DE69724690T2

DE69724690T2 - Wellenlängenkompensation für eine elektrolumineszente Vorrichtung mit einem Resonanzhohlraum

Info

Publication number: DE69724690T2
Application number: DE69724690T
Authority: DE
Inventors: Ananth Millington Dodabalapur; Lewis Josiah Morristown Rothberg; Timothy Mark Miller
Original assignee: Agere Systems Optoelectronics Guardian Corp
Current assignee: Agere Systems LLC
Priority date: 1996-04-10
Filing date: 1997-04-01
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2017-04-02
Also published as: EP0801429B1; DE69724690D1; JP3260655B2; US5814416A; JPH1041071A; KR970073229A; EP0801429A1; TW400683B; KR100255899B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft organische Elektrolumineszenz-Vorrichtungen mit Resonanzhohlraum.
Allgemeiner Stand der Technik
Resonanzhohlraum-Elektrolumineszenz-Vorrichtungen (Bezeichnung für lichtemittierende Vorrichtungen mit einem Resonanzhohlraum, auch als RCLEDs bezeichnet), und, insbesondere organische Mikrohohlraum-Lichtemitter sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine RCLED wird als "organisch" bezeichnet, wenn das darin verwendete Elektrolumineszenz-Material ("EL-Material") organisch ist. Wie aus der Bezeichnung hervorgeht, weist eine Mikrohohlraumstruktur eine Hohlraumebene im Mikrometerbereich auf.
Im allgemeinen ist das Fluoreszenzspektrum mancher elektrolumineszenzfähiger organischer Materialien breit und deckt in einigen Fällen den gesamten sichtbaren Bereich ab. Eine Beeinflussung der spontanen Emissionsraten und Profile von Leuchtsystemen läßt sich erzielen, indem diese in Strukturen, wie beispielsweise Mikrohohlraumstrukturen, eingebunden werden, die ihre nominalen Freiraumdichten und Photonenzustände verändern. Eine planare Mikrohohlraumstruktur kann die spontane Emission von organischen Dünnschichten geeignet anpassen. Somit ist es möglich, mit nur einer Emissionsschicht eines organischen Materials in einer planaren Mikrohohlraumstruktur, beispielsweise rote, grüne oder blaue Lichtemitter zu konstruieren. Dies ist aus dem Stand der Technik bekannt und eingehender beschrieben in A. Dodabalapur, et al., "Microcavity Effects In Organic Semiconductors", 64(19) Appl. Phys.
Lett. 2486 (9. Mai 1994) ("Dodabalapur I"); A. Dodabalapur, et al., "Electroluminescence From Organic Semiconductors In Patterned Microcavities", 30 Elect. Lett. 1000 (1994) ("Dodabalapur II"); A. Dodabalapur, et al., "Color Variation With Electroluminescent Organic Semiconductors In Multimode Resonant Cavities", 65(18) Appl. Phys. Lett. 2308 (31. Okt. 1994) ("Dodabalapur III") und in der US-Patentschrift 5 405 710 (dem "Dodabalapur-Patent").
Kurz gesagt, ist eine Verschmälerung der Bandbreite des ausgesandten Lichts auf eine einzelne Farbe innerhalb einer planaren Mikrohohlraumstruktur beispielsweise auf die Verbesserung durch die in der Vorrichtung verwendeten reflektierenden Schichten zurückzuführen. Dies ist in Nakayama, et al., "Organic Photo- And Electroluminescent Devices With Double Mirrors", 63(5) Appl. Phys. Letter 594 (2. Aug. 1993) beschrieben. Die Wellenlänge des ausgesandten Lichts bestimmt sich ferner durch die (auch als optische Länge bezeichnete) optische Dicke des Hohlraums, die durch eine Änderung der Dicke der Schichten, die den Hohlraum bilden, veränderbar ist. Andere optische Eigenschaften können variiert werden, um diese Wirkung zu erzielen, beispielsweise der Brechungsindex der Schichten oder die Mittenwellenlänge des Sperrbereichs eines Viertelwellenstapels, der als eine reflektierende Oberfläche verwendet wird. Wie in dem Dodabalapur-Patent offenbart, kann in die Mikrohohlraumstruktur eine Füllschicht geeigneter Dicke integriert werden, um die ausgestrahlte Wellenlänge zu steuern. Indem in einzelnen Bereichen einer planaren Mikrohohlraumstruktur verschiedene Dicken für die Füllschicht vorgesehen werden, ist es möglich, mittels einer einzigen Emissionsschicht aus einem organischen Material Elemente aufzubauen, die in den abgegrenzten Bereichen rotes, grünes oder blaues Licht aussenden.
Folglich sind organische Mikrohohlraum-Lichtemissionsvorrichtungen (LEDs), die eine veränderliche Füllschicht verwenden, von Vorteil, da sie eingesetzt werden können, um ein vollfarbiges Display zu erzeugen, ohne daß hierzu eine Kombination verschiedenartiger emissiver Materialien erforderlich ist. Nachdem entschieden ist, welche Schicht oder Eigenschaft variiert werden soll, um die spezielle Farbe für den speziellen Lichtemitter zu erreichen, ist lediglich diese spezielle Schicht oder Eigenschaft zu variieren, um die gewünschte Farbe zu erreichen. Sämtliche der übrigen Schichten, aus denen sich der spezielle Mikrohohlraum zusammensetzt, einschließlich der organischen EL-Schicht, bleiben für die verschiedene Farbe abgebenden Emitter konstant.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegenden Erfindung begründet sich auf der Erkenntnis, daß elektrolumineszente Vorrichtungen mit einem Resonanzhohlraum, und insbesondere organische Mikrohohlraum-Lichtemitter, im allgemeinen ein Emissionsspektrum aufweisen, das abhängig von dem Winkel; unter dem die Vorrichtung betrachtet wird, unerwünscht variiert. D. h., mit einem Vergrößern des Betrachtungswinkels zwischen der Normalen und der Strahlungsfläche der Vorrichtung geht eine Blauverschiebung der ausgestrahlten Wellenlänge einher (d. h. eine Verschiebung in Richtung kürzerer Wellenlängen). In Mikrohohlraumvorrichtungen verringert sich mit steigendem Betrachtungswinkel der Abstand zwischen den stehenden Wellenknoten einfallender und reflektierter Wellen. Um zu der charakteristischen Abmessung des Hohlraums zu passen, sind daher kürzere Wellenlängen erforderlich. Dementsprechend kann die maximale Wellenlänge eines typischen organischen Mikrohohlraum-Lichtemitters bei einer Änderung des Betrachtungswinkels zwischen der Normalen und der Ebene der Lichtemission um 45° um etwa 25 bis 50 nm abnehmen.
Die Blauverschiebung begrenzt die Einsatzfähigkeit von Mikrohohlraum-LEDs in einer Reihe von wichtigen Anwendungen, wie beispielsweise Displays, bei denen visuelle Wahrnehmung und Eindrücke eine große Rolle spielen.
