第三章 无机电致发光器件

3～5 4 4～6 3 7 7 19～35
复合绝缘层：利用绝缘各种特性互补，提高绝缘层综合特性。 Si3N4+SiO2 ：Si3N4的EB比较高，性能稳定，自熄击穿，是一种质量优良的绝缘介 质。但它于玻璃粘附性不好，因此使用SiO2做为和玻璃的过渡层。SiO2性能稳定， 与玻璃粘附性好，但小，用它做为过渡层时，一般厚度很小即可。 Ta2O5+SiO2：克服Ta2O5传播性击穿。
无机类EL材料和显示器分类
3.1 ELD概述

3.1.1 电致发光(EL) ：指半导体，主要是荧光体在 外加电场作用下的自发光现象。
3.1.2 ELD的历史: 1936年—法国的Destriau 就发现EL现象。 1950年— Sylvania公司开发成功分散型EL元件。 1983年—日本开始薄膜ELD的批量生产。
3.2.2.分散型直流ELD
1) 分散型直流ELD基本结 构： ① ITO玻璃基板。 ② 包铜处理：将ZnS荧光体 浸在Cu2SO4溶液中进行 热处理，使其表面产生具 有电导性的CuxS层。 ③ 将ZnS:Cu, Mn荧光体粉末 与少量粘结剂的混合物在 其上均匀涂布，厚度为 30-50µm。 ④ 背面电极：Al。
3) 主要绝缘层材料的介电特性
材料 Y2O3 Al2O3 Si3N4 Ta2O5 PbTiO3 BaTiO3 SrTiO3 12 8 8 23 150 22 140 EBd(MV/cm) 3～5 5 6～8 1.5 0.5 3.5 1.5～2
2 Bd E (C/cm )
击穿模式 自熄 自熄 自熄 传播 传播 自熄 传播
ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系
ZnS: ErF3薄膜，掺杂浓度增加，绿色发光 (2H11/2+4S3/2)4I15/2相对减少而红色发光 4 F 4 I 4F 4I 相对增大，同时， 9/2 15/2 5/2 15/2和 4 F 4 I 4G 4I 发射强度减小而 7/2 15/2 11/2 15/2和 2 H 4 I 9/2 15/2发射强度增加。 交叉驰豫：从能级图，2H11/24F9/2能级差与 4F 2H 和4F5 4G 7/2 9/2 /2 11/2的能级差非常接近。当掺 杂浓度增加时，可能发生2H11/2 4F9/2 ➟ 4F5/2 4G11/2或4F7/2 2H9/2的交叉驰豫，不利于绿光 发射。但是这一过程发生在两个被激发离子之 间，几率较小，因此，Er3在ZnS具有中等的最 佳掺杂浓度(7.0103mol)和亮度极大值 (1100cd/m2)。
6) ACTFELD发光机制
当V>Vth(1cd/m2)时，由 于隧穿效应，电子从绝 缘层与发光层间的界面 能级隧穿进入发光层的 导带，被106V/cm的强电 场加速，使其成为过热 电子，并碰撞激发Mn等 发光中心。被激发的内 壳层电子从激发能级向 原始能级返回时，产生 EL发光。 高电场区和初始电子的 存在是碰撞离化过程的 必要条件。
3) 分散型直流ELD亮度-电压特性及发光效率-电压特性



ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

L-V特性和-V同分散型交流 ELD。 直流驱动: V=100V, L=500cd/m2。 占空比1%的脉冲波形电压驱 动：亮度等同直流驱动。 ＝0.5-1lm/W。
3.3 薄膜型ELD的制备和原理
3.3.1薄膜型交流ELD(ACTFELD)
10) ACTFELD发光材料特性
RGB三基色中，红光由ZnS:Mn的橙黄光通过滤光片得 到，效率1lm/W；绿光ZnS:Tb，效率1lm/W；蓝光SrS:Ce 的CIE色坐标为：x=0.19，y=0.38的蓝绿光，效率大于 1lm/W 。SrS:Ce成为白光的最佳选择材料。
ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系
3) 分散型交流ELD的亮度－电压特性及发光效率－电压特性
1. 亮度L与电压间的关系为 1
L L0 exp[ (V0 / V ) 2 ]
L0与V0分别为常数，其 数值的大小与荧光体的 粒径，活化剂及共活化 剂的浓度，发光层的厚 度，有机粘结剂的介电 常数等相关。 2. 发光效率随电压的增加,先 是增加而后减小。发光 效率的最大值一般可从 亮度出现饱和趋势的电 压区域得到。
① ② ③ ④ ⑤
视角大，无闪烁。 图像显示质量高。 工作温度范围宽；受温度变化的影响小。 是全固体显示元件。 有小功耗、薄型、质轻等特征。
3.2分散型ELD的结构和原理
3.2.1.分散型交流ELD
1) 分散型交流ELD基本结构： ① 基板为ITO(In2O3:SnO2~10%重量 比，导电：几十 ，透光率： 85%)玻璃板或柔性塑料板。 ② 发光层由荧光体粉末分散在有机 粘结剂中做成。 ③ 荧光体粉末：ZnS:Cu,Cl, 或Mn 原子等，可得到不同的发光色。 ④ 粘结剂中采用介电常数比较高的 有机油如氰乙基纤维素等。 ⑤ 介电质层：防止绝缘层被破坏。 ⑥ 背面电极：Al。
密，介质损耗因子tan小，高击穿场强(Ebd)的绝缘 层。 具有高的介电常数，减少绝缘层上的电压，以保证发 光层上有足够电压。 绝缘层应具有高的品质因素：Q= ·EBd= 0· r·EBd。其 中， 为介电常数， r为相对介电常数。 击穿时呈自熄性而非传播性。 良好的透明性，粘附性，平整性和化学稳定性。 制备工艺简单-电子束蒸发，溅射。
2) 分散型直流ELD发光机制
1. ITO：正极。AL：负极。 2. 在定形化处理过程中Cu2+离子会从透明电极附近的荧 光体粒子向AL电极一侧迁移。
3.结果在透明电极一侧会出现没有CuxS包覆的电 阻率高的ZnS 层(脱铜层)。 4.外加电压的大部分会作用在脱铜层上，在该层 中形成106V/cm的强电场。 5.在此强电场作用下，会使电子注入到ZnS层中， 经电场加速，成为过热电子。 6.过热电子直接碰撞Mn2+会引起其激发，引发EL 发光。
7) ACTFELD亮度-电压特性及发光效率-电压特性



亮度在Vth处急剧上升， 此后出现饱和倾向。 发光效率在亮度急剧上 升的电压范围内达最大 值。 上升沿：数微秒， 下降沿：数毫秒， 亮度：与电压频率(数千 赫兹)呈正比增加。
8) ACTFELD等效电路
i：绝缘层；p：发光层；d ：厚度； ：介电常数；C：电容； V：电压；Vth：阈值；S：显示区域面积。 平行板电容值C = 0rS/d。 在求发光层阈值电压Vth时，通过器件的电流小，忽略发光层的 电阻，并假设上、下绝缘层材料和厚度相同，由此可等效为三 个平行板电容串联。求Vp(Vth)与各上述各参数的关系。



3.1.3 ELD分类： 按结构：分散型EL和薄膜型EL。前者的发光 层以粉末荧光体的形式构成。后者的发光层以 致密的荧光体薄膜构成。 按驱动方式：交流驱动型EL和直流驱动型 EL。 以上可以排列组合出四种EL元件的类型。


以上四种EL器件的特征如下图所示。

3.1.4 ELD的特征 ：
2) 分散型交流ELD发光机制：
Fischer模型： ZnS荧光体粉末的粒径:5－30µm。通 常在一个ZnS颗粒中会存在点缺陷及 线缺陷。电场在ZnS颗粒内会呈非均 匀分布，造成的发光状态也不会相 同。 当观察一个ZnS颗粒时，发光先从若 干孤立的点开始，随着电场增加，两 点的发光逐渐延伸，相互靠近，汇合 成彗星状的发光。
ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系
在较低的掺杂浓度范围内，发光亮度随着浓度 的增加而增加，并达到一个极大值，随着浓度 的增加，发光亮度反而下降，即出现深度猝灭 现象。 ZnS:TbF3，ZnS: ErF3，ZnS:HoF3 ACTFELD
的亮度极大值分别为2300cd/m2，1100cd/m2 和600cd/m2，分别对应最佳掺杂浓度为 1.4102mol，7.0103mol和 3.0103mol 。
三种稀土离子Tb，Er Ho掺杂 的ZnS ACTFELD。 以ZnS:TbF3，ZnS: ErF3， ZnS:HoF3为例，三者均为绿 光，主要发射谱线的峰值波长 分别为542，552和550nm。 增加发光中心的数目，有利于 提高发光亮度，但是随着掺杂 浓度的增加，减少了发光中心 之间的距离，发光中心之间的 相互作用将导致能量传递和浓 度猝灭。



