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研究生: 林信宇
Lin, Shin-Yu
論文名稱: 成長氮化鎵膜做為有機發光二極體電子傳輸及電洞阻擋層之研究
Deposition of Gallium Nitride films as electron transport and hole blocking layer in OLED
指導教授: 洪昭南
Hong, Jhao-Nan
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 96
中文關鍵詞: 氮化鎵有機發光二極體
外文關鍵詞: Gallium Nitride, OLED
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  • 探討以三五族半導體氮化鎵(Gallium Nitride ,GaN)取代被廣泛使用的電子傳輸及電洞阻擋層材料BCP(Bathocuproine),以延長有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode, OLED)使用時間。
    本研究以自行組裝之射頻磁控濺鍍系統成長GaN薄膜,以液態鎵金屬(Gallium, Ga)做為靶材,以氬氣(Argon, Ar)及氮氣(Nitrogen, N2)為工作氣體,另外以連接ENI電源供應器之不銹鋼感應線圈,提供電漿氣體額外能量,探討不同氣體組成、基板溫度及ENI功率對GaN性質的影響。
    依不同元件設計使用熱阻式蒸鍍系統蒸鍍有機層及金屬電極,首先選擇鋁金屬(Aluminium, Al)做為陰極傳遞電子給GaN,但發現鋁在成長GaN時因基板升至500℃會聚集而產生短路,因此使用氮化鈦(Titanium Nitride, TiN)取代鋁金屬解決聚集造成之短路。另外整面的GaN會有電子擴散情形,因此使用SiOx做為絕緣層定義電子可流通之位置,成功解決漏電問題。
    實驗結果顯示,於10 mTorr鍍之TiN及GaN,其元件亮度僅119 cd/m2且驅動電壓(Turn on voltage)高達15 V,推測可能是GaN晶體結構有許多缺陷造成電流低,以及GaN沒有阻擋電洞跳躍至陰極的能力,使電洞與電子於GaN內無效複合。
    為了解決上述兩問題,改變了射頻濺鍍參數及增加步驟。將鍍膜時的工作壓力降到5 mTorr,可得品質較佳的TiN及GaN薄膜,其中GaN的XRD強度從小於1000 cps提升至15000 cps。接續增加氮電漿表面處理以降低GaN表面缺氮造成的缺陷,而實驗結果成功將亮度從原本的119 cd/m2提升至1091cd/m2。

    This article is about the research of Gallium Nitride(GaN) as electron injection and hole blocking layer in Organic Light Emitting Diode(OLED). The traditional material for electron injection and hole blocking layer is BCP, which Tg point is low. We want to use GaN to replace Bathocuproine(BCP) to enhance the stability of OLED device. Using RF sputtering method to grow GaN film under different condition, thermal evaporation system to deposit organic layer. In the begin the device performance was bad ,with turn on voltage up to 15V and only 119cd/m2. After figuring out the problem, change the working pressure from 10mTorr to 5mTorr, and treat the surface with N2 plasma. The device performance now enhances from 119cd/m2 to 1091cd/m2.

    目錄 第一章緒論 1 1-1前言 1 1-1-1有機發光二極體市場現況分析 2 1-2研究目的與動機 4 第二章 理論說明與文獻回顧 5 2-1氮化鎵薄膜製備 5 2-1-1氮化鎵材料簡介 5 2-1-2射頻磁控濺鍍 7 2-1-2-1電漿及濺鍍原理 7 2-1-2-2設備簡介 8 2-1-2-3射頻磁控濺鍍成長氮化鎵原理 8 2-1-2-4影響之參數 9 2-1-3文獻回顧 11 2-2有機發光二極體元件簡介 14 2-2-1有機發光二極體結構 14 2-2-2各層材料之選擇 15 2-2-2-1電洞注入和傳輸材料 15 2-2-2-2電子注入和傳輸材料 16 2-2-2-3發光材料 16 2-2-3有機發光元件原理 17 2-2-3-1載子注入 17 2-2-3-2載子傳輸 18 2-2-3-3載子複合 20 2-2-3-4元件效率 21 2-2-4有機發光元件製備方法 25 2-2-4-1熱阻式蒸鍍系統 25 2-2-5 複合式有機發光二極體 25 第三章實驗器材 31 3-1使用儀器 31 3-1-1射頻磁控濺鍍系統(RF magnetron sputtering