专利名称：采用光谐振效应的有机电致发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有机电致发光器件，更具体地，涉及一种采用光谐振效应的有机电致发光器件。
背景技术：
电致发光(EL)显示器件根据构成发光层的材料可以分为无机器件和有机器件。
在有机EL器件中，外部注入的电子和空穴在发光层复合并抵消以产生激子。随着激子从激发态跃迁到基态，能量在发光层转变为荧光分子，使分子发光并显示图像。对于每三个三重态激子，只有一个单重态激子产生，其能级不同于三重态激子的能级。来自单重态激子的能量用于发光，而来自三重态激子的能量则转换成热能。
与无机器件比较，有机EL器件具有更高的亮度、更大的驱动电压、更快的响应速度、更宽的视角和更大的对比度，并优越地显示更大范围的颜色。这就是它们受到广泛的重视并被看作是下一代显示器件的原因。
一般的有机EL器件包括以预定图形形成在衬底上的阳极层、空穴输送层、发射层和电子输送层，它们彼此顺序堆叠，以预定图形形成的阴极层，该预定图形与阳极层的图形成直角交叉。所有的空穴输送层、发射层和电子输送层都是由有机物质形成的有机薄膜。
因为发光效率低，常规的有机EL器件有很多缺点，例如，在发光、耗能和寿命方面。特别对于含有低分子量的荧光染色剂的有机EL器件，由于来自单重态激子的最大发光效率只有25％，由内部全反射引起的外部发光降低和与阴极层反射的光的相消干涉以及偏振面(polarizing plane)的光吸收导致的发光效率很低。所以，使用常规的有机EL器件不能得到高亮度和低能耗的显示器件。而且，常规的有机EL器件具有宽的光致发光光谱，以至于色纯度也不是很高。
为了解决常规的有机EL器件的问题，Hitachi提出利用通过交替地淀积高折射率层和低折射率层形成的半反射镜来调节反射率，它是基于1981年D.Klepper提出的光的微空腔(microcavity)概念。
图1A是由Hitachi提出的有机EL器件的剖面图，图1B是放大的半反射镜的剖面图。
参照图1A，Hitachi的有机EL器件包括淀积在氧化硅衬底上作为多层堆叠的半反射镜12，氧化铟锡(ITO)阳极层13，三苯二胺衍生物(TAD)层14，ALQ(三-(8-羟基喹啉)铝)层15，以及具有预定图形的金属阳极层16，它们彼此顺序叠置。此处，ITO的折射率为1.7-2.1，ALQ和TAD的折射率为1.7。
参考图1B，半反射镜12包括包括交替的具有折射率为2.3的高折射率TiO2层12a和具有折射率为1.4的低折射率SiO2层12b的总共6层。
在具有叠层结构的这种半反射镜中，为了提高反射性能，需要堆叠更多的层。然而，由Hitachi提出的有机EL器件要求对堆叠的层的数量和厚度进行精确控制以控制具有特定波长的光的反射，这使制造工艺复杂化。
发明内容
本发明提供一种可以用简单叠层结构引起光谐振以放大各种光的波长来增强发光和提高色纯度的有机电致发光(EL)器件。
根据本发明的一个方面，所提供的有机EL器件包括透明衬底；形成在透明衬底上的半透明层；以预定的图形形成在半透明层上的第一阳极层；在第一阳极层上的由金属全反射层形成的阴极层；形成在第一阳极层和阴极层之间的有机层，它包括至少一个发光层，其中在半透明层的上表面和阴极层的底面之间的光学距离被确定为各种颜色光的峰值波长的半带宽的最小整数倍。
根据本发明的具体实施例，在半透明层的上表面和阴极层的底面之间的光学距离为第一阳极层和有机层各自的折射率与各自的厚度的乘积之和。
在根据本发明的有机EL器件中，第一阳极层和有机层以带状图形形成，阴极层以垂直于第一阳极层和有机层的带状图形的带状图形形成。可选地，第一阳极层可以以带状图形形成，有机层和阴极层以垂直于第一阳极层的带状图形的带状图形形成。
