DE102008030845A1

DE102008030845A1 - Organisches elektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines organischen elektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102008030845A1
Application number: DE102008030845A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr. Pätzold; Marc Dr. Philippens
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Pictiva Displays International Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: DE102008030845B4

Abstract

Es wird ein organisches elektronisches Bauelement angegeben, das insbesondere ein elektrisch leitendes Substrat (4), eine auf dem Substrat (4) angeordnete organische Schichtenfolge (5) und eine auf der organischen Schichtenfolge (5) angeordnete transparente Elektrode (7) aufweist, wobei das Substrat (4) eine erste Metallschicht (1), eine auf der ersten Metallschicht (1) angeordnete elektrisch leitende zweite Schicht (2) und eine auf der zweiten Schicht (2) angeordnete Schicht reflektierende und elektrisch leitende dritte Schicht (3) umfasst. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines organischen elektronischen Bauelements angegeben.

Description

Es werden ein organisches elektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines organischen elektronischen Bauelements angegeben.
Eine Aufgabe zumindest einer Ausführungsform ist es, ein organisches elektronisches Bauelement mit einem elektrisch leitenden Substrat anzugeben. Zumindest eine Aufgabe einer weiteren Ausführungsform ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines organischen elektronischen Bauelements mit einem elektrisch leitenden Substrat anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand und eine Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst ein organisches elektronisches Bauelement insbesondere

– ein elektrisch leitendes Substrat,
– eine auf dem Substrat angeordnete organische Schichtenfolge und
– eine auf der organischen Schichtenfolge angeordnete transparente Elektrode,
– wobei das Substrat eine erste Metallschicht, eine auf der ersten Metallschicht angeordnete organische elektrisch leitende zweite Schicht und eine auf der zweiten Schicht angeordnete Licht reflektierende und elektrisch leitende dritte Schicht umfasst.

Dass eine Schicht oder ein Element „auf” oder „über” einer anderen Schicht oder einem anderen Element oder auch „zwischen” zwei anderen Schichten oder Elementen angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar im direkten mechanischen und/oder elektrischen Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Weiterhin kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen und dem anderen Element angeordnet sein.
Hier und im Folgenden kann „Licht” insbesondere elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in einem ultravioletten bis infraroten Spektralbereich bezeichnen. Insbesondere kann Licht Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche größer oder gleich 350 nm und kleiner oder gleich 800 nm aufweisen und bevorzugt Wellenlängen aus einem sichtbaren Spektralbereich umfassen.
Ein Element oder eine Schicht kann hier und im Folgenden insbesondere dann „Licht reflektierend” sein, wenn auf das Element oder die Schicht eingestrahltes Licht mit einer bestimmten spektralen Verteilung von dem Element oder der Schicht derart reflektiert wird, dass sich durch die Reflexion die spektrale Verteilung des Lichts nicht oder zumindest kaum ändert. „Licht reflektierend” kann dabei einschließen, dass das reflektierte Licht die gleiche oder eine geringere Intensität aufweist als das eingestrahlte Licht. Ein Licht reflektierendes Element beziehungsweise eine Licht reflektierende Schicht im vorliegenden Sinne kann daher derart ausgestaltet sein, dass sich durch die Reflexion des Lichts seine Ausbreitungsrichtung ändert. Dabei kann es weiterhin möglich sein, dass sich der Farbeindruck durch die Reflexion nicht ändert.