Dementsprechend beseitigt die vorliegende Erfindung die oben erwähnten Probleme im Zusammenhang mit herkömmlichen Mikrohohlraum-LEDs durch Schaffung eines Mikrohohlraum-Lichtemitters, der die mit der Änderung des Betrachtungswinkels auftretende Änderung der Wellenlänge von ausgestrahltem Licht reduziert oder minimiert. In einem der Veranschaulichung dienenden Ausführungsbeispiel umfaßt eine elektrolumineszente Vorrichtung mit Mikrohohlraum: ein Substrat, das eine Oberfläche mit wenigstens einem symmetrischen, nicht planaren, vorragenden Oberflächenmerkmal aufweist, bei dem die Geometrie des symmetrischen, nicht planaren vorragenden Oberflächenmerkmals des Substrats so gestaltet ist, daß sie eine Reduzierung der Abweichung der Emissionswellenlänge in Abhängigkeit von dem Winkel, unter dem die Vorrichtung betrachtet wird, bewirkt, und eine Mikrohohlraumschichtstruktur, die über das nicht planare Oberflächenmerkmal gestapelt ist. Die Mikrohohlraumschichtstruktur umfaßt wenigstens eine erste reflektierende Schicht auf dem nicht planaren Substratoberflächenmerkmal, eine zweite reflektierende Schicht, die über die erste Schicht geschichtet ist, und eine aktive Schicht, die ein zur Elektrolumineszenz fähiges organisches Material zwischen der ersten und zweiten reflektierenden Schicht enthält. Das Substrat kann gegenüberliegend zu seinem symmetrischen, nicht planaren, vorragenden Oberflächenmerkmal eine planare Oberfläche aufweisen, und die symmetrische, nicht planare Oberfläche des Substrats kann ein Konus sein, der sich von der gegenüberliegenden, planaren Oberfläche weg erstreckt. Der Konus kann ein gerader, kreisförmiger Konus mit einem Konuswinkel zwischen 8° und 15° sein. Alternativ kann das nicht planare vorragende Oberflächenmerkmal ein Kegelstumpf, eine kuppelförmige Fläche oder eine Kombination davon sein. Die von gegenüberliegenden Bereichen der nicht planaren Oberfläche ausgehende Elektrolumineszenz addiert sich im Fernfeld in der Weise, daß die von dem Betrachtungswinkel abhängige Wellenlängenabweichung des ausgesandten Lichts im Vergleich zu planaren Mikrohohlraum-LEDs reduziert wird.
Ein Display kann erfindungsgemäß mit einer Vielzahl von Mikrohohlraum-LEDs hergestellt werden, die auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind. Das Substrat weist auf der einen Seite eine planare Oberfläche auf und ist auf der gegenüberliegenden Oberfläche mit einer Vielzahl von vorragenden, nicht planaren Oberflächenmerkmalen ausgebildet. Die LEDs sind auf den vorragenden, nicht planaren Oberflächenmerkmalen in der Weise hergestellt, daß eine jede ein Subpixel bildet. Jedes Pixel des Displays umfaßt beispielsweise mindestens drei aneinandergrenzende Subpixel verschiedener Farbe.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines der Veranschaulichung dienenden Ausführungsbeispiels eines Mikrohohlraum-Lichtemitters in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter einsehbar und ohne weiteres klar:
1 zeigt eine repräsentative Darstellung der Schichten, die einen typischen Mikrohohlraum-Lichtemitter umfassen;
2 zeigt eine Tabelle mit exemplarischen Mikrohohlraum-Schichtmaterialien und Dicken;
3 zeigt in einem Graph für eine Reihe von Betrachtungswinkeln die gemessene Intensität des ausgesandten Lichts, abgetragen gegen die Wellenlänge für den Lichtemitter der 1–2;
4A und 4B stellen in perspektivischen bzw. geschnittenen Ansichten einen erfindungsgemäßen Lichtemitter eines konischen Typs dar;
5A veranschaulicht für eine Anzahl von Betrachtungswinkeln die berechnete Intensität von ausgesandtem Licht, abgetragen gegen die Wellenlänge im Falle des in 2 und 4 dargestellten Lichtemitters;
5B und 5C veranschaulichen Vergleiche der Elektrolumineszenzleistung zwischen einer planaren LED und einer konischen LED;
6A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Displays;
6B zeigt die Ansicht längs der Schnittlinie BB nach 6A;
7–9 zeigen Schnittansichten von abgewandelten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
10 zeigt für eine Anzahl von Betrachtungswinkeln die berechnete Intensität des ausgesandten Lichts, abgetragen gegen die Wellenlänge für den Lichtemitter nach 1–2.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
1 stellt eine repräsentative perspektivische Ansicht eines typischen organischen Mikrohohlraum-Lichtemitters 10 dar, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Emitter 10 weist eine im wesentlichen solide rechteckige Geometrie auf und kann als ein Subpixel oder ein Pixel eines Flachbildschirms eingesetzt werden. Emitter dieser Art sind ebenfalls in den oben erwähnten Schriften Dodabalapur I–III und dem Dodabalapur-Patent beschrieben. Desgleichen finden sich in diesen Bezugsdokumenten Beschreibungen darüber, wie sich die Emitter, wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch wiederholtes Abscheiden, Spinbeschichten und Maskieren aufbauen lassen. Ferner wird ein mathematisches Model des Schichtsystems, das den Aufbau eines Emitters mit einer ausgesuchten Wellenlänge ermöglicht, beschrieben.
Der Lichtemitter 10 umfaßt eine organische Mikrohohlraumschichtstruktur 15, die auf einer ersten planaren Oberfläche 17 eines Substrats 12 ausgebildet ist. Das Substrat 12 weist eine der planaren Oberfläche 17 gegenüberliegende zweite planare Oberfläche 13 auf, durch die hindurch von der Mikrohohlraumstruktur 15 erzeugtes Licht ausgestrahlt wird. Ein wesentlicher Unterschied zwischen weiter unten beschriebenen, veranschaulichenden Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung und dem Lichtemitter 10 besteht darin, daß das Substrat 12 durch ein Substrat mit einer nicht planaren Oberfläche, auf der die Mikrohohlraumstruktur ausgebildet ist, ersetzt ist. In diesen Ausführungsbeispielen weist die Mikrohohlraumschichtstruktur eine im wesentlichen gleichbleibende Dicke längs der gesamten nicht planaren Oberfläche des Substrats auf. Dementsprechend trifft die nachfolgende Erörterung der Schichtzusammensetzung der Mikrohohlraumstruktur 15 sowohl auf den planaren Lichtemitter 10 aus dem Stand der Technik als auch auf die unten beschriebenen Lichtemitter der vorliegenden Erfindung zu.
Im Mindesten umfaßt die Mikrohohlraumstruktur 15 eine untere Spiegelschicht 14, die ein aus mehreren Schichten aufgebauter dielektrischer Stapel ist, eine (die "aktive" Schicht definierende) organische Elektrolumineszenzschicht 22 (EL-Schicht), einen oberen Metallspiegel 24 und ein beliebiges Mittel, das dazu dient, das Anlegen eines elektrischen Feldes quer durch die EL-Schicht 22 zu ermöglichen, um diese dazu zu veranlassen, Licht durch den unteren Spiegel 14 auszusenden. Optional kann die aktive Schicht allerdings zusätzlich zu der organischen EL-Schicht 22 eine oder mehrere zusätzliche Schichten umfassen, beispielsweise eine Löchertransportschicht 20 und/oder eine zwischen der EL-Schicht 22 und dem oberen Spiegel 24 (nicht gezeigte) Elektronen/Löchersperrschicht. Das EL-Material der Schicht 22 kann einschichtig sein oder aus zwei oder mehr Schichten aufgebaut sein, die unterschiedliche Emissionscharakteristiken aufweisen. Jede der EL-Materialschichten kann dotiert oder undotiert sein.
