OLET的结构和工作原理

【中心议题】

• *OLET的结构
• *OLET的工作原理

【解决方案】

• *单极型场效应发光管
• *半导体异质结双极型场效应发光管
• *双极型材料场效应发光管

将有机薄膜晶体管(OTFT)与有机发光二极管(OLED)集合在一起,利用OTFT来驱动OLED的器件称为有机发光晶体管(OLET)。

由于OLET是OLED和OTFT相结合的产物,其理论基础是基于有机材料中载流子的输运及发光的机理,具体包括载流子的注入、载流子输运、载流子形成激子、激子的扩散及复合发光。简单地说,就是在有机晶体管的基础上,通过增加有机发光材料或用有机发光材料替换晶体管的有机材料,利用晶体管内的载流子输运,使载流子在发光材料中相遇形成电子-空穴对,从而辐射发光。由于有机发光管具备有机晶体管的结构和特性,通过控制晶体管的栅压,调节发光材料中载流子的数目,可以达到控制器件电流和发光强度的目的。与有机晶体管不同,有机发光管必须有空穴和电子分别从源极和漏极注入,其工作机理主要有以下三种:(1)用p型材

料作为有机层,利用强电场注入电子;(2)利用有机异质结注入空穴和电子;(3)利用有机材料本身的双极特性注入及传输空穴和电子。

其中双极型有机发光管越来越受重视,一是因为它在全有机柔性衬底显示方面有巨大的应用潜力;二是因为它能够弥补n型半导体材料因制备困难、工作条件苛刻和与金属电极功函数匹配比较差等原因而发展较缓慢的现状。

OLET的工作原理与器件结构有关,其载流子输运机制与相应的有机晶体管的类似,其关键是与器件结构有关的发光机制,有待于更进一步研究。

按照源极和漏极的相对位置,OLET分为传统结构(即源极和漏极与沟道几乎在同一水平面)和垂直构型(即源极和漏极与沟道垂直)两种。

传统结构OLET是采用传统水平场效应晶体管的结构,选择有机半导体为发光材料制作的。与传统结构OTFT类似,传统结构的OLET也分为顶接触型和底接触型两种,如图所示。两种结构都是在衬底上分别制作栅极、绝缘层、有机半导体层。不同的是顶接触型器件的源极和漏极在有机层顶部,而底接触型器件的源极和漏极在有机层的底部。加栅压之后,载流子在绝缘层靠近栅极一侧聚集,形成沟道。沟道宽度随着栅压的增加而增加,从而提高器件的工作电流。顶接触型器件的迁移率和开关电流均比底接触型器件高出三个数量级,这是由于不同的电极位置和不同的载流子注入限制造成的。目前,研究人员多采用底接触型的器件结构。

1　单极型场效应发光管

单极型场效应发光管主要以p型为主。例如,以p型并四苯作为半导体材料的底接触型场效应发光管的电致发光,说明电子确实注入到了有机层中。对其发光机理解释如下:在加负栅压时,空穴聚集在有机层靠近绝缘层的一侧并形成沟道,源极注入的空穴沿沟道向漏极流动,在漏极前堆积形成强电场。在强电场的作用下,电子越过势垒注入到有机层中,与空穴相遇而发光。发光区域仅仅存在于与漏极相接触的有机层中。最近,n型单极器件的研究也有了进展,Yamashita等人利用n型杂环系统衍生物材料制作了底接触型的OLET。

2　半导体异质结双极型场效应发光管

通过半导体异质结注入空穴和电子的场效应发光管主要有两种结构:双层异质结和体异质结。

双层异质结结构即分别蒸镀一层n型和一层p型材料,从而形成半导体异质结器件。由源极和漏极通过异质结注入空穴和电子,在异质结界面上形成激子复合而发光。Rost等人用Pentacene和PTCDI-C13H27的双层异质结制作了传统结构场效应发光管器件。朱道本等人在蒸镀有机层的过程中,使用倾斜衬底的手段,用Pentacene和Alq3制作了水平方向(沟道方向)的异质结双极型场效应发光管。该器件可在空气中工作,观察到了Alq3的发光。体异质结结构是同时混合蒸镀n型和p型材料而制作的器件,其异质结在有机层内呈三维分布。

Meijer等人利用PCBM较高的LUMO能级和OC1C10-PPV较低的HOMO能级,使电子和空穴分别注入到两种材料的LUMO和HOMO能级上,进而复合发光。

与单极p型场效应发光管相比,异质结场效应发光管不仅能注入空穴,还可以注入电子,且可以利用栅压在源漏极之间调整载流子复合区域的位置,平衡电子和空穴的注入,从而提高器件的量子效率。

3　双极型材料场效应发光管

双极型材料场效应发光管是利用既是n型又是p型的双极型材料制作的。在一定栅压下工作时,在源漏两个电极分别聚集了电子和空穴,通过调节源漏间的电压使空穴和电子复合而发光。此外,多出的栅极可以调节OLET中激子的复合区域(即发光区)的位置。但由于陷阱杂质的存在,在一种有机材料中实现双极输运并发出可见光是非常困难的。通过改变源极和漏极的金属材料,利用金属功函数的不同,分别注入电子和空穴,可以更好地实现载流子的注入。Swensen等人利用金电极作为源极、铝电极作为漏极及聚合物Super Yellow作为半导体材料,制作了场效应发光管器件。这种器件的缺点是需要分别制作源极和漏极,操作比较复杂,对实验条件要求较高。