面向彩色有機微顯示的有機白光頂發射器件

武明珠1,郭閏達1,張振松1,岳守振1,曲加偉1,胡守成1,黃 苒2,杜 寰2,王紅波1?,趙 毅1

(1.吉林大學電子科學與工程學院集成光電子學國家重點聯合實驗室,吉林長春130012; 2.中國科學院微電子研究所,北京100029)

面向彩色有機微顯示的有機白光頂發射器件

武明珠1,郭閏達1,張振松1,岳守振1,曲加偉1,胡守成1,黃 苒2,杜 寰2,王紅波1?,趙 毅1

(1.吉林大學電子科學與工程學院集成光電子學國家重點聯合實驗室,吉林長春130012; 2.中國科學院微電子研究所,北京100029)

以比鋁、銀等金屬材料透光性更好的銅作為白光有機頂發射器件的頂電極,將其應用到基于Al底電極的藍、黃互補色頂發射白光有機電致發光器件(TEWOLED),通過合理設計器件結構,制備出的器件具有較低的驅動電壓和較高的效率,4 V下亮度超過1 000 cd/m2、功率效率達到28.5 lm/W,效率滾降較小。我們利用p型電學摻雜結構和電子注入緩沖層結構分別解決了鋁和銅電極功函數同空穴傳輸層的HOMO能級和電子傳輸層的LUMO能級不匹配問題,并通過Tc Ta光學覆蓋層的調節作用使器件具有較好的光譜穩定性?；贑u頂電極的TEWOLED與采用Al作為互連金屬的CMOS工藝兼容,我們將該器件與硅基CMOS驅動電路結合,獲得了SVGA白光有機微顯示器件,為彩色有機發光微顯示的實現奠定了基礎。

頂發射白光有機電致發光器件;銅頂電極;SVGA白光有機微顯示

1 引 言

微顯示器是微電子電路與平板顯示技術的結合,是用于放大的顯示系統中的電子平板顯示器件,具有“小尺寸,大視野”的特點[1-5]。全固態的有機電致發光微顯示以其低功耗、響應速度快、工作溫度范圍寬、抗震能力強等優點成為微顯示領域的新寵。在軍事領域,諸如飛行員頭盔系統、陸軍單兵眼鏡顯示等近眼顯示上有著重要應用[1-2]。此外,伴隨著“4G”時代的來臨,便攜式“個人顯示”產品以及“可穿戴”智能產品勢必進入一個蓬勃發展的階段,有機微顯示在消費電子領域必將發揮巨大的作用[1,6]。軍用微顯示一般為單色微顯示,但在民用上,單色微顯示無法滿足人們對于顯示品質日益增長的要求,彩色微顯示的開發勢在必行。目前,采用頂發射白光有機電致發光器件結合彩色濾光膜是實現彩色微顯示的可行方式,因此,研究出高性能的頂發射白光有機電致發光器件(Top emitting White Organic Light Emitting Diodes,TEWOLED)以及白光有機微顯示是實現彩色微顯示的關鍵。目前,TEWOLED的研究仍然是一項具有挑戰性的工作,實現途徑主要有兩種,一是充分利用頂發射結構中的微腔效應,實現多波長共振發射進而實現白光,但是目前效率較低。二是盡量削弱頂發射結構中的微腔效應,從而使其接近底發射情況而獲得白光發射[7]。目前比較適合應用到有源顯示上的TEWOLED還是以削弱微腔效應的方法為主。本文介紹了利用比鋁、銀等金屬材料透光性更好的銅作為TEWOLED的頂電極,采用藍、黃互補色法,制備出基于Al底電極的具有較低的驅動電壓和較高的效率的TEWOLED,并介紹了在此基礎上,本課題組成功開發出具有自主知識產權的面向彩色有機微顯示的白光微顯示樣品。

2 實 驗

2.1 材料

器件制備所利用的部分材料名稱及結構式:

