DE102007059887A1

DE102007059887A1 - Lichtemittierendes organisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102007059887A1
Application number: DE102007059887A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Kanitz; Günter Dr. Schmid; Arvid Dr. Hunze; Britta Dr. Göötz; Thomas Dr. Dobbertin; Norwin Von Dr. Malm; Arndt Dr. Jaeger
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Pictiva Displays International Ltd
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-12-13
Also published as: DE102007059887B4

Abstract

Ein lichtemittierendes organisches Bauelement umfasst eine erste Ladungsträgerinjektionsschicht, eine zweite Ladungsträgerinjektionsschicht sowie eine dazwischen angeordnete lichtemittierende Schicht. Eine erste Ladungsträgertransportschicht ist zwischen der ersten Ladungsträgerinjektionsschicht und der lichtemittierenden Schicht angeordnet und umfasst zur Erhöhung der Ladungsträgerdichte eine Schicht mit einer Matrix sowie einem darin eingelagerten Ladungsträgerdonator.

Description

Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes organisches Bauelement, insbesondere eine so genannte organische Leuchtdiode sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Es besteht ein Bedürfnis, ein lichtemittierendes organisches Bauelement mit einer höheren Lebensdauer vorzusehen. Ebenso sollte ein derartiges Bauelement in einfacher Weise herstellbar sein.
Die vorliegende Erfindung trägt den oben genannten Bedürfnissen dadurch Rechnung, dass ein Komplex aus einem Stoff sowie einem darin eingelagerten einfach ionisierbaren Material in oder auf eine Schicht eines organischen Bauelementes eingebracht ist. Insofern umfasst der aufgebrachte Komplex eine Interkalationsverbindung. Bevorzugt handelt es sich bei dem Bauelement um ein lichtemittierendes organisches Bauelement.
Der Komplex ist dahingehend ausgestaltet, dass das im Stoff eingelagerte einfach ionisierbare Material, beispielsweise ein Element oder Molekül, auch nach einer Ionisierung in seinem Ort weitestgehend fixiert wird. Dadurch wird eine Diffusion des ionisierbaren Materials bei einem äußeren angelegten elektrischen Feld vermieden. Das im Stoff eingelagerte einfach ionisierbare Material kann einen Ladungsträgerdonator umfassen und im Besonderen einen Elektronendonator oder ein Elektronenakzeptor, was einem Löcherdonator entspricht.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Interkalationsverbindung bzw. der Komplex ein ausgedehntes π-Elektronensystem aufweisen, welches in eine Wechselwirkung mit dem entsprechenden ionisierbaren Material tritt. Dabei kann das Material, allgemein auch als Ladungsträgerdonator bezeichnet, sowohl einen Elektronendonator als auch einen Elektronenakzeptor, also einen Löcherdonator, darstellen. Beispielsweise bietet sich ein Alkali-Metall als möglicher Elektronendonator an und insbesondere bietet sich Caesium wegen der geringen Ionisierungsenergie als einfacher Elektronendonator an.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das lichtemittierende organische Bauelement eine erste Ladungsträgerinjektionsschicht, eine zweite Ladungsträgerinjektionsschicht sowie eine dazwischen angeordnete lichtemittierende Schicht auf. Eine erste Ladungsträgertransportschicht ist zwischen der ersten Ladungsträgerinjektionsschicht und der lichtemittierenden Schicht angeordnet und umfasst weiterhin eine Schicht mit einer Interkalationsverbindung, d. h. mit einem Stoff sowie einem in dem Stoff eingelagerten ionisierbaren Material, dem Ladungsträgerdonator. In einer Ausgestaltung der Erfindung weist diese Schicht elementaren Kohlenstoff auf, beispielsweise in Form von Graphit, welcher ein ausgedehntes π-Elektronensystem enthält. In diesem sind als Ladungsträgerdonator beispielsweise Alkali-Metallatome eingebracht.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die erste Ladungsträgertransportschicht eine Zwischenschicht, die aus dem besagten Stoff mit eingelagertem und ionisierbarem Material gebildet und zwischen der ersten Ladungsträgerinjektionsschicht und der Ladungsträgertransportschicht angeordnet ist. Dabei kann die erste Ladungsträgertransportschicht beispielsweise eine Elektronentransportschicht sein. Ebenso ist es möglich, auch die Löcherdichte durch einen entsprechenden Elektronenakzeptor in einer zusätzlichen Zwischenschicht zu verbessern.
