能量過濾磁控濺射技術室溫制備ITO膜的光電特性及其應用

2015-03-31 張清清鄭州大學物理工程學院材料物理教育部重點實驗室

　　利用在直流反應磁控濺射(DMS) 技術基礎上改進的能量過濾磁控濺射( EFMS) 技術制備了ITO薄膜，并將其應用于頂發(fā)射有機電致發(fā)光器件(TOLED) 的陽極。利用X 射線衍射、原子力顯微鏡、橢圓偏振光譜儀和四探針方塊電阻測試儀分析了薄膜的結構、表面形貌、光學和電學特性，利用自搭建的電壓-電流密度-發(fā)光效率測試系統(tǒng)測量了TOLED 器件的發(fā)光效率。結果表明，與DMS 技術相比，EFMS 技術可有效抑制對有機功能層的濺射損傷，制備的ITO 薄膜表面更平整，晶粒尺寸更細小，而且具有優(yōu)良的光學和電學性能( 400 ～800 nm 波長范圍的平均透射率為87.1%；方塊電阻低至4. 56 ×10^-4 Ω·cm) 。以該薄膜為陽極的TOLED 器件的發(fā)光效率顯著提高，在3. 26 mA/cm²的電流密度下發(fā)光效率達到0.09 lm/W。

　　近年來，有機發(fā)光顯示( Organic Electro Luminescence Display) 作為新一代顯示技術，以其高效率、快響應、寬視角、厚度薄以及成本低廉等特點，在國內(nèi)外被廣泛深入地研究，具有廣闊的市場應用前景。頂發(fā)射結構有機電致發(fā)光器件(TOLED) 有高的光效、好的色純度、大的開口率以及方便在芯片上集成驅動電路等優(yōu)點，成為目前有機發(fā)光顯示的重點研究對象。ITO 薄膜具備高透過率、低電阻率和高功函數(shù)等特點，是TOLED 器件陽極的最佳選擇材料，也是影響TOLED 器件性能的關鍵因素之一。

　　TOLED 器件的ITO 陽極通常采用直流反應磁控濺射(DMS) 或電子束蒸發(fā)技術制備，薄膜濺射沉積過程中高能粒子的轟擊會對已制備的有機功能層產(chǎn)生濺射損傷，會降低TOLED器件的發(fā)光亮度、效率，乃至器件壽命。為減少對有機功能層的濺射損傷，有研究者在有機層與ITO陽極之間加入Mg-Ag，Cu-Pc，PTCDA 等緩沖層試圖對有機層起到保護作用，但結果表明這并不能完全消除對有機層的濺射損傷，緩沖層的加入同時還降低了TOLED器件的透光率。因此，制備高質(zhì)量、無損傷的ITO陽極成為TOLED器件研究的重點之一。

　　本課題組自主研發(fā)的能量過濾磁控濺射(EFMS) 技術可有效抑制濺射過程中高能粒子對襯底的濺射損傷，并且制備的薄膜表面更平整，晶粒尺寸更細小。本文利用該技術制備了TOLED器件的ITO陽極，研究了ITO薄膜的結構、光學和電學性能，測試了TOLED的發(fā)光效率并與DMS技術制備的器件作了對比。

　　1、實驗方法

　　1.1、器件結構

　　TOLED 器件的結構如圖1 所示。1 mm 厚的K9玻璃基底上依次為陰極(Al) 、電子傳輸層及發(fā)光層( tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum，Alq3) 、空穴傳輸層(N，N'-diphenyl-N，N'-bis( 3-methyllphenyl) -(1，1'bipheny1) -4，4'-diamine，TPD) 和ITO陽極。

TOLED 結構圖

圖1 TOLED 結構圖

　　1.2、器件制備

　　玻璃基底首先在40g/l 的KMnO4溶液中浸泡4 h 以去除表面油污，去離子水沖洗后依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，清洗時間均為15 min，爾后烘干備用�；趯嶒炇夜ぷ鞯幕A，在CS-450 真空蒸發(fā)蒸鍍系統(tǒng)中，按照圖1 各功能層順序依次制備了100 nm Al、50 nm Alq3和45 nm TPD 的膜層，薄膜的厚度用在線膜厚監(jiān)控儀監(jiān)控。蒸鍍TPD 膜層結束后，器件被迅速移至CS-300 濺射鍍膜系統(tǒng)中制備ITO薄膜。

　　在濺射過程中，等離子體中除了沉積粒子In3 +、Sn4 +、In2O3、SnO2外，還有O2 -、O -、二次電子等負離子，這些高能負離子和電子會對襯底及其上已沉積的薄膜產(chǎn)生濺射損傷。為避免這種作用，對DMS技術進行改進，改進后的EFMS 技術真空室內(nèi)部結構如圖2 所示。在靶和襯底之間靠近襯底一側且平行于襯底處加一過濾電極， ITO靶陰極與襯底支架陽極間距為70 mm，過濾電極距襯底支架表面6mm。過濾電極為100 μm 厚的不銹鋼金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為0.238mm²，孔隙率為55%。

EFMS真空室結構示意圖