台湾LEDOLED光电材料与组件技术的发展.docx

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台湾LEDOLED光电材料与组件技术的发展

Documentnumber【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】

台湾LEDOLED光电材料与组件技术的发展

第29卷第12期

2010年12月

中国材料进展

MATERIALSCHINA

Vol29No12

Dec2010

台湾LED/OLED光电材料与组件技术的发展

陈泽澎,林晋声

（晶元光电股份有限公司工业技术研究院材料化工研究所,台湾新竹30059）

陈泽澎

摘要:

台湾发光二极管（LightEmittingDiode,LED）的产量已达到世界第一,产值则居世界第二。

将回顾台湾发光二极管产业的发展历史,并探讨产业界及研发单位在发光二极管效率提升与质量改善方面的一些重要技术发展历程。

有机电激发光（OLED）组件的发展过程,除了显示器的应用发展优势之外,固态照明也是台湾近期的研发重点之一,文中将探讨磷光有机材料、组件结构技术的开发及OLED的发展趋势。

关键词:

发光二极管;磷砷化镓;磷化铝镓铟;氮化铝镓铟;液相磊晶成长;有机金属气相磊晶

成长;有机电激发光组件

中图分类号:

TN204文献标识码:

A文章编号:

1674-3962（2010）12-0052-07

DevelopmentofLED/OLEDPhotoelectricMaterialsand

AssemblyTechnologyinTaiwan

CHENZepeng,LINJinsheng

（Material&ChemicalResearchLab,IndustrialTechnologyResearchInstitute,EpistarCoLtd,Xinzhu30059,China）

Abstrac:

tTaiwanispositionedasnumberoneinworldwideLEDchipssupply.Thesalesrevenueisrankingnumber2.Inthispaper,wehavereviewedthedevelopmenthistoryofTaiwanLEDindustry.SomeoftheimportanttechnologiesdevelopedbyTaiwanLEDindustryandresearchorganizationsthatimprovedLEDefficiencyandqualitywerealsohighlighted.ThedevelopmentoforganiclightemittingdiodeinTaiwanwasshownintheapplicationsofdisplayindustryproventobestandinginsomeadvantageousposition.Solidstatelightingisalsogoingtobeoneofthekeyareasrecentlyandwillbediscussedindetailsincludingphosphorescentorganicmaterials,theexploitationofdevicetechnologyandthedevelopingtendencyofOLED.

Keywords:

lightemittingdiode（LED）;GaAsP;AlGaInP;AlGaInN;liquidphaseepitaxy（LPE）;metalogranicvaporphaseepitaxy（MOVPE）;organiclightemittingdiode（OLED）

1前言

自从1962年美国GE公司的Holonyak等人开发出首颗GaAsPpn接面（Junction）红光发光二极体至今,各种不同波长的发光二极管材料陆续被开发出来,目前LED发光光谱已涵盖从紫外线、可见光至红外线。

而利用短波长的紫外光或蓝光发光二极体晶粒与荧光粉搭配,还可以制造出各种颜色的发光二极管,甚至是白光发光二极管。

发光二极管的发光效率,在小功率的白光发光二极管方面,日本日亚公司于2009年初的SPIEPhotonicWest会议已发布达到249lm/W;而1W的高功率白光发光二极管,美国的Cree公司在2008年11月

收稿日期:

2009-11-09

通信作者:

陈泽澎,男,1957年生,资深顾问

便已达到161lm/W,从早期小于015lm/W的发光效

率,大幅提升到大于150lm/W以上,LED发光效率的改善超过了1000倍。

而单一颗发光二极管的流明数也从小于1lm,增加到大于1000lm,美国的LuminusDevices于2009年初发表一系列高功率白光发光二极管,在单一颗大晶粒面积是9mm,在10W的输入功率下,总输出流明数大于1000lm,远超过赫芝定律（HertzsLaw）的预期（如图1）。

而每lm的价格也从大于10美元下降至低于001美元。

由于效率的提升及成本的降低,使得发光二极管的应用范围更加广泛及多样化,从早期的指示应用如电子仪表的指示灯、计算器与手表的数字

显示、到显示应用如LED电子显示屏、交通信号灯、液晶显示器的背光光源,而进一步开始进入到照明的应用如汽车头灯、路灯及一般照明。

第12期陈泽澎等:

台湾LED/OLED光电材料与组件技术的发展53

图1赫芝定律预测LED流明及价格的趋势

Fig1TendencyoflumenandpriceofLEDpredictedby

Hertzlaw

自从Kodak公司的邓青云博士在1987年发表全球第1篇报导小分子、双层式结构的有机电激发光组件（OrganicLightEmittingDiode,OLED）的文章后,由于OLED本身具有自发光性、高对比、广视角、高应答速度和近乎厘米厚度的轻薄等特性,使OLED很快成为众所瞩目的新型显示器之一。

