DE10058578A1 - Lichtemittierendes Bauelement mit organischen Schichten - Google Patents
Lichtemittierendes Bauelement mit organischen SchichtenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Bauelement mit organischen Schichten, insbesondere eine organische Leuchtdiode. Das Bauelement besteht aus wenigstens einer dotierten Ladungsträgertransportschicht (2), einer lichtemittierenden Schicht (4) und Kontaktschienen (1, 5) und ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ladungsträgertransportschicht (2, 2') und der lichtemittierenden Schicht (4) eine Blockschicht (3, 3') aus einem organischen Material vorgesehen ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Bauelement mit organischen Schichten,
insbesondere eine organische Leuchtdiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Organische Leuchtdioden sind seit der Demonstration niedriger Arbeitsspannungen von Tang
et al. 1987 [C. W. Tang et al. Appl. Phys. Lett. 51 (12), 913 (1987)] aussichtsreiche
Kandidaten für die Realisierung großflächiger Displays. Sie bestehen aus einer Reihenfolge
dünner (typischerweise 1 nm bis 1 µm) Schichten aus organischen Materialien, welche
bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder in ihrer polymeren Form aufgeschleudert werden.
Nach elektrischer Kontaktierung durch Metallschichten bilden sie vielfältige elektronische
oder optoelektronische Bauelemente, wie z. B. Dioden, Leuchtdioden, Photodioden und
Transistoren, die mit ihren Eigenschaften den etablierten Bauelementen auf der Basis
anorganischer Schichten Konkurrenz machen.
Im Falle der organischen Leuchtdioden (OLEDs) wird durch die Injektion von
Ladungsträgern (Elektronen von der einen, Löcher von der anderen Seite) aus den Kontakten
in die anschließenden organischen Schichten infolge einer äußeren angelegten Spannung, der
folgenden Bildung von Exzitonen (Elektron-Loch-Paaren) in einer aktiven Zone und der
strahlenden Rekombination dieser Exzitonen, Licht erzeugt und von der Leuchtdiode
emittiert.
Der Vorteil solcher Bauelemte auf organischer Basis gegenüber den konventionellen
Bauelementen auf anorganischer Basis (Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid) besteht
darin, dass es möglich ist, sehr großflächige Elemente herzustellen, also große
Anzeigeelemente (Bildschirme, Screens). Die organischen Ausgangsmaterialien sind
gegenüber den anorganischen Materialien relativ billig (geringer Material- und
Energieaufwand). Obendrein können diese Materialien aufgrund ihrer gegenüber
anorganischen Materialien geringen Prozeßtemperatur auf flexible Substrate aufgebracht
werden, was eine ganze Reihe von neuartigen Anwendungen in der Display- und
Beleuchtungstechnik eröffnet.
Der prinzipielle Aufbau eines solchen Bauelementes stellt eine Anordnung aus einer oder
mehrerer der folgenden Schichten dar:
- 1. Träger, Substrat,
- 2. Basiselektrode, löcherinjizierend (Pluspol), meist transparent,
- 3. Löcher injizierende Schicht,
- 4. Löcher transportierende Schicht (HTL),
- 5. Licht emittierende Schicht (EL),
- 6. Elektronen transportierende Schicht (ETL),
- 7. Elektronen injizierende Schicht,
- 8. Deckelektrode, meist ein Metall mit niedriger Austrittsarbeit, elektroneninjizierend (Minuspol),
- 9. Kapselung, zum Ausschluß von Umwelteinflüssen.
Dies ist der allgemeinste Fall, meistens werden einige Schichten weggelassen (außer 2., 5.
und 8.), oder aber eine Schicht kombiniert in sich mehrere Eigenschaften.
Aus der US 5,093,698 ist es bekannt, die löcherleitende und/oder die elektronenleitende
Schicht mit anderen organischen Molekülen zu dotieren, um deren Leitfähigkeit zu erhöhen.
Die weitere Forschung hat aber diesen Ansatz nicht mehr verfolgt.
