CN111224007A - 发光二极管和具有该发光二极管的发光装置 - Google Patents
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Abstract
本公开内容涉及一种发光二极管，其包括设置在电荷传输层和一个电极之间且包括化学键合至电荷传输层的表面的聚硅氧烷基材料的电荷控制层，和具有该发光二极管的发光装置。电荷控制层配置为移除电荷传输层的表面缺陷、稳定地传输电荷、并反射经过电荷传输层的部分光，并由此增强外耦合效率。除此之外，电荷控制层调控从电极至电荷传输层的电荷流动，从而电荷可以以平衡的模式注入发射材料层中。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年11月23日在韩国提交的韩国专利申请第10-2018-0146021号的权益，通过引用将其作为整体并入本文。
背景技术
技术领域
本公开内容涉及一种发光二极管，且更具体而言，涉及一种增强电荷迁移率性质和外耦合效率(out-coupling efficiency)的发光二极管以及具有该发光二极管的发光装置。
相关技术的描述
随着电子技术和信息技术迅速进步，用于处理和显示大量信息的显示领域已得到迅速发展。因此，诸如液晶显示(LCD)装置、有机发光二极管(OLED)显示装置等之类的各种平板显示装置已得到发展。在这些平板显示装置中，由于OLED能实现薄结构并表现出更低的消耗功率因而OLED作为下一代显示装置而已受到关注。
在为了改善OLED显示装置中的亮度而增加OLED中的电流密度或者提高OLED中的驱动电压的情况下，OLED的发光寿命因OLED中的有机材料的热降解和劣化而变得更短。而且，OLED尚未达到国际电信联盟关于4K/UHD标准的ITU-R建议书BT.2020(REC.2020或BT.2020)中要求的高色域。
近来，已发展使用诸如量子点(QD)之类的无机发光颗粒的显示装置。QD是一种随着不稳定状态的激子从导带跃迁至价带而发射光的无机发光颗粒。QD在无机颗粒之中具有大消光系数、高量子产率，并且产生强荧光。而且，由于QD随着其尺寸变化而具有不同的发光波长，因而可通过调整QD的尺寸而在整个可见光光谱内获得光以便实现各种颜色。
当QD用作发射材料层(EML)中的发光材料时，可增强单个像素的色纯度并实现由高纯度红色(R)、绿色(G)、和蓝色(B)组成的白色(W)光，以便实现Rec.2000标准。因此，使用QD作为发光材料的量子点发光二极管(QLED)已受到关注。
在OLED和QLED中的发射层之间的界面处或者在OLED和QLED中的发射层的表面处产生的表面缺陷已经是实现期望水平的发光效率的限制。除此之外，由于因空穴和电子的相对迁移率差异而存在着电荷不平衡，因而OLED和QLED表现出降低的发光效率。而且，从发射材料层产生的一部分光朝向其他方向而非预期的发射方向发射，这导致外耦合效率(out-coupling efficiency)降低。
发明内容
因此，本公开内容有关一种实质上消除因相关技术的限制和不足之处导致的一个或多个问题的发光二极管以及具有该二极管的发光装置。
本公开内容的一个目的在于提供一种增强电荷迁移率和外耦合效率、并因此改善发光效率的发光二极管，以及具有该二极管的发光装置。
本公开内容的另一目的在于提供一种能够以平衡的模式将电荷注入发射材料层中的发光二极管和具有该二极管的发光装置。
本公开内容的额外特征和有点将在以下的描述中得以阐释，并且从该描述中将部分地变得显而易见、或者通过实践本公开内容所习知。通过在记载的描述和其权利要求书以及随附的附图中特别指出的结构将会实现并获得本公开内容的目的和其他优点。
根据一个方面，本公开内容提供一种发光二极管，包括：彼此面对的第一电极和第二电极；设置在所述第一电极和所述第二电极之间且包括无机材料的电荷传输层；和电荷控制层，其中所述电荷控制层包括化学键合至所述电荷传输层的表面的聚硅氧烷基材料。
根据另一方面，本公开内容提供一种发光二极管，包括：彼此面对的第一电极和第二电极；设置在所述第一电极和所述第二电极之间的发射材料层；设置在所述第一电极和所述发射材料层之间的第一电荷传输层；设置在所述发射材料层和所述第二电极之间且包含无机颗粒的第二电荷传输层；和电荷控制层，其中所述电荷控制层包括化学键合至所述第二电荷传输层的表面的聚硅氧烷基材料。
根据又一方面，如上所述，本公开内容提供一种包括基板和在基板上方的发光二极管的发光装置。
要理解的是，前述的一般描述和以下的详细描述皆为示例且是解释性的，意在如所主张的一般提供本公开内容的进一步解释。
附图说明
被包括以提供进一步理解本公开内容的随附的附图并入并组成本说明书的一部分、图解本公开内容的实现方式、并与该描述一起用来解释本公开内容的实施方式的原理。
图1是图解根据本公开内容的发光二极管显示装置的示意性截面图；
图2是图解根据本公开内容的发光二极管的示意性截面图；
图3是图解根据本公开内容的发光二极管中的发射材料层、第二电荷传输层、和电荷控制层的示意性图表，在其中指出了那些层的折射率，并且电荷控制层的聚硅氧烷基材料化学键合至第二电荷传输层的表面；
图4是图解没有电荷控制层的现有技术发光二极管的发射单元和电极中的材料之中的能级的示意性图表；
图5是图解根据本公开内容的发射单元和电极中的材料之中的能级的示意性图表
图6是图解根据本公开内容的实施例测量的具有电荷控制层的只有电子的装置(electron only device,EOD)中电子迁移率随时间变化的曲线图；
图7是图解根据本公开内容的实施例测量的具有电荷控制层的只有电子的装置中光谱吸收强度随波长变化的曲线图；
图8和图9是图解通过对根据本公开内容的实施例测量的只有电子的装置进行脱盖而针对只具有电子传输层和电荷控制层的薄膜的XPS(X-射线光电子能谱)分析结果的曲线图；
图10是图解通过对根据本公开内容的实施例测量的只有电子的装置进行脱盖而针对只具有电子传输层和电荷控制层的薄膜的FT-IR(傅里叶变换红外光谱)分析结果的曲线图；
图11是图解根据比较例的无电荷控制层的发光二极管的层压结构的TEM图像；以及
图12是图解根据本公开内容的实施例的具有电荷控制层的发光二极管的层压结构的TEM图像。
最佳实施方式
现在将详细参考本公开内容的方面，其示例图解在随附的附图中。
本公开内容的发光二极管包括电荷控制层，该电荷控制层包括化学键合至电荷传输层表面的聚硅氧烷基材料，以便解决伴随现有技术的问题和不利之处。该发光二极管可应用于诸如发光二极管显示装置和发光二极管照明装置之类的显示装置。图1是图解根据本公开内容的发光二极管显示装置的示意性截面图。
如图1所示，发光二极管显示装置100包括基板102、基板102上方的薄膜晶体管Tr、和连接至薄膜晶体管Tr的发光二极管200。薄膜晶体管Tr包括半导体层110、栅极130、源极152和漏极154。
基板102可包括，但不限于，玻璃、薄的柔性材料和/或聚合物塑料。例如，柔性材料可以选自，但不限于，由聚酰亚胺(PI)、聚醚砜(PES)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、以及它们的组合组成的群组。其上布置有薄膜晶体管Tr和发光二极管200的基板102形成阵列基板。
缓冲层104可布置在基板102上方，并且薄膜晶体管Tr布置在缓冲层104上方。缓冲层104可以省略。
半导体层110设置在缓冲层104上方。在一个示例性实施方式中，半导体层110可包括，但不限于，氧化物半导体材料。在这种情况下，遮光罩图案(未示出)可设置在半导体层110下方，并且遮光罩图案(未示出)能防止光朝向半导体层110入射，并由此防止半导体层110被光劣化。或者，半导体层110可包括多晶硅。在这种情况下，半导体层110的相对边缘可用杂质进行掺杂。
由绝缘材料形成的栅极绝缘层120设置在半导体层110上。栅极绝缘层120可包括，但不限于，诸如硅氧化物(SiOx)或硅氮化物(SiNx)之类的无机绝缘材料。
由诸如金属之类的导电材料制成的栅极130设置在栅极绝缘层120上方以便对应半导体层110的中心。尽管栅极绝缘层120设置在图1中的基板102的整个区域上方，但栅极绝缘层120可与栅极130相同地进行图案化。
由绝缘材料形成的层间绝缘层140设置在栅极130上，且覆盖基板102的全部表面上方。层间绝缘层140可包括，但不限于，诸如硅氧化物(SiOx)或硅氮化物(SiNx)之类的无机绝缘材料、或者诸如苯并环丁烯或光亚克力(photo-acryl)之类的有机绝缘材料。
层间绝缘层140具有暴露半导体层110两侧的第一半导体层接触孔142和第二半导体层接触孔144。第一半导体层接触孔142和第二半导体层接触孔144设置在栅极130的两侧上方且与栅极130间隔开。第一半导体层接触孔142和第二半导体层接触孔144形成在图1中的栅极绝缘层120内。或者，当栅极绝缘层120与栅极130相同地进行图案化时，第一半导体层接触孔142和第二半导体层接触孔144仅形成在层间绝缘层140内。
