CN115275033A - 一种利用杂化异质结实现有机半导体器件欧姆接触的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用杂化异质结实现有机半导体器件欧姆接触的方法，所述有机半导体器件包括金属电极层，电子注入层，发光层，空穴传输层，过渡金属氧化物层，超薄插入层和ITO层，所述插入层材料为C60、NTCDA或TCTA，插入层的厚度为3‑10nm；所述实现该有机半导体器件欧姆接触的方法通过在过渡金属氧化物层表面采样热蒸发法蒸镀插入层，从而形成异质结界面层，实现有机光电器件界面层欧姆注入，提升半导体光电器件的性能，此外，利用非掺杂层来构筑的欧姆注入界面有利于提升器件的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机半导体器件，尤其涉及一种利用杂化异质结实现有机半导体器件欧姆接触的方法。
背景技术
有机光电器件由于其自身的优势，已经在下一代显示等领域展示了优异的性能和广阔的应用前景，任何的光电器件都是基于三明治结构构建而成，其结构主要为电极-各类光电器件层-电极，器件的性能受限于界面的能级结构、载流子的有效注入、发光层的效率等方面，其中载流子在界面实现有效的注如、也就是欧姆接触可以（1）降低开启电压；（2）提升器件性能。然而目前在有机界面处实现欧姆注入仍然存在不小的挑战，不同的模型都揭示了有机界面注入的欧姆接触形成非常难得，界面处总是存在着较大的注入势垒。通常的方法是利用热蒸发一层过渡金属氧化物来减小势垒，但是还是不能够实现欧姆接触。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种通过插入超薄插入层从而利用过渡金属氧化物异质结实现欧姆接触的有机半导体器件，实现了在相同的电压情况下，电流10倍的提升；本发明的另一目的在于提供一种利用杂化异质结实现所述有机半导体器件欧姆接触的方法。
技术方案：本发明所述的有机半导体器件，包括金属电极层，电子注入层，发光层，过渡金属氧化物层和ITO层，该器件在过渡金属氧化物层上还设有插入层，所述插入层材料为C60、NTCDA或TCTA，插入层的厚度为3-10nm。
优选地，所述ITO层经过PEDOT：Pss修饰。
优选地，所述器件还包括空穴传输层；所述空穴传输层为Spiro-MeTAD。
优选地，所述电子注入层材料为Yb、TBPI或LiF。
优选地，所述发光层材料为Alq3，C545T:Alq3，Firpic或Ir(ppz)3。
优选地，所述过渡金属氧化物层材料为MoO3，WO3或V2O5。
优选地，所述过渡金属氧化物层的厚度为3-10 nm。
优选地，所述器件结构为ITO/PEDOT:PSS/MoO3/C60/TPBI/LiF/Al，ITO/PEDOT:PSS/Spiro-MeTAD/C60/MoO3/Al或ITO/MoO3/C60/NPB/C545T:Alq3/LiF/Al。
所述利用杂化异质结实现有机半导体器件欧姆接触的方法，通过在过渡金属氧化物层表面采样热蒸发法蒸镀插入层，从而形成异质结界面层，实现有机光电器件界面层欧姆注入。
本技术方案通过改善传统的存无机界面注入层（一般以无机掺杂等）的手段，利用过渡金属氧化物层和超薄的有机层形成超薄的异质结界面层，通过界面能级排布设计和选择（如考虑异质结界面的功函数和离化能）设计实现有机光电器件界面欧姆注入，提升半导体光电器件的性能,此外，利用非掺杂层来构筑的欧姆注入界面有利于提升器件的稳定性。
