DE102004022004A1

DE102004022004A1 - Schichtanordnung für eine organische lichtemittierende Diode

Info

Publication number: DE102004022004A1
Application number: DE102004022004A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Blochwitz-Nimoth; Jan Dr. Birnstock
Original assignee: NovaLED GmbH
Current assignee: NovaLED GmbH
Priority date: 2004-05-03
Filing date: 2004-05-03
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-05-04
Also published as: WO2005106987A1; CN1950960A; JP2007536717A; KR20070009730A; DE102004022004B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schichtanordnung für eine organische lichtemittierende Diode (OLED) in top-emittierender Ausführung sowie eine Anzeigeeinrichtung und eine Beleuchtungseinrichtung mit der Schichtanordnung. Die Schichtanordnung umfaßt eine untere Elektrode (A), eine obere Elektrode (K), die transparent ist, und einen organischen Schichtbereich (O), welcher in Kontakt mit der unteren und der oberen Elektrode (A; K) zwischen den beiden Elektroden (A; K) angeordnet ist und in dem mittels Rekombination von Elektronen und Löchern Licht erzeugt werden kann, das durch die obere Elektrode (K) austritt, wobei die untere Elektrode (A) einen Schichtaufbau aufweist, bei dem eine untere Elektrodenschicht eine Metallschicht ist. Im Schichtaufbau der unteren Elektrode (A) ist auf der Metallschicht eine Schutz- und Modifikations-Schicht angeordnet, die mit dem organischen Schichtbereich (O) in Kontakt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit einer organischen lichtemittierenden Diode (OLED) sowie eine Anzeigeeinrichtung und eine Beleuchtungseinrichtung unter Verwendung der Anordnung.
Die graphische Darstellung von Informationen spielt in vielen Bereichen des täglichen Lebens eine immer größere Rolle. Zunehmend werden technische Geräte mit Anzeigeeinrichtungen verschiedener Größe ausgestattet, die zur Unterhaltung oder Information der Nutzer dienen. Der Anspruch an die Qualität der Bildausgabe steigt stetig.
Die Mehrheit der heute verwendeten Anzeigeeinrichtungen beruht auf dem Prinzip der Kathodenstrahlröhre oder der Flüssigkristallanzeige. Darüber hinaus existieren weitere Flachdisplaytechnologien wie Plasma-, Elektrolumineszenz-, Vakuumfluoreszenz- oder Feldemissionsdisplay. Mit den Anzeigen auf Basis organischer lichtemittierender Dioden ist in den letzten Jahren eine ernst zu nehmende Konkurrenz für die etablierten Technologien erwachsen. Brilliante Farben, exzellenter Kontrast, Selbstemissionsvermögen, schnelle Schaltzeiten auch bei tiefen Temperaturen, weiter Betrachtungswinkel und großer Füllfaktor sind die Vorzüge dieser Technologie. Neben Displays finden OLEDs auch Anwendung in Beleuchtungselementen. Der Vorteil von OLEDs besteht hierbei in ihren hohen Energieeffizienzen, ihren niedrigen Betriebsspannungen sowie der Möglichkeit, flächig emittierende Bauelemente in beliebigen Farben herzustellen.
Organische Leuchtdioden sind im Gegensatz zu anorganischen lichtemitierenden Dioden flächige Bauelemente. Bei OLEDs ist zwischen zwei Elektroden, von denen zumindest eine transparent sein muß, ein organischer Schichtbereich mit einer oder mehreren Schichten aus organischem Material eingebettet. Für die transparente der beiden Elektroden werden in der Regel leitfähige Oxide verwendet, so genannte TCOs ("transparent conductive oxides"). Ist die Elektrode zwischen einem Substrat, auf dem die Elektroden und der organische Schichtbereich angeordnet sind, und organischem Schichtbereich (untere Elekrode) transparent, spricht man von einer "Bottom-Emission-OLED", ist die andere Elektrode (obere Elektrode) transparent, handelt es sich um eine "Top-Emission-OLED". Auch Bauteile, in denen beide Elektroden transparent sind, können gebildet werden. Die Erzeugung des emittierten Lichtes erfolgt bei allen verschiedenen Bauweisen in einer sogenannten Emissionszone aufgrund von strahlender Rekombination von Elektronen und Defektelektronen (Löchern). Durch die transparente(n) Elektrode(n) hindurch verläßt das Licht das Bauteil.
Die untere Elektrode, die sich auf dem Substrat befindet, muß eine ganze Reihe von Eigenschaften erfüllen. Für bottom-emittierende Bauteile ist zum Beispiel mit ITO eine befriedigende Lösung gefunden worden. Für top-emittierende Bauteile dagegen gestaltet sich die Auswahl eines geeigneten Elektrodenmaterials schwierig. Top-emittierende OLEDs werden benötigt, um OLEDs zum Beispiel in so genannte Backplanes (bildet das Substrat) von Aktiv-Matrix-Anzeigen integrieren zu können. Dazu werden die Backplanes mit ihrer TFT-Elektronik-Schaltung (TFT – "thin film transistor") und einem abschließenden Kontakt vorzugsweise in einer Fabrik für amorphe-Si (a-Si) oder polykristalline-Si (poly-Si) Backplane-Herstellung gefertigt. Dann werden sie zum Ort der OLED Herstellung transportiert, bevorzugt in Luft. Die OLED wird dann auf den abschließenden oberen Kontakt der Backplane aufgebracht, zum Beispiel mittels Aufdampfen im Vakuum. Der obere Kontakt der Backplane bildet dabei den Grundkontakt für die OLED. Bereiche zwischen den Anzeigeelementen einer derart gefertigten Anzeigeeinrichtung werden mit Hilfe einer strukturierten Isolationsschicht voneinander getrennt. Die Isolationsschicht wird auch in der a-Si- oder poly-Si-Fabrik hergestellt.

