（物理电子学专业论文）无源矩阵有机电致发光显示器件的研制.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 有机电致发光显示器件，因其具有其它显示器件所不具有的许多特殊优点， 被誉为是继c r t 、l c d 之后的“第三代”平板显示器，是当今国际平板显示技术 领域研究的热点之一。 本文概述了有机电致发光显示技术的发光机理、器件的工作原理、器件结构、 有机材料的种类以及分子结构等，并且对有机电致发光显示技术的发展现状和应 用前景做了分析和评论。 分析和对比了实现无源矩阵有机电致发光显示器件的几种方法，着重介绍了 采用精密掩模技术和障壁技术等技术方案，来制作和设计无源矩阵有机电致发光 显示器件，其中采用障壁技术方案制作的器件具有分辨率高、工艺简单容易实现、 器件的交叉效应少、成本低等许多优点，是一种可行的制作无源矩阵有机电致发 光显示器件的方案。在试验中，采用这两种技术方案成功研制出无源矩阵有机电 致发光显示器件。 本文设计和制作出了几种结构的器件，并对器件的制作工艺做了一些探索和 优化工作，对方案的可行性和实用价值做了对比和评论。同时，我们对该器件的 性能进行了研究，提出了一些改进器件性能的方案和措施，并分析了器件失效的 机理和改进的措施。 最后，本文总结了制作无源矩阵有机电致发光显示器件的方法，经验教训， 以及在实际的试验过程中，需要考虑和涉及的具体问题，为今后继续从事这一课 题的研究指出了些建议和方法。 关键词：有机电致发光，显示器件，无源矩阵，精密掩模技术，障壁技术 皇王型垫登堡主笙奎 t h ef a b r i c a t i o no fp a s s i v em a t r i x d i s p l a y o fo l e d a b s t r a c t o r g a m c e l e c t r o l u m i n e s c e md e v i c e s ( o l e d ) i s r e g a r d e da st h e t l l i r dg e n e r a t i o n d i s p l a yt e c h n o l o g y , b e c a u s eo l e d h a st h ea d v a n t a g e so f h i g h e rp e r f o r m a n c et h a n t h o s eo fo t h e rd i s p l a yt e c h n o l o g i e s a n dt h eo e l di sb e c o m i n gm o l ea n dm o r et h e f o c a lp o i n t o f d i s p l a y d o m a i n t h el u m i n e s c e n c e ，m e c h a n i s m ，t h e o p e r a t i o n m e c h a n i s ma n dt h ed e v i c e s s t r u c t u r e ，a s w e l la s o r g a n i c m a t e r i a l sa r ea l ls u m m a r i z e di n t h i s p a p e r t h c d e v e l o p i n g s t a t u sa n d p r o s p e c to f t h eo l e d a r ca l s oi n t r o d u c e d w eh a v ec o n t r a s t e ds e v e r a lm e t h o d so nf a b r i c a t i o no f p a s s i v em a t r i xo l e d ，t h e n w e m a i n l yd i s c u s s t w o f a b r i c a t i n gm e t h o d s ，o n ei st h ep r e c i s em a s km e t h o d ，t h eo t h e r i st h eb a r r i e rw a l lm e t h o d w ef i n dt h a tt h eb a r r i e rw a l lm e t h o dt of a b r i c a t et l l e p a s s i v em a t r i xo l e d ( p m o l e d ) h a st h ea d v a n t a g e so fh i g hr e s o l u t i o n ，s i m p l e p r o c e s sa n dr i oc r o s s t a i k i n gp r o b l e m ，s ot h eb a r r i e rw a l lm e t h o di st h eg o o do n et o f a b r i c a t ep m o l