三十而立：有机电致发光器件（OLEDs）发展“正当年”

有机电致发光器件（OLEDs）具有驱动电压低、发光效率高、响应速度快、视角范围大、超薄、可制备成柔性器件等突出优点，经过30多年的发展，OLEDs的综合性能取得了突破性进展，成功实现了商业化应用。目前，OLEDs已经被广泛应用于智能手机、电视、车载显示、头戴显示、工控设备显示、透明显示、穿戴显示等领域。随着未来以信息电子、健康医疗等为代表的各领域对光电器件的柔性化需求进一步增加，以OLEDs为基础的各类新型显示应用场景将层出不穷，OLEDs显示发展“三十而立”，现正当年，已成为新一代信息技术的先导性支柱产业。

最近，华南理工大学的彭俊彪教授团队与广州新视界光电科技有限公司的邹建华博士合作, 从OLEDs器件角度，论述了30年来有机电致发光器件及显示驱动研究发展历程（《发光学报》，2023年44卷第1期：198-217, DOI：10.37188/CJL.20220322）。

文章首先结合OLED器件光电器件性能提升过程，介绍OLED的基本器件结构演变过程；随后系统性重点阐述了现阶段产业上广泛使用以及极具应用前景的器件结构，包括p-i-n OLEDs器件结构、叠层器件结构、非掺杂器件结构；接着主要阐述了OLEDs显示的有源驱动（AMOLED）技术，包括LTPS-TFT、MO-TFT以及LTPO-TFT；最后对OLEDs器件以及驱动技术进行了展望，给相关工作者提供一些参考。

▍OLEDs器件结构

OLEDs属于注入型发光器件，其基本结构是将有机发光薄膜层夹在至少有一个透明电极的两个电极之间形成三明治结构。在此基础上，人们又开发了更为复杂的器件结构，特别是更多有机细分功能层的引入；这些 “功能层”在提高器件发光效率和器件寿命方面起到了十分重要的作用。有机电致发光器件中的主要有机功能层包括：空穴传输层(HTL)、电子传输层(ETL)、发光层、空穴注入层、电子注入层、空穴阻挡层等。

根据有机功能层层数，OLEDs器件结构可以分为以下三类：（1）单层有机电致发光器件、（2）双层有机电致发光器件、（3）三层和多层器件。但在实际应用中，一般还要引入具有不同功能的有机材料层，例如，引入空穴注入层或电子注入层（图1）以降低器件的启亮电压和工作电压，从而优化器件的电压、亮度、效率、寿命等各项参数，最终达到提高器件效率与稳定性的目的。

图1：多层器件结构示意图（a）和能级图（b）

▍p-i-n结构OLEDs器件

上述OLEDs器件结构从单层到多层优化的目的是为了降低载流子注入势垒、平衡电子、空穴载流子，提升器件发光效率和工作寿命。而一种新的思路即利用有机半导体的电学掺杂技术，设计和制备更低驱动电压、更高发光效率、更长寿命的OLEDs器件。在制作小分子OLEDs时，通过主体OLEDs材料与p型或者n型掺杂剂共蒸，形成p型或n型掺杂的空穴和电子传输层，这类传输层结构可使材料电导率提高几个数量级。这种结合p型和n型材料掺杂的空穴和电子传输层得到的OLEDs器件也称作p-i-n（或者PIN）结构的OLEDs器件。

图2：有机半导体p-型和n-型掺杂的机理

因此，选用的p型（n型）掺杂剂通常具有强氧化性（强还原性），有很高（很低）的电子亲和能（Electron affinity，EA）或功函数（Work function，WF）。至今为止，已经有很多n型与p型的掺杂材料被报道。其中p型掺杂材料常见为金属氧化物（如MoO₃, Fe₃O₄）、金属氟化物（如SrF₂）和有机物（HAT-CN）等；n型掺杂材料常见为化学性质活泼的碱金属单质（如Li、Cs）及其碳酸盐（如Li₂CO₃、Cs₂CO₃），碱金属氮、氟化物（如CsN， CsF）以及有机物（[RuCp*Mes]₂）等。

