OLEDs瞬態延遲時間的模擬及在信號通訊的應用

潘賽虎，司長峰，郭坤平，胡湛晗，彭翠云，陳 果?，魏 斌

(1.上海大學新型顯示技術及應用集成教育部重點實驗室，上海 200072； 2.北華航天工業學院，河北廊坊 065000)

OLEDs瞬態延遲時間的模擬及在信號通訊的應用

潘賽虎1，司長峰1，郭坤平1，胡湛晗2?，彭翠云1，陳 果1?，魏 斌1

(1.上海大學新型顯示技術及應用集成教育部重點實驗室，上海 200072； 2.北華航天工業學院，河北廊坊 065000)

基于有機發光二極管的電致發光原理，建立了載流子注入延遲時間和發光延遲時間模型，探索了延遲時間的影響因素，發現發光延遲時間與器件有效面積、器件厚度、外加電壓等密切相關。通過制備不同面積的OLED器件，發現器件面積越小，發光延遲時間越短。以高速信號激勵不同面積的OLEDs器件，面積為0.01 mm2的器件能夠實現1 000 Mbit/s的信號傳輸速率，且能量利用率達到47.7%。

有機發光二極管；載流子注入；發光延遲時間；脈沖激發；器件面積

1 引 言

自1987年鄧青云教授報道了高發光效率和低驅動電壓的有機發光二極管(Organic lightemitting diode，OLED)以來，對OLED的開發一直受到研究者的青睞。與無機發光二極管(Lightemitting diode，LED)相比，OLED具有超薄、響應迅速、對比度高以及可柔性等優點，這意味著其在顯示、照明和通信領域將得到廣泛應用[1-4]。目前，對OLED的研究主要集中在3個方面:提高器件穩定性、發光效率和壽命[5-7]，但是有機材料發光的微觀機理還沒有完全得到認識。

OLED的發光過程主要包括載流子的注入、傳輸、激子的形成和輻射復合發光[8]。在外加電場的驅動下，電子和空穴分別克服電極/有機層的界面勢壘進入器件，在發光層相遇形成激子，激子發生衰減產生輻射發光。探究脈沖電壓激發的OLED的瞬態電致發光現象能夠提供諸如器件的內建電場和載流子分布等信息，幫助研究者進一步理解有機半導體的發光機制[9-13]。由于OLED半導體層厚度僅為納米量級，其瞬態響應特性類似于平板電容器。被矩形脈沖光激發時，單層或者疊層OLED器件的瞬態電致發光(Electroluminescence，EL)響應時間簡化為幾個階段:延遲響應時間、上升時間、飽和時間以及指數衰減時間[14]。OLED在光通信系統中可用作電光轉換器、通信光源[15-18]，因此研究器件的延遲響應時間尤其重要。

本文針對高速響應的OLED提出了載流子注入延遲時間和發光延遲時間模型，探索了兩種延遲時間的決定因素。制備了不同有效面積的OLED器件，發現發光延遲時間與器件面積相關。以高頻信號激勵OLED器件，研究了不同面積器件的能量利用率。

2 實 驗

實驗采用預沉積圖案的ITO玻璃(方塊電阻約為20 Ω/□)為襯底，實驗前對襯底依次采用去污粉、去離子水、丙酮、異丙醇進行超聲清洗。干燥后經過氧等離子處理(15 min)，在真空度為1×10－4Pa時開始蒸鍍。器件結構為ITO/N，N′-bis-(1-naphthyl)-N，N′-biphenyl-1，1′-biphenyl-4，4′-diamine(NPB)(60 nm)/tris(8-hydroxyquinoline)aluminum(Alq3)(50 nm)/LiF(0.3 nm)/Al (120 nm)的OLED器件。圖1為NPB、Alq3的分子結構、OLED器件結構及能級圖。其中ITO作為陽極，NPB作為空穴傳輸層，Alq3作為電子傳輸層和發光層，LiF為電子注入層，Al為陰極。

蒸發速度及厚度用石英晶片檢測，有機材料、LiF、Al的蒸發速度分別控制為0.06，0.01，0.5 nm/s。電容采用Agilent E4980A阻抗分析儀測量。電流、電壓使用吉時利公司(Keithley Inc.)的2400數字源表測量。脈沖信號使用安捷倫公司的81110A脈沖碼型發生器產生，調制前后的信號使用泰克公司(Tektronix Inc.)的DPO4104數字熒光示波器觀測。所有器件均在大氣、室溫、未封裝條件下測試。

圖1 有機分子結構(a)、OLED器件結構(b)及器件能級圖(c)。Fig.1 Molecular structure of NPB and Alq3(a)，and device structure(b)and energy diagrams(c)，respectively.

