CN1633221A - 调整导体表面功函数的方法与有机发光元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种调整导体表面功函数的方法与有机发光元件及其制作方法。提供一个导体层，其表面具有功函数。然后，对导体层进行采用混合气体的等离子体工艺，其中混合气体包括第一反应性气体和第二反应性气体，第一反应性气体的等离子体处理会使该功函数减少，第二反应性气体的等离子体处理会使该功函数增加。上述等离子体工艺是通过控制该混合气体中的第一反应性气体与第二反应性气体的流量比例，从而调整该功函数。
Description
技术领域
本发明涉及有机发光元件及其制作方法，特别涉及通过对导体层表面进行混合气体的等离子体工艺而改善有机发光元件特性的方法。
背景技术
有机发光元件(OLED)是利用当有机薄膜材料被电流激发时会发光的特性，而被广泛应用在以平面显示器为例的领域。OLED元件通常是三明治结构，也就是说是由阳极、阴极以及夹在其间的有机薄膜构成。一般来说，阳极是透明导体层且形成在透明基底上，而阴极是金属层。至于有机薄膜则通常包括电子传输层(electron-transporting layer)、空穴传输层(hole-transporting layer)以及夹在其间的发光层(emission layer)。当电流施加于阳极与阴极之间时，电子会经由电子传输层而注入发光层，空穴会经由空穴传输层而进入发光层，因而使得电子与空穴在发光层结合而发出光。上述有机薄膜可以是单层结构或多层结构。
由于铟锡氧化物(ITO)具有透明、导电以及高功函数等特性，所以经常用做OLED元件中的阳极材料。为了提升OLED元件性能，必须使ITO层的表面功函数能与相邻的有机薄膜的空穴注入能级(即HOMO能级：最高空价轨道能级)相近。所以在OLED工艺中，通常在形成有机薄膜中的空穴传输层之前，先对ITO层进行等离子体前处理来调整ITO层的表面功函数。
在美国专利第6259202号中，使用氧气等离子体处理来使ITO层的表面功函数增加至一定值，以及使用氢气等离子体处理来使ITO层的表面功函数降低至另一定值。然而，该方法并未说明如何调整ITO层的表面功函数至随意值，也就是说该方法并未说明如何调整ITO层的表面功函数到与相邻空穴传输层的HOMO能级完全匹配的状态。更重要的是，该方法所采用的氢气是具有高危险性的气体，这对工作安全是一大威胁。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种调整导体表面功函数的方法。
本发明的另一个目的，在于提供一种有机发光元件的制作方法。
本发明的再一个目的，在于提供一种有机发光元件。
为了达到上述目的，本发明提供了一种调整导体表面功函数的方法，包括下列步骤：提供一个导体层，其表面具有第一功函数；对该导体层进行采用混合气体的等离子体工艺，其中该混合气体包括第一反应性气体和第二反应性气体，该第一反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数减少，该第二反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数增加；以及通过控制该混合气体中的该第一反应性气体与该第二反应性气体的流量比例，从而调整该第一功函数。
为了达到上述目的，本发明提供一种有机发光元件的制作方法，包括下列步骤：提供具有第一功函数的含铟氧化物层；对该含铟氧化物层进行采用混合气体的等离子体工艺，使得该含铟氧化物层表面具有调整的第一功函数；在该含铟氧化物层上形成有机层，其中该有机层包括具有HOMO(最高空价轨道)能级的空穴传输层，其与该含铟氧化物层相邻；以及在该有机层上形成导体层；其中，该混合气体包括第一反应性气体和第二反应性气体，该第一反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数减少，该第二反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数增加，上述等离子体工艺是通过控制该混合气体中的该第一反应性气体与该第二反应性气体的流量比例，从而使上述调整的第一功函数等于或相近于该HOMO能级。
