CN1444425A

CN1444425A - 光学元件及其制造方法

Info

Publication number: CN1444425A
Application number: CN03104119A
Authority: CN
Inventors: 井手大輔; 铃木浩司
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2003-09-24
Anticipated expiration: 2023-02-11
Also published as: US7009749B2; KR20030074327A; JP3837344B2; CN1322600C; JP2003264089A; US20030169472A1; KR100582608B1

Abstract

光学元件的阴极由基板形成，阳极形成在基板上，发光元件层和用铝制作的阴极，其表面定向基本上均匀。铝的氧含量基本上低于或等于1×10²⁰原子/cm³。

Description

光学元件及其制造方法

1. 技术领域

本发明涉及光学元件及其制造方法。

2. 背景技术

近年来，作为代替CRT和LCD的显示设备，用有机发光二极管(下称OLED)作为发光元件的有机电致发光(EL)显示设备十分引人注目。

空穴和电子分别从形成在玻璃基板上的阳极和置于该阳极上方的阴极注入发光层，于是这些空穴和电子相互复合而产生激子。而在激子的放射减活过程中，发光层发射光，因而有机EL元件就发光。要指出，在阳极与发光层之间设置了空穴传输层，而在阴极与发光层之间设置了电子传输层。

作为一个问题，在如上构成的有机EL元件中，电子传输层和发光层容易受到水分子和氧分子等杂质的影响，与LCD等相比，其随时间的劣化通常更明显。

再者，难以稳定地将电子注入发光层，从而造成亮度变化的问题。为了稳定地注入电子，一般将逸出功低的金属用作阴极材料。而且，阴极要求采取措施以减小电阻，减少金属须与小丘，或消除电迁移或应力迁移。

3. 发明内容

本发明考虑到上述情况，其一个目的是提供一种可抑制光学元件亮度变化的技术。本发明的另一目的是抑制或消除光学元件每小时的劣化变化。本发明的又一目的是延长光学元件的寿命。本发明的再一个目的是提高光学元件中电子的注射效率。

根据本发明，阴极用低电阻率的铝制作，减小了阴极的电阻。但铝有一个问题，即它的逸出功随其表面定向而变化。例如，铝的逸出功在表面定向(110)时为4.06eV，在表面定向(111)时为4.24eV，在表面定向(100)时为4.41eV。阴极中逸出功的不均匀性可能使电子从逸出功较低的位置注入，在该位置造成明显的劣化。再者，阴极中逸出功的变化，在整体上反映出电子注入效率发生相应变化的问题，由于影响了光学元件的发光，致使亮度不均匀。

根据上述问题，发明人认定，通过构成一种用表面定向基本上均匀的铝形成阴极的结构，可以使阳极的逸出功在总体上实现均匀。根据本发明，提供的一种光学元件，包括至少一块基板，形成在该基板上的阳极、形成在阳极上的发光元件层和形成在发光元件层上的阴极，其中阳极用表面定向基本上均匀的铝构成。“基本上均匀”指，根据x射线分析法测定，铝的同一表面定向至少为90％或以上。

用表面定向基本上均匀的铝构成阴极，可以使阴极的逸出功总体上变得均匀，由此防止元件的局部劣化，还减小了亮度变化。发光元件层可以是一种有机EL元件。而且，在发光元件层一侧的界面，可用表面定向基本上均匀的铝构成阴极。

铝的表面定向可以是(110)或(111)。将铝的表面定向置成(110)或(111)，可以减小阴极的逸出功，从而增强了电子注入效率。

该光学元件还包括设置在发光元件层与阴极之间并与阴极接触的氟化锂层，其膜厚度总共为0.5nm～2nm。

将氟化锂层置于发光元件层与阴极之间，可降低发光元件层与阴极之间界面的能垒，从而提高电子注入效率，还延长了元件的寿命。应该指出，用Li₂O、MgO或Al₂O₃等金属氧化物或MgF₂或SrF₂等金属卤化物制作的层代替上述的氟化锂层，也有同样的效果。

