CN100358172C - 有源式有机电致发光元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种有源式有机电致发光元件及其制造方法。该有源式有机电致发光元件具有隔热结构。该有机电致发光元件包含有多个阵列的像素区域，而每一像素区域至少包括薄膜晶体管、有机发光二极管以及热隔绝凹槽，其中该热隔绝凹槽形成于该薄膜晶体管与该有机发光二极管之间，以维持该有机发光二极管的第二电极与该薄膜晶体管的半导体层间隔预定距离。本发明的主要目的在于提供一种具有隔热结构的有源式有机电致发光元件，以解决因薄膜晶体管产生的热能所导致的有机发光二极管劣化的问题。

Description

有源式有机电致发光元件及其制造方法

技术领域

本发明有关一种有源式有机电致发光元件及其制造方法，特别是关于一种具有隔热结构的有源式有机电致发光元件(organic electroluminescentdevice)及其制造方法。

背景技术

近年来，随着电子产品发展技术的进步及其日益广泛的应用，像是移动电话、PDA及笔记本电脑的问市，使得与传统显示器相比具有较小体积及电力消耗特性的平面显示器的需求与日俱增，成为目前作重要的电子应用产品之一。在平面显示器当中，由于有机电致发光件具有自发光、高亮度、广视角、高应答速度及工艺容易等特性，使得有机电致发光件无疑的将成为下一代平面显示器的最佳选择。

有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)为使用有机层作为活性层(active layer)的发光二极管，近年来已渐渐使用于平面面板显示器(flatpanel display)上，依驱动方式可区分为无源式有机电致发光(PM-OLED)及有源式有机电致发光(AM-OLED)显示器。

无源式有机电致发光元件，主要经由XY矩阵电极而被单纯驱动。由于无源式有机电致发光元件是以线性顺序驱动方式执行，当扫描线(scanninglines)增加至数百条以上时，所要求的瞬间亮度(instantaneous brightness)即为观察亮度的数百倍，因此，产生的瞬间电流量也高达数百倍。如此大的电力消耗使得有机发光二极管产生大量的热，同时提高了有机发光二极管的操作温度。然而，操作温度的提高易使得有机发光二极管劣化的速度加快，如此一来，易导致有机电致发光元件的发光效率及元件寿命的降低。

开发出具有高发光效率及长使用寿命的有机电致发光元件是目前平面显示技术的主要趋势之一。因此，搭配薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)的有源式有机电致发光元件被提出，以避免无源式有机电致发光元件所产生的问题。由于有源式有机电致发光显示器具有面发光的特征、自发光的高发光效率以及低驱动电压(driving voltage)等优点，且具有广视角、高对比、高应答速度(high-response speed)、及全彩化等特性。当显示器的尺寸越作越大，分辨率的要求越来越高，以及全彩化需求的情况下，有源式有机电致发光无疑将成为下一代全彩化平面显示器的最佳选择。

请参照图1，显示一种现有有源式有机电致发光元件像素区域的平面概要示意图。该有源式全彩化有机电致发光元件包含有多个阵列的像素区域10，如图1所示，该像素区域10主要包含有两个薄膜晶体管11和13、一个电容15及一个有机发光二极管17。在每一个像素区域10中，亦包含有一沿Y方向延伸的数据线12、一沿X方向延伸的源极线(source line)14及两条沿X方向延伸的扫描线16所构成。其中，该有机发光二极管17以一透明电极21作为该有机发光二极管的阳极。

请参照图2，其为对应于图1A-A′切线的像素区域10剖面结构示意图。该薄膜晶体管13及该有机发光二极管17形成于一透明基板5上，其中该薄膜晶体管13包含一栅极31、一绝缘层32、一非晶硅层33、一掺杂非晶硅层34、一源极36、一漏极35及一氮化硅层37。形成该有机发光二极管17的步骤是为在完成该薄膜晶体管13的工艺后，形成一图案化的透明电极21于该透明基板5上，并坦覆性形成一发光层23及一铝金属电极25于上述结构。

