CN110048008B - 一种发光二极管结构与光电器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发光二极管结构与光电器件，涉及半导体技术领域。该发光二极管结构至少包括发光层，位于发光层一侧的第一疏导层，与位于第一疏导层的远离发光层一侧的空穴传输层，及位于发光层另一侧的电子传输层。其中，第一疏导层的最低未占轨道与发光层的最低未占轨道能级相差±0.5ev，第一疏导层的最高已占轨道能级低于发光层的最高已占轨道能级，且第一疏导层用于疏导发光层内多余的电子。本发明提供的发光二极管结构与光电器件具有提升了发光效率的优点。

Description

一种发光二极管结构与光电器件
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种发光二极管结构与光电器件。
背景技术
QLED中存在效率滚降(effiency roll off)问题，使得器件高效率工作的电压区间很小。引起效率滚降的重要因素之一是载流子注入不平衡，导致发光层带电，从而降低发光效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种发光二极管结构，以及解决现有技术中发光二极管载流子注入不平衡的问题。
本发明的另一目的在于提供一种光电器件，以及解决现有技术中发光二极管载流子注入不平衡的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
一方面，本发明实施例提出了一种发光二极管结构所述发光二极管结构至少包括发光层，位于所述发光层一侧的第一疏导层，与位于所述第一疏导层的远离所述发光层一侧的空穴传输层，及位于所述发光层另一侧的电子传输层。其中，所述第一疏导层的最低未占轨道与所述发光层的最低未占轨道能级相差±0.5ev，所述第一疏导层的最高已占轨道能级低于所述发光层的最高已占轨道能级，且所述第一疏导层用于疏导所述发光层多余的电子。
进一步地，所述疏导层还包括第二疏导层，所述第二疏导层位于所述发光层与所述电子传输层之间，其中，所述第二疏导层用于疏导所述发光层多余的空穴。
进一步地，所述第二疏导层的最低未占轨道能级高于所述发光层的最低未占轨道能级，所述第二疏导层的最高已占轨道能级与所述发光层的最高已占轨道能级相差±0.5ev。
进一步地，制作所述第二疏导层的材料选自聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺]、4,4'-二(9-咔唑)联苯、聚(9,9-二辛基芴-CO-N-(4-丁基苯基)二苯胺)、9,9'-(1,3-苯基)二-9H-咔唑、三氧化钼、三氧化钨、4,4',4”-三(咔唑-9-基)三苯胺、正溴丙烷、NiOx、硫氰酸亚铜、CrCuOy中的一种或多种，其中，x的取值范围为1至1.5之间，y的取值范围为0.5至3之间。
进一步地，所述第一疏导层的厚度为2-10nm。
进一步地，制作所述第一疏导层的材料为n-型材料。
进一步地，制作所述第一疏导层的材料选自三(8-羟基喹啉铝)、2-(4-联苯基)-5-苯基恶二唑、1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯、7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷、1,3-双[5-(对-特丁基苯基)-1,3,4-二唑基-2]苯、富勒烯及其衍生物、苝二酰胺类及其衍生物、吡咯并吡咯二酮及其衍生物、并五苯小分子及其衍生物、苯并噻唑小分子及其衍生物、氧化锌、氧化锡、二氧化钛、硒化锌、硫化镉中的一种或多种。
另一方面，本发明实施例还提供了一种光电器件，所述光电器件包括发光二极管结构。
相对现有技术，本发明具有以下有益效果：
