阴极耦合层对顶发射白光OLED器件光电性能的影响

王光华，季华夏，张筱丹，段 瑜，孙 浩，杨炜平，李牧词，金景一，万锐敏

（云南北方奥雷德光电科技股份有限公司，云南 昆明 650223）

1 引 言

OLED在实现高分辨率、全彩以及主动驱动平板显示领域中具有重大应用前景，正成为目前发光领域中的研究热点。在顶发射型的有机电致发光器件（TEOLED）中，光是从顶电极一侧出射，将像素驱动电路制作在有机发光器件下方的衬底上，这解决了器件像素驱动电路和显示发光面积相互竞争的问题，大大提高了器件的开口率，有利于制作高亮度、高分辨率的有机平板显示器［1－3］。为了使光的取出效率达到最大，顶发射器件一般采用反射率较高的金属作为底部反射电极，而顶端则为便于光取出的透明或半透明电极。然而利用半透明金属顶电极制备顶发射有机发光器，由于顶电极较高的反射率，会在器件中引入了微腔效应，这样的微腔效应对顶发射白光器件（TEWOLED）的制作是不利的［4－8］。

目前制备TEWOLED器件虽然具有较大发光效率，然而大部分TEWOLED器件存在色坐标偏离白光等能点，尤其是色坐标随视角的变化较大，严重制约TEWOLED器件在照明和显示方面的应用，色坐标随视角的变化主要由于微腔效应的影响［9］。本论文研究首先在硅基底上制备具有电阻率低和反射率高的多层金属作为顶发光器件的阳极；然后，在半透明金属Mg：Ag合金上沉积折射率匹配层LiF和Al2O3薄膜来降低半透明阴极的反射率，抑制微腔效应的影响，改善器件EL光谱和视角的稳定性。实验基于转移矩阵理论计算分析了 ETL／EIL／Mg：Ag／LiF或 Al2O3或LiF＋Al2O3透过率和损耗（R、A）与波长的关系，在此基础上，重点分析和研究了折射率匹配层对OLED器件的光电性能影响的规律。

2 实 验

2.1 器件制备

实验设计了共阴极的OLED器件驱动电路，每个单元上有2个5mm×5mm2的发光区域，相当于两个大的“像素点”，两个“像素点”阳极独立，采用共阴极结构设计，器件的有效面积是通过光刻和掩模的方法实现。实验首先将表面有160 nm氧化硅的硅衬底依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗、吹干；接着，在温度为120℃的等离子清洗机中对硅基板进行等离子清洗；然后，将清洗干净的硅基板放入电子束蒸发系统中制备金属阳极，待金属阳极制备好后，依次沉积空穴注入层（15nm）、空穴传输层（10nm）、发光层（20nm）、电子传输层（15nm）、电子注入层（10nm）、半透明阴极（Mg∶Ag合金），其中，半透膜阴极厚度控制在10nm，组成比例为1∶10；最后，在半透明阴极上制备折射率匹配层LiF和Al2O3薄膜，其厚度分别为25nm和25nm。实验是基于共掺杂技术以及主－客体材料之间的能量转移机制，通过在蓝光主体材料中掺杂客体材料实现白光发射，材料的蒸发速率为～0.2nm／s。在整个蒸镀过程中，系统真空度保持在＜2×10－4Pa，各膜层的蒸发速率和厚度用石英晶振监测。

2.2 器件性能表征

实验采用椭圆偏振光谱仪（UVISEL／460－VIS－AGAS，JOBIN YVON）对金属阳极反射率进行测试，采用四探针电阻测试仪测试金属的方块电阻。制备的多层金属阳极在450～780nm的可见光波段范围内的反射率大于50%，方块电阻小于10Ω／□，而且薄膜均匀性好。OLED器件的电致发光（EL）光谱、亮度、色度、电压／电流密度－电压之间的关系，采用计算机控制的可编程的 Keithley 2400数字源表和 Photo Research PR－650光谱扫描计同步测量，整个测试过程由电脑程序控制，而且所有测试过程均在常温、常湿条件下完成。

3 结果与讨论

3.1 基于传输矩阵理论计算多层薄系的透过率和损耗

图1 多层膜系结构Fig.1 Structue of multi－layers thin films

在顶发射器件中，半透明阴极的透过率和反射率对器件的性能有着决定性的影响。实验基于传输矩阵理论，采用Matlab编程的方法数值计算了半透明阴极（多层膜系）的透过率和损耗（吸收、反射），这里只考虑顶发射OLED中的光在法线方向经过多层膜系时的透过率和损耗。因此，其中一束光通过一个多层膜系发射出来；而另一束光就反射回顶发射OLED中，多层膜系结构示意图如图1所示，其中L1～L4代表有电子注入层、电子传输层、Mg∶Ag合金和折射率匹配层，多层膜系透过率和损耗通过式（1）的传输矩阵进行推导［10］。

