多层异质结构电洞注入层有机发光二极体之模拟与特性探讨
杨政鸿 a,张菽萱 b,刘柏挺 c,郭艳光 d,* 国立彰化师范大学光电科技研究所 彰化市 500 进德路 1 号 b 国立彰化师范大学工业教育与技术学系 彰化市 500 师大路 2 号 c 修平技术学院机械工程学系 台中县 412 大里市工业路 11 号 d 国立彰化师范大学物理学系 彰化市 500 进德路 1 号 *Phone:04-7232105 Ext. 3341, Fax:04-7211153, E-Mail: ykuo@cc.ncue.edu.tw (NSC 95-2516-S-018-001-MY3, NSC 95-2112-M-164-001-MY3, NSC-95-2112-M-018-007)
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摘要 本文主要探讨上发光型有机发光二极体结构 ITO/[CuPc/m-MTDATA]n/α-NPD/Alq3/LiF/Al/Ag : 的特性,在固定电洞注入层光学厚度的前提下,藉由改变双层异质结构之电洞注入层 m-MTDATA/CuPc 厚度之结构设计及设计四层异质结构之电洞注入层(m-MTDATA/CuPc)2,模拟分析对此有机发光二极体 效率的影响.分析结果显示:在双层异质结构之电洞注入层结构中,当 m-MTDATA 及 CuPc 之厚度各 为 10 nm 与 22.6 nm 时有较低的驱动电压呈现,但由於较低的驱动电压是来自於电洞注入能力提升,造 成元件内部载子较不平衡,进而影响发光的效率;而使用四层异质结构之电洞注入层结构,其驱动电 压虽有降低,但仍高於双层异质结构之电洞注入层结构. 关键字:有机发光二极体,OLED,驱动电压,模拟分析
1. 前言
近年来,光电产业蓬勃发展,其中显示技术更是热门.在薄膜电晶体液晶显示器(TFT-LCD)的发展 下,环保,高寿命渐渐取代传统的阴极射线管(CRT)萤幕,未来也有机会取代厚度较薄且大尺寸的电浆显 示器(PDP).而目前新兴产业有机发光二极体(Organic Light-Emitting Diode, OLED),是一种有机电激发光 (Organic Electroluminescence, OEL)元件,为下一代平面显示器技术领域中最令人注目的技术之一.利用 OLED 元件与技术所制成的显示器不但具有轻薄,全彩,高亮度,省电,视角宽广及高应答速度等优点, 还可以使用 OLED 元件制成电子纸显示器,具有可挠曲,易携等优点,而这是目前其他显示器所做不到 的技术.因此,OLED 平面显示器吸引了学术及产业界的关注,进而从事研究与开发的工作[1,2].近年 来,许多的研究团队开始研究元件结构设计,藉由系统设计来优化元件结构,企图将 OLED 商品化.但 目前 OLED 无法商品化是来自於寿命太短与驱动电压太高.因此,在本研究中,我们使用加拿大的 Crosslight 公司所提供的 APSYS(Advanced Physical Model of Semiconductor Devices)/OLED 模拟软体,模 拟上发光型 OLED(Top-emitting OLED, TOLED)的元件特性 并利用双层异质结构的电洞注入层帮助电洞 , 注入,促使驱动电压下降.
2. OLED 结构设计及其特性分析
本文所模拟的OLED元件结构如图一所示,电子传输层(Electron Transport Layer, ETL)为Alq3(tris (8-hydroxy-quinoline) aluminum) , 电 洞 传 输 层 (Hole Transport Layer, HTL) 为 α-NPD(α-naphthylphenylbiphenyl diamine) , 电 洞 注 入 层 (Hole Injection Layer, HIL) 为 CuPc(copper phthalocyanine)与m-MTDATA(4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine).阳极使用功函数较 高的金属-Mo(钼),阴极使用LiF/Al/Ag多层透明电极所组成的双层型OLED元件,并将元件区分成双层(元 件A)与四层(元件B)电洞注入层异质结构.材料的能阶示意图如图二所示,其中Mo被应用於OLED元件结 构的阳极,原因在於Mo具有较高功函数,其反射率约在5060%[3];而LiF/Al/Ag多层透明电极是广泛 被使用在TOLED的元件上[4],除了电子注入能力较佳之外,可让光从阴极面放射.α-NPD则被当作HTL 材料,在真空中α-NPD的HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)为5.6 eV,LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)为2.5 eV,energy band gap为3.1 eV [5].Alq3为元件结构中的发光层(Light-Emitting Layer, EML)材料,且为整个结构的ETL,在真空中Alq3的HOMO为5.7 eV,LUMO为3.0 eV,energy band gap为 2.7 eV [6].m-MTDATA与CuPc为元件结构中的HIL,在真空中m-MTDATA与CuPc的HOMO分别为4.95 与5.1 eV,LUMO为3.25与2.0 eV,energy band gap分别为1.7与3.1 eV[5,7].由於TOLED会有明显的微共 振腔效应(microcavity effect),共振腔光学厚度必须满足驻波条件,并使驻波的反节点对应到激子的位置, 增加发光效率.因此以参考文献[3]的结构作为研究模型,固定电洞注入层的光学厚度为51 nm,做双层 异质结构的HIL,其中m-MTDATA与CuPc的折射率分别为1.7与1.5[5,7],双层与四层异质结构的HIL的厚 度变化则如表一,此外定义元件的驱动电压为当发光强度在1 cd/m2时的驱动电压(Turn-on Voltage, Von).

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