CN110911573B - 一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管及其制备方法，由下至上依次包括电极、有机发光层、绝缘层、金属栅极；还包括有源层，所述有机发光层结构呈凸型，在发光层两侧凹槽内填充有所述有源层，所述金属栅极接交流驱动信号，所述有源层接直流电源负极，所述电极接直流电源正极。本发明利用电荷堆积产生电场推（拉）有机材料中的载流子，使得发光层载流子与有源层极性相反的载流子充分接触，复合发光。栅极交流电的加载，其幅值和频率的可调控性，使得该结构下，整周期都发光，不仅解决了层状OLETs器件厚度高、串联电阻高、功耗高的缺点，同时打破了交流驱动OLETs材料的局限性。

Description

一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管及其制 备方法
技术领域
本发明涉及有机固体电子器件领域，特别是一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
有机电致发光二极管(organic light-emitting diodes,OLED)是一种新型照明、显示器件，它具有可弯曲、响应速度快、色丰富、功耗低等优点，有机场效应晶体管(organicfield-effiect transistors,OFETs)是利用有机半导体组成信道的场效应晶体管,当这两种结构结合之后，结合体既具有OFETs开关的作用也具有OLEDs的发光功能，这种结合称为有机发光场效应晶体管（OLETs）。在光通讯领域、显示照明激光等领域将会表现出优越的应用潜能。
传统有机发光场效应晶体管（OLETs）为层结构，其层状结构采用P、N材料的有源层与发光层结合或者双极性发光材料，并使用直流电源进行驱动，因此极易导致载流子的注入不平衡，对材料的能级匹配要求较高，发光区域不易控制，此外直流驱动存在载流子的堆积，不利于激子的复合发光，从而器件的发光效率低下；而已有的交流驱动OLETs器件局限于半周期，想要整个周期发光则需要多层对偶结构，但其同时导致了串联电阻高、功耗高、厚度高的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高发光效率的交流驱动的有机发光场效应晶体管及其制备方法，以解决现有技术中的一些问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是： 一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管，其特征在于，由下至上依次包括电极、P（N）型有机发光层、绝缘层、金属栅极；还包括N（P）型有源层与侧边电极；
所述有机发光层结构呈凸型，在有机发光层两侧的凹槽内填充有所述有源层，所述绝缘层仅位于有机发光层的表面，有源层的表面无设置绝缘层，所述金属栅极设置于绝缘层的表面，所述侧边电极为金属材料薄膜层，完全覆盖于有源层的侧面；
所述金属栅极接交流驱动信号，交流驱动信号将电荷积累于绝缘层上侧，使得绝缘层下对应的有机发光区域载流子重新分布；在交流驱动负周期时（以P型发光层为例），电荷堆积形成强电场驱使发光层载流子向栅极方向迁移，在迁移路径上与大表面积填充凹槽有源层极性相反的载流子复合发光；在交流驱动正周期时，电荷积累电场趋使发光层载流子反向迁移直至有源层内形成反向电势与绝缘层电荷积累电势达到平衡，此时反向迁移载流子移动至有源层与发光层界面，正负载流子复合发光；
所述N（P）型有源层接直流电源负极或正极，所述电极则接直流电源另一极，直流电源补充有源层与发光层复合发光消耗的正负载流子。
进一步地，所述有机发光层为P型有机发光层或N型有机发光层，有源层为与P型有机发光层对应的N型有源层或与N型有机发光层对应的P型有源层，发光层与有源层为P、N材料搭配使用，其发光复合层位于有机发光层与有源层的界面。
其中，P型有机发光层的材料包括但不限于TAPC（4,4′-环己基二[N，N- 二(4-甲基苯基)苯胺]）或TCTA（4，4′，4′′-三(咔唑-9-基)三苯胺），N型有机发光层的材料包括但不限于TmPyTZ，有机发光层的厚度在20-80nm之间，较优厚度为40-60nm左右其中，N型有源层的材料包括但不限于碱金属或碱土金属，功函数为-2.1至-3.2ev，优选功函数较高的金属或透明导电金属氧化物、炭黑、导电聚合物等，有源层的厚度我们一般采用50nm左右，取50nm±5nm。