Dadurch, dass das hier beschriebene organische elektronische Bauelement ein elektrisch leitendes Substrat aufweist, kann eine elektrische Kontaktierung des Bauelements mittels des Substrats erfolgen. Insbesondere kann die organische Schichtenfolge auch von einer der organischen Schichtenfolge abgewandten Seite des Substrats her elektrisch kontaktierbar sein. Dies kann gerade dadurch möglich sein, dass die erste Metallschicht, die organische zweite Schicht und die reflektierende dritte Schicht alle elektrisch leitend sind, wodurch eine elektrische Leitung von einer der organischen Schichtenfolge abgewandten Oberfläche des Substrats zur organischen Schichtenfolge möglich sein kann. Bei bekannten organischen Bauelementen mit elektrisch isolierenden Substraten muss im Gegensatz zum hier beschriebenen organischen elektronischen Bauelement eine elektrische Kontaktierung einer organischen Schichtenfolge von der Substratseite her mittels einer zusätzlichen Elektrode erfolgen. Soll die elektrische Kontaktierung bei den bekannten Bauelementen von einer der organischen Schichtenfolge abgewandten Seite eines Substrats erfolgen, sind aufwändige elektrische Durchführungen durch das Substrat sowie elektrische Kontaktflächen beziehungsweise Elektroden auf der der organischen Schichtenfolge zugewandten und auf der der organischen Schichtenfolge abgewandten Oberfläche des Substrats erforderlich.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines organischen elektronischen Bauelements insbesondere die Schritte

A) Bereitstellen eines elektrisch leitenden Substrats,
B) Aufbringen einer organischen Schichtenfolge auf dem Substrat,
C) Aufbringen einer transparenten Elektrode auf der organischen Schichtenfolge, wobei der Verfahrensschritt A folgende Teilschritte umfasst:
A1) Bereitstellen einer ersten Metallschicht,
A2) Aufbringen einer organischen elektrisch leitenden zweiten Schicht auf der ersten Metallschicht und
A3) Aufbringen einer reflektierenden und elektrisch leitenden dritten Schicht auf der zweiten Schicht.

Die im Folgenden beschriebenen Merkmale weiterer Ausführungsformen beziehen sich gleichermaßen auf das organische elektronische Bauelement wie auch auf das Verfahren zur Herstellung des organischen elektronischen Bauelements.
Insbesondere kann die organische Schichtenfolge auf der dritten Schicht des elektrisch leitenden Substrats angeordnet sein beziehungsweise aufgebracht werden. Ein elektrischer Anschluss der organischen Schichtenfolge von Seiten des Substrats her kann somit über eine elektrische Kontaktierung der ersten Metallschicht und eine Stromleitung durch die erste Metallschicht, die zweite Schicht und die dritte Schicht zur organischen Schichtenfolge erfolgen.
Die erste Metallschicht des elektrisch leitenden Substrats kann als Metallfolie ausgeführt sein. Das kann bedeuten, dass die erste Metallschicht sowie damit auch das elektrisch leitende Substrat flexibel und gleichzeitig selbsttragend sind. Dadurch kann die erste Metallschicht zur Herstellung des elektrisch leitenden Substrats im Verfahrensschritt A sowie auch das elektrisch leitende Substrat zur Herstellung des organischen elektronischen Bauelements in den Verfahrensschritten B und C für so genannten Roll-to-Roll-Prozesse geeignet sein, wodurch großtechnische und gleichzeitig kostengünstige Herstellungsverfahren möglich sind.
Die erste Metallschicht kann beispielsweise Edelstahl, Kupfer und/oder Aluminium aufweisen oder aus einem oder mehreren dieser Materialien gefertigt sein. Weiterhin kann die erste Metallschicht auch einen Schichtenstapel mit zumindest zwei Schichten mit jeweils einem oder mehreren der genannten Materialien aufweisen oder ein solcher sein. Insbesondere kann die erste Metallschicht im Hinblick auf die Verfahrensschritte B und C zur Herstellung des organischen elektronischen Bauelements vakuumtauglich, korrosionsbeständig und/oder lösungsmittelbeständig sein.