另外,近年来OLED在有机发光材料与组件技术方面进展迅速,特别是发光效率已经可以超越传统的钨丝灯泡,使得OLED不仅可应用于显示器,更可应用于照明光源,因此和LED并列为下一代的新兴固态照明（SolidStateLighting,SSL）。

2台湾发光二极管产业

LED产业结构大致上可区分为为上游的磊芯片成长、中游的晶粒制作及下游的封装。

台湾的LED公司大致上可以分为二类,一类主要以自行生长磊芯片并使用自行生长的磊芯片来制作晶粒;另一类公司则是外购晶粒来进行封装。

与欧美日的LED大厂如德国的Osram、荷兰Philips的Lumileds、美国的Cree以及日本的日亚从磊芯片、晶粒到封装都在同一家公司内垂直整合完成有显着的不同。

台湾的发光二极管产业是由下游的封装先开始,早在1972年德州仪器便在台北县设立了发光二极管封装生产线,开启了台湾发光二极管产业的契机。

1975年,光宝在中和成立第一座发光二极管工厂,从封装开始做起,为台湾LED产业埋下第1颗种子。

之后10年里,兴华、菱生、佰鸿与亿光等十数家封装厂陆续成立,

2008年台湾发光二极体产业40多家封装厂的产值已达

400亿台币以上。

当封装产业在台湾刚开始萌芽时,台湾的万邦电子也开始跨入发光二极管的晶粒制作,由日本的住友、三菱、昭和电工、信越等公司进口磊芯片来制成晶粒。

之后光磊于1983年成立,而工研院技术移转的台湾科技

与鼎元也分别于1984及1987年成立,光磊公司的发光

二极管晶粒产量在1990年代甚至达到世界第1。

在上游的磊芯片生长方面,虽然在1980年代工研院先后将以液相磊晶法（LiquidPhaseEpitaxy）成长的

695nm磷化镓红光发光二极管磊晶,以及将940nm砷化镓红外线发光二极体磊晶技术移转给两家厂商。

与日商技术差距大竞争很艰辛,直到以有机金属气相磊晶

（MetalorganicVaporPhaseEpitaxy,MOVPE）技术成长磷化铝镓铟发光二极管的技术成熟后,始让台湾的上游磊晶产业再现生机。

在1990年代初期美国的HP及日本的东芝才刚上市磷化铝镓铟红、橙、黄发光二极管不久,国联光电便于

1993年9月成立,成为全世界继美国HP及日本的东芝之后,第3家具有以MOVPE技术生产磷化铝镓铟发光二极管的公司。

国联光电的磷化铝镓铟发光二极管晶粒

推出后,很快便营销至欧洲及日本的LED大厂,由于国联光电的成功,也鼓舞了全新及博达公司的成立,分别以MOVPE及MBE技术来生产异质接面双载子晶体管（HeterojunctionBipolarTransistor,HBT）及假型高速电子

移动晶体管（PseudomorphicHighElectronMobilityTran

sistor,PHEMT）等高频微波磊芯片。

之后晶元光电于

1996年成立,随后又有十多家公司陆续成立。

目前台湾的MOVPE设备已超过400台,以MOVPE设备生产的发光二极管磊芯片产量更是世界最大。

自1997年开始,台湾工业技术研究院（ITRI）首先开始了OLED技术的研究与开发,接着许多国内厂商也纷纷加入开发行列,曾经让OLED产业在台湾引起风潮,但是随着材料、技术与良率迟迟没有显着的进展,同时制造成本也无法迅速下降,导致OLED在台湾市场无法开拓成一个新局面。

2006年10月奇晶光电与奇美电子共同开发出25寸主动式有机电激发光二极管电视面板,并且于日本横滨平面显示器展展出,主要是采用奇美电子最新低温多晶硅薄膜晶体管（LowTemperaturePolySiliconThinFilm

Transistor,LTPSTFT）制程技术,结合奇晶光电的有机电激发光组件技术,在当时是世界最大的AMOLED显示器面板。

此后日本SONY急起直追,于2007年10月

SONY公司发表了全世界第1款可以量产的11寸OLED的电视,这也代表着对OLED材料寿命存疑的问题得到了解决。

3发光二极管技术

台湾的发光二极管产业发展成功的主要因素之一,

是开发出许多发光效率及质量改善的独特技术,如透明

54中国材料进展第29卷

导电电极及较低温的芯片接合技术,这些技术不只改善

了发光二极管的效率及质量,且由于生产工艺简单,使得台湾生产的发光二极管在市场上极具竞争力,兹将这一些重要的技术发展历程详述如下。

31量子井（QuantumWel,lQW）结构

目前高亮度红、橙、黄到黄绿光LED主要是以磷化铝镓铟为主,而紫外光、蓝、绿以及白光则是采用氮化铝镓铟材料。

最早LED的结构是同质的pn接面结构,接着异质pn接面结构被采用。

异质结构（Heterostructure）是利用能隙小的半导体当作发光层,又被称为活性层（ActiveLayer）,被夹在二边能隙较大的半导体限制层（ConfiningLayer）之间的一个三明治结构,由于具有二个异质接面,又被称为双异质结构（DoubleHeterostructure）如图2所示。

