第八章OLED的器件設(shè)計(jì)

1、 制作人 張勇 集成電路工程 8.1 穿透式與上發(fā)光型OLED結(jié)構(gòu)一般OLED器件的光都是經(jīng)由基板射出，也就是下發(fā)光型。而所謂的上發(fā)光型就是光不是經(jīng)過底下基板而是從其反面射出。如果基板之上為高反射的陽極，而陰極是透光的，則光是經(jīng)由表面的陰電極放光。陽極材料若還是使用傳統(tǒng)的透明ITO陽極，搭配透明陰極則器件的兩面都會(huì)發(fā)光，也就是所謂的穿透式器件。 圖8-1（a）上發(fā)光型器件;(b)下發(fā)光型器件；（c）穿透式器件由于主動(dòng)式OLED發(fā)光器件是有薄膜晶體來控制的，因此如果器件是以下發(fā)光形式放光，光經(jīng)過基板時(shí)勢必會(huì)被建立在基板上的TFT和金屬線電路所擋住，所以實(shí)際發(fā)光的面積就會(huì)受到限制，縮減可以發(fā)光的面

2、積所占的比率，也就是所謂的開口率。 圖8-2 下發(fā)光型與上發(fā)光型主動(dòng)面板示意圖穿透式器件的優(yōu)勢在于，不顯示信息時(shí)面板是半透明的，顯示信息時(shí)從兩面都可接收到信息。利用此特性，其應(yīng)用與設(shè)計(jì)可以更靈活。穿透式與上發(fā)光型器件的發(fā)展必須先將陰極的透射率提高，因?yàn)楣馐峭高^陰極發(fā)出，因此陰極的透射率決定了器件出光的多少。而陰極通常都是由金屬組成，透射率要高則勢必要把金屬厚度變薄，太薄無法導(dǎo)電，且會(huì)影響器件的工作穩(wěn)定性，因此透光度受到一定的限制。8.1.1透明陰極發(fā)展介紹在穿透式和上發(fā)光器件中，最重要的就是透明陰極。要讓光從陰極發(fā)出，最直接的做法就是將下發(fā)光器件的陰極鍍薄，這樣就不用考慮功函數(shù)的問題所以通常會(huì)

3、再加上透明導(dǎo)電的ITO做輔助電極并同時(shí)增加陰極導(dǎo)電性，然而在有機(jī)層上濺鍍ITO又不破壞器件不是容易的事，在這方面還需要許多的技術(shù)來克服。透明電極的發(fā)展與所應(yīng)用的器件結(jié)構(gòu)于下表8-1所示。表8-1 透明陰極的發(fā)展1996年，F(xiàn)orrest等人率先使用10nm的Mg:Ag(30：1)加上40nm的ITO當(dāng)成半透明陰極，其透射率在可見光區(qū)大約為70。所制成的 器件上下都發(fā)光，外部量子效率加起來約0.1。同時(shí)，濺射ITO的功率只有5W,沉積速率只有0.3nm/min，濺射40nm需要超過2h;而且薄的金屬層不足以抵擋濺射過程對(duì)有機(jī)層的破壞，分子鍵被打斷，能級(jí)發(fā)生變化。 圖8-3 第一個(gè)具透明陰極的穿透

4、式器件結(jié)構(gòu)和EL光譜 3A lq以上濺鍍ITO的制程，往往費(fèi)時(shí)又要考慮濺鍍時(shí)OLED器件可能受到的損壞，就采用熱蒸鍍的方法。2001年Hung和Tang等人利用熱蒸鍍金屬完全取代ITO的濺鍍制程。2003年，Han等人利用半透明的電荷注入層LiF(0.5nm)/Al(3nm)/Al:SiO(30nm)作為上發(fā)光型器件的陰極，Al:SiO不但具有好的透射率，更可以當(dāng)作防止濺鍍ITO造成器件損壞的緩沖層。2004年,Canon發(fā)表新的電子輸運(yùn)材料c-ETM,搭配碳酸銫摻雜物作為n-摻雜的電子注入層。綜上所述，透明陰極的透明度與導(dǎo)電度是一個(gè)重要的考量因素，對(duì)穿透式器件來說要達(dá)到兩邊出光亮一致，透明陰