源极152和漏极154各自包括诸如金属之类的导电材料，设置在层间绝缘层140上。源极152和漏极154相对于栅极130彼此间隔开，并分别通过第一半导体层接触孔142和第二半导体层接触孔144与半导体层110的两侧接触。
半导体层110、栅极130、源极152、和漏极154组成充当驱动元件的薄膜晶体管Tr。图1中的薄膜晶体管Tr具有栅极130、源极152和漏极154设置在半导体层110上方的共平面结构。或者，薄膜晶体管Tr可具有倒置的交错结构：栅极设置在半导体层下方且源极和漏极设置在半导体层商法。在这种情况下，半导体层可包括，但不限于，无定形硅。
尽管图1中未示出，但彼此交叉以限定像素区域的栅极线和数据线、和连接至栅极线和数据线的开关元件可进一步形成在像素区域中。开关元件连接至作为驱动元件的薄膜晶体管Tr。而且，电源线平行地与栅极线或数据线间隔开，且薄膜晶体管Tr可进一步包括配置为恒定地将栅极的电压保持为一帧的存储电容器。
除此之外，发光显示装置100可进一步包括吸收从有机发光二极管200发出的光的滤色器(未示出)。例如，滤色器(未示出)可吸收诸如红色(R)、绿色(G)、或蓝色(B)之类的具体波长的光。在这种情况下，发光显示装置100通过滤色器(未示出)能实现全色彩。
例如，当发光显示装置100是底部发射型时，滤色器(未示出)可设置在层间绝缘层140上，对应发光二极管200。或者，当发光显示装置100是顶部发射型时，滤色器(未示出)可设置在发光二极管200，即，第二电极220上方。
钝化层160设置在整个基板102上方的源极152和漏极154上。钝化层160具有平坦的顶表面和暴露薄膜晶体管Tr的漏极154的漏极接触孔162。尽管漏极接触孔162设置在第二半导体层接触孔144上时，但它可以与第二半导体层接触孔144间隔开。
发光二极管200包括设置在钝化层160上且连接至薄膜晶体管Tr的漏极154的第一电极210。有机发光二极管200进一步包括发射层230作为发射单元和第二电极220，发射层230和第二电极220各自顺序设置在第一电极210上。
第一电极210设置在每一个像素区域中。第一电极210可以是阳极且包括具有相对高功函数值的导电材料。例如，第一电极210可包括，但不限于，诸如铟-锡-氧化物(ITO)、铟-锌-氧化物(IZO)、铟-锡-锌-氧化物(ITZO)、铟-铜-氧化物(ICO)、氧化锡(SnO2)、氧化铟(In2O3)、镉:氧化锌(Cd:ZnO)、氟:氧化锡(F:SnO2)、铟:氧化锡(In:SnO2)、镓:氧化锡(Ga:SnO2)、或者铝:氧化锌(Al:ZnO；AZO)之类的掺杂的或者未掺杂的金属氧化物。任选地，除上述金属氧化物以外，第一电极210可包括诸如镍(Ni)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、铱(Ir)、或碳纳米管(CNT)之类的金属材料或非金属材料。
在一个示例性实施方式中，当发光显示装置100是顶部发射型时，反射电极或反射层(未示出)可设置在第一电极210下方。例如，反射电极或反射层(未示出)可包括，但不限于，铝-钯-铜(APC)合金。
除此之外，堤岸层170设置在钝化层160上以便覆盖第一电极210的边缘。堤岸层170暴露第一电极120的中心。
发射层230设置在第一电极210上。在一个示例性实施方式中，发射层230可具有发射材料层的单层结构。或者，发射层230可具有第一电荷传输层340、发射材料层350、第二电荷传输层360、和电荷控制层370的多层结构，如图2中所示。发射层230中的那些层的配置和位置将在以下更详细地解释。
第二电极220设置在其上设置有发射层230的基板102上方。第二电极220可设置在整个显示区域上方、可包括与第一电极210相比具有相对低功函数值的导电材料、并且可以是阴极。例如，第二电极220可包括，但不限于，Ca、Ba、Ca/Al、LiF/Ca、LiF/Al、BaF2/Al、CsF/Al、CaCO3/Al、BaF2/Ca/Al、Al、Mg、Au:Mg、或者Ag:Mg。
除此之外，封装膜180可设置在第二电极220上方，以便防止外部水分渗透至发光二极管200中。封装膜180可具有，但不限于，第一无机绝缘膜182、有机绝缘膜184、和第二无机绝缘膜186的层压结构。
图2是图解根据本公开内容的发光二极管的截面图。如图2中所示，根据本公开内容的发光二极管(LED)300包括第一电极310、与第一电极310面对的第二电极320、和第一电极310和第二电极320之间作为发光单元的发射层330。
作为示例，发射层330包括发射材料层EML 350。除此之外，发射层330进一步包括设置在第一电极310和EML 350之间的第一电荷传输层(CTL1)340、设置在EML 350和第二电极320之间且包括无机材料的第二电荷传输层(CTL2)360、和设置在CTL2 360和第二电极320之间的电荷控制层(CCL)370。
第一电极310可以是诸如空穴注入电极之类的阳极。第一电极可位于基板(图2中未示出)上方，该基板可以是玻璃或者聚合物。作为示例，第一电极310可包括，但不限于，诸如铟-锡-氧化物(ITO)、铟-锌-氧化物(IZO)、铟-锡-锌-氧化物(ITZO)、铟-铜-氧化物(ICO)、氧化锡(SnO2)、氧化铟(In2O3)、镉:氧化锌(Cd:ZnO)、氟:氧化锡(F:SnO2)、铟:氧化锡(In:SnO2)、镓:氧化锡(Ga:SnO2)、或者铝:氧化锌(Al:ZnO；AZO)之类的掺杂的或者未掺杂的金属氧化物。任选地，除上述金属氧化物以外，第一电极310可包括诸如镍(Ni)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、铱(Ir)、或碳纳米管(CNT)之类的金属材料或非金属材料。
第二电极320可以是诸如电子注入电极之类的阴极。作为示例，第二电极320可包括，但不限于，Ca、Ba、Ca/Al、LiF/Ca、LiF/Al、BaF2/Al、CsF/Al、CaCO3/Al、BaF2/Ca/Al、Al、Mg、Au:Mg、或者Ag:Mg。作为示例，第一电极310和第二电极320各自可具有约30nm至约300nm的厚度，但不限于此。
在一个示例性实施方式中，当LED 300是底部发射型发光二极管时，第一电极310可包括，但不限于，诸如ITO、IZO、ITZO、或者AZO之类的透明导电金属氧化物，并且第二电极320可包括，但不限于，Ca、Ba、Ca/Al、LiF/Ca、LiF/Al、BaF2/Al、Al、Mg、或者Ag:Mg合金。
CTL1 340设置在第一电极310和EML 350之间。在这一示例性实施方式中，CTL1340可以是将空穴提供至EML 350中的空穴传输层。作为示例，CTL1340可包括第一电极310和EML 350之间邻接于第一电极310设置的空穴注入层(HIL)342、和第一电极310和EML 350之间邻接于EML 350设置的空穴传输层(HTL)344。
HIL 342促进空穴从第一电极310至EML 350中的注入。作为示例，HIL342可包括，但不限于，选自由聚(乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、用四氟-四氰基醌二甲烷(F4-TCNQ)掺杂的4,4’,4”-三(二苯基氨基)三苯胺(TDATA)、诸如用F4-TCNQ掺杂的酞菁锌(ZnPc)之类的p掺杂酞菁、用F4-TCNQ掺杂的N,N’-二苯基-N,N’-双(1-萘基)-1,1’-联苯基-4,4”-二胺(α-NPD)、六氮杂苯并菲-六腈(HAT-CN)、以及它们的组合组成的群组的有机材料。作为示例，HIL 342可以以约1重量％至约30重量％包括诸如F4-TCNQ之类的掺质。可以根据LED 300的结构省略HIL 342。
HTL 344将空穴从第一电极310传输至EML 350中。HTL 344可包括无机材料或者有机材料。作为示例，当HTL 344包括有机材料时，HTL 344可包括，但不限于，诸如4,4’-N,N’-二咔唑基-联苯(CBP)之类的4,4’-双(p-咔唑基)-1,1’-联苯化合物；芳香胺，即选自由N,N’-二苯基-N,N’-双(1-萘基)-1,1’-联苯基-4,4”-二胺(α-NPD)、N,N’-二苯基-N,N’-双(3-甲基苯基)-(1,1’-联苯基)-4,4’-二胺(TPD)、N,N’-双(3-甲基苯基)-N,N’-双(苯基)-螺(螺-TPD)、N,N’-二(4-(N,N’-二苯基-氨基)苯基)-N,N’-二苯基联苯胺(DNTPD)、4,4’,4”-三(N-咔唑基)-三苯胺(TCTA)、四-N-苯基联苯胺(TPB)、三(3-甲基苯基苯基氨基)-三苯胺(m-MTDATA)、聚(9,9'-二辛基芴基-2,7-二基)-共-(4,4’-(N-(4-sec-丁基苯基)二苯胺(TFB)、聚(4-丁基苯基-二苯基胺)(聚-TPD)、和它们的组合组成的群组的芳基胺或者多核芳香胺；诸如聚苯胺、聚吡咯、PEDOT:PSS之类的导电聚合物；聚(N-乙烯基咔唑)(PVK)和它的衍生物；诸如聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己基氧)-1,4-苯撑乙烯撑](MEH-PPV)、聚[2-甲氧基-5-(3’,7’-二甲基辛基氧)-1,4-苯撑乙烯撑](MOMO-PPV)之类的聚(对)苯撑乙烯撑(PPV)和它的衍生物；聚甲基丙烯酸酯和它的衍生物；聚(9,9-辛基芴)和它的衍生物；聚(螺-芴)和它的衍生物；诸如酞菁铜(CuPc)之类的金属络合物；和它们的组合。