Aus dem Dokument US 2002/0117962 A1 ist eine Schichtanordnung mit einer OLED in topemittierender Ausführung bekannt. Die obere Elektrode der OLED ist eine transparente Kathode. Die untere, auf einem Substrat angeordnete Anode der OLED ist mit Hilfe von mehreren Schichten gebildet. Auf dem Substrat ist eine Metallschicht angeordnet, bei der es sich auch um einen Stapel von mehreren Metallschichten handeln kann. Für die Metallschicht werden unterschiedliche Metalle oder Legierungen vorgeschlagen, mit denen eine für die OLED geeignete Anode gebildet werden kann. Die Metallschicht weist ein für Licht des sichtbaren Spektrums exzellentes Reflexionsvermögen auf. Auf die Metallschicht ist eine Barrierenschicht aufgebracht, die ebenfalls mehrschichtig ausgeführt sein kann. Das Material der Barrierenschicht kann leitend oder isolierend sein. Mit Hilfe der Barrierenschicht wird die Metallschicht von einer auf der Barrierenschicht angeordneten Anoden-Modifikationsschicht physikalisch und chemisch getrennt. Auch das Material für die Anoden-Modifikationsschicht kann leitend oder isolierend sein. Mit Hilfe der Anoden-Modifikationsschicht wird die Austrittsarbeit für die Löcher aus der Anode eingestellt und eine stabile Grenzfläche zum darüber befindlichen organischen Schichtbereich ermöglicht. In dem Dokument US 2002/0117962 A1 sind verschiedene Ausführungsformen für Materialien sowie Schichtdicken sowohl für die Metallschicht als auch die Barrierenschicht und die Anoden-Modifikationsschicht beschrieben. Der mehrschichtige Aufbau der Anode bei der bekannten OLED verkompliziert den Herstellungsprozeß.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine verbesserte Schichtanordnung für eine OLED sowie eine verbesserte Anzeigeeinrichtung/Beleuchtungseinrichtung unter Verwendung der Anordnung zu schaffen, die mit vermindertem Aufwand und kostengünstig herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Schichtanordnung nach dem unabhängigen Anspruch 1, eine Anzeigeeinrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 19, eine Beleuchtungseinrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 20 sowie ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 21 gelöst.

Die Erfindung umfaßt den Gedanken, eine Schichtanordnung für eine organische lichtemittierende Diode (OLED) in top-emittierender Ausführung vorzusehen, mit einer unteren Elektrode, einer oberen Elektrode, die transparent ist, und einem organischen Schichtbereich, welcher in Kontakt mit der unteren und der oberen Elektrode zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist und in dem mittels Rekombination von Elektronen und Löchern Licht erzeugt werden kann, das durch die obere Elektrode austritt, wobei die untere Elektrode einen Schichtaufbau aufweist, bei dem eine untere Elektrodenschicht eine Metallschicht ist, wobei im Schichtaufbau der unteren Elektrode auf der Metallschicht eine Schutz- und Modifikationsschicht angeordnet ist, die mit dem organischen Schichtbereich in Kontakt ist.

Ein wesentlicher Vorteil, welcher mit Hilfe der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik erreicht ist, besteht darin, daß der Schichtaufbau der unteren Elektrode bei einer topemittierenden OLED einfacher ist und darüber hinaus noch die im folgenden beschriebenen vielfältigen Anforderungen an eine solche Kontaktschicht besser erfüllt werden.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß auch mit dem dargestellten Schichtaufbau der unteren Elektrode die folgenden vorteilhaften Eigenschaften mit Hilfe einer geeigneten Wahl von Materialien und Dicken für die Schichten der unteren Elektrode erreicht werden können:

i. hohes Reflexionsvermögen für Licht im sichtbaren Spektralbereich,
ii. niedriger elektrischer Widerstand,
iii. geringe Rauhigkeit,
iv. Anpaßbarkeit der Austrittsarbeit für die injizierten Ladungsträger hinsichtlich des organischen Schichtbereiches,
v. Vermeiden der Bildung von Obverflächenschichten unter normalen Umwelteinflüssen (Sauerstoff, Feuchtigkeit), die die Eigenschaften der OLED auf diesem Schichtsystem vermindern, zum Beispiel aufgrund von Barrierebildung für Ladungsträgerinjektion aus den Kontaktschichten in die Schichten der OLED, und
vi. Strukturierbarkeit der Elektrode.

Sämtliche dieser vorteilhaften Eigenschaften oder eine beliebige Unterkombination einzelner Eigenschaften sind bei der erfindungsgemäßen Schichtanordnung und der erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung/Beleuchtungseinrichtung realisierbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Schichtaufbaus für eine untere Elektrode einer top-emittierenden OLED;

2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer Anzeigeeinrichtung mit OLEDs unter Verwendung einer unteren Elektrode gemäß 1;

3A und 3B schematische Querschnittsdarstellungen eines Schichtaufbaus mit einer OLED in normaler Bauweise und invertierter Bauweise, wobei ein organischer Schichtbereich einschichtig ausgeführt ist;

4A und 4B schematische Querschnittsdarstellungen eines Schichtaufbaus mit einer OLED in normaler Bauweise und invertierter Bauweise, wobei ein organischer Schichtbereich mehrschichtig ausgeführt ist;

5A und 5B schematische Querschnittsdarstellungen eines Schichtaufbaus mit einer OLED in normaler Bauweise und invertierter Bauweise, wobei ein organischer Schichtbereich eine p-dotierte Löchertransportschicht und eine n-dotierte Elektronentransportschicht aufweist; und

6A und 6B schematische Querschnittsdarstellungen eines Schichtaufbaus mit einer OLED in normaler Bauweise und invertierter Bauweise, wobei ein organischer Schichtbereich eine p-dotierte Löchertransportschicht, eine n-dotierte Elektronentransportschicht sowie Zwischenschichten aufweist.