为了达到上述目的，本发明提供一种有机发光元件，包括：经等离子体处理的含铟氧化物层；在该含铟氧化物层上的有机层，其中该有机层包括具有HOMO能级的空穴传输层，该空穴传输层与该含铟氧化物层相邻；以及在该有机层上的导体层；其中，上述经等离子体处理的含铟氧化物层包括具有第一功函数的含铟氧化物层，该含铟氧化物层是经采用混合气体的等离子体工艺处理而使得该含铟氧化物层表面具有调整的第一功函数，该混合气体包括第一反应性气体和第二反应性气体，该第一反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数减少，该第二反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数增加，上述等离子体工艺是通过控制该混合气体中的该第一反应性气体与该第二反应性气体的流量比例，从而使上述调整的第一功函数等于或相近于该HOMO能级。
本发明使用如含有氮气和氧气的混合气体作为等离子体工艺中的制程气体，然后通过控制该混合气体中的氮气与氧气的流量比例，从而调整导体层表面的功函数至所希望的功函数。这样，本发明就能将有机发光元件中的ITO层表面的功函数调整到与相邻的空穴传输层的HOMO能级完全匹配的状态，从而达到增强元件效能的目的。更重要的是，本方法不使用高危险性的氢气，因此能够提高工作安全性。
本发明的特征与优点
本发明特征在于，使用含有以氮气和氧气为例的混合气体作为等离子体工艺中的制程气体，然后通过控制该混合气体中的氮气与氧气的流量比例，从而调整导体层表面的功函数至所希望的功函数。
这样，本发明就能将OLED元件中的ITO层表面的功函数调整至与相邻的空穴传输层的HOMO能级完全匹配的状态，从而达到增强元件效能的目的。更重要的是，由于本发明不需要使用氢气，所以能够提高工作安全性。
附图说明
图1显示了根据本发明制作OLED元件的流程示意图；
图2显示了通过在不同N2/O2混合气体流量比例下的等离子体处理所得到的ITO功函数关系图；
图3说明了通过本发明的等离子体处理后，使ITO功函数能够与NPB(含氮元素的有机分子材料)层的HOMO能级完全匹配；
图4说明了通过本发明方法所制作的OLED元件具有优良的发光效率；以及
图5说明了通过本发明方法所制作的OLED元件具有优良的能量效率。
下列符号在附图中的含义分别为：
10～基板；12～透明导体(例如ITO)层；12’～经过等离子体处理的透明导体层；14～空穴传输层；16～有机发光层；18～电子传输层；20～有机层；22～金属层；41、51～代表ITO层没有经过任何等离子体处理的传统OLED元件性能曲线；42、52～代表ITO层仅经过纯O2等离子体处理的已知OLED元件性能曲线；43、53～代表ITO层经过N2/O2混合气体流量比例为1/3的等离子体处理的本发明OLED元件性能曲线；100～OLED元件；110～清洗步骤；120～混合气体的等离子体工艺步骤；121～第一反应性气体；122～第二反应性气体；123～非反应性气体。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面将参照附图对本发明的优选实施方案进行详细说明。
本发明利用混合气体的等离子体工艺，来调整用于电子元件(例如OLED元件)中的导体层的表面功函数，从而改善元件性能。在本实施方案中，该导体层以含铟氧化物(tin oxide)层为例，该含铟氧化物层可以是铟锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)层。下面参照图1，通过OLED元件的制作流程对本发明进行说明。这里要特别说明的是，虽然本实施方案以OLED元件工艺为例，但实际上可以将本发明方法运用于需要调整功函数的任何导体物质上。
参照图1，在透明基板10上形成作为阳极的透明导体层12，其中该透明导体层12以由溅镀法所形成的ITO或IZO层为例，而该透明基板10以玻璃基板或塑料基板等为例。为了说明方便，以下均以ITO层12来代表该透明导体层12。
随后，可以进行已知的湿式清洗步骤110，去除存在于该ITO层12上的污染物，以便进行后续步骤。上述湿式清洗步骤110以通过清洁剂、溶剂以及去离子水来进行的清洗程序为例。之后，利用日本理研(Riken)公司生产的AC-2型光电子分光装置，测量该ITO层12的功函数是4.9eV。
