专利名称：提高光输出的led器件结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及提高发光器件(LED)的光输出。
背景技术：
有机和无机的平坦区域发光二极管器件是用于平板显示器和区域照明灯的一种 可靠技术。该技术依靠敷设在衬底上的一区域上的薄膜材料层。这种LED器件可以例如包 括诸如Tang等人的美国专利No. 4769292,VanSlyke等人的美国专利No. 5061569中描述的 有机发光二极管(OLED)材料，或者诸如Kahen的美国专利申请公布2007/0057263中描述 的多晶半导体矩阵中的量子点。然而，众所周知，从LED中的发光层输出的光中的大部分在器件内被吸收。因为薄 膜LED的发光往往是郎伯型的(Lambertian)，所以在全部方向上均等地发射光，使得一些 光直接从器件发射，一些光被发射到器件内而被反射回来或者被吸收，还有一些光被横向 发射、捕获而最终被器件中的各个高光学折射率层吸收。总体上，多达80%的光会因此而损失。已经提出了多种技术来改进光从薄膜发光器件的去耦合(out-coupling)。例 如，提出了使用衍射光栅通过诱发被横向弓丨导通过发光层的光发生布拉格散射，来控制薄 聚合物膜的光发射属性；参见“Modification of polymer light emission by lateral microstructure"bySafonov et al. , Synthetic Metals 116,2001, pp. 145-148,以及 "Braggscattering from periodically microstructured light emitting diodes"by Luptonet al. , Applied Physics Letters, Vol.77, No.21, November 20,2000, PP. 3340-3342。在Chou等人的WO 0237568中描述了具有衍射属性的亮度增强膜以及表面 和体散射器。微腔和散射技术的使用也是已知的，例如参见"Siarply directed emission in organic electroluminescent diodes with anoptical-microcavity structure，，by Tsutsui et al.，Applied Physics Letters 65，No. 15，October 10，1994，pp.1868—1870 以及Cok等人的共同转让的美国专利申请公布No. 2006/0186802。然而，这些方案在所提取 的捕获光量上受限，往往产生亮度或者颜色对角度的不可接受的依赖，或者扰乱入射光的 偏振使得圆偏振无效，因而牺牲了薄膜LED显示器的性能。Bulovic等人的美国专利No. 5834893描述了包围发光区域或者像素的反射结构， 并且描述了在每个像素的边缘使用带角度的或者倾斜的反射壁。类似地，Forrest等人的 美国专利No. 6091195中描述了具有倾斜壁的像素。这些方案使用位于发光区域的边缘的 反射器。然而，大量的光仍然由于光在单个像素或者发光区域中横向传播经过平行于衬底 的各层被吸收而损失。Cok的美国专利No. 6831407描述了在发光器件中使用单个类型的形貌 (topographical)特征部。然而，其中描述的设计容易导致具有频率和角度依赖性的光发 射，这对于例如在采用单个白光发射层的器件中采用的宽带发射器会带来问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种发光器件，该发光器件具有提高光输出、提供改进 的颜色并且降低器件的角度依赖性的结构。该目的是通过提供一种发光器件来实现的，该发光器件包括(a)衬底；(b)形成在所述衬底上方的LED元件，该LED元件包括透明或半透明电极、反射电 极以及形成在所述透明或半透明电极与所述反射电极之间的一个或更多个层，所述一个或 更多个层中的至少一个发光，所述透明或半透明电极和所述反射电极限定单体可控发光区 域，其中，所述LED元件向由所述透明或半透明电极、所述反射电极以及所述一个或更多个 层形成的波导中发射光；以及(c)在所述单体可控发光区域内形成在所述衬底上方的一个或更多个第一形貌特 征部以及不同于该第一形貌特征部的一个或更多个第二形貌特征部，其中，所述第一形貌 特征部和所述第二形貌特征部阻碍光在所述单体可控发光区域中的波导传播以增加至少 一个方向上的光发射。本发明具有的优点是增加薄膜LED器件的光输出，改善白光发射器的白点，并且 降低光输出的频率和角度依赖性。
