CN1604705A - 具有受控空穴和电子注入的无机场致发光器件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种利用配置成通过注入空穴和注入电子的复合而产生场致发光的无机磷光体12的场致发光器件。与无机磷光体12相接触的可控空穴注入结构14控制空穴注入到无机磷光体12的速率。与无机磷光体12相接触并与可控空穴注入结构14分隔开的可控电子注入结构16控制电子注入到无机磷光体12的速率。

Description

具有受控空穴和电子注入的无机场致发光器件
技术领域
本发明涉及显示器件，更具体地说，涉及具有受控空穴和电子注入的无机场致发光显示器件。
背景技术
在当今的广泛用途中，场致发光(EL)器件具有能提供优于阴极射线管和液晶显示器的显示技术的前景。虽然各种EL器件为人知晓已有多年，但EL显示器的发展却因许多技术挑战而相对缓慢。
至少已知有两种不同类型的EL器件：隧道效应EL器件和二极管结EL器件。隧道效应EL器件的制造是将磷光体材料设置在两个电极之间并在一个(或两个)电极和磷光体之间设置绝缘层。通过在磷光体上加高压，引发载流子(通常是电子)通过绝缘层的隧道效应，来实现载流子的注入。高电场使注入的载流子加速，与磷光体中的亮度中心相互作用，而发出可见光。
另一方面，二极管结EL器件是由形成PN结的掺杂磷光体材料制成的。在在向偏压条件下，空穴和电子在PN结附近复合而发光。
但由于注入载流子所需要的高电压，两种类型的EL器件都有许多问题。磷光体区的高电压使载流子加速到很高的速度，致使许多电荷载流子飞快通过磷光体区而没有复合或与磷光体的亮度中心相互作用。这些电荷载流子不能有助于场致发光，而成为浪费的漏电流，这就降低了效率。而且，高电压会导致绝缘层或磷光体的突然击穿，而破坏器件。
制造二极管结EL器件也很困难，因为大多数的无机磷光体都很难掺杂，这就限制了适用于市售EL器件的无机磷光体材料的选择。对于那些能被掺杂的磷光体材料，通常掺杂也只限于一种载流子类型，因此，也限制了器件的效率。
虽然有机磷光体较低的载流子迁移率能够产生改进的功能，但是有机磷光体也出现了许多新的困难。有机磷光体往往是高化学活性的，如果暴露在环境中就会迅速降解。有机磷光体的高活性也限制了能用作电极的材料选择，因为许多有机磷光体很容易和电极中的金属结合，导致器件性能的降低。利用有机磷光体的实际器件需要在结处有特殊的化学隔离层而且需要仔细地封装来对付磷的活性。用有机磷光体要做到长寿命也很困难。
发明内容
人们已认识到开发一种基于空穴和电子注入并在无机磷光体中复合的有效场致发光器件将会十分有利。
本发明的实施例包括一种场致发光器件，它配置成因无机磷光体中注入的空穴和电子复合而产生场致发光。场致发光器件包括与无机磷光体相接触的可控空穴注入结构。场致发光器件的实施例还包括一个与无机磷光体相接触的可控电子注入结构，由无机磷光体的复合区将其与可控空穴注入结构分隔开。
本发明的其它特征和优点，通过以下结合附图的详细说明，就可一目了然，附图以实例的方式说明了本发明的特征。
附图说明
图1是按照本发明实施例的场致发光器件示意图；
图2是按照本发明另一实施例的场致发光器件剖视图；
图3是图2的场致发光器件在未加电压时的能带图；
图4是图2的场致发光器件在加有足以引起场致发光的电压时的能带图；
图5是按照本发明另一实施例的场致发光器件剖视图；
图6是按照本发明另一实施例的场致发光器件剖视图；
图7是按照本发明另一实施例利用图1的场致发光器件实现的显示器的示意图；以及
图8是按照本发明实施例制造场致发光器件的方法的流程图。
具体实施方式
下面将参阅附图中所示的示范性实施例并用具体的语言来说明这些实施例。但应理解为这不是为了对本发明的范围作限制。本专业的技术人员在掌握了本公开的内容后，对所述本发明特征的更替和进一步的修改，以及所述本发明原理的其它应用均应视为在本发明的范围之内。
按照本发明的实施例，场致发光器件的实施例示于图1，以10表示。场致发光器件10包括无机磷光体12，配置成因注入的空穴和电子的复合而产生场致发光。可以用作无机磷光体12的示范材料包括ZnS，SrS，BaS，CaS，ZnO，ZnSe，GaN，和GaP。
