CN113410410A - 一种提高硅基oled发光效率的器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高硅基OLED发光效率的器件及其制备方法，包括在硅基OLED的阳极反射金属层和透明金属氧化物ITO层之间增加一层薄层的纳米金属团簇，利用OLED发光过程中光子激发纳米金属团簇形成表面等离子激元效应，通过表面等离子激元电‑光转换效应进一步提高OLED发光效率。本发明控制纳米金属团簇的主要成分、制备工艺，控制团簇膜层厚度与阳极对应的像素的发光颜色匹配，激发发光，进一步提高发光效率。

Description

一种提高硅基OLED发光效率的器件及其制备方法

技术领域

本发明属于硅基OLED发光器件领域，具体涉及一种提高硅基OLED发光效率的器件及其制备方法。

背景技术

硅基OLED微显示以单晶硅芯片为基底并借助于成熟的CMOS工艺使其像素尺寸更小、集成度更高，可制作成媲美大屏显示的近眼显示产品而受到广泛关注。基于其技术优势和广阔的市场，在军事以及消费电子领域，硅基OLED微显示都将掀起近眼显示的新浪潮，为用户带来前所未有的视觉体验。硅基OLED均为顶发射器件，而且应用于AR产品中，要求器件有更高的亮度，为了达到产品要求：一方面使用性能更高的OLED材料，来提高其发光效率；另一方面，使用多单元叠层结构来提高发光效率和亮度。以上两种方法均存在局限性，OLED材料研发周期长，性能提升也会有一定的瓶颈；而叠层器件工作电压高，功耗高。

对于一个常规的OLED器件，其发光效率只有20％(外量子效率)左右，大部分光由于光学和电学的原因被限制在器件内部，表面等离子模态是限制限制出光的电学原因之一。其主要作用机理是，顶发射OLED的阳极有全反射金属层，阴极有半反半透金属层，受金属电极的影响，大约有40％的光被耦合为金属表面等离子模态，最后转化为焦耳热，这种光耦合是一种损耗机制，因此人们尝试将这部门损耗的能量再利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高硅基OLED发光效率的器件及其制备方法，在硅基OLED的阳极反射层与阳极接触层之间增加金属纳米团簇层，利用顶发射器件中向下发射的光来激发金属团簇使之形成表面等离子体激元，利用表面等离子激元将阳极吸收的光再次转化为发光的特点，来减少阳极的光损耗以及提高器件的发光效率。

本发明具体技术方案如下：

一种提高硅基OLED发光效率的器件，包括阳极反射层，所述阳极反射层上设置金属纳米团簇层，所述金属纳米团簇层上设置阳极接触层。

所述阳极反射层材料为金属Ag或者Al，所述阳极反射层厚度为100nm-150nm；

所述金属纳米团簇层膜厚为1-11nm,优选为2-10nm，表面平坦度小于2nm；

所述金属纳米团簇是由几个到几百个特定的金属原子构成的相对稳定的纳米聚集体，其粒径与电子的费米波长接近，一般≤2nm；纳米团簇兼具纳米材料和类分子的特性，是单个金属原子与具有等离子激元的纳米颗粒之间的重要桥梁。

所述金属纳米团簇为金纳米团簇、银纳米团簇、铜纳米团簇或铂；

优选为金纳米团簇、银纳米团簇，具有良好的光学稳定性；

对于单色OLED器件，则金属纳米团簇层膜厚是同一厚度；

对于彩色的OLED器件，则RGB对应的像素上的团簇厚度不同，蓝色对应Ag纳米团簇的厚度为1nm-3nm；绿色对应Ag纳米团簇的厚度为5nm-7nm；红色对应Ag纳米团簇的厚度为9nm-11nm；

所述阳极接触层为阳极ITO膜层，膜层厚度为20nm-40n；

本发明提供的一种提高硅基OLED发光效率的器件的制备方法，包括以下步骤：

1)在基板上沉积阳极反射层；

2)在阳极反射层上制备纳米金属团簇层；

3)在纳米金属团簇层上沉积阳极接触层。

步骤1)中，所述阳极反射层为阳极金属反射层，材料为反射率较高的金属，优选为Ag或者Al，阳极反射层厚度为100nm-150nm。

步骤1)中在基板上使用PVD(物理气相沉)设备沉积阳极金属反射层；

步骤1)所述阳极反射层的厚度为80nm-150nm；优选的，使用的靶材为纯铝靶材；

步骤2)使用涂布或者真空蒸镀的方式形成纳米金属团簇层，膜厚为1-11nm，表面平坦度小于2nm；

优选的，选用成本相对较低的银纳米团簇作为表面等离子激元的发生体，制备方法：

真空蒸镀方法，具体为：直接在阳极反射层上蒸镀银薄膜，银的纯度要求≥99.95％，银蒸镀速率范围为0.01nm/S-0.05nm/S,真空度要求在1E-5Pa以下；此种方式的优势在于可以直接在OLED的制程中实现纳米团簇的制备，不需要额外的制程设备；

