使用空穴注入层的有机发光二极管的电学特性和效率

    作者：Y.H. Lee, W.J. Kim, T.Y. Kim, J. Jung, J.Y. Lee, H.D. Park,
T.W. Kim, J.W. Hong
来源：Current Applied Physics 7 (2007) 409–412
摘要：

　　 我们研究了器件结构为ITO/ hole-injection layer /N,N0-biphenyl-N,N0-bis-(1-naphenyl)-[1,10-biphthyl]4,40-diamine(NPB)/tris (8-hydroxyquinoline)aluminum(Alq3)/Al的发光二极管中，空穴注入层对有机发光二极管电学特性及外量子效率的影响。结构中的NPB层采用真空热蒸镀法，在5×10-6torr压力下以0.5-1.0Å/s的速率制备而成。我们对具有不同空穴注入层厚度的器件的电流电压特性和外量子效率进行了计算。发现CuPc和PVK缓冲层的使用提高了器件某些方面的性能，如良好的机械结合、器件工作电压的降低及能带结构调整。与未使用空穴缓冲层的器件相比较，我们发现器件结构为ITO/NPB/Alq3/Al的器件中NPB层的最佳厚度为20nm。使用CuPc或PVK缓冲层的器件的外量子效率分别提高了28.9%和51.3%。

1、介绍

　　由于工作电压、成本及功耗低，可自发光和多色发光（通过选择发光材料），以及在显示应用上的潜力，有机发光二极管（OLED）是一种非常吸引人的技术[1 -3]。早在1963年，Pope等人就首次报道了蒽单晶的电致发光现象，但由于尺寸、单晶生长和驱动电压高的限制，并未取得更大的进步。1990年，剑桥大学的Friend等人首次报道了使用聚对苯撑乙炔(PPV)的绿光聚合物发光二极管[5]。从那以后，人们在高效率和高稳定性发光二极管方面取得了更大的进步[6-8]。
为提高OLED的性能，人们在ITO(indium-tin-oxide，铟锡氧化物)和空穴传输层之间插入一些有机材料作为空穴注入层。本文中，NPB被用作空穴传输层，而PVK（polyvinylcarbazole，聚乙烯咔唑)和CuPc（copper phthalocyanine，铜酞菁)被用作空穴注入层。在结构为ITO/空穴注入层/NPB/Alq3/Al的器件中，我们通过分析器件的伏安特性、亮度-电压特性、光效和外量子效率，来研究PVK和CuPc缓冲层对OLED器件的影响。

图1.作为空穴传输层和缓冲层的有机材料的分子结构：(a)NPB,(b)CuPc和(c)PVK

图2.有机发光二极管的器件结构

2、实验

　　 实验中，我们选择了两种器件结构作为比较：1）ITO/NPB/Alq3/Al，2）ITO/缓冲层/NPB/Alq3/Al。器件2）用来研究空穴注入层对器件性能的影响。另外，器件中的ITO玻璃由三星康宁提供，厚度为170nm，面电阻为15Ω/□。

　　室温时使用王水（盐酸与销酸以3：1的体积比混合而成）蒸气进行选择性蚀刻10-20分钟（ITO与蚀刻剂相距2cm），得到一个5mm宽的ITO带状线。将刻蚀后的ITO玻璃放入50℃的氯仿溶液中超声清洗20分钟，然后将其放入ITO玻璃放入80℃溶液中（经二次蒸馏的去离子水、氨水和过氧化氢的体积比为5：1：1）保温一小时，接下来再放入氯仿溶液中在50℃时超声清洗20分钟，最后再分别放入丙酮溶液和去离子水中，在50℃时超声清洗20分钟。超声清洗后，用氮气将衬底吹干，真空下备用。

　　图1a-c是用作空穴传输层的NPB和用作缓冲层的CuPc和PVK的分子结构。图2显示的是ITO/缓冲层/NPB/Alq3/Al器件结构示意图。我们还对具有不同缓冲层厚度的有机发光二极管的电学特性进行研究。其中，CuPc薄膜厚度为25、30、35和40nm，PVK薄膜厚度为10.5、 11.0、11.5、12.5和13.5nm。

　　 发光效率对显示应用来说非常有用。在公式[lm/W]中，L[cd/m2]是垂直于发光表面上的发光强度，J[A/m2]是电流密度，而V[V]是外加电压。

图3. 器件ITO/CuPc/NPB/Alq3/Al的I-V-L-η曲线（a）电流密度-电压，（b）亮度-电压，（c）发光效率-电压和（d）外量子效率-电压曲线。

3.结果和讨论

3.1. CuPc缓冲层的特性

　　 图3显示的是拥有ITO/CuPc/NPB (20 nm)/Alq3/Al结构的器件的电流密度-电压特性和亮度-电压特性图，当CuPc层的厚度在25-40nm之间变化时，随着层厚度的增加，器件的电流密度和亮度也随之增加，而器件的外量子效率在30nm时达到最大。