DE10058578A1

DE10058578A1 - Lichtemittierendes Bauelement mit organischen Schichten

Info

Publication number: DE10058578A1
Application number: DE10058578A
Authority: DE
Inventors: Martin Pfeiffer; Karl Leo; Jan Blochwitz; Xiang Zhou
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: NovaLED GmbH
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: DE10058578C2; IN2003DE00736A; JP2004514257A; KR20030072355A; WO2002041414A1; CN1475035A; BR0115497A; ES2273923T3; ATE341837T1; JP3695714B2; EP1336208A1; EP1336208B1; DE50111165D1; CN100369286C; KR100641900B1; US7074500B2; US20040062949A1; AU2002216935A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Bauelement mit organischen Schichten, insbesondere eine organische Leuchtdiode. Das Bauelement besteht aus wenigstens einer dotierten Ladungsträgertransportschicht (2), einer lichtemittierenden Schicht (4) und Kontaktschienen (1, 5) und ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ladungsträgertransportschicht (2, 2') und der lichtemittierenden Schicht (4) eine Blockschicht (3, 3') aus einem organischen Material vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Bauelement mit organischen Schichten, insbesondere eine organische Leuchtdiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Organische Leuchtdioden sind seit der Demonstration niedriger Arbeitsspannungen von Tang et al. 1987 [C. W. Tang et al. Appl. Phys. Lett. 51 (12), 913 (1987)] aussichtsreiche Kandidaten für die Realisierung großflächiger Displays. Sie bestehen aus einer Reihenfolge dünner (typischerweise 1 nm bis 1 µm) Schichten aus organischen Materialien, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder in ihrer polymeren Form aufgeschleudert werden. Nach elektrischer Kontaktierung durch Metallschichten bilden sie vielfältige elektronische oder optoelektronische Bauelemente, wie z. B. Dioden, Leuchtdioden, Photodioden und Transistoren, die mit ihren Eigenschaften den etablierten Bauelementen auf der Basis anorganischer Schichten Konkurrenz machen.

Im Falle der organischen Leuchtdioden (OLEDs) wird durch die Injektion von Ladungsträgern (Elektronen von der einen, Löcher von der anderen Seite) aus den Kontakten in die anschließenden organischen Schichten infolge einer äußeren angelegten Spannung, der folgenden Bildung von Exzitonen (Elektron-Loch-Paaren) in einer aktiven Zone und der strahlenden Rekombination dieser Exzitonen, Licht erzeugt und von der Leuchtdiode emittiert.

Der Vorteil solcher Bauelemte auf organischer Basis gegenüber den konventionellen Bauelementen auf anorganischer Basis (Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid) besteht darin, dass es möglich ist, sehr großflächige Elemente herzustellen, also große Anzeigeelemente (Bildschirme, Screens). Die organischen Ausgangsmaterialien sind gegenüber den anorganischen Materialien relativ billig (geringer Material- und Energieaufwand). Obendrein können diese Materialien aufgrund ihrer gegenüber anorganischen Materialien geringen Prozeßtemperatur auf flexible Substrate aufgebracht werden, was eine ganze Reihe von neuartigen Anwendungen in der Display- und Beleuchtungstechnik eröffnet.

Der prinzipielle Aufbau eines solchen Bauelementes stellt eine Anordnung aus einer oder mehrerer der folgenden Schichten dar:

1. Träger, Substrat,
2. Basiselektrode, löcherinjizierend (Pluspol), meist transparent,
3. Löcher injizierende Schicht,
4. Löcher transportierende Schicht (HTL),
5. Licht emittierende Schicht (EL),
6. Elektronen transportierende Schicht (ETL),
7. Elektronen injizierende Schicht,
8. Deckelektrode, meist ein Metall mit niedriger Austrittsarbeit, elektroneninjizierend (Minuspol),
9. Kapselung, zum Ausschluß von Umwelteinflüssen.

Dies ist der allgemeinste Fall, meistens werden einige Schichten weggelassen (außer 2., 5. und 8.), oder aber eine Schicht kombiniert in sich mehrere Eigenschaften.

Aus der US 5,093,698 ist es bekannt, die löcherleitende und/oder die elektronenleitende Schicht mit anderen organischen Molekülen zu dotieren, um deren Leitfähigkeit zu erhöhen. Die weitere Forschung hat aber diesen Ansatz nicht mehr verfolgt.

