率高、发光强度高、发光波长随多元化合物组分连续变化等优点。间接跃迁过程比较复杂：如果是单杂质材料，在常温下杂质大部分被电离，若杂质能级靠近导带底，则导带电子被杂质能级俘获并落入价带和空穴复合；若杂质能级靠近价带顶，则价带空穴被杂质能级俘获，并与导带电子复合后落回价带。如果辐射复合发生在两个杂质能级间，则导带电子和价带空穴被分离的相应杂质能级俘获并在低能态能级上复合发光，之后再落入价带。

LED一般有台面型与平面型两种结构。

OLED

有机发光显示器件（OLED）是以有机薄膜作为发光体的自发光显示器件，具有：

（1）发光效率高、亮度大；

（2）有机发光材料众多、价廉，且易大规模、大面积生产；

（3）发光光谱覆盖红外到紫外，便于实现全彩色显示；

（4）材料的机械性能良好，易加工；

（5）驱动电压低，能与半导体集成电路的电压相匹配，驱动电路易实现等优点。

因此OLED已经成为当今超薄、大面积平板电视器件研究的热门。1963年，P.M.Kallmann首次观察到了有机物的电致发光现象，并制备了简单的器件。1987年，柯达公司的W.C.Tang博士研制成功了2层薄膜的有机小分子OLED，同年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Jeremy Burroughes证明了高分子有机聚合物也有电致发光效应，并于1990年制备出相应的器件，从此OLED显示技术的研究进入了高速发展阶段。

1、OLED器件的发光机制

OLED由夹在一个透明阳极和金属阴极之间的有机层组成层状结构。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，当器件工作在正偏置时，由于有机异质结构的电子和空穴发生注入和迁移现象，形成电子-空穴对，重新组合，通过透明的电极发光。

OLED有单异质结结构和双异质结结构两种不同的结构形式。

OLED的发光机制简单地说是由阴极注入的电子和阳极注入的空穴在发光层相互作用形成受激的激子。激子从激发态回到基态时，将其能量差以光子的形式释放出来，光子的能量为

hv=E(2)-E(1)

式中，h为普朗克常数，v为出射光子的频率，E(2)为激子在激发态的能量，E(1)为激子在基态的能量。以典型的3层OLED为例，有机电致发光过程由以下步骤完成：

（1）载流子的注入，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电极内侧间的有机功能薄膜层；

（2）载流子的迁移，载流子分别从电子传输层ETL和空穴传输层HTL向发光层ELL迁移；

（3）激子的产生，空穴和电子在发光层ELL中相遇，相互束缚而形成激子；

（4）光子的发射，激发态能量通过辐射失活，产生光子，释放光能。

绝大多数有机电致发光材料属于有机半导体，它们长程无序，短程有序，分子间的相互作用是范德瓦尔斯力，分子内电子的局域性强，属于非晶固体，这种结构对电子的输运不利。考虑到有机半导体具有光吸收边及其电导率与温度成反比的关系，表明有机半导体也存在能带结构，但其能带结构不能直接套用无机半导体的能带结构，而可用能带结构解释：每个分子由多个原子组成，由各原子轨道线性组合形成分子轨道时，轨道的数目不变，但能级发生变化。两个能级相近的原子轨道组合成分子轨道时，总要产生一个能级低于原子轨道的成键轨道和一个能级高于原子轨道的反键轨道。多个成键对轨道或反键轨道之间交叠、简并，从而形成了一系列扩展的电子态，即电子能带。其中成键轨道中最高的被占据分子轨道称为HOMO，反键轨道中最低的未被占据分子轨道被成为LUMO。与无机半导体晶体的能带相比，可以把有机半导体中的成键轨道比做无机半导体的价带，反键轨道比做导带，HOMO则是价带顶，LUMO是导带底，这就是有机半导体的能带结构。