根据本发明，提供的光学元件至少包括基板、形成在基板上的第一电极、形成在第一电极上的发光元件层和形成在发光元件上的第二电极，其中至少在发光元件层界面附近，第二电极的铝的氧含量约为1×10²⁰原子/cm³或更低。“界面附近”指界面与第二电极中心之间的地方。尤其在界面与发光元件层附近，减少第二电极的氧含量可以减少电子传输层和发光层上的杂质，防止有机EL劣化。这里的第一电极可以是阳极，第二电极可以是阴极。

另外，在发光元件层与第二电极之间设置氟化锂层的地方，作为绝缘的氟化锂层呈现出电极性，所以若第二电极含杂质，则氧化铝等氧化物或其他杂质易于在第二电极界面离析。界面附近局部离析的杂质作为电子注入的电阻成分，加速元件劣化。然而，降低第二电极的样含量，能减少这些杂质的离析而防止有机EL元件劣化。

再者，第二电极可用高纯铝制作，这样就降低了铝内的氧化物，并可抑制或消除杂质在界面附近离析。而且，能使铝的表面定向均匀。

根据本发明，提供了一种制造光学元件的方法。该方法包括在形成了至少第一电极和发光元件层的基板上，在约1×10^-4pa或其下的低压气压下，通过蒸发淀积铝而形成第二电极。这样，在高真空态下形成第二电极，降低了其氧浓度，故减少了氧化物。因此，可以抑制或消除杂质向发光元件层界面附近离析，结果第二电极中铝的表面定向基本上均匀。

蒸发电极可在40℃或以下进行，蒸发电极温度可以是0℃或更高，较佳为20℃或以上。在20～40℃室温内形成第二电极，可以减少铝原子扩散，构成稳定能态表面定向为(111)的铝层。而且，这样的温度控制可以抑制氧或碳等粘附于基板地杂质地扩散，而且一直扩散到淀积在发光元件层与第二电极界面上或其他地方地杂质。

该方法还包括在低压气氛下在发光元件层上形成氟化锂层，并在该氟化锂层上形成第二电极，基板无须从低压气氛中取出。这样，在低压气氛下连续形成氟化锂层和第二电极，可防止这些层地界面氧化，而且可防止杂质污染，抑制杂质淀积入界面，还能在氟化锂层上形成表面定向基本上均匀的第二电极。

另外，第二电极通常提供给多个发光元件层。在多个发光元件层上都形成第二电极，可降低电流密度并防止电迁移。

须指出，上述构成元件的随意组合和方法与设备之间的不同表示都有效，并为提供的诸实施例所包括。

还有，本发明内容无须描述所有必需的特征，故本发明也可以是这些描述特征的局部组合。

4. 附图说明

图1是有机EL显示设备显示像素的平面图。

图2A是图1中沿A-A线的截面图。

图2B是图1中沿B-B线的截面图。

图3A与3B是x射线衍射法对按本发明一实例形成的铝层所作的分析结果。

图4是按本发明一实例形成的光学元件中氧含量的测量结果。

图5是阴极氧含量与亮度半寿命周期的关系曲线。

5. 具体实施方式

现在根据诸较佳实施例描述本发明，这些实施例并不用来限制本发明的范围，仅作示例。实施例所描述的所有特征及其组合，不一定是本发明的关键。

该实施例的光学元件是一种供有机EL显示设备使用的有机EL元件。首先，根据图1和图2A与2B描述有机EL显示设备中显示像素的一般结构。图1是有机EL显示设备显示像素的平面图，图2A是图1中沿A-A线的截面图，图2B是图1中沿B-B线的截面图。

像素形成在栅极信号线51与漏极信号线52包围的区域内。该像素具有作为开关元件的第一TFT30、驱动有机EL元件的第二TFT40和电容器90。

第一TFT30包括接至栅极信号线51并对其送栅极信号的栅极11、接至漏极信号线52并对其送漏极信号的漏极13d，以及通过电容器90的电极55之一接至第二TFT40的源极13s。

