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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektrolumineszenz-Vorrichtungen
mit Stromschienen sowie auf Verfahren zu ihrer Herstellung. Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Top-Emitter mit lichtdurchlässigen
Kathoden verstärkter seitlicher Leitfähigkeit
sowie auf Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Hintergrund der Erfindung
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Mit
Hilfe von OLEDs (organischer Leuchtdioden) hergestellte Displays
weisen eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen FPD-Technologien (FDP
= flat panel displays) auf. Sie sind hell, farbig, schalten schnell,
besitzen einen weiten Sichtwinkel und lassen sich einfach und kostengünstig
auf einer Vielzahl von Substraten herstellen. Organische (einschließlich
hier organometallische) Leuchtdioden (LEDs) können mit
Hilfe von Materialien wie Polymeren, kleinen Molekülen
und Dendrimeren je nach verwendetem Material in einer Reihe von
Farben hergestellt werden. Beispiele für organische LEDs
auf Polymerbasis sind in der
WO
90/13148 ,
WO 95/06400 und
WO 99/48160 beschrieben.
Beispiele für Materialien auf Dendrimerbasis sind in der
WO 99/21935 und
WO 02/067343 beschrieben.
Beispiele für Vorrichtungen auf der Basis sogenannter kleiner
Moleküle sind in der
US
4,539,507 beschrieben.
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Eine
typische OLED-Vorrichtung umfasst zwei Schichten eines organischen
Materials; die eine Schicht besteht aus einem Licht emittierenden
Material wie z. B. einem Licht emittierenden Polymer (LEP), einem
Oligomer oder einem niedermolekularen Licht emittierenden Material,
die andere Schicht aus einem Lochinjektionsmaterial wie z. B. einem
Polythiophen-Derivat oder einem Polyanilin-Derivat.
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OLEDs
können auf einem Substrat in einer Pixelmatrix abgeschieden
werden und dort ein Display aus ein- oder mehrfarbigen Pixeln bilden.
Ein mehrfarbiges Display lässt sich durch Einsatz von Gruppen
rotes, grünes und blaues Licht emittierender Pixel herstellen.
Sogenannte Aktivmatrix-Displays verfügen über ein
Speicherelement, typischerweise einen Speicherkondensator und einen
Dünnfilmtransistor (TFT) für die einzelnen Pixel,
wohingegen Passivmatrix-Displays über kein solches Speicherelement
verfügen und stattdessen wiederholt abgetastet werden,
damit der Eindruck eines gleichbleibenden Bildes entsteht. Andere
Passiv-Displays umfassen segmentierte Displays, bei denen sich eine Vielzahl
von Segmenten eine gemeinsame Elektrode teilt und ein Segment bei
Anlegen einer Spannung an seine andere Elektrode aufleuchtet. Ein
einfaches segmentiertes Display muss nicht abgetastet werden, in
einem Display mit einer Vielzahl segmentierter Regionen kann jedoch
(zur Reduzierung der Elektrodenanzahl) eine Multiplexierung der
Elektroden und anschließend ein Abtasten erfolgen.
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1 stellt
einen vertikalen Querschnitt durch eine beispielhafte OLED-Vorrichtung 100 dar. In
einem Aktivmatrix-Display wird ein Teil der Fläche eines
Pixels von dem dazugehörigen Antriebsschaltkreis (in 1 nicht
dargestellt) belegt. Die Struktur der Vorrichtung ist zu Veranschaulichungszwecken etwas
vereinfacht.
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Die
OLED 100 umfasst ein Substrat 102, typischerweise
aus 0,7 mm bzw. 1,1 mm dickem Glas, wahlweise aber auch durchsichtigem
Kunststoff oder einem anderen, im Wesentlichen lichtdurchlässigen Material.
Auf dem Substrat ist eine aus typischerweise etwa 40 bis 150 nm
dickem ITO (Indiumzinnoxid) bestehende Anodenschicht 104 abgeschieden,
auf der sich wiederum teilweise eine Metallkontaktschicht befindet.
Typischerweise umfasst die Kontaktschicht etwa 500 nm dickes Aluminium
oder eine Aluminiumschicht zwischen zwei Chromschichten und wird
zuweilen als Anodenmetall bezeichnet. Mit ITO und Kontaktmetall
beschichtete Glassubstrate sind verbreitet im Handel erhältlich.
Durch das Kontaktmetall auf dem ITO entstehen dort, wo die Anodenanschlüsse
nicht lichtdurchlässig sein müssen, Leitungsbahnen
mit reduziertem Widerstand, insbesondere für externe Kontakte
zu der Vorrichtung. Das Kontaktmetall wird dort, wo es unerwünscht
ist, insbesondere dort, wo es ansonsten das Display verdecken würde,
durch ein Standard-Photolithographieverfahren und anschließendes Ätzen
entfernt.
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Auf
der Anodenschicht ist eine im Wesentlichen lichtdurchlässige
Lochinjektionsschicht 106 und im Anschluss daran eine elektrolumineszierende Schicht 108 sowie
eine Kathode 110 abgeschieden. Die elektrolumineszierende
Schicht 108 kann z. B. PPV (Poly(p-phenylenvinylen)) umfassen,
die Lochinjektionsschicht 106, mit deren Hilfe die Lochenergieniveaus
der Anodenschicht 104 und der elektrolumineszierenden Schicht 108 angeglichen
werden, ein leitfähiges, lichtdurchlässiges Polymer,
z. B. PEDOT:PSS (mit Polystyrolsulfonat dotiertes Polyethylendioxythiophen)
von H. C. Starck, Deutschland. In einer typischen Vorrichtung auf
Polymerbasis umfasst die Lochinjektionsschicht 106 etwa
200 nm dickes PEDOT. Die Licht emittierende Polymerschicht 108 ist
typischerweise etwa 70 nm dick. Diese organischen Schichten können
mittels Schleuderbeschichten (und anschließende Entfernung
des Materials von unerwünschten Stellen durch Plasmaätzen oder
Laserablation) oder Tintenstrahldrucken abgeschieden werden. In
letzterem Fall können z. B. bei Verwendung eines Photoresists
Erhebungen 112 auf dem Substrat erzeugt werden, die Vertiefungen
definieren, in die die organischen Schichten abgeschieden werden
können. Solche Vertiefungen definieren die Lichtemissionsbereiche
oder Pixel des Displays.