e d i nt h i s p a p e r w ea d o p tt h eb o t hm e t h o d s ，a n dw eh a v e s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e dt h ep m o l e d 、i nt h i sp a p e r , w e d e s i g na n df a b r i c a t es e v e r a lk i n d so f p m o l e d ，a n dw ee x p l o r e a n d o p t i m i z e t h e f a b r i c a t i n gp r o c e s s a t t h es a w l e t i m e ，w ei n v e s t i g a t e t h e p e r f o r m a n c eo f t h ep m o l e d w e p r o p o s et h ei d e a st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ep m o l e d w ea l s oi n v e s t i g a t et h ep r i n c i p l eo fi n v a l i d a t i o na n d g i v et h ew a y s t o s o l v es u c h p r o b l e m s i nt h ee n do ft h i sp a p e r , w ec o n c l u d et h em e t h o d sa n ds u c c e s s f u lo rf a i l e d e x p e r i e n c eo f f a b r i c a t i o np m o l e d i ti sv e r yu s e f u lt of a b r i c a t et h ep m o l e d i nt h e f u r o r e k e y - w o r d s ：o r g a n i ce l e c t r o - l u m i n e s c e n c e ，p a s s i v em a u i x ，d i s p l a yd e v i c e s ， p r e c i s em a s km e t h o d ，t h e b a r r i e rw a i lt e c h n o l o g y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日期椰年3 月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解秘后应遵守此规定) 签名4 勿浓望导师签名：j 形彦f 爻 日期：叼；年，月j ，日 电子科技大学硕士论文 第一章引言 二十一世纪又被称作信息时代。随着信息产业的迅猛发展，作为信息载体的 显示器已经成为人们生活中不可缺少的一部分，形成了年产值达数百亿美元的庞 大产业群。从传统的显示器如阴极射线管( c r t ) 到现在占主流的平板显示器如 液晶显示器( l c d ) 、等离子体显示器( p d p ) 等等，它们在显示领域各占有一席 之地，但是它们本身的特性决定了在某一方面占有优势，也必然存在着不足之处。 因此，探索性能更完善的发光源和发光显示器成为当今研究的焦点。 有机电致发光平板显示器( o e l d ) 因具有与其它显示器相比所特有的优势， 被誉为第三代显示器，有着美好的应用前景。有机电致发光( o e l ) 是有机材料 在外加电场作用下被激发而发光的现象，是通过有机材料将电能直接转变为光能 的一种能量转换方式。这是- - f 7 在近十年来才得到迅速发展的新兴交叉学科，涉 及有机功能材料、光电子技术以及物理电子等领域。由于其作为平板显示器具有 不可比拟的优势，成为当今国际的又一研究热点。 1 1 有机e l 的发展简史 以碱金属卤化物及z n s 等为代表的场致发光材料早为人知，但是无机e l 器 件很难获得高亮度的蓝光发射，于是人们把眼光转向具有高荧光量子效率的有机 物质。其实早在六十年代，就有人注意到有机电致发光现象。1 9 6 3 年，p o p e 等人以电解质溶液为电极，在蒽单晶的两侧加4 0 0 v 直流电压对，观察到了蒽的 蓝色电致发光，拉开了有机电致发光的序幕。随后，h e l f r i c h 和m e h l 3 等人对 蒽单晶的电致发光做了迸一步的研究。1 9 6 9 年，d r e s n e r 等8 1 在有机e l 器件中 引入了固体电极；1 9 7 3 年，v i t y u k 等人“1 以真空沉积的葸薄膜替代了单晶；1 9 8 2 年，p s v i n c e t t ”等人使用铝和金作为阴极和阳极，0 6 i lm 的蒽作为发光层 制作了o e l 器件，在3 0 v 的驱动电压下得到了发光。