Das Substrat 12, sowie die nicht planare Oberflächen aufweisenden Substrate, die in den unten beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden, sind für die Strahlung der maßgebenden Wellenlänge weitgehend transparent. Unter dem Begriff "weitgehend transparent" ist hier zu verstehen, daß die Dämpfung der Strahlung der betreffenden Wellenlänge über die maßgebende Entfernung gewöhnlich nicht mehr als 25% beträgt. Als Substrat dienen beispielsweise Materialien wie Hartglas, Glas, Saphir, Quarz oder transparenter Kunststoff, z. B. Poly(ethylsulfon).
Der mehrschichtige Spiegel 14 umfaßt abwechselnde, aus weitgehend nicht absorbierenden Materialien bestehende Schichten geeignet gewählter Dicke (gewöhnlich λ/4). Solche Spiegel sind hinlänglich bekannt. Das Reflexionsvermögen des Spiegels hängt in bekannter Weise von der Anzahl von Schichtpaaren und den Brechungsindices der verwendeten Materialien ab. Beispiele für Paare von Materialien sind SiO₂ und Si_xN_y; SiO₂ und SiN_x sowie SiO₂ und TiO₂. In 1 weist der gezeigte Spiegel 14 beispielsweise sich abwechselnde Schichten 14a–14f aus SiO₂ und Si_xN_y, d. h. drei Schichtpaare auf. Selbstverständlich können mehr oder auch weniger Paare verwendet werden.
Die organische EL-Schicht 22 ist die Quelle der Lichtemission. EL-Materialien sind beispielsweise tris-(8-Hydroxichinolin)aluminium(Alq), Perylenderivate, Anthracen, Poly(phenylenvinylene), Oxadiazol und Stilbenderivate. Die EL-Materialien können optional dotiert sein, beispielsweise mit Cumarin, mit einem DCM oder einem Rhodaminderivat, um das EL-Spektrum des Materials nach Bedarf zu formen und/oder den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu verbessern. Das EL-Material kann sich aus mehreren Schichten zusammensetzen, von denen einige, wie in Jordan et al., Appl. Phys. Lett. 68, 1192 (1996) beschrieben, dotiert sind.
Optional ist eine Löchertransportschicht 20 einbezogen, die aus einem beliebigen, weitgehend transparenten Material bestehen kann, das in der Lage ist, den Transport von Löchern zu der EL-Schicht 22, an der die Elektron-Loch-Rekombination stattfindet, zu erleichtern. Beispiele geeigneter Materialien sind Diamin (z. B. Triphenyldiamin oder TAD) und Poly(thienylen-Vinylen).
Eine (nicht gezeigte) Elektronentransportschicht kann (optional) zwischen der EL-Schicht 22 und dem oberen Spiegel 24 verwendet werden. Die Elektronentransportschicht kann aus einem beliebigen weitgehend transparenten Material bestehen, das in der Lage ist, den Elektronentransport von dem oberen Spiegel zu der EL-Schicht zu fördern. Beispiele solcher Materialien sind 2-(4-Biphenyl)-5-phenyl-1,3-,4-Oxadiazol (PBD), Butyl-PBD oder jedes dieser Materialien, in ein inertes Polymer, beispielsweise Poly(methyl-Methacrylat) (PMMA), oder ein Poly(carbonat) dotiert.
Die obere Metallspiegelschicht 24 injiziert Elektronen in die benachbarte Schicht. Beispiele reflektierender Materialien sind Al, Ag oder Au, oder Legierungen wie beispielsweise Mg/Al, Mg/Ag oder Li/Al. Sowohl bei Displayanwendungen aus dem Stand der Technik als auch in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Spiegelschicht 24 strukturiert, um benachbarte LEDs voneinander zu trennen. Dementsprechend lassen sich gezielt an die oberen Metallspiegel der einzelnen LEDs Spannungen anlegen, um Elektrolumineszenz zu erzeugen.
Eine geeignete Wahl eines EL-Materials ermöglicht es, entweder die Löchertransportschicht oder die Elektronentransportschicht (oder gegebenenfalls beide Schichten) zu eliminieren. Beispielsweise läßt sich Alq sowohl als EL-Material als auch als Elektronentransportmedium einsetzen, und Poly(phenylenvinylen) kann sowohl als EL-Material als auch als Löchertransportmedium dienen.
Eine (optionale) Füllschicht 16 kann aus einem beliebigen, weitgehend transparenten Material bestehen, das unter den betreffenden Herstellungs- und Betriebsbedingungen chemisch stabil ist und sich durch eine geeignete Technik strukturieren läßt. Füllermaterialien sind beispielsweise transparente Polymere (z. B. Polyimid) oder transparente Dielektrika (z. B. Si_xN_y oder SiO₂).
Vorzugsweise wird als das Mittel zum Erleichtern des Anlegens eines elektrischen Feldes quer durch die eine oder vielen aktiven Schichten eine transparente (oder semitransparente) Elektrodenschicht 18 verwendet. Als Elektrodenschicht 18 können beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO); ein anderes elektrisch leitfähiges Oxid, wie z. B. GaInO₃ oder Zn_1,2In_1,9Sn_0,1O_x; ein elektrisch leitfähiges Polymer, wie beispielsweise Polyanilin; oder eine dünne Schicht (einer Dicke von beispielsweise ca. 10 Angström) aus Metall (z. B. Au oder Al) ausgewählt werden.
Das durch die EL-Schicht verlaufende, Elektrolumineszenz hervorrufende elektrische Feld wird vorzugsweise erzeugt, indem zwischen der oberen Spiegelschicht 24 und der Elektrodenschicht 18 eine Spannung angelegt wird. Wenn zwischen diesen Schichten eine Spannung von etwa 10 Volt angelegt wird, ist Elektrolumineszenz zu beobachten. Die Vorrichtung arbeitet gewöhnlich mit einem internen Quantenwirkungsgrad (d. h. Photonen pro injiziertem Elektron) von etwa 10%.
Um die Herstellung einer großen Anzahl von Lichtemittern, die, wie beispielsweise in Displayanwendungen, mehrere (z. B. drei) ausgewählte Farben emittieren, auf einem gemeinsamen Substrat zu vereinfachen, wird die Füllschicht 16 vorzugsweise als die Schicht verwendet, die zur Steuerung der ausgestrahlten Farbe dient. Dementsprechend kann zur Erzeugung der verschiedenen Farben dasselbe organische EL-Material über das gesamte Display hinweg verwendet werden. Diese Technik ist in dem Dodabalapur-Patent beschrieben und läßt sich ebenso für die unten beschriebenen Lichtemitter der vorliegenden Erfindung verwenden. Grundsätzlich wird die Dicke der Füllschicht dazu verwendet, die optische Gesamtlänge des Hohlraums und dementsprechend die Hauptwellenlängen der Emission gezielt zu beeinflussen. (Wie in dem Dodabalapur-Patent festgestellt, können beispielsweise die Dicken und Brechzahlen der übrigen Schichten der Mikrohohlraumschichtstruktur 15 ebenfalls geeignet gestaltet werden, um die optische Gesamtlänge des Hohlraums nach Bedarf einzustellen. Der "Hohlraum" selbst ist durch seine optische Länge definiert).
2 zeigt in einer Tabelle exemplarische Dicken und Materialien, die für die vielfältigen Schichten des Emitters 10 nach 1 verwendet werden können. Weiter ist ein typischer Brechungsindex für jede Schicht vorgegeben. Diese spezielle Konfiguration ergibt eine senkrecht zu der planaren Unterseite 13 des Substrats 12 (d. h. längs der Z-Achse nach 1) ausgestrahlte gelbe Emission.
