人體靜電放電對(duì)有機(jī)發(fā)光二極管的影響

張建華, 陳章福， 徐小雪， 曹 進(jìn)， 楊連喬

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 新型顯示及集成應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200072)

1 引 言

有機(jī)發(fā)光二極管(Organic light-emitting device，OLED)最早報(bào)道于1963年，Pope等[1]用蒽單晶制備了OLED器件。1987年，Tang和VanSlyke[2]首次用真空蒸鍍成膜方法制備出具有注入電極、空穴傳輸層、發(fā)光層三明治夾層結(jié)構(gòu)的OLED器件。有機(jī)發(fā)光領(lǐng)域中另一重大突破是有機(jī)磷光器件的出現(xiàn)，在磷光摻雜體系的研究過程中，人們歸納出兩種發(fā)光原理:一是載流子在發(fā)光材料上的直接復(fù)合發(fā)光，二是依靠主客體材料之間的能量傳遞來實(shí)現(xiàn)的客體發(fā)光[3]。相較于傳統(tǒng)顯示和照明資源，OLED具有高效、質(zhì)輕、體薄、亮度高、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)電壓低、可制作柔性和易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示等優(yōu)點(diǎn)[4-7]，吸引了廣大學(xué)者的研究興趣。隨著技術(shù)的發(fā)展，OLED被認(rèn)為有著巨大的市場(chǎng)和發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳?，OLED已廣泛應(yīng)用于ATM機(jī)，3G手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，攝像機(jī)等中小屏[8-9]，并且被認(rèn)為是未來半導(dǎo)體顯示和固態(tài)照明的主流技術(shù)[10-12]。

近年來，OLED的綜合性能得到了快速的發(fā)展，而基于先進(jìn)材料，如剛性封裝材料、柔性封裝材料、邊緣縫隙封裝材料和有機(jī)電致發(fā)光器件封裝材料的添加劑，以及先進(jìn)封裝方法，如剛性與柔性結(jié)合封裝技術(shù)、基板技術(shù)、微連接技術(shù)和與驅(qū)動(dòng)方式的適配技術(shù)，其可靠性問題在一定程度上也得到很大程度的提升[13-17]。眾所周知，靜電在產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)及使用過程中都會(huì)產(chǎn)生，過高的靜電對(duì)電子產(chǎn)品造成的破壞和損傷包括突發(fā)性損傷和潛在性損傷兩種。其中，潛在性失效占據(jù)了總失效數(shù)目的90%，也就是說90%的靜電損傷是無法即時(shí)檢測(cè)排查的，導(dǎo)致終端用戶長(zhǎng)期使用過程中才會(huì)出現(xiàn)一些原因未知的可靠性問題。正因如此，靜電放電(Electro-static discharge，ESD)被認(rèn)為是電子產(chǎn)品質(zhì)量最大的潛在殺手，靜電防護(hù)也成為電子產(chǎn)品質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容。電子產(chǎn)品的抗靜電特性受器件材料、結(jié)構(gòu)及工藝條件的共同影響[18]，對(duì)于OLED這一快速發(fā)展的半導(dǎo)體照明技術(shù)來說，深入綜合地探討ESD影響及分析其機(jī)理是一個(gè)具有重要學(xué)術(shù)意義及產(chǎn)業(yè)價(jià)值的問題。

迄今為止，靜電放電(ESD)對(duì)OLED性能影響的研究工作尚未見報(bào)道。一般情況下，主要以人體模式來描述器件靜電敏感電壓的相關(guān)問題。本文分析了在人體模式(Human body model,HBM)下不同ESD應(yīng)力下OLED的性能變化，并初步探討了ESD對(duì)器件壽命的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

本文中的OLED器件采用真空蒸鍍的方法制備。本文研究的側(cè)重點(diǎn)不在于器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及性能的提升，因此選用了較為常見的材料、結(jié)構(gòu)及封裝方法。具體的器件結(jié)構(gòu)為Glass/ITO(100nm)MoO3(5nm)/CBP(40nm)/CBP∶Ir(ppy)3(20nm,8%)/TPBi(50nm)/LiF(1nm)/Al(80nm)。其中，CBP作為空穴傳輸層(Hole transport layer, HTL)，摻雜 Ir(ppy)3的CBP作為發(fā)光層(EML)，TPBi作為電子傳輸層(Electron transport layer, ETL)。HTL和ETL材料的沉積速率是0.12nm/s；LiF和Al的沉積速率分別為0.01nm/s 和0.5nm/s。使用前，ITO玻璃襯底經(jīng)過常規(guī)的清洗處理。OLED功能層沉積后，器件在無空氣的手套箱中用蓋板玻璃和環(huán)氧樹脂進(jìn)行了封裝。OLED器件發(fā)光原理示意圖及能級(jí)結(jié)構(gòu)圖分別如圖1(a)、(b)所示。