或者，当HTL 344包括无机材料时，HTL 344可包括，但不限于，诸如NiO、MoO3、Cr2O3、Bi2O3、或者p型ZnO之类的金属氧化物；诸如硫氰酸铜(CuSCN)、Mo2S、或者p型GaN之类的非氧化物等价体；和它们的组合。
在图2中，当CTL1 340分为HIL 342和HTL 344时，CTL1 340可具有单层结构。例如，CTL1 340可仅包括HTL 344而没有HIL 342，或者可包括用空穴注入材料(例如，PEDOT:PSS)掺杂的上述空穴传输材料。
包括HIL 342和HTL 344的CTL1 340可通过诸如真空气相沉积和溅射之类的任何真空沉积工艺、或者通过诸如旋涂、滴涂、浸涂、喷涂、辊涂、流涂、浇铸、丝网印刷、和喷墨印刷之类的任何溶液工艺、或者它们的组合进行层压。例如，HIL 342和HTL 344各自可具有约10nm和200nm之间、优选约10nm和100nm之间的厚度，但不限于此。
EML 350可包括无机发光颗粒或者有机发光材料。作为示例，EML 350可包括诸如量子点(QD)或者量子杆(QR)之类的无机发光颗粒。QD或者QR各自是随着不稳定电荷激子从导带能级降低至价带能级而发射光的无机发光颗粒。这些无机发光颗粒在无机颗粒中具有非常大的消光系数、高量子产率，且产生强荧光。除此之外，这些无机发光颗粒随着它的尺寸变化而表现出不同的发光，可通过调整这些无机发光颗粒的尺寸而在整个可见光谱内发射光以便实现各种颜色。当诸如QD和/或QR之类的这些无机发光颗粒用作EML 350中的发光材料时，可在单个的像素区域中增强色纯度并且实现由具有高色纯度的红色(R)、绿色(G)、和蓝色(B)组成的白色(W)光。
在一个示例性实施方式中，QD或者QR可具有单层结构。在另一个示例性实施方式中，QD或者QR可具有多层的异质结构，即核/壳结构。在这种情况下，核和壳各自可分别具有单层或者多层。形成核和/或壳的前驱体的反应性、将前驱体注入反应容器的速率、反应温度、和键合至诸如QD或者QR之类的这些无机发光颗粒的外表面的配体的种类可对这些无机发光颗粒的生长度、晶体结构有影响。因此，随着调整这些无机发光颗粒的能级带隙，可发射各种发光波长范围内的光。
在一个示例性实施方式中，无机发光颗粒(例如，QD和/或QR)可具有核的能级带隙在壳的能级带隙内的I型核/壳结构。在使用I型核/壳结构的情况下，电子和空穴转移至核并在核中进行重组。由于核从激子能量发射光，因而可通过调整核的尺寸来调整发光波长。
在另一个示例性实施方式中，无机发光颗粒(例如，QD和/或QR)可具有核的能级带隙和壳的能级带隙交错且电子和空穴在核和壳之中被传输至相反方向的II型核/壳结构。在使用II型核/壳结构的情况下，可通过调整壳的厚度和能级带隙位置来调整发光波长。
在又一个示例性实施方式中，无机发光颗粒(例如，QD和/或QR)可具有核的能级带隙比壳的能级带隙宽的反转I型核/壳结构。在使用反转I型核/壳结构的情况下，可通过调整壳的尺寸来调整发光波长。
作为示例，当无机发光颗粒(例如，QD和/或QR)具有I型核/壳结构时，核是实质上发生发光的区域，且无机发光颗粒的发光波长被确定为核的尺寸。为了实现量子约束效应(quantum confinement effect)，根据无机发光颗粒的材料，核必然具有小于激子玻尔半径的尺寸，且必然具有相应尺寸的光学带隙。
无机发光颗粒(例如，QD和/或QR)的壳促进核的量子约束效应，并决定颗粒的稳定性。不同于内部原子，暴露在只具有单一结构的胶体无机发光颗粒(例如，QD和/或QR)的表面上的原子具有不参与化学键的孤对电子。由于这些表面原子的能级在无机发光颗粒(例如，QD和/或QR)的导带边缘和价带边缘之间，因而电荷可被捕获在无机发光颗粒(例如，QD和/或QR)的表面上，并由此造成表面缺陷。由于由表面缺陷导致的激子非放射性重组过程，因而无机发光颗粒的发光效率可降低，被捕获的电荷可与外部的氧气和化合物反应，导致无机发光颗粒的化学组成的变化、或者导致无机发光颗粒的电学性质/光学性质的永久性损失。
为了在核的表面上有效地形成壳，壳中的材料的晶格常数需要与核中的材料的晶格常数类似。由于核的表面被壳封装，因而可防止核的氧化、可增强无机发光颗粒(例如，QD和/或QR)的化学稳定性、且可防止由诸如水或氧气之类的外部因素导致的核的光降解。除此之外，可最小化由核的表面上的表面捕获导致的激子的损失，并且可防止由分子振动导致的能量损失，由此增强量子效率。
在一个示例性实施方式中，核和壳各自可包括，但不限于，具有量子约束效应的半导体纳米晶体和/或金属氧化物纳米晶体。例如，核和壳的半导体纳米晶体可选自由II族-VI族化合物半导体纳米晶体、III族-V族化合物半导体纳米晶体、IV族-VI族化合物半导体纳米晶体、I族-III族-VI族化合物半导体纳米晶体、和它们的组合组成的群组，但不限于此。
具体地，核和/或壳的II族-VI族化合物半导体纳米晶体可选自由MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe、BaS、BaSe、BaTe、ZnS、ZnSe,ZnTe、ZnSeS、ZnTeSe、ZnO、CdS、CdSe、CdTe、CdSeS、CdZnS、CdSeTe、CdO、HgS、HgSe、HgTe、CdZnTe、HgCdTe、HgZnSe、HgZnTe、CdS/ZnS、CdS/ZnSe、CdSe/ZnS、CdSe/ZnSe、ZnSe/ZnS、ZnS/CdSZnS、CdS/CdZnS/ZnS、ZnS/ZnSe/CdSe、和它们的组合组成的群组，但不限于此。
核和/或壳的III族-V族化合物半导体纳米晶体可选自由AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AlGaAs、InGaAs、InGaP、AlInAs、AlInSb、GaAsN、GaAsP、GaAsSb、AlGaN、AlGaP、InGaN、InAsSb,InGaSb、AlGaInP、AlGaAsP、InGaAsP、InGaAsSb、InAsSbP、AlInAsP、AlGaAsN、InGaAsN、InAlAsN、GaAsSbN、GaInNAsSb、和它们的组合组成的群组，但不限于此。
核和/或壳的IV族-VI族化合物半导体纳米晶体可选自由TiO2、SnO2、SnS、SnS2、SnTe、PbO、PbO2、PbS、PbSe、PbTe、PbSnTe、和它们的组合组成的群组，但不限于此。此外，核和/或壳的I族-III族-VI族化合物半导体纳米晶体可选自由AgGaS2、AgGaSe2、AgGaTe2、AgInS2、CuInS2、CuInSe2、Cu2SnS3、CuGaS2、CuGaSe2、和它们的组合组成的群组，但不限于此。或者，核和壳各自可独立地包括多层，所述多层各自分别具有不同的族化合物半导体纳米晶体，例如，诸如InP/ZnS、InP/ZnSe、GaP/ZnS、和类似物之类的II族-VI族化合物半导体纳米晶体和III族-V族化合物半导体纳米晶体。
在另一个实施方式中，核和/或壳的金属氧化物纳米晶体可包括，但不限于，II族金属氧化物纳米晶体或者III族金属氧化物纳米晶体。作为示例，核和/或壳的金属氧化物纳米晶体可选自MgO、CaO、SrO、BaO、Al2O3、和它们的组合组成的群组，但不限于此。
核和/或壳的半导体纳米晶体可用诸如Eu、Er、Tb、Tm、Dy、或者它们的任意组合之类的稀土元素进行掺杂、或者可用诸如Mn、Cu、Ag、Al、或者它们的任意组合之类的金属元素进行掺杂。
作为示例，QD或者QR中的核可包括，但不限于，ZnSe、ZnTe、CdSe、CdTe、InP、ZnCdS、CuxIn1-xS、CuxIn1-xSe、AgxIn1-xS、和它们的组合。QD或者QR中的壳可包括，但不限于，ZnS、GaP、CdS、ZnSe、CdS/ZnS、ZnSe/ZnS、ZnS/ZnSe/CdSe、GaP/ZnS、CdS/CdZnS/ZnS、ZnS/CdSZnS、CdXZn1-xS、和它们的组合。