然后，对该ITO层12进行等离子体工艺步骤120，用以调整该ITO层12的表面功函数，也就是说，使得经过等离子体工艺步骤120的ITO层12’表面具有调整过的功函数(modified work function)。该等离子体工艺步骤120是使用至少包括第一反应性气体121和第二反应性气体122的混合气体，该第一反应性气体121的等离子体处理会使该ITO层12的功函数减少，而该第二反应性气体122的等离子体处理会使该ITO层12的功函数增加。
这里要特别强调的是，本发明的等离子体工艺步骤120是通过控制该混合气体中的该第一反应性气体121与该第二反应性气体122的流量比例，从而将该ITO层12的功函数调整至所希望的功函数值。另外，为了避免等离子体反应过于激烈，该混合气体还可以包括非反应性气体123。上述第一反应性气体121是含氮气体，例如N2或NH3或N2O，上述第二反应性气体122是含氧气体，例如O2或NO2，而上述非反应性气体123例如为Ar。在本实施方案中，以N2来代表该第一反应性气体121，O2来代表该第二反应性气体122。此外，上述等离子体工艺步骤120可以是在并联式等离子体系统(parallel-type plasma system)中进行，其工艺条件例如为：RF功率50～600W、工艺压力1～10mTorr以及工艺时间10秒～10分钟。
随后，在该ITO层12’上形成有机层20，其中该有机层20可包括与该ITO层12’相邻的具有HOMO能级的空穴传输层14、有机发光层16以及电子传输层18。在本实施方案中，该空穴传输层14以NPB层14为例，该NPB层14的HOMO能级约为5.4eV。然后，在该有机层20上形成作为阴极的金属层22。该金属层22以LiF/Al层为例。这样就形成了OLED元件100。
下面通过一个实施例，说明通过本发明的N2+O2混合气体等离子体工艺120，使该OLED元件100中的ITO层12’的表面功函数能够与NPB层14的HOMO能级完全匹配。
首先，在RF功率大约为500W、工艺压力大约为1mTorr以及工艺时间大约为25秒的等离子体工艺条件下，分别在纯N2等离子体处理、N2/O2混合气体流量比例为3/1的等离子体处理、N2/O2混合气体流量比例为1/3以及纯O2等离子体处理等四种情况下，对ITO层12进行等离子体处理。其结果如图2所示，该图中的(a)点是表示经过纯N2等离子体处理的ITO功函数，其约为4.8eV。该图中的(b)点是表示经过N2/O2混合气体流量比例为3/1的等离子体处理的ITO功函数，其约为5.0eV。而该图中的(c)点是表示经过N2/O2混合气体流量比例为1/3的等离子体处理的ITO功函数，其约为5.4eV。该图中的(d)点是表示经过纯O2等离子体处理的ITO功函数，其约为5.6eV。由图2可知，上述(a)、(b)、(c)及(d)点之间的关系几乎是一种线性关系。
所以，本发明是根据上述发现，通过控制该混合气体中的氮气与氧气的流量比例，从而使ITO层12表面的功函数得以调整至所希望的功函数值。举例来说，参照图3，当该空穴传输层14是采用HOMO能级为5.4eV的NPB层14时，通过将本发明的等离子体工艺120中的N2/O2混合气体流量比例控制在1/3，就能将OLED元件100中的具有表面功函数(Ef)为4.9eV的ITO层12转变成具有表面功函数(Ef’)为5.4eV的ITO层12’，从而使ITO层12’的表面功函数(Ef’)与NPB层14的HOMO能级(5.4eV)完全匹配。
然后，参照图4与图5，其以发绿光的OLED元件为实施例，证明经过本发明的N2/O2混合气体等离子体处理的OLED元件性能优于已知OLED元件。本实施例所使用的发绿光OLED元件组成为：阳极是采用ITO层(75nm)，空穴传输层是采用NPB层(150nm)，发光层是采用掺杂有1％C545T的Alq3层(37.5nm)，电子传输层是采用Alq3层(37.5nm)，以及阴极是采用含LiF(1nm)与Al(200nm)的双层。图4与图5中编号为41、51的曲线是代表ITO层没有经过任何等离子体处理的传统OLED元件性能曲线，编号为42、52的曲线是代表ITO层仅经过纯O2等离子体处理的已知OLED元件性能曲线，而编号为43、53的曲线是代表ITO层经过N2/O2混合气体流量比例为1/3的等离子体处理的本发明OLED元件性能曲线。