Darüber hinaus umfasst das lichtemittierende organische Bauelement in einer weiteren Ausgestaltung eine zweite Ladungsträgertransportschicht zwischen der lichtemittierenden Schicht und der zweiten Ladungsträgerinjektionsschicht. Die zweite Ladungsträgertransportschicht umfasst einen Komplex mit einem anorganischen Material, der weiterhin eine organische Verbindung und einen darin eingelagerten Elektronendonator oder Löcherdonator umfasst. In dieser Ausgestaltung enthält das lichtemittierende organische Bauelement zwei Ladungsträgertransportschichten mit je einem Komplex, um die Ladungsträgerdichte in der lichtemittierenden Schicht zu erhöhen und gleichzeitig eine Diffusion der die Ladungsträgerdichte erhöhenden Materialien zu verhindern.
Ein lichtemittierendes organisches Bauelement kann beispielsweise durch Aufsputtern einer mit dem Ladungsträgerdonator versehenen Graphitschicht auf eine Metallschicht erfolgen. Dabei bildet die aufgesputterte Schicht die Zwischenschicht, auf der anschließend das Elektronentransportmaterial abgeschieden wird. Im Folgenden werden verschiedene Schichten, darunter beispielsweise eine Ladungsträgerblockierschicht, Emittermaterialien sowie mehrere Matrixschichten abgeschieden. Diese dienen einerseits dazu, den Löcher- beziehungsweise Elektronentransport aus der lichtemittierenden Schicht hinaus zu unterbinden und so eine möglichst hohe Ladungsträgerdichte in der lichtemittierenden Schicht zu erhalten. Zudem dienen sie als Puffer, so dass zwei an sich aufeinander nicht abscheidbare Schichten mittelbar miteinander verbunden werden können. Nach der Abscheidung von Lochinjektionsmateri alien sowie den entsprechenden Anoden wird das Bauelement verkapselt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann nach Abscheiden von Lochinjektionsmaterialien auf einem Substrat mit transparenter Anode die entsprechende Ladungsträgerblockier-, Emitter- und Matrixschichten ausgebracht werden. Anschließend wird das Elektronentransportmaterial aufgebracht, in dem beispielsweise der Komplex mit dem Stoff sowie dem darin eingelagerten Ladungsträgerdonator enthalten ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines lichtemittierenden organischen Bauelementes,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines lichtemittierenden organischen Bauelementes,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelementes und
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines lichtemittierenden organischen Bauelementes.
Organische Leuchtdioden und aus organischen Dünnschichten aufgebaute lichtemittierende Bauelemente besitzen eine Vielfalt verschiedener Anwendungsmöglichkeiten. Mit der steigenden kommerziellen Bedeutung derartiger Bauelemente besteht das Bedürfnis, diese einerseits möglichst preisgünstig herzu stellen und andererseits bevorzugte elektrische Eigenschaften bei ihnen zu erreichen. Im speziellen Fall von Leuchtdioden, bei denen eine organische lichtemittierende Schicht zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist, besteht ein wesentlicher Aspekt darin, die Leitfähigkeit der einzelnen Schichten zu verbessern, um somit einen besseren Ladungsträgertransport in die lichtemittierende Schicht zu ermöglichen.
Beispielsweise lässt sich in einer oder mehreren Schichten des Bauelements durch eine Dotierung mit einem geeigneten Material die Ladungsträgerdichte in der entsprechenden Schicht und damit auch ihre Leitfähigkeit beträchtlich erhöhen. Die erhöhte Ladungsträgerdichte führt wiederum zu einem geringeren Widerstand des gesamten organischen Bauelementes, wodurch die Betriebsspannung und gegebenenfalls auch die Verlustleistung reduziert werden kann.
In der US 5,093,698 ist die Verwendung von dotierten Ladungsträgertransportschichten in organischen Leuchtdioden, beispielsweise einer p-Dotierung der Löchertransportschicht durch Beimischung von akzeptorartigen Molekülen beziehungsweise einer n-Dotierung der Elektronentransportschicht durch Beimischung von donatorartigen Molekülen, beschrieben. Eine derartige Dotierung organischer Schichten kann beispielsweise auch durch anorganische Materialien erfolgen, wie u. a. in der US 6,013,384 beschrieben.
Bei einer Dotierung organischer Schichten mit anorganischen Materialien besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass die verwendeten Atome beziehungsweise Moleküle aufgrund ihrer geringen Größe in der entsprechenden Schicht nach dem Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes innerhalb der Schicht oder gar aus dieser heraus diffundieren. Dadurch verändert sich die Dotierkonzentration in den entsprechenden Schichten, wodurch die Leitfähigkeit sinkt und die Lebensdauer des organischen Bauelements signifikant reduziert werden kann.
1 zeigt ein organisches lichtemittierendes Bauelement, welches als OLED bezeichnet wird und bei der die Lebensdauer gegenüber herkömmlichen Bauelementen erhöht ist.
