http:/www.oledw.com OLED 网网OLED 制作工艺及资料一 OLED 是什么OLED 的原文是 Organic Light Emitting Diode，中文意思就是“有机发光显示技术”。其原理是在两电极之间夹上有机发光层，当正负极电子在此有机材料中相遇时就会发光，其组件结构比目前流行的 TFT LCD 简单，生产成本只有 TFT LCD 的三到四成左右。除了生产成本便宜之外，OLED 还有许多优势，比如自身发光的特性，目前 LCD 都需要背光模块（在液晶后面加灯管），但 OLED 通电之后就会自己发光，可以省掉灯管的重量体积及耗电量（灯管耗电量几乎占整个液晶屏幕的一半），不仅让产品厚度只剩两厘米左右，操作电压更低到2至10伏特，加上 OLED 的反应时间（小于10ms）及色彩都比 TFT LCD 出色，更有可弯曲的特性，让它的应用范围极广。OLED 是一种全新显示技术。它最大的特点是能自己发光OLED 的正极是一个薄而透明的铟锡氧化物(ITO)，阴极为金属组合物，而将有机材料层(包括电洞传输层、发光层、电子传输层等)包夹在其中，形成一个“三明治”。接通电流，正极的电洞与阴极的电荷就会在发光层中结合，产生光亮。根据包夹在其中的有机材料的不同，会发出不同颜色的光。二 同现在的 TFT-LCD 相比 OLED 具有的优势1、OLED 器件的核心层厚度很薄，厚度可以小于1毫米，厚度为液晶的1/3； 2、OLED 器件为全固态机构，无真空、液体物质，抗震性好，可以适应巨大的加速度、振动等恶劣环境； 3、主动发光的特性让 OLED 几乎没有视角问题。OLED 的亮度为100000cd/平方米，而目前最好的笔记本的 TFT 亮度为350-400cd，因此，OLED 在很大的角度内观看，显示画面不失真； 4、OLED 器件单个像素的响应速度是液晶元件的1000倍，可以实现精彩的视频重放； 5、 低温特性好，在零下40度能正常显示，而液晶在低温显示效果不好； 6. 对材料和工艺的要求比 LCD 减少约1/3，成本将会更低； http:/www.oledw.com OLED 网网7. 发光转化效率高，且不需要处在光源，能耗比液晶低； 8. OLED 能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔软显示器。作为一种优秀的显示技术，OLED 显示屏的可视度和亮度都比较高，并且具有反应快、重量轻、厚度薄、构造简单等特点，因此，除了在传统数码应用领域向传统的 CRT 和 LCD 发起了强有力的挑战外，还可以凭借自己具有柔性设计的独特性能开辟新的市场，如电子纸、可折叠电视和笔记本电脑等。不过在现阶段，OLED 要想全面取代 LCD 还要假以时日，而且 TFT-LCD 技术也并非停滞不前，液晶面板厂家也花费了很大的力量来提高产品的可视角度、亮度、对比度、响应速度。所以，等到两者都在主流市场拼杀时，实力只怕也在伯仲之间。三 OLED 的工艺介绍与应用 OLED(Organic light emitting diode)是继 TFT-LCD(Thin film transistor liquid crystal display)，新一代之平面显示器技术。其具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点。1987 年，美国 Kodak 公司邓青云(C.W. Tang)博士等人，将 OLED 组件及基本之材料确立1。1996 年，日本 Pioneer 公司成为第一家将此技术量产化之公司，并将OLED 面板搭配于其所生产之车用音响显示器。近年来，由于其前景看好，日本、美国、欧洲、台湾及韩国之研发团队如雨后春笋般相继成立，导致了有机发光材料日益成熟，设备厂商蓬勃发展，以及相继工艺技术不断之演进。