OLED的失效分析（課堂PPT）

,OLED器件的失效分析,OLED簡(jiǎn)介失效分析的研究意義幾種典型失效現(xiàn)象分析總結(jié)參考文獻(xiàn),緒論,3,5/19/2020,1.1OLED簡(jiǎn)介,OLED(OrganicLightEmittingDiode)有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)是繼TFT-LCD(ThinFilmTransistorLiquidCrystalDisplay)的新一代平面顯示器技術(shù)。,4,5/19/2020,1.2OLED特性,自發(fā)光，視角達(dá)170度以上響應(yīng)時(shí)間快無LCD殘影現(xiàn)象高亮度（100-14000cd/m2）高光效（16-38lm/w）低操作電壓（3-9vDC),低功率消耗全彩化面板厚度?。?mm）可制作大尺寸與可撓曲性面板,5,5/19/2020,2.1失效分析,通常我們定義失效為功能退化或者功能喪失失效分析是人們認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律的逆向思維和探索，是變失效為安全的基本環(huán)節(jié)和關(guān)鍵，是人們深化對(duì)客觀事物的認(rèn)識(shí)源頭和途徑。在失效分析中，通常將失效分類。從技術(shù)角度可按失效機(jī)制、失效零件類型、引起失效的工藝環(huán)節(jié)等分類。從質(zhì)量管理和可靠性工程角度可按產(chǎn)品使用過程分類。,6,5/19/2020,2.2OLED失效分析的意義,目前阻礙OLED走向?qū)嵱没褪袌?chǎng)化的關(guān)鍵問題是其發(fā)光效率低、工作壽命短、性能穩(wěn)定性差。開展OLED的失效分析工作，研究其失效機(jī)理，開發(fā)新的分析方法，對(duì)提高器件可靠性具有十分重大的意義。,OLED失效涉及的問題很多，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)對(duì)此已經(jīng)做過大量有益的工作，工藝上取得了很大的進(jìn)展!但失效的規(guī)律和具體機(jī)理仍然沒有被完全揭示。,7,5/19/2020,2.3非本質(zhì)劣化因素,一般來說，只要不是由于元件的結(jié)構(gòu)和材料等基本性質(zhì)所造成的元件衰退，通常就被歸類為非本質(zhì)劣化，而非本質(zhì)劣化最重要的表現(xiàn)在黑點(diǎn)的增加，當(dāng)不發(fā)光區(qū)域逐漸增加時(shí)，將會(huì)造成OLED發(fā)光的區(qū)域相對(duì)的減少，進(jìn)而影響壽命的問題。OLED器件中所用的材料大部分是對(duì)水汽和氧氣極度敏感的，如果器件沒有封裝，很容易在其發(fā)光區(qū)域發(fā)現(xiàn)很多黑色的不發(fā)光區(qū)域，而且黑色的不發(fā)光區(qū)域會(huì)隨著時(shí)間的增加而慢慢變大，黑色區(qū)域的半徑大致與時(shí)間的二次方根成正比關(guān)系，這似乎意味著黑色不發(fā)光區(qū)域的形成與某種擴(kuò)散機(jī)制有關(guān)。由于當(dāng)黑色不發(fā)光區(qū)域增大到一定程度時(shí)，我們用肉眼便可看到，所以O(shè)LED器件的壽命問題最早從研究黑點(diǎn)開始的。,8,5/19/2020,2.4本質(zhì)劣化,雖然我們可以對(duì)器件由于外界干擾所造成的不發(fā)光區(qū)域的原因進(jìn)行有效控制，但是發(fā)現(xiàn)器件的發(fā)光區(qū)域即使沒有黑點(diǎn)的產(chǎn)生，其亮度也會(huì)隨時(shí)間而衰退。顯然，這種現(xiàn)象不是由于外界所造成的，它是器件的本質(zhì)老化，或者說是由于材料本身的原因所造成的衰退。截至目前，OLED器件的劣化機(jī)制問題吸引了很多優(yōu)秀的學(xué)者進(jìn)行研究和探索，并且取得了相當(dāng)豐富的研究成果。但是依據(jù)目前的情況來看，仍然沒有形成一個(gè)非常明確和完美的理論來解釋目前OLED器件的劣化問題，這也說明OLED器件本質(zhì)劣化因素的復(fù)雜程度。,9,5/19/2020,3.1水汽氧氣對(duì)有機(jī)材料的影響,很多研究表明影響有機(jī)EL器件壽命的因素之一是水分子和氧氣的存在對(duì)有機(jī)EL材料的作用，特別是水分子起了很大的作用。