5、極需要有很好的透射性，且避免使用在可見光區(qū)有吸收的材料（如金屬），而非金屬陰極（如ITO）的濺鍍需要非常小心地控制，避免OLED器件受到損壞。如果使用熱蒸鍍的薄金屬陰極，太薄則導(dǎo)電度不好，太厚則透射性不佳，對(duì)于上發(fā)光型器件來說又會(huì)造成微共振腔效應(yīng)，器件的光學(xué)設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步考慮。8.1.2 上發(fā)光型器件陽極OLED的陽極通常都是由高功函數(shù)的材料所組成的。而上發(fā)光型器件中，陽極必須具有反射性。Au（5.1）、Ni（5.15）、Pt（5.65）功函數(shù)較高但反射率只有5060，Al（4.28）、Ag（4.26）反射率90以上但功函數(shù)稍低，通常要搭配合適功函數(shù)的材料，如Al/ITO、Ag/ITO或是Al

6、/Ni、Al/Pt?；蚴褂眠m合的空穴注入材料。CFx、MoOx、利用UV-ozone處理Ag表面形成薄膜 (4.85.1eV)。雖然高功函數(shù)陽極的空穴注入性能較好，但是只要選擇適當(dāng)?shù)目昭ㄗ⑷雽?，上發(fā)光型器件的效率往往由陽極的反射率來決定。2Ag O圖8-4顯示以不同反射率的金屬為陽極與器件效率的關(guān)系，其中以高反射的鋁和銀當(dāng)作陽極，器件效率可以是下發(fā)光型器件的1.6倍。如果以反射率80的鎂當(dāng)作陽極時(shí)效率也還超過下發(fā)光型器件。而其他反射率較低的金屬，效率都比下發(fā)光型器件低，因此高反射陽極還是主流。圖8-4 陽極反射率對(duì)器件效率影響的模擬圖8.1.3不發(fā)生等離子體損傷的濺鍍系統(tǒng)為了在有機(jī)層上濺鍍透明

7、且導(dǎo)電性好的ITO，不少研究者吃盡了苦頭。為解決這問題，除了濺鍍保護(hù)層外，還可以從兩方面著手，一是改進(jìn)電子或空穴輸運(yùn)材料的熱穩(wěn)定性，并使之可以抵擋濺鍍時(shí)高能量粒子（如反射的Ar原子、電子、帶電離子）的破壞；另外則是發(fā)展特殊的濺鍍系統(tǒng)，使有機(jī)膜損傷降到最低。對(duì)向靶濺鍍系統(tǒng)是近來引人注意的濺鍍技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖所示，與傳統(tǒng)的濺鍍腔體不同的是，基板不是面向靶材表面，而是與靶材面成90的關(guān)系，高能量的粒子被磁場限制在等離子體內(nèi)，因此可以使損傷降到最低。Samsung在SDI2004年發(fā)表了以此技術(shù)濺鍍ITO和Al的結(jié)果， 此可以在基板無加熱下，得到電阻率為610-4cm，且透射率大于85的ITO薄膜。而

8、與DC濺鍍Al陰極的器相比，對(duì)向靶濺鍍不會(huì)造成器件有明顯的漏電，與熱蒸鍍陰極的器件幾乎一樣。8.1.4 微共振腔效應(yīng)所謂微共振腔效應(yīng)就是器件內(nèi)部的光學(xué)干擾，在OLED中，不論是上發(fā)光型或是下發(fā)光型器件，都存在程度不一的共振腔效應(yīng)，微共振腔效應(yīng)主要是指不同能態(tài)的光子密度被重新分配，使得只有特定波長的光在符合共振腔模式后，得以在特定的角度射出，因此光波的半高寬（FWHM）也會(huì)變窄，在不同角度的強(qiáng)度和光波波長也會(huì)不同。但在適當(dāng)控制下，可使得上發(fā)光型器件的色純度和效率都比下發(fā)光型器件大幅提升。下發(fā)光型器件：陰極高反射率，陽極高透過率，大部分光直接從透明電極出射，一部分由高反射率的電極全反射，如圖8-6