图1是根据本发明一个实施方式的LED器件的部分截面图；图2A-2F是根据本发明各个实施方式的用于LED器件的各种形貌特征部排列的平 面图；图3是根据本发明另一实施方式的用于LED器件的形貌特征部的分布的平面图；图4A和图4B是根据本发明实施方式的被构造为凹进部的形貌特征部的截面图；图5A和图5B是根据本发明实施方式的被构造为突起部的形貌特征部的截面图；图6是根据本发明一个实施方式的具有多个发光区域的LED器件的部分截面图；图7是根据本发明的一个替换实施方式的具有多个发光区域的LED器件的部分截 面图；图8是例示从根据本发明的薄膜LED器件输出的光的角度颜色依赖性的图；图9是例示从根据本发明的薄膜LED器件输出的光的颜色的图；以及图10例示了各个形貌特征。应当理解，附图没有按比例绘制，因为单个层太薄，并且各个层的厚度差太大而不 能按比例描绘。
具体实施例方式根据本发明，在诸如例如有机或者无机LED的薄膜平坦区域发光二极管器件中采 用具有不同结构的多个形貌特征部。如此处所用的，薄膜平坦区域发光二极管器件是这样 一种器件，该器件具有形成在衬底上的第一平坦电极、形成在第一平坦电极区域上的至少 一个发光层、以及形成在发光层上的第二平坦电极。当在电极之间施加合适的电压差时，电 流流过发光层以在电流流过的区域上发射光。CN 102047464 A说明书3/9页 本发明中的不同形貌特征部用于提取薄膜LED器件中的捕获光，结合改善光输出 的颜色，特别是针对白光发射，以及降低颜色和亮度随着角度的漂移。参照图1，在本发明的 一个底部发光型实施方式中，薄膜LED发光器件包括衬底10、形成在衬底10上的LED元件 11，该LED元件11包括透明或半透明电极12、反射电极16以及形成在透明或半透明电极12 和反射电极16之间的一个或更多个薄膜层14，所述一个或更多个薄膜层14中的至少一个 层发光。透明或半透明电极12和反射电极16限定单体可控发光区域22，其中LED元件11 向由透明或半透明电极12、反射电极16、一个或更多个层14以及可能地还有衬底10(或者 盖部20)限定的波导13中发射光。第一形貌特征部40和不同于第一形貌特征部40的第 二形貌特征部42在单体可控发光区域22内形成在衬底10上，使得第一形貌特征部40和 第二形貌特征部42阻碍光在单体可控发光区域22中的波导传播(wave-guiding)。这些特征部可以延伸到捕获光的一个或更多个层中。通常，基础层(例如衬底)、 平坦化层或者由诸如玻璃、二氧化硅、氮化硅或者树脂的至少部分透明材料制成的绝缘层 可以具有在该层内形成的结构。随后的薄膜层，例如有机发光层或者电荷控制层将接着具 有相应的结构。各个层和基础结构形成形貌特征部。这些形貌特征部可以具有各种形状，例 如三角形、梯形或者半球形。然而，根据本发明，在单体可控区域中必须采用至少两种不同 的特征部或者至少两种不同的特征部排列。当波导传播通过各个层的捕获光与形貌特征部 相遇时，光被以不同角度反射、折射或者衍射到衬底，以增加至少一个方向上的光发射。单 体可控发光区域意味着发光区域不能被控制为在该区域的仅一部分上发射光，而是要么区 域全都发射光要么区域全不发射光。波导13还可以包括衬底10或盖部20、或者LED器件 中的其它层，只要它们是透明的而且光在其中被捕获即可。薄膜电子部件30 (例如晶体管、电容器)可以按有源矩阵结构与绝缘层32 —起形 成在衬底10上。可以形成单独的绝缘层34以将构图的电极(例如1 彼此电绝缘。