有機電致發光器件（OLEDs）具有驅動電壓低、發光效率高、響應速度快、視角范圍大、超薄、可制備成柔性器件等突出優點，經過30多年的發展，OLEDs的綜合性能取得了突破性進展，成功實現了商業化應用。目前，OLEDs已經被廣泛應用于智能手機、電視、車載顯示、頭戴顯示、工控設備顯示、透明顯示、穿戴顯示等領域。隨著未來以信息電子、健康醫療等為代表的各領域對光電器件的柔性化需求進一步增加，以OLEDs為基礎的各類新型顯示應用場景將層出不窮，OLEDs顯示發展“三十而立”，現正當年，已成為新一代信息技術的先導性支柱產業。

最近，華南理工大學的彭俊彪教授團隊與廣州新視界光電科技有限公司的鄒建華博士合作, 從OLEDs器件角度，論述了30年來有機電致發光器件及顯示驅動研究發展歷程（《發光學報》，2023年44卷第1期：198-217, DOI：10.37188/CJL.20220322）。

文章首先結合OLED器件光電器件性能提升過程，介紹OLED的基本器件結構演變過程；隨后系統性重點闡述了現階段產業上廣泛使用以及極具應用前景的器件結構，包括p-i-n OLEDs器件結構、疊層器件結構、非摻雜器件結構；接著主要闡述了OLEDs顯示的有源驅動（AMOLED）技術，包括LTPS-TFT、MO-TFT以及LTPO-TFT；最后對OLEDs器件以及驅動技術進行了展望，給相關工作者提供一些參考。

▍OLEDs器件結構

OLEDs屬于注入型發光器件，其基本結構是將有機發光薄膜層夾在至少有一個透明電極的兩個電極之間形成三明治結構。在此基礎上，人們又開發了更為復雜的器件結構，特別是更多有機細分功能層的引入；這些 “功能層”在提高器件發光效率和器件壽命方面起到了十分重要的作用。有機電致發光器件中的主要有機功能層包括：空穴傳輸層(HTL)、電子傳輸層(ETL)、發光層、空穴注入層、電子注入層、空穴阻擋層等。

根據有機功能層層數，OLEDs器件結構可以分為以下三類：（1）單層有機電致發光器件、（2）雙層有機電致發光器件、（3）三層和多層器件。但在實際應用中，一般還要引入具有不同功能的有機材料層，例如，引入空穴注入層或電子注入層（圖1）以降低器件的啟亮電壓和工作電壓，從而優化器件的電壓、亮度、效率、壽命等各項參數，最終達到提高器件效率與穩定性的目的。

圖1：多層器件結構示意圖（a）和能級圖（b）

▍p-i-n結構OLEDs器件

上述OLEDs器件結構從單層到多層優化的目的是為了降低載流子注入勢壘、平衡電子、空穴載流子，提升器件發光效率和工作壽命。而一種新的思路即利用有機半導體的電學摻雜技術，設計和制備更低驅動電壓、更高發光效率、更長壽命的OLEDs器件。在制作小分子OLEDs時，通過主體OLEDs材料與p型或者n型摻雜劑共蒸，形成p型或n型摻雜的空穴和電子傳輸層，這類傳輸層結構可使材料電導率提高幾個數量級。這種結合p型和n型材料摻雜的空穴和電子傳輸層得到的OLEDs器件也稱作p-i-n（或者PIN）結構的OLEDs器件。

圖2：有機半導體p-型和n-型摻雜的機理

因此，選用的p型（n型）摻雜劑通常具有強氧化性（強還原性），有很高（很低）的電子親和能（Electron affinity，EA）或功函數（Work function，WF）。至今為止，已經有很多n型與p型的摻雜材料被報道。其中p型摻雜材料常見為金屬氧化物（如MoO?, Fe?O?）、金屬氟化物（如SrF?）和有機物（HAT-CN）等；n型摻雜材料常見為化學性質活潑的堿金屬單質（如Li、Cs）及其碳酸鹽（如Li?CO?、Cs?CO?），堿金屬氮、氟化物（如CsN， CsF）以及有機物（[RuCp*Mes]?）等。

