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當代科學發展當代科學發展光電半導體元件簡介光電半導體元件簡介

郭艷光郭艷光YenYen--Kuang KuoKuang Kuo美國南加州大學美國南加州大學(USC)(USC)電機研究所博士電機研究所博士

國立彰化師大物理系暨光電科技研究所教授國立彰化師大物理系暨光電科技研究所教授

兼彰化師大進修暨推廣部主任兼彰化師大進修暨推廣部主任

電子郵件電子郵件: : [email protected]@cc.ncue.edu.tw網頁網頁: : http://http://ykuo.ncue.edu.twykuo.ncue.edu.tw

2007/07/26 當代科學發展-光電半導體元件簡介 / 物理系郭艷光博士 2

郭艷光郭艷光 –– 學歷學歷國立台灣大學電機研究所碩士，碩士論文主攻染料雷射。

美國南加州大學(USC)電機研究所博士，博士論文主攻高功率固態雷射(Ruby、Nd:YAG、Alexandrite、Cr:LiCAF、Tm:YAG等)。指導教授為Prof. Elsa Garmire (雷射原理發明人Townes的學生)與Prof. Milton Birnbaum。南加大同學(Robert D. Stultz)主攻Er:Glass等Eye-Safe雷射，後來被休斯飛機公司申請專利，應用至飛機、戰車等軍事用途。

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郭艷光郭艷光 –– 經歷經歷1984/111984/11：：中山科學研究院航發中心(航空研究所)科技預官/副研究員、漢翔公司工程師。(1991~1995：中科院公費赴美攻讀博士學位)1997/081997/08：：國立彰化師範大學物理學系/光電科技研究所助理教授、副教授、教授。

2007/022007/02：：兼任彰化師大進修暨推廣部主任(預定於2007.08.01改制為進修學院，並遷入新建之教學大樓)


郭艷光郭艷光 –– 彰化師大研究經驗彰化師大研究經驗1997年12月底向彰化師大校長提出「藍光雷射計畫」，提議研發半導體雷射，獲得800萬元經費補助。

除了半導體雷射之外，還帶領學生從事高功率固態雷射、發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)的研究工作。

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課課程程大大綱綱

半導體雷射半導體雷射(LD)(LD)發光二極體發光二極體(LED)(LED)有機發光二極體有機發光二極體(Organic LED, OLED)(Organic LED, OLED)


名詞釋義名詞釋義(Nomenclature)(Nomenclature)LD (Laser DiodeLD (Laser Diode，雷射二極，雷射二極體，又稱半導體雷射體，又稱半導體雷射))

LED (LightLED (Light--Emitting DiodeEmitting Diode，，發光二極體發光二極體))

OLED (OLED (OrganicOrganic LightLight--Emitting Emitting DiodeDiode，有機發光二極體，有機發光二極體))

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20052005年全球高亮度年全球高亮度LEDLED應用領域應用領域

Signs/Display

Mobile

Traffic Signals

Automotive

Illumniation

Electronic

Equipment/Other 就應用領域分析，手機為LED最主要應用市場，但市場佔有率呈現下滑趨勢，反倒是在照明及汽車領域有

明顯成長。

資料來源：工研院IEK-ITIS計畫，2006/4


全球高亮度全球高亮度LEDLED市場規模市場規模

0

1000

2000

3000

4000

5000

2002 2003 2004 2005

單位：百萬美元

2005年高亮度LED市場受到產品單價持續下滑，及大尺寸背光模組等新興市場成長不如預期影響，市場僅呈現微幅成長，較2004年微幅成長7%，達3,963百萬美元。


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2004~20082004~2008年全球年全球LEDLED市場規模市場規模



我國及全球我國及全球LEDLED產值規模預估產值規模預估

2005年全球LED市場產值受到產品單價快速下滑的影響，產值成長率大幅下滑至6.4%。所幸在未來幾年內，LED應用在中大型面板背光、車用及裝飾照明市場將持續成長，LED產值成長率亦將漸漸回升。我國LED產值成長率表現也在05年掉至谷底，此後之年成長率將回升至10%以上。大體而言，我國產值成長率在未來幾年內將持續優於全球市場表現。

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LEDLED應用範圖與發展趨勢應用範圖與發展趨勢

資料來源： DigiTimes Research，2006/6


LEDLED用於用於LCD TVLCD TV背光源優劣勢比較背光源優劣勢比較

http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=116&zNotesDocId=CE07A4130262B4DE4825718C00344ADF

