CN100401550C - 发光装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种制作顶发射形发光装置的方法，能保持稳定发光效率且无漏电流。该发光装置(10)包括置于衬底(1)上的下电极(4)、置于下电极(4)上的至少有一个发光层(6c)的有机层(6)、和置于有机层(6)上的透光上电极(7)。在该发光装置(10)中，下电极(4)有两层结构，包括金属材料层和置于金属材料层上的缓冲薄膜层，其中所述金属材料层由金属材料铬、钼、钨、钽、铌、镍或者铂构成。缓冲薄膜层由构成金属材料层的金属材料的氧化物中电导率比有机层(6)高的材料或铬的氧化物制成。因此，做成由缓冲薄膜层而使金属材料层的表面粗糙度得到缓和的二层结构，保证了下电极(4)和透光的上电极(7)之间间隔的均一性。

Description

发光装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及发光装置及其制造方法，更具体说，涉及在电极间有发射层的发射装置及其制造方法。
背景技术
有机电致发光(下称EL)装置，它是自发的发光装置(下称发光装置)，具有在阳极和阴极间包括有机发射层的有机膜。图4为示出这种发光装置的实例之一的结构的截面图。该图所示的发光装置具有作为形成在衬底101上的金属材料的阳极的下电极102和包括连续垒叠在下电极102上的有机层106、有机空穴输运层104及有机发射层等的有机空穴注入层103。而且，在此有机层106上形成有上电极107作为阴极，其是透光的金属材料薄膜，并进一步形成有透明导电膜108，以降低作为阴极的上电极107的电阻。
这种结构的发光装置是所谓的“顶发射形”显示元件，其以下述方式工作，即有机发射层105产生的光被金属材料的下电极102反射，而使得通过放置成与衬底101相对的上电极107发出。
另外，这种结构的发光装置的制造是，首先采用适当选择的工艺，如溅射、电阻加热蒸汽淀积、电子束蒸气淀积在衬底101上形成金属材料层，再通过金属材料层作图案形来形成下电极102。此后的步骤是为有机层103-105、上电极107和透明导电膜108通过淀积掩膜，连续淀积材料，淀积后接着作图案形以形成有机层106、上电极107和透明导电层108。
然而，以上所述的显示装置及其制造方法有如下问题。即，所有金属材料层都倾向于有多晶结构，不管是否是用溅射、电阻加热蒸气淀积、或电子束蒸气淀积。结果，金属材料层作图案形成的下电极102由于表面明显变糙而形成凸起，如图5所示(放大截面图)，虽然不像ITO(铟锡氧化物)形成的透明阳极那样严重。
结果是，在下电极102上形成的有机层106在相应于凸起点局部变薄，结果，跨越下电极102和上电极107间的有机层106的距离d局部缩短，电场就集中在这些凸起点而造成漏电流。
这种漏电流无助于发光装置发光，但降低发光装置的效率。而且，过分集中的漏电导致上电极107与下电极102间短路，从而使发光装置不能发光。这就是有机EL显示器中所谓暗点不发光点的缘故。
防止漏电流一种可能的方法是由导电材料形成下电极102’，如氧化铬，形成一平坦膜表面，如图6所示。然而，氧化物形式的导电材料的反射率低并容易传输光，所以导电材料作成的下电极102’使得光h从作为有机层106之一的发光层105发出到达下电极并被吸收到衬底。这就导致从上电极107发出的光量h减小，进而导致发光效率降低。
本发明的一个目的是提供一种顶部发射形的发光装置及其制造方法，该发光装置保持稳定的发光效率而不漏电。
发明内容