这些结果使o e l 用于制作大 面积平板器件成为可能。但是，这阶段的有机电致发光器件( o e l d ) 的发光亮度 和效率都很低，而且需要高电压驱动。 直到1 9 8 7 年，研究工作有了突破性进展。自美国柯达公司的c 。w t a n g 和s a v a ns l y k e ”3 以芳香二胺作为空穴传输层，8 一羟基喹啉铝作发光层，制作 出了驱动电压低( n ：) ， 只有在小于a r c s i n ( n 2 n 。) 的角度内才能入射到n ：的物质里，吸收率b 可以用下 式计算： b = 2 ( 2 - 5 ) 对于图2 5 所示的器件，可以简单的计算光到达玻璃基板的效率。设n ，= n m q = i 7 0 ，n 2 = n 棚= 1 4 6 ，则2 b = 0 4 9 ，假设向上的光全部被金属电极反射，只 有5 1 的光能被高折射率的有机膜和i t o 层产生的波导效应而损失调。同样， 可以计算从玻璃基底到空气的透过率，这样只有1 7 的光能被人们所看见。可 以看出效率非常的低，因此对器件的外部形状的设计就非常的重要。可以设计成 锥形结构，还可以在玻璃与i t o 之间蒸镀消反射膜，如s i 0 2 ，s i 0 ，s i 0 批( n = 1 8 1 9 ) ，或在基底低部增加层状透镜阵列或s i 仉层，都可以减小光的耦合损失，提 高光的有效输出。 电子科技大学硕士论文 1 4 6 图2 - 5 以平板玻璃为基底的i t o t p d a i o j l 4 9 ：a g 器件的光耦合过程 因此，要综合考虑影响器件发光效率的各种因素，才能有效的提高器件的发 光效率。 电子科技大学硕士论文 3 1 引言 第三章无源矩阵o l e d 的研制 有机电致发光显示器件的研究始于6 0 年代。1 9 8 7 年，美国柯达公司的 c w t a n g 等人以8 一羟基喹啉铝( h l q 3 ) 作为发光层，研制成功了有实用价值的 低电压( 1 0 v ) 驱动的有机电致发光器件，使o l e d 获得了划时代的发展。典型的 小分子o l e d 器件结构如图3 - 1 ( a ) 所示。二极管由多层膜组成，总厚度小于l p m ， 各功能膜的制作，目前首选真空热蒸发法。其工艺流程如图3 一l ( b ) 所示。 ( a ) 典型的o l e d 器件结构剖面图 匮豇吨豆巫叵卜匝巫匾卜 妥壅画亟卜匮圈 ( b ) 有机小分子器件制作工艺流程 图3 - i 有机小分子电致发光器件结构及其制作工艺流程 有机e l 矩阵显示分为无源矩阵( p a s s i v em a t r i x ) 和有源矩阵( a c t i v e m a t r i x ) 控制方式，我们上面所讲的都是无源矩阵，其实只有在无源器件及其显 示屏获得高性能基础上才能考虑有源矩阵显示技术的应用。 无源矩阵驱动技术一般指的是对像素数不太多的单色显示屏的驱动。无源矩 2 0 _ ： 电子科技大学硕士论文 阵显示器一般采用精密条纹掩模板，将金属电极分割成所需尺寸的形状，形成条 状阴极，或者采用其它方式将金属电极分离，形成所需的条状阴极。机e l 显示 器的每一个像素都可以等效为一个二极管，图3 2 示出了无源矩阵模式驱动线路 原理，这种驱动模式最大的缺点是容易产生像元之间的交叉干扰，导致显示器的 对比度降低啡。 蕃索 j 么 - - - - - 1 囊瓣 图3 2o l e d 器件的无源矩阵驱动模式原理图 有源矩阵驱动模式是指用t f t 驱动，即每个有机e l 像元用一个非线性无机 二极管控制，仅允许选通的像元发光，即此时选通像元的t f t 导通，而没有选通 的t f t 处于截止状态，可以防止无源矩阵驱动的交叉串扰问题。有源矩阵方式将 t f t 电路与电容和i t 0 电极连接( 如图3 - 3 ) ，通过保持电容量来维持一定驱动电 压，这样可以保证扫描中已经选择的像素点一直保持相同电压，延长像素的激发 时间，以提高器件亮度，保持发光亮度的均匀性，并可以降低功耗延长器件寿命。 奢崔吼d a t ac o m 甄p o l y 却斗 s c n 图3 - 3o l e d 器件的有源矩阵驱动模式原理图 童 电子科技大学硕士论文 有源矩阵在液晶显示器( l c d ) 上广泛采用，由于l c d 所需电流密度较小， 一般采用a s i t f t ，而有机e l 显示屏所需电流密度比l c d 要大的多，所以采用 p s i - t f t 技术。 随着显示器件屏幕的增大、显示密度的提高，有机e l 器件中电极本身的压 降就不能不加以考虑。解决的方式是利用辅助阳极的电极来减小压降，其器件 的剖面结构如图3 - 4 所示。解决这个问题更有效的方案也是采用有源驱动模式 2 7 】 辅助电 图3 4 采用辅助电极的阳极结构 为了实现o l e d 的矩阵显示，就要得到交叉的象素点，即阳极和阴极垂直堆 积，使夹杂其间的有机材料发光，实现矩阵显示，如图3 - 5 所示。 图3 - - 5 无源矩阵o l e d 显示器件的结构 阳极图形的形成，可以在制作各o l e d 功能薄膜层之前，对i t o 玻璃进行湿 法腐蚀，形成所需的电极图形。 