DE69838770T2

DE69838770T2 - Verfahren zur Herstellung elektrolumineszierender Vorrichtungen

Info

Publication number: DE69838770T2
Application number: DE69838770T
Authority: DE
Inventors: Daniel B. Menlo Park Roitman; Guillermo Rochester Bazan; James R. Palo Alto Sheats; Michelle Lee Rochester Renak
Original assignee: Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1997-03-03
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2018-03-03
Also published as: EP1394871A2; EP0863557B1; US5965280A; DE69838770D1; EP1394871A3; EP0863557A3; JPH10326675A; EP0863557A2; JP3041349B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrolumineszierende Vorrichtungen, und insbesondere lichtemittierende Vorrichtungen, die auf organischen Polymeren basieren. Insbesondere betrifft sie strukturierte polymere elektrolumineszierende Vorrichtungen, die auf mikrolithographischen Verfahren basieren.
Auf Polymeren basierende elektrolumineszierende Vorrichtungen (PLEDs) haben das Potenzial, um preiswerte Alternativen zu alphanumerischen Displays und X-Y-adressierbaren Displays bereitzustellen. PLEDs haben auch das Potenzial, eine Alternative zu Hintergrund beleuchteten Flüssigkristall-Displays bereitzustellen. Eine einfache PLED kann aus einer elektrolumineszierenden Schicht, die zwischen einer Elektronen-Injektionselektrode und einer Loch-Injektionselektrode angeordnet ist, aufgebaut sein. Komplexere Vorrichtungen verwenden Elektronen- und Lochtransportschichten zwischen den oben erwähnten Elektroden und der elektrolumineszierenden Schicht. Bei Vorrichtungen, die auf Poly(P-Phenylenvinylen) (PPV), oder Derivaten davon, basieren, wurden ausreichende Quantenausbeuten nachgewiesen, um kommerziell attraktiv zu sein.
Ein auf PLEDs basierendes Display wird typisch durch Schleuderguss einer oder mehrerer Polymerschichten auf einer Elektrodenstruktur aufgebaut. Eine Elektronentransportschicht und die zweite Elektrode werden dann auf die PPV-Schicht deponiert. Einzeln adressierbare Vorrichtungen erhält man durch Strukturieren der Elektroden und der Elektronentransportschichten. Alle diese Vorrichtungen teilen sich typischerweise eine gemeinsame PPV-Schicht.
Während diese Art der Fertigung nützlich ist, um Vorrichtungen zu erzeugen, die alle auf der gleichen Wellenlänge ausstrahlen, ist sie nicht gerade ideal für Vorrichtungen, bei denen die PLEDs auf verschiedenen Wellenlängen ausstrahlen sollen. Man kann z. B. Farbdisplays aufbauen, indem man jeden Pixel aus drei Farbpixeln aufbaut, die dicht nebeneinander angeordnet sind. Um Pixel mit unterschiedlichen Farben zu erhalten, verwenden Vorrichtungen nach dem Stand der Technik eine elektrolumineszierende Schicht, die dotiert wurde, um ein breites Emissionsspektrum zu erzeugen. Dann werden Farbfilter verwendet, um dieses einfarbige Display in ein dreifarbiges Display umzuwandeln. Während ein mehrfarbiges Display auf diese Art und Weise gefertigt werden kann, kann nur ein Bruchteil des verfügbaren Lichts in jeder Farbe realisiert werden; daher ist die Intensität geringer als diejenige, die mit einem monochromen Display erreicht werden kann. Zudem müssen die Farbfilter auf jedem Element gefertigt und strukturiert werden, was die Kosten des Displays erhöht.
Es wäre vorteilhaft, PPV-Schichten photolithographisch strukturieren zu können. PLEDs könnten dann unter Verwendung hinlänglich entwickelter Techniken, die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet werden, aufgebaut werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein photolithographisches Verfahren zum Strukturieren von PLEDs bereitzustellen.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung und der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen.
