УПРАВЛЯЕМАЯ НАПРЯЖЕНИЕМ СЛОИСТАЯ КОМПОНОВКА Российский патент 2012 года по МПК H05B33/22 H01L51/00 

Настоящее изобретение относится к управляемой напряжением слоистой компоновке, имеющей функциональный слой и слои покрытия для электрической пассивации слоистой компоновки, и к способу получения слоистой компоновки этого рода.

Уровень техники

Имеется большое количество известных управляемых напряжением слоистых компоновок, содержащих множество тонких слоев или тонких пленок, включающих в себя функциональный слой для приложения рабочего напряжения, таких, например, как компьютерные микросхемы, тонкопленочные компоненты или электролюминесцентные компоновки, имеющие неорганические или органические электролюминесцентные слои. Эти слоистые компоновки содержат слоистую структуру, имеющую функциональный слой, который располагается между анодом и катодом, для приложения рабочего напряжения к функциональному слою. Функциональные слои предназначаются, например, для испускания света, для использования в качестве тонкопленочных резисторов, в качестве диэлектрических слоев или предназначаются для использования в других применениях. Слоистая структура, как правило, наносится на подложку. Типичная толщина слоистой структуры может изменяться в пределах между несколькими 100 нм и несколькими десятками мкм. Типичные напряжения, прикладываемые к функциональной структуре, находятся в пределах между несколькими вольтами и несколькими десятками вольт. Токи утечки или короткие замыкания между катодом и анодом имеют отрицательное воздействие на работу и срок использования слоистой компоновки этого вида. В зависимости от силы и продолжительности тока утечки и/или короткого замыкания является возможным даже разрушение слоистой компоновки этого вида. Возникновению токов утечки или коротких замыканий способствуют торцы, которые существуют благодаря структурированию слоистой структуры, и соответствующее увеличение электрического поля в области торцов.

Документ, патент США № 5505985, описывает органический LED (светодиод), имеющий защитный слой из электроизолирующего материала. Материал защитного слоя является особенно пригодным для предотвращения диффузии влажности в слои, расположенные под ними. Нанесение защитного слоя предпочтительно имеет место в вакууме в связи с намерением защитить от воздействия защитного слоя либо органический люминесцентный слой, либо электрод, находящийся рядом с защитным слоем, в ходе процесса нанесения. Электролюминесцентные компоновки, которые имеют защитные слои этого вида, показывают меньшее уменьшение яркости по отношению к начальной яркости, чем электролюминесцентные компоновки, не имеющие такого защитного слоя. Однако очень сильно возрастающее локальное электрическое поле, которое существует в области острых торцов, остается без влияния электроизолирующего защитного слоя. Это увеличивающее электрическое поле вызывает очень сильно увеличенное локальное протекание тока, и это приводит к локальному уменьшению функционального слоя, расположенного между анодом и катодом, один из возможных вариантов развития такой ситуации может представлять собой короткое замыкание, когда время работы становится достаточно продолжительным.

Европейский патент ЕР 1403939 описывает светоизлучающее устройство, дисплей и блок освещения. Заявка на международный патент WO 2005/099311 описывает устройство органического люминесцентного дисплея.

Сущность изобретения

Следовательно, целью настоящего изобретения является получение возможности продолжительной работы для структурированных слоистых систем.

Эта цель достигается с помощью управляемой напряжением слоистой компоновки, содержащей подложку, слоистую структуру, которая наносится на подложку и которая содержит, по меньшей мере, один электропроводящий функциональный слой, расположенный между первым электродом и вторым электродом, и слой для понижения поля толщиной ≥5 нм и ≤200 нм, который является менее электропроводящим, чем функциональный слой, и который наносят на второй электрод, расположенный на стороне слоистой структуры, удаленной от подложки, таким образом, что он покрывает второй электрод, по меньшей мере, в области торца и электрически соединяет второй электрод с первым электродом.