system) 31 3-1-2熱阻式蒸鍍系統 (Thermal evaporation system 32 3-1-3超音波震盪槽 (型號:Delta,DC400H) 32 3-2化學材料 33 3-3實驗流程 34 3-3-1流程圖 34 3-3-2元件剖面圖 35 3-3-3詳細步驟 36 3-3-3-1清洗基板 36 3-3-3-2濺鍍TiN 電極 36 3-3-3-3濺鍍GaN電子傳輸層 37 3-3-3-4熱蒸鍍絕緣層SiOx 38 3-3-3-5蒸鍍有機層 39 3-3-3-6熱蒸鍍銀電極 40 3-3-3-7量測 40 3-4分析儀器 41 3-4-1掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM) 41 3-4-2原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM) 41 3-4-3 X光繞射分析儀(X-ray Diffraction, XRD) 43 3-4-4光致瑩光光譜(Photoluminescence, PL) 44 3-4-5光電子光譜儀(Photoelectron Spectrometer) 45 3-4-6 Keithley 2400 45 第四章結果與討論 46 4-1射頻磁控濺鍍成長氮化鎵薄膜 46 4-1-1 基板溫度之影響 48 4-1-2 ENI電源供應器強度之影響 52 4-1-3 氣體組成之影響 54 4-2 氮化鎵薄膜作為電子傳輸層之OLED元件 56 4-2-1 以熱蒸鍍系統蒸鍍鋁金屬作為陰極 56 4-2-2 以射頻濺鍍系統鍍氮化鈦作為陰極 58 4-2-2-1 不同氣體組成之影響 58 4-2-2-2不同操作壓力 60 4-2-2-3有無緩衝層之影響 62 4-2-3 以TiN做為陰極之結果 64 4-2-4 以SiOx作為絕緣層材料 65 4-2-5 氮化鎵注入Alq3之特性探討 70 4-2-6 有無額外添加電洞阻擋層BCP之結果 74 4-2-7 不同TiN晶型對GaN成長之影響 81 4-2-8不同GaN晶型對電流之影響 85 4-2-9 使用氮電漿處理表面之影響 87 第五章 結論 92 第六章 未來展望 93 第七章 參考文獻 94 表目錄 表1-1 氮化鎵基本材料性質 6 表1-2 氮化鎵和不同基板之匹配 6 表4-1 RF功率100W時不同氣體組成下之TiN功函數 59 表4-2 RF功率120W時不同氣體組成下之TiN功函數 60 表4-3 不同氣體組成下薄膜內原子百分比 60 圖目錄 圖1-1 不同照明產品比較 1 圖1-2 OLED上中下游廠商整理 3 圖1-3 韓國廠商現階段生產現況 3 圖2-1 濺鍍示意圖 7 圖2-2 使用不同基板成長GaN之XRD圖譜 13 圖2-3 不同操作壓力成長之GaN薄膜(a)0.40 (b)0.66 (c)0.93 (d)1.33Pa 13 圖2-4 單層結構之問題 14 圖2-5 多層OLED結構示意圖 15 圖2-6 (a)蕭基發射電流 (b)穿隧注入 23 圖2-7 因電子自旋而生成四種激發子 23 圖2-8 於螢光有機材料中加入過渡金屬之結果 24 圖2-9 使用二氧化鈦做為電子傳輸層、氧化鉬做為電洞傳輸層 27 圖2-10 電子在電場下因二氧化鈦具有N-type的特性而容易注入 28 圖2-11 使用氧化鋯做為電子傳輸層、氧化鉬做為電洞傳輸層 28 圖2-12 使用氧化鎢做為電洞傳輸層 29 圖2-13 氧化鎢做為電洞傳輸層與NPB之亮度比較 29 圖2-14 氧化鎢做為電洞傳輸層與NPB之穩定性比較 30 圖3-1 射頻濺鍍系統配置圖 31 圖3-2 熱蒸鍍系統配置圖 32 圖3-3 鍍SiOx所使用之組合圖 38 圖3-4 元件示意圖 40 圖3-5 AFM儀器配置圖 42 圖3-6 AC2原理圖 45 圖3-7 Keithley 2400 45 圖4-1 實驗室自行合成之GaN的XRD繞射圖譜 47 圖4-2 不同溫度下對XRD強度之影響 50 圖4-3 不同溫度對GaN半高寬之影響 50 圖4-4 不同溫度成長之GaN剖面圖 51 圖4-5 不同溫度下薄膜中原子百分比 51 圖4-6 不同ENI瓦數對薄膜品質之影響 53 圖4-7 不同ENI瓦數對薄膜內原子比例影響 53 圖4-8 氣體組成對晶體品質之影響 55 圖4-9 薄膜因應力造成小角度偏移 55 圖4-10 以鋁做為陰極之元件能帶圖 57 圖4-11 已鋁作為陰極之元件理論剖面圖 57 圖4-12 已AFM掃描鍍於鋁電極上方之GaN表面起伏 57 圖4-13 低壓(5 mTorr)下成長之TiN 61 圖4-14 高壓(15 mTorr)下成長之TiN 61 圖4-15 兩階段成長之TiN剖面圖 63 圖4-16 未成長緩衝層之TiN剖面圖 63 圖4-17 (a)元件能帶圖 (b)元件立體結構圖 64 圖4-18 比對TiN及鋁的注入特性 65 圖4-19 以AFM掃描TiN表面 67 圖4-20 以TiN取代Al之量測結果 67 圖4-21 兩種不同結構的基板 68 圖4-22 用以檢測漏電路徑之元件結構 68 圖4-23 不同基板之I-V量測結果 68 圖4-24 (a)電子流可能擴散之路徑 (b) 蒸鍍SiOx後之結構圖 69 圖4-25 添加SiOx後之量測結果和成長於玻璃元件相比 69 圖4-26 有無添加SiOx與成長於玻璃基板之I-V曲線總整理 69 圖4-27 使用GaN做為電子傳輸層之量測結果 73 圖4-28 GaN之剖面圖 73 圖4-29使用GaN和傳統電洞阻擋層BCP電流比較圖 76 圖4-30 