陳 燕，陳星明，胡勝坤，金 玉，吳志軍?

（1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門361021；

2.廈門市移動(dòng)多媒體通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361021）

高效高亮度硅基頂發(fā)射有機(jī)電致發(fā)光器件的研制

陳 燕1，2，陳星明1，胡勝坤1，金 玉1，吳志軍1?

（1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門361021；

2.廈門市移動(dòng)多媒體通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361021）

以半透明超薄金屬銀作為陰極，紫外臭氧處理的厚金屬銀作為陽(yáng)極，制備了高效率高亮度的黃光硅基頂發(fā)射有機(jī)發(fā)光器件.當(dāng)電壓為9 V時(shí)，器件的最大電流效率為4.9 cd/A，當(dāng)電壓為17 V時(shí)，器件的亮度達(dá)到14 040 cd/m2.通過增加摻雜濃度及陽(yáng)極厚度對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化后，器件性能顯著提高，其電流效率在外加電壓為10 V時(shí)達(dá)到11 cd/A，相應(yīng)亮度為21 748 cd/m2.頂發(fā)射器件中存在的微腔效應(yīng)能有效提高器件的發(fā)光效率以及亮度，但是也會(huì)使器件的共振波長(zhǎng)隨著觀察視角的增大而藍(lán)移.由于采用合適的發(fā)光材料，本實(shí)驗(yàn)制備的器件的發(fā)光峰值在0°～75°視角范圍內(nèi)幾乎沒有變化.

頂發(fā)射；有機(jī)電致發(fā)光器件；表面修飾；亮度；電流效率

1　引 言

自從Tang和VanSlyke于1987年首次報(bào)道高效率的雙層結(jié)構(gòu)有機(jī)電致發(fā)光器件（Organic Light Emitting Device，OLED）以來(lái)［1］，由于OLED具有低電壓、低成本、寬視角、響應(yīng)快、面發(fā)光等優(yōu)勢(shì)，因而在平板顯示領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.如今平板顯示大多為有源矩陣（Active Matrix）驅(qū)動(dòng)方式，早先報(bào)道的AMOLED都是用TFT作為驅(qū)動(dòng)元件的底發(fā)射結(jié)構(gòu)，這就存在一個(gè)開口率的問題.因?yàn)榈装l(fā)射AMOLED的顯示發(fā)光區(qū)域會(huì)與驅(qū)動(dòng)電路相互競(jìng)爭(zhēng)，其像素開口率一般較低，特別是對(duì)于那些像素極小的微型顯示來(lái)說更為明顯.而頂發(fā)射器件就不存在這種情況，因?yàn)楣庀蛏仙涑?，不受下面的?qū)動(dòng)電路的影響，從而提高了像素的開口率，所以頂發(fā)射器件逐漸成為OLED研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)［2］.

頂發(fā)射有機(jī)發(fā)光器件的電極選擇至關(guān)重要，一般陽(yáng)極是高反射率的金屬電極（Ag、Al等），陰極是半透明的金屬電極，考慮到出光的效果，金屬陰極厚度一般為20 nm.本文采用的是高反射率、在可見光范圍內(nèi)低吸收以及良好的導(dǎo)電性的金屬Ag作為電極材料.為了改善載流子的注入效率，實(shí)驗(yàn)中對(duì)陽(yáng)極Ag的表面進(jìn)行紫外處理［3］，生長(zhǎng)一層超薄的Ag2O薄膜，同時(shí)對(duì)于陰極，熱蒸鍍一層超薄的LiF/Al以利于電子的注入.頂發(fā)射器件中存在的微腔效應(yīng)對(duì)器件影響非常大，可以利用微腔效應(yīng)來(lái)增大器件的發(fā)光效率以及色純度［4］，但是也會(huì)使發(fā)光顏色隨著觀察視角的變化而變化［5］，顯然這對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用是不利的.如何能使頂發(fā)射器件獲得高發(fā)光效率的同時(shí)又能避免光譜角度性的問題，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了很多研究，并取得一系列的成果.如Chen等人［6］采用光輸出耦合層來(lái)改善光譜的角度性問題.本文在硅襯底上制備了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的黃光頂發(fā)射器件，通過對(duì)器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在獲得高效率、高亮度的同時(shí)，器件的發(fā)光峰值隨著觀察視角的增大幾乎沒有藍(lán)移.

