高效高亮度硅基頂發射有機電致發光器件的研制

陳 燕，陳星明，胡勝坤，金 玉，吳志軍?

（1.華僑大學信息科學與工程學院，福建廈門361021；

2.廈門市移動多媒體通信重點實驗室，福建廈門361021）

高效高亮度硅基頂發射有機電致發光器件的研制

陳 燕1，2，陳星明1，胡勝坤1，金 玉1，吳志軍1?

（1.華僑大學信息科學與工程學院，福建廈門361021；

2.廈門市移動多媒體通信重點實驗室，福建廈門361021）

以半透明超薄金屬銀作為陰極，紫外臭氧處理的厚金屬銀作為陽極，制備了高效率高亮度的黃光硅基頂發射有機發光器件.當電壓為9 V時，器件的最大電流效率為4.9 cd/A，當電壓為17 V時，器件的亮度達到14 040 cd/m2.通過增加摻雜濃度及陽極厚度對器件結構進一步優化后，器件性能顯著提高，其電流效率在外加電壓為10 V時達到11 cd/A，相應亮度為21 748 cd/m2.頂發射器件中存在的微腔效應能有效提高器件的發光效率以及亮度，但是也會使器件的共振波長隨著觀察視角的增大而藍移.由于采用合適的發光材料，本實驗制備的器件的發光峰值在0°～75°視角范圍內幾乎沒有變化.

頂發射；有機電致發光器件；表面修飾；亮度；電流效率

1　引 言

自從Tang和VanSlyke于1987年首次報道高效率的雙層結構有機電致發光器件（Organic Light Emitting Device，OLED）以來［1］，由于OLED具有低電壓、低成本、寬視角、響應快、面發光等優勢，因而在平板顯示領域有著廣泛的應用前景.如今平板顯示大多為有源矩陣（Active Matrix）驅動方式，早先報道的AMOLED都是用TFT作為驅動元件的底發射結構，這就存在一個開口率的問題.因為底發射AMOLED的顯示發光區域會與驅動電路相互競爭，其像素開口率一般較低，特別是對于那些像素極小的微型顯示來說更為明顯.而頂發射器件就不存在這種情況，因為光向上射出，不受下面的驅動電路的影響，從而提高了像素的開口率，所以頂發射器件逐漸成為OLED研究領域的一大熱點［2］.

頂發射有機發光器件的電極選擇至關重要，一般陽極是高反射率的金屬電極（Ag、Al等），陰極是半透明的金屬電極，考慮到出光的效果，金屬陰極厚度一般為20 nm.本文采用的是高反射率、在可見光范圍內低吸收以及良好的導電性的金屬Ag作為電極材料.為了改善載流子的注入效率，實驗中對陽極Ag的表面進行紫外處理［3］，生長一層超薄的Ag2O薄膜，同時對于陰極，熱蒸鍍一層超薄的LiF/Al以利于電子的注入.頂發射器件中存在的微腔效應對器件影響非常大，可以利用微腔效應來增大器件的發光效率以及色純度［4］，但是也會使發光顏色隨著觀察視角的變化而變化［5］，顯然這對于實際的應用是不利的.如何能使頂發射器件獲得高發光效率的同時又能避免光譜角度性的問題，眾多學者對此進行了很多研究，并取得一系列的成果.如Chen等人［6］采用光輸出耦合層來改善光譜的角度性問題.本文在硅襯底上制備了一種結構簡單的黃光頂發射器件，通過對器件結構的優化設計，在獲得高效率、高亮度的同時，器件的發光峰值隨著觀察視角的增大幾乎沒有藍移.