使用GaN和傳統電洞阻擋層BCP亮度比較圖 76 圖4-31 有無電洞阻擋層BCP之能帶示意圖 77 圖4-32有無使用BCP做為電洞阻擋層之I-V曲線 77 圖4-33 有無使用BCP做為電洞阻擋層之L-V曲線 78 圖4-34 有無使用BCP做為電洞阻擋層之L-I圖 78 圖4-35以低溫PL檢測GaN材料性質 79 圖4-36 GaN中不同缺陷其能階位置 79 圖4-37 電洞經由GaN表面缺陷能階進入其內與電子結合示意圖 80 圖4-38 不同條件成長之TiN與後續成長之GaN剖面圖 (a)TiN於10mTorr (b)TiN於5mTorr (c)於5mTorr成長之TiN 83 圖4-39 於低壓下成長之TiN的XRD圖譜 84 圖4-40 成長於不同基板之GaN其XRD強度比較 84 圖4-41有無柱狀結構GaN之電流比較圖 86 圖4-42有無柱狀結構GaN之亮度比較圖 86 圖4-43 (a)經氮電漿處理後之GaN表面 (b) 無氮電漿處理之GaN表面 89 圖4-44 有無使用氮電漿處理表面之電流比較圖 90 圖4-45 有無使用氮電漿處理表面之亮度比較圖 90 圖4-46 氮電漿處理後之GaN和使用BCP之電流比較圖 91 圖4-47 氮電漿處理後之GaN和使用BCP之亮度比較圖 91

    1. http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=1209260005.
    2. http://www.digitimes.com.tw.
    3. km.twenergy.org.tw/ReadFile/?p=KLBase&n=2014121142744.pdf.
    4. Mori, T. and Y. Masumoto, Effect of Organic Alloy for Suppression of Polycrystallization in BCP Thin Film. Journal of Photopolymer Science and Technology, 2006. 19(2): p. 209-214.
    5. 陳建人, 真空技術與應用. 2004: 行政院國家科學委員會精密儀器發展中心.
    6. Zhang, C.G., et al., Effect of growth conditions on the GaN thin film by sputtering deposition. Journal of Crystal Growth, 2007. 299(2): p. 268-271.
    7. Shinoda, H. and N. Mutsukura, Structural properties of GaN and related alloys grown by radio-frequency magnetron sputter epitaxy. Thin Solid Films, 2008. 516(10): p. 2837-2842.
    8. Daigo, Y. and N. Mutsukura, Synthesis of epitaxial GaN single-crystalline film by ultra high vacuum r.f. magnetron sputtering method. Thin Solid Films, 2005. 483(1-2): p. 38-43.
    9. Ross, J. and M. Rubin, High-quality GaN grown by reactive sputtering. Materials Letters, 1991. 12(4): p. 215-218.
    10. Kim, J.H. and P.H. Holloway, Wurtzite to zinc-blende phase transition in gallium nitride thin films. Applied Physics Letters, 2004. 84(5): p. 711.
    11. Junaid, M., et al., Electronic-grade GaN(0001)/Al[sub 2]O[sub 3](0001) grown by reactive DC-magnetron sputter epitaxy using a liquid Ga target. Applied Physics Letters, 2011. 98(14): p. 141915.
    12. 詹逸民, 高效能有機發光元件製作技術之研究. 2004, 國立成功大學化學工程學系研究所博士班論文.
    13. 周永晟, 具有載子注入平衡共主體結構之黃光有機發光二極體. 2012, 國立清華大學材料科學工程研究所碩士論文.
    14. S. Miyata., Organic Electroluminescence Materials and Devices. 1997: Golden and Breach Science Publishers,Netherlands.
    15. Mu, H., Carriers Injection and Transport in Small Molecule Organic Light Emitting Diodes(OLED). 2006, Division of Research and Advanced Studies of the University of Cincinnati.