Die organische elektrisch leitende zweite Schicht kann zusätzlich zu ihrer Funktion als elektrisch leitende Schicht auch als Planarisierungsschicht für die erste Metallschicht ausgeführt sein beziehungsweise aufgebracht werden. Das kann bedeuten, dass die erste Metallschicht beispielsweise eine bestimmte Rauhigkeit beziehungsweise Unebenheit aufweist, die durch die zweite Schicht eingeebnet wird, so dass die der ersten Metallschicht abgewandte Oberfläche der zweiten Schicht eine geringere Rauhigkeit beziehungsweise Unebenheit aufweist als die der zweiten Schicht zugewandte Oberfläche der ersten Metallschicht. Beispielsweise weisen übliche Metallfolien eine quadratisch gemittelte so genannte RMS-(„root-mean-square”-)Rauhigkeit in der Größenordnung von einem bis einigen Mikrometern auf. Um eine derartige Metallfolie als Substrat für ein organisches elektronisches Bauelement verwenden zu können, müsste die RMS-Rauhigkeit der Metallfolie gemäß bekannter Herstellungsverfahren durch aufwändiges und unwirtschaftliches Elektropolieren oder chemisches Polieren auf einen Wert im Bereich von weniger als einigen 10 Nanometer verringert werden, was je nach Material der Metallfolie nicht in einer ausreichenden Qualität durchführbar ist. Bei dem hier beschriebenen organischen elektronischen Bauelement ist ein derartiges Polieren nicht notwendig, da durch die Anordnung beziehungsweise das Aufbringen der organischen zweiten Schicht zwischen der ersten Metallschicht und der dritten Schicht die dritte Schicht mit einer RMS-Oberflächenrauhigkeit von bevorzugt kleiner oder gleich 10 Nanometer und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 5 Nanometer herstellbar ist. Dabei kann die dritte Schicht maximale Rauhigkeitsspitzen (so genannte „spikes”) und damit verbunden eine so genannte Peak-to-Peak-Rauhigkeit von kleiner oder gleich 20 Nanometer aufweisen.
Weiterhin kann es möglich sein, dass die organische zweite Schicht aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit beispielsweise im Vergleich zu einer elektrisch isolierenden Planarisierungsschicht aufweist. Dadurch kann ein Wärmeabtransport von in der organischen Schichtenfolge im Betrieb erzeugten Wärme durch das elektrisch leitende Substrat erfolgen, wodurch einen hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit der organischen Schichtenfolge und damit des organischen elektronischen Bauelements ermöglicht werden kann.
Dadurch, dass auf der organischen zweiten Schicht die Licht reflektierende dritte Schicht aufgebracht wird, können das Material und die Dicke der zweiten Schicht ungeachtet der optischen Eigenschaften der zweiten Schicht wie etwa Absorptionseffekten gewählt und hinsichtlich seiner planarisierenden sowie seiner elektronischen Eigenschaften optimiert werden.
Die organische elektrisch leitende zweite Schicht kann im oben beschriebenen Verfahrensschritt A2 insbesondere mittels eines nasschemischen Verfahrens aufgebracht werden. Dies kann Aufbringtechniken wie Aufschleudern, Aufspritzen, Aufdrucken, Rakeln und/oder Tauchen beinhalten, wobei das Material der zweiten Schicht zumindest teilweise in einer flüssigen Form auf der ersten Metallschicht aufgebracht wird. Dabei kann der Verfahrensschritt A2 weiterhin zur Herstellung der zweiten Schicht eine Polymerisationsreaktion und/oder das Verdampfen eines oder mehrerer Lösungsmittel beinhalten.
Die zweite Schicht kann beispielsweise ein elektrisch leitendes polymeres Material oder ein elektrisch leitendes Material in Form von Oligomeren, Monomeren, organischen kleinen Molekülen (so genannte „small molecules”) und/oder Nanopartikeln aufweisen. Die Oligomere, Monomere, organischen kleinen Molekülen und/oder Nanopartikel können dabei in einem polymeren Matrixmaterial eingebettet oder chemisch daran gebunden sein.
Die zweite Schicht kann insbesondere eines oder mehrere Materialien ausgewählt aus einer Gruppe aufweisen, die gebildet wird durch Polyacetylen, Polyphenylen, Polythiophen, Polypyrrol, Polyvinylen und Polyanilin und Copolymere und Mischungen davon. Besonders bevorzugt kann die zweite Schicht Polyethylendioxythiophen („PEDOT”) und/oder Polyanilin („PANI”) aufweisen.
Weiterhin kann die zweite Schicht organische kleine Moleküle eines oder mehrerer Materialien ausgewählt aus einer Gruppe aufweisen, die gebildet wird durch Phenanthrolinderivate, Imidazolderivate, Triazolderivate, Oxadiazolderivate, Phenyl-haltige Verbindungen, Verbindungen mit kondensierten Aromaten, Carbazol-haltige Verbindungen, Fluorenderivate, Spirofluorenderivate und Pyridin-haltige Verbindungen sowie Kombinationen aus zumindest zwei oder mehreren der genannten Materialien. Darüber hinaus kann die zweite Schicht Nanopartikel beispielsweise in Form von Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Fullerenen aufweisen. Die organischen kleinen Moleküle und/oder die Nanopartikel können beispielsweise als Dotierung eines elektrisch leitenden oder in undotiertem Zustand elektrisch isolierenden Matrixmaterials ausgeführt sein, durch die die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials erhöht werden kann.