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2006~20092006~2009年年4040吋吋LEDLED背光模組價格預估背光模組價格預估

資料來源：DigiTimes Research，2006/6http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=116&zNotesDocId=CE07A4130262B4DE4825718C00344ADF


全球一般照明用發光二極體市場全球一般照明用發光二極體市場

資料來源：Strategies (2006)2005年全球一般照明用發光二極體市場需求達2.5億美元，2000至2005年的複合成長率高達44%。

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國內外國內外OLEDOLED產業發展產業發展(1)(1)據 iSippli 統計分析全球OLED市場規模，2004年將以年成長率88%達4.7億美金，2004-2010年間將以751%高成長，至2010年達到40億美金。


國內外國內外OLEDOLED產業發展產業發展(2)(2)

根據iSippli在2006年6月統計，三星在2004～2005年之市佔率奪冠，但在2005年三星的市佔率大幅降低，這是因為其他廠商降低價格增加出貨量所導致。

Source :iSippli，2006年6月

5.16%14.47%其他.

N/A6.12%樂金5

6.35%10.13%悠景4

20.18%15.08%先鋒3

24.62%26.87%錸寶2

43.69%27.33%三星SDI1

2004年佔有率2005年佔有率廠商2005年排名

表一 2005年全球OLED廠商排行

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電電磁磁波波的的頻頻譜譜


光的繞射光的繞射(Diffraction)(Diffraction)

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Albert Einstein (1879Albert Einstein (1879––1955)1955)

愛因斯坦

相對論E = mc2受激放射受激放射


光子與電子之間的交互作用光子與電子之間的交互作用Process Before After Example

EV

ECλ

EV

ECPhotodetectorAbsorption

EV

ECλ

EV

ECSpontaneous Emission

Light Emitting Diode

OLED

EV

EC

EV

ECStimulated Emission

Laser Diodeλ1

λ1λ2

( in phase )

λ ( nm ) = 1240 / Eg ( eV )

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雷射原理與雷射系統的發明雷射原理與雷射系統的發明

1958年，A. L. Schawlow與C. H.C. H.TownesTownes第一次詳細描述在光學頻段的雷射效應(Phys. Rev. 112, 1940, 1958)。1960年，Maiman發明人類第一具雷射：紅寶石(Cr3+:Al2O3)雷射(Nature 187, 493, 1960)。


什什麼麼是是雷雷射射 ??LASER is the abbreviation of 『Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation』Taiwan 雷射 (取其音)China 激光 (取其意)

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雷射系統的基本元素雷射系統的基本元素

Pumping System

Mirror(Total Reflector)

Mirror(Output Coupler)

Active Medium

Laser Output


雷射的種類與典型範例雷射的種類與典型範例1) Gas Lasers (氣態雷射)

He-Ne Laser, Ar+ Laser, CO2 Laser, N2 Laser, …

2) Liquid Lasers (液態雷射)Organic Dye Lasers, …

3) Solid-State Lasers (固態雷射)Ruby Laser, Nd:YAG Laser, Nd:Glass Laser, …

4) Semiconductor Lasers (半導體雷射)AlGaAs, InGaAsP, AlGaInP, InGaN, InGaAsN, …

5) Other Lasers (其他雷射)Chemical Laser, Free-Electron Laser, …

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什麼是什麼是「「半導體雷射半導體雷射」」??The material is “semiconductor”- At very low temperature, their conductivity is low

- At high temperature, they act like conductors(temperature ↑ ⇒ conductivity ↑) (For metals: temperature ↑ ⇒ conductivity ↓)

They are (the most widely used) “lasers”- Active medium ⇒ p-n junction (active layer)

- Pumping scheme ⇒ Current injection (usually)

- Laser mirrors ⇒ Cleaved end surfaces (usually)


NN--型半導體型半導體

The impurity level is filled with electrons at 0 K.Very little thermal energy is required to excite these electrons to the conduction band. At about 50-100 K, virtually all of the electrons in the impurity level are “donated” to the conduction band.Such an impurity level is called a donor level, and the column V impurities in Si or Ge are called donor impurities.

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The impurity level is empty of electrons at 0 K.At about 50-100 K, enough thermal energy is available to excite electrons from the valence band into the impurity level, leaving behind holes in the valence band.Since this type of impurity level “accepts” electrons from the valence band, it is called an acceptor level, and the column III impurities in Si or Ge are called acceptor impurities.

