陰極耦合層對頂發射白光OLED器件光電性能的影響

王光華，季華夏，張筱丹，段 瑜，孫 浩，楊煒平，李牧詞，金景一，萬銳敏

（云南北方奧雷德光電科技股份有限公司，云南 昆明 650223）

1 引 言

OLED在實現高分辨率、全彩以及主動驅動平板顯示領域中具有重大應用前景，正成為目前發光領域中的研究熱點。在頂發射型的有機電致發光器件（TEOLED）中，光是從頂電極一側出射，將像素驅動電路制作在有機發光器件下方的襯底上，這解決了器件像素驅動電路和顯示發光面積相互競爭的問題，大大提高了器件的開口率，有利于制作高亮度、高分辨率的有機平板顯示器［1－3］。為了使光的取出效率達到最大，頂發射器件一般采用反射率較高的金屬作為底部反射電極，而頂端則為便于光取出的透明或半透明電極。然而利用半透明金屬頂電極制備頂發射有機發光器，由于頂電極較高的反射率，會在器件中引入了微腔效應，這樣的微腔效應對頂發射白光器件（TEWOLED）的制作是不利的［4－8］。

目前制備TEWOLED器件雖然具有較大發光效率，然而大部分TEWOLED器件存在色坐標偏離白光等能點，尤其是色坐標隨視角的變化較大，嚴重制約TEWOLED器件在照明和顯示方面的應用，色坐標隨視角的變化主要由于微腔效應的影響［9］。本論文研究首先在硅基底上制備具有電阻率低和反射率高的多層金屬作為頂發光器件的陽極；然后，在半透明金屬Mg：Ag合金上沉積折射率匹配層LiF和Al2O3薄膜來降低半透明陰極的反射率，抑制微腔效應的影響，改善器件EL光譜和視角的穩定性。實驗基于轉移矩陣理論計算分析了 ETL／EIL／Mg：Ag／LiF或 Al2O3或LiF＋Al2O3透過率和損耗（R、A）與波長的關系，在此基礎上，重點分析和研究了折射率匹配層對OLED器件的光電性能影響的規律。

2 實 驗

2.1 器件制備

實驗設計了共陰極的OLED器件驅動電路，每個單元上有2個5mm×5mm2的發光區域，相當于兩個大的“像素點”，兩個“像素點”陽極獨立，采用共陰極結構設計，器件的有效面積是通過光刻和掩模的方法實現。實驗首先將表面有160 nm氧化硅的硅襯底依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗、吹干；接著，在溫度為120℃的等離子清洗機中對硅基板進行等離子清洗；然后，將清洗干凈的硅基板放入電子束蒸發系統中制備金屬陽極，待金屬陽極制備好后，依次沉積空穴注入層（15nm）、空穴傳輸層（10nm）、發光層（20nm）、電子傳輸層（15nm）、電子注入層（10nm）、半透明陰極（Mg∶Ag合金），其中，半透膜陰極厚度控制在10nm，組成比例為1∶10；最后，在半透明陰極上制備折射率匹配層LiF和Al2O3薄膜，其厚度分別為25nm和25nm。實驗是基于共摻雜技術以及主－客體材料之間的能量轉移機制，通過在藍光主體材料中摻雜客體材料實現白光發射，材料的蒸發速率為～0.2nm／s。在整個蒸鍍過程中，系統真空度保持在＜2×10－4Pa，各膜層的蒸發速率和厚度用石英晶振監測。

2.2 器件性能表征

實驗采用橢圓偏振光譜儀（UVISEL／460－VIS－AGAS，JOBIN YVON）對金屬陽極反射率進行測試，采用四探針電阻測試儀測試金屬的方塊電阻。制備的多層金屬陽極在450～780nm的可見光波段范圍內的反射率大于50%，方塊電阻小于10Ω／□，而且薄膜均勻性好。OLED器件的電致發光（EL）光譜、亮度、色度、電壓／電流密度－電壓之間的關系，采用計算機控制的可編程的 Keithley 2400數字源表和 Photo Research PR－650光譜掃描計同步測量，整個測試過程由電腦程序控制，而且所有測試過程均在常溫、常濕條件下完成。

3 結果與討論

3.1 基于傳輸矩陣理論計算多層薄系的透過率和損耗

圖1 多層膜系結構Fig.1 Structue of multi－layers thin films

在頂發射器件中，半透明陰極的透過率和反射率對器件的性能有著決定性的影響。實驗基于傳輸矩陣理論，采用Matlab編程的方法數值計算了半透明陰極（多層膜系）的透過率和損耗（吸收、反射），這里只考慮頂發射OLED中的光在法線方向經過多層膜系時的透過率和損耗。因此，其中一束光通過一個多層膜系發射出來；而另一束光就反射回頂發射OLED中，多層膜系結構示意圖如圖1所示，其中L1～L4代表有電子注入層、電子傳輸層、Mg∶Ag合金和折射率匹配層，多層膜系透過率和損耗通過式（1）的傳輸矩陣進行推導［10］。