另选 的是，可以采用无源矩阵结构使用总线线路而不是晶体管通过控制信号来提供电流。有源 和无源矩阵设计在显示器领域是公知的，每种实施方式都可以用于本发明。如此处所用的，形貌特征部(例如40、4幻是LED器件的单体可控薄膜发光区域 (例如22)内的光学结构，在该光学结构上可以形成电极12、16以及薄膜层14，以形成用于 阻碍光在发光元件11中的波导传播的非平坦表面，使得波导成为泄漏的，并且经波导传播 的光被发射。优选地，形貌特征部40、42不产生衍射效果。在一个实施方式中，可以(例如 通过光刻刻蚀或者掩模淀积)构建绝缘层(例如32)以形成这样的表面，在该表面上可以 共形地敷设电极12、16以及薄膜层14。诸如绝缘元件34的结构特征部不是本文中采用的 形貌特征部，因为它们在发光区域22之间且将发光区域22相互隔开，而不存在于发光区域 22之内。在本发明的一个实施方式中，发光元件11是底部发射器(如图1所示)，从而衬 底10是透明的，光通过透明或半透明电极12和衬底10被发射，而反射电极16形成在透明 或半透明电极12的与衬底10相对的一侧。在本发明的另选实施方式中，发光元件11可以 是顶部发射器，从而盖部20是透明的，并且透明或半透明电极12和反射电极16的位置互 换。在本实施方式中，光通过盖部20发射。在本发明的另选实施方式(未示出)中，反射 电极16可以是透明或半透明的，并且光可以或者不可以通过电极16和电极12发射。在一 个电极是半透明的(例如电极12)而另一个电极是反射性的(例如电极16)的情况下，发6光器件中的薄膜层可以形成微腔。例如，半透明电极可以包括薄金属层，例如通过蒸镀淀积 的银。在一个电极是透明的(例如电极1 情况下，已经发现光学干涉对LED器件的光输 出的频率和分布仍然具有显著影响。该干涉效果在顶部发射器结构中尤其明显，在这种顶 部发射器结构中，在盖部20和透明或半透明电极12(该透明或半透明电极12的位置在该 顶部发射器实施方式中与图1所示的反射电极16互换)之间可以存在低折射率层(例如 气体)。在本发明的各个实施方式中，LED器件是具有多个可单独寻址发光像素的显示器 件，而单体可控发光区域是子像素。另选的是，本发明的LED器件可以是区域照明器件或者 灯。在一些这种实施方式中，从单体可控发光区域22发射的光是宽带的，例如白光、接近白 光，接近普朗克迹线，或者包括至少两种不同颜色的光。薄膜层14可以包括一个或更多个有机发光层，或者发光层14中的一个或更多个 包括一个或更多个具有多晶半导体矩阵内的量子点的无机层。另选的是，薄膜层14可以同 时包括有机材料和无机材料。薄膜层14还可以包括多个发光层或者电荷控制层，如空穴注 入层、空穴输运层、电子注入层、电子输运层或者电荷阻挡层。参照图2A-2F，根据本发明的各个实施方式，本发明的不同形貌特征部可以以多种 方式布置或者分布。如图2A所示，第一形貌特征部40结构上不同于第二形貌特征部42， 并且在单个发光区域22中第一形貌特征部40与第二形貌特征部42以相同数量和类似分 布混排。如图2B所示，第一形貌特征部40结构上不同于第二特征部42，并且在单个发光 区域22中第一形貌特征部40与第二形貌特征部42以不同数量和不同分布混排。如图2C 所示，第一形貌特征部40结构上不同于第二特征部42，并且第一形貌特征部40位于不同于 第二形貌特征部42所在的部分22B的部分22A中，但是都在单个发光区域22中。如果本 实施方式在例如显示装置中使用，优选的是发光部分22A和22B足够小，或者在充分距离被 观察，使得该区域不能被视觉区分。如图2D所示，第一形貌特征部40结构上类似于第二形 貌特征部42。然而，第一形貌特征部40在单个发光区域22中位于不同于第二形貌特征部 42所在的部分22B的部分22A中，并且具有不同分布。如本公开期望的，结构类似特征部在 单体可控发光区域22中的不同分布提供了不同的形貌特征部。如图2E所示，形貌特征部 40、42可以具有不同形状，例如球形的各部分(如图2E所示)，棱锥的各部分(图2A-2D)， 或者四面体的各部分(未示出)。