Посредством нанесения слоя для понижения поля в области торца локальное увеличение электрического поля на торце значительно уменьшается. Электропроводность слоя для понижения поля дает более широкое распределение поля в области острых торцов, поскольку поле, которое изначально возникало только на торце, теперь распространяется в функциональный слой также и через соседние области слоя для понижения поля. Следовательно, то, что протекает через функциональный слой в этой области, представляет собой ток, который только немного выше, чем ток в областях, где нет торцов, что дает драматическое понижение риска появления коротких замыканий в рассматриваемой области. Поскольку проводимость слоя для понижения поля меньше, чем проводимость функционального слоя, возможность появления короткого замыкания между анодом и катодом через слой для понижения поля исключается.

В одном из вариантов осуществления управляемой напряжением слоистой компоновки в соответствии с настоящим изобретением, функциональный слой содержит, по меньшей мере, один электролюминесцентный слой. В этом случае локальное увеличение напряженности поля в области торцов становится само по себе заметным в форме уменьшения электролюминесцентного слоя вблизи торцов. Вырожденные области могут в принципе прекратить испускать свет и могут расти, когда время работы становится больше, они могут приводить к возникновению короткого замыкания, которое вызовет отказ электролюминесцентного слоя в целом. Присутствие слоя для понижения поля предотвратит любое существенное увеличение поля в области торцов, и области, которые испускают плохо или вообще не испускают, не будут таким образом расти, или они не будут представлять собой никакой угрозы для способности электролюминесцентного слоя к испусканию.

В другом варианте осуществления электролюминесцентный слой содержит органический электролюминесцентный материал. В этом варианте осуществления, наряду с обеспечением преимуществ, подробно описанных выше, слой для понижения поля представляет собой, в дополнение к этому, защитный слой, который представляет собой, по меньшей мере, некоторое препятствие для проникновения влажности или кислорода в органический слой и который имеет полезное воздействие на стабильность его способности к испусканию, постольку поскольку играют роль факторы окружающей среды.

В другой компоновке слой для понижения напряженности поля имеет электрическое сопротивление в пределах между 1 Ом·см и 10⁸ Ом·см, а предпочтительно между 10² Ом·см и 10⁸ Ом·см, особенно предпочтительно между 10⁴ Ом·см и 10⁸ Ом·см и еще более предпочтительно, между 10⁶ Ом·см и 10⁸ Ом·см. При сопротивлении, находящемся в этом диапазоне значений, воздействие перераспределения поля слоя для понижения поля является особенно эффективным, и в то же время исключается возможность возникновения короткого замыкания между анодом и катодом. В этом случае является преимущественным, если толщина слоя для понижения поля меньше чем 200 нм.

В другой компоновке слой для понижения поля содержит, по меньшей мере, один материал из группы, включающей в себя неорганические полупроводники, органические проводящие полимеры и малые проводящие органические молекулы. Эти материалы легко наносить как гомогенные слои, а если требуется, как смешанные слои, и они имеют однородные электрические свойства. Таким образом, эффект перераспределения поля не подвергается локальным изменениям в управляемой напряжением слоистой компоновке большой площади и может регулироваться воспроизводимым образом. Таким образом, эти материалы заметно отличаются, например, от полимеров, активированных металлическим частицами, где изменения концентрации примеси привели бы к большому различию свойств понижения поля. Изменения концентрации частиц могут представлять собой, например, результат накопления частиц, в особенности, если концентрации должны быть близкими к порогу проникновения.

В этом случае неорганический полупроводник может, в одном из вариантов осуществления, представлять собой субстехиометрический SiN_x, где 0,1<x<0,8, оксинитрид титана или нестехиометрический TiO_y, где 0<y<2. В другом варианте осуществления органический проводящий полимер может представлять собой активированный PDOT, PANI или полианилин. В другом варианте осуществления малые проводящие органические молекулы могут представлять собой, по меньшей мере, один материал из группы, включающей в себя MTDATA, активированный F4TCNQ, ванадилфталоцианин, активированный F4TCNQ, фуллерен C60, допированный LVC, или фуллерен C60, активированный pyB.

