CN102201540A - 有机电致发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机电致发光元件，包括一第一电极层、一第二电极层、一发光层以及一空穴注入层。发光层位于第一电极层以及第二电极层之间。空穴注入层位于第一电极层与发光层之间，其中空穴注入层包括一第一材料层以及一第二材料层。第二材料层位于第一材料层上，其包括一主体材料以及一掺杂材料，其中第二材料层的掺杂材料与第一材料层的材料实质上相同。在本发明的有机电致发光元件中，空穴注入层包括第一材料层与第二材料层，且第二材料层的掺杂材料与第一材料层的材料实质上相同，因而提升空穴注入效率。如此一来，有机电致发光元件具有提升的发光效率、较低的驱动电压以及较长的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机电致发光元件，且尤其涉及一种具较佳空穴注入效率的有机电致发光元件。
背景技术
电致发光元件(electroluminescent device)是一种可将电能转换成光能且具有高转换效率的半导体元件，其常见的用途为指示灯、显示面板以及光学读写头的发光元件等。由于电激发光元件具备如无视角问题、工艺简易、低成本、高应答速度、使用温度范围广泛与全彩化等特性，因此，符合多媒体时代显示器特性的要求，可望成为下一代的平面显示器的主流。
一般来说，电致发光元件包括阳极、发光层以及阴极。电致发光元件的发光原理是将空穴、电子分别由阳极、阴极注入至发光层。当电子与空穴在电激发光层中相遇时，会进行再结合而形成光子(photon)，进而产生放光的现象。为了使电子与空穴在较低的驱动电压下就能顺利地从电极注入至发光层，阳极与发光层之间可进一步配置有电子注入层与电子传输层，以及阴极与发光层之间可进一步配置有空穴注入层与空穴传输层。其中，电子注入层与电子传输层中具有p型掺质，空穴注入层与空穴传输层中具有n型掺质，且掺质通常是通过共蒸镀的方式形成于材料层中。
然而，目前用于空穴注入层中的p型掺质具有热稳定性不佳、易结晶而无法进行光学量测(tooling)等缺点，导致电致发光元件的空穴注入效率不佳且使用寿命缩短。
发明内容
本发明提供一种有机电致发光元件，具有提升的发光效率、较低的驱动电压以及较长的使用寿命。
本发明提出一种有机电致发光元件。有机电致发光元件包括一第一电极层、一第二电极层、一发光层以及一空穴注入层。发光层位于第一电极层以及第二电极层之间。空穴注入层位于第一电极层与发光层之间，其中空穴注入层包括一第一材料层以及一第二材料层。第二材料层位于第一材料层上，其包括一主体材料以及一掺杂材料，其中第二材料层的掺杂材料与第一材料层的材料实质上相同。
在本发明的一实施例中，上述的第一材料层以及第二材料层的掺杂材料包括一有机材料。
在本发明的一实施例中，上述的有机材料具有如式1所示的化学式：
其中R1～R6分别表示氢、卤素原子、-CN、-NO2、-SO2R、SOR、-CF3、-CO-OR、-CO-NHR、CO-NRR’、经取代或未经取代的芳香族羟基(aryl)、经取代或未经取代的杂环芳基(heteroaryl)或是经取代或未经取代的烷基(alkyl)，且R、R’分别表示经取代或未经取代的芳香族羟基(aryl)、或是经取代或未经取代的烷基(alkyl)，或是
R1与R2、R3与R4、或是R5与R6构成一环结构，环结构包括一芳香环(aromatic ring)、一杂芳香环(heteroaromatic ring)、或一非芳香环(non-aromatic ring)，且每一环结构为经取代或是未经取代。
在本发明的一实施例中，上述的掺杂材料与第一材料层的材料包括
在本发明的一实施例中，上述的第二材料层的主体材料包括三芳香胺(triarylamine)。
在本发明的一实施例中，上述的第二材料层的掺杂材料的含量低于10％。
在本发明的一实施例中，上述的第二材料层的掺杂材料的比例约为0.5～10％。
在本发明的一实施例中，上述的第一材料层的一功函数值大于5eV。
在本发明的一实施例中，上述的第一材料层与第一电极层接触。
在本发明的一实施例中，更包括一空穴传输层，位于空穴注入层与发光层之间。
在本发明的一实施例中，更包括一电子传输层，位于第二电极层与发光层之间。
在本发明的一实施例中，更包括一电子注入层，位于第二电极层与发光层之间。
