基于载流子平衡的效率及亮度提高的有机蓝光器件

穆晓龄，曲加伟，郭永林，梁续旭，赵 毅

(吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室，吉林长春 130012)

1 引 言

自从Tang和VanSlyke等［1］提出多层结构有机发光二极管(OLEDs)之后，OLEDs因其在照明及全彩显示等方面的应用吸引了人们的广泛关注。经过几十年的研究与改善，OLEDs已经达到了商业化水平［2-5］。目前，大量的工作集中在探索物理机制、改善效率、提高寿命以及降低功耗等方面［6-8］。在整个OLED器件中，电子和空穴分别从阴极和阳极注入，然后传输到发光层中通过辐射复合的形式进行发光［9］。电荷的注入及载流子的复合是一个很重要的过程，可以通过这个过程控制器件的电学性能及发光效率［10］。载流子平衡一直以来都被作为研究重点，对效率的改善起到很大的作用［11］。

我们对传统器件(ITO/NPB(40 nm)/mCP∶10%FIrpic(20 nm)/Bphen(40 nm)/LiF(1 nm)/Al(150 nm)和ITO/NPB(30 nm)/TcTa(10 nm)/mCP∶10%FIrpic(20 nm)/Bphen(40 nm)/LiF(1 nm)/Al(150 nm))进行了研究，发现发光区内空穴载流子过剩。通过在NPB与TcTa之间插入Bphen阻挡层的方式使得发光区内的电子和空穴分布达到了相对平衡。而以往在发光层和电子传输层之间掺入空穴阻挡层的方法只能将空穴阻挡在发光区与电子传输层界面［12］，发光层内仍然存在过剩的空穴载流子，使得电子和空穴不平衡，导致严重的激子-极化子猝灭。因此，本文结构可以克服上述结构的缺点，通过抑制空穴向发光层的注入，使得发光区内存在相对平衡的电子和空穴，降低了激子-极化子的猝灭，使器件的效率和亮度得到提高。

2 实 验

2.1 实验材料

所用的材料主要有 N，N'-dicarbazolyl-3，5-benzene(mCP)、Iridium bis(4，6-di-fluorophenyl)-pyridinato-N，C2')picolinate(FIrpic)、4，4'-bis［N-(naphthalen-l-yl)-N，N'-bis(phenyl)-benzidine(NPB)、4，4'，4″-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine(TcTa)、4，7-Diphenyl-1，10-phenanthroline(Bphen)及 LiF。其中 N，N'-dicarbazolyl-3，5-benzene(mCP)作为母体，Iridium bis(4，6-di-fluorophenyl)-pyridinato-N，C2')picolinate(FIrpic)作为蓝光染料，4，4'-bis［N-(naphthalen-l-yl)-N，N'-bis(phenyl)-benzidine(NPB)作为空穴传输层，4，4'，4″-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine(TcTa)作为激子阻挡层，4，7-Diphenyl-1，10-phenanthroline(Bphen)作为电子传输层，LiF作为电子注入层。

2.2 器件制作与测试

器件的衬底为ITO玻璃。首先，将ITO用清洗液清洗，然后分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10 min，吹干后放入烘箱中在180℃下烘烤10 min，最后在紫外臭氧下处理10 min。将处理好的基片放入多源真空蒸镀腔室内，用机械泵和分子泵将真空度抽取到5.0×10－4Pa以下，所有有机层在没有破坏真空度的情况下进行蒸镀。器件的有效面积是2 mm×2 mm，器件的厚度由带有晶振片的膜厚仪进行监测。电学-光学特性通过Keithley 2400和光谱仪LMS PR655测得。

3 结果与讨论

为了探究影响效率及亮度的因素，我们制作了一组传统器件A1(ITO/NPB(40 nm)/mCP∶10%FIrpic(20 nm)/Bphen(40 nm)/LiF(1nm)/Al(150 nm))和A2(ITO/NPB(30 nm)/TcTa(10 nm)/mCP∶10%FIrpic(20 nm)/Bphen(40 nm)/LiF(1 nm)/Al(150 nm))，其中FIrpic在mCP中10%的掺杂比例为质量分数。图1所示为各材料的能级结构［13-15］、器件结构和载流子在母体及染料分子中的物理过程。

图1 (a)各材料的能级图，实线为HOMO和LUMO能级，虚线为三线态能级;(b)器件结构;(c)载流子在母体及染料分子中的物理过程，左边为各标志代表的物理量及作用机制。Fig.1 (a)Energy level diagram for each material(solid lines for HOMO and LUMO levels，dashed lines for the triplet energy levels).(b)Structure of each devices.(c)Physical processes of carriers in host and dye molecules，the symbols in left side represent the physical parameters and mechanism of action.