本发明对超薄插入层材料的选择，通过对有机分子的离化能分析，需要介于6-8eV之间，如C60分子、NTCDA分子；超薄插入层材料的选择，其载流子的迁移率需要高于临近的主体空穴传输层；与传统的碱金属掺杂、或者有机主客体分子掺杂，器件的稳定性得到2倍的稳定性提升；本技术适用于基于过渡金属氧化层的界面修饰层，在此基础上添加超薄插入层实现界面注入的欧姆接触。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：（1）本发明通过在传统OLED器件中添加一层厚度为3-10nm的超薄插入层，能够进一步降低开启电压，提升超过10倍的电流密度；（2）通过优化界面注入，添加超薄插入层之后开启电压的降低以及电流密度的提升，使得器件的稳定性得到了提升，实验中在相同电流密度下，器件的稳定性提升了50%。
附图说明
图1是利用过渡金属氧化物作为空穴传输层的OLED器件的结构图（左图为通常结构、右图为在通常OLED器件结构的基础上在过渡金属层和空穴传输层之间插入超薄插入层）；
图2是不同厚度、不同过渡金属氧化物的超薄插入层对器件电流密度-电压曲线图；
图3是未插入超薄插入层（左图）和插入超薄插入层（右图）的能级示意图，其中有机层的离化能（IE）和超薄插入层的离化能（IE’）需要满足IE’>IE且IE’达到6 eV及以上；
图4是典型的不同小分子半导体材料的计算得到的能级示意图，过渡金属氧化物的能带区间也用阴影部分表示图；
图5是典型的绿光OLED器件结构和不同插入层的器件性能图；
图6是一种利用超薄插入层实现蓝光OLED器件结构和性能图；
图7是图5绿光OLED器件的寿命衰减图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本发明所述的有机半导体器件，包括金属电极层，电子注入层，插入层，发光层，空穴传输层、过渡金属氧化物层和ITO层，所述插入层材料为C60，插入层的厚度为3nm，所述ITO层经过PEDOT：Pss修饰。
其制备过程如下：
透明导电玻璃ITO清洗干净，放入臭氧等离子处理3分钟，实现ITO的功函数提高和表面亲水能力的增加。
在已经处理好的ITO衬底上旋涂一层PEDOT:Pss导电聚合物，厚度为40纳米。
将覆有PEDOT:Pss导电聚合物的ITO放入蒸发腔，使用热蒸发蒸镀一层CPB，其厚度为200 nm。
再次热蒸发一层超薄插入层C60（3nm），形成ITO/PEDOT:PSS/CPB/C60结构。
热蒸发一层MoO3，其厚度为10纳米。
最后制备LiF/Al电极，形成完整的ITO/PEDOT:PSS/CPB/C60/MoO3/Al器件结构；进行封装测试，其器件的结构和性能如图2（右）所示。
实施例2
本发明所述的有机半导体器件，包括金属电极层，电子注入层，插入层，发光层，过渡金属氧化物层和ITO层，所述插入层材料为C60，插入层的厚度为3nm，所述ITO层经过PEDOT：Pss修饰。
其制备过程如下：
透明导电玻璃ITO清洗干净，放入臭氧等离子处理3分钟，实现ITO的功函数提高和表面亲水能力的增加。
在已经处理好的ITO衬底上旋涂一层PEDOT:Pss导电聚合物，厚度为40纳米。
将覆有PEDOT:Pss导电聚合物的ITO 放入蒸发腔，使用热蒸发蒸镀一层CPB，其厚度为200 nm。
再次热蒸发一层超薄插入层C60（3nm），形成ITO/PEDOT:PSS/CPB/C60结构。
热蒸发一层WO3，其厚度为10纳米。
最后制备LiF/Al电极，形成完整的ITO/PEDOT:PSS/CPB/C60/WO3/Al器件结构；进行封装测试，其器件的结构和性能如图2（右）所示。
实施例3
本发明所述的有机半导体器件，包括金属电极层，电子注入层，插入层，发光层，过渡金属氧化物层和ITO层，所述插入层材料为C60，插入层的厚度为3nm。
其制备过程如下：
透明导电玻璃ITO清洗干净，放入臭氧等离子处理3分钟，实现ITO的功函数提高和表面亲水能力的增加。
在已经处理好的ITO衬底上热蒸发一层MoO3，厚度为5纳米。
