基于微結(jié)構(gòu)陣列基板的高效頂發(fā)射OLED器件

王江南，丁 磊，倪 婷，寧舒雅，張方輝

(陜西科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

1 引 言

有機(jī)電致發(fā)光二極管(OLED)自被發(fā)明以來，以其獨(dú)有的自發(fā)光、廣視角、高亮度、可柔性等諸多特點受到廣泛的關(guān)注。由于在有源驅(qū)動OLED顯示面板中需要使用不透明薄膜晶體管組成的像素電路來驅(qū)動OLED，因此會遮擋常規(guī)底發(fā)射OLED器件發(fā)出的光，導(dǎo)致出光開口率低，同時對器件的效率和壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。然而頂發(fā)射OLED器件是從半透明陰極出光，而不會透過基板，因此使用頂發(fā)射OLED可以提高AMOLED面板的開口，同時大幅度提升光效[1]。因為頂發(fā)射OLED器件兩側(cè)電極均具有反射特性，頂發(fā)射OLED器件擁有較強(qiáng)的微腔效應(yīng)。從發(fā)光層發(fā)出的光與經(jīng)過電極反射的光會發(fā)生寬角干涉和多光束干涉，通過微腔結(jié)構(gòu)設(shè)計可增強(qiáng)滿足干涉條件的光，削弱其它光，從而實現(xiàn)較高的色純度[2]。但同時微腔可加強(qiáng)器件的內(nèi)部光強(qiáng)，加重了器件的光波導(dǎo)損失，而兩側(cè)金屬電極同樣加重了器件光損失[3-4]，因此，對頂發(fā)射OLED的光取出的研究至關(guān)重要。為此研究者們提出了很多方法，試圖提高頂發(fā)射OLED器件的耦合效率。Pyo等[5]在頂發(fā)射OLED層之上增加了一層納米空隙的聚合物薄膜作為光取出層，來提高出光效率，改善視角特性。Park等[6]利用等離子刻蝕，在PMMA上形成隨機(jī)的起伏，制成褶皺器件，引起器件內(nèi)部光散射，提高器件光取出效率。Qu等[7]在基板上制備金屬網(wǎng)格，降低光損失。同時通過周期性腔長變化和網(wǎng)格散射減弱微腔效應(yīng)，改善視角特性。Riel等[8]在陰極之上覆蓋ZnSe，將器件正面光強(qiáng)提高到1.7倍，并提高了色純度。Zhu等[9]、Wu等[10]也利用覆蓋層的方式提高了頂發(fā)射OLED的效率。這些方法對于提升頂發(fā)射OLED效率均具有很好的效果，但是，在真正OLED量產(chǎn)工藝中，仍缺乏一種簡單易于實現(xiàn)的辦法提高頂發(fā)射OLED器件效率。

本文提出一種使用微結(jié)構(gòu)陣列的方法來提高頂發(fā)射OLED的出光效率。微結(jié)構(gòu)陣列可有多種方法制備，如本文所用的激光刻蝕法、光刻法、納微壓印法[11-12]、噴墨打印法[13]、自組裝方法[14]等，這些方法均可以用于制備良好的微結(jié)構(gòu)陣列。然而納微壓印法由于模板昂貴且不易于大面積器件制備，僅適用于實驗室，自組裝方法同樣由于無法制備大面積器件而不適合用于量產(chǎn)。而相比噴墨打印法和光刻法，激光刻蝕法由于圖案可以靈活變換，且成本低廉，適合前期的驗證以及后期小批量的量產(chǎn)。為此本文采用納秒激光刻蝕鍍有ITO的基板，形成微結(jié)構(gòu)陣列。再通過化學(xué)氣相沉積鍍一層SiN薄膜起到平整化層的作用，從而避免了由于納秒激光刻蝕ITO時產(chǎn)生的重鑄層穿透有機(jī)層引起的短路。最后利用真空蒸鍍的方法在其上制備Al層作為陽極，制備出具有微結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)的陽極基板。實驗發(fā)現(xiàn)利用這種基板，可以有效地提高頂發(fā)射OLED器件的效率，降低驅(qū)動電壓，同時不會對器件的發(fā)光光譜造成影響。

