基于微結構陣列基板的高效頂發(fā)射OLED器件

王江南，丁 磊，倪 婷，寧舒雅，張方輝

(陜西科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710021)

1 引 言

有機電致發(fā)光二極管(OLED)自被發(fā)明以來，以其獨有的自發(fā)光、廣視角、高亮度、可柔性等諸多特點受到廣泛的關注。由于在有源驅動OLED顯示面板中需要使用不透明薄膜晶體管組成的像素電路來驅動OLED，因此會遮擋常規(guī)底發(fā)射OLED器件發(fā)出的光，導致出光開口率低，同時對器件的效率和壽命產(chǎn)生嚴重影響。然而頂發(fā)射OLED器件是從半透明陰極出光，而不會透過基板，因此使用頂發(fā)射OLED可以提高AMOLED面板的開口，同時大幅度提升光效[1]。因為頂發(fā)射OLED器件兩側電極均具有反射特性，頂發(fā)射OLED器件擁有較強的微腔效應。從發(fā)光層發(fā)出的光與經(jīng)過電極反射的光會發(fā)生寬角干涉和多光束干涉，通過微腔結構設計可增強滿足干涉條件的光，削弱其它光，從而實現(xiàn)較高的色純度[2]。但同時微腔可加強器件的內部光強，加重了器件的光波導損失，而兩側金屬電極同樣加重了器件光損失[3-4]，因此，對頂發(fā)射OLED的光取出的研究至關重要。為此研究者們提出了很多方法，試圖提高頂發(fā)射OLED器件的耦合效率。Pyo等[5]在頂發(fā)射OLED層之上增加了一層納米空隙的聚合物薄膜作為光取出層，來提高出光效率，改善視角特性。Park等[6]利用等離子刻蝕，在PMMA上形成隨機的起伏，制成褶皺器件，引起器件內部光散射，提高器件光取出效率。Qu等[7]在基板上制備金屬網(wǎng)格，降低光損失。同時通過周期性腔長變化和網(wǎng)格散射減弱微腔效應，改善視角特性。Riel等[8]在陰極之上覆蓋ZnSe，將器件正面光強提高到1.7倍，并提高了色純度。Zhu等[9]、Wu等[10]也利用覆蓋層的方式提高了頂發(fā)射OLED的效率。這些方法對于提升頂發(fā)射OLED效率均具有很好的效果，但是，在真正OLED量產(chǎn)工藝中，仍缺乏一種簡單易于實現(xiàn)的辦法提高頂發(fā)射OLED器件效率。

本文提出一種使用微結構陣列的方法來提高頂發(fā)射OLED的出光效率。微結構陣列可有多種方法制備，如本文所用的激光刻蝕法、光刻法、納微壓印法[11-12]、噴墨打印法[13]、自組裝方法[14]等，這些方法均可以用于制備良好的微結構陣列。然而納微壓印法由于模板昂貴且不易于大面積器件制備，僅適用于實驗室，自組裝方法同樣由于無法制備大面積器件而不適合用于量產(chǎn)。而相比噴墨打印法和光刻法，激光刻蝕法由于圖案可以靈活變換，且成本低廉，適合前期的驗證以及后期小批量的量產(chǎn)。為此本文采用納秒激光刻蝕鍍有ITO的基板，形成微結構陣列。再通過化學氣相沉積鍍一層SiN薄膜起到平整化層的作用，從而避免了由于納秒激光刻蝕ITO時產(chǎn)生的重鑄層穿透有機層引起的短路。最后利用真空蒸鍍的方法在其上制備Al層作為陽極，制備出具有微結構陣列結構的陽極基板。實驗發(fā)現(xiàn)利用這種基板，可以有效地提高頂發(fā)射OLED器件的效率，降低驅動電壓，同時不會對器件的發(fā)光光譜造成影響。

2 實 驗

2.1 微結構陣列陽極基底制備

首先使用磁控濺射設備濺鍍ITO，鍍膜厚度的厚度為150 nm。鍍膜時通入20 mL/min的Ar和1 mL/min的O2，以100 W的直流功率濺射400 s，厚度通過橢偏儀進行測量。

濺鍍完成后，使用納秒激光對ITO進行圖形化，刻蝕三種方格陣列，其中方格邊長分別為20，40，80 μm。在刻蝕過程中，調節(jié)激光的開關頻率為1 MHz，使得激光在刻蝕路徑上留下光柵結構的ITO殘留。