Weitere bekannte Ansätze zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von OLEDs (also vor allem Betriebsspannung und Lichtemissionseffizienz) sind:

1. die lichtemittierende Schicht zu verbessern (neuartige Materialien) [Hsieh et al. US 5,674,635],
2. die lichtemittierende Schicht aus einem Matrixmaterial und einem Dotanden aufzubauen, wobei ein Energieübertrag von der Matrix zum Dotand stattfindet und die strahlende Rekombination der Exzitonen allein auf dem Dotanden stattfindet [Tang et al. US 4,769,292, US 5,409,783],
3. Polymere (aufschleuderbar) oder niedrigmolekulare (aufdampfbar) Stoffe, welche mehrere günstige Eigenschaften (Leitfähigkeit, Schichtbildung) in sich vereinen, bzw. diese aus Mischung von verschiedenen Materialien herzustellen (vor allem im Falle der polymeren Schichten) [Mori et al. US 5,281,489],
4. die Injektion von Ladungsträgern in die organischen Schichten zu verbessern, indem mehrere Schichten mit stufenweiser Abstimmung ihrer Energielagen verwendet werden, oder entsprechende Mischungen aus mehreren Substanzen verwendet werden [Fujii et al. US 5,674,597, US 5,601,903, Sato et al. US 5,247,226. Tominaga et al. Appl. Phys. Lett. 70 (6), 762 (1997)].

Im Unterschied zu Leuchtdioden auf Basis anorganischer Materialien, die in der Praxis schon seit langer Zeit breite Anwendung finden, müssen die organischen Bauelemente bisher bei erheblich höheren Spannungen betrieben werden. Die Ursache dafür liegt in der schlechten Injektion von Ladungsträgern aus den Kontakten in die organischen Schichten und in der vergleichsweise schlechten Leitfähigkeit und Beweglichkeit der Ladungsträgertransportschichten. An der Grenzfläche Kontaktmaterial/ Ladungsträgertransportschicht bildet sich eine Potentialbarriere aus, welche für eine erhebliche Erhöhung der Betriebsspannung sorgt. Abhilfe könnte die Verwendung von Kontaktmaterialien mit höherem Energieniveau (= geringere Austrittsarbeit) zur Injektion von Elektronen in die angrenzende organische Schicht, so wie es in US 5,093,698 schematisch dargestellt ist, oder Kontaktmaterialien mit noch niedrigeren Energieniveaus (höheren Austrittsarbeiten) zur Injektion von Löchern in eine angrenzende organische Schicht, schaffen. Im ersten Fall spricht die extreme Instabilität und Reaktivität der entsprechenden Metalle dagegen, im zweiten Fall die geringe Transparenz dieser Kontaktmaterialien. In Praxi wird daher zur Zeit fast ausschließlich Indium-Zinn-Oxid (ITO) als Injektionskontakt für Löcher eingesetzt (ein transparenter entarteter Halbleiter), dessen Austrittsarbeit aber immer noch zu gering ist. Für die Elektroneninjektion kommen Materialien wie Aluminum (Al), Al in Kombination mit einer dünnen Schicht Lithiumfluorid (LiF), Magnesium (Mg), Kalzium (Ca) oder eine Mischschicht aus Mg und Silber (Ag) zum Einsatz.