本申请提供了一种发光二极管与光电器件，其中，该发光二极管结构至少包括发光层，位于发光层一侧的第一疏导层，与位于第一疏导层的远离发光层一侧的空穴传输层，及位于发光层另一侧的电子传输层。其中，第一疏导层的最低未占轨道与发光层的最低未占轨道能级相差±0.5ev，第一疏导层的最高已占轨道能级低于发光层的最高已占轨道能级，且第一疏导层用于疏导发光层内多余的电子。由于本申请提供的发光二极管结构包括第一输导层，因此当发光二极管管中的电子过多时，能够利用第一输导层承载多余的电子，进而能够使发光层中的电荷趋向于平衡，使得发光层不会带电，进而提升了整个发光二极管的发光效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明的一个实施例提供的包含第一疏导层的发光二极管的剖面图；
图2示出了本发明的一个实施例提供的包含第一疏导层与第二疏导层的发光二极管的剖面图。
图标：100-发光二极管结构；110-发光层；120-第一疏导层；130-空穴传输层；140-电子传输层；150-第二疏导层；160-空穴注入层；170-阳极层；180-电子注入层；190-阴极层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1，本发明实施例提供了一种发光二极管结构100，其中，该发光二极管结构100至少包括发光层110、第一疏导层120、空穴传输层130以及电子传输层140，并且第一疏导层120位于发光层110的一侧，空穴传输层130位于第一疏导层120的远离发光层110的一侧，电子传输层140位于发光层110的另一侧。
其中，空穴传输层130用于传输空穴，电子传输层140用于传输电子，且空穴与电子在发光层110内复合实现发光。当发光二极管100中的载流子注入不平衡时，会使得发光层110带电，从而降低发光效率。例如，在电子过多的情况下时，由于电子多，空穴少，多余的电子会聚集在空穴传输层130与发光层110上，发光层110带电，进而影响发光二极管结构100的发光效率。
有鉴于此，本实施例通过设置第一疏导层的方式疏导多余的电子，进而使发光层内的电荷趋向平衡，提升发光效率。
具体地，第一疏导层120的最低未占轨道与发光层110的最低未占轨道能级相差±0.5ev，第一疏导层120的最高已占轨道能级低于发光层110的最高已占轨道能级，且第一疏导层120用于疏导发光层110内多余的电子。其中，由于第一输导层的最低未占轨道与发光层110的最低未占轨道能级相差较小，二者最低未占轨道匹配从而使电子可以顺利从发光层110注入第一疏导层120。在此基础上，第一疏导层120的最高已占轨道能级低于发光层110的最高已占轨道能级，使得第一疏导层的带隙高于发光层110的带隙，不易在第一疏导层产生复合发光，起到承载多余电子的功能。此外，注入到第一疏导层120的电子一部分会聚集在层界面上诱导空穴的注入，从而促进发光层110的电子与空穴注入趋于平衡。
并且，为了进一步降低第一疏导层阻挡空穴传输的可能性，在本实施例中，第一疏导层120的厚度为2-10nm。在本实施例中选用2nm，低于10nm的厚度不足以阻挡空穴的传输，因此空穴传输层130内的空穴仍旧能够穿过该第一疏导层120进入发光层110内实现复合发光，使得第一疏导层120既能承载多余电子，且不阻挡空穴传输，进而提升了发光层110的发光效率。
需要说明的是，由于第一输导层较薄，因此传输至第一疏导的电子也可能跃迁回发光层110的最高已占轨道而发光。
还需要说明的是，在本实施例中，制作第一疏导层120的材料为n-型材料，例如三(8-羟基喹啉铝)(Alq3)、2-(4-联苯基)-5-苯基恶二唑(PBD)、1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯(TPBI)、7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷(TCNQ)、1,3-双[5-(对-特丁基苯基)-1,3,4-二唑基-2]苯(PDPDP-Bu-t)、富勒烯及其衍生物、苝二酰胺类及其衍生物、吡咯并吡咯二酮及其衍生物、并五苯小分子及其衍生物、苯并噻唑小分子及其衍生物、氧化锌、氧化锡、二氧化钛、硒化锌、硫化镉等材料，制作第一疏导层120的材料可以为其中的一种或多种，其中，氧化锌、氧化锡、二氧化钛、硒化锌、硫化镉等可以是纳米级材料，本实施例对此并不做任何限定。
进一步地，作为本实施例的一种实现方式，请参阅图2，在本实施例中，发光二极管结构100还包括第二疏导层，其中，第二疏导层150位于发光层110与电子传输层140之间，与第一疏导层不同的是，第二疏导层150用于疏导发光层110内多余的空穴。