如这些图中所示，第一形貌特征部40或者第二形貌特征 部42可以在可控发光区域的平面内圆对称，在可控发光区域的平面内的两个正交维度上 对称，具有带角度的壁，具有弯曲的壁，在发光区域的平面内具有矩形截面，或者在发光区 域的平面内具有椭圆截面(例如圆形)。如图2E所示，形貌特征部40、42可以具有规则分 布，或者如图2F所示，形貌特征部40、42可以具有不规则分布或者随机分布。如图3所示， 两种形貌特征部40、42可以存在于发光部分22A、22B中，但是具有不同的相对数量或者分 布。形貌特征部40、42可以具有不同分布、形状、大小、厚度、在平面上方的投影或者在平面 内的投影的不同组合。参照图4A和图4B，形貌特征部例如40、44可以是例如在其上形成有电极12、16和 薄膜层14的绝缘层32中的凹进部，即产生更薄的层的结构。另选地，参照图5A和图5B，形 貌特征部例如46、48可以是例如在其上形成有电极12、16和薄膜层14的绝缘或者平坦化 层32中的突起部，即产生更厚的层的结构。在这些实施方式的任一种中，形貌特征部的结构可以具有直线边缘(例如，图4A、5A)或者弯曲边缘(例如，图4B、5B)。优选地，然而，形 貌特征部40、42具有与发光区域22的平面成小于60度角的表面，更优选地具有与发光区 域22的平面成小于45度角的表面。这种对角度的限制有助于确保电极12、16不形成电短 路，因为在电极12、16之间淀积的材料在尖端点可能非常薄，或者根本不存在。参照图6，在本发明的实施方式中，LED器件可以包括多个发光区域22。不同的发 光区域22中的形貌特征部40、42可以是不同的或者相同的。参照图7，薄膜发光层(例如， 14A、14B、14C)可以采用不同材料(例如，以发射具有不同光谱的光)，还可以采用不同厚度 (例如，14C)以提供不同的光学效果。电极12、16在不同的发光区域22(未示出)中还可 以具有不同厚度，使得发光元件11在不同的发光区域22中具有不同厚度。本发明对于发 射宽带光的发光区域可以特别有用。因此，形貌特征部40、42以及发光器件的光学结构可 以发射在发光区域22上聚集的宽带光，使得观看发光区域22的观看者将感知一种颜色的 宽带光。本发明的薄膜LED发光器件可以通过提供衬底和在衬底上形成LED元件而构造。 LED元件包括透明或半透明电极、反射电极以及形成在透明或则半透明电极和反射电极之 间的一个或更多个层，所述一个或更多个层中的至少一个层发光。透明或半透明电极和反 射电极限定单体可控发光区域和波导，LED元件向该波导中发射光。第一形貌特征部和不 同于第一形貌特征部的第二形貌特征部在单体可控发光区域内形成在衬底上，并且阻碍光 在单体可控发光区域内的波导传播，以发射否则将被捕获的波导传播光。第一和第二形貌特征部可以通过采用本领域已知的方法来构造。例如，以上引用 的美国专利No. 6831407已经演示了通过在衬底上在模具中敷设光敏液体、固化模具中的 液体、去除模具、随后在固化的结构上蒸镀淀积有机材料和溅射的无机材料以形成薄膜LED 发光器件，来使用硅胶模在衬底上形成结构。类似地，论文“Optical Structure of White OLEDfor 100% Color Gamut "by Lee et al. on p. 245of the IMID，07Digest 中描述了用 于通过掩模对光敏层进行图案曝光并刻蚀该层以形成结构的常规光刻处理。另选地，可以 采用阴影掩模方法。薄膜发光区域通常对应于例如显示器中的子像素元件，并且具有50平方微米或 者更大的面积。与之相比，本领域中公知光刻技术可实现比该尺寸的十分之一、甚至百分之 一还小的分辨率。已经构造出各维度的尺寸为大约一微米的结构。已知无机电极材料(例 如，ΙΤ0、银、铝或者金属合金)，也已知例如在OLED器件中使用的有机发光材料，或者诸如 多晶半导体矩阵中的量子点的无机材料。现有技术中公知的是，从薄膜LED器件的高光学折射率层中发射的光可以在第一 反射性透明或半透明电极、第二透明或半透明电极以及位于这些电极之间的一个或更多个 发光或者电荷控制层之间和之内被捕获。光还可以在衬底或者盖部内被捕获，如果它们是 透明的。如Cok的美国专利No. 6831407中描述的，位于发光区域内的形貌特征部可以阻碍 对捕获光的不希望的波导传播，而不造成衍射效果，由此提取出捕获光并提高器件效率。然 而，通过采用这种形貌特征部对捕获光的提取和发射依赖于各种因素。首先，在平行于电极 的方向上通过波导传播的捕获光被电极和发光层或者电荷控制层吸收。第二，从这种形貌 特征部发射的光的亮度往往有角度依赖性。第三，从这种形貌特征部发射的光的频率区往 往有角度依赖性。