在另一个示例性实施方式中，无机发光颗粒可包括，但不限于，诸如均质合金QD或QR、或者梯度合金QD或QR(例如，CdSxSe1-x、CdSexTe1-x、CdXZn1-xS、ZnxCd1-xSe、CuxIn1-xS、CuxIn1-xSe、AgxIn1-xS)之类的合金QD或合金QR。
当EML 350包括诸如QD和/或QR之类的无机发光颗粒时，EML 350可通过溶液工艺进行层压，即，将包含溶解在溶剂中的无机发光颗粒的分散溶液涂布在CTL1 340(例如，HTL344)上，并蒸发溶剂。EML 350可利用诸如旋涂、滴涂、浸涂、喷涂、辊涂、流涂、浇铸、丝网印刷、和喷墨印刷之类的任何溶液工艺、或者它们的组合层压在CTL1 340上。EML 350可具有约5nm和300nm之间、优选约10nm和200nm之间的厚度，但不限于此。
在一个示例性实施方式中，EML 350可包括诸如光致发光(PL)波长峰为440nm、530nm、和620nm的QD和/或QR之类的无机发光颗粒，以便实现白色LED。任选地，EML 350可包括具有红色、绿色、和蓝色中任一者的QD或QR之类的无机发光颗粒，并且可形成为发射任一种颜色。
在可供替代的实施方式中，EML 350可包括有机发光材料。有机发光材料不限于具体的有机发光材料。作为示例，EML 350可包括发射红(R)光、绿(G)光、或者蓝(B)光的有机发光材料，并且可包括荧光材料或者磷光材料。作为示例，EML 350中的有机发光材料可包括主体和掺质。当有机发光材料组成主体-掺质系统时，EML 350可以以约1重量％至约50重量％、并且优选以约1重量％至约30重量％包括掺质，但不限于此。
可用于EML 350中的有机主体不限于具体的有机发光材料。作为示例，EML 350中的有机主体可包括，但不限于，三(8-羟基喹啉)铝(Alq3)、TCTA、PVK、4,4’-双(N-咔唑基)-1,1’-联苯(CBP)、4,4’-双(9-咔唑基)-2,2’-二甲基联苯(CDBP)、(9,10-二(萘-2-基)蒽(ADN)、3-tert-丁基-9,10-二(萘-2-基)蒽(TBADN)、2-甲基-9,10-双(萘-2-基)蒽(MADN)、1,3,5-三(N-苯基苯并咪唑-2-基)苯(TPBi)、二苯乙烯基芳撑(distyrylarylene，DSA)、mCP、和/或1,3,5-三(咔唑-9-基)苯(TCP)。
在一个示例性实施方式中，当EML 350发射红光时，EML 350中的掺质可包括，但不限于，5,6,11,12-四苯基萘(红荧烯)、(双(2-苯并[b]-噻吩-2-基-吡啶)(乙酰丙酮)铱(Ⅲ)(Ir(btp)2(acac))、双[1-(9,9-二甲基-9H-芴-2-基)-异喹啉](乙酰丙酮)铱(Ⅲ)(Ir(fliq)2(acac))、双[2-(9,9-二甲基-9H-芴-2-基)-喹啉](乙酰丙酮)铱(Ⅲ)(Ir(flq)2(acac))、双-(2-苯基喹啉)(2-(3-甲基苯基)吡啶)铱(Ⅲ)(Ir(phq)2typ)、和/或双(2-(2,4-二氟苯基)喹啉)吡啶甲酸铱(Ⅲ)(FPQIrpic)之类的有机化合物和/或金属络合物。
在另一个示例性实施方式中，当EML 350发射绿光时，EML 350中的掺质可包括，但不限于，诸如N,N’-二甲基-喹吖啶酮(DMQA)、香豆素6、9,10-双[N,N-二-(p-甲苯基)氨基]蒽(TTPA)、9,10-双[苯基(m-甲苯基)-氨基]蒽(TPA)、双(2-苯基吡啶)(乙酰丙酮)铱(Ⅲ)(Ir(ppy)2(acac))、fac-三(苯基吡啶)铱(Ⅲ)(fac-Ir(ppy)3)、和/或三[2-(p-甲苯基)吡啶]铱(Ⅲ)(Ir(mppy)3)之类的有机化合物和/或金属络合物。
在又一个示例性实施方式中，当EML 350发射蓝光时，EML 350中的掺质可包括，但不限于，诸如4,4’-双[4-(二-p-甲苯基氨基)苯乙烯基]联苯(DPAVBi)、苝(perylene)、2,5,8,11-四-tert-丁基苝(TBPe)、双(3,5-二氟-2-(2-吡啶基)苯基-(2-咔唑基吡啶基)铱(Ⅲ)(FirPic)、mer-三(1-苯基-3-甲基咪唑啉-2-亚基-C,C2’)铱(Ⅲ)(mer-Ir(pmi)3)、和/或三(2-(4,6-二氟苯基)吡啶)铱(Ⅲ)(Ir(Fppy)3)之类的有机化合物和/或金属络合物。
或者，当EML 350包括有机发光材料时，EML 350可包括延迟荧光材料。
当EML 350包括有机发光材料时，EML 350可通过诸如真空气相沉积和溅射之类的任何真空沉积工艺、或者通过诸如旋涂、滴涂、浸涂、喷涂、辊涂、流涂、浇铸、丝网印刷、和喷墨印刷之类的任何溶液工艺、或者它们的组合进行层压。例如，EML 350可具有约5nm和300nm之间、并且优选约10nm和200nm之间的厚度，但不限于此。
根据一个示例性实施方式，EML 350可包括诸如QD和/或QR之类的无机发光颗粒。即使LED 300通过增加电流密度或者驱动电压而具有高亮度，无机发光颗粒不会降解，从而LED 300的寿命可不会降低。
CTL2 360设置在EML 350和第二电极320之间。CTL2 360可以是将电子提供至EML350中的电子传输层。在一个示例性实施方式中，CTL2 360可包括第二电极320和EML 350之间邻接于第二电极320设置的电子注入层(EIL)362、和第二电极320和EML 350之间邻接于EML 350设置的电子传输层(ETL)364。
EIL 362促进电子从第二电极320注入至EML 350中。例如，EIL 362可包括，但不限于，诸如各自无掺杂或用氟掺杂的Al、Cd、Cs、Cu、Ga、Ge、In、和/或Li之类的金属；和/或诸如各自无掺杂或用Al、Mg、In、Li、Ga、Cd、Cs、或Cu掺杂的二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锆(ZrO2)、氧化锡(SnO)、氧化钨(WO3)、和/或氧化钽(Ta2O3)之类的金属氧化物。
ETL 364将电子传输至EML 350中。在一个示例性实施方式中，当EML350包括无机发光颗粒时，ETL 364可包括无机材料以便防止界面缺陷形成在EML 350和ETL 362之间的界面处，并由此确保LED 300的驱动稳定性。除此之外，当ETL 364包括具有高电荷迁移率的无机材料时，可改善从第二电极320提供的电子传输速率，并且电子因高电子水平或者浓度而能有效地传输至EML 350中。
而且，当EML 350包括无机发光颗粒时，与有机发光材料的最高占据分子轨道(HOMO)能级相比，无机发光颗粒典型地具有非常深的对应有机材料的最高占据分子轨道(HOMO)能级的价带(VB)能级。具有电子传输性质的有机化合物典型地具有比无机发光颗粒的VB能级浅的HOMO能级。在这种情况下，从第一电极310注入至具有无机发光颗粒的EML350中的空穴可经由包括作为电子传输材料的有机化合物的ETL 364朝向第二电极泄露。
在一个示例性实施方式中，ETL 360可包括与EML 350中的材料的VB能级或者HOMO能级相比具有相对深的VB能级的无机材料。作为示例，具有宽的VB能级和对应有机化合物的最低未占据分子轨道(LUMO)能级的导带能级之间的能级带隙(Eg)的无机材料可用作ETL364的电子传输材料。在这种情况下，从第一电极310注入至具有无机发光颗粒的EML 350中的空穴不能泄露至ETL 364，并且从第二电极320提供的电子能有效地注入至EML350中。
作为示例，当ETL 364包括无机材料时，ETL 364可包括，但不限于，无掺杂或者用Al、Mg、In、Li、Ga、Cd、Cs、和Cu中的至少一者进行掺杂的金属氧化物；无掺杂或者用Al、Mg、In、Li、Ga、Cd、Cs、和Cu中的至少一者进行掺杂的半导体颗粒；金属氮化物；和它们的组合。
在一个示例性实施方式中，ETL 364中的金属氧化物的金属组分可选自，但不限于，锌(Zn)、钙(Ca)、镁(Mg)、钛(Ti)、锡(Sn)、钨(W)、钽(Ta)、铪(Hf)、铝(Al)、锆(Zr)、钡(Ba)、和它们的组合。特别地，ETL 364中的金属氧化物可包括，但不限于，各自无掺杂或者用Al、Mg、In、Li、Ga、Cd、Cs、或Cu进行掺杂的氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化镁锌(ZnMgO)、氧化锆(ZrO2)、氧化锡(SnO2)、氧化钨(WO3)、氧化钽(Ta2O3)、氧化铪(HfO3)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛钡(BaTiO3)、和氧化锆钡(BaZrO3)。
ETL 364中的其他无机材料可包括，但不限于，诸如各自无掺杂或者用Al、Mg、In、Li、Ga、Cd、Cs、或Cu进行掺杂的CdS、ZnSe、ZnS之类的半导体颗粒；诸如Si3N4之类的氮化物；和它们的组合。