然而，OLED 技术于原理及工艺上，与目前发展成熟之半导体、LCD、CD-R 甚或 LED 产业虽有相关，但却有其独特 know-how 之处；因此，OLED 量产化仍有许多瓶颈。台湾铼宝科技公司系由 1997 年开始研发OLED 之相关技术，于 2000 年成功量产 OLED 面板，成为继日本东北先锋后，全世界第二家量产 OLED 之面板公司；而 2002 年，更陆续外销出货单彩(mono-color)及区域多彩(area-color)面板如图一所示，并提升良率及产量，一跃而成为世界上产量最大 OLED 面板供应商。http:/www.oledw.com OLED 网网图一：多彩及单彩 OLED 面板由于 OLED 工艺中，有机膜层之厚度将影响元件特性甚钜，一般而言，膜厚误差必须小于 5 纳米，为名符其实之纳米科技。举例来说，TFT-LCD 平面显示器之第三代基板尺寸，一般定义为 550mm x 650mm，在此尺寸之基板上，欲控制如此精准之膜厚，有其困难性，也因此限制了 OLED 在大面积基板之工艺，和大面积面板之应用。目前而言，OLED 之应用主要为较小之单色(mono-color)及区域多彩(area-color)显示器面板，如：手机主萤幕、手机副萤幕、游戏机显示器、车用音响萤幕及个人数位助理(PDA)显示器。由于OLED 全彩化之量产工艺尚未臻至成熟，小尺寸之全彩 OLED 产品预计于 2002 年下半年以后才会陆续上市。由于 OLED 为自发光显示器，相较于同等级之全彩 LCD 显示器，其视觉表现极为优异，有机会直接切入全彩小尺寸高档产品，如：数码相机和掌上型 VCD(或 DVD)播放器，至于大型面板(13 吋以上)方面，虽有研发团队展示样品，但量产技术仍尚待开发。OLED 因发光材料的不同，一般可分小分子(通常称 OLED)及高分子(通常称 PLED)两种，技术的授权分别为美国的 Eastman Kodak(柯达)和英国的 CDT(Cambridge Display Technology)，台湾铼宝科技公司是少数同时发展 OLED 和 PLED 的公司。在本文中，主要介绍小分子 OLED，首先将会介绍 OLED 原理，其次介绍相关关键工艺，最后会介绍目前 OLED 技术发展之方向。OLED 之原理OLED 组件系由 n 型有机材料、p 型有机材料、阴极金属及阳极金属所构成。电子(空穴)由阴极(阳极)注入，经过 n 型(p 型)有机材料传导至发光层(一般为 n 型材料)，经由再结合而放光。一般而言，OLED 元件制作的玻璃基板上先溅镀 ITO 作为阳极，再以真空热蒸镀之方式，依序镀上 p 型和 n 型有机材料，及低功函数http:/www.oledw.com OLED 网网之金属阴极。由于有机材料易与水气或氧气作用，产生暗点(Dark spot)而使元件不发亮。因此此元件于真空镀膜完毕后，必须于无水气及氧气之环境下进行封装工艺。在阴极金属与阳极 ITO 之间，目前广为应用的元件结构一般而言可分为 5 层。如图二所示，从靠近 ITO侧依序为：空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层。就 OLED 组件演进历史中，1987年 Kodak 首次发表之 OLED 组件，系由两层有机材料所构成，分别为空穴传输层及电子传输层。其中空穴传输层为 p 型之有机材料，其特性为具有较高之空穴迁移率，且其最高占据之分子轨域(Highest occupied molecule orbital，HOMO)与 ITO 较接近，可使空穴由 ITO 注入有机层之能障降低。图二：OLED 结构图而至于电子传输层，系为 n 型之有机材料，其特性为具有较高之电子迁移率，当电子由电子传输层至空穴电子传输层介面时，由于电子传输层之最低非占据分子轨域(Lowest unoccupied molecule orbital，LUMO)较空穴传输层之 LUMO 高出甚多，电子不易跨越此一能障进入空穴传输层，遂被阻挡于此介面。