但是對(duì)于水分子和氧氣是怎樣使有機(jī)層發(fā)生變化的，國(guó)內(nèi)外的許多文章提到過這方面的問題，如有機(jī)層的氧化等，但具體的過程不得而知，而且這些理論也沒有得到充分的證實(shí)。,10,5/19/2020,發(fā)光面積退化,封裝好的OLED器件在放置一段時(shí)間后，有發(fā)光面積減小甚至不能點(diǎn)亮的現(xiàn)象。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)這樣的器件的粘接后蓋和鍍有器件材料的玻璃前蓋的環(huán)氧樹脂有空洞。這意味著封裝氣密性不佳，空氣與器件有直接接觸的可能。器件發(fā)光面積的減小，很可能與這樣的粘結(jié)層空洞有關(guān)。氧氣和水汽經(jīng)由通道進(jìn)入器件內(nèi)部，對(duì)器件的性能產(chǎn)生影響，使器件的發(fā)光面積發(fā)生變化。,11,5/19/2020,實(shí)驗(yàn)測(cè)量,將開封好的器件發(fā)光面朝上置于下圖所示的密閉裝置中，通過裝置上方的觀察窗觀測(cè)器件發(fā)光面積的變化。我們測(cè)量了器件在空氣，干燥空氣，潮濕氮?dú)馊N環(huán)境下的發(fā)光面積變化規(guī)律，以判斷氧氣水汽在OLED失效過程中的作用。,12,5/19/2020,空氣環(huán)境下發(fā)光面積的變化及分析,下圖是器件開封后立即拍攝的照片，因?yàn)槠骷_封后僅僅在空氣中暴露了五分鐘的時(shí)間，所以可以看到其發(fā)光區(qū)域?yàn)檩^為完整的矩形，四角棱角分明，亮度均勻，紅綠藍(lán)三種顏色相互交替。,13,5/19/2020,空氣環(huán)境下發(fā)光面積的變化及分析,通電三十分鐘后，可見發(fā)光區(qū)域己從四角開始模糊。,14,5/19/2020,空氣環(huán)境下發(fā)光面積的變化及分析,1小時(shí)后,2小時(shí)后,3小時(shí)后,結(jié)論：器件面積的縮小是從器件邊緣四角開始。這是因?yàn)檠鯕馑饕ㄟ^器件邊緣侵入器件內(nèi)部,15,5/19/2020,潮濕氮?dú)猸h(huán)境,實(shí)驗(yàn)排除了氧氣的影響，單獨(dú)考察水汽對(duì)器件的影響。通過以下操作得到潮濕氮?dú)猸h(huán)境:a.將開封后的器件置于該系統(tǒng)中b.連接導(dǎo)線后密閉導(dǎo)管以外的其它部分c.持續(xù)通氮?dú)?.5小時(shí)后完全密閉系統(tǒng)d.通電觀察拍照,16,5/19/2020,干燥空氣,干燥空氣環(huán)境是在密閉容器中放上氫氧化鉀吸水劑,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：器件在干燥環(huán)境下可持續(xù)發(fā)光超過四十八個(gè)小時(shí)；在潮濕的環(huán)境下通電四個(gè)小時(shí)以內(nèi)就會(huì)完全熄滅。,可見水汽對(duì)器件發(fā)光面積的影響十分巨大！,17,5/19/2020,失效器件形貌分析,通過對(duì)失效后器件的觀察發(fā)現(xiàn)，三種顏色的器件的陰極都有不同程度的氣泡狀突起結(jié)構(gòu)。邊緣和四角處的陰極顏色發(fā)生了變化，在器件內(nèi)部則隨機(jī)分布著氣泡。陰極顏色發(fā)生變化的區(qū)域產(chǎn)生不發(fā)光區(qū)域，而氣泡處仍能發(fā)光。,18,5/19/2020,失效器件形貌分析,SEM顯微照片中可以清晰的看到陰極有大小不一的凸起,19,5/19/2020,失效器件形貌分析,凸起處的截面圖,20,5/19/2020,現(xiàn)象分析,陰極顏色發(fā)生變化的原因，主要是氧氣從邊緣進(jìn)入器件內(nèi)部，與陰極作用，使陰極發(fā)生氧化從而產(chǎn)生不發(fā)光區(qū)域。,陰極上氣泡產(chǎn)生的原因是由于制作器件的時(shí)候，一些微小的灰塵顆粒先于陰極沉積到有機(jī)層上，而形成針孔，又因?yàn)樗苋菀孜皆谄骷砻?，通過Al電極表面的針孔進(jìn)入器件內(nèi)部，在電流的作用下分解，分解出來的氣體因?yàn)楦邷嘏蛎浘蜁?huì)向AI電極產(chǎn)生一定的壓力，使Al電極和有機(jī)層分離，從而產(chǎn)生氣泡。,21,5/19/2020,現(xiàn)象分析,氣體將陰極頂起，從而形成空洞的凸起結(jié)構(gòu)。陰極與有機(jī)層分離，電子的注入受到影響，從而導(dǎo)致器件上出現(xiàn)不發(fā)光區(qū)域。,水對(duì)器件發(fā)光面積退化的影響比氧氣的更為明顯，快速，在水和氧氣的共同作用下，器件將很快失效。