In US 5,093,698 ist die Verwendung von dotierten Ladungsträgertransportschichten (p- Dotierung der HTL durch Beimischung von akzeptorartigen Molekülen, n-Dotierung der ETL durch Beimischung von donatorartigen Molekülen) beschrieben. Unter Dotierung in diesem Sinne ist gemeint, dass durch die Beimischung der Dotiersubstanzen in die Schicht die Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration in dieser Schicht erhöht wird, verglichen mit den reinen Schichten aus einer der zwei beteiligten Substanzen, was sich in einer verbesserten Leitfähigkeit und besseren Ladungsträgerinjektion aus den angrenzenden Kontaktschichten in diese Mischschicht äußert. Nach US 5,093,698 werden die dotierten Schichten als Injektionsschichten an der Grenzfläche zu den Kontaktmaterialien verwendet, dazwischen (oder bei der Verwendung nur einer dotierten Schicht, nächstens zum anderen Kontakt) befindet sich die lichtemittierende Schicht. Aufgrund der durch Dotierung erhöhten Gleichgewichtsladungsträgerdichte und der damit verbundenen Bandverbiegung wird die Ladungsträgerinjektion erleichtert. Die Energielagen der organischen Schichten (HOMO- highest occupied molecular orbital oder hochenergetischste Valenzbandenergie, LUMO- lowest unoccupied molecular orbital oder niederenergetischste Leitungsbandenergie) sollen nach US 5,093,698 so beschaffen sein, daß sowohl Elektronen aus der ETL als auch Löcher aus der HTL ohne weitere Barriere in die EL injiziert werden können, was eine sehr hohe Ionisationsenergie des HTL-Materials und eine sehr geringe Elektronenaffinität des ETL- Materials erfordert. Derartige Materialien sind aber nur schwer dotierbar, da extrem starke Akzeptoren bzw. Donatoren benötigt würden, so dass diese Bedingungen mit in der Realität zur Verfügung stehenden Materialien nicht auf beiden Seiten vollständig erfüllt werden können. Verwendet man nun HTL- bzw. ETL-Materialien, die diese Bedingung nicht erfüllen, kommt es bei angelegter Spannung zu einer Akkumulation von Ladungsträgern in den Transportschichten an den Grenzflächen zur emittierenden Schicht (EL). Eine derartige Akkumulation begünstigt prinzipiell die nichtstrahlende Rekombination der Exzitonen an der Grenzfläche, z. B. durch die Bildung von Exziplexen (diese bestehen aus einem Ladungsträger in der HTL bzw. ETL und dem entgegengesetzten Ladungsträger in der EL). Solche Exziplexe rekombinieren überwiegend nicht-strahlend, so dass die Exziplexbildung einen nichtstrahlenden Rekombinationsmechanismus darstellt. Das Problem der Exziplexbildung verschärft sich zusätzlich, wenn man dotierte HTLs bzw. ETLs verwendet, da in dotierten Materialien die Debysche Abschirmlänge sehr gering ist und damit sehr hohe Ladungsträgerdichten direkt an der Grenzfläche auftreten. Außerdem können Dotanden in unmittelbarer Nachbarschaft der EL zu einer Löschung der Fluoreszenz z. B. durch Förstertransfer führen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Licht emittierendes Bauelement auf Basis dotierter Ladungsträgertransportschichten anzugeben, das mit einer verringerten Betriebsspannung betrieben werden kann und eine erhöhte Lichtemissionseffizienz aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass zwischen der dotierten Ladungsträgertransportschicht und der Licht emittierenden Schicht eine Blockschicht aus einem organischen Material vorgesehen ist.

Die Ladungsträgertransportschicht ist durch eine Beimischung einer organischen oder anorganischen Substanz (Dotand) dotiert. Die Blockschicht befindet sich erfindungsgemäß zwischen der Ladungsträgertransportschicht und einer lichtemittierenden Schicht des Bauelementes, in welcher die Umwandlung der elektrischen Energie der durch Stromfluß durch das Bauelement injizierten Ladungsträger in Licht stattfindet. Die Substanzen der Blockschichten werden erfindungsgemäß so gewählt, daß sie bei angelegter Spannung (in Richtung der Betriebsspannung) aufgrund ihrer Energieniveaus die Majoritätsladungsträger (HTL-Seite: Löcher, ETL-Seite: Elektronen) überwiegend an der Grenzschicht dotierte Ladungsträgertransportschicht/Blockschicht aufhalten, aber die Minoritätsladungsträger effizient an der Grenzschicht Licht emittierende Schicht/Blockschicht aufhalten. Eine vorteilhafte Ausführung einer Struktur einer erfindungsgemäßen OLED beinhaltet folgende Schichten:

1. Träger, Substrat,
2. Basiselektrode, löcherinjizierend (Anode = Pluspol), vorzugsweise transparent,
3. p-dotierte Löcher injizierende und transportierende Schicht,
4. löcherseitige Blockschicht (typischerweise dünner als Schicht 3) aus einem Material, dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt,
5. lichtemittierende Schicht,
6. dünnere elektronenseitige Blockschicht aus einem Material dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt,
7. hoch n-dotierte Elektronen injizierende und transportierende Schicht,
8. Deckelektrode, meist ein Metall mit niedriger Austrittsarbeit, elektroneninjizierend (Kathode = Minuspol),
9. Kapselung, zum Ausschluß von Umwelteinflüssen.