在ZnS颗粒内沿线缺陷会有Cu析出，形成电导率较大的CuxS(P 型或金属电导状态)， CuxS与ZnS形成异质结。 当施加电压时．CuxS/ZnS界面上会产生高于平均场强的电场强 度(105-106v/cm)。使位于界面能级的电子通过隧道效应向ZnS内 注入，与发光中心捕获的空穴发生复合，产生发光。 当发光中心为Mn时，如上所述发生的电子与这些发光中心碰撞 使其激发．引起EL发光。
1) 薄膜型交流ELD基本结构： 在玻璃基板上依次积层透明电极(ITO)，第一绝缘层， 发光层，第二绝缘层，背光电极(Al)等。发光层厚0.51µm，绝缘层厚0.3-0.5µm，全膜厚只有2µm左右。
2) 绝缘层作用-保护发光层，使器件稳定
ACTFELD中电场高达106V/cm，应选用针孔少，致
第三章 无机电致发光器件
3.1 ELD (electroluminescence device)概述 3.2 分散型ELD的结构和原理 3.3 薄膜型ELD的制备和原理 3.4 陶瓷厚膜为绝缘介质的电致发光器件 3.5 LED的结构、发光基本原理和应用 重点: TFELD的结构和原理 难点: 高场下无机电致发光器件的发光原理
ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系
ZnS:HoF3薄膜，掺杂浓度增加，5F55I8(红 光)明显上升，5S25I8(绿光)相对降低。 交叉驰豫：从能级图，5S25I4能级差与 5I 5I 的能级差非常接近。当掺杂浓度增加 8 7 时，发生5S25I4➟5I85I7的交叉驰豫，不 利于绿光发射。交叉驰豫几率很大，正因 如此，Ho3在ZnS具有较低的最佳掺杂浓度 (3.0103mol)和亮度(600cd/m2)。
ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系
ZnS:TbF3，ZnS: ErF3，ZnS:HoF3 ACTFELD发射光谱与浓度关系
ACTFELD发光亮度与掺杂浓度的关系
对于ZnS:TbF3 薄膜，随着掺杂浓度的增加， 蓝光5D37F6的跃迁逐渐减小，直到消失。 交叉驰豫：一个被激发的Tb3离子，处于5D3 能级上的电子可以列辐射跃迁到5D4能级，而 将能量传递给邻近未被的Tb3离子，使其基 态7F6上的电子跃迁到7F0能级，即5D3 5D4 ➟(无辐射能量传递)7F6 7F0的交叉驰豫。， 这一过程有利于5D4 7F6的绿色发光，所 以， Tb3离子在ZnS薄膜中有很高的最佳浓 度(1.4102mol)，从而有最高的发光亮度的 极大值(2300cd/m2)。
4) 绝缘层薄膜的品质因素

品质因素：Q=ε·EBd=ε0· εr·EBd作为选择绝缘 层薄膜的重要指标。
5) ACTFELD对透明电极的要求
ITO：低电阻率，大尺寸，均匀性、透光性好、耐久 性、耐腐蚀性，表面平整等良好性能。 为减小ELD显示屏的功耗，应增加透明导电膜的厚 度，减少阻抗。由此会在导电膜的端边位置上使发光 照、绝缘膜的厚度变薄，容易引起局部击穿。 应从ELD器件的整体要求兼顾透明导电膜的厚度和电 阻率。
9) ACTFELD的驱动电压极性与光输出波形

驱动电压极性与光输出波形

当施加不同极性的脉冲电压时发光强度高。 当施加相同极性的脉冲电压时发光强度就下降。 继续施加相同极性的脉冲电压甚至不能发光。 原因：由于发光层中产生内建电场和电子被驱赶到处于 暂态阳极对应的发光层和绝缘层界面处所致。造成发光 层有效电压降低，碰撞离化几率减少，发光降低，甚至 不能发光。 脉冲极性反向时，外加电场与内建电场叠加，发光层上 的有效电压增加，电子从另一界面隧穿进入发光层，对 发光离子的碰撞离化几率增加，发光增强。