实现上述目的的本发明包括一种发光装置，由置于衬底上的下电极、包含置于下电极上的至少一个发光层的有机层、置于所述有机层上而透光的上电极组成，其特征在于，该下电极是由金属材料层和金属材料层上形成的缓冲薄膜的缓冲薄膜层的叠层结构组成的，所述金属材料层由金属材料铬、钼、钨、钽、铌、镍或者铂构成，所述缓冲薄膜由构成金属材料层的金属材料的任何氧化物组成，所述氧化物的电导率高于有机层，或由铬的氧化物制成。
另外，根据本发明，制造发光装置的工艺包括下述步骤：在衬底上形成下电极，在下电极上形成包括发射层的有机层，衬底上方形成透光的上电极，这样，发射层被保持在上、下电极之间，其特点在于，形成下电极的步骤包括下列附加步骤：在形成于衬底上的金属膜上形成缓冲层以及在金属膜和缓冲薄膜上形成图形，其中所述金属膜由金属材料铬、钼、钨、钽、铌、镍或者铂构成，从而形成由金属材料层和缓冲薄膜的缓冲薄膜层构成的叠层结构的下电极。缓冲薄膜由构成金属材料层的任何金属材料组成，该氧化物的电导率高于有机层，或由铬的氧化物组成。
上述发光装置及其制造方法的特征在于，下电极的表面层为缓冲薄膜，由构成底层金属材料层的任何金属材料组成，该氧化物的电导率高于有机层，或由铬的氧化物组成。一般来说，金属膜由于多晶结构，其表面粗糙，而构成金属膜的金属材料的氧化物膜的表面就不那么粗糙。此外，铬的氧化物制成的缓冲薄膜的表面没有金属膜粗糙但与下面的金属膜无关。而且，缓冲薄膜如果由构成金属材料层的金属氧化物制成，且该氧化物的导电率比有机层高，或由在氧化物中电导率最高的铬氧化物组成，则起下电极的作用。于是，上述结构保证了上、下电极之间的均匀的间隔，其下电极的金属材料层由于构成表面层的缓冲薄膜层而表面不是太粗糙，透光的上电极置于下电极之上，有机层插于其间。
附图说明
图1A-1D示出有关制造本发明实施例的发光装置的工艺截面图；
图2示出采用根据本发明的实施例的制造工艺获得的第一发光装置的截面图；
图3示出采用根据本发明的实施例的制造工艺获得的第二发光装置的截面图；
图4示出常规发光装置的截面图；
图5示出常规发光装置的衬底的放大截面图；以及
图6示出常规发光装置另一例的截面图。
具体实施方式
根据本发明，显示装置及其制造工艺参考附图解释如下。
本发明的实施例之一的顶发射形发光装置由图1A-1D的连续工艺制作。图1A所示的第一步骤是用铬(Cr)的金属膜2或溅射涂覆事先经清洗的石英玻璃之类的衬底1。金属膜2的加工性能好，以后起阳极作用。溅射是在氩气氛中约0.2帕压强下进行，DC输出功率为300瓦。用溅射法形成约为200毫微米厚的铬膜(金属膜)。
具有高加工性能的金属膜2，除铬外，还可由钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、铌(Wb)、镍(Ni)、铂(Pt)等形成。
按如上所述形成的金属膜2，不管原材料及形成方法如何，具有多晶结构，所以有带凸起的很粗糙的表面。
此后金属膜2涂覆缓冲薄膜3，这是本发明的特点。缓冲薄膜3是铬氧化膜或构成金属膜2的任何金属材料的氧化膜。它最好由铬氧化物形成，因为它跟金属膜2一起构成下电极而需要比以后形成的有机层的电导率高。铬氧化物的高电导率是理想的。而且，跟用于形成金属膜2在同一室形成缓冲薄膜3而不将衬底1曝露于空气中是理想的。
在本实施例中，缓冲薄膜3用溅射法形成，其用氩气(Ar)和氧气(O2)作为溅射气体。氩和氧气混合，这样形成相等的分压，其总压强约为0.3帕。用300瓦的DC输出进行溅射。用这种方法，得到规定厚度(如10毫微米)的氧化铬(CrO2)缓冲薄膜3。该膜可由溅射时间长短进行适当控制。顺便说一句，氧化铬的组成不限于CrO2，只要适当进行溅射，它可包括其他氧化铬，如Cr2O3。