1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Schichtaufbaus für eine untere Elektrode 10 in einer top-emittierenden OLED. Im folgenden werden die Schichten des in 1 dargestellten Schichtaufbaus näher erläutert. Der Schichtaufbau für die untere Elektrode 10 gemäß 1 umfaßt die folgenden Schichten:
(a) Eine Schicht aus Metall
Es ist eine Schicht 11a aus Metall als unterste Schicht mit einer Dicke zwischen 10 nm und 500 nm, bevorzugt zwischen 40 nm und 150 nm vorgesehen, die folgende Eigenschaften aufweist:

– Die Leitfähigkeit ist so groß, daß ein vorgegebener Strom ohne zu hohen Spannungsabfall transportiert werden kann. Der Spannungsabfall ist kleiner als etwa 0.2 V.
– Typischerweise ist der Flächenwiderstand der Metallschicht 11a kleiner als 10 Ω/sq., bevorzugt kleiner 1 Ω/sq.
– Die Rauhigkeit ist gering. Typischerweise geringer als 2 nm RMS, bevorzugt kleiner als 1 nm RMS.

Diese Eigenschaften werden erreicht, indem die Metalle wie Cr, Ti, Mo, Ta oder dergleichen, oder Mischungen hiervon, zum Beispiel CrMo, verwendet werden. Auch Al kann als Material verwendet werden, wenn die Schichtdicke kleiner 75 nm ist. Die Metallmaterialien werden mittels Sputtern, thermischen Verdampfen oder Elektronenstrahlverdampfen prozessiert.
Die Schicht 11a ist bevorzugt aus dem gleichen Material, welches bei Verwendung einer OLED mit einer unteren Elektrode, die erfindungsgemäß ausgeführt ist, in einer Anzeigeeinrichtung oder einer Beleuchtungseinrichtung in einer Backplane für Kontaktanschlüsse verwendet wird, die den Strom zu den Anzeigeelementen mit der OLED leiten. Diese Kontaktanschlüsse weisen typischerweise eine Dicke von etwa 150 nm auf.
(b) Weitere Schicht aus Metall
Gemäß 1 ist eine weitere Schicht 11b aus Metall mit einer Dicke zwischen etwa 5 nm und 80 nm, bevorzugt zwischen etwa 15 nm und 40 nm vorgesehen. Die weitere Schicht 11b bildet in einem Stapel gemeinsam mit der Schicht 11a eine Metallschicht 12 für die untere Elektrode 10. Die Metallschicht 12 weist die folgenden Eigenschaften auf:

– Das Reflexionsvermögen ist größer als etwa 50%, bevorzugt größer als etwa 80%.
– Die Leitfähigkeit ist so hoch, daß ein vorgegebener Strom ohne zu hohen Spannungsabfall transportieren kann. Der Spannungsabfall ist kleiner als etwa 0.2 V. Typischerweise ist der Flächenwiderstand der aus den Schichten 11a und 11b gebildeten Metallschicht 12 kleiner als etwa 10 Ω/sq., bevorzugt kleiner als etwa 1 Ω/sq.
– Die Rauhigkeit ist gering, typischerweise geringer als etwa 2 nm RMS, bevorzugt kleiner als etwa 1 nm RMS.

Die weitere Schicht 11b aus Metall weist ein hohes Reflexionsvermögen auf. Geeignete Metalle sind zum Beispiel Al, Ag oder Legierungen mit einem hohen Anteil (> 50%) der reflektierenden Materialien, zum Beispiel AlTi-Legierungen. Das Material für die weitere Schicht 11b wird mittels Sputtern, thermischen Verdampfen oder Elektronenstrahlverdampfen prozessiert. Mit Hilfe einer geringen Schichtdicke der weiteren Schicht 11b wird gewährleistet, das die Gesamt-Rauhigkeit des Stapels für die Metallschicht 12 noch unter etwa 2 nm RMS, bevorzugt unter etwa 1 nm RMS liegt.
(c) Schutz- und Modifikations-Schicht
Nach 1 ist weiterhin eine Schutz- und Modifikations-Schicht 13 aus einem Metall, einem Oxid oder einem Nitrid mit einer Dicke zwischen etwa 2 nm und etwa 50 nm vorgesehen, bevorzugt zwischen etwa 5 nm und 30 nm. Der Stapel mit der Metallschicht 12 und der Schutz- und Modifikations-Schicht 13 weist folgende Eigenschaften auf:

– Der Schichtaufbau mit der Metallschicht 12 und der Schutz- und Modifikations-Schicht 13 läßt sich strukturieren, zum Beispiel mittels Ätzen.
– Mittels geeigneter Wahl des Materials für die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 ist die Austrittsarbeit des Stapels an einen folgenden organischen Schichtbereich angepaßt.
– Die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 schützt die unten liegenden Schichten 11a, 11b, indem ein Oxidieren verhindert ist.
– Das Reflexionsvermögen ist größer als etwa 50%, bevorzugt größer als etwa 80%.
– Die Leitfähigkeit der Schicht ist so hoch, daß sie einen vorgegebenen Strom ohne zu hohen Spannungsabfall transportieren kann. Der Spannungsabfall ist kleiner als etwa 0.2 V. Typischerweise ist der Flächenwiderstand des Stapels kleiner als etwa 10 Ω/sq., bevorzugt kleiner als etwa 1 Ω/sq.
– Die Rauhigkeit ist gering, typischerweise geringer als etwa 2nm RMS, bevorzugt kleiner als etwa 1 nm RMS.

