ITO表面處理方法

摘  要：不同的表面處理會影響ITO薄膜的光學和電學性能，并對整個OLED器件的效率和壽命產(chǎn)生影響。因此需要通過表面性能。本文介紹了幾種常用的表面處理方法，并對各種處理方法進行比較。 

1 引言 

應用于彩色顯示器的有機發(fā)光器件（OLED）具有優(yōu)秀的圖像質(zhì)量，特別是在亮度以及對比度等方面。近十年來，對OLED的研究得到廣泛的關(guān)注，對未來的圖像顯示技術(shù)帶來無法估量的沖擊。OLED器件的性能與空穴注入過程有非常密切的關(guān)系，通過使用錫摻雜氧化銦（ITO）做OLED的陽極。 

ITO具有低電阻率、高可見光率和高紅外光反射率等優(yōu)良特性，已經(jīng)被廣泛應用于固態(tài)平板顯示器件。ITO的導帶主要由In和Sn的55軌道組成，價帶由氧的2S軌道占主導地位。氧空位及Sn取代摻雜原子，構(gòu)成施主能級并影響導帶中的載流子濃度。在ITO淀積過程中，由于薄膜中產(chǎn)生氧空位和Sn攙雜取代，形成高度簡并的n型半導體。費米能級位于導帶底之上，因而具有很高的載流子濃度及低電阻率。此外，ITO的帶隙較寬，因而ITO薄膜對可見光和近紅外光具有很高的透過率。但是，由于ITO屬于非化學計量化合物，噴涂法、真空蒸發(fā)、化學氣相淀積、反映離子注入以及磁控濺射等沉積方法、沉積條件，以及表面處理方法，都將影響ITO薄膜的性能，導致ITO表面功函數(shù)在4~5eV之間變化。目前，ITO玻璃的生產(chǎn)已經(jīng)商業(yè)化，想要改善OLED的性能，需要對ITO的表面進行處理，使之適應有機物薄膜。 

2 表面處理對ITO表面性能的影響 

下面從電學及表面性質(zhì)兩個方面，討論ITO表面處理的作用以及對OLED性能的影響。 

2.1 表面處理對ITO表面性能的影響 

ITO陽極是OLED光出射面，粗糙的ITO表面將使光線發(fā)生漫反射，減少出射光的強度，降低OLED的外量子效率。粗糙的ITO表面會影響OLED的內(nèi)場分布，ITO表面的局部高場會加速有機材料老化，從而降低器件的壽命和穩(wěn)定性。 

2.2 表面處理對ITO電性能的影響 

OLED是空穴注入限制器件，空穴注入的數(shù)目直接影響整個器件的性能。通過改變表面的In、O、Sn及表面C污染物的含量，可以提高表面功函數(shù)，減小空穴注入的勢壘，提高空穴注入的數(shù)目。ITO是n型半導體，由重攙雜的Sn4+以及氧空位提供電子，當減少這兩種成份在表面的含量時間，表面功函數(shù)就會降低。 

3 ITO表面處理方法     

常用的ITO表面處理方法有機械拋光處理、酸堿處理、等離子處理及以上各種方法的結(jié)合。在進行表面處理之前，要對ITO基片進行清洗，依次用去離子水、丙酮、無水醇超聲清洗各30分鐘后，再用純氮氣吹干。下面詳細說明各種表面處理方法。

3.1 ITO表面處理方法 

固體表面的結(jié)構(gòu)和組成都與內(nèi)部不同，處于表面的原子或離子表現(xiàn)為配位上的不飽和性，這是由于形成固體表面時被切斷的化學鍵造成的。正是由于這一原因，固體表面極易吸附外來原子，使表面產(chǎn)生污染。因環(huán)境空氣中存在大量水份，所以水是固體表面最常見的污染物。由于金屬氧化物表面被切斷的化學鍵為離子鍵或強極性鍵，易與極性很強的水分子結(jié)合，因此，絕大多數(shù)金屬氧化物的清潔表面，都是被水吸附污染了的。在多數(shù)情況下，水在金屬氧化物表面最終解離吸附生成OH-及H+，其吸附中心分別為表面金屬離子以及氧離子。 

根據(jù)酸堿理論，M+是酸中心，O-是堿中心，此時水解離吸附是在一對酸堿中心進行的。在對ITO表面的水進行解離之后，再使用酸堿處理ITO金屬氧化物表面時，酸中的H+、堿中的OH-分別被堿中心和酸中心吸附，形成一層偶極層，因而改變了ITO表面的功函數(shù)。 

3.2 等離子體處理 

等離子體通常使用圖3所示的設(shè)備進行工作。將基片放在底座上，在真空系統(tǒng)中通入不同的混合氣體，并在金屬電極上家射頻電壓將氣體電離，形成等離子體，以非常快的速度轟擊ITO基片。為了形成較均勻的電場，電極采用金屬柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)。等離子體的作用通常是改變表面粗糙度和提高功函數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，等離子作用對表面粗糙度的影響不大，只能使ITO的均方根粗糙度從1.8nm降到1.6nm，但對功函數(shù)的影響卻較大。用等離子體處理提高功函數(shù)的方法也不盡相同。氧等離子處理是通過補充ITO表面的氧空位來提高表面氧含量的。氧同表面有機污染物反應生成CO2和H2O，去除了表面有機污染物。SF6通過在ITO表面形成一層含氟層來提高表面功函數(shù)，對粗糙度的改變不明顯。Ar等離子處理是通過除區(qū)在裝載基片過程中吸附的氧來清潔ITO表面的。

3.3 機械拋光 

用大量Al2O3微粉狀噴丸流高速噴向ITO表面，借助其動能將表面層的微觀凸起部位削平或壓平，以實現(xiàn)拋光的目的。此法操作簡單，表面微觀型貌良好，無方向性，主要用于清除表面積污、微觀凸起及較淺線條，并具有強化表面的作用。但表面粗糙度僅能在原有基礎(chǔ)上略有改善。S。Jung等人發(fā)現(xiàn)，通過先拋光后退火對ITO進行預處理，可改善表面粗糙度及氧含量，使用有機層同ITO接觸接口更加光滑，OLED器件的發(fā)光效率和注入電流均提高了10倍左右，ITO表面的TPD層結(jié)晶狀況也有所改變。 

3.4 紫外臭氧處理 

在真空室中安裝波長為253.7nm的低壓水銀燈，將臭氧發(fā)生器和光解臭氧的紫外燈管放在內(nèi)貼反光鋁薄膜的圓筒內(nèi)，以提高光能利用率。將3400V高電壓加在臭氧發(fā)生器玻璃管外的金屬網(wǎng)和管內(nèi)芯柱所構(gòu)成的兩個放電電極，當真空室通過氧氣時，流經(jīng)金屬網(wǎng)的部分氧分子分解成氧原子，并與其它氧分子碰撞產(chǎn)生臭氧分子。通過紫外線直接對有機物作用使有機物分解，這樣不僅在表面形成了一層富氧層，而且去除了表面的碳污染。各種表面處理方法的比較如表1所示。 

表 1   各種表面處理方法的比較