Weitere bekannte Ansätze zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von OLEDs (also
vor allem Betriebsspannung und Lichtemissionseffizienz) sind:
- 1. die lichtemittierende Schicht zu verbessern (neuartige Materialien) [Hsieh et al. US 5,674,635],
- 2. die lichtemittierende Schicht aus einem Matrixmaterial und einem Dotanden aufzubauen, wobei ein Energieübertrag von der Matrix zum Dotand stattfindet und die strahlende Rekombination der Exzitonen allein auf dem Dotanden stattfindet [Tang et al. US 4,769,292, US 5,409,783],
- 3. Polymere (aufschleuderbar) oder niedrigmolekulare (aufdampfbar) Stoffe, welche mehrere günstige Eigenschaften (Leitfähigkeit, Schichtbildung) in sich vereinen, bzw. diese aus Mischung von verschiedenen Materialien herzustellen (vor allem im Falle der polymeren Schichten) [Mori et al. US 5,281,489],
- 4. die Injektion von Ladungsträgern in die organischen Schichten zu verbessern, indem mehrere Schichten mit stufenweiser Abstimmung ihrer Energielagen verwendet werden, oder entsprechende Mischungen aus mehreren Substanzen verwendet werden [Fujii et al. US 5,674,597, US 5,601,903, Sato et al. US 5,247,226. Tominaga et al. Appl. Phys. Lett. 70 (6), 762 (1997)].
Im Unterschied zu Leuchtdioden auf Basis anorganischer Materialien, die in der Praxis schon
seit langer Zeit breite Anwendung finden, müssen die organischen Bauelemente bisher bei
erheblich höheren Spannungen betrieben werden. Die Ursache dafür liegt in der schlechten
Injektion von Ladungsträgern aus den Kontakten in die organischen Schichten und in der
vergleichsweise schlechten Leitfähigkeit und Beweglichkeit der
Ladungsträgertransportschichten. An der Grenzfläche Kontaktmaterial/
Ladungsträgertransportschicht bildet sich eine Potentialbarriere aus, welche für eine
erhebliche Erhöhung der Betriebsspannung sorgt. Abhilfe könnte die Verwendung von
Kontaktmaterialien mit höherem Energieniveau (= geringere Austrittsarbeit) zur Injektion von
Elektronen in die angrenzende organische Schicht, so wie es in US 5,093,698 schematisch
dargestellt ist, oder Kontaktmaterialien mit noch niedrigeren Energieniveaus (höheren
Austrittsarbeiten) zur Injektion von Löchern in eine angrenzende organische Schicht,
schaffen. Im ersten Fall spricht die extreme Instabilität und Reaktivität der entsprechenden
Metalle dagegen, im zweiten Fall die geringe Transparenz dieser Kontaktmaterialien. In Praxi
wird daher zur Zeit fast ausschließlich Indium-Zinn-Oxid (ITO) als Injektionskontakt für
Löcher eingesetzt (ein transparenter entarteter Halbleiter), dessen Austrittsarbeit aber immer
noch zu gering ist. Für die Elektroneninjektion kommen Materialien wie Aluminum (Al), Al
in Kombination mit einer dünnen Schicht Lithiumfluorid (LiF), Magnesium (Mg), Kalzium
(Ca) oder eine Mischschicht aus Mg und Silber (Ag) zum Einsatz.
In US 5,093,698 ist die Verwendung von dotierten Ladungsträgertransportschichten (p-
Dotierung der HTL durch Beimischung von akzeptorartigen Molekülen, n-Dotierung der ETL
durch Beimischung von donatorartigen Molekülen) beschrieben. Unter Dotierung in diesem
Sinne ist gemeint, dass durch die Beimischung der Dotiersubstanzen in die Schicht die
Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration in dieser Schicht erhöht wird, verglichen mit den
reinen Schichten aus einer der zwei beteiligten Substanzen, was sich in einer verbesserten
Leitfähigkeit und besseren Ladungsträgerinjektion aus den angrenzenden Kontaktschichten in
diese Mischschicht äußert. Nach US 5,093,698 werden die dotierten Schichten als
Injektionsschichten an der Grenzfläche zu den Kontaktmaterialien verwendet, dazwischen
(oder bei der Verwendung nur einer dotierten Schicht, nächstens zum anderen Kontakt)
befindet sich die lichtemittierende Schicht. Aufgrund der durch Dotierung erhöhten
Gleichgewichtsladungsträgerdichte und der damit verbundenen Bandverbiegung wird die
Ladungsträgerinjektion erleichtert. Die Energielagen der organischen Schichten (HOMO-
