TWI584494B

TWI584494B - 具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件及其製作方法

Info

Publication number: TWI584494B
Application number: TW104125208A
Authority: TW
Inventors: 黃俊元; 尤信介; 蔣瑞光; 陳志榮; 黃俊武
Original assignee: 國立臺東大學
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2015-08-04
Publication date: 2017-05-21
Also published as: TW201707230A

Description

具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件及其製作方法

本發明是有關於一種具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件及其製作方法，特別是有關於一種使用多量子點層，各量子點層由極薄的位障材料區隔開，以增加發光區的厚度，並提昇元件效率之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件及其製作方法。

目前的單量子點發光層結構，由於結構較為簡單且製作容易，所以獲得普遍使用。且，進一步地，為使其達到更高的效率，不斷地進行研究改善。

其中，改善方式主要是由發光區兩側的電子及電洞傳輸層著手，如開發研究更有效的材料，以提供更多的載子注入或增加載子輻射復合的機率；然，傳統量子點發光二極體的作法上，大部分結構都是使用溶液製程，而溶液製程需考量到相鄰兩薄膜之互溶問題，進而被諸多條件所限制；因此，實際可以選擇的材料並不多，進而大幅限制量子點發光二極體之發展。

有鑑於上述習知之問題，本發明的目的在於提供一種具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件及其製作方法，用以解決習知技術中所面臨之問題。

基於上述目的，本發明係提供一種具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件，其包含基板、第一載子傳輸層、多層量子井結構、第二載子傳輸層及第二電極層。基板具有第一電極層。第一載子傳輸層塗佈形成於基板之第一電極層上。多層量子井結構形成於第一載子傳輸層上，其包含複數個量子點層及至少一位障層：複數個量子點層塗佈形成於第一載子傳輸層上；至少一位障層分別塗佈形成於各量子點層之間。第二載子傳輸層塗佈形成於多層量子井結構上。第二電極層形成於第二載子傳輸層上。

較佳地，具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件更可包含緩衝層，其位於第一電極層及第一載子傳輸層之間，且塗佈形成於第一電極層上。

較佳地，具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件更可包含電子注入層，其位於第二電極層及第二載子傳輸層之間，且塗佈形成於第二載子傳輸層上。

較佳地，當第一電極層為元件陽極層時，第一載子傳輸層可為p型層，且主要載子為電洞。

較佳地，當第二電極層為元件陰極層時，第二載子傳輸層可為n型層，且主要載子為電子。

基於上述目的，本發明再提供一種具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件之製造方法，其包含下列步驟：提供包含第一電極層之基板。對應基板之第一電極層之一面形成第一載子傳輸層。於第一載子傳輸層相對第一電極層之一面上塗佈形成多層量子井結構，多層量子井結構包含複數個量子點層及至少一位障層，複數個量子點層塗佈形成於第一載子傳輸層上，至少一位障層則分別塗佈形成於各量子點層之間。於多層量子井結構相對第一載子傳輸層之一面上塗佈形成第二載子傳輸層。對應第二載子傳輸層相對多層量子井結構之一面形成第二電極層。

較佳地，第一電極層及第一載子傳輸層之間可具有緩衝層，緩衝層塗佈形成於第一電極層上。

較佳地，第二電極層及第二載子傳輸層之間可具有電子注入層，電子注入層塗佈形成於第二載子傳輸層相對多層量子井結構之該面上。

承上所述，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件及其製作方法可藉由使用複數個量子點層，且各量子點層由極薄的位障層區隔開，進而增加發光區的厚度，以提昇元件效率；另一方面，亦可在此結構下使用相異色光之量子點，以達成白光放射的目的。

為利貴審查員瞭解本發明之特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合圖式，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。

本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明或可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。

請參閱第1圖，其係為本發明之量子井結構之膠體量子點電激發光元件之剖面示意圖。如圖所示，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100包含了基板101、第一載子傳輸層104、多層量子井結構105、第二載子傳輸層108及第二電極層110。

