【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エネルギーを吸収して発光を示す有機色素材料（有機蛍光物質ともいう）のうちのいくつかは、その内部にて正孔と電子が再結合することにより、短波長（例、４００〜５５０ｎｍ）の光を発する。この光の波長は、無機半導体レーザによって得られるレーザ光の波長（一般に、６２０ｎｍ〜８００ｎｍ）に較べて著しく短い。従って、有機色素材料を用いた有機半導体レーザは、得られるレーザ光の波長が短いという特性を利用して、ＣＤ（コンパクトディスク）に高密度で記録された情報を読み出すための光ピックアップ装置の光源などへの応用が期待されている。
【０００３】
有機半導体レーザは、光励起型の有機半導体レーザと電流励起型の有機半導体レーザとに分類される。光励起型の有機半導体レーザでは、再結合のための正孔と電子を生じさせるための励起に、光エネルギーが用いられている。そして電流励起型の有機半導体レーザでは、再結合のための正孔と電子を生じさせるための励起に、電気エネルギーが用いられている。
【０００４】
特許文献１には、図１に示す構成の従来の電流励起型の有機半導体レーザについて記載されている。図１の従来の有機半導体レーザは、基板１１上に、第一電極層１２、正孔輸送層１３、有機色素材料を含む発光層１４、電子輸送層１５、そして第二電極層１６が積層された構成を有している。
【０００５】
第一電極層１２と第二電極層１６とのそれぞれに電気的エネルギーを付与すると、第一電極層から正孔輸送層１３の内部に正孔が注入され、そして第二電極層から電子輸送層１５の内部に電子が注入される。そして正孔は正孔輸送層１３の内部を通って発光層１４の内部に注入され、そして電子は電子輸送層１５の内部を通って発光層１４の内部に注入される。正孔と電子は発光層１４の内部で再結合して、その結果、発光層の内部にて光が発生する。正孔輸送層１３（もしくは電子輸送層１５）は、正孔（もしくは電子）を効率良く発光層１４の内部に注入して、発光効率を高める機能を有している。
【０００６】
発光層１４の内部に光が存在すると、電子と正孔が再結合するときに前記光と同位相の光が放出されることが知られている。このような光の放出は、一般に誘導放出と呼ばれている。発光層１４の内部にて発生した光は、このような誘導放出によって増幅され、そして発光層の端部からレーザ光として取り出される。従って、レーザ光を効率良く取り出すためには、再結合により発生した光をできるだけ多く発光層１４の内部に閉じ込めることが必要である。
【０００７】
図１の有機半導体レーザの場合には、正孔輸送層１３と電子輸送層１５との各々の屈折率を発光層１４の屈折率よりも低く設定して、発光層を導波路とすることにより、発光層の内部に光を閉じ込めている。これは、光ファイバにおいて、コアの周りに、コアの屈折率より低い屈折率を示すクラッドを設けて、コアを導波路とすることにより、コアの内部に光を閉じ込める場合と同様である。
【０００８】
また、発光層１４の内部にて発生した光は、発光層の内部で全反射を繰り返しながら、発光層の端部へと伝わる。ところが、光は全反射するときに、低屈折率媒質（正孔輸送層１３もしくは電子輸送層１５）の側に僅かに侵入する。一般に、このように全反射のときに低屈折率媒質の側に僅かに侵入する光は、エバネッセント光と呼ばれている。エバネッセント光が第一電極層１２（もしくは第二電極層１６）まで到達すると、光が電極層に吸収されて損失となる。このような損失が生じると、光が発光層１４の内部で全反射を繰り返すたびに損失が生じて、発光層の内部に閉じ込められる光の量が少なくなる。
【０００９】
図１の有機半導体レーザにおいては、エバネッセント光が電極に到達することにより生じる損失を抑えるために、正孔輸送層１３と電子輸送層１５の厚みが厚く（例えば、各々２２０ｎｍと２４０ｎｍに）設定されている。このように正孔輸送層１３と電子輸送層１５を所定の厚み以上に設定することにより、発光層１４の内部により多くの量の光を閉じ込めることができる。発光層１４の内部に多くの量の光が閉じ込められると、有機半導体レーザによりレーザ光を発生させるために必要な電流値（一般に、しきい値電流と呼ばれている）を小さくすることができ、そして強度の大きなレーザ光を発生させることができる。
【００１０】
一般に、有機半導体レーザに用いる基板１１としては、ガラス基板もしくはシリコン基板などが用いられている。これらの基板は、その取り扱いに耐える十分な強度と、有機半導体レーザの形成に好ましい優れた表面平滑性とを有し、そして基板上に有機半導体レーザと共に他の電子部品を集積し易い利点を有しているからである。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−１５６５３６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図１の有機半導体レーザに限らず、従来の電流励起型の有機半導体レーザにおいては、発光層の内部に多くの量の光を閉じ込めるため、即ち、しきい値電流を小さくし、そして強度の大きなレーザ光を発生させるために、有機半導体レーザの第一電極層から第二電極層までの層構成や、各々の層を形成する材料について検討されているが、さらにしきい値電流を小さく、そしてレーザ光の強度を大きくする改善の余地がある。
本発明の目的は、発光層の内部により多くの量の光を閉じ込めることができる有機半導体レーザを作製することにある。