Die Substanzen der Blockschichten werden erfindungsgemäß so gewählt, dass sie bei angelegter Spannung (in Richtung der Betriebsspannung) aufgrund ihrer Energieniveaus effizient Ladungsträger in die lichtemittierende Schicht (EL) injizieren können und an der Grenzfläche zur EL nichtstrahlende Rekombinationsprozesse wie Exziplexbildung unwahrscheinlich sind, Ladungsträger aus der EL aber nicht in die genannte zweite Schicht injiziert werden können. Das bedeutet, daß die Substanzen der Blockschichten erfindungsgemäß so gewählt werden, daß sie bei angelegter Spannung (in Richtung der Betriebsspannung) aufgrund ihrer Energieniveaus die Majoritätsladungsträger (löcherseitig: Löcher, elektronenseitig: Elektronen) überwiegend an der Grenzschicht dotierte Ladungsträgertransportschicht/Blockschicht aufhalten, aber die Minoritätsladungsträger effizient an der Grenzschicht lichtemittierende Schicht/Blockschicht aufhalten.

Es ist auch im Sinne der Erfindung, wenn nur eine Blockschicht Verwendung findet, weil die Bandlagen der injizierenden und transportierenden Schicht und der Lichtemissionsschicht bereits auf einer Seite zueinander passen. Auch kann unter Umständen nur eine Seite (löcher- oder elektronenleitende) dotiert sein. Des weiteren können die Funktionen der Ladungsträgerinjektion und des Ladungsträgertransports in den Schichten 3 und 7 auf mehrere Schichten aufgeteilt sein, von denen mindestens eine dotiert ist. Die molaren Dotierungskonzentrationen liegen typischerweise im Bereich von 1 : 10 bis 1 : 10000. Falls die Dotanden wesentlich kleiner sind als die Matrixmoleküle, können in Ausnahmefällen auch mehr Dotanden als Matrixmoleküle in der Schicht sein (bis 5 : 1). Die Dotanden können organisch oder anorganisch sein. Typische Schichtdicken für die Blockschichten liegen im Bereich 1 nm bis 20 nm, können unter Umständen aber auch dicker sein. Typischerweise sind die Blockschichten dünner als ihre entsprechenden angrenzenden dotierten Schichten. Die Schichtdicken der Blockschichten müssen groß genug sein, um Exziplexbildung zwischen den geladenen Molekülen der Substanzen in den entsprechend angrenzenden Mischschichten und den geladenen Molekülen der elektrolumineszierenden Schicht und Lumineszenzlöschung durch die Dotanden selbst zu verhindern.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Bild 1 eine theoretisch ideale dotierte OLED Struktur;

Bild 2 eine in der Praxis vorhandene dotierte OLED ohne Blockschicht;

Bild 3 eine dotierte OLED mit Blockschichten;

Bild 4 eine nur auf der Löcherseite dotierte OLED mit dortiger Blockschicht.

In Bild 1 ist eine theoretisch ideale Struktur dargestellt, bestehend aus einer Anode 1 (E_A), einer hoch p-dotierten Löcherinjektions- und Transportschicht 2 (E_Vp, E_Cp, E_Fp), einer lichtemittierenden Schicht 4 (E_Vel, E_Cel, E_Fel), einer hoch n-dotierten elektroneninjizierenden und transportierende Schicht 2' (E_Vn, E_Cn, E_Fn) und einer Kathode 5. Mit angelegter Spannung (Anode positiv gepolt) werden Löcher aus der Anode 1 und Elektronen aus der Kathode 5 in Richtung lichtemittierende Schicht 4 injiziert. Da für Löcher an der Grenzfläche p-dotierter Schicht 2 zur lichtemittierenden Schicht 4 keine Barriere auftritt (E_Vp < E_Vel), und für Elektronen an der Grenzfläche n-dotierter Schicht 2' zur lichtemittierenden Schicht 4 ebenfalls nicht (E_Cn < E_Cel), sowie an den Grenzflächen lichtemittierende Schicht 4 zur p- dotierten 2 bzw. n-dotierten Schicht 2' für Elektronen resp. Löcher eine hohe Barriere besteht (E_Cel < E_Cp bzw. E_Vel < E_Vn), sammeln sich die Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in der lichtemittierenden Schicht 4, wo sie effizient Exzitonen bilden und strahlend rekombinieren können. In der Realität sind Schichtkombinationen mit den oben genannten Parametern bis heute nicht zu finden und werden vielleicht nie gefunden werden, da diese Schichten eine Vielzahl von teilweise widerstrebenden Eigenschaften in sich vereinigen müssen. Eine realisierbare Schichtstruktur sieht wie in Bild 2 (schematische Bandlagen) angegeben aus.

