LED／OLED技術介紹－昂首挺胸

LED / OLED 技術介紹

發光二極體（Light Emitting Diode, LED）是一種由半導體材料所製成的發光元件，具有兩個電極端子，在端子間施加電壓，通入操作電流(大約20mA)，經由傳導帶(conduction band)以及價電帶(Valence band)之間電子電洞對的復合(Recombination)，可將能量以光的形式激發釋出，與傳統的燈泡、燈管相比較，

LED具有體積小、壽命長、低驅動電壓、耗電量低、耐震性佳等優點，所以自從1970年代紅光LED產品問世以來，就一直被期待能取代燈泡以及燈管，成為下一世代照明、光源的主流技術，但是受限於砷化鎵/砷化磷(GaAs/GaP)系列材料的能隙(energy band gap)限制，所以有很長一段的時間，LED元件所能發出來的可見光，都僅只能達到紅/橙/黃等較長波長的顏色，以致於在產品的應用上，多以交通號誌或指示信號等單一用途為主。這樣的情形一直持續到1990年代，氮化鎵系列的新材料技術逐步成熟之後，陸陸續續地完成了綠色以及藍色等色系的產品開發，才使得LED產品得以邁入白光以及全彩化的新世代，並正式成為次世代照明光源的不二選擇！

Fig-1描述了LED元件技術的演進歷程，以及發光特性的改善。

Fig-1 LED 技術發展

Fig-2發光光譜V.S.磊晶化合物半導體

LED 的產業模式，大致上可以分為上游的磊晶製程，這其中還依產品所發出光色、材料的不同，而有液相磊晶(LPE)、氣相磊晶(VPE)、有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)等磊晶技術，早期在砷化鎵材料的時代，LPE是主要的技術主流，但當氮化鎵材料成為長波長色系LED的主要材料時，MOCVD便成為新一代的主流磊晶技術。而中游的晶粒製造，則包含了接觸電極的蒸鍍、蝕刻，以及晶粒的切割等等，下遊則是封裝以及實際成品的製造，這其中包括了LED模組、顯示器，以及LED燈泡等等。

目前國內各LED廠商，主要的白光技術來源為德國的歐司朗(OSRAM)，以及日本的日亞化學(Nichia)，其中日亞化學的YAG螢光粉技術特性最好，但由於其技術授權策略較為保守，所以國內廠商除光磊之外，多半是向德國歐司朗取得白光LED技術的授權。

至於有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode, OLED)，則是跟LED一樣，同樣是利用傳導帶以及價電帶之間電子電洞的復合，將能量以光的形式激發出來，只不過在使用的材料上，可以採用具有半導體材料特性的高分子有機薄膜來做為提供電子、電洞的傳送層，以及電子電洞對復合發光的發光層。由於是採用薄膜製程，所以不同於一般固態半導體材料的LED元件，必須經由複雜的磊晶製程來產生P、N type的電子、電洞傳送層，導致基板材料的選擇僅限於砷化鎵、碳化矽(SiC)，或是藍寶石(Sapphire)等硬性不透明基板。相對的，OLED的基板選擇除了一般不透光的硬性基板外，還可以採用透明的玻璃基板，甚至於延伸到可撓性佳的塑膠基板，將其元件功能擴大到一般資訊或電視用顯示器的畫素元件，而且在廣視角、高對比、低耗電、快速反應時間，以及色彩飽和度等光學特性，都遠遠優於目前的TFT-LCD顯示技術，因此自從1986年，伊士曼-柯達公司成功地開發出小分子蒸鍍技術之後，OLED便成為平面顯示器技術的未來焦點！

OLED的最大特色在於它是自發光體，因此不需要背光(backlight)模組及彩色濾光片（Color Filter）等構造，能進一步減少厚度，相較於模組厚度（含背光板）約4mm的TFT LCD來說，OLED可以做到2mm以下的更輕薄厚度；此外，更寬廣的視角（>165度）、反應速度（<10μs）、低驅動電壓（5~15V）、可曲撓性（適用於塑膠基板）、理論上可達到更低耗電（100mW/平方英吋）以及製程更簡單（一條生產線的投資成本只有TFT LCD的十分之一）等優勢，讓OLED成為繼LCD後最被看好的顯示技術明星。

在柯達首次發表小分子OLED（分子量小於1,000）技術後三年，也就是在1990年時，英國劍橋大學的科學家也跟著提出採用高分子OLED（分子量大於10,000）為發光材料的創新技術。業界為了與前者做區隔，一般稱高分子OLED為PLED（Polymer LED）。後來劍橋大學的研發團隊另成立了Cambridge Display Technology（CDT）公司，繼續這項技術的開發工作。

