第五章 高折射率薄膜與導電高分子陽極透明元件
5.3 高折射率薄膜與導電高分子陽極透明元件實驗
在製作高折射率薄膜與導電高分子陽極透明有機發光二極體時，我們必須將位於
覆蓋層(capping layer)下方的陰極以及底層的陽極延伸至元件區域外。當量測元件 特性時，電流才得以從外部注入元件，因此需要額外定義電極圖案，其實驗步驟如 圖5-6 所示。
製程步驟：
1. 使用 sputter 的方式在玻璃上方成長高折射率的二氧化鈦作為光學薄膜。
2. 利用曝光顯影使正光阻得以在玻璃基板上定義出陽極的位置。
3. 將 PEDOT:PSS 以旋轉塗佈的方式沉積在高折射率薄膜及光阻表面，以攝氏 130 度烤乾後，泡入丙酮震洗掉光阻，使光阻帶走不需要的 PEDOT:PSS，在二氧 化鈦薄膜上方留下位於陽極區域的導電高分子。
4. 使用熱蒸鍍的方式依序將透明元件的各層材料成長至 PEDOT:PSS 陽極上。
5. 在成長薄金屬陰極時，以金屬遮罩(shadow mask)來決定其圖形及位置。
量測方法：
1. 將已製作完成之透明元件，輸入不同的操作電壓，量測其相對應的注入電流、
光電流與電激發光頻譜。經過計算後，可得知元件之外部量子效率。
2. 最後使用 Ultraviolet–visible spectroscopy 儀器來量測元件的穿透度頻譜。
5.3.2 實驗結果與討論
在此章中，我們想要探討高折射率薄膜與導電高分子陽極之厚度變化對透明 元件電特性以及穿透度實際上的影響，因此我們製作了兩回不同結構的透明元件 進行分析。第一回的元件為 5B、5C、5D，為了瞭解其陽極厚度變化對元件的影 響，我們將 PEDOT:PSS 陽極的厚度分別設為 60、70 及 80 奈米，其元件結構為 Glass/TiO2(50nm)/PEDOT:PSS /HATCN(5nm)/TAPC(15nm)/CBP: 8wt%Ir(ppy)2(acac) (20 nm) / B3PYMPM (50nm)/LiF (0.6 nm) /Al (1 nm) /Ag (16 nm) / NPB(70 nm)，
第二回的透明元件為 5E、5F、5G 是固定 PEDOT:PSS 陽極的厚度，將高折射率 薄膜二氧化鈦的厚度分別設為 45、50、55 奈米，其中 5F 結構同前一回的 5C 結
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構，如圖5-7 所示。首先，我們量測了 5B、5C、5D 元件的電特性，圖 5-8 為元件 的電流對電壓特性圖，三個元件皆大約在 2.4 伏特附近會導通，但沒導通前有 漏電流，推測可能和前一章的元件漏電流的原因類似，是在定義 PEDOT:PSS 電
極圖案時的製程中使電極表面不平整，或是環境有髒汙所致。圖 5-9 為元件
下發光的外部量子效率圖，圖 5-10 為元件上發光的外部量子效率圖。表 5-1 分別整理三個元件的模擬與實驗效率的對照，可以看到元件的效率趨勢和模擬一 致，隨著PEDOT:PSS 厚度的下降會使得效率提升，而實際上最高實驗元件 5B 的 效率可以達到將近26%，三個元件和模擬效率的差距大約為 5%至 6%，推測的原 因可能為在進行定義 PEDOT:PSS 圖案時，因為 lift-off 的製程需要泡入丙酮震洗
，使得 PEDOT:PSS 部分區域脫落，或是造成陽極表面不平整，使得元件的效率 不如預期。接著我們量測了 5E、5F、5G 元件的電特性，圖 5-11 為元件的 電流對電壓特性圖。圖 5-12 為元件下發光的外部量子效率圖，圖 5-13 為元件
上發光的外部量子效率圖，可以觀察到 5E 元件的表現不如預期，不論電流
曲 線 還 是 亮 度 跟 另 外 兩 個 元 件 相 差 一 個 等 級 ， 推 測 原 因 為 在 定 義 電 極 圖 案
的製程中有顆粒汙染或是表面特性變質，造成此元件電流的注入不佳。表 5-2
分別整理三個元件的模擬與實驗效率的對照，可以看到除了第一個 5E 元件因為 電流注入不佳而使得其外部量子效率相較於其餘兩個元件減少 2%，5F 及 5G 的 元 件 效 率 趨 勢 和 模 擬 一 致 ， 是 隨 著 高 折 射 率 薄 膜 厚 度 的 增 加 而 使 得 總 和 外部量子效率下降，圖5-15 至圖 5-17 為元件的電致發光頻譜。
在元件穿透度方面，圖 5-17 為元件 5B、5C、5D 的穿透頻譜圖，圖 5-18 為 元件5E、5F、5G 的穿透頻譜圖，可以觀察到元件穿透度頻譜的趨勢都是隨著厚度 增加而其峰值會往長波長區域移動。然而，我們可以觀察到實驗數據沒有完全 地貼合在模擬的曲線上，推測可能是因為使用旋轉塗佈的方式成長 PEDOT:PSS 薄膜，製程上可能會造成薄膜的厚度不平均，使得 PEDOT:PSS 的厚度不是 準確地落在我們實驗所設計的厚度，造成與模擬有些微差異的情況。
5.4 總結
在本章節中我們探討了加上高折射率光學薄膜二氧化鈦的導電高分子陽極 透明元件的效率與穿透度變化。首先，我們利用光學模擬來分析高折射率薄膜 與透明陽極的厚度變化對效率與穿透度的影響，觀察到在特定的厚度下會有外部 量子效率的極大值，且可以藉由調整高折射率光學薄膜與導電高分子的厚度來改 變穿透度的峰值位置。於實驗方面，我們選擇了模擬效率較佳的透明元件結構
，並比較不同厚度的高折射率光學薄膜與PEDOT:PSS 的透明元件，觀察到外部量 子效率的趨勢和模擬相似，且穿透度的頻譜也和模擬結果非常接近。總結來說，我 們可以利用高折射率薄膜來提升導電高分子陽極之透明元件的效率，並藉由改 變其厚度而使得透明元件能夠呈現一個特定的顏色，讓導電高分子陽極的透明有 機發光元件有更多廣泛的應用。