基于上述，在本发明的有机电致发光元件中，空穴注入层包括第一材料层与第二材料层，且第二材料层的掺杂材料与第一材料层的材料实质上相同，因而提升空穴注入效率。如此一来，有机电致发光元件具有提升的发光效率、较低的驱动电压以及较长的使用寿命。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明的一实施例的一种有机电致发光元件的剖面示意图。
图2为本发明的另一实施例的一种有机电致发光元件的剖面示意图。
图3A与图3B分别为实验例1与比较例1的电流密度对电压图(J-V curve)以及亮度对时间图。
图4为实验例1与比较例2的发光效率对亮度图。
其中，附图标记：
100：有机电致发光元件
110、120：电极层
130：发光层
140：空穴注入层
142、144：材料层
144a：主体材料
144b：掺杂材料
150：空穴传输层
160：电子传输层
170：电子注入层
具体实施方式
图1为本发明的一实施例的一种有机电致发光元件的剖面示意图。请参照图1，有机电致发光元件100包括一第一电极层110、一第二电极层120、一发光层130以及一空穴注入层140。
在本实施例中，第一电极层110是作为有机电致发光元件100的阳极，以及第二电极层120是作为有机电致发光元件100的阴极。发光层130位于第一电极层110以及第二电极层120之间。在本实施例中，第一电极层110与第二电极层120的材料例如是透明电极层或不透光的电极层。透明电极层例如是金属氧化物层，其包括铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝锡氧化物、铝锌氧化物、铟锗锌氧化物、或其它合适的金属氧化物、或者是上述至少二者的堆栈层；或者是具有高透光度的薄金属层或薄金属迭层。不透光的电极层的材料例如是铜、铝、银、金、钛、钼、钨、铬以及其合金或迭层。发光层130例如是白光发光材料层或是其它特定色光(例如红、绿、蓝等等)的发光材料层。
空穴注入层140位于第一电极层110与发光层130之间，其中空穴注入层140包括一第一材料层142以及一第二材料层144。第二材料层144位于第一材料层142上，其包括一主体材料144a以及一掺杂材料144b，其中第二材料层144的掺杂材料144b与第一材料层142的材料实质上相同。在本实施例中，第一材料层142例如是位于第二材料层144与第一电极层110之间，以及第一材料层142例如是与第一电极层110接触。换言之，第一材料层142与第二材料层144依序堆栈于第一电极层110上。
在本实施例中，第一材料层142的功函数值例如是大于5eV。第一材料层142的材料以及第二材料层144的掺杂材料144b例如是包括一有机材料。有机材料具有如式1所示的化学式：
其中R1～R6分别表示氢、卤素原子、-CN、-NO2、-SO2R、SOR、-CF3、-CO-OR、-CO-NHR、CO-NRR’、经取代或未经取代的芳香族羟基(aryl)、经取代或未经取代的杂环芳基(heteroaryl)或是经取代或未经取代的烷基(alkyl)，且R、R’分别表示经取代或未经取代的芳香族羟基(aryl)、或是经取代或未经取代的烷基(alkyl)，或是
R1与R2、R3与R4、或是R5与R6构成一环结构，环结构包括一芳香环(aromatic ring)、一杂芳香环(heteroaromatic ring)、或一非芳香环(non-aromatic ring)，且每一环结构为经取代或是未经取代。举例来说，第一材料层142的材料以及第二材料层144的掺杂材料144b包括HAT-CN，其具有以下结构：
在本实施例中，第二材料层144的主体材料144a例如是包括N，N′-二苯基-N，N′-(1-萘基)-1，1′-联苯-4，4′-二胺[N，N′-diphenyl-N，N′-bis(1-naphthyl)-(1，1′-biphenyl)-4，4′-diamine(NPB)]、4，4′，4″-三[2-萘基苯基氨基]三苯基胺[4，4′，4″-Tris-(N-(naphthylen-2-yl)-N-phenylamine)triphenylamine(2-TNATA)]等三芳香胺(triaryl amine)的有机材料。第二材料层144的掺杂材料144b的含量例如是低于10％，且第二材料层144的掺杂材料144b的比例例如是约为0.5～10％。
在本实施例中，第一材料层142与第二材料层144的形成方法例如是蒸镀法或其它合适的方法。以蒸镀法为例，用以形成第一材料层142的蒸镀源包括一蒸镀材料，以及用以形成第二材料层144的共蒸镀源包括一主蒸镀材料与一掺杂蒸镀材料。其中，用以形成第一材料层142的蒸镀材料与用以形成第二材料层144的掺杂蒸镀材料实质上相同，使得第二材料层144的掺杂材料144b与第一材料层142的材料实质上相同。特别是，在本实施例中，第二材料层144的掺杂材料144b与第一材料层142的材料例如是具有热稳定性，有利于蒸镀工艺的进行且使第一材料层142与第二材料层144具有热稳定性。
