CN100533810C - 具有光提取介电层的有机双面发光二极管 - Google Patents

Abstract

一种二极管包括：有机场致发光层(4)，插入在下透明电极(5)与上透明电极(3)之间；以及介电层(6，2)，与每个电极(5，3)接触并与有机场致发光层(4)相对而放置，并适配为与所述电极(6，2)相结合时获得发射光的最大反射率。这种结构优化了光提取以及发光效率。包括这些二极管的阵列的显示器或照明板。

Description

具有光提取介电层的有机双面发光二极管

技术领域

本发明涉及能够通过两个相对面发射光的有机发光二极管，其包括：

-透明或半透明衬底；

-有机场致发光层，其能够发光且沉积在所述衬底上，该层插入在下电极与上电极之间，每个电极均是透明的或半透明的。

因此，这就是所谓的顶部发射(top-emitting)和底部发射(bottom-emitting)二极管。这种二极管可以具有上电极是阴极的常规结构或上电极是阳极的反向结构。

本发明还涉及这种二极管的阵列，特别是照明板或诸如视频图像显示器之类的显示器中包含的阵列。

背景技术

文献US 6 762 436描述了上述类型的二极管和显示器。

文献EP 1 076 368、EP 1 439 589和EP 1 443 572描述了仅通过一面发光的二极管，其中介电层与下透明电极或上透明电极接合(见EP1 439 589中的图4d)。该介电层(附图标记22，由ZnS：20％ SiO₂材料制成)具有减少对发射通过该介电层所接合到的透明或半透明电极的光的吸收的功能。

根据所述文献，如下所述地，在折射率(index)和厚度方面，使该减少吸收的介电层适合与其接合的电极的金属层，以提高对发射光的提取。

文献EP 1 076 368指出(具体见§17)在相对较厚(20nm)的金属层上添加介电层可以使电极的透射率加倍(从30％增加到60％)。

文献EP 1 439 589中的示例和数据表同样表明了这一点：

-针对底部发光二极管的示例2和表2：银透明阳极；具有几乎相同的银厚度(17.5nm和18.5nm)，添加减少吸收的介电(ITO)层使二极管的亮度增加了6.5％；以及

-针对顶部发光二极管的示例4和表4：银透明上阴极；虽然银厚度增加了50％(20.3nm，相对于没有介电层时的13.7nm)，但是由ZnS-20％SiO₂制成的61.4nm的介电层使亮度增加了14％。

发明内容

本发明的目的是提高通过两个相对面发光的有机二极管的发光效率。根据本发明，介电层与每个电极接合，包括有电极及其介电层的每个堆叠(stack)适配为获得最大反射率而不再是最少吸收，同时保持充分透明的电极，以限制吸收损耗。由于这种高反射率，二极管能够受益于光学空腔效应，虽然两个电极是透明或半透明的，但是它们之间没有吸收损耗。应该注意，虽然文献US 6 124 024中规定了与层厚度有关的多个条件，但是其中任何位置都没有公开与电极的固有透明性相结合的最大反射率。应该注意，文献US 5 652 067中的确教导了在衬底与下电极之间插入下介电层，但是该层对于紫外线辐射是透明的，而对于二极管发射的光不透明，该层的厚度也并不适配为与下电极相结合而获得最大反射率。

更确切地，本发明的主题是一种有机发光二极管，其能够通过两个相对面发光，并包括：

-透明或半透明衬底；

-有机场致发光层，能够发光并沉积在所述衬底上，所述层插入在下电极与上电极之间，每个电极是透明或半透明的；以及

-插入在所述衬底与所述下电极之间的下介电层、以及覆盖所述上电极的上介电层。

因此，在与场致发光层相对的一侧，上介电层覆盖上电极，从而可以用作与空气或另一种环境介质的界面，在这种情况下，该上介电层还优选地用作封装和保护层，保护有机层，防止其受到来自空气的氧气或水蒸气的腐蚀。下和上介电层均不是文献EP 1 406 474中所述的散射层，而是针对发射光的固有透射率优选地为85％或更高的透明层。

当电流通过场致发光层在下电极与上电极之间流动时，场致发光层发射光。

优选地，下电极和上电极的材料均具有大于1.6的折射率。

优选地，下电极包括与上介电层接触的下导电层，上电极包括与上介电层接触的上导电层。

优选地，适配所述上介电层的材料和厚度d₂以及所述上导电层的材料和厚度d₃，以使在该堆叠上估计的对所述发射光的反射率近似为最大值。

优选地，适配所述下介电层的材料和厚度d₆以及所述下导电层的材料和厚度d₅，以使在该堆叠上估计的对所述发射光的反射率近似为最大值。

所述堆叠的反射率包括这些固有透明或半透明层之间的干涉效应，适配所述干涉效应，以获得高反射率。由于透明性，所以吸收损耗非常小，由于通过干涉效应获得的高反射率，优化了电极之间的光学空腔，并改善了光提取。