在根据本发明的有机EL器件中，半透明层、第一阳极层和有机层以带状图形形成，阴极层以垂直于半透明层、第一阳极层和有机层的带状图形的带状图形形成。可选地，半透明层和第一阳极层可以以带状图形形成，有机层和阴极层以垂直于半透明层和第一阳极层的带状图形的带状图形形成。
根据本发明的有机EL器件可以进一步包括在半透明层和第一阳极层之间的透明间隔层，其中透明间隔层的厚度被适当地控制在可以引起光谐振的水平上。在这种情况下，在半透明层的上表面和阴极层的底面之间的光学距离为透明间隔层、第一阳极层和有机层各自的折射率与各自的厚度的乘积之和。半透明层、透明间隔层、第一阳极层和有机层可以以带状图形形成，阴极层以垂直于半透明层、透明间隔层、第一阳极层和有机层的带状图形的带状图形形成。可选地，半透明层、透明间隔层、第一阳极层可以以带状图形形成，有机层和阴极层以垂直于半透明层、透明间隔层和第一阳极层的带状图形的带状图形形成。
根据本发明的有机EL器件可以进一步包括在透明衬底和半透明层之间的第二阳极层。在这种情况下，在半透明层的上表面和阴极层的底面之间的光学距离为第一阳极层和有机层各自的折射率与各自的厚度的乘积之和。第二阳极层、半透明层、第一阳极层和有机层可以以带状图形形成，阴极层以垂直于第二阳极层、半透明层、第一阳极层和有机层的带状图形的带状图形形成。可选地，第二阳极层、半透明层、第一阳极层可以以带状图形形成，有机层和阴极层以垂直于第二阳极层、半透明层、第一阳极层的带状图形的带状图形形成。
根据本发明的有机EL器件可以进一步包括淀积在透明衬底上表面的金属氧化物层。在这种情况下，金属氧化物层是从由SiO2层、TiO2层、Y2O3层和Nb2O5层构成的组中选择的一种。
根据上述本发明的有机EL器件的具体实施例，透明衬底是玻璃衬底。半透明层是薄金属层。用于半透明层的薄金属层可以由具有小的光吸收系数的银或铝形成。为了持久性，用于半透明层的薄金属层可以由银—铜—金合金或银—钯—铜合金形成。
如上所述，在根据本发明的有机EL器件中，半透明层设置在阳极和阴极之间，半透明层和阴极之间的距离被调节以引起红、绿和蓝光的相长干涉以增强发光和提高色纯度。
本发明的上述和其它特征及优点通过下面结合附图的实施例的详细描述将变得更加明显其中图1A和1B是由Hitachi提出的有机电致发光(EL)器件的剖面图；图2A和2B分别是根据本发明第一实施例的有机EL器件的剖面图和透视图；图3A和3B分别是根据本发明第二实施例的有机EL器件的剖面图和透视图；图4是根据本发明第三实施例的有机EL器件的剖面图；和图5是根据本发明第四实施例的有机EL器件的剖面图具体实施方式
参照附图，根据本发明的有机电致发光(EL)器件将被更详细地描述。在附图中示出了本发明的示范性实施例。在附图中，为清楚起见，放大了层和区的厚度和宽度。
根据本发明的第一实施例的有机EL器件的透视图在图2B中示出，其为无源矩阵前向发射显示类型。图2A是图2B的沿线A-A’的有机EL器件的剖面图。
参照图2A和2B，根据本发明的第一实施例的有机EL器件包括透明玻璃衬底31；金属氧化物层32，薄金属层33，透明间隔层34，以上各层依次淀积在玻璃衬底31上；以带状形成在透明间隔层34上的氧化铟锡(ITO)阳极层35；淀积在透明间隔层34和ITO阳极层35上并构图以露出ITO阳极层35的发光区的层间绝缘层39，如图2B所示；在层间绝缘层39上的有机层36；作为金属全反射层淀积在有机层36上的阴极层37。有机层36包括与ITO阳极层35的暴露出的发光区接触的空穴注入层(HIL)、空穴输送层(HTL)、发光层(EML)、电子输送层(ETL)和电子注入层(EIL)。