还可用热氧化法形成缓冲薄膜3。具有特定厚度(如8毫微米)的氧化铬(Cr2O3)膜可在氧气氛中在350℃时通过热处理获得。膜厚取决于热处理的时间长短。同在溅射中一样，如果热处理的条件适当调节，氧化铬也具有CrO2组分。
以上示出缓冲薄膜3由氧化铬形成的情况。然而，缓冲薄膜3也可由其他金属氧化物组成，如氧化钼(MoO2和Mo2O5)和氧化镍(NiO)，它们均有高的电导率。如同用氧化铬的情况，这些金属氧化物可在适当条件下用含氧溅射气体的溅射法得到。
现在，溅射薄膜3的厚度建立在其折射率、电导率以及对包含发光装置的显示单元的要求上。
换句话说，如果要求显示单元有一定的亮度，缓冲薄膜3就该尽可能薄(如约为10毫微米)，只要它覆盖金属膜2的表面粗糙。另一方面，如果要求显示单元有一定的反差，缓冲薄膜3应当很厚(100毫微米或以上)，只要不影响以后用溅射金属膜2形成的下电极空穴注入的效率。
接着，上述有特定厚度的缓冲薄膜3用光刻法形成一抗蚀剂图形(未示出)。在缓冲薄膜3和金属膜2上以该抗蚀剂图形作为掩模进行刻蚀。这种刻蚀是用ETCH-1(商品名，三洋化工公司造)作为保证精确和重复刻图的刻蚀剂进行的湿法刻蚀。刻图留下了金属膜2的层2a和缓冲薄膜3的缓冲薄膜层3a，这就构成了成层结构的下电极4。下电极4起阳极作用。
下电极4以条形状形成，向附图的深度方向延伸，这种情况下，发光装置包含在简单矩阵形显示单元中。另一方面，形成的下电极4符合连接到薄膜晶体管(未示出)的每一象素，这种情况下，发光装置包含在有源矩阵形显示装置中。
图1B所示的下一步骤是，在衬底1上形成绝缘层5，其开口5a与下电极4接触。这一步骤是通过如下方法实现的：用溅射法形成氧化硅(SiO2)膜(600毫微米厚)，然后通过光刻法在其上形成的抗蚀剂图形湿法刻蚀形成开口5a。该湿法刻蚀采用氢氟酸(HF)和氟化氨(NH4F)的含水混合物作为刻蚀剂。
绝缘层5应用如下方法形成，即覆盖下电极4的周边。此外，可用除二氧化硅以外的任何材料形成，绝缘层及其开口可用除上述溅射和湿法刻蚀以外的其他方法形成。
顺便说一句，绝缘层5期望完全将下电极4跟以后形成的透光的上电极隔开。因此，发光装置是否包含在显示单元中并不一定重要，显示单元有将下电极4跟透光的上电极隔开的装置。
示于图1C的第三步骤是，在下电极4上在真空蒸发设备中用蒸汽淀积法形成有机层6和透明的上电极7。有机层和上电极的材料通过在衬底1上设的掩模(未示出)连续淀积。有机层6和透明的上电极7应当用下述方法形成，它们跟绝缘层5的开口5a的周边重叠，从而肯定覆盖绝缘层5的开口5a的底部。
有机层6由下述层组成：由4，4，4-三(3-甲基苯基氨基)三苯基胺(MTDATA)形成的空穴注入层6a(30毫微米厚)、二(N-萘基)-N-苯基联苯胺(α-NPD)形成的空穴输运层(20毫微米厚)和由8-羟基喹啉(Alq3)。透明上电极(10毫微米厚)是低逸出功的阴极，它是由镁(Mg)和银(Ag)合金的透明材料用蒸汽淀积形成。蒸汽淀积时镁的淀积速度是银的九倍。
蒸汽淀积前，每一电阻加热的器皿装0.2克的每种都构成有机层6材料、0.2克镁和0.4克银。然后，每一器皿在真空蒸发设备中跟电极相连。由掩模覆盖的衬底1装入真空蒸发设备室。将室抽真空至1.0X10-4帕，给器皿连续用电压加热。
具有条纹口的蒸汽淀积掩模按如下方法置于衬底1上：条纹口跟绝缘层5的开口5a重叠并将其包住。掩模的安放应当使其开口跟下电极直角相交。
