OLED显示器件的发光机理

二、OLED显示器件的发光机理

OLED是一种电流注入型发光显示器件，其发光机理如图2.1所示。

在外加电压的驱动下，空穴和电子分别从正极和负极注入到有机材料中，空穴与电子

在有机层中相遇、复合，释放出能量，将能量传递给有机发光物质的分子，使其从基态

跃迁到激发态。激发态很不稳定，受激分子从激发态回到基态，辐射跃迁而产生发光现

象，这种现象一般有五个阶段：

1、载流子的注入：在直流低压高电场驱动下，空穴和电子分别从阳极和阴极注入到夹

在两电极间的有机层中。

2、载流子的迁移：注入的空穴和电子分别由空穴传输层和电子传输层迁移到发光层中。

3、载流子的复合：空穴和电子在发光层中相遇，并产生激子。

4、激子的迁移：激子在电场作用下将能量传递给有机发光分子，并激发有机分子中的

电子从基态跃迁到激发态。

5、电致发光：激发态能量通过跃迁，将能量以光子的形式释放出来，产生电致发光。在这

5个阶段中，要求正负载流子的注入量尽量平衡，否则不但会降低载流子的复合儿率，而且

还会在有机层之间产生直通电流，引起器件发热而缩短器件寿命，一般来说，空穴注入

相对简洁，而电子注入却较困难；载流子传输性能的好坏取决于有机材料的载流子迁移率，

相对于无机半导体材料来说，有机材料的载流子迁移率较低，一般在10

4〜IOMRV/VS量级，但有机膜在低电压下便可在发光层内产生104〜i06v/cm的高电场，

因此载流子在有机层中的传输根本不成问题；载流子迁移率一般实行飞行时间法time

offlight）和外表电荷衰减法进展测量，但两种测量结果有差异；有机分子可以通过多

种形式吸取能量而处于激发态，处于激发态的有机分子又可以通过多种形式释放出能量回

到基态，其中激子跃迁是激发态分子释放能量返回基态的主要过程，激子又分为单线态和

三线态两种，单线态激子可以跃迁，而三线态激子不能跃迁；能跃迁的激子可以辐射衰减

而发光，无法跃迁的激子则不能。

三、OLED的构造及制备工艺

1、OLED的器件构造

OLED屏的根本构造可分为单层器件构造、双层器件构造、三层器件构造和多层器

件构造等多利其根本形式如图3.1所示。

单层构造器件的正负两极之间只含有一层有机发光层，这种构造常川在掺杂型0-ED

中。这种构造的器件性能较差，由于两种载流子注入不平衡，所以复合几率小，融效

率低：由于器件中有机膜厚度大，驱动电压高。

在双层构造的器件中，由于大多数有机材料不是具有传输空穴的性质就是具有传输

电子的性质，但同时具有均等的空穴和电子传输性质的有机材料极少。为了有效的解决了

电子和空穴的复合区远离电极和平衡载流子注入效率的问题，提高OLED的发光效率，

承受双层构造。双层构造的器件有效地平衡了空穴和电子的注入量，提高载流子的注入速

率和器件发光效率与量子效率。

三层构造的器件由空穴传输层(HTL)、电子传输层(ETL)和发光层(EML)组成。

在此构造中，三个功能层各行其职，有利于器件的性能优化，这也是一种标准的器件构造。

为了降低驱动电压，提高比照度，增加量子效率，提高发光亮度而承受多层构造。

多层构造不但保证了OLED功能层与玻璃间的良好附着性，而且还使得来自阳极和阴极的

载流子更简洁注入到有机功能薄膜中。但多层构造在改善器件性能的同时，也会给各层之

间带来简单的界面效应。

2、OLED的制备工艺