场致发光器件10还包括可控空穴注入结构14和可控电子注入结构16，二者相互分隔并各自与无机磷光体12相接触。利用阳极触点24和空穴注入控制栅触点34可将空穴注入控制电压18加到空穴注入结构14上，在空穴注入结构14中形成足够高的电场强度而使空穴能从阳极触点24注入。可以改变空穴注入控制电压18以便控制空穴注入的速率。利用阴极触点26和电子注入控制栅触点36可将电子注入控制电压20加到电子注入结构16上，在电子注入结构16中形成足够高的电场强度而使电子能够注入。可以改变电子注入控制电压20以便控制电子注入的速率。由控制电压18和20形成的高电场强度基本上保持在注入结构14和16之内，部分是因为注入结构14、16是相互隔离的，部分是因为注入结构14、16与无机磷光体12的复合区是隔离的。
场致发光电压22可以加在空穴注入结构14和电子注入结构16之间，也就是加到无机磷光体12上。随着场致发光电压22不断升高，无机磷光体12上所产生的电场就会将空穴和电子分别从注入结构14、16中拉出并拉向对方，在无机磷光体12的复合区发光复合，产生场致发光。由于载流子的流动是体漂移电流，所以可以使用较低的场致发光电压22来产生相当的场致发光。避免了复合区13中的高电场，就可维持较低的载流子速度，从而减少了没有复合就通过无机磷光体12的载流子的数量。于是场致发光器件10的效率得以增强。
图2更详细地示出按照本发明另一实施例的场致发光器件，以100表示。场致发光器件100包括可控空穴注入结构14，它包括与无机磷光体12相接触的空穴注入区142。可控空穴注入结构14还包括场效应栅结构，后者包括空穴注入控制栅144和空穴注入控制栅绝缘层146。空穴注入控制栅144的位于空穴注入区142的对面，但由空穴注入控制栅绝缘层146将其与无机磷光体12分隔开。
场致发光器件100还包括可控电子注入结构16，后者包括与无机磷光体12相接触的电子注入区162。可控电子注入结构16还包括场效应栅结构，后者包括电子注入控制栅164和电子注入控制栅绝缘层166。电子注入控制栅164的位于电子注入区162对面，但由电子注入控制栅绝缘层166将其与无机磷光体12分隔开。虽然空穴注入控制栅绝缘层146和电子注入控制栅绝缘层166示为两个分隔的区域，但按照本发明的场致发光器件的另一实施例，它们可以形成为一连续层。
参阅图3和图4的能带图就可理解场致发光器件100的工作。图3示出沿点A到点B(见图2)的横断面所作的场致发光器件100的可控空穴注入结构14的能带图。在图3中，假定将空穴注入控制电压18设定为零伏。Evac代表真空能级，而EF代表空穴注入区142和空穴注入控制栅1 44的费米能级。在图3中，仅是为了说明的目的，假定空穴注入区142和空穴注入控制栅144具有同样的功函数。空穴注入区142和空穴注入控制栅144可用不同的材料制成。符号φh代表空穴注入区142的功函数。EGP是无机磷光体12的能带隙，对应于无机磷光体价带最大能级EVP和导带最小能级ECP之间的差值。EGI是空穴注入控制栅绝缘层146的能带隙，即，绝缘层价带最大能级EVI和导带最小能级ECI之间的差值。
按照本发明的实施例，为空穴注入区142选择一种高功函数的金属，就可将空穴注入势垒EF-EVP减至最小。例如，用于本发明实施例的适合的高功函数金属包括Au，Pt，Pd和Ni。在本发明另外的实施例中，空穴注入区142可用p-型掺杂的半导体制成，也可以选择宽带隙半导体。宽带隙半导体可产生较低的空穴注入势垒，特别是如果它具有高电子亲和力的话(导带最小和真空能级之间的差值)。用于本发明实施例的适合的半导体实例包括NiO，Cu2O，Co3O4，SrCu2O2，BaCu2S2，LaCuOS，GaN，以及CuMO2类材料，式中M＝Al、Y、Sc、Cr、In或Ga。
对于实际选择的高功函数金属和无机磷光体，空穴注入势垒一直较高(例如leV)。所述空穴注入势垒可以由空穴注入控制电压18克服。
图4示出场致发光器件100的可控空穴注入结构14的实施例的能带图，此时空穴注入控制电压18设置成足够高以便克服空穴注入势垒。空穴隧道贯穿三角形势垒从空穴注入区142进入无机磷光体12。进入无机磷光体12的空穴将被扫掠到无机磷光体12和空穴注入控制栅绝缘层146之间的边界。由于大势垒(EF-EVI)的缘故，空穴不能进入空穴注入控制栅绝缘层146，于是，在直接邻近空穴注入控制栅绝缘层146的磷光体区表面就会形成空穴累积层124(见图2)。