In 3 sind Kurven der gemessenen Intensität der Elektrolumineszenz (EL) gezeigt, wie sie durch den planaren Mikrohohlraumemitter 10 nach 1 ausgestrahlt werden, wenn dieser die in 2 gegebenen Schichtcharakteristiken aufweist. Die Elektrolumineszenz ist für vielfältige Betrachtungswinkel θ gegenüber der Wellenlänge aufgetragen, wobei θ der Fernfeldwinkel zwischen der senkrechten Achse z und dem Substrat 12 ist (siehe 1). In senkrechter Richtung (θ = 0°) ist bei etwa 590 nm eine schmale Spitze mit einer Spektralbreite von etwa 25 nm zu sehen. Die maximale Emissionswellenlänge nimmt in Abhängigkeit von einem Ansteigen des Betrachtungswinkels θ ab. Dementsprechend verschiebt sich die maximale Wellenlänge der Emission in dem Beispiel von etwa 590 nm bei θ = 0° hin zu 565 nm bei θ = 45°, was einer "Blauverschiebung" von 25 nm entspricht. Mit ansteigendem Betrachtungswinkel wächst die Bandbreite der Wellenlänge ferner an, und die maximale Intensität nimmt ab. Die maximale EL-Intensität bei θ = 45° beträgt etwa ein Drittel des bei θ = 0° beobachteten Wertes. Zu beachten ist, daß sich auf analytischem Wege Näherungswerte für die EL-Intensität und die Emissionswellenlängen errechnen lassen, die weitgehend mit den gemessenen Ergebnissen nach 3 übereinstimmen. Diese Analyse wird im einzelnen weiter unten erörtert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die von dem Betrachtungswinkel abhängige Abweichung der Emissionswellenlänge verringert, indem eine Mikrohohlraumstruktur auf einer symmetrischen, nicht planaren Oberfläche eines Substrats geschaffen wird. Die nicht planare Oberfläche ist geeignet ausgewählt, um eine derartige Emissionswellenlängenabweichung zu reduzieren oder zu minimieren.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist diese nicht planare Oberfläche konisch. 4A zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mikrohohlraumlichtemitters 40 konischer Bauart. Ein Substrat 42, z. B. aus Hartglas, weist einen festen rechteckigen Basisabschnitt auf, der einstückig mit einem konischen Abschnitt ausgebildet ist. Eine gleichmäßige Mikrohohlraumschichtstruktur 15, die sich aus lichtemittierenden Schichten der Vorrichtung zusammensetzt, ist auf dem konischen Abschnitt des Substrats 42 ausgebildet. Der konische Abschnitt ist vorzugsweise ein gerader kreisförmiger Konus. Dementsprechend ist der Emitter 40 um eine durch die Spitze des Konus verlaufende Z-Achse symmetrisch. Wie in 4B gezeigt, die eine Ansicht längs der Schnittlinie AA nach 4A darstellt, sind der Basisabschnitt und der konische Abschnitt des Substrats 42 mit 42a bzw. 42b bezeichnet. Licht wird durch eine planare Unterseite 43 des Basisabschnitts 42a ausgestrahlt. Der konische Abschnitt 42b weist einen stumpfen Konuswinkel Ψ auf, der im Bereich von 8–15° liegen kann. Ein Betrachtungswinkel θ' zwischen der (senkrecht zur Fläche 43 angeordneten) Z-Achse entspricht analog dem Betrachtungswinkel θ der oben erörterten planaren LED 10 (siehe 1).
Die geschichtete Struktur 15 wird vorzugsweise mittels Verdunstungs-/Verdampfungssublimation der aufeinanderfolgenden Schichten auf dem konischen Abschnitt 42b ausgebildet. Dieses Verfahren ermöglicht eine Herstellung der Schichten mit einer über die gesamte konische Oberfläche durchgehend weitgehend gleichmäßigen Dicke. (Zu beachten ist, daß es möglich ist, die geschichtete Struktur 15 auf dem konischen Abschnitt 42b durch Spinbeschichten aus einer Lösung zu erzeugen). Die geschichtete Struktur 15 entspricht daher derjenigen, die für die planare LED nach 1 verwendet wurde, und bildet eine Mikrohohlraumstruktur, wobei die Dicke und der Brechungsindex einer jeden Schicht das Emissionsspektrum, das einem jeden Bereich der Mikrohohlraumstruktur 15 eigen ist, mitbeeinflußt.
Eine als Funktion des Betrachtungswinkels θ' auftretende Abweichung der Wellenlänge von ausgesandtem Licht wird mit dem Lichtemitter 40 im Vergleich zu der Abweichung, wie sie bei einem wie in 1 gezeigten, planaren Lichtemitter zu beobachten ist, verringert. Diese Verringerung der Abweichung der Wellenlänge ist auf die im Fernfeld auftretende Addition der von den vielfältigen Bereichen der konischen Struktur ausgehenden Lichtspektren zurückzuführen. Gemäß 4B läßt sich die Fernfeldlichtemission für jeden Winkel Θ' in der X-Z-Ebene in grober Näherung als Summe des Licht, das von gegenüberliegenden Hälften 15a und 15b der LED-Schichtstruktur 15 ausgestrahlt wird, berechnen. Somit können beispielsweise die Abschnitte 15a und 15b als zwei "schielend" gegeneinander gerichtete planare Mikrohohlraum-LEDs betrachtet werden, deren Emissionscharakteristiken jenen ähneln, die in 3 gezeigt sind. Dementsprechend läßt sich aus der Geometrie ersehen, daß die Summe der Spektren eine Verringerung der von dem Betrachtungswinkel abhängigen Abweichung der Wellenlänge ermöglicht. Aufgrund der Symmetrie der Vorrichtung stimmt das Fernfeldspektrum in sämtlichen Ebenen (einschließlich der X-Z-Ebene) weitgehend überein. Der konische Fall läßt sich verhältnismäßig einfach analytisch nachbilden, da sich das Fernfeldmuster im wesentlichen durch Mittelwertbildung der Beiträge beider Hälften des Konus in jeder Ebene berechnen läßt.
In 5A ist die von der Wellenlänge abhängige, berechnete EL-Intensität des konischen Lichtemitters 40 für Betrachtungswinkel θ' von 0°, 15,8°, 25,2° und 45°, im Falle eines Lichtemitters 40, dessen Schichtcharakteristiken denjenigen in 2 entsprechen, aufgetragen. Dementsprechend wird eine 90 nm dicke Alq-Schicht als die EL-Schicht 22 verwendet, etc. Als Substrat 42 ist Hartglas mit einem Brechungsindex von 1,5 und einem Basisabschnitt 42a der Dicke 1–10 Millimeter vorausgesetzt. Der Konuswinkel Ψ des konischen Abschnitts beträgt im vorliegenden Fall 12°. Den Kurven ist zu entnehmen, daß die von dem Betrachtungswinkel abhängige Abweichung der Emissionswellenlänge im Vergleich zu dem herkömmlichen Lichtemitter 10 nach 1 verringert ist. Die Emissionshauptwellenlänge bei θ' = 0° beträgt etwa 588 nm – diese erfährt bis zum Erreichen eines Winkels θ' von 25,2° eine geringfügige Verschiebung auf etwa 594 nm nach oben und nimmt danach bei einem θ' von 45° bis auf einen Wert von etwa 583 nm ab. Die LED 40 erfährt somit für Betrachtungswinkel θ' im Bereich von 0° bis 45° eine maximale Emissionswellenlängenverschiebung von +6/–5 nm, im Vergleich zu einer Verschiebung von –25 nm, wie sie im Falle nach dem Stand der Technik nach 1–3 auftritt. Wie in 5B gezeigt, wird mittels der konischen LED 40 auch die von dem Betrachtungswinkel abhängige maximale Veränderung der EL-Intensität reduziert, wobei eine niedrigere EL-Intensität der Vorrichtung als die übliche in Kauf zu nehmen ist. Eine Kurve 54 repräsentiert einen Graph der maximalen EL-Intensität der LED 10 nach 1–3, aufgetragen gegen den Betrachtungswinkel, während eine Kurve 52 für die konische LED 40 mit der gleichen Mikrohohlraumschichtstruktur 15 steht.