9、（a）,此時(shí)的干涉現(xiàn)象大致屬于廣角干涉。上發(fā)光型器件：陰極為半透明金屬，光的反射增加，造成多光束干涉，微腔效應(yīng)更明顯。發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光顏色會(huì)隨視角而改變。圖8-6 （a）廣角干涉；（b）多光束干涉示意圖8.1.5 陰極覆蓋層Hung等人首先強(qiáng)調(diào)用“適當(dāng)厚度”且“折射率相配”的材料作為覆蓋 層 ， 可 提 高 上 發(fā) 光 型 器 件 光 的 導(dǎo) 出 率 。 以 L i F （ 0 . 3 n m ）/Al(0.6nm)/Ag(20nm)為陰極時(shí)，陰極透射率只有30，表示有70的光無法順利射出器件表面，他們利用折射率由小到大的材料覆蓋在此薄金屬陰極上，發(fā)現(xiàn)覆蓋層折射率愈大時(shí)，透射率愈大，且所需的最佳

10、厚度愈?。ㄒ姳?-2）表8-2 不同的陰極覆蓋層與陰極的透射率 2003年，IBM的Riel等人利用具有高能隙且折射率為2.6的ZnSe作為陰極覆蓋層，應(yīng)用在上放光的磷光器件中，發(fā)現(xiàn)可以改變器件的光學(xué)構(gòu)造，并提升器件出光效率達(dá)1.7倍，卻不影響器件的電性。在上放光型Ir(ppy)3磷光器件中，利用12nmCa和12nmMg當(dāng)作透明電極，接著再加上不同厚度的ZnSe,都以熱蒸鍍方式成膜。不同的ZnSe厚度下透射率如圖8-7。圖8-7 不同ZnSe厚度下的透射率8.2串聯(lián)式OLED結(jié)構(gòu)串聯(lián)式OLED的概念是由日本山形大學(xué)Kido教授首次提出，他們利用Cs:BCP/V2O5當(dāng)作連接層，將數(shù)個(gè)發(fā)光元件

11、串聯(lián)起來。串聯(lián)式OLED與傳統(tǒng)OLED相比較，串聯(lián)式OLED擁有極高的電流發(fā)光功率效率，其電流發(fā)光功率效率可以隨著串聯(lián)器件的個(gè)數(shù)呈倍數(shù)增長；在相同電流密度下測試時(shí)，串聯(lián)式OLED與傳統(tǒng)OLED的老化機(jī)制相似，但是由于串聯(lián)式OLED的初始亮度可以在很小的驅(qū)動(dòng)電流下變得很大，所以很適合照明使用，若換算成同樣初始亮度時(shí)，串聯(lián)式OLED的壽命比傳統(tǒng)OLED長很多。但是這種器件的驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)隨著器件串聯(lián)的數(shù)目而呈倍數(shù)增加，所以它的電壓發(fā)光功率效率并不會(huì)因?yàn)榇?lián)而增加。圖8-8 傳統(tǒng)與串聯(lián)式OLED技術(shù)比較2014年，Liao與鄧青云博士也發(fā)表以n-type Alq3:Li/p-type NPB:FeCl

