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SOOCHOW UNIVERSITY
硕 士 学 位 论 文
有机发光二极管的电荷平衡机理研究
研究生姓名
指导教师姓名
专 业 名 称
凝聚态物理
研 究 方 向
半导体器件与物理
论文提交日期
2014 年3 月
Study Charge Balance Mechanism of Organic Light Emitting Diodes
有机发光二极管的电荷平衡机理研究
有机发光二极管的电荷平衡机理研究
有机发光二极管（OLED ）具有高亮度、广视角、高效率、可制作大尺寸与可
挠曲的面板及制作过程简易等优点，已经成为国内外非常热门的新兴平板显示器
产品。影响 OLED
组件发光效率的一个最重要的因素是电子和空穴的再结合率，
即发光层中电子和空穴是否平衡。在常见的 OLED
组件中，空穴在发光层中的量
比电子在发光层的量多，发光层中电荷不平衡而导致较低的器件效率。因此，提
高发光层中的电荷平衡度可以增加发光层中电荷的复合度，明显的改善器件的性
能，以满足实际应用需求。目前来说，提高电荷平衡的方法主要有增加电荷注入
层、改善电荷传输材料、改善组件结构三种。本论文主要通过改善电荷注入来提
高发光器件的性能。
首先，本文基于p-i-n OLED 的器件结构，通过系统的改变p 型和n 型的掺杂
正在加载中，请稍后...CTI华测检测：LED发光原理及失效因素浅谈
随着世界能源的缺乏，生态环境的恶化，人们逐渐意识到，如何改变能源获取方式以及如何提高当前能源利用率，对人类未来的发展无比重要。据统计，全球照明用电占全球电量19%，而我国的照明用电也占到了全国电量的12%。由此而知，如何提高照明电能利用率，如何提高照明灯的发光效率，对于改善世界能源问题非常重要，人们急需一种新的照明技术来改善当前的能源困局。因此，LED技术的诞生给世界带来了希望，它的出现为照明界开拓了一个全新的技术领域，也为照明节能设计提供了更多选择。本文主要介绍了LED的基本发光原理，阐述了LED灯应用的现状、前景及优缺点，并结合图片讲述了LED灯的一些失效模式、失效机理及应注意的问题。
1．LED的发光原理
LED即发光二极管，其核心部分是由P型半导体和N型半导体组成晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，成为P-N结。由于P型和N型半导体的导电带的高度落差使得在PN结处形成一个势垒即耗尽区如图一，但当在P型端加上正电压，在N型端上加上负电压时。电路中n区电子从偏压电源负极被排斥。多余的电子从负极注入到充满空
穴的左端，使得n区中留下电子的空缺。同时，p区的空穴从偏压电源的正极被排斥，由偏压电源正极提供的空穴中和了由偏压电源负极提供的电子，使结区形成导通，电流也因而急速上升。在一个的适当的电压下。电子和空穴分别注入P、N结两端后，便会在PN界面区域结合而发光，即电子由高能量状态回到低能量状态与空穴复合，将能量以光的形式释放出来。外部会不断地由N侧注入电子，并由P侧注入空穴，使得电子、空穴复合而发光持继进行，这就是LED的基本发光原理。
2.LED的衬底材料
　　由以上内容可知，LED的核心部分就是由半导体组成的晶片，而与晶片密切相关的就是本节将讨论的问题，即LED的衬底材料。可以说，LED衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。
　　2.1 目前应用于氮化镓外延生长的材料
　　目前能用于生产的衬底材料主要有两种：蓝宝石和碳化硅（SiC）衬底，两者各具优缺点。首先，两者的热稳定性都很好（其中SiC更稳定些）；都不吸收可见光，可大大提高发光率。但相对于蓝宝石，碳化硅的导热性能及导电性能要好很多（蓝宝石的导热系数为46W/（m·k）；碳化硅的导热系数为490
W/（m·k）），良好的导热性使得碳化硅衬底的大功率LED可以很好地解决散热问题；相反，蓝宝石的导热性能及导电性能差，这就使得由蓝宝石衬底制作的器件只能在低电流下工作，在大功率情况下散热问题将大大降低器件的寿命。因此只能通过改变LED的结构来克服此问题，即把P型电极以及N型电极制作在衬底的同一侧，但这同时也减少了发光的有效面积。