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Die
Kathodenschicht 110 besteht typischerweise aus einem mit
einer dickeren Aluminiumdeckschicht beschichteten Metall mit geringer
Austrittsarbeit wie z. B. Calcium oder Barium (z. B. mittels physikalischer
Dampfabscheidung abgeschieden). Wahlweise kann sich unmittelbar
angrenzend an die elektrolumineszierende Schicht eine zusätzliche Schicht,
z. B. eine Schicht aus Lithiumfluorid zur besseren Angleichung der
Elektronenenergieniveaus befinden. Die gegenseitige elektrische
Isolierung der Kathodenleitungen kann durch Verwendung von Kathodenseparatoren
(in 1 nicht dargestellt) erzielt bzw. verstärkt
werden.
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Dieselbe
Grundstruktur lässt sich auch bei Vorrichtungen auf der
Basis kleiner Moleküle einsetzen.
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Typischerweise
werden eine Reihe von Displays auf einem einzigen Substrat hergestellt,
das Substrat am Ende des Herstellungsprozesses angeritzt, die Displays
getrennt und die einzelnen Displays mit einer Verkapselungshülle
versehen, um eine Oxidierung und das Eindringen von Feuchtigkeit
zu verhindern. Alternativ können die Displays vor dem Anritzen
und Trennen verkapselt werden.
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Zur
Beleuchtung der OLED wird zwischen der Anode und der Kathode z.
B. mittels einer in 1 dargestellten Batterie 118 ein
Strom angelegt. In dem in 1 dargestellten
Beispiel wird das Licht durch eine lichtdurchlässige Anode 104 und
das Substrat 102 emittiert, die Kathode ist im Allgemeinen
reflektierend. Solche Vorrichtungen werden als „Bottom-Emitter” bezeichnet.
Vorrichtungen, die Licht durch die Kathode emittieren („Top-Emitter”),
können z. B. dadurch erzeugt werden, dass die Dicke der
Kathodenschicht 110 bei weniger als etwa 50 bis 100 nm
gehalten wird, so dass die Kathode im Wesentlichen lichtdurchlässig
ist, und/oder ein lichtdurchlässiges Kathodenmaterial wie
ITO verwendet wird.
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1b stellt
einen vereinfachten Querschnitt durch eine Vorrichtung mit einem
Passivmatrix-OLED-Display 150 dar, bei dem gleiche Elemente
wie in 1 durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Wie dargestellt sind die Lochinjektionsschicht 106 und
die elektrolumineszierende Schicht 108 am Schnittpunkt
der aufeinander senkrecht stehenden, in dem Anodenmetall 104 bzw.
der Kathodenschicht 110 definierten Anoden- und Kathodenleitungen
in eine Vielzahl von Pixeln 152 unterteilt. In der Figur
sind in der Kathodenschicht 110 definierte Leitungsbahnen 154,
die in die Seite hineinlaufen, sowie ein Querschnitt durch eine
Vielzahl von Anodenleitungen 158, die im rechten Winkel
zu den Kathodenleitungen verlaufen, dargestellt. Ein elektrolumineszierender
Pixel 152 am Schnittpunkt einer Kathoden- und Anodenleitung
kann durch Anlegen einer Spannung zwischen den jeweiligen Leitungen angesteuert
werden. Die Anodenmetallschicht 104 stellt externe Kontakte
zum Display 150 bereit und kann für Anoden- und
Kathodenanschlüsse an die OLEDs verwendet werden (indem
man das Kathodenschichtmuster über die Anodenmetallauslässe laufen
lässt).
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Die
zuvor genannten OLED-Materialien, insbesondere das Licht emittierende
Polymermaterial und die Kathode, sind anfällig für
Oxidation und Feuchtigkeit. Die Vorrichtung wird daher in einer
mittels UV-härtbarem Epoxidkleber 113 befestigten
Metall- oder Glashülle 111 auf der Anodenmetallschicht 104 verkapselt.
Die Anodenmetallkontakte sind dort, wo sie unter dem Rand der Metallhülle 111 verlaufen, vorzugsweise
dünner, um die Belichtung des Klebers 113 mit
UV-Licht zum Aushärten zu erleichtern.
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Auf
die Verwirklichung eines Vollfarben-Bildschirms ganz aus Kunststoff
wurden erhebliche Mühen verwendet. Die größten
Herausforderungen, um dieses Ziel zu erreichen, sind: (1) Zugriff
auf konjugierte Polymere, die Licht der drei Grundfarben Rot, Grün
und Blau emittieren, und (2) leichte Verarbeitbarkeit und Herstellbarkeit
der konjugierten Polymere in Vollfarben-Display-Strukturen. Polymer-Leuchtdioden
(PLEDs) sind bezüglich der Erfüllung der ersten
Anforderung sehr vielversprechend, da sich eine Beeinflussung der
Emissionsfarbe durch Veränderung der chemischen Struktur
der konjugierten Polymere erzielen lässt. Eine Modulation
der chemischen Beschaffenheit der konjugierten Polymere ist zwar
im Labormaßstab häufig einfach und kostengünstig,
kann aber im Industriemaßstab ein teurer und komplizierter
Prozess sein. Die zweite Anforderung – leichte Verarbeitbarkeit
und Struktur der Vollfarbenmatrix-Vorrichtungen – wirft
die Frage auf, wie feine mehrfarbige Pixel mit einem Mikromuster
versehen werden können und sich eine Vollfarbenemission erzielen
lässt. Tintenstrahl- und Hybridtintenstrahl-Drucktechniken
haben bezüglich der Mustererzeugung auf PLED-Vorrichtungen
großes Interesse auf sich gezogen (siehe z. B. Science
1998, 279, 1135; Wudl et al, Appl. Phys. Lett.
