高亮度顶发射单色绿光OLED微显示器件制备

段 瑜，张筱丹，孙 浩，朱亚安，王光华，宋立媛，于晓辉，万锐敏，季华夏，李亚文



高亮度顶发射单色绿光OLED微显示器件制备

段 瑜1,2，张筱丹1,2，孙 浩1，朱亚安1,2，王光华1,2，宋立媛1,2，于晓辉1,2，万锐敏1,2，季华夏1，李亚文1,2

（1. 云南北方奥雷德光电科技股份有限公司，云南 昆明 650223；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

通过采用高效磷光体系材料和顶发射有机发光结构，配合自有的SVGA060全数字信号电路系统架构CMOS硅基驱动电路，获得了发光峰位于535nm的高亮度单色绿光、0.6英寸、800×600分辨率OLED微显示器件，最大亮度可达20000cd/m2。其起亮电压为2.6V，亮度从20cd/m2到20000cd/m2的驱动电压摆幅为2.7V，最大电流效率为24.43cd/A。电流密度为20mA/cm2时，色坐标CIEX＝0.286、CIEY＝0.665。该器件在1000cd/m2和500cd/m2亮度下的半衰期为42559h和186208h。

高亮度绿光；OLED；微显示器件

0 引言

近年来，有机电致发光显示器（OLED）由于具有视角宽、响应速度快、轻薄以及较容易实现全彩色平板显示等优点[1-2]，受到了极大了的关注，具有广阔的应用前景。

传统的底发射OLED以TFT作为驱动电路时，存在开口率的问题，特别是针对微显示一类像素极小的显示器件，这一问题就更显得突出。OLED微型显示器作为硅基顶发射有机发光器件[3-4]，光从顶端的透明或半透明的电极出射，所有驱动电路可置于硅基衬底上，有利于实现发光器件与成熟硅基电路的集成，同时还避免了传统底发射器件驱动电路和显示发光面积相互竞争的问题，提高了显示器件的开口率。

OLED显示器中所用的材料分为荧光材料和磷光材料。根据自旋统计估算，在电激发的条件下，空穴和电子结合而成的单线态和三线态激子的几率分别为25%和75%。对荧光材料而言，它只能通过单线态-单线态能量转移的方式来形成单线态激子，因而荧光材料制备的OLED显示器的最大内量子效率为25%。而对于磷光材料而言，它既能通过三线态-三线态能量转移的方式来形成三线态激子，又能通过单线态-单线态能量转移的方式然后经单线态-三线态的系间窜越来形成单线态激子，因而由磷光材料组成的器件的最大内量子效率可达100%。很多文献报道[5-11]采用了磷光材料获得了高性能的OLED器件，特别是单色绿光OLED器件。但是这些报道都是基于底发射的OLED显示结构。本文利用磷光材料形成单层发光层，蒸镀在云南北方奥雷德公司开发的SVGA060硅基板上，从而制备出高亮度顶发射单色绿光OLED微显示器件。

1 设计思路

图1为OLED微型显示器结构示意图，从图上可以看出，OLED微型显示器由PCB背板、硅基驱动电路、金属阳极、OLED有机发光薄膜层、透明阴极、彩色过滤层和玻璃盖片构成。其中彩色过滤层仅限于制备彩色OLED微型显示器使用。

图1 OLED微型显示器结构示意图

1.1 硅基CMOS驱动电路

云南北方奥雷德公司所开发的SVGA060硅基板，采用全数字系统架构的CMOS驱动电路设计，显示尺寸为0.6in，分辨率为800×600。其每个像素点由R、G、B三个亚像素点构成，按垂直列条状排列（如图2所示）。在本文单色绿光器件中，3个亚像素点均发绿光。每个像素的尺寸、发光面积与显示面积的占空比、显示区域尺寸如表1所示。

图2 像素排列图

表1 像素尺寸相关信息列表

图3 驱动电路芯片功能结构图

SVGA060硅基板驱动驱动电路功能结构如图3所示。主要由数字视频信号接口及解码、数字伽玛矫正，RGB增益控制、灰度映射、D/A转换、行列扫描、像素驱动阵列、串行通信、逻辑控制、温度传感器、DC/DC转换等功能模块组成。

数字视频信号接口具有3个8位数据通道，可接受8/16/24位的RGB、YCbCr或Mono视频信号，兼容ITU-R BT.601/656标准。内部解码器根据不同的视频输入格式解码输出24位RGB信号，伽玛矫正电路对24位RGB信号进行查表矫正后，可扩展至3×9位RGB信号输出。

两线串行接口兼容I2C通信标准，用于实现内部寄存器的读写操作，并通过逻辑控制单元实现数字视频信号的解码和处理、伽玛矫正、DC-DC阴极负电压等功能电路的可编程控制和协调工作，以及双目3D效果的实现。

内部温度传感器电路实时监测芯片内部的工作温度，外部控制单元通过两线串行接口读取该温度值后，可根据显示器的亮度－温度特性，按需要及时调整DC-DC阴极负电压，从而实现显示器亮度的温度补偿功能。

1.2 磷光有机发光结构

磷光有机发光结构如图4所示，由阳极、空穴注入层、空穴传输层、绿色磷光发光层、电子传输层、电子注入层和透明阴极构成。有机发光结构中所采用的材料都为玻璃化温度较高的材料，保证整个有机发光结构的稳定性。