类似于CTL1 340，尽管图2图解作为包括EIL 362和ETL 364的双层结构的CTL2360，但CTL2 360可具有只有ETL 364的单层结构。或者，CTL2 360可具有包括上述的电子传输无机材料与碳酸铯的搀合物的ETL 364的单层结构。
包括具有无机材料的EIL 362和/或ETL 364的CTL2 360可通过诸如旋涂、滴涂、浸涂、喷涂、辊涂、流涂、浇铸、丝网印刷、和喷墨印刷之类的任何溶液工艺、或者它们的组合层压在EML 350上。作为示例，EIL 362和ETL 364各自可具有约10nm和约200nm之间、优选约10nm和100nm之间的厚度，但不限于此。
例如，LED 300可具有混合电荷传输层(CTL)：CTL1 340的HTL 344包括如上所述的有机材料且CTL2 360(例如，ETL 364)包括如上所述的无机材料。在这种情况下，LED 300可增强它的发光性质。
当空穴通过EML 350传输至第二电极320、或者电子通过EML 350传输至第一电极310时，LED 300的寿命和效率可能下降。为了防止这种劣化，LED300可进一步包括至少一个邻接于EML 350的激子阻挡层。
例如，LED 300可包括能够控制和防止电子在HTL 344和EML 350之间传输的电子阻挡层(EBL)。作为示例，EBL(未示出)可包括，但不限于，TCTA、三[4-(二乙基氨基)苯基]胺、N-(联苯-4-基)-9,9-二甲基-N-(4-(9-苯基-9H-咔唑-3-基)苯基)-9H-芴-2-胺、三-p-甲苯基胺、1,1-双(4-(N,N'-二(p-甲苯基)氨基)苯基)环己烷(TAPC)、m-MTDATA、1,3-双(N-咔唑基)苯(mCP)、3,3’-双(N-咔唑基)-1,1’-联苯(mCBP)、聚-TPD、酞菁铜(CuPc)、DNTPD、和/或1,3,5-三[4-(二苯基氨基)苯基]苯(TDAPB)、和它们的组合。
除此之外，作为第二激子阻挡层的空穴阻挡层(HBL)可设置在EML 350和ETL 364之间以防止空穴在EML 350和ETL 364之间传输。在一个示例性实施方式中，HBL(未示出)可包括，但不限于，可用于ETL 364的恶二唑基化合物、三唑基化合物、菲啰啉基化合物、苯并恶唑基化合物、苯并噻唑基化合物、苯并咪唑基化合物、三嗪基化合物、以及类似物。例如，HBL(未示出)可包括，但不限于，具有比用于EML 350的材料更深的HOMO能级的2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲啰啉(BCP)、BAlq、Alq3、PBD、螺-PBD、和/或Liq。
LED 300进一步包括设置在可作为电子传输层的CTL2 360和第二电极320之间的电荷控制层(CCL)370。电荷控制层370可包括化学键合至CTL2360表面的聚硅氧烷基材料。当省略EIL 362时，电荷控制层370可化学键合至包括无机材料(例如，金属氧化物)的ETL364的表面。
电荷控制层370设置在图2中的可作为电子传输层的CTL2和第二电极320之间。然而，当CTL1 340包括无机材料时，电荷控制层370可设置在第一电极310和CTL1 340之间。
将更详细地解释CTL2 360和电荷控制层370之间的连接关系和电荷控制层370的功能。图3是图解根据本公开内容的发光二极管中的发射材料层、第二电荷传输层、和电荷控制层的示意性图表，在其中指出了那些层的折射率，并且电荷控制层的聚硅氧烷基材料键合至第二电荷传输层的表面。
如上所述，可藉由通过溶液工艺将诸如金属氧化物之类的无机材料涂布在EML350上、然后执行加热或者干燥步骤来层压或者形成组成CTL2 360的ETL 364。在由离子固体的金属氧化物制成的ETL 364的表面上存在氧化物离子(O2-)或者含氧阴离子(Ox y-)。那些阴离子在亲水条件下与水反应以转化成羟基(-OH)或者形成羟基离子。也就是说，金属氢氧化物(M-OH)形成在由金属氧化物制成的ETL 364的暴露表面上。
形成在由金属氧化物制成的ETL 364的表面上的氧化物离子和含氧阴离子以及从那些离子衍生的羟基可导致ETL 364中的表面缺陷。例如，随着由金属氧化物制成的ETL364的表面上的氧化物离子或者含氧阴离子被氧化，金属氧化物膜形成在ETL 364的表面上。因此，由于由金属氧化物制成的ETL 364的稳定性降低，因而诸如ETL 364中的电子迁移率之类的电学性质随着时间的流逝而降低。
相比之下，根据本公开内容，如图3所示，由聚硅氧烷基材料制成的电荷控制层370能通过恶烷连接而化学键合至CTL2 360(例如，ETL 364)的表面。在一个示例性实施方式中，电荷控制层370的聚硅氧烷基材料可从具有化学式1的结构的硅烷单体进行合成：
化学式1
在化学式1中，R1和R2各自分别独立地是氢、氘、氚、羟基、直链或支链的C1～C10烷基、C2～C20烯基、C1～C10烷氧基、C1～C10烷基氨基、C1～C10烷基丙烯酰氧基(alkyl acryloxygroup)、C1～C10甲基丙烯酰氧基、硫醇基、C1～C10烷基硫醇基、异氰酸酯基、C1～C10烷基异氰酸酯基、环氧基、C1～C10烷基环氧基、C1～C10烷撑环氧基、C5～C20环烷基环氧基、C5～C20环烷撑环氧基、C5～C30芳基环氧基、C5～C30芳撑环氧基、C4～C30杂芳基环氧基、C4～C30杂芳撑环氧基、缩水甘油醚氧基(glycidyloxy group)、C1～C10烷基缩水甘油醚氧基、C1～C10烷撑缩水甘油醚氧基、C5～C20环烷基缩水甘油醚氧基、C5～C20环烷撑缩水甘油醚氧基、C5～C30芳基缩水甘油醚氧基、C5～C30芳撑缩水甘油醚氧基、C4～C30杂芳基缩水甘油醚氧基、C4～C30杂芳撑缩水甘油醚氧基、未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基、未取代或用至少一个卤素取代的C4～C20杂芳基、未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基氧基、未取代或用至少一个卤素取代的C4～C20杂芳基氧基、未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基氨基、或者未取代或用至少一个卤素取代的C4～C20杂芳基氨基；R3和R4各自分别独立地是氢、氘、氚、直链或支链的C1～C10烷基、C1～C10烷基氨基、C5～C20芳基、C4～C20杂芳基、C5～C20芳基氨基、或者C4～C20杂芳基氨基。
在一个示例性实施方式中，R1至R4的直链或者直链的C1～C10烷基可以是直链或者支链的C1～C5烷基。在另一个示例性实施方式中，R1至R4各自中的未取代或用至少一个卤素取代的C5～C30芳基可分别独立地包括，但不限于诸如各自未取代或者用至少一个卤素取代的苯基、联苯基、三联苯基、四苯基、萘基、蒽基、茚基、非那烯基、菲基、薁基、芘基、芴基、并四苯基、茚基和螺芴基之类的未稠合或稠合芳香基，并且优选苯基、联苯基、萘基、蒽基、和茚基。
在又一个实施方式中，R1至R4各自中的未取代或用至少一个卤素取代的C4～C20杂芳基可分别独立地包括，但不限于，诸如各自用至少一个卤素取代的呋喃基、噻吩基、吡咯基、吡啶基、嘧啶基、吡嗪基、哒嗪基、三嗪基、四嗪基、咪唑基、吡唑基、吲哚基、咔唑基、苯并咔唑基、二苯并咔唑基、吲哚并咔唑基、茚并咔唑基、苯并呋喃基咔唑基，苯并噻吩基咔唑基、喹啉基、异喹啉基、酞嗪基、喹喔啉基、噌啉基、喹唑啉基、苯并喹啉基、苯并异喹啉基、苯并喹唑啉基、苯并喹喔啉基、吖啶基、菲咯啉基、吡喃基、恶嗪基、恶唑醇基、异恶唑基、恶二唑基、三唑基、二恶茵基(dioxinyl)、苯并呋喃基、二苯并呋喃基、硫代吡喃基、噻嗪基、苯并噻吩基、二苯并噻吩基、噻唑基、和异噻唑基之类的未稠合或稠合芳香基，并且优选吡啶基和嘧啶基。
作为示例，化学式1中的R1可以是氢、氘、氚、羟基、直链或支链的C1～C10烷基、C2～C10烯基、C1～C10烷氧基、C1～C10烷基氨基、C1～C10烷基丙烯酰氧基(alkyl acryloxygroup)、C1～C10烷基甲基丙烯酰氧基(alkyl methacryloxy group)、硫醇基、C1～C10烷基硫醇基、C1～C10烷基异氰酸酯基、C1～C10烷基缩水甘油醚氧基、或者未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基。R2可以是羟基或者C1～C10烷氧基。R3和R4各自分别独立地是氢、氘、氚、直链或支链的C1～C10烷基。
在一个示例性实施方式中，能合成为电荷控制层370的聚硅氧烷基材料的单体可具有至少两个、优选至少三个可水解基团，例如，烷氧基、未取代或用至少一个卤素取代的芳氧基、和/或未取代或用至少一个卤素取代的杂芳氧基，取代至中心硅。也就是说，化学式1中的R1和R2中的至少一个可以是可水解基团。