图1D所示的第四步骤是，在透明上电极7上用溅射透明导电膜8的方法形成，该导电膜降低了透明上电极7的电阻。溅射在加掩模的并已被移到另一室中的衬底1上进行。200毫微米厚的透明导电膜8由铟锌氧化物(In-Zn-O)形成，该氧化物在室温下有良好的电导率。溅射条件如下：溅射气体：体积为1000∶5的氩和氧，室内压强：0.3帕，电功率：40瓦DC。
顺带说一句，透明膜8是用于降低透明上电极7的电阻的。因此，不一定重要，只要透明上电极7保持透明而不管其电阻高低。
发光装置在有源矩阵形显示单元的情况下，透明上电极7和透明导电膜8无需作图案。换句话说，它们可以是连续的膜。在此情况下，透明上电极7和透明导电膜8应当在有机层6形成后淀积掩膜从衬底除去后才形成。
上述过程制成的发光装置10包括下电极4、有机层6、透明上电极7和透明导电膜8，其中下电极包括金属层2a和置于其顶上的氧化铬缓冲层3a。
由如上所述构成的发光装置10在一旦有机层6的发光层6c中的电子和空穴复合时就发光，电子由作为阴极的透明上电极注入，而空穴由作为阳极的下电极注入。这样，使得光通过透明上电极7发出(顶发光形)。
发光装置10有双层结构的下电极4，包括铬的金属层2a和置于其顶上的氧化铬缓冲层3a。一般来说，金属氧化物形成的金属膜2比由金属氧化物的金属形成的金属膜2光滑，因为后者为多晶结构。尤其是，氧化铬形成的膜的表面粗糙度比任何由作为电极的金属材料形成的膜小。
缓冲薄膜层3a，如果它由比任何构成金属层2a的金属氧化物中有机层更导电的尤其是由金属氧化物中最导电的氧化铬组成，则起下电极的作用。
因此，下电极4的结构为：金属层2a的表面粗糙度被构成表面层的缓冲薄膜层3a降低。这使在下电极4和透明上电极7之间的间隔均匀，有机层6插入其间。
其结果是消除了下电极4和透明上电极7之间电场的集中，并消除了由电场过度集中而形成的漏电流和暗点。这样制成的顶发射形发光装置保持稳定的发射效率。
由高导电率氧化铬形成的缓冲薄膜层3a有效地降低了在金属层2a表面上的凸起处的电场集中。而且，只要不厚于一定限度，可使空穴从金属层2a注入到有机层6。这就导致一恒定的发光效率。如果原材料是金属层2a的金属氧化物，缓冲薄膜层3a可以用最少的附加步骤形成。在此情况下，制作工艺就只需在金属膜2的溅射气体中附加氧。
构成下电极4的氧化物的缓冲薄膜层3a可以做得相当薄，如图2所示。在此情况下，仅吸收从发射层6c发出的最小量的光h。这有助于通过透明上电极7有效发光。这样，做成的发光装置就具有高亮度。
相反，构成下电极4的氧化物缓冲薄膜层3a可以形成得很厚，如图3所示。这种情况下，它吸收一定量的从发射层6c发出的光h。这样通过透明上电极7会稍稍降低光发射的效率。无论如何，做成的发光装置有好的反差，因为缓冲薄膜层3a防止了通过透明上电极7进入的外光h1的反射。因此，做成的发光装置有好的反差。
根据上述实施例获得了两种发光装置(1)和(2)，以及根据常规技术制备的两种发光装置(3)和(4)。如下所述，它们仅是在下述的下电极的结构上不同。
发光装置(1)下电极是包括铬层和在其上用溅射形成的氧化铬(CrO2)缓冲薄膜(10毫微米厚)的叠层。
发光装置(2)下电极是包括铬层和在其上用热氧化形成的氧化铬(Cr2O3)缓冲薄膜(80毫微米厚)的叠层。
发光装置(3)下电极是ITO单层。
发光装置(4)下电极是铬单层。
每一种发光装置都有4平方毫米的发射区。每种发光装置制备了40片。检测其上下电极间发生短路及加电压(80伏)产生的电流和光亮度。通过上电极，测量光亮度。评测结果示于表1。
表1
  发生短路   电流(mA/cm<sup>2</sup>)   亮度(烛光/m<sup>2</sup>)