由于p-型和n-型掺杂技术制备简单、效果明显且掺杂剂来源广泛，采用p-i-n结构OLED器件具有很好的衬底兼容性，一般不受衬底材料所限，这些为器件结构的优化与设计提供了便利。最终能实现较低的驱动电压、较高的器件发光效率和较好的器件寿命。所以现阶段，产业上所使用的器件结构均是p-i-n结构，并且相关技术、材料也日趋成熟。

▍叠层结构

随着OLEDs在中小尺寸显示屏中广泛运用，新型OLED屏幕要求强光下也能正常使用，而中大尺寸OLED屏幕对亮度、寿命提出了更高的要求，因此一种新的OLED结构—叠层OLED结构应运而生（图3）。叠层器件结构通过电荷产生层（Charge generation layer , CGL）将多个发光单元进行串联连接。与传统单发光单元器件相比，具有多个发光单元的叠层OLED往往具有成倍的电流效率和发光亮度，在相同亮度下，所需的电流密度也成倍减少；同时多个发光中心层也有利于激子分离，降低了器件内部发光层中的激子密度，有效减弱了磷光发光材料中的T*-T*湮灭，使工作寿命得到明显增长，有效规避了高亮度与长寿命之间的权衡问题。

图3：叠层结构示意图

与单层OLED器件相比，双层叠层结构器件的亮度可提高2倍，使用寿命可延长4倍。若将其运用到智能手机上，可降低约30%的耗电量，意味着手机可以搭载容量更小的电池，机身厚度也可以更薄。目前LCG已有采用量产叠层OLED的车载产品，苹果和京东方正在尝试将该技术运用在手机等产品的显示屏中。叠层器件技术是今后高亮度显示与白光OLED器件发展的重要方向，通过人们的深入研究，该技术将会得到进一步发展和完善。

▍非掺杂OLED器件

不论是p-i-n结构还是叠层结构，为了实现高性能的OLED器件，常采用掺杂技术。然而掺杂技术也存在一些缺点：

（1）对于不同颜色的掺杂剂，需要选择合适的主体材料；

（2）在制备过程中控制共沉积速率和掺杂剂的浓度并不容易（特别是荧光材料 0. 1%~1% 较低的掺杂浓度）；

（3）掺杂发光体系还需要考虑主体材料的迁移率、能级等对其他功能的影响；

（4）主客体同时使用，无疑增加了成本。

而将发光材料制备成超薄（一般<2nm）发光层，则也可以降低发光材料由于浓度引起的猝灭现象，避免掺杂技术的一些缺点，同时获得高性能的OLED器件。这种非掺杂型有机发光二极管（图4）制程简单，不需要掺杂，引起了学者的广泛兴趣。

图4：掺杂（左）与非掺杂（右）器件结构对比图

不过，在非掺杂器件（尤其是白光器件）中，如何精准控制器件厚度以及限定激子复合区域，对器件设计与工艺是一个新挑战。非掺杂超薄发光层中激子复合区域较窄、激子密度较高容易使器件效率滚降严重。这些问题的解决还需要科研工作者的关注与努力。

▍OLED显示驱动技术

相对于有源驱动（AMOLED）技术，无源驱动（PMOLED）由于制作成本及技术门槛较低，率先在产业上获得了应用。但PMOLED只适合在低分辨率的小尺寸市场进行大规模的应用，当显示尺寸变大时，PMOLED将会出现功耗增大、寿命降低等问题。AMOLED则利用薄膜晶体管（TFT）作为像素开关，解决了PMOLED中串扰的技术难题，能够获得更高的对比度和分辨率，更加契合高分辨率、低功耗、大尺寸的显示发展方向。