阴极的形成，通常有两种方式：一是通过精密掩模技术制作多层有机薄膜和 金属阴极；二是在基板上制作绝缘层，并刻蚀成所需图形，形成一种障壁，起到 掩模的作用，自动分离阴极。图3 - 6 示出了这种典型的障壁工艺制作的o l e d 器 件的剖面结构图。 图3 - 6 采用障壁工艺制作的o l e d 显示器件截面图 本章主要介绍采用精密掩模和障壁这两种技术方案，来制作无源矩阵o l e d 器件的研制过程。在精密掩模制作过程中，介绍了器件的完整制作过程，在障壁 技术中只介绍障壁的形成，器件的最终制作完成与采用精密掩模方案相类似。 3 2 采用精密掩模方式研制0 l 印显示器件 我们采用一套全封闭串联型o l e d 研究制作系统，将清洗好的基板从系统的 一侧送入，在真空系统中完成基板预处理、有机功能膜成膜、阴极成膜、保护膜 成膜四个过程，在不打开蒸发室的条件下，送入手套箱进行封装，完成o l e d 器 件的封装并从手套箱送出。 3 2 1 系统组成汹 o l e d 制作系统如图3 - 7 所示。由真空成膜设备和手套箱构成，真空成膜室是 由龙门阍隔断的预室( 左) 和主室( 右) 组成，可分别操作。主抽系统是采用大 抽速的涡轮分子泵，前级采用直联泵。可以在4 0 m i n 内达到4 1 0 。p a 。 在预室内，可以完成对基板的预处理工作有6 0 0 w 可调功率辅助加热卤钨 灯，加热温度3 0 0 1 ，可以对基板加热去气。还有等离子体处理室，r f 功率 3 0 0 w 连续可调，完成对基板等离子体清洗。操作时，关闭龙门阀，预抽配气管 路，通过质量流量计向预室充氧气，调节角阀开口大小并配合质量流量计流量的 调整，控制预室真空度。射频功率可以通过调节3 0 0 w 晶控射频电源及3 0 0 w 射频 阻抗匹配器来实现，调节匹配网络，可以使反射功率最小。 样品传送是靠转动磁力手柄带动蒸发室中两段导轨上的小车来完成，这种传 片方式可以保证真空密封性好，使真空室不暴露在大气中，减少抽真空时间，更 主要的是可以避免真空室壁上的有机材料吸潮、脱落，形成微小的粉尘，影响镀 膜质量。对导轨的要求是平行度和水平度要好，否则样品容易脱落并且膜的蒸镀 均匀性也不能保证。 皇王型垄查堂夔主丝塞 1 质量流量计2 截止阀3 蒸发源4 挡板5 样品6 照明灯7 充气阀8 r f 电 极9 电离规管1 0 电阻规管1 1 加热器1 2 磁力传动器1 3 龙门阀1 4 电离规 管1 5 电阻规管1 6 充气阀1 7 膜厚探头1 8 角阀1 9 电磁阀2 0 预抽机械泵 2 1 前级机械泵2 2 闸板阀2 3 电磁阀2 4 电阻规管2 5 分子泵2 6 闸板阀 2 7 角阀2 8 样品亮度动态测试2 9 手套3 0 高真空阀3 1 小真空室3 2 手套箱 3 3 大真空室 图3 70 l e d 制作系统示意图 真空室与手套箱之间由高真空阀隔断，蒸发完成后，充以纯氮，待压力平衡 后，从导轨上把样品架取入手套箱中手套箱是荚国v a c u u m 公司生产，型号是 v a c l 0 0 5 5 2 ，气体纯化器有2 0 升氧和2 3 千克水的吸收能力，0 3 啪气体入口和 出口过滤器，纯化水、氧含量小于1 p p m 。在此环境中可完成对器件的封装和真 空中保存放置，器件可以从手套箱的小室送出。 3 2 2 试验步骤和过程 我们以无源矩阵o l e d 器件的制作为流程，来介绍试验过程。 一基片的清洗 i t o 透明导电膜由于透过率高，方块电阻小，广泛用作o l e d 器件制作的空穴 注入电极，而以玻璃为器件的基底，是由于它具有透明、平整、易于控制成形以 及抗潮等特点。我们采用两种规格的带i t o 膜的玻璃基板，一种是方块电阻是 1 0 q 口，透光率为8 0 ；另一种是方块电阻是1 5 0 0 d ，通光率为8 5 ，显 然前者比后者要好一些。 电子科技大学硕士论文 i t o 和有机层间的界面对o l e d 性能有很大影响，其功函数决定了空穴注入的 势垒高度。其电子性能受制备方法和清洗方法影响大，提高表面氧浓度可以提高 i t o 功函数约0 5 e v 啪1 。另外，其表面平整度和粗糙程度也有影响。c w t a n g 早 就指出，在沉积有机层之前，i t o 表面必须进行仔细的清洗，否则得不到稳定的 o l e d 器件“】。 i t o 表面清洗是除去表面上吸附的有机和无机杂质污染物，它的清洗首先是 将划好的基片放置在基片架中，用基片架的目的是为了避免划伤i t o 表面，并且 可以同时清洗多片，可以避免基片之间浸水后贴附在一起，清洗不彻底或者烘干 时留下水迹 清洗步骤如下： 1 将基片浸泡在金属洗衣粉的自来水溶液中，煮沸。冷却至4 0 5 0 ，用 超声波超声l o m i n 。 2 将金属洗衣粉用自来水反复冲洗干净，再用去离子水冲洗。用去离子水 将基片煮沸，冷却至4 0 5 0 ，超声l o 分钟，再用去离子水冲洗。 3 用丙酮超声1 0 分钟，再用无水乙醇超声1 0 2 0 分钟，用去离子水反复冲 洗。烘干，备用。 将基片送入预室，真空度达到1 0 1 p a 时，用石英加热器加热至2 0 0 y 2 除去基片 表面上吸附的气体和杂质。 