在图2A和2B中，参考数字38表示使阴极层37绝缘以区别发光区和非发光区的隔离层。在根据本发明的另一实施例的有机EL器件中，其中不形成隔离层，阴极层37可以以仅在发光区中保留并与ITO阳极层35垂直的图形形成，使得发光区和非发光区可以彼此分开。
玻璃衬底可以由任何透明材料形成。金属氧化物层32由对薄金属层33和玻璃衬底31具有良好粘附的材料层形成。用于金属氧化物层32的材料层的例子包括SiO2层、TiO2层、Y2o3层和Nb2O5层等等。
能反射部分光并且透射部分光的半透明层的薄金属层33和阳极层37一起引起光谐振。任何金属层，只要它被淀积为薄层，就都可以反射并且透射光。然而，为了高的发光效率，优选薄金属层33是由吸收很少的光的银(Ag)或铝(Al)形成。金属合金，例如Ag-Cu-Au(ACA)或Ag-Pd-Cu(APC)，可以用作耐用的薄金属层。除了薄金属层33以外，能够透射和反射光的另一个半透明层可以由不同于薄金属层33的材料形成。
发光层中产生的光在由全反射金属层形成的阴极层37被全部反射，并射向薄金属层33。一部分光透过薄金属层33，一部分光在薄金属层33被反射回来，并射向阴极层37。在根据本发明的第一实施例的有机EL器件中，当光的透射和反射在两个反射层之间，即阴极层37和薄金属层33重复发生时引起干涉，阴极层37和薄金属层33间的距离被调节到引起光谐振。包含适当间隔以引起光谐振的两个反射表面的结构被称作为“微空腔(microcavity)结构”。
根据本发明的实施例的有机EL器件需要下列条件来产生光谐振。
第一个必要条件为半透明薄金属层33的反射率。薄金属层33的反射率根据所用金属或合金的种类和膜淀积条件而不同，但主要取决于薄金属层33的厚度。光到薄金属层33的透射深度根据构成薄金属层33的金属而不同，因此需要实验决定薄金属层33的最佳厚度，而反对使用理论数据。
第二个必要条件为阴极层37和薄金属层33间的光学距离。从薄金属层33的顶部到阴极层37的底部的光学距离等于薄金属层33和阴极层37之间的层的光学厚度之和，其中每层的光学厚度为折射率与该层的几何厚度的乘积。换句话说，即使当具有相同的几何厚度时，层的光学厚度根据折射率而不同。另外，因为折射率是波长的函数，层的光学厚度根据光的波长而不同。
例如，对于具有460nm的峰值波长的蓝光来说，根据本发明的第一实施例，构成有机EL器件的层的折射率在下面的表1中列出。
表1
在上面的表1中，折射率为实验数据。在第一反射表面和第二反射表面之间的光学距离等于在阴极层37和薄金属层33之间的每一层的折射率与几何厚度的乘积之和。另外，层的光学厚度之和应该为峰值波长的半带宽的整数倍以便在微空腔结构中引起相长干涉。这个要求可以用下面的等式(1)表示∑(n×d)层＝m×λ/2(1)其中n为折射率，d为层的几何厚度，m为整数，λ为峰值波长，在上面实验中为460nm。
对于红、绿和蓝光相一致的相长干涉，上述等式(1)左边的层的光学厚度之和应该等于红、绿和蓝光的每个峰值波长的半带宽的整数倍。这可以通过调节透明间隔层34的厚度到合适的值来获得。在层的光学厚度的可能的和当中，可以选择层的光学厚度之和的最小公倍数。如上述表1所示，当透明间隔层34由Nb2O5形成具有3500的厚度时，可以满足对于层的光学厚度之和的要求，即为最小公倍数，并可以引起光谐振。