Настоящее изобретение также относится к способу получения управляемой напряжением слоистой компоновки по п.1, включающему в себя этапы

- нанесения первого электрода на подложку,

- нанесения электропроводящего функционального слоя,

- нанесения второго электрода и

- нанесения слоя (5) для понижения поля толщиной ≥5 нм и ≤200 нм для покрытия второго электрода (4), по меньшей мере, в области торца (4a) и получения электрического контакта с первым электродом (2).

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты настоящего изобретения становятся ясны при упоминании вариантов осуществления, описанных далее, и будут описываться со ссылками на них.

На чертежах:

фиг.1 представляет собой вид сбоку управляемой напряжением слоистой компоновки в области торца;

фиг.2 представляет собой вид сбоку управляемой напряжением слоистой компоновки по настоящему изобретению в области торца.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Управляемая напряжением слоистая компоновка вида, показанного на фиг.1, например, такая как органическая электролюминесцентная компоновка (OLED), содержит индивидуальные тонкие слои, большинство которых получают с помощью способов сухого направленного нанесения покрытий, таких, например, как вакуумное осаждение и/или напыление. То, что упоминается как способ направленного нанесения покрытий, представляет собой способ, при котором материал, который должен наноситься, движется по существу по прямой линии от источника до подложки, на которую должно наноситься покрытие. Для таких способов характерными являются области без покрытий (затененные области), которые располагаются за торцами, масками и тому подобными, расположенными в области пространства между источником и подложкой. В таких способах направленного нанесения покрытий торцы появляются, например, в результате структурирования слоистой компоновки посредством технологии масок.

Для компоновки OLED типичное рабочее напряжение между электродами 2 и 4 составляет порядка от 3 до 10 В. Для типичного расстояния между электродами 100 нм это соответствует полю 30 - 100 кВ/мм между электродами 2 и 4. Электрическое поле представлено на фиг.1 с помощью стрелок, идущих от катода 4 к аноду 2. Торец 4a в слое электрода 4, который располагается на стороне слоистой структуры, удаленной от подложки, создает, благодаря малому радиусу кривизны торца 4a, локальные напряженности поля, которые существенно выше. Увеличение поля представлено на фиг.1 с помощью более тесно расположенных стрелок в области торца 4a. Ток утечки и/или пробой между катодом 4 и анодом 2 вызывает неконтролируемое протекание тока. Этот процесс, который, как правило, является самопроизвольно усиливающимся в течение периода, перекрываемого протеканием тока, приводит к разрушению слоистой компоновки. Возникновения этого процесса в компоновках OLED, например, не зависит от того, имеется ли, в зависимости от формы слоистой структуры, один или несколько органических слоев 3 между анодом 2 и катодом 4.