    16. Baldo, M.A., et al., Highly efficient phosphorescent emission from organic electroluminescent devices. Nature, 1998. 395(6698): p. 151-154.
    17. Zhou, J., et al., Roughening the white OLED substrate's surface through sandblasting to improve the external quantum efficiency. Organic Electronics: physics, materials, applications, 2011. 12(4): p. 648-653.
    18. Kwon, H., et al. Microlens array film with full fill factor for enhancing outcoupling efficiency from OLED lighting. in 4th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, TRANSDUCERS and EUROSENSORS '07, June 10, 2007 - June 14, 2007. 2007. Lyon, France: Inst. of Elec. and Elec. Eng. Computer Society.
    19. Tanaka, S., Y. Kawakami, and Y. Naito. Improvement of the external extraction efficiency of OLED by using a pyramid array. in Organic Light-Emitting Materials and Devices VIII, August 2, 2004 - August 4, 2004. 2004. Denver, CO, United states: SPIE.
    20. Acharya, R. and X.A. Cao, High-brightness organic light-emitting diodes based on a simplified hybrid structure. Applied Physics Letters, 2012. 101(5): p. 053306.
    21. Bolink, H.J., et al., Inverted Solution Processable OLEDs Using a Metal Oxide as an Electron Injection Contact. Advanced Functional Materials, 2008. 18(1): p. 145-150.
    22. Tokmoldin, N., et al., A Hybrid Inorganic-Organic Semiconductor Light-Emitting Diode Using ZrO2as an Electron-Injection Layer. Advanced Materials, 2009. 21(34): p. 3475-3478.
    23. Zhong, A. and K. Hane, Growth of GaN nanowall network on Si (111) substrate by molecular beam epitaxy. Nanoscale Research Letters, 2012. 7(1): p. 1-7.
    24. Chuah, L.S., Z. Hassan, and H.A. Hassan, High-quality In0.47Ga0.53N/GaN heterostructure on Si(111) and its application to MSM detector. Microelectronics International, 2008. 25(2): p. 3-8.
    25. Junaid, M., et al., Two-domain formation during the epitaxial growth of GaN (0001) on c-plane Al2O3 (0001) by high power impulse magnetron sputtering. Journal of Applied Physics, 2011. 110(12): p. -.
    26. Saoula, N., K. Henda, and R. Kesri, Deposition of Titanium Nitride Thin Films onto Silicon by RF Reactive Magnetron Sputtering. Materials Science Forum, 2009. 609: p. 117-121.
    27. Liu, Y., et al., Nitrogen Gas Flow Ratio and Rapid Thermal Annealing Temperature Dependences of Sputtered Titanium Nitride Gate Work Function and Their Effect on Device Characteristics. Japanese Journal of Applied Physics, 2008. 47(4): p. 2433-2437.
    28. Wakabayashi, H., et al. Novel W/TiNx metal gate CMOS technology using nitrogen-concentration-controlled TiNx film. in 1999 IEEE International Devices Meeting (IEDM), December 5, 1999 - December 8, 1999. 1999. Washington, DC, USA: IEEE.
    29. Jiang, N., et al., XPS study for reactively sputtered titanium nitride thin films deposited under different substrate bias. Physica B: Condensed Matter, 2004. 352(1-4): p. 118-126.
    30. Dimitriadis, C.A., et al., Contacts of titanium nitride to n- and p-type gallium nitride films. Solid-State Electronics, 1999. 43(10): p. 1969-1972.
    31. Weingarten, M., et al. Characterization of charge carrier injection in organic and hybrid organic/inorganic semiconductor devices by capacitance-voltage measurements. in Organic Light Emitting Materials and Devices XVI, August 12, 2012 - August 15, 2012. 2012. San Diego, CA, United states: SPIE.
    32. Saarinen, K., et al. Vacancies as compensating centers in bulk GaN: Doping effects. in BNS 2002, May 18, 2002 - May 23, 2002. 2002. Amazonas, Brazil: Elsevier.
    33. Ganchenkova, M. and R. Nieminen, Nitrogen Vacancies as Major Point Defects in Gallium Nitride. Physical Review Letters, 2006. 96(19).
    34. Van de Walle, C.G. and J. Neugebauer, First-principles calculations for defects and impurities: Applications to III-nitrides. Journal of Applied Physics, 2004. 95(8): p. 3851-3879.
    35. Bai, Y., et al., White organic light-emitting devices with high color purity and stability. Semiconductor Science and Technology, 2014. 29(4).
    36. Reshchikov, M.A. and H. Morkoç, Luminescence properties of defects in GaN. Journal of Applied Physics, 2005. 97(6): p. 061301.
    37. Demchenko, D., I. Diallo, and M. Reshchikov, Yellow Luminescence of Gallium Nitride Generated by Carbon Defect Complexes. Physical Review Letters, 2013. 110(8).

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