可控电子注入结构16的工作原理与上述原理类似，对本专业的技术人员来说是显而易见的，故在此不再赘述。电子从电子注入区162注入到无机磷光体12中，在直接邻近电子注入控制栅绝缘层166的磷光体区表面形成电子累积层126。
按照本发明的实施例，为电子注入区162选择低功函数的金属可便于电子注入。适合的低功函数碱金属的实例包括Ca、Li、K、Na、Mg、Sc、In、Al、Ti、Ta和Ag。按照本发明的其它实施例，电子注入区162可用n-型掺杂的半导体制成。适合的n-型掺杂半导体实例包括ZnO、SnO2、In2O3、GaN，与本发明的实施例一致。由于电子注入通常比空穴注入容易，所以在选择适合的电子注入物上就比选择适合的空穴注入物有更多的灵活性。
施加场致发光电压22会导致无机磷光体12中的空穴和电子离开累积层124、126，向复合区13漂移，在复合区复合而产生场致发光。改变场致发光电压22就可控制场致发光强度。按照本发明另外的实施例，改变空穴和/或电子注入控制电压18、20以控制空穴或电子的注入速率，就可控制场致发光强度。
这样，场致发光器件100提供了三种独立的控制：通过场致发光电压22控制场致发光强度，通过空穴注入控制电压18控制空穴注入电流，以及通过电子注入控制电压20控制电子注入电流。这样，设定注入电压18、20以提供均衡的空穴和电子注入，(与控制场致发光强度无关)，场致发光器件100的效率就可优化。使高注入电场远离复合区13以便将漏电流减至最小，也可获得改善的效率。
器件100产生的场致发光可以从器件上部或底部耦合出来。在场致发光器件的另一实施例中，场效应栅结构(空穴注入控制栅144和空穴注入控制栅绝缘层146，和/或电子注入控制栅164和电子注入控制栅绝缘层166)可以用透明材料制造。例如，空穴注入控制栅144，或电子注入控制栅164，或二者，可以用掺杂有适当杂质以获得高导电率的In2O3、SnO2和ZnO等材料形成。
图5示出按照本发明的场致发光器件的又一实施例，以300表示。空穴注入区142包括空穴注入触点242和空穴注入层248。电子注入区162包括电子注入触点262和电子注入层268。单一的栅绝缘层156跨越无机磷光体12的底部表面，分别形成空穴和电子注入控制栅绝缘层146、166。
空穴和电子注入层248、268可以用和无机磷光体12相同的材料形成，便于载流子从注入层248、268流到无机磷光体12中。注入层248、268相对于无机磷光体12有较薄的厚度就可允许用较低的注入控制电压18、20。任选地，按照本发明的另一实施例，还可以对注入层248、268进行掺杂，以降低空穴和电子的注入势垒，改进载流子的注入。
在图5的场致发光器件300的又一实施例中，最好空穴和电子注入控制栅144、146的一部分延伸越过注入层248、268，使它们与无机磷光体12相对，并被栅绝缘层156分隔开。这有助于确保累积区延伸到无机磷光体12中。否则，由于在注入层248、268中载流子的捕获导致注入效率较差。在本发明的另一实施例中，可以使空穴注入触点242和电子注入触点262延伸到分别完全覆盖空穴注入层248和电子注入层268。在本发明的又一实施例中，可以使空穴注入触点242和电子注入触点262延伸到部分覆盖无机磷光体12。
图6提供按照本发明的场致发光器件的又一实施例，以400表示。在图6的场致发光器件400中，电子注入结构16和空穴注入结构14的相对取向，与图2所示的实施例比较，已有改变，即，把空穴注入控制栅144和电子注入控制栅164设置在无机磷光体12的相对两侧。在另一实施例中，可以使注入控制栅164延伸，使它们在无机磷光体12的相对两侧部分地彼此相对。场致发光器件400可以有改进的效率，因为载流子的漂移在无机磷光体12中可以横向或纵向发生，而不是像在图2和图5所示的实施例中仅通过表面层发生。例如，电子可以从累积层124向方向406、408漂移。于是，复合区13可占据大部分无机磷光体12。