Die vorliegende Erfindung weist ein Verfahren zum Aufbauen einer auf PPV basierenden elektrolumineszierenden Vorrichtung auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektrolumineszierende Vorrichtung auf einem Substrat aufgebaut, indem eine Schicht eines Materials, das einen PPV-Vorläufer und einen Photosäureerzeuger aufweist, auf dem Substrat deponiert wird. Das Substrat beinhaltet typischerweise die Anode für die Vorrichtung. Der PPV- Vorläufer wird bei dem Vorliegen einer Säure in PPV umgewandelt. Der Photosäureerzeuger erzeugt eine Säure, wenn er elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird. Diejenigen Abschnitte der Schicht, die keine elektrolumineszierenden Elemente enthalten sollen, werden maskiert. Der unmaskierte Abschnitt wird dann durch elektromagnetische Strahlung beleuchtet, wodurch PPV in den unmaskierten Bereichen gebildet wird; und nicht umgesetzter PPV-Vorläufer wird entfernt, um eine Mehrzahl von diskreten PPV-Regionen auf dem Substrat bereitzustellen. Eine Elektronentransportschicht kann dann über den PPV-Regionen deponiert werden, und die Kathode wird oben auf der Elektronentransportschicht aufgetragen. Durch geeignetes Wählen der Dicke und des Materials, das verwendet wird, um die Elektronentransportschicht aufzubauen, stellt die Elektronentransportschicht auch elektrische Isolierung zwischen der Anode und der Kathode in den Regionen der Vorrichtung bereit, die keine PPV-Elemente aufweisen.
1 stellt die grundlegende Chemie dar, die bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 stellt die mikrolithographische Erzeugung von strukturierten PPV auf einem Substrat dar.
3 ist eine Querschnittsansicht einer LED-Anordnung 100, die gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigt ist.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Säureumwandlung eines Vorläufermaterials in konjugiertes PPV. Die Säure wird nach der Photolyse eines Säurevorläufers erzeugt, der mit einem PPV-Vorläufer vermischt ist. Daher kann das PPV mikrolithographisch strukturiert werden durch Deponieren einer Schicht der Mischung aus PPV-Vorläufer und Säurevorläufer und dann durch Aussetzen der Bereiche, in denen das PPV erzeugt werden soll, an Licht der geeigneten Wellenlänge und Intensität. Der Vorläufer, der nicht in PPV umgewandelt ist, wird dann entfernt.
Es wird nun Bezug genommen auf 1, welche die grundlegende Chemie darstellt, die bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das PPV in ein Blockcopolymer inkorporiert, um die Kontrolle der Eigenschaften, wie etwa Löslichkeit und Viskosität, zu ermöglichen. Der PPV-Vorläufer ist bevorzugt Poly(9-Hydroxy-[2.2]-Paracyclophan-1-en)_x-Block-Poly(Norbornen)_y (Poly1_x-Block-PolyNBE_y). Dabei beziehen sich die indizierten Werte auf die durchschnittliche Polymerisation, und die Abkürzung NBE wird für Norbornen verwendet. Dieser Vorläufer wird bei 50 bis 60°C bei dem Vorliegen einer Säure in PPV_2x-Block-PolyNBE_y umgewandelt. Der bevorzugte Photosäureerzeuger ist Triphenylsulfonium-Trifluormethansulfonat.
Es wird nun Bezug genommen auf 2, welche die mikrolithographische Erzeugung von strukturierten PPV auf einem Substrat darstellt. Zunächst wird ein einheitlicher Film 14, der Poly1_x-Block-PolyNBE_y und den Photosäureerzeuger enthält, aus einer Toluen- und Methylenchloridlösung (95:5) durch Schleuderguss auf ein Glassubstrat 12 aufgetragen. Eine Bestrahlung durch eine Maske 16 hindurch mit einer Bestrahlungsdosis von 4,7 J/cm² mit Licht aus einer Quecksilberlampe fördert die Bildung von Trifluormethansulfonsäure, die PPV-Regionen 20 an den ausgesetzten Stellen erzeugt. Die umgewandelten Bereiche entsprechen nur den bestrahlten Regionen und sind durch ihre Emission im sichtbaren Bereich sofort erkennbar. Ein Entwickeln in Chloroform wäscht sauber alles nicht umgesetzte Poly1_x-Block-PolyNBE_y ab, so dass die strukturierten PPV-Regionen 20 übrig bleiben.