进一步地，所述交流驱动的波形可以为方波、正弦波、三角波等，峰值根据发光材料的本身所需推拉电动势的电荷积累量的多少进行调整，同时调整交流驱动频率使得绝缘层累计电荷产生电场速率与有源层电荷迁移复合速率保持一致交流驱动电压为1V至100V，激励频率为100Hz至10MHz；
进一步地，金属栅极的材料采用多晶硅，其透明基底材料可为光学玻璃、白云母、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，于基底上凿孔填充导电金属连接交流驱动输入信号，栅极作为电极，一般厚度选取30-50nm。
进一步地，所述绝缘层的料为聚乙烯基苯酚、偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯、氧化铝、二氧化硅、氮化硅、氮化铝中的一种，绝缘层形成薄型电容器件，并在交流驱动的正负周期形成正、负电荷堆积的界面，绝缘层为介电常数在6至65之间，量子力学隧穿电流泄漏阈值为0.1A/cm2，并通过沉积方式制备。
进一步地，电极材料采用ITO或AZO，透明电极的方块电阻为10Ω至100Ω，透明电极作为发光面对波长在380nm至780nm之间的光线的透过率大于等于85%。
进一步地，所述的交流驱动的有机发光场效应晶体管制作方法如下：
（1）利用透明玻璃作为器件的基底，在透明玻璃上沉积整片透明电极材料,并在电极上涂覆一层光刻胶,采用光刻定义条状电极，然后刻蚀。基板制作完成之后，对基板进行清洗与烘干；
（2）在透明电极上旋涂P/N型发光材料旋涂慢速500r,1s，快速3500r,40s，后烘温度120℃，时间20min；
（3）通过化学气相沉积制备绝缘介质层材料，在绝缘层上旋涂一层光刻胶，使用掩膜版定义出能够与发光材料复合的N/P型有源区的沉积窗口，显影坚膜，刻蚀出有源区图形使其结构成立体凸字结构；
（4）在有源区内沉积N/P型有源材料，经过平坦化技术，使得有源层材料表面平整，并通过离子注入技术调控该区域的载流子浓度；
（5）后利用光刻技术，在有源层侧边光刻侧边电极窗口，引出电极；
（6）在绝缘层上侧蒸镀或者打印金属电极，再次使用光刻技术，于发光层凸字结构上端光刻接触电极窗口，将玻璃基板盖在上层结构中，利用激光刻蚀出孔洞，在孔洞中填充与栅极材料相同的导电金属；
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明结构通过绝缘材料对电荷的堆积产生高电场诱导有机材料中载流子迁移，在迁移过程中与复合层极性相反的载流子复合发光。其中交流电负半周期时，有机发光材料的推电子基团在薄膜底表面与有源层注入的电子形成激子复合发光；在负半周期，电子堆积形成负电场，有源层内载流子受库伦引力作用被拉向栅极，在迁移路径上与大表面积填充凹槽有源层极性相反的载流子复合发光；在正半周期，电荷积累形成正电场，有源层内载流子受斥力被推离栅极直至有源层内形成反向电势与绝缘层电荷积累电势达到平衡，此时反向迁移载流子移动至有源层与发光层界面，正负载流子复合发光，这种整周期都发光的结构，不仅解决了层状OLETs器件厚度高、串联电阻高、功耗高的缺点，同时打破了交流驱动OLETs材料的局限性。
附图说明
图1为本发明实施例的交流驱动有机发光场效应晶体管的剖面结构示意图。
图中1为电极，2为有机发光层，3为有源层，4为侧边电极，5为绝缘层，6为栅极，7为玻璃盖板。
图2为本实施例的交流驱动有机发光场效应晶体管的负半周期工作原理图。
图3为本实施例的交流驱动有机发光场效应管的正半周期工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1至图3所示，本实施例提供了一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管，其特征在于，由下至上依次包括电极、P（N）型有机发光层、绝缘层、金属栅极；还包括N（P）型有源层与侧边电极；
所述有机发光层结构呈凸型，在有机发光层两侧的凹槽内填充有所述有源层，所述绝缘层仅位于有机发光层的表面，有源层的表面无设置绝缘层，所述金属栅极设置于绝缘层的表面，所述侧边电极为金属材料薄膜层，完全覆盖于有源层的侧面；