Слой для понижения напряженности поля в управляемой напряжением слоистой компоновке в соответствии с настоящим изобретением представляет собой эффективное и недорогое решение проблемы предотвращения значительного увеличения поля в области торца. В этом случае, если нет слоя для понижения поля, увеличение поля будет тем выше, чем острее торец. Фиг.2 представляет собой вид сбоку для управляемой напряжением слоистой компоновки в соответствии с настоящим напряжением, имеющей слой 5 для понижения поля, которая в качестве примера представляет собой органическую электролюминесцентную систему (OLED). Слоистая структура OLED содержит органический функциональный слой 3, который во многих конструкциях содержит множество органических подслоев. Вариант осуществления OLED этого вида содержит в качестве функционального слоя 3, например, активированный трис (8-гидроксихинолинато)алюминий с типичной толщиной в диапазоне 100 нм, который располагается между двумя электродами 2 и 4 (такими, например, как первый электрод, формирующий анод 2 и второй электрод, формирующий катод 4), по меньшей мере, один из которых является прозрачным. То, что обычно используется в качестве прозрачного проводящего материала, представляет собой оксид индия олова (ITO). В качестве непрозрачного электрода служит проводящий материал, обычно слой металла, толщиной порядка 100 нм. Однако имеются также компоновки, в которых оба электрода являются прозрачными. Слоистую структуру наносят на подложку 1. Электролюминесцентный свет, испускаемый органическим функциональным слоем 3, обычно испускается через подложку 1. В этом случае анод 2 содержит слой ITO, а катод 4 слой алюминия. Слоистая структура может также наноситься на подложку в обратной последовательности. Когда испускание происходит в сторону, удаленную от подложки, слой 5 для понижения поля должен быть прозрачным. Между органическим функциональным слоем 3 и анодом 2, как правило, располагается слой с дырочной проводимостью, как правило, из альфа-NPD (N,N'-ди(нафталин-2-ил)-N,N'-дифенилбензидина), с толщиной приблизительно 50 нм. Между катодом 4 и органическим функциональным слоем 3 обычно располагают тонкий слой для инжекции электронов из материала, имеющего низкую работу выхода, такого как литий, цезий или барий, эта работа выхода является важной для получения хорошей инжекции электронов в люминесцентный слой. Для химической пассивации против факторов окружающей среды, и в частности, влажности и кислорода, управляемая напряжением слоистая компоновка может также заключаться в инкапсулирующую компоновку.

Слой 5 для понижения поля и его электропроводность, которая имеет соответствующий порядок величины, заставляют электрическое поле распределяться вдали от острого торца 4a и внутри слоя 5 для понижения поля, как можно увидеть на фиг.2 по стрелкам. Как и на фиг.1, стрелки представляют электрическое поле между катодом 4 и анодом 2. Однородное электрическое поле в областях слоистой структуры, где нет торцов, представлено стрелками с одинаковым расстоянием между ними. Благодаря эффекту перераспределения поля от электропроводящего слоя 5 для понижения поля это расстояние между ними по большей части сохраняется в области торца 4a, что означает, что нет увеличения поля в области острого торца 4a (в полную противоположность фиг.1, где нет слоя 5 для понижения поля), и таким образом, нет также локального увеличения протекания тока. Таким образом, свойства функционального слоя 3 не разрушаются избыточным протеканием тока и сохраняются в течение срока работы на том же уровне, как и в случае областей, где нет торца 4a. Однако электрическое сопротивление слоя 5 для понижения поля в этом случае должно быть достаточно высоким, чтобы предотвратить короткое замыкание между электродами 2 и 4 через слой 5 для понижения поля. Значения сопротивления, которые являются особенно пригодными для слоя для понижения поля, находятся в пределах между 1 Ом·см и 10⁸ Ом·см, предпочтительно между 10² Ом·см и 10⁸ Ом·см, особенно предпочтительно между 10⁴ Ом·см и 10⁸ Ом·см и еще более предпочтительно между 10⁶ Ом·см и 10⁸ Ом·см. При сопротивлении, находящемся в этом диапазоне значений, воздействие перераспределения поля слоя для понижения поля является особенно эффективным. В этом случае является преимущественным, если толщина слоя для понижения поля меньше чем 200 нм.

Вариант осуществления, показанный на фиг.2, представляет собой только один пример управляемых напряжением слоистых компоновок. Для неоптических применений такие свойства слоев, как прозрачность и/или отражение, не являются важными. Для других применений последовательность слоев и материалы слоев могут частично или полностью отличаться от последовательности слоев и материалов слоев, показанных на фиг.1. Однако все управляемые напряжением применения имеют одну и ту же проблему, что в процессе получения, структурированная слоистая структура может создавать в слоистой структуре между катодом и анодом ток утечки и/или короткое замыкание, и после этого может происходить отказ управляемой напряжением слоистой компоновки.