2　實(shí) 驗(yàn)

制備的器件結(jié)構(gòu)為:Si/SiO2/Ag/Ag2O/m-MTDATA/NPB/Rubrene∶Alq/Alq/LiF-Al/Ag.其中Ag/Ag2O作為陽(yáng)極，LiF-Al/Ag作為復(fù)合陰極，4，4′，4″-tris（3-methylphenylphenylamino）-triphenylamine（m-MTDATA）作為空穴注入層，N. N′-Bis（naphthalene-1-yl）-N，N′-bis（phenyl）-benzidine（NPB）作為空穴傳輸層，5，6，11，12-tetraphenylnaphthacene（Rubrene）摻雜到tris（8-hydroxyquinoline）aluminium（Alq）作為發(fā)光層，未摻雜的Alq作為電子傳輸層，材料的化學(xué)分子式如圖1所示，器件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1　材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1　Chemical structures of materials

圖2　頂發(fā)射器件結(jié)構(gòu)Fig.2　The structure of the TEOLED

制作器件之前，將表面鍍有1 600 nm的SiO2的硅片依次用丙酮、乙醇以及去離子水各超聲清洗15 min，烘干后用氧等離子清洗機(jī)對(duì)襯底表面再處理10 min，放置于LN-1103SA多源氣相沉積系統(tǒng)中，熱蒸鍍45 nm的Ag，然后送入紫外臭氧清洗儀，對(duì)Ag表面進(jìn)行紫外照射處理，處理時(shí)間為2 min.這樣可在Ag的表面生長(zhǎng)一層超薄的Ag2O以利于空穴的注入.表面處理后再用多源氣相沉積系統(tǒng)按照器件的結(jié)構(gòu)依次生長(zhǎng)不同的材料.蒸鍍過程中，系統(tǒng)真空度始終保持在2.5× 10-4Pa，薄膜生長(zhǎng)的速率及厚度均可以通過控制面板來(lái)控制.有機(jī)材料的蒸鍍速率為0.1 nm/s，LiF蒸鍍速率為0.003 nm/s，金屬Al及Ag蒸鍍速率為0.3 nm/s.OLED有效發(fā)光面積為3 mm× 3 mm.器件的電致發(fā)光光譜、電壓、亮度、電流密度、效率等是由MAYA2000PRO、keithley 2400程控電源以及LS-110亮度計(jì)組成測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行同步測(cè)量.所有測(cè)量都是在室溫大氣中進(jìn)行.

3　結(jié)果與分析

圖3是頂發(fā)射器件在11 V電壓下的歸一化電致發(fā)光光譜，從圖中可以看出，光譜有兩個(gè)發(fā)射峰，Alq的530 nm以及Rubrene的560 nm.制備的器件發(fā)光層中Rubrene不僅可以直接捕獲載流子形成激子，還可以通過F?rster能量轉(zhuǎn)移機(jī)制［7］，從Alq形成的激子中獲得能量從而發(fā)光，顯然光譜中出現(xiàn)Alq發(fā)射峰說明發(fā)光染料Rubrene摻雜的濃度較低，從而Alq中會(huì)產(chǎn)生過剩的激子并發(fā)光.

圖3　器件在11 V時(shí)的歸一化電致發(fā)光光譜Fig.3　Normalized EL spectra of the device at 11 V

圖4給出了器件的電流密度-電壓-亮度特性曲線.從圖中數(shù)據(jù)可以看出，器件的開啟電壓為4 V，當(dāng)電壓為17 V時(shí)，器件的亮度達(dá)到14 040 cd/ m2.器件較高的亮度以及電流密度主要是由于Ag表面的一層超薄的Ag2O顯著改善了空穴的注入，Ag2O具有P型半導(dǎo)體的特性，其禁帶寬度為1.3 eV，電離能為-5.3 eV，電離能與空穴注入層m-MTDATA的HOMO能級(jí)（-5.1 eV）非常接近，有利于空穴的注入.圖5是單獨(dú)制備的單載流子器件Ag/Ag2O/NPB/Al和Ag/NPB/Al的電流密度-電壓特性曲線，從圖中可以明顯看出，Ag2O的引入明顯改善了空穴從陽(yáng)極注入的效率.圖6給出了器件的電流效率-電壓特性曲線，當(dāng)電壓為9 V時(shí)，器件電流效率達(dá)到最大值4.8 cd/A.

