ОРГАНИЧЕСКОЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С РЕГУЛИРУЕМОЙ ИНЖЕКЦИЕЙ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
ORGANIC LIGHT-EMITTING DEVICE WITH CONTROLLED INJECTION OF CHARGE CARRIERS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Это изобретение относится к органическим светоизлучающим устройствам (OLED) и дисплеям, содержащим такие OLED с регулируемой инжекцией носителей заряда, и к способам приведения в действие таких OLED и дисплеев.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ ДАННОМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ
OLED являются светоизлучающими устройствами с несколькими слоями, расположенными один поверх другого (пакет слоев), которые содержат по меньшей мере один органический светоизлучающий слой (электролюминесцирующий слой, EL-слой), расположенный между двумя электродами (анодом и катодом). Свет излучается возбужденными светоизлучающими молекулами (возможно, заделанными в органический матричный материал) электролюминесцирующего слоя. Светоизлучающие молекулы возбуждаются переносом энергии рекомбинации пар электрон-дырка к светоизлучающим молекулам в зоне рекомбинации, где-нибудь в электролюминесцирующем слое. Электроны и дырки (носители заряда) инжектируются из электродов в пакет органических слоев под действием рабочего напряжения, создающего электрическое поле в электролюминесцирующем слое и также ответственного за перенос носителей заряда внутри пакета органических слоев. В обычных OLED инжекция определяется приложенным напряжением, работой выхода электродов и электрическими свойствами пакета слоев OLED. OLED могут функционировать эффективным образом лишь, если пакет слоев OLED хорошо сбалансирован. OLED является хорошо сбалансированным, если зона рекомбинации расположена внутри электролюминесцирующего слоя, и число носителей заряда обоих типов регулируется подходящим образом для того, чтобы предотвратить достижение носителями заряда противоположного электрода (электроны→анод или дырки→катод). Зона рекомбинации, находящаяся в основном вне электролюминесцирующего слоя, увеличивала бы потери энергии рекомбинации через неизлучательные каналы. Также дырки или электроны, достигающие противоположных электродов, не в состоянии возбуждать светоизлучающие молекулы. Кроме того, слои, не спроектированные для загрузки носителями заряда неподходящего типа, могут проявлять худшее поведение в отношении времени жизни. Поэтому обычные OLED также содержат дополнительные слои для переноса дырок и/или электронов, запирающие слои или инжекционные слои, имеющие подходящие толщины. После изготовления OLED инжекция носителей заряда и параметры их переноса через пакет могут изменяться посредством изменения рабочего напряжения. Подвижность носителей заряда значительно различается между электронами и дырками. Кроме того, подвижность носителей заряда зависит от поля или концентрации носителей и, соответственно, может изменяться в зависимости от приложенного напряжения сложным образом. Например, зона рекомбинации, в основном расположенная вне электролюминесцирующего слоя, может быть перемещена регулированием рабочего напряжения, однако концентрация носителей заряда и ширина зоны рекомбинации будут также изменяться. Это может привести к значительному числу носителей заряда, достигающих противоположного электрода, или нагрузке на органические слои, спроектированные лишь для нагрузки носителями заряда другого типа. Поэтому желательно обеспечить возможность регулирования инжекции носителей заряда в пакет органических слоев независимо от рабочего напряжения, определяющего перенос носителей заряда в пакете органических слоев.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поэтому целью данного изобретения является предоставление органического светоизлучающего устройства, в котором инжекцию носителей заряда можно регулировать независимо от рабочего напряжения.
Эта цель достигается посредством органического светоизлучающего устройства, которое может функционировать аналогично биполярному транзистору и содержит по меньшей мере один органический светоизлучающий слой в качестве коллекторного слоя, расположенного между первым электродом и вторым электродом, в котором первый электрод содержит первый эмиттерный слой и первый базовый слой, расположенный между первым эмиттерным слоем и коллекторным слоем.
Термин «по меньшей мере один органический светоизлучающий слой» означает пакет органических слоев, расположенных между первым и вторым электродом. В варианте осуществления этот пакет слоев может состоять лишь из одного органического светоизлучающего слоя. В других вариантах осуществления пакет органических слоев может содержать дополнительные слои, такие как слои для переноса дырок/электронов, слои для инжекции дырок/электронов и/или запирающие слои для дырок/электронов, а также различные органические светоизлучающие слои, излучающие свет разных цветов.
Термин «эмиттерный слой» означает слой для инжекции/диффузии носителей заряда в базовый слой («эмитирования носителей заряда») в противоположность термину «излучающий слой» для излучения света, как это используется в отношении органического светоизлучающего слоя.