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第五章圖表
圖5 - 1 二氧化鈦折射率與消光係數
圖5 - 2 模擬透明元件結構 5A 之上出光效率
400 450 500 550 600 650 700
2.0
E xt inc tion Co ef ficie n t
TiO2_n
Thickness of PEDOT:PSS (nm)
T h ic k n e s s o f T iO 2 ( n m )
(60,60) 12.9%
圖5 - 3 模擬透明元件結構 5A 之下出光效率
Thickness of PEDOT:PSS (nm)
T h ic k n e s s o f T iO 2 (n m )
(60,40) 18.8%
Thickness of PEDOT:PSS (nm)
T h ic k n e s s o f T iO 2 ( n m )
(60,50) 31.2%
43
圖5 - 5 模擬透明元件結構 5A 之穿透度頻譜
400 450 500 550 600 650 700
0
The thickness of PEDOT:PSS is 70nm.
T ra n smit ta n ce ( %)
400 450 500 550 600 650 700
0
The thickness of TiO2 is 50nm.
T ra n smit ta n ce ( %)
Wavelength (nm)
PEDOT:PSS 40nm PEDOT:PSS 60nm PEDOT:PSS 80nm PEDOT:PSS 100nm PEDOT:PSS 120nm
圖5 - 6 高折射率薄膜與導電高分子陽極透明元件實驗流程圖
45
圖5 - 7 實驗透明元件 5B、5C、5D、5E、5F、5G 結構圖
圖5 - 8 實驗透明元件 5B、5C、5D 的 I-V-L 圖
Cu rr en t De n sit y (mA /cm
2 )
E xt er n al Qu an tu m Eff icie n cy ( %)
Current Density (mA/cm2)
5B bottom 5C bottom 5D bottom
47
圖5 - 10 實驗透明元件 5B、5C、5D 的上發光效率-電流密度圖
Simulation Out-coupling Experiment EQE
Device Bottom Top Total Bottom Top Total
5B 18.4% 12.8% 31.2% 14.6% 11.3% 25.9%
5C 17.6% 12.9% 30.5% 15.1% 8.9% 24.0%
5D 16.5% 12.4% 28.9% 13.5% 9.0% 22.5%
表5 - 1 實驗透明元件 5B、5C、5D 的模擬與實驗效率
10-2 10-1 100 101
0 5 10 15 20
E xt er n al Qu an tu m Eff icie n cy ( %)
Current Density (mA/cm2)
5B top 5C top 5D top
圖5 - 11 實驗透明元件 5E、5F、5G 的 I-V-L 圖
Cu rr en t De n sit y (mA /cm
2 )
E xt er n al Qu an tu m Eff icie n cy ( %)
Current Density (mA/cm2)
5E bottom 5F bottom 5G bottom
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圖5 - 13 實驗透明元件 5E、5F、5G 的上發光效率-電流密度圖
圖5 - 14 實驗透明元件 5C/5F 的電致發光頻譜
10-2 10-1 100 101
0 5 10 15 20
E xt er n al Qu an tu m Eff icie n cy ( %)
Current Density (mA/cm2)
5E top 5F top 5G top
400 450 500 550 600 650 700 750
0.0 0.5 1.0
Normalized Intensity(a.u.)
Wavelength (nm)
5C/5F Bottom 5C/5F Top
圖5 - 15 實驗透明元件 5D 的電致發光頻譜
圖5 - 16 實驗透明元件 5G 的電致發光頻譜
400 450 500 550 600 650 700 750
0.0 0.5 1.0
Normalized Intensity(a.u.)
Wavelength (nm)
5D Bottom 5D Top
400 450 500 550 600 650 700 750
0.0 0.5 1.0
Normalized Intensity(a.u.)
Wavelength (nm)
5G Bottom 5G Top
51
Simulation Out-coupling Experiment EQE
Device Bottom Top Total Bottom Top Total
400 450 500 550 600 650 700 750
0
400 450 500 550 600 650 700 750
0