刻蝕完成后，使用等離子增強氣相沉積(PECVD)制備大約1 μm的SiN薄膜來作為平坦化的作用，避免由于激光刻蝕ITO產(chǎn)生的重鑄層導致器件短路。PECVD鍍膜時通入15 mL/min的SiH4、20 mL/min的NH3、20 mL/min的H2和250 mL/min的N2，鍍膜時間為1 200 s，通過橢偏儀測試膜厚為1 μm。最后使用真空熱蒸鍍加掩模版的方式蒸鍍100 nm的圖形化的Al，作為頂發(fā)射OLED的陽極。制作過程如圖1所示。

圖1 微結構陣列基板制備流程 Fig.1 Microstructure array substrate preparation process

2.2 OLED器件制備

在無微結構陣列結構基底及20 μm、40 μm和80 μm方格微結構陣列基底上以相同的器件結構同時制備4個綠色磷光頂發(fā)射OLED器件，下文中簡稱為普通器件、20 μm器件、40 μm器件和80 μm器件。

器件結構為Al(100 nm)/2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮雜苯并菲(HAT-CN)(10 nm)/4,4'-環(huán)己基二[N,N-二(4-甲基苯基)苯胺](TAPC)(170 nm)/4,4',4'-三(咔唑-9-基)三苯胺(TCTA)∶三(2-苯基吡啶)合銥(Ir(ppy)3)(5 nm,10%)/4,4'-二(9-咔唑)聯(lián)苯(CBP)∶Ir(ppy)3(5 nm,15%)/1,3,5-三(4-吡啶-3-基苯基)苯(TpPyPB)(45 nm)/8-羥基喹啉-鋰(Liq)(20 nm)/Ag∶Mg(20 nm,10%,質量分數(shù))/CBP(75 nm)。器件結構如圖2所示。

圖2 頂發(fā)射OLED器件的結構示意圖(a)與能級圖(b)Fig.2 Schematic diagram(a)and energy level diagram(b)of a top-emitting OLEDs

其中Al作為頂發(fā)射OLED器件的陽極，同時作為發(fā)射電極；HAT-CN作為空穴注入層,其LUMO能級為6.0 eV[15]；TAPC作為空穴傳輸層，其HOMO與LUMO能級分別為5.5 eV和2.0 eV[16]；TCTA∶ Ir(ppy)3/CBP∶Ir(ppy)3作為雙磷光發(fā)光層，其中TCTA的HOMO為5.8 eV，LUMO為2.4 eV[17]，CBP的HOMO為6.1 eV，LUMO為2.8 eV，ET為2.6 eV[18]，Ir(ppy)3的ET為2.55 eV[19]；TpPbPB作為電子傳輸層，其HOMO為6.61 eV，LUMO為3.04 eV[19]；Liq作為電子注入材料，Ag∶Mg透明電極作為器件的陽極，其功函數(shù)引自文獻[20]；CBP作為覆蓋層，用于提高半透明陰極透過率，提高頂發(fā)射OLED的耦合出光。

所有的金屬電極和有機材料均是在6×10-4Pa的真空度下以熱蒸鍍的方式沉積在基底上，并使用晶體振蕩器在線監(jiān)控膜厚及速率，其中，HAT-CN與Liq以0.02 nm/s速率蒸鍍，其他有機層以0.2 ～0.4 nm/s速率蒸鍍，Al以0.6 nm/s速率蒸鍍，Ag∶Mg的蒸鍍速率為0.1 nm/s。

器件的EL光譜、效率曲線等光電特性采用CS2000A分光輻射亮度計和Keithley-2400高精度數(shù)字源表測得。

3 實驗結果

蒸鍍Al之前基板的顯微圖如圖3所示。

從圖3可見，通過激光刻蝕，基板上ITO被圖形化為方格狀，其中方格大小分別為18.8，40.2，79.8 μm，這是由于激光誤差導致的刻蝕的方格大小與設計值有些差距，20 μm方格呈現(xiàn)長方形狀。圖中的綠色區(qū)域是由于SiN膜層光干涉導致的。由于激光周期性開啟，刻蝕路徑上會留下具有光柵結構的ITO殘留，ITO殘留的線間隔寬度約為5.6 μm，這一間隔寬度可以通過激光開啟頻率來控制。在這樣的基板上制備OLED器件會使器件各層同樣呈現(xiàn)方格陣列狀，從而形成如圖2 (a)所示的周期性褶皺結構。

圖3 20 μm方格(a)、40 μm方格(b)和80 μm方格(c)微結構陣列基板的顯微照片。Fig.3 Photomicrograph of 20 μm square (a),40 μm square (b)and 80 μm square (c)microstructure array substrate.