Die dritte Schicht kann ein Metall aufweisen, das besonders bevorzugt ein im obigen Sinne Licht reflektierendes Metall ist. Die dritte Schicht kann dabei eines oder mehrere der Metalle Ag, Au, Mg, Ba, Ca, Li, In, Rh, Sn, Ti, Pt, Pd und/oder Ni aufweisen oder aus einem oder mehreren dieser Metalle sein. Dabei kann die dritte Schicht auch Mischungen, Legierungen und/oder einen Schichtenstapel mit einem oder mehreren der genannten Metalle aufweisen.
Weiterhin kann die dritte Schicht auch ein elektrisch leitendes Oxid und/oder ein elektrisch leitendes Nitrid aufweisen. Elektrisch leitende Oxide beziehungsweise Nitride sind elektrisch leitende Materialien, in der Regel Metalloxide beziehungsweise Metallnitride, beispielsweise mit Zink, Zinn, Cadmium, Titan, Indium, Tantal, Platin und Wolfram. Rein beispielhaft sind für elektrisch leitende Oxide beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO) zu nennen. Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO₂ oder In₂O₃ gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO₃, ZnSnO₃, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher leitender Oxide zu der Gruppe der elektrisch leitenden Oxide. Rein beispielhaft sind für elektrisch leitende Nitride Titannitrid, Tantalnitrid, Tantalaluminiumnitrid, Wolframnitrid, Titanwolframnitrid und Zirkoniumnitrid genannt. Weiterhin kann es möglich sein, dass die elektrisch leitenden Oxide beziehungsweise Nitride nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung entsprechen und auch p- oder n-dotiert sein können.
Weiterhin kann die dritte Schicht auch ein Halbleitermaterial, beispielsweise ein III-V-Halbleitermaterial und/oder ein II-VI-Halbleitermaterial aufweisen. Ein III-V- Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise B, N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff ”III-V -Halbleitermaterial” die Gruppe der binären, ternären und quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphid-Verbindungshalbleiter. Solche binären, ternären oder quaternären Verbindungen können zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Entsprechend weist ein II-VI-Halbleitermaterial wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe, wie beispielsweise Be, Mg, Ca, Sr, und ein Element aus der sechsten Hauptgruppe, wie beispielsweise 0, S, Se, auf. Insbesondere umfasst ein II-VI-Halbleitermaterial binäre, ternäre und quaternäre Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der sechsten Hauptgruppe umfassen. Solche binären, ternären oder quaternären Verbindungen können zudem beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Beispielsweise gehören zu den II-VI-Halbleitermaterialien ZnO, ZnNgO, CdS, ZnCdS und MgBeO.
Die dritte Schicht kann die vorab genannten Materialien alleine oder in Kombination aufweisen. Beispielsweise kann die dritte Schicht eine reflektierende Metallschicht oder eine reflektierende Metallschichtenfolge aufweisen. Weiterhin kann die dritte Schicht auch einen elektrisch leitenden Bragg-Spiegel mit einem Schichtenstapel, der eine periodische Abfolge von Schichten mit den vorab genannten Oxiden, Nitriden und/oder Halbleitermaterialien umfasst, aufweisen. Darüber hinaus kann die dritte Schicht einen Schichtenstapel mit einer reflektierenden Metallschicht und einem darüber aufgebrachten elektrisch leitenden oxidischen, nitridischen und/oder halbleitenden Bragg-Spiegel aufweisen.
Die dritte Schicht kann durch die vorab genannten Materialien und einen ein- oder mehrschichtigen Aufbau eine hohe Reflektivität für Licht aufweisen und gleichzeitig in seiner elektrischen Leitfähigkeit an die organische Schichtenfolge angepasst sein. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die dritte Schicht eine Austrittsarbeit für Elektronen oder Löcher aufweist, die an die elektronischen Eigenschaften der organischen Schichtenfolge angepasst ist. Dadurch kann das elektrisch leitende Substrat zusätzlich als Elektrode ausgeführt sein, so dass eine zusätzliche Elektrodenschicht auf dem Substrat wie bei bekannten Bauelementen erforderlich bei dem hier beschriebenen organischen elektronischen Bauelement nicht erforderlich ist.