2.2 器件制備

將覆蓋有二氧化硅絕緣層的硅襯底依次以丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗各10 min,烘干襯底。將處理好的襯底置于金屬蒸鍍系統中,真空度至4×10－4Pa,生長金屬陽極Al(底電極),厚度80 nm。將生長好金屬陽極的硅襯底轉移至多源有機分子氣相沉積系統中,真空度至4×10－4Pa,依次生長有機功能層,速率0.1～0.2 nm/s,完成后,再將襯底轉移至金屬蒸鍍系統中生長Al和Cu作為復合金屬陰極(頂電極),Al層的厚度為1 nm,蒸發速率0.1～0.2 nm/s,Cu層的厚度為18 nm,蒸發速率0.5 nm/s。光學覆蓋層生長方法與有機功能層生長方法相同。上述材料的生長厚度和生長速率由美國產MATEX-400膜厚控制儀監控,器件光電性能利用PR655亮度光譜儀和Keithley2400電壓電流源在室溫大氣環境下進行測試。

3 基于Cu頂電極的TEWOLED

實現彩色有機微顯示,必須考慮的是TEWOLED底電極的制備工藝與標準IC工藝的兼容,我們在前期工作中已經研究出適于0.13μm以下的Cu布線工藝的Cu底電極頂發射有機電致發光器件(Organic Electronics 11,(2010) 2055)[8]。但對于一般分辨率情況下,綜合考慮, Al因其成本較低且具有室溫電阻率低、易沉積和刻蝕、與重摻雜硅或多晶硅的接觸電阻小等優點而成為目前集成電路工藝中最常用的互連金屬材料[9-14],我們研究的面向彩色微顯示的白光有機微顯示正是選擇了Al作互連金屬。在這種情況下,由于Al具有較高的反射率,如何在Al作為底電極的情況下實現高性能TEWOLED是一項難題。如引言中所述,削弱頂發射結構中的強微腔效應是目前實現高性能TEWOLED的有效途徑,主要方法有以下3種:(1)采用高透光率的頂電極,如ITO、AZO等透明電極[10],但是濺射過程對有機功能層會造成相當程度的損害。(2)采用高吸收、低反射的金屬底電極,如Mo、Cu等金屬電極[8,12]。(3)采用半透明的金屬頂電極,如Al/Ag、Yb/Au等半透明復合頂電極[11-13]。綜合考慮,我們選擇了在可見光范圍透光率較高的Cu作為TEWOLED的頂電極。但是以Cu作為頂電極仍面臨兩點難點,其一是金屬與電子傳輸層能級不匹配問題,針對這一問題,我們通過引入電子注入層修飾金屬電極與電子傳輸層間的界面,提高電子注入能力[14],改善了器件的電學特性。另一難點是,如何獲得高亮度的白光發射。盡管Cu頂電極較常規Al、Ag頂電極的反射率更低,但并不能完全消除微腔效應,為此,我們將器件的諧振波長設計在黃光處,增強該波長的發射,而使用光學覆蓋層增加因諧振位置而受到削弱的藍光的輸出,從而實現高效率的白光發射。通過生長光學覆蓋層是一種有效的調節光譜穩定性的方法[15-16]。我們研究出了一種適合TEWOLED的頂電極結構:Cs2CO3(1 nm)/Al(2 nm)/Cu(18 nm)/Tc Ta(60 nm),其在可見光范圍內透射率達到64.9%～85.3%,吸收僅為11.8%～20.9%,而在頂發射器件中使用的常規半透明金屬Ag頂電極在可見光范圍內透射率僅有大約40%[17]。

我們將優化的復合頂電極結構應用到白光器件中,制備了基于藍色磷光染料FIrpic和黃色磷光染料PO-01的互補色TEWOLED,并以相同結構的底發射WOLED作為對比。能級結構圖如圖1所示。

圖1 能級關系圖Fig.1 Schematic diagram of HOMO-LUMO values of some materials used in this paper

器件結構如下:

WA1:Si/SiO2/Al(80 nm)/TAPC∶MoOx (40 nm,15%)/TAPC(10 nm)/Tc Ta(10 nm)/ 26DCzPPy∶FIrpic(5nm,12%)/26DCzPPy∶PO-01(5 nm,6%)/BPhen(40 nm)/Cs2CO3(1 nm)/Al(2 nm)/Cu(18 nm)/Tc Ta(0 nm)

WA2:Si/SiO2/Al(80 nm)/TAPC∶MoOx (40 nm,15%)/TAPC(10 nm)/Tc Ta(10 nm)/ 26DCzPPy∶FIrpic(5 nm,12%)/26DCzPPy∶PO-01(5 nm,6%)/BPhen(40 nm)/Cs2CO3(1 nm)/Al(2 nm)/Cu(18 nm)/Tc Ta(60 nm)