本発明の目的はまた、しきい値電流が小さく、そして強度の大きなレーザ光を発生することができる有機半導体レーザを作製することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、これまでとは異なり、発光層の内部により多くの量の光を閉じ込めるために、有機半導体レーザを形成する基板も含めて、その全体の構成について詳細な検討をした。その結果、基板と第一電極層との間に、基板の屈折率、第一電極層の屈折率、および発光層の屈折率のいずれよりも低い屈折率を示す透明低屈折率層を付設することにより、発光層の内部により多くの量の光を閉じ込めることができる有機半導体レーザを作製することに成功した。
【００１４】
本発明は、基板上に、少なくとも、透明な第一電極層、有機色素材料を含む発光層、そして透明な第二電極層をこの順に積層してなる有機半導体レーザであって、前記基板と第一電極層との間に、基板の屈折率、第一電極層の屈折率、および発光層の屈折率のいずれよりも低い屈折率を示す透明低屈折率層が備えられていることを特徴とする有機半導体レーザにある。
【００１５】
本発明の有機半導体レーザの好ましい態様は、下記の通りである。
（１）第一電極層と第二電極層のそれぞれの屈折率が、発光層の屈折率よりも低い。
（２）発光層の一方の表面に、正孔輸送層もしくは電子輸送層が付設されている。
（３）発光層の一方の表面に正孔輸送層が、そして他方の表面に電子輸送層が付設されている。
（４）正孔輸送層と電子輸送層のそれぞれの屈折率が、発光層の屈折率よりも低い。
【００１６】
本発明はまた、基板上に、少なくとも、透明な第一電極層、有機色素材料を含む発光層、正孔輸送層もしくは電子輸送層、そして金属材料からなる第二電極層をこの順に積層してなる有機半導体レーザであって、前記正孔輸送層もしくは電子輸送層の屈折率が発光層の屈折率よりも低く、そして前記基板と第一電極層との間に、基板の屈折率、第一電極層の屈折率、および発光層の屈折率のいずれよりも低い屈折率を示す透明低屈折率層が備えられていることを特徴とする有機半導体レーザにもある。
【００１７】
上記の第二電極層が金属から形成されている本発明の有機半導体レーザの好ましい態様は、下記の通りである。
（１）第一電極層の屈折率が、発光層の屈折率よりも低い。
【００１８】
上記二つの本発明の有機半導体レーザの好ましい態様は、下記の通りである。
（１）透明低屈折率層が、ＭｇＦ2 からなる。
（２）透明低屈折率層の厚みが、１００ｎｍ乃至１μｍの範囲にある。
（３）基板の屈折率が、発光層の屈折率よりも低い。
【００１９】
なお、本明細書において、「屈折率」とは、発光層で発生した光の波長における屈折率を意味する。また、「透明」とは、発光層で発生した光の透過率が、７０％以上であることを意味する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明に従う有機半導体レーザの一例の構成を示す側面図である。図２の有機半導体レーザは、基板２１上に、透明な第一電極層２２、有機色素材料を含む発光層２４、そして透明な第二電極層２６がこの順に積層された構成を有している。そして、本発明の有機半導体レーザは、基板２１と第一電極層２２との間に、基板２１の屈折率、第一電極層２２の屈折率、そして発光層２４の屈折率のいずれよりも低い屈折率を示す透明低屈折率層２７が備えられていることを特徴とする。
【００２１】
第一電極層２２と第二電極層２６とのそれぞれに電気的エネルギーを付与すると、第一電極層から発光層２４の内部に正孔が注入され、そして第二電極層から発光層の内部に電子が注入される。正孔と電子は発光層１４の内部で再結合して、その結果、発光層の内部にて光が発生する。
【００２２】
発光層２４にて発生した光は、第一電極層２２、発光層２４、および第二電極層２６の内部にて全反射を繰り返しながら増幅し、これらの層の端部からレーザ光として取り出される。透明低屈折率層２７と、第二電極層２６の表面と接触する空気層とが、光ファイバのクラッドと同様の働きをする。なお、第一電極層２２と第二電極層２６における光の吸収を抑えるために、各々の電極層は透明とする。
【００２３】
透明低屈折率層２７を付設することにより、発光層２４の内部に閉じ込められる光の量が多くなる理由は、以下のように推測される。
【００２４】
光が屈折率の高い媒質に集まる性質を有していることは、岡本勝就著「光導波路の基礎」（１９９６年１２月，ｐ．２３）、および日本光学測定機工業会編「実用光キーワード事典」（株式会社朝倉書店，１９９９年４月，ｐ．１６２）などの文献に記載されている。
【００２５】
透明低屈折率層が付設されていない場合、発光層にて発生した光は、第一電極層、発光層、および第二電極層の内部で全反射を繰り返しながら、これらの層の端部へと伝わる。この光は、前記と同様に、全反射をするときに低屈折率媒質（基板もしくは空気層）の側に僅かに侵入する。
【００２６】
基板２１と第一電極層２２との間に、基板２１の屈折率、第一電極層２２の屈折率、および発光層２４の屈折率のいずれよりも低い屈折率を示す透明低屈折率層２７を付設すると、透明低屈折率層を付設しない場合に基板中の第一電極層側を伝わっていた光が、透明低屈折率層の屈折率が低いために、より屈折率の高い媒質（第一電極層２２と発光層２４）に集まる。このような理由から、透明低屈折率層２７を付設することにより、発光層２４の内部により多くの量の光を閉じ込めることができると推測される。なお、低屈折率層２７を透明とするのは、低屈折率層における光の吸収を抑えるためである。
【００２７】
また、後にコンピュータシミュレーションの結果を示すが、透明低屈折率層２７を付設することにより、発光層２４を伝わる光の導波モードの数が少なくなることも、発光層の内部により多くの量の光を閉じ込めることができる原因の一つと推測される。
【００２８】
