面向彩色有机微显示的有机白光顶发射器件

武明珠1,郭闰达1,张振松1,岳守振1,曲加伟1,胡守成1,黄 苒2,杜 寰2,王红波1∗,赵 毅1

(1.吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室,吉林长春130012; 2.中国科学院微电子研究所,北京100029)

面向彩色有机微显示的有机白光顶发射器件

武明珠1,郭闰达1,张振松1,岳守振1,曲加伟1,胡守成1,黄 苒2,杜 寰2,王红波1∗,赵 毅1

(1.吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室,吉林长春130012; 2.中国科学院微电子研究所,北京100029)

以比铝、银等金属材料透光性更好的铜作为白光有机顶发射器件的顶电极,将其应用到基于Al底电极的蓝、黄互补色顶发射白光有机电致发光器件(TEWOLED),通过合理设计器件结构,制备出的器件具有较低的驱动电压和较高的效率,4 V下亮度超过1 000 cd/m2、功率效率达到28.5 lm/W,效率滚降较小。我们利用p型电学掺杂结构和电子注入缓冲层结构分别解决了铝和铜电极功函数同空穴传输层的HOMO能级和电子传输层的LUMO能级不匹配问题,并通过Tc Ta光学覆盖层的调节作用使器件具有较好的光谱稳定性。基于Cu顶电极的TEWOLED与采用Al作为互连金属的CMOS工艺兼容,我们将该器件与硅基CMOS驱动电路结合,获得了SVGA白光有机微显示器件,为彩色有机发光微显示的实现奠定了基础。

顶发射白光有机电致发光器件;铜顶电极;SVGA白光有机微显示

1 引 言

微显示器是微电子电路与平板显示技术的结合,是用于放大的显示系统中的电子平板显示器件,具有“小尺寸,大视野”的特点[1-5]。全固态的有机电致发光微显示以其低功耗、响应速度快、工作温度范围宽、抗震能力强等优点成为微显示领域的新宠。在军事领域,诸如飞行员头盔系统、陆军单兵眼镜显示等近眼显示上有着重要应用[1-2]。此外,伴随着“4G”时代的来临,便携式“个人显示”产品以及“可穿戴”智能产品势必进入一个蓬勃发展的阶段,有机微显示在消费电子领域必将发挥巨大的作用[1,6]。军用微显示一般为单色微显示,但在民用上,单色微显示无法满足人们对于显示品质日益增长的要求,彩色微显示的开发势在必行。目前,采用顶发射白光有机电致发光器件结合彩色滤光膜是实现彩色微显示的可行方式,因此,研究出高性能的顶发射白光有机电致发光器件(Top emitting White Organic Light Emitting Diodes,TEWOLED)以及白光有机微显示是实现彩色微显示的关键。目前,TEWOLED的研究仍然是一项具有挑战性的工作,实现途径主要有两种,一是充分利用顶发射结构中的微腔效应,实现多波长共振发射进而实现白光,但是目前效率较低。二是尽量削弱顶发射结构中的微腔效应,从而使其接近底发射情况而获得白光发射[7]。目前比较适合应用到有源显示上的TEWOLED还是以削弱微腔效应的方法为主。本文介绍了利用比铝、银等金属材料透光性更好的铜作为TEWOLED的顶电极,采用蓝、黄互补色法,制备出基于Al底电极的具有较低的驱动电压和较高的效率的TEWOLED,并介绍了在此基础上,本课题组成功开发出具有自主知识产权的面向彩色有机微显示的白光微显示样品。

2 实 验

2.1 材料

器件制备所利用的部分材料名称及结构式:

2.2 器件制备

将覆盖有二氧化硅绝缘层的硅衬底依次以丙酮、乙醇、去离子水超声清洗各10 min,烘干衬底。将处理好的衬底置于金属蒸镀系统中,真空度至4×10－4Pa,生长金属阳极Al(底电极),厚度80 nm。将生长好金属阳极的硅衬底转移至多源有机分子气相沉积系统中,真空度至4×10－4Pa,依次生长有机功能层,速率0.1～0.2 nm/s,完成后,再将衬底转移至金属蒸镀系统中生长Al和Cu作为复合金属阴极(顶电极),Al层的厚度为1 nm,蒸发速率0.1～0.2 nm/s,Cu层的厚度为18 nm,蒸发速率0.5 nm/s。光学覆盖层生长方法与有机功能层生长方法相同。上述材料的生长厚度和生长速率由美国产MATEX-400膜厚控制仪监控,器件光电性能利用PR655亮度光谱仪和Keithley2400电压电流源在室温大气环境下进行测试。