Der bisher beste bekannte organische Akzeptor zur p-Dotierung organischer Materialien (Tetra-fluoro-tetracyano-chinodimethan F₄-TCNQ) kann aufgrund seiner Bandlage E_Cpdot Materialien mit einer Valenzbandlage von ca. E_Vp = -5.0. . .-5.3 eV effizient dotieren. Das meistverwendete Material zur Erzeugung von Elektrolumineszenz, Aluminium-tris- quinolinate (Alq₃) hat eine Valenzbandlage von E_Vel = -5.65 eV. Somit werden die in der p- dotierten Schicht 2 geleiteten Löcher an der Grenzfläche zur lichtemittierenden Schicht 4 geblockt (E_Vp < E_Vel). Das gleiche gilt für die Grenzfläche zwischen n-dotierter 2' und lichtemittierender Schicht 4 (E_Cn < E_Cel), da das Leitungsband eines grünen oder blauen Emittermaterials sehr weit vom Valenzband entfernt ist (große Bandlücke E_Cel - E_Vel). Um aber überhaupt noch eine gute Konversionseffizienz zu erreichen, müssen die Bandlagen am Übergang lichtemittierender Schicht 4 zur p-leitenden Schicht 2 für Elektronen und lichtemittierender Schicht 4 zur n-leitenden Schicht 2' für Löcher noch so beschaffen sein, daß Elektronen bzw. Löcher auch dort effizient geblockt werden (E_Cel < E_Cp bzw. E_Vel < E_Vn), wie zuvor für den theoretisch idealen Fall beschrieben. Damit ergibt es sich aber, dass sich bei angelegter Spannung an den Grenzflächen der dotierten Schichten zur lichtemittierenden Schicht 4 Ladungsträger akkumulieren. Bei Akkumulation entgegengesetzter Ladung auf beiden Seiten einer Grenzfläche treten vermehrt nichtstrahlende Rekombinationsprozesse z. B. durch Bildung von Exziplexen auf, was wiederum die Konversionseffizienz von elektrischer in optische Energie verringert. Mit einer LED mit dieser Schichtstruktur kann man also durch Dotierung die Betriebsspannung verringern, aber nur auf Kosten der Effizienz.

Erfindungsgemäß wird der Nachteil der bisherigen Strukturen durch OLEDs mit dotierten Injektions- und Transportschichten in Verbindung mit Blockschichten vermieden. Bild 3 zeigt eine entsprechende Anordnung.

Zwischen der löcherinjizierenden und -leitenden Schicht und der lichtemittierenden Schicht 4 befindet sich hierbei eine weitere Schicht, die löcherseitige Blockschicht 3. Die wichtigsten Bedingungen zur Auswahl dieser Schicht sind: E_Vblockp - E_Vel < 0,3 eV, damit Löcher an der Grenzfläche löcherleitender Blockschicht 3/lichtemittierender Schicht 4 nicht geblockt werden. Weiterhin muß gelten: E_Cblockp < E_Cel, damit Elektronen die lichtemittierende Schicht 4 nicht verlassen können. Analog und mit den selben Argumenten muß auf der Elektronenseite gelten: E_Cblockn - E_Cel < -0,3 eV und E_Vblockn < E_Vel. Da für reale Materialien E_Vp < E_Vel und E_Cn < E_Cel gilt, werden also nun Löcher an der Grenzfläche p-dotierter Schicht 2 - löcherseitiger Blockschicht 3 und an der Grenzfläche lichtemittierender Schicht 4/elektronenseitiger Blockschicht 3' schwach geblockt, Elektronen an den Grenzflächen n-dotierter Schicht 2' zur elektronenseitigen Blockschicht 3' und lichtemittierenden Schicht 4 zur löcherseitigen Blockschicht 3. Somit sind die Ladungsträger verschiedener Polarität jeweils durch die Dicke der Blockschichten 3, 3' räumlich getrennt. Da diese Trennung bereits über einige Molekülmonolagen sehr effizient Exziplexbildung verhindert, reicht eine sehr geringe Schichtdicke von einigen nm für die Blockschichten 3, 3' aus. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass sich in unmittelbarer Nähe der Exzitonen in der lichtemittierenden Schicht 4 keine Dotanden mehr befinden, so dass eine Lumineszenzlöschung durch die Dotanden ausgeschlossen ist.