或，通过旋涂法：使用纳米银溶液旋涂在阳极反射层上，然后热固化形成薄膜，纳米银溶液浓度为1000ppm，转速范围1000r/min-2000r/min，旋涂时间控制在10s-20s，固化温度范围室温～80℃。

步骤3)具体为：使用PVD工艺沉积阳极ITO膜层，膜层厚度为20nm-40nm；

PVD工艺参数设置如下：功率500W，工艺时间13s-25s，Ar流量20sccm，O₂流量30sccm；

进一步的，沉积阳极接触层之后，进行阳极图案刻蚀成形，具体为使用常规的涂曝显工艺，形成各像素对应的阳极。阳极的尺寸和排布根据产品像素的设计。再制备OLED膜层、薄膜封装膜层。

等离子激元增强发光理论说明：在入射光子的激发下，若金属表面的自由电子群同时向同一方向偏离了平衡位置，则在金属正离子的作用下又回到平衡位置。由于反回到平衡位置的自由电子还具有速度，此时电子―冲过去，继续来回运动，直至动能全部转化为势能，如此往复，形成周期性的自由电子群的简谐运动。就像钟摆和秋千一样，最终全部耗散，转化为内能，将金属―加热。这种由自由电子的周期性简谐运动引起的有序集体谐振称为表面等离子体激元。表面等离子只需要有合适频率的极化光就可以直接激发出来而不用考虑波矢的匹配以及入射光线的角度。当局域态表面等离子的共振频率和传播态表面等离子的频率接近时，局域态就可转化为传播态。

本发明提供的提高硅基OLED发光效率的器件及其制备方法，旨在解决以下问题：一、在阳极金属反射层和ITO之间增加金属纳米团簇，照射到阳极反射层的光子会与金属纳米团簇共振形成局部表面等离子激元，等离子激元可以将吸收光能再以光的形式发射，可以减少阳极金属反射层的光耦合损失；二、该局部表面等离子激元可以提高光耦合效率，在不改变器件材料前提下进一步提高器件发光效率；三、该金属纳米团簇层介于ITO与反射阳极之间，不会影响ITO的功函数，可以保证原有的器件性能和结构不变。

与现有技术相比，本发明提供的提高硅基OLED发光效率的器件，包括在硅基OLED的阳极反射金属层和透明金属氧化物ITO层之间增加一层薄层的纳米金属团簇，利用OLED发光过程中光子激发纳米金属团簇形成表面等离子激元效应，通过表面等离子激元电-光转换效应进一步提高OLED发光效率；本发明控制纳米金属团簇的主要成分、制备工艺，控制团簇膜层厚度与阳极对应的像素的发光颜色匹配，激发发光，进一步提高发光效率。

附图说明

图1为本发明提高硅基OLED发光效率的器件(单个像素)的结构示意图；

图2为本发明制备过程示意图；

图中11-基板，1-阳极反射层，2-纳米金属团簇层，3-阳极接触层，4-OLED膜层，5-薄膜封装膜层；

图3为不同厚度Ag纳米团簇的吸收峰；

图4为不同厚度Ag纳米团簇的对应的器件亮度变化；

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，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

实施例1

一种提高硅基OLED发光效率的器件，包括基板11，基板11上设置阳极反射层1，所述阳极反射层1上设置金属纳米团簇层2，所述金属纳米团簇层2上设置阳极接触层3，所述阳极接触层3上设置OLED膜层4，所述OLED膜层4上设置薄膜封装膜层5。

实施例2

一种提高硅基OLED发光效率的器件的制备方法，包括以下步骤：

1)阳极反射金属层制备：在基板上使用PVD(物理气相沉)设备沉积阳极金属反射层，金属反射层为反射率较高的Al，使用的靶材为纯铝靶材，阳极反射金属层厚度为120nm；

2)纳米金属团簇(等离子激元功能层)制备：使用真空蒸镀的方式形成纳米金属团簇层，具体为：直接在阳极反射层上蒸镀银薄膜，银的纯度要求≥99.95％，银蒸镀速率范围为0.03nm/S,真空度要求在1E-5Pa以下；膜厚为1-11nm，表面平坦度小于2nm；

3)阳极ITO膜层制备：使用PVD工艺沉积阳极ITO膜层，PVD工艺参数设置如下：功率500W，工艺时间18s，Ar流量20sccm，O₂流量30sccm；膜层厚度为30nm；