Die dritte Schicht kann auf der organischen zweiten Schicht beispielsweise durch thermisches Verdampfen, Sputtern, metallorganische Gasphasenepitaxie oder weitere physikalische oder chemische Aufbringverfahren hergestellt werden. Dadurch, dass die organische zweite Schicht auf der ersten Metallschicht wie oben beschrieben als Planarisierungsschicht dient, kann die dritte Schicht mit einer wie oben ausgeführten geringen Oberflächenrauhigkeit herstellbar sein.
Die organische Schichtenfolge kann einen aktiven Bereich aufweisen, der geeignet ist, im Betrieb des organischen elektronischen Bauelements Licht abzustrahlen. Insbesondere kann das organische elektronische Bauelement in diesem Fall als organische, Licht emittierende Diode (OLED) ausgeführt sein oder eine solche umfassen. Dabei kann das organische elektronische Bauelement geeignet sein, durch Rekombination von Elektronen und Löchern einen elektrischen Strom in Licht umzuwandeln.
Alternativ oder zusätzlich kann die organische Schichtenfolge auch einen aktiven Bereich aufweisen, der geeignet ist, im Betrieb des organischen elektronischen Bauelements Licht zu detektieren. Dabei kann das organische elektronische Bauelement in diesem Fall als organisches photovoltaisches Bauelement, etwa als organischer Photodetektor oder als organische Solarzelle, ausgeführt sein oder ein solches Bauelement umfassen. Das organische elektronische Bauelement kann dabei geeignet sein, Licht in eine elektrische Spannung und/oder in einen elektrischen Strom umzuwandeln.
Das elektrisch leitende Substrat und die transparente Elektrode dienen dabei der elektrischen Kontaktierung der organischen Schichtenfolge. Im Falle einer Ausführung als OLED kann das im aktiven Bereich der organischen Schichtenfolge erzeugte Licht durch die transparente Elektrode abgestrahlt werden. Das organische elektronische Bauelement ist somit in diesem Fall als so genannter „Top-Emitter” ausgeführt.
Die organische Schichtenfolge kann zumindest eine organische funktionelle Schicht oder eine Mehrzahl von funktionellen Schichten aus organischen Materialien aufweisen. Die zumindest eine organische funktionelle Schicht oder die Mehrzahl der funktionellen Schichten können dabei beispielsweise Elektronentransportschichten, elektrolumineszierende Schichten beziehungsweise photovoltaische Schichten und/oder Lochtransportschichten aufweisen oder als solche ausgeführt sein.
Die organische funktionelle Schicht oder die Mehrzahl davon können organische Polymere, organische Oligomere, organische Monomere, organische so genannte kleine, also nicht-polymere Moleküle („small molecules”) oder Kombinationen daraus aufweisen.
Abhängig von den Materialien in den funktionellen Schichten kann die organische Schichtenfolge im Betrieb des organischen elektronischen Bauelements Licht mit einer oder mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen oder Kombinationen daraus in einem ultravioletten bis infraroten Spektralbereich erzeugen oder detektieren.
Das elektrisch leitende Substrat kann als Anode und die transparente Elektrode kann als Kathode ausgeführt sein. Alternativ kann das elektrisch leitende Substrat als Kathode und die transparente Elektrode als Anode ausgeführt sein.
Die transparente Elektrode kann beispielsweise eines oder mehrere Metalle wie etwa Aluminium, Barium, Indium, Silber, Gold, Magnesium, Kalzium oder Lithium sowie Verbindungen, Kombinationen, Legierungen und Schichtenstapel davon aufweisen. Insbesondere kann die transparente Elektrode eine Metallschicht mit einer Dicke von kleiner oder gleich 50 nm und bevorzugt von kleiner oder gleich 10 nm und größer oder gleich 5 nm aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann die transparente Elektrode auch ein transparentes leitendes Oxid aufweisen oder aus einem transparenten leitenden Oxid bestehen. Transparente leitende Oxide (transparent conductive Oxides, kurz „TCO”) sind transparente, leitende Materialien, in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SfO₂ oder In₂O₃ gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO₃, ZnSnO₃, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können auch p- oder n-dotiert sein.