Das Verhältnis von PPV zu PolyNBE in den Vorläuferblöcken kann verfeinert werden, um den Schritt des Entwickelns zu optimieren. Ein größerer prozentualer Gehalt des PolyNBE-Bestandteils erhöht die Löslichkeit bis zu einem Punkt, an dem sich die bestrahlten Bereiche in Chloroform auflösen. Im Gegensatz dazu ist es schwierig, das Poly1_x-Block-PolyNBE_y ganz zu entfernen, wenn x viel größer ist als y, z. B. wenn das Verhältnis x/y mehr als ungefähr 15 beträgt. Annehmbare Ergebnisse erhält man, wenn das Verhältnis x/y sich in dem Bereich von 0,5 < x/y < 2 befindet, und optimale Ergebnisse erhält man, wenn das Verhältnis x/y sich in dem Bereich 1 < x/y < 2 befindet.
Auf PPVs basierende LEDs verwenden typischerweise eine Elektronentransportschicht (ETL), um der Injektion der Elektronen von dem Kathodenmaterial in das PPV zu helfen. Eine typische LED ist eine zweilagige Struktur, die aus einer PPV-Schicht in Kontakt mit einer ETL besteht. Diese zweilagige Struktur wird zwischen einer Anode und einer Kathode eingeschoben, wobei die ETL-Lage mit der Kathode in Kontakt steht. Im Prinzip kann die ETL auf dem PPV strukturiert werden, und ein Isolator zwischen den LEDS aufgetragen werden, um Kontakt zwischen der Anode und der Kathode in LED-Anordnungen zu vermeiden. Diese Ausgestaltung benötigt jedoch zusätzliche Maskierungsschritte, um die ETL zu strukturieren. Diese Schritte verringern die Vorrichtungsausbeute und erhöhen daher die Kosten der auf PPV basierenden LED-Anordnungen.
Die ETL kann verwendet werden, sowohl um die oben besprochene Elektroneninjektionsfunktion bereitzustellen, als auch um die Anode von der Kathode zu isolieren, vorausgesetzt die Stärken von PPV und ETL werden richtig gewählt. Es wird nun Bezug genommen auf 3, die eine Querschnittsansicht einer LED-Anordnung 100 ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Die Anordnung 100 wird aufgebaut durch Deponieren einer Anode 104, typischerweise einer Lage aus Indium-Zinn-Oxid, auf einem Substrat 101. Strukturierte PPV-Elemente 108 werden dann auf die Anode 104 deponiert unter Verwendung der oben beschriebenen Methodologie. Eine Elektronentransportschicht 106 wird dann über die PPV-Elemente deponiert. Die Elektronentransportschicht (ETL) mag aus einer Lösung gegossen werden, die Polystyren und 2-(4-Biphenylyl)-1,3,4 Oxadiazol enthält (Gewichtszusammensetzung von 50:50). Typische Filmdicken sind 220 nm für die ETL und 80 bis 100 nm für die PPV-Strukturen. Der Kathodenkontakt, typischerweise Ca, wird durch Lochmasken hindurch in der geeigneten Ausgestaltung deponiert.
