專利名稱：一種雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素及其顯示矩陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于顯示技術(shù)領(lǐng)域，特別是復(fù)合兩種以上元件構(gòu)成的有機發(fā)光單元的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
有機發(fā)光元件用于信息顯示是目前研究的熱點之一。典型的有機發(fā)光元件是有機發(fā)光二極管，其基本結(jié)構(gòu)、原理可參考田民波所著，清華大學(xué)出版社于2001年出版的《電子顯示》中的有關(guān)章節(jié)。有機發(fā)光二極管一般由氧化銦錫(ITO)薄膜電極、空穴傳輸層、有機發(fā)光層、電子傳輸層和背電極(對有機發(fā)光二極管而言為低功函數(shù)金屬電極)依序復(fù)合而構(gòu)成。在上述基本構(gòu)成的基礎(chǔ)上可以將紅、綠、蘭三基色加上黑色矩陣制成彩色顯示屏的結(jié)構(gòu)，或由白色發(fā)光功能層另配以彩色濾色膜的結(jié)構(gòu)。最近，由無機材料構(gòu)成的新型的發(fā)光元件也正在開發(fā)出來。但無論發(fā)光元件的材料和結(jié)構(gòu)如何變化，在本發(fā)明以下的敘述中，將在電場或電流下能夠發(fā)光的單層或多層材料的所構(gòu)成的體系稱為復(fù)合發(fā)光層，將兩電極之間加上復(fù)合發(fā)光層所構(gòu)成的電致發(fā)光元件簡稱為EL(Electric-emitting Luminance)；若EL中的復(fù)合發(fā)光層中至少有一種材料為有機材料，且在正、反向電壓下其電流具有可以檢測出的不對稱特性，這種EL叫做有機發(fā)光二極管，簡稱為OLED(Organic Light Emitting Diode)。顯然，OLED是EL的一個特例。
因現(xiàn)有EL技術(shù)中以O(shè)LED為研究重點，所以以下以O(shè)LED為例說明本發(fā)明。
使用OLED構(gòu)成顯示器件的方式大致可分為兩類一類是直接采用OLED。例如OLED作為像素，將OLED像素的兩個端子分別接在顯示矩陣的行與列上，驅(qū)動電路按照逐行掃描的方式對像素尋址。稱為直接尋址方式。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是每像素發(fā)光的時間與掃描行的數(shù)量成反比，掃描行數(shù)稍多一點就出現(xiàn)閃爍、圖象暗淡等現(xiàn)象，因此這種方法僅適用于掃描行的數(shù)量較少的顯示器件，例如掃描行數(shù)不超過32行的手機顯示屏等。另一類為有源矩陣驅(qū)動的OLED，是在每個OLED像素上至少連接兩只晶體管和一只電容器。尋址的亮度信號被寫在電容器儲存起來，利用電容器里儲存的信號通過場效應(yīng)晶體管的柵極而控制OLED像素的發(fā)光。由于電容器中的信號可以儲存至少一場的時間，所以任何OLED像素的發(fā)光時間為一幀的時間。這種方法的優(yōu)點是掃描的行數(shù)可以達(dá)到上千行，常用于大容量的彩色信息顯示屏。
有源矩陣驅(qū)動的OLED的每個像素上都有一個OLED、一個電容器和至少兩只晶體管，它們一起等效于一個雙穩(wěn)態(tài)的發(fā)光像素。像素的狀態(tài)由行掃描期間該像素被寫入的內(nèi)容確定寫入1的像素在一場保持發(fā)光，寫入0的像素則保持為不發(fā)光。
有源矩陣驅(qū)動方式構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)像素的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。例如，普通的有源矩陣OLED顯示器(例如VGA格式，480×640×3像素)需要在多晶硅基片上制造百萬只晶體管和幾十萬只電容。考慮到晶體管本身的結(jié)構(gòu)就很復(fù)雜，制造電容的工藝與制造晶體管的工藝又不一樣，加之這樣規(guī)模的晶體管、電容的互連結(jié)構(gòu)還要延展到15英寸的顯示屏幕上，而不是集成在制造IC所用的硅片尺寸(小于8英寸)上，這就可以知道，制造這種屏相當(dāng)困難，對設(shè)備的要求也相當(dāng)高。而且由于電容器的放電，OLED發(fā)出光的強度會隨時間而衰減，從而造成灰度的不準(zhǔn)確。