器件的光電特性曲線如圖4所示。

由圖4 (a)可見，所有器件的啟亮電壓均為2.8 V左右，這是因為器件的驅動電壓主要與各層材料間能級勢壘有關，基板的微結構不足以對啟亮電壓產(chǎn)生影響。但隨著驅動電流的增大，微結構整列基板對器件的電壓影響變大，40 mA/cm2下，40 μm器件的電壓最低，為9.58 V，與普通器件的9.84 V相比低了0.26 V；20 μm器件和80 μm器件電壓處于兩者之間，分別為9.80 V和9.72 V。

圖4 (a)器件的電流密度-電壓曲線；(b)器件的亮度-電流密度曲線；(c)器件的電流效率-電流密度曲線；(d)器件在3.5 V下的歸一化光譜Fig.4 (a)Current density-voltage curve of OLEDs;(b)Luminance-current density curve OLEDs;(c)Current efficiency- current density curve of OLEDs;(d)Normalized spectra of OLEDs at 3.5 V.

圖4 (b)為器件的亮度-電流密度曲線。可以發(fā)現(xiàn)，在不同電流密度下，基于微結構整列基板的器件的亮度始終高于普通器件，在40 mA/cm2下，普通器件、20 μm器件、40 μm器件和80 μm器件的亮度分別達到18 805，20 103，19 955，19 469 cd/m2。其中20 μm陣列陽極器件的發(fā)光強度比普通器件提升7%。

圖4 (c)為器件的電流效率-電流密度曲線。在不同電流密度下，基于微結構整列基板的器件的電流效率始終高于普通器件，在2.5 mA/cm2下，普通器件、20 μm器件、40 μm器件和80 μm器件均取得最大電流效率，分別為60.4，66.7，66.3，64.4 cd/A。20 μm陣列結構器件比普通器件提升10%。隨著電流密度的提高，各個器件均出現(xiàn)效率滾降。在40 mA/cm2時，20 μm陣列結構器件比普通器件仍有7%的提升。

圖4 (d)為器件歸一化光譜曲線，由于微腔的存在會使光譜本峰寬變窄，或者發(fā)生位移，然而，由圖4(d)可見器件在使用方格陣列基板代替平坦基板后，器件的歸一化光譜形狀幾乎沒有變化，峰位僅偏移1 nm。也就是說，方格陣列基板不會影響器件原有的微腔結構，因而在實際應用中不需要更改器件結構，直接替換即可。具體參數(shù)如表1所示。

表1 器件的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of OLEDs

(a)啟亮電壓在0.25 mA/cm2下測得；(b)驅動電壓、亮度在40 mA/cm2下測得；(c)電流效率、峰位和色坐標均是器件最高效率時的值。

4 分析與討論

方格狀整列結構對頂發(fā)射OLED器件性能的提升主要有兩點。一是由于陣列狀的陽極圖形使器件每一層呈現(xiàn)褶皺狀，其實際器件面積會高于平坦的對比器件，由于電流與電流密度之間的關系為I=JS，其中S為器件實際面積，由于褶皺器件的實際面積更大，在施加相同的電流條件下，20，40，80 μm器件實際電流密度要小于對比器件。由于OLED具有二極管特性，器件電壓正比于器件電流密度，因此具有微結構陣列的器件有較低的電壓。

二是減少光波導損失，光波導不僅存在于底發(fā)射OLED的ITO/襯底中，同樣存在于頂發(fā)射OLED有機層中，由于OLED各層的折射率不同，會存在一部分入射角大的光由于全發(fā)射而被局限在某一層中無法出射，最后變?yōu)闊崮芟ⅰ５捎诜綁K陣列的存在，會在方塊邊緣形成局部斷面，斷面處折射率不同，局限在有機層內部的光到達斷面時會發(fā)射折射，從而破壞內部光的光波導，提高光取出效率。對于實驗所用的方格陣列基板，刻蝕部分與未刻蝕部分的邊界越大，其器件內部的局部斷面也越多，因而破壞波導的程度也越高。這器件的局部斷面的多少可以用單位面積內方格的邊長來描述。對于20 μm基板，其邊界邊長與面積為0.022 μm/μm2；對于40 μm基板，其邊界邊長與面積為0.025 μm/μm2；對于80 μm基板，其邊界邊長與面積為0.022 μm/μm2。因此，40 μm基板在降低光波導損失上具有一定優(yōu)勢。