电容器90的电极55之一与第一TFT源极13s整体模制。电容器90的另一电极54由例如铬制作，在它与电极55之间通过栅绝缘膜存贮电荷。电容器90保持着加到第二TFT40的栅极42的电压。

第二TFT40包括接第一TFT30的源极13s的栅极42、接有机EL元件60的阳极61的漏极43d和接驱动电源线53的源极43s。

图2A是图1中A-A线截面，图2B是图1中B-B线界面。如图2A所示，在绝缘基板10上形成了有源层13。绝缘基板10由例如石英玻璃或非碱性玻璃制作。有源层13由多晶硅(p-Si)膜制作。而多晶硅膜通过用激光束照射非晶硅(a-Si)膜制作多晶化而形成。图中示出了顶栅结构，但本发明并不限于该特定结构。有源层13在两条沟道13c两侧包括源极13s和漏极13d。本例中，源极13s和漏极13d用n型掺杂剂作离子掺杂，第一TFT30为n沟道型。

在有源层13上表面形成栅绝缘膜12，再在其上形成栅极11和电容器90的电极54之一。栅极11可用铬与钼等耐熔金属制作，构成图1所示的一部分栅信号线51。

在栅极11和栅绝缘膜12整个表面上面，形成由SiN膜和SiO₂组成的中间层绝缘膜15。相对漏极13d形成的接触孔填充铝等金属，形成构成一部分漏信号线52的漏提取电极16。

如图2B所示，在绝缘基板10上形成有源层43。有源层43用有源层13同一材料制成。有源层43中形成沟道43c，其两侧形成源极43s和漏极43d。本例中，源极43s和漏43d用p型掺杂剂作离子掺杂，第二TFT40是p沟道型。

在有源层43上面形成栅绝缘膜12，再在其上形成栅极42，后者用铬与钼等耐熔金属制成，栅极42接第一TFT30的源极13s。在有源层43中，在栅极42下面形成沟道43c。

在栅绝缘膜12和栅极42整个表面上，形成中间层绝缘膜15。相对源极43s形成的接触孔填充铝等金属，形成驱动电源线53。

在中间层绝缘15、漏提取电极16(示于图2A)与驱动电源线53的整个表面上，形成用例如有机树脂制成的平面化绝缘膜17，并在其上形成有机EL元件60。有机EL元件60有一个依次淀积阳极61、发光元件层66和阴极67的结构。阳极61通过相对平面化绝缘膜17中的漏极43d形成的接触孔而接漏极43d。阳极61上形成绝缘膜68，用于防止阴极67与阳极61之间因阳极61的厚度形成台阶使发光元件层66断裂而造成的短路。

阳极61的材料实例包括铟锡氧化物(ITO)、二氧化锡(SnO₂)和氧化铟(In₂O₃)，一般使用ITO，因其空穴注入有效，而且表面电阻小。阴极67的材料实例包括含痕量锂的铝合金、镁铟合金和镁银合金。发光元件层66具有依次为空穴传输层62、发光层64与电子传输层65的结构。空穴传输层62的材料实例包括4，4’，4”-三(3-甲苯基苯基氨基)三苯胺(MTDATA)、N，N’-二(萘-1-基)-N，N’-二苯基-联苯胺(NPB)和N，N’-二苯基-N，N’-二(3-甲基苯基)-1，1’-二苯基-4，4’-二胺(TPD)。发光层64的材料实例包括含喹吖(二)酮衍生物(铍二羟基苯并喹啉醇盐(bis(10-hydroxybenzo[h]quinolinolato))：Bebq2)的(bis(benzoquinolinolato)铍二苯并喹啉醇盐合物合铝-喹啉(quinolene)合物(Alg3)。电子传输层65的材料实例包括Bebq2合Alq3。在下面描述阴极67的结构。