Das organische lichtemittierende Bauelement umfasst eine organische Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere kann die organische Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich ausgebildet sein. Die organische Halbleiterschichtenfolge kann dabei einen funktionalen Bereich mit einer oder mehreren funktionalen Schichten aus organischen Materialien aufweisen. Die funktionalen Schichten können dabei beispielsweise Ladungsträgertransportschichten und/oder lichtemittierende Schichten aufweisen, also etwa Elektronentransportschichten, elektrolumineszierende Schichten, Lochinjektionsschicht und/oder Lochtransportschichten. In den funktionellen Schichten kann beim Anlegen einer Spannung beziehungsweise eines Stromes an eine erste und zweite Ladungsträgerinjektionsschicht, zwischen den der aktive Bereich, insbesondere eine lichtemittierende Schicht, angeordnet ist, durch Elektronen- und Löcherinjektion und -rekombination elektromagnetische Strahlung mit einer einzelnen Wellenlänge oder einem Bereich von Wellenlängen erzeugt werden. Dabei kann bei einem Betrachter ein einfarbiger, ein mehrfarbiger und/oder ein mischfarbiger Leuchteindruck erweckt werden.
Die erste Ladungsträgerinjektionsschicht kann dabei als Anode ausgebildet sein, während die zweite Ladungsträgerinjektionsschicht als Kathode ausgebildet sein kann. Alternativ kann auch die Polarität der Ladungsträgerinjektionsschichten vertauscht sein.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das organische Bauelement 1 Kathode 2 als erste Ladungsträgerinjektionsschicht zur Zuführung von Elektronen, die eine Metallschicht oder eine Metallverbindungsschicht aufweist. Das kann Aluminium, Chrom, Molybdän, Nickel, Silber, Platin, Barium, Indium, Gold, Magnesium, Calcium oder Lithium sowie Verbindungen, Kombinationen und Legierungen aufweisen oder aus einem der genannten Materialien oder Kombinationen oder Legierungen daraus bestehen. Dabei kann eine Schicht mit einem transparenten Metall eine Dicke von größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 50 nm, insbesondere größer oder gleich 20 nm und kleiner oder gleich 40 nm, aufweisen. Grundsätzlich eignen sich besonders Materialien mit niedriger Austrittsarbeit, da die Kathode als Elektroneninjektor arbeitet.
Auf der Kathode 2 ist des Weiteren eine Graphitschicht 3 aufgesputtert, die ein Alkali-Metall aufweist. Alkalimetall und Graphit bilden eine Interkalationsverbindung, wobei das Graphit als Modifikation des elementaren Kohlenstoffs ein ausgedehntes π-Elektronensystem besitzt, welches in eine Wechselwirkung mit dem Alkali-Metall tritt. Gibt ein Alkali-Metall-Atom nunmehr sein Valenzelektron ab, verhindert das ausgedehnte π-Elektronensystem der aufgesputterten Graphitschicht 3 eine Diffusion des dadurch ionisierten Alkali-Metall-Atoms zur negativ geladenen Kathode hin. Durch das Alkali-Metall kann somit die Dichte freier Ladungsträger erhöht und damit die Effizienz des Bauelements verbessert werden. Die erhöhte Ladungsträgerdichte führt zu einem geringeren Flächenwiderstand und damit einer geringeren benötigten Betriebsspannung und entsprechend reduzierten aufzubringenden elektrischen Leistung beim Betrieb des Bauelements.
Auf der Graphitschicht 3 ist eine Elektronentransportschicht 4 abgeschieden. Graphitschicht und Elektronentransportschicht bilden die Ladungsträgertransportschicht des Bauelementes. Dabei können wie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Graphitschicht und die Elektronentransportschicht durch zwei getrennte Schichten dargestellt werden. Ebenso ist es jedoch möglich, durch geeignete Herstellungsverfahren Elektronentransportschicht und die zusätzliche Schicht mit dem ausgedehnten π-Elektronensystem sowie dem darin eingeschlossenen Ladungsträgerdonator gleichzeitig aufzubringen. Eine weitere Schicht 4' bildet eine Matrixschicht, dient ebenso zum Elektronentransport und ermöglicht ein Abscheiden weiterer Schichten. Die weitere Schicht 4' kann erforderlich werden, wenn Elektronentransportschicht und nachfolgende Schichten chemisch miteinander reagieren würden und/oder wenn zwischen ihnen eine Potentialbarriere entstehen würde, welche einen Ladungsträgertransport erschweren und den Widerstand des Bauelements erhöhen würde. Mit der zusätzlichen Elektronentransportschicht 4' wird dieser Effekt reduziert.