PP--型半導體型半導體


雙雙異質結構的電子與光子侷限異質結構的電子與光子侷限

p-type Layer

Index

n-type Layer~0.2μm

UndopedActive Layer

Electrons

Holes

Band GapEnergy

Light

n1n2

Conduction Band

Mode Profile

Valence Band

Carrier Confinement

OpticalConfinement

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雙異質結構雷射二極體雙異質結構雷射二極體

300 micro-meters

CURRENT

p-Type

n-TypeCleavedFacet

LaserOutput

MetalContact

ActiveLayer


側射型雷射側射型雷射(Edge(Edge--Emitting Laser, EEL)Emitting Laser, EEL)

Substrate

np

Active Region

Cleaved Facet

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量子井量子井效應與量子井結構效應與量子井結構當井(Well)的寬度窄到~15 nm以下時，量子效應(Quantum Effect)開始顯現。

量子井結構擁有許多優點：

1) 可以改變(操控)雷射波長2) 電子與電洞結合的量子效率較佳3) 雷射二極體的臨界電流較低4) 發光頻譜的線寬(Linewidth)較窄


量子井寬度與發光波長之間的關係量子井寬度與發光波長之間的關係

Lz ↓→ λ ↓

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發光二極體發光二極體(LED)(LED)的應用的應用TFT LCD背光光源單色/彩色顯示器白光與各色燈泡

汽機車照明與指示燈

驗鈔筆/驗鈔機


LEDLED基本結構與發光機制基本結構與發光機制電子與電洞經由n態與p態電極注入LED元件。電子與電洞在活性層結合，多餘的能量以光的型態釋出。

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LEDLED發光效率的演進過程發光效率的演進過程


活性層光線輸出的效率問題活性層光線輸出的效率問題

由於LED半導體元件與外圍封膠之間的折射率差相當大，每一面的光輸出均在4%以下。如果電流散開的情況不佳，光線輸出效率還會更差。

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使用使用ITO (Indium Tin Oxide)ITO (Indium Tin Oxide)作電極作電極

GaAs Substrate

n-Cladding

p-Cladding

Active Region

window

ITO


Distributed Bragg Reflector (DBR)Distributed Bragg Reflector (DBR)

p- metal

Window layer

Cladding layer

Active layer

Substrate

n- metal

AlxGa1−xAsDBR λ/4n1

N-pairs

λ/4n2

DBR設計準則：兩層都不能吸光，折射率差越大越好。

AlyGa1−yAs

x ↑ n ↓ (Eg ↑)

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使用透明基板使用透明基板((向下發光向下發光))

GaAs Substrate

n-Cladding

p-Cladding

Active

Window, GaP

n-Cladding

p-Cladding

Active

Window, GaP

GaP Substrate


特殊形狀之特殊形狀之LEDLED結構結構

n-GaP

TS

p-GaP

AlGaInP Active

θ=35º

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LumiledsLumileds公司的透明基公司的透明基板板LEDLED

1991吸光之

GaAs基板

1994透明之

GaP基板

1998大尺寸之GaP基板

2001透明之

TIP基板


LEDLED晶片與金屬反射鏡熔接術晶片與金屬反射鏡熔接術

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表面粗糙術與金屬反射面表面粗糙術與金屬反射面


使用使用光子晶體光子晶體技術提升光輸出量技術提升光輸出量

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明日明日之星之星白光白光LEDLED日本通產省( MITI )於1998年4月開始執行「 21世紀照明計劃」，預計5年內投資50億日圓( 約為美金4仟萬元 )，結合日本30多家廠商，發展GaN為主之白光源，預定2010年達成120流明/瓦為長程目標。

美國1999年10月提出「發展半導體照明光源白皮書」，規劃10年內投入5億美金發展白光LED。


照明設備的演化過程照明設備的演化過程

LED即將扮演重要的角色!!

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LEDLED於車用產品之應用於車用產品之應用


白光白光LEDLED的應用的應用((頭燈與相機照明頭燈與相機照明))

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白光白光LEDLED的應用的應用((燈泡燈泡))


共振腔共振腔LED (RCLED (RC--LED)LED)RC-LED在LED活性層上方加上數對DBR，其光學特性介於LED與VCSEL之間。與LED相比，RC-LED有以下優點：方向性較好，亮度較高，頻寬較窄，調變(Modulation)速度較高。

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RCRC--LEDLED結構示意圖結構示意圖

Absorbing substrate

Contact layer

下DBR: R ~ 1.0

共振腔

上DBR: R ~ 0.6-0.7


RCRC--LEDLED與與LEDLED方向性比較方向性比較

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面射型半導體雷射面射型半導體雷射(VCSEL)(VCSEL)