图2为器件A1及A2的电流密度-电压-亮度特性曲线。从图中可以看出，在相同电压下，器件A2的电流密度和亮度均高于器件A1。因为TcTa的HOMO能级位于NPB与mCP之间，因此TcTa的插入起到能级缓冲的作用，增强了空穴向发光区的注入，使得器件A2的电流密度有所提高［16］。

图2 器件A1及A2的电流密度-电压-亮度特性曲线Fig.2 Current density-voltage-luminance characteristics of device A1 and A2

图3为器件A1和A2在不同电压下的归一化电致发光(EL)光谱。从图中可以看出，器件A1有较明显的NPB发光现象。TcTa的插入有效地阻挡了电子及激子向NPB的扩散，抑制了NPB的发光，因此，器件A2的亮度得到提高。

图3 器件A1及A2在不同电压下的归一化电致发光光谱Fig.3 Normalized EL intensity of device A1 and A2 under different voltages

图4为器件A1和A2的电流效率-亮度-功率效率曲线。NPB的发光被抑制使得A2的电流效率及功率效率得到了提高，最大电流效率从9.92 cd/A增加到16.12 cd/A，最大功率效率从6.49 lm/W增加到14.23 lm/W。TcTa的插入增强了空穴向发光层的注入，同时mCP母体的空穴迁移率为1.2×10－4cm2/(V·s)，而其电子迁移率为3.4 ×10－5cm2/(V·s)［17］，这都使得在发光区内的空穴为多子，电子为少子，导致了电子与空穴的不平衡。

图4 器件A1及A2的电流效率-亮度-功率效率曲线Fig.4 Current efficiency-luminance-power efficiency ofdevice A1 and A2

由于TcTa的插入以及mCP的电学性能的影响，使得发光层内的空穴过剩。为使发光层内的空穴与电子平衡，我们制作了如图1(b)所示的一组器件 B1、B2、B3、B4，其中器件 B1 也是器件A2。图5为4种器件的电流密度-电压-亮度特性曲线。可以看出，Bphen中间层的加入使得电流密度降低。这是由于Bphen的HOMO能级很低以及Bphen导电子的特性对空穴产生了阻挡。器件B4存在双Bphen层，所以其电流密度最低。但器件B3比B2电流密度高，这是由于B3的Bphen层位于mCP与TcTa之间，使得发光层中的电子可以传输到Bphen/TcTa界面处，然后与该界面处的空穴进行非辐射复合，这也是器件B3和B4亮度低的原因。而器件B2的Bphen层不会对发光层内的电子产生影响，只阻挡了空穴向发光层的传输，使得发光层内空穴过剩的现象得到抑制，降低了因载流子的不平衡引起的激子-空穴极化子猝灭［18］。因此，在相同电压下，器件B2的亮度最大，整个物理过程如图1(c)所示。

图5 器件 B1、B2、B3、B4的电流密度-电压-亮度特性曲线。Fig.5 Current density-voltage-luminance characteristics of device B1，B2，B3 and B4，respectively.

图6为B组器件的电流效率-亮度-功率效率曲线，可以看出器件B2的效率最大。与B1器件相比较，B2的电流效率从16.12 cd/A增加到20.05 cd/A，功率效率从 14.23 lm/W 增加到16.58 lm/W。

图6 器件 B1、B2、B3、B4的电流效率-亮度-功率效率曲线。Fig.6 Current efficiency-luminance-power efficiency of device B1，B2，B3 and B4，respectively.

为了进一步提高器件性能，我们制作了如图1(b)所示的器件 C1、C2、C3及 C4，对 Bphen层厚度进行了优化。图7为C组器件的电流密度-电压-亮度特性曲线。随着Bphen层厚度的增加，对空穴阻挡作用的增强导致器件的电流密度逐渐变低，而器件的亮度也逐渐下降。这是由于FIrpic具有双极性，其电子的场依赖性比空穴的大。随着外加偏压的增大，发光区内电子数量增加较快［19］。Bphen层太厚导致发光层内的空穴无法补偿快速增加的电子，反而导致发光区内的电子过剩，使得激子-电子极化子的猝灭作用增强，导致亮度变低。图8为C组器件的电流效率-亮度-功率效率曲线。从曲线可以看出，4种器件的效率基本一致，但是效率衰减的斜率随Bphen层厚度的增加而略微增大，这是猝灭增强造成的。图9为C组器件在8 V时的归一化EL光谱。可以看出，4种器件的光谱基本一致，说明在NPB与TcTa层之间插入Bphen后发光区位置比较稳定。表1是对所有器件的总结。从实验结果可以看出，加入2 nm的Bphen作为中间层的器件的性能最优。

表1 各器件的最大电流效率、最大功率效率及最大外量子效率Table 1 Maximal current efficiency，maximal power efficiency and maximal external quantum efficiency for all devices

4 结 论

研究了在两空穴传输层之间插入Bphen中间层对OLED器件性能的影响，并对Bphen中间层的厚度进行了优化。实验结果表明，中间层的加入使得发光区内的电子和空穴更加平衡，抑制了激子-极化子的猝灭，明显提高了器件的效率和亮度。采用2 nm的Bphen作为中间层的器件性能最优，其最大电流效率为20.52 cd/A，相对提高了27.30%;最大功率效率为17.64 lm/W，相对提高了23.96%。

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