三端有機(jī)電致發(fā)光裝置的制作方法

專利名稱：三端有機(jī)電致發(fā)光裝置的制作方法
背景技術(shù)：
(a)發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種除了有陽極、陰極以外還帶有第三電極并用有機(jī)材料和/或聚合物材料作為發(fā)光半導(dǎo)體材料的三端有機(jī)電致發(fā)光(EL，electro-luminescent)裝置，特別涉及一種三端有機(jī)EL裝置，其可產(chǎn)生具有增加的效率、減小的啟動電壓和增加的發(fā)光亮度的發(fā)光三極管(或者晶體管)結(jié)構(gòu)，從而容易控制有機(jī)EL裝置內(nèi)像素的發(fā)光亮度。
(b)相關(guān)技術(shù)說明自從1987年Tang和VanSlyke證實(shí)了有機(jī)分子材料可有效的電致發(fā)光之后(C.W.Tang和S.A.VanSlyke，Apply.Phys.Lett.51，913(1987))，利用有機(jī)材料和/或聚合物材料作為發(fā)光半導(dǎo)體材料的有機(jī)電致發(fā)光(EL)二極管已取得了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。這些EL二極管裝置重點(diǎn)在雙層結(jié)構(gòu)，其中為均衡由三(8-羥基喹啉)鋁(Alq3)構(gòu)成的發(fā)光層內(nèi)的電子傳輸設(shè)有額外的由芳香二胺構(gòu)成的空穴傳輸層，導(dǎo)致在小于10V DC的低驅(qū)動電壓下具有較高效率和超過100cd/m2的發(fā)光亮度。綠光EL二極管已經(jīng)取得了顯著的發(fā)展，其初期發(fā)光亮度為300cd/m2，半衰期超過10000小時(shí)。近來有機(jī)EL二極管裝置領(lǐng)域的研究和發(fā)展不僅集中于得到高效率、長壽命和全色發(fā)光的機(jī)理和材料，而且擴(kuò)充到研究平板顯示裝置應(yīng)用的外圍技術(shù)。
在低分子量薄膜裝置開發(fā)的同時(shí)，對于開發(fā)用于聚合物EL二極管裝置中的大分子聚合物材料及理解裝置的工作機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了持續(xù)的努力(J.H.Burroughes，D.D.C.Bradly，A.R.Brown，R.N.Marks，K.Mackay，R.H.Friend，P.L.Burns，and A.B.Holmes，Nature 347，539(1990))。使用共軛聚合物如具有較高發(fā)光效率的聚對苯乙炔(PPV)及其衍生物制造EL二極管裝置具有很多優(yōu)點(diǎn)，可將良好的電荷傳輸性質(zhì)與聚合物所需要的結(jié)構(gòu)性質(zhì)結(jié)合在一起。對于PPV中的電荷傳輸?shù)难芯拷沂境鲶w導(dǎo)電性質(zhì)(bulk conduction properties)即載流子遷移率在裝置的特性中起重要作用。非共軛聚合物在制造EL二極管中也是有用的。例如盡管聚N-乙烯咔唑(PVK)不具電導(dǎo)電性，但其表現(xiàn)出光電導(dǎo)性并具有由于咔唑側(cè)基引起的相對較高的空穴漂移遷移率。
對于近來各種有機(jī)EL二極管裝置的進(jìn)展細(xì)節(jié)請參考以下例子C.W.Tang and S.A.Van Syke，Appl.Phys.Lett.51，913(1987)；C.W.Tang，S.A.Van Syke，and C.H.Chen，J.Appl.Phys.65，3610(1989)；C.Adachi，S.Tokito，T.Tetsui，and S.Saito，Appl.Phys.Lett.55，1489(1989)；C.Adachi，S.Tokito，T.Tetsui，and S.Saito，Appl.Phys.Lett.56，799(1989)；J.H.Burroughes，D.D.C.Bradly A.R.Brown，R.N.Marks，K.Mackay，R.H.Friend，P.L.Bums，and A.B.Holmes，Nature 347，539(1990)；D.Braun and A.J.Heeger，Appl.Phys.Lett.58，1982(1991)；W.Tachelet，S.Jacobs，H.Ndayikengurukiye，H.J.Geise，and J.Gruner，Appl.Phys.Lett.64，2364(1994)；J.Kido，K.Hongawa，K.Okuyama，andK.Nagai，Appl.Phys.Lett.63，2627(1993)；G.Gustaffson，Y.Cao，G.M.Treacy，F(xiàn).Klavetter，N.Colaneri，and A.J.Heeger，Nature(London)357，477(1992)；Y.-E.Kim，H.Park，and J.-J.Kim，Appl.Phys.Lett.69，599(1996)；H.H.Kim，T.M.Miller，E.H.Westerwick，Y.O.Kim，W.KWock，M.D.Morris，and M.Cerullo，J.Lightwave Technol.12，2107(1994)；F.Li，H.Tang，J.Anderegg，and J.Shinar，Appl.Phys.Lett.70，1233(1997)；and L.S.Hung，C.W.Tang，and M.G.Mason，Appl.Phys.Lett.70，152(1997)。
有機(jī)EL二極管裝置在低電壓下不僅具有幾微秒的響應(yīng)時(shí)間，而且還具有極佳的廣視角自我發(fā)光亮度。特別是薄膜及可撓曲形式的有機(jī)EL裝置較易制造。另外，有機(jī)EL裝置具有可在較寬可見光譜范圍內(nèi)發(fā)光的優(yōu)點(diǎn)。從而由于其廣視角、明亮的自我發(fā)光、色彩易調(diào)性和易加工性，基于諸如透明有機(jī)EL二極管、可撓曲有機(jī)EL二極管、堆疊有機(jī)EL二極管、微腔有機(jī)EL二極管和反轉(zhuǎn)有機(jī)EL二極管的有機(jī)EL二極管的顯示器已替代液晶顯示器(LCD)、等離子顯示器(PDP)或者場發(fā)射顯示器(FED)成為平板顯示器的候選者。
圖1a和圖1b表明常規(guī)有機(jī)EL二極管裝置的剖面圖。如圖1a所示，在基底10上形成作為陽極(A)的第一電極11，其由具較大功函數(shù)的氧化銦錫(ITO)、聚苯胺或Ag制成。在第一電極11上至少形成一層由低分子量的有機(jī)化合物和/或聚合物材料組成的第一有機(jī)材料層22。在第一有機(jī)材料層22上形成由另一種低分子量的有機(jī)化合物和/或聚合物材料組成的第二有機(jī)材料層26。在第一有機(jī)材料層22或者第二有機(jī)材料層26內(nèi)，或者在兩者之間至少形成一層發(fā)光層。在第二有機(jī)材料層26上形成作為陰極(C)的第二電極16，其由低功函數(shù)的Al、Mg、Li、Ca或其混合物制成并與第一電極11相對。
如圖1b所示，第一有機(jī)材料層22和第二有機(jī)材料層26可以包括按順序形成的用于注入空穴的空穴注入層12、用于傳輸空穴的空穴傳輸層13、有機(jī)發(fā)光層14、用于注入和傳輸電子的電子傳輸層15。這里電子傳輸層15可以包括空穴阻隔層和電子注入層。
當(dāng)在如圖1a和圖1b所示的有機(jī)EL二極管裝置的第一電極11和第二電極16之間施加電壓時(shí)，從第一電極11注入的空穴通過空穴注入層12和空穴傳輸層13遷移進(jìn)有機(jī)發(fā)光層14，并且從第二電極16注入的電子通過電子傳輸層15遷移進(jìn)有機(jī)發(fā)光層14。隨后，在有機(jī)發(fā)光層14內(nèi)的注入空穴和電子復(fù)合而激發(fā)發(fā)光中心，從而發(fā)出EL光并顯示圖像。發(fā)光復(fù)合亮度正比于有機(jī)發(fā)光層14中電荷載流子的濃度和電子-空穴的發(fā)光復(fù)合概率。