Пригодные для использования материалы для слоя 5 для понижения поля представляют собой, например, неорганические полупроводники, такие как субстехиометрический SiN_x, где 0,1<x<0,8, оксинитрид титана, или нестехиометрический TiO_y, где 0<y<2, или органические проводящие полимеры, такие как активированный PDOT, PANI или полианилин, малые проводящие активированные органические молекулы такие, например, как MTDATA или ванадил фталоцианин, активированный F4TCNQ, или сходные компоновки, и/или фуллерен C60, активированный, например, LVC или pyB, или смеси материалов, указанных выше. Электропроводность в этих материалах может регулироваться в широком диапазоне и может устанавливаться таким путем, чтобы соответствовать требованиям конкретной слоистой структуры в отношении рабочего напряжения.

Например, слои SiN_x толщиной 200 нм, где диапазон представляет собой 0,1<x<0,8, имеют значения сопротивления от 20 Ом·см до 2·10⁶ Ом·см. Слои из оксинитрида титана, например, толщиной 300 нм имеют значения сопротивления, которые могут регулироваться в широком диапазоне с помощью отношения кислород/азот, эти значения находятся в пределах между 3·10^-6 Ом·см, для нитрида титана, и 3·10⁷ Ом·см, для TiO_y, где 0<y<2. При соответствующем отношении кислород/азот получают значения сопротивления в пределах между 1 Ом·см и 3·10⁷ Ом·см. В случае ванадилфталоцианина, активированного F4TCNQ, значение сопротивления может регулироваться в пределах между 10² Ом·см и 10⁶ Ом·см для отношений активирования от 1:10 до 1:1000. Активированный PDOT имеет сопротивление в пределах между 1 Ом·см и 10⁴ Ом·см при толщине слоя 200 нм. Пригодная для использования примесь для PDOT могла бы представлять собой, например, PPS, так же как и уровень активирования, сопротивление также представляет собой функцию толщины слоя.

Управляемая напряжением слоистая компоновка в соответствии с настоящим изобретением может быть получена с помощью способов направленного и/или ненаправленного нанесения покрытия. Сначала на подложку 1 наносят первый электрод 2. Затем функциональный слой 3 и второй электрод 4 наносят на первый электрод 2. Процессы структурирования, например, такие как технологии масок или технологии травления, дают острые торцы, например, для второго электрода 4. Слой 5 для понижения поля наносят затем поверх второго электрода 4 посредством способов направленного нанесения покрытий, таких, например, как напыление или осаждение из паровой фазы, или способов ненаправленного нанесения покрытия, таких, например, как OPVD, способы контактной печати или способы нанесения покрытия с использованием линейных источников. С помощью последних способов, в частности, материал слоя 5 для понижения поля наносят в виде слоя адекватной толщины, даже, в частности, в области торцов, и, таким образом, получают электрический контакт между двумя электродами 2 и 4 через слой 5 для понижения поля.

То, что подразумевается под OPVD, представляет собой "осаждение из органической паровой фазы". При этом материал, который должен наноситься, переносится к подложке в потоке газа при низком давлении (приблизительно 0,1 мбар) и при высокой температуре (приблизительно 300°C).

Под "линейными источниками" подразумеваются вакуумные средства нанесения покрытия, в которых множество источников испарителей располагаются один за другим и на малых расстояниях, в линию, причем подложка проходит поперек через эту линию испарителей.

Способы ненаправленного нанесения покрытия исключают любое затенение (области подложки, которые не покрываются из-за недоступности материала, который должен наноситься, из-за объектов, таких как частицы, которые располагаются на прямой линии между источником и подложкой), таких, например, как частицы 6 пыли.

То, что необходимо для сплошного электропроводящего слоя 5 для понижения поля, представляет собой толщину слоя, по меньшей мере, 5 нм. Любые проблемы с адгезией, которые могут возникать, или слишком большие времена, необходимые для нанесения слоев, могут устраняться, если толщина слоя для понижения поля не более чем 200 нм.

Это способ перераспределения поля посредством нанесения слоя 5 для понижения поля не зависит от природы использования применения функционального слоя 3, то есть используется ли он как источник света или для других целей.