因此器件封裝的氣密性對(duì)OLED的穩(wěn)定性非常重要。,22,5/19/2020,氣泡面積超出器件邊緣,有機(jī)材料和金屬電極間界面很不平整，當(dāng)器件工作時(shí)，形成不均勻的電場(chǎng)，導(dǎo)致某些點(diǎn)電流過大、短路成為“熱點(diǎn)”，氧化金屬電極引起失效，形成黑斑。同時(shí)局部過熱使得有機(jī)材料發(fā)生熔融，而凸起的氣泡為熔融有機(jī)材料的流動(dòng)提供了空間，于是出現(xiàn)了上圖所示的情況，觀察到有機(jī)材料的溢出，器件上氣泡面積超出器件邊緣的情況。,，,23,5/19/2020,小結(jié),水汽和氧氣對(duì)器件面積退化速率有很大的影響。在有水汽的情況下，通電會(huì)導(dǎo)致水分解產(chǎn)生氣體將陰極金屬層頂起，同時(shí)為局部過熱導(dǎo)致的熔融態(tài)有機(jī)物流動(dòng)提供了空間。未通電區(qū)域則可能發(fā)生有機(jī)物的結(jié)晶，也會(huì)影響器件發(fā)光性能。氧氣則會(huì)氧化陰極材料和有機(jī)層，導(dǎo)致不發(fā)光區(qū)域的產(chǎn)生。,24,5/19/2020,3.2OLED器件結(jié)構(gòu)分析,OLED為多層有機(jī)薄膜器件,使得對(duì)OLED的結(jié)構(gòu)幾乎無法用傳統(tǒng)的表征手段進(jìn)行分析,而各層膜厚度的不同會(huì)對(duì)OLED的性能產(chǎn)生重要影響。,我們采用寬光譜分光光度測(cè)試法和Forouhi-Bloomer離散方程擬合計(jì)算程序相結(jié)合的新型實(shí)驗(yàn)儀器N同時(shí)，樣品(b)中金屬Cr在44.30和81.72的衍射峰度都明顯減弱;這說明在腐蝕過程中，引線樣品中的金屬Cr發(fā)生反應(yīng)生成了Cr(OH)3,39,5/19/2020,XPS分析,未腐蝕引線樣品(a)及腐蝕的引線樣品(b)的XPS圖譜,以Cls的結(jié)合能285ev進(jìn)行結(jié)合能校準(zhǔn)，得出樣品(a)中Cr的結(jié)合能峰值為577.4ev，對(duì)應(yīng)Cr2O3，其中Cr為正三價(jià);樣品(b)中Cr的結(jié)合能峰值為579.6ev，對(duì)應(yīng)CrO3，其中Cr為正六價(jià)。由此可知腐蝕過程中產(chǎn)生了正六價(jià)的Cr。此外XPS結(jié)果顯示了Cl元素的存在，離子濃度均為0.1%以上。,40,5/19/2020,樣品形貌分析,對(duì)腐蝕引線樣品進(jìn)行了SEM分析，仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，樣品明顯分為3層臺(tái)階。,60倍,2000倍,41,5/19/2020,樣品形貌分析,8000倍,區(qū)域I為Cr和ITO在光刻工藝中被全部刻蝕掉的部分；區(qū)域?yàn)橐€被完全腐蝕的區(qū)域；區(qū)域?yàn)槲赐耆g區(qū)域；區(qū)域IV為未腐蝕區(qū)域。,42,5/19/2020,EDX測(cè)量,引線完全腐蝕的區(qū)域，沒有Cr和In元素存在，與區(qū)域I完全相同;區(qū)域的能譜結(jié)果顯示沒有Cr元素而存在In元素;區(qū)域IV為未腐蝕區(qū)域，能譜結(jié)果顯示Cr與In元素均存在。由此可以確定腐蝕的發(fā)生過程是從上而下:表層的Cr先發(fā)生腐蝕，然后是ITO。,腐蝕引線樣品不同區(qū)域的EDX結(jié)果,為了分辨出每層臺(tái)階的成分，EDX能譜分析腐蝕樣品不同部位的元素，確定腐蝕樣品的結(jié)構(gòu),43,5/19/2020,極化曲線分析,在曲線的前半部分體現(xiàn)的是Cr鍍層的性質(zhì)，在反應(yīng)中Cr逐漸溶解，曲線的后半部分則體現(xiàn)的是Cr層溶解后露出的ITO的性質(zhì)。,引線在不同溶液中的極化曲線,44,5/19/2020,實(shí)驗(yàn)分析,Cr在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)中體現(xiàn)了較好的鈍化特性，然而隨著電極點(diǎn)位的升高，電流密度也逐漸增加，Cr的溶解速率隨之增大。在曲線的后半部分可見0.5M的NaCl溶液中的電流密度相對(duì)較高，而氯離子濃度相對(duì)較低的0.1MNaCI溶液和人工汗液溶液(氯離子濃度約為0.086M)的電流密度則低得多?？梢娐入x子對(duì)ITO的腐蝕有著促進(jìn)作用。