高效高亮度硅基顶发射有机电致发光器件的研制

陈 燕，陈星明，胡胜坤，金 玉，吴志军∗

（1.华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门361021；

2.厦门市移动多媒体通信重点实验室，福建厦门361021）

高效高亮度硅基顶发射有机电致发光器件的研制

陈 燕1，2，陈星明1，胡胜坤1，金 玉1，吴志军1∗

（1.华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门361021；

2.厦门市移动多媒体通信重点实验室，福建厦门361021）

以半透明超薄金属银作为阴极，紫外臭氧处理的厚金属银作为阳极，制备了高效率高亮度的黄光硅基顶发射有机发光器件.当电压为9 V时，器件的最大电流效率为4.9 cd/A，当电压为17 V时，器件的亮度达到14 040 cd/m2.通过增加掺杂浓度及阳极厚度对器件结构进一步优化后，器件性能显著提高，其电流效率在外加电压为10 V时达到11 cd/A，相应亮度为21 748 cd/m2.顶发射器件中存在的微腔效应能有效提高器件的发光效率以及亮度，但是也会使器件的共振波长随着观察视角的增大而蓝移.由于采用合适的发光材料，本实验制备的器件的发光峰值在0°～75°视角范围内几乎没有变化.

顶发射；有机电致发光器件；表面修饰；亮度；电流效率

1　引 言

自从Tang和VanSlyke于1987年首次报道高效率的双层结构有机电致发光器件（Organic Light Emitting Device，OLED）以来［1］，由于OLED具有低电压、低成本、宽视角、响应快、面发光等优势，因而在平板显示领域有着广泛的应用前景.如今平板显示大多为有源矩阵（Active Matrix）驱动方式，早先报道的AMOLED都是用TFT作为驱动元件的底发射结构，这就存在一个开口率的问题.因为底发射AMOLED的显示发光区域会与驱动电路相互竞争，其像素开口率一般较低，特别是对于那些像素极小的微型显示来说更为明显.而顶发射器件就不存在这种情况，因为光向上射出，不受下面的驱动电路的影响，从而提高了像素的开口率，所以顶发射器件逐渐成为OLED研究领域的一大热点［2］.

顶发射有机发光器件的电极选择至关重要，一般阳极是高反射率的金属电极（Ag、Al等），阴极是半透明的金属电极，考虑到出光的效果，金属阴极厚度一般为20 nm.本文采用的是高反射率、在可见光范围内低吸收以及良好的导电性的金属Ag作为电极材料.为了改善载流子的注入效率，实验中对阳极Ag的表面进行紫外处理［3］，生长一层超薄的Ag2O薄膜，同时对于阴极，热蒸镀一层超薄的LiF/Al以利于电子的注入.顶发射器件中存在的微腔效应对器件影响非常大，可以利用微腔效应来增大器件的发光效率以及色纯度［4］，但是也会使发光颜色随着观察视角的变化而变化［5］，显然这对于实际的应用是不利的.如何能使顶发射器件获得高发光效率的同时又能避免光谱角度性的问题，众多学者对此进行了很多研究，并取得一系列的成果.如Chen等人［6］采用光输出耦合层来改善光谱的角度性问题.本文在硅衬底上制备了一种结构简单的黄光顶发射器件，通过对器件结构的优化设计，在获得高效率、高亮度的同时，器件的发光峰值随着观察视角的增大几乎没有蓝移.

2　实 验

制备的器件结构为:Si/SiO2/Ag/Ag2O/m-MTDATA/NPB/Rubrene∶Alq/Alq/LiF-Al/Ag.其中Ag/Ag2O作为阳极，LiF-Al/Ag作为复合阴极，4，4′，4″-tris（3-methylphenylphenylamino）-triphenylamine（m-MTDATA）作为空穴注入层，N. N′-Bis（naphthalene-1-yl）-N，N′-bis（phenyl）-benzidine（NPB）作为空穴传输层，5，6，11，12-tetraphenylnaphthacene（Rubrene）掺杂到tris（8-hydroxyquinoline）aluminium（Alq）作为发光层，未掺杂的Alq作为电子传输层，材料的化学分子式如图1所示，器件结构如图2所示.

图1　材料的化学结构式Fig.1　Chemical structures of materials

图2　顶发射器件结构Fig.2　The structure of the TEOLED

制作器件之前，将表面镀有1 600 nm的SiO2的硅片依次用丙酮、乙醇以及去离子水各超声清洗15 min，烘干后用氧等离子清洗机对衬底表面再处理10 min，放置于LN-1103SA多源气相沉积系统中，热蒸镀45 nm的Ag，然后送入紫外臭氧清洗仪，对Ag表面进行紫外照射处理，处理时间为2 min.这样可在Ag的表面生长一层超薄的Ag2O以利于空穴的注入.表面处理后再用多源气相沉积系统按照器件的结构依次生长不同的材料.蒸镀过程中，系统真空度始终保持在2.5× 10-4Pa，薄膜生长的速率及厚度均可以通过控制面板来控制.有机材料的蒸镀速率为0.1 nm/s，LiF蒸镀速率为0.003 nm/s，金属Al及Ag蒸镀速率为0.3 nm/s.OLED有效发光面积为3 mm× 3 mm.器件的电致发光光谱、电压、亮度、电流密度、效率等是由MAYA2000PRO、keithley 2400程控电源以及LS-110亮度计组成测试系统进行同步测量.所有测量都是在室温大气中进行.