Варианты осуществления, которые поясняются с помощью ссылок на чертежи и описание, представляют собой только примеры перераспределения электрического поля в управляемой напряжением слоистой компоновке и не должны рассматриваться как ограничивающие формулу изобретения этими примерами. Для специалиста в данной области имеются также альтернативные варианты осуществления для других применений, которые возможны для других управляемых напряжением слоистых компоновок, имеющих функциональные слои, и они также перекрываются рамками защиты, которые дает формула изобретения. Нумерация зависимых пунктов формулы изобретения не предполагает, что другие сочетания пунктов формулы изобретения не определяют также преимущественные варианты осуществления настоящего изобретения.

Изобретение относится к области электронной техники. Управляемая напряжением слоистая компоновка содержит подложку (1), слоистую структуру (2, 3, 4, 5), которая наносится на подложку и которая содержит, по меньшей мере, один электропроводящий функциональный слой (3), расположенный между первым электродом (2) и вторым электродом (4), и слой (5) для понижения поля, который является менее электропроводящим, чем функциональный слой (3), и который наносится на второй электрод (4), расположенный на стороне слоистой структуры, удаленной от подложки, таким образом, что он покрывает второй электрод (4), по меньшей мере, область торца (4а) и электрически соединяет второй электрод (4) с первым электродом (2). Технический результат - повышение срока службы структурированной слоистой системы. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Управляемая напряжением слоистая компоновка, содержащая подложку (1),
слоистую структуру (2, 3, 4, 5), которую наносят на подложку и которая содержит, по меньшей мере, один электропроводящий функциональный слой (3), расположенный между первым электродом (2) и вторым электродом (4), и
слой (5) для понижения поля толщиной ≥5 нм и ≤200 нм, который является менее электропроводящим, чем функциональный слой (3), и который наносят на второй электрод (4), расположенный на стороне слоистой структуры, удаленной от подложки, таким образом, что он покрывает второй электрод (4), по меньшей мере, в области торца (4а) и электрически соединяет второй электрод (4) с первым электродом (2).

2. Управляемая напряжением слоистая компоновка по п.1, отличающаяся тем, что функциональный слой (3) содержит, по меньшей мере, один электролюминесцентный слой.

3. Управляемая напряжением слоистая компоновка по п.2, отличающаяся тем, что электролюминесцентный слой (3) содержит органический электролюминесцентный материал.

4. Управляемая напряжением слоистая компоновка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что слой (5) для понижения поля имеет электрическое сопротивление в пределах между 1 Ом·см и 10⁸ Ом·см.

5. Управляемая напряжением слоистая компоновка по п.4, отличающаяся тем, что слой (5) для понижения поля содержит, по меньшей мере, один материал из группы, включающей в себя неорганические полупроводники, органические проводящие полимеры и малые проводящие органические молекулы.

6. Управляемая напряжением слоистая компоновка по п.5, отличающаяся тем, что неорганический полупроводник представляет собой субстехиометрический SiN_x, где 0,1<х<0,8, оксинитрид титана или нестехиометрический TiO_y, где 0<y<2.

7. Управляемая напряжением слоистая компоновка по п.5, отличающаяся тем, что органические проводящие полимеры могут представлять собой активированный PDOT, PANI или полианилин.

8. Управляемая напряжением слоистая компоновка по п.5, отличающаяся тем, что малые проводящие органические молекулы могут представлять собой, по меньшей мере, один материал из группы, содержащей MTDATA, активированный F4TCNQ, ванадилфталоцианин, активированный F4TCNQ, фуллерен С60, активированный LVC, или фуллерен С60, активированный руВ.

9. Способ получения управляемой напряжением слоистой компоновки по п.1, содержащий этапы, на которых:
наносят первый электрод (2),
наносят электропроводящий функциональный слой (3),
наносят второй электрод (4),
наносят слой (5) для понижения поля толщиной ≥5 нм и ≤200 нм для покрытия второго электрода (4), по меньшей мере, в области торца (4а) и получения электрического контакта с первым электродом (2).