一、 緒論
1.3 元件結構簡介
1.3.1 微共振腔效應
傳統下發光結構是由一透明導電電極(transparent conductive electrode, TCE )與高反射率陰極構成， OLED 有機層所放的光會因為基板與透明導電 金屬、有機層跟反射金屬等各介面折射率的不匹配，在元件內產生全反射，
又因為元件的厚度與可見光的波長在同一數量級，所以這些全反射的光會 與原先的光產生干涉，這就是微共振腔效應(microcavity effect)的基本模型 (圖 1.7)[45]。因為透明導電電極的反射率低，所以元件內部反射的光少，微 共振腔的效應不明顯，稱為弱微共振腔效應；反觀上發光結構的半穿透金 屬電極的反射率高出許多，所以會有強微共振腔效應。根據幾合光學與波 動光學理論，一般 OLED 元件的光輸出耦合效率大約為 20%，換句話說有 80%的光被侷限在元件內部無法被利用，所以我們必頇要透過不同的方法來
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將光導出，上發光結構就是其中之一，可以增加出光率，由於共振腔內產 生的干涉效應，有機會讓兩光波產生建設性干涉讓光的強度得到提升，因 此調整共振腔腔長讓干涉效應更明顯，以達到我們想要的光學增益效果。
圖 1. 7 不同穿透率的鏡面會影響微共振腔效應的強弱
根據 Fabry – Perot 共振腔理論，我們可以將 OLED 視為電磁波的共振 腔，在元件中全反射的光與自發光會產生互相的干涉效應，如圖 1.7 所示，
根據公式(1) Gcav為有微共振腔效應的正向(forward direction)發光增益，R1、 R2各代表半穿透陰極和陽極的反射係數，τcav/τ 為在微共振腔效應中的分子 激發態與自由空間的分子激發態壽命比值，ζ 為共振腔內不同位置的強度增 益，要達到最大的正向發光增益，其 ζ 數值必頇為最大值，即發光位置在 駐波反節點(antinode)上。
………(1)
………(2)
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L 為上下電極的光學路徑長，ni為不同材料的折射係數，di為其材料厚 度，而經由 Snell law 和假設達到最大共振條件計算，總光學路徑 L 可變為 式(2)，neff和∆n 分別是半穿透陰極的有效折射率和兩層間高低折射率的差，
ψm是金屬側的反射相位差，有此公式就能計算出我們所要設計的元件厚度，
達到藉由微共振腔效應增強元件發光效率的效果[46]。
實際的應用上，台大 Wu 教授提出了相當多的文獻，其中以模擬各種 不同反射率及穿透率的金屬與出光增益值的影響最為廣泛[47][48]，由圖 1.7 (a) 固定放光在 520 nm 的波長，改變反射鏡面反射率 R1從 0.5、0.9，並對應不 同的 A2 出光鏡面的吸收率，雖然吸收率的變異值不大，但可以發現在 R2
出光鏡面的反射率改變後，對其增益效應的影響是相當的巨大，有將近 3 倍的增強效果，所以電極的選擇對於元件光學結構上是非常的重要，優劣 與否足以影響整個元件的好壞。而圖 1.7 (b)則是改變半波寬 (⊿λ) ，在固 定τcav/τ 的比值為 1 的情況，也就是激發子在共振腔或是自由空間中從激態 掉回穩態的時間一樣，但根據 Leo 教授的文獻[49]，在微共振腔中的時間較 長其比值應該要大於 1，以及其他的條件 R1=0.9、A2=0.1 的情況下，當半 波寬越窄時，其增益值就越大，換句話說，當微共振腔效應越明顯時，就 會有越尖銳的光譜圖形，也就是元件光色越為飽和。
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圖 1. 8 半穿透陰極對於增益值的曲線圖(a)反射電極反射率對其影響(b)固定 反射電極反射率，半高寬對於增益效應的影響
我們可以從 2010 年 Ma 教授所發表的文獻上了解實際應用微共振腔效 應的方式[50]，他使用藍光發光材料，搭配上為共振腔效應產生深藍光甚至 是白光的元件，如圖 1.9 改變電洞傳輸層厚度，就將原本的藍光發光元件 變成綠光元件，不難發現在上發光結構中有較窄的波寬光譜，但在材料上 的本質發光波段還是會有殘留一些光發出來，這是光學上難以避免的現象。
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而當他們將 NPB 厚度調整到相當厚的厚度以後，產生了不只一個模態的微 共振腔效應，如圖 1.10，這狀況也讓他們用單一的單色發光材料成功的製 做出一個有多重波段的白光元件，但是這種方式其光色通常都會偏向綠色，
且因為電洞傳輸層非常的厚，元件的操作電壓會上升，所以功率效率通常 都來的低，但在用來理解微共振腔效應上是不錯的選擇。
圖 1. 9 電洞傳輸層厚度對元件電激發光光譜的影響
16 的最高佔有分子軌域(highest occupy molecule orbit, HOMO)能階的能量差距，
讓電洞能較容易的注入到有機層，很多這一類的金屬都是惰性的(inert)。與 陰極材料比較起來，這方面的選擇因為材料有限而顯的比較容易，最常被 使用的陽極是導電的透明錫銦氧化物 ITO (Indium Tin Oxide)[51],[52]，它的功 函數在 4.5-5 eV 左右，且表面經由 O2電將貨 UV-臭氧處理後，不但可以清 洗 ITO 表面，還可以增加 ITO 的功函數，ITO 在大氣下也是個相當穩定且 導電性佳的透光材料。因為銦 (Indium)屬稀有金屬，所以價錢較為昂貴，
因此就找了其他的金屬氧化物來代替，最常見的就是氧化鋅(Zinc Oxide)來 取代[53]，如 Al-Zn-O (AZO)、Ga-Zn-O (GZO)等。但因為上發光元件較不同 的是必頇要把從有機物發出的光利用反射電極反射至穿透電極，所以如果 用傳統高穿透率的金屬氧化物無法把光反射至上電極，但是使用一般金屬 其功函數又過低，會產生相當大的注入能障，元件的操作電壓就會上升，
所以功函數和反射率往往是上發光元件中陽極考量的重要性質。一些常見