二1 t 0 表面的处理 由于i t o 袭面制作工艺以及厚度不同，表面形貌和功函数不一样，人们采用了 各种方法，比如紫外臭氧处理。”，酸处理。”，0 2 ，a r 等离子体处理，s f 等离子 体处理肼。其中0 ：等离子体处理最为常用。 在预室中，r f 从真空室底引入，承载基片的小车作为另一电极，处理工艺由 氧气流量、r f 功率、真空度来控制。r f 电源输出额定功率3 0 0 w ，板极电压0 1 3 0 0 v 连续可调，板极电流o o 3 a 连续可调。开启r f 电源后，手动调节阻抗匹配器， 使发射功率等于或小于入射功率的4 ，开氧气开关，预热5 分钟后开板压，使预 室起辉，辉光放电1 0 分钟，来处理基片处理结束后，关闭气路，抽高真空，开 龙门阀，小车送入主室。 三、有机膜的形成工艺 有机材料的蒸镀是o l e d 器件制作的关键。 电子科技大学硕士论文 由于有机材料的蒸汽压高，蒸发温度低，许多有机材料在4 0 0 1 2 以内就可能分 解，并且粉末状的有机材料热传导能力差，在真空中加热时，材料温度的升高和 降低都比较困难，这就要求在蒸发过程中精确控制蒸发舟的温度，并且在控制升 温时要缓慢的调节，控制蒸发速率在1 a s 左右。而且，有机材料极易吸潮，容 易变质失效，在蒸发的过程中，材料容易飞溅，蒸发速度不稳定，而且有机材料 易吸潮，分解，形成的飞尘容易在o l e d 器件的制作过程中形成针孔，使器件失效， 特别是刚开始时，需要用挡板来控制成膜的时机，待到蒸发速率稳定打开挡板， 达到设计要求的厚度时。关闭挡板。 薄膜的生长速度的稳定性对制备高性能的复合膜非常重要，这就要保证舟温 均匀，精确可控。舟温的控制根据不同材料选择合理的蒸发温度，可以在控温表 上设定，也可以通过限制电压来控制温度的上升速率，舟温波动可以控制在1 ，为了获得稳定的蒸发速度，蒸发室还设置了手动挡板，适时的打开和关闭挡 板，可以避免蒸发中的不稳定造成对膜层的损害。 对蒸发舟的设计和制作必须根据蒸发材料合理的制作。以保证舟温均匀、精 确可控。本研究工作中，舟的材料采用0 5 r a m 钽皮，这种材料熔点高、蒸汽压低、 电阻率高、性能稳定、加工性能好。要解决有机材料飞溅和蒸发速度不稳定的问 题，我们设计的舟的结构如图所示3 - 8 所示。 第三层 么二二二! 二二二二乙第二层 第一层 图3 8 蒸发舟的结构 这种三层结构的钽舟，可以解决材料的飞溅和蒸发速率不稳定的问题。中间 层两边开a 1 的小孔，上层中间开0 1 的小孔，蒸发材料装在第一、二层之间，这样 粉粒状的有机材料如a l q 河以不直接从上层小孔出射，舟平整度一致，舟温非常 均匀，使用过程中未发现有机材料溅射和小孔周围沉积材料的情况，可以看作是 克努曾舟。作去气处理后，蒸发速率可以控制在l 2 a s 之间变化。 对于对膜厚和成膜速率的监控，也是控制成膜质量的关键因素之一。为了监 控蒸发速率的稳定性，系统采用t z m k - i i 膜厚动态监控仪( 上海航天局8 0 4 研究 电子科技大学硕士论文 所) 可以动态测量薄膜的几何厚度、沉积速率和镀膜时间。主要技术参数如下： 监测厚度范围：0 1 r i ml m m ，分辨率0 1 n m ； 监测速率范围：0 1 n m 9 9 9 9um ，分辨率0 1 n m ： 监测镀膜时间：l s 6 4 h ，分辨率l s ； 工具因子：0 0 0 1 9 9 9 9 ： 膜厚仪测出的是相对膜厚，要知道绝对膜厚，还要进行校准。包括材料密度 值、工具因子、声阻抗的校准，实际操作时，可以通过设定工具因子来补偿前两 者的校准，具体做法是，先设定密度值、声阻抗值、工具因子置1 ，作一次沉积 试验，用台阶仪测量薄膜的绝对厚度，此厚度与膜厚仪测得的厚度的比值即为工 具因子，作正式沉积时，工具因子以此值代替。在实际的操作时，要确保探头不 受温度及其它电磁场辐射干扰，以及样品位置要保持在同一个位置，不然将影响 探测的稳定性和正确性 四、电极膜形成 根据o l e d 能带模型，有机物l u m o 能级与金属费米能级的能量差决定了电子 注入的能力，因而采用低功函数的材料可以改善电子的注入情况。但是阴极的选 择并不是单纯以其功函数而论，阴极与有机层的界面才是最关键的因素啪1 。 阴极主要有以下几种，单层低功函数金属如m g 、g a 、l i 、a g 、a l 、i n 等， 其中最常用的是a 1 ，原因是其稳定性和价格是首要的考虑因素；合金阴极，由 于低功函数的金属化学性质活泼，容易氧化，常和稳定的金属一起共蒸形成合金， 如m g ：a g ，l i ：a 1 等；层状阴极，由一层绝缘材料和外面一层较厚的金属a l 组成， 如l i f a l 双层阴极，其电子注入效率和发光效率都有较大的提高。 本试验中，采用l i f a l 双层阴极，l i f 超薄层的制作，控制在0 5 l n m 之 间，太薄难以形成薄膜，太厚则失去了提高器件效率的意义。其主要是利用了 隧穿效应a 1 的蒸发采用钨丝锥形筐式蒸发源，每次蒸发要加料。