例如，因为下和/或上导电层的材料和厚度(d₅和/或d₃)是固定的，特别是基于低电阻率标准而固定的，所以给出了发射光在该堆叠上的反射率作为对应下或上介电层的厚度(d₆和/或d₂)的函数而变化的曲线示出了最小值和最大值，这反映了界面处的干涉现象。根据本发明，选择与该曲线的最大值相对于的介电层厚度(d₆和/或d₂)。

通过以这种方式优化两个堆叠，在两个电极之间获得光学空腔，这对于光提取是最优的。

优选地：

-从所述下导电层发射的所述光的固有透射率等于或大于85％，对于ITO层，这与极限厚度150nm相对应；以及

-从所述上导电层发射的所述光的固有透射率等于或大于85％，对于ITO层，这与极限厚度150nm相对应。

术语“固有透射率”应该理解为与干涉效应无关地估计的层本身或相邻层的透射率。

总之，根据本发明的有机发光二极管包括：

-有机场致发光层，能够发光，所述层插入在透明或半透明的下电极与透明或半透明的上电极之间；以及

-介电层，与每个电极相接触地放置在与所述有机场致发光层相对的一侧，并适配为与所述电极相结合时获得所述发射光的最大反射率。

优选地，上导电层的材料与下导电层的材料相同。

根据另一实施例，所述有机场致发光层优选地包括发射性有机子层(sublayer)和至少一个非发射性上有机子层，所述非发射性上有机子层插入在上电极和所述发射性子层之间，并且其厚度适配为使所述发射性有机子层厚度的中间与所述上电极之间的分隔距离Zup近似满足以下方程：

$Z_{\mathrm{up}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2n_4}(r-\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{up}}}{2\mathrm{\π}})$

-其中r是任意整数；

-其中λ是接近发射光的最大发射度的波长，n₄是在该波长上有机场致发光层的平均折射率；以及

-其中φ_up是经过上电极反射之后发射光光线的相移。

该方程表述了发射光与从上电极反射的光之间的相长干涉。

优选地，根据本实施例，有机场致发光层包括发射性有机子层和至少一个非发射性下有机子层，所述非发射性下有机子层插入在下电极和所述发射性子层之间，并且其厚度适配为使所述发射性有机子层厚度的中间与所述下电极之间的分隔距离Z_low近似满足以下方程：

$Z_{\mathrm{low}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2n_4}(q-\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{low}}}{2\mathrm{\π}})$

-其中q是任意整数；

-其中λ是接近发射光的最大发射度的波长，n₄是在该波长上有机场致发光层的平均折射率；以及

-其中φ_low是经过下电极反射之后发射光光线的相移。

该方程表述了发射光与从下电极反射的光之间的相长千涉。

一般而言，非发射性下有机子层适配用于注入或传输第一类载流子，非发射性上有机子层适配用于注入或传输第二类载流子，载流子类型分别与电子和空穴相对应。

优选地，所述上介电层的材料与所述下介电层的材料相同。

优选地，适配所述有机场致发光层的厚度d₄，以获得下电极与上电极之间发射光的相长干涉。

该相长干涉有利地提高了通过两个电极的发射光的提取，从而改善了二极管的发光效率。

本发明的另一主题是图像显示器或照明板，其包括多个根据本发明的二极管，其特征在于这些二极管由相同衬底支持。

优选地，所述多个二极管形成二维二极管阵列，其对角线比40cm短。因为显示器的尺寸较小，所以在该显示器的整个宽度和整个高度上获得了良好的显示均匀性。

优选地，对于所述多个二极管，所述上电极是公共的。

附图说明

通过阅读如下描述，借助非限制性示例并参照附图，将更加清楚地理解本发明，附图中：

-图1是包括根据本发明一个实施例的二极管的组件的示意剖面图；以及

-图2描绘了在根据图1所示实施例的包括每个电极及其介电层的堆叠中，光发射率作为该介电层厚度(以nm为单位)的函数而发生的变化。

具体实施方式

以下采用一些非限制性变体及其制造过程中的一些步骤，并参照图1，描述根据本发明的二极管或二极管阵列的一个实施例。

制造过程开始于用于衬底7，例如包括二极管驱动电路的透明玻璃板或透明或半透明的有源矩阵。文献US 2004-155846描述了现有技术中透明有源矩阵的示例。该透明或半透明衬底具有旨在用作阴极的透明或半透明下电极或下电极阵列，在适当情况下，每个电极与衬底上的控制电路的输出相连。这里，下电极由导电下层5形成，导电下层5由厚度为d₅＝150nm的ITO(氧化铟锡)制成。在沉积该ITO层之前，沉积由硒化锌(ZnSe)制成的介电层6，如下确定所述层的厚度d₅。