一般に、導波路となる高屈折率層（本発明においては、透明低屈折率層２７と第二電極層２２に接触する空気層との間にある層）の内部を全反射を繰り返しながら伝わる光は、高屈折率層の厚みと光の波長との関係により高屈折率層の内部で共振するため、導波モードと呼ばれる高屈折率層の厚み方向において所定の強度分布を有する光として伝わることが知られている。
【００２９】
高屈折率層の厚みが薄い場合には、光は高屈折率層の内部を、高屈折率層の厚み方向の中央に最大の強度を有する０次モード（基本モードともいう）の光として伝わる。そして、高屈折率層の厚みが厚くなるにつれ、高屈折率層の内部には、前記の０次モードに加えて、１次モード、そして２次モードなど、より多くの数の導波モードの光が存在できるようになり、各々の導波モードの光が高屈折率層の内部を伝わるようになる。例えば、１次モードは、高屈折率層の厚み方向の中央に最小の強度を有し、中央から離れた各々の側に最大の強度を有する導波モードである。光の導波モードについては、多くの文献（例えば、吉田貞史、矢嶋弘義著，「薄膜・光デバイス」，初版，東京大学出版会，１９９４年９月，ｐ．１８５−１８６など）に記載がある。
【００３０】
本発明においては、発光層２４の内部になるべく多くの量の光を閉じ込める必要がある。前記の１次モード、２次モードなどの高次の導波モードの光が存在すると、高次モードの光の強度の最大値が高屈折率層の厚み方向において複数存在しているために、光が発光層の厚み方向に広がって分布するようになる。このため、このような高次モードが存在することは、発光層の内部に多くの量の光を集めるためには好ましくない。また、このような高次モードの光が存在しなければ、発光層の内部を高次モードとして伝わっていた光を、０次モードの光として伝えることができるので、発光層の内部により多くの量の光を閉じ込めることができる。
【００３１】
後にコンピュータシミュレーションの結果を示すが、透明低屈折層２７を付設することにより、発光層を伝わる導波モードの数が少なくなることが判明している。これは、前記のように低屈折率層を付設することにより、発光層により多くの量の光が集められることにより、実質的に光が伝わることのできる範囲が狭くなり、前記の導波路となる高屈折率層の厚みが薄い場合と同様に、発光層の内部に存在可能なモードの数が少なくなるためと推測される。
【００３２】
発光層２４で発生した光を、発光層２４と第一電極層２２との界面、そして発光層２４と第二電極層２６との界面にて反射させて、さらに多くの量の光を発光層の内部に閉じ込めるために、第一電極層と第二電極層のそれぞれの屈折率は、発光層の屈折率よりも低いことが好ましい。
【００３３】
また、基板２１の屈折率は、発光層２４の屈折率よりも低いことが好ましい。これは、前記のように光は高屈折率の媒質に集まる性質を有しているため、基板２１の屈折率を低くすることにより、透明低屈折率層を付設する場合と同様に、光をより屈折率の高い発光層２４の内部に集めることができるからである。
【００３４】
透明低屈折率層２７の付設により、発光層２４の内部により多くの量の光が閉じ込められることを確認するために、導波路解析用のコンピュータソフトウエア（「Kappa」、B.Jonsson作成のフリーソフト）を用いて、有機半導体レーザの各々の層を伝わる光の量の割合（confinement factor）について解析した。
【００３５】
先ず、透明低屈折層が付設されていない有機半導体レーザについて、その各々の層を伝わる光の量の割合について解析した。なお、光は発光層の内部をＴＥ波（transverse electric wave）として伝わるものとして解析した。解析結果を、第１表に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
第１表に示すように、透明低屈折率層が付設されていない場合には、光は、０次モードと１次モードとの二つのモードとして伝わることがわかる。第１表に示すように、１次モードの光は、第一電極層と第二電極層とを伝わる割合が大きいことがわかる。このように透明低屈折率層が付設されていない場合には、光を発光層に集めるためには好ましくない１次モードの光が存在することがわかる。
【００３８】
次に、透明低屈折率層が付設されている本発明の有機半導体レーザについて、同様に解析した。解析結果を、第２表に示す。
【００３９】
【表２】
【００４０】
第２表に示すように、透明低屈折率層を付設することにより、光は０次モードの光としてのみ伝わることがわかる。また、発光層の内部を伝わる０次モードの光の量の割合が大きくなることもわかる。
【００４１】
本発明の有機半導体レーザは、基板と第一電極層との間に、透明低屈折率層が付設されていることに特徴がある。従来の有機半導体レーザの基板として、十分に低い屈折率を示す基板を用いることにより、本発明と同様に発光層の内部により多くの量の光を閉じ込めることができると推測される。ところが、前述のように、有機半導体レーザに用いられる基板には、高い強度、そして優れた表面平滑性などが必要とされる。これに加えて、十分に低い屈折率を示す基板を選定するのは難しいと思われる。本発明の有機半導体レーザは、従来の有機半導体レーザの基板と第一電極層との間に透明低屈折率層を付設するという簡単な方法により、発光層の内部により多くの光を閉じ込めることができるという大きな利点を有している。
【００４２】
また、従来の有機半導体レーザのように、発光層により多くの量の光を閉じ込めるために、発光層と電極層との間に付設される正孔輸送層（もしくは電子輸送層）の屈折率を低くしようとすると、正孔輸送層の材料として、屈折率が十分に低く且つ正孔輸送性にも優れる材料を選定する必要があり、選択できる材料の種類が制限される。本発明の有機半導体レーザの透明低屈折率層は、第一電極層の外側（基板の側）に付設されており、有機半導体レーザの電気的な特性には何ら影響を与えることがないために、その材料の選定も容易である。