WA3:Glass/ITO/TAPC:MoOx(40 nm, 15%)/TAPC(10 nm)/Tc Ta(10 nm)/ 26DCzPPy∶FIrpic(5 nm,12%)/26DCzPPy∶PO-01(5 nm,6%)/BPhen(40 nm)/Cs2CO3(1 nm)/Al(100 nm)

器件WA1和WA2為頂發射器件,WA3為底發射器件,圖2為WA1-WA3的亮度-電壓-電流密度特性曲線。可以看出采用Al底電極、Cu頂電極結構的頂發射器件和采用ITO作底電極、Al作頂電極的底發射器件在相同驅動電壓下呈現出基本一致的亮度值和電流密度值。這是因為盡管Cu電極具有較高的功函數(4.7 e V)[17],與電子傳輸層Bphen的LUMO能級(－2.55 e V)之間的能級差高達2.15 e V,但是由于Cs2CO3/ Al復合電子注入層的引入,能夠實現電子從Cu電極有效的注入到電子傳輸層Bphen,而Al底電極的功函數僅為4.3 e V[18],同空穴傳輸層TAPC 的HOMO能級(－5.5 e V)之間也存在1.2 e V的能級差,由于TAPC:MoOx摻雜空穴注入層的引入,同樣實現了空穴從Al電極向空穴傳輸層的有效注入。

圖2 器件WA1-WA3亮度-電壓-電流密度特性曲線及相同電壓下的EL光譜Fig.2 Luminance-voltage-current density characteristics of WA 1-WA 3 and the normalized EL spectra at the same voltage

圖2左上角插圖為該組器件在6 V下的歸一化EL光譜,WA1的藍光部分受到明顯的抑制,這是因為我們設計的TEWOLED的微腔長度為110 nm,為556 nm的黃光實現共振發射的微腔長度,而對于短波長的藍光部分則表現出一定程度的抑制作用。通過在Cu頂電極外側引入60 nm的Tc Ta光學覆蓋層,這種抑制作用得到較好的削弱,使得WA2表現出比較均衡的藍光和黃光發射。甚至同底發射WA3基本一致的EL光譜,近似朗伯體分布,如圖2左下角插圖所示。

WA1-WA3的效率-電流密度特性如圖3所示,1 000 cd/m2的亮度下,WA1實現了31.9 cd/ A的電流效率和25.5 lm/W的功率效率;WA2由于光學覆蓋層的引入,提高了Cu頂電極的光耦合輸出效率,使得WA2實現了34.8 cd/A的電流效率和28.5 lm/W的功率效率;作為對比的WA3的電流效率和功率效率分別是36.5 cd/A 和30.0 lm/W。此外,WA2表現出非常好的效率穩定性。我們制備的TEWOLED能夠實現較高的效率以及較好效率穩定性的原因可以歸納為以下三點:第一,p型摻雜空穴注入層和Cs2CO3/ Al復合電子注入層的引入,實現了空穴和電子的分別從兩側電極較平衡的注入到空穴傳輸層和電子傳輸層;第二,我們采用的雙極性主體材料26DCzPPy與兩側傳輸層之間注入勢壘較小,實現了載流子向發光層的平衡注入以及在發光層內的平衡傳輸,空穴和電子能夠有效注入到發光層內,形成的激子均勻分布于整個發光層內,并通過Dexter能量轉移將能量轉移給藍色和黃色磷光染料分子。第三,Tc Ta、26DCzPPy和Bphen的三線態能級(T1)均不低于磷光染料FIrpic和PO-01的T1,將三線態激子有效地限制在發光層內,抑制了由磷光染料向主體或相鄰阻擋層材料的反向能量轉移(Back energy transfer),充分利用了發光層內產生的激子。

圖3 器件WA1-WA3效率-電流密度特性曲線Fig.3 Current efficiency and power efficiency versus current density characteristics of WA 1-WA 3

圖4 相同電流密度下器件WA 1-WA 3角度依賴特性Fig.4 Spectra of devices WA1-WA3 at the same current density