5C zeigt ein CIE-Farbmaßzahldiagramm der ringförmigen Abhängigkeit für die vielfältigen hier offenbarten LEDs. Das angenommene System für die quantitative Farbwahrnehmung ist die CIE-Darstellung in Farbmaßzahlkoordinaten x, y und z, die im Sinne einer Annäherung an menschliche visuelle Empfindlichkeit der Farbwahrnehmung gestaltet sind. Siehe beispielsweise Colorimetry, 2. Ausgabe, CIE Publication 15.2, Wien, Österreich (1986). Die Empfindlichkeit für jedes Spektrum läßt sich auf diese Koordinaten reduzieren und die Ähnlichkeit zwischen zwei Sätzen von Spektren kann gemessen werden.
In dem CIE-Diagramm nach 5C sind normierte x- und y-Koordinaten aufgetragen, wobei sich z aus der Normalisierung x + y + z = 1 errechnet. Reine monochromatische Farben liegen längs der aufgetragenen Ortskurve 59 und Überlagerungen liegen daher innerhalb des eingegrenzten Gebiets 54, das durch die Ortskurve definiert ist. Die Spektren der planaren LED nach 1–3 sind durch die gefüllten Quadrate 55 angegeben. Die Streuung gibt die abhängig von dem Winkel wahrgenommene Farbabweichung wieder. Zu beachten ist, daß Punkte für eine analoge, grünes Alq verwendende Mikrohohlraumvorrichtung mit identischer Struktur, anders als die Füllschichtdicke, näher beabstandete sein würden, was darauf hindeutet, daß eine Winkeländerung in diesem Fall ein geringeres Problem darstellt. Der Grund hierfür liegt darin, daß das menschliche Auge, wie durch Experimente der menschlichen Wahrnehmung nachgewiesen, in dem oberen Bereich des CIE-Phasenraums gegenüber einer Abweichung der Wellenlänge weniger empfindlich ist. Siehe beispielsweise D. L. MacAdam, J. Opt. Soc. Am. 32, 247 (1942).
Außerdem sind in 5C die berechneten Ergebnisse (Datenwerte 56) in dem CIE-Raum für die konische LED 40 mit einem Konuswinkel von 12 Grad aufgetragen. Es wurde die gleiche Mikrohohlraumschichtstruktur 15 wie im Falle der planaren LED 10 verwendet, mit dem Unterschied, daß die Füllschichtdicke um 3 nm erhöht wurde, um die durch die Konusstruktur hervorgerufene leichte Blauverschiebung bei einem Betrachtungswinkel von 0° zu kompensieren. Die abgetragenen Datenwerte gelten in beiden Fällen für Betrachtungswinkel θ (bzw. θ' für den konischen Fall) von 0°, 15,8°, 25,2° und 45°.
6A zeigt einen Ausschnitt eines Displays 60, das LED Mikrohohlraumstrukturen 15₁ –15₄ aufweist, die auf einem beispielsweise aus Hartglas gefertigten gemeinsamen Substrat 62 ausgebildet sind. Das Substrat 62 umfaßt eine feste, rechteckige Basis 62a und oberhalb dieser Basis 62a mehrere konische Abschnitte. Jede LED-Struktur 15_i überdeckt einen zugehörigen konischen Abschnitt. Dies ist deutlicher in der Querschnittsansicht BB (welche die den Mikrohohlraumstrukturen 15₂ und 15₃ zugeordneten Konen halbiert) in 6B zu sehen, in der die konischen Abschnitte 62b₂ und 62b₃ des Substrats 62 veranschaulicht sind. Das Substrat 62 kann mit derartigen konischen Strukturen durch Gesenkschmieden von Silika aus einer Spritzform ausgebildet werden. Die Gesenkschmiedeform kann beispielsweise hergestellt werden, indem die inversen konischen Strukturen in einen Halbleiter geätzt werden und die Form anschließend metallisiert wird. Alternativ kann im Falle von verhältnismäßig großen konischen oder sonstigen nicht planaren Strukturen das Substrat unmittelbar spanabhebend bearbeitet werden, um die Strukturen zu bilden. Mikrolinsenfelder sind möglicherweise als Substrate geeignet und handelsüblich.
Wie weiter in 6A und 6B zu sehen, ist jede LED-Struktur 15_i auf einem zugehörigen der konischen Abschnitte 62b_i des Substrats gezüchtet, um ein Subpixel zu bilden. Jede LED-Struktur 15_i ist geeignet konstruiert, um eine spezielle Farbe auszustrahlen, was sich erreichen läßt, indem für jede LED eine unterschiedliche Si_xN_y-Füllschicht 16_i verwendet wird. Wenn zur Erzeugung von Subpixeln unterschiedlicher Farbe ausschließlich die Füllschicht variiert wird, ist dies für die Herstellung insofern von Vorteil, als für sämtliche Subpixel die gleiche organische aktive Schicht verwendet werden kann. Beispielsweise können drei, zu einem Cluster zusammengefaßte LEDs, beispielsweise 15₁ –15₃ , gemeinsam ein Pixel bilden, wobei jedes Subpixel geeignet konstruiert ist, um eine der Primärfarben Rot, Grün oder Blau auszustrahlen. Dementsprechend läßt sich jede beliebige Farbe mittels des Gesamtpixels durch Anlegen geeigneter Spannungen und durch Überlagerung der drei Primärfarben erzeugen. Zu beachten ist, daß der Konuswinkel Ψ_i, der für einen (einer gegebenen Farbe zugeordneten) Subpixeltyp verwendet wird, jeweils unterschiedlich sein kann. Der Grad der von dem Betrachtungswinkel abhängigen Abweichung der Emissionswellenlänge ist in planaren Mikrohohlraum-LEDs im allgemeinen für jede Farbe verschieden, und der Konuswinkel kann daher genau angepaßt werden, um die Abweichung für jeden Subpixeltyp zu minimieren. Jedes Subpixel kann entweder durch die kreisförmige Basis des zugeordneten konischen Abschnitts 15_i oder durch eine einen konischen Abschnitt 15_i umfassende quadratische Plattform mit (durch gestrichelte Linien 65 angedeuteten) Seitenlängen S, definiert sein. Jede Seite S kann eine Länge in der Größenordnung von beispielsweise 100 Mikrometer aufweisen. Ein typisches Display enthält Tausende von Pixeln, wobei sich jedes Pixel aus drei oder vier Subpixeln zusammensetzt.
Der Durchmesser eines jeden konischen Abschnitts 62_i des Substrats ist gewöhnlich geringfügig kleiner als die Länge der zugeordneten Seiten S. In den Bereichen 67 zwischen den konischen LEDs ist mindestens die obere Spiegelschicht 24 nicht vorhanden, so daß die einzelnen Mikrohohlraumstrukturen 15_i elektrisch isoliert sind. Dies wird durch ein Strukturieren der Spiegelschicht 24 erreicht, z. B. indem die Bereiche 67 vor dem Abscheiden der Schicht 24 maskiert werden, oder indem die Schicht 24 fotolithographisch behandelt und geätzt wird.