highest occupied molecular orbital oder hochenergetischste Valenzbandenergie, LUMO-
lowest unoccupied molecular orbital oder niederenergetischste Leitungsbandenergie) sollen
nach US 5,093,698 so beschaffen sein, daß sowohl Elektronen aus der ETL als auch Löcher
aus der HTL ohne weitere Barriere in die EL injiziert werden können, was eine sehr hohe
Ionisationsenergie des HTL-Materials und eine sehr geringe Elektronenaffinität des ETL-
Materials erfordert. Derartige Materialien sind aber nur schwer dotierbar, da extrem starke
Akzeptoren bzw. Donatoren benötigt würden, so dass diese Bedingungen mit in der Realität
zur Verfügung stehenden Materialien nicht auf beiden Seiten vollständig erfüllt werden
können. Verwendet man nun HTL- bzw. ETL-Materialien, die diese Bedingung nicht erfüllen,
kommt es bei angelegter Spannung zu einer Akkumulation von Ladungsträgern in den
Transportschichten an den Grenzflächen zur emittierenden Schicht (EL). Eine derartige
Akkumulation begünstigt prinzipiell die nichtstrahlende Rekombination der Exzitonen an der
Grenzfläche, z. B. durch die Bildung von Exziplexen (diese bestehen aus einem Ladungsträger
in der HTL bzw. ETL und dem entgegengesetzten Ladungsträger in der EL). Solche
Exziplexe rekombinieren überwiegend nicht-strahlend, so dass die Exziplexbildung einen
nichtstrahlenden Rekombinationsmechanismus darstellt. Das Problem der Exziplexbildung
verschärft sich zusätzlich, wenn man dotierte HTLs bzw. ETLs verwendet, da in dotierten
Materialien die Debysche Abschirmlänge sehr gering ist und damit sehr hohe
Ladungsträgerdichten direkt an der Grenzfläche auftreten. Außerdem können Dotanden in
unmittelbarer Nachbarschaft der EL zu einer Löschung der Fluoreszenz z. B. durch
Förstertransfer führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Licht emittierendes Bauelement auf Basis
dotierter Ladungsträgertransportschichten anzugeben, das mit einer verringerten
Betriebsspannung betrieben werden kann und eine erhöhte Lichtemissionseffizienz aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1
genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass zwischen der dotierten
Ladungsträgertransportschicht und der Licht emittierenden Schicht eine Blockschicht aus
einem organischen Material vorgesehen ist.
Die Ladungsträgertransportschicht ist durch eine Beimischung einer organischen oder
anorganischen Substanz (Dotand) dotiert. Die Blockschicht befindet sich erfindungsgemäß
zwischen der Ladungsträgertransportschicht und einer lichtemittierenden Schicht des
Bauelementes, in welcher die Umwandlung der elektrischen Energie der durch Stromfluß
durch das Bauelement injizierten Ladungsträger in Licht stattfindet. Die Substanzen der
Blockschichten werden erfindungsgemäß so gewählt, daß sie bei angelegter Spannung (in
Richtung der Betriebsspannung) aufgrund ihrer Energieniveaus die Majoritätsladungsträger
(HTL-Seite: Löcher, ETL-Seite: Elektronen) überwiegend an der Grenzschicht dotierte
Ladungsträgertransportschicht/Blockschicht aufhalten, aber die Minoritätsladungsträger
effizient an der Grenzschicht Licht emittierende Schicht/Blockschicht aufhalten.
Eine vorteilhafte Ausführung einer Struktur einer erfindungsgemäßen OLED beinhaltet
folgende Schichten:
- 1. Träger, Substrat,
- 2. Basiselektrode, löcherinjizierend (Anode = Pluspol), vorzugsweise transparent,
- 3. p-dotierte Löcher injizierende und transportierende Schicht,
- 4. löcherseitige Blockschicht (typischerweise dünner als Schicht 3) aus einem Material, dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt,
- 5. lichtemittierende Schicht,
- 6. dünnere elektronenseitige Blockschicht aus einem Material dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt,
- 7. hoch n-dotierte Elektronen injizierende und transportierende Schicht,
- 8. Deckelektrode, meist ein Metall mit niedriger Austrittsarbeit, elektroneninjizierend (Kathode = Minuspol),
- 9. Kapselung, zum Ausschluß von Umwelteinflüssen.