參照圖1c所示的能帶結(jié)構(gòu)電勢圖以說明有機(jī)EL二極管發(fā)光原理。電子表示為帶圈的“-”()，空穴表示為帶圈的“+”()，箭頭表示電子和空穴的遷移。圖1c中出現(xiàn)的標(biāo)號11、12、13、14、15、16分別指陽極(A)11、空穴注入層(HIL)12、空穴傳輸層(HTL)13、有機(jī)發(fā)光層(EML)14、電子傳輸層(ETL)15和陰極(C)16的電位。ΦA(chǔ)和ΦC分別表示陽極(A)11和陰極(C)16的功函數(shù)，EA和IP分別表示每個有機(jī)層的電子親合勢和電離電勢。HOMO和LUMO分別表示有機(jī)層的最高占據(jù)分子軌道(價(jià)帶)和最低非占據(jù)分子軌道(導(dǎo)帶)。
首先，如圖1c的D1所示，當(dāng)在陽極(A)11和陰極(C)16之間沒有施加電壓(VCA)時(shí)，空穴注入層12、空穴傳輸層13、有機(jī)發(fā)光層14和電子傳輸層15處于熱力學(xué)平衡態(tài)，從而其費(fèi)米能級彼此一致。當(dāng)在陽極(A)11和陰極(C)16之間施加電壓VCA時(shí)，空穴逐漸從陽極(A)11注入空穴注入層12的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)態(tài)，電子逐漸從陰極(C)16注入電子傳輸層15的最低非占據(jù)分子軌道(LUMO)態(tài)。這里如果電壓VCA小于啟動電壓(VONSET)，那么如圖1c的D2所示，空穴和電子不能遷移至有機(jī)發(fā)光層14，從而沒有引起電致發(fā)光。然而，如果施加的電壓VCA超過啟動電壓VONSET，那么空穴和電子可通過HIL(12)、HTL(13)和ETL(15)遷移至有機(jī)發(fā)光層14。然后，如圖1c的D3所示，空穴和電子在EML(14)內(nèi)的發(fā)光復(fù)合引起電致發(fā)光(S1→S0+hv)。這種狀況下陽極電流(IA)和陰極電流(IC)可記為IA＝IC。從而電致發(fā)光亮度正比于有機(jī)發(fā)光層14內(nèi)的電子-空穴發(fā)光復(fù)合概率及注入的電子和空穴的濃度。
韓國未決公開2001-14600公開了一種控制常規(guī)二端有機(jī)EL二極管裝置發(fā)光亮度的技術(shù)。圖2表明公開在韓國公開專利2001-14600中的具有紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)像素的有源矩陣型有機(jī)EL顯示裝置，圖3表明控制像素發(fā)光亮度的電壓調(diào)節(jié)電路。
參照圖2，每個像素帶有陽極(A)11、R，G，B發(fā)光層14、陰極(C)16。陽極(A)11與多晶硅薄膜構(gòu)成的源電極相連接，從而與多晶硅薄膜構(gòu)成的漏電極41和門電極39一起形成薄膜晶體管(TFT)40。漏電極與電源端32相連。用于驅(qū)動有機(jī)EL顯示裝置的電源電壓VDD與電源端32相連，而陰極(C)16接地。當(dāng)開啟門電極39時(shí)，電源電壓VDD施加在陽極(A)11上，并且通過陽極(A)11和陰極(C)16之間的電壓引起像素發(fā)光。圖2中未說明的標(biāo)號44和10分別代表層間絕緣層和基底。
圖3中的電壓調(diào)節(jié)電路可根據(jù)流入陰極(C)16的電流量來控制施加在陽極(A)11上的電源電壓VDD。如果有多個像素發(fā)EL光，例如圖2中所有的R、G、B像素都發(fā)光，那么流入陰極(C)16中的電流量將增加。從而在電流檢測電路52中的電壓V1增加，反轉(zhuǎn)電壓放大電路54中的輸出電壓V2下降。下降的電壓V2在放大電路56中被放大，然后放大的電壓供給電源端32。反之，如果僅幾個像素發(fā)EL光，例如圖2中的R、G、B像素中僅有一個發(fā)光，那么流入陰極(C)16中的電流量將減小。從而電流檢測電路52中的電壓V1下降，反轉(zhuǎn)電壓放大電路54中的輸出電壓V2增加。因此供給電源端32的電壓VDD較高。
即圖3中的電壓調(diào)節(jié)電路在有多個像素發(fā)EL光的情況下可減小每個像素的發(fā)光亮度，從而減小有機(jī)電致發(fā)光顯示裝置的發(fā)光亮度，當(dāng)僅有幾個像素發(fā)光的情況下，可增加有機(jī)EL顯示裝置的發(fā)光亮度，并減小像素的發(fā)光亮度。
使用圖3中的電路來調(diào)節(jié)發(fā)光亮度需要精確準(zhǔn)確地控制加在陽極11和陰極16之間的電流和電壓。這樣上述的調(diào)節(jié)發(fā)光亮度方法與在其它的平板顯示裝置如液晶顯示器(LCD)里使用的方法相比更加復(fù)雜。
除調(diào)節(jié)發(fā)光亮度的復(fù)雜性以外，有機(jī)EL二極管裝置還存在三個阻礙大規(guī)模應(yīng)用的重要缺點(diǎn)1)在所希望發(fā)光亮度水平下的發(fā)光經(jīng)常需要使用相對較高的電壓。
2)外部轉(zhuǎn)化效率較低。
3)發(fā)光亮度受限制，特別是在低于5伏的電壓下。
因此，對于可產(chǎn)生具有提高的效率、減小的啟動電壓及提高的發(fā)光亮度的裝置設(shè)計(jì)仍有普遍和廣泛的需要。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種三端有機(jī)EL裝置，其是容易實(shí)現(xiàn)具有提高的效率、減小的啟動電壓及提高的發(fā)光亮度的有機(jī)EL裝置。
本發(fā)明的另一個目的是提供具有改進(jìn)的圖像質(zhì)量及可靠的操作特性的三端有機(jī)EL裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在發(fā)光裝置中設(shè)有三個電極以提供三端有機(jī)電致發(fā)光(EL)裝置。
所述三端有機(jī)EL裝置包括基底、在該基底上形成的第一電極、包括在該第一電極上形成的有機(jī)發(fā)光層的至少一層有機(jī)材料層、在該有機(jī)材料層上形成的第二電極及至少一個第三電極。該第三電極是本發(fā)明的主要特征，其形成在有機(jī)材料層的上面或內(nèi)部用以控制電荷載流子的流動和EL光的發(fā)射。特別地，在本發(fā)明的三端有機(jī)EL裝置中，第三電極優(yōu)選形成在第一電極和第二電極之間所限定區(qū)域的外部。此結(jié)構(gòu)與頂門電極靜態(tài)感應(yīng)晶體管(top gate static induction transistor)(或三極管)相似，其可在比橫向場效應(yīng)晶體管(FET)更高的電流和電壓水平下操作。
所述第三電極由導(dǎo)電性有機(jī)材料、導(dǎo)電性無機(jī)材料、金屬或其混合物制成，優(yōu)選選自ITO、Ag、Al、Mg、Ca、Ii或其混合物(Mg:Ag、Mg:Ag-Li、Al:Li)制成。另外，該第三電極可用絕緣材料密封。
所述第三電極與外部電路電性連接以使得在三個電極上可施加電壓，并且可將電路中的電流拉向三個電極中的陽極或陰極從而可作為三端三極管。在此裝置中，第一電極和第二電極之間的電子和空穴流的流動可通過對第三電極施加偏壓來控制和平衡。另外，第三電極可增加第一電極和第二電極之間的局部電場，導(dǎo)致增加注入有機(jī)發(fā)光層的電荷載流子，從而使本發(fā)明的有機(jī)EL裝置的電致發(fā)光容易控制而具有提高的效率、減小的啟動電壓(VONSET)及提高的亮度。