1998, 73, 2561 und J. Bharathan, Y. Yang, Appl.
Phys. Lett. 1998, 72, 2660).
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Zur
Entwicklung eines Vollfarben-Displays wurden konjugierte Polymere
mit direkter Farbeinstellung, guter Verarbeitbarkeit und dem Potential
für die kostengünstige Herstellung im Industriemaßstab gesucht.
Poly-2,7-fluorene waren Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten
zum Thema blaues Licht emittierende Polymere (siehe z. B.
A.
W. Grice, D. D. C. Bradley, M. T. Bernius, M. Inbasekaran, W. W.
Wu und E. P. Woo, Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 629;
J.
S. Kim, R. H. Friend und F. Cacialli, Appl. Phys. Lett. 1999, 74,
3084;
WO-A-00/55927 und
M.
Bernius et al., Adv. Mater., 2000, 12, Nr. 23, 1737).
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Organische
Aktivmatrix-Leuchtdioden (AMOLEDs), bei denen auf einem Glassubstrat
aus einem Aktivmatrix-Schaltkreis zur Steuerung der einzelnen Pixel
und einer lichtdurchlässigen Anode elektrolumineszierende
Pixel und eine Kathode abgeschieden sind, sind im Stand der Technik
bekannt. Das Licht in diesen Vorrichtungen wird durch die Anode
und das Glassubstrat in Richtung des Betrachters emittiert (sogenannte „Bottom-Emission”).
Als Lösung für dieses Problem wurden Vorrichtungen
mit lichtdurchlässigen Kathoden (sogenannte „Top-Emitter”)
entwickelt. Eine lichtdurchlässige Kathode muss folgende
Eigenschaften besitzen: Lichtdurchlässigkeit, Leitfähigkeit
und geringe Austrittsarbeit zur effizienten Elektroneninjektion
in das LUMO der elektrolumineszierenden Schicht der Vorrichtung
oder ggf. einer Elektronentransportschicht.
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Ein
Beispiel für einen Top-Emitter ist in 2 dargestellt.
Der Top-Emitter umfasst ein Substrat 202, auf dem eine
isolierende Planarisierungsschicht 204 abgeschieden ist.
In der Planarisierungsschicht 204 befindet sich ein Durchgangsloch,
so dass die Anode an den dazugehörigen TFT (nicht dargestellt) angeschlossen
werden kann. Auf der Planarisierungsschicht 204 ist eine
Anode 206 mit Vertiefungen definierenden Erhebungen 208 abgeschieden.
Die Anode 206 ist vorzugweise reflektierend. In den durch
die Erhebungen definierten Vertiefungen ist ein elektrolumineszierendes
Material 210 und auf den Vertiefungen und Erhebungen eine
lichtdurchlässige Kathode 212 abgeschieden, so
dass eine durchgängige Schicht entsteht.
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Es
existieren jedoch nur sehr wenige leitfähige Materialien,
die außer bei extrem geringer Dicke lichtdurchlässig
sind. Ein solches Material ist Indiumzinnoxid (ITO); daher sind
Beispiele für lichtdurchlässige Kathoden im Stand
der Technik MgAg/ITO (offenbart in Appl. Phys. Lett. 68,
2606, 1996) und Ca/ITO (offenbart in J. Appl. Phys.
87, 3080, 2000).
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Bei
diesen Beispielen bewirkt eine erste, dünne Metallschicht
(oder im Falle von MgAg eine Metall-Legierung) die Elektroneninjektion.
Diese Schicht ist jedoch so dünn, dass die seitliche Leitfähigkeit
schlecht ist. Eine ITO-Schicht ist notwendig, um die Lichtdurchlässigkeit
bei größerer Dicke beizubehalten und so die seitliche
Leitfähigkeit der Kathode zu verbessern.
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ITO
wird jedoch durch hochenergetisches Sputtern abgeschieden, was die
darunter liegende(n) Schicht(en) wahrscheinlich beschädigt.
Angesichts dessen und der Einschränkungen bezüglich
Alternativen zu ITO wäre es daher wünschenswert,
den Bedarf nach einer separaten Schicht aus einem lichtdurchlässigen,
leitfähigen Material überflüssig zu machen.
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Stromschienen
sind ein bekanntes Verfahren zur Erhöhung der Leitfähigkeit
einer leitenden Schicht (siehe z. B.
US
6,664,730 ), bei dem die Dicke des Metalls mit dem Abstand
von der aktiven Region zunimmt. Sofern diese Stromschienen nicht
lichtdurchlässig sind, ist jedoch sofort erkennbar, dass ihre
Verwendung bei Top-Emittern die Emissionsfläche der Pixel
in gleicher Weise reduziert wie der Aktivmatrix-Schaltkreis dies
bei AMOLEDs, also Bottom-Emittern tut, und damit die Vorteile dieser
Vorrichtungen schmälert.
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Tintenstrahldrucken
elektrolumineszierender Formulierungen ist ein kostengünstiges
und effektives Verfahren zur Erzeugung gemusterter Vorrichtungen.
Wie in der
EP-A-0880303 offenbart,
werden dabei mittels Photolithographie Vertiefungen gebildet, die
Pixel definieren, in die das elektrolumineszierende Material mittels
Tintenstrahldrucken abgeschieden wird. In der
WO 2006/123126 hat der Anmelder
der vorliegenden Erfindung das Problem, wie die Leitfähigkeit
dieser dünnen, lichtdurchlässigen Kathodenschichten
in Top-Emittern verstärkt werden kann, ohne die Emissionsfläche
der Pixel zu reduzieren, dadurch gelöst, dass durch Verwendung
der die Vertiefungen definierenden Resisterhebungen Strukturen entstehen,
auf denen eine mit einem Muster versehene Metallschicht abgeschieden
und so Stromschienen erzeugt werden können.