CB
EB
CB
CB
Drive
Термин «биполярный транзистор» заключает в себе все виды биполярных транзисторов, такие как биполярные плоскостные транзисторы, биполярные транзисторы на гетеропереходах и органические транзисторы. Известны два, в принципе разных, вида биполярных транзисторов, npn-транзистор и pnp-транзистор. Биполярный транзистор содержит один np-диод и один pn-диод, диод на основе перехода эмиттер-база и диод на основе перехода база-коллектор. Термины «n» и «p» означают слои, содержащие полупроводниковый материал, легированный атомами, поставляющими электроны (n-легированный) или дырки (p-легированный) в зону проводимости или валентную зону полупроводника. Диод на основе перехода база-коллектор ответственен за излучение света и перенос заряда через пакет органических слоев, в то время как диод на основе перехода эмиттер-база используется для контроля инжекции зарядов. Одной из характеристик биполярного транзистора является возможность независимого приложения первого напряжения между коллекторным слоем и базовым слоем (U) и второго напряжения между эмиттерным слоем и базовым слоем (U) для приведения в действие диода на основе перехода база-коллектор и диода на основе перехода эмиттер-база независимым образом. Органический светоизлучающий слой электрически соединен со вторым электродом. В соответствии с одним из вариантов осуществления данного изобретения U прикладывается между вторым электродом и первым базовым слоем в качестве части первого электрода. Таким образом, U соответствует рабочему напряжению U обычного OLED с двумя обыкновенными металлическими электродами.
Влияние на функционирование OLED с регулируемой инжекцией носителей заряда в соответствии с данным изобретением следующее:
CB
В npn-биполярном транзисторе положительный ток базы (B) регулирует положительный ток коллектора (C). Здесь положительное направление тока означает, что ток направлен к транзистору. В случае U>0 диод на основе перехода база-коллектор смещен в обратном направлении.
EB
CB
a) Предположим, U=0. Эмиттерный слой (E), используемый для инжекции электронов, отделен от пакета органических слоев (коллекторного слоя) p-легированным базовым слоем. В идеальном случае электроны при этом не инжектируются, несмотря на U>0. В этом случае OLED является лишь устройством с носителями одного вида (дырками), которое не может излучать свет.
EB
CB
CB
EB
CB
b) Когда к диоду на основе перехода эмиттер-база (U<0) прикладывается напряжение прямого смещения, электроны будут диффундировать из эмиттерного слоя через базовый слой в коллекторный слой (пакет органических слоев). Ток базы обычно по величине на два порядка меньше результирующего тока коллектора. Базовый слой будет поэтому (независимо от U) заполнен электронами, которые в таком случае доступны для инжекции в пакет органических слоев, например органический светоизлучающий слой (коллектор C), чтобы генерировать свет посредством электролюминесценции. Концентрация электронов на границе раздела база-эмиттер будет увеличиваться в такой большой степени, что посредством диффузии и посредством U>0 электроны будут инжектироваться в пакет органических слоев, что может регулироваться посредством U без влияния на U. В n-легированном эмиттерном слое и p-легированном базовом слое присутствуют диффузионные хвосты неосновных носителей заряда. Если диод на основе перехода эмиттер-база достаточно смещен в прямом направлении, то диффузионный хвост электронов внутри базового слоя может возрастать до тех пор, пока они не достигнут перехода база-коллектор. Эти электроны затем инжектируются в обратно смещенный переход база-коллектор и, соответственно, в органический светоизлучающий слой пакета органических слоев, также приводя к излучению света посредством электролюминесценции.
Способ инжекции, описанный выше, не зависит от первого напряжения (напряжения база-коллектор). Данный способ, соответственно, применим для инжекции дырок в OLED, в котором пакет органических слоев расположен поверх n-легированного базового слоя, который расположен поверх p-легированного эмиттерного слоя. Здесь опять пакет органических слоев (органический светоизлучающий слой) служит в качестве коллекторного слоя.