形成空穴传输层62、电子传输层65和阴极67，使它们为各像素的多个有机EL元件60共享。根据阳极61，将发光层64形成一小岛。

上述的像素结构与材料仅作示例，不限制本发明的范围。例如，第一和第二TFT30与TFT40可以是n沟道型、p沟道型或二者的组合。在第一TFT30中，根据施加的电压，包括漏极13d和源极13s的部分可分别用源极与漏极代替。有机EL元件60有一个相反淀积阳极61、发光元件层66和阴极67的结构。各层间可形成一介入层。

现在描述如此构成的像素中有机EL元件的发光操作原理。栅信号线51向栅极11加上栅信号后，第一TFT30导通，其源极13s施加的电荷贮存于电容器90，并加到第二TFT40的栅极42。根据加到第二TFT40的栅极42的电压，驱动电源线53向有机EL元件60输送电流。

在有机EL元件60中，阳极61注入的空穴与阴极67注入的电子在发光层64内部复合，激发构成发光层64的有机分子二产生激子。在激子的能量发射失活过程中，发光层64发光，该光通过透明阳极61发射二被视为有机EL元件60的光发射。

下面根据上述有机EL显示设备的显示像素的结构，描述本发明的特征。根据本发明一实施例，阴极用铝制作。用低电阻率的铝形成阴极，可减小其电阻值。

另外，在电子传输层65与阴极67之间设置了氟化锂层，这种结构提高了阴极67向电子传输层65注入电子的效率，由此延长元件的寿命。

须指出，形成阴极67的铝选用高纯度铝，纯度较佳为99.9％或以上。而且，氟化锂层和阴极67在降低的1×10^-4pa或以下的压力下通过蒸发淀积而形成。这样处理后，减少了氟化锂层和阴极67的杂质，所以杂质不在这些界面离析，可防止元件劣化。再者，可以消除杂质对电子传输层65、发光层63等的影响，进一步防止元件劣化。在氟化锂层和阴极67蒸发淀积时，用低温泵降低压力。应用低温泵可以减少碳等杂质。

具体而言，在20～40℃常温范围内在降低压力的条件下作铝蒸发淀积而形成阴极67。这样的常温蒸发淀积，使铝的表面定向变为(111)，很稳定。而且如上所述，低压蒸发淀积可防止表面定向因存在杂质而发生混乱，故可用表面定向基本上均匀的铝形成阴极67。常温蒸发淀积抑制了粘附于基板的杂质扩散，因而可抑制这些杂质扩散到发光层66与阴极67的界面。

阴极67形成后，以50～100℃温度作热处理，以进一步出去水分等杂质，使有机EL元件60稳定。

应该指出，正如描述的那样，对各显示像素的所有发光元件层66形成阴极67，使电流密度降低而防止电迁移。

实例

下面描述一例阴极67的形成方法。

把其上形成了电子传输层65的基板装入箱内，利用负载锁定型低温泵使箱内环境变为5×10^-5pa减压。在此低压环境中，在电子传输层65上的1nm原膜中蒸发淀积氟化锂。在保持这种减压条件的同时，以30℃温度在氟化锂膜上将铝蒸发淀积到400nm厚度。使用的铝为高纯度(99.9％或以上)。

之后，以80℃温度对基板热处理60分钟，不暴露于大气。这一步是预处理，以便在形成阴极后将干燥剂和整个有机EL显示器阴极一侧的金属或玻璃密封在一起。

氟化锂膜的厚度范围为0.5～2nm，其原因在于，当膜厚度约为0.5nm或以上时，可在整个基板表面上形成均匀的膜，当膜厚度约为2nm时，定向隧道电流开始剧降。引入氟化锂膜可以降低加到有机EL元件的电压，从而能延缓空穴传输层劣化并延长元件的寿命。