Die Substanzen der Blockschichten werden erfindungsgemäß so gewählt, dass sie bei
angelegter Spannung (in Richtung der Betriebsspannung) aufgrund ihrer Energieniveaus
effizient Ladungsträger in die lichtemittierende Schicht (EL) injizieren können und an der
Grenzfläche zur EL nichtstrahlende Rekombinationsprozesse wie Exziplexbildung
unwahrscheinlich sind, Ladungsträger aus der EL aber nicht in die genannte zweite Schicht
injiziert werden können. Das bedeutet, daß die Substanzen der Blockschichten
erfindungsgemäß so gewählt werden, daß sie bei angelegter Spannung (in Richtung der
Betriebsspannung) aufgrund ihrer Energieniveaus die Majoritätsladungsträger (löcherseitig:
Löcher, elektronenseitig: Elektronen) überwiegend an der Grenzschicht dotierte
Ladungsträgertransportschicht/Blockschicht aufhalten, aber die Minoritätsladungsträger
effizient an der Grenzschicht lichtemittierende Schicht/Blockschicht aufhalten.
Es ist auch im Sinne der Erfindung, wenn nur eine Blockschicht Verwendung findet, weil die
Bandlagen der injizierenden und transportierenden Schicht und der Lichtemissionsschicht
bereits auf einer Seite zueinander passen. Auch kann unter Umständen nur eine Seite (löcher-
oder elektronenleitende) dotiert sein. Des weiteren können die Funktionen der
Ladungsträgerinjektion und des Ladungsträgertransports in den Schichten 3 und 7 auf
mehrere Schichten aufgeteilt sein, von denen mindestens eine dotiert ist. Die molaren
Dotierungskonzentrationen liegen typischerweise im Bereich von 1 : 10 bis 1 : 10000. Falls die
Dotanden wesentlich kleiner sind als die Matrixmoleküle, können in Ausnahmefällen auch
mehr Dotanden als Matrixmoleküle in der Schicht sein (bis 5 : 1). Die Dotanden können
organisch oder anorganisch sein. Typische Schichtdicken für die Blockschichten liegen im
Bereich 1 nm bis 20 nm, können unter Umständen aber auch dicker sein. Typischerweise sind
die Blockschichten dünner als ihre entsprechenden angrenzenden dotierten Schichten. Die
Schichtdicken der Blockschichten müssen groß genug sein, um Exziplexbildung zwischen
den geladenen Molekülen der Substanzen in den entsprechend angrenzenden Mischschichten
und den geladenen Molekülen der elektrolumineszierenden Schicht und
Lumineszenzlöschung durch die Dotanden selbst zu verhindern.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
Bild 1 eine theoretisch ideale dotierte OLED Struktur;
Bild 2 eine in der Praxis vorhandene dotierte OLED ohne Blockschicht;
Bild 3 eine dotierte OLED mit Blockschichten;
Bild 4 eine nur auf der Löcherseite dotierte OLED mit dortiger Blockschicht.
In Bild 1 ist eine theoretisch ideale Struktur dargestellt, bestehend aus einer Anode 1 (EA),
einer hoch p-dotierten Löcherinjektions- und Transportschicht 2 (EVp, ECp, EFp), einer
lichtemittierenden Schicht 4 (EVel, ECel, EFel), einer hoch n-dotierten elektroneninjizierenden
und transportierende Schicht 2' (EVn, ECn, EFn) und einer Kathode 5. Mit angelegter Spannung
(Anode positiv gepolt) werden Löcher aus der Anode 1 und Elektronen aus der Kathode 5 in
Richtung lichtemittierende Schicht 4 injiziert. Da für Löcher an der Grenzfläche p-dotierter
Schicht 2 zur lichtemittierenden Schicht 4 keine Barriere auftritt (EVp < EVel), und für
Elektronen an der Grenzfläche n-dotierter Schicht 2' zur lichtemittierenden Schicht 4
ebenfalls nicht (ECn < ECel), sowie an den Grenzflächen lichtemittierende Schicht 4 zur p-
dotierten 2 bzw. n-dotierten Schicht 2' für Elektronen resp. Löcher eine hohe Barriere besteht
(ECel < ECp bzw. EVel < EVn), sammeln sich die Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in der
lichtemittierenden Schicht 4, wo sie effizient Exzitonen bilden und strahlend rekombinieren
können. In der Realität sind Schichtkombinationen mit den oben genannten Parametern bis
heute nicht zu finden und werden vielleicht nie gefunden werden, da diese Schichten eine
Vielzahl von teilweise widerstrebenden Eigenschaften in sich vereinigen müssen. Eine
realisierbare Schichtstruktur sieht wie in Bild 2 (schematische Bandlagen) angegeben aus.