附圖簡要說明結(jié)合附圖并參考下面的詳細(xì)說明對本發(fā)明更全面的認(rèn)識及其附隨的多種優(yōu)點(diǎn)會更清晰，同時(shí)可被更好地理解，附圖中相似的標(biāo)號表示相同或相似的元件，其中圖1a和圖1b是常規(guī)二端有機(jī)EL裝置的示意性不按比例的剖面圖；圖1c表示能帶結(jié)構(gòu)的電勢圖以說明常規(guī)二端有機(jī)EL二極管的電致發(fā)光原理；圖2是用以闡明帶有圖1中的常規(guī)二端有機(jī)EL二極管的有機(jī)電致發(fā)光顯示裝置中R、G、B像素的剖面圖；圖3是用以控制圖1中的常規(guī)二端有機(jī)EL裝置的發(fā)光亮度的電壓調(diào)節(jié)電路；圖4a表示本發(fā)明的三端有機(jī)EL裝置一個實(shí)施方案的示意性不按比例的剖面圖；圖4b表示本發(fā)明的三端有機(jī)EL裝置另一個實(shí)施方案的示意性不按比例的剖面圖4c和圖4d表示能帶結(jié)構(gòu)的電勢圖以說明本發(fā)明圖4中的三端有機(jī)EL裝置的發(fā)光原理；圖5表示圖4a中的三端有機(jī)EL裝置的一個實(shí)施例；圖6是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VCG＝0V時(shí)，陽極(A)的電流對電壓(IA對VCA)、陰極(C)的電流對電壓(IC對VCA)及第三電極(G)的電流對電壓(IG對VCA)的電流-電壓曲線；圖7是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VCG＝9V時(shí)，(IA對VCA)、(IC對VCA)及(IG對VCA)的電流-電壓曲線；圖8是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VCA＝0V時(shí)，(IA對VCG)、(IC對VCG)及(IG對VCG)的電流-電壓曲線；圖9是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VCA＝9V時(shí)，(IA對VCG)、(IC對VCG)及(IG對VCG)的電流-電壓曲線；圖10a是曲線圖，表明圖5中的有機(jī)EL裝置的發(fā)光強(qiáng)度對電壓(VCA)的曲線，其中第三電極(G)與外部電路斷路，從而該裝置按常規(guī)二端有機(jī)EL裝置工作；圖10b是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置對于幾個不同的陰極-第三電極偏壓(VCG＝6V、7V、8V、9V、10V)情況下發(fā)光強(qiáng)度對電壓(VCA)的曲線；圖10c是曲線圖，表明在VCA＝9V和VCG＝9V時(shí)，圖5中的EL裝置(“三極管”)的EL發(fā)射光譜，和在VCA＝9V而沒有施加VCG(第三電極(G)與外部電路斷路)時(shí)圖5中的EL裝置(“二極管”)的EL發(fā)射光譜；圖11是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置對于幾個不同的陰極-陽極偏壓(VCA＝6V、7V、8V、9V、10V)情況下發(fā)光強(qiáng)度對電壓(VCG)的曲線；圖12a是圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VCA＝VCG狀態(tài)下操作時(shí)的示意性不按比例的剖面圖；圖12b是圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VCG＝VAG狀態(tài)下操作時(shí)的示意性不按比例的剖面圖；圖12c是圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VGA＝VCA狀態(tài)下操作時(shí)的示意性不按比例的剖面圖；圖13是曲線圖，表明圖12a(“三極管-A”)、圖12b和圖12c(“三極管-B，C”)中的裝置的發(fā)光強(qiáng)度對所施加的電壓的曲線，其中也表明圖5中的EL裝置第三電極與外部電路斷路而作為二端有機(jī)EL裝置工作時(shí)發(fā)光密度對電壓的曲線(“二極管”)；圖14表示圖4b中的三端EL裝置的一個實(shí)施例；圖15是曲線圖，表明圖14中的三端有機(jī)EL裝置在VCG＝0V時(shí)，(IA對VCA)、(IC對VCA)及(IG對VCA)的電流-電壓曲線，這里實(shí)心的三角形曲線表明圖14中的EL裝置第三電極與外部電路斷路而作為二端有機(jī)EL裝置工作時(shí)的(IA對VCA)；圖16是曲線圖，表明圖14中的三端有機(jī)EL裝置在VCG＝3V時(shí)，(IA對VCA)、(IC對VCA)及(IG對VCA)的電流對電壓曲線；圖17a是曲線圖，表明圖14中的EL裝置的發(fā)光強(qiáng)度對電壓(VCA)的曲線，其中第三電極與外部電路斷路，從而該裝置按常規(guī)二端有機(jī)EL裝置工作；圖17b是曲線圖，表明圖14中的EL裝置對于幾個不同的陰極-第三電極偏壓(VCG＝0V、1V、2V、3V、4V)情況下發(fā)光強(qiáng)度對電壓(VCA)的曲線；圖18是曲線圖，表明圖14中的有機(jī)EL裝置對于幾個不同的陰極-陽極偏壓(VCA＝6V、7V、8V、9V、10V)情況下發(fā)光強(qiáng)度是電壓(VCG)的函數(shù)的曲線；圖19a是圖14中的三端有機(jī)EL裝置在VCA＝VGA狀態(tài)下操作時(shí)的示意性不按比例的剖面圖；圖19b是圖14中的三端有機(jī)EL裝置在VCA＝VCG狀態(tài)下操作時(shí)的示意性不按比例的剖面圖；圖20是曲線圖，表明圖19a(“三極管-A”)、圖19b(“三極管-B”)中的裝置的發(fā)光強(qiáng)度對所施加的電壓的曲線，其中也表明圖14中的EL裝置第三電極與外部電路斷路而作為二端有機(jī)EL裝置工作時(shí)發(fā)光密度對電壓的曲線(“二極管”)；及圖21a和圖21b是曲線圖，表明在兩個不同偏壓(V＝0V，10V)下常規(guī)有機(jī)EL二極管和耦合有機(jī)EL二極管的發(fā)光強(qiáng)度對電壓(VCA)的曲線。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明以下將參照


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。
圖4a和圖4b中表明代表性的三端有機(jī)EL裝置的結(jié)構(gòu)。圖4a表示本發(fā)明一個實(shí)施方案的三端有機(jī)EL裝置的示意性不按比例的剖面圖。圖4a中的三端有機(jī)EL裝置與圖1a中的二端有機(jī)EL裝置相似，包括在基底10上形成的第一電極(陽極，A)11、第一有機(jī)材料層22、第二有機(jī)材料層26、在第二有機(jī)材料層26上形成的并與第一電極(陽極，A)11相對的第二電極(陰極，C)16。另外，如圖4a所示該三端有機(jī)EL裝置包括在有機(jī)材料層22或26上形成的第三電極(門電極，G)20，或在有機(jī)材料層22或26內(nèi)形成的第三電極(門電極，G)20’。其中與圖1b相似，第一有機(jī)材料層22和第二有機(jī)材料層26包括空穴注入層12、空穴傳輸層13、有機(jī)發(fā)光層14及電子傳輸層15。三個電極(11、16、20或20’)與外部電路連接以驅(qū)動該EL三極管裝置。即第一電極11作為將空穴注入第一有機(jī)材料層22的陽極(A)，第二電極16作為將電子注入第二有機(jī)材料層26的陰極(C)，第三電極20或20’起門電極(G)的作用以控制空穴和電子的流動。