12、3作為串聯(lián)式OLED的連接層雖然串聯(lián)式OLED由于總厚度增加，使得在相同驅(qū)動(dòng)電流下的電壓變大，但由于在相同驅(qū)動(dòng)電流下，發(fā)光亮度的增加使得發(fā)光功率效率也隨著增加。圖8-9 串聯(lián)式熒光器件結(jié)構(gòu)及其EL光譜在Liao的器件中，如果以多個(gè)磷光綠光元件互相堆疊，當(dāng)堆疊的元件數(shù)為3時(shí)，可達(dá)到130cd/A的效率（圖8-10）圖8-10 串聯(lián)式磷光器件的效率與穩(wěn)定度測試8.3 可彎曲式OLED結(jié)構(gòu)1992年，Gustafsson等人首次發(fā)表利用ploy(ethylene terephtalate ,PET)當(dāng)作可彎曲式的基板，再搭配可導(dǎo)電高分子，制作出第一個(gè)以高分子為主體的可彎曲式有機(jī)電致發(fā)光器件，此器件的

13、量子效率約為1。之后于1997年，Gu等人則將小分子材料應(yīng)用在器件中，取代原本高分子所扮演的角色，成功地制作出可彎曲式的小分子有機(jī)電致發(fā)光器件。如果不考慮驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方面的問題，單就可彎曲式器件的制作方面來看，就要考慮如基板材質(zhì)的選擇、水氧阻絕層的水氧阻絕能力、導(dǎo)電陽極的平整度與導(dǎo)電率、陽極的圖案化制程、器件制作后的效率與顏色，還有器件完成之后的封裝效果好壞、期間壽命的長短及可以承受的機(jī)械應(yīng)力，如彎曲程度及彎曲次數(shù)等許多因素。8.3.1 基板 可彎曲式有機(jī)電致發(fā)光器件常使用的基板是塑料基板，包括PET、PEN、PES等，制作上發(fā)光型器件是則可使用金屬箔基板，其他還有使用超薄玻璃及紙基板的。 以

14、塑料為基板的OLED器件有下列優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕，耐久，可適應(yīng)不同使用情況，可以使用低成本的roll-to-roll(卷鍍式)制作技術(shù)。 Noda等人在2003年發(fā)表了以卷鍍式制程制作ITO/PET，這種制作方式可以大量生產(chǎn)ITO/PET基板，降低成本。圖8-11 卷鍍式濺鍍?cè)O(shè)備PES的基板的Tg(203)200，比PET的150還高，可以承受較高的制程溫度，在基板上濺鍍ITO或其他水氧阻絕層時(shí)，基板較不易受熱變形而產(chǎn)生不良的影響，因此適合用來當(dāng)做可彎曲式有機(jī)電致發(fā)光器件的基板?；逑祷逑到y(tǒng)性能統(tǒng)性能聚合物膜片聚合物膜片薄型玻璃薄型玻璃超薄玻璃超薄玻璃-聚合物聚合物系統(tǒng)系統(tǒng)防水、 氧穿透性 熱和化

15、學(xué)的穩(wěn)定性力學(xué)的穩(wěn)定性可彎曲性重量用于顯示器的特殊加工要求 另一個(gè)可以使用的基板種類就是金屬基板。金屬基板不但富于撓性且防止水、氧穿透的能力比塑料佳，最重要的是可以承受較高的制程溫度。典型制作非晶體TFT的溫度約300，無法制作在塑料基板上。但由于金屬不透光的特性，只能用來制作上發(fā)光型器件。如Wu等人在1997年發(fā)表的可彎曲式器件即是以鉻金屬為基板，鉻基板厚度為200m，表面拋光后的粗糙度為70m。2003年，Zhiyuan Xie 等人使用涂布1m SOG薄膜的20m鋼箔當(dāng)作基板，再搭配銀當(dāng)作陽極，制作出上發(fā)光型器件。在美國西雅圖舉辦的2004平板顯示器研討會(huì)中，Lee等人更發(fā)表了以紙為基板