Der bisher beste bekannte organische Akzeptor zur p-Dotierung organischer Materialien
(Tetra-fluoro-tetracyano-chinodimethan F4-TCNQ) kann aufgrund seiner Bandlage ECpdot
Materialien mit einer Valenzbandlage von ca. EVp = -5.0. . .-5.3 eV effizient dotieren. Das
meistverwendete Material zur Erzeugung von Elektrolumineszenz, Aluminium-tris-
quinolinate (Alq3) hat eine Valenzbandlage von EVel = -5.65 eV. Somit werden die in der p-
dotierten Schicht 2 geleiteten Löcher an der Grenzfläche zur lichtemittierenden Schicht 4
geblockt (EVp < EVel). Das gleiche gilt für die Grenzfläche zwischen n-dotierter 2' und
lichtemittierender Schicht 4 (ECn < ECel), da das Leitungsband eines grünen oder blauen
Emittermaterials sehr weit vom Valenzband entfernt ist (große Bandlücke ECel - EVel). Um aber
überhaupt noch eine gute Konversionseffizienz zu erreichen, müssen die Bandlagen am
Übergang lichtemittierender Schicht 4 zur p-leitenden Schicht 2 für Elektronen und
lichtemittierender Schicht 4 zur n-leitenden Schicht 2' für Löcher noch so beschaffen sein,
daß Elektronen bzw. Löcher auch dort effizient geblockt werden (ECel < ECp bzw. EVel < EVn),
wie zuvor für den theoretisch idealen Fall beschrieben. Damit ergibt es sich aber, dass sich bei
angelegter Spannung an den Grenzflächen der dotierten Schichten zur lichtemittierenden
Schicht 4 Ladungsträger akkumulieren. Bei Akkumulation entgegengesetzter Ladung auf
beiden Seiten einer Grenzfläche treten vermehrt nichtstrahlende Rekombinationsprozesse z. B.
durch Bildung von Exziplexen auf, was wiederum die Konversionseffizienz von elektrischer
in optische Energie verringert. Mit einer LED mit dieser Schichtstruktur kann man also durch
Dotierung die Betriebsspannung verringern, aber nur auf Kosten der Effizienz.
Erfindungsgemäß wird der Nachteil der bisherigen Strukturen durch OLEDs mit dotierten
Injektions- und Transportschichten in Verbindung mit Blockschichten vermieden. Bild 3 zeigt
eine entsprechende Anordnung.
Zwischen der löcherinjizierenden und -leitenden Schicht und der lichtemittierenden Schicht 4
befindet sich hierbei eine weitere Schicht, die löcherseitige Blockschicht 3. Die wichtigsten
Bedingungen zur Auswahl dieser Schicht sind: EVblockp - EVel < 0,3 eV, damit Löcher an der
Grenzfläche löcherleitender Blockschicht 3/lichtemittierender Schicht 4 nicht geblockt
werden. Weiterhin muß gelten: ECblockp < ECel, damit Elektronen die lichtemittierende Schicht 4
nicht verlassen können. Analog und mit den selben Argumenten muß auf der Elektronenseite
gelten: ECblockn - ECel < -0,3 eV und EVblockn < EVel. Da für reale Materialien EVp < EVel und ECn < ECel
gilt, werden also nun Löcher an der Grenzfläche p-dotierter Schicht 2 - löcherseitiger
Blockschicht 3 und an der Grenzfläche lichtemittierender Schicht 4/elektronenseitiger
Blockschicht 3' schwach geblockt, Elektronen an den Grenzflächen n-dotierter Schicht 2' zur
elektronenseitigen Blockschicht 3' und lichtemittierenden Schicht 4 zur löcherseitigen
Blockschicht 3. Somit sind die Ladungsträger verschiedener Polarität jeweils durch die Dicke
der Blockschichten 3, 3' räumlich getrennt. Da diese Trennung bereits über einige
Molekülmonolagen sehr effizient Exziplexbildung verhindert, reicht eine sehr geringe
Schichtdicke von einigen nm für die Blockschichten 3, 3' aus. Ein weiterer Vorteil dieser
Anordnung ist, dass sich in unmittelbarer Nähe der Exzitonen in der lichtemittierenden
Schicht 4 keine Dotanden mehr befinden, so dass eine Lumineszenzlöschung durch die
Dotanden ausgeschlossen ist.