EB
CB
EB
CB
EB
При независимо регулируемых инжекции зарядов (посредством U) и переносе зарядов (посредством U) положение и ширина зоны рекомбинации могут изменяться при поддержании хорошего баланса носителей заряда, отчасти предопределенных имеющимся пакетом слоев и материалами слоев. Изменения в толщине слоя, составе материала, свойствах материала пакета органических слоев, приводящие к первоначально описанным проблемам, могут быть легко компенсированы соответствующим регулированием U и U. Хорошее размещение зоны рекомбинации и одновременный хорошо поддерживаемый/регулируемый баланс носителей заряда максимизирует эффективность в отношении светового выхода и минимизирует негативное влияние на время жизни вследствие носителей заряда, проходящих через зону рекомбинации к противоположному электроду. В конечном счете, применения запирающих слоев для электронов и/или дырок можно избежать в результате хорошо отрегулированного баланса носителей заряда, что уменьшает трудозатраты на приготовление и, тем самым, расходы на приготовление. Нагрузка слоя для переноса дырок электронами или слоя для переноса электронов дырками может быть уменьшена или в идеальном случае полностью устранена. Другим преимуществом является низкое напряжение U, требуемое для регулирования тока, протекающего внутри пакета органических слоев. Устройство OLED в соответствии с данным изобретением может быстро переключаться между режимами «световое излучение есть» и «светового излучения нет», и переключающий ток базы может быть значительно меньше общего тока OLED (токов коллектора и эмиттера). В режиме «световое излучение есть» второй электрод инжектирует носители заряда в органический слой, тогда как в режиме «светового излучения нет» первый электрод не инжектирует носители заряда в органический слой или инжектирует их в пренебрежимо малом количестве. Параметры инжекции носителей заряда вторым электродом не будут влиять на переключение первым электродом между режимами «световое излучение есть» и «светового излучения нет».
В качестве материалов базового и эмиттерного слоев может быть применен любой полупроводниковый материалы, например n- или p-легированный кремний.
2
3
2
2
В варианте осуществления первый электрод является прозрачным для видимого света. Если OLED изготовлено при последовательности слоев подложка/первый электрод/пакет органических слоев/второй электрод, то OLED может функционировать как нижний эмиттер (излучение света через подложку) с отражающим вторым электродом. В случае последовательности слоев подложка/второй электрод/пакет органических слоев/первый электрод OLED может функционировать как верхний эмиттер (излучение света через боковую поверхность от подложки) с отражающим вторым электродом или отражающей подложкой. При этом толстый отражающий второй электрод может также служить в качестве подложки для использованного пакета слоев. В случае, помимо этого, прозрачного второго электрода OLED может функционировать как двустороннее излучающее устройство. Прозрачные полупроводниковые материалы для второго электрода являются широкозонными материалами. Предпочтительные материалы с большой шириной запрещенной зоны включают по меньшей мере один материал из группы, включающей GaN, InGaN, AlGaN, InAlN, GaInAlN, GaAs, AlGaAs, GaP, InP или оксидные материалы, такие как InO, SnO, ZnO или CuAlO. Чтобы достичь прозрачности для всей видимой области спектра, ширина запрещенной зоны (с прямыми или непрямыми переходами) должна быть больше примерно 3 эВ.
EB
EB2
В другом варианте осуществления второй электрод содержит второй эмиттерный слой и второй базовый слой, расположенный между вторым эмиттерным слоем и коллекторным слоем, чтобы регулировать также инжекцию носителей заряда другого типа. Например, инжекция электронов в органический слой (или пакет слоев) регулируется посредством U, приложенного к первому эмиттерному слою и первому базовому слою первого электрода, и инжекция дырок регулируется посредством третьего напряжения U, приложенного ко второму эмиттерному слою и второму базовому слою второго электрода, или наоборот.
EB
CB
EB
CB
EB
CB
EB
CB
В другом варианте осуществления органический светоизлучающий слой содержит по меньшей мере первый подслой, пригодный для эмиссии света первого цвета, и второй подслой для эмиссии света второго цвета, отличающегося от первого цвета. При этом сдвиг зоны рекомбинации посредством соответствующего регулирования U и U предоставляет возможность регулирования цветовой точки излучаемого света. Для первой группы величин U и U зона рекомбинации может быть расположена в основном внутри первого подслоя, что приводит к эмиссии света преимущественно первого цвета. Для второй группы величин U и U зона рекомбинации может быть расположена в основном внутри второго подслоя, что приводит к эмиссии света преимущественно второго цвета. Такая же модификация применима для трех или более разных подслоев, излучающих свет трех или более цветов, чтобы регулировать/модифицировать цветовую точку составного света, излучаемого устройством OLED. Для того чтобы достигнуть эмиссия света определенного цвета, также возможно функционирование OLED в переключаемом режиме, т.е. при модулировании цвета эмиссии при регулировании U и U с частотой переключения, достаточно высокой, чтобы обеспечить цвет, постоянный для восприятия человеческим глазом.