2 實 驗

2.1 微結(jié)構(gòu)陣列陽極基底制備

首先使用磁控濺射設(shè)備濺鍍ITO，鍍膜厚度的厚度為150 nm。鍍膜時通入20 mL/min的Ar和1 mL/min的O2，以100 W的直流功率濺射400 s，厚度通過橢偏儀進(jìn)行測量。

濺鍍完成后，使用納秒激光對ITO進(jìn)行圖形化，刻蝕三種方格陣列，其中方格邊長分別為20，40，80 μm。在刻蝕過程中，調(diào)節(jié)激光的開關(guān)頻率為1 MHz，使得激光在刻蝕路徑上留下光柵結(jié)構(gòu)的ITO殘留。

刻蝕完成后，使用等離子增強(qiáng)氣相沉積(PECVD)制備大約1 μm的SiN薄膜來作為平坦化的作用，避免由于激光刻蝕ITO產(chǎn)生的重鑄層導(dǎo)致器件短路。PECVD鍍膜時通入15 mL/min的SiH4、20 mL/min的NH3、20 mL/min的H2和250 mL/min的N2，鍍膜時間為1 200 s，通過橢偏儀測試膜厚為1 μm。最后使用真空熱蒸鍍加掩模版的方式蒸鍍100 nm的圖形化的Al，作為頂發(fā)射OLED的陽極。制作過程如圖1所示。

圖1 微結(jié)構(gòu)陣列基板制備流程 Fig.1 Microstructure array substrate preparation process

2.2 OLED器件制備

在無微結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)基底及20 μm、40 μm和80 μm方格微結(jié)構(gòu)陣列基底上以相同的器件結(jié)構(gòu)同時制備4個綠色磷光頂發(fā)射OLED器件，下文中簡稱為普通器件、20 μm器件、40 μm器件和80 μm器件。

器件結(jié)構(gòu)為Al(100 nm)/2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮雜苯并菲(HAT-CN)(10 nm)/4,4'-環(huán)己基二[N,N-二(4-甲基苯基)苯胺](TAPC)(170 nm)/4,4',4'-三(咔唑-9-基)三苯胺(TCTA)∶三(2-苯基吡啶)合銥(Ir(ppy)3)(5 nm,10%)/4,4'-二(9-咔唑)聯(lián)苯(CBP)∶Ir(ppy)3(5 nm,15%)/1,3,5-三(4-吡啶-3-基苯基)苯(TpPyPB)(45 nm)/8-羥基喹啉-鋰(Liq)(20 nm)/Ag∶Mg(20 nm,10%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))/CBP(75 nm)。器件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 頂發(fā)射OLED器件的結(jié)構(gòu)示意圖(a)與能級圖(b)Fig.2 Schematic diagram(a)and energy level diagram(b)of a top-emitting OLEDs

其中Al作為頂發(fā)射OLED器件的陽極，同時作為發(fā)射電極；HAT-CN作為空穴注入層,其LUMO能級為6.0 eV[15]；TAPC作為空穴傳輸層，其HOMO與LUMO能級分別為5.5 eV和2.0 eV[16]；TCTA∶ Ir(ppy)3/CBP∶Ir(ppy)3作為雙磷光發(fā)光層，其中TCTA的HOMO為5.8 eV，LUMO為2.4 eV[17]，CBP的HOMO為6.1 eV，LUMO為2.8 eV，ET為2.6 eV[18]，Ir(ppy)3的ET為2.55 eV[19]；TpPbPB作為電子傳輸層，其HOMO為6.61 eV，LUMO為3.04 eV[19]；Liq作為電子注入材料，Ag∶Mg透明電極作為器件的陽極，其功函數(shù)引自文獻(xiàn)[20]；CBP作為覆蓋層，用于提高半透明陰極透過率，提高頂發(fā)射OLED的耦合出光。