Zwischen den Elektronentransportschichten 4 und 4' und der Emitterschicht 6 ist eine Blockierschicht 5 angeordnet, welche einen Löchertransport durch die Emitterschicht hindurch in Richtung auf die Kathode verhindern soll. Die Blockierschicht 5 sowie die unterhalb der Emitterschicht 6 angeordnete zweite Blockierschicht 7 für Elektronen schließen somit Löcher beziehungsweise Elektronen in der Emitterschicht 6 ein und erhöhen so die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination in der lichtemittierenden Emitterschicht 6. Dadurch wird insge samt die Lichtausbeute und die Effizienz des Bauelementes verbessert.
Die aktive Emitterschicht 6 umfasst ein oder mehrere organische Elektrolumineszenzmaterialien, die bei Anlegen einer Spannung an die Anode und Kathode Licht emittieren. Als organische Elektrolumineszenzmaterialien können beispielsweise verwendet werden:

(i) Polyp-phenylenvinylen) und seine Derivate, an verschiedenen Positionen an der Phenylengruppe und oder an der Vinylengruppe substituiert;
(ii) Polyarylenvinylen, wobei es sich bei dem Arylen um solche Gruppen wie etwa Naphthalin, Anthracen, Furylen, Thienylen, Oxadiazol und dergleichen handeln kann, außerdem können zusätzlich Substituenten an verschiedenen Positionen an dem Arylen und oder Vinylen enthalten sein;
(iii) Copolymere von Arylen-Vinylen-Oligomeren wie etwa solche in (ii) mit nichtkonjugierten Oligomeren;
(iv) Poly(p-phenylen) und seine Derivate, an verschiedenen Positionen an der Phenylengruppen substituiert, einschließlich Leiterpolymerderivate wie etwa Poly(9,9-dialkylfluoren) und dergleichen;
(v) Polyarylene, wobei es sich bei dem Arylen um solche Gruppen wie Naphthalin, Anthracen, Furylen, Thienylen, Oxadiazol und dergleichen handeln kann; und ihre an verschiedenen Positionen an der Arylengruppe substituierte Derivate;
(vi) Copolymere von Oligoarylenen wie etwa solche in (v) mit nichtkonjugierten Oligomeren;
(vii) Polychinolin und seine Derivate sowie Copolymere hiervon mit p-Phenylen; und
(viii) Starre Stabpolymere wie etwa Poly(p-phenylen-2,6-benzobisthiazol), Poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol), Poly(p-phenylen-2,6-benzimidazol) und ihre Derivate.

Zu anderen organischen emittierenden Polymeren wie etwa solchen, die Polyfluoren verwenden, zählen Polymere, die grünes, rotes, blaues oder weißes Licht emittieren, oder ihre Familien, Copolymere, Derivate oder deren Mischungen. Zu weiteren Polymeren zählen Polyspirofluoren-artige Polymere.
Alternativ können anstatt Polymere kleine organische Moleküle, die über Fluoreszenz oder über Phosphoreszenz emittieren, als Emittermaterialien in der organischen Elektrolumineszenschicht dienen. Zu Beispielen für kleinmolekülige organische Elektrolumineszenzmaterialien zählen:

(i) Tris(8-hydroxychinolinato)aluminium (Alq₃);
(ii) 1,3-Bis(N,N-dimethylaminophenyl)-1,3,4-oxidazol (OXD-8);
(iii) Oxo-bis(2-methyl-8-chinolinato)aluminium;
(iv) Bis(2-methyl-8-hydroxychinolinato)aluminium;
(v) Bis(hydroxybenzochinolinato)beryllium (BeQ.sub.2);
(vi) Bis(diphenylvinyl)biphenylen (DPVBI); und
(vii) Arylamin-substituiertes Distyrylarylen (DSA-Amin).

Solche Polymer- und kleinmolekülige Materialien sind in der Technik wohl bekannt und werden beispielsweise im US-Patent Nr. 5,047,687 beschrieben.
Die Dicke der aktiven lichtemittierenden Schicht 6 liegt zwischen etwa 5 nm und etwa 500 nm, bevorzugt zwischen etwa 20 nm und etwa 100 nm und ganz besonders bevorzugt bei etwa 40 nm. Bei der aktiven Schicht 6 kann es sich um einen kontinuierlichen Film handeln, der nicht-selektiv abgeschieden wird (z. B. Aufschleudern), oder um diskontinuierliche Gebiete, die selektiv abgeschieden werden (z. B. durch Tintenstrahldrucken).