EB
EB
В другом варианте осуществления эмиттерный слой и первый базовый слой первого электрода структурированы, чтобы образовать матрицу пикселей первых электродов, пригодных для функционирования по отдельности. Каждый пиксель может быть быстро переключен между режимом инжекции носителей заряда (U≠0) первым электродом, приводящим к эмиссии света OLED, и режимом без инжекции (U=0) первым электродом, приводящим к отсутствию эмиссии света OLED. Свойства инжекции носителей заряда вторым электродом не будет изменяться. Второй электрод будет продолжать инжекцию носителей заряда одного типа, однако соответствующий тип носителей заряда, требующийся для рекомбинации электрон-дырка и последующей эмиссии света, не присутствует во время функционирования первого электрода в режиме отсутствия инжекции (режим «светового излучения нет»). Поэтому части OLED излучают свет, в то время как части OLED остаются не излучающими. Эти части могут быть модифицированы подходящей подачей питания.
CB
Это изобретение также относится к дисплею со структурированным первым излучающим слоем и структурированным первым базовым слоем первого электрода, чтобы образовать матрицу пикселей первого электрода, пригодных для функционирования по отдельности, также содержащему операционный блок, применимый для приведения в действие по меньшей мере некоторых из пикселей независимо от других пикселей в режиме инжекции носителей заряда или в режиме с отсутствием инжекции носителей заряда. Применимые операционные блоки известны специалистам в данной области. В этом случае OLED не только служит для подсветки дисплея, но также включает функцию самого дисплея посредством предоставления пикселей, индивидуальным образом переключаемых между режимами с эмиссией света и без эмиссии света органического светоизлучающего слоя, расположенного поверх пикселей. Дисплей может быть полноцветным дисплеем, если светоизлучающий слой содержит красные, зеленые и синие светоизлучающие области, расположенные близко одна к другой. В предпочтительном варианте осуществления OLED содержит не структурированный, однако пакетированный красный, зеленый и синий излучающий слой и структурированный второй электрод, обладающий способностью приведения в действие также U индивидуально для каждого пикселя. В этом случае, изменение цвета может быть получено посредством смещения зоны рекомбинации, например, от красного излучающего слоя к зеленому или синему излучающему слою. В другом варианте осуществления также первый электрод структурирован аналогичным образом в виде пикселей для того, чтобы более точно возбуждать/прекращать эмиссию света органическим светоизлучающим слоем.
Изобретение также относятся к способу приведения в действие органического светоизлучающего устройства в соответствии с п. 1, содержащему стадии
CB
- приложения первого напряжения U между вторым электродом и первым базовым слоем, чтобы регулировать перенос носителей заряда через органический светоизлучающий слой, и
EB
- приложения второго напряжения U между первым эмиттерным слоем и первым базовым слоем, чтобы регулировать инжекцию электронов или дырок из первого электрода в органический светоизлучающий слой.
CB
EB
Первое и второе напряжение U и U регулируются независимым образом. Носителями заряда являются электроны и дырки. Соответствующее раздельное регулирование первого и второго напряжения в чрезвычайно большой степени уменьшают вероятность того, что носители заряда достигают противоположного электрода, обеспечивая тем самым более эффективное функционирование OLED. Носители заряда, достигающие противоположных электродов, потеряны для генерации света внутри органического светоизлучающего слоя. Пакет органических слоев, расположенный между первым и вторым электродом, может содержать лишь один светоизлучающий слой. В других вариантах осуществления пакет органических слоев может содержать дополнительные слои, такие как слои для переноса дырок/электронов, слои для инжекции дырок/электронов и/или запирающие слои для дырок/электронов, а также различные органические светоизлучающие слои, излучающие свет разных цветов. Кроме того, способ предоставляет возможность приведения в действие OLED таким образом, что слои, в основном спроектированные для переноса носителей заряда одного типа, по меньшей мере в меньшей степени загружены носителями заряда другого типа, что приводит к улучшенным характеристикам времени жизни для этих слоев. Способ, указанный выше, может предоставить возможность уменьшения числа органических слоев устройства OLED посредством устранения запирающих слоев для носителей заряда.
В варианте осуществления способ содержит стадию выбора соответствующего первого и второго напряжения для регулирования положения и/или ширины зоны рекомбинации, чтобы она была расположена в основном внутри органического светоизлучающего слоя. В этом варианте осуществления дополнительное улучшение времени жизни для OLED будет достигнуто совместно с улучшенной эффективностью генерации света внутри органического светоизлучающего слоя. Энергия рекомбинации будет высвобождаться в том месте, в котором присутствуют молекулы, испускающие излучение. Внутри зоны рекомбинации большинство электронов и дырки связываются и поэтому не могут проникать в слои, в которых присутствие этих носителей заряда является нежелательным. Термин «в основном» относится к соотношению между толщиной органического светоизлучающего слоя и шириной зоны рекомбинации. Здесь «в основном» соответствует соотношению более 0,8, предпочтительно более 0,9, более предпочтительно более 1,0.