当发光二极管100中空穴注入过多时，由于空穴多，电子少，多余的空穴会聚集在电子传输层140与发光层110的界面上，发光层110带电，进而影响发光二极管结构100的发光效率。
有鉴于此，本实施例通过设置第二疏导层的方式疏导多余的空穴，进而使发光层110内的电荷趋向平衡，提升发光效率。
具体地，第二疏导层150的最低未占轨道能级高于发光层110的最低未占轨道能级，第二疏导层150的最高已占轨道能级与发光层110的最高已占轨道能级相差±0.5ev。由于第二疏导层150的最高已占轨道与发光层110的最高已占轨道能级相差较小，二者最高已占轨道匹配从而使空穴可以顺利从发光层110注入第二疏导层150中。在此基础上，第二疏导层150的最低未占轨道能级高于发光层110的最低未占轨道能级，使得第二疏导层的带隙高于发光层110的带隙，不易在第二疏导层产生复合发光，从而起到承载多余空穴的功能。
并且，为了实现第二疏导层不会阻挡电子的传输，在本实施例中，第二疏导层150的厚度为2-10nm。在本实施例中选用2nm，低于10nm的厚度不足以阻挡电子的传输，因此电子传输层140内的电子仍旧能够穿过该第二疏导层150进入发光层110内实现复合发光，提升了发光层110的发光效率。
在本实施例中，制作第二疏导层150的材料选自聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺](poly-TPD)、4,4'-二(9-咔唑)联苯(CBP)、聚(9,9-二辛基芴-CO-N-(4-丁基苯基)二苯胺)(TFB)、9,9'-(1,3-苯基)二-9H-咔唑(mCP)、三氧化钼、三氧化钨、4,4',4”-三(咔唑-9-基)三苯胺(TcTa)、正溴丙烷(NPB)、NiOx、硫氰酸亚铜(CuSCN)、CrCuOy中的一种或多种，其中，x的取值范围为1至1.5之间，y的取值范围为0.5至3之间。
需要说明的是，发光二极管结构100中还包括电子注入层180、阴极层190、空穴注入层160以及阳极层170，其中，阴极层190、电子注入层180、电子传输层140、第二疏导层、发光层110、第一疏导层、空穴传输层130、空穴注入层160以及阳极层170从下往上依次堆叠设置。
本发明实施例还提供了一种光电器件，其中，该光电器件包括封装结构与如上述的发光二极管结构，且该发光二极管结构置于上述封装结构内。
发光二极管的制备：
1.阳极层
将背面刻有编号的ITO玻璃片放入装有乙醇溶液的玻璃皿中，用棉签将ITO面擦洗干净。依次用丙酮、去离子水、乙醇各自超声10分钟后，用氮气枪吹干。最后，将清洗好的ITO玻璃片放置在氧气等离子体中继续清洗10分钟。
2.空穴注入层
将清洗完成的ITO玻璃片在空气中分别旋涂上PEDOT:PSS，转速为3000r/min，旋涂时间为45秒。旋涂完成后放置在空气中退火，退火温度150℃，退火时间30分钟。退火完成后快速将片子转移至氮气氛围的手套箱中。
3.空穴传输层
将玻璃/ITO/PEDOT:PSS的片子继续旋涂上8-10mg/mL TFB的空穴传输层，转速为2000r/min，旋涂时间为45秒。旋涂完成后在手套箱中退火，退火温度为150℃，退火时间为30分钟。
4.第一疏导层
以n型氧化锌纳米晶(2-10mg/mL，乙醇溶液)为例进行旋涂：将玻璃/ITO/PEDOT:PSS/TFB以4000r/min的转速旋涂氧化锌纳米晶溶液，旋涂45秒,退火温度为120℃，时间为30分钟。
5.发光层
绿光量子点，ZnCdSe-ZnSe量子点，溶解于八烷溶剂中。将玻璃/ITO/PEDOT:PSS/TFB的片子退火完成后继续旋涂量子点溶液，旋涂转速为2000r/min，旋涂时间为45秒，旋涂完成后无需退火即可旋涂下一层。
6.第二疏导层
以CBP作为第二疏导层材料为例，将上面制得的片子放入真空腔体中，在2×10- 6torr的真空度下以
Figure BDA0002041995200000091
的速度蒸镀，蒸镀完成后做下一步操作。
7.电子传输层