關(guān)于OLED的各種有源矩陣驅(qū)動方法的全面地、進(jìn)一步的綜述可參見D.Fish于2002年發(fā)表在信息顯示協(xié)會(SIDAssociation of Information Display)的特邀論文“有源驅(qū)動的聚合物/有機LED的單元電路比較”(Invited paperA comparison of pixel circuit for active matrixpolymer/organic LED displays)。
在信息光學(xué)領(lǐng)域里人們曾提出了許多實現(xiàn)光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的方法，其中之一是將EL和光敏元件結(jié)合起來構(gòu)成的反饋型光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)，原理如下將EL和光敏元件串聯(lián)起來，接到電壓源上。用半反射鏡或光纖建立EL至光敏元件的光路，使EL將要發(fā)出的光能夠分出一部分照射到光敏元件上。當(dāng)沒有外界光照射到光敏元件上時，光敏元件的電阻很大，EL中沒有電流通過，所以EL不發(fā)光。若有一瞬時的外界光脈沖照射到光敏元件(這個過程稱為觸發(fā))，光敏元件的電阻瞬時成低阻，EL瞬時發(fā)光，發(fā)出光的一部分作為輸出，另一部分反饋到光敏元件，使其保持為低阻，維持EL的發(fā)光。顯然，在同樣的電壓源的條件下，沒有外界光的觸發(fā)，EL的不發(fā)光的狀態(tài)為穩(wěn)定狀態(tài)，外界光瞬時觸發(fā)以后，EL的發(fā)光狀態(tài)為穩(wěn)定狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)對外等效于光觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)EL。若要上述元件翻轉(zhuǎn)為不發(fā)光的狀態(tài)(擦除)，只需將EL至光敏元件的光路瞬時斷開就可以了。
按以上方法就構(gòu)成了雙穩(wěn)態(tài)的發(fā)光單元。以上的雙穩(wěn)態(tài)發(fā)光單元的缺點在于發(fā)光元件與光敏元件是分開的，用光纖或半反射鏡建立它們之間的光路，這樣的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，占用相當(dāng)大的空間而不能用于顯示器件。
關(guān)于反饋型光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)框架和理論分析可參考1996年發(fā)表在光子學(xué)報第2期第126頁上的文章光反饋電激勵半導(dǎo)體光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的開關(guān)時間研究。
反饋型光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的原理雖然已經(jīng)被證明是可行的，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜而松散，光敏元件容易受到外界光的影響而無法用于顯示系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、制造容易的由OLED與光敏元件重疊組合起來的不會受外界光影響的雙穩(wěn)態(tài)發(fā)光像素及其顯示矩陣。
本發(fā)明的內(nèi)容是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素及其顯示矩陣是由透光基片1、光敏元件2和OLED元件3依序重疊所構(gòu)成，如圖1所示；其中，光敏元件2由遮光電極2a、光敏功能片2b和透光電極23依序重疊構(gòu)成，如圖2所示；其特征在于光敏功能片2b的面積小于OLED元件3的面積，且遮光電極2a與透光基片1相鄰，其尺寸應(yīng)遮住光敏功能片2b，遮光電極2a的面積小于OLED元件3的面積，如圖2所示。
為了對外輸出較多光能，光敏功能片2b的面積最好在OLED元件3的面積的50％以下，以便OLED元件3發(fā)出的大部分光能夠從光敏功能片2b和遮光電極2a邊沿以外的區(qū)域向外輸出，作為本發(fā)明雙穩(wěn)態(tài)發(fā)光像素的輸出。