作为示例，具有化学式1的结构的单体可包括，但不限于，具有两个或三个烷氧基作为可水解基团的烷氧基硅烷。例如，具有两个烷氧基的硅烷可包括，但不限于，二甲基二乙氧基硅烷(DMDES)、甲基(乙烯基)二乙氧基硅烷(MVDES)、3-氨基丙基(甲基)二乙氧基硅烷(APMDES)、(3-丙烯酰氧丙基)甲基二乙氧基硅烷(APDMS)、3-缩水甘油醚氧基丙基(甲基)二乙氧基硅烷(3-glycidoxylpropyl(methyl)diethoxysilane，GPMDES)和/或甲基(苯基)二乙氧基硅烷(MPDES)。
在可供替代的实施方式中，具有三个烷氧基的硅烷可包括，但不限于，甲基三乙氧基硅烷(MTES)、乙基三乙氧基硅烷(ETES)、n-丙基三乙氧基硅烷(PTES)、辛基三乙氧基硅烷(OTES)、乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)、3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)、3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷(AEPTEMS)、3-丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷基(APTMS)、甲基丙烯酰氧甲基三乙氧基硅烷(MMS)、3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)、3-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷(MPTES)、3-巯基丙基三乙氧基硅烷(MPTES)、3-异氰基丙基三乙氧基硅烷(ICPTES)、2-(3,4-环氧环己基)乙基三乙氧基硅烷(ECETMS)、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMOS)、3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷(GPTEOS)、苯基三甲氧基硅烷(PTES)、(4-氯苯基)三乙氧基硅烷(CPTES)、和/或[3-(苯基氨基)丙基]三甲氧基硅烷(PAPTMS)。
作为示例，随着在具有化学式1的结构的硅烷卤素取代的杂芳氧基之类的可水解基团的硅烷单体被水解，硅烷单体转化为具有至少三个羟基的硅烷醇。这些羟基中的两个或者三个羟基通过自身缩合反应形成聚硅氧烷，余下的一个羟基缩合至存在于ETL 364表面上的另一个羟基，以便通过恶烷键键合至该表面。
作为示例，以下的化学式2图解了当R2至R4各自分别是可水解基团时电荷控制层370中的聚硅氧烷基材料和由金属氧化物制成的ETL 364之间的化学键。
化学式2
在化学式2中，R1、R3、和R4各自与在化学式1中限定的相同。M表示ETL 364中的金属氧化物的金属组分，并且可选自由锌(Zn)、钙(Ca)、镁(Mg)、钛(Ti)、锡(Sn)、钨(W)、钽(Ta)、铪(Hf)、铝(Al)、锆(Zr)、钡(Ba)、以及它们的组合组成的群组，且n是1或更大的整数。
由聚硅氧烷基材料制成的电荷控制层和CTL2 360(例如，ETL 364)之间的化学键合能够移除ETL 364上的表面缺陷。因此，由于维持了由诸如金属氧化物之类的无机材料制成的ETL 364的稳定性，因而尽管时间流逝但依然能维持ETL 364中诸如电子迁移率之类的电学性质，并且能改善LED 300的发光效率。
在一个示例性实施方式中，电荷控制层370可通过利用分散具有化学式1的结构的硅烷单体的溶剂的溶液工艺而形成在CTL2 360(例如ETL 364)上。能分散该硅烷单体的溶剂可包括脂肪族醇类溶剂、脂肪族酮类溶剂、醚类溶剂、脂肪族酯类溶剂、脂肪族或者芳香族酰胺类溶剂、脂肪族烃类溶剂、芳香族烃类溶剂、乙腈、脂肪族亚砜类溶剂、以及它们的组合。
醇类溶剂可包括，但不限于，甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、n-丙醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇、新戊二醇、1,3-戊二醇、1,4-环己二醇、二乙二醇、聚乙二醇、聚丁二醇、二羟甲基丙烷、三羟甲基丙烷、山梨糖醇、以及它们的酯化产物。
脂肪族酮类溶剂可包括，但不限于，丙酮、二丙酮醇(4-羟基-4-甲基戊-2-酮)、甲基乙基酮(MEK：丁酮)、以及类似物。醚类溶剂可包括，但不限于，甲基溶纤剂(2-甲氧基乙醇)、乙基溶纤剂(2-乙氧基乙醇)、二丁醚、丙二醇甲醚(1-甲氧基-2-丙醇)、四氢呋喃、单或聚烷撑二醇二烷基醚、以及类似物。脂肪酸羧酸酯肋溶剂可包括，但不限于，乙酸乙酯、乙酸丁酯、以及类似物，而脂肪族或者芳香族酰胺类溶剂可包括，但不限于，二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、以及类似物。
作为示例，当使用醇类溶剂时，硅烷单体可以以约3％至约20％(w/v)在无水醇中进行稀释，以便将于水分的反应最小化，但不限于此。在一个示例性实施方式中，电荷控制层370可藉由通过溶液工艺将包含分散在溶剂中的硅烷单体的溶液涂布在CTL2 360(例如，ETL 364)上、然后通过加热或者干燥蒸发溶剂来形成。例如，电荷控制层370可通过诸如旋涂、滴涂、浸涂、喷涂、辊涂、流涂、浇铸、丝网印刷、和喷墨印刷之类的任何溶液工艺、或者它们的组合进行层压。
在一个示例性实施方式中，由聚硅氧烷基材料制成的电荷控制层370可层叠成具有约1nm至约5nm、且优选约3nm至约5nm的厚度，但不限于此。当电荷控制层370具有大于5nm的厚度时，电荷控制层370可充当绝缘层。在这种情况下，尽管电荷能通过电荷控制层370传输，但可能无法驱动LED300。
包括无机发光颗粒的EML 350具有约1.70至约1.80的折射率“n3”。由诸如具有优异电子迁移率的金属氧化物之类的无机材料制成的ETL 364具有与EML 350的折射率“n3”相比非常高的约1.8至约2.6的折射率“n2”。当LED 300时底部发射型时，从EML 350发射的光经过ETL 364而没有发生折射，因为ETL 364由透明材料制成，且具有相对高的折射率(n2>n3)。因此，指向发射表面的光量下降，LED 300的外耦合效率可能劣化。
相比之下，作为化学键合至ETL 364表面的材料的聚硅氧烷基材料具有约1.4至约1.65的折射率“n1”，这与由金属氧化物制成的ETL 360的折射率“n2”相比非常低。两个相邻介质之间的折射率之间的差越大，临界角越小且发生全反射得越多。在经过具有高折射率“n2”的ETL 364的光中具有大于临界角的入射角的光能通过具有相对低折射率“n1”的电荷控制层370被全反射。因此，指向可作为底部发射型的LED 300的发射表面的光量增加，且能改善LED 300的外耦合效率。
在一个示例性实施方式中，在LED 300中，HTL 344可由有机材料制成而ETL 364由无机材料制成。ETL 364中的无机材料具有比HTL 344中的有机材料更高的电荷迁移率。因此，如图4中所示，其是图解没有电荷控制层的现有技术发光二极管的发射单元和电极中的材料之中的能级的示意性图表。由第二电极320提供的电子
从由具有优异电子迁移率的无机材料制成的ETL364迅速地注入EML 350中。相比之下，由第一电极310提供的空穴
从由具有与ETL材料相比相对低的空穴迁移率的有机材料制成的HTL 344缓慢地注入EML 350中。因此，在EML 350中电子
的注入量远大于空穴
的注入量。由于电子和空穴以不平衡的模式(电荷不平衡)注入EML 350中，因而过量注入的电子在未形成激子的情况下与空穴重组，并在没有发射的情况下淬灭(电子淬灭)。除此之外，电子
和空穴
未在EML 350中的无机发光颗粒或者有机材料中重组，而是在EML 350和HTL 344的界面处重组。因此，LED 300的发光效率可能劣化。
相比之下，通过形成由连接至CTL2360(例如，ETL 364)表面的聚硅氧烷基材料制成的电荷控制层370，电荷能以平衡的模式注入EML 350中。图5是图解根据本公开内容的发射单元和电极中的材料之中的能级的示意性图表。
如图5中所示，由第二电极320提供的电子
必须在传输至ETL 364之前经过电荷控制层(CCL)370。由聚硅氧烷基材料制成的电荷控制层(CCL)370具有高导带能级，并因此可充当针对电子传输的能垒。电荷控制层(CCL)370可减少从第二电极320提供至ETL 364中的电子
的量，或者可使电子
注入ETL 364中的速率减慢。因此，电子
注入至EML 350中的量和空穴
注入至EML 350中的量可平衡。由于电子
和空穴
以平衡的模式注入至EML 350中，因而注入至EML 350中的电子