在本实施例中，有机电致发光元件100例如是更包括一空穴传输层150与一电子传输层160，以增进发光层130的发光效率。其中，空穴传输层150例如是位于空穴注入层140与发光层130之间，以及电子传输层160例如是位于第二电极层120与发光层130之间。在另一实施例中，如图2所示，有机电致发光元件100例如是更包括一电子注入层170。电子注入层170例如是位于第二电极层120与发光层130之间。更详细而言，电子注入层170例如是位于第二电极层120与电子传输层160之间，且电子注入层170例如是与第二电极层120接触，以增进发光层130的发光效率。特别注意的是，虽然在图1与图2所绘示的有机电致发光元件100中是以包括空穴传输层150、电子传输层160以及电子注入层170为例，但在一实施例中，有机电致发光元件也可以未包括空穴传输层、电子传输层以及电子注入层或包括至少其中之一。特别一提的是，在本实施例中，有机电致发光元件100例如是可应用于显示器中，且特别是可应用于主动矩阵有机发光显示器(AMOLED)。
在本实施例的有机电致发光元件100中，第一电极层110上配置有包括第一材料层142与第二材料层144的空穴注入层140，且第二材料层144的掺杂材料144b与第一材料层142的材料实质上相同。其中，第一材料层142的材料与第二材料层144的掺杂材料144b(诸如具有式1所示的化学式的有机材料)例如是具有适当的功函数(诸如大于5eV)与良好的导电性。因此，第一材料层142具有较低的能障，使得空穴能轻易地由第一电极层110(即阳极层)注入空穴注入层140，以提升空穴注入层140的空穴注入效率。此外，能通过选择第一材料层142的材料而轻易地使诸如上放光有机发光显示器(top-emitting LED)等显示器的光学特性最佳化。
另一方面，第二材料层144的掺杂材料144b与第一材料层142的材料实质上相同，两层材料之间能障(energy barrier)减少，因而增加空穴注入层140的空穴浓度。换言之，空穴注入层140的配置使得空穴具有较佳的迁移率(mobility)，且例如是使得空穴的迁移率大于电子的迁移率。如此一来，有机电致发光元件100适用于较小的元件驱动电压以避免操作电压上升，进而延长有机电致发光元件100的使用寿命。此外，第一材料层142的材料与第二材料层144的掺杂材料144b例如是具有较佳的热稳定性与可进行光学加工的特性，因此空穴注入层140具有较佳的热稳定性且可被量测出正确膜厚。换言之，本实施例的有机电致发光元件100具有较佳的元件特性。
以下列举几个实验例来验证本发明的效果。
[实验1]
为证明本发明的上述实施例中所述的有机电致发光元件具有较佳的元件特性与较长的使用寿命，使用实验例1与比较例1作比较。其中，实验例1的有机电致发光元件具有如图1所示的结构，其中第一材料层的材料与第二材料层的掺杂材料为前文所述的HAT-CN，第一材料层厚度为30nm，第二材料层的掺杂浓度为1.5％以及厚度为150nm。比较例1的有机电致发光元件具有如图1所示的结构，其中第一材料层的材料为HAT-CN，第一材料层厚度为30nm，第二材料层的掺杂材料包括四氟-四氰基对昆二甲烷(tetrafluoro-tetracyano-quinodimethane，F4-TCNQ)，以及第二材料层的掺杂浓度为1.5％以及厚度为150nm。F4-TCNQ为习知常用于空穴注入层的掺杂材料且其具有热稳定性不佳与易结晶而无法进行光学量测等缺点。
图3A与图3B分别为实验例1与比较例1的电流密度对电压图(J-V curve)以及亮度对时间图。由图3A可知，实验例1的有机电致发光元件的发光效率高于比较例1的有机电致发光元件的发光效率。另一方面，由图3B可知，相较于比较例1的有机电致发光元件，实验例1的有机电致发光元件具有较长的使用寿命，且实验例1的有机电致发光元件的使用寿命大约为比较例1的有机电致发光元件的使用寿命的1.2倍。换言之，相较于现有的有机电致发光元件的空穴注入层，本发明的有机电致发光元件的空穴注入层结构(即包括第一材料层与第二材料层)能提升有机电致发光元件的发光效率与使用寿命。此外，相较于使用F4-TCNQ作为掺杂材料，以HAT-CN作为掺杂材料能使有机电致发光元件具有较佳的发光效率与较长的使用寿命。
[实验2]