光敏元件2為外形為片狀的、電阻值隨光照射而降低的元件，例如光敏電阻。光敏元件2由透光電極23、光敏功能片2b和遮光電極2a依序重疊構(gòu)成，如圖2所示。遮光電極2a置于透光基片1之上，并緊鄰?fù)腹饣?，遮光電極2a它可以采用不透光導(dǎo)電材料或復(fù)合材料如金屬、石墨制成，起導(dǎo)電遮光的作用，以避免外界光照射到光敏功能片2b上；透光電極23同時作為光敏元件2和OLED元件3的透明電極，它最好采用透明導(dǎo)電材料例如ITO制成，以構(gòu)成從OLED元件3至光敏功能片2b的光路；光敏功能片2b為光敏導(dǎo)電材料，如多晶硅、非晶硅、硫化鎘、碲化鎘或有機光電敏感材料等制成的厚度為100微米以下的薄片或薄膜，或由上述材料制成的具有勢壘結(jié)構(gòu)、勢壘與金屬的肖特基接觸結(jié)構(gòu)的薄片或薄膜，如PN、PIN、PINN+等，薄片或薄膜的厚度最好在5微米以下，0.1微米以上。光敏元件2也可以是厚度在100微米以上的、外形為片狀的、電極位置在片兩面的光敏二極管，或外形為片狀的、基極懸空，集電極和發(fā)射極位置分別在片兩面的光敏三極管，或其他任何片狀的，電極位置分別在片兩面的具有光敏導(dǎo)電功能的材料、器件的組合，這時對光敏感的那一面通過透光電極23與OLED元件3相鄰。
設(shè)置遮光電極2a是為了避免外界光照射到光敏功能片2b而引起誤觸發(fā)，光敏功能片2b和遮光電極2a的面積小于OLED元件3的面積，以便OLED元件3發(fā)出的光能夠從光敏功能片2b和遮光電極2a邊沿以外的區(qū)域向外輸出。為了使透光電極23有比較平整的表面，最好在光敏功能片2b的外圍制造一層與光敏功能片2b厚度相同的絕緣透光層4。
需要說明的是，透光基片1是由透光材料或透光復(fù)合材料、透光組合材料制成的基片，如玻璃基片，也可以是透光的乳白色材料如微晶玻璃制成的基片，還可以是附有包含黑色矩陣在內(nèi)的紅、綠、藍(lán)濾色單元陣列的玻璃基片等，透光基片1還可以是能夠透光的、其上附有其他材料或組合材料的剛性的或柔性的基板。
還有，如前所述，OLED元件3由透光電極23、復(fù)合發(fā)光層3a和背電極3b依序重疊構(gòu)成，如圖2所示。其中OLED元件3的透光電極23與光敏元件2的透光電極23共用或合并成一個透光電極23，背電極3b可以是任何導(dǎo)電材料制成的電極，但最好是金屬電極。
為了達(dá)到較好的效果，遮光電極2a的尺寸應(yīng)該在足以切斷光敏功能片2b與外界光的直接通路的前提下，最好盡量減小一些，以便增加OLED元件對外的輸出光能。
本發(fā)明提供的雙穩(wěn)態(tài)的有機發(fā)光像素是這樣工作的一個電壓脈沖通過分布電容或通過光敏元件2的暗態(tài)漏電流可以使OLED元件3瞬時點亮，這時光敏元件2接收到OLED元件3的瞬時光能使其電阻降低，進(jìn)而使OLED元件3繼續(xù)發(fā)光，光敏元件2接收到OLED元件3的光使其繼續(xù)保持為低阻，OLED元件3持續(xù)發(fā)光，從而使光敏元件2繼續(xù)維持為低阻。上述一系列過程為正反饋過程，達(dá)到了OLED發(fā)光的穩(wěn)定態(tài)。以上是本發(fā)明的寫入過程。若擦除上述狀態(tài)，即要使OLED元件3由發(fā)光的穩(wěn)定態(tài)翻轉(zhuǎn)到不發(fā)光的穩(wěn)定態(tài)，只需要將電源瞬時切斷，這時OLED元件3不再發(fā)光，光敏元件2維持為高阻，為OLED元件3不發(fā)光的穩(wěn)定態(tài)。
雖然這里用OLED作為發(fā)光元件來說明本發(fā)明，顯然可以用EL直接代替OLED來構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)的EL發(fā)光像素。
若將每個像素的遮光電極2a上下延伸，與同一列相鄰像素的遮光電極2a連接起來，則構(gòu)成顯示屏的列電極；每個像素的背電極3b左右延伸，與同一行相鄰像素的背電極3b連接起來，即構(gòu)成顯示屏的行掃描電極。大量像素以上述方式連接起來，就能夠形成多條行掃描電極和多條列電極，從而構(gòu)成本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)的有機發(fā)光像素顯示矩陣，如圖4、5所示。