Vorzugsweise bleibt mindestens die transparente Elektrodenschicht 18 in den Bereichen 67 bestehen, um das Anlegen einer Vorspannung an die einzelnen Subpixel zu erleichtern. Auf diese Weise ist es möglich, in dem Gebiet, das entweder das gesamte Display oder große Streifen des Displays ausmacht, eine großflächig ITO-Platte einzusetzen. Diese Platte oder der Satz von Streifen würde in diesem Falle die ITO-Schicht 18 für Hunderte oder Tausende von Subpixeln umfassen und einem konstanten Referenzpotenzial unterworfen werden, um das Anlegen der Vorspannung zu erleichtern. Um die Herstellung zu vereinfachen, sind die übrigen Schichten der LED-Strukturen 15_i (abgesehen von der oberen Spiegelschicht) vorzugsweise auch in den Bereichen 67 vorhanden und in Form großflächiger Materialschichten abgeschieden. Von dieser Art ist die Konfiguration, die in 6B gezeigt ist, aus der sich entnehmen läßt, daß in dem Bereich 67 zwischen den Mikrohohlräumen 15₂ und 15₃ lediglich die oberen Spiegelschichten 24₂ und 24₃ unterbrochen sind. Ferner weisen die Füllschichten 16₂ und 16₃ in diesem Beispiel unterschiedliche Dicken auf. Dementsprechend bringen die beiden Mikrohohlräume verschiedene Farben hervor, wobei die übrigen Schichten im wesentlichen aus dem gleichen Material sind und gleiche Dicken aufweisen. (Zu beachten ist, daß die Dicken der Schichten der Mikrohohlraumstrukturen 15₂ und 15₃ in 6B aus Gründen der Anschaulichkeit gegenüber der Abmessung der konischen Abschnitte maßstäblich übertrieben dargestellt sind).
Die Dicke der Füllschicht liegt gewöhnlich im Bereich von 50–2000 nm. Es ist auch möglich, daß in einem der LED-Mikrohohlräume 15_i eines jeden Pixels überhaupt keine Füllschicht vorhanden ist (d. h. die Füllschichtdicke in einem der Mikrohohlräume kann Null betragen). Gewöhnlich ist eine Füllschicht durchgehend mit im wesentlichen konstanter Dicke auf dem unteren Spiegel 14 ausgebildet, z. B. durch Spinbeschichten und Wärmebehandlung von Polyimid, gefolgt von einem Strukturieren durch geeignete Mittel, z. B. Fotolithographie und Ätzen. Das Strukturieren dient dazu, optische Hohlräume zu schaffen, die sich in ihren optischen Längen unterscheiden, so daß sich unterschiedliche Farben erzeugen lassen.
Das Anlegen einer Vorspannung an die Subpixel kann durch ein herkömmliches Mittel erfolgen, in dem die Elektrodenschicht 18 an einem gemeinsamen Referenzpotenzial liegt, und an die obere Spiegelschicht 24_i einer jeden Mikrohohlraumstruktur 15_i wahlweise Spannungen angelegt werden. Die Subpixel lassen sich auf diese Weise anregen, um zu geeigneten Zeitpunkten ein beliebiges gewünschtes Bild auf dem Display zu erzeugen. Um die Subpixel anzusprechen, kann eine beliebige geeignete Schaltung verwendet werden. Siehe beispielsweise R. Murata, Display Devices, 47–50 ff., 1992. Auf Seite 49 in 9a jenes Bezugsdokuments ist eine Matrixtreiberschaltung offenbart, die in einem erfindungsgemäßen Display verwendet werden könnte.
Gemäß 7 ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der Lichtemitter 70 in einer Schnittansicht gezeigt. Ein Substrat 72 ist mit einem festen rechteckigen Basisabschnitt 72a und einem oberen Abschnitt 72b in Gestalt eines abgeschnitten Konus (Kegelstumpfs) hergestellt. Eine LED-Schichtstruktur 15 ist anschließend auf dem oberen Abschnitt 72b ausgebildet, um eine LED in Gestalt eines Kegelstumpfes mit einer ebenen Oberseite 74 zu schaffen. Die LED-Schichten der Schichtstruktur 15 stimmen im wesentlichen mit jenen überein, die für den konischen Lichtemitter 40 verwendet wurden. Der Konuswinkel Ψ des Kegelstumpfs kann im Bereich von 8–15° liegen. Wie in dem konischen Fall ist die von dem Betrachtungswinkel θ' abhängige Abweichung der Emissionswellenlänge im Vergleich zu dem planaren Lichtemitter nach 1. verringert. Die Kappungsstelle des Kegelstumpfs, die das Gebiet der ebenen Oberfläche 74 definiert, kann empirisch oder auf analytischem Wege optimiert werden.
8 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Lichtemitter 80, der ebenfalls eine Verbesserung der von dem Betrachtungswinkel abhängigen Abweichung der Emissionswellenlänge ermöglicht. Der Lichtemitter 80 ähnelt dem Emitter 70 der Kegelstumpfbauart, mit dem Unterschied, daß die ebene Oberseite 74 durch einen kuppelförmigen oberen Abschnitt 84 ersetzt ist. Ein Substrat 82 umfaßt einen Basisabschnitt 82a, einen Stumpfabschnitt 82b und einen oberhalb des Stumpfabschnitts angeordneten Kuppelabschnitt 82c. Der Kuppelabschnitt 82c ist vorzugsweise kugelförmig, jedoch sind selbstverständlich auch andere symmetrische Formen möglich. Eine LED-Schichtstruktur 15 ist auf den Kegelstumpf abschnitt und dem Kuppelabschnitt des Substrats ausgebildet. Die Kappungsstelle des Stumpfabschnitts 82b, die Gestalt des Kuppelabschnitts 82c und der Konuswinkel Ψ des Kegelstumpfs (gewöhnlich zwischen 8–15°) kann empirisch oder auf analytischem Wege variiert werden, um die von dem Betrachtungswinkel abhängige Emissionswellenlänge für eine vorgegebene LED-Schichtstruktur 15 zu optimieren.
In 9 stellt der Lichtemitter 90 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Ein Substrat 92 ist mit einem festen rechteckigen Basisabschnitt 92a und einem Kuppelabschnitt 92b, der als ein flach gewölbter Kugeloberflächenausschnitt gestaltet sein kann, hergestellt. Beispielsweise kann die Kuppe 92b mit einer Höhe H von 20 μm, kombiniert mit einer Breite W von 100 μm bemessen sein. Eine LED-Schichtstruktur 15 ist gleichmäßig auf der Kuppe ausgebildet. Für vorgegebene Zusammenstellungen von LED-Schichten und Dicken kann die Gestalt der Kuppe 92b variiert werden, um die von dem Betrachtungswinkel abhängige Emissionswellenlänge im Vergleich zu dem Fall der planaren LED unbeeinflußter zu machen.
Es versteht sich, daß es möglich ist, eine Vielzahl der Lichtemitter 70, 80 und 90 nach 7–9 auf einem gemeinsamen Substrat herzustellen, um ein Display in einer analogen Weise zu erzeugen, wie anhand des Displays nach 6A–6B beschrieben. Es ist ebenfalls möglich, jedes Pixel mit unterschiedlich gestalteten Subpixeln auszubilden. Beispielsweise kann der Lichtemitter 80 für eine Farbe verwendet werden, während der Lichtemitter 70 für eine andere Farbe verwendet wird, so daß jedes Pixel mindestens ein Subpixel als Emitter 70 und mindestens ein Subpixel als Emitter 80 aufweist.