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Eine
Metallschicht auf der obersten Schicht der Vertiefungen definierenden
Schicht stellt Stromschienen bereit, die die Leitfähigkeit
der mit ihr in Verbindung stehenden lichtdurchlässigen
Kathodenschicht verstärken können. Da sich die
von dieser Metallschicht bereitgestellten Stromschienen an Stellen
der Vorrichtung befinden, die aufgrund des Vorliegens der die Vertiefungen
definierenden Erhebungen bereits nicht-emittierend sind, wird die
Leitfähigkeit der lichtdurchlässigen Kathodenschicht
verstärkt, ohne dass die Emissionsfläche der Pixel
reduziert wird.
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Bei
dem in der
WO 2006/123126 beschriebenen
Verfahren zur Herstellung eines Top-Emitter-Displays wird eine Anodenschicht
auf einem Substrat, ein Material aus Vertiefungen definierenden
Erhebungen auf der Anodenschicht und ein Metallmaterial für
die Stromschienen auf den die Vertiefungen definierenden Erhebungen
abgeschieden. Das Material der Erhebungen sowie das Metallmaterial
sind so gemustert, dass sich das die Stromschienen bildende Metall
nur oben auf den Erhebungen befindet. Nun kann das organische elektrolumineszierende
Material in die Vertiefungen auf dem Anodenmaterial und anschließend
eine lichtdurchlässige Kathode auf dem elektrolumineszierenden
Material und den Stromschienen oben auf den Erhebungen abgeschieden
werden.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu der
in der
WO 2006/123126 beschriebenen
Erfindung bereitzustellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In
der in der
WO 2006/123126 beschriebenen
Anordnung ist die die Stromschienen bildende Metallschicht so gemustert,
dass sie sich nur oben auf den die Vertiefungen definierenden Erhebungen befindet.
Der Anmelder hat jedoch realisiert, dass eine solche Musterung nicht
erforderlich ist, wenn das die Stromschienen bildende Metallmaterial
auch als Anodenschicht der OLED verwendet wird.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher ein Verfahren
zur Herstellung einer organischen Halbleitervorrichtung mit einer
Vielzahl von Pixeln bereitgestellt, das Folgendes umfasst: Bereitstellen
eines Substrates mit einer mit einem Muster versehenen Schicht aus
Vertiefungen definierenden Erhebungen, Abscheiden eines ersten leitfähigen
Materials in den Vertiefungen und auf den die Vertiefungen definierenden
Erhebungen, wobei das erste leitfähige Material erste Elektroden
in den Vertiefungen und Stromschienen auf den die Vertiefungen definierenden
Erhebungen mit einer elektrischen Unterbrechung dazwischen bildet,
Abscheiden einer organischen Halbleiterschicht auf den ersten Elektroden
in den Vertiefungen und Abscheiden eines zweiten leitfähigen
Materials auf der organischen Halbleiterschicht und den Stromschienen,
so dass eine zusammenhängende zweite Elektrode auf der organischen
Halbleiterschicht und den Stromschienen entsteht.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine organische Halbleitervorrichtung
mit einer Vielzahl von Pixeln bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
ein Substrat mit einer mit einem Muster versehenen Schicht aus Vertiefungen
definierenden Erhebungen, eine Schicht aus einem ersten leitfähigen
Material in den Vertiefungen und auf den die Vertiefungen definierenden
Erhebungen, wobei das erste leitfähige Material erste Elektroden
in den Vertiefungen und Stromschienen auf den die Vertiefungen definierenden Erhebungen
mit einer elektrischen Unterbrechung dazwischen bildet, eine organische
Halbleiterschicht auf den ersten Elektroden in den Vertiefungen
und eine Schicht aus einem zweiten leitfähigen Material
auf der organischen Halbleiterschicht und den Stromschienen, wobei
das zweite leitfähige Material eine zusammenhängende
zweite Elektrode auf der organischen Halbleiterschicht und den Stromschienen
bildet.
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Damit
ein Top-Emitter entsteht, sind die ersten Elektroden vorzugsweise
reflektierend und die zweite Elektrode ist lichtdurchlässig.
Die ersten Elektroden können Anoden, die zweite Elektrode
eine Kathode sein. In einer solchen Anordnung kann die lichtdurchlässige
Kathode jedes leitfähige Material mit geringer Austrittsarbeit
sein, das zumindest einen Teil des Lichts durchlässt. Die
lichtdurchlässige Kathode kann z. B. eine Lichtdurchlässigkeit
von mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 50%, noch bevorzugter
mindestens 60% und am bevorzugtesten mindestens 80% aufweisen. Die
lichtdurchlässige Kathode kann eine Einzelschicht aus einem
leitfähigen Material oder eine Vielzahl von Schichten umfassen.
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Eine
besonders bevorzugte lichtdurchlässige Kathodenanordnung
enthält z. B. ein Metall mit geringer Austrittsarbeit,
das ausreichend dünn ist, um bei Kontakt mit der organischen
Halbleiterschicht lichtdurchlässig zu sein. Bevorzugte
Materialien mit geringer Austrittsarbeit weisen eine Austrittsarbeit
von nicht mehr als 3,5 eV, vorzugsweise nicht mehr als 3,2 eV und
am bevorzugtesten nicht mehr als 3,0 eV auf. Erdalkalimetalle mit
einer Austrittsarbeit in diesem Bereich, insbesondere Barium oder
Calcium, sind besonders bevorzugt. Dünne Materialien mit
geringer Austrittsarbeit können durch relativ niederenergetische
Prozesse wie z. B. thermisches oder Elektronenstrahlverdampfen abgeschieden
werden, die die organische Halbleiterschicht nicht beschädigen.