圖1 OLED器件的結(jié)構(gòu)示意圖(a)和能級(jí)結(jié)構(gòu)圖(b)

Fig.1Device structure (a) and energy level (b) of OLED

在進(jìn)行ESD靜電打擊前，OLED樣品經(jīng)J-V和L-V測(cè)試，篩選了4組樣品，每組含有5個(gè)色塊，樣品間的伏安特性、亮度偏差均在±5%以內(nèi)。靜電測(cè)試采用了人體模式ESD(Chroma，58154-A)，分別選用了-200，-800，-1600V的靜電對(duì)樣品組2、3和4進(jìn)行反向連續(xù)擊打3次,打擊間隔為1s。靜電打擊后測(cè)試并記錄相應(yīng)的光電參數(shù)，然后分別將4組樣品置于0.5mA的偏置電流下，使用實(shí)驗(yàn)室自制的多通道OLED壽命在線測(cè)試儀進(jìn)行室溫(～25℃)加速壽命測(cè)試。在老化過程中,每隔1min進(jìn)行一次光學(xué)參數(shù)在線測(cè)量，累計(jì)老化時(shí)間達(dá)290h, 本文所示結(jié)果為每組OLED器件樣品性能的平均值。器件的光電特性測(cè)試均采用電流/電壓源/測(cè)量單元吉時(shí)利(Keithley)2400和PR-670光譜色度計(jì)進(jìn)行表征。

3 結(jié)果與討論

靜電打擊前，制備的發(fā)光面積為2mm×2mm的OLED樣品的主要光電特性如圖2所示。OLED器件的啟亮電壓(亮度為1cd/m2時(shí)的電壓)約為2.6V，最大電流效率為48cd/A。圖2(a)給出了外部量子效率(External quantum efficiency,EQE)與亮度的關(guān)系，從中可以看出亮度為1000cd/m2時(shí)電流效率為43cd/A、EQE為21lm/W，隨著亮度的升高，EQE呈現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)，但變化并不顯著，表明本文設(shè)計(jì)的器件能在較寬的亮度范圍內(nèi)保持良好的載流子平衡。圖2(b)為OLED器件發(fā)光光譜與正向電壓之間的關(guān)系，從中可以得知，器件的峰值波長(zhǎng)為514nm，且不隨偏置電壓變化而變化，同時(shí)也驗(yàn)證了器件設(shè)計(jì)與制備工藝的穩(wěn)定性。

圖2(a)樣品的J-V-L特性曲線，插圖為電流效率和功率效率與亮度的關(guān)系；(b)不同偏置電壓下的樣品的光譜。

Fig.2(a)J-V-Lcharacteristics of the fresh samples. Inset is the relationship of current efficiencyvs. luminance and power efficiencyvs. luminance. (b) EL spectra of the fresh samples at various bias voltage.

不同級(jí)別ESD靜電沖擊后器件的光電性能如圖3所示。從圖3(a)可以看出，OLED器件的光譜對(duì)ESD并不敏感，本文實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)光譜沒有發(fā)生明顯變化。從圖3(b)可知，在靜電沖擊后，各組樣品的發(fā)光性能略微降低，降低的幅度隨著ESD電壓的增加而增大，且在本文的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)未發(fā)生災(zāi)難性失效。我們認(rèn)為，人體模式下的ESD打擊對(duì)載流子傳輸產(chǎn)生了抑制效應(yīng)，因此光效與亮度均有所降低。由圖3(c)可知，各組樣品在靜電沖擊后正向偏置的I-V特性沒有發(fā)生明顯的變化，在反向ESD為200V和800V的靜電沖擊下，反向漏電特性與沖擊前基本在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，但是當(dāng)靜電沖擊增至1600V時(shí)，樣品的反向漏電流至少有一個(gè)數(shù)量級(jí)的明顯變大。

圖3ESD應(yīng)力作用前后的OLED器件的光譜圖(a)、亮度(b)和伏安特性(c)。

Fig.3EL spectra (a), luminance (b), andI-Vcharacteristics(c) of OLEDs before and after ESD stress.