通过调节在阴极层37和薄金属层33之间的光学距离引起的谐振效应可以使用由下面的等式(2)计算的最大透射率来校验Tmax=T1×T2×exp(-2β)[1-(R1×R2)×exp(-2β)]2]]>其中β=2πkdcosθλ---(2)]]>其中T1和R1分别表示最上面的阴极层37的透射率和反射率，T2和R2分别表示半透明薄金属层33的透射率和反射率，k为衰减常数，d为阴极层37和薄金属层33间的多个层的几何厚度，θ为自阴极层37和薄金属层33之间的多个层的光发射角，λ为光的波长。
与不具有金属反射层的常规EL器件比较，当薄金属(反射)层33的反射率变化时，假设常规的EL器件的SiO2层和ITO衬底间的边界处的全反射率是1.8％，计算出根据本发明的第一实施例的有机EL器件中对每种颜色的光的前向透射的放大比率。结果如下面的表2所示。
表2
从表2中可以明显地看出，当半透明薄金属层33具有60％的反射率时，当EL器件的微空腔中的透明间隔层34的厚度按照本发明做适当调节时，所发出的红、绿和蓝光分别提高3.1倍、2.9倍和2.1倍。
在使用上述等式(2)校验最大透射率之后，半透明薄金属层33被设计成具有合适的反射率。所以，可以制造出具有增强的亮度，至少两倍，的有机EL器件。在根据本发明的有机ED器件中，在给定亮度下的驱动电压相对低，以至于消耗更少的能量，并延长寿命。根据本发明第一实施例的有机EL器件利用光谐振以使在光致发光光谱中的每种颜色的光的半带宽变得很窄，并且色纯度提高了。具有所需的峰值发射的有机EL器件可以通过调节构成本发明的有机EL器件的层厚来实现。
尽管根据本发明第一实施例的有机EL器件有许多优点，但薄金属层33、透明间隔层34和阳极层35的叠层结构具有电容，象电容器一样，并在阴极带间引起耦合，导致图像质量降低。为了弥补此缺陷，透明间隔层34和薄金属层33可以以与阳极层35的带状对准的带状形成，如图3A和3B所示。
图3B是根据本发明第二实施例的有机EL器件的透视图，图3A是沿B-B’线的图3B的有机EL器件的剖面图。
参照图3A和3B，根据本发明的第二实施例的有机EL器件包括透明玻璃衬底41；淀积在玻璃衬底41上的金属氧化物层42；薄金属层43，透明间隔层44，ITO阳极层45，以上各层依次淀积在金属阳极层42上并构图为带状；淀积在ITO阳极层45上和ITO阳极层45、透明间隔层44和薄金属层43的带之间的金属氧化物层42上并被构图以露出ITO阳极层45的发光区的层间绝缘层49；有机层46，其包括与ITO阳极层45的露出的区接触的HIL，HTL，EML，ETL和EIL，它们依次彼此堆叠；以及作为金属全反射层而淀积在有机层46上的阴极层47。
在图3A和3B中，参考数字48表示使阴极层47绝缘以区别发光区和非发光区的隔离层。在根据本发明的另一实施例的有机EL器件中，其中并不形成此隔离层，阴极层47可以以仅在发光区中保留的并与ITO阳极层45垂直的图形形成，以使发光区和非发光区可以彼此分开。
除了薄金属层43和以与阳极层45的带状对准的带状形成的透明间隔层44的结构之外，根据本发明的第二实施例的有机EL器件和以上参考图2A和2B描述的根据本发明的第一实施例的有机EL器件相同。因此，构成根据本发明的第二实施例的有机EL器件的层的功能的具体描述就不在此重述。
在根据本发明的第二实施例的有机EL器件中，在薄金属层43和阴极层47间的光学距离，即形成微空腔结构的多个层的光学厚度，被调节到是红、绿和蓝光的峰值波长的每个半带宽的整数倍。换句话说，确定在薄金属层43和阴极层47之间的光学距离(厚度)使之为红、绿和蓝光的峰值波长的半带宽的最小公倍数，并且根据确定的光学厚度调节透明间隔层44的厚度以制造具有所希望的红、绿和蓝光的峰值波长的光致发光光谱的有机EL器件。在上述的第一实施例中使用的等式(1)和(2)以及表1和2可以用于根据本发明第二然而，在制造根据本发明第二实施例的有机EL器件中，很难同时把ITO阳极层45、透明间隔层44和薄金属层43腐蚀成所需的图形。在制造工艺中为了弥补此缺陷，发明人给出了按照下面本发明第三和第四实施例描述的有机EL器件。