Die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 schützt also die darunter liegenden Schichten 11a, 11b vor Oxidation bei Transport der Backplane und vor Degradation bei der weiteren Verarbeitung. Diese Eigenschaften können erreicht werden, indem für die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 zum Beispiel die folgenden Materialien verwendet werden: Ti_yN_x, ITO, Cr, Mo, Ta, Ti, Ni, Ni_yO_x, Ti_yO_n, Ni_yN_X, Pd_yO_x, Pt_yO_x, Pd_yN_x, Pt_yN_x und weitere, wobei x und y gegebenenfalls im Bereich von 1..4 liegen. Die Materialien werden mittels Sputtern, thermischen Verdampfen oder Elektronenstrahlverdampfen prozessiert.
Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Schicht 11a aus Mo oder Cr, die weitere Schicht 11b aus Al oder Ag und die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 aus TiN oder TiO_x.
Bei der Ausführungsform nach 1 umfaßt die Metallschicht 12 die Schicht 11a und die weitere Schicht 11b, die vorhergehend jeweils im Detail beschrieben sind. Eine alternative Ausführungsform (nicht dargestellt) der unteren Elektrode 10 unterscheidet sich hiervon dadurch, daß die Metallschicht 12 einschichtig ausgeführt ist. Die einschichtige Metallschicht wird mittels geeigneter Wahl von verwendetem Material und Schichtdicke dann so ausgeführt, daß sie als Einzelschicht die oben für die Metallschicht 12 beschriebenen Merkmale aufweist, beispielsweise hinsichtlich des Reflexionsvermögens, der Leitfähigkeit und der Rauhigkeit.
In einer Ausführungsform bei Verwendung in einer Anzeigeeinrichtung oder einer Beleuchtungseinrichtung wird der Stapel mit den Schichten 11a, 11b vor dem Aufbringen der Schutz- und Modifikations-Schicht 13 strukturiert. Die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 wird dann unstrukturiert aufgebracht.
Die Funktionalität der unteren Elektrode 10 kann auch erhalten bleiben, wenn die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 nicht strukturiert ist. Die Querleitfähigkeit der Schutz- und Modifikations-Schicht 13 muß dann so gering sein, daß bei Verwendung der unteren Elektrode 10 für OLEDs in einer Anzeige- oder einer Beleuchtungseinrichtung kein Kurzschluß zweier benachbarter Anzeige-/Beleuchtungselemente (Pixel) hervorgerufen wird (Cross-Talk gering).
In einem Backplane-Fertigungsprozeß zum Herstellen einer Anzeige- oder einer Beleuchtungseinrichtung wird der Stapel mit der Schicht 11a, der weiteren Schicht 11b und der Schutz- und Modifikations-Schicht 13 großflächig aufgetragen, dann lateral strukturiert, zum Beispiel mittels eines Ätzprozesses. Die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 schützt die Schichten 11a, 11b vor Schaden bei der weiteren Bearbeitung. Wenn kein Ätzprozeß zur Verfügung steht, mit dem der Stapel mit der Schicht 11a, der weiteren Schicht 11b und der Schutz- und Modifikations-Schicht 13 gemeinsam strukturiert werden kann, können alternativ die folgenden Prozeßvarianten vorgesehen sein:

(1) Schicht 11a auftragen und strukturieren. Danach werden die weitere Schicht 11b und die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 aufgetragen und zusammen strukturiert.
(2) Es werden die Schicht 11a und die weitere Schicht 11b aufgetragen und zusammen strukturiert. Danach wird die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 ohne Strukturierung aufgetragen. Dann muß allerdings die Querleitfähigkeit der Schutz- und Modifikations-Schicht 13 klein sein.
(3) Es werden die Schicht 11a und die weitere Schicht 11b aufgetragen und zusammen strukturiert. Danach wird die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 aufgetragen und strukturiert.

Es ist vorteilhaft, Teile eines unteren OLED-Kontaktes, nämlich die untere Elektrode 10, auch dafür zu verwenden, die Anschlußstellen (Kontaktpads) für die äußere Elektronik zu bilden. Um dieses zu erreichen, bestehen die folgenden Möglichkeiten:

a) Die Schicht 11a wird so strukturiert, daß diese auch seitliche Display-Anschlüsse zur Verbindung des Displays mit einer externen Ansteuerelektronik bildet. Diese Anschlüsse werden gewöhnlich mittels Bonden von Flachkabeln ausgeführt.
b) Die unter a) erläuterte Art der Strukturierung kann auch erfolgen, nachdem die Schicht 11a und die weitere Schicht 11b, also die Metallschicht 12, aufgetragen worden sind.
c) Alternativ werden die Metallschicht 12 und die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 aufgetragen und jeweils einzeln oder zusammen so strukturiert werden, daß die Schichtkombination auch die Anschlüsse für die äußere Elektronik bilden.