由于p-型和n-型摻雜技術制備簡單、效果明顯且摻雜劑來源廣泛，采用p-i-n結構OLED器件具有很好的襯底兼容性，一般不受襯底材料所限，這些為器件結構的優化與設計提供了便利。最終能實現較低的驅動電壓、較高的器件發光效率和較好的器件壽命。所以現階段，產業上所使用的器件結構均是p-i-n結構，并且相關技術、材料也日趨成熟。

▍疊層結構

隨著OLEDs在中小尺寸顯示屏中廣泛運用，新型OLED屏幕要求強光下也能正常使用，而中大尺寸OLED屏幕對亮度、壽命提出了更高的要求，因此一種新的OLED結構—疊層OLED結構應運而生（圖3）。疊層器件結構通過電荷產生層（Charge generation layer , CGL）將多個發光單元進行串聯連接。與傳統單發光單元器件相比，具有多個發光單元的疊層OLED往往具有成倍的電流效率和發光亮度，在相同亮度下，所需的電流密度也成倍減少；同時多個發光中心層也有利于激子分離，降低了器件內部發光層中的激子密度，有效減弱了磷光發光材料中的T*-T*湮滅，使工作壽命得到明顯增長，有效規避了高亮度與長壽命之間的權衡問題。

圖3：疊層結構示意圖

與單層OLED器件相比，雙層疊層結構器件的亮度可提高2倍，使用壽命可延長4倍。若將其運用到智能手機上，可降低約30%的耗電量，意味著手機可以搭載容量更小的電池，機身厚度也可以更薄。目前LCG已有采用量產疊層OLED的車載產品，蘋果和京東方正在嘗試將該技術運用在手機等產品的顯示屏中。疊層器件技術是今后高亮度顯示與白光OLED器件發展的重要方向，通過人們的深入研究，該技術將會得到進一步發展和完善。

▍非摻雜OLED器件

不論是p-i-n結構還是疊層結構，為了實現高性能的OLED器件，常采用摻雜技術。然而摻雜技術也存在一些缺點：

（1）對于不同顏色的摻雜劑，需要選擇合適的主體材料；

（2）在制備過程中控制共沉積速率和摻雜劑的濃度并不容易（特別是熒光材料 0. 1%~1% 較低的摻雜濃度）；

（3）摻雜發光體系還需要考慮主體材料的遷移率、能級等對其他功能的影響；

（4）主客體同時使用，無疑增加了成本。

而將發光材料制備成超薄（一般<2nm）發光層，則也可以降低發光材料由于濃度引起的猝滅現象，避免摻雜技術的一些缺點，同時獲得高性能的OLED器件。這種非摻雜型有機發光二極管（圖4）制程簡單，不需要摻雜，引起了學者的廣泛興趣。

圖4：摻雜（左）與非摻雜（右）器件結構對比圖

不過，在非摻雜器件（尤其是白光器件）中，如何精準控制器件厚度以及限定激子復合區域，對器件設計與工藝是一個新挑戰。非摻雜超薄發光層中激子復合區域較窄、激子密度較高容易使器件效率滾降嚴重。這些問題的解決還需要科研工作者的關注與努力。

▍OLED顯示驅動技術

相對于有源驅動（AMOLED）技術，無源驅動（PMOLED）由于制作成本及技術門檻較低，率先在產業上獲得了應用。但PMOLED只適合在低分辨率的小尺寸市場進行大規模的應用，當顯示尺寸變大時，PMOLED將會出現功耗增大、壽命降低等問題。AMOLED則利用薄膜晶體管（TFT）作為像素開關，解決了PMOLED中串擾的技術難題，能夠獲得更高的對比度和分辨率，更加契合高分辨率、低功耗、大尺寸的顯示發展方向。

在AMOLED驅動技術中，TFT決定了提供給OLED器件電流的能力，目前TFT主要有非晶硅（α-Si）TFT、低溫多晶硅（LTPS）TFT以及金屬氧化物（MO）TFT，三者的性能對比如表1。