圖4b表示本發(fā)明另一個實(shí)施方案的三端有機(jī)EL裝置的示意性不按比例的剖面圖。圖4b中的三端有機(jī)EL裝置與圖1a中的二端有機(jī)EL裝置相似，也包括在基底10上形成的第一電極(陽極，A)11、第一有機(jī)材料層22、第二有機(jī)材料層26、在第二有機(jī)材料層26上形成的并與第一電極11相對的第二電極(陰極，C)16。另外，如圖4b所示該三端有機(jī)EL裝置包括在有機(jī)材料層22下形成的第三電極(門電極，G)20，或在有機(jī)材料層22內(nèi)形成的第三電極20’。其中與圖1b相似，第一有機(jī)材料層22和第二有機(jī)材料層26包括空穴注入層12、空穴傳輸層13、有機(jī)發(fā)光層14及電子傳輸層15。三個電極(11、16、20或20’)與外部電路連接以驅(qū)動該EL三極管裝置。即第一電極11作為將空穴注入第一有機(jī)材料層22的陽極(A)，第二電極16作為將電子注入第二有機(jī)材料層26的陰極(C)，第三電極20或20’起門電極的作用以控制空穴和電子的流動。
在本發(fā)明的三端有機(jī)EL裝置中，通過第一有機(jī)材料層22和第二有機(jī)材料層26從第一電極和第二電極向發(fā)光層14注入的空穴和電子可通過調(diào)節(jié)第三電極(G)20或20’對陽極(A)和陰極(C)電位的偏電勢來控制，因此可容易地控制有機(jī)EL裝置的發(fā)光亮度。另外，通過第一有機(jī)材料層22或第二有機(jī)材料層26其它的空穴或電子也可從第三電極(G)20或20’注入發(fā)光層14。由此從第三電極(G)20或20’注入的其它空穴或電子在發(fā)光層14復(fù)合，從而提高有機(jī)EL裝置的發(fā)光亮度。
只要第三電極(G)20或20’可控制有機(jī)材料層22和26內(nèi)的空穴和/或電子電流，它的位置就不被限定。如圖4a和圖4b所示，第三電極(G)20或20’優(yōu)選可形成在陽極(A)11和陰極(C)16之間所限定區(qū)域的外部。如果第三電極(G)20或20’在陽極(A)11和陰極(C)16之間的區(qū)域內(nèi)形成多孔網(wǎng)狀或格柵形式時(shí)，那么也可能控制該有機(jī)EL裝置的發(fā)光亮度。然而，第三電極(G)20或20’可以屏蔽陽極(A)11和陰極(C)16之間的電場，從而妨礙電荷載流子的注入和傳輸，然后導(dǎo)致發(fā)光有效面積嚴(yán)重減小。由此，第三電極(G)20或20’優(yōu)選形成在陽極(A)11和陰極(C)16之間所限定區(qū)域的外部以克服上述問題。
在圖4a和圖4b中的第三電極20用在本發(fā)明的三端有機(jī)EL裝置的情況下，圖4a中第二電極16和第三電極20之間的距離以及圖4b中第一電極11和第三電極20之間的距離必須到能避免短路的程度，并且應(yīng)小于1mm以防止無法工作。第三電極(G)20或20’的厚度不進(jìn)行特定限制，優(yōu)選小于2000nm。在陽極(A)11和陰極(C)16之間的有機(jī)材料層的總厚度優(yōu)選小于5000nm。
有機(jī)發(fā)光層14可由用于制造有機(jī)EL二極管裝置的各種常規(guī)化學(xué)化合物制成，優(yōu)選由導(dǎo)電性、非導(dǎo)電性或半導(dǎo)電性的有機(jī)單體、低聚物或聚合物制成。有機(jī)單體可以使用在綠光區(qū)域(540-550nm)內(nèi)發(fā)光的三(8-羥基喹啉)鋁(Alq3)、10-苯并[h]喹啉鈹配合物(10-benzo[h]quinolinol-beryllium，BeBq2)或三(4-甲基-8-羥基喹啉)鋁(Almq)。有機(jī)發(fā)光層14中的藍(lán)色發(fā)光層由金屬配合物制成，如Balq(雙(2-甲基-8-羥基喹啉)(p-苯基-苯酚)鋁)；或由非金屬配合物制成，如苯乙烯基芳撐基衍生物DPVBi(1，4-雙(2，2’-二苯乙烯基)聯(lián)苯)、噁二唑基衍生物，雙苯乙烯基蒽基衍生物，雙苯乙烯基蒽基衍生物，如BczVBi(4，4’-雙(2-咔唑)乙烯基)聯(lián)苯)或α-NPD(4，4’雙[N-[1-萘基-N-苯基-氨基]聯(lián)苯])。有機(jī)發(fā)光層14中的紅色發(fā)光層由[2-甲基-6-[2-(2，3，6，7-四氫-1H，5H-苯并[ij]喹嗪-9-基)-乙烯基]-4H-吡喃-4-葉利德]丙二腈(DCM2)制成?？上蛴袡C(jī)發(fā)光層14中加入高發(fā)光效率的摻雜劑，如N，N-二甲基喹吖啶酮(DMQA)或喹吖啶酮(QAD)，以增強(qiáng)有機(jī)EL裝置的發(fā)光亮度和持久性。公知的發(fā)光聚合物如PPP(對聚苯)或PPV(聚對苯乙炔)也可用作有機(jī)發(fā)光層14中的綠光發(fā)射材料。聚(2-甲氧基-5(2’-乙基-己氧基)-p-苯乙炔(MEH-PPV)和聚芴(PF)也可分別用作有機(jī)發(fā)光層14中發(fā)射紅光和藍(lán)光的聚合物材料。
根據(jù)需要而形成的空穴注入層12和空穴傳輸層13被用于促使從陽極11注入空穴、安全地傳輸空穴并阻隔電子。帶有稠芳環(huán)的三(苯二胺)衍生物、苯乙烯基胺衍生物或胺的衍生物等可用作空穴注入層12和空穴傳輸層13。4，4’，4”-三[3-甲基苯基苯胺]三苯胺(m-MTDATA)或酞菁銅(CuPc)可用作空穴注入層，(N，N’-二苯基-N，N’-雙(3-甲基苯基)-[1，1’-聯(lián)苯]-4，4’-二胺(TPD)或α-NPD(4，4’雙[N-[1-萘基-N-苯基-氨基]聯(lián)苯])可用作空穴傳輸層。電子傳輸層15可促使從陰極16注入電子、安全地將電子傳輸至有機(jī)發(fā)光層14并阻隔空穴，并由喹啉衍生物如Alq3制成。
也就是說，通過增加流進(jìn)有機(jī)發(fā)光層14內(nèi)的空穴和電子的數(shù)量并為復(fù)合(激子)而使它們成對，空穴注入層12、空穴傳輸層13和電子傳輸層15可提高有機(jī)EL裝置的發(fā)光效率?？昭ㄗ⑷雽?2、空穴傳輸層13和電子傳輸層15的厚度沒有特別限制，其取決于制造方法通常為5nm～800nm。
用于注入空穴的陽極11可以由相對較高功函數(shù)的ITO、聚苯胺或Ag制成。用于注入電子的陰極16可以由相對較低功函數(shù)的Al、Mg、Li、Ca或其混合物組成?；卓捎赏该鞑牧先绮Ａ?，或柔軟性的聚合物薄膜，或半導(dǎo)體如硅或砷化鎵制成。
第三電極(G)20或20’由導(dǎo)電性有機(jī)材料如導(dǎo)電性有機(jī)單體、導(dǎo)電性低聚物或?qū)щ娦詿o機(jī)材料金屬或者它們的混合物制成。第三電極優(yōu)選由選自ITO、Ag、Al、Mg、Ca、Li或其混合物的物質(zhì)制成。另外，第三電極可由絕緣材料密封。第三電極(G)20或20’可用由絕緣材料制成的絕緣層包覆以切斷陽極(A)11和第三電極(G)20或20’之間、或陰極(C)16和第三電極(G)20或20’之間的電流。
第三電極20或20’與外部電路相連接以相對于陽極(A)和陰極(C)具有正的或負(fù)的電位。第三電極(G)20或20’的電位可調(diào)節(jié)流入有機(jī)發(fā)光層14的空穴和電子，從而控制有機(jī)EL裝置的發(fā)光亮度。
在如圖4a所示的第三電極(G)20形成在電子傳輸層15上的情況下，參照能帶結(jié)構(gòu)的電勢4c，來說明實(shí)現(xiàn)三端有機(jī)EL裝置的原理。在圖4c中，電子表示為帶圈的“-”()，空穴表示為帶圈的“+”()，箭頭表示電子或空穴的遷移。標(biāo)號11、12、13、14、15、16、20分別指陽極(A)11、空穴注入層(HIL)12、空穴傳輸層(HTL)13、有機(jī)發(fā)光層(EML)14、電子傳輸層(ETL)15、陰極(C)16及第三電極(G)20。在圖中，ΦA(chǔ)、ΦC及ΦG分別表示陽極(A)、陰極(C)及第三電極(G)的功函數(shù)，EA和IP分別表示每個有機(jī)層的電子親合勢和電離電勢。