В предпочтительном варианте осуществления, в котором органический светоизлучающий слой содержит по меньшей мере первый подслой, применимый для излучения света первого цвета, и второй подслой для излучения света второго цвета, отличающегося от первого цвета, соответствующие первое и второе напряжения выбираются таким образом, чтобы локализовать зону рекомбинации в основном в одном подслое. При этом цвет излучаемого света может быть модифицирован. Если зона рекомбинации распространена на весь органический светоизлучающий слой (все подслои), излучаемый свет образован суперпозицией всего света, излучаемого имеющимися подслоями. Число подслоев может быть различным, например 2 слоя, 3 слоя и более. В случае трех слоев, излучающих красный, зеленый и синий свет, составной излучаемый свет может быть белым светом. При смещенном расположении зоны рекомбинации возможно смещение цветовой точки белого света (небольшое изменение расположения и ширины зоны рекомбинации). При больших изменениях ширины и расположения зоны рекомбинации было бы возможно получение лишь красного, зеленого или синего света. Предыдущий пример является лишь одной из возможных модификаций цвета. Некоторые другие различные модификации являются также регулируемыми. Имеется несколько других излучаемых цветов света, образованного наложением, регулируемых в зависимости от имеющегося пакета органических слоев, выбранных светоизлучающих материалов и приложенных первого напряжения и второго напряжения. Быстрое переключение между двумя разными цветами/яркостями предоставляет возможность постоянного восприятия излучения человеческим глазом. При таком быстром переключении между двумя цветами может быть достигнуто аддитивное смешение обоих цветов, приводя к излучаемому свету, составленному из обоих цветов, в восприятии пользователем. В принципе OLED в соответствии с данным изобретением, излучающее красный, зеленый и синий цвета (3 разных светоизлучающих слоя), может функционировать как динамический источник света с цветом света, регулируемым до любой точки в пределах цветового пространства, определяемого тремя базовыми цветами - красным, зеленым и синим.
В другом варианте осуществления способ приведения в действие устройства OLED, содержащего второй эмиттерный слой и второй базовый слой, расположенные между вторым эмиттерным слоем и коллекторным слоем, чтобы регулировать также инжекцию носителей заряда другого типа, содержит также стадию
EB2
- приложения третьего напряжения U между вторым эмиттерным слоем и вторым базовым слоем, чтобы регулировать инжекцию дырок или электроны из второго электрода в органический светоизлучающий слой.
EB
EB2
Если способность к инжекции носителей заряда обоих видов, электронов и дырок, может регулироваться посредством U и U, то регулирование ширины и расположения зоны рекомбинации может быть выполнено более точным образом.
Это изобретение также относится к способу приведения в действие дисплея, в котором первый излучающий слой и первый базовый слой первого электрода органического светоизлучающего устройства структурированы, чтобы образовать матрицу пикселей первых электродов, пригодных для функционирования по отдельности, и дисплей также содержит операционный блок, применимый для приведения в действие по меньшей мере некоторых из пикселей независимо от других пикселей в режиме прямого смещения или в режиме обратного смещения, содержащему стадии
EB
- приложения второго напряжения U в режиме прямого смещения к пикселю, который должен излучать свет, и
EB
- приложения второго напряжения U в режиме обратного смещения к пикселю, который не должен излучать свет, и
EB
- регулирования приложения второго напряжения в режиме прямого смещения или режиме обратного смещения к каждому пикселю посредством блока управления. Поскольку инжекция в пакет органических слоев может регулироваться U, то этот принцип может быть использован для переключения пикселей дисплея на базе OLED между состояниями с излучением света и без излучения. Изобретение может быть поэтому также применено для адресации пикселей дисплея, содержащего органическое светоизлучающее устройство в соответствии с данным изобретением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Drive
Фиг. 1: OLED известного уровни техники, приводимое в действие единственным рабочим напряжением U,
Фиг. 2: OLED в соответствии с данным изобретением с первым электродом, содержащим первый базовый слой и первый эмиттерный слой,
Фиг. 3: OLED в соответствии с данным изобретением со вторым электродом, содержащим второй базовый слой и второй эмиттерный слой, в дополнении к первому электроду, содержащему первый базовый слой и первый эмиттерный слой, и
Фиг. 4: Дисплей с OLED в соответствии с данным изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Drive
Drive
Drive
Drive
Drive
Drive