式中：Ein＋和Eout＋分别代表对于进入的平面波和出来的平面波向前传播的波矢的复振幅。Ein－和Eout－分别代表对于进入的平面波和出来的平面波向后传播的波矢的复振幅。rmm’和tmm’（m＝1，2，3，4；m’＝m＋1）分别代表在相邻膜层的界面处的反射系数和吸收系数。δm是光在膜层内沿法线方向的相移。通过推导膜系的透过率T和反射率R就可以表示为：

图2 薄膜折射率（n）和消光系数（k）Fig.2 Refractive index and extinction coefficient of thin films

制备的25nm LiF和25nm Al2O3薄膜折射率和消光系数与波长的关系如图2所示。图3（a）为采用相同厚度LiF和Al2O3薄膜作为阴极耦合层时，多层膜系透过率曲线。从图3（a）可以看出，相同厚度LiF和Al2O3薄膜作为阴极耦合层时，多层膜系透过率曲线存在较大差异。在波长～400nm范围，采用25nm LiF和Al2O3薄膜作为阴极耦合层时，两者透过率大小基本相等。这由于在波长～400nm范围，LiF折射率高于Al2O3，高折射率的阴极匹配层存在，当光从阴极射向折射率匹配层，界面处具有较大全反射角，较大全反射角增大了出光几率，减少因较大角度入射光线被反射回器件内部而被吸收的几率；同时，在此波段由于LiF消光系数较大，消光系数与吸收系数成正比，如式（5）所示。因此，在波长小于400nm时，采用LiF制备多层膜系在具有较大全反射角，同时由于较大消光系数也增加了吸收损耗，所以整体上多层膜系透过率没有明显增加。

在波长400nm～800nm范围，采用25nm Al2O3薄膜作为阴极耦合层的多层膜系的透过率高于采用25nm LiF薄膜作为阴极耦合层的多层膜系。从图3可以看出，在波长大于400 nm的波段，Al2O3折射率大于LiF薄膜折射率，而两者的消光系数都接近为0，即基本没有吸收；因此，高折射率的Al2O3匹配层有效地促进了光路的耦合效果，提高了多层膜系透过率。另外，通过计算发现采用LiF和Al2O3双层结构的折射率匹配层的膜系结构不但具有高的透过率，而且高透过率的频带较单独采用LiF和Al2O3薄膜时宽，这对顶发光白光OLED器件的光萃取非常有帮助，从而易于多波长共振来实现色坐标稳定的白光发射。

图3 理论计算得到的多层膜透过率（T）和损耗（R＋A）曲线Fig.3 Theoretical calculation of the transmittance and（T）absorption and reflection loss（R＋A）curve of multi－layers films

3.2 器件电压－电流密度－亮度特性分析

从上面理论分析可知，顶发射器件的出光性能可以通过优化半透明阴极的结构得到进一步改善。在半透明阴极之上覆盖一层折射率匹配层（或称之为帽层）是提高器件出光率最有效的方法之一。图4为单独采用LiF和采用LiF＋Al2O3双层薄膜作为折射匹配层时，硅基顶发光OLED器件J／V曲线。由于OLED器件是电流型驱动器件，所以实验在测试OLED器件J／V特性时，通过改变流过器件阳极单位面积不同电流值来测试器件两段电压值［10］。从图可以看出，采用不同折射匹配层时，器件的J／V曲线完全一致，这说明了使用不同阴极折射率匹配层材料对器件对载流子注入、传输和复合机制没有影响［11］。

图4 不同折射率匹配层下器件J－V曲线Fig.4 J－Vcurve of top－emitting organic white light emitting devices with different couping layers

图5为分别采用LiF和LiF＋Al2O3双层薄膜作为折射匹配层时，硅基顶发光OLED器件电流密度与亮度曲线。从图中可以看出，在同样电流密度下，采用LiF＋Al2O3双层薄膜作为折射匹配层顶发光器件的亮度高于采用LiF作为折射匹配层时的器件亮度。同时，从图5可以看出，采用LiF＋Al2O3双层薄膜作为折射匹配层制备的顶发光器件电流密度与亮度曲线的斜率大于采用LiF薄膜作为折射匹配层时斜率，这表明采用双层薄膜的器件具有更高电流效率。这也说明了在顶发射器件的半透明阴极之上引入一层高折射率匹配层能够很大程度上修饰半透明阴极的透过率和反射率，由此调节了器件的出光率。