2　實 驗

制備的器件結構為:Si/SiO2/Ag/Ag2O/m-MTDATA/NPB/Rubrene∶Alq/Alq/LiF-Al/Ag.其中Ag/Ag2O作為陽極，LiF-Al/Ag作為復合陰極，4，4′，4″-tris（3-methylphenylphenylamino）-triphenylamine（m-MTDATA）作為空穴注入層，N. N′-Bis（naphthalene-1-yl）-N，N′-bis（phenyl）-benzidine（NPB）作為空穴傳輸層，5，6，11，12-tetraphenylnaphthacene（Rubrene）摻雜到tris（8-hydroxyquinoline）aluminium（Alq）作為發光層，未摻雜的Alq作為電子傳輸層，材料的化學分子式如圖1所示，器件結構如圖2所示.

圖1　材料的化學結構式Fig.1　Chemical structures of materials

圖2　頂發射器件結構Fig.2　The structure of the TEOLED

制作器件之前，將表面鍍有1 600 nm的SiO2的硅片依次用丙酮、乙醇以及去離子水各超聲清洗15 min，烘干后用氧等離子清洗機對襯底表面再處理10 min，放置于LN-1103SA多源氣相沉積系統中，熱蒸鍍45 nm的Ag，然后送入紫外臭氧清洗儀，對Ag表面進行紫外照射處理，處理時間為2 min.這樣可在Ag的表面生長一層超薄的Ag2O以利于空穴的注入.表面處理后再用多源氣相沉積系統按照器件的結構依次生長不同的材料.蒸鍍過程中，系統真空度始終保持在2.5× 10-4Pa，薄膜生長的速率及厚度均可以通過控制面板來控制.有機材料的蒸鍍速率為0.1 nm/s，LiF蒸鍍速率為0.003 nm/s，金屬Al及Ag蒸鍍速率為0.3 nm/s.OLED有效發光面積為3 mm× 3 mm.器件的電致發光光譜、電壓、亮度、電流密度、效率等是由MAYA2000PRO、keithley 2400程控電源以及LS-110亮度計組成測試系統進行同步測量.所有測量都是在室溫大氣中進行.

3　結果與分析

圖3是頂發射器件在11 V電壓下的歸一化電致發光光譜，從圖中可以看出，光譜有兩個發射峰，Alq的530 nm以及Rubrene的560 nm.制備的器件發光層中Rubrene不僅可以直接捕獲載流子形成激子，還可以通過F?rster能量轉移機制［7］，從Alq形成的激子中獲得能量從而發光，顯然光譜中出現Alq發射峰說明發光染料Rubrene摻雜的濃度較低，從而Alq中會產生過剩的激子并發光.

圖3　器件在11 V時的歸一化電致發光光譜Fig.3　Normalized EL spectra of the device at 11 V

圖4給出了器件的電流密度-電壓-亮度特性曲線.從圖中數據可以看出，器件的開啟電壓為4 V，當電壓為17 V時，器件的亮度達到14 040 cd/ m2.器件較高的亮度以及電流密度主要是由于Ag表面的一層超薄的Ag2O顯著改善了空穴的注入，Ag2O具有P型半導體的特性，其禁帶寬度為1.3 eV，電離能為-5.3 eV，電離能與空穴注入層m-MTDATA的HOMO能級（-5.1 eV）非常接近，有利于空穴的注入.圖5是單獨制備的單載流子器件Ag/Ag2O/NPB/Al和Ag/NPB/Al的電流密度-電壓特性曲線，從圖中可以明顯看出，Ag2O的引入明顯改善了空穴從陽極注入的效率.圖6給出了器件的電流效率-電壓特性曲線，當電壓為9 V時，器件電流效率達到最大值4.8 cd/A.

圖4　器件的電流密度-電壓-亮度特性曲線Fig.4　Current density-voltage-luminance characteristics of device

圖5　結構為Ag/Ag2O/NPB/Al和Ag/NPB/Al的器件電流密度-電壓曲線Fig.5　Current density-voltage characteristics of the devices with the structure of Ag/Ag2O/ NPB/Al and Ag/NPB/Al