由于靜電對(duì)器件帶來的損傷絕大部分為潛在性失效，為了分析ESD對(duì)器件壽命的影響，我們對(duì)樣品進(jìn)行了電流加速實(shí)驗(yàn)。4組樣品在加速電流為0.5mA下的壽命測(cè)試結(jié)果如圖4所示。在器件的老化過程中，第3組的第2個(gè)樣品和第4組的第1、第5個(gè)樣品的光電特性出現(xiàn)了大幅的波動(dòng)，而同組其他器件未出現(xiàn)類似情況。因此，在數(shù)據(jù)處理過程中，我們將該樣品的數(shù)據(jù)剔除，圖4所示為剔除偶然性失效器件后同組樣品的平均值。從圖4可以看出, 本文研究的OLED器件在不加靜電直接進(jìn)行老化和施加200，800，1600V 靜電擊打后再進(jìn)行老化的4種情況下,光輸出的衰減趨勢(shì)是類似的，并且各組樣品老化速率沒有明顯且規(guī)律性的變化。這大概是因?yàn)?，短時(shí)間ESD的反向高壓沖擊會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)載流子產(chǎn)生抑制效應(yīng)，但是隨OLED工作時(shí)間的推移，在發(fā)光層內(nèi)部界面載流子的積累及因此形成的內(nèi)建電場(chǎng)會(huì)逐漸幫助被反向高壓抑制的載流子在工作過程慢慢恢復(fù)至原來的狀態(tài)。

圖4ESD打擊后的器件的亮度衰減曲線(加速電流：0.5mA)

Fig.4Luminous decay of OLEDs after ESD (Accelerating current:0.5mA)

對(duì)于出現(xiàn)明顯波動(dòng)的器件，我們分別測(cè)試了第3組的第2個(gè)樣品和第4組的第1個(gè)樣品的光電特性。兩個(gè)樣品的光譜與正常老化樣品相比沒有發(fā)生明顯變化，但是其正向和反向電流都出現(xiàn)了明顯的增大，結(jié)果如圖5所示。有機(jī)材料或電極界面間存在微觀不平整，當(dāng)器件工作時(shí)，會(huì)形成不均勻的電場(chǎng)，導(dǎo)致某些點(diǎn)電流過大、短路或成為“熱點(diǎn)”，氧化金屬電極，引起電學(xué)短路和界面電化學(xué)反應(yīng)，形成黑斑，導(dǎo)致器件的發(fā)光面積減小，衰減特性不同于常規(guī)的本質(zhì)老化過程[19-20]。局部區(qū)域的失效相當(dāng)于對(duì)正常驅(qū)動(dòng)的二極管引入了一個(gè)并聯(lián)電阻，該并聯(lián)電阻的大小與黑斑面積直接相關(guān)。由于引入了并聯(lián)電阻，正反向等效電阻都會(huì)減小，從而導(dǎo)致在器件施加正、反向電壓時(shí)，反向漏電、正向?qū)娏鞫汲霈F(xiàn)明顯增大的趨勢(shì)。當(dāng)黑斑區(qū)域增大到一定程度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)如圖5所示的正反向伏安特性基本一致的情況。

圖5失效器件的伏安特性曲線，插圖為兩個(gè)失效器件的發(fā)光效果圖。

Fig.5I-Vcharacteristics of the failure devices. Insets are the photos of the failure devices.

上述結(jié)果表明，本文實(shí)驗(yàn)范圍的人體模式ESD沖擊對(duì)器件的壽命無明顯規(guī)律性影響。我們知道，OLED器件的老化由多種因素所決定，涉及物理、化學(xué)、電子學(xué)和界面科學(xué)等學(xué)科知識(shí)，是一個(gè)復(fù)雜的問題。器件材料、結(jié)構(gòu)及制備工藝的改變均有可能導(dǎo)致異于本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，系統(tǒng)深入的系列研究還有待進(jìn)一步開展以建立分門別類的指導(dǎo)性方案。

4 結(jié) 論

本文在4組OLED器件上施加與人體模型等效的脈沖靜電0，200,800,1600V沖擊，研究了OLED的性能與ESD的相關(guān)性，并初步探討了相應(yīng)的物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，OLED器件的光譜對(duì)ESD不敏感，隨著沖擊電壓的增大，由于靜電打擊對(duì)載流子的短期抑制效應(yīng)，OLED的亮度出現(xiàn)輕微下降。在200V和800V時(shí)，伏安特性沒有發(fā)生變化，當(dāng)靜電沖擊增至1600V時(shí)，反向漏電流有明顯增加。后續(xù)的加速壽命實(shí)驗(yàn)表明，靜電打擊對(duì)器件的工作壽命沒有明顯的規(guī)律性影響，但是會(huì)一定程度提高非本質(zhì)老化失效的概率。靜電沖擊對(duì)OLED器件性能的影響與材料體系、結(jié)構(gòu)體系及工藝條件有關(guān)，研究并建立相應(yīng)的系列關(guān)聯(lián)機(jī)制對(duì)于探討OLED的長(zhǎng)期可靠性具有重要的意義。

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