所有的金屬電極和有機(jī)材料均是在6×10-4Pa的真空度下以熱蒸鍍的方式沉積在基底上，并使用晶體振蕩器在線監(jiān)控膜厚及速率，其中，HAT-CN與Liq以0.02 nm/s速率蒸鍍，其他有機(jī)層以0.2 ～0.4 nm/s速率蒸鍍，Al以0.6 nm/s速率蒸鍍，Ag∶Mg的蒸鍍速率為0.1 nm/s。

器件的EL光譜、效率曲線等光電特性采用CS2000A分光輻射亮度計和Keithley-2400高精度數(shù)字源表測得。

3 實驗結(jié)果

蒸鍍Al之前基板的顯微圖如圖3所示。

從圖3可見，通過激光刻蝕，基板上ITO被圖形化為方格狀，其中方格大小分別為18.8，40.2，79.8 μm，這是由于激光誤差導(dǎo)致的刻蝕的方格大小與設(shè)計值有些差距，20 μm方格呈現(xiàn)長方形狀。圖中的綠色區(qū)域是由于SiN膜層光干涉導(dǎo)致的。由于激光周期性開啟，刻蝕路徑上會留下具有光柵結(jié)構(gòu)的ITO殘留，ITO殘留的線間隔寬度約為5.6 μm，這一間隔寬度可以通過激光開啟頻率來控制。在這樣的基板上制備OLED器件會使器件各層同樣呈現(xiàn)方格陣列狀，從而形成如圖2 (a)所示的周期性褶皺結(jié)構(gòu)。

圖3 20 μm方格(a)、40 μm方格(b)和80 μm方格(c)微結(jié)構(gòu)陣列基板的顯微照片。Fig.3 Photomicrograph of 20 μm square (a),40 μm square (b)and 80 μm square (c)microstructure array substrate.

器件的光電特性曲線如圖4所示。

由圖4 (a)可見，所有器件的啟亮電壓均為2.8 V左右，這是因為器件的驅(qū)動電壓主要與各層材料間能級勢壘有關(guān)，基板的微結(jié)構(gòu)不足以對啟亮電壓產(chǎn)生影響。但隨著驅(qū)動電流的增大，微結(jié)構(gòu)整列基板對器件的電壓影響變大，40 mA/cm2下，40 μm器件的電壓最低，為9.58 V，與普通器件的9.84 V相比低了0.26 V；20 μm器件和80 μm器件電壓處于兩者之間，分別為9.80 V和9.72 V。

圖4 (a)器件的電流密度-電壓曲線；(b)器件的亮度-電流密度曲線；(c)器件的電流效率-電流密度曲線；(d)器件在3.5 V下的歸一化光譜Fig.4 (a)Current density-voltage curve of OLEDs;(b)Luminance-current density curve OLEDs;(c)Current efficiency- current density curve of OLEDs;(d)Normalized spectra of OLEDs at 3.5 V.

圖4 (b)為器件的亮度-電流密度曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不同電流密度下，基于微結(jié)構(gòu)整列基板的器件的亮度始終高于普通器件，在40 mA/cm2下，普通器件、20 μm器件、40 μm器件和80 μm器件的亮度分別達(dá)到18 805，20 103，19 955，19 469 cd/m2。其中20 μm陣列陽極器件的發(fā)光強(qiáng)度比普通器件提升7%。