(High-resistance region)

(High-reflection mirror)(R < 1.0)

(High-reflection mirror)

{Laser Cavity

(Laser power

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光電半光電半導體材料導體材料

IV: Photo-detectorIII-V & II-VI: LED/LD & Photo-detector

I II IIb III IV V VI

3Li 4Be 5B 6C 7N 8O

11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S

19K 20Ca 30Zn 31Ga 32Ge 33As 34Se

37Rb 38Sr 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te

55Cs 56Ba 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po


四個重要的半導體雷射四個重要的半導體雷射/LED/LED系統系統Optical Fiber Communication: InGaAsP(λ: 1.3 μm / 1.55 μm)Dispersion is minimum at 1.3μm (less signal distortion); Loss is minimum at 1.55μm (longer distance between repeaters). CD Player/CD ROM：AlGaAs (λ: 780 nm)Storage capacity ≈ 0.67 GB. DVD-ROM/DVD-RAM/DVD-R：AlGaInP(λ: 650 nm)Storage capacity ≈ 4.7 GB.High Density DVD：InGaN (λ: 405 nm)Storage capacity > 20 GB.

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可見光區的光電半導體材料可見光區的光電半導體材料

Dominant Wavelength , λD ( nm )300 400 500 600 700

AlGaAs

(AlxGa1-x)0.5In0.5P

InGaN


紅光紅光至至黃綠光黃綠光用用AlGaInPAlGaInP LEDLED為了讓AlGaInP LED薄膜長在GaAs基板上晶格可以匹配，In的含量必須佔第III族原子的50%。

化學式為(AlxGa1−x)0.5In0.5PAlGaInP LED直接能隙與間接能隙曲線在555 nm交叉，發光波長在570 nm(黃綠光)與650 nm(紅光)之間時，發光效率相當好。交通號誌燈所使用的紅光及黃光LED均為AlGaInP LED。

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人眼人眼對光之敏感度頻譜對光之敏感度頻譜

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

400 450 500 550 600 650 700 750

violetbluegreenyelloworangered

Phot

onic

Lum

inou

s Eff

icie

ncy

Wavelength (nm)

Human eyes are sensitive to green light (~555 nm), and hence the development of green (or yellowish green) AlGaInP LED is desirable.


黃綠光黃綠光至至紫外線紫外線用用InGaNInGaN LEDLEDInGaN LED沒有晶格匹配的基板，大部分長在不導電的藍寶石(Al2O3)基板上。可以導電的碳化矽(SiC)也是不錯的InGaN LED基板，不過因為價格昂貴，較少被業界採用。

InGaN LED發光範圍橫跨整個可見光區與紫外線，但是黃綠光到紅光(570 nm~650 nm)這一個波段，目前還無法和AlGaInPLED做商業性的競爭。

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InGaN LEDInGaN LED的元件結構的元件結構p-Electrode

n-Electrode

p-GaN

p-AlxGa1-xNInyGa1-yNn-AlzGa1-zN

n-GaN

GaN Buffer Layer

Sapphire Substrate

正負電極都在基板的上方!!


NichiaNichia公司在公司在19971997年發表的年發表的InGaNInGaN半導體雷射半導體雷射

ELOGSubstrate

(Epitaxially Laterally Overgrown GaNSubstrate)

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AlGaInPAlGaInP與與InGaN LEDInGaN LED的磊晶方法的磊晶方法

主要有液相磊晶法(LPE)，氣相磊晶法(VPE)，有機金屬氣相磊晶法(MOVPE，又稱有機金屬化學沉積法MOCVD)，與分子束磊晶法(MBE)。目前商業生產大多使用MOCVD(因為長晶速度較快)，在學術界MOCVD與MBE都有不少人在用。

InGaN LED因為長晶溫度高，使用的MOCVD與一般MOCVD不同，需要採用特殊的氣流設計。


有機金屬化學沉積法有機金屬化學沉積法((MOCVDMOCVD))又稱MOVPE

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分子束磊晶法分子束磊晶法(MBE)(MBE)


The The ClusterlabClusterlab 600 Research MBE System600 Research MBE System

國立彰化師範大學奈米科技中心已於2005年6月購入乙台MBE !