3　结果与分析

图3是顶发射器件在11 V电压下的归一化电致发光光谱，从图中可以看出，光谱有两个发射峰，Alq的530 nm以及Rubrene的560 nm.制备的器件发光层中Rubrene不仅可以直接捕获载流子形成激子，还可以通过Förster能量转移机制［7］，从Alq形成的激子中获得能量从而发光，显然光谱中出现Alq发射峰说明发光染料Rubrene掺杂的浓度较低，从而Alq中会产生过剩的激子并发光.

图3　器件在11 V时的归一化电致发光光谱Fig.3　Normalized EL spectra of the device at 11 V

图4给出了器件的电流密度-电压-亮度特性曲线.从图中数据可以看出，器件的开启电压为4 V，当电压为17 V时，器件的亮度达到14 040 cd/ m2.器件较高的亮度以及电流密度主要是由于Ag表面的一层超薄的Ag2O显著改善了空穴的注入，Ag2O具有P型半导体的特性，其禁带宽度为1.3 eV，电离能为-5.3 eV，电离能与空穴注入层m-MTDATA的HOMO能级（-5.1 eV）非常接近，有利于空穴的注入.图5是单独制备的单载流子器件Ag/Ag2O/NPB/Al和Ag/NPB/Al的电流密度-电压特性曲线，从图中可以明显看出，Ag2O的引入明显改善了空穴从阳极注入的效率.图6给出了器件的电流效率-电压特性曲线，当电压为9 V时，器件电流效率达到最大值4.8 cd/A.

图4　器件的电流密度-电压-亮度特性曲线Fig.4　Current density-voltage-luminance characteristics of device

图5　结构为Ag/Ag2O/NPB/Al和Ag/NPB/Al的器件电流密度-电压曲线Fig.5　Current density-voltage characteristics of the devices with the structure of Ag/Ag2O/ NPB/Al and Ag/NPB/Al

图6　器件电流效率-电压特性曲线Fig.6　Current efficiency-voltage characteristic of the device

顶发射器件存在较强的微腔效应，由微腔理论可知，顶发射器件中有机层以及电极的厚度对器件的光电性能有着很大的影响［8］.对此，我们对已制备的顶发射器件结构进一步优化，将阳极Ag的厚度从45 nm增大到70 nm，阴极厚度不变，同时增大发光层中发光染料Rubrene掺杂的浓度至5%，从而抑制发光层中Alq发光带来的影响.基于Rubrene的底发射器件的发光峰值位于560 nm处，因此，为了在此发光峰值处实现增益，可通过调节顶发射器件有机层厚度来调节器件的共振波长.当电子传输层Alq厚度从先前的20 nm增大到65 nm时，顶发射器件的共振峰位于560 nm附近，从而提高了器件的发光效率.图7为优化及未优化的两个顶发射器件电流密度-亮度特性曲线.从图7中可以看出，在相同的电流密度下，优化后的器件显示出更高的亮度.图8为优化后器件的电流效率-电压特性曲线，当电压为10 V时，电流效率达到最大值11 cd/A，是未优化器件的电流效率两倍多.

当电压为11 V时，我们比较了优化后的器件在不同观察视角下的光谱.从图9中可以明显看出，不同于以往有关TEOLED光谱角度性的报道［9］，优化后的顶发射器件的发光峰值并未随着观察视角的增大而出现明显的蓝移现象，其峰值仅仅位移了8 nm，半高宽（FWHM）从32 nm仅增大到44 nm.TEOLED的发光光谱与发光材料本身的发光特性关系紧密，由于Rubrene本身的电致发光谱较窄［10］，使得相应的TEOLED具有良好的光谱角度特性，随视角变化，光谱峰值变化较小.

图7　器件电流密度-亮度特性曲线Fig.7　Current density-luminance characteristics of the devices

图8　优化后器件的电流效率-电压特性曲线Fig.8　Current efficiency-voltage characteristic of the optimized device

图9　不同视角下的顶发射器件光谱Fig.9　Spectrum characteristics of TOLED at diffe rent view angle

4　结 论

采用半透明超薄金属银作为阴极，紫外臭氧处理的厚金属银作为阳极制备了一种硅基顶发射黄光器件.当电压为9 V时，器件的最大电流效率为4.9 V，当电压为17 V时，器件的亮度达到14 040 cd/m2.对器件结构进一步优化，器件亮度与效率进一步提高，同时，器件发光峰值在0°～75°的观察视角范围内几乎没有变化.研究表明，采用合适的发光材料，通过合理的器件结构设计可以获得高效率、高亮度、光谱角度特性良好且结构简单的顶发射有机发光器件.

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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

陈燕（1981-），女，福建泉州人，讲师，2003年于南京邮电学院电子信息工程系获工学学士学位，2006年于北京大学信息科学技术学院获工学硕士学位.当前主要从事有机电致发光器件、有机光伏器件及有机薄膜晶体管方面研究.E-mail:goldency@hqu.edu.cn

吴志军（1977-），男，福建泉州人，副教授，2000年于吉林大学电子工程系获工学学士学位，2006年于吉林大学电子科学与工程学院获理学博士学位.当前主要从事有机电致发光器件、有机光伏器件及有机薄膜晶体管方面研究.E-mail:quantumoed@126.com

2015-07-01；

2015-09-14.

国家自然科学基金资助项目（No.61404053）

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

∗通信联系人，E-mail:quantumoed@126.com