在第一光学模型中，使用市场可得的Sim3D有限差分时域光学建模工具，建模了 OLED器件，该OLED器件包括位于透明衬底上方的任意厚度的银反射电极和IOOnm厚的透 明ITO电极，该银反射电极敷设有机空穴注入和输运层、发光层、电子注入和输运层(例如， Alq、NPB)。该建模工具直接针对波导结构求解麦克斯韦方程。还建模了包括MgiVg的薄的、半透明电极来代替ΙΤ0。建模了光学折射率为η = 1.7的电荷管理和ITO层，而假设 衬底具有1. 5的光学折射率。这些值对于OLED产业中使用的市场可得的材料是典型的。该 模型在550nm的波长下针对多种物理形貌结构进行了测试，这些物理形貌结构包括三角形 (如图1、4A、5A所示)、梯形以及各种球形截面、内凹和外凸(如图4B、5B所示)。通过在与 形貌结构相关联的关注角度区域上对正交坡印亭矢量分量进行积分，获得了全部反射、透 射以及吸收的功率。如模型所示，波导传播光的主要损失机制是吸收。当(通过采用具有不同测量吸 收特性的不同发光材料)以不同发光频率测试时，可以对吸收距离建模。表1列出了不同 频率的发射光在一半光被波导吸收之前经过波导传播的距离。表 权利要求
1.一种发光器件，该发光器件包括(a)衬底；(b)形成在所述衬底上方的LED元件，该LED元件包括透明或半透明电极、反射电极 以及形成在所述透明或半透明电极与所述反射电极之间的一个或更多个层，所述一个或更 多个层中的至少一个层发光，所述透明或半透明电极和所述反射电极限定单体可控发光区 域，其中，所述LED元件向由所述透明或半透明电极、所述反射电极以及所述一个或更多个 层限定的波导中发射光；以及(c)在所述单体可控发光区域内形成在所述衬底上方的一个或更多个第一形貌特征部 以及不同于所述第一形貌特征部的一个或更多个第二形貌特征部，其中，所述第一形貌特 征部和所述第二形貌特征部阻碍光在所述单体可控发光区域中的波导传播以增加至少一 个方向上的光发射。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述发光器件是具有多个可单独寻址发光 像素的显示器件，并且所述单体可控发光区域是子像素。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述发光层包括一个或更多个有机发光层， 或者所述发光层中的一个或更多个发光层具有一个或更多个具有多晶半导体矩阵中的量 子点的无机层。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述LED元件形成微腔。
5.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述单体可控发光区域被分为至少第一部 分和第二部分，所述第一形貌特征部形成在所述第一部分中，所述第二形貌特征部形成在 所述第二部分中。
6.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第一形貌特征部和所述第二形貌特征 部在所述单体可控发光区域中混排。
7.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第一形貌特征部和所述第二形貌特征 部具有相同形状但是在一区域上的分布不同，或者具有不同形状，或者具有不同形状且在 一区域上的分布不同。
