OLEDs瞬態(tài)延遲時(shí)間的模擬及在信號(hào)通訊的應(yīng)用

潘賽虎，司長(zhǎng)峰，郭坤平，胡湛晗，彭翠云，陳 果?，魏 斌

(1.上海大學(xué)新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072； 2.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北廊坊 065000)

OLEDs瞬態(tài)延遲時(shí)間的模擬及在信號(hào)通訊的應(yīng)用

潘賽虎1，司長(zhǎng)峰1，郭坤平1，胡湛晗2?，彭翠云1，陳 果1?，魏 斌1

(1.上海大學(xué)新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072； 2.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北廊坊 065000)

基于有機(jī)發(fā)光二極管的電致發(fā)光原理，建立了載流子注入延遲時(shí)間和發(fā)光延遲時(shí)間模型，探索了延遲時(shí)間的影響因素，發(fā)現(xiàn)發(fā)光延遲時(shí)間與器件有效面積、器件厚度、外加電壓等密切相關(guān)。通過(guò)制備不同面積的OLED器件，發(fā)現(xiàn)器件面積越小，發(fā)光延遲時(shí)間越短。以高速信號(hào)激勵(lì)不同面積的OLEDs器件，面積為0.01 mm2的器件能夠?qū)崿F(xiàn)1 000 Mbit/s的信號(hào)傳輸速率，且能量利用率達(dá)到47.7%。

有機(jī)發(fā)光二極管；載流子注入；發(fā)光延遲時(shí)間；脈沖激發(fā)；器件面積

1 引 言

自1987年鄧青云教授報(bào)道了高發(fā)光效率和低驅(qū)動(dòng)電壓的有機(jī)發(fā)光二極管(Organic lightemitting diode，OLED)以來(lái)，對(duì)OLED的開(kāi)發(fā)一直受到研究者的青睞。與無(wú)機(jī)發(fā)光二極管(Lightemitting diode，LED)相比，OLED具有超薄、響應(yīng)迅速、對(duì)比度高以及可柔性等優(yōu)點(diǎn)，這意味著其在顯示、照明和通信領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用[1-4]。目前，對(duì)OLED的研究主要集中在3個(gè)方面:提高器件穩(wěn)定性、發(fā)光效率和壽命[5-7]，但是有機(jī)材料發(fā)光的微觀機(jī)理還沒(méi)有完全得到認(rèn)識(shí)。

OLED的發(fā)光過(guò)程主要包括載流子的注入、傳輸、激子的形成和輻射復(fù)合發(fā)光[8]。在外加電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，電子和空穴分別克服電極/有機(jī)層的界面勢(shì)壘進(jìn)入器件，在發(fā)光層相遇形成激子，激子發(fā)生衰減產(chǎn)生輻射發(fā)光。探究脈沖電壓激發(fā)的OLED的瞬態(tài)電致發(fā)光現(xiàn)象能夠提供諸如器件的內(nèi)建電場(chǎng)和載流子分布等信息，幫助研究者進(jìn)一步理解有機(jī)半導(dǎo)體的發(fā)光機(jī)制[9-13]。由于OLED半導(dǎo)體層厚度僅為納米量級(jí)，其瞬態(tài)響應(yīng)特性類似于平板電容器。被矩形脈沖光激發(fā)時(shí)，單層或者疊層OLED器件的瞬態(tài)電致發(fā)光(Electroluminescence，EL)響應(yīng)時(shí)間簡(jiǎn)化為幾個(gè)階段:延遲響應(yīng)時(shí)間、上升時(shí)間、飽和時(shí)間以及指數(shù)衰減時(shí)間[14]。OLED在光通信系統(tǒng)中可用作電光轉(zhuǎn)換器、通信光源[15-18]，因此研究器件的延遲響應(yīng)時(shí)間尤其重要。

本文針對(duì)高速響應(yīng)的OLED提出了載流子注入延遲時(shí)間和發(fā)光延遲時(shí)間模型，探索了兩種延遲時(shí)間的決定因素。制備了不同有效面積的OLED器件，發(fā)現(xiàn)發(fā)光延遲時(shí)間與器件面積相關(guān)。以高頻信號(hào)激勵(lì)OLED器件，研究了不同面積器件的能量利用率。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用預(yù)沉積圖案的ITO玻璃(方塊電阻約為20 Ω/□)為襯底，實(shí)驗(yàn)前對(duì)襯底依次采用去污粉、去離子水、丙酮、異丙醇進(jìn)行超聲清洗。干燥后經(jīng)過(guò)氧等離子處理(15 min)，在真空度為1×10－4Pa時(shí)開(kāi)始蒸鍍。器件結(jié)構(gòu)為ITO/N，N′-bis-(1-naphthyl)-N，N′-biphenyl-1，1′-biphenyl-4，4′-diamine(NPB)(60 nm)/tris(8-hydroxyquinoline)aluminum(Alq3)(50 nm)/LiF(0.3 nm)/Al (120 nm)的OLED器件。圖1為NPB、Alq3的分子結(jié)構(gòu)、OLED器件結(jié)構(gòu)及能級(jí)圖。其中ITO作為陽(yáng)極，NPB作為空穴傳輸層，Alq3作為電子傳輸層和發(fā)光層，LiF為電子注入層，Al為陰極。

