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(guò)底下基板而是從其反面射出。如果基板之上為高反射的陽(yáng)極，而陰極是透光的，則光是經(jīng)由表面的陰電極放光。陽(yáng)極材料若還是使用傳統(tǒng)的透明ITO陽(yáng)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。

（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(lái)控制的，因此如果器件是以下發(fā)光形式放光，光經(jīng)過(guò)基板時(shí)勢(shì)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)光的面積所占的比率，也就是所謂的開(kāi)口率。

穿透式器件的優(yōu)勢(shì)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^(guò)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(shì)必要把金屬厚度變薄，太薄無(wú)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。

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(wèn)題所以通常會(huì)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(lái)克服。

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(jiàn)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(lái)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(guò)2h;而且薄的金屬層不足以抵擋濺射過(guò)程對(duì)有機(jī)層的破壞，分子鍵被打斷，能級(jí)發(fā)生變化。

第一個(gè)具透明陰極的穿透式器件結(jié)構(gòu)和EL光譜

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(lái)說(shuō)要達(dá)到兩邊出光亮一致，透明陰極需要有很好的透射性，且避免使用在可見(jiàn)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(lái)說(shuō)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。

1.2上發(fā)光型器件陽(yáng)極

OLED的陽(yáng)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(yáng)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50％~60％，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/Ni、Al/Pt。或使用適合的空穴注入材料。CFx、MoOx、利用UV-ozone處理Ag表面形成薄膜 （4.8~5.1eV）。

雖然高功函數(shù)陽(yáng)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(yáng)極的反射率來(lái)決定。

顯示以不同反射率的金屬為陽(yáng)極與器件效率的關(guān)系，其中以高反射的鋁和銀當(dāng)作陽(yáng)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(yáng)極時(shí)效率也還超過(guò)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(yáng)極還是主流。

陽(yáng)極反射率對(duì)器件效率影響的模擬圖

1.3不發(fā)生等離子體損傷的濺鍍系統(tǒng)

為了在有機(jī)層上濺鍍透明且導(dǎo)電性好的ITO，不少研究者吃盡了苦頭。為解決這問(wèn)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、γ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(lái)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(chǎng)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，可以在基板無(wú)加熱下，得到電阻率為6×10-4Ω·cm，且透射率大于85％的ITO薄膜。而與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。

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(zhǎng)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(zhǎng)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(yáng)極高透過(guò)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（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。

（a）廣角干涉；（b）多光束干涉示意圖

1.5陰極覆蓋層

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LiF（0.3nm）/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(wú)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，且所需的最佳厚度愈薄不同的陰極覆蓋層與陰極的透射率

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)光元件串聯(lián)起來(lái)。 —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(zhǎng)；在相同電流密度下測(cè)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(zhǎng)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。

傳統(tǒng)與串聯(lián)式OLED技術(shù)比較

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(wèn)題，單就可彎曲式器件的制作方面來(lái)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(yáng)極的平整度與導(dǎo)電率、陽(yáng)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(zhǎng)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。

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。

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(lái)當(dāng)做可彎曲式有機(jī)電致發(fā)光器件的基板。

另一個(gè)可以使用的基板種類(lèi)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(wú)法制作在塑料基板上。

但由于金屬不透光的特性，只能用來(lái)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200μm，表面拋光后的粗糙度為70μm。

2003年，Zhiyuan Xie 等人使用涂布1μm SOG薄膜的20μm鋼箔當(dāng)作基板，再搭配銀當(dāng)作陽(yáng)極，制作出上發(fā)光型器件。Lee等人更發(fā)表了以紙為基板的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(yáng)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。

pp-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(wú)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。

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(zhǎng)陽(yáng)極導(dǎo)電膜，與一般器件的制作流程剛好相反，IOLED主要的好處是適合與n-溝道 a-Si薄膜晶體管結(jié)合，便于制作大面積高效率的主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)的器件。

倒置式的OLED結(jié)構(gòu)示意圖與PTCDA和pentacene的化學(xué)結(jié)構(gòu)—IOLED相關(guān)研究最早是由Baigent等人在硅芯片上成長(zhǎng)高分子薄膜后，再濺鍍ITO作為陽(yáng)極。 —Forrest等人于1997年首次提出小分子式的倒置式OLED，并發(fā)現(xiàn)CuPc或PTCDA可作為濺鍍保護(hù)層。 —2003年，Dobbertin等人使用具有高空穴穿導(dǎo)率及高熱穩(wěn)定性的并五苯有機(jī)材料作為濺鍍保護(hù)層，并在濺鍍ITO時(shí)以較低功率及較高功率兩階段濺鍍。

同年， Dobbertin等人又發(fā)表了一邊文章，介紹在小分子有機(jī)材料上以旋轉(zhuǎn)涂布法，沉積一層高分子材料（PEDOT）作為濺鍍保護(hù)層。 —2004年，Miyashita等人改以MoO3取代有機(jī)材料作為濺鍍保護(hù)層兼空穴注入層，發(fā)現(xiàn)可以得到與傳統(tǒng)下發(fā)光型器件一樣的效能。

另一個(gè)需注意的是倒置式OLED陰、陽(yáng)極電荷注入問(wèn)題，由于陰極成長(zhǎng)在基板上，需要進(jìn)一步微影光刻成適當(dāng)?shù)膱D形，因此反應(yīng)性高的低功函數(shù)金屬（如Li、Ca、Mg）已不能使用，另外新濺鍍的ITO陽(yáng)極功函數(shù)并不夠高，因此無(wú)法像傳統(tǒng)的OLED器件那樣達(dá)到相同的效能。Jung等人用N2等離子體處理鋁陰極的表面，使得電子更容易注入電子輸運(yùn)層，Wu等人則是使用薄Alq3/LiF/Al/作為IOLED的電子注入層，并比較Al、Ag作為陰極的差異。其他如使用n和p摻雜的方法都可有效改善IOLED在陰陽(yáng)極電荷注入的問(wèn)題。