Weiterhin kann die transparente Elektrode auch einen Schichtenstapel mit zumindest einer transparenten Metallschicht und zumindest einer TCO-Schicht aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die transparente Elektrode auch ein organisches Material, beispielsweise PEDOT, aufweisen.
Die transparente Elektrode kann großflächig ausgebildet sein. Dadurch kann im Falle einer OLED eine großflächige Abstrahlung des im aktiven Bereich der organischen Schichtenfolge erzeugten Lichts ermöglicht werden. „Großflächig” kann dabei bedeuten, dass das organische elektronische Bauelement eine Fläche von größer oder gleich einigen Quadratmillimetern, bevorzugt größer oder gleich einem Quadratzentimeter und besonders bevorzugt größer oder gleich einem Quadratdezimeter aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die transparente Elektrode zumindest in Teilbereichen strukturiert ausgebildet sein. Dadurch kann eine strukturierte Abstrahlung des im aktiven Bereich erzeugten Lichts ermöglicht werden, etwa in Form von Pixeln oder Piktogrammen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1A bis 2 beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:
1A bis 1E schematische Darstellungen eines Verfahrens zur Herstellung eines organischen elektronischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel und
2 eine schematische Darstellung eines organischen elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In den 1A bis 1E wird ein Verfahren zur Herstellung eines organischen elektronischen Bauelements 10 gezeigt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt A gemäß der 1A bis 1C ein elektrisch leitendes Substrat 9 bereitgestellt. Der Verfahrensschritt A weist dabei einen ersten Teilschritt A1 auf, in dem gemäß 1A eine erste Metallschicht 1 bereitgestellt wird. Die erste Metallschicht 1 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Edelstahlfolie ausgebildet. Edelstahl weist eine hohe Prozessverträglichkeit für weitere Verfahrensschritte auf, in denen Vakuumtechniken und/oder korrosive und/oder lösungsmittelhaltige Materialien zum Einsatz kommen. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Metallschicht 1 auch Aluminium und/oder Kupfer aufweisen oder einen Schichtenstapel mit diesen Materialien.
Dadurch, dass die erste Metallschicht 1 als Edelstahlfolie ausgebildet ist, ist die erste Metallschicht 1 selbsttragend und flexibel und kann beispielsweise in einem Roll-to-Roll-Prozess weiter verarbeitet werden.
In einem weiteren Teilschritt A2 des Verfahrensschritts A wird gemäß 1B eine organische elektrisch leitende Schicht 2 auf der ersten Metallschicht 1 aufgebracht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird dabei im Schritt A2 in einem nasschemischen Verfahren PEDOT als zweite Schicht 2 auf der ersten Metallschicht 1 aufgebracht. Alternativ kann beispielsweise auch PANI oder ein anderes der im allgemeinen Teil genannten Materialien oder eine Mischung daraus als organische elektrisch leitende zweite Schicht 2 aufgebracht werden. Die als Edelstahlfolie ausgebildete erste Metallschicht 1 weist typischerweise eine RMS-Rauhigkeit von einem Mikrometer oder mehr auf. Die zweite Schicht 2 wird im Verfahrensschritt A2 mit einer Dicke aufgebracht, die zumindest in der Größenordnung der Rauhigkeit der ersten Metallschicht 1 liegt, so dass die Rauhigkeit der ersten Metallschicht 1 und insbesondere die Rauhigkeitsspitzen beziehungsweise die so genannten „spikes” planarisiert werden können.
In einem weiteren Teilschritt A3 des Verfahrensschritts A wird gemäß 1C eine Licht reflektierende und elektrisch leitende dritte Schicht 3 auf der zweiten Schicht 2 aufgebracht. Dabei wird im gezeigten Ausführungsbeispiel als dritte Schicht 3 eine Metallschicht aus Aluminium und/oder Silber mittels thermischen Verdampfens aufgebracht. Alternativ oder zusätzlich kann als dritte Schicht 3 auch wie im allgemeinen Teil beschrieben beispielsweise ein elektrisch leitender Bragg-Spiegel als dritte Schicht 3 aufgebracht werden. Dadurch, dass die organische zweite Schicht 2 als Planarisierungsschicht für die erste Metallschicht 1 wirkt, kann die dritte Schicht mit einer RMS-Rauhigkeit von weniger als 10 nm und bevorzugt von weniger als 5 nm aufgebracht werden.