圖4 (c)為器件的電流效率-電流密度曲線。在不同電流密度下，基于微結(jié)構(gòu)整列基板的器件的電流效率始終高于普通器件，在2.5 mA/cm2下，普通器件、20 μm器件、40 μm器件和80 μm器件均取得最大電流效率，分別為60.4，66.7，66.3，64.4 cd/A。20 μm陣列結(jié)構(gòu)器件比普通器件提升10%。隨著電流密度的提高，各個器件均出現(xiàn)效率滾降。在40 mA/cm2時，20 μm陣列結(jié)構(gòu)器件比普通器件仍有7%的提升。

圖4 (d)為器件歸一化光譜曲線，由于微腔的存在會使光譜本峰寬變窄，或者發(fā)生位移，然而，由圖4(d)可見器件在使用方格陣列基板代替平坦基板后，器件的歸一化光譜形狀幾乎沒有變化，峰位僅偏移1 nm。也就是說，方格陣列基板不會影響器件原有的微腔結(jié)構(gòu)，因而在實際應(yīng)用中不需要更改器件結(jié)構(gòu)，直接替換即可。具體參數(shù)如表1所示。

表1 器件的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of OLEDs

(a)啟亮電壓在0.25 mA/cm2下測得；(b)驅(qū)動電壓、亮度在40 mA/cm2下測得；(c)電流效率、峰位和色坐標(biāo)均是器件最高效率時的值。

4 分析與討論

方格狀整列結(jié)構(gòu)對頂發(fā)射OLED器件性能的提升主要有兩點。一是由于陣列狀的陽極圖形使器件每一層呈現(xiàn)褶皺狀，其實際器件面積會高于平坦的對比器件，由于電流與電流密度之間的關(guān)系為I=JS，其中S為器件實際面積，由于褶皺器件的實際面積更大，在施加相同的電流條件下，20，40，80 μm器件實際電流密度要小于對比器件。由于OLED具有二極管特性，器件電壓正比于器件電流密度，因此具有微結(jié)構(gòu)陣列的器件有較低的電壓。

二是減少光波導(dǎo)損失，光波導(dǎo)不僅存在于底發(fā)射OLED的ITO/襯底中，同樣存在于頂發(fā)射OLED有機(jī)層中，由于OLED各層的折射率不同，會存在一部分入射角大的光由于全發(fā)射而被局限在某一層中無法出射，最后變?yōu)闊崮芟?。但由于方塊陣列的存在，會在方塊邊緣形成局部斷面，斷面處折射率不同，局限在有機(jī)層內(nèi)部的光到達(dá)斷面時會發(fā)射折射，從而破壞內(nèi)部光的光波導(dǎo)，提高光取出效率。對于實驗所用的方格陣列基板，刻蝕部分與未刻蝕部分的邊界越大，其器件內(nèi)部的局部斷面也越多，因而破壞波導(dǎo)的程度也越高。這器件的局部斷面的多少可以用單位面積內(nèi)方格的邊長來描述。對于20 μm基板，其邊界邊長與面積為0.022 μm/μm2；對于40 μm基板，其邊界邊長與面積為0.025 μm/μm2；對于80 μm基板，其邊界邊長與面積為0.022 μm/μm2。因此，40 μm基板在降低光波導(dǎo)損失上具有一定優(yōu)勢。

由納秒激光刻蝕產(chǎn)生的光柵結(jié)構(gòu)也對器件性能有一定提升。為了研究這種光柵結(jié)構(gòu)對器件性能的影響，本文使用FDTD對具有光柵結(jié)構(gòu)和無光柵結(jié)構(gòu)的器件進(jìn)行了光學(xué)仿真，為簡化模型，光柵采用3 μm寬的Al長條構(gòu)成，間隔3 μm，使用波長為517 nm平面波作為光源模擬整面的OLED發(fā)光。通過計算得到器件的光強(qiáng)分布分別如圖5(a)和5(b)所示。

