專利名稱：光學元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學元件及其制造方法。
2.背景技術(shù)近年來，作為代替CRT和LCD的顯示設(shè)備，用有機發(fā)光二極管(下稱OLED)作為發(fā)光元件的有機電致發(fā)光(EL)顯示設(shè)備十分引人注目。
空穴和電子分別從形成在玻璃基板上的陽極和置于該陽極上方的陰極注入發(fā)光層，于是這些空穴和電子相互復合而產(chǎn)生激子。而在激子的放射減活過程中，發(fā)光層發(fā)射光，因而有機EL元件就發(fā)光。要指出，在陽極與發(fā)光層之間設(shè)置了空穴傳輸層，而在陰極與發(fā)光層之間設(shè)置了電子傳輸層。
作為一個問題，在如上構(gòu)成的有機EL元件中，電子傳輸層和發(fā)光層容易受到水分子和氧分子等雜質(zhì)的影響，與LCD等相比，其隨時間的劣化通常更明顯。
再者，難以穩(wěn)定地將電子注入發(fā)光層，從而造成亮度變化的問題。為了穩(wěn)定地注入電子，一般將逸出功低的金屬用作陰極材料。而且，陰極要求采取措施以減小電阻，減少金屬須與小丘，或消除電遷移或應力遷移。
3.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明考慮到上述情況，其一個目的是提供一種可抑制光學元件亮度變化的技術(shù)。本發(fā)明的另一目的是抑制或消除光學元件每小時的劣化變化。本發(fā)明的又一目的是延長光學元件的壽命。本發(fā)明的再一個目的是提高光學元件中電子的注射效率。
根據(jù)本發(fā)明，陰極用低電阻率的鋁制作，減小了陰極的電阻。但鋁有一個問題，即它的逸出功隨其表面定向而變化。例如，鋁的逸出功在表面定向(110)時為4.06eV，在表面定向(111)時為4.24eV，在表面定向(100)時為4.41eV。陰極中逸出功的不均勻性可能使電子從逸出功較低的位置注入，在該位置造成明顯的劣化。再者，陰極中逸出功的變化，在整體上反映出電子注入效率發(fā)生相應變化的問題，由于影響了光學元件的發(fā)光，致使亮度不均勻。
根據(jù)上述問題，發(fā)明人認定，通過構(gòu)成一種用表面定向基本上均勻的鋁形成陰極的結(jié)構(gòu)，可以使陽極的逸出功在總體上實現(xiàn)均勻。根據(jù)本發(fā)明，提供的一種光學元件，包括至少一塊基板，形成在該基板上的陽極、形成在陽極上的發(fā)光元件層和形成在發(fā)光元件層上的陰極，其中陽極用表面定向基本上均勻的鋁構(gòu)成?！盎旧暇鶆颉敝?，根據(jù)x射線分析法測定，鋁的同一表面定向至少為90％或以上。
用表面定向基本上均勻的鋁構(gòu)成陰極，可以使陰極的逸出功總體上變得均勻，由此防止元件的局部劣化，還減小了亮度變化。發(fā)光元件層可以是一種有機EL元件。而且，在發(fā)光元件層一側(cè)的界面，可用表面定向基本上均勻的鋁構(gòu)成陰極。
鋁的表面定向可以是(110)或(111)。將鋁的表面定向置成(110)或(111)，可以減小陰極的逸出功，從而增強了電子注入效率。
該光學元件還包括設(shè)置在發(fā)光元件層與陰極之間并與陰極接觸的氟化鋰層，其膜厚度總共為0.5nm～2nm。
將氟化鋰層置于發(fā)光元件層與陰極之間，可降低發(fā)光元件層與陰極之間界面的能壘，從而提高電子注入效率，還延長了元件的壽命。應該指出，用Li2O、MgO或Al2O3等金屬氧化物或MgF2或SrF2等金屬鹵化物制作的層代替上述的氟化鋰層，也有同樣的效果。
根據(jù)本發(fā)明，提供的光學元件至少包括基板、形成在基板上的第一電極、形成在第一電極上的發(fā)光元件層和形成在發(fā)光元件上的第二電極，其中至少在發(fā)光元件層界面附近，第二電極的鋁的氧含量約為1×1020原子/cm3或更低?！敖缑娓浇敝附缑媾c第二電極中心之間的地方。尤其在界面與發(fā)光元件層附近，減少第二電極的氧含量可以減少電子傳輸層和發(fā)光層上的雜質(zhì)，防止有機EL劣化。這里的第一電極可以是陽極，第二電極可以是陰極。
