有机发光显示屏的原理

OLED结构原理图

OLED (Organic Light Emitting Display，中文名有机发光显示器）是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。其原理是用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。

辐射光可从ITO一侧观察到，金属电极膜同时也起了反射层的作用。 根据这种发光原理而制成显示器被称为有机发光显示器，也叫OLED显示器。

构成的OLED关键部件实际上就是铟锡氧化物(ITO)，也就是我们经常提到的透明导电薄膜。它与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，还包括了电洞传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)等。当电力供应至适当电压时，正极电洞与阴极电荷就会在发光层中结合，产生光亮，依其配方不同产生红、绿和蓝RGB三原色，构成基本色彩。

OLED电视可实现的方案还是很多，最著名的就是有源矩阵有机光发射二极管，也简称AMOLED，它由阴极、有机有源层、TFT阵列等部分组成，有机聚合物堆中包括有发射层和导电层，沉积在有薄膜晶体管的基板上。实施有机材料的技术也可以是多种多样的，其中常用的有将像素阵列直接打印在TFT上的喷墨法，将电荷通过底部电极和显示器表面附加透明层之间的空间以激发有机层转而产生光线，也就平常我们所说的主动式OLED，主要被应用于大屏、高分辨率的显示设备。

双极型集成电路

bipolar integrated circuit

以通常的NPN或PNP型双极型晶体管为基础的单片集成电路。它是1958年世界上最早制成的集成电路。双极型集成电路主要以硅材料为衬底，在平面工艺基础上采用埋层工艺和隔离技术，以双极型晶体管为基础元件。按功能可分为数字集成电路和模拟集成电路两类。在数字集成电路的发展过程中，曾出现了多种不同类型的电路形式，典型的双极型数字集成电路主要有晶体管-晶体管逻辑电路(TTL)，发射极耦合逻辑电路(ECL)，集成注入逻辑电路(I2L)。TTL电路形式发展较早，工艺比较成熟。ECL电路速度快，但功耗大。I2L电路速度较慢，但集成密度高。

同金属-氧化物-半导体集成电路相比，双极型集成电路速度快，广泛地应用于模拟集成电路和数字集成电路。

在半导体内，多数载流子和少数载流子两种极性的载流子（空穴和电子）都参与有源元件的导电，如通常的NPN或PNP双极型晶体管。以这类晶体管为基础的单片集成电路，称为双极型集成电路。

双极型集成电路是最早制成集成化的电路，出现于1958年。双极型集成电路主要以硅材料为衬底，在平面工艺基础上采用埋层工艺和隔离技术，以双极型晶体管为基础元件。它包括数字集成电路和线性集成电路两类。

发展简况 　双极型集成电路是在硅平面晶体管的基础上发展起来的，最早的是双极型数字逻辑集成电路。在数字逻辑集成电路的发展过程中，曾出现过多种不同类型的电路形式。常见的双极型集成电路可分类如下。

DCTL电路是第一种双极型数字逻辑集成电路，因存在严重的“抢电流”问题(见电阻-晶体管逻辑电路)而不实用。RTL电路是第一种有实用价值的双极型集成电路。早期的数字逻辑系统曾采用过 RTL电路，后因基极输入回路上有电阻存在，限制了开关速度。此外,RTL逻辑电路的抗干扰的性能较差，使用时负载又不能多，因而被淘汰。电阻-电容-晶体管逻辑电路（RCTL）是为了改善RTL电路的开关速度而提出来的，即在RTL电路的电阻上并接电容。实际上 RCTL电路也未得到发展。DTL电路是继 RTL电路之后为提高逻辑电路抗干扰能力而提出来的。DTL电路在线路上采用了电平位移二极管,抗干扰能力可用电平位移二极管的个数来调节。常用的 DTL电路的电平位移二极管，是用两个硅二极管串接而成，其抗干扰能力可提高到1.4伏左右（见二极管-晶体管逻辑电路）。HTL电路是在 DTL电路的基础上派生出来的。HTL电路采用反接的齐纳二极管代替DTL电路的电平位移二极管,使电路的阈值提高到约7.4伏左右(见高阈值逻辑电路)。可变阈值逻辑电路(VTL)也是DTL电路系列中的另一种变形电路。阈值逻辑电路(TLC)是 HTL和VTL逻辑电路的总称。TTL逻辑电路是在DTL逻辑电路基础上演变而来，于1962年研制成功。为了提高开关速度和降低电路功耗,TTL电路在线路结构上经历了三代电路形式的改进(见晶体管-晶体管逻辑电路)。