圖4　器件的電流密度-電壓-亮度特性曲線Fig.4　Current density-voltage-luminance characteristics of device

圖5　結(jié)構(gòu)為Ag/Ag2O/NPB/Al和Ag/NPB/Al的器件電流密度-電壓曲線Fig.5　Current density-voltage characteristics of the devices with the structure of Ag/Ag2O/ NPB/Al and Ag/NPB/Al

圖6　器件電流效率-電壓特性曲線Fig.6　Current efficiency-voltage characteristic of the device

頂發(fā)射器件存在較強(qiáng)的微腔效應(yīng)，由微腔理論可知，頂發(fā)射器件中有機(jī)層以及電極的厚度對(duì)器件的光電性能有著很大的影響［8］.對(duì)此，我們對(duì)已制備的頂發(fā)射器件結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，將陽(yáng)極Ag的厚度從45 nm增大到70 nm，陰極厚度不變，同時(shí)增大發(fā)光層中發(fā)光染料Rubrene摻雜的濃度至5%，從而抑制發(fā)光層中Alq發(fā)光帶來(lái)的影響.基于Rubrene的底發(fā)射器件的發(fā)光峰值位于560 nm處，因此，為了在此發(fā)光峰值處實(shí)現(xiàn)增益，可通過調(diào)節(jié)頂發(fā)射器件有機(jī)層厚度來(lái)調(diào)節(jié)器件的共振波長(zhǎng).當(dāng)電子傳輸層Alq厚度從先前的20 nm增大到65 nm時(shí)，頂發(fā)射器件的共振峰位于560 nm附近，從而提高了器件的發(fā)光效率.圖7為優(yōu)化及未優(yōu)化的兩個(gè)頂發(fā)射器件電流密度-亮度特性曲線.從圖7中可以看出，在相同的電流密度下，優(yōu)化后的器件顯示出更高的亮度.圖8為優(yōu)化后器件的電流效率-電壓特性曲線，當(dāng)電壓為10 V時(shí)，電流效率達(dá)到最大值11 cd/A，是未優(yōu)化器件的電流效率兩倍多.

當(dāng)電壓為11 V時(shí)，我們比較了優(yōu)化后的器件在不同觀察視角下的光譜.從圖9中可以明顯看出，不同于以往有關(guān)TEOLED光譜角度性的報(bào)道［9］，優(yōu)化后的頂發(fā)射器件的發(fā)光峰值并未隨著觀察視角的增大而出現(xiàn)明顯的藍(lán)移現(xiàn)象，其峰值僅僅位移了8 nm，半高寬（FWHM）從32 nm僅增大到44 nm.TEOLED的發(fā)光光譜與發(fā)光材料本身的發(fā)光特性關(guān)系緊密，由于Rubrene本身的電致發(fā)光譜較窄［10］，使得相應(yīng)的TEOLED具有良好的光譜角度特性，隨視角變化，光譜峰值變化較小.

圖7　器件電流密度-亮度特性曲線Fig.7　Current density-luminance characteristics of the devices

圖8　優(yōu)化后器件的電流效率-電壓特性曲線Fig.8　Current efficiency-voltage characteristic of the optimized device

圖9　不同視角下的頂發(fā)射器件光譜Fig.9　Spectrum characteristics of TOLED at diffe rent view angle

4　結(jié) 論

采用半透明超薄金屬銀作為陰極，紫外臭氧處理的厚金屬銀作為陽(yáng)極制備了一種硅基頂發(fā)射黃光器件.當(dāng)電壓為9 V時(shí)，器件的最大電流效率為4.9 V，當(dāng)電壓為17 V時(shí)，器件的亮度達(dá)到14 040 cd/m2.對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，器件亮度與效率進(jìn)一步提高，同時(shí)，器件發(fā)光峰值在0°～75°的觀察視角范圍內(nèi)幾乎沒有變化.研究表明，采用合適的發(fā)光材料，通過合理的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以獲得高效率、高亮度、光譜角度特性良好且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的頂發(fā)射有機(jī)發(fā)光器件.

［1］ Tang C W，VanSlyke S A.Organic electroluminescent diodes［J］.Applied Physics Letters，1987，51（12）: 913-915.

［2］ 胡勝坤，金玉，吳志軍，等.低電壓有機(jī)薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)頂發(fā)射有機(jī)發(fā)光二極管的集成像素的研制［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2014，35（11）:1370-1375.

Hu S K，Jin Y，Wu Z J，et al.Top-emitting organic light-emitting device integrated pixel driven by low voltage organic thin film transistor［J］.Chinese Journal of Luminescence，2014，35（11）:1370-1375.（in Chinese）

［3］ 楊惠山，陳淑芬，吳志軍，等.硅片上頂發(fā)射的有機(jī)電致發(fā)光器件［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2005，26（2）:242-246.