采用异质结构的发光二极管,由于载子被注入发光层后,电子及电洞结合发光的效率高,且产生的光不会被二边高能隙的限制层所吸收,取光效率比较好,因此,目前高亮度发光二极管都采用双异质结构。

台湾从工研院开发磷化铝镓铟发光二极管便导入多重量子井结构,由于磷化铝镓铟材料随着铝含量增加,发光效率显着的降低。

利用量子尺寸效应

（QuantumSizeEffec,tQSE）的多重量子井结构LED,相对于双异质结构LED,在相同的铝含量下,可以成长出较短波长的磷化铝镓铟发光二极管;或成长相同波长的LED,由于铝含量较低,发光效率会较好。

此外,由于所有量子井层的厚度加起来比双异质结构的活性层来得薄,而通常光子逃离晶粒前会在内部来回反射几次,较薄的活性层可以减少光子被再吸收的机会。

虽然在

1990年代初期量子井结构使用于雷射二极管已经非常普遍,但在发光二极体的生产则仍然是采用双异质结构。

主要原因是发光二极体价格较低,必须多片磊芯片大量生产,才符合经济效益,但要在大型的MOVPE生产设备上成长厚度只有几nm的薄层,且厚度均匀性良好并不容易。

国联光电是全世界第1家生产量子井结构磷化铝镓铟发光二极管的公司,目前不论是磷化铝镓铟或是氮化铝镓铟LED,全世界几乎所有的LED公司都是采用多重量子井结构。

图2双异质结构示意图

Fig2Schematicdiagramofdoubleheterostructure

32氧化铟钖（IndiumTinOxide,ITO）透明电极

在发光二极管结构通常是使用金属当作奥姆接触

（OhmicContact）电极材料,在传统的发光二极管结构由

于发光层上面的窗户层（WindowLayer）厚度非常厚,因

此,最简单的设计便是奥姆接触电极的大小与打线垫

（WireBondingPad）相当。

当发光二极管顺向偏压（ForwardBias）后,电流便经由电极流入窗户层,并藉由窗户层将电流横向传导,然后再均匀分布地流入发光层。

但在高亮度磷化铝镓铟或氮化铝镓铟发光二极管,由于采用MOVPE来成长磊晶层,相较于传统的液相磊晶成长法（LiquidPhaseEpitaxy）,成长速度小了一个数量级。

因此,从生产成本来考虑并不适合将窗户层成长得太厚,但窗户层太薄又降低了电流均匀分布的能力。

在磷化铝镓铟发光二极管方面,美国的HP公司便采用气相磊晶成长法（VaporPhaseEpitaxy）,成长一约50m厚的磷化镓窗户层,来改善电流的分布;日本的东芝公司则采用一较厚的砷化铝镓窗户层来帮助电流的均匀分布。

另外也可以使用网状或树枝状的电极图案来改善电流的分布,但采用树枝状的电极,虽然解决了电流均匀分布的问题,但也带来了金属遮光的问题。

为了解决此一电流拥塞的现象,而又不会有金属遮光的负面效应产生,工业技术研究院提出了以氧化铟钖作为透明电极材料的解决办法。

最早提出以氧化铟钖来当作透明电极的是美国的伊斯特曼柯达（EastmanKodak）公司,将其应用在磷砷化镓LED来解决电流拥塞的问题。

然由于ITO无法与磷砷化镓表面形成奥姆接触,柯达公司便利用一非常薄的铬金属层与磷砷化镓表面形成低的奥姆接触电阻,然后在其上镀上一层ITO来帮助电流的横向传导分布。

由于氧化铟钖透明电极与大部份的V族化合物半导体材料并不容易形成良好的奥姆接触,而需要先在发光二极管结构上成长一层高掺杂的半导体接触层,其载子浓度要大于10cm以上,才能够形成低的奥姆接触电阻。

但一般能隙大的半导体如磷化镓并不容易掺杂到高浓度,而容易掺杂至高浓度的半导体如砷化镓或砷化铟镓能隙又太小,无可避免的又会有吸光的问题产生。

为了减少光在高掺杂的半导体接触层的吸收,工研院首先提出利用化学蚀刻法,将高掺杂的半导体接触层蚀刻成网状结构,接着再镀上氧化铟钖透明电极,如此便可以藉由ITO先将电流横向传导后,再经由网状结构的高掺杂的半导体接触层,将电流均匀的注入发光层。