Alternativ kann die lichtemmittierende Schicht 6 auch aus mindestens zwei lichtemittierenden Teilschichten, die beispielsweise unter den oben aufgeführten ausgewählt sind. Im Fall von zwei oder mehr lichtemittierenden Teilschichten kann die relative Konzentration des Hostelements und des Dotier stoffelements so eingestellt werden, dass man die gewünschte Farbe erhält. Die aktive Schicht 6 kann hergestellt werden durch Vermengen oder Vermischen der Elemente, entweder physisch, chemisch oder beides.
Auf der zweiten Blockierschicht 7 ist schließlich eine Löchertransportschicht 8 aufgebracht, an die sich die als Anode ausgebildete zweite Ladungsträgerinjektionsschicht 9 anschließt. Die Löchertransportschicht 8 kann beispielsweise eine Polymerschicht aus einer wässrigen Lösung mit Polyethylendioxythiophen ("PEDOT") und Polystyrolsulfonsäure ("PSS") gebildet werden, wobei das Gewichtsverhältnis von PSS zu PEDOT zwischen 1 und 20 liegen kann. Ebenfalls geeignet als Löchertransportschicht sind beispielsweise tertiäre Amine, Carbazolderivate, leitendes Polyanilin oder Polyethylendioxythiophen als vorteilhaft erweisen.
Die Anode 9 dient zur Zuführung positiver Ladungsträger. Mit Hilfe der Löcher- beziehungsweise der Elektronentransport- und -injektionsmaterialien wird die Ladungsträgerdichte erhöht und gleichzeitig ein Widerstand zwischen den einzelnen Schichten verringert. Eine Verkapselung 10 dient schließlich zum Schutz des Bauelementes.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird zur Verbesserung der Leitfähigkeit und des Widerstandes eine zusätzliche Graphitschicht mit eingebrachten Alkaliatomen zwischen der Kathode 2 und der Elektronentransportschicht 4 angeordnet, welche eine Interkalationsverbindung bildet. Zur Verhinderung der Diffusion der ionisierten Ladungsträgerdonatoren dient das ausgedehnte π-Elektronensystem des aufgesputterten Graphits. Anstatt des verwendeten Graphits können auch andere Kohlenstoffverbindungen verwendet werden. Hierbei bieten sich beispielsweise Fullerene oder auch Carbon-Nanotubes an, in die wiederum ein Ladungsträgerdonator, beispielsweise ein Alkali-Metall, eingeschlossen ist. Ein anderes organisches Molekül mit einem ausgedehnten π-Elektronensystem ist Perylen und alle anderen angular und linear höher annelierten Aromaten und Heteroaromaten.
Wesentlich bei der Verringerung einer Diffusion der verwendeten Ladungsträgerdonatoren sind somit eine Komplexierung und eine chemische Wechselwirkung mit dem verwendeten Ladungsträgerdonator durch den Stoff, der als Diffusionsbarriere wirkt.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Bauelementes mit einer verbesserten Leitfähigkeit durch eine zusätzliche dotierte Schicht. Er ist als "Bottom Emitter" ausgeführt und beispielsweise auf einem transparenten Substrat angeordnet, das hier nicht dargestellt ist. Dies kann Glas, Quarz oder ein transparenter Kunststoff sein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Bauelement eine emittierende Schicht mit drei Teilschichten 61 bis 63 mit unterschiedlichen organischen Molekülen. Dadurch lassen sich unterschiedliche Farben erzeugen, so dass das in der 2 dargestellte Bauelement beispielsweise weißes Licht in Richtung der auf dem Substrat angeordneten und als Anode ausgebildeten ersten Ladungsträgerinjektionsschicht 90 abstrahlt.
Die Anode 90, die als Löcher-injizierendes Material dient, kann bei einem Bottom Emitter bevorzugt ein transparentes leitendes Oxid aufweisen oder aus einem transparenten leitenden Oxid bestehen. Transparente leitende Oxide (transparent conductive Oxides, kurz "TCO") sind transparente, leitende Materialien, in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO₂ oder In₂O₃ gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO₃, ZnSnO₃, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können auch p- oder n-dotiert sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist das Bauelement weiterhin eine Elektronentransportschicht 40 und eine als Kathode ausgebildete zweite Ladungsträgerinjektionsschicht 20 auf, zwischen denen wiederum eine Zwischenschicht 30 umfassend eine Interkalationsverbindung mit einem komplexierten Ladungsträgerdonator angeordnet ist. Die Verbindung in der Schicht 30 verhindert eine Diffusion der ionisierten Ladungsträgerdonatoren in Richtung der Kathode beziehungsweise der Anode hin, wodurch die Lebensdauer des Bauelementes beträchtlich verbessert wird. An die Schicht 40 mit dem organischen Elektronentransportmolekül schließt sich eine Löcherdiffusionsbarriere 50 an. Diese verhindert eine Diffusion der von der Anode eingebrachten Löcher in Richtung auf die Kathode 20 hin. Löcher verbleiben somit in den Teilschichten 61 bis 63 und können bevorzugt dort mit den über die Kathode 20 zugeführten Elektronen rekombinieren.
