摘要：本文设计了一种磷光顶发射结构制备单色高亮绿光OLED微型显示器件，器件结构为：ITO/ 2-TNATA/NPB/MCP: Ir(ppy)3/Bphen/LiF/Mg:Ag。为获得低功耗、高亮度的绿光OLED微型显示器件，采用开口率大、益于集成的顶发射结构器件，并对发光层掺杂机制进行实验研究，通过改变掺杂比例获得较佳的器件性能。研究表明，在掺杂比分别为1.0%、1.5%、1.8%、2.0%、2.3%、2.5%的绿光OLED器件中，2.0%的掺杂器件较其他比例的性能更优，通过进一步优化掺杂研究显示，发光层主体材料MCP与掺杂料Ir(ppy)3的最佳掺杂比例为1:0.02，主体材料薄膜厚度为250Å。在20 mA/cm2的电流密度下，得到器件电压为3.62V，亮度为4622cd/cm2，色坐标(X,Y)为（0.33,0.61）。
关键词：单色绿光；顶发射OLED微型显示器；发光层；光电特性
0 引言
有机电致发光器件OLED（organic light-emitting diode）由于具有亮度高、视角宽、响应速度快，以及柔性可曲面等优点，在平板显示和固体照明方面备受关注[1-6]。通常OLED器件结构主要分为两类——顶发射和底发射结构。传统的OLED都采用底发射结构，从上至下的器件结构为：不透明金属阴极、有机功能层、透明阳极、玻璃基板，器件发出的光从透明阳极射出。而顶发射器件的结构为：半透明金属阴极、有机功能层、反射阳极、基板，光从器件阴极顶部发出。与传统的底发射有机发光器件相比，顶发射有机发光器件使得在不透明基板上制造有机发光器件成为可能。它的驱动电路可置于硅基衬底上，有利于实现发光器件与成熟硅基电路的集成，同时还避免了对显示区域面的遮挡，保持了器件尽可能大的开口率[7-9]。
磷光材料具有独特的光电性质，采用它制备的器件最大内量子效率可达100%[10]。科研人员利用磷光材料（特别是绿光）获得了高性能的OLED器件[11-15]，器件的发光层还可以通过优化其厚度及掺杂进行改善。OLED微型显示器具有体积小、重量轻、集成度高的特点，结合其高亮度、低功耗、高分辨率、快速响应能力等优势，使得OLED微型显示器件在航天、航空、军事以及娱乐电子产品（AR、VR）等领域具有重要使用价值。
本论文采用的器件结构为：阳极/空穴注入层（hole injection layer，HIL）/空穴传输层（hole transport layer，HTL）/发光层（emitting Layer，EML）/电子传输层（electron transport layer，ETL）/电子注入层（electron injection layer，EIL）/阴极。绿色磷光材料MCP为发光主体料，Ir(ppy)3作为掺杂剂，通过优化掺杂比例获得高亮度、低电压、高发光效率的绿光OLED器件。
1 器件结构与表征
1.1 结构
绿光OLED微型显示器由PCB背板、IC驱动电路板、金属阳极、OLED有机薄膜层、透明阴极等组成。采用云南北方奥雷德光电科技有限公司研发的SVGA060硅基CMOS驱动板为基础，蒸镀绿光OLED有机薄膜层，制备出顶发射绿光OLED微型显示器。器件的每个像素点由红、绿、蓝3个亚像素点汇集而成，单个像素尺寸为（15mm×15mm），占空比为75%，显示区域尺寸为12.06 mm×9.06 mm。
制备的绿光OLED微型显示器结构为：ITO/2-TNATA（200Å）/NPB（100Å）/MCP: Ir(ppy)3（250Å，x）/Bphen（100Å）/LiF（50 Å）/Mg:Ag。器件结构及主要有机材料结构图如图1所示。
1.2 表征
主要研究OLED器件的伏安特性、亮度、色度、电致发光光谱（electroluminescent spectrum，EL）等性能。其中，器件的亮度、色度及光谱由PR-655光度计测量，伏安特性通过Keithley 2400所组成的测试系统进行测量。
2 结果与讨论
采用热蒸镀的方法制备的OLED高亮绿光微型显示器件，发光层以主体材料和掺杂材料共蒸镀的方式进行沉积，这种共掺杂结构能有效抑制器件在高亮度情况下的效率滚降[16]。不同掺杂百分比下器件的光电特性曲线如图2(a)所示，在掺杂比x分别为1.0%、1.5%、1.8%、2.0%、2.3%、2.5%的条件下，器件的开启电压均较低，约2.3V，这归因于从传输层到发光层载流子的无障碍注入[17]，器件电流密度均随电压呈线性变化。在相同电压驱动下，随着掺杂比例的增加，器件电流密度呈现先减后增再减的变化趋势，其中2.0%掺杂的OLED绿光器件在整个电压区间均具有较高的电流密度。这说明在2.0%掺杂的器件中，器件在发光层与电子传输层间具有较好的电子传递能力。
图2(b)为OLED绿光器件电流密度与其亮度的关系曲线，无论在怎样的掺杂条件下，以及不同的亮度级别下，器件均体现出亮度对电流密度的线性依赖特性。且掺杂比为2.0%时的OLED器件亮度均比其他掺杂比例的器件高。而在相同亮度下，发光层掺杂比为2.0%的器件，其电流密度较其他掺杂比例的更低，因而其电流效率更高，说明2.0%的Ir(ppy)3掺杂比能更有效地平衡器件中的载流子，达到更加高效的复合。综上可以看出，在这些特定掺杂比的器件中，2.0%掺杂的器件表现出较为优越的光电特性[16]。
图1 顶发射绿光OLED微型显示器结构及主要的有机材料结构（x：Ir(ppy)3掺杂比例）