【００４３】
透明低屈折率層の材料の例としては、ＭｇＦ2 （１．３）、ＳｉＯ2 エアロゲル（１．０１）などが挙げられる。なお、括弧内の数値は、波長５１０ｎｍにおける屈折率である。
【００４４】
透明低屈折率層は、基板からの剥離、あるいはクラックが生じない範囲で厚く形成することが好ましい。実用的には、透明低屈折率層の厚みは、１００ｎｍ乃至１μｍの範囲にあることが好ましい。
【００４５】
本発明の有機半導体レーザにおいては、発光層にて効率よく発光を生じさせるために、発光層の一方の表面に、正孔輸送層もしくは電子輸送層を付設することが好ましい。また、発光層の一方の面に正孔輸送層を、そして他方の面に電子輸送層を付設することも好ましい。発光層と正孔輸送層との界面、もしくは発光層と電子輸送層との界面において光を反射させ、発光層の内部にさらに多くの量の光を閉じ込めるために、正孔輸送層と電子輸送層のそれぞれの屈折率は、発光層の屈折率よりも低いことがより好ましい。
【００４６】
図３は、本発明に従う有機半導体レーザの別の一例の構成を示す図である。図３の有機半導体レーザの構成は、発光層の一方の面に正孔輸送層が、そして他方の面に電子輸送層が設けられていること以外は、図２の有機半導体レーザと同様である。低屈折率層の付設、そして正孔輸送層と電子輸送層の付設により、発光層の内部に閉じ込められる光の量をさらに多くすることができる。
【００４７】
また、図１の有機半導体レーザのように、発光層２４と第二電極層２６とが接触している場合には、第二電極層が金属材料から形成されていると、発光層で発生した光の大部分が金属材料に吸収されてしまい、発光層に閉じ込められる光の量が著しく少なくなる。図３の有機半導体レーザのように、発光層２４と第二電極層２６との間に電子輸送層２５が設けられている場合、あるいは発光層２４と第二電極層２６との間に正孔輸送層が設けられている場合には、第二電極層は金属材料から形成することもできる。このような場合、導波路を構成するために、発光層２４と第二電極層２６との間に付設する正孔輸送層もしくは電子輸送層の屈折率は、発光層の屈折率よりも低くする必要がある。
【００４８】
基板２１、第一電極層２２、正孔輸送層２３、発光層２４、電子輸送層２５、そして第二電極層２６を形成する材料としては、従来の有機半導体レーザ、あるいはこれと同様の構成をとる有機エレクトロルミネッセンス発光素子に用いられている材料を用いることができる。これらの材料については、堀江一之編「光・電子機能有機有機材料ハンドブック」（朝倉書店、１９９７年）、有機エレクトロニクス材料研究会編「有機ＬＥＤ素子の残された重要課題と実用化戦略」（ぶんしん出版、１９９９年）などに詳しく記載されている。
【００４９】
有機半導体レーザを構成する材料の屈折率は、例えば、干渉屈折計などにより測定することができる。そして、前記のような屈折率の関係を満足するように、基板、透明低屈折率層、第一電極層、発光層、そして第二電極層などの材料を選定することにより、本発明の有機半導体レーザを構成することができる。
【００５０】
以下に、基板、第一電極層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、そして第二電極層を形成する材料の一例を記載する。なお、括弧内に記入した数値は、波長５１０ｎｍ（ジアミノジスチリルベンゼンから形成された発光層にて発生する光のピーク波長）における屈折率である。
【００５１】
基板を形成する材料の例としては、ＳｉＯ2 （１．４６）などが挙げられる。
【００５２】
第一電極層及び第二電極層を形成する材料の例としては、錫ドープ酸化インジウム（１．８４）などが挙げられる。
【００５３】
発光層を形成する材料の例としては、ジアミノジスチリルベンゼン（２．１１）などが挙げられる。
【００５４】
正孔輸送層を形成する材料の例としては、コ−ポリ［３，３’−ハイドロキシテトラフェニルベンジジン／ジエチレングリコール］カーボネート（１．７５）、下記の化学式（１）で表される４，４’−ビス（９−カルバゾリル）ビフェニル（１．７８）などが挙げられる。
【００５５】
【化１】
【００５６】
電子輸送層を形成する材料の例としては、下記の化学式（２）で表されるオキサジアゾール誘導体（１．９３）、下記の化学式（３）で表される２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル［１，１０］フェナントロリン（１．６８）などが挙げられる。
【００５７】
【化２】
【００５８】
【化３】
【００５９】
【発明の効果】
本発明の有機半導体レーザは、基板と第一電極層との間に付設された透明低屈折率層により、発光層の内部により多くの量の光を閉じ込めることができる。従って、本発明の有機半導体レーザは、しきい値電流が小さく、そして強度の大きなレーザ光を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の有機半導体レーザの一例の構成を示す側面図である。
【図２】本発明に従う有機半導体レーザの一例の構成を示す側面図である。
【図３】本発明に従う有機半導体レーザの別の一例の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
１１ 基板
１２ 第一電極層
１３ 正孔輸送層
１４ 発光層
１５ 電子輸送層
１６ 第二電極層
２１ 基板
２２ 第一電極層
２３ 正孔輸送層
２４ 発光層
２５ 電子輸送層
２６ 第二電極層
２７ 透明低屈折率層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic semiconductor laser.