蒸發(fā)速度及厚度用石英晶片檢測(cè)，有機(jī)材料、LiF、Al的蒸發(fā)速度分別控制為0.06，0.01，0.5 nm/s。電容采用Agilent E4980A阻抗分析儀測(cè)量。電流、電壓使用吉時(shí)利公司(Keithley Inc.)的2400數(shù)字源表測(cè)量。脈沖信號(hào)使用安捷倫公司的81110A脈沖碼型發(fā)生器產(chǎn)生，調(diào)制前后的信號(hào)使用泰克公司(Tektronix Inc.)的DPO4104數(shù)字熒光示波器觀測(cè)。所有器件均在大氣、室溫、未封裝條件下測(cè)試。

圖1 有機(jī)分子結(jié)構(gòu)(a)、OLED器件結(jié)構(gòu)(b)及器件能級(jí)圖(c)。Fig.1 Molecular structure of NPB and Alq3(a)，and device structure(b)and energy diagrams(c)，respectively.

3 結(jié)果與討論

3.1 延遲時(shí)間模型

OLED在正向偏壓驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子分別克服陽(yáng)極與有機(jī)層和陰極與有機(jī)層的界面勢(shì)壘，注入到有機(jī)材料的HOMO和LUMO能級(jí)。注入的載流子在電場(chǎng)作用下遷移至發(fā)光層形成激子，激子復(fù)合發(fā)光。盡管在大多數(shù)OLED工作機(jī)理的研究中，載流子的注入和傳輸不能看作兩個(gè)完全分離的過(guò)程，但在模擬研究中將注入和傳輸視為獨(dú)立過(guò)程有利于簡(jiǎn)化模型構(gòu)造。載流子注入時(shí)間tci指載流子從無(wú)機(jī)電極注入到有機(jī)層的時(shí)間，在低電壓下取決于Richardson-Schotty模型，高電壓下取決于Fowler-Nordheim隧道模型[19]。從微觀角度考慮，注入時(shí)間涉及到諸如載流子密度、界面勢(shì)壘、電場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)，求解過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。因此，基于器件的陽(yáng)極/有機(jī)薄膜半導(dǎo)體層/陰極結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化載流子注入延遲模型，我們將脈沖激勵(lì)下的OLED系統(tǒng)等效為外電阻R和器件電容C串聯(lián)(暫不考慮器件的內(nèi)部電阻r)，得到宏觀角度的tci表達(dá)式。

圖2是OLED器件在外加電壓激勵(lì)下的等效電路圖。電容C取決于平板電容器計(jì)算公式:

其中εr是相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)有機(jī)材料而言，εr≈3[20]；ε0是絕對(duì)介電常數(shù)，ε0＝8.85×10－12F/m；S表示器件的有效發(fā)光面積；d表示器件有機(jī)層厚度?；赗C等效電路原理，計(jì)算得到Vd1:

其中，V0表示外加電壓，R是外電阻，R＝50 Ω。τ是時(shí)間常數(shù):τ＝CR。

建立發(fā)光延遲時(shí)間模型時(shí)需要考慮器件內(nèi)電阻r。然而由于r?R，等效電路的時(shí)間常數(shù)仍由式(2)表述。測(cè)量得到面積為1 mm2的器件電容約為232 pF，與式(1)算得的241 pF近似。

圖2 脈沖激勵(lì)下的OLED等效電路圖Fig.2 OLED equivalent circuit diagram under the pulse excitation

當(dāng)外加電壓施加到被測(cè)OLED器件時(shí)，在脈沖電壓信號(hào)的上升或下降過(guò)程中，器件電路中的電流從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化過(guò)程，這種變化電流稱為瞬態(tài)電流。利用該等效電路，我們調(diào)查影響瞬態(tài)電流的因素。

在一定的脈沖時(shí)間變化范圍內(nèi)，器件電極處的累積電荷量為

如圖1所示，Ve和Vd分別表示外電阻分壓和器件電壓。當(dāng)有機(jī)層中不存在電荷陷阱時(shí)，載流子的傳輸主要由有機(jī)材料的載流子遷移率μ決定[21]，電容電流iC與有機(jī)層厚度d、器件面積S的關(guān)系遵循Mott-Gurney方程[22]:

器件充電時(shí)，流經(jīng)內(nèi)部電阻r的電流為

流經(jīng)電路的總電流i為

那么外加電壓V0由下式表述

結(jié)合式(4)～(7)，解析出Vd2(考慮器件內(nèi)部電阻)為

其中

圖3 器件的電流-發(fā)光延遲時(shí)間(a)及電壓-延遲時(shí)間曲線(b)Fig.3 Curves of current-delay time(a)and calculated voltage-delay time(b)

對(duì)于有效面積為1 mm2(S＝1 mm2)、有機(jī)層厚度為110 nm(d＝110 nm)的器件，測(cè)量電路加上9 V電壓(V0＝9 V)，測(cè)得器件的延遲時(shí)間與電路電流的關(guān)系圖如圖3(a)所示。圖3(b)是由式(1)和(8)擬合的曲線。

3.2 器件面積對(duì)延遲時(shí)間的影響

由于OLED半導(dǎo)體層厚度為納米量級(jí)，所以可視為平行電容器，其在電激勵(lì)下會(huì)逐漸累積電荷和釋放電荷。相同結(jié)構(gòu)不同面積的器件容納電荷的能力不同，因此響應(yīng)特性也會(huì)有變化。加上脈沖電壓時(shí)，器件兩端的電壓可由下式表示:

其中，n為周期的整數(shù)倍，w為周期，C對(duì)應(yīng)不同面積下的器件電容。同理，撤去脈沖電壓時(shí)，器件兩端電壓表述為

圖4 相同脈沖激勵(lì)下不同面積OLED器件的電壓響應(yīng)。(a)S＝0.01 mm2；(b)S＝0.1 mm2；(c)S＝1 mm2。Fig.4 Voltage response of OLEDs with various areas excited by rectangular pulse.(a)S＝0.01 mm2.(b)S＝0.1 mm2.(c)S＝1 mm2.

我們測(cè)試了相同脈沖(周期為200 Mbit/s，振幅為5 V)和不同面積OLED的電壓響應(yīng)特性，結(jié)果如圖4所示。

比較式(9)、(10)與圖4，發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與計(jì)算式吻合良好，表明了測(cè)量結(jié)果的可靠性。從圖4看出，當(dāng)器件面積為0.01 mm2時(shí)，給器件外加振幅為5 V、頻率為200 Mbit/s的電壓，能使器件在1 ns左右達(dá)到飽和狀態(tài)，然后保持至脈沖下降沿到來(lái)，接著快速釋放電荷至電壓為0。當(dāng)器件面積為0.1 mm2時(shí)，器件在激勵(lì)下充電，但沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)，然后迅速關(guān)斷并釋放電荷。當(dāng)繼續(xù)增大器件面積為1 mm2時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)器件均沒(méi)有完成充放電過(guò)程，導(dǎo)致延遲時(shí)間增加。我們發(fā)現(xiàn):器件面積越小，響應(yīng)速度越快，延遲時(shí)間越短。這表明將OLED器件用作電光轉(zhuǎn)換器，器件面積會(huì)大大影響其光信號(hào)靈敏度。該特性表明:在集成電路中，OLED能對(duì)信號(hào)傳輸速率進(jìn)行調(diào)制。

3.3 激發(fā)頻率和器件面積對(duì)器件信號(hào)傳輸速率的影響

圖5所示為不同電信號(hào)頻率對(duì)OLED的信號(hào)響應(yīng)速率的影響?？梢钥闯?，不同面積OLED在高頻矩形信號(hào)激勵(lì)下的電壓響應(yīng)特性有所差異。

將器件的能量利用效率用η表示，定義如下:

其中，V(t)為器件兩端瞬時(shí)電壓；Scw表示施加電壓的幅值大小，其在1/2周期的奇數(shù)倍為5 V，在1/2周期的偶數(shù)倍為0 V。通過(guò)擬合，得到圖4波形所對(duì)應(yīng)的η，詳見(jiàn)表1。

當(dāng)器件面積為1 mm2時(shí)，在10 Mbit/s信號(hào)激勵(lì)下，η為47.7%；在20 Mbit/s激勵(lì)下，η低于40%。當(dāng)器件面積為0.1 mm2時(shí)，在100 Mbit/s信號(hào)激勵(lì)下，η為47.7%；在200 Mbit/s信號(hào)激勵(lì)下，η為37.0%。當(dāng)器件面積為0.01 mm2時(shí)，用500 Mbit/s信號(hào)激勵(lì)，η為49.9%；在1 000 Mbit/ s信號(hào)激勵(lì)下，η低于47.7%。對(duì)于相同面積的器件，激勵(lì)頻率越高，能量利用率越低。從圖4看出，面積大于0.01 mm2的器件在更低頻率信號(hào)激勵(lì)下的電壓響應(yīng)波形失真較面積為0.01 mm2的器件更為嚴(yán)重。當(dāng)器件面積縮小至0.01 mm2時(shí)，信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)以1 000 Mbit/s的速率傳輸。