Fig.1 Top emitting green light OLED micro-display architecture and molecular structures of the main organic materials (x: The dope ratio of Ir(ppy)3)
图3为发光层不同掺杂比例下，器件在20 mA/cm2电流密度下的EL光谱，其中，图3(a)为原始数据光谱图，可以看出，不同掺杂比下器件的EL谱峰波动较小，说明采用这种结构制备出的绿光OLED微型显示器件较稳定，随掺杂比例的增加，光谱强度呈现先增后减的变化规律，在2.0%掺杂的器件中展现出最高的强度，对应波长为528nm。图3(b)为图3(a)的归一化光谱图，不同掺杂比下得到的EL谱线非常相似，我们将其峰值部分放大，其结果展示在图3(b)的插图中，随着掺杂比例的增加，器件EL峰值由524 nm红移至532 nm，即8 nm。
色坐标CIE X、Y是用标称值来定义颜色的量，其中，X表示红色分量，Y表示绿色分量。根据X、Y的数值可在CIE 1931色度图中找到对应的颜色。图4(a)、图4(b)为不同掺杂比下，器件色坐标随电压的变化关系，其归一化展示在图4(c)、图4(d)中。图中可以看出，随着输入电压的升高，CIE X值呈下降趋势，而CIE Y呈上升趋势；而在相同电压下，随掺杂比例的增加，CIE X呈上升趋势，CIE Y呈下降趋势。在电压与CIE的关系曲线中也可看出，掺杂比为2.0%与1.8%的器件CIE曲线非常相似，它们在高电压范围下，色坐标变化平缓，相对稳定。这对高亮度OLED器件具有非常重要的意义。
根据以上测试结果可以判断出，绿光OLED器件发光层最佳掺杂比率在2.0%附近，为进一步确定绿光OLED器件发光层掺杂比例，我们在掺杂比为1.9%～2.1%之间，以0.05%为步长，分别研究器件不同掺杂比例的光电性能。发光层掺杂比在此区间内变化的器件电压、亮度、色坐标如表1所示。
由表中器件性能参数信息可知，在相同电流密度下（20mA/cm2），器件亮度随掺杂比例的增加呈正态曲线变化规律，如表格右侧所示，在2.0%下获得最高亮度4622cd/cm2，且在同等亮度下的电压较低，为3.62V。
因此，我们得到发光层最佳掺杂比例为2.0%，即器件优化结构为ITO/2-TNATA（200Å）/NPB（100Å）/MCP: Ir(ppy)3（250Å，2.0%）/Bphen（100Å）/LiF（50Å）/Mg:Ag。
(a) 绿光OLED微型显示器件电压-电流密度关系曲线 (b) 绿光OLED微型显示器件电流密度-亮度关系曲线
(a) J-V characteristics of the green OLED micro-display (b) J-L characteristics of the green OLED micro-display
图2 不同掺杂比例器件的光电特性
Fig.2 Photoelectric characteristics of devices with different doping ratios
(a) 原始光谱 (a) Original spectra (b) 归一化光谱 (b) Normalized spectra
图3 发光层不同掺杂比下的EL光谱
Fig.3 EL spectra of the luminescent layer at different doping ratios
(a)、(b)为不同掺杂比下，器件色坐标CIE X及CIE Y的变化情况；(c)、(d)为图(a)、(b)的归一化色坐标变化图
(a),(b) Variation of device color coordinates CIE X and CIE Y at different doping ratios; (c),(d) The normalized color coordinate variation diagram of figure (a),(b)
图4 发光层不同掺杂比下的CIE
Fig.4 The CIE of luminescent layer under different doping ratios
表1 不同掺杂比下器件的性能
Table 1 device performance at different doping ratios
3 结论
本文设计了ITO/2-TNATA/NPB/MCP:Ir(ppy)3/ Bphen/LiF/g:Ag结构的绿光OLED微型显示器件，通过研究发光层固定掺杂比（1.0%、1.5%、1.8%、2.0%、2.3%、2.5%），得到器件性能相对较优的掺杂量（2.0%），在该掺杂状态下，相同电流密度的器件电压、亮度均优于其他掺杂比的器件。为进一步优化掺杂比例，在1.9%～2.1%的掺杂比之间，以0.05%为步长，探索了最佳的发光层掺杂百分比。实验结果表明，在2.0%的掺杂比下获得功耗低、亮度高、色饱和度高的绿光器件，即20mA/cm2的电流密度下，器件电压为3.62V，亮度为4622cd/cm2，色坐标为（0.33,0.61）。因此确定最佳的绿光OLED器件结构为：ITO/2-TNATA（200Å）/NPB（100Å）/MCP: Ir(ppy)3（250 Å，2.0%）/Bphen（100Å）/LiF（50Å）/Mg:Ag。采用该结构能够得到低功耗、高亮度及色域稳定的绿光OLED微型显示器件。该结果对其在军事及VR虚拟显示方面的应用具有重要意义。