由图4可知，由于本发明方法使ITO表面功函数相等或相近于NPB的HOMO能级，所以本发明的OLED元件发光效率(emission efficiency)优于已知OLED元件发光效率。另外，由图5可知，由于本发明方法使ITO表面功函数相等或相近于NPB的HOMO能级，所以本发明的OLED元件能量效率优于已知OLED元件能量效率，也就是说，本发明OLED元件比已知OLED元件省电。
虽然本发明已经参照优选的实施方式进行说明，但其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行一些改变和修饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种调整导体表面功函数的方法，包括下列步骤：
提供一个导体层，其表面具有第一功函数；
对该导体层进行采用混合气体的等离子体工艺，其中该混合气体包括第一反应性气体和第二反应性气体，该第一反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数减少，该第二反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数增加；以及
通过控制该混合气体中的该第一反应性气体与该第二反应性气体的流量比例，从而调整该第一功函数。
2.权利要求1的调整导体表面功函数的方法，其中，该导体层是铟锡氧化物或铟锌氧化物层。
3.权利要求1的调整导体表面功函数的方法，其中，该第一反应性气体是N2、NH3或N2O，而该第二反应性气体是O2或NO2。
4.权利要求1的调整导体表面功函数的方法，其中，该混合气体还包括非反应性气体。
5.一种有机发光元件的制作方法，包括下列步骤：
提供具有第一功函数的含铟氧化物层；
对该含铟氧化物层进行采用混合气体的等离子体工艺，使得该含铟氧化物层表面具有调整的第一功函数；
在该含铟氧化物层上形成有机层，其中该有机层包括具有HOMO能级的空穴传输层，其与该含铟氧化物层相邻；以及
在该有机层上形成导体层；
其中，该混合气体包括第一反应性气体与第二反应性气体，该第一反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数减少，该第二反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数增加，上述等离子体工艺是通过控制该混合气体中的该第一反应性气体与该第二反应性气体的流量比例，从而使上述调整的第一功函数等于或相近于该HOMO能级。
6.权利要求5的有机发光元件的制作方法，其中，该含铟氧化物层是铟锡氧化物或铟锌氧化物层，而该空穴传输层的材质是含氮元素的有机分子材料NPB。
7.权利要求6的有机发光元件的制作方法，其中，该含氮气体是N2、NH3或N2O，而该含氧气体是O2或NO2。
8.一种有机发光元件，包括：
经等离子体处理的含铟氧化物层；
在该含铟氧化物层上的有机层，其中该有机层包括具有HOMO能级的空穴传输层，该空穴传输层与该含铟氧化物层相邻；以及
在该有机层上的导体层；
其中，上述经等离子体处理的含铟氧化物层包括具有第一功函数的含铟氧化物层，该含铟氧化物层是经采用混合气体的等离子体工艺处理而使得该含铟氧化物层表面具有调整的第一功函数，该混合气体包括第一反应性气体和第二反应性气体，该第一反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数减少，该第二反应性气体的等离子体处理会使该第一功函数增加，上述等离子体工艺是通过控制该混合气体中的该第一反应性气体与该第二反应性气体的流量比例，从而使上述调整的第一功函数等于或相近于该HOMO能级。
9.权利要求8的有机发光元件，其中，该含铟氧化物层是铟锡氧化物或铟锌氧化物层，而该空穴传输层的材质是NPB。
10.权利要求9的有机发光元件，其中，该第一反应性气体是N2或NH3或N2O，而该第二反应性气体是O2或NO2。
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