所述金属栅极接交流驱动信号，交流驱动信号将电荷积累于绝缘层上侧，使得绝缘层下对应的有机发光区域载流子重新分布；在交流驱动负周期时（以P型发光层为例），电荷堆积形成强电场驱使发光层载流子向栅极方向迁移，在迁移路径上与大表面积填充凹槽有源层极性相反的载流子复合发光；在交流驱动正周期时，电荷积累电场趋使发光层载流子反向迁移直至有源层内形成反向电势与绝缘层电荷积累电势达到平衡，此时反向迁移载流子移动至有源层与发光层界面，正负载流子复合发光；
所述N（P）型有源层接直流电源负极或正极，所述电极则接直流电源另一极，直流电源补充有源层与发光层复合发光消耗的正负载流子。
在本实施例中，所述有机发光层为P型有机发光层或N型有机发光层，有源层为与P型有机发光层对应的N型有源层或与N型有机发光层对应的P型有源层，发光层与有源层为P、N材料搭配使用，其发光复合层位于有机发光层与有源层的界面。
其中，P型有机发光层的材料包括但不限于TAPC（4,4′-环己基二[N，N- 二(4-甲基苯基)苯胺]）或TCTA（4，4′，4′′-三(咔唑-9-基)三苯胺），N型有机发光层的材料包括但不限于TmPyTZ，有机发光层的厚度在20-80nm之间，较优厚度为40-60nm左右其中，N型有源层的材料包括但不限于碱金属或碱土金属，功函数为-2.1至-3.2ev，优选功函数较高的金属或透明导电金属氧化物、炭黑、导电聚合物等，有源层的厚度我们一般采用50nm左右。
在本实施例中，所述交流驱动的波形可以为方波、正弦波、三角波等，峰值根据发光材料的本身所需推拉电动势的电荷积累量的多少进行调整，同时调整交流驱动频率使得绝缘层累计电荷产生电场速率与有源层电荷迁移复合速率保持一致交流驱动电压为1V至100V，激励频率为100Hz至10MHz。
在本实施例中，金属栅极的材料采用多晶硅，其透明基底材料可为光学玻璃、白云母、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，于基底上凿孔填充导电金属连接交流驱动输入信号，栅极作为电极，一般厚度选取30-50nm。
在本实施例中，所述绝缘层的料为聚乙烯基苯酚、偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯、氧化铝、二氧化硅、氮化硅、氮化铝中的一种，绝缘层形成薄型电容器件，并在交流驱动的正负周期形成正、负电荷堆积的界面，绝缘层为介电常数在6至65之间，量子力学隧穿电流泄漏阈值为0.1A/cm2，并通过沉积方式制备。
在本实施例中，电极材料采用ITO或AZO，透明电极的方块电阻为10Ω至100Ω，透明电极作为发光面对波长在380nm至780nm之间的光线的透过率大于等于85%。
在本实施例中，所述的交流驱动的有机发光场效应晶体管制作方法如下：
（1）利用透明玻璃作为器件的基底，在透明玻璃上沉积整片透明电极材料,并在电极上涂覆一层光刻胶,采用光刻定义条状电极，然后刻蚀。基板制作完成之后，对基板进行清洗与烘干；
（2）在透明电极上旋涂P/N型发光材料旋涂慢速500r,1s，快速3500r,40s，后烘温度120℃，时间20min；
（3）通过化学气相沉积制备绝缘介质层材料，在绝缘层上旋涂一层光刻胶，使用掩膜版定义出能够与发光材料复合的N/P型有源区的沉积窗口，显影坚膜，刻蚀出有源区图形使其结构成立体凸字结构；
（4）在有源区内沉积N/P型有源材料，经过平坦化技术，使得有源层材料表面平整，并通过离子注入技术调控该区域的载流子浓度；
（5）后利用光刻技术，在有源层侧边光刻侧边电极窗口，引出电极；
（6）在绝缘层上侧蒸镀或者打印金属电极，再次使用光刻技术，于发光层凸字结构上端光刻接触电极窗口，将玻璃基板盖在上层结构中，利用激光刻蚀出孔洞，在孔洞中填充与栅极材料相同的导电金属；
以上所述同样应用于N型发光层结构中。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管，其特征在于，由下至上依次包括电极、有机发光层、绝缘层、金属栅极；还包括有源层与侧边电极；
所述有机发光层结构呈凸型，在有机发光层两侧的凹槽内填充有所述有源层，所述绝缘层仅位于有机发光层的表面，所述金属栅极设置于绝缘层的表面，所述侧边电极为金属材料薄膜层，完全覆盖于有源层的侧面；
所述金属栅极接交流驱动信号，所述有源层接直流电源负极或正极，所述电极接直流电源另一极，直流电源补充有源层与发光层复合发光消耗的正负载流子。
