量子點技術應用在LED領域

刊登日期:2015/5/5
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量子點技術介紹
從量子點的結構及基礎原理可知,量子點直徑大小約 1~10 nm,因其尺度小的緣故,表面積和體積比起來相當大,作用快速,而且表面未鏈結電子也多,活性強,故電子容易受到激發而改變能階,與電洞結合後就會放出光。發出光的波長和量子點的大小成正比,越小的量子點所發出的能量越高、波長越短,越大的量子點發出的能量越低、波長越長,這種現象稱為量子侷限效應。一般來說,當材料尺寸很大時如塊材,其電子能階之間距離小(能隙小),可以用古典力學的方式解釋,但是當材料尺度很小時,諸如量子點的尺寸,其電子的能隙就會比較大,從而表現出與大尺度材料截然不同的特性。如矽本身為間接能隙,電子和電洞結合時不發光,但若切割至量子點的大小,矽將會變成直接能隙,通電後就會發光。


圖二、3D塊材至0D量子點半導體材料之能階分佈示意圖

目前量子點技術應用在 LED 領域中較常見的範例有二,其中包含應用於照明的白光發光二極體與應用於背光領域如 TV 電視背光或是電子書之背光等。由於現行白光發光二極體大多數採用藍光發光二極體搭配螢光粉而轉換形成白光,但因螢光粉的粒徑一般皆分佈在十幾微米等級,故易造成藍光在激發螢光粉產生綠、紅光時,形成嚴重的光散射現象,尤其是向晶片方向打回的背散光,倘若 LED 封裝設計無法將其被散光再做二次取光時,則此時將嚴重導致白光發光二極體的取光率低落,發光效率偏低;此外,現今常見氮化物紅色螢光粉的半波寬仍維持在 74~82 nm左右,很難下調至 35~40 nm,因此不易再提升白光於暖色系色溫下的發光效率。

半導體量子點技術介紹
半導體量子點技術( Semiconductor Quantum Dots; SQDs )的應用甚廣,其中以量子電腦、太陽電池及量子雷射二極體最受到矚目,如圖十所示,利用半導體量子點可以輕易控制單一電子自旋之特性,使其發出單一光源,藉由該獨特特性即可發展量子電腦。然而,欲發展量子電腦、太陽電池及量子雷射二極體等應用,則必須仰賴半導體量子點技術,發展該技術最困難之處在於如何長晶及如何自組裝排列,一般製作半導體量子點大多數採用 MBE 或 MOCVD 方式進行長晶,在進行長晶的時候,不論是採用 Frank-van der Merwe 或是 Volmer-Weber 型成長模式皆不適當,因其過低的扭曲應變將會獲得一均勻的薄膜,該薄膜並未具有量子特性;反之,過高的扭曲應變確實可以長出具有島狀的半導體,但因島狀尺寸過大亦不具有量子特性,唯有產生適當的扭曲應變方能獲得具有島狀結構且擁有量子特性的長晶,該方法被稱之 Stranki-Krastanov( SK )型成長模式,如圖十一所示,讓具有不同晶格常數特性的兩種半導體堆疊在一起時,即會產生晶格扭曲應變,再利用此一扭曲應變大小來加以控制量子點的成長,使得符合具有量子點特性的半導體量子點薄膜。


圖十、半導體量子點技術的應用,包括量子電腦、太陽電池與及量子雷射二極體

量子點電致發光技術介紹
現今在世界上對於有機發光二極體的推廣,最佳範例應屬於韓國的三星電子,不論是手機或是電視,皆成功地將有機發光二極體技術導入於其商品中,而有機發光二極體則是歸類於電致發光技術,該技術的基本架構為以 ITO 導電玻璃作為陽極,有機發光二極體材料作為發光層,並置於電洞傳輸層( HTL )與電子傳輸層( ETL )之間,最外層再鍍上陰極,即為電致發光二極體元件的組成
……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:謝明勳、鄭景太 / 晶元光電股份有限公司
★本文節錄自「工業材料雜誌」341期,更多資料請見下方附檔。


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