以上3個器件表現出不同的角度依賴特性,如圖4所示。WA1的EL光譜中,藍光部分的相對強度隨著測試角度的增加而逐漸增強,表現出微腔結構中普遍存在的隨觀察角度增加發光藍移的現象[18-21],WA2的EL光譜幾乎不隨測試角度改變而變化,表現出可與底發射白光器件WA3比擬的光譜穩定性,間接的反映出采用60 nm的Tc Ta光學覆蓋層的頂發射白光器件WA2中不存在明顯的多光束干涉效應。良好的角度特性有利于提高有源顯示的顯示效果。

4 白光有機微顯示樣品

由上述可知,基于Cu頂電極的TEWOLED與采用Al作為互連金屬的CMOS工藝兼容,我們將其應用到有機發光微顯示中。

圖5 白光有機微顯示器顯示效果(下左為灰階測試,下右為顯示效果)Fig.5 Prototype of SVGA white OLED microdisplay(bottom-left:gray level,bottom-right: effect of display)

由于OLED厚度非常薄,有源OLED驅動電路基板要保證襯底非常平整,為此要對硅芯片進行化學機械拋光(CMP),而對于采用Al工藝的芯片經過CMP表面會產生幾納米的氧化鋁層,這導致發光單元的驅動電壓增加,不利于實現高性能的微顯示。我們通過不斷提高頂發射器件性能,優化CMP方案,摸索工藝參數,最終獲得了SVGA白光有機微顯示器件,如圖5所示。

5 結 論

介紹了采用可見光范圍內透光性較高的Cu做頂電極的TEWOLED,實現了低驅動電壓(4 V下亮度超過1 000 cd/m2)高效率(亮度在1 000 cd/m2下,功率效率28.5 lm/W)的TEWOLED。通過電子注入層Cs2CO3/Al的引入,解決了Cu電極功函數與電子傳輸層Bphen的LUMO能級不匹配的問題,利用p型電學摻雜TAPC:MoOx解決了Al電極功函數和空穴傳輸層的HOMO能級不匹配問題。通過Tc Ta光學覆蓋層的調節作用,電致發光光譜幾乎不隨角度變化而變化。互補色TEWOLED方案是針對OLED寬光譜特點為適應彩膜濾光而選擇的。我們將該TEWOLED應用到白光有機微顯示中,獲得了較好的顯示效果。在前期實現單色硅上有機微顯示的基礎上,又成功實現白光有機微顯示器件。白光有機微顯示的實現為研究彩色有機微顯示奠定了堅實的基礎。

致 謝

以上工作的完成要感謝科技部973計劃和國家基金委面上項目的支持。本課題組依托于吉林大學集成光電子學國家重點聯合實驗室,在有機微顯示面陣芯片方面連續兩次獲得國家“973”計劃項目的支持(2003CB314703和2010CB327701)。

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Top emitting white organic light emitting diodes towards full color organic microdisplay

WU Ming-zhu1,GUO Run-da1,ZHANG Zhen-song1,YUE Shou-zhen1,QU Jia-wei1, HU Shou-cheng1,HUANG Ran2,DU Huan2,Wang Hong-bo1?,ZHAO Yi1

(1.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China; 2.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China)

This paper demonstrated the top emitting white organic light emitting diodes(TEWOLED) with Cu top electrode,which achieved a brightness over 1 000 cd/m2at a operating voltage of 4 V with a power efficiency of 28.5 lm/W.With the modification of electron injection layer,Cu is able to work as a top cathode despite its high work function which fails to the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO)of electron transporting layer,p type donation resolved the problem of Al work function unmatched with the highest occupied molecular orbital(HOMO)of the holes transporting layer.The angular property of the emission spectra was ameliorated by the introduction of Tc Ta capping layer.Aprototype of SVGA TEWOLED is finally demonstrated.This study paves the way towards organic full-color micro display.

top Emitting White Organic Light Emitting Diodes;Cu top electrode;SVGA white OLED microdisplay

TN383.1;TN873.3;TN409

A

10.3788/YJYXS20153005.0790

1007-2780(2015)05-0790-06

武明珠(1988－),女,河北石家莊人,碩士,主要從事面向有源有機發光顯示的有機電致發光器件方面的研究。E-mail:462417210＠qq.com

王紅波(1969－),女,吉林長春人,副教授,碩士生導師,主要從事有源有機發光顯示驅動電路的研究。E-mail:wang_hongbo＠jlu.edu.cn

2015-01-14;

2015-02-23.

國家自然科學基金(No.61275033)

?通信聯系人,E-mail:wang_hongbo＠jlu.edu.cn