　　相对于蓝宝石，碳化硅的性能要好得多，为什么却代替不了蓝宝石成为主要的氮化镓外延生长的衬底呢？分析其主要原因有：首先，蓝宝石目前技术工艺已经很成熟，其次，价格相对便宜。相反，碳化硅的目前技术不成熟，价格更是远超蓝宝石，更重要的是碳化硅的晶体质量、机械性能等方面无法和蓝宝石比拟。因此，目前用于生产的碳化硅衬底很少。
　　2.2 其他用于氮化镓外延生长的材料
　　除以上两种用于生产的衬底材料外，其实还有很多理想的衬底材料，例如氮化镓单晶，它是用于氮化镓外延层生长的最理想的衬底。因为是同种材料，因此在生长中不会出现晶格失配，这样可大大提高晶圆质量及器件工作寿命，但是如何生产氮化镓单晶，这也是目前研究者们最棘手的问题。除此之外，硅（Si）也是一种比较理想的衬底材料，不仅因为地球上拥有着丰富的Si元素资源，而且目前Si单晶的生产技术工艺也十分成熟，能够生产尺寸很大的硅片，同时Si单晶还拥有更高的熔化温度（14120C），允许更宽的工艺容限及更宽的工作温度，增加了半导体的可靠性{1}。但可惜的是，Si单晶与氮化镓的晶体结构不匹配很容易引入缺陷，同时，热涨也没有匹配，此原因容易导致器件在发热过程中发生失效。
　　总之，目前受到工艺技术的局限，目前能够用于大量生产的衬底材料只有蓝宝石以及碳化硅，随着技术进一步成熟，相信未来将会出现上述所提到的几种理想的衬底材料，使得LED及更多的器件的可靠性大大增加。
2．LED的现状和发展前景
　　据统计，近10年来，全球LED的市场规模年均增长率为21%，2008年达到93亿美元。其中，高亮度LED增长迅速，年均增长高达46%，2008年达51亿美元，占市场总额的80%以上。就产业规模来看，日本是全球最大的LED生产国，占有全球50%的市场份额；我国台湾地区产业规模保持全球第二的地位。
　　作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最具发展前景的绿色照明光源。我国的LED产业起步于20世纪70年代，经过近40年的发展，现已形成上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄7个国家半导体照明工程产业化基地，产品广泛应用于景观照明和普通照明领域，我国已成为世界第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。
　　然而无可否认的是，我国LED产业面临的现状是虽然企业数量众多，且发展迅速，但普遍企业规模偏小，产业链不完整{2}，据一份统计数据显示，截至2009年底，我国共有LED企业3000余家，其中，年产值上亿的只有140家。在这140家企业中，没有一家企业的产品年销售额超过10亿元，超过5亿元的也只有少数几家，大部分在1亿元至2亿元之间。
　　现在，欧美及日本等发达国家都瞄准了日常照明以及汽车市场中LED的应用。而对于以上两项有着广泛市场的我国来说，也不会甘心落后。虽然目前我国LED技术工艺与美国日本等发达国家无法相比拟，但我们也有自己的优势，那就是产量较大价格低。就我国目前状况来看，价格是阻碍LED照明灯向日常照明以及汽车等广大市场发展的主要因素，但随着半导体工艺的改善，同时考虑到LED灯的优势，相信不久的将来我国传统照明以及汽车后灯等传统灯具将会被LED所取代。
3．LED相对于传统照明灯的优点以及存在的缺点&
　　3.1 LED的优势{3}
　　相对于传统光源，LED具有很多传统光源所不能比拟的优势。主要体现在以下八点：
　　（1）抗冲击性、抗震性好，不易破碎，便于运输。
　　（2）能够较好地控制发光光谱组成，从而能够很好地用于舞台、博物馆以及展览馆中的局部或重点照明。
　　（3）理论上具有与传统光源相比更高的发光效率，理论上LED的发光效率大于200lm/w，从而具有相当巨大的节能潜力。
　　（4）寿命更长，实验室寿命可达100000h，且光源可以频繁地亮灭，而不会影响其寿命，并且启动速度非常快。