氧化锌镁纳米晶(30mg/mL，乙醇溶液)的旋涂：将玻璃/ITO/PEDOT:PSS/TFB/QDs的片子以2000r/min的转速旋涂氧化锌镁纳米晶溶液，旋涂45秒。
8.阴极层
将制备好的样品片子放入真空腔体，蒸镀顶部Ag电极。前10nm时蒸镀速率控制在
Figure BDA0002041995200000101
范围内，10nm后蒸镀速率提升为
Figure BDA0002041995200000102
左右。
上述发光二极管的制备方法仅为示例性地说明实施例中发光二极管的可选制备方法，根据需要可以仅选取其中部分功能层制备，并不对本申请的发光二极管具有任何结构方面的限制。
实施例1
本实施例中，发光二极管结构为阳极层/空穴传输层(包括空穴注入层)/第一疏导层/发光层/电子传输层/阴极层；
ITO(150nm)/PEDOT:PSS(40nm)/TFB(30nm)/n-ZnO(2nm)/ZnCdSe-ZnSe量子点(30nm)/ZnMgO(60nm)/Ag(100nm)
其中n-ZnO的LUMO能级和HOMO能级分别为-4.3eV和-7.6eV；ZnCdSe-ZnSe量子点的LUMO能级和HOMO能级分别为-4eV和-6.5eV，器件发光效率EQE为15.6％。
实施例2
本实施例中，发光二极管结构为阳极层/空穴传输层(包括空穴注入层)/第一疏导层/发光层/电子传输层/阴极层；
ITO(150nm)/PEDOT:PSS(40nm)/TFB(30nm)/n-TiO2(2nm)/ZnCdSe-ZnSe量子点(30nm)/ZnMgO(60nm)/Ag(100nm)
其中n-TiO2的LUMO能级和HOMO能级分别为-4.2eV和-7.6eV；ZnCdSe-ZnSe量子点的LUMO能级和HOMO能级分别为-4eV和-6.5eV，器件发光效率EQE为14.7％。
实施例3
本实施例中，发光二极管结构为阳极层/空穴传输层(包括空穴注入层)/第一疏导层/发光层/电子传输层/阴极层；
ITO(150nm)/PEDOT:PSS(40nm)/TFB(30nm)/n-SnO2(2nm)/ZnCdSe-ZnSe量子点(30nm)/ZnMgO(60nm)/Ag(100nm)
其中n-SnO2的LUMO能级和HOMO能级分别为-4.5eV和-8eV；ZnCdSe-ZnSe量子点的LUMO能级和HOMO能级分别为-4eV和-6.5eV，器件发光效率EQE为13.7％。
实施例4
本实施例中，发光二极管结构为阳极层/空穴传输层(包括空穴注入层)/第一疏导层/发光层/电子传输层/阴极层；
ITO(150nm)/PEDOT:PSS(40nm)/TFB(30nm)/n-ZnO(10nm)/ZnCdSe-ZnSe量子点(30nm)/ZnMgO(60nm)/Ag(100nm)
其中n-ZnO的LUMO能级和HOMO能级分别为-4.3eV和-7.6eV；ZnCdSe-ZnSe量子点的LUMO能级和HOMO能级分别为-4eV和-6.5eV，器件发光效率EQE为13.9％。
实施例5
本实施例中，发光二极管结构为阳极层/空穴传输层(包括空穴注入层)/第一疏导层/发光层/第二疏导层/电子传输层/阴极层；
ITO(150nm)/PEDOT:PSS(40nm)/TFB(30nm)/n-ZnO(2nm)/ZnCdSe-ZnSe量子点(30nm)/CBP(2nm)/ZnMgO(60nm)/Ag(100nm)
其中n-ZnO的LUMO能级和HOMO能级分别为-4.3eV和-7.6eV，CBP的LUMO能级和HOMO能级分别为-2.9eV和-6eV，ZnCdSe-ZnSe量子点的LUMO能级和HOMO能级分别为-4eV和-6.5eV，器件发光效率EQE为16.3％。
实施例6
本实施例中，发光二极管结构为阳极层/空穴传输层(包括空穴注入层)/第一疏导层/发光层/第二疏导层/电子传输层/阴极层；
ITO(150nm)/PEDOT:PSS(40nm)/TFB(30nm)/n-ZnO(2nm)/ZnCdSe-ZnSe量子点(30nm)/mCP(2nm)/ZnMgO(60nm)/Ag(100nm)其中n-ZnO的LUMO能级和HOMO能级分别为-4.3eV和-7.6eV；mCP的LUMO能级和HOMO能级分别为-2.4eV和-6.1eV，ZnCdSe-ZnSe量子点的LUMO能级和HOMO能级分别为-4eV和-6.5eV，器件发光效率EQE为16.8％。