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Eine
weitere bevorzugte lichtdurchlässige Kathodenanordnung
enthält z. B. eine dünne Schicht aus einem mit
einer dünnen Metallschicht überzogenen dielektrischen
Material. Bevorzugte dielektrische Materialien sind Metalloxide
oder -fluoride, vorzugsweise -fluoride. Bevorzugte Metallkationen
sind Alkali- oder Erdalkalimetalle. Besonders bevorzugt sind Fluoride
von Lithium, Natrium, Calcium und Barium. Die dielektrische Schicht
kann mit jeder dünnen Metallschicht, z. B. Aluminium, überzogen
sein, vorausgesetzt die Lichtdurchlässigkeit bleibt gewahrt.
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Typischerweise
können die Kathodenschichten bei geeigneter Auswahl noch
bei einer Dicke von bis zu 20 nm lichtdurchlässig sein.
Die bevorzugte Dicke hängt von der Identität des
Kathodenmaterials selbst ab. Eine Lichtdurchlässigkeit
von 30% oder mehr lässt sich z. B. durch Bildung einer
MgAl-Legierung einer Dicke von 14 nm erreichen. Beispiele für geeignete
lichtdurchlässige Kathodenmaterialien sind dem Fachmann
bekannt und z. B. in den
US-Patenten
Nr. 5,703,436 und
5,707,745 offenbart.
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Das
zur Bildung der Schicht aus Vertiefungen definierenden Erhebungen
verwendete Material kann mittels einer dem Fachmann bekannten geeigneten
Technik, z. B. Schleuderbeschichten abgeschieden werden. Die Dicke
der die Vertiefungen definierenden Schicht reicht aus, um die Grenzen
der Vertiefungen zu definieren, in die eine Lösung des
organischen Halbleitermaterials mittels eines Tintenstrahldruckprozesses
abgeschieden wird, ist jedoch nicht so groß, dass erhebliche
Gefahr besteht, dass die zweite Elektrode an den Grenzen zwischen
den Vertiefungen und den Erhebungen bricht. Die zweite Elektrode
sollte eine durchgängige Schicht auf den Pixeln des Displays
bilden. Daher ist die Vertiefungen definierende Schicht typischerweise
mindestens 1,5 Mal, vorzugsweise mindestens 2 Mal dicker als die ersten
Elektroden, um sicherzustellen, dass es zwischen den ersten Elektroden
und den Stromschienen eine elektrische Unterbrechung gibt. Weiterhin
ist die Vertiefungen definierende Schicht typischerweise weniger
als 30 Mal dicker als die ersten Elektroden, um sicherzustellen,
dass die zweite Elektrode eine durchgängige Schicht ohne
elektrische Unterbrechung zwischen dem Material auf der organischen Halbleiterschicht
und dem Material auf den Stromschienen auf den Erhebungen bildet.
Ist die Vertiefungen definierende Schicht eine Photoresistschicht, kann
sie aus jedem Photoresistmaterial bestehen, beispielsweise lichtempfindlichen
Polyimiden und dergleichen (siehe z. B.
EP-A-0880303 ).
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Neben
der Anforderung, dass die Erhebungsstruktur verhindern soll, dass
die zweite Elektrode an den Grenzen zwischen den Vertiefungen und
den Erhebungen bricht, besteht als weitere Anforderung, dass der
Kontakt zwischen den ersten Elektroden in den Vertiefungen und den
Stromschienen auf den Erhebungen unterbrochen sein soll.
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Eine
Möglichkeit zur Erfüllung beider Anforderungen
an die Schicht aus Vertiefungen definierenden Erhebungen ist, Höhe
und Neigung der Schicht aus Vertiefungen definierenden Erhebungen
so einzustellen, dass der Kontakt zwischen den ersten Elektroden
und den Stromschienen zwar unterbrochen ist, die zweite Elektrode
aber in einer durchgängigen Schicht verbleibt. Der Höhenunterschied
zwischen der ersten Elektrode und dem oberen Teil der Erhebungen
ist im Vergleich zu dem Höhenunterschied zwischen der zweiten
Elektrode auf den Vertiefungen und dem oberen Teil der Erhebungen
größer, da die zweite Elektrode nach dem Auffüllen
der Vertiefungen mit einem organischen Halbleitermaterial und wahlweise
anderen Schichten wie z. B. Ladungsinjektions- und -transportschichten
abgeschieden wird. Die Höhe der Schicht aus Vertiefungen
definierenden Erhebungen kann damit so eingestellt werden, dass
die erste leitfähige Schicht an den Grenzen zwischen den
Vertiefungen und den Erhebungen bricht, jedoch eine durchgängige
Schicht für das zweite leitfähige Material bestehen
bleibt.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Erfüllung beider Anforderungen
an die Schicht aus Vertiefungen definierenden Erhebungen ist, eine
Doppelerhebungstruktur zu erzeugen, wobei die erste Erhebung eine hinterschnittene
Struktur besitzt, d. h. ihre Wände ein negatives Profil
aufweisen, so dass der Winkel zwischen der Senkrechten auf das Substrat
und den Wänden weniger als 0° beträgt.
Die Stromschienen befinden sich oben auf der ersten Erhebung, darüber befindet
sich eine zweite Erhebung mit einer positiven Neigung in die Vertiefungen.
Die hinterschnittene Struktur der ersten Erhebung stellt sicher,
dass es eine Unterbrechung zwischen dem die ersten Elektroden bildenden
ersten leitfähigen Material und dem die Stromschienen bildenden
ersten leitfähigen Material gibt. Die positive Neigung
der zweiten Erhebung stellt sicher, dass es einen durchgängigen
elektrischen Anschluss zwischen dem zweiten leitfähigen Material
auf den Erhebungen und dem zweiten leitfähigen Material
auf den Vertiefungen gibt. D. h., die Wände der zweiten
Erhebung weisen ein positives Profil auf, so dass der Winkel zwischen
der Senkrechten auf das Substrat und den Wänden mehr als 0° beträgt.
