OLED器件结构与发光机理

西安邮电大学光电信息工程教研室2号实验楼233光电显示技术B教材：《液晶与平板显示技术》，作者：高鸿锦，北京邮电大学出版社，第1版2007参考书：1、《平板显示技术》应根裕胡文波邱勇，人民邮电出版社2002年10月2、《光电显示技术》张兴义，北京理工大学出版社19953、《显示技术与显示器件》彭国贤，人民邮电出版社1981参考资料：搜索引擎（Google、baidu）台湾各高校网络资源陕西科技大学等离子体课件麻省理工OLED课件教材资料国内相关研究所、院校、公司以及论坛中国电子科技集团公司第五十五研究所国家平板显示工程技术研究中心南京国显电子公司东南大学显示技术研究中心陕西科技大学电气与电子工程学院京东方科技集团股份有限公司光电论坛中国光学光电子行业论坛液晶论坛光行天下论坛大屏幕显示论坛中国论坛液晶之家光机人考核方式平时成绩：30％期末考试：70％考试方式：闭卷记分方式：百分制OLED显示技术OLED器件结构与发光机理1.OLED器件结构2.OLED发光机理3.OLED能量传递OLED属于注入型发光器件，其基本结构是将有机薄膜层夹在两个电极（至少其中一个电极为透明电极）间形成的夹层式结构。为了适应材料性能和器件性能的要求，人们又研究开发了多种器件结构，这些结构在提高器件发光效率和性能稳定性方面起到了非常重要的作用。有机电致发光器件中的主要有机功能层包括：空穴传输层（HoleTransportLayer,HTL）、电子传输层（ElectronTransportLayer,ETL）、发光层（EmittingLayer,EML）、空穴注入层（HoleInjectionLayer,HIL）、空穴阻挡层（HoleBlockingLayer,HBL）等。1.有机/聚合物电致发光器件的结构在器件的正极和负极间，制作有一种或多种物质组成的发光层。单层器件的发光层厚度通常在100nm。单层EL器件结构图优点：制备方法简单。缺点：A.复合发光区靠近金属电极而靠近金属电极处缺陷多，非辐射复合几率大，而且该处的高电场容易产生发光淬灭；B.由于两种载流子注入不平衡，载流子的复合几率比较低，因而影响器件的发光效率。有机半导体层既作发光层(EML)，又兼作电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)。用途：一般不用于发光器件，主要用于测量有机材料的电学和光学性质单层器件结构在聚合物电致发光器件（PLED）中常见聚合物分子量大，可通过旋涂方式成膜，但制备双层聚合物薄膜较为困难，因此，从加工角度讲，聚合物器件只能采用单层结构。聚合物的长分子链结构保证了聚合物薄膜的平整、均匀性，而且可以同时引入空穴基元、发光基元和电子基元，因此单层聚合物器件也可以有较好的性能。（1）单层结构1.有机/聚合物电致发光器件的结构在阳极材料的选择上，材料本身必需是具高功函数（Highworkfunction）与可透光性，所以具有4.5eV-5.3eV的高功函数、性质稳定且透光的ITO透明导电膜，便被广泛应用于阳极。在阴极部分，为了增加元件的发光效率，电子与空穴的注入通常需要低功函数（Lowworkfunction）的Ag、Al、Ca、In、Li与Mg等金属，或低功函数的复合金属来制作阴极（例如：Mg-Ag镁银）。OLED电极材料（2）双层器件结构柯达公司首先提出了双层有机膜结构，有效地解决电子和空穴的复合区远离电极和平衡载流子注入速率问题，使有机EL的研究进入了一个新阶段。他们的器件结构也叫DL-A型双层结构。主要特点:发光层材料具有电子传输性，需要加入一层空穴传输材料去调节空穴和电子注入到发光层的速率，这层空穴传输材料还起着阻挡电子的作用，使注入的电子和空穴在发光层处发生复合。