和空穴
能在EML350中彼此重组，以形成激子而没有淬灭。因此，能增强LED 300的发光效率。
实施例1：包括电荷控制层的仅有电子的装置(Electron
Only
Device)的制造
制造包括电荷控制层的仅有电子的装置(EOD)。利用溶液工艺将ZnO的电子传输层(ETL)(厚度30nm)层压在涂布有作为低电极的ITO的玻璃基板上，并且电荷控制层(CCL；厚度3～5nm)层压在ETL上。将以5％(w/v)稀释在无水乙醇中的3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)旋涂在ETL上，然后将该层压膜在室温下静置1小时，以便诱导APTES和ETL表面之间的恶烷键以及APTES分子之间的硅氧烷键。作为上电极的Al(厚度80nm)通过沉积工艺层压在CCL上以制造EOD。
实施例2：包括电荷控制层的仅有电子的装置的制造
通过重复实施例1的过程制造EOD，区别之处在于使用ZnCaO代替ZnO作为ETL材料。
比较例1：排除电荷控制层的仅有电子的装置的制造
通过重复实施例1的过程制造EOD，区别之处在于未层压CCL。
比较例2：排除电荷控制层的仅有电子的装置的制造
通过重复实施例2的过程制造EOD，区别之处在于未层压CCL。
试验例1：EOD的物理性质的测量
(1)电子迁移率的测量
对在实施例1-2和比较例1-2中制造的每一个EOD测量电子迁移率。在1小时、12小时、24小时和48小时后测量每一个EOD中的电子迁移率。测量结果示出在下表1和图6中。在如比较例1和2一样EOD仅包括由金属氧化物的ETL的情况下，由于由O2-缺陷导致的氧化发生在由易受氧气和水分损害的金属氧化物构成的ETL的表面上，因而金属氧化物膜形成在ETL的表面上。因此，由于ETL的电学性质降低，因而电子迁移率迅速减小，并且材料的稳定性劣化。相比之下，当如实施例1和2一样CCL形成在ETL的表面上时，由于CCL能够移除ETL的表面缺陷，因而尽管时间流逝但仍能维持ETL中的材料的稳定性和良好的电子迁移率。
表1：EOD中的电子迁移率
(2)EOD的光学性质的测量
通过UV-VIS法对在实施例2和比较例2中制造的EOD分析根据波长范围的吸收度。利用量子产率(QY)测量仪器将吸收波长指定为光源，并通过照射指定的光来检测用于发射光的波长。测量结果示出于下表2和图7中。由于作为ETL材料的ZnCaO具有宽的带隙(吸收波长为273nm；发射波长为380nm)，因而在只能检测可见区域内的波长的仪器中未检测到光致发光(PL)波长。尽管在实施例2中额外地形成CCL，但两个EOD表现出实质上相同的吸收波长。除此之外，组成ETL的金属氧化物的价带能级(对应有机材料的HOMO能级)和导带能级(对应有机材料的LUMO能级)之间的能级带隙(Eg)很少受CCL影响。即，尽管CCL层压在ETL的表面上，但确认了由具有宽能级带隙的金属氧化物制成的ETL的物理性质得以维持。
表2：EOD的光学性质
| Sample | 吸收波长(nm) | PL(nm) | Eg(eV) |
| 实施例2 | 273 | - | 4.52 |
| 比较例2 | 274 | - | 4.54 |
试验例2：膜组分的分析
实施例1和比较例2中的每一个EOD进行脱盖(de-cap)以分析仅由ETL-CCL(实施例1)组成的膜和仅由ETL(比较例1)组成的膜中的组分。图8和图9图解了XPS(X-射线光电子能谱)分析结果，图10图解了FT-IR(傅里叶变换红外光谱)分析结果。如图8和图9中所示，在组成实施例1中的EOD的ETL-CCL薄膜中检测到包括从用于形成CCL的APTES衍生的氮的官能团的每一个能量峰(衍生自APTES端部处的氨基的N1s)和通过ETL的表面和APTES之间的硅氧烷键形成的能量峰或者通过APTES分子(Si 2p)之中的恶烷键形成的能量峰。除此之外，如图10中所示，不同于比较例1中仅由ZnO的ETL构成的薄膜，在实施例1中的包括具有聚硅氧烷基材料的CCL的薄膜中检测到作为用于合成聚硅氧烷基材料的APTES的一部分的氨基。确认了在比较例1中的薄膜中检测到存在于ETL表面上的羟基(-OH)。
随后，将实施例2的由ETL-CCL(ZnCaO-聚硅氧烷)构成的薄膜和仅由ETL(ZnCaO)构成的薄膜经受电导耦合等离子体质谱(ICP-MS)和电导耦合等离子体光学发射光谱(ICP-OES)以便分析每一个膜中的组分。通过ICP-MS分析可检测Mg、Al、Cr、Mn、Co、Ni、Ca、Ga、Cd、In、和Ag(0.3ppb至10ppb；检出限为1ppb)，而通过ICP-OES分析可检测Na、In、Se、Zn、Mo、P、Si、和N(200ppb至3000ppb；检出限为10ppb)。将实施例2和比较例2中的每一个薄膜溶解在硝酸中，并经受超声处理6小时，然后经受利用蒸馏水聚集高达约10,000倍的预处理以检测薄膜中的组分。分析结果示出在下表3中。如表3中所示，未在比较例2的薄膜中检出的Si在包括由聚硅氧烷基材料制成的CCL的实施例2的薄膜中检出。此外，与比较例2的薄膜相比，实施例2的薄膜中的氮含量极大地增加。
表3：薄膜元素的检验
实施例3：发光二极管(LED)的制造
将ITO(50nm)-玻璃进行图案化以具有3mm X 3mm的发光区域并进行洗涤，然后发射层和阴极按照以下顺序进行层压：
空穴注入层(HIL)(PEDOT：PSS；带水旋涂(5000rpm)60秒并在140℃下加热30分钟，20nm)；空穴传输层(HTL)(HTS2310，PVK类聚合物；在甲苯中旋涂(4000rpm)30秒并在170℃下加热30分钟，20nm)；发射材料层(EML)(LTG-1，InP(核)/ZnSe/ZnS(壳)的绿色量子点；在辛烷中旋涂(2000rpm)45秒并加热，20nm)；电子传输层(ETL)(ZnO；旋涂(3000rpm)45秒并加热；30nm)；电荷控制层(CCL)(APTES；在无水乙醇中旋涂并静置；3nm)。
然后，将具有包括CCL的层压发射层的ITO-玻璃基板转移至真空腔室，其中阴极(Al；80nm)在10-6Torr下进行沉积。在沉积阴极后，将LED从真空腔室转移至用于膜形成的干燥箱中，接着用UV可固化的环氧树脂和消水剂(moisture getter)进行封装。制造的有机发光二极管具有9mm2的发射区域。
实施例4～5：LED的制造
通过重复与实施例3相同的过程和相同的材料来制造LED，区别之处在于使用ZnMgO(实施例4)或ZnCaO(实施例5)代替ZnO作为ETL材料。
实施例6：LED的制造
通过重复与实施例3相同的过程和相同的材料来制造LED，区别之处在于使用ZnCaO代替ZnO作为ETL材料并调整CCL的厚度至5nm。
比较例3～5：LED的制造
通过重复与实施例3相同的过程和相同的材料来制造LED，区别之处在于没有CCL。ZnO(比较例3)、ZnMgO(比较例4)、或者ZnCaO(比较例5)分别用作ETL材料。
试验例3：LED结构的分析
利用TEM分析比较例5和实施例5中制造的LED的横截面结构。图11是图解在比较例5中制造的LED的横截面结构的TEM图像，图12是图解在实施例5中制造的LED的横截面结构的TEM图像。实施例5中制造的LED在ETL和阴极之间形成了CCL。
试验例4：LED的发光性质的评价
将在实施例3至6和比较例3至5中制造的每一个发光二极管连接至外部电源，然后利用恒流源(KEITHLEY)和光度计PR650在室温下评价所有二极管的发光性质。特别地，测量了实施例3至6和比较例3至5的发光二极管在电流0.90mA和10mA/cm2的电流密度下的发射波长的电流效率(Cd/A)、功率效率(lm/W)、外量子效率(EQE，％)，亮度(cd/m2)、和颜色坐标。其结果示出在下表4中。
表4：LED的发光性质
如表4所示，通过实施例3至6应用CCL的每一个LED具有增强的电流效率、功率效率、EQE和亮度。特别地，与比较例3中仅包括ZnO的ETL的LED相比，实施例3中进一步包括CCL的LED的电流效率、EQE和亮度分别改善了27.6％、32.7％、和27.4％。此外，与比较例4中仅包括ZnMgO的ETL的LED相比，实施例4中进一步包括CCL的LED的电流效率、功率效率、EQE和亮度分别改善了151.2％、179.0％、136.2％和151.3％。除此之外，与比较例5中仅包含ZnCaO的ETL的LED相比，实施例5中进一步包括CCL的LED的电流效率、功率效率、EQE和亮度分别改善了128.6％、72.9％、60.4％、和128.6％。而且，即使当CCL的厚度增加至5nm，也可制造具有改善的发光效率的LED(实施例6)。因此，可通过层压能藉由恶烷键键合至电子传输层表面的电荷控制层来实现具有增强的发光效率和外耦合效率的LED，并因此该LED能应用于发光装置。
