光學微腔調節頂發射單色綠光OLED微顯示器件色純度研究

秦國輝，于曉輝,2，錢福麗，段 瑜,2，楊啟鳴，芶國汝

〈材料與器件〉

光學微腔調節頂發射單色綠光OLED微顯示器件色純度研究

秦國輝1，于曉輝1,2，錢福麗1，段 瑜1,2，楊啟鳴1，芶國汝1

（1.云南北方奧雷德光電科技股份有限公司，云南 昆明 650223；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

有機電致發光器件的發光顏色與色純度在很大程度上受限于有機材料本身特性，而通過光學微腔效應可以從器件結構的改變來進行色純度的調節。本文介紹了一種通過調節有機結構中空穴傳輸層和電子阻擋層厚度，從而改變器件微腔腔長，獲得高純度頂發射單色發光器件的方法。利用這種方法制作的有機頂發射綠色磷光器件結構為Si Substrate/Ag/ITO/ NPB:F16CuPc(10nm,3%)/NPB(nm)/ TCTA(nm)/ mCP:Ir(ppy)3(40nm,6%)/ Bphen:Liq(30nm,40% )/Mg:Ag(12nm,10%)/Alq3(35nm)，改變NPB和TCTA的厚度，獲得了高色純度發光器件，正向出射綠光的色坐標達到(0.2092，0.7167)，接近標準綠光(0.21, 0.71)。

OLED微顯示器；綠光；色純度；光學微腔

0 引言

有機電致發光器件（Organic Light Emitting Device，OLED）具有發光亮度高、響應時間短、可視范圍大和可柔性化等優點，被稱為“夢幻般的顯示器”，被視為液晶顯示后的下一代主流顯示器，并初步應用于裝飾和室內照明[1-6]。近年來，高性能頂發射器件逐漸成為研究熱點，諸多科研工作者投身于實現高性能器件的研究中，目前主要從兩個方面入手：一是新材料的研發，如新型有機發光分子材料[7]；二是新結構的開發，如超薄結構[8]、量子阱結構[9]和和微腔結構[10]等。在微腔結構方面，主要是通過理論計算改變有機結構層厚度，進而調節器件的微腔長度，獲得不同模數的微腔，使器件處于不同微腔加強區，從而提升器件性能。

光學微腔是一種光學微型諧振腔，尺寸在光波長量級。有機微腔電致發光器件最早是日本九州大學在1993年完成的[11]。當前關于有機微腔發光的大部分研究致力于提升器件效率[12-14]，而對具有微腔效應頂發射器件的色純度及穩定性的研究存在不足。因此，本文在現有器件研究的基礎上，通過引入二階微腔結構[15-16]，制備了一系列頂發射微型器件，驗證二階微腔長度范圍內器件的光電性能，最終獲得優化后的穩定綠光頂發射器件，實現標準綠光顯示。

1 實驗

本文所制備的頂發射器件，微腔結構為簡單的FP（Fabry-Perot）微腔結構[17-19]，底部全反射電極采用Ag，頂部光出射端采用半透明的金屬陰極Mg/Ag作為半反射鏡。器件各膜層通過蒸鍍設備依次完成，主要膜層及所用材料見表1，其中陽極為ITO，空穴注入層（Hole Injection Layer, HIL）為有機材料F16CuPc和NPB，F16CuPc為摻雜料；空穴傳輸層（Hole Transport Layer, HTL）為有機材料NPB；電子阻擋層（Electron Blocking Layer, EBL）為有機材料TCTA；有機發光層（Emitting Layer, EML）為有機材料mCP和Ir(ppy)3，mCP為綠色發光基質，Ir(ppy)3摻雜料；電子傳輸層（Electron Transport Layer, ETL）為有機材料Bphen和Liq，Liq為摻雜料；光輸出耦合層（Capping Layer, CPL）為有機材料Alq3。器件中涉及的有機材料分子結構如圖1所示。