Entsprechend ist eine Elektronenbarriere durch die verwendete Löchertransportschicht 70 gegeben. Auf die Löchertransportschicht 70 ist eine zusätzliche Zwischenschicht 80 mit einem organischen Löcherdonator aufgebracht. Ein derartiger Löcherdonator wird auch als Elektronenakzeptor bezeichnet und dient zur Erhöhung der Löcherdichte innerhalb des Bauelementes. Über die transparente Anode können einerseits das in den Teil schichten 61 bis 63 erzeugte Licht abgestrahlt und andererseits die positiven Ladungsträger zugeführt werden.
Ein Alkali-Metall, beispielsweise Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium und Caesium, eignet sich für eine Interkalationsverbindung bei der Verwendung von Graphit als π-Elektronensystem, denn es lagert sich in die Schichtebenen des Graphitgitters ein. Dadurch erfährt das Alkali-Metall zu den π-Elektronen in der Graphitgitterschicht eine komplexierende chemische Wechselwirkung und bildet die Interkalationsverbindung aus. Diese verleiht ihm eine Diffusionsfestigkeit gegenüber dem elektrischen Feld. Eine mit einem Alkali-Metall dotierte Graphitschicht verfügt weiterhin über eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, so dass die Möglichkeit der Nutzung edlerer Kathodenmaterialien besteht, die im Vergleich zu beispielsweise Al eine schlechtere elektrische Leitfähigkeit aufweisen, jedoch weniger reaktiv mit Wasser oder Sauerstoff sind und daher vorteilhaft hinsichtlich der Haltbarkeit und Lebensdauer des Bauelements. Dadurch kann die Lebensdauer des Bauelements nach einer Verkapselung verbessert werden.
3 zeigt eine Darstellung einzelner Herstellungsschritte für den Aufbau eines organischen Bauelementes mit einer verbesserten Leitfähigkeit und höheren Lebensdauer. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine organische Leuchtdiode mit einem inversen Aufbau, d. h. mit der Kathode beginnend, hergestellt.
In Schritt S1 wird hierzu eine Metallschicht als Kathode bereitgestellt und darauf ein mit einem Alkali-Metall dotierte Graphitschicht aufgesputtert. Der inverse Aufbau, beginnend mit der Metallschicht, hat den Vorteil, dass ein einfacher Sputtervorgang zur Herstellung der Alkali-Metall-dotierten Graphitschicht verwendet werden kann. Darüber hinaus können nach Abschluss des Sputtervorgangs zur Verbesserung einer Diffusionsbarriere der in der Graphitschicht befindlichen Alkali-Ionen ein "Anneal-Vorgang" durchgeführt werden. Bei diesem wird die inerte Metallfolie mit der aufgesputterten dotierten Graphitschicht geheizt, so dass sich eine gleichmäßigere Verteilung der Alkali-Metallatome in der Graphitschicht erreichen lässt. Als Metallfolie kann sich in Schritt S1 u. a. ein Kathodenmaterial eignen, bei dem die Austrittsarbeit gering ist. Ebenso eignet sich ein Kathodenmaterial, mit dem bei einer späteren Verkapselung des gesamten Bauelementes die Lebensdauer aufgrund des verwendeten Kathodenmaterials nicht wesentlich herabgesetzt wird.
Nach dem Aufsputtern der dotierten Graphitschicht wird das Bauelement in Schritt S2 in eine Aufdampfanlage gebracht und dort wird ein organisches Elektronentransportmaterial abgeschieden, das zusammen mit der Graphitschicht eine Elektronentransportschicht bildet. Dieses ist derart gewählt, dass an der Grenzfläche zwischen der dotierten Graphitschicht und dem Elektronentransportmaterial nur ein geringfügiger elektrischer Widerstand zu erwarten ist, also dass die von den Alkali-Metallatomen abgegebenen Elektronen einfach in das Elektronentransportmaterial gelangen können. Dies lässt sich durch eine geeignete Wahl der Materialien erreichen, bei denen an der Grenzfläche zwischen der Graphitschicht und dem Elektronentransportmaterial eine Bandverbiegung erfolgt, welche die Injektion von Ladungsträgern gewährleistet.
