半导体为什么会发光

1、半导体为什么会发光要追溯OLED的研发历程，恐怕还要从半导体说起。1947年，人类首先开发出晶体管；1962年，哈隆 亚克创造了 LED。在商业上，它们最初应用在计算器和 手表上，早期计算机的小红灯就是由它们制成，后来很快 应用到交通信号灯。LED可以产生激光，光纤通信就是 激光和光导纤维相结合的产物，现在极为普遍的CD和 DVD都与它密切相关。自从1990年开发出蓝光LED之 后，摩天大楼以及广场上开始出现蔚为壮观的大屏幕彩色 电视墙，它们是由数十万个LED芯片所组成的。不过， 要想将LED应用到掌上电脑或笔记本计算机上却并不实 际。LED与OLED都是由半导体制成，半导体的导电性 能介于导

2、体与绝缘体之间。半导体材料的束缚电子与自由 电子之间的能隙很小。在给定电压下，电子获得足够能量 后就会发生能级跃迁并开始导电。半导体中假设人为地掺入 少量杂质可形成掺杂半导体，杂质对半导体导电性能影响 很大。在技术上通常通过控制杂质含量（即掺杂）来控制 半导体导电特性。经过掺杂处理之后，半导体更容易导电; 如果掺入的原子的外层电子数比原半导体材料的外层电 子数少，那么如同拿掉了电子，因此留下了带正电的空穴, 称之为P型半导体，如四价原子硅晶体中掺入三价硼原 子。容易获取电子的原子称为受主，P型半导体由受主控 制材料导电性。反过来，如果掺杂之后有多余的电子，称 之为N型半导体。在四价原子硅晶体中

3、掺入五价原子， 例如磷或碑，就可形成N型半导体。易释放电子的原子 称为施主，N型半导体由施主控制材料导电性。将电子添 加到P型材料，那么电子在遇到空穴后就可能掉到较低的 能带上，放出能量与能隙相同的光子，其波长取决于发光 材料的能隙大小。要产生可见光，有机材料的低能带与高能导带之间的 能隙大小必须落在狭窄的范围内，大约2至3电子伏特。 所谓电子伏特是指一个电子被一伏特的电位差加速后所 得到的动能。能量为1电子伏特光子的波长为1240纳 米，相当于红外线的波长；能量为2电子伏特光子的波 长为620纳米，其颜色偏红。意外发现催生新技术有机半导体由分子聚集而成，现有技术所使用的是非 晶态物质，为固体

4、材料，属无规律排列的非结晶状态。有 机发光材料有两大类，以分子的大小来区分，小分子的称 之为低分子OLED,大分子的称为高分子OLED。提到 OLED技术的研究，就不得不提邓青云博士。他出生在香 港，毕业于台湾大学化学系。1975年加入柯达公司罗切 斯特实验室从事研究工作。科学新发现大都是从一些出人 意外的小事件开始，OLED的发现也不例外。1979年的 一天晚上，邓青云博士在回家的路上忽然想起自己把东西 忘在了实验室里。等他回到实验室后，竟发现一块做实验 用的有机蓄电池在黑喑中闪闪发光！这个意外惊喜为 OLED的诞生拉开了序幕。邓青云与同事范斯莱克认识 到，如果能发现P型有机分子和N型有机分

5、子，在两者 的接触面就会产生类似晶体LED 一样的发光现象。另外, 他们还需要一种能够束缚电子的材料，易于载流子注入, 而光线传播还需要接触面具有透明性能。幸运的是，广泛 使用的氧化钢锡恰恰是透明导电材料，非常适合做P型 接触材料。OLED的典型结构非常简单:玻璃基板（或塑料基衬） 上首先有一层透明的氧化锢锡阳极，上面覆盖着增加稳定 性的钝化层，再向上就是P型和N型有机半导体材料， 最顶层是镁银合金阴极。这些涂层都是热蒸镀到玻璃基板 上的，厚度非常薄，只有100至IJ 150纳米，小于一根头 发丝的1%,而传统LED的厚度至少需要数微米。在 电极两端加上2V到10V的电压，PN结就可以发出相当

6、 明亮的光。这种基本结构多年来一直没有太大的变化，人 们称之为柯达型。由于组成材料的分子量很小，甚至小于 最小的蛋白质分子，所以柯达型的OLED又被称为低分 子 OLED。为了增加发光效率，邓青云和范斯莱克又进一步修改 了设计。他们在发光材料三铝8-羟基喳咻中，加入了少 量荧光染料香豆素,把空穴与电子结合所释放的能量转移 给了染料。而电极附近的氧化锢锡薄层以及其他化合物, 改变了厚层间的交互作用和电子与空穴复合儿率，这增加 了荧光OLED的整体功效。低分子OLED目前可以产生红光、绿光和蓝光，其 中绿光的发光效率最高。绿光OLED的发光效率为每安 培10到15堪德拉和每瓦7到10流明，和现在市

7、场销 售的LED灯及白炽灯相差无几。一个有趣的题外话是： 在普通百姓中存在一个错误概念，以瓦数来判断灯的亮 度，其实，瓦数并不表示灯的亮度，它是用来衡量单位时 间所用能量多少的单位。亮度是用流明来定义的，而堪德 拉是光输出的另一个常用单位。高分子有机发光材料第二种有机发光材料为高分子聚合物,也称为高分子 发光二极管(PLED),由英国剑桥大学的杰里米伯勒德及 其同事首先发现。聚合物大多由小的有机分子以链状方式 结合在一起，以旋涂法形成高分子有机发光二极管。旋转涂布工艺采用的原理是：在旋转的圆盘上(通常为每分钟1200转至1500转)滴上数滴液体，液体会 因为旋转形成的离心力而呈薄膜状分布。在这