上述的有源式有机电致发光元件虽然可以大幅降低通过有机发光二极管17的电流量，进而避免有机发光二极管17因电能消耗而产生大量的热能。然而，该有源式有机电致发光元件是以该薄膜晶体管13作为其驱动电路，大量的电流会流经作为薄膜晶体管13沟道(channel)的非晶硅层33。由于该非晶硅层33为一半导体层，其电阻会导致流经的电流产生功耗而传换成大量的热，使得有源式有机电致发光元件的操作温度增加。请参照图3，其显示将薄膜晶体管置于高温炉的实验数值，由图中可知，在50～80℃的情况下，温度对薄膜晶体管寿命几乎不造成任何的影响。反观有机发光二极管，请参照图4，其显示在不同操作温度下，有机发光二极管电压与亮度的关系。如图4所示，当操作温度上升，可明显地发现有机发光二极管电压对亮度的特性有着相当大的差异，而此特性也直接影响到有机发光二极管的使用寿命，也就是说，较高的操作温度会导致有机发光二极管的劣化速度加快。

因此，发展出全新的有源式有机电致发光元件结构与工艺，以有效避免薄膜晶体管产生的热对有机发光二极管的影响，是目前有源式有机电致发光元件工艺技术上亟需研究的重点。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明的主要目的为在不增加工艺复杂度的前提下，针对有源式有机电致发光元件的像素结构进行改良及设计，以提供一种具有隔热结构的有源式有机电致发光元件，以解决因薄膜晶体管产生的热能所导致的有机发光二极管劣化的问题，进而增加有源式有机电致发光元件发光效率及使用寿命。

再者，本发明的另一目的为提供一种有源式有机电致发光元件的制造方法，以形成本发明所述的具有隔热结构的有源式有机电致发光元件。

为达成本发明的上述目的，本发明所述的具有隔热结构的有源式有机电致发光元件，其包含有多个阵列的像素区域，其中每一像素区域包含有薄膜晶体管及有机发光二极管形成于基板上。该薄膜晶体管包含有半导体层、栅极、源极及漏极；而该有机发光二极管包含有第一电极形成该基板上、及有机电致发光层与第二电极形成于该第一电极之上。其中，该像素区域还包含有热隔绝凹槽，该热隔绝凹槽形成于该薄膜晶体管与该有机发光二极管之间，以维持该有机发光二极管与该薄膜晶体管的半导体层间隔预定距离。

此外，本发明所述的具有隔热结构的有源式有机电致发光元件，亦可以另一方式表现。

该有源式有机电致发光元件包含有多个阵列的像素区域，其中每一像素区域包含有薄膜晶体管及绝缘层形成于基板上、第一电极形成于该绝缘层上、保护层形成于该薄膜晶体管及部分的该第一电极上以及有机电致发光层及第二电极形成于该第一电极上。其中，该薄膜晶体管包含有半导体层、掺杂的半导体层、栅极、源极及漏极，且该第一电极、该有机电致发光层及该第二电极相迭的区域构成有机发光二极管。该像素区域还包含有热隔绝凹槽，该热隔绝凹槽形成于该薄膜晶体管与该有机发光二极管之间，以维持该有机发光二极管与该薄膜晶体管的半导体层间隔特定距离。

根据本发明所述的具有隔热结构的有源式有机电致发光元件，还可包括光遮蔽层形成于该保护层上，其中该光遮蔽层至少屏蔽该半导体层。此外，在该热隔绝凹槽中填入有低热传导系数的物质。

根据本发明所述的具有隔热结构的有源式有机电致发光元件，其中该基板可为透光或是不透光的基板。该第一电极及该第二电极中的至少一者为透明电极，且该有有源式有机电致发光元件可由其基板侧发光，或为上部发光(top-emission)元件，亦可为两面发光型元件。

根据本发明所述的具有隔热结构的有源式有机电致发光元件，该热隔绝凹槽可为经由蚀刻方式图形化该第二电极所形成。而该热隔绝凹槽亦可为经由蚀刻方式图形化该第二电极及该有机电致发光层所形成。

为达本发明所述的另一目的，本发明亦提供一种具隔热结构的有源式有机电致发光元件的制造方法，首先，提供基板，并形成多个多晶硅薄膜晶体管及绝缘层于该基板上，其中该薄膜晶体管包含有半导体层、掺杂的半导体层、栅极、源极及漏极。接着，形成第一电极于该绝缘层上。在形成该第一电极之后，形成保护层于该薄膜晶体管及部分的该第一电极上。接着，连续形成有机电致发光层及第二电极于该基板的所有表面上，并大体覆盖该第一电极及该保护层，其中该第一电极、该有机电致发光层及该第二电极相迭的区域构成有机发光二极管。最后，图形化该第二电极，以形成热隔绝凹槽，其中该热隔绝凹槽使该有机发光二极管与该薄膜晶体管的半导体层间隔特定距离。

