光电半导体与OLED发展现况Word下载.docx
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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-EmittingDiode,LED)及半导体激光(LaserDiode,LD),其应用范围包括照明、指示器光源、光信息储存系统、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(CathodeRayTube,CRT)显示器已逐渐被薄膜晶体管液晶显示器(ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay,TFT-LCD)或电浆显示器(PlasmaDisplayPanel,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,有机发光二极管(OrganicLight-EmittingDiode,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-EmittingLaser,EEL)与面射型激光(Vertical-CavitySurface-EmittingLaser,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(SingleQuantumWell,SQW),成功长成尖峰波长为267nm的发光二极管,脉冲操作下之最大功率可达4.5mW;
当输入电流为435mA时,连续波操作最大功率为165μW[1]。
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269nm,当连接两个LED并外加40mA的直流电时,其光输出功率可达0.85mW[2]。
以上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(AdvancedPhysicalModelsofSemiconductorDevices)仿真软件来分析InGaN多量子井(MultipleQuantumWell,MQW)结构的LED组件特性。
我们参考Tadatomo等人在2001年所设计的InGaNLED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3nm,井障(barrier)的材料为GaN,厚度是10nm,组件为350μm350μm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382nm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-onvoltage约为3.0V,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1.55μm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241.5nm[4],是近期紫外光激光的最新突破。
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(LASerTechnologyIntegratedProgram)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(DoubleQuantumWell,DQW)InGaN激光结构,当激光波长范围在392461nm时临界电流与波长的关系图。
若激光输出波长小于427nm时,DQW结构有较低的临界电流;
当激光波长大于427nm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670nm的波段,再加上塑料光纤价格便宜,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270meV左右,比AlGaAs材料小了80meV,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等人设计的红光VCSEL在波长650nm的光输出功率为4.3mW,而670nm的光输出功率可达10mW[9],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(PhotonicIntegratedCircuitSimulatorin3D)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850nmGaAsVCSEL的活性层中加入少量的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InGaNVCSEL结构,激光共振腔长度为4个波长,DBR(DistributedBraggReflector)材料使用SiO2/ZrO2,在室温光激发下激光波长为401nm。
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5.1mJ/cm2[12]。
相信在氮化物晶体品质不断的提升之下,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(LowTemperaturePoly-Silicon,LTPS)技术与主动式OLED(ActiveMatrixOLED,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SeikoEpson公司于2004年5月发表了40吋OLED全彩显示器,为目前世界最大的OLED全彩显示器。
与以往ㄧ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(FlexibleOLED,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)aluminum)与TPD(N,N’-diphenyl-N,N’-di(3-methylphenyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine)及ITO(IndiumTinOxide)电极所组成的双层OLED组件,如图6所示。
图7是组件
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