DL-A型双层EL器件结构图1.有机/聚合物电致发光器件的结构DL-B型双层EL器件结构图如果发光层材料具有空穴传输性质，就需要使用DL-B型双层结构，即需要加入电子传输层以调节载流子的注入速率，使注入的电子和空穴是在发光层处复合。1.有机/聚合物电致发光器件的结构空穴传输材料应满足的要求：•具有良好的空穴传输特性，即空穴迁移率高；•具有较低的电子亲和能，有利于空穴注入；•激发能量高于发光层的激发能量；•不能与发光层形成激基复合物；•具有良好的成膜性和较高的玻璃化温度，热稳定性好，可以用真空蒸发法形成致密的薄膜，不易结晶。OLED空穴传输材料常用的空穴传输材料分子结构TPD是最早应用的空穴材料之一，但由于其热稳定性较差（Tg=65°C），导致器件的稳定性较差，寿命较短。为提高热稳定性，将TPD分子中的甲苯基换成萘基得到了NPD，NPD的热稳定性有了很大提高（Tg=96°C），空穴迁移率也有所提高，是目前应用最广的有机小分子空穴传输材料。星型三芳胺空穴传输材料具有很高的玻璃化转变温度，并能形成高质量的无定型膜，是比较理想的空穴传输材料。OLED空穴传输材料小分子发光材料应满足的要求：•具有高效率的荧光量子效率；•具有良好的化学稳定性和热稳定性，不与电极和载流子传输材料发生反应；•易形成致密的非晶态膜，不易结晶；•具有适当的发光波长；•具有一定的载流子传输能力。发光材料按分子结构特性分为有机小分子荧光材料和有机金属配合物材料，前者种类最多，典型的小分子荧光有机电致发光材料如DCM发红光，香豆素C540发绿光。OLED小分子发光材料另外，还有掺杂用小分子荧光材料如Rubrene。有机配合物是最早使用的有机电致发光材料，具有优良的载流子传输特性和成膜性能，典型的有8-羟基喹啉铝（Alq3）及铍的络合物Bebq2。OLED小分子发光材料1990年，剑桥大学的J.A.Burroughes等人首次报道了用聚合物薄膜制备的电致发光材料研究。聚合物发光材料的特性:•当短波光照射时，在390nm～780nm的可见光范围内，聚合物粉末或溶液具有高效率的荧光；•具有较高的导电率，呈现良好的半导体特性；•具有良好的成膜特性，在几百甚至几十纳米的薄膜内基本无针孔；•稳定性强，一般都具有良好的机械加工性能。OLED聚合物发光材料共轭聚合物用于电致发光的优点:•可通过旋涂的方法制成大面积薄膜;•可以通过化学结构的改变或修饰来调节共轭聚合物的电子结构、发光颜色;•虽然聚合物的导电率很低,但是发光层的厚度很薄(10nm～100nm),所以在很低的外电压下,加在聚合物薄膜上的电场强度也足以产生使器件发光所要求的电流密度。缺点：稳定性不够；寿命不长；发光效率低；成膜技术不成熟。OLED聚合物发光材料电子传输材料应满足的要求：•具有良好的电子传输特性，即电子迁移率高；•具有较高的电子亲和能，易于由阴极注入电子；•相对较高的电离能，有利于阻挡空穴；•不能与发光层形成激基复合物；•成膜性和热稳定性良好，不易结晶。OLED电子传输材料三层EL器件结构图（3）三层器件结构由空穴传输层（HTL）、电子传输层（ETL）和将电能转化成光能的发光层组成。HTL负责调节空穴的注入速度和注入量,ETL负责调节电子的注入速度和注入量。优点:使三层功能层各行其职，对于选择材料和优化器件结构性能十分方便，是目前有机EL器件中最常采用的器件结构之一。1.有机/聚合物电致发光器件的结构多层EL器件结构图（4）多层器件结构可提高OLED的发光亮度和发光效率。主要形式：A.在两电极内侧加缓冲层，以增加电子和空穴的注入量；B.为提高器件的发光效率，使用了空穴阻挡层HBL。1.