根据本发明所述的具隔热结构的有源式有机电致发光元件的制造方法，在形成该保护层于该薄膜晶体管及部份的该第一电极的步骤后，可更包括形成光遮蔽层于该保护层上，以至少覆盖该半导体层。而在图形化该第二电极的步骤中，可以该保护层作为蚀刻停止层，以形成热隔绝凹槽。此外，在图形化该第二电极以形成热隔绝凹槽的步骤后，更包括填入低热传导系数的物质于该凹槽。

为使本发明的上述目的、特征能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是显示现有有源式有机电致发光元件像素区域的平面概要示意图；

图2是显示现有有源式有机电致发光元件像素区域的剖面示意图；

图3为显示薄膜晶体管在不同的操作温度下，效能与使用时间的关系图；

图4为显示有机发光二极管在不同的操作温度下，电压与亮度的关系图；

图5是显示根据本发明所述的有源式有机电致发光元件的一优选实施例的平面概要示意图；

图6a至图6f是显示根据本发明所述有源式有机电致发光元件的一优选实施例的制作流程剖面图；

图7是显示利用flotheam软件对现有有源式有机电致发光元件所作的热分布模拟；以及

图8是显示利用flotheam软件对本发明所述的有源式有机电致发光元件所作的热分布模拟。

附图标记说明

现有技术：

5～基板；10～有机电致发光元件的像素区域；11、13～薄膜晶体管；12～数据线；14～源极线；15～电容；16～扫描线；17～有机发光二极管；21～透明电极；23～发光层；25～铝金属电极；31～栅极；32～等离子显示器；33～非晶硅层；34～掺杂的非晶硅层；35～漏极；36～源极；37～氮化硅层；A-A′～沿A-A′的剖面线。

本发明技术：

100～有机电致发光元件的像素区域；101、107～薄膜晶体管；102～数据线；103～电容；105～有机发光二极管；106～透明导电层；108～热隔绝凹槽；110～基板；112～绝缘层；121～栅极；123～半导体层；124～掺杂的半导体层；125～源极；126～漏极；130～保护层；132～光遮蔽层；134～有机电致发光层；136～金属电极；140～预定距离；B-B′～B-B′的剖面线。

具体实施方式

本发明提供一种以薄膜晶体管作为驱动元件的有源式有机电致发光元件，其像素区域具有一热隔绝凹槽，可以有效隔绝薄膜晶体管所产生的热能传导至有机发光二极管，以避免有机发光二极管因操作温度过高而劣化。以下为本发明所述的具隔热结构的有源式有机电致发光元件的制造方法的一优选实施例，现配合附图详细说明如下。

实施例

请参照图5，其显示符合本发明所述的具隔热结构的有源式有机电致发光元件的一优选实施例的像素区域平面概要示意图，该像素区域100主要包含有一薄膜晶体管101耦接于一沿Y方向延伸的数据线102、一电容储存器103、一有机发光二极管105及一薄膜晶体管107耦接于该有机发光二极管105。而本发明即针对该薄膜晶体管107与该有机发光二极管105，设计一热隔绝凹槽108，以避免薄膜晶体管107产生的热传导至有机发光二极管105。图6a至图6f为一系列对应于图5的B-B′切线的像素区域100剖面结构示意图，其用来说明本发明所述的有源式有机电致发光元件的一优选实施例的制造流程。

首先，请参考图6a，该像素区域的薄膜晶体管107形成于一基板110上，且该基板110上亦具有一绝缘层112。该薄膜晶体管107包含有一栅极121、一半导体层123、一掺杂的半导体层124、一源极125及一漏极126，其中该半导体层123可为非晶硅半导体层、有机半导体薄膜层、或是经由低温工艺所得的多晶硅半导体层。本发明对于所使用的薄膜晶体管种类并无限制，该薄膜晶体管107可例如为嵌入式薄膜晶体管或是堆垒式薄膜晶体管，且图示的薄膜晶体管结构仅是现有的栅极结构中的一例，此处非关本发明的特征，非为限制本发明范围的依据；而该绝缘层112可为一含氧的硅化物层，在形成该绝缘层112于该基板110上的步骤后，可更使用一化学机械研磨工艺对该绝缘层的表面进行平坦化处理。此平坦的绝缘层112有助于之后所形成于其上的电极表面粗糙度较低，以避免元件短路及漏电流。根据本发明，基板110可为一透光或不透光的基板，例如玻璃、陶瓷或是塑料基板，但在此优选实施例中，是以一由基板侧发光的有机电致发光元件为例，故所使用的基板为一透光基板，例如一玻璃基板。