实验2的目的是进一步证明本发明的包括第一材料层与第二材料层的空穴注入层结构相较于现有由单一层掺杂层所形成的空穴注入层而言，能提升有机电致发光元件的发光效率，使用实验例1与比较例2作比较。其中，实验例1的有机电致发光元件具有如图1所示的结构，其中第一材料层的材料与第二材料层的掺杂材料为HAT-CN。比较例2的有机电致发光元件的结构与图1所示的结构相似，但比较例2的有机电致发光元件具有现有结构，其包括第一电极层、仅由一掺杂层所构成的空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层以及第二电极层，其中空穴注入层的掺杂材料为HAT-CN，以及掺杂浓度1.5％。
图4为实验例1与比较例2的发光效率对亮度图。由图4可知，实验例1的有机电致发光元件的发光效率显著高于比较例2的有机电致发光元件的发光效率。换言之，本实验验证相较于现有的有机电致发光元件的空穴注入层，本发明的具有第一材料层与第二材料层的空穴注入层结构确实能提升有机电致发光元件的发光效率。
综上所述，在本发明的有机电致发光元件中，空穴注入层包括第一材料层与第二材料层，且第二材料层的掺杂材料与第一材料层的材料实质上相同。其中，第一材料层的材料与第二材料层的掺杂材料(诸如具有式1所示的化学式的有机材料)例如是具有适当的功函数。因此，第一材料层具有较低的能障，使得空穴能轻易地由第一电极层(即阳极层)注入空穴注入层，以提升空穴注入层的空穴注入效率。此外，第二材料层的掺杂材料和第一材料层的材料实质上相同，两层材料之间能障(energy barrier)减少，因而增加空穴注入层的空穴浓度。
在本发明中，空穴注入层的构型使得空穴具有较佳的迁移率，因而有机电致发光元件适用于较小的元件驱动电压以避免操作电压上升，进而延长有机电致发光元件的使用寿命。特别是，第一材料层的材料与第二材料层的掺杂材料例如是具有较佳的热稳定性与可进行光学加工的特性，因此空穴注入层具有较佳的热稳定性且可被量测出正确膜厚。换言之，本发明的有机电致发光元件具有较佳的发光效率、较低的驱动电压以及较长的使用寿命。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (12)
1.一种有机电致发光元件，其特征在于，包括：
一第一电极层以及一第二电极层；
一发光层，位于该第一电极层以及该第二电极层之间；以及
一空穴注入层，位于该第一电极层与该发光层之间，其中该空穴注入层包括：
一第一材料层；以及
一第二材料层，位于该第一材料层上，其包括一主体材料以及一掺杂材料，其中该第二材料层的该掺杂材料与该第一材料层的材料相同。
2.根据权利要求1所述的有机电致发光元件，其特征在于，该第一材料层以及该第二材料层的该掺杂材料包括一有机材料。
3.根据权利要求2所述的有机电致发光元件，其特征在于，该有机材料具有如式1所示的化学式：
其中R1～R6分别表示氢、卤素原子、-CN、-NO2、-SO2R、SOR、-CF3、-CO-OR、-CO-NHR、CO-NRR’、经取代或未经取代的芳香族羟基、经取代或未经取代的杂环芳基或是经取代或未经取代的烷基，且R、R’分别表示经取代或未经取代的芳香族羟基、或是经取代或未经取代的烷基，或是
R1与R2、R3与R4、或是R5与R6构成一环结构，该环结构包括一芳香环、一杂芳香环、或一非芳香环，且每一环结构为经取代或是未经取代。
4.根据权利要求1所述的有机电致发光元件，其特征在于，该掺杂材料与该第一材料层的材料包括
5.根据权利要求1所述的有机电致发光元件，其特征在于，该第二材料层的该主体材料包括三芳香胺。
6.根据权利要求1所述的有机电致发光元件，其特征在于，该第二材料层的该掺杂材料的含量低于10％。
7.根据权利要求6所述的有机电致发光元件，其特征在于，该第二材料层的该掺杂材料的比例约为0.5～10％。
8.根据权利要求1所述的有机电致发光元件，其特征在于，该第一材料层的一功函数值大于5eV。
9.根据权利要求1所述的有机电致发光元件，其特征在于，该第一材料层与该第一电极层接触。
10.根据权利要求1所述的有机电致发光元件，其特征在于，更包括一空穴传输层，位于该空穴注入层与该发光层之间。
11.根据权利要求1所述的有机电致发光元件，其特征在于，更包括一电子传输层，位于该第二电极层与该发光层之间。
12.根据权利要求1所述的有机电致发光元件，其特征在于，更包括一电子注入层，位于该第二电极层与该发光层之间。
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