另外，在發(fā)光元件層與第二電極之間設(shè)置氟化鋰層的地方，作為絕緣的氟化鋰層呈現(xiàn)出電極性，所以若第二電極含雜質(zhì)，則氧化鋁等氧化物或其他雜質(zhì)易于在第二電極界面離析。界面附近局部離析的雜質(zhì)作為電子注入的電阻成分，加速元件劣化。然而，降低第二電極的樣含量，能減少這些雜質(zhì)的離析而防止有機EL元件劣化。
再者，第二電極可用高純鋁制作，這樣就降低了鋁內(nèi)的氧化物，并可抑制或消除雜質(zhì)在界面附近離析。而且，能使鋁的表面定向均勻。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造光學元件的方法。該方法包括在形成了至少第一電極和發(fā)光元件層的基板上，在約1×10-4pa或其下的低壓氣壓下，通過蒸發(fā)淀積鋁而形成第二電極。這樣，在高真空態(tài)下形成第二電極，降低了其氧濃度，故減少了氧化物。因此，可以抑制或消除雜質(zhì)向發(fā)光元件層界面附近離析，結(jié)果第二電極中鋁的表面定向基本上均勻。
蒸發(fā)電極可在40℃或以下進行，蒸發(fā)電極溫度可以是0℃或更高，較佳為20℃或以上。在20～40℃室溫內(nèi)形成第二電極，可以減少鋁原子擴散，構(gòu)成穩(wěn)定能態(tài)表面定向為(111)的鋁層。而且，這樣的溫度控制可以抑制氧或碳等粘附于基板地雜質(zhì)地擴散，而且一直擴散到淀積在發(fā)光元件層與第二電極界面上或其他地方地雜質(zhì)。
該方法還包括在低壓氣氛下在發(fā)光元件層上形成氟化鋰層，并在該氟化鋰層上形成第二電極，基板無須從低壓氣氛中取出。這樣，在低壓氣氛下連續(xù)形成氟化鋰層和第二電極，可防止這些層地界面氧化，而且可防止雜質(zhì)污染，抑制雜質(zhì)淀積入界面，還能在氟化鋰層上形成表面定向基本上均勻的第二電極。
另外，第二電極通常提供給多個發(fā)光元件層。在多個發(fā)光元件層上都形成第二電極，可降低電流密度并防止電遷移。
須指出，上述構(gòu)成元件的隨意組合和方法與設(shè)備之間的不同表示都有效，并為提供的諸實施例所包括。
還有，本發(fā)明內(nèi)容無須描述所有必需的特征，故本發(fā)明也可以是這些描述特征的局部組合。
4.


圖1是有機EL顯示設(shè)備顯示像素的平面圖。
圖2A是圖1中沿A-A線的截面圖。
圖2B是圖1中沿B-B線的截面圖。
圖3A與3B是x射線衍射法對按本發(fā)明一實例形成的鋁層所作的分析結(jié)果。
圖4是按本發(fā)明一實例形成的光學元件中氧含量的測量結(jié)果。
圖5是陰極氧含量與亮度半壽命周期的關(guān)系曲線。
5.具體實施方式
現(xiàn)在根據(jù)諸較佳實施例描述本發(fā)明，這些實施例并不用來限制本發(fā)明的范圍，僅作示例。實施例所描述的所有特征及其組合，不一定是本發(fā)明的關(guān)鍵。
該實施例的光學元件是一種供有機EL顯示設(shè)備使用的有機EL元件。首先，根據(jù)圖1和圖2A與2B描述有機EL顯示設(shè)備中顯示像素的一般結(jié)構(gòu)。圖1是有機EL顯示設(shè)備顯示像素的平面圖，圖2A是圖1中沿A-A線的截面圖，圖2B是圖1中沿B-B線的截面圖。
像素形成在柵極信號線51與漏極信號線52包圍的區(qū)域內(nèi)。該像素具有作為開關(guān)元件的第一TFT30、驅(qū)動有機EL元件的第二TFT40和電容器90。
第一TFT30包括接至柵極信號線51并對其送柵極信號的柵極11、接至漏極信號線52并對其送漏極信號的漏極13d，以及通過電容器90的電極55之一接至第二TFT40的源極13s。
電容器90的電極55之一與第一TFT源極13s整體模制。電容器90的另一電極54由例如鉻制作，在它與電極55之間通過柵絕緣膜存貯電荷。電容器90保持著加到第二TFT40的柵極42的電壓。
第二TFT40包括接第一TFT30的源極13s的柵極42、接有機EL元件60的陽極61的漏極43d和接驅(qū)動電源線53的源極43s。