本發(fā)明的積極效果采用光敏元件與OLED重疊的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)發(fā)光像素。與現(xiàn)有的采用有源矩陣驅(qū)動OLED像素元件的方式相比，結(jié)構(gòu)大大簡化，而且OLED的發(fā)光狀態(tài)不會隨時間逐步衰減。另外，本發(fā)明采用遮光電極的設(shè)置能避免外界光對于本發(fā)明雙穩(wěn)態(tài)特性的影響。


圖1為本發(fā)明雙穩(wěn)態(tài)發(fā)光像素結(jié)構(gòu)的剖面示意圖其中1為透光基片，2為光敏元件，3為OLED元件，4為透光絕緣層；從圖中可以看出，本發(fā)明由透光基片1、光敏元件2和OLED元件3依序重疊所構(gòu)成。
圖2為本發(fā)明雙穩(wěn)態(tài)發(fā)光像素的實際結(jié)構(gòu)示意圖其中1為透光基片，2a為遮光電極，2b為光敏功能片，4為透光絕緣層，23為透光電極，3a為復(fù)合發(fā)光層，3b為背電極。其中遮光電極2a、光敏功能片2b、透光電極23構(gòu)成光敏元件2，透光電極23、復(fù)合發(fā)光層3a、背電極3b構(gòu)成OLED元件。
圖3為圖2的俯視示意圖其中2a為遮光電極，2b為光敏功能片，23為透光電極，3b為背電極。
圖4為將像素元件組成2×2顯示屏的結(jié)構(gòu)剖面示意圖其中1為透光基片，2a為遮光電極，2b為光敏功能片，4為透光絕緣層，23為透光電極，3a為復(fù)合發(fā)光層，3b為背電極。
圖5為圖4的俯視示意圖其中2a為遮光電極，2b為光敏功能片，23為透光電極，3b為背電極。
從圖4、圖5可以看出每個像素的遮光電極2a與同一列相鄰像素的遮光電極2a連接起來，則構(gòu)成顯示屏的列電極；每個像素的背電極3b與同一行相鄰像素的背電極3b連接起來，即構(gòu)成顯示屏的行掃描電極。大量像素以上述方式連接起來，就能夠形成多條行掃描電極和多條列電極，從而構(gòu)成本發(fā)明雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素的顯示矩陣。
具體實施例方式
實施例1如圖2和圖3所示雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素的結(jié)構(gòu)示意圖。在透光基片1上采用任何公知的方式淀積一層不透光的導(dǎo)電材料，例如金或鋁。用光刻工藝將其刻成如附圖3所表示的遮光電極2a，遮光電極2a向上下延伸是為了與上下相鄰的，同一列的像素的遮光電極作電氣上的連接。然后在遮光電極2a之上淀積一層光敏半導(dǎo)體，例如碲化鎘，以公知的光刻工藝將光敏半導(dǎo)體刻成如圖3所示的光敏功能片2b。再淀積絕緣透光材料，如二氧化硅，將絕緣透光材料下光敏功能片2b的位置處光刻一個尺寸與光敏功能片2b相同的窗口，成為透光絕緣層4。設(shè)置透光絕緣層4的目的是為了透光電極23有比較平整的表面。在光敏功能片2b和透光絕緣層4之上濺射或蒸發(fā)一層透光導(dǎo)電材料，如ITO，將透光導(dǎo)電材料刻成附圖3所表示的透光電極23。然后以公知的材料和方式制作復(fù)合發(fā)光層3a。本例中，復(fù)合發(fā)光層3a均勻地連續(xù)延伸到所有的像素。最后，用掩模蒸發(fā)工藝在復(fù)合發(fā)光層3a之上淀積如圖3所示形狀的背電極3b。背電極3b一般用Ag-Mg合金或Ag-Ca合金。背電極3b左右延伸是為了與左右相鄰的同一行的像素作電氣上的連接。顯然，遮光電極2a、光敏功能片2b和透光電極23一起構(gòu)成光敏元件；透光電極23、復(fù)合發(fā)光層3a和背電極3b一起構(gòu)成發(fā)光元件。
進(jìn)一步地，在上述實施例中，透光基片1最好采用玻璃基片。遮光電極2a的厚度最好在200納米至1微米之間，材料最好為金，其次可以選用鋁、鈦、鉻等。所述光敏半導(dǎo)體的厚度最好在500納米至2微米之間，暗態(tài)電阻率最好在106至107歐姆·厘米之間。暗態(tài)電阻率與亮態(tài)電阻率之比最好在5以上。
實施例2圖4和圖5表示由雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光顯示像素構(gòu)成的矩陣式顯示屏的結(jié)構(gòu)示意圖，表示任意行、列數(shù)目的雙穩(wěn)態(tài)發(fā)光像素所構(gòu)成的顯示屏的結(jié)構(gòu)。在透光基片1上按顯示屏的要求制作了N×M個(按行業(yè)習(xí)慣，N為行數(shù)，M為列數(shù))如實施例1那樣的雙穩(wěn)態(tài)發(fā)光像素，制作的工藝與實施例1所述的過程是完全一樣的。每個像素的遮光電極上下延伸，與同一列相鄰像素的遮光電極相互連接起來，形成如圖4所示的遮光電極2a的圖案，構(gòu)成顯示屏的列電極；每個像素的背電極左右延伸，與同一行相鄰像素的背電極3b相互連接起來，形成如圖5所示的背電極3b的圖案，構(gòu)成顯示屏的行掃描電極。