上述多种场致发光器件可以用来实现显示器。例如，图7示出利用多个图1的场致发光器件10来实现的显示器的示意图，以500表示。场致发光器件10可以排列成矩阵，阳极24都连接到共用阳极电压总线502，阴极26都连接到共用阴极电压总线504。电子注入控制栅36可以连接到共用电子注入控制栅偏压总线506，并且空穴注入控制栅34可用来控制各个像素510。可以通过利用行(选择)线512和列(数据)线514对行和列进行寻址，来控制各像素510。当选择了某个像素510时，晶体管512导通，以施加适当的空穴注入控制电压。也可包括电容器518，用来在顺序扫描各个像素时储存空穴注入控制电压。电容器518也可用来对余辉进行补偿。
按照显示器的另一实施例，空穴注入控制栅24可连接到共用空穴注入控制栅偏压总线上，用电子注入控制栅34来控制像素510。
现说明本发明场致发光器件的制造方法800的实施例。虽然说明的是单个场致发光器件的制造，但应理解，多个场致发光器件或其阵列，例如显示器，也可利用相同的过程同时制造。
参阅图8，方法800包括802：形成空穴注入结构的第一部分。方法800还包括804：形成电子注入结构的第一部分，与空穴注入结构第一部分分隔开。方法800还包括806：淀积无机磷光体层，覆盖空穴注入结构第一部分和电子注入结构第一部分之间的区域并至少部分叠加在这两个结构上。方法800还包括808：形成空穴注入结构的第二部分，与基本上与空穴注入结构第一部分相对的无机磷光体层相接触。最后，方法800还包括810：形成电子注入结构的第二部分，与基本上与电子注入结构的第一部分相对的无机磷光体层相接触，并与空穴注入结构分隔开。
按照另一方法实施例，可在衬底上制造场致发光器件，即，在衬底上形成空穴注入结构的第一部分，并在衬底上形成电子注入结构的第一部分。衬底可选择为透明材料，例如玻璃。或者，衬底可选择为不透明材料，例如硅。工作时光线可从场致发光器件的顶部或底部引出。本专业的技术人员会想到，最好用透明材料制造某些层，例如栅极或注入区，以便使光线透射过这些层。
可以按照不同的顺序制造场致发光器件的各层。按照另一方法实施例，形成空穴注入结构的第一部分可包括形成空穴栅极层和形成部分覆盖所述空穴栅极的绝缘层。形成空穴注入结构的第二部分可包括形成与无机磷光体相接触并与空穴注入结构第一部分相分隔的空穴注入层。
按照另一方法实施例，形成空穴注入结构的第一部分可包括形成空穴注入层。形成空穴注入结构的第二部分可包括形成无机磷光体上的绝缘层，与空穴注入结构的第一部分相对。形成空穴注入结构的第二部分还可以包括在绝缘层上形成空穴栅极层，与空穴注入结构的第一部分相对。
同理，电子注入结构的各层也可以按照不同的顺序制造。按照另一方法实施例，形成电子注入结构的第一部分可包括形成电子栅极层和形成至少覆盖所述电子栅极的绝缘层。形成电子注入结构的第二部分可包括形成与无机磷光体相接触并形成基本上与电子注入结构第一部分相对的电子注入层。最后，按照另一方法实施例，形成电子注入结构的第一部分可包括形成电子注入层。形成电子注入结构的第二部分可以包括形成无机磷光体上的、基本上与电子注入结构的第一部分相对的绝缘层。形成电子注入结构的第二部分还可包括在绝缘层上形成与电子注入结构的第一部分相对的电子栅极层。
形成空穴注入结构的第一部分和形成电子注入结构的第一部分可以同时进行。形成空穴注入结构的第二部分和形成电子注入结构的第二部分也可同时进行。最后，形成绝缘层的各个步骤也可同时进行。
制造场致发光器件的灵活性可以用分别控制空穴和电子注入的方法来获得。由于通过可控空穴注入结构14和可控电子注入结构16来提供对空穴和电子注入电流的独立的操作控制，故可控空穴注入结构14的注入特性不需与可控电子注入结构16精确匹配。可以在工作时调节空穴和电子注入控制电压18、20来调节不平衡，以获得平衡而有效的注入。
显然，上述配置是为了说明本发明原理的应用。在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以设计出许多修改和替换的配置。虽然在附图中已示出本发明并结合本发明的实施例对本发明作了上述说明，但对本专业的技术人员来说，显然可以作成许多修改，而不背离如权利要求书所提出的发明原理和概念。

Claims (10)

1.一种场致发光器件(10，100，300，400)，它包括：
无机磷光体(12)，配置成由于注入的空穴和注入的电子的复合而产生场致发光；
与所述无机磷光体(12)相接触的可控空穴注入结构(14)；以及
可控电子注入结构(16)，它与所述无机磷光体(12)相接触并由所述无机磷光体的复合区(13)与所述可控空穴注入结构分隔开。