Diese Anordnung zeichnet sich durch folgende Vorzüge aus:

- eine hohe Ladungsträgerdichte beider Arten in der lichtemittierenden Schicht 4 bereits bei kleinen Spannungen,
- hervorragende Injektion der Ladungsträger von Anode 1 und Kathode 5 in die p- und n- dotierten Ladungsträgertransportschichten 2, 2',
- hervorragende Leitfähigkeiten in den dotierten Schichten,
- aufgrund ihrer geringen Dicke nur geringe Spannungsverluste in den Blockschichten 3, 3',
- keine Bildung von Exziplexen, wegen räumlicher Trennung der Ladungsträger unterschiedlicher Polarität,
- kein Quenching durch Dotanden.

Dies zusammen führt zu hohen Konversionseffizienzen bei niedriger Betriebsspannung für OLEDs mit dieser Schichtstruktur. Dabei können für die lichtemittierende Schicht 4 auch aus der Literatur bekannte Mischschichten eingesetzt werden, welche die Rekombinationseffizienz der Exzitonen steigern, oder die ebenfalls bekannten phosphoreszierenden Materialsysteme mit ihrer höheren Quanteneffizienz.

Erfindungsgemäß ist es natürlich auch, nur auf einer Seite (Löcher oder Elektronenseite) dotierte Schichten in Kombination mit einer oben beschriebenen Blockschicht (nur einer) zu verwenden (Bild 4).

Die erfindungsgemäße Schichtfolge führt zwangsläufig zu einer stufenweisen Erhöhung der Transportniveaus E_A < E_Vp < E_Vblockp auf der Löcherseite bzw. umgekehrt einer stufenweisen Erniedrigung der Transportniveaus E_K < E_Cn < E_Cblockn auf der Elektronenseite. Die energetischen Verhältnisse in der erfindungsgemäßen Struktur (wie oben dargelegt) werden aus folgenden Gründen so gewählt: Das Problem der Injektionsbarriere vom Kontakt in die Transportschichten wird durch die Bandverbiegung in den dotierten Schichten und damit durch Tunnelinjektion gelöst, so dass die Energieniveaus hierfür weitgehend irrelevant werden. Die Energieniveaus der zu dotierenden Schichten werden aufgrund der begrenzten Stärke der zur Verfügung stehenden Dotanden wie oben beschrieben gewählt, während die Energieniveaus der Blockschichten dazu dienen, die Exziplexbildung zu verhindern.

Als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel soll hier eine Lösung entsprechend Bild 4 angegeben werden, bei der nur auf der Löcherseite die Kombination aus p-dotierter Injektions- und Transportschicht und Blockschicht eingesetzt wird. Die OLED weist folgende Schichtstruktur auf:

1. Anode 1: Indium-Zinn-Oxid (ITO)
2. p-dotierte Schicht 2: 100 nm Starburst TDATA 50 : 1 dotiert mit F₄-TCNQ
3. löcherseitige Blockschicht 3: 10 nm Triphenyldiamin (TPD)
4. lichtemittierende und (in diesem Fall) herkömmliche elektronenleitende Schicht 6: 65 nm Alq3
5. Kathode 5: 1 nm LiF in Kombination mit Aluminium (LiF verbessert die Injektion am Kontakt).

Die p-dotierte Schicht 2 wurde in einem Aufdampfprozeß im Vakuum in Mischverdampfung hergestellt. Prinzipiell können solche Schichten auch durch andere Verfahren hergestellt werden, wie z. B. einem Aufeinanderdampfen der Substanzen mit anschließender möglicherweise temperaturgesteuerter Diffusion der Substanzen ineinander; oder durch anderes Aufbringen (z. B. Aufschleudern) der bereits gemischten Substanzen im oder außerhalb des Vakuums. Die Blockschicht 3 wurde ebenfalls im Vakuum aufgedampft, kann aber auch anders hergestellt werden, z. B. durch Aufschleudern innerhalb oder außerhalb des Vakuums.