由于下导电层5的ITO的厚度较小，这里是150nm，所以对于发射光，下电极的透射率等于或大于85％。该ITO透射率数据是从现有技术中获得的数据，例如在2003年7月发表的David Vaufrey所著的论文中，并在法国里昂的Electronics，Optoelectronics and MicrosystemsLaboratory of the Ecole Centrale得到证明。在IDMC 2005(年鉴711到713页)中发表的Ping-Wei Tzeng等所著的题为“The improvement ofITO film with high work function on OLED applications”的文章中也已论述了与ITO有关的透射率数据。

在图2中，附图标记为“d₆”的曲线示出了层5和6的堆叠的反射率作为层6的厚度d₆(以nm为单位)而发生的变化，该曲线用于选择与该曲线的最大值近似对应的值d₆＝50nm。在与沉积用以形成二极管的有机场致发光层的最大发射度近似对应的550nm的波长上测量这些层的堆叠的反射率。

在ITO层5上采用原来已知的方式沉积有机场致发光层4，有机场致发光层4由以下堆叠形成：

-掺杂铯的4，7-二苯基-1，10-菲咯啉(BPhen)的子层12，用于注入和传输电子；

-大约为4，7-二苯基-1，10-菲咯啉((BPhen)的子层13，厚度大约为10nm，用于阻挡空穴；

-发射性子层11，厚度为20nm，适配为在电流流经它时发射绿光，对于波长λ＝550nm，该子层的发射度是最大值；

-2，2’，7，7’-四(N，N-二苯基氨基)-9，9’螺二芴(Spiro-TAD)的子层14，厚度大约为10nm，用于阻挡电子；以及

-掺杂F4-TCNQ的2，2’，7，7’-四(N，N-二-间甲基苯基氨基)-9，9’螺二芴(Spiro m-TTB)的子层15，用于注入和传输空穴。

接着，在由此获得的有机场致发光层上沉积ITO的导电上层3，厚度也为d₅＝150nm，用于形成二极管的上电极。由于上导电层3的ITO的厚度较小，这里是150nm，所以对于发射光，上电极的透射率等于或大于85％。

接着，沉积硒化锌(ZnSe)的上介电层2，如下确定其厚度d₂。硒化锌的折射率为2.6，从而实质上是大于1.6的。

在图2中，附图标记为“d₂”的曲线示出了层3和2的堆叠的反射率作为层2的厚度d₂(以nm为单位)而发生的变化，该曲线用于选择与该曲线的最大值近似对应的值d₂＝50nm。在与沉积用以形成二极管的有机场致发光层的最大发射度近似对应的550nm的波长上估计这些层的堆叠的反射率。

因此，在衬底7上由下介电层6、下导电层5、有机场致发光层4、上导电层3和上介电层2形成的堆叠形成了根据本发明一个实施例的有机场致发光二极管或二极管阵列。在二极管阵列的情况下，上导电层3和上介电层2优选地覆盖所有二极管。因此，对于所有二极管，上电极是公共的，这使制造更加方便。

因为一方面层5和6的堆叠以及另一方面层3和2的堆叠均调整以获得二极管所发射的光的最大反射，所以，在遵守特定几何标准的情况下，位于二极管的下电极与上电极之间的空间形成光学空腔，并提供了能够最优地改善发射光的提取的技术效果。以下将具体说明这些标准。

为了获得和优化该空腔效应，将建立方程，这些方程定义了发射性有机子层11厚度的中间与下导电层5之间的大致分隔距离Z_low、以及该发射性有机子层厚度的中间与上导电层3之间的大致分隔距离Z_up。将根据这些方程推导有机场致发光层4的总厚度d₄。

这里考虑以下参数：

-λ，接近以上定义的发射光的最大发射度的波长；以及n₄，在该波长上有机场致发光层的平均折射率；以及

-φ_low，经过下电极反射之后，在该波长上发射光光线的相移；以及φ_up，经过上电极反射之后，在该波长上发射光光线的相移。

对电子注入和/或传输子层12的厚度进行大致选择，以使距离Z_low近似等于：

$Z_{\mathrm{low}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2n_4}(q-\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{low}}}{2\mathrm{\π}})$

其中q是任意整数。该方程表述了发射光与从下电极反射的光之间的相长干涉。

对空穴注入和/或传输子层15的厚度进行大致选择，以使距离Z_up近似等于：

$Z_{\mathrm{up}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2n_4}(r-\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{up}}}{2\mathrm{\π}})$