有机/聚合物电致发光器件的结构（5）染料掺杂型在单杂基础上引入染料分子以改变器件的亮度、寿命和效率。掺杂型主要有三种D－1：Cathode/ETL+EML/HTL/ITOD－2：Cathode/ETL/HTL+EML/ITOD－3：Cathode/ETL+EML/HTL+EML/ITO采用分散复合膜制作OLED器件中增加载流子阻挡层1.有机/聚合物电致发光器件的结构上发光型OLED结构穿透式OLED结构倒置式IOLED结构串联式OLED结构Companyname（6）特殊器件结构1.有机/聚合物电致发光器件的结构•上发光型OLED结构下发光型实际发光面积受限需提高开口率♦阴极：高透射率良好的导电度金属Mg:Al/ITO70%非金属CuPc/Li/ITO85%♦阳极:上发光型高功函数高反射率Al/ITOAg/ITO♦适于采用主动矩阵设计半透明阴极OLED反射阳极玻璃基板阴极OLEDITO透明阳极玻璃基板上发光型器件下发光型器件•穿透式OLED结构透明阴极极，透明度很高（85%），光线能双向通过使得上下两边出光量一致优势在于不显示信息时面板是半透明的，显示信息时从两边都可以接受到信息透明OLED器件结构的引入，拓展了OLED的应用范围运用与汽车、飞机等的平板显示Companyname半透明阴极OLEDITO透明阳极玻璃基板穿透式器件•倒置式结构（IOLED)与一般OLED元件的制作流程相反主要优势：适合于n-沟道a-Si薄膜晶体管结合，便于制作大面积高效率的主动矩阵驱动器件缺点：电荷注入问题低功函数金属不能使用效能降低反射阳极OLED透明阳极基板HILITO透明阴极OLED反射阳极基板溅射保护层/HIL倒置式的OLED结构示意图•串联式结构利用透明的连接层，将数个发光元件串联起来比传统的OLED发光效率高寿命比传统OLED更长选择、设计、制作合适的连接层材料是该技术的关键缺点：驱动电压随着元件串联的数目而成倍增加增加I……I传统与串联式OLED技术比较能带理论模型：相对晶体固体的能带模型来说：价带顶HOMO（分子最高占据分子轨道）导带底LUMO（分子最低未占据轨道）带隙Eg是HOMO与LUMO之间的宽度，离化能Ip是真空能级与HOMO之间的能量差,电子亲和势Ea是真空能级与LUMO之间的能量差EgEaIpLUMOHOMO能量2.OLED的发光机理三层结构的OLED的能带图阳极HTLEMLETL阴极LUMOHOMO2.OLED的发光机理电流方向1．在外加电场的作用下载流子的注入：电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能薄膜注入。2．载流子的迁移：注入的电子和空穴分别从电子输送层和空穴输送层向发光层迁移。3．载流子的复合：电子和空穴复合产生激子。4．激子的迁移：激子在电场的作用下迁移，能量传递给发光分子，并激发电子从基态跃迁到激发态。5．电致发光：激发态能量通过辐射跃迁，产生光子，释放出能量。有机电致发光过程由以下五个步骤完成:电子空穴的传输过程示意图（M、N分别代表空穴和电子传输材料分子）M＋M＋M-e-e-eN－+eN－N+e+e发光过程2.OLED的发光机理eheeeehhhhhq=qV-bibiCA阳极有机层阴极OLED器件发光过程1)载流子注入2)载流子传输3)激子的形成4)辐射发光衬底透明阳极金属阴极有机层eheh复合光发射DC电源3.OLED的工作原理（1）载流子注入载流子的注入是指电子和空穴通过电极/有机界面注入到有机半导体材料的分子轨道能级的过程。载流子的注入效率直接影响着OLEDs器件的启亮电压、发光效率和寿命。由于正负电极的功函数与有机材料的分子轨道能级不匹配，存在能级差，导致有机层和电极之间形成界面势垒，如