3 基于Cu顶电极的TEWOLED

实现彩色有机微显示,必须考虑的是TEWOLED底电极的制备工艺与标准IC工艺的兼容,我们在前期工作中已经研究出适于0.13μm以下的Cu布线工艺的Cu底电极顶发射有机电致发光器件(Organic Electronics 11,(2010) 2055)[8]。但对于一般分辨率情况下,综合考虑, Al因其成本较低且具有室温电阻率低、易沉积和刻蚀、与重掺杂硅或多晶硅的接触电阻小等优点而成为目前集成电路工艺中最常用的互连金属材料[9-14],我们研究的面向彩色微显示的白光有机微显示正是选择了Al作互连金属。在这种情况下,由于Al具有较高的反射率,如何在Al作为底电极的情况下实现高性能TEWOLED是一项难题。如引言中所述,削弱顶发射结构中的强微腔效应是目前实现高性能TEWOLED的有效途径,主要方法有以下3种:(1)采用高透光率的顶电极,如ITO、AZO等透明电极[10],但是溅射过程对有机功能层会造成相当程度的损害。(2)采用高吸收、低反射的金属底电极,如Mo、Cu等金属电极[8,12]。(3)采用半透明的金属顶电极,如Al/Ag、Yb/Au等半透明复合顶电极[11-13]。综合考虑,我们选择了在可见光范围透光率较高的Cu作为TEWOLED的顶电极。但是以Cu作为顶电极仍面临两点难点,其一是金属与电子传输层能级不匹配问题,针对这一问题,我们通过引入电子注入层修饰金属电极与电子传输层间的界面,提高电子注入能力[14],改善了器件的电学特性。另一难点是,如何获得高亮度的白光发射。尽管Cu顶电极较常规Al、Ag顶电极的反射率更低,但并不能完全消除微腔效应,为此,我们将器件的谐振波长设计在黄光处,增强该波长的发射,而使用光学覆盖层增加因谐振位置而受到削弱的蓝光的输出,从而实现高效率的白光发射。通过生长光学覆盖层是一种有效的调节光谱稳定性的方法[15-16]。我们研究出了一种适合TEWOLED的顶电极结构:Cs2CO3(1 nm)/Al(2 nm)/Cu(18 nm)/Tc Ta(60 nm),其在可见光范围内透射率达到64.9%～85.3%,吸收仅为11.8%～20.9%,而在顶发射器件中使用的常规半透明金属Ag顶电极在可见光范围内透射率仅有大约40%[17]。

我们将优化的复合顶电极结构应用到白光器件中,制备了基于蓝色磷光染料FIrpic和黄色磷光染料PO-01的互补色TEWOLED,并以相同结构的底发射WOLED作为对比。能级结构图如图1所示。

图1 能级关系图Fig.1 Schematic diagram of HOMO-LUMO values of some materials used in this paper

器件结构如下:

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为顶发射器件,WA3为底发射器件,图2为WA1-WA3的亮度-电压-电流密度特性曲线。可以看出采用Al底电极、Cu顶电极结构的顶发射器件和采用ITO作底电极、Al作顶电极的底发射器件在相同驱动电压下呈现出基本一致的亮度值和电流密度值。这是因为尽管Cu电极具有较高的功函数(4.7 e V)[17],与电子传输层Bphen的LUMO能级(－2.55 e V)之间的能级差高达2.15 e V,但是由于Cs2CO3/ Al复合电子注入层的引入,能够实现电子从Cu电极有效的注入到电子传输层Bphen,而Al底电极的功函数仅为4.3 e V[18],同空穴传输层TAPC 的HOMO能级(－5.5 e V)之间也存在1.2 e V的能级差,由于TAPC:MoOx掺杂空穴注入层的引入,同样实现了空穴从Al电极向空穴传输层的有效注入。

图2 器件WA1-WA3亮度-电压-电流密度特性曲线及相同电压下的EL光谱Fig.2 Luminance-voltage-current density characteristics of WA 1-WA 3 and the normalized EL spectra at the same voltage

图2左上角插图为该组器件在6 V下的归一化EL光谱,WA1的蓝光部分受到明显的抑制,这是因为我们设计的TEWOLED的微腔长度为110 nm,为556 nm的黄光实现共振发射的微腔长度,而对于短波长的蓝光部分则表现出一定程度的抑制作用。通过在Cu顶电极外侧引入60 nm的Tc Ta光学覆盖层,这种抑制作用得到较好的削弱,使得WA2表现出比较均衡的蓝光和黄光发射。甚至同底发射WA3基本一致的EL光谱,近似朗伯体分布,如图2左下角插图所示。