Die Energielagen der HOMO und LUMO-Energien betragen:

1. ITO Austrittsarbeit EA ≈ 4.6 eV (sehr präparationsabhängig)
2. TDATA: E_Vp = -5.1 eV, E_Cp ≈ 2.6 eV
3. TPD: E_Vblockp = -5.4 eV, E_Cblockp = -2.3 eV
4. Alq3: E_Vel = -5.65 eV, E_Cel = -2.9 eV
5. Al: E_K = -4.3 eV.

Bei dieser Anordnung sind die Forderungen E_Vblockp - E_Vel < 0,3 eV (0.25 eV Differenz) und E_Cblockp < E_Cel (0.6 eV), sowie E_Vp < E_Vblockp (0.3 eV) erfüllt. Diese OLED weist bei 3.4 V eine Lumineszenz von 100 cd/m² auf, mit einer Effizienz von 2 cd/A. Mit einer undotierten Schicht TDATA werden 100 cd/m² erst bei ca. 7.5 V erzielt. Bei einer OLED wie oben beschrieben, aber ohne TPD-Blockschicht betragen die Kenndaten: 8 V für 100 cd/m² und eine um den Faktor 10 schlechtere Effizienz!

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, wie wirkungsvoll die Kombination aus dotierter Transportschicht und Blockschicht hinsichtlich der Optimierung von Betriebsspannung und Lichtemissionseffizienz ist.

Bezugszeichenliste

E_A

Austrittsarbeit der Anode
E_Vp

höchstes besetztes molekulares Energieniveau (im Valenzband, HOMO) der Injektions- und Transportschicht für Löcher
E_Cp

niedrigstes unbesetztes molekulares Energieniveau (Leitungsband bzw. LUMO) der Injektions- und Transportschicht für Löcher
E_Cpdot

LUMO Energie des p-dotierenden Materials (Akzeptor)
E_Fp

Ferminiveau der p-dotierten Schicht
E_Vblockp

HOMO Energie der löcherseitigen Blockschicht
E_Cblockp

LUMO Energie der löcherseitigen Blockschicht
E_Fblockp

Ferminiveau der löcherseitigen Blockschicht
E_Vel

HOMO Energie der lichtemittierenden Schicht
E_Cel

LUMO Energie der lichtemittierenden Schicht
E_Fel

Ferminiveau der lichtemittierenden Schicht
E_Vblockn

HOMO Energie der elektronenseitigen Blockschicht
E_Cblockn

LUMO Energie der elektronenseitigen Blockschicht
E_Fblockn

Ferminiveau der elektronenseitigen Blockschicht
E_Vn

HOMO Energie der Injektions- und Transportschicht für Elektronen
E_Cn

LUMO Energie der Injektions- und Transportschicht für Elektronen
E_Vndot

HOMO Energie des n-dotierenden Materials (Donor)
E_Fn

Ferminiveau der Injektions- und Transportschicht für Elektronen
E_K

Austrittsarbeit der Kathode

1

Anode

2

Löchertransportschicht

2

' Elektronentransportschicht

3

löcherseitige Blockschicht

3

' elektronenseitige Blockschicht

4

lichtemittierende Schicht

5

Katode

6

elektronentransportierende und lichtemittierende Schicht

Claims

1. Lichtemittierendes Bauelement mit organischen Schichten, insbesondere organische Leuchtdiode, bestehend aus wenigstens einer dotierten Ladungsträgertransportschicht (2), einer Licht emittierenden Schicht (4) und Kontaktschichten (1, 5), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ladungsträgertransportschicht (2) und der lichtemittierenden Schicht (4) eine Blockschicht (3) aus einem organischen Material vorgesehen ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement besteht aus einer löcherinjizierenden Anode (1), einer Löchertransportschicht (2) zur Löcherleitung aus einer organischen Hauptsubstanz und akzeptorartiger Dotierungssubstanz, einer ersten organischen löcherseitigen Blockschicht (3), einer lichtemittierenden Schicht (4), einer zweiten organischen elektronenseitigen Blockschicht (3'), einer Elektronentransportschicht (2') zur Elektronenleitung aus einer organischen Hauptsubstanz und donatorartiger Dotierungssubstanz, und einer Kathode (5) zur Elektroneninjektion.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Anode (1) und Kathode (5) metallisch sind.

4. Bauelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge aus Löchertransportschicht (2), Blockschicht (3) und lichtemittierender Schicht (4) mehrfach vorgesehen ist.

5. Bauelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende Schicht (4) aus mehreren Schichten besteht.

6. Bauelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anode (1) und der Löchertransportschicht (2) und/oder zwischen Elektronentransportschicht (2') und Kathode (5) jeweils eine kontaktverbessernde Schicht vorgesehen ist.

7. Bauelement nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die molare Konzentration der Beimischung in der Löchertransportschicht (2) und/oder in der Elektronentransportschicht (2') im Bereich 1 : 100000 bis 5 : 1, bezogen auf das Verhältnis Dotierungsmoleküle zu Hauptsubstanzmoleküle liegt.

8. Bauelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicken Löchertransportschicht (2) und/oder der Elektronentransportschicht (2') und der Blockschichten (3, 3') im Bereich 0.1 nm bis 50 µm liegt.

9. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockschicht (3; 3') dünner als ihre entsprechenden angrenzenden dotierten Schichten ist.

10. Bauelement nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockschicht (3; 3') hinsichtlich angrenzender Energielagen so bemessen ist, dass die Majoritätsladungsträger zum überwiegenden Teil an der Grenzfläche Ladungsträgertransportschicht/Blockschicht und die Minoritätsträger an der Grenzfläche lichtemittierende Schicht/Blockschicht aufgehalten werden.

11. Bauelement nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Blockschicht (3; 3') so bemessen ist, dass die Exziplexbildung zwischen den geladenen Molekülen der Substanzen in der entsprechend angrenzenden Transportschicht (2; 2') und den geladenen Molekülen der elektrolumineszierenden Schicht und Lumineszenzlöschung durch die Dotanden verhindert wird.

12. Bauelement nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieniveaus der Schichten wie folgt definiert sind,

a) E_Vp, E_Cp: höchstes besetztes Energieniveau (entspricht dem Valenzband) bzw. niedrigstes unbesetztes Energieniveau (entspricht dem Leitungsband) der Hauptsubstanz der löcherleitenden Mischschicht;
b) E_Vblockp, E_Cblockp: höchstes besetztes Energieniveau (Valenzband) bzw. das niedrigstes unbesetztes Energieniveau (Leitungsband) der löcherseitigen Blockschicht;
c) E_Velp, E_Celp: höchstes besetztes Energieniveau (Valenzband) bzw. niedrigstes unbesetztes Energieniveau (Leitungsband) der elektrolumineszierenden Schicht (auf der Seite der Löcherinjektion) sind;
d) E_Veln, E_Celn: höchstes besetztes Energieniveau (Valenzband) bzw. niedrigstes unbesetztes Energieniveau (Leitungsband) der elektrolumineszierenden Schicht (auf der Seite der Elektronenjektion), wobei im typischen Falle einer elektrolumineszierenden Schicht aus nur einer Schicht gilt: E_Velp = E_Veln, E_Celp E_Celn;
e) E_Vblockn, E_Cblockn: höchstes besetztes Energieniveau (Valenzband) bzw. niedrigstes unbesetztes Energieniveau (Leitungsband) der elektronenseitigen Blockschicht;
f) E_Vn, E_Cn: höchstes besetztes Energieniveau (Valenzband) bzw. das niedrigstes unbesetztes Energieniveau (Leitungsband) der Hauptsubstanz der elektronenleitenden Mischschicht;

wobei

a) E_Vblockp - E_Velp < 0,3 eV; E_Cblockn - E_Celn < 0,3 eV,
b) E_Cblockp < E_Celp; E_Vblockn < E_Veln (größer/kleiner einige kT bei Raumtemperatur)
c) falls E_Vp < E_Velp bzw. E_Cn < E_Celn gilt, soll auch gelten: E_Vp < E_Vblockp bzw. E_Cn < E_Cblockn (größer/kleiner einige kT bei Raumtemperatur).

13. Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die genannten Energieniveaus auf einen zusammengefügten Zustand der Schichten beziehen.