Somit wird im Verfahrensschritt A ein elektrisch leitendes Substrat 4 umfassend die erste Metallschicht 1, die organische elektrisch leitende zweite Schicht 2 und die Licht reflektierende und elektrisch leitende dritte Schicht 3 hergestellt und für weitere Verfahrensschritte bereitgestellt, das auf der dritten Schicht 3 eine für das Aufbringen weiterer Schichten ausreichend geringe Oberflächenrauhigkeit aufweist. Weiterhin ist das elektrisch leitende Substrat 4 selbsttragend und kann vor der Weiterverarbeitung beispielsweise transportiert und/oder in seiner Größe beispielsweise durch Zuschneiden angepasst werden.
In einem weiten Verfahrensschritt B gemäß 1D wird eine organische Schichtenfolge 5 mit einer Mehrzahl an organischen funktionellen Schichten aufgebracht. Die organische Schichtenfolge 5 weist dabei einen aktiven Bereich 6 auf, der im gezeigten Ausführungsbeispiel geeignet ist, im späteren Betrieb des organischen elektronischen Bauelements 10 Licht abzustrahlen.
Auf der organischen Schichtenfolge 5 wird in einem weiteren Verfahrensschritt C gemäß 1E eine transparente Elektrode 7 aufgebracht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die transparente Elektrode 7 durch Aufdampfen einer transparenten Metallschicht, etwa Magnesium und/oder Aluminium, mit einer Dicke von weniger als 10 nm aufgebracht.
Zur Erhöhung der Querleitfähigkeit und/oder zum Entspiegeln der transparenten Elektrode 7 kann weiterhin beispielsweise eine Schicht aus einem transparenten elektrisch leitenden Oxid wie etwa ITO auf der Metallschicht aufgebracht werden.
Das derart herstellbare organische elektronische Bauelement 10, das im gezeigten Ausführungsbeispiel als organische lichtemittierende Diode (OLED) aufgeführt ist, kann weiterhin beispielsweise eine transparente Verkapselung (nicht gezeigt) auf dem elektrisch leitenden Substrat 4 und über der organischen Schichtenfolge 5 und der transparente Elektrode 7 aufweisen, die in einem weiteren Verfahrensschritt (nicht gezeigt) aufgebracht werden kann.
Die transparente Verkapselung kann für die organische Schichtenfolge 5 und die transparente Elektrode 7 einen Schutz vor Feuchtigkeit und/oder oxidierenden Substanzen wie etwa Sauerstoff zu erreichen. Die Verkapselung kann dabei eine oder mehrere Schichten umfassen, wobei die Schichten der Verkapselung beispielsweise Planarisierungsschichten, Barriereschichten, Wasser und/oder Sauerstoff absorbierende Schichten, Verbindungsschichten oder Kombinationen daraus sein können. Die Verkapselung kann beispielsweise eine Abdeckung in Form einer Kappe, insbesondere einer freitragenden Kappe, und/oder eine Schicht oder Schichtenfolge in Form einer Dünnfilmverkapselung auf beziehungsweise über den Elektroden und der organischen Schichtenfolge aufweisen. Geeignete Materialien können beispielsweise Glas, Kunststoffe, Metalle, Metalloxide, Nicht-Metall-Oxide oder Nicht-Metall-Nitride wie etwa SiO_x oder SiN_x, Keramiken oder Kombinationen daraus aufweisen oder sein. Die Verkapselung kann dabei beispielsweise Barriereschichten und/oder Planarisierungsschichten aufweisen. Weiterhin kann die Abdeckung auch als Laminat ausgeführt sein.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein organisches elektronisches Bauelement 11 gezeigt, das beispielsweise durch das Verfahren gemäß dem vorherigen Ausführungsbeispiel herstellbar ist und das als OLED ausgeführt ist. Das elektrisch leitende Substrat 4 und die transparente Elektrode 7 sind dabei an eine Strom- beziehungsweise Spannungsversorgung 8 angeschlossen. Durch Aufprägung eines Stroms, das heißt durch Injektion von Löchern und Elektronen in die organische Schichtenfolge 5 beispielsweise durch das als Anode ausgebildete elektrisch leitende Substrat 4 und die als Kathode ausgebildete transparente Elektrode 7, kann im aktiven Bereich 6 der organischen Schichtenfolge 5 durch Rekombination der Elektronen und Löcher Licht erzeugt werden, was durch die Pfeile 9 angedeutet ist.