其中r是任意整数。该方程表述了发射光与从上电极反射的光之间的相长干涉。

在不背离本发明的前提下，可以采用图形优化方法来代替计算Z_low和Z_up的算术方法。为了确定Z_low，采用三维图表，该图表示出了经由二极管底部发射并通过下电极的、作为d₄和Z_low的函数的光强度，该图表可以确定Z_low＝70nm。为了确定Z_up，采用三维图表，该图表示出了经由二极管顶部发射并通过上电极的、作为d₄和Z_up的函数的光强度，该图表可以确定Z_up＝70nm。应该注意，d₄＝Z_low+Z_up＝140nm使得可以获得来自二极管的最强发射，即最大提取。

上述所有相长干涉均有利地促进了通过二极管两个电极的光的提取，从而改善了二极管的发光效率。

根据值Z_low和Z_up，进行如下推导：

-用于注入和传输电子的掺杂铯的BPhen子层12的厚度，即70nm(Z_low)-10nm(子层13的厚度)-10nm(发射性子层11的厚度的一半)＝50nm；以及

-用于注入和传输空穴的Spiro m-TTB子层15的厚度，即70nm(Z_up)-10nm(子层14的厚度)-10nm(发射性子层11的厚度的一半)＝50nm。

通过以上已描述的本发明所特有的特征的结合，获得了展示出良好发光效率的顶部发射发光二极管或二极管阵列。

本发明也应用于在其中通过掺杂有机层而注入电荷的有机场致发光二极管或显示器。对于本领域技术人员，显而易见的是在不背离所附权利要求的范围的前提下，本发明可以应用于其他类型的二极管、照明板或显示器。

Claims (8)

1.一种有机发光二极管，其能够通过两个相对面发光，并包括：

-透明或半透明衬底(7)；

-有机场致发光层(4)，能够发光并沉积在所述衬底上，所述层插入在下电极与上电极之间，每个电极是透明或半透明的；以及

-下介电层(6)，插入在所述衬底(7)与所述下电极之间，并与所述下电极的下导电层(5)接触；以及上介电层(2)，覆盖所述上电极，并与所述上电极的上导电层(3)接触；

所述二极管的特征在于：

-适配所述上介电层(2)的材料和厚度d₂以及所述上导电层(3)的材料和厚度d₃，通过所述上介电层(2)和所述上导电层(3)之间的干涉效应，以获得对于所发光近似为最大值的所述上介电层(2)和所述上导电层(3)的堆叠的反射率；以及

-适配所述下介电层(6)的材料和厚度d₆以及所述下导电层(5)的材料和厚度d₅，通过所述下介电层(6)和所述下导电层(5)之间的干涉效应，以获得对于所发光近似为最大值的所述下介电层(6)和所述下导电层(5)的堆叠的反射率。

2.如权利要求1所述的二极管，其特征在于，下介电层(6)的材料和上介电层(2)的材料均具有大于1.6的折射率。

3.如权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述上导电层(3)的材料与所述下导电层(5)的材料相同。

4.如权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述上介电层(2)的材料与所述下介电层(6)的材料相同。

5.如权利要求1至4之一所述的二极管，其特征在于，所述有机场致发光层(4)包括发射性有机子层(11)和至少一个非发射性上有机子层(14，15)，所述非发射性上有机子层(14，15)插入在上电极(3)和所述发射性有机子层(11)之间，并且所述非发射性上有机子层的厚度适配为使所述发射性有机子层(11)厚度的中间与所述上电极(3)之间的分隔距离Z_up近似满足以下方程：

$Z_{\mathrm{up}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2n_4}(r-\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{up}}}{2\mathrm{\π}})$

-其中r是任意整数；

-其中λ是接近所发光的最大发射度的波长，n₄是在该波长上有机场致发光层的平均折射率；以及

-其中φ_up是经过上电极反射之后所发光光线的相移。

6.如权利要求1至4之一所述的二极管，其特征在于，有机场致发光层(4)包括发射性有机子层(11)和至少一个非发射性下有机子层(12，13)，所述非发射性下有机子层(12，13)插入在下电极(5)和所述发射性有机子层(11)之间，并且所述非发射性下有机子层的厚度适配为使所述发射性有机子层(11)厚度的中间与所述下电极(5)之间的分隔距离Z_low近似满足以下方程：

$Z_{\mathrm{low}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2n_4}(q-\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{low}}}{2\mathrm{\π}})$

-其中q是任意整数；

-其中λ是接近所发光的最大发射度的波长，n₄是在该波长上有机场致发光层的平均折射率；以及

-其中φ_low是经过下电极反射之后所发光光线的相移。

7.如权利要求1至4之一所述的二极管，其特征在于，适配所述有机场致发光层(4)的厚度d₄，以获得下电极与上电极之间所发光的相长干涉。

8.一种图像显示器或照明板，包括多个如权利要求1至4之一所述的二极管，特征在于这些二极管由相同衬底支持。

Images