當(dāng)沒有在陽極(A)11、陰極(C)16及第三電極(G)上施加電壓時(shí)，空穴注入層12、空穴傳輸層13、有機(jī)發(fā)光層14和電子傳輸層15處于熱力學(xué)平衡態(tài)，從而其費(fèi)米能級彼此一致，如圖4c中的T1所示。
當(dāng)在第三電極(G)20與外部電路斷路的條件下，在陽極(A)11和陰極(C)16之間施加電壓VCA時(shí)，空穴逐漸從陽極(A)11注入至空穴注入層12的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)態(tài)，同時(shí)電子逐漸從陰極(C)16注入至電子傳輸層15的最低非占據(jù)分子軌道(LUMO)態(tài)。這里如果所施加的電壓VCA小于啟動電壓(VONSET)，那么如圖4c中的T2所示，空穴和電子不能遷移進(jìn)有機(jī)發(fā)光層14，從而沒有引起電致發(fā)光，與常規(guī)二端有機(jī)EL二極管的操作相同。隨后，當(dāng)?shù)谌姌O(G)20與外部電路接通，并在陰極(C)16和第三電極(G)20之間加上正電壓VCG，那么由于VCG產(chǎn)生的電場空穴和電子可通過HIL(12)、HTL(13)和ETL(15)遷移進(jìn)有機(jī)發(fā)光層14。此外，由于陰極(C)16和陽極(A)11之間的局部電場，其它空穴可以從第三電極(G)20遷移進(jìn)有機(jī)發(fā)光層14。因此如圖4c中的T3所示，在有機(jī)發(fā)光層14中由空穴和電子的發(fā)光復(fù)合(激子)而產(chǎn)生電致發(fā)光。即當(dāng)電壓VCG加在第三電極(G)20時(shí)即使比VONSET小的電壓VCA也可以產(chǎn)生電致發(fā)光。如圖4c中的T4所示，當(dāng)電壓VCG固定而電壓VCA逐漸增加時(shí)，注入進(jìn)發(fā)光層14內(nèi)的空穴和電子濃度逐漸增加，并且發(fā)光亮度也逐漸增加。這種情況下三個電極之間的電流可記作IA＝IC+IG。
當(dāng)0V的電壓VCG加在陰極16和第三電極20之間時(shí)，能帶圖如圖4c中的T5和T6所示。T5表示在0V的電壓VCA加在陰極16和陽極11之間時(shí)，其中沒有電荷載流子注入有機(jī)發(fā)光層14的情況下的能帶結(jié)構(gòu)圖。另一方面，當(dāng)正電壓VCA加在陰極16和陽極11之間時(shí)，如T6的能帶圖所示，電子可從陰極(C)16和第三電極(G)20注入到有機(jī)發(fā)光層14，空穴可從陽極(A)11注入到有機(jī)發(fā)光層14。因此如T6所示，有機(jī)發(fā)光層14中的空穴和電子復(fù)合(激子)可產(chǎn)生電致發(fā)光。從而，在VCG固定在0V時(shí)，隨著VCA從0V開始增加三個電極的電流增加，并具有IA＝IC+IG的關(guān)系，其中IA＞0、IC＞0、IG＞0。
當(dāng)正VCG加到陰極(C)16和第三電極(G)20之間時(shí)，能帶圖如圖4c中的T7和T8所示。T7表示在0V的電壓VCA加在陰極16和陽極11之間時(shí)，其中電子可從陰極(C)和陽極(A)注入到有機(jī)發(fā)光層14，空穴可從第三電極(G)20注入到有機(jī)發(fā)光層14的情況下的能帶圖。在這種情況下，三個電極的電流表現(xiàn)出IA＝IC+IG的關(guān)系，其中IA＜0、IC＞0、IG＜0。另一方面，當(dāng)施加正VCA和VCG時(shí)，能帶圖如T8所示。在這種情況下，電子可從陰極(C)16注入到有機(jī)發(fā)光層14，空穴可從陽極(A)11和第三電極(G)20注入到有機(jī)發(fā)光層14。因此如T8所示，有機(jī)發(fā)光層14中的空穴和電子復(fù)合(激子)可產(chǎn)生電致發(fā)光。在這種情況下三個電極的電流表現(xiàn)出IA＝IC+IG的關(guān)系，其中IA＞0、IC＞0、IG＜0。從而在正VCG固定時(shí)，隨著VCA從0V開始增加陽極電流IA的符號將由負(fù)號變成正號。
在第三電極(G)20形成在空穴傳輸層12下的情況下，參照能帶結(jié)構(gòu)的其它電勢4d，來說明實(shí)現(xiàn)三端有機(jī)EL裝置的原理。在圖4d中，電子表示為帶圈的“-”()，空穴表示為帶圈的“+”()，箭頭表示電子或空穴的遷移。標(biāo)號11、12、13、14、15、16、20分別指陽極(A)11、空穴注入層(HIL)12、空穴傳輸層(HTL)13、有機(jī)發(fā)光層(EML)14、電子傳輸層(ETL)15、陰極(C)16及第三電極(G)20。在圖中，ΦA(chǔ)、ΦC及ΦG分別表示陽極(A)、陰極(C)及第三電極(G)的功函數(shù)，EA和IP分別表示每個有機(jī)層的電子親合勢和電離電勢。
當(dāng)沒有在陽極(A)11、陰極(C)16及第三電極(G)上施加電壓時(shí)，空穴注入層12、空穴傳輸層13、有機(jī)發(fā)光層14和電子傳輸層15處于熱力學(xué)平衡態(tài)，從而其費(fèi)米能級彼此一致，如圖4d中的T’1所示。
當(dāng)在第三電極(G)20與外部電路斷路的條件下，在陽極(A)11和陰極(C)16之間施加電壓VCA時(shí)，空穴逐漸從陽極(A)11注入至空穴注入層12的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)態(tài)，同時(shí)電子逐漸從陰極(C)16注入至電子傳輸層15的最低非占據(jù)分子軌道(LUMO)態(tài)。這里如果所施加的電壓VCA小于啟動電壓(VONSET)，那么如圖4d中的T’2所示，空穴和電子不能遷移進(jìn)有機(jī)發(fā)光層14，并且沒有引起電致發(fā)光，與常規(guī)二端有機(jī)EL器件的操作相同。
隨后，當(dāng)?shù)谌姌O(G)20與外部電路接通，并在陰極(C)16和第三電極(G)20之間加上0V的VCG，那么由于VAG(或VCG)產(chǎn)生的電場空穴和電子可通過HIL(12)、HTL(13)和ETL(15)遷移進(jìn)有機(jī)發(fā)光層14。此外，由于陰極(C)16和陽極(A)11之間的局部電場，其它空穴可以從第三電極(G)20遷移進(jìn)有機(jī)發(fā)光層14。因此如圖4d中的T’3所示，在有機(jī)發(fā)光層14中由空穴和電子的發(fā)光復(fù)合(激子)而產(chǎn)生電致發(fā)光。即當(dāng)0V的電壓VCG加在第三電極(G)20時(shí)即使比VONSET小的電壓VCA也可以產(chǎn)生電致發(fā)光。如圖4d中的T’4所示，當(dāng)電壓VCG＝0V而電壓VCA逐漸增加時(shí)，注入進(jìn)發(fā)光層14內(nèi)的空穴和電子濃度逐漸增加，并且發(fā)光亮度也逐漸增加。這種情況下三個電極之間的電流可記作IA＝IC+IG。
當(dāng)正VCG加在陰極(C)16和第三電極(G)20之間時(shí)，能帶圖如圖4d中的T’5和T’6所示。T’5表示在0V的電壓VCA加在陰極(C)16和陽極(A)11之間時(shí)，其中電子可從陰極(C)16和陽極(A)11注入到有機(jī)發(fā)光層14，空穴可從第三電極(G)11注入到有機(jī)發(fā)光層14的情況下的能帶圖。從而即使VCA＝0V，正VCG固定時(shí)，三個電極的電流具有IA＝IC+IG的關(guān)系，其中IA＜0、IC＞0、IG＜0。另一方面，當(dāng)正電壓VCA加在陰極(C)16和陽極(A)11之間時(shí)，能帶圖如T’6所示。在這種情況下，電子可從陰極(C)16注入到有機(jī)發(fā)光層14，空穴可從陽極(A)11注入到有機(jī)發(fā)光層14。因此如T’6所示，有機(jī)發(fā)光層14中的空穴和電子復(fù)合可產(chǎn)生電致發(fā)光。從而三個電極的電流具有IA＝IC+IG的關(guān)系，其中IA＞0、IC＞0。從而在正VCG固定時(shí)，隨著VCG從0V開始增加陽極電流IA的符號將由負(fù)號變成正號。