WA1-WA3的效率-电流密度特性如图3所示,1 000 cd/m2的亮度下,WA1实现了31.9 cd/ A的电流效率和25.5 lm/W的功率效率;WA2由于光学覆盖层的引入,提高了Cu顶电极的光耦合输出效率,使得WA2实现了34.8 cd/A的电流效率和28.5 lm/W的功率效率;作为对比的WA3的电流效率和功率效率分别是36.5 cd/A 和30.0 lm/W。此外,WA2表现出非常好的效率稳定性。我们制备的TEWOLED能够实现较高的效率以及较好效率稳定性的原因可以归纳为以下三点:第一,p型掺杂空穴注入层和Cs2CO3/ Al复合电子注入层的引入,实现了空穴和电子的分别从两侧电极较平衡的注入到空穴传输层和电子传输层;第二,我们采用的双极性主体材料26DCzPPy与两侧传输层之间注入势垒较小,实现了载流子向发光层的平衡注入以及在发光层内的平衡传输,空穴和电子能够有效注入到发光层内,形成的激子均匀分布于整个发光层内,并通过Dexter能量转移将能量转移给蓝色和黄色磷光染料分子。第三,Tc Ta、26DCzPPy和Bphen的三线态能级(T1)均不低于磷光染料FIrpic和PO-01的T1,将三线态激子有效地限制在发光层内,抑制了由磷光染料向主体或相邻阻挡层材料的反向能量转移(Back energy transfer),充分利用了发光层内产生的激子。

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

图4 相同电流密度下器件WA 1-WA 3角度依赖特性Fig.4 Spectra of devices WA1-WA3 at the same current density

以上3个器件表现出不同的角度依赖特性,如图4所示。WA1的EL光谱中,蓝光部分的相对强度随着测试角度的增加而逐渐增强,表现出微腔结构中普遍存在的随观察角度增加发光蓝移的现象[18-21],WA2的EL光谱几乎不随测试角度改变而变化,表现出可与底发射白光器件WA3比拟的光谱稳定性,间接的反映出采用60 nm的Tc Ta光学覆盖层的顶发射白光器件WA2中不存在明显的多光束干涉效应。良好的角度特性有利于提高有源显示的显示效果。

4 白光有机微显示样品

由上述可知,基于Cu顶电极的TEWOLED与采用Al作为互连金属的CMOS工艺兼容,我们将其应用到有机发光微显示中。

图5 白光有机微显示器显示效果(下左为灰阶测试,下右为显示效果)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驱动电路基板要保证衬底非常平整,为此要对硅芯片进行化学机械抛光(CMP),而对于采用Al工艺的芯片经过CMP表面会产生几纳米的氧化铝层,这导致发光单元的驱动电压增加,不利于实现高性能的微显示。我们通过不断提高顶发射器件性能,优化CMP方案,摸索工艺参数,最终获得了SVGA白光有机微显示器件,如图5所示。

5 结 论

介绍了采用可见光范围内透光性较高的Cu做顶电极的TEWOLED,实现了低驱动电压(4 V下亮度超过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。通过电子注入层Cs2CO3/Al的引入,解决了Cu电极功函数与电子传输层Bphen的LUMO能级不匹配的问题,利用p型电学掺杂TAPC:MoOx解决了Al电极功函数和空穴传输层的HOMO能级不匹配问题。通过Tc Ta光学覆盖层的调节作用,电致发光光谱几乎不随角度变化而变化。互补色TEWOLED方案是针对OLED宽光谱特点为适应彩膜滤光而选择的。我们将该TEWOLED应用到白光有机微显示中,获得了较好的显示效果。在前期实现单色硅上有机微显示的基础上,又成功实现白光有机微显示器件。白光有机微显示的实现为研究彩色有机微显示奠定了坚实的基础。

致 谢

以上工作的完成要感谢科技部973计划和国家基金委面上项目的支持。本课题组依托于吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室,在有机微显示面阵芯片方面连续两次获得国家“973”计划项目的支持(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,河北石家庄人,硕士,主要从事面向有源有机发光显示的有机电致发光器件方面的研究。E-mail:462417210＠qq.com

王红波(1969－),女,吉林长春人,副教授,硕士生导师,主要从事有源有机发光显示驱动电路的研究。E-mail:wang_hongbo＠jlu.edu.cn

2015-01-14;

2015-02-23.

国家自然科学基金(No.61275033)

∗通信联系人,E-mail:wang_hongbo＠jlu.edu.cn