目前在中国大陆，OLED显示器件的制备还处于试验室阶段，但已到达了中试的边

缘，因此我们将主要争论试验室的OLED制备工艺。

不管是试验室、中试，还是量产，OLED器件的制备过程根本全都，主要区分在于

器件的真空蒸镀设备上。试验室一般选用手动的真空蒸镀设备进展单片样品蒸镀，以更于

制作种类不同的试验样品；中试线一般承受半自动的真空蒸镀设备进展连续的多片样品蒸

镀，以便于小批量产品的切换；量产线一般承受全自动的真空蒸镀设备进展流水样品蒸镀

(或承受线蒸镀技术与工艺)，以便于提高良品率、降低产品本钱。据悉，也有的机构

正在争论尝试在量产线上用旋涂技术工艺进展生产OLED产品。

OLED显示器件的制备工艺包括：ITO玻璃清洗一光刻一再清洗一前处理一真空蒸

镀有机层-真空蒸镀背电极一真空蒸镀保护层一封装一切割一测试一模块组装一产品

检验及老化试验等十几道工序，其几个关键工序的工艺如下。

(1)n■。玻璃的洗净及外表处理

ITO作为阳极其外表状态直接影响空穴的注入和与有机薄膜层间的界面电子状态及

有机材料的成膜性。假设ITO外表不清洁，其外表自由能变小，从而导致蒸镀在上面的空

穴传输材料发生分散、成膜不均匀。

ITO外表的处理过程为：洗洁精清洗一乙醇清洗一丙酮清洗一纯水清洗，均用超声

波清洗机进展清洗，每次洗涤承受清洗5分钟，停顿5分钟，分别重复3次的方法。然

后再用红外烘箱烘干待用。对洗净后的ITO玻璃还镭进展外表活化处理，以增加ITO

外表层的含氧量，提高TFO外表的功函数。也可以用比例为水:双氧水:氨水=5:1:1混合

的过氧化氢溶液处理ITO外表，使ITO外表过剩的锡含量削减而氧的比例增加，以提

高ITO外表的功函数来增加空穴注入的几率，可使OLED器件亮度提高一个数量级。

ITO玻璃在使用前还应经过“紫外线一臭氧”或“等离子”外表处理，主要目的是去除

ITO外表残留的有机物、促使ITO外表氧化、增加ITO外表的功函数、提高ITO外表

的平坦度。未经处理的ITO外表功函数约为4.6eV,经过紫外线一臭氧或等离子外表

处理后的ITO外表的功函数为5.0eV以上，发光效率及工作寿命都会得到提高。对I

TO玻璃外表进展处理肯定要在枯燥的真空环境中进展，处理过的IT0玻璃不能在空气

中放置太久，否则ITO外表就会失去活性。

（2）IT0的光刻处理工艺

（3）有机薄膜的真空蒸镀工艺

OLED器件需要在高真空腔室中蒸镀多层有机薄膜，薄膜的质量关系到器件质量和寿

命。在高真空腔室中设有多个放置有机材料的蒸发舟，加热蒸发舟蒸镀有机材料，并利

用石英晶体振荡器来掌握膜厚。IT0玻璃基板放置在可加热的旋转样品托架上，其卜面

放置的金属掩膜板掌握蒸镀图案。

在我们的真空蒸镀设备上进展蒸镀试验，试验结果说明，有机材料的蒸发温度一般

在170℃〜400c之间、IT。样品基底温度在100℃〜150℃、蒸发速度在1晶振点〜1

0晶振点/秒（即约0.1nm〜1nm/S）、蒸发腔的真空度在5x10Wa〜3x10Wa时蒸镀的

效果较佳。

图3.3是有机材料的蒸镀示意图。单色膜厚通过晶振频率点数和蒸发舟•挡板联合掌握,

而三色则通过掩膜板来掌握。

但是，有机材料的蒸镀目前还存在材料有效使用率低（（10%）、掺杂物的浓度难

以准确掌握、蒸镀速率不稳定、真空腔简洁污染等等缺乏之处，从而导致样片基板的镀

（4）金属电极的真空蒸镀工艺