8.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第一形貌特征部或者所述第二形貌特 征部是形成在所述衬底中的凹进部或者形成在所述衬底上方的层。
9.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第一形貌特征部或者所述第二形貌特 征部在所述可控发光区域的平面内圆对称，或者在所述可控发光区域的平面内的两个正交 维度中对称，或者具有带角度的壁，或者具有弯曲的壁，或者在所述发光区域的平面内具有 矩形截面，或者在所述发光区域的平面内具有椭圆截面。
10.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第一形貌特征部或者所述第二形貌特 征部按非规则图案设置。
11.根据权利要求1所述的发光器件，该发光器件还包括多个发光区域。
12.根据权利要求11所述的发光器件，其中，第一发光区域中的所述第一形貌特征部 或者所述第二形貌特征部在形状上、或者在分布上或者在形状和分布上不同于第二发光区 域中的所述第一形貌特征部或者所述第二形貌特征部。
13.根据权利要求112所述的发光器件，其中，第一发光区域中的所述一个或更多个层 的材料不同于第二发光区域中的所述一个或更多个层的材料。
14.根据权利要求11所述的发光器件，其中，第一发光区域中的所述LED元件的厚度与 第二发光区域中的所述LED元件的厚度不同。
15.根据权利要求11所述的发光器件，其中，所述形貌特征部在所述发光区域中按矩 形或者六边形分布。
16.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述一个或更多个层发射宽带光。
17.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述LED器件是区域照明灯或者显示器。
18.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述形貌特征部由位于所述发光层下方的 绝缘层中的特征部限定。
19.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述形貌特征部具有与所述发光区域的平 面成小于45度的角的表面。
20.一种形成发光器件的方法，该方法包括以下步骤(a)设置衬底；(b)在所述衬底上方形成LED元件，所述LED元件包括透明或半透明电极、反射电极 以及形成在所述透明或半透明电极与所述反射电极之间的一个或更多个层，所述一个或更 多个层中的至少一个层发光，所述透明或半透明电极和所述反射电极限定单体可控发光区 域，其中，所述LED元件向由所述透明或半透明电极、所述反射电极以及一个或更多个层限 定的波导中发射光；(c)在所述衬底上方形成第一形貌特征部以及不同于所述第一形貌特征部的第二形貌 特征部，其中，所述第一形貌特征部和所述第二形貌特征部阻碍光在所述单体可控发光区 域中的波导传播以发射被波导传播的光。
全文摘要
一种发光器件，该发光器件包括衬底(10)；形成在衬底上方的LED元件(11)，该LED元件(11)包括透明或半透明电极(12)、反射电极(16)以及形成在透明或半透明电极与反射电极之间的一个或更多个层(14)，所述一个或更多个层(14)中的至少一个层发光，透明或半透明电极和反射电极限定单体可控发光区域(22)，其中，LED元件向由透明或半透明电极、反射电极以及一个或更多个层形成的波导(13)中发射光；以及在单体可控发光区域内形成在衬底上方的一个或更多个第一形貌特征部(40)和不同于第一形貌特征部的一个或更多个第二形貌特征部(42)，其中第一和第二形貌特征部阻碍光在单体可控发光区域中的波导传播以增加至少一个方向上的光发射。
文档编号H01L51/52GK102047464SQ200980119680
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月22日 优先权日2008年5月29日
发明者罗纳德·史蒂文·科克 申请人:全球Oled科技有限责任公司