[0002]
[Prior art]
Some of organic dye materials that emit light by absorbing energy (also referred to as organic fluorescent materials) have a short wavelength (eg, 400 to 550 nm) due to recombination of holes and electrons inside the organic dye material. Emits light. The wavelength of this light is significantly shorter than the wavelength of laser light obtained by the inorganic semiconductor laser (generally, 620 nm to 800 nm). Therefore, an organic semiconductor laser using an organic dye material utilizes a characteristic that the wavelength of the obtained laser light is short, and a light source of an optical pickup device for reading information recorded at a high density on a CD (compact disk). Applications to such applications are expected.
[0003]
Organic semiconductor lasers are classified into photo-pumped organic semiconductor lasers and current-pumped organic semiconductor lasers. In an optically pumped organic semiconductor laser, light energy is used for excitation for generating holes and electrons for recombination. In a current-pumped organic semiconductor laser, electric energy is used for pumping to generate holes and electrons for recombination.
[0004]
Patent Document 1 describes a conventional current-pumped organic semiconductor laser having the configuration shown in FIG. In the conventional organic semiconductor laser of FIG. 1, a first electrode layer 12, a hole transport layer 13, a light emitting layer containing an organic dye material 14, an electron transport layer 15, and a second electrode layer 16 are laminated on a substrate 11. Configuration.
[0005]
When electric energy is applied to each of the first electrode layer 12 and the second electrode layer 16, holes are injected from the first electrode layer into the hole transport layer 13, and the electron transport layer Electrons are injected into 15. Then, holes are injected into the light emitting layer 14 through the inside of the hole transport layer 13, and electrons are injected into the light emitting layer 14 through the inside of the electron transport layer 15. The holes and the electrons recombine inside the light emitting layer 14, so that light is generated inside the light emitting layer. The hole transporting layer 13 (or the electron transporting layer 15) has a function of efficiently injecting holes (or electrons) into the light emitting layer 14 to increase the luminous efficiency.
[0006]
It is known that when light exists inside the light emitting layer 14, light having the same phase as the light is emitted when electrons and holes recombine. Such light emission is generally called stimulated emission. Light generated inside the light emitting layer 14 is amplified by such stimulated emission, and is extracted as laser light from the end of the light emitting layer. Therefore, in order to extract the laser light efficiently, it is necessary to confine as much as possible the light generated by the recombination inside the light emitting layer 14.
[0007]
In the case of the organic semiconductor laser of FIG. 1, the refractive index of each of the hole transport layer 13 and the electron transport layer 15 is set lower than the refractive index of the light emitting layer 14, and the light emitting layer is used as a waveguide. The light is confined inside the light emitting layer. This is the same as the case where an optical fiber is provided with a cladding having a refractive index lower than that of the core around the core and the core is used as a waveguide to confine light inside the core.
[0008]
The light generated inside the light emitting layer 14 is transmitted to the end of the light emitting layer while repeating total reflection inside the light emitting layer. However, when the light is totally reflected, the light slightly enters the side of the low refractive index medium (the hole transport layer 13 or the electron transport layer 15). In general, such light that slightly penetrates into the low refractive index medium side at the time of total reflection is called evanescent light. When the evanescent light reaches the first electrode layer 12 (or the second electrode layer 16), the light is absorbed by the electrode layer, resulting in a loss. When such a loss occurs, a loss occurs each time light is repeatedly totally reflected inside the light emitting layer 14, and the amount of light confined inside the light emitting layer is reduced.
[0009]
In the organic semiconductor laser of FIG. 1, the thickness of the hole transport layer 13 and the electron transport layer 15 is set to be large (for example, 220 nm and 240 nm, respectively) in order to suppress the loss caused by the evanescent light reaching the electrode. ing. By setting the hole transport layer 13 and the electron transport layer 15 to have a predetermined thickness or more, a larger amount of light can be confined inside the light emitting layer 14. When a large amount of light is confined inside the light emitting layer 14, a current value (generally called a threshold current) required to generate laser light by the organic semiconductor laser can be reduced. And high intensity laser light can be generated.
[0010]
Generally, a glass substrate or a silicon substrate is used as the substrate 11 used for the organic semiconductor laser. These substrates have sufficient strength to withstand the handling, excellent surface smoothness preferable for forming an organic semiconductor laser, and have an advantage that other electronic components can be easily integrated with the organic semiconductor laser on the substrate. Because they do.