再次热蒸发一层超薄插入层C60（3nm），形成ITO/MoO3/C60 结构。
再次热蒸发一层NPB，其厚度为60纳米。
再次热蒸发一层C545T掺杂的Alq3，其厚度为80纳米。
最后制备LiF/Al电极，形成完整的ITO/MoO3/C60/NPB/C545T:Alq3/LiF/Al器件结构；进行封装测试，其器件的结构和性能如图5和图7所示。
实施例4
本发明所述的有机半导体器件，包括金属电极层，电子注入层，插入层，发光层，过渡金属氧化物层和ITO层，所述插入层材料为C60，插入层的厚度为3nm，所述ITO层经过PEDOT:Pss修饰。
其制备过程如下：透明导电玻璃ITO清洗干净，放入臭氧等离子处理3分钟，实现ITO的功函数提高和表面亲水能力的增加。
在已经处理好的ITO衬底上旋涂一层PEDOT:Pss导电聚合物，厚度为40纳米。
将覆有PEDOT:Pss导电聚合物的ITO 放入蒸发腔，使用热蒸发蒸镀一层MoO3，其厚度为10nm。
再次热蒸发一层超薄插入层C60（3nm），形成ITO/PEDOT:PSS/MoO3/C60结构。
热蒸发一层TPBI分子层，其厚度为60纳米。
最后制备LiF/Al电极，形成完整的ITO/PEDOT:PSS/MoO3/C60/TPBI/LiF/Al器件结构；进行封装测试，其器件的结构和性能如图6所示。图6的器件结构为：ITO/PEDOT:PSS/MoO3/C60/TPBI/LiF/Al其中电流-电压曲线为实线，发光强度-电压曲线为虚线。
对比例1
有机半导体器件结构为ITO/PEDOT:PSS/CPB/WO3/Al。
其制备过程如下：
透明导电玻璃ITO清洗干净，放入臭氧等离子处理3分钟，实现ITO的功函数提高和表面亲水能力的增加。
在已经处理好的ITO衬底上旋涂一层PEDOT:Pss导电聚合物，厚度为40纳米。
将覆有PEDOT:Pss导电聚合物的ITO 放入蒸发腔，使用热蒸发蒸镀一层CPB，其厚度为200 nm。
热蒸发一层WO3，其厚度为10纳米。
最后制备LiF/Al电极，形成完整的ITO/PEDOT:PSS/CPB/WO3/Al器件结构；进行封装测试，其器件的结构和性能如图2所示。
对比例2
有机半导体器件结构为ITO/PEDOT:PSS/CPB/V2O5/Al。
其制备过程如下：
透明导电玻璃ITO清洗干净，放入臭氧等离子处理3分钟，实现ITO的功函数提高和表面亲水能力的增加。
在已经处理好的ITO衬底上旋涂一层PEDOT:Pss导电聚合物，厚度为40纳米。
将覆有PEDOT:Pss导电聚合物的ITO放入蒸发腔，使用热蒸发蒸镀一层CPB，其厚度为200 nm。
热蒸发一层V2O5，其厚度为10纳米。
最后制备LiF/Al电极，形成完整的ITO/PEDOT:PSS/CPB/V2O5/Al器件结构；进行封装测试，其器件的结构和性能如图2所示。
对比例3
有机半导体器件结构为ITO/MoO3/NPB/C545T:Alq3/LiF/Al。
其制备过程如下：
透明导电玻璃ITO清洗干净，放入臭氧等离子处理3分钟，实现ITO的功函数提高和表面亲水能力的增加。
在已经处理好的ITO衬底上热蒸发一层MoO3，厚度为5纳米。
再次热蒸发一层NPB，其厚度为60纳米。
再次热蒸发一层C545T掺杂的Alq3，其厚度为80纳米。
最后制备LiF/Al电极，形成完整的ITO/MoO3/NPB/C545T:Alq3/LiF/Al器件结构；进行封装测试，其器件的结构和性能如图5所示。
对比例4
有机半导体器件结构为ITO/NPB/C545T:Alq3/LiF/Al。
其制备过程如下：
透明导电玻璃ITO清洗干净，放入臭氧等离子处理3分钟，实现ITO的功函数提高和表面亲水能力的增加。
在已经处理好的ITO衬底上热热蒸发一层NPB，其厚度为60纳米。
再次热蒸发一层C545T掺杂的Alq3，其厚度为80纳米。
