電致發光量子點應用於顯示器之發展(下)

 

刊登日期:2019/6/26
  • 字級

蔡東璋
 
EL-QD元件說明
如上篇所述,不同尺寸的QD粒子在接收外部能量的激勵後可以發出涵蓋可見光範圍且顏色純正的光線。若激勵源亦為電磁波(如高能藍光),則是PL特性;另外假使是通入電流刺激QD,那是EL的能量轉換過程。EL-QD元件(或稱QLED)經過近30年的發展有了長足的進步,開啟了各路人馬、有志之士戮力研發,將其用於顯示器技術(QLED),有關EL-QD元件性能要作到與OLED一樣的光效率以及其搭配的高解析度IJP製程將會是兩個關鍵且待突破的技術障礙,以下僅先針對QLED元件技術進行說明。
 
如圖十二,QLED元件的工作原理和構成皆與OLED相仿,其由陰(Cathode)、陽(Anode)兩個電極夾著一發光層(Emission Layer, EML),電子和電洞分由陰、陽電極擴散而注入、傳輸到EML,電子和電洞在EML再結合形成激子(Exciton),最後Exciton以光的型式釋放出能量(Radiative Recombination)。顯而易見地,載子必須有效被注入到EML,以助於光通量(Photo Flux)的產生,所以會在陰、陽電極和發光層間塞入電子傳輸層(Electron Transport Layer, ETL)、電洞注入層(Hole Injection Layer, HIL)和電洞傳輸層(Hole Transport Layer, HTL)來降低載子注入、傳輸過程中遇到的Energy Barrier。一般HIL和HTL的選料會挑選其最高占據分子軌域(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)位於陽極功函數和EML VBM之間做為能量階梯,且HTL的最低未占分子軌域(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)要高於EML CBM以阻擋電子因為電場往陽極飄移運動;而ETL的選用概念是一樣的,要能降低陰極和EML能障也需把電洞攔在發光層。這HTL LUMO高於EML CBM和ETL HOMO低於EML VBM的概念,不外乎是為了讓載子被侷限(Confined)在發光層而不逸散,增加整體輻射復合的機率。自1994年起算,QLED元件發展也過了25年,經過廣泛的研究與討論,目前QLED至少要有陰、陽極、電洞注入、電洞傳輸、量子點發光層和電子傳輸等六層,HIL、HTL和ETL等載子傳輸層(Carrier Transport Layer, CTL)也分別採用有機和無機材料,這種複合架構(Hybrid Device)在各項光效率、耐候性和溶液製程表現上有著最佳的平衡點。
 
圖十二、QLED疊構與載子傳輸
圖十二、QLED疊構與載子傳輸
 
QLED元件的光電效率可以外部量子效率(EQE) (式2)來加以量化
QLED元件的光電效率可以外部量子效率(EQE) (式2)來加以量化
 
EQE由元件的IQE和光學設計取出率來決定;換言之,IQE物理意義表述了源頭電功率輸入在元件EML層內生成多少光子數,然後因膜層間的折射、反射造成光取出的損耗才是真正放射到元件外部的光通量,形成最終顯示器的輝度(或亮度)值(Luminance)。IQE代表QLED自身的轉換效率,其與電子、電洞注入效率與輻射復合率(ηrad)兩大因子息息相關,所以提升IQE的第一要務就是解決
 
圖十三、透過QD結構工程降低歐傑復合
圖十三、透過QD結構工程降低歐傑復合
 
EL-QD螢光粹滅的問題(Fluorescence Quenching)。QD發光過程最大的效率內耗來自歐傑復合(Auger Recombination, AR),當發生AR時激發態的激子能量釋放不是發光而是拿去激勵其他載子浪費掉了。見圖十三,一般可以在核-殼間多放一層合金層(Alloyed Layer),修飾原本核殼介面陡峭的能階變化來抑制Auger現象,這在Bae等人的研究紅光CdSe@CdSexS1-x/CdS的核@合金中介層/殼系統的實測得到正向結果;或者,也有研究人員採用加厚殼層成功提升EQE。
 
微觀看,EML由數層QD粒子疊起,各顆晶粒存在尺寸變異和分佈,也因此產生相鄰QD能階錯亂,高-低能隙的兩顆QD自然形成異常的施-受體(Donor-Acceptor)排列造成激子能量誤傳給隔壁晶體而Quenching掉,這種學理稱作FRET效應和QD間距的6次方成反比關係,而採用前述的厚殼QD可獲得改善。此外,影響IQE的另一個關鍵因子是載子從電極經過CTL注入EML的效率問題;從圖十二(b)可知,現行最成熟的EL-QD材料組態中,眾多HIL、HTL無機材料的HOMO能階介於陽極和QD VBM,對比從陰極、無機ETL而來的電子,電洞傳輸能障顯然較高,再加上---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

分享