Yang H S，Chen S F，Wu Z J，et al.Top-emitting Organic Light-emitting Devices Based on Silicon Substrate［J］. Chinese Journal of Luminescence，2005，26（2）:242-246.（in Chinese）

［4］ 陳俊江.利用光學(xué)微腔效應(yīng)調(diào)節(jié)頂發(fā)射藍(lán)光器件的色純度［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2012，33（5）:545-548.

Chen J J.Improvement of the color purity of organic blue top-emitting devices by using optical microcavity［J］.Chinese Journal of Luminescence，2012，33（5）:545-548.（in Chinese）

［5］ 張春玉，陸景彬，孫成林，等.微腔有機(jī)電致發(fā)光器件的角度依賴性［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2009，30（6）:734-737.

Zhang C Y，Lu J B，Sun C L，et al.Angle dependence of microcavity organic light-emitting device［J］.Chinese Journal of Luminescence，2009，30（6）:734-737.（in Chinese）

［6］ Chen S，Xie W，Huang W，et al.Improvement of viewing angle and pixel contrast ratio in green top-emitting organic light-emitting devices［J］.Optics Express，2008，16（12）:8868-8875.

［7］ Murata H，Merritt C D，Kafafi Z H.Emission mechanism in rubrene-doped molecular organic light-emitting diodes:direct carrier recombination at luminescent centers［J］.Selected Topics in Quantum Electronics IEEE Journal of，1998，4（1）:119-124.

［8］ 謝澤鋒，袁永波，陳樹明，等.高效率金屬微腔OLEDs性能［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2008，29（1）:37-40.

Xie Z F，Yuan Y B，Chen S M，et al.Study on metal microcavity OLEDs with improved efficiency［J］.Chinese Journal of Luminescence，2008，29（1）:37-40.（in Chinese）

［9］ 熊志勇，李宏建，王俊西，等.可彎曲式微腔有機(jī)電致發(fā)光器件的光學(xué)特性［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2009，30（3）:337-343.

Xiong Z Y，Li H J，Wang J X，et al.Optical characteristics of flexible microcavity organic light-emitting diodes［J］. Chinese Journal of Luminescence，2009，30（3）:337-343.（in Chinese）

［10］ Wu Z，Guo H，Wang J，et al.Top-emitting organic light-emitting devices with improved light outcoupling and angle-independence［J］.Journal of Physics D:Applied Physics，2006，39（24）:5160-5163.

Top-emitting organic light-emitting devices based on silicon substrate with high efficiency and luminance

CHEN Yan1，2，CHEN Xing-ming1，HU Sheng-kun1，WU Zhi-jun1?

（1.College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；
2.Xiamen Key Lab of Mobile Multimedia Communication，Xiamen 361021，China）

Adopting semi-transparent thin silver as cathode and UV-ozone surfaced-modified thick silver as anode，top-emitting organic light-emitting device（TEOLED）on silicon substrate with high luminance and efficiency was fabricated.The maximum current efficiency was 4.9 cd/A when the voltage was 9 V and the luminance reaches 14 040 cd/m2at 17 V.The device structure is further optimized by increasing the doping concentration and the anode thickness.By optimizing the device structure，a TEOLED with high current efficiency（11 cd/A at 10 V with luminance of 21 748 cd/m2）had been reported.Due to the microcavity effect，the efficiency and luminance of TEOLED are relatively high，but the blue-shift of the resonant wavelength（RW）with increasing view angles is obvious.By employing the suitable emitting material，the blue-shift of the RW is nearly negligible in our device when the viewing angles moved from 0°to 75°.

top-emitting；organic light-emitting devices；surface-modified；luminance；current efficiency

TN383+.1；TN312+.8

A doi:10.3788/YJYXS20153006.0960

1007-2780（2015）06-0960-05

陳燕（1981-），女，福建泉州人，講師，2003年于南京郵電學(xué)院電子信息工程系獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2006年于北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院獲工學(xué)碩士學(xué)位.當(dāng)前主要從事有機(jī)電致發(fā)光器件、有機(jī)光伏器件及有機(jī)薄膜晶體管方面研究.E-mail:goldency@hqu.edu.cn

吳志軍（1977-），男，福建泉州人，副教授，2000年于吉林大學(xué)電子工程系獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2006年于吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院獲理學(xué)博士學(xué)位.當(dāng)前主要從事有機(jī)電致發(fā)光器件、有機(jī)光伏器件及有機(jī)薄膜晶體管方面研究.E-mail:quantumoed@126.com

2015-07-01；

2015-09-14.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61404053）

Supported by National Natural Science Foundation of China（No.61404053）

?通信聯(lián)系人，E-mail:quantumoed@126.com