图3A与3B示出x射线衍射法对上述形成的铝层所作的分析结果。由图3A与3B可明显看出，峰3出现在位置2e＝38.44，它表示表面定向(111)。与其它峰的强度比较可看出，92％(29946/32496)或以上代表表面定向(111)。须指出，图3A与3B中，位置2e＝82.40的峰6表示在呈现表面定向(111)的铝的地方偶尔出现的表面定向(222)的铝。因此，比较峰3和和6与其他峰的强度比率可看出，95％(31098/32496)或以上代表表面定向(111)。另外，其他峰1、2、4和5都极小，肯定代表着杂质而不是其他表面定向的铝。根据这些结果，认为将近100％代表着表面定向(111)。

图4示出上述形成的光学元件的氧含量测量结果。该氧浓度用SIMS(二次离子质谱法)测量。参考图4，铝层的氧含量大部分在1×10²⁰原子/cm³或以下。氧含量在接近测量时受大气影响的表面处为1×10²¹原子/cm³，但在0.1im深度为1×10²⁰原子/cm³，在0.25im深度或更接近发光层界面处为大约1×10¹⁹原子/cm³。

图5是阴极氧含量与绿色(G)亮度半寿命周期的关系曲线。从图5可见，阴极氧含量在1×10²⁰原子/cm³或以上时，亮度半寿命周期短得多。

如已经描述和示例的那样，根据本发明该实例，阴极用表面定向基本上均匀的铝形成，而且至少在发光元件层界面附近，阴极氧含量在1×10²⁰原子/cm³或以下。这些结果表明，按本发明该较佳实例形成的阴极能延长有机EL元件的寿命并减小其亮度变化。

虽然已通过诸示例实施例描述了本发明，但应该明白，本领域的技术人员还可作出许多改变和替代而不违背所附权项规定的本发明范围。

Claims

1.一种光学元件，其特征在于，至少包括：

基板；

形成在所述基板上的第一电极；

形成在所述第一电极上的发光元件层；和

形成在所述发光元件上的第二电极，

其中所述第二电极用表面定向基本上均匀的铝制作。

2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述表面定向为(111)。

3.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述第二电极用铝制作，根据x射线分析法测定，其同一表面定向至少在90％或以上。

4.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述第二电极的铝的氧含量，至少在所述第二电极与所述发光元件层的界面附近约为1×10²⁰原子/cm³或以下。

5.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，还包括设置在所述发光元件层与所述第二电极之间与所述第二电极接触的氟化锂层。

6.如权利要求5所述的光学元件，其特征在于，所述氟化锂层的膜厚度约为0.5～2nm。

7.一种光学元件，其特征在于，至少包括：

基板；

形成在所述基板上的第一电极；

形成在所述第一电极上的发光元件层；和

形成在所述发光元件上的第二电极，

其中所述第二电极的氧含量，至少在所述第二电极与所述发光元件层的界面附近约为1×10²⁰原子/cm³或以下。

8.如权利要求7所述的光学元件，其特征在于，表面定向为(111)。

9.如权利要求7所述的光学元件，其特征在于，所述第二电极用铝制作，据x射线分析法测定，其同一表面定向至少在90％或以上。

10.如权利要求7所述的光学元件，其特征在于，还包括设置在所述发光元件层与所述第二电极之间与所述第二电极接触的氟化锂层。

11.如权利要求10所述的光学元件，其特征在于，所述氟化锂层的膜厚度约为0.5～2nm。

12.一种制造光学元件的方法，其特征在于，所述方法包括在形成至少一第一电极和发光元件层的基板上，在约为1×10^-4pa或以下的低压气氛下，通过蒸发淀积铝而形成第二电极。

13.如权利要求12所述的光学元件制造方法，其特征在于，在约为20～40℃温度范围内作蒸发淀积。

14.如权利要求12所述的光学元件制造方法，其特征在于，还包括在低压气氛下在所述发光元件层上形成氟化锂层，

其中所述第二电极形成在所述氟化锂层上，无须将所述基板从低压气氛种取出。

15.如权利要求14所述的光学元件制作方法，其特征在于，所述氟化锂以这样一种方式形成，即形成所述氟化锂层时，使其膜厚度约为0.5～2nm。