Ein Vorgehen nach den Prozeßvarianten (2) und (3) setzt voraus, daß ein Schaden an der weiteren Schicht 11b, welcher beim Strukturieren der Schicht 11a und der weiteren Schicht 11b entsteht, so gering ist, daß Ladungsträger immer noch effektiv von der weiteren Schicht 11b in die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 injiziert werden können. Darüber hinaus darf die weitere Schicht 11b nicht beschädigt werden, wenn die Schutz- und Modifikations-Schicht 13 strukturiert wird (Prozeßvariante 3).
Ein Schichtaufbau für die untere Elektrode 10, wie er unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, kann sowohl in Verbindung mit einer OLED in normaler Bauweise, bei der die untere Elektrode als Anode gebildet ist und Licht durch eine oben liegende transparente Kathode emittiert wird, als auch bei einer OLED mit invertiertem Aufbau verwendet werden, bei der mit Hilfe der unteren Elektrode die Kathode gebildet ist und Licht durch eine oben liegende transparente Anode emittiert wird. Eine OLED mit einer derart gestalteten unteren Elektrode kann insbesondere für eine Anzeigeeinrichtung 20 mit Anzeigeelementen 20a, 20b verwendet werden, wie es in 2 dargestellt ist.
2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung des Anzeigeelements 20, bei der auf einem Substrat 21 eine Rückschicht 22 angeordnet ist, die einerseits als Passivierungsschicht dient und in der andererseits elektronische Bauelemente gebildet sind, die zur Ansteuerung von OLEDs 23, 24 dienen. Die Rückschicht 22 ist beispielsweise basierend auf der bekannten Si-Elektronik ausgeführt, also mit strukturierten oder unstrukturierten Schichten aus dotiertem oder undotiertem Si und strukturierten oder unstrukturierten Passivierungsschichten aus Oxiden oder Nitriden von Si. Auf die Rückschicht 22 sind untere Elektroden 23a, 24a für die OLEDS 23, 24 aufgebracht. Die unteren Elektroden 23a, 24a sind entsprechend einer der Ausführungsformen ausgestaltet, wie sie oben in Verbindung mit 1 im Detail erläutert wurden. Die unteren Elektroden 23a, 24a stehen mit einem jeweiligen organischen Bereich 23b, 24b in Verbindung, in welchem Licht 25 emittiert wird. Oberhalb der organischen Bereiche 23b, 24b erstreckt sich eine obere Elektrode 26. Des weiteren ist gemäß 2 eine strukturierte Isolationsschicht 27 vorgesehen.
Die Verwendung der unteren Elektrode 10 wurde in 2 für eine Anzeigeeinrichtung 20 beschrieben. Die Ausführungen gelten für eine Beleuchtungseinrichtung unter Verwendung mehrerer OLEDs mit der unteren Elektrode nach 1 entsprechend.
Unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 werden im folgenden Ausführungsformen für eine Anordnung mit einer OLED beschrieben, bei der die untere Elektrode 10 nach einer der unter Bezugnahme auf 1 erläuterten Ausführungsformen gebildet ist, nämlich als Schichtaufbau mit der Metallschicht 12, die ein- oder mehrschichtig ausgeführt sein kann, und der Schutz- und Modifikations-Schicht 13. Der Schichtaufbau ist in den 3 bis 6 mittels Stri chen in Längsrichtung der jeweiligen unteren Elektrode schematisch angedeutet. Die beschriebenen Anordnungen in den 3 bis 6 können in Verbindung mit Anzeigeeinrichtungen oder Beleuchtungseinrichtungen verwendet werden, wie sie beispielhaft unter Bezugnahme auf 2 erläutert wurden. Die verschiedenen Ausführungsformen in den 3 bis 6 werden jeweils für OLEDs in normaler Bauweise sowie invertierter Bauweise beschrieben. Es wurde festgestellt, daß es mit Hilfe des Schichtaufbaus für die untere Elektrode 10 möglich ist, eine top-emittierende OLED sowohl in normaler Bauweise, bei der die Anode unterhalb des organischen Schichtbereiches und die Kathode oberhalb des organischen Schichtbereiches angeordnet sind, als auch in invertierter Bauweise herzustellen, bei der die Kathode unterhalb des organischen Schichtbereiches und die Anode oberhalb des organischen Schichtbereiches angeordnet sind.
Die invertierte Bauweise hat gegenüber der normalen Bauweise den Vorteil, daß eine einfache Integration der OLED mit zugehöriger Treiberelektronik ermöglicht ist, zum Beispiel mittels CMOS-Technologie oder mit amorphen n-Kanal Si-TFTs. Darüber hinaus hat die Anordnung der Kathode unterhalb des organischen Schichtbereiches den Vorteil, daß die Kathode besser vor Umwelteinflüssen wie Sauerstoff oder Wasser geschützt ist. Umwelteinflüsse auf oben liegende Kathodenmaterialien können einen nachteiligen Effekt auf die Langzeitstabilität des Bauteils haben, zum Beispiel durch Ablöseerscheinungen der oberen Elektrode. Dies kann aufgrund von partiellen Durchkontaktierungen (Pin-Holes) zu Problemen hinsichtlich der Langzeitstabilität führen.
Die 3A und 3B zeigen eine schematische Querschnittsdarstellung eines Schichtaufbaus mit einer OLED in normaler Bauweise (vgl. 3A) und in invertierter Bauweise (vgl. 3B). Bei den Ausführungsformen nach den 3A und 3B ist ein organischer Bereich O, in dem Licht mittels Rekombination von Elektronen und Löchern emittiert wird, einschichtig ausgeführt und, dem einfachsten Aufbau einer OLED entsprechend, zwischen einer Anode A und einer Kathode K angeordnet. Der Stapel mit Anode A, Kathode K und organischem Schichtbereich O ist auf einem Substrat S angeordnet.
Die 4A und 4B zeigen schematische Querschnittsdarstellungen eines Schichtaufbaus mit einer OLED in normaler Bauweise (vgl. 4A) und in invertierter Bauweise (vgl. 4B). Bei den Ausführungsformen in den 4A und 4B ist der organische Schichtbereich O mehrschichtig ausgeführt. Eine Elektronentransportschicht 40 übernimmt die Transportfunktion für die Elektronen. Eine Löchertransportschicht 41 übernimmt die Transportfunktion für die Lö cher. Licht wird aufgrund der Rekombination von Elektronen und Löchern in einem Grenzbereich 42 zwischen der Elektronentransportschicht 40 und der Löchertransportschicht 41, die beide aus einem organischen Material gebildet sind, emittiert. Der Grenzbereich kann auch mit Hilfe eines weiteren organischen Materials als Extra-Schicht ausgebildet sein.
