具有空穴抑制中间层的顶部发射式InP基QLEDs

【研究背景】

当前，基于InP量子点(QDs)的发光二极管(QLEDs)因其对环境无害的特性，而被认为是最有前景的OLEDs候选者之一。尽管通过玻璃基板发光的底部发射器件已广泛应用于QLEDs，然而通过顶部半透明电极发光的InP QLEDs却从未被研究过。有鉴于此，韩国首尔国立大学Changhee Lee教授与Jeonghun Kwak教授课题组通过优化顶发射器件结构，以及在EML和空穴传输层(HTL)之间引入空穴抑制中间层，演示了一种基于InP的高效、明亮的反向顶部发射QLEDs (ITQLEDs)。该ITQLEDs的最大电流效率为15.1-21.6 cd A⁻¹，最大亮度为17400-38800 cd m⁻²。

【图文详解】

ITQLEDs的示意图如图1a所示，底部阴极为一层150nm厚的银层。在银阴极上，ZnO纳米颗粒(NPs)被用作电子传输层（ETL），发射绿光的InP/ZnSeS核/壳量子点作为发射层（EML）。CzSi作为抑制空穴层可以对空穴注入进行调整，其化学结构和器件照片如图1a所示。图1c为ITQLEDs的能级图，可以看到，在PFN和CzSi层的作用下，电子和空穴在QD层内重新结合。

图1：ITQLEDs的器件结构与表征。

随后，作者就光电性能对顶部和底部发光的QLEDs进行了比较。在顶部发射结构中，光不通过具有高折射率的ITO和玻璃基板，因此可以显著降低波导损耗，使耦合效率降低40%。如图2b所示，两种器件在低J区(<4v)电流密度(J) -电压(V) -L特性差异不大。然而，在> 4v区域，IBQLED的电流密度和亮度增加趋势变缓。该结果表明，使用顶部发射结构有利于制作宽色域（WCG）的QLED显示器。

图2：绿色IBQLEDs和ITQLEDs的器件结构与性能比较。

由于InP基QLEDs能级间的势垒会导致低电子注入效率，因此作者在ZnO NPs和QDs之间引入了一个薄的PFN夹层，使电子注入可以很容易地从ETL过渡到QDs。另外，为了改善电荷平衡和减少猝灭，作者在QDs和HTL之间引入了一个薄的CzSi层作为“空穴抑制层”，为了调整孔抑制效果。图3a显示，随着CzSi厚度的增加，同一电压下绿色ITQLEDs的电流密度降低。此外，空穴抑制层也提高了器件电流效率。由于电荷平衡以及CzSi的宽带隙，在ITQLEDs的EL谱中没有观察到来自邻近传输层的寄生发射（图3c）。IBQLEDs的角分布接近朗伯光源，而ITQLEDs则随着角度的增加而变窄。这意味着，由于顶部发射结构耦合的增强，ITQLEDs对法线方向的光提取更强。

图3：随着CzSi空穴抑制层厚度的改变，绿色ITQLEDs的性能变化。

通过原子力显微镜(AFM)可以研究InP/ZnSeS量子点上CzSi夹层的形成。如图4a所示，QD膜的均方根粗糙度(Rq)约为0.51nm。当在QD膜上沉积1和3 nm的CzSi层时，Rq略有增加，为0.65-0.68 nm。形貌与原始QD膜相似（图4b,c）说明， CzSi薄膜(1-3nm)并没有完全覆盖QD层。从图4d,e的AFM图像可以看出，QDs至少需要5 nm厚的膜才能被完美覆盖。结合ITQLEDs的形貌和电流效率来看，1-3 nm的CzSi层不能很好地控制孔注入，而7 nm厚的CzSi层太厚，无法将孔载体注入/传输到QDs中。因此， 5 nm厚的CzSi中间层为最佳厚度。

图4：基于CzSi厚度的QDs上CzSi表面拓扑图像。

【总结】

综上所述，该研究演示了一种高性能的绿色和红色发光InP/ZnSeSQLEDs，它采用顶部发射结构，并引入CzSi作为空穴抑制中间层来控制电荷平衡。所制备出ITQLEDs器件的效率和亮度明显高于任何其它基于InP的QLEDs，这是因为通过顶部发射可以增强光提取，抑制空穴夹层以控制电荷平衡。作者相信，该器件结构可以用于进一步的研究以提高无毒QLEDs的性能，实现基于QLEDs的显示器件。

Taesoo Lee, Donghyo Hahm, Kyunghwan Kim, Wan Ki Bae, Changhee Lee, and Jeonghun Kwak, Highly Efficient and Bright Inverted Top-Emitting InP Quantum Dot Light-Emitting Diodes Introducing a Hole-Suppressing Interlayer, Small, 2019, DOI:10.1002/smll.201905162