1、ITO/TPD/Alq3/Al有機發光二極體之模擬與特性探討有機發光二極體之模擬與特性探討張永政、楊政鴻、陳俊榮、郭艷光、劉柏挺*、王禹文*國立彰化師範大學物理系所暨光電科技研究所彰化市50058進德路1號Phone：04-7232105 Ext. 3341, Fax：04-7211153, E-mail：.tw*修平技術學院機械工程學系臺中縣41283大里市工業路11號Phone：04-24961193, Fax：04-24961110, E-mail：.tw*國立嘉義大學應用化學系嘉義市600鹿寮里學府路300號Phone：

2、05-2263411 Ext. 1929, E-mail：.tw (NSC-93-2112-M-018-008) 摘要：本文主要探討ITO/TPD/Alq3/Al有機發光二極體的特性，藉由分別改變TPD及Alq3之厚度、陽極ITO及陰極金屬Al之結構設計、與置換不同功函數之陰極金屬，模擬分析對此有機發光二極體效率的影響。分析結果顯示：當TPD及Alq3之厚度各為30 nm時有較佳效率呈現、當陰極金屬寬度設計為0.27 mm時元件效率較高、使用整片ITO陽極的元件結構擁有相對較高的效率輸出及使用低功函數的陰極金屬有助於提升OLED元件的發光效率。關鍵字：有機發光二

3、極體、OLED、光學特性、模擬分析1. 前言前言近年來隨著科技進步，個人電腦、網路及資訊傳播的普遍化，顯示器成為人機互動不可或缺的重要角色，而不斷進步的影像顯示技術更帶動了顯示器產業跨躍式的發展。傳統的陰極射線管(CRT)螢幕對使用者來說，顯得厚重、佔體積，因此已逐漸的被厚度較薄且大尺寸的電漿顯示器(PDP)及更輕薄的液晶顯示器(LCD)所取代。有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode, OLED)，又可稱為有機電激發光(Organic Electroluminescence, OEL)元件，為近幾年平面顯示器領域中的新起之秀。利用OLED元件與技術所製成的顯示

4、器具有輕薄、可撓曲、易攜、全彩、高亮度、省電、視角寬廣及高應答速度等優點，為未來平面顯示器的新趨勢。近幾年，OLED平面顯示器更吸引了學術及產業界的關注，進而從事研究與開發的工作1, 2。在學術界方面，目前主要的OLED研究課題為：OLED發光材料效率及Lifetime提升改進、OLED結構設計與各層界面間的詳細性質探討、以及可撓曲式OLED製程技術研發等。其中，OLED結構設計的優劣對OLED元件的效率輸出影響甚巨，由早期單層型結構到現在的雙層型及多層型結構都有不同的研究團隊提出高效率的OLED元件結構設計35。本文主要利用APSYS模擬軟體，探討雙層型結構的ITO/TPD/Alq3/Al有

5、機發光二極體，並分析電洞傳輸層(Hole Transport Layer, HTL)材料TPD及電子傳輸層(Electron Transport Layer, ETL)材料Alq3之厚度改變、陽極ITO及陰極金屬Al之結構設計、與置換不同功函數的陰極金屬對此有機發光二極體的影響。元件結構之設計主要依據參考文獻6中的實驗結構，並針對其中的單層陰極金屬結構做更加多變性的設計與模擬分析探討。2. OLED結構設計及其特性分析結構設計及其特性分析 本文所模擬的OLED元件材料結構如下：模擬分析由Alq3(tris (8-hydroxy-quinoline) aluminum)與TPD(N,N-diph

6、enyl-N,N-di(3-methylphenyl)-1,1-biphenyl-4,4-diamine)及ITO(Indium Tin Oxide)陽極與Al金屬陰極所組成的雙層型OLED元件，元件之面積為22 mm2，如圖一所示。材料的能階示意圖如圖二所示，其中銦錫氧化物(ITO)目前已被廣泛的應用於OLED元件結構的陽極，原因在於ITO具有高穿透及低電阻的特性7。而TPD則被當作HTL材料，在真空中TPD的HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)為5.6 eV、LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)為

7、2.7 eV，energy band gap為2.9 eV 8。Alq3為元件結構中的發光層(Light-Emitting Layer, EML)材料，且為整個結構的ETL，在真空中Alq3的HOMO為5.7 eV、LUMO為3.0 eV，energy band gap為2.7 eV 8。 圖三為能帶與再結合速率分佈圖，再結合速率為相對大小，圖中HOMO與電洞的Fermi level幾乎重疊。從圖三可得知由於Alq3與TPD材料在界面形成位能障，造成電子與電洞的累積，且載子的再結合速率主要發生在靠近ETL之處。圖四為以TPD厚度為操縱變因所模擬之I-V圖，由圖中可得知當TPD厚度逐漸減少至30

8、 nm時會有較佳的效率。相對地，圖五為以Alq3厚度為操縱變因所模擬出之I-V圖，圖中Alq3厚度為50 nm時為參考文獻6的結構模擬輸出，模擬結果與實驗之I-V圖相近，且由圖五亦可得知當Alq3厚度逐漸減少至30 nm時會有明顯較佳的效率。圖六為以陰極金屬寬度結構設計所模擬之I-V圖，藉由從圖一中之中心點A點逐漸往兩旁延伸陰極金屬寬度的設計，圖中所列之寬度為整個陰極之寬度，由圖六可得知當陰極金屬寬度設計為0.27 mm時有較佳的效率，而當陰極金屬寬度設計為0.66 mm時亦有相近的輸出，若以產業界的成本考量，可選擇前者較節省製作成本。圖七為以陽極ITO寬度結構設計所模擬之I-V圖，藉由從圖一