該器件采用云南北方奧雷德光電股份有限公司開發的硅基CMOS基板作為器件襯底，依次蒸鍍各層有機材料，蒸發速率保持在0.1nm/s，真空度保持在2×10－4Pa。器件的亮度及光譜通過PR-655測量，電流和電壓采用搭載Keithley 2400測試儀的測試系統進行測量。

表1 器件主要膜層及所用材料

2 結果討論

2.1 微腔長度對色純度影響

一般來說，頂發射器件都存在微腔效應，器件發出的光譜強度()如式(1)[20]：

式中：f為全反射鏡的反射率；h為半透明反射鏡的反射率；0()為自由空間的光譜強度；為器件微腔光學長度；為全反射鏡與有機發光層之間的距離。其中，微腔的光學長度計算式為：

式中：mm分別為有機材料的折射率和厚度；ITO、ITO分別為ITO的折射率和厚度；（1, 2, 3, 4, …）是發射模的模（階）數；是模（階）數為的共振發射波長；()為光在有機界面/金屬鏡面之間的相移，為陽極/有機界面或陰極/有機界面。由式(1)、(2)可知，通過調節有機材料膜層厚度，可以改變器件微腔長度，使腔模的位置產生移動，從而改變微腔器件的出射光波長。為了使器件微腔的諧振波長與發光層電致發光譜的峰值波長相匹配以實現增益，利用公式(2)計算得到一階腔長對應的有機層總厚度約為100nm，二階腔長對應的有機層總厚度約為250nm。

通過調整空穴傳輸層和電子阻擋層厚度，實驗中制作了5種不同微腔長度的器件A～E，如圖2所示。其結構為：Si Substrate/Ag/ITO/ NPB:F16CuPc(10nm, 3%)/NPB(nm)/TCTA(nm)/ mCP:Ir(ppy)3(40nm,6%)/ Bphen:Liq(30nm,40% )/ Mg/Ag(12nm )/Alq3(35nm)，表示空穴傳輸層（NPB）的膜層厚度，表示電子阻擋層（TCTA）的膜層厚度。其中分別為30、30、60、20、120，分別為20、15、20、15、40，器件有機層厚度依次為130nm、125nm、160nm、115nm、240nm。

圖2 5種不同微腔長度器件結構圖

圖3為不同腔長器件EL光譜。器件A、B、C、D在524nm處有一強峰，556nm、552nm、560nm、560nm處出現一弱峰，器件E為520nm處唯一單峰。從圖中可以看出，器件C→A→B→D→E長波一側出現明顯的窄化趨勢，向短波一側移動，出現藍移，560nm處的肩峰逐漸減弱至消失。這一現象是器件微腔效應導致的，根據腔量子電動力學效應，腔內光場的模式密度受到調制，在諧振波長處得到增強，而在其他波長處的受到抑制，光譜得到窄化[21]。微腔效應的強弱常通過半高寬（FWHM,full width at half maximum）來衡量，計算得到器件C→A→B→D→E半高寬從84nm減小到33nm，微腔效應逐漸增強。

不同腔長器件的發光性能如表2所示。在A～E中，D在亮度、電流效率與外量子效率等方面表現較佳，B次之，C表現最差，而E色坐標偏移最小。這主要是因為，D位于一階加強區，E位于二階加強區，C遠離加強區。可以看出，當器件腔長位于一階加強區時，器件的光電效率會得到加強；當位于二階加強區時，器件效率會低于一階加強區[22-23]，但器件色純度明顯高于一階加強區，說明處于二階加強區對器件的色純度有顯著的提升作用。

通過進一步的測試發現，制作得到的器件色坐標都具有很好的穩定性，如圖4所示。A～E色坐標CIE，CIE在低電壓階段經過短暫上升，電壓達到2.8V后，色坐標保持平穩。從整個變化情況來看，器件E色坐標出現了明顯的突變，CIE驟降到0.2左右，CIE驟升到0.71左右，出現該現象的原因是器件A～D分別在556nm、552nm、560nm、560nm處存在一弱峰，導致色坐標產生偏離，發光時表現出黃綠光，而器件E為唯一單峰，在器件正常啟亮后就表現出近乎接近標準綠光(0.21,0.71)顯示，如圖4(c)所示。這一結果也再次表明微腔長度處于二階加強區，對器件發光色純度有明顯的提升作用。