8、种状态下, 液体凝固后便可在膜体上形成晶体管等组件。膜体的厚度 可通过调节液体粘度及旋转时间来调整。旋涂之后，要采 取烘干的步骤来除去溶剂。就工艺而言，旋涂法比热蒸镀 法要经济。与柯达型低分子OLED相比，PLED有功效 优势，这是由于在低压工作环境下，聚合物层具有良好的 导电性能。最初PLED是由一种称之为次苯基二价乙烯基 （PPV）单层活性聚合物，夹于氧化钿锡和钙之间形成。 钿锡氧化物为载流子注入层，而钙为电子传递层。现在的 PLED又增添了一层聚合物载流子注入层。PPV聚合物产 生黄光，具有效率高寿命长的特点。这种PLED应用于 计算机显示器，其寿命可长达10000小时，相当于正常 使用

9、10年。其他的聚合物及复合聚合物也在开发之中， 如陶氏化学公司研究开发了一种聚氨高分子。全彩色 PLED也在开发中，主要是通过改变复合聚合物片段的长 度来实现显示功能，令人遗憾的是，与PPV相比，各种 全彩色有机聚合物的寿命不长，而蓝光聚合物始终不尽人 -、二 Az?、o难关重重待飞越尽管荧光OLED和PLED能耗较低，但仍有很大的 改进空间。对第一代产品的最大限制因素是电子自旋，这 种固有的量子特性决定着粒子对电磁场的反响。电子与空 穴结合时，会产生激子。根据量子力学的规律，电子与空 穴结合时，只有四分之一的激子会以光的形式释放能量, 其余的激子那么以热的形式释放能量。由美国普林斯顿大学的弗

10、莱斯特及南加州大学的汤 普森所领导的研究小组征服了这个难题。他们开发的 OLED含有诸如铝、钺等重金属。一般而言，重金属的外 层电子，由于远离原子核，旋转角动量大。这种电子与其 他电子相互作用，理论认为，百分之百的激子都会以光的 形式释放能量。为了与荧光OLED相区别，把用这种方 式制备的OLED称为磷光OLED。低分子OLED的效率 给人留下了十分深刻的印象，除了蓝光OLED外，其寿 命未产生任何影响。不过，蓝色磷光OLED尚未发现， 目前有许多实验室正在加紧研究，努力改变这种现状。第二个难关是低分子OLED能否以经济的旋涂法来产 生各色有机发光材料。磷光OLED在这方面已经有了重 大进展。

11、英国牛津大学的安德鲁和奥普西斯合成了一种树 丛状分子(dendrimers),有助于实现这种设想。“den 邺drimers”这个词来自希腊的“dendros”，意思是树 和枝，树上的分枝长到一定长度后又分成两个分枝，如此 重复进行,直到长成像球形一样的树丛。在树丛状分子中， 分枝是内部连结的高分子聚合键，每一个键又会产生新 键，全部会向一个焦点聚合或向一个核聚合。在树丛状分子上可形成大量键端球形突起物,就像毛 线球上的绒毛。在合成过程中，可利用这些键端去执行特 殊的化学功能，例如，键端可带电，发挥树丛状分子的高 分子电解质的功能。另外，在合成过程中，也能控制树丛 状分子外部尺寸和内部的结构。

12、这有可能创造与外部不同 性质的内腔和信道，并翻开树丛状分子作为载体或作为受 邀分子晶核的大门。将树丛状分子应用于OLED,可以将磷光OLED作 为核，形成大分子球，以适当的元素为分枝，这样OLED 分子就能够溶解.，就可以利用类似PLED的制备方式， 通过旋转涂布和烘干来制备。树丛状分子具有非常良好的 发光效率，目前可达每安培50堪德拉和每瓦40流明。另外，尽管生产工艺不同，有机发光材料还是要获得 与阴极射线管和液晶显示屏相同的画面质量，才能在市场 上具有竞争力。为了获得完美画质，每英寸点数不应小于 100o目前阴极射线管和液晶显示屏利用光刻技术都已达 到或超过了上述要求。OLED目前主要以荫

13、罩技术进行多 彩成膜的制备，距高分辨率显示要求仍有差距，须待突破。 喷墨技术为PLED发光色层精确定位提供了一个新的解 决方案。它主要是将装有不同颜色高分子发光材料，依序 精确定位于所设计好的位置,其技术挑战的关键在于能否 精确定位、喷出的滴状材料的大小是否配合画面的尺寸、 能否控制喷出液滴的一致性等。产品现状与未来目前，低分子OLED从原型开展的进程来看，似乎 是一片光明，但看好高分子PLED开展前景的也大有人 在，他们认为两者之间的差距将会很快缩小。彩色OLED和PLED可以利用白光发光材料和微型 彩色滤光器来实现。目前eMagin公司已经利用主动矩 阵硅芯片，成功地开发了 800X600像素，0.6英寸的 小型彩色显示屏。这种小型显示屏与光学放大设备配合, 装配在飞行员、士兵和消防人员的头盔上，三维电子游戏 也将为有机发光材料提供一显身手的舞台。美国军方主要在OLED的柔