目前兩大陣營的技術競逐上，小分子OLED的商業化進展可說是略勝PLED一籌；但由於兩項技術的訴求特色並不盡然相同，在材料特性上也各有千秋，所以預期未來仍可望並存於市場當中。以PLED來說，因可利用噴墨式（Ink-Jet Printing）製程來開發全彩顯示器，除了可大幅簡化製程外，更有利於開發大型化的面板，所以一些大尺吋電視螢幕的廠商，包括Seiko-Epson、東芝-松下、Philips等，無不積極投入PLED的研發工作，儘早為下一代大尺吋電視的技術掌握做好準備。

在本文中，我將為大家介紹LED以及OLED的基本操作原理，以及目前的技術發展與相關的產品應用，希望可以做為各位同仁在工作上的參考。

LED的發光原理

Fig-3 P-N 同質(homo-)/異質(Hetero-)接面(junction)中的電荷分佈。

在Fig-3 中我們可以知道，當我們施加正向電壓於一能階平衡 P-N 接面(homojunction)時，由於價電帶上的電洞，躍遷至傳導帶上與電子復合產生能量(hν)，將以光的形式發散出去，但由於在同質接面中，電子、電洞擴散的平均距離(Lp、Ln)較大，電子電洞對在此接面狀況下的復合機率因此而變小，導致發光效率不佳。所以，一般的LED元件設計中，大都採用多層的異質P-N接面，加入電壓後形成量子井，將傳導帶上的電子，以及價電帶上的電洞，侷限在較窄的距離(Wdh)中，使電子、電洞產生復合的機率增加。以氮化鎵（GaN）藍光LED為例(見Fig-4)，電子先分佈在摻雜矽(Si)的氣化鋁鎵(AlGaN)層的傳導帶上，之後擴散到能階稍低，同樣摻雜了矽的氮化鎵層之後，接著掉進氮化銦鎵(InGaN)組成的量子井層中被侷限(trapped)住，同樣的，電洞也從摻雜鎂(Mg)的氣化鋁鎵層的價電帶上，擴散到能階稍低，同樣摻雜了鎂的氮化鎵層，接著也同樣掉進了氮化銦鎵的量子井層中，由於自由電子、電洞都被侷限在量子井的寬度範圍(一層大約是25埃米，可有多層以增加電子、電洞復合機率))內，復合後激發光的機率也就更為增加。至於摻雜矽、鎂的目的，則是活化氣化鋁鎵以及氮化鎵，以產生出更多的自由電子、電洞。FiG-5 為一藍光LED的剖面圖，而Table-1則是上藍光LED各層的製程方式，以及材料表。

Fig-4 GaN藍紫光發光二極體發光機制

OLED的發光原理

Fig-5 OLED剖面圖

Fig-5 為一OLED元件的剖面圖，以及其操作時的發光原理。不同於一般的無機半導體LED，OLED並沒有P、N型半導體層以及P、N接面、量子井這類的元件結構，取而代之的是電子注入層(EIL)、電子傳輸層(ETL)、電洞注入層(HIL)、電洞傳輸層(HTL)，以及電子電洞復合發光層(EL)等有機結構，下表中整理了紅、綠、藍三色OLED所需要的結構材料，以及其概略的發光效率。

當電子、電洞分別由OLED的陽極與陰極，注入到電子注入層以及電洞注入層之後，藉由電荷的擴散、漂移，最後電子、電洞會在發光層產生復合現象，而激發出光色。

在OLED的發光方式中，主要有分為螢光性(fluorescence)以及磷光性(phosphorescence)兩種，而發光方式的不同，則是與電子、電洞的自旋性(spin)

組合有關，總共有三個triplets組合，以及一個singlet組合。早期OLED的發光材料，所利用來發光的能隙能量為singlet，所以約只有25％的能量被轉換成光，其餘的75％能量則被吸收、浪費掉了，所以OLED的發光特性一開始並不佳，當OLED的發光能量是singlet時，OLED發的是螢光(fluorescence)。近年來，由於磷光材料的開發成功，以往被吸收掉的75% triplet能量也能被轉為光能使用，所以OLED元件的亮度表現也因此而提升。

依驅動方式來看，OLED可分為被動矩陣式OLED（Passive Matrix OLED；PMOLED）及主動矩陣式OLED（Active Matrix OLED；AMOLED）。目前市場上量產的OLED產品幾乎全是PMOLED，這是由於PMOLED採循序掃描的驅動方式，結構簡單，生產成本較低、設計變更容易，而且不需使用到TFT製程，因此業者，如先鋒(Pioneer)、錸寶等近年來率先投入此一領域研發，在壽命、發光度、顏色均勻度等方面皆有極大的進步。