圖3 不同腔長器件EL光譜

表2 不同腔長器件的光電特性

2.2 空穴傳輸層和電子阻擋層厚度對腔長影響

前述結果表明，當器件微腔長度位于二階加強區時，器件的色純度會得到明顯提升。為了驗證器件處于二階加強區時，空穴傳輸層和電子阻擋層厚度是否對微腔長度改變起同等作用，制作了器件E1。在其他條件保持不變的情況下，空穴傳輸層厚度為40nm，電子阻擋層厚度為120nm。從表3可以看出，E、E1在亮度、電流效率、外量子效率等性能方面表現相當，差異很小。通過光譜圖（圖5）和色坐標（圖6）也可以看出，兩者EL光譜基本重合，且CIE、CIE未發生較大改變。這一結果表明，空穴傳輸層與電子傳輸層厚度在微腔長度改變中作用相同，均能有效調節色純度。

圖4 不同腔長器件色坐標變化

表3 不同HTL&EBL厚度器件的光電特性

圖5 不同HTL&EBL厚度器件EL光譜

圖6 HTL&EBL厚度對色坐標影響

3 結論

研究發現器件結構為Si Substrate/Ag/ITO/ NPB:F16CuPc(10nm, 3%)/NPB(nm)/TCTA(nm)/ mCP:Ir(ppy)3(40nm,6%)/Bphen:Liq(30nm,40%)/ Mg/ Ag(12nm)/Alq3(35nm)的頂發射綠光器件，通過調節器件空穴傳輸層和電子阻擋層的厚度使器件處于第二階微腔加強區，可以使光譜明顯窄化，器件色純度得到極大提升，進一步研究發現，空穴傳輸層與電子阻擋層在微腔長度改變中作用相同，均能有效調節色純度。器件在腔長為240nm時，能實現穩定的高色純度綠光顯示，正向出射綠光的色坐標達到了(0.2092，0.7167)，接近標準綠光(0.21, 0.71)，該結果對二階腔長綠光器件的應用有較好的參考意義。

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Improvement of Color Purity of Organic Monochromatic Green Top-emitting Micro-display Devices by Using Optical Microcavity

QIN Guohui1，YU Xiaohui1,2，QIAN Fuli1，DUAN Yu1,2，YANG Qiming1，GOU Guoru1

(1. Yunnan Olightek Opto-electronic Technology Co., Ltd., Kunming 650223, China; 2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

The color purity of organic light-emitting devices is restricted mostly by the intrinsic character of the emitting material; however, the optical microcavity can improve the color purity by changing the structure of the devices. In this study, we demonstrated that a high color purity monochromatic top-emitting device can be obtained by changing the length of the microcavity. By adjusting the thicknesses of the hole transport layer and electron barrier layer, high color purity organic green phosphorescent top-emitting electroluminescent devices were fabricated. The structure of the devices was an Si substrate/Ag/ITO/NPB:F16CuPc (10nm, 3%)/NPB (nm)/TCTA (y nm)/mCP:Ir(ppy)3(40nm, 6%)/Bphen:Liq (30nm, 40%)/Mg:Ag (12nm, 10%)/Alq3(35nm). Direct green emission with chromaticity coordinates of (0.2092, 0.7167) was obtained by changing the thicknesses of NPB and TCTA; this resulted in standard green light (0.21, 0.71).

micro-OLED, green light, color purity, optical microcavity

TN214

A

1001-8891(2022)07-0652-07

2022-04-19；

2022-06-29.

秦國輝（1987-），男，云南曲靖人，碩士，主要從事OLED器件性能測試。E-mail: qinguohui@oleid.com。

段瑜（1981-），女，云南曲靖人，研究員級高級工程師，碩士，主要從事OLED器件開發。E-mail：duanyu@oleid.com。

云南省技術創新人才培養項目（2017HB111；2018CX069SQ）。