In Schritt S3 werden in verschiedenen Prozessschritten schließlich Ladungsträgerblockier-, Emittermaterial- und Matrixschichten aufgebracht. Dabei dienen die Ladungsträgerblockierschichten vor allem dazu, die aus der noch zu erzeugen den Anode abgegebenen Löcher an einer weiteren Diffusion in Richtung des Elektronentransportmaterials zu hindern. Bei einer geeigneten Wahl des Elektronentransportmaterials kann dieses ebenso als Ladungsträgerblockiermaterial dienen. Gleichzeitig ist die Ladungsträgerblockierschicht für die Löcher durchlässig für die von der Kathode injizierten Elektronen, so dass diese gemeinsam mit den Löchern in der Emittermaterialschicht unter Erzeugung von Licht einer bestimmten Wellenlänge rekombinieren können. Als Resultat einer Blockierschicht wird die Aufenthaltsdauer der Ladungsträger (also Löcher und/oder Elektronen) in der lichtemittierenden Schicht vergrößert und so die Rekombinationsausbeute erhöht.
Entsprechend werden in Schritt S4 Lochinjektionsmaterialien abgeschieden, die zudem eine Blockierschicht für die Elektronen darstellen. Nach einer Abscheidung einer anorganischen beziehungsweise organischen Anode in Schritt S5 wird das Bauelement zum Schutz gegen mechanische und chemische Beschädigungen verkapselt.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Herstellungsverfahrens, bei dem mit der Anode beginnend ein organisches lichtemittierendes Bauelement hergestellt wird. Auf einem Substrat mit transparenter Anode, beispielsweise einem transparenten leitfähigen Oxid, bevorzugt ITO, werden in Schritt S1 Lochinjektionsmaterialen abgeschieden. Diese dienen dazu, die von der Anode injizierten Löcher über die nachher in Schritt S2 abgeschiedenen Schichten in das Emittermaterial zu injizieren.
Die in Schritt S2 abgeschiedenen Schichten bilden zudem auch eine oder mehrere Ladungsträgerblockierschichten, die verhindern, dass Elektronen aus dem Emittermaterial in Richtung der Anode wandern und somit für den Rekombinationsvorgang nicht zur Verfügung stehen. Zusätzlich aufgebrachte Matrixschichten stabilisieren das organische Bauelement. Nach Abscheiden der Ladungsträgerblockierschicht für die Elektronen, dem Emittermaterial und einzelnen Matrixschichten in Schritt S3, wird in Schritt S4 eine Ladungsträgerblockierschicht für die Elektronen sowie das Elektronentransportmaterial abgeschieden. Somit ist das Emittermaterial zwischen zwei Ladungsträgerblockierschichten angeordnet, die jeweils Elektronen beziehungsweise Löchern an einer Diffusion zu der Anode beziehungsweise zu der Kathode hindern und somit die Rekombinationswahrscheinlichkeit im Emittermaterial erhöhen. Gleichzeitig ermöglichen die Transportschichten die Injektion von Elektronen beziehungsweise Löchern in das entsprechende Emittermaterial.
Nach Abscheiden des Elektronentransportmaterials wird schließlich in einem weiteren Schritt S5 eine Schicht mit einem ausgedehnten π-Elektronensystem auf die Elektronentransportschicht aufgebracht. Hierzu eignet sich neben Graphit auch ein organisches Molekül mit einem ausgedehnten π-Elektronensystem, beispielsweise Perylen. Ebenso sind Carbon-Nanotubes, Fullerene oder andere komplexe Kohlenstoffverbindungen möglich. Im Allgemeinen sollten Stoffe verwendet werden, die mit den Ladungsträgerdonatoren eine Interkalationsverbindung bilden.
Zum Aufbringen dieser zusätzlichen Elektronendonatorschicht kann das Bauelement entweder aus der Aufdampfanlage in eine Aufsputteranlage gebracht werden. In diesem Fall können beispielsweise Alkali-Metall-dotierte Graphitschichten aufgesputtert werden. Alternativ kann das Bauelement bei einer geeigneten Materialwahl auch in der Aufdampfanlage verbleiben. Anschließend wird die Kathode auf die zusätzliche Schicht aufgebracht und das Bauelement gegebenenfalls verkapselt.
Letztlich werden in den Schritten S6 und S7 die Kathode aufgebracht und das Bauelement zum Schutz gegen Beschädigungen verkapselt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5093698 [0018]
- US 6013384 [0018]
- US 5047687 [0030]

Claims

Lichtemittierendes organisches Bauelement, umfassend: – eine erste Ladungsträgerinjektionsschicht (2, 9) sowie eine zweite Ladungsträgerinjektionsschicht und eine dazwischen angeordnete lichtemittierende Schicht (6); – eine erste Ladungsträgertransportschicht (4), die zwischen der ersten Ladungsträgerinjektionsschicht (2) und der lichtemittierenden Schicht (6) angeordnet ist und zur Erhöhung der Ladungsträgerdichte eine Matrix aus einem ersten Stoff sowie einem darin eingelagerten Ladungsträgerdonator aufweist.