表1：α-Si TFT、LTPS-TFT、MO-TFT的性能比較

α-Si TFT技術最為成熟，成本最低，但是遷移率太低，不適用于高分辨率的AMOLED顯示。LTPS-TFT采用激光晶化工藝獲得了更好的電學特性，使得晶體管尺寸大幅縮小和分辨率大幅提升，但是LTPS-TFT器件均勻性差、成本高等問題制約著其在大尺寸顯示領域的進一步發展。MO-TFT技術是近年來備受業界關注并得到大力發展的新型 TFT 技術，在具有較好遷移率的同時，工藝簡單，成本較低，均勻性較好。

基于LTPS遷移率較高但漏電流也較高，而MO-TFT擁有漏電流低的優勢，蘋果公司提出了MO和LTPS兩者集成的像素電路結構（LTPO）。這種混合型態的 TFT 不僅綜合了 LTPS 與金屬氧化物的長處，還可避免兩者原有的缺點(圖5)。例如，LTPS有快速的切換速度以及良好的電流驅動能力,其通道可設計為PMOS或者NMOS或CMOS型，另外LTPS與氧化物相比具有較小的寄生電容，因此可以實現較低功耗；而原本LTPS具有電性不均勻性以及較大的暗電流等缺點，也可以由具有較佳特性的金屬氧化物來實現。

圖5：LTPO技術結合LTPS以及金屬氧化物技術優點

圖6：蘋果公司專利中的LTPO-TFT結構示意圖

同時蘋果公司提出了針對 AMOLED 顯示的LTPO設計，由 7個TFT與1個電容( 7T1C )組成內部補償像素電路(圖6)，該技術最早被應用于2018年發布的穿戴產品中。在蘋果公司的推動下，韓國三星和LG兩家公司布局研發LTPO技術，目前三星和LGD已實現手機LTPO產品量產。隨著三星、LGD和蘋果在LTPO領域的布局加快，LTPO成為高端移動終端首選，加速了AMOLED面板技術的迭代。

▍總結與展望

在OLED器件方面，經過多年的發展，其器件結構體系已日趨成熟，但隨著新的顯示應用對OLED器件提出了更嚴格的要求，比如高亮度OLED顯示屏、量子點OLED顯示屏(QD-OLED)、大尺寸OLED顯示屏、Micro OLED（即VR/AR）顯示屏、透明顯示屏、車載顯示屏，這些均對OLED器件亮度、壽命提出了更高的要求，需要開發更好的OLED材料、更優的OLED器件結構。而與剛性OLED器件相比，柔性OLED的可折疊、可卷曲特點，符合更多的終端智能顯示需求，預期將成為未來一段時間內新型顯示技術的主流趨勢。

對于OLED驅動技術來說，LTPS是目前應用于OLED驅動最為成熟的背板技術，其主要應用于對分辨率和電子遷移率要求較高的中小尺寸顯示屏，而中大尺寸AMOLED所使用的驅動技術則是金屬氧化物技術。

隨著便攜式設備對顯示屏提出的低功耗、高刷新頻率、高分辨率（2k以上）要求，LTPO背板特有的動態低頻驅動與低功耗節能技術則成為不二的選擇。目前基于IGZO-TFT的LTPO顯示技術已實現小批量量產，但以IGZO氧化物為基礎的LTPO仍然面臨很多科學與技術挑戰，無法滿足高低頻(1～180 Hz)自由切換，迫切需要開發與LTPS高遷移率相比擬的新型高遷移率（比如≥40 cm2·V?1·s?1）氧化物溝道材料與器件，實現高性能LTPO技術集成，滿足未來高端顯示需求。

| 論文信息 |

鄒建華,朱冠成,王磊等.有機電致發光器件及顯示驅動研究進展[J].發光學報,2023,44(01):198-217. DOI： 10.37188/CJL.20220322.

https://cjl.lightpublishing.cn/thesis/62/31216969/zh/

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