电致发光的原理和器件结构

从发光原理电致发光可以分为高场电致发光和低场电致发光。高场电致发光是一种体内发光效应。发光材料是一种半导体化合物，掺杂适当的杂质引进发光中心或形成某种介电状态。当它与电极或其他介质接触时，其势垒处于反向时，进人发光材料的高场区，被加速并成为过热电子。

可以碰撞发光中心使之被激发或被离化，或者离化晶格等。再通过一系列的能量输运过程，电子从激发态回到基态而发光。低场电致发光又称为注人式发光，主要是指半导体发光二极管（LED）。1960 年人们发现GaAs的p－n结二极管，在正向偏压下，发生少数载流子注入，并在p－n结附近，两种载流子发生复合而发光。由于这种半导体材料禁带较窄，发出的是红外光。随后，利用这一原理，不断开拓较宽禁带的半导体材料GaP，GaInP，GaAlAs，GaN等等，陆续研制成红色、黄色、绿色和蓝色的发光二极管。近年来，在电致发光领域，有机薄膜电致发光异军突起。一般认为,有机电致薄膜发光过程由以下5 个步骤：
(1) 载流子的注入。在外加电场的作用下,电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能薄膜层注入。电子从阴极注入到有机物的最低未占据分子轨道(LUMO )，而空穴从阳极注入到有机物的最高占据分子轨道(HOMO) 。
(2) 载流子的迁移。注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移。
(3) 载流子的复合。电子和空穴结合产生激子。
(4) 激子的迁移。激子在有机固体薄膜中不断地作自由扩散运动,并以辐射或无辐射的方式失活。
(5) 电致发光。当激子由激发态以辐射跃迁的方式回到基态,就可以观察到电致发光现象,发射光的颜色是由激发态到基态的能级差所决定的。
电致发光器件的基本结构属于夹层式结构,激发光层被两侧电极像三明治一样夹在中间,一侧为透明电极以便获得面发光。由于阳极功函数高可以提高空穴注入效率,所以一般使用的阳极多为氧化铟－氧化锡(ITO)。在ITO上再用蒸发蒸镀法或旋转涂层法制备单层或多层膜,膜上面是金属阴电极,由于金属的电子逸出功影响电子的注入效率,因此要求其功函数尽可能低。现以目前研究较多较热的有机电致发光器件为例进行说明
大多数有机电致发光材料是单极性的,同时具有均等的空穴和电子传输性质的有机物很少,一般只具有传输空穴的性质或传输电子的性质。为了增加空穴和电子的复合几率,提高器件的效率和寿命,OLED的结构从简单的单层器件发展到双层器件、3 层器件甚至多层器件。因为采用这种单极性的有机物作为单层器件的发光机材料,会使电子与空穴的复合自然地靠近某一电极,当复合区越靠近这一电极,就越容易被该电极所淬灭,而这种淬灭有损
于有机物的有效发光,从而使OLED发光效率降低。而采用双层、3 层甚至多层结构的OLED,能充分发挥各功能层的作用,调节空穴和电子注入到发光层的速率,只有使注入的电子和空穴在发光层复合,才能提高器件的发光效率。由于大多数有机物具有绝缘性,只有在很高的电场强度下才能使载流子从一个分子流向另一个分子,所以有机膜的总厚度不能超过几百纳米,否则器件的驱动电压太高,会失去LED的实际应用价值。