[0011]
[Patent Document 1]
JP 2000-156536 A
[Problems to be solved by the invention]
Not only the organic semiconductor laser of FIG. 1 but also a conventional current-pumped organic semiconductor laser in which a large amount of light is confined in the light emitting layer, that is, the threshold current is reduced and the intensity is increased. In order to generate laser light, the layer configuration from the first electrode layer to the second electrode layer of the organic semiconductor laser and the material forming each layer have been studied, but the threshold current is further reduced, and There is room for improvement to increase the intensity of laser light.
An object of the present invention is to produce an organic semiconductor laser capable of confining a larger amount of light inside a light emitting layer.
Another object of the present invention is to produce an organic semiconductor laser capable of generating a laser beam having a small threshold current and a high intensity.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has differently studied the entire configuration including the substrate on which the organic semiconductor laser is formed in order to confine a larger amount of light inside the light emitting layer, unlike before. As a result, between the substrate and the first electrode layer, a transparent low refractive index layer having a refractive index lower than any of the refractive index of the substrate, the refractive index of the first electrode layer, and the refractive index of the light emitting layer is provided. As a result, an organic semiconductor laser capable of confining a larger amount of light inside the light emitting layer was successfully manufactured.
[0014]
The present invention is an organic semiconductor laser comprising at least a transparent first electrode layer, a light emitting layer containing an organic dye material, and a transparent second electrode layer laminated on a substrate in this order, wherein the substrate and the first Between one electrode layer, a transparent low refractive index layer showing a refractive index lower than any of the refractive index of the substrate, the refractive index of the first electrode layer, and the refractive index of the light emitting layer, is provided. Organic semiconductor lasers.
[0015]
Preferred embodiments of the organic semiconductor laser of the present invention are as follows.
(1) The refractive index of each of the first electrode layer and the second electrode layer is lower than the refractive index of the light emitting layer.
(2) A hole transport layer or an electron transport layer is provided on one surface of the light emitting layer.
(3) A hole transport layer is provided on one surface of the light emitting layer, and an electron transport layer is provided on the other surface.
(4) The refractive indexes of the hole transport layer and the electron transport layer are lower than the refractive index of the light emitting layer.
[0016]
The present invention also has at least a transparent first electrode layer, a light-emitting layer containing an organic dye material, a hole transport layer or an electron transport layer, and a second electrode layer made of a metal material laminated on the substrate in this order. An organic semiconductor laser, wherein the refractive index of the hole transport layer or the electron transport layer is lower than the refractive index of the light emitting layer, and between the substrate and the first electrode layer, the refractive index of the substrate, There is also an organic semiconductor laser provided with a transparent low refractive index layer having a refractive index lower than any of the refractive index of the electrode layer and the refractive index of the light emitting layer.
[0017]
Preferred embodiments of the organic semiconductor laser of the present invention in which the second electrode layer is formed of a metal are as follows.
(1) The refractive index of the first electrode layer is lower than the refractive index of the light emitting layer.
[0018]
Preferred embodiments of the above two organic semiconductor lasers of the present invention are as follows.
(1) The transparent low refractive index layer is made of MgF 2 .
(2) The thickness of the transparent low refractive index layer is in the range of 100 nm to 1 μm.
(3) The refractive index of the substrate is lower than the refractive index of the light emitting layer.
[0019]
In the present specification, the “refractive index” means a refractive index at a wavelength of light generated in the light emitting layer. “Transparent” means that the transmittance of light generated in the light emitting layer is 70% or more.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 2 is a side view showing a configuration of an example of the organic semiconductor laser according to the present invention. The organic semiconductor laser of FIG. 2 has a configuration in which a transparent first electrode layer 22, a light-emitting layer 24 containing an organic dye material, and a transparent second electrode layer 26 are stacked in this order on a substrate 21. . The organic semiconductor laser of the present invention has a lower refractive index between the substrate 21 and the first electrode layer 22 than any of the refractive index of the substrate 21, the refractive index of the first electrode layer 22, and the refractive index of the light emitting layer 24. A transparent low-refractive-index layer 27 having a refractive index is provided.
[0021]
When electric energy is applied to each of the first electrode layer 22 and the second electrode layer 26, holes are injected from the first electrode layer into the light emitting layer 24, and from the second electrode layer to the inside of the light emitting layer. Electrons are injected. The holes and the electrons recombine inside the light emitting layer 14, so that light is generated inside the light emitting layer.
[0022]
Light generated in the light emitting layer 24 is amplified while repeating total reflection inside the first electrode layer 22, the light emitting layer 24, and the second electrode layer 26, and is extracted as laser light from the ends of these layers. . The transparent low refractive index layer 27 and the air layer in contact with the surface of the second electrode layer 26 have the same function as the cladding of the optical fiber. In addition, in order to suppress light absorption in the first electrode layer 22 and the second electrode layer 26, each electrode layer is transparent.
[0023]
The reason why the provision of the transparent low-refractive-index layer 27 increases the amount of light confined inside the light-emitting layer 24 is presumed as follows.
[0024]
The fact that light has the property of converging in a medium having a high refractive index is described in Katsuharu Okamoto, "Basics of Optical Waveguides" (December 1996, p.23), and "Optical Light" edited by Japan Optical Measuring Instruments Industry Association. Keyword Encyclopedia "(Asakura Shoten Co., Ltd., April 1999, p. 162).