Hierdurch wird die Durchgängigkeit der zweiten Elektrodenschicht
gewährleistet.
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Die
organische Halbleiterschicht kann ein oder mehrere organische, Licht
emittierende Materialien umfassen. Liegen mehrere organische, Licht emittierende
Schichten vor, können diese als separate, diskrete Schichten
oder als Mischungen der Materialien in einer Einzelschicht vorliegen.
in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können
alle organischen, Licht emittierenden Materialien eingesetzt werden.
Geeignete Beispiele hierfür sind konjugierte Polymere wie
z. B. Poly(arylenvinylene), z. B. Polyphenylenvinylen (PPV) sowie
deren Derivate (siehe z. B.
WO-A-90/13148 ),
Polyfluorenderivate (siehe z. B.
A. W. Grice, D. D. C. Bradley,
M. T. Bernius, M. Inbasekaran, W. W. Wu und E. P. Woo, Appl. Phys.
Lett. 1998, 73, 629;
WO-A-00/55927 und
Bernius et al.,
Adv. Mater., 2000, 12, Nr. 23, 1737), insbesondere 2,7-verknüpfte
9,9-Dialkylpolyfluorene oder 2,7-verknüpfte 9,9-Diarylpolyfluorene,
Polyspirofluorene, insbesondere 2,7-verknüpftes Poly-9,9-spirofluoren,
Polynaphthylenderivate, Polyindenofluorenderivate, insbesondere
2,7-verknüpfte Polyindenofluorene und Polyphenanthrenylderivate. Das
organische Halbleitermaterial wird vorzugsweise mittels Tintenstrahldrucken
in die Vertiefungen, die durch die Vertiefungen definierende Schicht
definiert sind, abgeschieden. Eine zur Abscheidung des elektrolumineszierenden
Materials verwendete Tintenstrahlzusammensetzung umfasst mindestens
ein Lösungsmittel, mindestens ein elektrolumineszierendes Material
sowie wahlweise einsetzbare Zusatzstoffe (z. B. Zusatzstoffe zur
Modifizierung von Viskosität, Siedepunkt, etc. der Zusammensetzung).
Geeignete elektrolumineszierende Zusammensetzungen zum Tintenstrahldrucken,
wie sie z. B. in der
EP 0880303 und
der
WO 01/16251 offenbart
sind, sind für den Fachmann offensichtlich. Geeignete Lösungsmittel sind
z. B. alkyl- oder alkoxy-substituierte Benzole, insbesondere Polyalkylbenzole,
bei denen zwei oder mehr Alkylsubstituenten miteinander verknüpft
sind und einen Ring bilden.
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Die
genaue Dicke der elektrolumineszierenden Schicht(en) variiert je
nach Faktoren wie Identität des Materials/der Materialien
der elektrolumineszierenden Schicht(en) und der Identität
der anderen Komponenten der Vorrichtung. Typischerweise beträgt
die Dicke der elektrolumineszierenden Schicht (bzw. die kombinierte
Dicke bei mehr als einer Schicht) jedoch 1 bis 250 nm, vorzugsweise
50 bis 120 nm.
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In
den Vertiefungen können auch andere aktive Schichten wie
z. B. Ladungsinjektions- und Ladungstransportschichten abgeschieden
werden.
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Bei
einer Aktivmatrix-Vorrichtung ist das Substrat eine planarisierte
Aktivmatrix-Rückwand. Die Planarisierungsschicht ist eine
Isolierschicht aus einem Material wie z. B. Benzocyclobutan.
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Das
die ersten Elektroden und die Stromschienen bildende Material muss
ausreichend leitfähig sein, um als effiziente leitfähige
Stromschiene zu dienen, und ein gutes Ladungsinjektionsmaterial sein,
um als effiziente Elektrode zu dienen. Diese Anforderungen variieren
jedoch stark je nach z. B. der Größe des Displays
(die bestimmt, wie leitfähig die Stromschienen sein sollten – ein
größeres Display erfordert längere Stromschienen,
die daher gute Leiter sein sollten) und der Art der für
die elektrolumineszierende Schicht und ggf. Ladungsinjektions- und/oder Ladungstransportschichten
verwendeten Materialien.
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Sind
die ersten Elektroden Anoden, sollte das Material der Stromschienen
und der Anode so ausgewählt sein, dass es leitfähig
und ein gutes Lochinjektionsmaterial ist.
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Bei
Top-Emittern kann die erste Elektrode reflektierend sein oder es
kann alternativ eine separate reflektierende Schicht bereitgestellt
werden. Es kann z. B. eine zweilagige Struktur aus einer reflektierenden
Schicht mit einer darauf befindlichen Anodenschicht, z. B. aus ITO
bereitgestellt werden. Die reflektierende Schicht kann ein Metall
oder eine Metall-Legierung, z. B. Al, Ag oder NiCr sein.
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Anodenmaterialien
sind im Stand der Technik bekannt. Beispiele für geeignete
Materialien sind zinn-dotiertes Indiumoxid (ITO), zink-dotiertes
Indiumoxid (IZO), Indiumoxid, Zinnoxid und Zinkoxid, wobei ITO besonders
bevorzugt ist. Das Anodenmaterial kann stattdessen auch ein Metallmaterial
wie z. B. Aluminium, Chrom oder eine Legierung sein. Bei Top-Emittern
kann die erste Elektrode reflektierend sein. Die Dicke der Anodenelektrode
variiert je nach Identität des Materials und der anderen
Komponenten der elektrolumineszierenden Vorrichtung. Typischerweise
weist die Elektrode eine Dicke von 50 bis 500 nm, vorzugsweise 50
bis 300 nm auf.