因此，通過調(diào)節(jié)第三電極20的電位相對于陽極(A)11和陰極(C)16的電位來影響進(jìn)入材料層的電荷載流子從而可控制三端有機(jī)EL裝置的發(fā)光亮度。
下面的一般方法和特定實(shí)施例只是為了闡明本發(fā)明而提出的，而不能認(rèn)為僅限于它們。
實(shí)施例實(shí)施例1圖5是圖4a中本發(fā)明實(shí)施方案的三端有機(jī)EL裝置的一個實(shí)施例。如圖5所示，制造的三端有機(jī)EL裝置其包括形成在透明基底10上由ITO制成的陽極(A)11、含有由m-MTDATA制成的空穴注入層12，由α-NPD制成的空穴傳輸層13，由Alq3制成的綠光發(fā)光層14及由Alq3制成的電子傳輸層15的有機(jī)材料層22和26。有機(jī)薄層在5×10-5Torr下以0.2nm/s的速率熱沉積在涂覆有ITO表面電阻為10-20Ω/□(ohm/square)的玻璃基底上。空穴注入層、空穴傳輸層、有機(jī)發(fā)光層和電子注入層的厚度分別約為40nm、20nm、60nm和20nm。然后在5×10-5Torr下由Al-Li混合物制成的陰極16(1000nm)形成在有機(jī)材料層的上面。除了陰極16外，由Al-Li混合物制成的第三電極20形成在有機(jī)材料層26上并在陽極11和陰極16之間所成區(qū)域的外部。第二電極和第三電極間的距離為30微米。如圖5所示將陽極11、陰極16和第三電極20與外部電路相連以使得彼此具有正或負(fù)電位。
圖6是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VCG＝0V時(shí)，陽極(A)的電流對電壓(IA對VCA)、陰極(C)的電流對電壓(IC對VCA)及第三電極(G)的電流對電壓(IG對VCA)的電流-電壓(J-V)曲線。如圖6所示，當(dāng)電壓VCA為0V時(shí)，所有電流IA、IC和IG都為0mA。另一方面，隨著電壓VCA增加，電流IA、IC和IG也逐漸增加。電流IA、IC和IG的數(shù)值如表1所示。
表1 從表1可以確定，如圖4c中的T5和T6的能帶圖所表明的，電流IA、IC和IG的關(guān)系為IA＝IC+IG，其中(IA＞0、IC＞0、IG＞0)。因此，可以證實(shí)圖5中的有機(jī)EL裝置可用作三端裝置。
圖7是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VCG＝9V時(shí)，(IA對VCA)、(IC對VCA)及(IG對VCA)的電流-電壓(J-V)曲線。VCG＝9V時(shí)的IA、IC和IG對VCA的特性與圖6所示的VCG＝0V時(shí)的特性很不相同。如圖7所示，即使當(dāng)VCA＝0V時(shí)，電流IA、IC和IG也不為0mA/cm2。隨著電壓VCA增加，第三電極的電流IG從負(fù)值逐漸增加，而陰極電流IC直到VCA＝6V前接近正定值，在VCA＝6V后逐漸增加。隨著電壓VCA增加，陽極電流IA從VCA＝0V時(shí)的負(fù)值逐漸增加。在接近VCA＝6V處，電流IA的符號轉(zhuǎn)為正。表2中總結(jié)了圖7所示的電流IA、IC和IG的數(shù)值。
表2
如表2所示，可以再次確定，如圖4c中的T7和T8的能帶圖所表明的，電流IA、IC和TG的關(guān)系為IA＝IC+IG，其中IC＞0、IG＜0，并且隨著VCA從0V開始增加IA的符號由負(fù)號變成正號。因此，參照表1、表2和圖6、圖7，可以證實(shí)圖5中的有機(jī)EL裝置可用作三端有機(jī)EL裝置，其中即使固定電壓VCA，通過調(diào)節(jié)加在第三電極上的電壓也可控制陽極、陰極和第三電極間的電流。
圖8是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VCA＝0V時(shí)，(IA對VCG)、(IC對VCG)及(IG對VCG)的電流-電壓(J-V)曲線。在圖8中，當(dāng)電壓VCG為0V時(shí)，電流IA、IC和IG為0mA/cm2。然而，隨著電壓VCG增加電流IC逐漸增加，而電流IA和IG逐漸減小。表3中總結(jié)了電流IA、IC和IG的數(shù)值。
表3
從表3也可以確定，如圖4c中的T5和T7的能帶圖所表明的，電流IA、IC和IG的關(guān)系為IA＝IC+IG，其中(IC＞0、IG＜0、IA＜0)。因此，也可以證實(shí)圖5中的有機(jī)EL裝置可用作三電極有機(jī)裝置。
圖9是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VCA＝9V時(shí)，(IA對VCG)、(IC對VCG)及(IG對VCG)的電流-電壓(J-V)曲線。VCA＝9V時(shí)的IA、IC和IG對VCG的特性與圖8所示的VCA＝0V時(shí)的特性很不相同。如圖9所示，即使當(dāng)VCG為0V時(shí)，電流IA、IC和IG也都是正值而不是0mA/cm2。隨著電壓VCG增加，陽極電流IA從正值逐漸下降，而陰極電流IC直到VCG＝6.5V前接近正定值，在VCG＝6.5V后逐漸增加。隨著電壓VCG增加，第三電極電流IG從在VCG＝0V時(shí)的正值逐漸下漸。在接近VCA＝6.5V處，電流IG的符號轉(zhuǎn)為負(fù)。表4中總結(jié)了圖9所示的電流IA、IC和IG的數(shù)值。
表4 從表4可以再次確定，如圖4c中的T6和T8的能帶圖所表明的，電流IA、IC和IG的關(guān)系為IA＝IC+IG，其中IC＞0、IA＞0，并且隨著VCG增加IG的符號由正號變成負(fù)號。因此，參照表3、表4和圖8、圖9，可以證實(shí)圖5中的有機(jī)EL裝置可用作三端有機(jī)EL裝置，其中即使固定電壓VCA，通過調(diào)節(jié)加在第三電極上的電壓也可控制陽極、陰極和第三電極間的電流。
從陽極向正向偏置的ITO電極連續(xù)供給DC電壓觀察圖5中三端有機(jī)EL裝置的從Alq3層發(fā)出的綠光。圖10a是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置的發(fā)光強(qiáng)度對電壓(VCA)的(L-V)曲線，其中第三電極與外部電路斷路，從而按常規(guī)二端有機(jī)EL裝置工作。如圖10a所示，在VCA約為6V(VONSET＝6V)時(shí)電致發(fā)光開始，并且隨著電壓VCA增加發(fā)光強(qiáng)度逐漸增加，表現(xiàn)出常規(guī)二端EL裝置的典型發(fā)光強(qiáng)度對電壓(L-V)的特性。具體而言，在VCA＝9V時(shí)，發(fā)光亮度和電流密度分別為約330cd/m2和10.6mA/cm2，得到～3.1cd/A的發(fā)光效率。
圖10b是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置對于幾個不同的陰極-第三電極偏壓(VCG＝6V、7V、8V、9V、10V)情況下發(fā)光強(qiáng)度對電壓(VCA)的(L-V)曲線。如圖10b所示，啟動電壓可以減少到5V以下，在IC驅(qū)動電路中5V以下是很典型的，而即使在較低VCA下發(fā)光亮度也可明顯增加。例如，在VCG＝9V的情況下，在VCA約為2V時(shí)電致發(fā)光開始，并隨著電壓VCA增加而增加。具體而言，在VCA＝9V和VCG＝9V時(shí)，發(fā)光亮度和電流密度分別為約880cd/m2和IA＝17.7mA/cm2，得到增強(qiáng)的為～5.0cd/A的發(fā)光效率。這一點(diǎn)不能從圖10a中的常規(guī)二端有機(jī)EL裝置實(shí)現(xiàn)，其是本發(fā)明三端有機(jī)EL裝置的特征。