图4 磷光有机发光结构及材料结构图

2 实验

本实验采用云南北方奥雷德公司开发的SVGA060硅基背板，在硅片上蒸镀磷光有机发光结构，其中空穴注入层的厚度为300～400Å，空穴传输层的厚度为100～200Å，发光层厚度为250～350Å，掺杂率为15%到20%，电子传输层厚度为250～350Å，电子注入层厚度为100～150Å，蒸发速度保持为1Å/s，蒸镀腔室真空度保持在2×10－4Pa。器件的亮度及光谱由PR-655光度计测量，电流和电压通过Keithley 2400测试仪所组成的测试系统测量。

3 结果和讨论

图5为器件的电流密度-电压-亮度特性曲线。起亮电压为2.6V；电流密度为20mA/cm2时，电压为4.1V，亮度为4700cd/m2；电流密度为44mA/cm2时，电压为4.65V，亮度为10000cd/m2；器件最大亮度可达20000cd/m2。

更为重要的是，对于OLED微型显示器而言，由于其驱动电压的工作范围十分有限，要求在较小的电压变化范围内，器件亮度能有大幅的提升。从图5中可以看到器件亮度从20cd/m2到20000cd/m2的电压变化幅度仅为2.7V，能有效满足OLED微型显示器驱动电压的要求。

图5 电流密度-电压-亮度特性曲线

图6为器件电流效率和功率效率随亮度变化的曲线。在亮度值为1500cd/m2下，电流效率达到最大值，为24.43cd/A，相对应的功率效率为21.73lm/W。随着亮度的增大，电流效率和功率效率都有了不同程度的降低。

图6 器件的电流效率和功率效率随亮度变化曲线

图7为器件色坐标随电流密度的变化曲线，可以看出，电流密度为20mA/cm2时，CIEX为0.286，CIEY为0.665，并且随着电流密度的增加，器件的CIEX和CIEY变化较为稳定，这对于高亮显示应用是十分重要的。

图8为器件在20mA/cm2的电流密度下的EL 光谱，可以看出在535nm处有一宽带发光峰，该发射峰基本接近人眼最敏感的555nm波长的绿光。

图7 器件色坐标随电流密度变化曲线

图8 器件的EL光谱

图9为恒流驱动下器件在3200cd/m2、6000cd/m2和12000cd/m2起始亮度下持续点亮情况下的亮度和时间的归一化曲线。可以看到将亮度和时间归一化后，3条曲线的重合性较好，说明该器件的工艺较为稳定。

根据器件在3200cd/m2、6000cd/m2和12000cd/m2起始亮度下的亮度衰减情况，采用公式(1)进行拟合计算[12-13]，公式如下：

0×1/2＝Constan(1)

公式(1)说明了器件的初始亮度与该初始亮度下的半衰期之间的关系。其中0为器件的初始亮度，1/2为对应起始亮度衰减到一半的时间，也即为器件的半衰期，为加速系数。根据公式(1)从而推算出在特定使用亮度下的半衰期如表2所示。

图9 恒流驱动下器件在3200cd/m2、6000cd/m2和12000cd/m2起始亮度下的亮度和时间归一化曲线

表2 推算出的器件半衰期

4 总结

通过采用磷光体系材料和高效顶发射有机发光结构，配合SVGA060全数字信号电路系统架构的CMOS硅基驱动电路，获得了发光峰位于535nm的高亮度单色绿光、0.6in、800×600分辨率OLED微显示器件，最大亮度可达20000cd/m2。其起亮电压为2.6V，亮度从20cd/m2到20000cd/m2的驱动电压摆幅为2.7 V，最大电流效率为24.43 cd/A。电流密度为20mA/cm2时，色坐标CIEX＝0.286、CIEY＝0.665。该器件在1000cd/m2和500cd/m2使用亮度下的半衰期寿命为42559h和186208h。

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Fabrication of High Brightness Top-emitting Green OLED Micro-display

DUAN Yu1,2，ZHANG Xiao-dan1,2，SUN Hao1，ZHU Ya-an1,2，WANG Guang-hua1,2，SONG Li-yuan1,2，YU Xiao-hui1,2，WAN Rui-min1,2，JI Hua-xia1，LI Ya-wen1,2

(1.,,650223,;2.,650223,)

A high brightness, 0.6inch, 800×600, mono green OLED micro-display, which based on phosphorescent materials, high efficient top-emitting structure and SVGA060 si-base CMOS backplane with full digital system driver circuit have been fabricated. The voltage of device start working is only 2.6V, and the voltage swing as low as 2.7V from 20cd/m2to 20000cd/m2. When current density is 20mA/cm2, the green emission with peak at 535nm and CIE coordinates＝0.286,＝0.665. The maximun current efficiency is 24.43cd/A. The optimized devices have a half-life of 42559 h@1000cd∕m2and 186208 h@500cd∕m2.

high brightness green emitting，OLED，micro-display

O482.3

A

1001-8891(2015)12-1022-05

2015-07-04；

2015-12-09.

段瑜（1981-），女，高级工程师，主要从事OLED器件开发。

云南省应用基础研究重点项目，编号：2012FA004；昆明市产业创新发展重点项目，编号：2014-01-A-G-02-2006。