Diese Anordnung zeichnet sich durch folgende Vorzüge aus:
- - eine hohe Ladungsträgerdichte beider Arten in der lichtemittierenden Schicht 4 bereits bei kleinen Spannungen,
- - hervorragende Injektion der Ladungsträger von Anode 1 und Kathode 5 in die p- und n- dotierten Ladungsträgertransportschichten 2, 2',
- - hervorragende Leitfähigkeiten in den dotierten Schichten,
- - aufgrund ihrer geringen Dicke nur geringe Spannungsverluste in den Blockschichten 3, 3',
- - keine Bildung von Exziplexen, wegen räumlicher Trennung der Ladungsträger unterschiedlicher Polarität,
- - kein Quenching durch Dotanden.
Dies zusammen führt zu hohen Konversionseffizienzen bei niedriger Betriebsspannung für
OLEDs mit dieser Schichtstruktur. Dabei können für die lichtemittierende Schicht 4 auch aus
der Literatur bekannte Mischschichten eingesetzt werden, welche die
Rekombinationseffizienz der Exzitonen steigern, oder die ebenfalls bekannten
phosphoreszierenden Materialsysteme mit ihrer höheren Quanteneffizienz.
Erfindungsgemäß ist es natürlich auch, nur auf einer Seite (Löcher oder Elektronenseite)
dotierte Schichten in Kombination mit einer oben beschriebenen Blockschicht (nur einer) zu
verwenden (Bild 4).
Die erfindungsgemäße Schichtfolge führt zwangsläufig zu einer stufenweisen Erhöhung der
Transportniveaus EA < EVp < EVblockp auf der Löcherseite bzw. umgekehrt einer stufenweisen
Erniedrigung der Transportniveaus EK < ECn < ECblockn auf der Elektronenseite. Die
energetischen Verhältnisse in der erfindungsgemäßen Struktur (wie oben dargelegt) werden
aus folgenden Gründen so gewählt: Das Problem der Injektionsbarriere vom Kontakt in die
Transportschichten wird durch die Bandverbiegung in den dotierten Schichten und damit
durch Tunnelinjektion gelöst, so dass die Energieniveaus hierfür weitgehend irrelevant
werden. Die Energieniveaus der zu dotierenden Schichten werden aufgrund der begrenzten
Stärke der zur Verfügung stehenden Dotanden wie oben beschrieben gewählt, während die
Energieniveaus der Blockschichten dazu dienen, die Exziplexbildung zu verhindern.
Als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel soll hier eine Lösung entsprechend Bild 4
angegeben werden, bei der nur auf der Löcherseite die Kombination aus p-dotierter
Injektions- und Transportschicht und Blockschicht eingesetzt wird. Die OLED weist folgende
Schichtstruktur auf:
- 1. Anode 1: Indium-Zinn-Oxid (ITO)
- 2. p-dotierte Schicht 2: 100 nm Starburst TDATA 50 : 1 dotiert mit F4-TCNQ
- 3. löcherseitige Blockschicht 3: 10 nm Triphenyldiamin (TPD)
- 4. lichtemittierende und (in diesem Fall) herkömmliche elektronenleitende Schicht 6: 65 nm Alq3
- 5. Kathode 5: 1 nm LiF in Kombination mit Aluminium (LiF verbessert die Injektion am Kontakt).
Die p-dotierte Schicht 2 wurde in einem Aufdampfprozeß im Vakuum in Mischverdampfung
hergestellt. Prinzipiell können solche Schichten auch durch andere Verfahren hergestellt
werden, wie z. B. einem Aufeinanderdampfen der Substanzen mit anschließender
möglicherweise temperaturgesteuerter Diffusion der Substanzen ineinander; oder durch
anderes Aufbringen (z. B. Aufschleudern) der bereits gemischten Substanzen im oder
außerhalb des Vakuums. Die Blockschicht 3 wurde ebenfalls im Vakuum aufgedampft, kann
aber auch anders hergestellt werden, z. B. durch Aufschleudern innerhalb oder außerhalb des
Vakuums.