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什麼樣的顯示器是我們期待的呢什麼樣的顯示器是我們期待的呢??隨身穿戴的彈性用途


有機發光二極體有機發光二極體((OLEDOLED))顯示器顯示器傳統的CRT陰極射線管螢幕厚重、佔體積，因此已逐漸被厚度較薄且大尺寸的PDP電漿顯示器及LCD液晶顯示器所取代。

另外一項新技術：OLED (有機發光二極體 ) 。OLED是Organic Light-Emitting Diode 的簡稱，是一種有機電激發光元件。

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OLEDOLED顯示器發展簡史顯示器發展簡史1963年，Pope發表了世界上第一篇有關OLED的文獻，當時使用數百伏特的電壓通過Anthracene晶體時，觀察到發光的現象。但由於其過高的電壓與不佳的發光效率，在當時並未受到重視。

1987年，美國柯達公司的 C. W. Tang 及 Steve Van Slyke 等人發明以真空蒸鍍法製成多層式結構的OLED元件的小分子OLED元件後，大幅提高了元件的性能，其低操作電壓、與可使電洞電子侷限在電子傳輸層與電洞傳輸層之界面附近再結合高亮度的商業應用潛力，吸引了全球的目光。

1990年，英國劍橋大學的Friend等人成功的開發出以塗佈方式將多分子應用在OLED上，即Polymer LED(簡稱PLED)，不但再引發第二波研究熱潮，更確立了OLED在二十一世紀產業中所佔有的重要地位。


OLEDOLED顯示器的優點顯示器的優點自行發光、不需背光源

高亮度 (> 100,000 cd/m2 )反應時間快(μs)、沒有殘影現象製作容易、輕薄(2 mm)、寬視角(>170°)寬廣操作溫度範圍、低驅動電壓(3-9 V)色彩豐富、高對比、低價

可撓曲、可做多樣化形狀及尺寸

符合環保潮流(不含Hg 2006年停用)

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OLEDOLED的可能應用領域的可能應用領域TFT-LCD背光光源平面顯示(電子報紙等)

平面光源照明

曲面顯示器(廣告看板)

可撓曲式顯示器


OLEDOLED目前主要應用產品目前主要應用產品

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可撓曲式單色可撓曲式單色OLEDOLED


低分子低分子OLEDOLED全彩製程全彩製程

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Seiko EpsonSeiko Epson 4040吋吋OLEDOLED全彩顯示器全彩顯示器

日本Seiko Epson公司於2004年5月發表了40吋OLED全彩顯示器，為當時世界最大的OLED全彩顯示器。與以往ㄧ般小分子OLED所使用的蒸鍍製程不同的是，該項產品採用高分子OLED噴墨印刷技術。


OLEDOLED元件基本結構圖元件基本結構圖

電子傳輸層(Electron Transport Layer, ETL)：Alq3有機材料發光層(Light-Emitting Layer, EML)：Alq2(Blue)和Alq3(Green)電洞傳輸層(Hole Transport Layer, HTL)：TPD有機材料陰極：低功函數的金屬和合金(Mg:Ag、Li:Al)陽極：薄而透明半導體性質的銦錫氧化物(Indium Tin Oxide, ITO)

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ITO/TPD/AlqITO/TPD/Alq33/Al/Al發光機制發光機制藉由加入一外加偏壓，使得電子電洞分別經過電子傳輸層與電洞傳輸層後，進入一具有發光性質的有機物質(發光層)，在其內發生再結合後，再將能量釋放出來而回到基態。


摻雜物對摻雜物對OLEDOLED發光頻譜的影響發光頻譜的影響

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目前目前OLEDOLED的發展瓶頸的發展瓶頸OLED發光材料普遍呈現色彩純度不足的現象

有機層材料壽命短

大尺寸面板開發困難

專利的問題有待克服


OLEDOLED元件的衰變問題元件的衰變問題OLED元件的衰變原因主要為以下三種：(1)熱衰變；玻璃轉移溫度Tg可以作為其熱穩定性的依據，Tg低的材料在高溫操作下容易損壞。(2)光化學衰變；有些有機材料在光照射下不穩定，可能發生光化學反應。(3)界面的不穩定；OLED元件中有三種界面：ITO/有機層、有機層/有機層、金屬/有機層。有些有機材料在其它有機材料或無機材料上的黏附性能很差。

無機材料衰變原因主要為以下兩類：(1) ITO的表面污染；器件中的ITO表面必須沒有有機雜質，表面遺留物會導致工作電壓升高，導致效率和使用壽命降低。(2)陰極的腐蝕；陰極腐蝕是最常見的導致器件衰變的原因，如果封裝不好，陰極就會出現被氧化的黑點。

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Thank you for your attention!

彰化師大郭艷光 http://ykuo.ncue.edu.tw

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