式中：Ein＋和Eout＋分別代表對于進入的平面波和出來的平面波向前傳播的波矢的復振幅。Ein－和Eout－分別代表對于進入的平面波和出來的平面波向后傳播的波矢的復振幅。rmm’和tmm’（m＝1，2，3，4；m’＝m＋1）分別代表在相鄰膜層的界面處的反射系數和吸收系數。δm是光在膜層內沿法線方向的相移。通過推導膜系的透過率T和反射率R就可以表示為：

圖2 薄膜折射率（n）和消光系數（k）Fig.2 Refractive index and extinction coefficient of thin films

制備的25nm LiF和25nm Al2O3薄膜折射率和消光系數與波長的關系如圖2所示。圖3（a）為采用相同厚度LiF和Al2O3薄膜作為陰極耦合層時，多層膜系透過率曲線。從圖3（a）可以看出，相同厚度LiF和Al2O3薄膜作為陰極耦合層時，多層膜系透過率曲線存在較大差異。在波長～400nm范圍，采用25nm LiF和Al2O3薄膜作為陰極耦合層時，兩者透過率大小基本相等。這由于在波長～400nm范圍，LiF折射率高于Al2O3，高折射率的陰極匹配層存在，當光從陰極射向折射率匹配層，界面處具有較大全反射角，較大全反射角增大了出光幾率，減少因較大角度入射光線被反射回器件內部而被吸收的幾率；同時，在此波段由于LiF消光系數較大，消光系數與吸收系數成正比，如式（5）所示。因此，在波長小于400nm時，采用LiF制備多層膜系在具有較大全反射角，同時由于較大消光系數也增加了吸收損耗，所以整體上多層膜系透過率沒有明顯增加。

在波長400nm～800nm范圍，采用25nm Al2O3薄膜作為陰極耦合層的多層膜系的透過率高于采用25nm LiF薄膜作為陰極耦合層的多層膜系。從圖3可以看出，在波長大于400 nm的波段，Al2O3折射率大于LiF薄膜折射率，而兩者的消光系數都接近為0，即基本沒有吸收；因此，高折射率的Al2O3匹配層有效地促進了光路的耦合效果，提高了多層膜系透過率。另外，通過計算發現采用LiF和Al2O3雙層結構的折射率匹配層的膜系結構不但具有高的透過率，而且高透過率的頻帶較單獨采用LiF和Al2O3薄膜時寬，這對頂發光白光OLED器件的光萃取非常有幫助，從而易于多波長共振來實現色坐標穩定的白光發射。

圖3 理論計算得到的多層膜透過率（T）和損耗（R＋A）曲線Fig.3 Theoretical calculation of the transmittance and（T）absorption and reflection loss（R＋A）curve of multi－layers films

3.2 器件電壓－電流密度－亮度特性分析

從上面理論分析可知，頂發射器件的出光性能可以通過優化半透明陰極的結構得到進一步改善。在半透明陰極之上覆蓋一層折射率匹配層（或稱之為帽層）是提高器件出光率最有效的方法之一。圖4為單獨采用LiF和采用LiF＋Al2O3雙層薄膜作為折射匹配層時，硅基頂發光OLED器件J／V曲線。由于OLED器件是電流型驅動器件，所以實驗在測試OLED器件J／V特性時，通過改變流過器件陽極單位面積不同電流值來測試器件兩段電壓值［10］。從圖可以看出，采用不同折射匹配層時，器件的J／V曲線完全一致，這說明了使用不同陰極折射率匹配層材料對器件對載流子注入、傳輸和復合機制沒有影響［11］。

圖4 不同折射率匹配層下器件J－V曲線Fig.4 J－Vcurve of top－emitting organic white light emitting devices with different couping layers

圖5為分別采用LiF和LiF＋Al2O3雙層薄膜作為折射匹配層時，硅基頂發光OLED器件電流密度與亮度曲線。從圖中可以看出，在同樣電流密度下，采用LiF＋Al2O3雙層薄膜作為折射匹配層頂發光器件的亮度高于采用LiF作為折射匹配層時的器件亮度。同時，從圖5可以看出，采用LiF＋Al2O3雙層薄膜作為折射匹配層制備的頂發光器件電流密度與亮度曲線的斜率大于采用LiF薄膜作為折射匹配層時斜率，這表明采用雙層薄膜的器件具有更高電流效率。這也說明了在頂發射器件的半透明陰極之上引入一層高折射率匹配層能夠很大程度上修飾半透明陰極的透過率和反射率，由此調節了器件的出光率。