續言之，上述具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100所包含之基板101具有第一電極層102；其中，基板101可為具有透光或半透光特性之玻璃基板或塑膠基板；以及第一電極層102可為金屬或透明導電氧化物。而，第一載子傳輸層104塗佈形成於基板101之第一電極層102上。

而，上述之多層量子井結構105形成於第一載子傳輸層104上，且多層量子井結構105包含了複數個量子點層106及至少一位障層107：其中，複數個量子點層106塗佈形成於第一載子傳輸層104上，且至少一位障層107則分別塗佈形成於各量子點層106之間；亦即，多層量子井結構105係由複數個量子點層106及至少一位障層107交錯形成所構成。

而，上述第二載子傳輸層108則塗佈形成於多層量子井結構105上。而，第二電極層110則形成於第二載子傳輸層108上。

而，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100除了上述所提到之各層結構之外，如第1圖所示，於本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100其中一種態樣中，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100更可包含緩衝層103；其中，緩衝層103位於第一電極層102及第一載子傳輸層104之間，且塗佈形成於第一電極層102上。

此外，再請參照第1圖，同樣地，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100除了上述所提到之各層結構之外，於本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100另一種態樣中，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100更可包含電子注入層109；其中，電子注入層109位於第二電極層110及第二載子傳輸層108之間，且塗佈形成於第二載子傳輸層108上。

承上所述，需詳細說明的是，當上述所提到之第一電極層102為元件陽極層時，第一載子傳輸層104應對應為p型層，且主要載子為電洞。

另一方面，若第二電極層110為元件陰極層時，第二載子傳輸層108則對應為n型層，且主要載子為電子。

更詳細地說，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100係使用具有第一電極層102(可為圖案化氧化銦錫陽極)之基板101(可為玻璃基板)，該基板101在經由使用丙酮及異丙醇進行表面清潔後，可再使用紫外光臭氧或氧電漿處理以增加基板101表面之濕潤性。接著，藉由旋轉塗佈法於第一電極層102上形成緩衝層103(可為有機材料-聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸複合物(PEDOT:PSS)薄膜而塗佈於第一電極層102上)。而，當緩衝層103以溫度120度且經30分鐘烤乾後，可再藉由旋轉塗佈法於緩衝層103上形成第一載子傳輸層104(可為電洞傳輸層)；其中，形成第一載子傳輸層104所塗佈之材料可為聚三苯胺(poly(4-butylphenyl-diphenyl-amine), poly-TPD)-氯苯溶液。

之後，於第一載子傳輸層104以溫度100度且經30分鐘烤乾後，可再塗佈量子點層106(可為量子點發光層)；其中，形成量子點層106所塗佈之材料可為綠光CdSe/ZnS量子點，其粒徑約為12nm，發光波長為547nm，而量子點懸浮於正己烷溶劑中，濃度約為10mg/mL；當該量子點層106以溫度100度且經30分鐘烤乾後，可再藉由旋轉塗佈法於量子點層106上塗佈形成位障層107；其中，形成位障層107所塗佈之材料為聚乙烯咔唑(poly(9- vinyl-carbazole), PVK)-氯苯溶液。而，當該位障層107於溫度100度且經30分鐘烤乾後，可再藉由塗佈法於位障層107上塗佈形成另一量子點層106(可為量子點發光層)，並於溫度100度及經30分鐘後將該另一量子點層106烤乾。

最後，將已形成第一電極層102、緩衝層103、第一載子傳輸層104複數個量子點層及至少一位障層107之基板101移入熱蒸鍍機，再以熱蒸鍍法進行第二載子傳輸層108(可為電子傳輸層，其沉積材料可為1,3,5-tris(N-phenylbenzimiazole-2-yl)benzene, TPBi)、電子注入層109(沉積材料可為CsN₃ )及第二電極層110(可為陰極，其沉積材料可為鋁)之沉積，進而完成具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100之製作。然，上述僅為舉例，不應以此為限。