圖2A是圖1中A-A線截面，圖2B是圖1中B-B線界面。如圖2A所示，在絕緣基板10上形成了有源層13。絕緣基板10由例如石英玻璃或非堿性玻璃制作。有源層13由多晶硅(p-Si)膜制作。而多晶硅膜通過用激光束照射非晶硅(a-Si)膜制作多晶化而形成。圖中示出了頂柵結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明并不限于該特定結(jié)構(gòu)。有源層13在兩條溝道13c兩側(cè)包括源極13s和漏極13d。本例中，源極13s和漏極13d用n型摻雜劑作離子摻雜，第一TFT30為n溝道型。
在有源層13上表面形成柵絕緣膜12，再在其上形成柵極11和電容器90的電極54之一。柵極11可用鉻與鉬等耐熔金屬制作，構(gòu)成圖1所示的一部分柵信號線51。
在柵極11和柵絕緣膜12整個表面上面，形成由SiN膜和SiO2組成的中間層絕緣膜15。相對漏極13d形成的接觸孔填充鋁等金屬，形成構(gòu)成一部分漏信號線52的漏提取電極16。
如圖2B所示，在絕緣基板10上形成有源層43。有源層43用有源層13同一材料制成。有源層43中形成溝道43c，其兩側(cè)形成源極43s和漏極43d。本例中，源極43s和漏43d用p型摻雜劑作離子摻雜，第二TFT40是p溝道型。
在有源層43上面形成柵絕緣膜12，再在其上形成柵極42，后者用鉻與鉬等耐熔金屬制成，柵極42接第一TFT30的源極13s。在有源層43中，在柵極42下面形成溝道43c。
在柵絕緣膜12和柵極42整個表面上，形成中間層絕緣膜15。相對源極43s形成的接觸孔填充鋁等金屬，形成驅(qū)動電源線53。
在中間層絕緣15、漏提取電極16(示于圖2A)與驅(qū)動電源線53的整個表面上，形成用例如有機樹脂制成的平面化絕緣膜17，并在其上形成有機EL元件60。有機EL元件60有一個依次淀積陽極61、發(fā)光元件層66和陰極67的結(jié)構(gòu)。陽極61通過相對平面化絕緣膜17中的漏極43d形成的接觸孔而接漏極43d。陽極61上形成絕緣膜68，用于防止陰極67與陽極61之間因陽極61的厚度形成臺階使發(fā)光元件層66斷裂而造成的短路。
陽極61的材料實例包括銦錫氧化物(ITO)、二氧化錫(SnO2)和氧化銦(In2O3)，一般使用ITO，因其空穴注入有效，而且表面電阻小。陰極67的材料實例包括含痕量鋰的鋁合金、鎂銦合金和鎂銀合金。發(fā)光元件層66具有依次為空穴傳輸層62、發(fā)光層64與電子傳輸層65的結(jié)構(gòu)。空穴傳輸層62的材料實例包括4，4’，4”-三(3-甲苯基苯基氨基)三苯胺(MTDATA)、N，N’-二(萘-1-基)-N，N’-二苯基-聯(lián)苯胺(NPB)和N，N’-二苯基-N，N’-二(3-甲基苯基)-1，1’-二苯基-4，4’-二胺(TPD)。發(fā)光層64的材料實例包括含喹吖(二)酮衍生物(鈹二羥基苯并喹啉醇鹽(bis(10-hydroxybenzo[h]quinolinolato))Bebq2)的(bis(benzoquinolinolato)鈹二苯并喹啉醇鹽合物合鋁-喹啉(quinolene)合物(Alg3)。電子傳輸層65的材料實例包括Bebq2合Alq3。在下面描述陰極67的結(jié)構(gòu)。
形成空穴傳輸層62、電子傳輸層65和陰極67，使它們?yōu)楦飨袼氐亩鄠€有機EL元件60共享。根據(jù)陽極61，將發(fā)光層64形成一小島。
上述的像素結(jié)構(gòu)與材料僅作示例，不限制本發(fā)明的范圍。例如，第一和第二TFT30與TFT40可以是n溝道型、p溝道型或二者的組合。在第一TFT30中，根據(jù)施加的電壓，包括漏極13d和源極13s的部分可分別用源極與漏極代替。有機EL元件60有一個相反淀積陽極61、發(fā)光元件層66和陰極67的結(jié)構(gòu)。各層間可形成一介入層。
現(xiàn)在描述如此構(gòu)成的像素中有機EL元件的發(fā)光操作原理。柵信號線51向柵極11加上柵信號后，第一TFT30導通，其源極13s施加的電荷貯存于電容器90，并加到第二TFT40的柵極42。根據(jù)加到第二TFT40的柵極42的電壓，驅(qū)動電源線53向有機EL元件60輸送電流。