4)阳极图案刻蚀成形：使用常规的涂曝显工艺，形成各像素对应的阳极，再制备OLED膜层、薄膜封装膜层。

步骤2)Ag纳米金属团簇薄膜制备过程中的厚度选择：蒸镀了不同厚度的Ag纳米团簇薄膜，使用紫外可见分光光度计测试Ag纳米团簇的吸收光谱如图3所示，由图3可看出当蒸镀的Ag纳米团簇薄膜厚度增加，其最大吸收峰的波长也随之红移，具体对应如表1所示。

表1不同厚度Ag纳米团簇的吸收峰

结合OLED器件发光峰的位置可选择吸收峰波长接近的Ag纳米团簇的厚度，以达到等离子激元共振的效果。例如，如果OLED器件为蓝色发光器件，其发光峰一般位于460nm附近，此时选择的Ag纳米团簇的厚度为1nm-3nm；如果OLED器件为绿色发光器件，其发光峰一般位于530nm附近，此时选择的Ag纳米团簇的厚度为5nm-7nm；如果OLED器件为红色发光器件，其发光峰一般位于610nm附近，此时选择的Ag纳米团簇的厚度为9nm-11nm；

以OLED绿光器件为例，不同Ag纳米团簇对OLED亮度影响如图4所示，增加Ag纳米团簇膜厚，器件的亮度有明显的提升。如图4，在10mA/cm²电流密度下，无Ag金属团簇的器件的亮度大约为4500nit；而在5nm，6nm，7nm Ag金属团簇层厚度下，器件的亮度分别为5500nit、7000nit、6000nit，提升幅度最大达到55％。

本发明制备的提高硅基OLED发光效率的器件，所述阳极反射层上设置金属纳米团簇层，所述金属纳米团簇层上设置阳极接触层；该器件在硅基OLED的阳极反射层与阳极接触层ITO之间增加一层的金属纳米团簇层，在OLED器件发光过程中，向阳极发射的光穿过ITO会激发金属纳米团簇层，使之形成局部表面等离子激元(以下简称LSP)，LSP会使局部的电磁场增强，使激子的辐射衰减的速率加快，提高了光耦合效率；同时，非辐射衰减的激子将能量传递给LSP后，LSP通过纳米结构再散射成为可见光，可进一步提高器件的效率和亮度。

Claims (10)

1.一种提高硅基OLED发光效率的器件，其特征在于，包括阳极反射层，所述阳极反射层上设置金属纳米团簇层，所述金属纳米团簇层上设置阳极接触层。

2.根据权利要求1所述的提高硅基OLED发光效率的器件，其特征在于，所述阳极反射层材料为金属Ag或者Al。

3.根据权利要求1或2所述的提高硅基OLED发光效率的器件，其特征在于，所述阳极反射层厚度为100nm-150nm。

4.根据权利要求1所述的提高硅基OLED发光效率的器件，其特征在于，所述金属纳米团簇层膜厚为1-11nm。

5.根据权利要求1所述的提高硅基OLED发光效率的器件，其特征在于，对于单色OLED器件，则金属纳米团簇层膜厚是同一厚度；

或，对于彩色的OLED器件，则RGB对应的像素上的团簇厚度不同，蓝色对应Ag纳米团簇的厚度为1nm-3nm；绿色对应Ag纳米团簇的厚度为5nm-7nm；红色对应Ag纳米团簇的厚度为9nm-11nm。

6.根据权利要求1或4所述的提高硅基OLED发光效率的器件，其特征在于，所述金属纳米团簇层表面平坦度小于2nm。

7.根据权利要求1或4所述的提高硅基OLED发光效率的器件，其特征在于，所述阳极接触层为阳极ITO膜层，膜层厚度为20nm-40nm。

8.一种权利要求1-7任一项所述的提高硅基OLED发光效率的器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)在基板上沉积阳极反射层；

2)在阳极反射层上制备纳米金属团簇层；

3)在纳米金属团簇层上沉积阳极接触层。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤2)使用涂布或者真空蒸镀的方式形成纳米金属团簇层；所述真空蒸镀方法，具体为：直接在阳极反射层上蒸镀银薄膜，银的纯度要求≥99.95％，银蒸镀速率范围为0.01nm/S-0.05nm/S,真空度要求在1E-5Pa以下；

或，所述涂布发具体为：使用纳米银溶液旋涂在阳极反射层上，然后热固化形成薄膜，纳米银溶液浓度为1000ppm，转速范围1000r/min-2000r/min，旋涂时间控制在10s-20s，固化温度范围室温～80℃。

10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，步PVD工艺参数设置如下：功率500W，工艺时间13s-25s，Ar流量20sccm，O₂流量30sccm。

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