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Da
OLEDs dazu neigen, sich in Gegenwart von Feuchtigkeit und Sauerstoff
zu zersetzen, ist es wünschenswert, eine lichtdurchlässige
Verkapselung auf der lichtdurchlässigen Kathode bereitzustellen, um
eine Barriere gegen das Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff
zu schaffen. Geeignete lichtdurchlässige Verkapselungen
sind z. B. eine auf das Substrat aufgeklebte Glasschicht oder eine
Barriere aus abwechselnden Kunststoff- und Keramikmaterialschichten,
die zusammen einen verschachtelten Pfad für das Eindringen
von Feuchtigkeit oder Sauerstoff bilden. Ein Getter-Material zur
Entfernung von Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff kann ebenfalls bereitgestellt
werden.
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Kurze Zusammenfassung der
Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung ist noch besser verständlich bei
Betrachtung des folgenden nicht beschränkenden Beispiels
mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren, in denen:
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1 eine
organische Bottom-Emitter-Leuchtdiode aus dem Stand der Technik
darstellt;
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1b ein
organisches Bottom-Emitter-LED-Display aus dem Stand der Technik
darstellt;
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2 eine
organische Top-Emitter-Leuchtdiode aus dem Stand der Technik darstellt;
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die 3A bis 3E die
Schritte zur Herstellung einer organischen Top-Emitter-Leuchtdiode
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellen; und
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die 4A und 4B eine
Top-Emitter-Vorrichtung ohne Stromschienen (4A)
und mit Stromschienen gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (4B) darstellen.
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Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die
Verfahrensschritte gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind in den 3A bis 3E dargestellt. Wie in 3A dargestellt, wird
zunächst ein Aktivmatrix-Substrat 302 mit einer Planarisierungsschicht 304 und
einem Durchgangsloch 306 für jeden Pixel hergestellt,
so dass eine Anode für jeden Pixel an den dazugehörigen
TFT (nicht dargestellt) angeschlossen werden kann. Das Substrat
wird wie in 3B dargestellt mittels
Schleuderbeschichten mit einer Isolierschicht aus Vertiefungen definierenden
Erhebungen 308, z. B. einem I-Linien-Negativresist, mit
hinterschnittenem Randprofil beschichtet und mit einem Muster versehen.
Das Anodenmaterial wird mittels eines in 3C dargestellten
Vakuumbeschichtungsverfahrens sowohl in den Vertiefungen 310 zur
Bildung von Anoden als auch auf den die Vertiefungen definierenden
Erhebungen 312 zur Bildung von Stromschienen auf dem Substrat abgeschieden.
Die Anoden 310 sind im Wesentlichen dünner als
die hinterschnittene Schicht aus Vertiefungen definierenden Erhebungen 308,
so dass der elektrische Anschluss zwischen den Anoden 310 und den
Stromschienen 312 an den Rändern der Vertiefungen
wie in 3C dargestellt unterbrochen
ist. Dann wird das Substrat mittels Schleuderbeschichten mit einer
zweiten isolierenden Erhebungsschicht mit positivem Randprofil 314 beschichtet
und mit einem Muster versehen, so dass wie in 3D dargestellt
die Pixelvertiefungen und Durchkontaktierungen 316 zu den
Stromschienen zwischen den beiden Erhebungsschichten entstehen.
Schließlich wird das elektrolumineszierende Material 318 in
den Pixelvertiefungen abgeschieden und darauf eine dünne,
lichtdurchlässige Kathode 320, die wie in 3E dargestellt sowohl mit dem oberen Teil
des elektrolumineszierenden Materials 318 als auch mit
den Stromschienen 312 in Kontakt steht.
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Das
elektrolumineszierende Material
318 wird mittels Tintenstrahldrucken
in den Vertiefungen abgeschieden. Die Tintenstrahlzusammensetzung für
die Abscheidung des elektrolumineszierenden Materials
318 umfasst
mindestens ein Lösungsmittel, mindestens ein elektrolumineszierendes
Material sowie wahlweise einsetzbare Zusatzstoffe (z. B. Zusatzstoffe
zur Modifizierung von Viskosität, Siedepunkt, etc. der
Zusammensetzung). Die Komponenten der elektrolumineszierenden Zusammensetzungen
zum Tintenstrahldrucken, wie sie z. B. in der
EP 0880303 und der
WO 01/16251 offenbart sind, sind für
den Fachmann offensichtlich.
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Zu
den bevorzugten Komponenten der Tintenstrahlzusammensetzung gehören
folgende:
Elektrolumineszierendes Material: bevorzugt sind konjugierte
Polymere wie z. B. Poly(arylenvinylene), z. B. Poly(p-phenylenvinylene)
und Polyarylene, z. B. Polyfluorene, insbesondere 2,7-verknüpfte
9,9-Dialkylpolyfluorene oder 2,7-verknüpfte 9,9-Diarylpolyfluorene,
Polyspirofluorene, insbesondere 2,7-verknüpftes Poly-9,9-spirofluoren,
Polyindenofluorene, insbesondere 2,7-verknüpfte Polyindenofluorene, Polyphenylene,
z. B. alkyl- oder alkoxy-substituiertes Poly-1,4-phenylen. Solche
Polymere sind z. B. in Adv. Mater. 2000 12(23) 1737–1750 und
der darin enthaltenen Literatur offenbart.
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Lösungsmittel:
alkyl- oder alkoxy-substituierte Benzole, insbesondere Polyalkylbenzole,
bei denen zwei oder mehr Alkylsubstituenten miteinander verknüpft
sind und einen Ring bilden.
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Die
lichtdurchlässige Kathode kann eine Einzelschicht aus einem
leitfähigen Metall oder eine Vielzahl von Schichten umfassen.
Besonders bevorzugte lichtdurchlässige Kathodenanordnungen
sind: ein Metall mit geringer Austrittsarbeit, das ausreichend dünn
ist, um bei Kontakt mit der elektrolumineszierenden Schicht lichtdurchlässig
zu sein. Bevorzugte Materialien mit geringer Austrittsarbeit weisen
eine Austrittsarbeit von nicht mehr als 3,5 eV, vorzugsweise nicht
mehr als 3,2 eV und am bevorzugtesten nicht mehr als 3,0 eV auf.