在AMOLED驱动技术中，TFT决定了提供给OLED器件电流的能力，目前TFT主要有非晶硅（α-Si）TFT、低温多晶硅（LTPS）TFT以及金属氧化物（MO）TFT，三者的性能对比如表1。

表1：α-Si TFT、LTPS-TFT、MO-TFT的性能比较

α-Si TFT技术最为成熟，成本最低，但是迁移率太低，不适用于高分辨率的AMOLED显示。LTPS-TFT采用激光晶化工艺获得了更好的电学特性，使得晶体管尺寸大幅缩小和分辨率大幅提升，但是LTPS-TFT器件均匀性差、成本高等问题制约着其在大尺寸显示领域的进一步发展。MO-TFT技术是近年来备受业界关注并得到大力发展的新型 TFT 技术，在具有较好迁移率的同时，工艺简单，成本较低，均匀性较好。

基于LTPS迁移率较高但漏电流也较高，而MO-TFT拥有漏电流低的优势，苹果公司提出了MO和LTPS两者集成的像素电路结构（LTPO）。这种混合型态的 TFT 不仅综合了 LTPS 与金属氧化物的长处，还可避免两者原有的缺点(图5)。例如，LTPS有快速的切换速度以及良好的电流驱动能力,其通道可设计为PMOS或者NMOS或CMOS型，另外LTPS与氧化物相比具有较小的寄生电容，因此可以实现较低功耗；而原本LTPS具有电性不均匀性以及较大的暗电流等缺点，也可以由具有较佳特性的金属氧化物来实现。

图5：LTPO技术结合LTPS以及金属氧化物技术优点

图6：苹果公司专利中的LTPO-TFT结构示意图

同时苹果公司提出了针对 AMOLED 显示的LTPO设计，由 7个TFT与1个电容( 7T1C )组成内部补偿像素电路(图6)，该技术最早被应用于2018年发布的穿戴产品中。在苹果公司的推动下，韩国三星和LG两家公司布局研发LTPO技术，目前三星和LGD已实现手机LTPO产品量产。随着三星、LGD和苹果在LTPO领域的布局加快，LTPO成为高端移动终端首选，加速了AMOLED面板技术的迭代。

▍总结与展望

在OLED器件方面，经过多年的发展，其器件结构体系已日趋成熟，但随着新的显示应用对OLED器件提出了更严格的要求，比如高亮度OLED显示屏、量子点OLED显示屏(QD-OLED)、大尺寸OLED显示屏、Micro OLED（即VR/AR）显示屏、透明显示屏、车载显示屏，这些均对OLED器件亮度、寿命提出了更高的要求，需要开发更好的OLED材料、更优的OLED器件结构。而与刚性OLED器件相比，柔性OLED的可折叠、可卷曲特点，符合更多的终端智能显示需求，预期将成为未来一段时间内新型显示技术的主流趋势。

对于OLED驱动技术来说，LTPS是目前应用于OLED驱动最为成熟的背板技术，其主要应用于对分辨率和电子迁移率要求较高的中小尺寸显示屏，而中大尺寸AMOLED所使用的驱动技术则是金属氧化物技术。

随着便携式设备对显示屏提出的低功耗、高刷新频率、高分辨率（2k以上）要求，LTPO背板特有的动态低频驱动与低功耗节能技术则成为不二的选择。目前基于IGZO-TFT的LTPO显示技术已实现小批量量产，但以IGZO氧化物为基础的LTPO仍然面临很多科学与技术挑战，无法满足高低频(1～180 Hz)自由切换，迫切需要开发与LTPS高迁移率相比拟的新型高迁移率（比如≥40 cm²·V⁻¹·s⁻¹）氧化物沟道材料与器件，实现高性能LTPO技术集成，满足未来高端显示需求。

| 论文信息 |

邹建华,朱冠成,王磊等.有机电致发光器件及显示驱动研究进展[J].发光学报,2023,44(01):198-217. DOI： 10.37188/CJL.20220322.

https://cjl.lightpublishing.cn/thesis/62/31216969/zh/

阅读原文