2、OLED器件的分类

OLED显示一般分为无源矩阵OLED和有源矩阵OLED。

无源矩阵OLED显示器件结构简单，价格低廉，适用于低信息量的显示应用，如字符、数字显示器，其有机层夹在两个互相垂直的电极之间，发光像素按矩阵排列，被扫描的像素在相应行、列驱动电压的驱动下，流过电流而发光。电极与发光层上、下分别有保护层与玻璃基板。 有源矩阵OLED显示器件主要用于高分辨率、高信息量的显示器，例如视频和图像显示等。其显示面板上增加了一层电子底板，每个像素通过在电子底板上相应的薄膜晶体管和电容器来进行独立的寻址，这样，当某一点像素发生故障时，只会引起该像素点变黑，而不会像传统的LCD显示器件那样，造成带点所在的行变成白色。另外，有源矩阵OLED器件采用恒定驱动电流，而且多晶硅扫描电路都直接集成到底板上，这样减少了许多昂贵的、高密集的IC和外围设备相接的接口电路。

高场电

高场电致发光显示一般分为交流粉末电致发光（ACEL）、直流粉末电致发光（DCEL）、交流薄膜电致发光（ACTFEL）、直流薄膜电致发光（DCTFEL）。

ACEL结构如图所示，它是将荧光粉悬浮在介电系数很高、透明而且绝缘的胶合有机介质中，并将之夹持在两电极之间而构成，实质上是大量几微米到几十微米的微小发光粉晶体悬浮在绝缘介质中的发光现象，又称德斯垂效应。加以正选电压时，每隔半个周期，器件以短脉冲方式发光一次，激励电压有效值常需数百伏，发光持续时间约1ms。ACEL不是体发光，而是晶体内的发光线发光，发光线上的亮度可达340000cd/m×m,总体光亮度约40cd/m×m，功率转换率约百分之一，寿命约1000小时，采用不同的荧光粉可获得红、蓝、黄、绿等各色光显示。 DCEL现象由乍姆等人于1954年发现，1966年人们得到了高亮度ZnS：Mn、Cu DCEL发光材料。DCEL结构基本与交流粉末器件相似，但其荧光粉的涂层是导电的CuS，正常使用前必须在两电极上施加短暂作用的高电压脉冲，是Cu 从紧挨着阳极的荧光物表面上失落，形成一薄层高电阻的ZnS。之后，较低的工作电压主要降在ZnS上，使之发光。这种器件转换效率仅0.1%，但发光亮度高达300cd/m×m（V=100V）。

自从1986年美国贝尔实验室制作出薄膜EL器件之后，这方面的研究日益活跃。ACTFEL早期的名字叫“Lumocen”，意为“分子中心发光”，其发光材料为ZnS，发光中心是稀土卤素化合物分子（TbF3）。现在的ACTFEL一般采用双绝缘层ZnS：Mn薄膜结构。器件由三层组成，发光层夹在两绝缘层间，起消除漏电流与避免击穿的作用。掺不同杂质则发不同的光，其中以掺Mn效率最高，加200V、5000Hz电压时，亮度达5000cd/m×m。ACTFEL具有记忆特性：给之加一系列脉冲电压，若下一个脉冲与上一个脉冲同方向，则发光亮度明显减小；若下一脉冲与上一脉冲反方向，则发光连读明显增加。利用记忆效应可以制成有灰度级的记忆板。

ACTFEL优点是亮度高，寿命长，稳定性极好，具有本征灰度存储能力，可用光笔或投影法做光学书写与擦除，能用二电平信号读出，分辨力高，工作范围宽。缺点是静电容大，显示速度慢，无自扫描、自位移功能，驱动复杂，颜色只有橙黄色效率高，工作电压高，集成化困难。

DCTFEL发光过程中，一方面，当电流通过ZnS薄膜时，电子注入到其导带，空穴注入价带，由于二者迁移率的差别，造成注入空穴基本上在阳极附近被发光中心俘获，在靠近阳极一边发光；另一方面，金属电极或CuS线与n型掺杂ZnS接触形成势垒，当反向偏压时电子隧道注入ZnS高场区，电子被加速，获得足够能量，碰撞激发或离化发光中心。这两种过程混合进行，形成了DCTFEL发光。

DCTFEL没有介质，可以使发光体直接与电极接触，因而能制作与晶体管和集成电路匹配的电压、直流EL器件，且均匀致密，分辨率高，成像质量优于一般EL器件，面积和形状不受影响，工艺简单，造价低，因而成为显示器件中最具发展潜力的一种。