利用此一方法所制造的磷化铝镓铟发光二极管晶粒,不仅构造上与美国的HP及日本东芝公司需要使用厚的窗户层不同,由于生产的工艺较为简单,因此,产品的竞争力大为提升。

之后,台湾的晶元光电更进一步解决了在高能隙半导体的高掺杂问题,使得ITO可以直接和高掺杂的磷化镓窗户层形成低的奥姆接触电阻,由于完全没有使用到低能隙的半导体接触层,因此发光二

第12期陈泽澎等:

台湾LED/OLED光电材料与组件技术的发展55

极管的效率又进一步的被提升。

同理,ITO使用在氮化镓发光二极管也可以改善电流的分布,并提升发光二极管的发光效率。

但是一开始与磷化铝镓铟发光二极管面临相同的问题,即无法与最表层的p-型氮化镓层形成良好的奥姆接触。

因此,早期的日亚的蓝光发光二极管都是采用镍金（Ni/Au）的薄金属层来当作透明电极。

但Ni/Au透明电极为了要有良好的电流横向传导功能,需要有一定的厚度,但厚度太厚又会造成吸光严重,因此,商用的氮化镓发光二极管都将Ni/Au透明电极的厚度控制在15nm左右,但在此一厚度下,Ni/Au透明电极在蓝光波段只有不到40%的透光率,大大减损了发光二极管的发光效率。

为了改善透明电极的透光率,工研院在1999年发表Ni/Au透明电极于空气环境下进行热处理,相对于在氮气环境下热处理,透光率有明显的改善。

2003年晶元光电利用MOVPE长晶技术于p-型氮化镓上成长一很薄的高掺杂N型氮化镓层,来形成一穿隧的接面（TunnelJunction）,如此ITO便能够与最表面的高掺杂N型氮化镓层形成良好的奥姆接触。

由于ITO的透光性较佳,且其折射率处于空气与氮化镓材料之间,更可以提高出光角度,增加发光二极管的取光效率。

目前几乎大部份以蓝宝石为基板的氮化铝镓铟LED都是采用ITO当透明电极,包括日本的日亚公司亦采用ITO透明电极来提升发光二极管的效率。

33表面粗化

发光二极管发光层产生的光,由于受到临界角的限制,大部份的光线到达晶粒与空气的界面又被反射回晶粒的内部,而无法逃逸到晶粒的外面,这是发光二极体的光取出效率低的主要原因之一。

为了提高光的取出效率,美国的HP公司将其磷化铝镓铟发光二极体晶粒利用切割工艺切割成倒梯形结构,使得光射向正面,且入射角大于临界角的光,在正面被反射后,由梯形侧面的斜面逃逸出来。

此一结构也被美国的Cree公司及德国的Osram公司应用于氮化铝镓铟发光二极管,来提高光的取出效率。

但采用这种晶粒切割工艺,技术上较为困难,且会牺牲掉部份发光面积,并不是一种经济有效的生产技艺。

在光取出效率的改善方面,台湾的发光二极管厂商大部份都是采化表面粗化的技术。

关于表面粗化的技术,其实美国贝尔实验室在其美国专利US3739217早就已经揭露利用表面粗化的技艺来提升磷化镓发光二极管晶粒的光取出效率。

大部份的传统发光二极体晶粒如

695nmGaP红光LED晶粒、940nm砷化镓红外线LED

晶粒以及660nmAlGaAs红光LED晶粒也都是采用表面

粗化的工艺来改善LED的光取出效率。

但同样的工艺

要使用在高亮度磷化铝镓铟或氮化铝镓铟发光二极管,却遭遇到许多困难。

在不同的IIIV族化合物半导体材料,在不同的晶格面,必须找到适合的化学蚀刻溶液才能达到表面粗化的效果。

此外,利用蚀刻溶液将磊晶层表面腐蚀出凹凸的粗化效果,也同时会将表面的磊晶层蚀刻掉几m的厚度,这对于传统的发光二极管晶粒,其最上层的磊晶层厚度有几十m厚,少掉几m厚,并不会影响其横向电流传导的能力。

但是对于以MOVPE成长的磷化铝镓铟发光二极管其表层只有几m厚,甚至氮化铝镓铟发光二极管,其表层不到1m厚,如果利用蚀刻工艺形成粗化的表面,便会腐蚀掉几m厚的磊晶层厚度,将严重的影响表层磊晶层的横向电流传导能力。

因此,在磷化铝镓铟发光二极管必须开发出一种蚀刻溶液,只蚀刻掉不到1m厚的磊晶层厚度,便能够形成表面高低差在05m厚左右的粗化效果,才能达到高光取出效率及较佳的电流均匀分布注入发光层的目地。

在氮化铝镓铟发光二极管方面,由于p-型氮化镓磊晶层太薄,无法以蚀刻的方式在表层形成粗化