对比例1
本对比例中，发光二极管结构为阳极层/空穴传输层(包括空穴注入层)/发光层/电子传输层/阴极层；
ITO(150nm)/PEDOT:PSS(40nm)/TFB(30nm)/ZnCdSe-ZnSe量子点(30nm)/ZnMgO(60nm)/Ag(100nm)ZnCdSe-ZnSe量子点的LUMO能级和HOMO能级分别为-4eV和-6.5eV，器件发光效率EQE为11.3％。
综上所述，本申请提供了一种发光二极管与光电器件，其中，该发光二极管结构至少包括发光层，位于发光层一侧的第一疏导层，与位于第一疏导层的远离发光层一侧的空穴传输层，及位于发光层另一侧的电子传输层。其中，第一疏导层的最低未占轨道与发光层的最低未占轨道能级相差±0.5ev，第一疏导层的最高已占轨道能级低于发光层的最高已占轨道能级，且第一疏导层用于疏导发光层多余的电子。由于本申请提供的发光二极管结构包括第一疏导层，因此当发光二极管的发光层的电子过多时，能够利用第一疏导层承载多余的电子，进而能够使发光层中的电荷趋向于平衡，使得发光层不会带电，进而提升了整个发光二极管的发光效率。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (6)

1.一种发光二极管结构，其特征在于，所述发光二极管结构至少包括：
发光层；
位于所述发光层一侧的第一疏导层；与
位于所述第一疏导层的远离所述发光层一侧的空穴传输层；及
位于所述发光层另一侧的电子传输层；
其中，所述第一疏导层的最低未占轨道与所述发光层的最低未占轨道能级相差±0.5ev以内，所述第一疏导层的最高已占轨道能级低于所述发光层的最高已占轨道能级，所述第一疏导层的带隙高于所述发光层的带隙，且所述第一疏导层用于疏导所述发光层多余的电子；
所述第一疏导层的厚度为2-10nm；
制作所述第一疏导层的材料为n-型材料。
2.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述疏导层还包括第二疏导层，所述第二疏导层位于所述发光层与所述电子传输层之间，其中，所述第二疏导层用于疏导所述发光层内多余的空穴。
3.如权利要求2所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第二疏导层的最低未占轨道能级高于所述发光层的最低未占轨道能级，所述第二疏导层的最高已占轨道能级与所述发光层的最高已占轨道能级相差±0.5ev。
4.如权利要求2所述的发光二极管结构，其特征在于，制作所述第二疏导层的材料选自聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺]、4,4'-二(9-咔唑)联苯、聚(9,9-二辛基芴-CO-N-(4-丁基苯基)二苯胺)、9,9'-(1,3-苯基)二-9H-咔唑、三氧化钼、三氧化钨、4,4',4”-三(咔唑-9-基)三苯胺、正溴丙烷、NiOx、硫氰酸亚铜、CrCuOy中的一种或多种；
其中，x的取值范围为1至1.5之间，y的取值范围为0.5至3之间。
5.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，制作所述第一疏导层的材料选自三(8-羟基喹啉铝)、2-(4-联苯基)-5-苯基恶二唑、1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯、7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷、1,3-双[5-(对-特丁基苯基)-1,3,4-二唑基-2]苯、富勒烯及其衍生物、苝二酰胺类及其衍生物、吡咯并吡咯二酮及其衍生物、并五苯小分子及其衍生物、苯并噻唑小分子及其衍生物、氧化锌、氧化锡、二氧化钛、硒化锌、硫化镉中的一种或多种。
6.一种光电器件，其特征在于，所述光电器件包括如权利要求1-5中任一所述的发光二极管结构。
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