接着，请参照图6b，形成一透明导电层106于该绝缘层112之上。该透明导电层106可为铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、锌铝氧化物(AZO)或是氧化锌(ZnO)。而此透明导电层106可由溅镀法、电子束蒸镀法、热蒸镀法、化学气相镀膜法及喷雾热裂解法所形成。该透明导电层106是作为后续形成的有机发光二极管的阳极电极。

接着，如图6c所示，顺应性形成一保护层130于该薄膜晶体管107及部分的该透明导电层106之上，以覆盖该薄膜晶体管107及部分该透明导电层106。该保护层130可为介电材质或是有机材质，若为介电材质，则该保护层130可为绝缘的氧化物、碳化物、氮化物及其组合物所组成的族群中，像是氧化硅(SiOx)、氧化铝(AlOx)、氧化镁(MgO)、氮化硅(SiNx)、氮化铝(AlNx)或是氟化镁(MgFx)等；该包覆层亦可为有机材质，像是丙烯酸树脂(acrylic resin)、聚酰亚胺(polyimide)或是可利用感光或加热固化的透明光致抗蚀剂材质。

在有机电致发光元件的工艺中，为了增加有机发光二极管元件的效能，在形成有机电致发光层之前，会先对该透明导电层106进行表面改性程序。请参照图6d，为避免在表面改性程序中所使用的UV光损伤该半导体层123，是在该保护层130上形成一光遮蔽层132，且该光遮蔽层132所形成的区域是至少屏蔽该半导体层123。该光遮蔽层132的组成可选用具有不透光且绝缘的单层材质(如：CrOx)或含有高分子树脂的双层结构(如：聚酰亚胺/碳黑)。

请参照图6e，接着，依序坦覆性形成一有机电致发光层134及一金属电极136于上述结构，以使该有机电致发光层134与该透明导电层106的上表面接触，且该金属电极136是与该有机电致发光层134的上表面接触。该透明导电层106、该有机电致发光层134及该金属电极136所形成的堆垒结构构成本发明所述的有机发光二极管105。其中，该有机电致发光层134可为小分子或高分子有机电致发光材料，且可为单层的有机发光二极管材料层或多层有机电致发光材料层迭合构成。若为小分子有机电致发光材料，可利用真空蒸镀方式形成；若为高分子有机电致发光材料，则可使用旋转涂布、喷墨或网版印刷等方式形成有机发光二极管材料层；该金属电极136的材料可选自Ca、Ag、Mg、Al、Li及其它低工作函数的金属材料或复合金属材料，形成方式可为真空热蒸镀或溅镀方式。

最后，如图6f所示，在离该薄膜晶体管107的半导体层123靠近该有机发光二极管105侧的一预定距离140处，以蚀刻方式图形化该金属电极136以形成一热隔绝凹槽108。此外，该热隔绝凹槽108亦可进一步形成于该有机电致发光层134中。形成该热隔绝凹槽108的方式可为形成一图形化的光致抗蚀剂层于该金属电极136上，并以保护层130作为蚀刻停止层，用反应性离子蚀刻(reactive ion etching，RIE)移除未被该光致抗蚀剂层所覆盖的该金属电极136及该有机电致发光层134。该热隔绝凹槽108的宽度则可不小于1nm。至此完成本发明所述的具有热隔绝结构的有源式有机电致发光元件的制作方法。

请参照图5及图6f，在上述本发明的优选实施例中，是针对全面性蒸镀的金属电极136以蚀刻方式进行图形化，以形成一热隔绝凹槽108于该作为驱动电路的薄膜晶体管107与有机发光二极管之间，且该热隔绝凹槽108挖空至露出该保护层130。在完成封装后，该有源式有机电致发光元件内即是氮气环境，氮气会填入该热隔绝凹槽108内以形成一热隔绝结构，相当于原本的热传导途径中加入一道空气介质。相较于铝金属的热传导系数(237W/mK)，氮气介质的热传导系数(0.0338W/mK)可说是极低的，因此，本发明所述的热隔绝凹槽可达到使热经由该金属电极136传导至该有机发光二极管的目的。