儘管前述在說明本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件的過程中，亦已同時說明本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件之製造方法的概念，但為求清楚起見，以下另繪示流程圖詳細說明。

請參閱第2圖，其係為本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件之製造方法之流程圖。如圖所示，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件之製造方法係用以製造上述所提到之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件，而該其具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件之製造方法包含了下列步驟：

在步驟S21中：提供包含第一電極層之基板。

在步驟S22中：對應基板之第一電極層之一面形成第一載子傳輸層。

在步驟S23中：於第一載子傳輸層相對第一電極層之一面上塗佈形成多層量子井結構，多層量子井結構包含複數個量子點層及至少一位障層，複數個量子點層塗佈形成於第一載子傳輸層上，至少一位障層則分別塗佈形成於各量子點層之間。

在步驟S24中：於多層量子井結構相對第一載子傳輸層之一面上塗佈形成第二載子傳輸層。

在步驟S25中：對應第二載子傳輸層相對多層量子井結構之一面形成第二電極層。

值得一提的是，在一實施例中，上述所提到之第一電極層及第一載子傳輸層之間可具有緩衝層，緩衝層係塗佈形成於第一電極層上。而，於另一實施例中，上述所提到之第二電極層及第二載子傳輸層之間則可具有電子注入層，電子注入層係塗佈形成於第二載子傳輸層相對多層量子井結構之該面上。

請參閱第3及4圖；第3圖係為本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件及習知元件之能階示意圖；第4圖係為本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件及習知元件之元件特性比較圖。如圖所示，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100如第3圖之(a)所示，其依序具有第一電極層(ITO)、緩衝層(PEDOT:PSS)、第一載子傳輸層(poly-TPD)、量子點層(QD)、位障層(PVK)、量子點層(QD)、第二載子傳輸層(TPBi)及電子注入與第二電極層(CsN₃ /Al)；習知元件A則如第3圖之 (b)所示，習知元件A不具量子井結構但具有塗佈兩次而形成之二量子點層，進而其具有第一電極層(ITO)、緩衝層(PEDOT:PSS)、第一載子傳輸層(poly-TPD)、量子點層(QD)、量子點層(QD)、第二載子傳輸層(TPBi)及電子注入與第二電極層(CsN₃ /Al)；習知元件B則如第3圖之(c)所示，習知元件B不具量子井結構但具有一量子點層，進而其具有第一電極層(ITO)、緩衝層(PEDOT:PSS)、第一載子傳輸層(poly-TPD)、量子點層(QD)、第二載子傳輸層(TPBi)及電子注入與第二電極層(CsN₃ /Al)；進一步地，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件與習知元件A及習知元件B之元件特性比較將如第4圖所示。

續言之，第4圖之(a)係為電流密度-電壓(J-V)曲線圖，如第4圖之(a)所示，習知元件A之起始電壓最大，然，因習知元件A不具有位障層(PVK)，因此可推知習知元件A之量子點層的厚度是本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100、習知元件A及習知元件B中最厚的。

而，第4圖之(b)係為亮度-電壓(L-V)曲線圖，如第4圖之(b)所示，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100之最大亮度可達21580 cd/m² ，高於習知元件B之15220 cd/m² ，而習知元件A之亮度為最小。

而，第4圖之(c)係為電流效率(電流發光效率)-電流密度曲線圖，其中，原本習知元件A之由二量子點層所構成之發光區厚度較厚，故可推知在相同電流密度下應具有高於本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100及習知元件B之最大亮度；然，由第4圖之(b)所示可知習知元件A之最大亮度卻小於本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100及習知元件B；進一步地，從第4圖之(c)中並未發現習知元件A有明顯的漏電流，進而其可能是因連續二次塗佈造成量子點層表面粗糙度增加，導致注入的電子電洞被缺陷捕捉而進行非輻射復合，進而使得亮度減低；如第4圖之(c)所示，本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100、習知元件A及習知元件B於電流效率的比較結果中，習知元件A的效率最差，而本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件100的效率最佳；由此可知，藉由量子井結構有效侷限載子於發光區中，以減少載子進入傳輸層造成非輻射復合的情形，而達到提昇元件效率之目的。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