Berechnungsverfahren
Die EL-Intensität und das Spektrum des Lichts, das von einer organischen Mikrohohlraumstruktur abhängig von dem Betrachtungswinkel gegenüber der Struktur ausgestrahlt wird, läßt sich auf der Grundlage der weiter unten erläuterten Faktoren berechnen. Die Berechnung ist für eine Mikrohohlraumstruktur ausgeführt, die auf einem planaren Substrat angeordnet ist, wie es in 1 gezeigt ist. Die EL-Intensität und das Spektrum für eine LED mit der, gleichen Mikrohohlraumstruktur, die auf einem symmetrischen, nicht planaren Substrat, wie es in den Ausführungsbeispielen nach 4–9 gezeigt ist, angeordnet ist, läßt sich dann für jede Ebene durch Addieren der berechneten Beiträge der beiden Hälften der symmetrischen Struktur ermitteln. Beispielsweise wurde das in 5(A–C) gezeigte Ergebnis für den Fall der LED konischer Bauart auf der Grundlage dieses Ansatzes erlangt.
FAKTOR I: von der Wellenlänge abhängiger Wert der Molekularemission. Dieser wird mittels der Fotolumineszenz gemessen oder ermittelt, indem die Emission gemessen wird, welche die organischen Schichten in einer nicht mit einem Hohlraum versehenen LED zeigen. Im allgemeinen stellt sich die molekulare Emission als eine von der Wellenlänge abhängige sehr breite Verteilung dar. (Für organische Materialien, die eine schmale molekulare Emission von beispielsweise < –10 nm aufweisen, wäre das hier gezeigte ringförmige Remediationsschema nicht im gleichen Maße nützlich, da sich die Farbe in diesem Fall ohnehin nicht sehr stark mit dem Betrachtungswinkel ändern kann).
FAKTOR II: Verbesserung der Zustandsdichte in dem Hohlraum im Verhältnis zu dem freien Raum. Diese wird beschrieben durch den Betrag und die Frequenzabhängigkeit der Finesse des Hohlraums, die als der freie Spektralbereich (Modusabstand), dividiert durch die Hohlraummodusbreite, definiert ist. Beispielsweise ergibt sich die Finesse bei einem Betrachtungswinkel von Null Grad (senkrecht zu den Schichten der Vorrichtung) mathematisch aus der Formel:
wobei die Reflexionszahlen R₁ und R₂ des Hohlraumspiegels mittels der Fresnel-Gleichungen berechnet werden, wie sie in M. Born und E. Wolf, "Principles of Optics", Pergamon Press, Norwich 1975 (5th Edition) 40–49 ff., 55–70 aufgeführt sind. Die Frequenzabhängigkeit ist lorentzförmig mit einer Spektralbreite und Mittenfrequenz, die durch die Hohlraummodusbreite und Resonanzposition vorgegeben ist. Letztere werden durch Anwenden eines Übertragungsmatrixformalismus auf die gesamte mehrschichtige Struktur der LED berechnet. Ein Übertragungsmatrixformalismus ist in G. Bjork und O. Nilsson, "New Matrix Theory of Complicated Laser Structures", Jnl. of Lightwave Technology, Bd. LT-5, Nr. 1, Jan. 1987, 143–146 ff. beschrieben. Zu beachten ist, daß die Verbesserung der Zustandsdichte nicht allein von der Wellenlänge, sondern auch von der Richtung abhängt, in der das Licht ausgestrahlt wird.
FAKTOR III: die Position des emissiven Bereichs in Bezug auf die Maxima und Minima des Feldes in dem Hohlraummodus. Der Verlauf der Feldlinien für eine gegebene Wellenlänge und Emissionsrichtung wird ebenfalls mittels des Übertragungsmatrixformalismus berechnet. Der Wert an der Emissionsschicht im Verhältnis zu dem Wellenbauch läßt sich leicht bestimmen.
FAKTOR IV: der Bruchteil des ausgesandten Lichts, das tatsächlich aus der LED austritt (d. h., durch den dielektrischen Stapelspiegel dringt). Dieser errechnet sich durch die Formel
einem Ausdruck, der auch den Finesse-Faktor II aufweist. Siehe E. F. Schubert et al., infra.
FAKTOR V: die durch den Hohlraum verursachte Reduzierung der molekularen Lebensdauer. Diese Lebensdauerverringerung hat sich im Experiment als sehr gering herausgestellt. Das Ergebnis kann geringfügig schwanken, falls die Moleküle in der Probe variierende Emissionsspektren aufweisen.
Die Berechnung läßt sich durchführen, indem der Mittelwert der molekularen Emissionsraten sämtlicher Richtungen gebildet wird, einschließlich jenen, bei denen das gesamte Licht im Inneren reflektiert wird und nicht der Vorrichtung entweicht. (Siehe beispielsweise Vredenberg et al., Phy. Rev. Lett. 71, 517 (1993).)
Berechnungen, die auf der Grundlage der obigen fünf Faktoren der EL-Intensität und des Spektrums als Funktion des Betrachtungswinkel gegenüber einer planaren Mikrohohlraumvorrichtung durchgeführt wurden, ergaben eine enge Übereinstimmung mit den gemessenen Ergebnissen. 10 zeigt beispielsweise die berechneten Werte der EL-Intensität und des Spektrums für die in 1 dargestellte LED 10, welche die in 2 gegebenen Schichtcharakteristiken aufweist. Das Reflexionsvermögen der Al-Schicht 24 wurde mit 0,826 + 11,5 angenommen. Die Ergebnisse zeigen enge Übereinstimmung mit den in 3 gezeigten Meßergebnissen. Wie erwähnt, können rechnerische Ergebnisse für Mikrohohlraum-LEDs, die auf erfindungsgemäßen nicht planaren Substraten hergestellt sind, durch Addieren der Ergebnisse vielfältiger Bereiche der Vorrichtung erlangt werden. Der konische Fall läßt sich am leichtesten analysieren, insofern die beiden Hälften des Falls in jeder Ebene in Näherung als planare Vorrichtungen angesehen werden können. Die oben in 5 aufgeführten Ergebnisse wurden auf der Grundlage dieses Ansatz erlangt. Mikrohohlraumstrukturen, die auf kuppelförmigen Substratoberflächen hergestellt wurden, lassen sich durch Integration über jede Ebene der Fernfeldbeiträge eines jeden Bereiche der gekrümmten kuppelförmigen Oberfläche berechnen.
Obwohl erfindungsgemäße Mikrohohlraum-LEDs sich besonders für Farbdisplays eignen, sind sie auch in anderen Anwendungen nützlich. Beispielsweise können die LEDs in einem Sender in optischen Vermittlungseinrichtungen oder in optischen Faserdatenübertragungsmitteln, oder in einem Druckkopf einer LED-Druckereinrichtung verwendet werden. Solche Mittel unterscheiden sich von den entsprechenden aus dem Stand der Technik im wesentlichen lediglich bei den verwendeten Lichtquellen.
Selbstverständlich sind vielfältige Abwandlungen der hier offenbarten verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung möglich. Wie oben erwähnt, lassen sich beispielsweise vielfältige geometrische Konfigurationen einer Oberfläche des Substrats in Betracht ziehen, um die Blauverschiebung der Mikrohohlraum-Elektrolumineszenz-Vorrichtung zu minimieren. Ferner läßt sich die Anzahl der Schichten, die Materialien und die Charakteristiken des Materials, aus denen sich eine Mikrohohlraum-Elektrolumineszenz-Vorrichtung zusammensetzt in weitem Rahmen auswählen. Sämtliche Kombinationen fallen in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Wie erwähnt, kann ein mathematisches Modell der Vorrichtung verwendet werden, um eine Konstruktion einer Mikrohohlraum-EL-Vorrichtung zu verfeinern und/oder zu verwirklichen, die dazu dient, die Blauverschiebung zu minimieren, oder dafür eingesetzt werden, um die Konstruktion selbst zu erstellen. Demzufolge sollte die obige Beschreibung nicht als beschränkend für die Erfindung zu bewerten sein, sondern lediglich der Veranschaulichung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen.

