电致发光显示

电致发光（EL）是一种直接把电能转化为光能的物理现象。从发光物理的角度来讨论，可以分为低场型电致发光和高场型电致发光两种。

电致发光显示简要概述

低场型电致发光一般是指在III-V族化合物的PN结上注入少数载流子，产生复合而引起的发光，这就是通常的发光二极管（LED）。高场型电致发光是一种高场非结型器件的发光，其材料是II-VI族化合物。

高场型电致发光现象是1936年由法国巴黎大学的Destriau发现的。20世纪50年代希望把它做成冷光源，但亮度和寿命没有过关，到60年代纷纷下马。直到1974年日本用半导体技术制作成薄膜器件，把发光层夹在两层高质量介质薄膜之间，使器件工作在交流状态，获得了高亮度和长寿命，奠定了现代EL平板显示技术的基础。到目前为止，橙黄色单色器件和多色器件已经批量生产，彩色EL器件尚未批量生产。

高场型电致发光器件结构可分为薄膜型、厚膜薄膜混合型和粉末型三种。交流薄膜型和混合型可用做矩阵显示，是目前EL技术发展的主要方面；交流粉末型则用做LCD等的平面光源。

交流薄膜电致发光显示是全固体化平板显示器件，具有以下一系列固体器件所特有的性能：

1、 响应速度快，达几十微秒。

2、 视角大，达

80°，可多人同时观看。

3、 工作温度范围宽，为-55℃~+125℃，超过一般集成电路所能承受的极端工作温度。

4、 轻薄牢固，有效器件本身没有腔体和封接的结构，可以承受玻璃板能承受的各种震动冲击条件。

这种器件的缺点是工作电压较高、负载容抗较大，致使专用驱动集成块成本较高。

电致发光显示交流薄膜型

电致发光显示结构及工作原理

典型的交流薄膜电致发光显示（AC-TFELD）结构如图1-1所示。在低碱硼硅玻璃基板上制作ITO透明导电膜列电极，在其上顺序制作介质层（I）—发光层（S）—介质层（I）夹心结构薄膜，顶部是与列电极正交的铝行电极。为了防止大气中水汽对器件的影响，其上还用环氧树脂封合一带凹槽的后盖玻璃，隙内充以硅油。

器件的等效电路如图1-2所示。在上下行列电极间加以交流脉冲电压时，所加电压通过介质层电容

分压加到发光层电容

上。当发光层上的场强超过阈值场强时为

V/cm~

V/cm（此时所相应的外加电压称为阈值电压），处于负极一边I-S界面的电子通过隧道效应进入导带，在强电场下很快加速。对橙黄色单色器件而言，当电子的能量达到2.5Ev以上,发光层里的发光中心

被激发，在激发电子跃迁回基态时，器件就发出相应于发光中心特征能级的光。与此同时，高能电子还同时碰撞发光层基质的缺陷能级，使之雪崩电离，形成雪崩电流并在靠近阳极一边的I-S界面积累，产生空间电荷的极化场。极化场的方向和外加电场方向相反，使发光过程迅速停止。当外加脉冲电压反向时，极化场的方向和外加场相同，上述过程又重新开始。

电致发光显示工作特性

ELD最重要的工作特性是它的亮度和发光效率与工作电压的关系，分别称为B-U特性和n-U特性，典型的曲线如图1-3所示。从B-U特性的形状看，它可以分为起始的急速上升段和随后的亮度饱和段。一般定义器件的亮度为3.4cd/

时所相应的工作电压为阈值电压U_th。器件正常使用时一般工作在阈值电压以上30V处，即U_th+30V。从图可以看到，在B-U曲线的拐点处发光效率最高。使器件工作在U_th+30V是考虑到器件亮度和发光效率的折中选择。

电致发光显示彩色技术

彩色TFELD可以用三基色光的空间混合或宽谱“白色”光通过三基色滤色其的分光来实现。TFELD的发光颜色由掺杂的发光中心的特征能级所决定，从这个意义上来讲，不难找到发红、绿、蓝基色光的发光材料。但为了使发光的亮度和效率达到实用要求，要考虑发光中心离子和基质材料阳离子尺寸匹配的问题；否则发光中心不能进入晶格的替位位置，晶场发生畸变，发光效率下降。还要考虑它的碰撞激发截面较大，在基质中溶解度也比较高等，以获得高亮度。能同时满足这些要求的材料不多。

目前，红色和绿色材料的亮度已经达到实用要求，但蓝色材料还有一定距离，主要原因是蓝光的能量较高，要求激发电子的能量较大，基质材料相应的平均自由程度较长，实现这些要求有一定难度。除了II-VI族材料中的SrS,CaS系列外，人们扩大范围，开展三元系材料的研究，其中CaGa₂S₄系列取得了良好的结果。但总的来说，蓝色发光材料仍是制约TFELD彩色化进展的重要因素。从宽谱“白色”发光材料来讲，它包含三基色的成分，加上滤色器还有一定的损失，因此要求比较高的白光亮度才能分出达到实用要求的三基色光来，目前离实用还有一些距离。