2.根据权利要求1所述的一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述有机发光层为P型有机发光层或N型有机发光层，有源层为与P型有机发光层对应的N型有源层或与N型有机发光层对应的P型有源层，发光层与有源层为P、N材料搭配使用，其发光复合层位于有机发光层与有源层的界面。
3.根据权利要求2所述的一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述P型有机发光层的材料包括TAPC或TCTA，所述N型有机发光层的材料包括TmPyTZ，有机发光层的厚度在20-80nm之间。
4.根据权利要求3所述的一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述有机发光层的厚度40-60nm。
5.根据权利要求2所述的一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述N型有源层的材料包括碱金属或碱土金属，功函数为-2.1至-3.2ev，所述P型有源层材料包括金属、透明导电金属氧化物、炭黑或导电聚合物，有源层的厚度采用50nm±5nm。
6.根据权利要求1所述的一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述交流驱动信号的波形包括方波、正弦波或三角波，其峰值根据发光材料的本身所需推拉电动势的电荷积累量的多少进行调整，同时调整交流驱动频率使得绝缘层累计电荷产生电场速率与有源层电荷迁移复合速率保持一致。
7.根据权利要求1所述的一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述金属栅极的材料采用多晶硅，其透明基底材料包括光学玻璃、白云母、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯，于基底上凿孔填充导电金属连接交流驱动输入信号，金属栅极的厚度为30-50nm。
8.根据权利要求1所述的一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述绝缘层的料为包括聚乙烯基苯酚、偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯、氧化铝、二氧化硅、氮化硅或氮化铝中的一种，绝缘层形成薄型电容器件，并在交流驱动信号的正负周期形成正、负电荷堆积的界面，绝缘层的介电常数在6至65之间，量子力学隧穿电流泄漏阈值为0.1A/cm2，并通过沉积方式制备。
9.根据权利要求1所述的一种提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述电极材料采用ITO或AZO，透明电极的方块电阻为10Ω至100Ω，透明电极作为发光面对波长在380nm至780nm之间的光线的透过率大于等于85%。
10.一种如权利要求1所述的提高发光效率的交流驱动有机发光场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：利用透明玻璃作为器件的基底，在透明玻璃上沉积整片透明电极材料,并在电极上涂覆一层光刻胶，采用光刻定义条状电极，然后刻蚀；基板制作完成之后，对基板进行清洗与烘干；
步骤S2：在透明电极上旋涂P/N型发光材料，旋涂慢速500r,1s，快速3500r,40s，后采用温度120℃烘20min；
步骤S3：通过化学气相沉积制备绝缘介质层材料，在绝缘层上旋涂一层光刻胶，使用掩膜版定义出能够与发光材料复合的N/P型有源区的沉积窗口，显影坚膜，刻蚀出有源区图形使其结构成立体凸字结构；
步骤S4：在有源区内沉积N/P型有源材料，经过平坦化技术，使得有源层材料表面平整，并通过离子注入技术调控有源区的载流子浓度；
步骤S5：利用光刻技术，在有源层侧边光刻侧边电极层窗口引出金属电极；
步骤S6：在绝缘层上侧蒸镀或者打印金属电极，再次使用光刻技术，于发光层凸字结构上端光刻接触电极窗口，将玻璃基板盖在上层结构中，利用激光刻蚀出孔洞，在孔洞中填充与栅极材料相同的导电金属。
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