Claims

Elektrolumineszente Vorrichtung, umfassend: ein Substrat, das eine Oberfläche mit wenigstens einem symmetrischen, nicht planaren, vorragenden Oberflächenmerkmal aufweist, bei dem die Geometrie des symmetrischen, nicht planaren Oberflächenmerkmals des Substrats so gestaltet ist, daß sie im Vergleich zu der Abweichung der Emissionswellenlänge bei einer planaren Vorrichtung eine Reduzierung der Abweichung der Emissionswellenlänge in Abhängigkeit von dem Winkel, unter dem die Vorrichtung betrachtet wird, bewirkt; eine aus einem reflektierenden Material hergestellte erste Schicht, die auf dem nicht planaren, vorragenden Oberflächenmerkmal angeordnet ist; eine zweite Schicht aus einem reflektierenden Material, die über die erste Schicht gelegt ist; und eine aktive Schicht, die zur Elektrolumineszenz fähiges, organisches Material enthält und zwischen der ersten und der zweiten reflektierenden Schicht angeordnet ist, wobei die aktive Schicht und die reflektierenden Schichten eine Mikrohohlraumstruktur bilden.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Substrat eine planare Oberfläche aufweist, die dem symmetrischen, nicht planaren, vorragende Oberflächenmerkmal gegenüberliegt.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das symmetrische, nicht planare, vorra gende Oberflächenmerkmal des Substrats ein Konus ist, mit einer Konusspitze, die sich von der gegenüberliegenden, planaren Oberfläche des Substrats weg erstreckt.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der Konus einen Konuswinkel zwischen etwa 8° und etwa 15° aufweist.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Mittel, das dazu dient, das Anlegen eines durch die aktive Schicht verlaufenden elektrischen Feldes zu erleichtern, so daß es möglich ist, die Mikrohohlraumstruktur dazu zu veranlassen, Licht durch das Substrat hindurch auszustrahlen.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das symmetrische, nicht planare, vorragende Oberflächenmerkmal des Substrats ein Stumpf ist, der sich von der gegenüberliegenden, planaren Oberfläche des Substrats weg erstreckt.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das symmetrische, nicht planare, vorragende Oberflächenmerkmal des Substrats folgendes umfaßt: einen Stumpfabschnitt, der sich von der gegenüberliegenden, planaren Oberfläche des Substrats weg erstreckt; und einen kuppelförmigen Abschnitt, der über dem Stumpfabschnitt angeordnet ist.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das symmetrische, nicht planare, vorragende Oberflächenmerkmal des Substrats eine kuppelförmige Oberfläche umfaßt, die bezüglich der gegenüberliegenden, planaren Oberfläche des Substrats konkav ist.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher der kuppelförmige Abschnitt bzw. die kuppelförmige Oberfläche sphärisch ist.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der: das Substrat aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Silika, Glas, Saphir, Quarz und durchsichtigem Kunststoff besteht; die aus einem reflektierenden Material gebildete erste Schicht ein dielektrischer Stapel aus einander abwechselnden Siliziumdioxid- und Siliziumnitrid-Schichten oder einander abwechselnden SiO₂- und TiO₂-Schichten ist; die zweite reflektierende Schicht aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Al, Ag, Legierungen von Mg und Ag, Legierungen von Li und Al besteht; und das Mittel, das dazu dient, das Anlegen eines quer über die aktive Schicht verlaufenden elektrischen Felds zu erleichtern, eine Indiumzinnoxid- oder eine Polyanilinschicht umfaßt.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 10, die weiterhin eine zwischen der aktiven Schicht und dem dielektrischen Stapel angeordnete Füllschicht, eine Löchertransportschicht und eine Elektronentransportschicht umfaßt.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Spitzenwellenlänge, die durch die einen Mikrohohlraum aufweisende, elektrolumineszente Vorrichtung senkrecht zu der planaren Oberfläche des Substrats ausgestrahlt wird, um weniger als etwa 6 nm von der Spitzenwellenlänge abweicht, die unter einem Winkel von 45° gegenüber der Normalen der planaren Oberfläche des Substrats ausgestrahlt wird.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das zur Elektrolumineszenz fähige organische Material aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Alq, Perylen-Derivaten, Anthracen, Poly(phenylenvinylene), Oxadiazol oder Stilben-Derivaten, und einem beliebigen der vorausgehenden besteht, das mit einem Dotierungsmaterial dotiert ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Cumarinen, DCM und Rhodamin-Derivaten besteht.
Elektrolumineszente Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung eine Vielzahl von symmetrischen, nicht planaren, vorspringenden Oberflächenmerkmalen umfaßt, die auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sind.
Display umfassend: ein Substrat mit einer planaren Oberfläche auf einer Seite und einer entgegengesetzten Seite, die eine Vielzahl von nicht planaren, symmetrischen, vorragenden Oberflächenmerkmalen aufweist; und eine Vielzahl von organischen Mikrohohlraumschichtstrukturen, die jeweils auf einer der vorragenden Oberflächenmerkmale ausgebildet sind und jeweils eine Licht aussendende Vorrichtung (LED) definieren, wobei jede dieser Schichtstrukturen folgendes umfaßt: eine erste Schicht aus einem reflektierenden Material, das auf der zugehörigen vorragenden Oberfläche angeordnet ist; eine zweite Schicht aus einem reflektierenden Material, die über die erste Schicht geschichtet ist; und eine aktive Schicht mit einem zur Elektrolumineszenz fähigen organischen Material, die zwischen der ersten und der zweiten reflektierenden Schicht angeordnet ist, bei der die in Abhängigkeit von dem Winkel unter dem diese LEDs betrachtet werden, auftretende Abweichung der Emissionswellenlänge durch die nicht planaren, symmetrischen, vorragenden Oberflächenmerkmale im Vergleich zu der Emissionswellenlängenabweichung in einer planaren Vorrichtung verringert ist.
Display nach Anspruch 15, bei dem zumindest einige der vorragenden Oberflächenmerkmale Konen sind.
Display nach Anspruch 15, bei dem die aktive Schicht und die erste reflektierende Schicht jeweils im wesentlichen über das gesamte Display hinweg durchgehend ausgebildet sind, wobei die zweite reflektierende Schicht strukturiert ist, um einzelne der LEDs zu definieren.
Display nach Anspruch 17, wobei: wenigstens jeweils drei benachbarte LEDs ein Pixel des Displays bilden, wobei jede der benachbarten LEDs eines gegebenen Pixels in der Lage ist, eine andere Farbe auszustrahlen; jede der benachbarten LEDs eines gegebenen Pixels eine farbsteuernde Füllschicht aufweist, die sich in ihrer Dicke von den übrigen benachbarten LEDs des gegebenen Pixels unterscheidet; und die aktive Schicht jeder der benachbarten LEDs eines gegebenen Pixels im wesentlichen das gleiche Material enthalten und dieselbe Dicke aufweisen, so daß jede der benachbarten LEDs eines gegebenen Pixels in der Lage ist, bei einem Anlegen einer Spannung eine unterschiedliche Farbe auszustrahlen.