以上均属饱和型电路。在进一步探索提高饱和型电路开关速度的同时，发现晶体管多余载流子的存储效应是一个极重要的障碍。存储现象实质上是电路在开关转换过程中由多余载流子所引起。要提高电路开关速度,除了减少晶体管PN结电容，或者设法缩短多余载流子的寿命以外，就得减少和消除晶体管内载流子存储现象。60年代末和70年代初，人们开始在集成电路中利用熟知的肖特基效应。在TTL电路上制备肖特基势垒二极管,把它并接在原有晶体管的基极和集电极上，使晶体管开关时间缩短到1纳秒左右；带肖特基势垒二极管箝位的TTL门电路的平均传输延迟时间达2～4纳秒。

肖特基势垒二极管-晶体管-晶体管逻辑电路(STTL)属于第三代 TTL电路。它在线路上采用了肖特基势垒二极管箝位方法，使晶体管处于临界饱和状态，从而消除和避免了载流子存储效应。与此同时,在TTL电路与非门输出级倒相器的基极引入晶体管分流器，可以改善与非门特性。三极管带有肖特基势垒二极管，可避免进入饱和区，具有高速性能；输出管加上分流器，可保持输出级倒相的抗饱和程度。这类双极型集成电路，已不再属于饱和型集成电路，而属于另一类开关速度快得多的抗饱和型集成电路。

发射极耦合逻辑电路(ECL)是电流型逻辑电路(CML)。这是一种电流开关电路, 电路的晶体管工作在非饱和状态,电路的开关速度比通常TTL电路又快几倍。ECL逻辑电路把电路开关速度提高到 1纳秒左右，大大超过 TTL和STTL电路。ECL电路的出现,使双极型集成电路进入超高速电路范围。

集成注入逻辑电路 (I2L)又称合并晶体管逻辑电路(MTL)，是70年代研制成的。在双极型集成电路中，I2L电路的集成密度是最高的。

三层结构逻辑电路(3TL)是1976年中国在I2L电路的基础上改进而成,因有三层结构而得名。3TL逻辑电路采用NPN管为电流源，输出管采用金属做集电极(PNM)，不同于I2L结构。

多元逻辑电路(DYL)和双层逻辑电路(DLL)，是1978年中国研制成功的新型逻辑电路。DYL逻辑电路线性与或门,能同时实现开关逻辑和线性逻辑处理功能。DLL电路是通过ECL和TTL逻辑电路双信息内部变换来实现电路逻辑功能的。

此外，在双极型集成电路发展过程中，还有许多其他型式的电路。例如,发射极功能逻辑电路(EFL)、互补晶体管逻辑电路(CTL)、抗辐照互补恒流逻辑电路(C3L)、电流参差逻辑电路(CHL)、三态逻辑电路(TSL)和非阈值逻辑电路(NTL)等。

特点和原理 　双极型集成电路的制造工艺，是在平面工艺基础上发展起来的。与制造单个双极型晶体管的平面工艺相比，具有若干工艺上的特点。

①　双极型集成电路中各元件之间需要进行电隔离。集成电路的制造，先是把硅片划分成一定数目的相互隔离的隔离区；然后在各隔离区内制作晶体管和电阻等元件。在常规工艺中大多采用PN结隔离，即用反向PN结达到元件之间相互绝缘的目的。除PN结隔离以外，有时也采用介质隔离或两者混合隔离法（见隔离技术）。

②　双极型集成电路中需要增添隐埋层。通常，双极型集成电路中晶体管的集电极，必须从底层向上引出连接点，因而增加了集电极串连电阻，这不利于电路性能。为了减小集电极串连电阻，制作晶体管时在集电极下边先扩散一层隐埋层，为集电极提供电流低阻通道和减小集电极的串联电阻。隐埋层，简称埋层，是隐埋在硅片体内的高掺杂低电阻区。埋层在制作集成电路之前预先“埋置”在晶片体内。其工艺过程是：在 P型硅片上，在预计制作集电极的正下方某一区域里先扩散一层高浓度施主杂质即N+区而后在其上再外延生长一层N型硅单晶层。于是，N型外延层将N+区隐埋在下面,再在这一外延层上制作晶体管。

③　双极型集成电路通常采用扩散电阻。电路中按电阻阻值大小选择制备电阻的工艺，大多数是利用晶体管基区P型扩散的同时，制作每方约 150～200欧·厘米的P型扩散电阻。但是,扩散电阻存在阻值误差大、温度系数高和有寄生效应等缺点。除采用扩散电阻外，有时也采用硅单晶体电阻。