本例中，遮光電極2a的厚度也是最好在200納米至1微米之間，材料最好為金，其次可以選用鋁、鈦、鉻等。所述光敏半導(dǎo)體的厚度也是最好在500納米至2微米之間，暗態(tài)電阻率最好在106至107歐姆·厘米之間。暗態(tài)電阻率與亮態(tài)電阻率之比最好在5以上。
權(quán)利要求
1.一種雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素及其顯示矩陣，由透光基片1、光敏元件2和OLED元件3依序重疊所構(gòu)成，其中，光敏元件2由遮光電極2a、光敏功能片2b和透光電極23依序重疊構(gòu)成，其特征在于光敏功能片2b的面積小于OLED元件3的面積，且遮光電極2a與透光基片1相鄰，遮光電極2a的尺寸要遮住光敏功能片2b，遮光電極2a的面積小于OLED元件3的面積。
2.如權(quán)利要求1所述的一種雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素及其顯示矩陣，其特征在于所述的光敏功能片2b和遮光電極2a面積為所述OLED元件3的面積的一半以下；所述光敏功能片2b對光敏感的那一面通過透光電極23與OLED元件3相鄰。
3.如權(quán)利要求1、2所述的一種雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素及其顯示矩陣，其特征在于所述光敏功能片2b為光敏導(dǎo)電材料制成的厚度在100微米以下的薄片或薄膜。
4.如權(quán)利要求1、2所述的一種雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素及其顯示矩陣，其特征在于所述光敏功能片2b由光敏導(dǎo)電材料制成厚度在100微米以下的、其中包含勢壘結(jié)構(gòu)的薄片或薄膜。
5.如權(quán)利要求1、2所述的一種雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素及其顯示矩陣，其特征在于所述光敏元件2可以是厚度在100微米以上的、片狀的、電極位置在片兩面的光敏二極管；也可以是厚度在100微米以上的、片狀的、基極懸空，集電極和發(fā)射極位置分別在片兩面的光敏三極管。
6.如權(quán)利要求1所述的一種雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素及其顯示矩陣，其特征在于所述的顯示矩陣是由每個像素的遮光電極2a與同一列相鄰像素的遮光電極2a連接起來，構(gòu)成顯示屏的列電極；每個像素的背電極3b與同一行相鄰像素的背電極3b連接起來，即構(gòu)成顯示屏的行掃描電極；大量像素以上述方式連接起來，形成多條行掃描電極和多條列電極，從而構(gòu)成本發(fā)明雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素的顯示矩陣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙穩(wěn)態(tài)有機發(fā)光像素單元及其顯示矩陣的結(jié)構(gòu)，它是由透光基片、光敏元件和OLED依序重疊所構(gòu)成，其中，光敏元件2由透光電極23、光敏功能片2b和遮光電極2a依序重疊構(gòu)成，其特征在于光敏功能片2b的面積小于OLED元件3的面積，且遮光電極2a與透光基片1相鄰，其尺寸應(yīng)遮住光敏功能片2b，遮光電極2a的面積小于OLED元件3的面積，光敏功能片2b的面積小于OLED元件的面積。本發(fā)明的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，且雙穩(wěn)態(tài)性能不會受外界光影響。
文檔編號H05B33/00GK1531375SQ0311747
公開日2004年9月22日 申請日期2003年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月17日
發(fā)明者黃子強, 葉玉堂, 林祖?zhèn)?申請人:電子科技大學(xué)