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第29卷第12期2010年12月中国材料进展MATERIALSCHINAVol29No12Dec2010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)12-0052-07DevelopmentofLED/OLEDPhotoelectricMaterialsandAssemblyTechnologyinTaiwanCHENZepeng,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[1]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9mm2,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Fig1TendencyoflumenandpriceofLEDpredictedbyHertzlaw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著的不同。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(PseudomorphicHighElectronMobilityTransistor,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著的进展,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吋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(LowTemperaturePolySiliconThinFilmTransistor,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吋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)[2]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,发光效率显著的降低。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Fig2Schematicdiagramofdoubleheterostructure32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