图4是根据本发明第三实施例的有机EL器件的剖面图。参照图4，根据本发明的第三实施例的有机EL器件包括玻璃衬底51；淀积在玻璃衬底51上的金属氧化物层52；第一ITO阳极层55a，薄金属层53，和第二ITO阳极层55b，它们依次彼此堆叠并被构图为带状；淀积在该结构上并被构图以露出第二ITO层55b的上表面的发光区的内绝缘层59；以垂直于第二ITO阳极层55b的带状图形的图形淀积在内绝缘层59和第二ITO阳极层55b的暴露区上的有机层56；以及作为金属全反射层形成在有机层59上的阴极层。
在根据本发明的第三实施例的有机EL器件中，第一ITO阳极层55a而不是透明间隔层44(34)形成在薄金属层53和阴极层57的下面，控制第一ITO阳极层55a的厚度以制造出满足要求的微空腔结构。当使用ITO阳极时，光的透射率比当使用透明间隔层44(34)时略微降低，但可以通过适当地控制第一ITO阳极层55a的厚度而显著提高。
根据本发明的第三实施例的有机EL器件的校正特性因腐蚀轮廓而降低。为了克服此缺陷，根据本发明的第四实施例，可以在有机EL器件中去掉在薄金属层63下面的第一阳极层55a。
图5是根据本发明的第四实施例的有机EL器件的剖面图。参照图5，根据本发明的第四实施例的有机EL器件包括玻璃衬底61；形成在玻璃衬底61上的金属氧化物层62；薄金属层63和ITO阳极层65，它们依次彼此堆叠并被构图为带状；淀积在该结构上并以被构图以露出ITO阳极层65的表面的发光区的内绝缘层69；以垂直于薄金属层63的带状图形的图形形成在内绝缘层69和ITO阳极层65的暴露区上的有机层66；以及形成在有机层66上的阴极层67。
在根据本发明的第四实施例的有机EL器件中，因为ITO阳极层65接触薄金属层63，在减小的叠层结构的厚度处的电阻是低的，由此消除了由阳极电阻引起的问题。而且，无需外部辅助电极，因此，可以以低成本简化制造工艺。
尽管参照上述实施例已经对本发明进行了具体描述，但本发明的上述实施例是用于举例说明的目的，而不是要限制发明的范围。例如，本领域的技术人员可以理解对于红、绿和蓝光的有效相长干涉，除了透明间隔层以外，还可以控制根据本发明构成微空腔结构的层的折射率和厚度，而且，构成层的材料也可以适当的变化而不脱离由附加的权利要求书限定的本发明的精神和范围。
如上所述，根据本发明的有机EL器件，采用包含附加的半透明、薄金属层的简单的叠层结构，可以引起光谐振，以发出具有很高发射效率的红、绿和蓝光的峰值波长。因此，根据本发明的有机EL器件可以显示高色纯度高质量的图像。
权利要求
1.一种有机电致发光器件，包括透明衬底；形成在透明衬底上的半透明层；以预定的图形形成在半透明层上的第一阳极层；在第一阳极层上由金属全反射层形成的阴极层；和形成在第一阳极层和阴极层之间的有机层，其包括至少一个发光层，其中在半透明层的上表面和阴极层的底面之间的光学距离被确定为各种颜色的光的峰值波长的半带宽的最小整数倍。
2.根据权利要求1的有机电致发光器件，其中在半透明层的上表面和阴极层的底面之间的光学距离为相应的第一阳极层和有机层的折射率与厚度的乘积之和。
3.根据权利要求1的有机电致发光器件，还包括在半透明层和第一阳极层之间的透明间隔层。
4.根据权利要求3的有机电致发光器件，其中在半透明层的上表面和阴极层的底面之间的光学距离为相应的透明间隔层、第一阳极层和有机层的折射率与厚度的乘积之和。
5.根据权利要求1的有机电致发光器件，还包括在透明衬底和半透明层之间的第二阳极层。
