人体静电放电对有机发光二极管的影响

张建华, 陈章福， 徐小雪， 曹 进， 杨连乔

(上海大学机电工程与自动化学院 新型显示及集成应用教育部重点实验室， 上海 200072)

1 引 言

有机发光二极管(Organic light-emitting device，OLED)最早报道于1963年，Pope等[1]用蒽单晶制备了OLED器件。1987年，Tang和VanSlyke[2]首次用真空蒸镀成膜方法制备出具有注入电极、空穴传输层、发光层三明治夹层结构的OLED器件。有机发光领域中另一重大突破是有机磷光器件的出现，在磷光掺杂体系的研究过程中，人们归纳出两种发光原理:一是载流子在发光材料上的直接复合发光，二是依靠主客体材料之间的能量传递来实现的客体发光[3]。相较于传统显示和照明资源，OLED具有高效、质轻、体薄、亮度高、响应速度快、驱动电压低、可制作柔性和易于实现全彩色显示等优点[4-7]，吸引了广大学者的研究兴趣。随着技术的发展，OLED被认为有着巨大的市场和发展潜力。目前，OLED已广泛应用于ATM机，3G手机，数码相机，摄像机等中小屏[8-9]，并且被认为是未来半导体显示和固态照明的主流技术[10-12]。

近年来，OLED的综合性能得到了快速的发展，而基于先进材料，如刚性封装材料、柔性封装材料、边缘缝隙封装材料和有机电致发光器件封装材料的添加剂，以及先进封装方法，如刚性与柔性结合封装技术、基板技术、微连接技术和与驱动方式的适配技术，其可靠性问题在一定程度上也得到很大程度的提升[13-17]。众所周知，静电在产品的生产、运输、存储及使用过程中都会产生，过高的静电对电子产品造成的破坏和损伤包括突发性损伤和潜在性损伤两种。其中，潜在性失效占据了总失效数目的90%，也就是说90%的静电损伤是无法即时检测排查的，导致终端用户长期使用过程中才会出现一些原因未知的可靠性问题。正因如此，静电放电(Electro-static discharge，ESD)被认为是电子产品质量最大的潜在杀手，静电防护也成为电子产品质量控制的一项重要内容。电子产品的抗静电特性受器件材料、结构及工艺条件的共同影响[18]，对于OLED这一快速发展的半导体照明技术来说，深入综合地探讨ESD影响及分析其机理是一个具有重要学术意义及产业价值的问题。

迄今为止，静电放电(ESD)对OLED性能影响的研究工作尚未见报道。一般情况下，主要以人体模式来描述器件静电敏感电压的相关问题。本文分析了在人体模式(Human body model,HBM)下不同ESD应力下OLED的性能变化，并初步探讨了ESD对器件寿命的影响。

2 实 验

本文中的OLED器件采用真空蒸镀的方法制备。本文研究的侧重点不在于器件结构的设计及性能的提升，因此选用了较为常见的材料、结构及封装方法。具体的器件结构为Glass/ITO(100nm)MoO3(5nm)/CBP(40nm)/CBP∶Ir(ppy)3(20nm,8%)/TPBi(50nm)/LiF(1nm)/Al(80nm)。其中，CBP作为空穴传输层(Hole transport layer, HTL)，掺杂 Ir(ppy)3的CBP作为发光层(EML)，TPBi作为电子传输层(Electron transport layer, ETL)。HTL和ETL材料的沉积速率是0.12nm/s；LiF和Al的沉积速率分别为0.01nm/s 和0.5nm/s。使用前，ITO玻璃衬底经过常规的清洗处理。OLED功能层沉积后，器件在无空气的手套箱中用盖板玻璃和环氧树脂进行了封装。OLED器件发光原理示意图及能级结构图分别如图1(a)、(b)所示。

图1 OLED器件的结构示意图(a)和能级结构图(b)

Fig.1Device structure (a) and energy level (b) of OLED

在进行ESD静电打击前，OLED样品经J-V和L-V测试，筛选了4组样品，每组含有5个色块，样品间的伏安特性、亮度偏差均在±5%以内。静电测试采用了人体模式ESD(Chroma，58154-A)，分别选用了-200，-800，-1600V的静电对样品组2、3和4进行反向连续击打3次,打击间隔为1s。静电打击后测试并记录相应的光电参数，然后分别将4组样品置于0.5mA的偏置电流下，使用实验室自制的多通道OLED寿命在线测试仪进行室温(～25℃)加速寿命测试。在老化过程中,每隔1min进行一次光学参数在线测量，累计老化时间达290h, 本文所示结果为每组OLED器件样品性能的平均值。器件的光电特性测试均采用电流/电压源/测量单元吉时利(Keithley)2400和PR-670光谱色度计进行表征。

3 结果与讨论

静电打击前，制备的发光面积为2mm×2mm的OLED样品的主要光电特性如图2所示。OLED器件的启亮电压(亮度为1cd/m2时的电压)约为2.6V，最大电流效率为48cd/A。图2(a)给出了外部量子效率(External quantum efficiency,EQE)与亮度的关系，从中可以看出亮度为1000cd/m2时电流效率为43cd/A、EQE为21lm/W，随着亮度的升高，EQE呈现轻微下降趋势，但变化并不显著，表明本文设计的器件能在较宽的亮度范围内保持良好的载流子平衡。图2(b)为OLED器件发光光谱与正向电压之间的关系，从中可以得知，器件的峰值波长为514nm，且不随偏置电压变化而变化，同时也验证了器件设计与制备工艺的稳定性。

图2(a)样品的J-V-L特性曲线，插图为电流效率和功率效率与亮度的关系；(b)不同偏置电压下的样品的光谱。

Fig.2(a)J-V-Lcharacteristics of the fresh samples. Inset is the relationship of current efficiencyvs. luminance and power efficiencyvs. luminance. (b) EL spectra of the fresh samples at various bias voltage.