圖10c是曲線圖，表明在VCA＝9V和VCG＝9V時(shí)，圖5中的EL裝置(“三極管”)的EL發(fā)射光譜，和在VCA＝9V而第三電極與外部電路斷路時(shí)圖5中的EL裝置(“二極管”)的EL發(fā)射光譜。該裝置在540nm處從Alq3層發(fā)光，表明載流子復(fù)合發(fā)生在Alq3層。另外，除了三端裝置有提高的發(fā)光亮度外，三端裝置與常規(guī)二端裝置幾乎相同。
如上所述，可以證實(shí)圖5中的三端有機(jī)EL裝置是具有提高的效率、減小的啟動電壓(VONSET)及提高的發(fā)光亮度的發(fā)光結(jié)構(gòu)。
圖11是曲線圖，表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置對于幾個不同的陰極-陽極偏壓(VCA＝6V、7V、8V、9V、10V)情況下發(fā)光強(qiáng)度對電壓(VCG)的(L-V)曲線。對于給定的電壓VCA，隨著電壓VCG的增加有機(jī)EL裝置的發(fā)光強(qiáng)度明顯增加。例如，在VCA＝8V的情況下，VCG＝9V處的發(fā)光亮度約為770cd/m2比在VCG＝0V處的約為330cd/m2的發(fā)光亮度大了約2.3倍。結(jié)果是可以再次證實(shí)圖5中的有機(jī)EL裝置可用作三端裝置，其中即使固定電壓VCA，通過調(diào)節(jié)加在第三電極上的電壓也可控制發(fā)光亮度。
圖12a、圖12b、圖12c分別是表明圖5中的三端有機(jī)EL裝置在VCA＝VCG、VCG＝VAG、VCA＝VGA狀態(tài)下操作時(shí)的實(shí)施例。圖13是曲線圖，表明圖12a(“三極管-A”)、圖12b和圖12c(“三極管-B，C”)中的三端裝置的發(fā)光強(qiáng)度對所施加的電壓的(L-V)特性。為比較，在圖中也表明圖5中的EL裝置第三電極與外部電路斷路時(shí)的(L-V)特性(“二極管”)。
如圖所示，與“二極管”相比“三極管-A”的發(fā)光強(qiáng)度明顯增加。具體而言，所施加電壓為9V時(shí)，“三極管-A”的發(fā)光亮度為880cd/m2比“二級管”約為330cd/m2的發(fā)光亮度大了約2.3倍。這樣從“三極管-A”結(jié)構(gòu)可容易地得到增加的發(fā)光亮度。相反，與“二極管”相比“三極管-B，C”的發(fā)光亮度明顯下降。因此可以再次證實(shí)本發(fā)明圖5中的有機(jī)EL裝置可用作三端裝置，是具有提高的效率和提高的發(fā)光亮度的三端裝置。
實(shí)施例2
圖14是圖4b中本發(fā)明實(shí)施方案的三端有機(jī)EL裝置的一個實(shí)施例。按圖14制造的三端有機(jī)EL裝置其包括形成在透明基底10上由ITO制成的陽極(A)11、含有由m-MTDATA制成的空穴注入層12，由α-NPD制成的空穴傳輸層13，由Alq3制成的綠光發(fā)光層14及由Alq3制成的電子傳輸層15的有機(jī)材料層22和26。有機(jī)薄層在5×10-5Torr下以0.2nm/s的速率熱沉積在涂覆有IT0表面電阻為10-20Ω/□(ohm/square)的玻璃基底上?？昭ㄗ⑷雽?、空穴傳輸層、有機(jī)發(fā)光層和電子注入層的厚度分別約為40nm、20nm、60nm和20nm。然后在5×10-5Torr(托)下由Al-Li混合物制成的陰極16(1000nm)形成在有機(jī)材料層的上面。
除了陽極(第一電極)11和陰極(第二電極)16外，由ITO制成的第三電極20形成在有機(jī)材料層22上并在陽極11和陰極16之間所限定區(qū)域的外部。第一電極11和第三電極間的距離約為50微米。如圖14所示將陽極11、陰極16和第三電極20與外部電路相連以使得彼此具有正或負(fù)電位。
圖15是曲線圖，表明圖14中的三端有機(jī)EL裝置在VCG＝0V時(shí)，(IA對VCA)、(IC對VCA)及(IG對VCA)的電流-電壓(J-V)曲線。如圖15所示，當(dāng)電壓VCA為0V時(shí)，所有電流IA、IC和IG都為0mA/cm2。然而隨著電壓VCA增加，電流IA、IC和IG也逐漸增加。為比較，在圖15中將第三電極與外部電路斷路的三端有機(jī)EL裝置表示為實(shí)心的三角形以表明二極管特性的(IA對VCA)曲線。如圖所示，在三端結(jié)構(gòu)中陽極電流11比二級管結(jié)構(gòu)中增加的更大。即在三端結(jié)構(gòu)中注入至發(fā)光層14的電荷載流子比二級管結(jié)構(gòu)增加的更多。電流IA、IC和IG的數(shù)值如表5所示。
從表5可以確定，如圖4d中的T’3和T’4的能帶圖所表明的，電流IA、IC和IG的關(guān)系為IA＝IC+IG，其中(IA＞0、IC＞0、IG＞0)。因此，可以證實(shí)圖14中的有機(jī)EL裝置可用作三端裝置。
表5
圖16是曲線圖，表明圖14中的三端有機(jī)EL裝置在VCG＝3V時(shí)，(IA對VCA)、(IC對VCA)及(IG對VCA)的電流對電壓(J-V)曲線。VCG＝3V時(shí)的IA、IC和IG對VCA的特性與圖15所示的VCG＝0V時(shí)的特性很不相同。如圖16所示，即使當(dāng)VCA＝0V時(shí)，電流IA、IC和IG也不為0mA/cm2。隨著電壓VCA增加，第三電極的電流IG從負(fù)值逐漸增加，而陰極電流IC從VCA＝0V時(shí)的正值逐漸增加。隨著電壓VCA的增加，陽極電流IA從VCA＝0V時(shí)的負(fù)值逐漸增加。在接近VCA＝1V處，電流IA的符號轉(zhuǎn)為正。表6中總結(jié)了圖16所示的電流IA、IC和IG的數(shù)值。
表6
如表6所示可以再次確定，如圖4d中的T’5和T’6的能帶圖所表明的，電流IA、IC和IG的關(guān)系為IA＝IC+IG，其中IC＞0、IG＜0，并且隨著VCA的增加IA的符號由負(fù)號變成正號。因此，參照表5、表6和圖15、圖16，可以證實(shí)圖14中的有機(jī)EL裝置可用作三端有機(jī)EL裝置，其中通過調(diào)節(jié)加在第三電極上的電壓可控制陽極、陰極和第三電極間的電流。
圖17a和圖17b表示有機(jī)EL裝置的發(fā)光強(qiáng)度對電壓VCA的(L-V)曲線。圖17a是曲線圖，表明圖14中的三端有機(jī)EL裝置的發(fā)光強(qiáng)度對電壓(VCA)的(L-V)曲線，其中第三電極與外部電路斷路，從而該裝置按常規(guī)二端有機(jī)EL裝置工作。如圖17a所示，在VCA約為6V(VONSET＝6V)時(shí)電致發(fā)光開始，并且隨著電壓VCA增加發(fā)光逐漸增加，表現(xiàn)出常規(guī)二端EL裝置的典型發(fā)光亮度特性。具體而言，在VCA約為10V時(shí)，發(fā)光亮度和電流密度分別為約420cd/m2和13.8mA/cm2，得到～3.0cd/A的發(fā)光效率。
圖17b是曲線圖，表明圖14中的三端有機(jī)EL裝置對于幾個不同的陰極-第三電極偏壓(VCG＝0V、1V、2V、3V、4V)情況下發(fā)光強(qiáng)度對電壓(VCA)的曲線。如圖17b所示，啟動電壓VCA可以減少到5V以下，而即使在較低VCA下發(fā)光亮度也可明顯增加。例如，在VCG＝0V的情況下，在VCA約為4V時(shí)電致發(fā)光開始，并隨著電壓VCA增加而增加。具體而言，在VCA＝10V和VCG＝0V時(shí)，發(fā)光亮度和電流密度分別為約770cd/m2和IA＝17.5mA/cm2，得到增強(qiáng)的為～4.4cd/A的發(fā)光效率。這一點(diǎn)不能從圖17a中的常規(guī)二端有機(jī)EL裝置實(shí)現(xiàn)，其是本發(fā)明三端有機(jī)EL裝置的特征。
如上所述，可以證實(shí)圖14中的三端有機(jī)EL裝置是具有提高的效率、減小的啟動電壓及提高的發(fā)光亮度的發(fā)光結(jié)構(gòu)。