彩色TFELD也采用单色的夹心形式，在结构上可以分为发光层图案结构和宽谱发光加滤色器结构两种。图案型结构中发光层要光刻成一个个像素，工艺上比较复杂。为了解决不同基色像素阈值电压不同的问题和方便地调整白场平衡，有人把红色、绿色像素做在一块基板上，把蓝色单独做在另一块基板上，然后两块基板上下对准封在一起，如图1-4所示，较好地解决了这个问题。宽谱发光器件中发光层不需要光刻，但需要三基色滤色器。为了防止在工艺过程中滤色器的劣化，可做成倒置式结构，滤色器最后制作，如图1-5所示。

电致发光显示交流厚膜薄膜混合型

针对交流薄膜电致发光显示存在的不足，电致发光显示要在应用中取得竞争优势，必须在彩色化、亮度、可靠性、低生产成本方面取得较大进展。加拿大iFire公司开发了厚膜薄膜混合结构电致发光显示（TDELD）。TDELD技术是在交流薄膜电致发光显示的原理基础上，采用厚膜薄膜混合结构，用高介电常数厚膜介质替代TFELD中的一层薄膜介质，提高抗击穿能力和减小工作电压还可以使用较薄膜电致发光要厚一些的荧光层，使显示器亮度和可靠性都得到较高。此外，iFire公司还采用单一荧光层加颜色转换层实现彩色化的技术。

TDELD结构和宽谱型倒置式结构多色ELD结构类似，主要由玻璃后基板、金属列电极、厚膜介质层、蓝光发光层、透明行电极、介质层、蓝红转换层、蓝绿转换层、蓝滤色膜、前透明盖板构成，如图1-6所示。图中的金属电极由于不需要透明，可以采用厚膜精密丝网印刷工艺，这样具有较好的导电性和较低的生产成本；金属电极上面的绝缘层，TFELD器件中的厚度约0.2um，而TDELD中用的是厚度为10um~20um高介电常数厚膜介质，可采用丝网印刷工艺或涂覆工艺。采用高介电常数的厚膜介质之后，除了改善性能之外，也易于应用于大基板生成。在实际工艺中，在厚膜介质层上还需要进行平整化工艺和一层薄膜介质工艺，改善与荧光层的界面性能。

此外，在彩色化方面，TDELD采用蓝光转换法实现彩色显示，如图1-6所示。即由同样的发光材料制作发光层，发光层发出的光去激发光转换层从而发射能量较低的光。蓝光是三基色中频率最高的颜色，因此其能量也最高，TDELD中的发光层采用能发射蓝光的BaAl₂S₄：Eu材料，它具有较好的色纯和发光效率。光转换层需要具有较高的蓝光到红光的转换效率和蓝光到绿光的转换效率，还要有较好的色纯，并且在长时间蓝光照射下能稳定发光。蓝色转换法有效地避开了白光滤色法效率低的问题，也避开了三基色直接发光法的发光材料性能及寿命的不一致性、生产工艺要求高等问题。

电致发光显示交流粉末型

将发光材料粉末和介质材料混合，用丝网印刷等方法制作成数十微米厚的发光层，在两面加上电极，经良好的防潮密封就成为交流粉末电致发光板。这种器件可以做在玻璃基板上，也可以做在塑料基板上，厚度可以小于1nm。所用基质材料是ZnS，在其中掺以不同的发光中心就可以得到不同的颜色。这种器件大都用作平面冷光源、LCD的背光源、仪表盘照明、引示牌照明等，在军事上有一定的应用。该器件的亮度和驱动频率成正比，一般用100V、400Hz的中频驱动。目前用做LCD背光源的器件亮度在100cd/

以上，半亮度寿命在3000h左右。

电致发光显示应用和前景

TFELD因其优异的环境性能和良好的显示质量，在工作条件恶劣和对体积有严格要求的场合获得广泛应用。美国的航天飞机、M1A2主战坦克和轻型军用直升飞机、英国的“挑战者”号坦克等都使用TFELD。在海湾战争中一共有16种武器系统采用TFELD,经受了沙漠战争的实地考验。美国陆军曾一次购买1.2万个中小型ELD装备野战部队。民用方面，在工业控制和医疗设备上也因其显示质量优异而获得应用。

在技术上，TFELD的发展主要是提高蓝色发光材料的亮度和效率。蓝色材料不过关，实现彩色化就有问题，应用也只能局限在一个有限的范围内。TFELD的另一个发展是和有源矩阵相结合，制成有源ELD，即AM-ELD。有源矩阵做在单晶硅上，用成熟的IC技术可以做得十分精细。高分辨力、高亮度的AM-ELD已经成功地用做头盔显示和虚拟现实显示，其分辨力高达300l/mm。

TDELD技术有可能应用到大尺寸彩色显示领域，已开发出17英寸VGA（对比度1000:1，亮度300cd/

）和34英寸宽屏扩展图形阵列（WXGA），目前处在开发批量生产技术阶段。