Im Idealfall geht man davon aus, dass die ETL Elektronen von der Kathode zu der emittierenden PPV-Schicht überträgt während sie den Fluss von Löchern von der Anode zu der Kathode in den nicht von der PPV-Schicht 108 abgedeckten Bereichen blockiert. In der Praxis sind Löcher blockierende Filme nicht perfekt und bei ausreichend starken Feldern werden Löcher in die ETL injiziert, wo sie sich wieder mit Elektronen verbinden mögen und Licht abgeben. Da die Dicke, H, der ETL geringer ist als die kombinierte Dicke, T, von PPV und ETL, muss das elektrische Feld in den Regionen außerhalb der PPV-Elemente stärker sein. Dies setzt voraus, dass die dielektrischen Konstanten in den PPV- und ETL-Regionen ungefähr gleich sind. Je größer diese Differenz, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Löcher in die Nur-ETL-Region injiziert werden. Für die oben beschriebenen Vorrichtungen müssen H und T gewählt werden, um den Strom daran zu hindern, durch die Regionen hindurch zu passieren, die nur von der ETL abgedeckt sind. Ist diese Bedingung erfüllt, so kann man eine unstrukturierte ETL sowohl für die Elektronentransportfunktion als auch für die elektrische Trennung von Kathode und Anode verwenden. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Bedingung im Allgemeinen von den für die ETL und die Elektroden verwendeten Materialien abhängig ist.
Die in 3 gezeigte Ausführungsform verwendete eine ETL sowohl zur Trägerinjektion als auch zur elektrischen Trennung von Kathode und Anode in denjenigen Regionen, in denen die Kathode und die Anode nicht durch das PPV separiert waren. Es wird jedoch für den Fachmann nach der obigen Besprechung deutlich sein, dass Ausführungsformen, die eine Lochtransportschicht auf entsprechende Art und Weise verwenden, ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut sein mögen. Eine derartige Anordnung wird in 4 bei 200 gezeigt. Derartige in 4 gezeigte Elemente, welche der gleichen Funktion wie die in 3 gezeigten Elemente dienen, werden in 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 3. Die Lochtransportschicht 212 ersetzt die in 3 gezeigte ETL, und die Positionen der Anode 204 und Kathode 202 sind im Vergleich zu der in 3 gezeigten Ausführungsform umgekehrt. Wenn H und T richtig gewählt werden, stellt die Lochtransportschicht auch eine elektrische Trennung zwischen Anode und Kathode in denjenigen Regionen bereit, in denen die Kathode und Anode nicht durch PPV separiert sind. Die spezifische Beziehung zwischen H und T sind natürlich von dem Lochtransportschichtmaterial sowie von den Materialien abhängig, aus denen die Anode und Kathode aufgebaut sind.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer elektrolumineszierenden Vorrichtung auf einem Substrat (12), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Aufbringen einer Schicht (14) eines Materials, das einen PVV-Vorläufer und einen Photosäureerzeuger aufweist, wobei der PVV-Vorläufer bei dem Vorliegen einer Säure in PVV umgewandelt wird, wobei der Photosäureerzeuger eine Säure erzeugt, wenn er elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist; Maskieren (16) eines Abschnitts der Schicht (14), wobei ein Abschnitt der Schicht unmaskiert bleibt; Beleuchten des unmaskierten Abschnitts der Schicht (14) mit elektromagnetischer Strahlung, wodurch PVV in den unmaskierten Bereichen gebildet wird; und Entfernen von nicht umgesetzten PVV-Vorläufer, um eine Mehrzahl von diskreten PVV-Regionen (20, 108) auf dem Substrat (12) bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der PVV-Vorläufer Poly(9-Hydroxy-[2,2]-Paracyclophan-1-en)_x-Block-Poly(Norbornen)_y (Poly1x-Block-PolyNBE_y) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Photosäureerzeuger Triphenylsulfonium-Trifluormethansulfonat aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner den Schritt eines Aufbringens einer Elektronentransportschicht (106) auf die getrennten PPV-Regionen (108) aufweist, wobei die Elektronentransportschicht (106) die PPV-Regionen (108) bedeckt und jeglichen Raum zwischen den PPV-Regionen (108) füllt, wobei die Elektronentransportschicht (106) ein Material aufweist, das bevorzugt Elektronen mehr als Löcher transportiert.
Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem die Elektronentransportschicht (106) Polystyren und 2-(4-Biphenylyl)-1,3,4 Oxadiazol aufweist.