6.根据权利要求5的有机电致发光器件，其中在半透明层的上表面和阴极层的底面之间的光学距离为相应的第一阳极层和有机层的折射率与厚度的乘积之和。
7.根据权利要求1的有机电致发光器件，还包括淀积在透明衬底上表面上的金属氧化物层。
8.根据权利要求3的有机电致发光器件，还包括淀积在透明衬底上表面上的金属氧化物层。
9.根据权利要求5的有机电致发光器件，还包括淀积在透明衬底上表面上的金属氧化物层。
10.根据权利要求7的有机电致发光器件，其中金属氧化物层是从由SiO2层、TiO2层、Y2O3层和Nb2O5层构成的组中选择的一种。
11.根据权利要求8的有机电致发光器件，其中金属氧化物层是从由SiO2层、TiO2层、Y2O3层和Nb2O5层构成的组中选择的一种。
12.根据权利要求9的有机电致发光器件，其中金属氧化物层是从由SiO2层、TiO2层、Y2O3层和NbXO5层构成的组中选择的一种。
13.根据权利要求1的有机电致发光器件，其中透明衬底为玻璃衬底。
14.根据权利要求1的有机电致发光器件，其中半透明层为薄金属层。
15.根据权利要求14的有机电致发光器件，其中薄金属层是由银或铝形成。
16.根据权利要求14的有机电致发光器件，其中薄金属层是由银—铜—金合金或银—钯—铜合金形成。
17.根据权利要求1的有机电致发光器件，其中第一阳极层和有机层以带状图形形成，阴极层以垂直于第一阳极层和有机层的带状图形的带状图形形成。
18.根据权利要求1的有机电致发光器件，其中第一阳极层以带状图形形成，有机层和阴极层以垂直于第一阳极层的带状图形的带状图形形成。
19.根据权利要求1的有机电致发光器件，其中半透明层、第一阳极层和有机层以带状图形形成，阴极层以垂直于半透明层、第一阳极层和有机层的带状图形的带状图形形成。
20.根据权利要求1的有机电致发光器件，其中半透明层和第一阳极层以带状图形形成，有机层和阴极层以垂直于半透明层和第一阳极层的带状图形的带状图形形成。
21.根据权利要求3的有机电致发光器件，其中半透明层、透明间隔层、第一阳极层和有机层以带状图形形成，阴极层以垂直于半透明层、透明间隔层、第一阳极层和有机层的带状图形的带状图形形成。
22.根据权利要求3的有机电致发光器件，其中半透明层、透明间隔层、第一阳极层以带状图形形成，有机层和阴极层以垂直于半透明层、透明间隔层和第一阳极层的带状图形的带状图形形成。
23.根据权利要求5的有机电致发光器件，其中第二阳极层、半透明层、第一阳极层和有机层以带状图形形成，阴极层以垂直于第二阳极层、半透明层、第一阳极层和有机层的带状图形的带状图形形成。
24.根据权利要求5的有机电致发光器件，其中第二阳极层、半透明层、第一阳极层以带状图形形成，有机层和阴极层以垂直于第二阳极层、半透明层和第一阳极层的带状图形的带状图形形成。
全文摘要
提供一种具有简单结构的能引起光谐振的有机电致发光器件，有机电致发光器件包括透明衬底；形成在透明衬底上的半透明层；以预定的图形形成在半透明层上的第一阳极层；在第一阳极层上由金属全反射层形成的阴极层；形成在第一阳极层和阴极层之间的有机层，它包括至少一个发光层，其中在半透明层的上表面和阴极层的底面之间的光学距离被确定为各种颜色的光的峰值波长的半带宽的最小整数倍。由于有机电致发光器件的谐振效应，提高了不同颜色的光的波长的发射效率，在有机电致发光器件上可以显示高纯度质量的画面。
文档编号G02B5/26GK1496206SQ0312558
公开日2004年5月12日 申请日期2003年9月18日 优先权日2002年9月18日
发明者林正久, 南伟镇 申请人:三星日本电气移动显示株式会社