　　（5）可以通过控制半导体发光层半导体材料的禁止带幅的大小，从而发出各种颜色的光线，且彩度更高。
　　（6）绿色环保。相对于传统的照明灯，LED不含铅、汞等污染元素，对环境没有任何污染，也没有紫外光污染。
　　（7）LED发光具有很强的方向性，从而可以更好地控制光线，提高系统的照明效率。
　　（8）使用低压直流电，具有负载小、干扰弱的优点。
　　与传统光源相比，LED特别是白光LED在一般照明领域中的优势和节能潜力，使它日益受到政府部门及相关专业人员的关注，也成为了当前半导体研究领域以及照明产业中的热点。
　　3.2 LED的缺点
　　在拥有众多优点的同时，LED也不可避免地存在一些缺点。
　　首先，价格高，LED照明灯价格相当于传统照明灯价格的十倍甚至是二十倍。这也就是为什么LED灯目前还不能普及到千家万户的重要原因之一。
　　其次，由于目前技术的缺陷，LED灯的发光效率实际没有达到理论数值，同时由于基材等原因而导致失效的几率很高。
　　接下来将重点分析LED灯的失效机理、导致失效的一些模式以及它的一些改善措施。
4．LED失效模式及机理
　　随着LED灯将来的广泛使用，其遇到的问题将会越来越多，而如何才能避免问题的出现，重中之重就是要从问题中寻找出原因，下面将介绍LED的失效模式。
　　LED的失效通常与其材料、结构、封装工艺及使用条件密切相关，主要的失效模式有芯片失效、封装失效、热过应力失效、电过应力失效以及装配失效．其中尤以芯片失效以及封装失效、热过应力失效最为常见{4}。芯片失效是指芯片本身失效或其它原因造成芯片失效；其中最常见的失效模式有以下几种如表一：
经过以上的分析发现，导致LED失效的模式有很多种，如何才能在一个失效的LED灯上找出它的原因呢？接下来向大家简单介绍下失效分析的基本流程。
5.LED灯的失效分析的基本流程
　　LED失效分析步骤必须遵循先进行非破坏性、可逆、可重复的试验，再做半破坏性、不可重复的试验，最后进行破坏性试验的原则。
　　首先，可以通过X射线透视方法对LED灯进行一个整体的目检（如下图1）次方法是使用最方便、所需资源最少的方法，因此它是最广泛地用于进行非破坏检验失效LED的方法。或对LED灯进行电性能的测试以此帮助我们进一步判断其失效的模式。
图1.经X射线透射的LED灯示意图
其次，在进行以上步骤后若没有发生直观问题的情况下，可对样品腐蚀开封后进行目检、SEM等来进行表面观察分析是否因击穿导致的失效（如下图2）。
图2.因静电击穿导致失效示意图
最后，可通过金相学分析法，即对样品进行封样、研磨抛光的手段来获取所要分析的界面。因该方法会破坏失效样品，一般此法后无法再进行更深入的分析，因此该方法是LED灯失效分析的“最后通道”，如图3。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
图3.金相观察示意图
6.LED灯在生产过程中应注意的问题
要想提高LED的质量，首先在生产过程中应做好LED的散热问题。众所周知，芯片结温过高将会大大影响到器件的正常工作，因此材料的散热好坏直接影响到芯片的工作；同时材料的受热膨胀若不匹配将有可能导致芯片电极被拉脱、银胶与底座之间脱离，有时芯片也会碎裂等现象发生因而导致断路使LED等无法正常发光，
其次，因LED是静电敏感器件，所以生产过程中应做好静电的防护措施；同时提高产品工艺的质量才是提高LED质量的根本。
本文从LED的发光原理、LED芯片衬底材料及其LED的现状、前景让人们对LED有了一些认识并重点介绍了LED的几个重要的失效原因，使得在生产过程以及使用过程中尽量去避免不必要的不良发生。同时也可以通过认识LED的失效模式及原因从而可以在生产过程中找到更好的改善方案，降低产品的失效率。
（1）半导体制造技术（美）Michael Quirk /JulianSerda著 电子工业出版社
（2）来源于环球在线；
（3）LED产业50问；
（4）路国光1，李玲2，杨少华1，黄云1。LED常见失效模式及机理研究；
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