其厚度控制 在2 0 0 h m 左右 ， 五保护模的形成以及封装工艺 o l e d 器件极易受到水和氧气的影响，因此在器件离开制作系统前必须封装。 我们采用以下的封装方案： o l e d 制作完成之后，不打开真空室，传递至手套箱，封装背板以及封装胶从 手套箱真空室送入。封装胶采用双组分环氧树脂胶，预先配好，在手套箱中涂在 背板四周，在真空室中除去气泡，准确的与显示板贴合。边施压边抽去气泡，然 2 ， 皇王型垫奎兰堡主丝塞 后在手套箱中自然固化。背板采用玻璃最好，金属背板要注意边沿不能与o l e d 电极短路，其结构大致如图3 1 ( a ) 所示。 也可以在真空室中完成预封装，也就是在阴极上蒸镀一层保护层，然后再传 递至手套箱内，采用封装背板封装。保护层要求与a l 的附着性能好，抗水和氧 的侵蚀，机械强度好，均匀平整的薄膜。热蒸发s i o 非晶硅薄膜均匀强度高广 泛用于各种a l 反射镜的保护模。不同的蒸发速度能得到致密性、强度、抗蚀性 都不同的薄膜。在1 2 0 0 ：左右开始蒸发，采用快速蒸发，形成致密的薄膜，然 后在手套箱中用背板封装。 也可以采用多层膜来封装。先快速蒸发s i o ，使薄膜更致密，然后涂环氧树 脂胶，再采用低速蒸发s i o ，使薄膜的附着力强，防止氧渗透，而且表面接触0 ： 后，氧化成致密的s i0 2 也可以采用金属c a 做阴极o ，一是c a 的功函数低，有利于电子的注入；二 是起到吸气剂和吸水剂的作用，c a 与水和氧反应，电极表面的生产物可以阻止 c a 进一步反应，起到保护膜作用。 3 2 3o l e d s 制作 为了实现矩阵显示，在o l e d 制作前，i t o 阳极湿法腐蚀形成所需条形形状的 结构。而阴极的条形结构不能采用与阳极同样的方式来制作，因为有机层非常容 易被腐蚀液破坏，光刻工艺对其也有很大的影响，结构很容易被触动破坏，使器 件失效。 对阴极的制作，我们在试验中采用精密掩模的技术来实现。将制作好的机械 掩模贴近基板，它们之间可以夹一片很薄的薄片，使掩模与基板隔开一定距离， 这样可以不划伤玻璃基板上的i t o 层，不会对蒸镀上的有机功能层和金属电极粘 附在一起，使取下掩模板时对蒸镀好的各有机功能层和金属电极造成损伤。但小 薄片也不能使掩模与基板之间隔离得太远，否则容易发生蒸发时出现绕射的现 象，使蒸镀的物质偏离了其运动路线的几何方向，得不到与掩模同样的精细度， 也容易发生微短路。一般，小薄片大约取0 5 毫米左右的厚度，使玻璃基板和掩 模随着小车一起移动，作为一个整体，在真空状态下一次完成器件的制作。 掩模的制作，采用不锈钢或者硬铝等材料通过机械加工来得到，可以采用多 种规格和尺寸的掩模，也可以做成特殊形状的掩模。我们采用条状掩模，其结构 示意图如图3 - 9 所示，其中一个周期是i m m ，间隔是0 6 m m ，可以得到条状的阴 极。 图3 9 阴极的机械掩模结构示意图 但是制作的器件的效果却不好，只有几个有限的象素发光，而其余的象素没 有被点亮。考虑到可能的原因，一是成膜质量不好，二是电极出现短路。在显微 镜下观察，可以看出，条状的有机层和金属彼此隔开，没有出现彼此连接，相互 之间短路的现象。那么可能的原因就是成膜质量不高，可能在一些地方，没有蒸 镀上有机材料。使金属电极和i t 0 阳极短路：或者出现一些缺陷，比如针孔、尘 埃等使器件出现微短路，未加电流时，用万用表测量，不出现短路现象，但当加 上电流时，出现短路：或者i t 0 电极形状的边缘陡峭，使有机材料没有完全覆盖 住i t 0 电极，以至于使金属电极与i t 0 短路或者在电极的边缘出现漏电流击穿膜 层，造成器件的失效。 可以看出，成膜质量对制作器件是至关重要的。下面我们从理论上计算基板 上薄层厚度的分布，是否对使用的系统成膜质量造成影响。 系统设计的基板尺寸大小是1 5 英寸对角线的平面玻璃板，蒸发源到衬底的 距离小于0 2 5 m ，工作真空度为ix1 0 1 p a 时，残余气体分子的平均自由程五由下 式计算： 名：毒车( 一3 - 1 ) 、 肛丽 式中o 指分子直径，p 指压强，t 指绝对温度，k 指波尔兹曼常数。 由真空的基本知识知道，气体种类和温度一定的情况下，五p = 常数。 在2 5 0 的空气情况下， 丑p o 6 6 7 ( c m e a ) 或 五掣( c m )( 3 d 、一一 在p = i x l 0 1 p a 时，残余气体的分子平均自由程丑一- 6 0 m , 即五 o 2 5 m , 在系统 皇王壁垫奎兰堡主堡苎一 中，蒸汽分子可以不受阻碍的到达衬底表面。 蒸发舟的容器壁采用厚0 1 5 m ，蒸发分子从容器顶盖0 1 的小孔蒸发出射a 这 种蒸发源，蒸发分子的发射分布取决于小孔几何形状和分子在容器中的平均自由 程，是一种克努曾蒸发源，即微小平面蒸发源，如图3 1 0 所示。 _ + 一s 叫 勺 扣 图3 - 1 0 克努曾蒸发源 设在离蒸发舟小孔出口为h 的位置处，垂直于小孔轴线放置一平面，如图3 1 0 所示。从容器内各个方向均匀射入开口的分子仍以原来的方向射向容器外部，因 此入射分子的方向分布在蒸发过程中并未改变，在与通过开口中心的法线成e 角 方向上的立体角du 中，分子蒸发速度服从余弦定律。 