此时空穴由空穴传输层传至介面附近与电子再结合而产生激子(Exciton)，而 Exciton 会以放光及非放光之形式进行能量释放。以一般萤光(Fluorescence)材料系统而言，由选择率(Selection rule)之计算仅得 25%之电子空穴对系以放光之形式做再结合，其余 75%之能量则以放热之形式散逸。近年来，正积极被开发磷光(Phosphorescence)材料成为新一代的 OLED 材料2，此类材料可打破选择率之限制，以提高内部量子效率至接近 100%。http:/www.oledw.com OLED 网网在两层元件中，n 型有机材料即电子传输层亦同时被当作发光层，其发光波长系由 HOMO 及LUMO 之能量差所决定。然而，好的电子传输层即电子迁移率高之材料并不一定为放光效率佳之材料，因此目前一般之做法，系将高萤光度的有机色料，掺杂(Doped)于电子传输层中靠近空穴传输层之部分，又称为发光层3，其体积比约为 1%至 3%。掺杂技术开发系用于增强原材料之萤光量子吸收率的重点技术，一般所选择的材料为萤光量子吸收率高的染料(Dye)。由于有机染料之发展源自于 1970 至 1980 年代染料雷射，因此材料系统齐全，发光波长可涵盖整个可见光区。在 OLED 组件中掺杂之有机染料，能带较差，一般而言小于其宿主(Host)之能带，以利 exciton 由 host 至掺杂物(Dopant)之能量转移。然而，由于 dopant能带较小，而在电性上系扮演陷阱(trap)之角色，因此，掺杂层太厚将会使驱动电压上升；但若太薄，则能量由 host 转移至 dopant 之比例将会变差，因此，此层厚度必须最佳化。阴极之金属材料，传统上系使用低功函数之金属材料(或合金)，如镁合金，以利电子由阴极注入至电子传输层，此外一种普遍之做法，系导入一层电子注入层，其构成为一极薄之低功函数金属卤化物或氧化物，如 LiF 或 Li2O，此可大幅降低阴极与电子传输层之能障4，降低驱动电压。由于空穴传输层材料之 HOMO 值与 ITO 仍有差距，此外 ITO 阳极在长时间操作后，有可能释放出氧气，并破坏有机层产生暗点。故在 ITO 及空穴传输层之间，插入一空穴注入层，其 HOMO 值恰介于 ITO 及空穴传输层之间，有利于空穴注入 OLED 元件，且其薄膜之特性可阻隔 ITO 中之氧气进入 OLED 元件，以延长元件寿命5。OLED 相关关键工艺6氧化铟锡(ITO)基板前处理(1)ITO 表面平整度ITO 目前已广泛应用在商业化的显示器面板制造，其具有高透射率、低电阻率及高功函数等优点。一般而言，利用射频溅镀法(RF sputtering)所制造的 ITO，易受工艺控制因素不良而导致表面不平整，进而产生表面的尖端物质或突起物。另外高温锻烧及再结晶的过程亦会产生表面约 10 30nm 的突起层。这些不平整层的细粒之间所形成的路径会提供空穴直接射向阴极的机会，而这些错综复杂的路径会使漏电流增加。一般有三个方法可以解决这表面层的影响一是增加空穴注入层及空穴传输层的厚度以降低漏电流，此方法多http:/www.oledw.com OLED 网网用于 PLED 及空穴层较厚的 OLED(200nm)。二是将 ITO 玻璃再处理，使表面光滑。三是使用其他镀膜方法使表面平整度更好(如图三所示)。图三：ITO 表面之原子力显微镜照片(2) ITO 功函数的增加当空穴由 ITO 注入 HIL 时，过大的位能差会产生萧基能障，使得空穴不易注入，因此如何降低 ITO / HIL 介面的位能差则成为 ITO 前处理的重点。一般我们使用 O2-Plasma 方式增加 ITO 中氧原子的饱和度，以达到增加功函数之目的。ITO 经 O2-Plasma 处理后功函数可由原先之 4.8eV 提升至 5.2eV，与 HIL 的功函数已非常接近。加入辅助电极由于 OLED 为电流驱动元件，当外部线路过长或过细时，于外部电路将会造成严重之电压梯度