[0025]
When a transparent low-refractive-index layer is not provided, light generated in the light-emitting layer repeats total reflection inside the first electrode layer, the light-emitting layer, and the second electrode layer, and goes to the ends of these layers. It is transmitted. As described above, this light slightly enters the side of the low-refractive index medium (substrate or air layer) when performing total reflection.
[0026]
Between the substrate 21 and the first electrode layer 22, a transparent low refractive index layer 27 having a lower refractive index than any of the refractive index of the substrate 21, the refractive index of the first electrode layer 22, and the refractive index of the light emitting layer 24. When the transparent low-refractive-index layer is not provided, light that has been transmitted on the first electrode layer side in the substrate when the transparent low-refractive-index layer is not provided becomes a medium having a higher refractive index (second It gathers on one electrode layer 22 and the light emitting layer 24). For these reasons, it is presumed that the provision of the transparent low refractive index layer 27 can confine a larger amount of light inside the light emitting layer 24. The reason why the low refractive index layer 27 is made transparent is to suppress light absorption in the low refractive index layer.
[0027]
As will be shown later in the results of the computer simulation, the provision of the transparent low-refractive-index layer 27 reduces the number of guided modes of light transmitted through the light-emitting layer 24 and also increases the amount of light inside the light-emitting layer. It is presumed to be one of the causes that can confine light.
[0028]
In general, light transmitted while repeating total internal reflection inside a high refractive index layer (a layer between the transparent low refractive index layer 27 and an air layer in contact with the second electrode layer 22) serving as a waveguide. Resonates inside the high-refractive-index layer due to the relationship between the thickness of the high-refractive-index layer and the wavelength of light, and is transmitted as light having a predetermined intensity distribution in the thickness direction of the high-refractive-index layer called a waveguide mode. It has been known.
[0029]
When the thickness of the high-refractive-index layer is small, light travels inside the high-refractive-index layer as light of a zero-order mode (also referred to as a fundamental mode) having a maximum intensity at the center in the thickness direction of the high-refractive-index layer. . As the thickness of the high-refractive-index layer increases, a larger number of guided modes, such as a first-order mode and a second-order mode, in addition to the zero-order mode, are formed inside the high-refractive-index layer. Light can be present, and light of each waveguide mode can be transmitted inside the high refractive index layer. For example, the first-order mode is a guided mode having a minimum intensity at the center in the thickness direction of the high refractive index layer and a maximum intensity on each side away from the center. The waveguide mode of light is described in many documents (eg, Sadayoshi Yoshida and Hiroyoshi Yajima, “Thin Film / Optical Device”, First Edition, University of Tokyo Press, September 1994, pp. 185-186). There is.
[0030]
In the present invention, it is necessary to confine as much light as possible inside the light emitting layer 24. When the light of the higher-order guided mode such as the first-order mode and the second-order mode is present, a plurality of maximum values of the intensity of the light of the higher-order mode exist in the thickness direction of the high refractive index layer. Light spreads and distributes in the thickness direction of the light emitting layer. For this reason, the existence of such a higher mode is not preferable for collecting a large amount of light inside the light emitting layer. In addition, if such high-order mode light does not exist, light that has been transmitted inside the light-emitting layer as a high-order mode can be transmitted as zero-order mode light. The amount of light can be trapped.
[0031]
A result of a computer simulation will be shown later, and it has been found that the provision of the transparent low-refractive layer 27 reduces the number of guided modes transmitted through the light-emitting layer. This is because, by providing the low refractive index layer as described above, a larger amount of light is collected in the light emitting layer, and the range in which light can be substantially transmitted is narrowed. It is presumed that the number of modes that can exist inside the light emitting layer is reduced as in the case where the thickness of the high refractive index layer is small.
[0032]
The light generated in the light emitting layer 24 is reflected at the interface between the light emitting layer 24 and the first electrode layer 22 and at the interface between the light emitting layer 24 and the second electrode layer 26, so that more light is emitted from the light emitting layer. It is preferable that the refractive index of each of the first electrode layer and the second electrode layer is lower than the refractive index of the light emitting layer in order to confine the inside of the light emitting layer.
[0033]
Further, the refractive index of the substrate 21 is preferably lower than the refractive index of the light emitting layer 24. This is because light has a property of being collected in a medium having a high refractive index as described above, and thus, by lowering the refractive index of the substrate 21, light is transmitted in the same manner as when a transparent low refractive index layer is provided. This is because it can be collected inside the light emitting layer 24 having a higher refractive index.
[0034]
In order to confirm that a large amount of light is confined inside the light-emitting layer 24 by providing the transparent low-refractive-index layer 27, computer software for waveguide analysis (“Kappa”, a free software made by B. Johnson) (Software) was used to analyze the ratio of the amount of light transmitted through each layer of the organic semiconductor laser (confinement factor).
[0035]
First, with respect to an organic semiconductor laser having no transparent low-refractive layer, the ratio of the amount of light transmitted through each layer was analyzed. Note that the light was analyzed as transmitting the inside of the light emitting layer as a TE wave (transverse electric wave). Table 1 shows the analysis results.