金属电极仍要在真空腔中进展蒸镀。金属电极通常使用低功函数的活泼金属，因此在

有机材料薄膜蒸镀完成后进展蒸镀。常用的金属也极有Mg/Ag、Mg:Ag/Ag、Li/Al、

LiF/Al等。用于金属电极蒸镀的舟通常承受铝、留和四等材料制作，以便用于不同的金属

电极蒸镀（主要是防止舟金属与蒸镀金属起化学反响…表3.1是OLED常用的蒸发源

材料及其熔化温度。

金属电极材料的蒸发一般用加热电流来表示，在我们的真空蒸镀设备上进展蒸镀试

验，试验结果说明，金属电极材料的蒸发加热电流一般在70A〜100A之间（个别金属要

超过100A〕、IT0样品基底温度在80c左右、蒸发速度在5晶振点〜50晶振点/秒

（即约0.5nm-5nm/S）s蒸发腔的真空度在7xlO-4Pa〜5xlO-4Pa时蒸镀的效果较佳。

（5）器件封装工艺

OLED器件的有机薄膜及金属薄膜遇水和空气后会马上氧化，使器件性能快速下降,

因此在封装前决不能与空气和水接触。因此，OLED的封装工艺肯定要在无水无氧的、通

有惰性气体（如氨气）的手套箱中进展。封装材料包括粘合剂和掩盖材料。粘合剂使用

紫外固化环氧固化剂，掩盖材料则承受玻璃封盖，在封盖内加装枯燥剂来吸附残留的水分。

图3.4为由于水分入侵造成有机层的破坏。

四、制备OLED的材料及其作用

制备OLED的材料种类很多，主要分为阳极材料、阴极材料、缓冲层材料、载流子

传输材料和发光材料等几大类。

1、阳极材料

OLED的阳极材料主要作器件的阳极之用，要求其功函数尽可能的高，以便提高空

穴的注入效率。OLED器件要求电极必需有一侧是透亮的，因此通常选用功函数高的透亮

材料IT0导电玻璃作阳极。IT0（氧化锢锡）玻璃在400nm〜lOOOnm的波长范围内透

过率达80%以上,而且在近紫外区也有很高的透过率。

2、阴极材料

OLED的阴极材料主要作器件的阴极之用，为提高电子的注入效率，应中选用功函

数尽可能低的金属材料，由于电子的注入比空穴的注入难度要大些。金属功函数的大小严

峻的影响着OLED器件的发光效率和使用寿命，金属功函数越低，电子注入就越简洁，发光

效率就越高；此外，功函数越低，有机/金属界面势垒越低，工作中产生的焦耳热

就会越少，器件寿命就会有较大的提高。

OLED的阴极通常承受以下几种型式：

（1）单层金属阴极。如Al、Mg、Ca等，但它们在空气中很简洁被氧化，致使器件

不稳定、使用寿命缩短，因此选择合金做阴极或增加缓冲层来避开这一问题。

（2）合金阴极。为了既能提高器件的发光效率，又能得到稳定的器件，通常承受金属合

金作为阴极。在蒸发单一金属阴极薄膜时，会形成大量的缺陷，造成耐氧化性变差；而蒸镀

合金阴极时，少量的金属会优先集中到缺陷中，使整个有机层变得很稳定。

（3）层状阴极。这种阴极是在发光层与金属电极之间参加一层阻挡层，如LiF、

CsF、RbF等，它们与Al形成双电极。阻挡层可大幅度的提高器件的性能。

3、缓冲层材料

在OLED中空穴的传输速率约为电子传输速率的两倍，为了防止空穴传输到有机

金属阴极界面引起光的猝灭，在制备器件时需引入缓冲层CuPc。CuPc作为缓冲层，

不仅可以降低ITO/有机层之间的界面势垒，而且还可以增加ITO/有机界面的粘合程度，

增大空穴注入接触，抑制空穴向HTL层的注入，使电子和空穴的注入得以平衡。

4、载流子传输材料