Die 5A und 5B zeigen schematische Querschnittsdarstellungen eines Schichtaufbaus mit einer OLED in normaler Bauweise (vgl. 5A) und in invertierter Bauweise (vgl. 5B). Der organische Schichtbereich O ist mehrschichtig ausgebildet. Es sind eine p-dotierte Löchertransportschicht 50, eine n-dotierte Elektronentransportschicht 51 sowie eine lichtemittierende Schicht 52 im organischen Schichtbereich O vorgesehen. Unter Dotierung ist hierbei, wie für anorganische Halbleiter üblich, die gezielte Beeinflussung der Leitfähigkeit einer Halbleiterschicht mittels Beimischung von Fremdatomen/Molekülen zu verstehen. Dotierte Ladungsträger-Transportschichten sind als solche in verschiedenen Ausführungsformen beispielsweise in dem Dokument DE 102 15 210 A1 beschrieben.
Die Schichtreihenfolge einer OLED kann umgedreht werden (vgl. 5B), so daß der löcherinjizierende Kontakt (Anode A) als Deckelektrode realisiert ist. Gewöhnlich führt dies dazu, daß bei invertierten organischen Leuchtdioden die Betriebsspannungen wesentlich höher sind als bei vergleichbaren nicht-invertierten Strukturen. Die Ursache dafür liegt in der schlechteren Injektion aus den Kontakten in den organischen Schichtbereich O, weil die Austrittsarbeit der Kontakte nicht mehr gezielt optimiert werden kann. Bei Verwendung einer n-dotierten Löchertransportschicht und/oder einer p-dotierten Elektronentransportschicht kann dieser Nachteil überwunden werden, da aufgrund der Dotierung die Injektion von Ladungsträgern aus den Elektroden A, K in den organischen Schichtbereich O, egal ob bei der Löcher- und/oder bei der Elektronentransportschicht 50, 51, nicht mehr so stark von der Austrittsarbeit der Elektroden A, K selbst abhängt. Aufgrund der Dotierung können die Ladungsträger-Transportschichten 50, 51 dicker ausgeführt werden, ohne das die Betriebsspannung erhöht wird.
In den dotierten Ladungsträger-Transportschichten 50, 51 an den Elektroden A, K wird eine dünne Raumladungszone erzeugt, durch welche die Ladungsträger (Elektronen/Löcher) effizient injiziert werden können. Aufgrund einer Tunnelinjektion wird wegen der sehr dünnen Raumladungszone die Injektion auch bei einer energetisch hohen Barriere nicht mehr behindert. Vorteilhaft ist die jeweilige Ladungsträger-Transportschichten 50, 51 durch eine Beimischung einer organischen oder anorganischen Substanz (Dotand) dotiert. Diese großen Mole küle bauen sich stabil in das Matrixmolekülgerüst der Ladungsträger-Transportschichten 50, 51 eine. Hierdurch wird eine hohe Stabilität beim Betrieb der OLED (keine Diffusion) sowie unter thermischer Belastung erreicht. Für die Löchertransportschicht werden als Dotand akzeptorartige Moleküle, für die Elektronentransportschicht donatorartige Moleküle eingesetzt.
Die Ursache für die Erhöhung der Leitfähigkeit ist eine erhöhte Dichte von Gleichgewichtsladungsträgern in den dotierten Schichten. Die Elektronentransportschicht 51 kann hierbei höhere Schichtdicken aufweisen als es bei undotierten Schichten möglich ist (bei undotierten Schichten typischerweise eine Dicke zwischen etwa 20 nm und etwa 40 mm), ohne die Betriebsspannung drastisch zu erhöhen. Auch die Löchertransportschicht 50 kann dicker ausgeführt werden, als dies mit undotierten Schichten möglich wäre, ohne das dies zu einer Erhöhung der Betriebsspannung führt. Beide Schichten sind also dick genug um die darunter befindlichen Schichten vor Schäden während des Herstellungsprozesses zu schützen.
Die 6A und 6B zeigen eine schematische Querschnittsdarstellung eines Schichtaufbaus mit einer OLED in normaler Bauweise (vgl. 6A) und in invertierter Bauweise (vgl. 6B), wobei die OLEDs im Vergleich zu den Ausführungsformen nach den 5A und 5B zusätzlich im organischen Schichtbereich O Zwischenschichten aufweisen.
In dem Dokument DE 100 58 578.7 A1 (vgl. auch X. Zhou et al., Appl. Phys. Lett. 78, 410 (2001)) wird beschrieben, daß organische Leuchtdioden mit dotierten Ladungsträger-Transportschichten, wie sie oben unter Bezugnahme auf die 5A und 5B beschrieben wurden, optimale Lichtemission zeigen, wenn die dotierten Ladungsträger-Transportschichten auf geeignete Weise mit Zwischenschichten kombiniert werden. In den Ausführungsformen nach den 6A und 6B sind deshalb im organischen Schichtbereich O dotierte Ladungsträger-Transportschichten 60, 61 mit Zwischenschichten 62, 63 kombiniert. Die Zwischenschichten befinden sich jeweils zwischen der Ladungsträger-Transportschicht 60, 61 und einer lichtemittierenden Schicht 64, in welcher die Umwandlung der elektrischen Energie der durch Stromfluß durch das Bauelement injizierten Ladungsträger in Licht stattfindet.
Die Substanzen der Zwischenschichten 62, 63 werden so gewählt, daß sie bei angelegter Spannung in Richtung der Betriebsspannung aufgrund ihrer Energieniveaus die Majoritätsladungsträger (Löcher oder Elektronen) an der Grenzschicht dotierte Ladungsträger-Transportschicht/Zwischenschicht nicht zu stark behindert wird (niedrige Barriere), aber die Minoritätsladungsträger effizient an der Grenzschicht zwischen lichtemittierender Schicht 64 und Zwischenschicht 62, 63 aufgehalten werden (hohe Barriere). Des weiteren soll die Barrierenhöhe zur Injektion von Ladungsträgern aus der Zwischenschicht 62, 63 in die emittierende Schicht 64 so klein sein, daß die Umwandlung eines Ladungsträgerpaares an der Grenzfläche in ein Exziton in der emittierenden Schicht 64 energetisch vorteilhaft ist. Dies verhindert Exziplexbildung an den Grenzflächen der lichtemittierten Schicht 64, welche die Effizienz der Lichtemission verringert. Da die Ladungsträger-Transportschichten 60, 61 bevorzugt eine hohe Bandlücke aufweisen, können die Zwischenschichten 62, 63 sehr dünn gewählt werden, da trotzdem kein Tunneln von Ladungsträgern aus der lichtemittierenden Schicht 64 in Energiezustände der Ladungsträger-Transportschichten 60, 61 möglich ist. Dies erlaubt es, trotz Zwischenschichten 62, 63 eine niedrige Betriebsspannung zu erreichen. Die Zwischenschichten 62, 63 können unter Umständen auch aus dem gleichen Material. wie das Matrixmaterial der Ladungsträger-Transportschichten 60, 61 bestehen.
Eine Ausführungsform (vgl. 6A) umfaßt bei normaler Bauweise folgenden Schichtanordnung:

1: Trägersubstrat S,
2: untere Elektrode (Anode A),
3: p-dotierte, Löcher injizierende und transportierende Schicht 60,
4: dünne löcherseitige Zwischenschicht 62 aus einem Material dessen Bandlagen zu den
: Bandlagen der sie umgebenden Schichten passen,
5: lichtemittierende Schicht 64 (evtl. mit Emitterfarbstoff dotiert),
6: dünne elektronenseitige Zwischenschicht 63 aus einem Material, dessen Bandlagen zu
: den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passen,
7: n-dotierte Elektronen injizierende und transportierende Schicht 61,
8: obere Elektrode (Kathode K), und
9: Kapselung zum Ausschluß von Umwelteinflüssen.

Eine andere Ausführungsform (vgl. 6B) umfaßt bei invertierter Bauweise folgende Schichtanordnung:

1: Trägersubstrat S,
2: untere Elektrode (Kathode K),
3: n-dotierte Elektronen injizierende und transportierende Schicht 61
4: dünne elektronenseitige Zwischenschicht 63 aus einem Material, dessen Bandlagen zu
: den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passen,
5: lichtemittierende Schicht 64 (evtl. mit Emitterfarbstoff dotiert),
6: dünne löcherseitige Zwischenschicht 62 aus einem Material dessen Bandlagen zu den
: Bandlagen der sie umgebenden Schichten passen,
7: p-dotierte, Löcher injizierende und transportierende Schicht 60,
8: obere Elektrode (Anode A), und
9: Kapselung zum Ausschluß von Umwelteinflüssen.