Lichtemittierendes organisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Matrix ein ausgedehntes π-Elektronensystem umfasst.
Lichtemittierendes organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Ladungsträgerdonator ein Alkali-Metall umfasst.
Lichtemittierendes organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Stoff elementaren Kohlenstoff, Perylen oder angular oder linear höher annelierte Aromaten und Heteroaromaten umfasst.
Lichtemittierendes organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Matrix aufgesputtertes Graphit mit einem Alkali-Metall, insbesondere Caesium umfasst.
Lichtemittierendes organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste Ladungsträgertransportschicht eine Zwischenschicht aufweist, die aus der Matrix ge bildet und zwischen der jeweils ersten Ladungsträgerinjektionsschicht und einer weiteren Ladungsträgertransportschicht angeordnet ist.
Lichtemittierendes organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die erste Ladungsträgertransportschicht eine Elektronentransportschicht ist.
Lichtemittierendes organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine zweite Ladungsträgertransportschicht zwischen der lichtemittierenden Schicht und der zweiten Ladungsträgerinjektionsschicht angeordnet ist und eine Matrix aus einem Stoff oder einer organischen Verbindung und einem darin eingelagerten Ladungsträgerdonator umfasst.
Lichtemittierendes organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zwischen der ersten Ladungsträgertransportschicht (4) und der lichtemittierenden Schicht (6) eine Blockierschicht (5, 7) angeordnet ist, die eine unerwünschte Ladungsträgerdrift verhindert.
Lichtemittierendes organisches Bauelement, umfassend: – eine Anode und eine Kathode (2), sowie eine dazwischen angeordnete lichtemittierende Schicht (6); – eine Ladungsträgertransportschicht (4), die wenigstens zwischen der lichtemittierenden Schicht (6) und der Kathode (2) angeordnet ist; – eine zwischen der Ladungsträgertransportschicht und der Kathode angeordnete Schicht (3), die eine Interkalationsverbindung mit einem Alkali-Metall umfasst.
Lichtemittierendes organisches Bauelement nach Anspruch 10, bei dem die Interkalationsverbindung Graphit mit dem darin eingebeteten Alkali-Metall umfasst.
Lichtemittierendes organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 11, bei dem zwischen der Ladungsträgertransportschicht (4) und der lichtemittierenden Schicht (6) eine Blockierschicht (5, 7) angeordnet ist, die eine unerwünschte Ladungsträgerdrift verhindert.
Verfahren zur Herstellung eines organischen Bauelements, umfassend die Schritte: – Bereitstellen einer Kathode; – Aufbringen einer Schicht, aufweisend eine Interkalationsverbindung aus einer Matrix mit einem darin eingelagerten Ladungsträgerdonator; – Aufbringen einer Elektronentransportschicht auf der Schicht; – Herstellen weiterer Schichten zur Fertigung des organischen Bauelements, darunter insbesondere einer lichtemitierenden Schicht.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Aufbringens ein Aufsputtern von Graphit mit darin eingelagertem Alkali-Metall, insbesondere Cäsium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Aufbringens ein Aufbringen eines Stoffes mit einem ausgedehnten π-Elektronensystem umfasst, in dem der Ladungsträgerdonator im Wesentlichen fixiert ist.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das ausgedehnte π-Elektronensystem Graphit, Fullerene, Carbon-Nanotubes, Pery len oder angular oder linear höher annelierte Aromaten oder Heteroaromaten umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem der Schritt des Herstellens weiterer Schichten die Schritte eines – Aufbringens wenigstens einer lichtemittierenden Schicht; – Aufbringens einer Ladungsträgertransportschicht; und – Aufbringens einer Anode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem auch zwischen der Ladungsträgertransportschicht und der Anode eine Schicht mit einer Interkalationsverbindung aus einer Matrix mit einem darin eingelagerten Löcherdonator angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines organischen Bauelements, umfassend die Schritte: – Bereitstellen einer Anode; – Aufbringen einer Löchertransportschicht auf der Anode; – Aufbringen einer lichtemittierenden Schicht auf der Löchertransportschicht; – Aufbringen einer Löcherblockierschicht auf der lichtemittierenden Schicht und einer Elektronentransportschicht; – Aufbringen einer Schicht, aufweisend eine Interkalationsverbindung aus einer Matrix mit einem darin eingelagerten Ladungsträgerdonator; – Aufbringen einer Kathode auf der Schicht.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der Schritt des Aufbringens ein Aufbringen eines Stoffes mit einem ausgedehnten π-Elektronensystem umfasst, in dem der Ladungsträgerdonator im Wesentlichen fixiert ist.