在有機EL元件60中，陽極61注入的空穴與陰極67注入的電子在發(fā)光層64內(nèi)部復合，激發(fā)構(gòu)成發(fā)光層64的有機分子二產(chǎn)生激子。在激子的能量發(fā)射失活過程中，發(fā)光層64發(fā)光，該光通過透明陽極61發(fā)射二被視為有機EL元件60的光發(fā)射。
下面根據(jù)上述有機EL顯示設(shè)備的顯示像素的結(jié)構(gòu)，描述本發(fā)明的特征。根據(jù)本發(fā)明一實施例，陰極用鋁制作。用低電阻率的鋁形成陰極，可減小其電阻值。
另外，在電子傳輸層65與陰極67之間設(shè)置了氟化鋰層，這種結(jié)構(gòu)提高了陰極67向電子傳輸層65注入電子的效率，由此延長元件的壽命。
須指出，形成陰極67的鋁選用高純度鋁，純度較佳為99.9％或以上。而且，氟化鋰層和陰極67在降低的1×10-4pa或以下的壓力下通過蒸發(fā)淀積而形成。這樣處理后，減少了氟化鋰層和陰極67的雜質(zhì)，所以雜質(zhì)不在這些界面離析，可防止元件劣化。再者，可以消除雜質(zhì)對電子傳輸層65、發(fā)光層63等的影響，進一步防止元件劣化。在氟化鋰層和陰極67蒸發(fā)淀積時，用低溫泵降低壓力。應用低溫泵可以減少碳等雜質(zhì)。
具體而言，在20～40℃常溫范圍內(nèi)在降低壓力的條件下作鋁蒸發(fā)淀積而形成陰極67。這樣的常溫蒸發(fā)淀積，使鋁的表面定向變?yōu)?111)，很穩(wěn)定。而且如上所述，低壓蒸發(fā)淀積可防止表面定向因存在雜質(zhì)而發(fā)生混亂，故可用表面定向基本上均勻的鋁形成陰極67。常溫蒸發(fā)淀積抑制了粘附于基板的雜質(zhì)擴散，因而可抑制這些雜質(zhì)擴散到發(fā)光層66與陰極67的界面。
陰極67形成后，以50～100℃溫度作熱處理，以進一步出去水分等雜質(zhì)，使有機EL元件60穩(wěn)定。
應該指出，正如描述的那樣，對各顯示像素的所有發(fā)光元件層66形成陰極67，使電流密度降低而防止電遷移。
實例下面描述一例陰極67的形成方法。
把其上形成了電子傳輸層65的基板裝入箱內(nèi)，利用負載鎖定型低溫泵使箱內(nèi)環(huán)境變?yōu)?×10-5pa減壓。在此低壓環(huán)境中，在電子傳輸層65上的1nm原膜中蒸發(fā)淀積氟化鋰。在保持這種減壓條件的同時，以30℃溫度在氟化鋰膜上將鋁蒸發(fā)淀積到400nm厚度。使用的鋁為高純度(99.9％或以上)。
之后，以80℃溫度對基板熱處理60分鐘，不暴露于大氣。這一步是預處理，以便在形成陰極后將干燥劑和整個有機EL顯示器陰極一側(cè)的金屬或玻璃密封在一起。
氟化鋰膜的厚度范圍為0.5～2nm，其原因在于，當膜厚度約為0.5nm或以上時，可在整個基板表面上形成均勻的膜，當膜厚度約為2nm時，定向隧道電流開始劇降。引入氟化鋰膜可以降低加到有機EL元件的電壓，從而能延緩空穴傳輸層劣化并延長元件的壽命。
圖3A與3B示出x射線衍射法對上述形成的鋁層所作的分析結(jié)果。由圖3A與3B可明顯看出，峰3出現(xiàn)在位置2e＝38.44，它表示表面定向(111)。與其它峰的強度比較可看出，92％(29946/32496)或以上代表表面定向(111)。須指出，圖3A與3B中，位置2e＝82.40的峰6表示在呈現(xiàn)表面定向(111)的鋁的地方偶爾出現(xiàn)的表面定向(222)的鋁。因此，比較峰3和和6與其他峰的強度比率可看出，95％(31098/32496)或以上代表表面定向(111)。另外，其他峰1、2、4和5都極小，肯定代表著雜質(zhì)而不是其他表面定向的鋁。根據(jù)這些結(jié)果，認為將近100％代表著表面定向(111)。
圖4示出上述形成的光學元件的氧含量測量結(jié)果。該氧濃度用SIMS(二次離子質(zhì)譜法)測量。參考圖4，鋁層的氧含量大部分在1×1020原子/cm3或以下。氧含量在接近測量時受大氣影響的表面處為1×1021原子/cm3，但在0.1im深度為1×1020原子/cm3，在0.25im深度或更接近發(fā)光層界面處為大約1×1019原子/cm3。