Es kann auch vorgesehen sein, daß nur eine der Zwischenschichten 62, 63 Verwendung findet, weil die Bandlagen der Ladungsträger-Transportschicht 60, 61 und der lichtemittierende Schicht 64 bereits auf einer Seite zueinander passen. Des weiteren können die Funktionen der Ladungsträgerinjektion und des Ladungsträgertransports in den Ladungsträger-Transportschichten 60, 61 auf mehrere Schichten aufgeteilt sein, von denen mindestens eine und zwar die zu der jeweiligen Elektrode A, K nächste Schicht dotiert ist. Wenn die dotierte Schicht sich nicht unmittelbar an der jeweiligen Elektrode A, K befindet, so müssen alle Schichten zwischen der dotierten Schicht und der jeweiligen Elektrode A, K so dünn sein, daß sie effizient von Ladungsträgern durchtunnelt werden können (etwa < 10nm). Diese Schichten können dicker sein, wenn sie eine sehr hohe Leitfähigkeit aufweisen, der Bahnwiderstand dieser Schichten muß geringer sein als der der benachbarten dotierten Schicht. Dann sind die Zwischenschichten als ein Teil der Elektrode A, K zu betrachten. Die molaren Dotierungskonzentrationen liegen typischerweise im Bereich von 1 : 10 bis 1 : 10000. Die Dotanden sind organische Moleküle mit Molekülmassen oberhalb von etwa 200 g/mol.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Schichtanordnung für eine organische lichtemittierende Diode (OLED) in top-emittierender Ausführung, mit einer unteren Elektrode (A; K), einer oberen Elektrode (K; A), die transparent ist, und einem organischen Schichtbereich (O), welcher in Kontakt mit der unteren und der oberen Elektrode (A; K) zwischen den beiden Elektroden (A; K) angeordnet ist und in dem mittels Rekombination von Elektronen und Löchern Licht erzeugt werden kann, das durch die obere Elektrode (K; A) austritt, wobei die untere Elektrode (A; K) einen Schichtaufbau aufweist, bei dem eine untere Elektrodenschicht eine Metallschicht (12) ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Schichtaufbau der unteren Elektrode (A; K) auf der Metallschicht (12) eine Schutz- und Modifikations-Schicht (13) angeordnet ist, die mit dem organischen Schichtbereich (O) in Kontakt ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz- und Modifikations-Schicht (13) aus einem Metall-, einem Oxid- oder einem Nitridmaterial ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz- und Modifikations-Schicht (13) eine Schichtdicke von etwa 2nm bis etwa 50 nm aufweist, bevorzugt von etwa 5 nm bis etwa 30 nm.
Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz- und Modifikations-Schicht (13) aus einem der folgenden Materialien oder aus einer Kombination von zwei oder mehreren der folgenden Materialien ist: Ti_yN_x, ITO, Cr, Mo, Ta, Ti, Ni, Ni_yO_x, Ti_yO_x, Ni_yN_x, Pd_yO_x, Pt_yO_x, Pd_yN_x, Pt_yN_x.
Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stapel mit der Metallschicht (12) und der Schutz- und Modifikations-Schicht (13) eine Schichtdicke von etwa 10 nm bis etwa 500 nm aufweist.
Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel mit der Metallschicht (12) und der Schutz- und Modifikations-Schicht (13) hochreflektierend ist.
Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel mit der Metallschicht (12) und der Schutz- und Modifikations-Schicht (13) eine Rauhigkeit von kleiner als etwa 2nm RMS aufweist, vorzugsweise von kleiner als etwa 1 nm RMS.
Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (12) mehrschichtig aus mehreren Metalleinzelschichten (11a, 11b) aufgebaut ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (12) eine untere Metalleinzelschicht (11a) mit einer Schichtdicke von etwa 10 nm bis etwa 500 nm, vorzugsweise mit einer Schichtdicke von etwa 40 nm bis etwa 150 nm, sowie eine weitere Metalleinzelschicht (11b), die auf der unteren Metalleinzelschicht (11a) angeordnet und hochreflektiv ist, mit einer Schichtdicke von etwa 5 nm bis etwa 80 nm, vorzugsweise mit einer Schichtdicke von etwa 15 nm bis etwa 40 nm.
Schichtanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder alle Metalleinzelschichten (11a, 11b) aus Al, Ag, einer Legierung von Al oder Ag, Cr, Ti, Mo, Ta oder einer Mischung von Cr, Ti, Mo und/oder Ta sind.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Metalleinzelschicht (11a) und/oder die weitere Metalleinzelschicht (11b) eine Rauhigkeit von kleiner als etwa 2nm RMS aufweisen, vorzugsweise von kleiner als etwa 1 nm RMS.
Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Elektrode (10) auf ein Substrat (S) aufgebracht ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Substrat (S) eine Schaltung zum Ansteuern der unteren und der oberen Elektrode (A; K) gebildet sind und die Schaltung über Anschlußkontakte mit der unteren und der oberen Elektrode (A; K) verbunden ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 13 und einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Metalleinzelschicht (11a) aus einem Material ist, aus dem auch ein mit der unteren Elektrode (10) verbundener Anschlußkontakt gebildet ist.
Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtaufbau der unteren Elektrode (10) einen Flächenwiderstand von kleiner als etwa 10 Ω/sq. aufweist, vorzugsweise von kleiner als etwa 1 Ω/sq.
Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Elektrode (10) eine Anode (A) und die obere Elektrode eine transparente Kathode (K) ist.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Elektrode (10) eine Kathode (K) und die obere Elektrode eine transparente Anode (A) ist.
Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der organische Schichtbereich (O) eine p-dotierte Löchertransportschicht (50; 60) umfaßt.
Schichtanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der organische Schichtbereich (O) eine n-dotierte Elektronentransportschicht (51; 61) umfaßt.
Schichtanordnung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Schichtbereich (O) eine löcherseitige (62) und/oder eine elektronenseitige (63) Zwischenschicht umfaßt.
Anzeigeeinrichtung auf einem Substrat (S) mit einem oder mehreren Anzeigeelementen, die jeweils zumindest eine organische lichtemittierende Diode (OLED) in top-emittierender Ausführung mit einer Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 aufweisen.
Beleuchtungseinrichtung auf einem Substrat (S) mit einem oder mehreren Beleuchtungselementen, die jeweils zumindest eine organische lichtemittierende Diode (OLED) in topemittierender Ausführung mit einer Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 aufweisen.
Verfahren zum Herstellen einer Anzeigeeinrichtung oder einer Beleuchtungseinrichtung, bei dem ein oder mehrere Anzeigeelemente/Beleuchtungselemente, die jeweils zumindest eine organische lichtemittierende Diode (OLED) in top-emittierender Ausführung mit einer Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 aufweisen, auf einem Substrat (S) gebildet werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: a) Ausbilden einer unteren Elektrode (A; K) auf dem Substrat (S), indem: a1) eine Metallschicht (12) auf dem Substrat (S) gebildet wird; a2) auf der Metallschicht (12) eine Schutz- und Modifikations-Schicht (13) gebildet wird; b) Ausbilden eines organischen Schichtbereiches (O) auf der unteren Elektrode (A; K), so daß der organische Schichtbereich (O) mit der unteren Elektrode (A; K) in Kontakt ist; und c) Ausbilden einer oberen, transparenten Elektrode (K; A) auf dem organischen Schichtbereich (O), so daß der organische Schichtbereich (O) mit der oberen Elektrode (K; A) in Kontakt ist.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausbilden der Metallschicht (12) mehrere Metalleinzelschichten (11a, 11b) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (12) vor dem Bilden der Schutz- und Modifikations-Schicht (13) strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 24 und Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß eine untere Metalleinzelschicht (11a) aufgebracht und strukturiert wird und anschließend eine weitere Metalleinzelschicht (11b) aufgebracht und strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die Schutz- und Modifikations-Schicht (13) aufgebracht und strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die Schutz- und Modifikations-Schicht (13) unstrukturiert gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen und dem Strukturieren der unteren Metalleinzelschicht (11a) die weitere Metalleinzelschicht (11b) und die Schutz- und Modifikations-Schicht (13) gemeinsam gebildet und strukturiert werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (12) und die Schutz- und Modifikations-Schicht (13) großflächig auf das Substrat (S) aufgebracht und anschließend strukturiert werden.