圖6　器件電流效率-電壓特性曲線Fig.6　Current efficiency-voltage characteristic of the device

頂發射器件存在較強的微腔效應，由微腔理論可知，頂發射器件中有機層以及電極的厚度對器件的光電性能有著很大的影響［8］.對此，我們對已制備的頂發射器件結構進一步優化，將陽極Ag的厚度從45 nm增大到70 nm，陰極厚度不變，同時增大發光層中發光染料Rubrene摻雜的濃度至5%，從而抑制發光層中Alq發光帶來的影響.基于Rubrene的底發射器件的發光峰值位于560 nm處，因此，為了在此發光峰值處實現增益，可通過調節頂發射器件有機層厚度來調節器件的共振波長.當電子傳輸層Alq厚度從先前的20 nm增大到65 nm時，頂發射器件的共振峰位于560 nm附近，從而提高了器件的發光效率.圖7為優化及未優化的兩個頂發射器件電流密度-亮度特性曲線.從圖7中可以看出，在相同的電流密度下，優化后的器件顯示出更高的亮度.圖8為優化后器件的電流效率-電壓特性曲線，當電壓為10 V時，電流效率達到最大值11 cd/A，是未優化器件的電流效率兩倍多.

當電壓為11 V時，我們比較了優化后的器件在不同觀察視角下的光譜.從圖9中可以明顯看出，不同于以往有關TEOLED光譜角度性的報道［9］，優化后的頂發射器件的發光峰值并未隨著觀察視角的增大而出現明顯的藍移現象，其峰值僅僅位移了8 nm，半高寬（FWHM）從32 nm僅增大到44 nm.TEOLED的發光光譜與發光材料本身的發光特性關系緊密，由于Rubrene本身的電致發光譜較窄［10］，使得相應的TEOLED具有良好的光譜角度特性，隨視角變化，光譜峰值變化較小.

圖7　器件電流密度-亮度特性曲線Fig.7　Current density-luminance characteristics of the devices

圖8　優化后器件的電流效率-電壓特性曲線Fig.8　Current efficiency-voltage characteristic of the optimized device

圖9　不同視角下的頂發射器件光譜Fig.9　Spectrum characteristics of TOLED at diffe rent view angle

4　結 論

采用半透明超薄金屬銀作為陰極，紫外臭氧處理的厚金屬銀作為陽極制備了一種硅基頂發射黃光器件.當電壓為9 V時，器件的最大電流效率為4.9 V，當電壓為17 V時，器件的亮度達到14 040 cd/m2.對器件結構進一步優化，器件亮度與效率進一步提高，同時，器件發光峰值在0°～75°的觀察視角范圍內幾乎沒有變化.研究表明，采用合適的發光材料，通過合理的器件結構設計可以獲得高效率、高亮度、光譜角度特性良好且結構簡單的頂發射有機發光器件.

［1］ Tang C W，VanSlyke S A.Organic electroluminescent diodes［J］.Applied Physics Letters，1987，51（12）: 913-915.

［2］ 胡勝坤，金玉，吳志軍，等.低電壓有機薄膜晶體管驅動頂發射有機發光二極管的集成像素的研制［J］.發光學報，2014，35（11）:1370-1375.

Hu S K，Jin Y，Wu Z J，et al.Top-emitting organic light-emitting device integrated pixel driven by low voltage organic thin film transistor［J］.Chinese Journal of Luminescence，2014，35（11）:1370-1375.（in Chinese）

［3］ 楊惠山，陳淑芬，吳志軍，等.硅片上頂發射的有機電致發光器件［J］.發光學報，2005，26（2）:242-246.

Yang H S，Chen S F，Wu Z J，et al.Top-emitting Organic Light-emitting Devices Based on Silicon Substrate［J］. Chinese Journal of Luminescence，2005，26（2）:242-246.（in Chinese）

［4］ 陳俊江.利用光學微腔效應調節頂發射藍光器件的色純度［J］.發光學報，2012，33（5）:545-548.

Chen J J.Improvement of the color purity of organic blue top-emitting devices by using optical microcavity［J］.Chinese Journal of Luminescence，2012，33（5）:545-548.（in Chinese）

［5］ 張春玉，陸景彬，孫成林，等.微腔有機電致發光器件的角度依賴性［J］.發光學報，2009，30（6）:734-737.