圖5是陰極氧含量與綠色(G)亮度半壽命周期的關(guān)系曲線。從圖5可見，陰極氧含量在1×1020原子/cm3或以上時，亮度半壽命周期短得多。
如已經(jīng)描述和示例的那樣，根據(jù)本發(fā)明該實例，陰極用表面定向基本上均勻的鋁形成，而且至少在發(fā)光元件層界面附近，陰極氧含量在1×1020原子/cm3或以下。這些結(jié)果表明，按本發(fā)明該較佳實例形成的陰極能延長有機EL元件的壽命并減小其亮度變化。
雖然已通過諸示例實施例描述了本發(fā)明，但應該明白，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可作出許多改變和替代而不違背所附權(quán)項規(guī)定的本發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1.一種光學元件，其特征在于，至少包括基板；形成在所述基板上的第一電極；形成在所述第一電極上的發(fā)光元件層；和形成在所述發(fā)光元件上的第二電極，其中所述第二電極用表面定向基本上均勻的鋁制作。
2.如權(quán)利要求1所述的光學元件，其特征在于，所述表面定向為(111)。
3.如權(quán)利要求1所述的光學元件，其特征在于，所述第二電極用鋁制作，根據(jù)x射線分析法測定，其同一表面定向至少在90％或以上。
4.如權(quán)利要求1所述的光學元件，其特征在于，所述第二電極的鋁的氧含量，至少在所述第二電極與所述發(fā)光元件層的界面附近約為1×1020原子/cm3或以下。
5.如權(quán)利要求1所述的光學元件，其特征在于，還包括設(shè)置在所述發(fā)光元件層與所述第二電極之間與所述第二電極接觸的氟化鋰層。
6.如權(quán)利要求5所述的光學元件，其特征在于，所述氟化鋰層的膜厚度約為0.5～2nm。
7.一種光學元件，其特征在于，至少包括基板；形成在所述基板上的第一電極；形成在所述第一電極上的發(fā)光元件層；和形成在所述發(fā)光元件上的第二電極，其中所述第二電極的氧含量，至少在所述第二電極與所述發(fā)光元件層的界面附近約為1×1020原子/cm3或以下。
8.如權(quán)利要求7所述的光學元件，其特征在于，表面定向為(111)。
9.如權(quán)利要求7所述的光學元件，其特征在于，所述第二電極用鋁制作，據(jù)x射線分析法測定，其同一表面定向至少在90％或以上。
10.如權(quán)利要求7所述的光學元件，其特征在于，還包括設(shè)置在所述發(fā)光元件層與所述第二電極之間與所述第二電極接觸的氟化鋰層。
11.如權(quán)利要求10所述的光學元件，其特征在于，所述氟化鋰層的膜厚度約為0.5～2nm。
12.一種制造光學元件的方法，其特征在于，所述方法包括在形成至少一第一電極和發(fā)光元件層的基板上，在約為1×10-4pa或以下的低壓氣氛下，通過蒸發(fā)淀積鋁而形成第二電極。
13.如權(quán)利要求12所述的光學元件制造方法，其特征在于，在約為20～40℃溫度范圍內(nèi)作蒸發(fā)淀積。
14.如權(quán)利要求12所述的光學元件制造方法，其特征在于，還包括在低壓氣氛下在所述發(fā)光元件層上形成氟化鋰層，其中所述第二電極形成在所述氟化鋰層上，無須將所述基板從低壓氣氛種取出。
15.如權(quán)利要求14所述的光學元件制作方法，其特征在于，所述氟化鋰以這樣一種方式形成，即形成所述氟化鋰層時，使其膜厚度約為0.5～2nm。
全文摘要
光學元件的陰極由基板形成，陽極形成在基板上，發(fā)光元件層和用鋁制作的陰極，其表面定向基本上均勻。鋁的氧含量基本上低于或等于1×10
文檔編號H01L27/28GK1444425SQ03104119
公開日2003年9月24日 申請日期2003年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月11日
發(fā)明者井手大輔, 鈴木浩司 申請人:三洋電機株式會社