,45,5/19/2020,小結(jié),(1)腐蝕過程中Cr鍍層反應(yīng)生成Cr(OH)3和CrO3，這是由于反應(yīng)時(shí)Cr所處的電位不同所造成的:處于較低電位時(shí)，Cr以三價(jià)形式溶解;處于較高電位時(shí)，Cr發(fā)生過鈍化溶解，以六價(jià)形式溶解。(2)Cr鍍層溶解后，ITO隨后發(fā)生腐蝕。其中氯離子對(duì)ITO的腐蝕有促進(jìn)作用:氯離子濃度越高，ITO腐蝕速率越快。,46,5/19/2020,針對(duì)以上發(fā)現(xiàn)，建議采取以下方式來控制電極引線腐蝕的發(fā)生：(1)光刻工藝中殘留的氯離子會(huì)造成Cr的鈍化膜破壞以及加速ITO的腐蝕。建議優(yōu)化清洗工藝，降低殘留含量。(2)防止電極引線腐蝕的發(fā)生，關(guān)鍵是要控制Cr鍍層的腐蝕。建議在電極部分整個(gè)涂附一層保護(hù)膜，防止Cr與吸附液體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。,47,5/19/2020,4.1總結(jié),通過實(shí)驗(yàn)討論，本文得到如下結(jié)論:1.通過對(duì)OLED發(fā)光面積退化規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)水汽和氧氣對(duì)器件面積退化速率有很大的影響。在有水汽的情況下，通電會(huì)導(dǎo)致水分解產(chǎn)生氣體將陰極金屬層頂起，同時(shí)為局部過熱導(dǎo)致的熔融態(tài)有機(jī)物流動(dòng)提供了空間。未通電區(qū)域則可能發(fā)生有機(jī)物的結(jié)晶，也會(huì)影響器件發(fā)光性能。氧氣則會(huì)氧化陰極材料和有機(jī)層，導(dǎo)致不發(fā)光區(qū)域的產(chǎn)生。2.N氯離子對(duì)ITO的腐蝕有促進(jìn)作用。,49,5/19/2020,參考文獻(xiàn),1PoPeM，KallmannHMagnanteP.ElectroluminescenceinOrganicCrystalsJl.JChem.Phys.1963，38:2042一2043.2Halfwit，SehneiderWG，ReeombinationRadiationinAnthraceneCrystalsJlPhys.Rev.Lett.1965，14:229一231.3DresnerJ，DoubleInjectionElectroluminescenceinAnthraceneJl.RCA.Rev.1969，30:322.4WilliamsDF，SehadtM，AsimpleorganicelectroluminescentdiodeJprocIEEE.Lett.1970，58:476.5VineettPS，BarlowWA,HannRA,RobertsG.G,Electricalconductionandlowvoltageblueelectroluminescenceinvaeuum-depositedorganicefilmsJ.ThinSolidFilms，1982，94:171一183.6彭雅芳,俞宏坤.OLED失效分析技術(shù)研究.M.復(fù)旦大學(xué).復(fù)旦大學(xué).2008.18-54.7TangCW，VanslykeSAorganicelectroluminescentdiodesJ.APPI.Phys.Lett.1987,51:913一915.8BurroughesJH,BradleyDDC,BrownAR,MarkRN,MarkayKFriendRH,BrunsPL，HolmesAB，Light-emittingdiodesbasedonconjugatedPolymersJ.Nature1990，347:539一541.,50,5/19/2020,參考文獻(xiàn),9GustafssonG,CaoY,TreaeyGM,KlavetterF,ColaneriN,HeegerAJ,FlexibleLight-emittingDiodesMadefromSolubleConductingPolymers.J.Nature1992,357:477一479.10CaoY,TreaeyGM,SmithP,HeegerAJ,Solution-castFilmsofPolyaniline:Optical-qualityTransparentEleetrodesJ.APPI.Phys.Lett.1992,60:2711一2719.11BaldoMA.OBrienDF.YouY,ShoustikovA,Sible