雖然如此，PMOLED因為在結構上需要經常瞬間注入較大電流，使得耗電量不易降低，使用壽命也因此縮短，再加上不適合大尺寸、高解析度面板的發展等因素，仍不是一個合適的顯示技術選項。

相較於PMOLED，AMOLED面板上的每一畫素皆可獨立運作並連續驅動，具備低耗電、發展高解析度產品的潛力，但為了達到足夠的亮度，AMOLED就需要搭配能提供較高電流流動度的TFT，也就是TFT元件先取得穩定電壓後，再轉換成穩定的電流來控制OLED發光。

目前在AMOLED的TFT電流驅動上，多晶矽薄膜電晶體（LTPS TFT）技術因能提供較高的電流驅動能力（載子移動率50~200cm2/Vs）以及省卻驅動IC的優點，所以是頗為理想的驅動技術；但業者對於LTPS TFT的技術掌握度仍然不高，不論是在良率或生產成本上，皆難達量產的標準。在此情況下，採用非晶矽a-Si TFT的驅動方式也就因然而生。

業者發現，雖然a-Si TFT電流驅動能力（載子移動率0.1~1cm2/Vs）比LTPS TFT低上許多，但已足以驅動現今的AMOLED面板，而a-Si TFT的生產技術目前已發展得相當成熟，且大小尺寸基板的產能相當充足，成本就較LTPS TFT為低，所以可以說是眼前將AMOLED實用化的極佳選擇。

LED / OLED的產品應用

LED元件由於具備發出光比較不容易暈散的特性，所以很早就被廣泛使用於交通號誌以及汔車的煞車燈等應用產品上，近年來，更由於白光LED技術的改善，使得LED取代燈泡、燈管，成為未來照明技術主流的趨勢已然形成，目前在車用大燈以及一些室內燈具中，已有愈來愈多的白光LED產品推出。至於顯示器部份，原本LED在顯示器方面的用途，多半是用於戶外的大型廣告燈或顯示看板，而最近的主流趨勢則是朝向液晶顯示器的背光模組技術發展，目前在手機應用的小尺寸方面，已經幾乎全是LED背光模組的天下。

基本上 LED 背光模組可依光源入射位置分為直下式背光模組與邊緣式 (edge type) 背光模組兩大類。

直下式背光模組將 LED 均一排列於液晶面板背面正下方。邊緣式背光模組於液晶面板背面設置導光板 (Light Guide)，導光板端面的 LED 光線入射至導光板內，均勻擴散後再從導光板表面射出。由於 LED 亮度大幅提高與導光板加工技術的進步，如同以往冷陰極燈管(CCFL)在筆記型電腦面板，以及中、小尺寸顯示螢幕背光模組的定位，為求達到輕薄的設計目的，目前邊緣入光式背光模組仍是此一市場主流。

在行動電話朝向輕薄短小且多功能化的發展趨勢下，未來在行動電話用背光模組勢將朝向更省電、輕薄化、提高發光亮度及光均勻度等方向發展。作為背光模組主要光源的 LED，在此趨勢的影響下，勢將朝向開發更高亮度及光均勻度更高的產品，為了達到此需求目前LED及背光模組廠商朝向以下方向開發。1.提高LED發光亮度。2.開發小尺寸或薄型化LED，以縮小背光模組厚度。3.改進導光板設計，提高LED的光線利用效率。4.改進驅動電路的設計，使數個LED同時點亮時的亮度均勻、穩定。

在大尺寸液晶面板的背光應用方面，LED模組目前仍然面臨成本較高的挑戰，所以在目前面格價格低迷的時候，採用LED做為背光來源的大尺寸液晶面板，在價格競爭力上會居於相當不利的地位。然而，採用LED背光模組，在技術層面上擁有色域較廣（超過100％ NTSC），且操控較CCFL方便，有利於動態畫面的改善設計，如blinking backlight以及動態對比等等，加上功率消耗較小等特性，也有助於LED背光技術的推展，以目前LED元件製程技術以及光學特性的改善速度來推斷，相信在不久的將來，LED背光模組的成本問題將會大有改善，屆時LED背光技術在液晶面板畫質改善方面的優點，將更為業界所樂於採用。

至於OLED 在顯示器方面的應用，目前比較熱門的發展趨勢仍為AMOLED、可撓式面板，以及背光應用三大方向。AMOLED部份，由於製程的均勻性，以及有機材料壽命的問題，仍是此一技術跨入大尺寸顯示面板應用的一大障礙，所以在短期內，仍會以小尺寸的應用發展為主，短期目標是逐漸地取代PMOLED的市場，然而在畫素以及電路設計方面，各種補償不同顏色子畫素間電性差異的技術都在進行開發中，再搭配有機發光材料的壽命改善，未來AMOLED仍極有可能成為繼TFT-LCD之後的一個選項，值得我們注意與期待。

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