2.如权利要求1所述的场致发光器件，其特征在于：
第一外加控制电压(18)控制空穴注入到所述无机磷光体(12)中的速率；
第二外加控制电压(20)与所述第一外加控制电压无关地控制电子注入到所述无机磷光体(12)中的速率；
第三外加控制电压(22)与所述第一(18)和第二(20)外加控制电压无关地控制所述器件的发光强度。
3.如权利要求1所述的场致发光器件，其特征在于所述可控空穴注入结构(14)包括：
空穴注入区(142)，与所述无机磷光体(12)相接触，配置成接收空穴注入偏压(18，502)；以及
场效应栅极结构(144和146)，与基本上与所述空穴注入区(142)相对的所述无机磷光体(12)相接触，并配置成接收所述第一外加控制电压(18，514)，从而控制空穴注入到所述无机磷光体(12)中的速率。
4.如权利要求1所述的场致发光器件，其特征在于所述可控电子注入结构(16)包括：
电子注入区(162)，与所述无机磷光体(12)相接触，配置成接收电子注入偏压(20，504)；以及
场效应栅极结构(164和166)，与基本上所述电子注入区(162)相对的所述无机磷光体(12)相接触，并配置成接收所述第二外加控制电压(20，506)，从而控制电子注入到所述无机磷光体(12)中的速率。
5.如权利要求1所述的场致发光器件，其特征在于所述可控空穴注入结构(14)包括：
空穴注入区(142)，与所述无机磷光体(12)相接触，配置成接收空穴注入偏压(18，502)；
空穴注入控制栅绝缘层(146)，与基本上与所述空穴注入区(142)相对的所述无机磷光体(12)相接触；以及
空穴注入控制栅(144)，与所述空穴注入控制栅绝缘体(146)相接触；以及
所述可控电子注入结构(16)包括：
电子注入区(162)，与所述无机磷光体(12)相接触，配置成接收电子注入偏压(20，504)；
电子注入控制栅绝缘层(166)，与基本上与所述电子注入区(162)相对的所述无机磷光体(12)相接触；以及
电子注入控制栅(164)，与所述电子注入控制栅绝缘体(166)相接触。
6.一种包括多个场致发光器件(10)的显示器，其中所述场致发光器件(10)包括：
无机磷光体(12)，配置成由于注入的空穴和注入的电子的复合而产生场致发光；
与所述无机磷光体(12)相接触的可控空穴注入结构(14)；以及
可控电子注入结构(16)，与所述无机磷光体(12)相接触并由所述无机磷光体(12)的复合区(13)与所述可控空穴注入结构(14)分隔开。
7.一种场致发光器件(10，100，300，400)，它包括：
无机磷光装置(12)，用于通过注入的空穴和注入的电子的复合而产生场致发光；
可控空穴注入装置(14)，用于可控地将空穴注入到所述无机磷光装置(12)中，同时把空穴注入电场基本上包含在所述可控空穴注入装置(14)中；以及
可控电子注入装置(16)，用于可控地将电子注入到所述无机磷光装置(12)中，同时把电子注入电场基本上包含在所述可控电子注入装置(16)中。
8.一种制造场致发光器件的方法(800)。所述方法包括：
形成(802)空穴注入结构的第一部分；
形成(804)与所述空穴注入结构的第一部分分隔开的电子注入结构的第一部分；
淀积(806)无机磷光体层，横跨所述空穴注入结构的第一部分和所述电子注入结构的第一部分之间的区域并至少部分地与所述空穴注入结构的第一部分和所述电子注入结构的第一部分重叠；
形成(808)空穴注入结构的第二部分，与基本上与所述空穴注入结构的第一部分相对的无机磷光体层相接触；以及
形成(810)电子注入结构的第二部分，与基本上与所述电子注入结构的第一部分相对的所述无机磷光体层相接触并与所述空穴注入结构分隔开。
9.一种在无机磷光体(12)中产生场致发光的方法包括：
在第一位置将空穴注入所述无机磷光体；以及
在与所述第一位置分隔开的第二位置将电子注入所述无机磷光体，使得在所述无机磷光体的所述复合区(13)形成具有低外加电场的复合区(13)。
10.一种在无机磷光体(12)中产生场致发光的方法包括：
将空穴注入所述无机磷光体(12)；
将电子注入所述无机磷光体(12)；
控制所述空穴的注入速率；以及
控制所述电子的注入速率。
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