可以發(fā)現(xiàn)這種光柵結(jié)構(gòu)可以改變器件內(nèi)部光強(qiáng)分布，使其呈現(xiàn)周期性分布，并且器件內(nèi)部光強(qiáng)有所降低，而外部光強(qiáng)增大，出光強(qiáng)度提高?；诜抡婵梢宰C明刻蝕產(chǎn)生的光柵結(jié)構(gòu)可以有效提高器件的耦合出光。由于20 μm基板的激光刻蝕區(qū)域更大，產(chǎn)生的光柵結(jié)構(gòu)面積更大，因此基于此制備的20 μm器件具有較好的光提取效率。

圖5 無光柵結(jié)構(gòu)頂發(fā)射OLED器件(a)與光柵結(jié)構(gòu)頂發(fā)射OLED器件(b)的光學(xué)模擬結(jié)果Fig.5 Optical simulation results of TEOLEDs without grating structure (a)and TEOLEDs with a grating structure(b)

圖6 無光柵結(jié)構(gòu)頂發(fā)射OLED器件(a)與光柵結(jié)構(gòu)頂發(fā)射OLED器件(b)的電場模擬結(jié)果Fig.6 Electric field simulation results of TEOLED without grating structure (a)and TEOLED device with a grating structure (b)

本文也模擬了通電時器件內(nèi)部電場在穩(wěn)態(tài)下的分布。圖6為無光柵結(jié)構(gòu)器件和有光柵結(jié)構(gòu)器件在加直流偏壓時的電場分布模擬圖，為了簡化模型，使用方形金屬條代替更為粗糙的光柵條紋，直流偏壓為3 V。可以發(fā)現(xiàn)，無光柵結(jié)構(gòu)器件電場是均勻分布的為1.5×107V/m，而光柵結(jié)構(gòu)會在電極處引入尖端，將電極附近的局部電場強(qiáng)度提高到2.4×107V/m，提升約60%，因此可以有效減少空間電荷積累，提高載流子注入能力，一定程度上降低器件的驅(qū)動電壓。

綜合而言，20 μm器件與40 μm器件的電流效率相近，但要高于平坦的對比器件和80 μm陣列結(jié)構(gòu)器件。而40 μm器件褶皺程度較大，因此其驅(qū)動電壓最低。根據(jù)理論分析，在激光線寬在40 μm時，40 μm的方格具有最大的邊界長度，因此為最優(yōu)條件。對于使用其他刻蝕方法(如光刻法)，同樣可以在方格大小為40 μm時，即是刻蝕寬度與方格邊長一致時取得最優(yōu)值。但是相較其他刻蝕方法不同的是，納秒激光會在刻蝕路徑上留下光柵狀結(jié)構(gòu)，這種光柵結(jié)構(gòu)會對器件的電壓以及效率起到進(jìn)一步的優(yōu)化效果，而這種光柵結(jié)構(gòu)的周期和高度可以通過調(diào)節(jié)納秒激光的開關(guān)頻率以及刻蝕速度和功率調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對器件效率進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

5 結(jié) 論

本文通過對ITO進(jìn)行納秒激光刻蝕，制備了一種具有方格陣列微結(jié)構(gòu)的基板。用于頂發(fā)射OLED器件時，由于陣列狀微結(jié)構(gòu)的存在，可以提高光提取效率，20 μm方格陣列結(jié)構(gòu)器件的最高效率達(dá)到66.7 cd/A，40 mA/cm2下亮度達(dá)到20 103 cd/m2，相比于普通器件分別提高了9.8%和6.9%。通過引入褶皺和增強(qiáng)局部電場減低了器件的驅(qū)動電壓。40 μm的方格陣列結(jié)構(gòu)器件驅(qū)動電壓最低，在40 mA/cm2下為9.58 V，相較普通器件降低了0.26 V。納秒激光刻蝕法相比于氣體刻蝕、自組裝或是納米壓印的方法具有速度快、圖形更改方便以及可以進(jìn)行卷對卷生產(chǎn)的特點，同時不會對器件的微腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，可用于像素點稍大的OLED顯示器件中，提高顯示器件的效率。