 发光装置(1)   0(40片)   20   870
 发光装置(2)   2(40片)   16   710
 发光装置(3)   16(40片)   23   250
 发光装置(4)   8(40片)   20   900
请注意表1，根据本发明实施例的发光装置(1)和(2)跟根据常规技术制作的发光装置(3)和(4)相比，发生的短路次数少。这证明缓冲薄膜层降低了金属层的表面粗糙度，从而防止了电场集中。还请注意发光装置(1)和(2)，不管金属层上是否形成了缓冲薄膜，发光装置(1)、(2)与(3)、(4)的电流量差不多。还要注意发光装置(1)、(2)的光亮度可与通过透明上电极有效发射的发光装置(4)媲美。
顺便说一句，上述实施例证明了发光装置的下电极4是阳极，透明上电极7是阴极。然而，本发明也适用于一种发光装置，其下电极4是阴极，而透明上电极7是阳极。后者跟前者产生同样的效果，条件是下电极4和透明上电极7由适当的材料形成，有机层6以适当的结构用适当次序成层形成。在这种情况下也是下电极4上的缓冲薄膜层最好由高电导材料组成。
如上所述，根据本发明的发光装置在下电极上形成一缓冲薄膜层，它将低了金属层的表面粗糙度。表面粗糙度的降低保证了下电极和透明上电极之间的间隔的均匀性而有机层插于其间。均匀的间隔又防止了电场的局部集中及发生漏电流和暗点。这些优点使得该顶发射形发光装置保持稳定的发射效率。

Claims (5)

1.一种发光装置，包括一置于衬底上的下电极、一包含有放置于下电极上的至少一个发光层的有机层及一置于所述有机层上而透光的上电极，其特征在于，所述下电极是包括有金属材料层和在该金属材料层上形成的缓冲薄膜的缓冲薄膜层的成层结构，所述金属材料层由金属材料铬、钼、钨、钽、铌、镍或者铂构成，所述缓冲薄膜由构成金属材料层的金属材料的任何氧化物制成，所述氧化物的电导率高于所述有机层。
2.一种发光装置，包括有一置于衬底上的下电极、一包含有放置于下电极上的至少一个发光层的有机层及一置于所述有机层上而透光的上电极组成，其特征在于，所述下电极是包括有金属材料层和在该金属材料层上形成的缓冲薄膜的缓冲薄膜层的成层结构，所述金属材料层由金属材料铬、钼、钨、钽、铌、镍或者铂构成，所述缓冲薄膜由铬氧化物制成。
3.一种制造发光装置的方法，包括下述步骤：在衬底上形成下电极，在下电极上形成包括发射层的有机层，再在衬底之上形成透光的上电极，这样发射层就被保持在上、下电极之间，其特征在于：形成下电极的步骤包括下列附加步骤：在形成于衬底上的金属膜上形成缓冲层以及在金属膜和缓冲薄膜上形成图形，其中所述金属膜由金属材料铬、钼、钨、钽、铌、镍或者铂形成，从而形成包括有金属材料层和缓冲薄膜的缓冲薄膜层的成层结构的下电极，所述缓冲薄膜由构成金属材料层的金属材料的任何氧化物制成，所述氧化物的电导率高于有机层。
4.根据权利要求3的制造发光装置的方法，其特征在于：通过提供加有氧的规定气体并采用所述规定气体，在形成金属膜的步骤之后紧接着形成缓冲薄膜的步骤。
5.一种制造发光装置的方法，其包括下述步骤：在衬底上形成下电极，在下电极上形成带发射层的有机层，再在衬底之上形成透光的上电极，这样发射层就被保持在上、下电极之间，其特征在于，形成下电极的步骤包括下列附加步骤：在形成于衬底上的金属膜上形成氧化铬缓冲薄膜以及在金属膜和缓冲薄膜上形成图形，其中所述金属膜由金属材料铬、钼、钨、钽、铌、镍或者铂形成，从而形成由金属材料层和缓冲薄膜的缓冲薄膜层构成的成层结构的下电极。
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