圖18是曲線圖，表明圖14中的三端有機(jī)EL裝置對于幾個不同的陰極-陽極偏壓(VCA＝6V、7V、8V、9V、10V)情況下發(fā)光強(qiáng)度是電壓(VCG)的函數(shù)。對于給定的電壓VCA，隨著電壓VCG的增加有機(jī)EL裝置的發(fā)光亮度明顯增加。結(jié)果是可以再次證實(shí)圖14中的有機(jī)EL裝置可用作三端裝置，其中即使固定電壓VCA，通過調(diào)節(jié)加在第三電極上的電壓也可控制發(fā)光亮度。
圖19a、圖19b分別是表明圖14中的三端有機(jī)EL裝置在VCA＝VGA、VCA＝VCG狀態(tài)下操作時(shí)的實(shí)施例。圖20是曲線圖，表明圖19a(“三極管-A”)、圖19b(“三極管-B”)中的三端裝置的發(fā)光強(qiáng)度對所施加的電壓的(L-V)特性。為比較，在圖中也表明圖14中的有機(jī)EL裝置第三電極與外部電路斷路時(shí)的(L-V)曲線(“二極管”)。與“二極管”相比“三極管-A”的發(fā)光強(qiáng)度明顯增加。具體而言，所施加電壓為9V時(shí)，“三極管-A”的發(fā)光亮度為630cd/m2比“二級管”約為300cd/m2的發(fā)光亮度大了約2.6倍。這樣從“三極管-A”結(jié)構(gòu)可容易地得到增加的發(fā)光亮度。相反，與“二極管”相比“三極管-B”的發(fā)光亮度明顯下降。因此可以再次證實(shí)本發(fā)明圖14中的有機(jī)EL裝置可用作三端裝置，其具有提高的效率和提高的發(fā)光亮度。
如果圖14中所示的第三電極遠(yuǎn)離第一電極，那么第三電極不能控制三個電極之間的電子和空穴的流動，從而圖14中所示的裝置被認(rèn)為是具有公用第二電極的耦合有機(jī)EL二極管陣列，其等效電路表示在圖21的插圖中。為區(qū)別三端有機(jī)EL裝置與耦合有機(jī)EL二極管陣列的特性，使用兩個分離的常規(guī)有機(jī)EL二極管制造耦合有機(jī)EL二極管陣列并研究L-V特征。觀察到的單個EL二極管和耦合有機(jī)EL二極管陣列的L-V曲線分別如圖21a和圖21b所示。在圖21a中，單個有機(jī)EL二極管在約5V開始發(fā)光，表現(xiàn)出有機(jī)EL二極管典型的L-V特征。圖21b表明在兩個不同偏壓(VCG＝0V和10V)下，耦合有機(jī)EL二極管陣列的L-V曲線。如圖21b所示中，VCA的啟動電壓VONSET沒有變化，并且發(fā)光亮度曲線與圖21a所示的單個有機(jī)EL二極管完全相同。即簡單耦合有機(jī)EL二極管陣列不能再產(chǎn)生本發(fā)明的三端有機(jī)EL裝置的特征。
只要第三電極可以控制有機(jī)材料層里的空穴和/或電子的電流，那么第三電極的位置就不受限制。優(yōu)選地第三電極與陽極和陰極之間所限定的區(qū)域之間的距離為1mm內(nèi)。
如上所述，除了陽極和陰極以外由有機(jī)發(fā)光層和第三電極構(gòu)成的本發(fā)明的三端有機(jī)EL裝置，可得到具有提高的效率、減小的啟動電壓及提高的發(fā)光亮度的發(fā)光結(jié)構(gòu)。
另外，在無源或有源矩陣型有機(jī)EL顯示裝置中，通過使用本發(fā)明三端有機(jī)EL裝置的像素可增強(qiáng)其圖像質(zhì)量的可靠性。
盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案詳細(xì)地說明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員應(yīng)該理解可對本發(fā)明做出各種修飾和置換而不會脫離所附的權(quán)利要求所提出的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種三端有機(jī)電致發(fā)光(EL)裝置，包括基底；在所述基底上形成的第一電極；包括在所述第一電極上形成的有機(jī)發(fā)光層的至少一層有機(jī)材料層；在所述有機(jī)材料層上形成的第二電極；及至少一個形成在所述有機(jī)材料層上面或其內(nèi)部的第三電極，用以調(diào)節(jié)從所述第一電極、所述第二電極和所述第三電極注入到所述有機(jī)材料層中的電子或空穴。
2.如權(quán)利要求1所述的三端有機(jī)EL裝置，其特征在于所述第三電極形成在所述第一電極和所述第二電極之間區(qū)域的外部。
3.如權(quán)利要求1所述的三端有機(jī)EL裝置，其特征在于所述第三電極與所述第一電極和所述第二電極之間區(qū)域必須要保持距離并小于1mm。
4.如權(quán)利要求1所述的三端有機(jī)EL裝置，其特征在于所述第一電極、所述第二電極和所述第三電極的每一個均由導(dǎo)電性有機(jī)材料、導(dǎo)電性無機(jī)材料、金屬或其混合物制成。
5.如權(quán)利要求1所述的三端有機(jī)EL裝置，其特征在于所述第三電極由選自ITO、Ag、Al、Mg、Ca、Li或其混合物制成。
6.如權(quán)利要求1所述的三端有機(jī)EL裝置，其特征在于所述第三電極由絕緣有機(jī)材料或者絕緣無機(jī)材料密封。
7.如權(quán)利要求1所述的三端有機(jī)EL裝置，其特征在于所述第三電極與外部電路連接使得其具有正或負(fù)電勢，從而注入所述有機(jī)材料層中的空穴和電子可由所述第三電極的電勢來控制。
8.如權(quán)利要求1所述的三端有機(jī)EL裝置，還包括用于將空穴注入進(jìn)所述有機(jī)發(fā)光層的空穴注入層、用于將空穴傳輸進(jìn)所述有機(jī)發(fā)光層的空穴傳輸層，所述空穴注入層和所述空穴傳輸層形成在所述第一電極和所述有機(jī)發(fā)光層之間。
9.如權(quán)利要求8所述的三端有機(jī)EL裝置，還包括用于將電子注入和傳輸進(jìn)所述有機(jī)材料層的電子傳輸層，所述電子傳輸層形成在所述第二電極和所述有機(jī)發(fā)光層之間。
10.如權(quán)利要求8所述的三端有機(jī)EL裝置，其特征在于所述第三電極形成在所述空穴注入層或所述空穴傳輸層上面，或者形成在所述空穴注入層或所述空穴傳輸層內(nèi)部。
11.如權(quán)利要求9所述的三端有機(jī)EL裝置，其特征在于所述第三電極形成在所述有機(jī)發(fā)光層或所述電子傳輸層上面，或者形成在所述有機(jī)發(fā)光層或所述電子傳輸層內(nèi)部。
12.如權(quán)利要求1所述的三端有機(jī)EL裝置，其特征在于所述有機(jī)發(fā)光層由導(dǎo)電性、非導(dǎo)電性或半導(dǎo)電性的有機(jī)單體、低聚物或聚合物制成。
13.如權(quán)利要求1所述的三端有機(jī)EL裝置，其特征在于所述基底由透明玻璃、硅或砷化鎵制成。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三端有機(jī)電致發(fā)光(EL)裝置，用以得到增加的效率、減小的啟動電壓和增加的發(fā)光亮度。該三端有機(jī)EL裝置包括在基底上形成的第一電極；包括在該第一電極上形成的有機(jī)發(fā)光層的至少一層有機(jī)材料層；在該有機(jī)材料層上形成的第二電極；及至少一個形成在所述有機(jī)材料層上面或其內(nèi)部的第三電極。該第三電極形成在該第一電極和該第二電極之間區(qū)域的外部以防止減小發(fā)光面積?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)該第三電極對該第一電極和該第二電極的電位來控制該有機(jī)EL裝置的發(fā)光亮度。
文檔編號H01L51/50GK1513280SQ02811196
公開日2004年7月14日 申請日期2002年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月8日
發(fā)明者樸炳柱 申請人:樸炳柱