圖5 不同面積OLED在矩形脈沖激勵(lì)下的電壓響應(yīng)。(a)速率分別為10 Mbit/s(上)和20 Mbit/s(下)的信號(hào)激勵(lì)下的1 mm2器件；(b)速率分別為100 Mbit/s(上)和200 Mbit/s(下)的信號(hào)激勵(lì)下的0.1 mm2器件；(c)速率分別為500 Mbit/s(上)和1 000 Mbit/s(下)的信號(hào)激勵(lì)下的0.01 mm2器件。Fig.5 Voltage response of OLEDs with various areas.(a)1 mm2under the excitation of 10 Mbit/s(up)and 20 Mbit/s (down).(b)0.1 mm2under the excitation of 100 Mbit/s(up)and 200 Mbit/s(down).(c)0.01 mm2under the excitation of 500 Mbit/s(up)and 1 000 Mbit/s(down).

表1 脈沖信號(hào)激發(fā)下的不同面積的器件的能量利用效率Tab.1 Energy utilization rate(η)of OLEDs with different areas excited by pulse signal with different rate

4 結(jié) 論

針對(duì)高速響應(yīng)的OLED，建立了載流子注入延遲時(shí)間和發(fā)光延遲時(shí)間模型，探索了延遲時(shí)間與電路外加電壓的關(guān)系。結(jié)果表明，發(fā)光延遲時(shí)間受到器件面積、器件厚度、外加電壓等制約。因此，對(duì)于不同器件結(jié)構(gòu)的有機(jī)電致發(fā)光器件，其發(fā)光延遲時(shí)間會(huì)隨之變化。器件面積越小，發(fā)光延遲時(shí)間越短，小面積器件能夠?qū)崿F(xiàn)1 000 Mbit/s的信號(hào)傳輸速率。

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潘賽虎(1974－)，男，江蘇常州人，博士研究生，講師，2014年于河海大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事有機(jī)電致發(fā)光、有機(jī)傳感等方面的研究。

E-mail:pansaihu＠i.shu.edu.cn

胡湛晗(1991－)，女，遼寧遼陽(yáng)人，碩士，助教，2015年于北華航天工業(yè)學(xué)院獲得碩士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體材料與器件方面的研究。

E-mail:xiaohan9192＠nciae.edu.cn

陳果(1979－)，女，河南南陽(yáng)人，博士，講師，2013年于日本山形大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事有機(jī)光電材料及器件方面的研究。

E-mail:chenguo＠shu.edu.cn

Simulation of Transient Delay Time in Organic LEDs and Application for Signal Transmission

PAN Sai-hu1，SI Chang-feng1，GUO Kun-ping1，HU Zhan-han2?，PENG Cui-yun1，CHEN Guo1?，WEI Bin1
(1.Key Laboratory of Advanced Display and System Applications，Ministry of Education，Shanghai University，Shanghai 200072，China；2.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 065000，China))?Corresponding Authors，E-mail:xiaohan9192＠nciae.edu.cn；chenguo＠shu.edu.cn

Based on the principle of organic electroluminescence(EL)，models of carrier injection delay time and EL the delay time were developed.The results show that the EL delay time is significantly related to the light-emitting area，the thickness of organic layer and the applied voltage.By preparing organic LED devices with different areas，it is found that the light emission delay time is shorter when the device area is smaller.Furthermore，excited by high-speed signals，the OLED device with an area of 0.01 mm2is effective under the excitation with a frequency of 1 000 Mbit/s，leading to an energy utilization rate of 47.7%.

organic light-emitting diode；carrier injection；electroluminescence delay time；pulse excitation；device area

TN383＋.1；TP394.1

A

10.3788/fgxb20173802.0188

1000-7032(2017)02-0188-06

2016-10-09；

2016-12-07

國(guó)家自然科學(xué)基金(61604093)；上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(16ZR1411000)；上海市浦江人才計(jì)劃(16PJ1403300)；上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃(ZZSD15049)資助項(xiàng)目Supported by National Natural Scientific Foundation of China(61604093)；Natural Science Foundation of Shanghai(16ZR1411000)；Shanghai Pujiang Program(16PJ1403300)；Shanghai University Young Teacher Training Program of Shanghai Municipality (ZZSD15049)