图7及图8分别为使用flotheam软件所作的热分布模拟。其中，热源位置是在坐标(0，0)，温度为60℃；该热源的尺寸为5μm×5μm；基板尺寸为5mm×5mm；玻璃厚度为0.7mm；铝电极(第二电极)的厚度为100μm；而玻璃、铝及空气的热传导效率(thermal conductivity)分别为1.4W/m-k、170W/m-k、及0.0338W/m-k。

图7为现有有源式有机电致发光元件的热分布状况，而图8为本发明所述的具有隔热结构的有源式有机电致发光元件的热分布状况，因此，由图中可清楚得知，薄膜晶体管所产生的热会因为该热隔绝凹槽而有效的被隔绝。

综上所述，本发明所述的具有隔热结构的有源式有机电致发光元件，是以隔热的方式，针对靠近该有机发光二极管的薄膜晶体管其周围主要热传导路径作规划，使得该薄膜晶体管所产生的热尽可能的在非发光区域内传递，以解决因薄膜晶体管所产生的热能所导致的有机发光二极管劣化的问题。

虽然本发明已以一优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，应当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种有源式有机电致发光元件，其包含有多个阵列的像素区域形成于基板上，其中每一像素区域包含：

薄膜晶体管；

有机发光二极管；以及

热隔绝凹槽，设置于该有机发光二极管与该薄膜晶体管的半导体层之间。

2.如权利要求1所述的有源式有机电致发光元件，其中该有机发光二极管包含有第一电极、有机电致发光层及第二电极，其中该有机发光二极管的第二电极与相邻的有机发光二极管的第二电极相连接。

3.如权利要求2所述的有源式有机电致发光元件，其中该薄膜晶体管包含有半导体层、栅极、源极及漏极，且该热隔绝凹槽设置于该第二电极中，并位于该薄膜晶体管的该半导体层与该有机发光二极管之间。

4.如权利要求3所述的有源式有机电致发光元件，其中该热隔绝凹槽设置于该第二电极及该有机电致发光层中，并位于该薄膜晶体管的该半导体层与该有机发光二极管之间。

5.如权利要求1所述的有源式有机电致发光元件，其中在该热隔绝凹槽中填入有低热传导系数的物质。

6.如权利要求5所述的有源式有机电致发光元件，其中该热隔绝凹槽的宽度是不小于1nm的范围内。

7.一种有源式有机电致发光元件，其包含有多个阵列的像素区域形成于基板上，其中每一像素区域包含：

薄膜晶体管及绝缘层，形成于该基板上，其中该薄膜晶体管包含有半导体层、掺杂的半导体层、栅极、源极及漏极；

第一电极，形成于该绝缘层上；

保护层，形成于该薄膜晶体管及部分的该第一电极上；

有机电致发光层及第二电极，接连形成于该基板的所有表面上，并覆盖该第一电极及该保护层，其中该第一电极、该有机电致发光层及该第二电极相迭的区域构成有机发光二极管；以及

热隔绝凹槽，设置于该第二电极中，并位于该薄膜晶体管与该有机发光二极管之间。

8.一种有源式有机电致发光元件的制作方法，其包含有下列步骤：

提供基板；

形成多个多晶硅薄膜晶体管于该基板之上，其中该薄膜晶体管包含有半导体层、掺杂的半导体层、栅极、源极及漏极；

形成绝缘层于该基板；

形成第一电极于该绝缘层上；

形成保护层于该薄膜晶体管及部分的该第一电极上；

接连形成有机电致发光层及第二电极于该基板的所有表面上，并覆盖该第一电极及该保护层，其中该第一电极、该有机电致发光层及该第二电极相迭的区域构成有机发光二极管；以及

图形化位于该薄膜晶体管的半导体层与该有机发光二极管之间的该第二电极，以形成热隔绝凹槽。

9.如权利要求8所述的有源式有机电致发光元件的制作方法，在图形化该第二电极的步骤中，以该保护层作为蚀刻停止层，以形成热隔绝凹槽。

10.如权利要求8所述的有源式有机电致发光元件的制作方法，在图形化该第二电极以形成热隔绝凹槽的步骤后，还包括填入低热传导系数的物质于该凹槽。

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