Erdalkalimetalle mit einer Austrittsarbeit in diesem Bereich, insbesondere
Barium oder Calcium, sind besonders bevorzugt. Dünne Materialien
mit einer geringen Austrittsarbeit können durch relativ
niederenergetische Prozesse wie z. B. thermisches oder Elektronenstrahlverdampfen
abgeschieden werden, die die elektrolumineszierende Schicht nicht
beschädigen. Eine weitere bevorzugte lichtdurchlässige
Kathodenanordnung enthält z. B. eine dünne Schicht
aus einem mit einer dünnen Metallschicht überzogenen
dielektrischen Material. Bevorzugte dielektrische Materialien sind
Metalloxide oder -fluoride, vorzugsweise -fluoride. Bevorzugte Metallkationen
sind Alkali- oder Erdalkalimetalle. Besonders bevorzugt sind Fluoride
von Lithium, Natrium, Calcium und Barium. Die dielektrische Schicht
kann mit jeder dünnen Metallschicht, z. B. Aluminium, überzogen
sein, vorausgesetzt die Lichtdurchlässigkeit bleibt gewahrt.
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Die
lichtdurchlässige Kathode ist typischerweise mit einer
weiteren Schicht überzogen, da OLEDS dazu neigen, sich
in Gegenwart von Feuchtigkeit und Sauerstoff zu zersetzen, und es
daher wünschenswert ist, eine lichtdurchlässige Verkapselung
auf der lichtdurchlässigen Kathode bereitzustellen, um
eine Barriere gegen das Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff
zu schaffen. Geeignete lichtdurchlässige Verkapselungen
sind z. B. eine auf das Substrat aufgeklebte Glasschicht oder eine
Barriere aus abwechselnden Kunststoff- und Keramikmaterialschichten,
die zusammen einen verschachtelten Pfad für das Eindringen
von Feuchtigkeit oder Sauerstoff bilden.
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Die
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen mehrere
Vorteile auf. Es können multiple Anodenschichten abgeschieden
und automatisch mit einem Muster versehen werden, ohne dass Ausrichtungsprobleme
auftreten, da die Anoden nach der ersten, die Elektrodenbereiche
definierenden Erhebungsschicht und nicht vor Abscheidung der Erhebungen
abgeschieden werden. Da die Anoden während der Herstellung
der Vorrichtung nach den Erhebungen unter Vakuum abgeschieden und nicht
vor der Herstellung der Vorrichtung auf dem Substrat gebildet werden,
wird eine Beschädigung infolge der Reaktion des Anodenmaterials
mit Sauerstoff und Wasser vor Herstellung der Vorrichtung vermieden.
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Durch
die Abscheidung des Anodenmaterials entstehen automatisch die Stromschienen
in einem einzigen Schritt. Die Stromschienen stellen durchgängige
leitfähige Bahnen auf dem gesamten Display dar, was die
Leitfähigkeit der dünnen, lichtdurchlässigen
Kathode erhöht. Das Hinzufügen von Kathodenstromschienen
zur Erhöhung der Leitfähigkeit hat normalerweise
erheblichen Einfluss auf das maximale Längenverhältnis.
Im Gegensatz dazu hat das erfindungsgemäße Verfahren
der Bereitstellung von Stromschienen keinen Einfluss auf das Längenverhältnis
der entstandenen Vorrichtung. Die Stromschienen befinden sich nur
auf den Erhebungen, und die Durchgangslöcher werden zum
Anschluss der Kathode an die einzelnen Stromschienen bereitgestellt.
In der Praxis verbinden sich die Stromschienen wie in 4B (nachfolgend diskutiert) dargestellt
zu einer Lage oder Schicht, wobei die Löcher in der Schicht
den Positionen der Licht emittierenden Pixel entsprechen.
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Der
fehlende Einfluss auf das Längenverhältnis der
Vorrichtung wird bei Vergleich einer Vorrichtung ohne Stromschienen
(4A) mit einer Vorrichtung mit Stromschienen
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung (4B) sichtbar. Die 4A und 4B stellen
eine Draufsicht auf ein elektrolumineszierendes Display aus Licht emittierenden
Pixeln 402 dar. Die nicht-emittierenden Regionen 404 in 4A entsprechen Regionen, in denen das
Material aus Pixelvertiefungen definierenden Erhebungen abgeschieden
ist. In 4B befinden sich die Stromschienen 406 nur
in den nicht-emittierenden Regionen, so dass das Längenverhältnis
des Displays nicht beeinflusst wird.
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Die
vorliegende Erfindung wurde zwar insbesondere mit Bezug auf bevorzugte
Ausführungsformen dargestellt und beschrieben, dem Fachmann
ist jedoch bewusst, dass verschiedene Veränderungen bezüglich
Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom
Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen
definiert ist, abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Verfahren
zur Herstellung einer organischen Halbleitervorrichtung mit einer
Vielzahl von Pixeln, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines
Substrates mit einer mit einem Muster versehenen Schicht aus Vertiefungen
definierenden Erhebungen, Abscheiden eines ersten leitfähigen
Materials in den Vertiefungen und auf den die Vertiefungen definierenden
Erhebungen, wobei das erste leitfähige Material erste Elektroden
in den Vertiefungen und Stromschienen auf den die Vertiefungen definierenden
Erhebungen mit einer elektrischen Unterbrechung dazwischen bildet,
Abscheiden einer organischen Halbleiterschicht auf den ersten Elektroden
in den Vertiefungen und Abscheiden eines zweiten leitfähigen Materials
auf der organischen Halbleiterschicht und den Stromschienen, so
dass eine zusammenhängende zweite Elektrode auf der organischen
Halbleiterschicht und den Stromschienen entsteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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-
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-
- - WO 90/13148 [0002]
- - WO 95/06400 [0002]
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