④　双极型集成电路元件间需要互连线，通常为金属铝薄层互连线。单层互连布线时难以避免交叉的位置，必要时可采用浓磷扩散低阻区，简称磷桥连接法。

⑤　双极型集成电路存在寄生效应。双极型集成电路的纵向NPN晶体管，比分立晶体管多一个P型衬底层和一个PN结。它是三结四层结构。增加的衬底层是所有元件的公共衬底，增加的一个PN结是隔离结(包括衬底结)。双极型集成电路因是三结四层结构而会产生特有的寄生效应：无源寄生效应、扩散电阻的寄生电容和有源寄生效应。隔离电容是集电极N型区与隔离槽或衬底P型区形成的PN结产生的电容。隔离和衬底接最低电位，所以这个电容就是集电极对地的寄生电容。扩散电阻的寄生电容是扩散电阻P型区与集电极外延层N型区产生的PN结电容，也属无源寄生效应。这一PN结电容总是处于反偏置工作状态。有源寄生效应即 PNP寄生晶体管。在电路中，NPN晶体管的基区、集电区（外延层）和衬底构成PNP寄生晶体管。在通常情况下，因PN结隔离，外延层和衬底之间总是反向偏置。只有当电路工作时,NPN管的集电结正偏，寄生PNP管才进入有源区。

工艺制备 　（见彩图）是利用PN结隔离技术制备双极型集成电路倒相器的工艺流程，图中包括一个NPN晶体管和一个负载电阻R。原始材料是直径为75～150毫米掺P型杂质的硅单晶棒，电阻率ρ=10欧·厘米左右。其工艺流程是：先经过切片、研磨和抛光等工艺(是硅片制备工艺)制备成厚度约300～500微米的圆形硅片作为衬底，然后进行外延生长、氧化、光刻、扩散、蒸发、压焊和多次硅片清洗，最后进行表面钝化和成品封装。

制作双极型集成电路芯片需要经过 5次氧化，对氧化硅 (SiO2)薄层进行5次光刻，刻蚀出供扩散掺杂用的图形窗口。最后还经过两次光刻，刻蚀出金属铝互连布线和钝化后用于压焊点的窗口。因此，整套双极型集成电路掩模版共有 7块。即使通常省去钝化工艺，也需要进行6次光刻，需要6块掩模版。