圖5 電流密度與器件發光亮度的關系Fig.5 Relation between the brightness and the current density of devices

另外，大量實驗研究表明了OLED的電學性能并不受折射率匹配層的影響［12－13］。器件的亮度和發光效率的提高完全是由于折射率匹配層修飾了半透明陰極的光學結構所引起的，這表明了器件內部的各種干涉效應導致了器件正前方電致發光強度的變化。在具有微腔結構的頂發射器件中，廣角干涉和多光束干涉以及它們之間的相互作用對于提高器件的出光率起著決定性的作用，而頂接觸的透過率和反射率很大程度上又影響了這些干涉效應以及它們之間的相互作用。

3.3 器件EL光譜分析

頂發射白光有機發光器件的制作一直是白光器件中的難點，其很強的微腔效應使得發光顏色對視角有很大的依賴性，即隨著觀測角度的不同，其發光光譜和色坐標將會發生很大的變化，很難實現全視角且色坐標穩定的白光發射。另外，頂發射器件中的諧振波長也影響光取出效率，如果諧振波長與發光材料在無腔器件中電致光譜的峰值相不匹配，將不利于提高器件的發光效率。因此，通過折射率匹配層來改善OLED器件光耦合特性就顯得尤為重要［14－5］。圖6為采用LiF＋Al2O3雙層薄膜作為折射匹配層制備的硅基頂發光OLED器件EL光譜和色坐標與觀察視角的關系，從圖6（a）可以看出，器件在20mA／cm2電流密度下，隨著觀測角度的增大，器件發射光譜的共振峰位置發生藍移，而且短波方向的發光強度逐漸增強，這導致器件色坐標隨著視角的變化產生漂移，如圖6（b）所示。這是由于頂部發光器件的微腔效應導致的，可通過式（6）來進行說明：

圖6 不同觀察視角下電致發光光譜和器件色坐標值Fig.6 Electroluminescence emission spectra and the CIExand CIEyvalue of devices at different viewing angle

其中：θout為出射角度，即觀測角度，n為微腔中發光材料的折射率，λ（0）為器件在垂直方向上的共振波長，從中可以看出，隨著出射角度（觀測角度）θout的增大，共振發射波長λ（θout）相比于垂直方向的發射波長λ（0）變小，即產生藍移。另外，從圖6可以看出，隨著觀測角的的增大，雖然器件色坐標都存在漂移，但漂移范圍較小，這保證了器件在整個觀測角度范圍內幾乎都為白光。這些結果表明，頂發射白光有機發光器件的色坐標可以通過改變陰極結構中折射率匹配層來調節，最終使得器件在全角度范圍內實現白光發射，以使在照明和顯示方面應用的可能。

4 結 論

基于傳輸矩陣理論，采用Matlab編程的方法數值計算了半透明陰極（多層膜系）的透過率和損耗（吸收、反射）；然后采用共陰極結構設計制備了硅基頂發光器件，并對采用不同折射率匹配層制備的硅基頂發光器件的J－V、J－L 特性進行了分析；在此基礎上，采用LiF＋Al2O3雙層薄膜作為折射匹配層制備的硅基頂發光OLED器件的EL光譜和色坐標與觀察視角的關系進行了重點分析。結果表明：

（1）采用相同厚度LiF和Al2O3薄膜作為陰極耦合層時，多層膜系透過率曲線存在較大差異；在波長～400nm范圍，采用25nm LiF和Al2O3薄膜作為陰極耦合層時，兩者透過率大小基本相等，在波長400～800nm范圍，采用25nm Al2O3薄膜作為陰極耦合層的多層膜系的透過率高于采用25nm LiF薄膜作為陰極耦合層的多層膜系；采用LiF＋Al2O3雙層結構陰極覆蓋層時，多層膜系具有高透過率，而且透過率高的頻段較寬，能夠滿足白光器件的應用要求；

（2）采用LiF和LiF＋Al2O3雙層薄膜作為折射匹配層時，器件的J／V曲線完全一致。這是說明了陰極折射率匹配層對器件電學性能沒有影響。采用LiF＋Al2O3雙層薄膜作為折射匹配層時，器件亮度高于單獨采用LiF作為折射匹配層時器件的亮度，這進一步證明了理論計算正確性；

（3）在20mA／cm2電流密度下，隨著觀測角度的增大，OLED器件發射光譜的共振峰位置和色坐標發生藍移，但器件在整個觀測角度范圍內都為白光，這表明采用LiF＋Al2O3雙層薄膜作為硅基頂發光器件陰極耦合層能調節器件色坐標，最終使得器件能在較大視角范圍內還能實現白光發射。

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