图5 电流密度与器件发光亮度的关系Fig.5 Relation between the brightness and the current density of devices

另外，大量实验研究表明了OLED的电学性能并不受折射率匹配层的影响［12－13］。器件的亮度和发光效率的提高完全是由于折射率匹配层修饰了半透明阴极的光学结构所引起的，这表明了器件内部的各种干涉效应导致了器件正前方电致发光强度的变化。在具有微腔结构的顶发射器件中，广角干涉和多光束干涉以及它们之间的相互作用对于提高器件的出光率起着决定性的作用，而顶接触的透过率和反射率很大程度上又影响了这些干涉效应以及它们之间的相互作用。

3.3 器件EL光谱分析

顶发射白光有机发光器件的制作一直是白光器件中的难点，其很强的微腔效应使得发光颜色对视角有很大的依赖性，即随着观测角度的不同，其发光光谱和色坐标将会发生很大的变化，很难实现全视角且色坐标稳定的白光发射。另外，顶发射器件中的谐振波长也影响光取出效率，如果谐振波长与发光材料在无腔器件中电致光谱的峰值相不匹配，将不利于提高器件的发光效率。因此，通过折射率匹配层来改善OLED器件光耦合特性就显得尤为重要［14－5］。图6为采用LiF＋Al2O3双层薄膜作为折射匹配层制备的硅基顶发光OLED器件EL光谱和色坐标与观察视角的关系，从图6（a）可以看出，器件在20mA／cm2电流密度下，随着观测角度的增大，器件发射光谱的共振峰位置发生蓝移，而且短波方向的发光强度逐渐增强，这导致器件色坐标随着视角的变化产生漂移，如图6（b）所示。这是由于顶部发光器件的微腔效应导致的，可通过式（6）来进行说明：

图6 不同观察视角下电致发光光谱和器件色坐标值Fig.6 Electroluminescence emission spectra and the CIExand CIEyvalue of devices at different viewing angle

其中：θout为出射角度，即观测角度，n为微腔中发光材料的折射率，λ（0）为器件在垂直方向上的共振波长，从中可以看出，随着出射角度（观测角度）θout的增大，共振发射波长λ（θout）相比于垂直方向的发射波长λ（0）变小，即产生蓝移。另外，从图6可以看出，随着观测角的的增大，虽然器件色坐标都存在漂移，但漂移范围较小，这保证了器件在整个观测角度范围内几乎都为白光。这些结果表明，顶发射白光有机发光器件的色坐标可以通过改变阴极结构中折射率匹配层来调节，最终使得器件在全角度范围内实现白光发射，以使在照明和显示方面应用的可能。

4 结 论

基于传输矩阵理论，采用Matlab编程的方法数值计算了半透明阴极（多层膜系）的透过率和损耗（吸收、反射）；然后采用共阴极结构设计制备了硅基顶发光器件，并对采用不同折射率匹配层制备的硅基顶发光器件的J－V、J－L 特性进行了分析；在此基础上，采用LiF＋Al2O3双层薄膜作为折射匹配层制备的硅基顶发光OLED器件的EL光谱和色坐标与观察视角的关系进行了重点分析。结果表明：

（1）采用相同厚度LiF和Al2O3薄膜作为阴极耦合层时，多层膜系透过率曲线存在较大差异；在波长～400nm范围，采用25nm LiF和Al2O3薄膜作为阴极耦合层时，两者透过率大小基本相等，在波长400～800nm范围，采用25nm Al2O3薄膜作为阴极耦合层的多层膜系的透过率高于采用25nm LiF薄膜作为阴极耦合层的多层膜系；采用LiF＋Al2O3双层结构阴极覆盖层时，多层膜系具有高透过率，而且透过率高的频段较宽，能够满足白光器件的应用要求；

（2）采用LiF和LiF＋Al2O3双层薄膜作为折射匹配层时，器件的J／V曲线完全一致。这是说明了阴极折射率匹配层对器件电学性能没有影响。采用LiF＋Al2O3双层薄膜作为折射匹配层时，器件亮度高于单独采用LiF作为折射匹配层时器件的亮度，这进一步证明了理论计算正确性；

（3）在20mA／cm2电流密度下，随着观测角度的增大，OLED器件发射光谱的共振峰位置和色坐标发生蓝移，但器件在整个观测角度范围内都为白光，这表明采用LiF＋Al2O3双层薄膜作为硅基顶发光器件阴极耦合层能调节器件色坐标，最终使得器件能在较大视角范围内还能实现白光发射。

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