OLED器件要求从阳极注入的空穴与从阴极注入的电子能相对平衡的注入到发光层

中，也就是要求空穴和电子的注入速率应当根本一样，因此有必要选择适宜的空穴与电

子传输材料。在器件的工作过程中，由于发热可能会引起传输材料结晶，导致OLED器件性

能衰减，所以我们应选择玻璃化温度（Tg）较高的材料作为传输材料。试验中通常选用

NPB作为空穴传输层，而选用Alq3作为电子传输材料。

5、发光材料

发光材料是OLED器件中最重要的材料。一般发光材料应当具备发光效率高、最好具

有出子或空穴传输性能或者两者兼有、真空蒸镀后可以制成稳定而均匀的薄膜、它们的

HOMO和LUMO能量应当与相应的电极相匹配等特性。

在小分子发光材料中，Alq3是直接单独使用作为发光层的材料。还有的是木身不能

单独作为发光层，掺杂在另一种基质材料中才能发光，如红光掺杂剂DCJTB,绿光掺

杂剂DMQA,蓝光掺杂剂BH1,BD1等。Alq3是一种既可以作为发光层材料，又可以

兼做电子传输层材料的一种有机材料。

6、我们常用试验材料的分子构造

五、评价OLED性能的主要参数

通常，OLED发光切料及器件的性能可以从发光性能和电学性能两个方面来评价。

发光性能主要包括放射光谱、发光亮度、发光效率、发光色度和寿命；而电学性能则包

括电流与电压的关系、发光亮度与电压的关系等，这些都是衡量OLED材料和器件性能的

主要参数。

1、放射光谱

放射光谱指的是在所放射的荧光中各种波长组分的相对强度，也称为荧光的相对强

度随波长的分布。放射光谱•般用各种型号的荧光测量仪来测帚，其测量方法是：荧光

通过单色放射器照耀于检测器上，扫描单色放射器并检测各种波长下相对应的荧光强

度，然后通过记录仪记录荧光强度对放射波长的关系曲线，就得到了放射光谱。

OLED的发光光谱有两种，即光致发光(PL)光谱和电致发光(EL)光谱。PL光

谱需要光能的激发，并使激发光的波长和强度保持不变；EL光谱需要电能的激发，可

以测量在不同电压或电流密度下的EL光谱。通过比较器件的EL光谱与不同载流子传输

材料和发光材料的PL光谱，可以得出复合区的位置以及实际发光物质的有用信息。

2、发光亮度

发光亮度的单位是cd/肝，表示每平方米的发光强度，发光亮度一般用亮度计来测量。最

早制作的OLED器件的亮度已超过了lOOOcd/nf,而目前最亮的OLED亮度可以超过

140000cd/m2o

3、发光效率

OLED的发光效率可以用量子效率、功率效率和流明效率来表示。

量子效率n是指输出的光子数N与注入的电子空穴对数N之比。量子效率又分为

qfx

内量子效率n和外量子效率no内量子效率n是在器件内部由复合产生辐射的光子

qiqeqi

数与注入的电子空穴对数之比；其实，器件的发光效密由外量子效率n来反映，可由

qe

下式来表示C

外量子效率可以用积分球光度计来测量单位时间内发光器件的总光通量，通过计算

来得出器件的外量子效率。

激发光光子的能量总是大于放射光光子的能量，当激发光波长比放射光波长短很多时,

这种能量损失就很大，而量子效率不能反映出这种能量损失，需要用功率效率来反

映。功率效率n，又称为能量效率，是指输出的光功率P与输人的电功率P之比。衡

PfX

量一个发光器件的功能时，多用流明效率这个参量。流明效率也叫光度效率，是

I

放射的光通量L（以流明为单位）与输入的电功率P之比。