有机电激发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）。有机发光显示技术由非常薄的有机材料涂层和玻璃基板构成。当有电荷通过时这些有机材料就会发光。OLED发光的颜色取决于有机发光层的材料，故厂商可由改变发光层的材料而得到所需之颜色。有源阵列有机发光显示屏具有内置的电子电路系统因此每个像素都由一个对应的电路独立驱动。OLED具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点，技术提供了浏览照片和视频的最佳方式而且对相机的设计造成的限制较少。 OLED，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display, OELD）。因为具备轻薄、省电等特性，因此从二00三年开始，这种显示设备在MP三播放器上得到了广泛应用，而对于同属数码类产品的DC与手机，此前只是在一些展会上展示过采用OLED屏幕的工程样品，还并未走入实际应用的阶段。但OLED屏幕却具备了许多LCD不可比拟的优势。 概述： OLED显示技术与传统的LCD显示方式不同，无需背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。而且OLED显示屏幕可以做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著节省电能。 目前在OLED的二大技术体系中，低分子OLED技术为日本掌握，而高分子的PLEDLG手机的所谓OEL就是这个体系，技术及专利则由英国的科技公司CDT掌握，两者相比PLED产品的彩色化上仍有困难。而低分子OLED则较易彩色化，不久前三星就发布了陆55三0色的手机用OLED。 不过，虽然将来技术更优秀的OLED会取代TFT等LCD，但有机发光显示技术还存在使用寿命短、屏幕大型化难等缺陷。目前采用OLED的主要是三星如新上市的SCH-X三三9就采用了二5陆色的OLED，至于OEL则主要被LG采用在其CU吧一吧0 吧二吧0上我们都有见到。 为了形像说明OLED构造，可以将每个OLED单元比做一块汉堡包，发光材料就是夹在中间的蔬菜。每个OLED的显示单元都能受控制地产生三种不同颜色的光。OLED与LCD一样，也有主动式和被动式之分。被动方式下由行列地址选中的单元被点亮。主动方式下，OLED单元后有一个薄膜晶体管（TFT），发光单元在TFT驱动下点亮。被动式的OLED比较省电，但主动式的OLED显示性能更佳。 结构，原理： OLED的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO)，与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。整个结构层中包括了：空穴传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)。当电力供应至适当电压时，正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合，产生光亮，依其配方不同产生红、绿和蓝RGB三原色，构成基本色彩。OLED的特性是自己发光，不像TFT LCD需要背光，因此可视度和亮度均高，其次是电压需求低且省电效率高，加上反应快、重量轻、厚度薄，构造简单，成本低等，被视为 二一世纪最具前途的产品之一。 有机发光二极体的发光原理和无机发光二极体相似。当元件受到直流电（Direct Current；DC）所衍生的顺向偏压时，外加之电压能量将驱动电子（Electron）与空穴（Hole）分别由阴极与阳极注入元件，当两者在传导中相遇、结合，即形成所谓的电子-空穴复合（Electron-Hole Capture）。而当化学分子受到外来能量激发后，若电子自旋（Electron Spin）和基态电子成对，则为单重态（Singlet），其所释放的光为所谓的荧光（Fluorescence）；反之，若激发态电子和基态电子自旋不成对且平行，则称为三重态（Triplet），其所释放的光为所谓的磷光（Phosphorescence）。 当电子的状态位置由激态高能阶回到稳态低能阶时，其能量将分别以光子（Light Emission）或热能（Heat Dissipation）的方式放出，其中光子的部分可被利用当作显示功能；然有机荧光材料在室温下并无法观测到三重态的磷光，故PM-OLED元件发光效率之理论极限值仅二5%。 PM-OLED发光原理是利用材料能阶差，将释放出来的能量转换成光子，所以我们可以选择适当的材料当作发光层或是在发光层中掺杂染料以得到我们所需要的发光颜色。此外，一般电子与电洞的结合反应均在数十纳秒（ns）内，故PM-OLED的应答速度非常快。 P.S.：PM-OLEM的典型结构。典型的PM-OLED由玻璃基板、 ITO（indium tin oxide；铟锡氧化物）阳极（Anode）、有机发光层（Emitting Material Layer）与阴极（Cathode）等所组成，其中，薄而透明的ITO阳极与金属阴极如同三明治般地将有机发光层包夹其中，当电压注入阳极的空穴（Hole）与阴极来的电子（Electron）在有机发光层结合时，激发有机材料而发光。 而目前发光效率较佳、普遍被使用的多层PM-OLED结构，除玻璃基板、阴阳电极与有机发光层外，尚需制作空穴注入层（Hole Inject Layer；HIL）、空穴传输层（Hole Transport Layer；HTL）、电子传输层（Electron Transport Layer；ETL）与电子注入层（Electron Inject Layer；EIL）等结构，且各传输层与电极之间需设置绝缘层，因此热蒸镀（Evaporate）加工难度相对提高，制作过程亦变得复杂。 由于有机材料及金属对氧气及水气相当敏感，制作完成后，需经过封装保护处理。