9、中之B、C兩點分別向O點之方向逐漸增加ITO的寬度，圖中所列之寬度為單邊ITO之寬度，整個元件的寬度為2 mm。由圖七可得知當兩邊ITO陽極寬度設計各為1 mm，即當ITO完整平鋪於HTL之下時，擁有相對較高的效率輸出。在陰極金屬與ETL界面中，電子注入的程度明顯地影響OLED元件的效率，降低陰極金屬與ETL之LUMO間的能障有助於電子注入至發光層中，增加電子濃度以改善OLED元件的發光效率。較低功函數的陰極金屬已被廣泛的應用於OLED的結構設計，藉以改善元件的量子效率，並降低操作電壓9, 10。圖八為置換不同功函數之陰極金屬時的I-V圖，功函數Ag：4.3 eV 10、Al：4.1 eV 6

10、、Mg-Ag(10:1)合金：3.7 eV 11、Al-Li(0.6% Li)合金：3.2 eV 4，由圖中可發現利用Al-Li合金當作陰極可得較高效率輸出，且金屬Al和Ag擁有相近的輸出表現，若以成本考量，Ag似乎不適用於當作OLED元件結構的陰極金屬。3. 結論結論OLED顯示器替未來人機互動的介面開啟了新的視野，OLED的結構設計在OLED顯示器邁向量產的過程中扮演著舉足輕重的角色。本文主要探討OLED元件結構設計及其相關特性。研究結果顯示：當TPD厚度逐漸減少至30 nm時會有較佳的效率，Alq3亦同。當陰極金屬寬度設計為0.27 mm時元件效率較高，即陰極金屬寬度於某一特定寬度時發光

11、效率會最好，而非愈寬愈好，亦或是愈窄愈好。使用整片ITO陽極的元件結構擁有相對較高的效率輸出；使用低功函數的陰極金屬有助於改善元件的量子效率、降低操作電壓，進而提升OLED元件的發光效率。參考文獻參考文獻1 C. W. Tang and S. A. Van Slyke, “Organic electroluminescent diodes,” Appl. Phys. Lett. 51, pp. 913915 (1987).2 E. Tutis, M. N. Bussac, B. Masenelli, M. Carrard, and L. Zuppiroli, “Numerical model

12、for organic light-emitting diodes,” J. Appl. Phys. 89, pp. 430439 (2001).3 H. Mu, H. Shen, and D. Klotzkin, “Dependence of film morphology on deposition rate in ITO/TPD/Alq3/Al organic luminescent diodes,” Solid-State Electron. 48, pp. 20852088 (2004).4 M. Fujihira and C. Ganzorig, “Improvement in e

13、lectron and hole injection at electrodes and in recombination at a two-organic-layer interface,” Mater. Sci. Eng. B85, pp. 203208 (2001).5 Y. Ohmori, A. Fujii, M. Uchida, C. Morishima, and K. Yoshino, “Fabrication and characteristics of 8-hydroxyquinoline aluminum/aromatic diamine organic multiple q

14、uantum well and its use for electroluminescent diode,” Appl. Phys. Lett. 62, pp. 32503252 (1993).6 S. Y. Park, C. H. Lee, W. J. Song, and C. Seoul, “Enhanced electron injection in organic light-emitting devices using Al/LiF electrodes,” Curr. Appl. Phys. 1, pp. 116120 (2001).7 G. P. D. Braun and A.

15、J. Heeger, “Visible light emission from semiconducting polymer diodes,” Appl. Phys. Lett. 58, pp. 19821984 (1991).8 B. Ryhstaller, S. A. Carter, S. Barth, H. Riel, W. Riess, and C. Ganzorig, “Transient and steady-state behavior of space charges in multilayer organic light-emitting diodes,” J. Appl.

16、Phys. 89, pp. 45754586 (2001).9 M. Stssel, J. Staudigel, F. Steuber, J. Simmerer, and A. Winnacker, “Impact of the cathode metal work function on the performance of vacuum-deposited organic light emitting-devices,” Appl. Phys. A 68, pp. 387390 (1999).10M. Stssel, J. Staudigel, F. Steuber, J. Blassin

17、g, J. Simmerer, A. Winnacker, H. Neuner, D. Metzdorf, H.-H. Johannes, and W. Kowalsky, “Electron injection and transport in 8-hydroxyquinoline aluminum in vertical-cavity semiconductor lasers,” Synth. Met. 111112, pp. 1924 (2000).11H. Xin, M. Sun, K. Z. Wang, Y. A. Zhang, L. P. Jin, and C. H. Huang,

18、 “Voltage-independent pure red devices based on a carbazole-functionalized europium complex,” Chem. Phys. Lett. 388, pp. 5557 (2004).圖一、OLED元件結構圖 圖二、材料能階示意圖 -10-9-8-7-6-5-4-3-2-1011.622.400.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11Energy (eV)Vertical Axis (m)Fermi levelsTPDAlq3LUMOHOMORecombination Rate Recombination rate 圖三、能帶與再結合速率分佈圖 00.010.020.030.040.050.060.070.080.0901234567891030 nm50 nm70 nm90 nmCurrent density (mA)Votage (V)圖四、當TPD厚度改變時的I-V圖 0.0