Фиг. 1 показывает боковой вид органического светоизлучающего устройства в соответствии с известным уровнем техники. Органический светоизлучающий слой 3 (или пакет слоев) расположен между первым электродом 1 и вторым электродом 2. В некоторых случаях пакет органических слоев содержит лишь один слой, органический светоизлучающий слой 3. В других вариантах осуществления пакет органических слоев может содержать дополнительные слои, например слои для переноса дырок/электронов, слои для инжекции дырок/электронов и/или запирающие слои для дырок/электронов, а также различные органические светоизлучающие слои, излучающие свет разных цветов. Рабочее напряжение U прикладывается между обоими электродами 1 и 2. В предположении, что электрод 1 является катодом, а электрод 2 является анодом, электроны инжектируются из катода 1, в то время как дырки инжектируются из анода 2. Расположение зоны рекомбинации (области, в которой электроны от катода и дырки от анода будут рекомбинировать) зависит от структуры, конструкции и свойств материалов, а также от приложенного U. Вследствие более высокой подвижности дырок по сравнению с электронами зона рекомбинации будет ближе к катоду 1 при низком U, и зона рекомбинации будет перемещаться к аноду 2 при увеличенном U. Одновременно с этим будут изменяться инжекция носителей заряда, а также характеристики переноса внутри органического светоизлучающего слоя 3 (или пакета слоев), поскольку электрическое поле внутри OLED приблизительно пропорционально U. Сложные зависимости ширины и расположения зоны рекомбинации и инжекции носителей заряда от U не предоставляют возможности регулировки, посредством которой предотвращаются негативные эффекты, такие как проникновение носителей заряда к противоположным электродам и/или неэффективная генерация света, без усложненной конструкции пакета органических слоев 3.
CB
EB
CB
EB
2
3
2
2
Фиг. 2 показывает боковой вид OLED, функционирующего подобно транзистору, в соответствии с данным изобретением. Здесь органический светоизлучающий слой 3 (или пакет органических слоев в случае более чем одного органического слоя) служит в качестве коллекторного слоя 3 при втором электроде 2, расположенном поверх коллекторного слоя 3. Первый электрод 1 содержит два разных слоя, первый базовый слой 1B и первый эмиттерный слой 1E, при этом первый базовый слой 1B расположен между первым эмиттерным слоем 1E и органическим светоизлучающим слоем 3 (или пакетом органических слоев в случае более чем одного органического слоя). В противоположность известному уровню техники OLED в соответствии с данным изобретением может быть приведено в действие посредством двух напряжений U и U, регулируемых независимым образом. U означает напряжение, приложенное между вторым электродом 3 и первым базовым слоем 1B (посредством первого электрода 1), U означает напряжение, приложенное между первым эмиттерным слоем 1E и первым базовым слоем 1B. Полный пакет слоев может быть сформирован на подложке, не показанной здесь, например стеклянной или пластиковой подложке, жесткой или гибкой. В альтернативных вариантах осуществления толстый электрод 1 или 2 может также служить в качестве подложки. По меньшей мере один электрод 1 или 2 должен быть прозрачным, чтобы служить в качестве излучающей поверхности OLED. Если электрод 2 является излучающей поверхностью, то материалом электрода может быть оксид индия-олова (ITO) или другой прозрачный и электропроводный материал. Если материал электрода 2 является непрозрачным электропроводным материалом, например Al или Ti, то другой электрод 1 должен быть прозрачным. Эмиттер-базовый двойной слой 1B, 1E может содержать n-легированный и p-легированный полупроводниковые материалы. В случае прозрачных слоев электропроводные материалы должны быть широкозонными материалами. Для полной прозрачности в пределах всей видимой области спектра ширина запрещенной зоны должна быть больше 3 эВ. В зависимости от применения и желательного цвета эмиссии OLED ширина запрещенной зоны может также быть меньше (прозрачной лишь для видимого света с большей длиной волны, например красного и/или зеленого света). Подходящими широкозонными материалами являются GaN, InGaN, AlGaN, InAlN, GaInAlN, GaAs, AlGaAs, GaP, InP или оксидные материалы, такие как InO, SnO, ZnO или CuAlO. p- и n-легирующие примеси должны быть атомами, способными в поставке электронов (n-легированные материалы) или дырок (p-легированные) в зону проводимости или валентную зону полупроводникового материала. Подходящие легирующие примеси известны специалистам в данной области. В случае непрозрачного электрода 1 может быть применен любой полупроводниковый материал, например n- или p-легированный кремний. Типичные толщины электродов 1 и 2, особенно для базового и эмиттерного слоев, составляют примерно 100 нм и 1 мкм соответственно, при этом толщина базового слоя предпочтительно определяется диффузионной длиной неосновных носителей и дебаевской длиной.
