ITO表面处理方法

ITO表面处理方法   

摘  要：不同的表面处理会影响ITO薄膜的光学和电学性能，并对整个OLED器件的效率和寿命产生影响。因此需要通过表面性能。本文介绍了几种常用的表面处理方法，并对各种处理方法进行比较。 

1 引言 

应用于彩色显示器的有机发光器件（OLED）具有优秀的图像质量，特别是在亮度以及对比度等方面。近十年来，对OLED的研究得到广泛的关注，对未来的图像显示技术带来无法估量的冲击。OLED器件的性能与空穴注入过程有非常密切的关系，通过使用锡掺杂氧化铟（ITO）做OLED的阳极。 

ITO具有低电阻率、高可见光率和高红外光反射率等优良特性，已经被广泛应用于固态平板显示器件。ITO的导带主要由In和Sn的55轨道组成，价带由氧的2S轨道占主导地位。氧空位及Sn取代掺杂原子，构成施主能级并影响导带中的载流子浓度。在ITO淀积过程中，由于薄膜中产生氧空位和Sn搀杂取代，形成高度简并的n型半导体。费米能级位于导带底之上，因而具有很高的载流子浓度及低电阻率。此外，ITO的带隙较宽，因而ITO薄膜对可见光和近红外光具有很高的透过率。但是，由于ITO属于非化学计量化合物，喷涂法、真空蒸发、化学气相淀积、反映离子注入以及磁控溅射等沉积方法、沉积条件，以及表面处理方法，都将影响ITO薄膜的性能，导致ITO表面功函数在4~5eV之间变化。目前，ITO玻璃的生产已经商业化，想要改善OLED的性能，需要对ITO的表面进行处理，使之适应有机物薄膜。 

2 表面处理对ITO表面性能的影响 

下面从电学及表面性质两个方面，讨论ITO表面处理的作用以及对OLED性能的影响。 

2.1 表面处理对ITO表面性能的影响 

ITO阳极是OLED光出射面，粗糙的ITO表面将使光线发生漫反射，减少出射光的强度，降低OLED的外量子效率。粗糙的ITO表面会影响OLED的内场分布，ITO表面的局部高场会加速有机材料老化，从而降低器件的寿命和稳定性。 

2.2 表面处理对ITO电性能的影响 

OLED是空穴注入限制器件，空穴注入的数目直接影响整个器件的性能。通过改变表面的In、O、Sn及表面C污染物的含量，可以提高表面功函数，减小空穴注入的势垒，提高空穴注入的数目。ITO是n型半导体，由重搀杂的Sn4+以及氧空位提供电子，当减少这两种成份在表面的含量时间，表面功函数就会降低。 

3 ITO表面处理方法     

常用的ITO表面处理方法有机械抛光处理、酸碱处理、等离子处理及以上各种方法的结合。在进行表面处理之前，要对ITO基片进行清洗，依次用去离子水、丙酮、无水醇超声清洗各30分钟后，再用纯氮气吹干。下面详细说明各种表面处理方法。

3.1 ITO表面处理方法 

固体表面的结构和组成都与内部不同，处于表面的原子或离子表现为配位上的不饱和性，这是由于形成固体表面时被切断的化学键造成的。正是由于这一原因，固体表面极易吸附外来原子，使表面产生污染。因环境空气中存在大量水份，所以水是固体表面最常见的污染物。由于金属氧化物表面被切断的化学键为离子键或强极性键，易与极性很强的水分子结合，因此，绝大多数金属氧化物的清洁表面，都是被水吸附污染了的。在多数情况下，水在金属氧化物表面最终解离吸附生成OH-及H+，其吸附中心分别为表面金属离子以及氧离子。 

根据酸碱理论，M+是酸中心，O-是碱中心，此时水解离吸附是在一对酸碱中心进行的。在对ITO表面的水进行解离之后，再使用酸碱处理ITO金属氧化物表面时，酸中的H+、碱中的OH-分别被碱中心和酸中心吸附，形成一层偶极层，因而改变了ITO表面的功函数。 

 

3.2 等离子体处理 

等离子体通常使用图3所示的设备进行工作。将基片放在底座上，在真空系统中通入不同的混合气体，并在金属电极上家射频电压将气体电离，形成等离子体，以非常快的速度轰击ITO基片。为了形成较均匀的电场，电极采用金属栅网结构。等离子体的作用通常是改变表面粗糙度和提高功函数。研究发现，等离子作用对表面粗糙度的影响不大，只能使ITO的均方根粗糙度从1.8nm降到1.6nm，但对功函数的影响却较大。用等离子体处理提高功函数的方法也不尽相同。氧等离子处理是通过补充ITO表面的氧空位来提高表面氧含量的。氧同表面有机污染物反应生成CO2和H2O，去除了表面有机污染物。SF6通过在ITO表面形成一层含氟层来提高表面功函数，对粗糙度的改变不明显。Ar等离子处理是通过除区在装载基片过程中吸附的氧来清洁ITO表面的。

3.3 机械抛光 

用大量Al2O3微粉状喷丸流高速喷向ITO表面，借助其动能将表面层的微观凸起部位削平或压平，以实现抛光的目的。此法操作简单，表面微观型貌良好，无方向性，主要用于清除表面积污、微观凸起及较浅线条，并具有强化表面的作用。但表面粗糙度仅能在原有基础上略有改善。S。Jung等人发现，通过先抛光后退火对ITO进行预处理，可改善表面粗糙度及氧含量，使用有机层同ITO接触接口更加光滑，OLED器件的发光效率和注入电流均提高了10倍左右，ITO表面的TPD层结晶状况也有所改变。 

3.4 紫外臭氧处理 

在真空室中安装波长为253.7nm的低压水银灯，将臭氧发生器和光解臭氧的紫外灯管放在内贴反光铝薄膜的圆筒内，以提高光能利用率。将3400V高电压加在臭氧发生器玻璃管外的金属网和管内芯柱所构成的两个放电电极，当真空室通过氧气时，流经金属网的部分氧分子分解成氧原子，并与其它氧分子碰撞产生臭氧分子。通过紫外线直接对有机物作用使有机物分解，这样不仅在表面形成了一层富氧层，而且去除了表面的碳污染。各种表面处理方法的比较如表1所示。 

表 1   各种表面处理方法的比较

表面处理方法	面阻（Ω/□）	功函数（eV）	表面粗糙度（nm）
未处理	16.1	4.5	2.6
机械抛光	16.3	4.2	2.3
Ar等离子体	16.7/17.3/17.0	4.5	10.9/15.4/23.0
氧等离子体	16.4/15.0/16.4	4.35/4.75/4.65	1.4/1.4/2.1
王水	18.5/23.5/28.6	4.6/4.3/4.7	3.8/8.4/8.8
王水/氧等离子体	27.7	4.6	6.0
氧等离子体/王水	>30.0	4.7	1.8
HCL	26.3	4.54	1.3

4 结束语 

通过上面的对比发现，使用机械抛光法能得到最光滑的ITO表面，氧等离子体处理能得到功函数最高的ITO表面，UV臭氧处理的ITO表面电阻率最低。只有通过结合使用多种方法才能得到最佳性能的ITO表面。