16、的FOLED，器件結(jié)構(gòu)如圖8-12，在紙基板上涂布一層parylene,在鍍上鎳為陽極。但是。器件在100mA/cm2的電流密度下，工作電壓為19.5V而亮度才324cd/m2,效率并不是很好，但也顯示出OLED幾乎可以制作在任何基板上。圖8-12 紙基板的FOLED結(jié)構(gòu)圖8.3.2 主動(dòng)矩陣式驅(qū)動(dòng)技術(shù)就被動(dòng)矩陣來說，ITO透明電極的濺鍍制程是首先要克服的問題，因?yàn)镮TO的電阻率隨著基板溫度增加而減小，但塑料基板的耐熱性不足，無法利用高溫退火來增加ITO的導(dǎo)電性質(zhì)。而且如果要在塑料基板上面進(jìn)行TFT制程，制作主動(dòng)矩陣基板，則更加困難。美國的FlexICs公司于1998年發(fā)表可在PEN與PET等

17、塑料材料上制作薄膜晶體管的制程，稱為超低溫多晶硅（ULTPS）薄膜晶體管制程，ULTPS制程以標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)，配合制程開發(fā)特有的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，并特別考量塑料基材的形狀穩(wěn)定性。圖8-13 可彎曲式的主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)方式ULTPS技術(shù)的核心在于TFT柵極堆疊成型，為了在塑料基材上形成高品質(zhì)的多晶硅，采用與玻璃基材上制作多晶硅相同的準(zhǔn)分子激光退火技術(shù)，激光的波長308nm,以及FlexICs特有厚約0.75m的介電膜，作為絕熱層，即使上層的硅膜溫度達(dá)1500，塑料基材的局部溫度也不會(huì)超過250。在形成介電膜方面采用了自行發(fā)展的設(shè)備進(jìn)行薄膜沉積，該設(shè)備將所有的制程步驟均控制于100或更低。另一

18、個(gè)可彎曲式的主動(dòng)矩陣式驅(qū)動(dòng)方法就是利用有機(jī)TFT。2004年，日本JVC和NHK廣播電視技術(shù)研究所公布了使用在塑料底板上形成的主動(dòng)有機(jī)TFT驅(qū)動(dòng)的OLED面板的試制結(jié)果，已證實(shí)可在彎曲狀態(tài)下正常工作。有機(jī)TFT柵絕緣膜采用Ta2O5,有機(jī)半導(dǎo)體采用并五苯。載流子遷移率為0.49cm2/(VS)。以60hz的幀頻工作時(shí)亮度為260cd/m2.試制面板可在32mm以內(nèi)的曲率半徑范圍內(nèi)彎曲，遷移率只會(huì)稍有增加或減少，只在百分之幾內(nèi)的變化范圍，可與平直狀態(tài)下一樣正常工作。8.4 p-i-n OLED結(jié)構(gòu)P-i-n OLED結(jié)構(gòu)是指將p或n型的摻雜層作為元件的空穴和電子輸運(yùn)層，圖8-18中間未做電性摻雜

19、的材料厚度一般只有40nm左右，因此它的工作電壓只有傳統(tǒng)器件的一半，但除了電壓降低外，必須維持高的發(fā)光效率才有意義，在如此高的空穴和電子注入電流下，如果復(fù)合效率不高還是無法得到高效率的發(fā)光器件。同樣，復(fù)合后如何避免激子被這些電性摻雜物如Li、Cs或F4-TCNQ焠熄也是非常重要的額，尤其是Li和Cs非常容易在有機(jī)層間擴(kuò)散。因此在發(fā)光層與p或n型傳送層之間 ，必須分別加入一中間層。這些中間層的主要目的是避免發(fā)光層與p或n型輸運(yùn)層直接接觸，降低焠熄幾率，并且要求IL-H具有電子阻隔能力，IL-E則有需要空穴阻隔能力，才可以在如此薄的發(fā)光層中有效復(fù)合。8.5 倒置式的OLED結(jié)構(gòu)倒置式的OLED（IOLED）器件是在基板上先制作陰極，在陰極金屬上蒸鍍有機(jī)薄膜后再生長陽極導(dǎo)電膜，與一般器件的制作流程剛好相反，IOLED主