Die Energielagen der HOMO und LUMO-Energien betragen:
- 1. ITO Austrittsarbeit EA ≈ 4.6 eV (sehr präparationsabhängig)
- 2. TDATA: EVp = -5.1 eV, ECp ≈ 2.6 eV
- 3. TPD: EVblockp = -5.4 eV, ECblockp = -2.3 eV
- 4. Alq3: EVel = -5.65 eV, ECel = -2.9 eV
- 5. Al: EK = -4.3 eV.
Bei dieser Anordnung sind die Forderungen EVblockp - EVel < 0,3 eV (0.25 eV Differenz) und
ECblockp < ECel (0.6 eV), sowie EVp < EVblockp (0.3 eV) erfüllt. Diese OLED weist bei 3.4 V eine
Lumineszenz von 100 cd/m2 auf, mit einer Effizienz von 2 cd/A. Mit einer undotierten Schicht
TDATA werden 100 cd/m2 erst bei ca. 7.5 V erzielt. Bei einer OLED wie oben beschrieben,
aber ohne TPD-Blockschicht betragen die Kenndaten: 8 V für 100 cd/m2 und eine um den
Faktor 10 schlechtere Effizienz!
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, wie wirkungsvoll die Kombination aus dotierter
Transportschicht und Blockschicht hinsichtlich der Optimierung von Betriebsspannung und
Lichtemissionseffizienz ist.
EA
Austrittsarbeit der Anode
EVp
EVp
höchstes besetztes molekulares Energieniveau (im Valenzband, HOMO) der
Injektions- und Transportschicht für Löcher
ECp
ECp
niedrigstes unbesetztes molekulares Energieniveau (Leitungsband bzw. LUMO) der
Injektions- und Transportschicht für Löcher
ECpdot
ECpdot
LUMO Energie des p-dotierenden Materials (Akzeptor)
EFp
EFp
Ferminiveau der p-dotierten Schicht
EVblockp
EVblockp
HOMO Energie der löcherseitigen Blockschicht
ECblockp
ECblockp
LUMO Energie der löcherseitigen Blockschicht
EFblockp
EFblockp
Ferminiveau der löcherseitigen Blockschicht
EVel
EVel
HOMO Energie der lichtemittierenden Schicht
ECel
ECel
LUMO Energie der lichtemittierenden Schicht
EFel
EFel
Ferminiveau der lichtemittierenden Schicht
EVblockn
EVblockn
HOMO Energie der elektronenseitigen Blockschicht
ECblockn
ECblockn
LUMO Energie der elektronenseitigen Blockschicht
EFblockn
EFblockn
Ferminiveau der elektronenseitigen Blockschicht
EVn
EVn
HOMO Energie der Injektions- und Transportschicht für Elektronen
ECn
ECn
LUMO Energie der Injektions- und Transportschicht für Elektronen
EVndot
EVndot
HOMO Energie des n-dotierenden Materials (Donor)
EFn
EFn
Ferminiveau der Injektions- und Transportschicht für Elektronen
EK
EK
Austrittsarbeit der Kathode
1
Anode
2
Löchertransportschicht
2
' Elektronentransportschicht
3
löcherseitige Blockschicht
3
' elektronenseitige Blockschicht
4
lichtemittierende Schicht
5
Katode
6
elektronentransportierende und lichtemittierende Schicht
Claims (13)
1. Lichtemittierendes Bauelement mit organischen Schichten, insbesondere organische
Leuchtdiode, bestehend aus wenigstens einer dotierten Ladungsträgertransportschicht (2),
einer Licht emittierenden Schicht (4) und Kontaktschichten (1, 5), dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen der Ladungsträgertransportschicht (2) und der
lichtemittierenden Schicht (4) eine Blockschicht (3) aus einem organischen Material
vorgesehen ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement besteht aus
einer löcherinjizierenden Anode (1), einer Löchertransportschicht (2) zur Löcherleitung
aus einer organischen Hauptsubstanz und akzeptorartiger Dotierungssubstanz, einer ersten
organischen löcherseitigen Blockschicht (3), einer lichtemittierenden Schicht (4), einer
zweiten organischen elektronenseitigen Blockschicht (3'), einer
Elektronentransportschicht (2') zur Elektronenleitung aus einer organischen
Hauptsubstanz und donatorartiger Dotierungssubstanz, und einer Kathode (5) zur
Elektroneninjektion.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Anode (1) und
Kathode (5) metallisch sind.
4. Bauelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge aus
Löchertransportschicht (2), Blockschicht (3) und lichtemittierender Schicht (4) mehrfach
vorgesehen ist.
5. Bauelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende
Schicht (4) aus mehreren Schichten besteht.
6. Bauelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anode (1)
und der Löchertransportschicht (2) und/oder zwischen Elektronentransportschicht (2') und
Kathode (5) jeweils eine kontaktverbessernde Schicht vorgesehen ist.
7. Bauelement nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die molare
Konzentration der Beimischung in der Löchertransportschicht (2) und/oder in der
Elektronentransportschicht (2') im Bereich 1 : 100000 bis 5 : 1, bezogen auf das Verhältnis
Dotierungsmoleküle zu Hauptsubstanzmoleküle liegt.
8. Bauelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicken
Löchertransportschicht (2) und/oder der Elektronentransportschicht (2') und der
Blockschichten (3, 3') im Bereich 0.1 nm bis 50 µm liegt.
9. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockschicht (3; 3')
dünner als ihre entsprechenden angrenzenden dotierten Schichten ist.
10. Bauelement nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockschicht (3; 3')
hinsichtlich angrenzender Energielagen so bemessen ist, dass die Majoritätsladungsträger
zum überwiegenden Teil an der Grenzfläche Ladungsträgertransportschicht/Blockschicht
und die Minoritätsträger an der Grenzfläche lichtemittierende Schicht/Blockschicht
aufgehalten werden.
11. Bauelement nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der
Blockschicht (3; 3') so bemessen ist, dass die Exziplexbildung zwischen den geladenen
Molekülen der Substanzen in der entsprechend angrenzenden Transportschicht (2; 2') und
den geladenen Molekülen der elektrolumineszierenden Schicht und Lumineszenzlöschung
durch die Dotanden verhindert wird.
12. Bauelement nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieniveaus der
Schichten wie folgt definiert sind,
- a) EVp, ECp: höchstes besetztes Energieniveau (entspricht dem Valenzband) bzw. niedrigstes unbesetztes Energieniveau (entspricht dem Leitungsband) der Hauptsubstanz der löcherleitenden Mischschicht;
- b) EVblockp, ECblockp: höchstes besetztes Energieniveau (Valenzband) bzw. das niedrigstes unbesetztes Energieniveau (Leitungsband) der löcherseitigen Blockschicht;
- c) EVelp, ECelp: höchstes besetztes Energieniveau (Valenzband) bzw. niedrigstes unbesetztes Energieniveau (Leitungsband) der elektrolumineszierenden Schicht (auf der Seite der Löcherinjektion) sind;
- d) EVeln, ECeln: höchstes besetztes Energieniveau (Valenzband) bzw. niedrigstes unbesetztes Energieniveau (Leitungsband) der elektrolumineszierenden Schicht (auf der Seite der Elektronenjektion), wobei im typischen Falle einer elektrolumineszierenden Schicht aus nur einer Schicht gilt: EVelp = EVeln, ECelp ECeln;
- e) EVblockn, ECblockn: höchstes besetztes Energieniveau (Valenzband) bzw. niedrigstes unbesetztes Energieniveau (Leitungsband) der elektronenseitigen Blockschicht;
- f) EVn, ECn: höchstes besetztes Energieniveau (Valenzband) bzw. das niedrigstes unbesetztes Energieniveau (Leitungsband) der Hauptsubstanz der elektronenleitenden Mischschicht;
- a) EVblockp - EVelp < 0,3 eV; ECblockn - ECeln < 0,3 eV,
- b) ECblockp < ECelp; EVblockn < EVeln (größer/kleiner einige kT bei Raumtemperatur)
- c) falls EVp < EVelp bzw. ECn < ECeln gilt, soll auch gelten: EVp < EVblockp bzw. ECn < ECblockn (größer/kleiner einige kT bei Raumtemperatur).
13. Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die genannten
Energieniveaus auf einen zusammengefügten Zustand der Schichten beziehen.
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