100．．．具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件
101．．．基板
102．．．第一電極層
103．．．緩衝層
104．．．第一載子傳輸層
105．．．多層量子井結構
106．．．量子點層
107．．．位障層
108．．．第二載子傳輸層
109．．．電子注入層
110．．．第二電極層
A、B．．．習知元件
S21至S25．．．步驟

第1圖係為本發明之量子井結構之膠體量子點電激發光元件之剖面示意圖。第2圖係為本發明之量子井結構之膠體量子點電激發光元件之製造方法之流程圖。第3圖係為本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件及習知元件之能階示意圖。第4圖係為本發明之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件及習知元件之元件特性比較圖。

100‧‧‧具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件

101‧‧‧基板

102‧‧‧第一電極層

103‧‧‧緩衝層

104‧‧‧第一載子傳輸層

105‧‧‧多層量子井結構

106‧‧‧量子點層

107‧‧‧位障層

108‧‧‧第二載子傳輸層

109‧‧‧電子注入層

110‧‧‧第二電極層

Claims

一種具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件，其包含：一基板，係具有一第一電極層；一第一載子傳輸層，係塗佈形成於該基板之該第一電極層上；一多層量子井結構，係形成於該第一載子傳輸層上，其包含：複數個量子點層，係塗佈形成於該第一載子傳輸層上；以及至少一位障層，係分別塗佈形成於各該量子點層之間；一第二載子傳輸層，係塗佈形成於該多層量子井結構上；以及一第二電極層，係形成於該第二載子傳輸層上。
如申請專利範圍第1項所述之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件，其更包含一緩衝層，係位於該第一電極層及該第一載子傳輸層之間，且塗佈形成於該第一電極層上。
如申請專利範圍第1項所述之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件，其更包含一電子注入層，係位於該第二電極層及該第二載子傳輸層之間，且塗佈形成於該第二載子傳輸層上。
如申請專利範圍第1項所述之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件，其中當該第一電極層係為元件陽極層時，該第一載子傳輸層係為一p型層，且主要載子為電洞。
如申請專利範圍第1項所述之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件，其中當該第二電極層係為元件陰極層時，該第二載子傳輸層係為一n型層，且主要載子為電子。
一種具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件之製造方法，其包含下列步驟：提供包含一第一電極層之一基板；於該基板之該第一電極層之一面形成一第一載子傳輸層；於該第一載子傳輸層相對該第一電極層之一面上塗佈形成一多層量子井結構，該多層量子井結構包含複數個量子點層及至少一位障層，該複數個量子點層係塗佈形成於該第一載子傳輸層上，該至少一位障層則分別塗佈形成於各該量子點層之間；於該多層量子井結構相對該第一載子傳輸層之一面上塗佈形成一第二載子傳輸層；以及於該第二載子傳輸層相對該多層量子井結構之一面形成一第二電極層。
如申請專利範圍第6項所述之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件之製造方法，其中該第一電極層及該第一載子傳輸層之間係具有一緩衝層，該緩衝層係塗佈形成於該第一電極層上。
如申請專利範圍第6項所述之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件之製造方法，其中該第二電極層及該第二載子傳輸層之間係具有一電子注入層，該電子注入層係塗佈形成於該第二載子傳輸層相對該多層量子井結構之該面上。
如申請專利範圍第6項所述之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件之製造方法，其中當該第一電極層係為元件陽極層時，該第一載子傳輸層係為一p型層，且主要載子為電洞。
如申請專利範圍第6項所述之具備量子井結構之膠體量子點電激發光元件之製造方法，其中當該第二電極層係為元件陰極層時，該第二載子傳輸層係為一n型層，且主要載子為電子。