Zhang C Y，Lu J B，Sun C L，et al.Angle dependence of microcavity organic light-emitting device［J］.Chinese Journal of Luminescence，2009，30（6）:734-737.（in Chinese）

［6］ Chen S，Xie W，Huang W，et al.Improvement of viewing angle and pixel contrast ratio in green top-emitting organic light-emitting devices［J］.Optics Express，2008，16（12）:8868-8875.

［7］ Murata H，Merritt C D，Kafafi Z H.Emission mechanism in rubrene-doped molecular organic light-emitting diodes:direct carrier recombination at luminescent centers［J］.Selected Topics in Quantum Electronics IEEE Journal of，1998，4（1）:119-124.

［8］ 謝澤鋒，袁永波，陳樹明，等.高效率金屬微腔OLEDs性能［J］.發光學報，2008，29（1）:37-40.

Xie Z F，Yuan Y B，Chen S M，et al.Study on metal microcavity OLEDs with improved efficiency［J］.Chinese Journal of Luminescence，2008，29（1）:37-40.（in Chinese）

［9］ 熊志勇，李宏建，王俊西，等.可彎曲式微腔有機電致發光器件的光學特性［J］.發光學報，2009，30（3）:337-343.

Xiong Z Y，Li H J，Wang J X，et al.Optical characteristics of flexible microcavity organic light-emitting diodes［J］. Chinese Journal of Luminescence，2009，30（3）:337-343.（in Chinese）

［10］ Wu Z，Guo H，Wang J，et al.Top-emitting organic light-emitting devices with improved light outcoupling and angle-independence［J］.Journal of Physics D:Applied Physics，2006，39（24）:5160-5163.

Top-emitting organic light-emitting devices based on silicon substrate with high efficiency and luminance

CHEN Yan1，2，CHEN Xing-ming1，HU Sheng-kun1，WU Zhi-jun1?

（1.College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；
2.Xiamen Key Lab of Mobile Multimedia Communication，Xiamen 361021，China）

Adopting semi-transparent thin silver as cathode and UV-ozone surfaced-modified thick silver as anode，top-emitting organic light-emitting device（TEOLED）on silicon substrate with high luminance and efficiency was fabricated.The maximum current efficiency was 4.9 cd/A when the voltage was 9 V and the luminance reaches 14 040 cd/m2at 17 V.The device structure is further optimized by increasing the doping concentration and the anode thickness.By optimizing the device structure，a TEOLED with high current efficiency（11 cd/A at 10 V with luminance of 21 748 cd/m2）had been reported.Due to the microcavity effect，the efficiency and luminance of TEOLED are relatively high，but the blue-shift of the resonant wavelength（RW）with increasing view angles is obvious.By employing the suitable emitting material，the blue-shift of the RW is nearly negligible in our device when the viewing angles moved from 0°to 75°.

top-emitting；organic light-emitting devices；surface-modified；luminance；current efficiency

TN383+.1；TN312+.8

A doi:10.3788/YJYXS20153006.0960

1007-2780（2015）06-0960-05

陳燕（1981-），女，福建泉州人，講師，2003年于南京郵電學院電子信息工程系獲工學學士學位，2006年于北京大學信息科學技術學院獲工學碩士學位.當前主要從事有機電致發光器件、有機光伏器件及有機薄膜晶體管方面研究.E-mail:goldency@hqu.edu.cn

吳志軍（1977-），男，福建泉州人，副教授，2000年于吉林大學電子工程系獲工學學士學位，2006年于吉林大學電子科學與工程學院獲理學博士學位.當前主要從事有機電致發光器件、有機光伏器件及有機薄膜晶體管方面研究.E-mail:quantumoed@126.com

2015-07-01；

2015-09-14.

國家自然科學基金資助項目（No.61404053）

Supported by National Natural Science Foundation of China（No.61404053）

?通信聯系人，E-mail:quantumoed@126.com