蒸发分子在单位时问内入射到法线与蒸发分子入射方向成0 角的单位面积 上的分子平均速度r 。( 分子l n 2 s ) ，一般按下式计算 耻揣 ( 3 - 3 ) 式中r 。为点蒸发源时的蒸发速度( 分子s ) ，r i 表示在位置s 处的入射速度。 设r 。表示s = 0 处的蒸发分子速度，则 每= 1 + r = c o s 口 c 。一t ， 因此对应的膜厚之比为 三；c o s 4 口 ( 3 5 ) f o t 表示离基板中心s 处的膜厚，t 。表示基板中心的膜厚。 皇至壁夔查差堡主丝塞 一一 同理，对点蒸发源，向垂直放置的平面蒸发的膜厚分布之比，其推导过程类 似微小平面蒸发源，其结果如下式所示： 籼+ 研班 c s - e ， 图3 一l l 示出了从点蒸发源、克努曾蒸发源在平面型基板上的膜厚分布。当蒸 发镀膜的最大尺寸设计是5 荚寸对角线长度，从而s 。；6 4 咖，蒸发源与基板间距 离设计为2 5 0 m ，s h = o 2 4 ，对应的厚度差约为l o 。若l i f 超薄膜厚度为0 5 n m ， 边沿厚度约为o 4 5 r a m ，不会明显影响o l e d 的i v 特性啪1 ，能满足超薄膜的制作要 求。 图3 - 1 1 点蒸发源、克努曾发源在平面基板上的膜厚分布 因此，系统的设计对成膜质量是基本可以满足要求的。出现的制造器件达不 到预期的效果，可能的原因很多，包括系统的清洁不好造成的膜层中的缺陷，以 及蒸发源蒸发时的稳定度控制，系统在操作和其它一些未知的因素在内等等，需 要考虑。 为了避免成膜质量对器件的影响，我们采用只在蒸镀金属电极的时候采用精 密掩模，而在蒸镀有机层的时候可以整体蒸镀，这样可以避免局部的成膜质量不 好引起的电极短路，使整体成膜质量较好。蒸镀完有机层后，将器件转移动手套 箱中，重新换小车的掩模，将精密掩模放在基片下面，之间放上一片小薄片，用 弹簧片将基片压紧。将小车重新返回蒸发室中，蒸镀金属电极铝。再返回手套箱 中完成器件的封装。 3 l 皇三型垫盔堂堡主丝奎 一一 制作的器件，尺寸为2 英寸，i t o 条的宽度是0 3 m m ，阴极线宽是0 6 m m ，分 辨率为6 0 3 0 。点亮器件n 发光效果如下图3 一1 2 所示： ( a ) ( b ) 图3 - 12 采用机械掩模的o l e d 显示器件 从图中可以看出，器件3 - 1 2 ( a ) 的交叉效应非常明显的。当加上电流时，交 叉点的像素发光，同时其它部分未被选中的交叉点像素也发光，而且发光点的位 置和亮度似乎无规律可循。有的被选择像素点在外加电压很小，还没有明显发光 现象时，已有非选择像素点开始发光，随着外加电压的升高，不断有非选择像素 点被点亮。而且还存在着光学上的串扰现象；使得器件的侧面发光，或者被反射 回去，引起其它像素点的位置上发光，使得器件的对比度下降，颜色失真。 可以看出器件的亮度是非常高的，在直流电压l o v 时，亮度可以达到 1 2 0 0 0 c d m 2 ，器件的开启电压只有2 8 v 。 器件3 1 2 ( b ) 是经过调整工艺，i t o 采用未经腐蚀成条状的平面状电极，点 亮其中的两条，其亮度和发光均匀性比较理想，但是，发光亮度随着电流的方向 也出现了逐渐减弱的现象，这是由于i t o 电阻造成的，因此在制造大面积器件时， 要考虑i t o 方块电阻的影响。 o l e d s 是电流注入型发光器件，其电流一电压特性。亮度一电流特性，是器 件电光性能的重要指标。对i t 0 t p d ( 4 0 0 h m ) a l q ( 4 0 0 n m ) l i f ( 1 n m ) a 1 ( 2 0 0 n m ) 结构的o l e d ，进行了测试。其i v ，b - i 特性曲线如图3 一1 3 所示。 从曲线图可以看出，器件在正向i - v 特性测试中，有电流异常现象，会出现 电流突然增大的现象，而且是随机的。这可能与器件的制作工艺有关，也与载流 子的迁移率不一致造成的，对电流异常现象做如下解释。 由于o l e d 是多层面膜结构，i t o 表面的不平整度，薄膜制备过程中的不均 匀性，微小的尘埃，蒸发材料中的杂质都将导致薄膜生长中的缺陷，因而o l e d 3 2 ( a ) 器件的电流一电压曲线图 ( b ) 器件的电流一亮度曲线图 3 - 1 3 器件的光电特性曲线图 各层膜之间的界面决不会是均匀和相同的，可能存在一个或多个微区，这些微区 具有比界面其它区域更为有利于载流子注入的形状，有机薄膜本身也决不会是微 观均匀和相同的。因此，通过薄膜样品的电流从微观上看应该是丝状，特别在高 电场下，丝状电流的形成，电流密度将不是径向( 沿二极管平面平行的方向) 均 匀的。 认为这些电流奇异现象与电流丝有关，电流丝可能形成局部高场区域，比如 制备过程中的局部微小突起引入的高电场，或者电流丝是由针孔引起的。所谓的 针孔是指阴、阳极在一微小面积短路，电流在阴、阳极间通过接触电阻相通。