由納秒激光刻蝕產(chǎn)生的光柵結構也對器件性能有一定提升。為了研究這種光柵結構對器件性能的影響，本文使用FDTD對具有光柵結構和無光柵結構的器件進行了光學仿真，為簡化模型，光柵采用3 μm寬的Al長條構成，間隔3 μm，使用波長為517 nm平面波作為光源模擬整面的OLED發(fā)光。通過計算得到器件的光強分布分別如圖5(a)和5(b)所示。

可以發(fā)現(xiàn)這種光柵結構可以改變器件內部光強分布，使其呈現(xiàn)周期性分布，并且器件內部光強有所降低，而外部光強增大，出光強度提高。基于仿真可以證明刻蝕產(chǎn)生的光柵結構可以有效提高器件的耦合出光。由于20 μm基板的激光刻蝕區(qū)域更大，產(chǎn)生的光柵結構面積更大，因此基于此制備的20 μm器件具有較好的光提取效率。

圖5 無光柵結構頂發(fā)射OLED器件(a)與光柵結構頂發(fā)射OLED器件(b)的光學模擬結果Fig.5 Optical simulation results of TEOLEDs without grating structure (a)and TEOLEDs with a grating structure(b)

圖6 無光柵結構頂發(fā)射OLED器件(a)與光柵結構頂發(fā)射OLED器件(b)的電場模擬結果Fig.6 Electric field simulation results of TEOLED without grating structure (a)and TEOLED device with a grating structure (b)

本文也模擬了通電時器件內部電場在穩(wěn)態(tài)下的分布。圖6為無光柵結構器件和有光柵結構器件在加直流偏壓時的電場分布模擬圖，為了簡化模型，使用方形金屬條代替更為粗糙的光柵條紋，直流偏壓為3 V。可以發(fā)現(xiàn)，無光柵結構器件電場是均勻分布的為1.5×107V/m，而光柵結構會在電極處引入尖端，將電極附近的局部電場強度提高到2.4×107V/m，提升約60%，因此可以有效減少空間電荷積累，提高載流子注入能力，一定程度上降低器件的驅動電壓。

綜合而言，20 μm器件與40 μm器件的電流效率相近，但要高于平坦的對比器件和80 μm陣列結構器件。而40 μm器件褶皺程度較大，因此其驅動電壓最低。根據(jù)理論分析，在激光線寬在40 μm時，40 μm的方格具有最大的邊界長度，因此為最優(yōu)條件。對于使用其他刻蝕方法(如光刻法)，同樣可以在方格大小為40 μm時，即是刻蝕寬度與方格邊長一致時取得最優(yōu)值。但是相較其他刻蝕方法不同的是，納秒激光會在刻蝕路徑上留下光柵狀結構，這種光柵結構會對器件的電壓以及效率起到進一步的優(yōu)化效果，而這種光柵結構的周期和高度可以通過調節(jié)納秒激光的開關頻率以及刻蝕速度和功率調節(jié)，實現(xiàn)對器件效率進行進一步的優(yōu)化。

5 結 論

本文通過對ITO進行納秒激光刻蝕，制備了一種具有方格陣列微結構的基板。用于頂發(fā)射OLED器件時，由于陣列狀微結構的存在，可以提高光提取效率，20 μm方格陣列結構器件的最高效率達到66.7 cd/A，40 mA/cm2下亮度達到20 103 cd/m2，相比于普通器件分別提高了9.8%和6.9%。通過引入褶皺和增強局部電場減低了器件的驅動電壓。40 μm的方格陣列結構器件驅動電壓最低，在40 mA/cm2下為9.58 V，相較普通器件降低了0.26 V。納秒激光刻蝕法相比于氣體刻蝕、自組裝或是納米壓印的方法具有速度快、圖形更改方便以及可以進行卷對卷生產(chǎn)的特點，同時不會對器件的微腔結構產(chǎn)生影響，可用于像素點稍大的OLED顯示器件中，提高顯示器件的效率。