3 結果與討論

3.1 延遲時間模型

OLED在正向偏壓驅動下，空穴和電子分別克服陽極與有機層和陰極與有機層的界面勢壘，注入到有機材料的HOMO和LUMO能級。注入的載流子在電場作用下遷移至發光層形成激子，激子復合發光。盡管在大多數OLED工作機理的研究中，載流子的注入和傳輸不能看作兩個完全分離的過程，但在模擬研究中將注入和傳輸視為獨立過程有利于簡化模型構造。載流子注入時間tci指載流子從無機電極注入到有機層的時間，在低電壓下取決于Richardson-Schotty模型，高電壓下取決于Fowler-Nordheim隧道模型[19]。從微觀角度考慮，注入時間涉及到諸如載流子密度、界面勢壘、電場強度等參數，求解過程相對復雜。因此，基于器件的陽極/有機薄膜半導體層/陰極結構，為了簡化載流子注入延遲模型，我們將脈沖激勵下的OLED系統等效為外電阻R和器件電容C串聯(暫不考慮器件的內部電阻r)，得到宏觀角度的tci表達式。

圖2是OLED器件在外加電壓激勵下的等效電路圖。電容C取決于平板電容器計算公式:

其中εr是相對介電常數，對有機材料而言，εr≈3[20]；ε0是絕對介電常數，ε0＝8.85×10－12F/m；S表示器件的有效發光面積；d表示器件有機層厚度。基于RC等效電路原理，計算得到Vd1:

其中，V0表示外加電壓，R是外電阻，R＝50 Ω。τ是時間常數:τ＝CR。

建立發光延遲時間模型時需要考慮器件內電阻r。然而由于r?R，等效電路的時間常數仍由式(2)表述。測量得到面積為1 mm2的器件電容約為232 pF，與式(1)算得的241 pF近似。

圖2 脈沖激勵下的OLED等效電路圖Fig.2 OLED equivalent circuit diagram under the pulse excitation

當外加電壓施加到被測OLED器件時，在脈沖電壓信號的上升或下降過程中，器件電路中的電流從初始狀態到穩定狀態會產生一個變化過程，這種變化電流稱為瞬態電流。利用該等效電路，我們調查影響瞬態電流的因素。

在一定的脈沖時間變化范圍內，器件電極處的累積電荷量為

如圖1所示，Ve和Vd分別表示外電阻分壓和器件電壓。當有機層中不存在電荷陷阱時，載流子的傳輸主要由有機材料的載流子遷移率μ決定[21]，電容電流iC與有機層厚度d、器件面積S的關系遵循Mott-Gurney方程[22]:

器件充電時，流經內部電阻r的電流為

流經電路的總電流i為

那么外加電壓V0由下式表述

結合式(4)～(7)，解析出Vd2(考慮器件內部電阻)為

其中

圖3 器件的電流-發光延遲時間(a)及電壓-延遲時間曲線(b)Fig.3 Curves of current-delay time(a)and calculated voltage-delay time(b)

對于有效面積為1 mm2(S＝1 mm2)、有機層厚度為110 nm(d＝110 nm)的器件，測量電路加上9 V電壓(V0＝9 V)，測得器件的延遲時間與電路電流的關系圖如圖3(a)所示。圖3(b)是由式(1)和(8)擬合的曲線。

3.2 器件面積對延遲時間的影響

由于OLED半導體層厚度為納米量級，所以可視為平行電容器，其在電激勵下會逐漸累積電荷和釋放電荷。相同結構不同面積的器件容納電荷的能力不同，因此響應特性也會有變化。加上脈沖電壓時，器件兩端的電壓可由下式表示:

其中，n為周期的整數倍，w為周期，C對應不同面積下的器件電容。同理，撤去脈沖電壓時，器件兩端電壓表述為

圖4 相同脈沖激勵下不同面積OLED器件的電壓響應。(a)S＝0.01 mm2；(b)S＝0.1 mm2；(c)S＝1 mm2。Fig.4 Voltage response of OLEDs with various areas excited by rectangular pulse.(a)S＝0.01 mm2.(b)S＝0.1 mm2.(c)S＝1 mm2.

我們測試了相同脈沖(周期為200 Mbit/s，振幅為5 V)和不同面積OLED的電壓響應特性，結果如圖4所示。

比較式(9)、(10)與圖4，發現測量結果與計算式吻合良好，表明了測量結果的可靠性。從圖4看出，當器件面積為0.01 mm2時，給器件外加振幅為5 V、頻率為200 Mbit/s的電壓，能使器件在1 ns左右達到飽和狀態，然后保持至脈沖下降沿到來，接著快速釋放電荷至電壓為0。當器件面積為0.1 mm2時，器件在激勵下充電，但沒有達到飽和狀態，然后迅速關斷并釋放電荷。當繼續增大器件面積為1 mm2時，每個周期內器件均沒有完成充放電過程，導致延遲時間增加。我們發現:器件面積越小，響應速度越快，延遲時間越短。這表明將OLED器件用作電光轉換器，器件面積會大大影響其光信號靈敏度。該特性表明:在集成電路中，OLED能對信號傳輸速率進行調制。

3.3 激發頻率和器件面積對器件信號傳輸速率的影響

圖5所示為不同電信號頻率對OLED的信號響應速率的影響?？梢钥闯?，不同面積OLED在高頻矩形信號激勵下的電壓響應特性有所差異。

將器件的能量利用效率用η表示，定義如下:

其中，V(t)為器件兩端瞬時電壓；Scw表示施加電壓的幅值大小，其在1/2周期的奇數倍為5 V，在1/2周期的偶數倍為0 V。通過擬合，得到圖4波形所對應的η，詳見表1。

當器件面積為1 mm2時，在10 Mbit/s信號激勵下，η為47.7%；在20 Mbit/s激勵下，η低于40%。當器件面積為0.1 mm2時，在100 Mbit/s信號激勵下，η為47.7%；在200 Mbit/s信號激勵下，η為37.0%。當器件面積為0.01 mm2時，用500 Mbit/s信號激勵，η為49.9%；在1 000 Mbit/ s信號激勵下，η低于47.7%。對于相同面積的器件，激勵頻率越高，能量利用率越低。從圖4看出，面積大于0.01 mm2的器件在更低頻率信號激勵下的電壓響應波形失真較面積為0.01 mm2的器件更為嚴重。當器件面積縮小至0.01 mm2時，信號可以實現以1 000 Mbit/s的速率傳輸。

圖5 不同面積OLED在矩形脈沖激勵下的電壓響應。(a)速率分別為10 Mbit/s(上)和20 Mbit/s(下)的信號激勵下的1 mm2器件；(b)速率分別為100 Mbit/s(上)和200 Mbit/s(下)的信號激勵下的0.1 mm2器件；(c)速率分別為500 Mbit/s(上)和1 000 Mbit/s(下)的信號激勵下的0.01 mm2器件。Fig.5 Voltage response of OLEDs with various areas.(a)1 mm2under the excitation of 10 Mbit/s(up)and 20 Mbit/s (down).(b)0.1 mm2under the excitation of 100 Mbit/s(up)and 200 Mbit/s(down).(c)0.01 mm2under the excitation of 500 Mbit/s(up)and 1 000 Mbit/s(down).

表1 脈沖信號激發下的不同面積的器件的能量利用效率Tab.1 Energy utilization rate(η)of OLEDs with different areas excited by pulse signal with different rate

4 結 論

針對高速響應的OLED，建立了載流子注入延遲時間和發光延遲時間模型，探索了延遲時間與電路外加電壓的關系。結果表明，發光延遲時間受到器件面積、器件厚度、外加電壓等制約。因此，對于不同器件結構的有機電致發光器件，其發光延遲時間會隨之變化。器件面積越小，發光延遲時間越短，小面積器件能夠實現1 000 Mbit/s的信號傳輸速率。

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潘賽虎(1974－)，男，江蘇常州人，博士研究生，講師，2014年于河海大學獲得碩士學位，主要從事有機電致發光、有機傳感等方面的研究。

E-mail:pansaihu＠i.shu.edu.cn

胡湛晗(1991－)，女，遼寧遼陽人，碩士，助教，2015年于北華航天工業學院獲得碩士學位，主要從事半導體材料與器件方面的研究。

E-mail:xiaohan9192＠nciae.edu.cn

陳果(1979－)，女，河南南陽人，博士，講師，2013年于日本山形大學獲得博士學位，主要從事有機光電材料及器件方面的研究。

E-mail:chenguo＠shu.edu.cn

Simulation of Transient Delay Time in Organic LEDs and Application for Signal Transmission

PAN Sai-hu1，SI Chang-feng1，GUO Kun-ping1，HU Zhan-han2?，PENG Cui-yun1，CHEN Guo1?，WEI Bin1
(1.Key Laboratory of Advanced Display and System Applications，Ministry of Education，Shanghai University，Shanghai 200072，China；2.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 065000，China))?Corresponding Authors，E-mail:xiaohan9192＠nciae.edu.cn；chenguo＠shu.edu.cn

Based on the principle of organic electroluminescence(EL)，models of carrier injection delay time and EL the delay time were developed.The results show that the EL delay time is significantly related to the light-emitting area，the thickness of organic layer and the applied voltage.By preparing organic LED devices with different areas，it is found that the light emission delay time is shorter when the device area is smaller.Furthermore，excited by high-speed signals，the OLED device with an area of 0.01 mm2is effective under the excitation with a frequency of 1 000 Mbit/s，leading to an energy utilization rate of 47.7%.

organic light-emitting diode；carrier injection；electroluminescence delay time；pulse excitation；device area

TN383＋.1；TP394.1

A

10.3788/fgxb20173802.0188

1000-7032(2017)02-0188-06

2016-10-09；

2016-12-07

國家自然科學基金(61604093)；上海市自然科學基金資助項目(16ZR1411000)；上海市浦江人才計劃(16PJ1403300)；上海高校青年教師培養資助計劃(ZZSD15049)資助項目Supported by National Natural Scientific Foundation of China(61604093)；Natural Science Foundation of Shanghai(16ZR1411000)；Shanghai Pujiang Program(16PJ1403300)；Shanghai University Young Teacher Training Program of Shanghai Municipality (ZZSD15049)