尽管已参照示例性实施方式和示例描述本公开内容，但这些实施方式和示例并非意在限制本公开内容的范围。相反，对于本领域技术人员将会显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下能在本公开内容中做出各种改进和变动。因此，在本公开内容的改进和变动进入随附的权利要求书和它们的等价体的范围内的条件下，意在本公开内容覆盖本公开内容的改进和变动。
以上描述的各种实施方式能进行组合以提供进一步的实施方式。在本说明书中引用的和/或在申请数据页列出的全部美国专利、美国专利申请、外国专利、外国专利申请、和非专利公开作为整体通过引用并入本文。如果有必要采用各种专利、申请、和公开的概念以提供更进一步的实施方式，则这些实施方式的方式可以进行改进。
根据以上详细的描述能对这些实施方式做出这些或者其他变更。一般而言，在以下的权利要求书中，使用的术语不应解读为将权利要求书限制于说明书和权利要求书中公开的具体实施方式，而是应当解读为包括与这些权利要求书所享有的等价体的全部范围一起的所有可能的实施方式。因此，权利要求书并不受公开内容所限。
Claims (22)
1.一种发光二极管，包括：
彼此面对的第一电极和第二电极；
设置在所述第一电极和所述第二电极之间且包含无机材料的电荷传输层；和
电荷控制层，
其中所述电荷控制层包含化学键合至所述电荷传输层的表面的聚硅氧烷基材料。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述电荷控制层设置在所述电荷传输层和所述第二电极之间。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述电荷控制层层压成约1nm至约5nm的厚度。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述电荷传输层包含电荷传输层，并且其中所述电荷控制层的折射率小于所述电荷传输层的折射率。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述聚硅氧烷基材料由具有化学式1的下列结构的单体合成：
化学式1
其中R1和R2各自分别独立地是氢、氘、氚、羟基、直链或支链的C1～C10烷基、C2～C20烯基、C1～C10烷氧基、C1～C10烷基氨基、C1～C10烷基丙烯酰氧基、C1～C10甲基丙烯酰氧基、C1～C10烷基甲基丙烯酰氧基、硫醇基、C1～C10烷基硫醇基、异氰酸酯基、C1～C10烷基异氰酸酯基、环氧基、C1～C10烷基环氧基、C1～C10烷撑环氧基、C5～C20环烷基环氧基、C5～C20环烷撑环氧基、C5～C30芳基环氧基、C5～C30芳撑环氧基、C4～C30杂芳基环氧基、C4～C30杂芳撑环氧基、缩水甘油醚氧基、C1～C10烷基缩水甘油醚氧基、C1～C10烷撑缩水甘油醚氧基、C5～C20环烷基缩水甘油醚氧基、C5～C20环烷撑缩水甘油醚氧基、C5～C30芳基缩水甘油醚氧基、C5～C30芳撑缩水甘油醚氧基、C4～C30杂芳基缩水甘油醚氧基、C4～C30杂芳撑缩水甘油醚氧基、未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基、未取代或用至少一个卤素取代的C4～C20杂芳基、未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基氧基、未取代或用至少一个卤素取代的C4～C20杂芳基氧基、未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基氨基、或者未取代或用至少一个卤素取代的C4～C20杂芳基氨基；R3和R4各自分别独立地是氢、氘、氚、直链或支链的C1～C10烷基、C1～C10烷基氨基、C5～C20芳基、C4～C20杂芳基、C5～C20芳基氨基、或者C4～C20杂芳基氨基。
6.如权利要求5所述的发光二极管，其中化学式1中的R1是氢、氘、氚、羟基、直链或支链的C1～C10烷基、C2～C20烯基、C1～C10烷氧基、C1～C10烷基氨基、C1～C10烷基丙烯酰氧基、C1～C10烷基甲基丙烯酰氧基、硫醇基、C1～C10烷基硫醇基、C1～C10烷基异氰酸酯基、C1～C10烷基缩水甘油醚氧基、或者未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基；R2是羟基或者C1～C10烷氧基；R3和R4各自分别独立地是氢、氘、氚、或者直链或支链的C1～C10烷基。
7.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述电荷传输层的无机材料包含金属氧化物。
8.如权利要求7所述的发光二极管，其中所述金属氧化物包含选自由锌(Zn)、钙(Ca)、镁(Mg)、钛(Ti)、锡(Sn)、钨(W)、钽(Ta)、铪(Hf)、铝(Al)、锆(Zr)、钡(Ba)、以及它们的组合组成的群组的金属的氧化物。
9.如权利要求1所述的发光二极管，进一步包括设置在所述第一电极和所述电荷传输层之间的发射材料层。
10.如权利要求9所述的发光二极管，其中所述发射材料层包括无机发光颗粒。
11.如权利要求10所述的发光二极管，其中所述无机发光颗粒包括量子点(QD)和量子杆(QR)。
12.一种发光二极管，包括：
彼此面对的第一电极和第二电极；
设置在所述第一电极和所述第二电极之间的发射材料层；
设置在所述第一电极和所述发射材料层之间的第一电荷传输层；
设置在所述发射材料层和所述第二电极之间且包含无机颗粒的第二电荷传输层；和
电荷控制层，
其中所述电荷控制层包含化学键合至所述第二电荷传输层的表面的聚硅氧烷基材料。
13.如权利要求12所述的发光二极管，其中电荷控制层设置在所述第二电荷传输层和所述第二电极之间。
14.如权利要求12所述的发光二极管，其中所述电荷控制层层压成约1nm至约5nm的厚度。
15.如权利要求12所述的发光二极管，其中第二电荷传输层包含电子传输层，其中所述电荷控制层的折射率小于所述电子传输层的折射率。
16.如权利要求12所述的发光二极管，其中所述聚硅氧烷基材料由具有化学式1的下列结构的单体合成：
化学式1
其中R1和R2各自分别独立地是氢、氘、氚、羟基、直链或支链的C1～C10烷基、C2～C20烯基、C1～C10烷氧基、C1～C10烷基氨基、C1～C10烷基丙烯酰氧基、C1～C10甲基丙烯酰氧基、C1～C10烷基甲基丙烯酰氧基、硫醇基、C1～C10烷基硫醇基、异氰酸酯基、C1～C10烷基异氰酸酯基、环氧基、C1～C10烷基环氧基、C5～C20环烷基环氧基、C5～C30芳基环氧基、C4～C30杂芳基环氧基、缩水甘油醚氧基、C5～C30烷基缩水甘油醚氧基(alkyl glycidyloxy group)、未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基、未取代或用至少一个卤素取代的C4～C20杂芳基、未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基氧基、未取代或用至少一个卤素取代的C4～C20杂芳基氧基、未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基氨基、或者未取代或用至少一个卤素取代的C4～C20杂芳基氨基；R3和R4各自分别独立地是氢、氘、氚、直链或支链的C1～C10烷基、C1～C10烷基氨基、C5～C20芳基、C4～C20杂芳基、C5～C20芳基氨基、或者C4～C20杂芳基氨基。
17.如权利要求16所述的发光二极管，其中化学式1中的R1是氢、氘、氚、羟基、直链或支链的C1～C10烷基、C2～C20烯基、C1～C10烷氧基、C1～C10烷基氨基、C1～C10烷基丙烯酰氧基、C1～C10烷基甲基丙烯酰氧基、硫醇基、C1～C10烷基硫醇基、C1～C10烷基异氰酸酯基、C1～C10烷基缩水甘油醚氧基、或者未取代或用至少一个卤素取代的C5～C20芳基；R2是羟基或者C1～C10烷氧基；R3和R4各自分别独立地是氢、氘、氚、或者直链或支链的C1～C10烷基。
18.如权利要求12所述的发光二极管，其中所述电荷传输层的无机材料包含金属氧化物。
19.如权利要求18所述的发光二极管，其中所述金属氧化物包含选自由锌(Zn)、钙(Ca)、镁(Mg)、钛(Ti)、锡(Sn)、钨(W)、钽(Ta)、铪(Hf)、铝(Al)、锆(Zr)、钡(Ba)以及它们的组合组成的群组的金属的氧化物。
20.如权利要求12所述的发光二极管，其中所述发射材料层包含无机发光颗粒。
21.如权利要求22所述的发光二极管，其中所述无机发光颗粒包括量子点(QD)和量子杆(QR)。
22.一种发光装置，包括：
基板；和
所述基板上方的根据权利要求1至21中任一项所述的发光二极管。
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