不同级别ESD静电冲击后器件的光电性能如图3所示。从图3(a)可以看出，OLED器件的光谱对ESD并不敏感，本文实验范围内光谱没有发生明显变化。从图3(b)可知，在静电冲击后，各组样品的发光性能略微降低，降低的幅度随着ESD电压的增加而增大，且在本文的实验范围内未发生灾难性失效。我们认为，人体模式下的ESD打击对载流子传输产生了抑制效应，因此光效与亮度均有所降低。由图3(c)可知，各组样品在静电冲击后正向偏置的I-V特性没有发生明显的变化，在反向ESD为200V和800V的静电冲击下，反向漏电特性与冲击前基本在同一个数量级上，但是当静电冲击增至1600V时，样品的反向漏电流至少有一个数量级的明显变大。

图3ESD应力作用前后的OLED器件的光谱图(a)、亮度(b)和伏安特性(c)。

Fig.3EL spectra (a), luminance (b), andI-Vcharacteristics(c) of OLEDs before and after ESD stress.

由于静电对器件带来的损伤绝大部分为潜在性失效，为了分析ESD对器件寿命的影响，我们对样品进行了电流加速实验。4组样品在加速电流为0.5mA下的寿命测试结果如图4所示。在器件的老化过程中，第3组的第2个样品和第4组的第1、第5个样品的光电特性出现了大幅的波动，而同组其他器件未出现类似情况。因此，在数据处理过程中，我们将该样品的数据剔除，图4所示为剔除偶然性失效器件后同组样品的平均值。从图4可以看出, 本文研究的OLED器件在不加静电直接进行老化和施加200，800，1600V 静电击打后再进行老化的4种情况下,光输出的衰减趋势是类似的，并且各组样品老化速率没有明显且规律性的变化。这大概是因为，短时间ESD的反向高压冲击会在短时间内对载流子产生抑制效应，但是随OLED工作时间的推移，在发光层内部界面载流子的积累及因此形成的内建电场会逐渐帮助被反向高压抑制的载流子在工作过程慢慢恢复至原来的状态。

图4ESD打击后的器件的亮度衰减曲线(加速电流：0.5mA)

Fig.4Luminous decay of OLEDs after ESD (Accelerating current:0.5mA)

对于出现明显波动的器件，我们分别测试了第3组的第2个样品和第4组的第1个样品的光电特性。两个样品的光谱与正常老化样品相比没有发生明显变化，但是其正向和反向电流都出现了明显的增大，结果如图5所示。有机材料或电极界面间存在微观不平整，当器件工作时，会形成不均匀的电场，导致某些点电流过大、短路或成为“热点”，氧化金属电极，引起电学短路和界面电化学反应，形成黑斑，导致器件的发光面积减小，衰减特性不同于常规的本质老化过程[19-20]。局部区域的失效相当于对正常驱动的二极管引入了一个并联电阻，该并联电阻的大小与黑斑面积直接相关。由于引入了并联电阻，正反向等效电阻都会减小，从而导致在器件施加正、反向电压时，反向漏电、正向导通电流都出现明显增大的趋势。当黑斑区域增大到一定程度时，就会出现如图5所示的正反向伏安特性基本一致的情况。

图5失效器件的伏安特性曲线，插图为两个失效器件的发光效果图。

Fig.5I-Vcharacteristics of the failure devices. Insets are the photos of the failure devices.

上述结果表明，本文实验范围的人体模式ESD冲击对器件的寿命无明显规律性影响。我们知道，OLED器件的老化由多种因素所决定，涉及物理、化学、电子学和界面科学等学科知识，是一个复杂的问题。器件材料、结构及制备工艺的改变均有可能导致异于本实验的结果，系统深入的系列研究还有待进一步开展以建立分门别类的指导性方案。

4 结 论

本文在4组OLED器件上施加与人体模型等效的脉冲静电0，200,800,1600V冲击，研究了OLED的性能与ESD的相关性，并初步探讨了相应的物理机制。研究发现，OLED器件的光谱对ESD不敏感，随着冲击电压的增大，由于静电打击对载流子的短期抑制效应，OLED的亮度出现轻微下降。在200V和800V时，伏安特性没有发生变化，当静电冲击增至1600V时，反向漏电流有明显增加。后续的加速寿命实验表明，静电打击对器件的工作寿命没有明显的规律性影响，但是会一定程度提高非本质老化失效的概率。静电冲击对OLED器件性能的影响与材料体系、结构体系及工艺条件有关，研究并建立相应的系列关联机制对于探讨OLED的长期可靠性具有重要的意义。

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