PM-OLED虽需由数层有机薄膜组成，然有机薄膜层厚度约仅一,000～一,500A°（0.一0～0.一5 um），整个显示板（Panel）在封装加干燥剂（Desiccant）后总厚度不及二00um（二mm），具轻薄之优势。 有机发光材料的选用 有机材料的特性深深地影响元件之光电特性表现。在阳极材料的选择上，材料本身必需是具高功函数（High work function）与可透光性，所以具有四.5eV-5.三eV的高功函数、性质稳定且透光的ITO透明导电膜，便被广泛应用于阳极。在阴极部分，为了增加元件的发光效率，电子与电洞的注入通常需要低功函数（Low work function）的Ag、Al、Ca、In、Li与Mg等金属，或低功函数的复合金属来制作阴极（例如：Mg-Ag镁银）。 适合传递电子的有机材料不一定适合传递电洞，所以有机发光二极体的电子传输层和电洞传输层必须选用不同的有机材料。目前最常被用来制作电子传输层的材料必须制膜安定性高、热稳定且电子传输性佳，一般通常采用萤光染料化合物。如Alq、Znq、Gaq、Bebq、Balq、DPVBi、ZnSPB、PBD、OXD、BBOT等。而电洞传输层的材料属于一种芳香胺萤光化合物，如TPD、TDATA等有机材料。 有机发光层的材料须具备固态下有较强萤光、载子传输性能好、热稳定性和化学稳定性佳、量子效率高且能够真空蒸镀的特性，一般有机发光层的材料使用通常与电子传输层或电洞传输层所采用的材料相同，例如Alq被广泛用于绿光，Balq和DPVBi则被广泛应用于蓝光。 一般而言，OLED可按发光材料分为两种：小分子OLED和高分子OLED（也可称为PLED）。小分子OLED和高分子OLED的差异主要表现在器件的制备工艺不同：小分子器件主要采用真空热蒸发工艺，高分子器件则采用旋转涂覆或喷涂印刷工艺。小分子材料厂商主要有：Eastman、Kodak、出光兴产、东洋INK制造、三菱化学等；高分子材料厂商主要有：CDT、Covin、Dow Chemical、住友化学等。目前国际上与OLED有关的专利已经超过一四00份，其中最基本的专利有三项。小分子OLED的基本专利由美国Kodak公司拥有，高分子OLED的专利由英国的CDT（Cambridge DisPlay Technology）和美国的Uniax公司拥有。 关键工艺 一、氧化铟锡(ITO)基板前处理 (一) ITO表面平整度：ITO目前已广泛应用在商业化的显示器面板制造，其具有高透射率、低电阻率及高功函数等优点。一般而言，利用射频溅镀法(RF sputtering)所制造的ITO，易受工艺控制因素不良而导致表面不平整，进而产生表面的尖端物质或突起物。另外高温锻烧及再结晶的过程亦会产生表面约一0 ~ 三0nm的突起层。这些不平整层的细粒之间所形成的路径会提供空穴直接射向阴极的机会，而这些错综复杂的路径会使漏电流增加。一般有三个方法可以解决这表面层的影响?U一是增加空穴注入层及空穴传输层的厚度以降低漏电流，此方法多用于PLED及空穴层较厚的OLED(~二00nm)。二是将ITO玻璃再处理，使表面光滑。三是使用其它镀膜方法使表面平整度更好。 (二) ITO功函数的增加：当空穴由ITO注入HIL时，过大的位能差会产生萧基能障，使得空穴不易注入，因此如何降低ITO / HIL接口的位能差则成为ITO前处理的重点。一般我们使用O二-Plasma方式增加ITO中氧原子的饱和度，以达到增加功函数之目的。ITO经O二-Plasma处理后功函数可由原先之四.吧eV提升至5.二eV，与HIL的功函数已非常接近。 加入辅助电极，由于OLED为电流驱动组件，当外部线路过长或过细时，于外部电路将会造成严重之电压梯度，使真正落于OLED组件之电压下降，导致面板发光强度减少。由于ITO电阻过大(一0 ohm / square)，易造成不必要之外部功率消耗，增加一辅助电极以降低电压梯度成了增加发光效率、减少驱动电压的快捷方式。铬(Cr：Chromium)金属是最常被用作辅助电极的材料，它具有对环境因子稳定性佳及对蚀刻液有较大的选择性等优点。然而它的电阻值在膜层为一00nm时为二 ohm / square，在某些应用时仍属过大，因此在相同厚度时拥有较低电阻值的铝(Al：Aluminum)金属(0.二 ohm / square)则成为辅助电极另一较佳选择。但是，铝金属的高活性也使其有信赖性方面之问题因此，多叠层之辅助金属则被提出，如：Cr / Al / Cr或Mo / Al / Mo，然而此类工艺增加复杂度及成本，故辅助电极材料的选择成为OLED工艺中的重点之一。 二、阴极工艺 在高解析的OLED面板中，将细微的阴极与阴极之间隔离，一般所用的方法为蘑菇构型法(Mushroom structure approach)，此工艺类似印刷技术的负光阻显影技术。在负光阻显影过程中，许多工艺上的变异因子会影响阴极的品质及良率。例如，体电阻、介电常数、高分辨率、高Tg、低临界维度(CD)的损失以及与ITO或其它有机层适当的黏着接口等。 三、封装 ⑴ 吸水材料：一般OLED的生命周期易受周围水气与氧气所影响而降低。水气来源主要分为两种：一是经由外在环境渗透进入组件内，另一种是在OLED工艺中被每一层物质所吸收的水气。为了减少水气进入组件或排除由工艺中所吸附的水气，一般最常使用的物质为吸水材(Desiccant)。Desiccant可以利用化学吸附或物理吸附的方式捕捉自由移动的水分子，以达到去除组件内水气的目的。 ⑵ 工艺及设备开发：封装工艺之流程如图四所示，为了将Desiccant置于盖板及顺利将盖板与基板黏合，需在真空环境或将腔体充入不活泼气体下进行，例如氮气。值得注意的是，如何让盖板与基板这两部分工艺衔接更有效率、减少封装工艺成本以及减少封装时间以达最佳量产速率，已俨然成为封装工艺及设备技术发展的三大主要目标

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