最后制备LiF/Al电极，形成完整的ITO/NPB/C545T:Alq3/LiF/Al器件结构；进行封装测试，其器件的结构和性能如图5和图7所示。
图1是利用过渡金属氧化物作为空穴传输层的OLED器件的结构图（左图为通常结构、右图为在通常OLED器件结构的基础上在过渡金属层和空穴传输层之间插入超薄插入层）。
图2是揭示不同厚度、不同过渡金属氧化物的超薄插入层对器件电流密度-电压曲线的影响，可以明显看见含有3-10纳米厚度的超薄插入层的器件能够进一步降低开启电压，提升超过10倍的电流密度，性能得到大于10倍的提升。
图3是超薄插入层选择考虑能级排布，离化能的具体要求，其离化能需要大于6eV，同时介于过渡金属氧化物和主体空穴传输层的离化能之间。
图4是利用单分子计算软件高斯获得的不同有机半导体分子的离化能与过渡金属氧化物之间的对照关系，其中C60分子、NTCDA分子是用于超薄插入层的选择之一。
图5是利用过渡金属氧化物+超薄插入层对比只用过渡金属氧化物以及什么都不用来制备了三种绿光OLED，其器件性能的提升。图中可以看出添加了超薄插入层C60之后，器件的JV曲线发生明显的向左偏移，器件的开启电压变小。
图6的器件结构为：ITO/PEDOT:PSS/MoO3/C60/TPBI/LiF/Al（实施例4）其中电流-电压曲线为实线，发光强度-电压曲线为虚线。图中可以看出利用TPBI为发光层的蓝光OLED，由于界面的欧姆接触的形成，器件的JV曲线出现明显的欧姆接触特性。
图7的器件结构中有超薄插入层的为ITO/MoO3/C60/NPB/C545T:Alq3/LiF/Al（实施例3）；无超薄插入层的为ITO/NPB/C545T:Alq3/LiF/Al（对比例4），其测试条件为相同电流密度情况下的衰减关系，可以看出添加超薄插入层的OLED器件稳定性比无超薄插入层的OLED性能提升约一倍。
Claims (10)
1.一种有机半导体器件，包括金属电极层，电子注入层，发光层，过渡金属氧化物层和ITO层，其特征在于，在过渡金属氧化物层上还设有插入层，所述插入层材料为C60、NTCDA或TCTA，插入层的厚度为3-10nm。
2.根据权利要求1所述的有机半导体器件，其特征在于，所述ITO层经过PEDOT：Pss修饰。
3.根据权利要求1或2所述的有机半导体器件，其特征在于，所述器件还包括空穴传输层。
4.根据权利要求3所述的有机半导体器件，其特征在于，所述空穴传输层为Spiro-MeTAD。
5.根据权利要求1所述的有机半导体器件，其特征在于，所述电子注入层材料为Yb、TBPI或LiF。
6.根据权利要求1所述的有机半导体器件，其特征在于，所述发光层材料为Alq3，C545T:Alq3，Firpic或Ir(ppz)3。
7.根据权利要求1所述的有机半导体器件，其特征在于，所述过渡金属氧化物层材料为MoO3，WO3或V2O5。
8.根据权利要求1所述的有机半导体器件，其特征在于，所述过渡金属氧化物层的厚度为3-10 nm。
9.根据权利要求3所述的有机半导体器件，其特征在于，所述器件结构为ITO/PEDOT:PSS/CPB/C60/MoO3/Al，ITO/PEDOT:PSS/CPB/C60/WO3/Al，ITO/PEDOT:PSS/MoO3/C60/TPBI/LiF/Al，ITO/PEDOT:PSS/Spiro-MeTAD/C60/MoO3/Al或ITO/ MoO3/C60/NPB/C545T:Alq3/LiF/Al。
10.一种利用杂化异质结实现权利要求1所述有机半导体器件欧姆接触的方法，其特征在于，通过在过渡金属氧化物层表面采样热蒸发法蒸镀插入层，从而形成异质结界面层，实现有机光电器件界面层欧姆注入。
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