3
3
Пакет органических слоев 3 может содержать лишь один органический светоизлучающий слой 3, содержащий полимерную светоизлучающую структуру или матричный материал, такой как MTDATA (4,4,4-трис(N-3-метилфенил-N-фениламино)трифениламин) с заделанными небольшими светоизлучающими молекулами, например излучающий синий свет Flrpic, излучающий зеленый свет Ir(ppy) или излучающий красный свет Ir(2t-ppy). В других вариантах осуществления пакет органических слоев 3 может содержать дополнительный слой, такой как слой для переноса дырок (например, α-NPD) и/или слой для переноса электронов (например, Alq или TPBI), слой для инжекции дырок (например, NHT1:NDP2) и/или слой для инжекции электронов (например, NET5:NDN1), расположенные между слоями для переноса и электродами, запирающий слой для дырок (α-NPD, легированный рубреном), расположенный между органическим светоизлучающим слоем и электродами, чтобы предотвратить достижение носителями заряда противоположного электрода. Типичная толщина органических слоев варьируется между 10 нм и 500 нм.
CB
EB
CB
EB
CB
Первый вариант осуществления содержит OLED, сконструированное аналогично npn-транзистору, с органическим светоизлучающим слоем 3 в качестве коллектора (C). При приложении положительного напряжения база-коллектор U положительный потенциал присутствует на верхнем электроде (электроде 2, соединенном с коллектором C), чтобы инжектировать дырки в слой 3. Другой контакт, который используется для инжекции электронов, состоит из первого базового слоя p-легированного полупроводникового материала (1B) и первого эмиттерного слоя (1E) n-легированного в высокой степени полупроводникового материала. В идеальном случае электроны не инжектируются при этом, когда U=0 (несмотря на то, что U>0). Если мы прикладываем теперь прямое смещение к диоду на основе перехода эмиттер-база (U<0), то электроны будут диффундировать из первого эмиттерного слоя 1E через первый базовый слой 1B в коллекторный слой 3 (C). Ток через первый базовый слой 1B обычно на два порядка по величине меньше тока через коллекторный слой 3, здесь органический светоизлучающий слой 3 (или пакет слоев). Первый базовый слой 1B будет поэтому (независимо от U) заполнен электронами, которые в таком случае доступны для инжекции в коллекторный слой 3.
EB
EB
CB
CB
Второй вариант осуществления содержит OLED, сконструированное аналогично npn-транзистору, в котором напряжение эмиттер-база U>0 прикладывается противоположно первому вариант осуществления. Устройство OLED сформировано на тонком слое p-Si (первый базовый слой 1B), который расположен поверх первого эмиттерного слоя 1E из n-Si. В качестве p-проводника первый базовый слой 1B позволяет лишь незначительную инжекцию электронов при U>0 в органический слой 3, несмотря на положительное U. Электрическое поле в пакете органических слоев 3 может регулироваться посредством U без определения посредством этого, как в случае обычных OLED, потока электронов в устройстве OLED. Вторым электродом 2 в этой структуре OLED может быть прозрачный электропроводный анод, например, из оксида индия-олова. В n-легированном первом эмиттерном слое 1E и p-легированном первом базовом слое 1B присутствуют «диффузионные хвосты», состоящие из неосновных носителей (p* в n-легированном эмиттере и n* в p-легированной базе). Если переход эмиттер-база (E-B) существенно смещен в прямом направлении, то количество n* может увеличиваться до тех пор, пока их «диффузионный хвост» не достигнет перехода коллектор-база (C-B). Эти электроны n* затем инжектируются в обратно смещенный переход коллектор-база (C-B) и, соответственно, в органический светоизлучающий слой 3 (или пакет слоев).
Важно заметить, что зона проводимости p-легированного материала базы должна быть выше или равна соответствующей зоне переноса в органическом светоизлучающем слое 3 (или пакете слоев), которая была бы в этом примере самой нижней незанятой молекулярной орбиталью (LUMO). В предпочтительном варианте осуществления толщина первого базового слоя 1B меньше длины диффузии и больше дебаевской длины электронов в p-легированном кремнии.