随 着电压升高，首先升高的是这些丝状电流，这一电流在陷阱态填满，i v 特性进 入无陷阱限制电流区时，将进一步增大，由于局部大电流导致局部过热、断路， 丝状电流消失，电流进入正常的空间电荷流由图3 - 1 3 ( b ) 的亮度与电流密度关 系可以知道，丝状电流消失，电流下降，发光亮并没有下降，因此可以推测，上 述丝状电流可能是由针孔引起的。 器件的亮度与电流密度的关系如图3 - 1 3 ( b ) 所示，b i 关系可以分为两段， 刚开始曲线的斜率低，意味着器件的发光效率低，随着电流进入快速增长阶段， 亮度迅速增加，b - i 曲线近似地成线性关系，曲线斜率增大，表明器件的发光效 率高。其相互关系的改变意味着载流子传输机制的改变，开始载流子的复合可 能不是发生在发光层。而是在传输层，这样器件的效率低。随着载流子的平衡注 入，复合区逐渐移向发光层，效率增加。因此，我们在设计器件时要考虑有机层 厚度和载流子迁移率的匹配问题。 3 3 皇量型茎盔堂堡主丝塞 一一一一 我们必须采取措施，来减小或者避免器件的交叉效应。从器件的驱动方式的 角度来看，可以通过驱动电路的设计加以抑制：从器件的制作的角度来讲，可以 在i t o 阳极与空穴传输层之间加入缓冲层来实现。 但是，采用精密掩模来制作的方式，不能根本避免器件的交叉效应，这是因 为在有机层内，电荷可以通过横向的电容耦合，发生电荷移动，总会形成闭合的 回路，使没有选择的象素点也发光，交叉效应明显。我们可以隔断有机层之间的 联系，来减小交叉效应。如果采用障壁技术方案，制作的器件可以有效的抑制交 叉效应。 下面将介绍采用障壁制作技术的方式来制作o l e d 器件。 3 3 障壁方式矩阵研究 另一种o l e d 的矩阵制作方式是如图3 - 6 所示的障壁结构，这是一种相对简 单并且非常独特的方式来制作无源矩阵o l e d 显示器件，它由一个内置绝缘层的 衬底和倒契型的柱状绝缘层组成的，内置绝缘层起到隔离i t o 阳极与金属电极的 作用。不使它们之间短路，柱状的绝缘层上宽下窄，可以隔断金属电极彼此的连 接，起到分离阴极的作用。障壁是在垂直于i t o 阳极线条上形成的，当有机材料 和阴极金属沉积时，这种绝缘层的障壁结构自动产生分离阴极的作用，得到垂直 于i t o 条的条状阴极，得到交叉的象素点，完成u 正d 显示平板的矩阵显示。由 于有机层被障壁彼此隔断，减小了交叉效应，对器件的性能提高很有好处，可以 采用光刻工艺来制作，其分辨率可以傲的很高，制作比较简洁，适宜大面积和高 产量的制造。 这种障壁结构，在制作上要形成上面宽，下面窄的绝缘介质层，是制造无源 矩阵o l e d 器件的关键技术之一，也是实现矩阵显示的必需的一个步骤。 有如下的三种技术方案，可以实现障壁这种思想，制作无源矩阵o l e d 器件。 首先想到的是利用两层介质，分别对它们实施不同的腐蚀，使两层介质腐蚀程度 不同，形成上层介质宽下层介质窄的结构，即t 型结构的障壁；还可以制作矩形 结构的绝缘介质层，采用倾斜蒸发的方式，也可以实现障壁这种思想；也可以用 一层介质来实现，使这层介质形成上宽下窄的结构，形成倒梯形结构的障壁，这 需要对光刻胶进行特殊的处理或者使用特殊的光刻胶来实现。这几种技术方案， 在试验中不断摸索、验证并加以优化和改进。 皇兰型茎查茎堡圭丝茎 一 下面围绕这三种技术方案来制作障壁，分别予以介绍。 3 3 1 采用t 型结构的障壁 我们采用两层绝缘介质来完成障壁的制作，器件结构示意图如图3 一1 4 所示。 图3 - 1 4t 型结构的障壁结构示意图 这种t 型结构的障壁“”，绝缘层采用两种绝缘材料构成，上面一层绝缘介质 比下面一层绝缘介质要宽，可以使金属电极在障壁边缘处隔断，起到分离阴极的 作用。 通过对两种绝缘介质在腐蚀时有选择的加以控制，形成不同的t 型形状的障 壁结构，这两种绝缘介质材料也可以采用不同的组合方式，得到大致相同的t 型 结构的障壁。这种结构的障壁，采用常规的微细加工工艺可以完成，其制作相对 简单和容易控制，精度比较高。 下面是试验中采用的几种方案，所采用的基板是带有i t o 的玻璃基板，i t o 电极已经腐蚀成所需要的条形结构。 方案一：基板一 涂聚酰亚胺( p i ) 一 蒸镀s i 仉一 光刻一 腐蚀一 障壁 采用聚酰亚胺聚合物材料做第一层绝缘介质，上面一层绝缘介质采用半导体 材料二氧化硅。 主要工艺过程：带i t o 透明电极条的玻璃基板的清洗一 旋涂p i 一 蒸镀 s i 仉一 光刻一 显影腐蚀一 形成s i o z 的掩模一 用缓冲h f 腐蚀s i o ：一 电子科技大学硕士论文 坚膜一 用碱溶液腐蚀p i 一 固化p i 一 形成壁障。 其中，清洗步骤如下：将基片放在基片架中，一起放入烧杯中，用自来水溶 解的金属洗衣粉溶液倒入烧杯中，加热至沸腾；放置冷却至4 0 5 0 ，超声l o 分钟；洗净金属洗衣粉( 先用自来水，后用去离子水冲洗数道) ；用去离子水加 热至沸腾；放置冷却至4 0 5 0 c ，超声1 0 分钟：用去离子水冲洗数道，烘干备用。 绝缘介质中采用的聚酰亚胺( p i ) ，是一种具有良好的电绝缘性，耐高温性 能( 2 5 0 4 0 0 ) 和出色的微细加工性能的高分子聚合物材料，广泛应用于电子 器件的钝化层和表面保护层。它是目前使用最广泛的有机聚合物介质，其优