顶发射型有机发光二极管微腔效应的研究

韦亮　石鑫栋　何谷峰

引言

与传统的液晶平板显示相比，有机发光二极管（OrganicLight-emittingDiode，OLED）具有高效率、高对比度、高响应速度等优势，而成为显示领域的研究热点。按照光的出射方式可将OLED分为底发射型和顶发射型两种。传统的底发射结构出光效率受限于面板的开口率，难以有效利用光源，要达到同样的亮度，必须运行在较高亮度，使得效率和寿命下降；而顶发射的结构模式由于避开面板底层线路的影响，则可有效提升开口率。常规OLED的光谱较宽，色彩饱和度不是很高，不利于实现高性能全彩色显示。采用光学微腔结构可以增加谐振波长的发光强度、窄化发光光谱、提高器件的发光效率等，受到人们的广泛关注。1996年，Shizuo小组通过玻璃（Glass）/分布式布拉格反射介质镜（Distributedbraggreflector，DBR）/氧化铟锡（Indiumtinoxide，ITO）/8-羟基喹啉铝（8-hydroxyquinoline，Alq3）/镁银合金（MgAg）结构研究了有机微腔器件的单膜发射和发光方向性，其中半透明的出光镜为高反射率的DBR，他们将微腔的谐振波长选在Alq3峰值波长的短波侧，获得了光谱半高宽为12nm的发射，窄化为无腔器件的1/8。本文通过对顶发射器件的微腔效应的设计试验，研究了其对器件效率的提升作用。

1.微腔效应

当器件的发光区位于一个全反射膜和半反射膜构成的谐振腔内，腔长与光波的波长在同一数量级时，特定波长的光会得到选择和加强，光谱发生窄化，此为微腔效应。因此在顶发光器件中，微腔尺寸的设计尤为重要，当光波波长λ满足关系式（1）]时允许存在于腔内的光学共振：

其中ni和di表示有机物的折射率和厚度：m为整数，是微腔的模数；φ表示在光在金属电极界面上产生的相移，如表达式（2）：

Nm和Km分别表示金属的折射系数和消光系数，n为与金属接触的有机物的折射率。

微腔效应的强弱可以通过半高宽（FullWidthatHalfMaximum，FWHM）来衡量，大致满足表达式（3）：

d是微腔的有效长度，n是腔内有机材料的折射率，Rb是底电极的反射率，Rt是半透明顶电极的反射率。

微腔器件对各波长增强后的强度可以用公式（4）表示：

代表自由空间的发光强度，Xi表示发光源与反射电极间的有效距离。

以Al做底电极，有机层折射率近似为1.75，綠光波长526nm（Alq3自发光谱）的顶发射器件进行模拟计算可知，如果半透明阴极选用22nm的Ag，则有机层厚度为113nm时，器件拥有最窄化的光谱。

在实验器件中，半透明阴极设计使用8-羟基喹啉锂（8-Hydroxyquinolinolato-lithium，Liq）/铝（Al）/银（Ag）。Liq的最高占有轨道（HighestOccupiedMolecular，HOMO）能级和最低未占轨道（LowestUnoccupiedMolecularOrbital，LUMO）能级分别为-6.25eV和-3.24eV，Liq在金属铝电极与有机层之间产生偶极层，从而形成铝与有机层间的欧姆接触，强化了电子注入能力，提升电流效率。并在半透明阴极Liq/Al/Ag最外层使用4，4'-双[N-（1-萘基）-N-苯氨基]联苯（4，4'-bis（N-（1-naphthyl）-N-phenyl-amino）biphenyl，NPB）作为覆盖层。阳极部分采用Al/三氧化钼（MoO3），以NPB（50nm）为空穴传输层，MoO3可从NPB的HOMO能级获得电子，从而留下空穴，因此可改善阳极的空穴注入。发光层采用Alq3（25nm），主要通过调节电子传输和空穴阻挡材料4，7-二苯基-1，10-菲啰啉（4，7-diphenyl-1，10-phenanthroline，Bphen）的厚度来改变总腔长，实验设计器件为：

A：Al/MoO3（2nm）/NPB（50nm）/Alq3（25nm）/Bphen（30nm）/Liq（1nm）/Al（1nm）/Ag（22nm）/NPB（80nm）

B：Al/MoO3（3nm）/NPB（50nm）/Alq3（25nm）/Bphen（30nm）/Liq（1nm）/Al（1nm）/Ag（22nm）/NPB（80nm）

C：Al/MoO3（8nm）/NPB（50nm）/Alq3（25nm）/Bphen（30nm）/Liq（1nm）/Al（1nm）/Ag（22nm）/NPB（80nm）

D：Al/MoO3（3nm）/NPB（50nm）/Alq3（25nm）/Bphen（25nm）/Liq（1nm）/Al（1nm）/Ag（22nm）/NPB（80nm）

E：Al/MoO3（3nm）/NPB（50nm）/Alq3（25nm）/Bphen（35nm）/Liq（1nm）/Al（1nm）/Ag（22nm）/NPB（80nm）

Bottom：ITO/MoO3（3nm）/NPB（50nm）/Alq3（25nm）/Bphen（35nm）/Liq（1nm）/Al

在发光光谱（图1）数据中显示，底发光器件半高宽约100nm，而具有微腔结构的器件A、B、C、D、E半高宽为50nm左右，与无微腔效应的底发光器件相比，顶发光微腔器件有更窄的半高宽，表现出明显的光谱窄化情况。在电流效率方面，传统的底发射器件为4cd/A（图2），而顶发射器件的电流效率均有明显提升，从6cd/A到10cd/A不等。从图（1）的光谱图上可以看出C、E两个器件的波峰值均位于526nm处，与Alq3自发光谱较为吻合，有较好的色纯度。器件A、B、D因腔长设计小于113nm，发射光谱蓝移，效率降低。而在电流效率方面E器件（图2）在这5个器件中表现最好。因C、E两器件虽腔长相同，但两器件相比，C器件阳极缓冲层MoO3厚度多了5nm，使得发光界面向阴极偏移，而E器件空穴阻挡层Bphen厚度多了5nm，使得发光界面向阳极偏移，由此造成两器件发光位置不同，理想的发光位置应在微腔中电场强度最大处，随着发光位置的偏离，光谱的峰值强度及积分强度将会下降。本实验数据表明E器件有更高的电流效率，说明在相同的微腔尺寸中，E器件发光位置的设计更合理，发光效率更高。

2.总结

本文通过对OLED器件微腔效应的研究，选定Alq3为发光材料，结合其自发光谱，对器件的微腔尺寸进行合理设计，通过试验，微腔器件电流效率由无微腔器件的4cd/A提升到10cd/A，光谱窄化为原来的1/2且未发生偏移，光学性能上将表现出良好的色纯度。

（作者单位：1.上海交通大学电子工程系；2.昆山龙腾光电有限公司）