Способ инжекции, описанный выше, может, естественно, легко быть распространен на инжекцию дырок в OLED. В этом случае мы должны нарастить пакет слоев OLED поверх n-легированного первого базового слоя 1B, который расположен поверх p-легированного первого эмиттерного слоя 1E. Органические светоизлучающие слои 3 (или пакет слоев) должны опять служить в качестве коллекторного слоя C.
Когда биполярные Si-диоды (n-p- или p-n-) применяются в качестве управляемого инжектирующего контакта, то выращенная поверх них структура OLED должна предпочтительно являться OLED, излучающим в верхнем направлении, с прозрачным анодом 2 или прозрачным катодом 2 на самом верхнем органическом слое 3.
Кроме того, мы можем распространить данное изобретение на полупроводники III-V, полупроводники II-VI, биполярные транзисторы на гетеропереходах и органические транзисторы, предоставляющие n-p- или p-n-структуры, служащие в качестве управляемого инжектирующего контакта OLED.
EB2
EB
В другом варианте осуществления органическое светоизлучающее устройство содержит два электрода, регулирующих инжекцию (оба прежнего вида), предоставляющих практически применимое раздельное регулирование инжекции носителей заряда обоих типов, а также напряжения на органическом слое (пакете) 3, как показано на Фиг. 3. При этом, дополнительно к первому электроду 1 с первым эмиттером 1E и первым базовым слоем 1B второй электрод 2 содержит второй эмиттерный слой 2E и второй базовый слой 2B, расположенный между вторым эмиттерным слоем 2E и органическим светоизлучающим слоем 3 (или пакетом органических слоев 3). Третье напряжение U может быть приложено между вторым эмиттерным слоем 2E и вторым базовым слоем 2B, чтобы регулировать параметры инжекции носителей заряда также из второго электрода 2 в органический слой 3 (или пакет слоев 3). Инжекция носителей заряда будет регулироваться в соответствии с аналогичной процедурой, описанной выше для первого электрода 1 и U. Второй электрод 2 может быть прозрачным, если широкозонный полупроводниковый материал применяется для второго эмиттерного слоя 2E и второго базового слоя 2B. В случае непрозрачного второго электрода 2 может быть применен любой полупроводниковый материал или дополнительный отражающий слой (например, из Al) размещается поверх второго эмиттерного слоя 2E.
EB
EB
Поскольку инжекция в органический светоизлучающий слой (или пакет слоев) может регулироваться U, то мы можем использовать этот принцип также для переключения пикселей дисплея на базе OLED между состояниями с излучением света и без излучения. Изобретение может быть поэтому также применено для адресации пикселей 4 дисплея на базе OLED, как показано на Фиг. 4. Первый электрод 1, 1B, 1E может быть структурирован в виде отдельной матрицы пикселей 4 первого базового слоя - первого эмиттерного слоя, в которой каждый пиксель 4 соединен отдельным образом с операционным блоком 5, чтобы адресовать напряжение U, относящееся к пикселям, в соответствии с управляющим сигналом, содержащим видеоинформацию, подлежащую отображению на дисплее. Такой операционный блок 5 и подходящая конфигурация пикселей (размер, расположение) для достижения индивидуальной адресации известны специалистам в данной области. Для более точного управления параметрами эмиссии света светоизлучающим слоем 3, расположенным поверх пикселей 4, второй электрод 2 может быть структурирован в виде конфигурации, по меньшей мере сходной с пикселями 4, как обозначено цифровой ссылкой 6 на Фиг. 4. В качестве варианта второй электрод не структурирован, как показано на Фиг. 4 на правой стороне электрода 2. Индивидуальный потенциал для каждого пикселя может быть потенциалом коллектора, базы или эмиттера или же двумя или всеми из них.
В другом варианте осуществления дисплей на базе OLED может дополнительно содержать второй электрод со вторым эмиттерным слоем и вторым базовым слоем, предпочтительно структурированный в виде пикселей, содержащих второй эмиттерный и базовый слои.
Конкретная комбинация элементов и особенностей в подробно рассмотренных выше вариантах осуществления является лишь примером; при этом также ясным образом предусматривается возможность перестановки и замены этих аспектов другими аспектами. Как это будет понятно специалистам в данной области, изменения, модификации и другие осуществления того, что описано в данном документе, могут быть предложены обычными специалистами в данной области без отклонения от сущности и объема данного изобретения, определяемых формулой изобретения. Соответственно, представленное выше описание является лишь примером и не предназначено для ограничения. Объем данного изобретения определяется приведенной ниже формулой изобретения и ее эквивалентами. Кроме того, ссылочные обозначения, использованные в описании и формуле изобретения, не ограничивают объем данного изобретения, определенный формулой изобретения.