Das als so genannter Top-Emitter ausgebildete organische elektronische Bauelement 11 kann das im aktiven Bereich 6 erzeugte Licht 9 durch die transparente Elektrode 7 und gegebenenfalls durch eine zusätzliche transparente Verkapselung (nicht gezeigt) abstrahlen. Licht, das im aktiven Bereich erzeugt und in Richtung des elektrisch leitenden Substrat 4 abgestrahlt wird, kann an der Licht reflektierenden und elektrisch leitenden dritten Schicht 3 des elektrisch leitenden Substrats 4 reflektiert und in Richtung der transparenten Elektrode 7 gelenkt werden.
Dadurch, dass die dritte Schicht 3 Licht reflektierend ist, kann beispielsweise ein möglicher Verlust von Photonen durch Absorption in der organischen zweiten Schicht 2 verhindert oder zumindest deutlich vermindert werden und die Effizienz des organischen elektronischen Bauelements gesteigert werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Organisches elektronisches Bauelement, umfassend – ein elektrisch leitendes Substrat (4), – eine auf dem Substrat (4) angeordnete organische Schichtenfolge (5) und – eine auf der organischen Schichtenfolge (5) angeordnete transparente Elektrode (7), – wobei das Substrat (4) eine erste Metallschicht (1), eine auf der ersten Metallschicht (1) angeordnete organische elektrisch leitende zweite Schicht (2) und eine auf der zweiten Schicht (2) angeordnete Licht reflektierende und elektrisch leitende dritte Schicht (3) umfasst.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei – die erste Metallschicht (1) als Metallfolie ausgeführt ist.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die erste Metallschicht (1) flexibel und selbsttragend ist.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die erste Metallschicht (1) zumindest eines oder mehrere der Materialen Edelstahl, Kupfer und Aluminium aufweist.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die zweite Schicht (2) zumindest eines oder mehrere Materialien ausgewählt aus einer Gruppe aufweist, die gebildet wird durch Polyacetylen, Polyphenylen, Polythiophen, Polypyrrol, Polyvinylen und Polyanilin und Copolymere und Mischungen davon.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die dritte Schicht (3) ein Metall aufweist.
Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei – das Metall Aluminium und/oder Silber aufweist.
Bauelement nach Anspruch 6 oder 7, wobei – die dritte Schicht (3) eine Schichtenfolge mit Metallschichten aufweist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die dritte Schicht (3) einen elektrisch leitenden Bragg-Spiegel aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei – die organische Schichtenfolge (5) einen aktiven Bereich (6) aufweist, der geeignet ist, im Betrieb Licht abzustrahlen.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei – die organische Schichtenfolge (5) einen aktiven Bereich (6) aufweist, der geeignet ist, im Betrieb Licht zu detektieren.
Verfahren zur Herstellung eines organischen elektronischen Bauelements, umfassend die Schritte: A) Bereitstellen eines elektrisch leitenden Substrats (4), B) Aufbringen einer organischen Schichtenfolge (5) auf dem Substrat (4), C) Aufbringen einer transparenten Elektrode (7) auf der organischen Schichtenfolge (5), wobei der Verfahrensschritt A folgende Teilschritte umfasst: A1) Bereitstellen einer ersten Metallschicht (1), A2) Aufbringen einer organischen elektrisch leitenden zweiten Schicht (2) auf der ersten Metallschicht (1) und A3) Aufbringen einer reflektierenden und elektrisch leitenden dritten Schicht (3) auf der zweiten Schicht (2).
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem – im Verfahrensschritt A2 die zweite Schicht (2) nasschemisch auf der ersten Metallschicht (1) aufgebracht wird.