[0036]
[Table 1]
[0037]
As shown in Table 1, when the transparent low refractive index layer is not provided, the light is transmitted as two modes, that is, a zero-order mode and a first-order mode. As shown in Table 1, it can be seen that the primary mode light is transmitted through the first electrode layer and the second electrode layer at a high rate. As described above, when the transparent low-refractive-index layer is not provided, it is found that there is undesired first-mode light for collecting light in the light-emitting layer.
[0038]
Next, the organic semiconductor laser of the present invention provided with the transparent low refractive index layer was analyzed in the same manner. Table 2 shows the analysis results.
[0039]
[Table 2]
[0040]
As shown in Table 2, it can be seen that light is transmitted only as zero-order mode light by providing a transparent low refractive index layer. Also, it can be seen that the ratio of the amount of light in the zero-order mode transmitted inside the light-emitting layer increases.
[0041]
The organic semiconductor laser of the present invention is characterized in that a transparent low refractive index layer is provided between a substrate and a first electrode layer. It is presumed that by using a substrate having a sufficiently low refractive index as a substrate of a conventional organic semiconductor laser, a larger amount of light can be confined inside the light emitting layer as in the present invention. However, as described above, a substrate used for an organic semiconductor laser needs to have high strength and excellent surface smoothness. In addition, it seems difficult to select a substrate that exhibits a sufficiently low refractive index. The organic semiconductor laser of the present invention can confine more light inside the light emitting layer by a simple method of providing a transparent low refractive index layer between the substrate of the conventional organic semiconductor laser and the first electrode layer. It has the great advantage of being able to.
[0042]
Further, as in a conventional organic semiconductor laser, in order to confine a larger amount of light in the light emitting layer, the refractive index of the hole transport layer (or electron transport layer) provided between the light emitting layer and the electrode layer is changed. In order to lower the material, it is necessary to select a material having a sufficiently low refractive index and an excellent hole transporting property as a material for the hole transporting layer, and the types of materials that can be selected are limited. The transparent low refractive index layer of the organic semiconductor laser of the present invention is provided outside (on the side of the substrate) of the first electrode layer, and has no influence on the electrical characteristics of the organic semiconductor laser. The selection of the material is also easy.
[0043]
Examples of the material of the transparent low refractive index layer include MgF 2 (1.3), SiO 2 airgel (1.01), and the like. The values in parentheses are the refractive index at a wavelength of 510 nm.
[0044]
The transparent low-refractive-index layer is preferably formed to be as thick as possible without causing peeling or cracking from the substrate. Practically, the thickness of the transparent low refractive index layer is preferably in the range of 100 nm to 1 μm.
[0045]
In the organic semiconductor laser of the present invention, it is preferable to provide a hole transport layer or an electron transport layer on one surface of the light emitting layer in order to efficiently emit light in the light emitting layer. It is also preferable to provide a hole transport layer on one side of the light emitting layer and an electron transport layer on the other side. In order to reflect light at the interface between the light emitting layer and the hole transport layer or at the interface between the light emitting layer and the electron transport layer, and confine more light inside the light emitting layer, the hole transport layer and the electron transport layer are used. More preferably, the refractive index of each of the layers is lower than the refractive index of the light emitting layer.
[0046]
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of another example of the organic semiconductor laser according to the present invention. The configuration of the organic semiconductor laser of FIG. 3 is the same as that of the organic semiconductor laser of FIG. 2 except that a hole transport layer is provided on one surface of the light emitting layer and an electron transport layer is provided on the other surface. . With the provision of the low refractive index layer and the provision of the hole transport layer and the electron transport layer, the amount of light confined inside the light emitting layer can be further increased.
[0047]
When the light emitting layer 24 and the second electrode layer 26 are in contact with each other as in the organic semiconductor laser of FIG. Most of the light is absorbed by the metal material, and the amount of light confined in the light emitting layer is significantly reduced. When the electron transport layer 25 is provided between the light emitting layer 24 and the second electrode layer 26 as in the organic semiconductor laser of FIG. When the transport layer is provided, the second electrode layer can be formed from a metal material. In such a case, the refractive index of the hole transport layer or the electron transport layer provided between the light emitting layer 24 and the second electrode layer 26 to form a waveguide is set lower than the refractive index of the light emitting layer. There is a need.
[0048]
As a material for forming the substrate 21, the first electrode layer 22, the hole transport layer 23, the light emitting layer 24, the electron transport layer 25, and the second electrode layer 26, a conventional organic semiconductor laser or a configuration similar thereto is used. Materials used for the organic electroluminescent light emitting element to be used can be used. For these materials, see Kazuyuki Horie, "Handbook of Organic Organic Materials with Optical and Electronic Functions" (Asakura Shoten, 1997), and the Research Group on Organic Electronics Materials, "Remaining Important Issues and Strategies for Practical Use of Organic LED Devices" ( Bunshin Publishing, 1999).
[0049]
The refractive index of the material constituting the organic semiconductor laser can be measured by, for example, an interference refractometer. Then, by selecting materials such as a substrate, a transparent low-refractive-index layer, a first electrode layer, a light-emitting layer, and a second electrode layer so as to satisfy the above-described relationship of the refractive index, the organic material of the present invention is selected. A semiconductor laser can be configured.
[0050]
Hereinafter, an example of a material for forming the substrate, the first electrode layer, the hole transport layer, the light emitting layer, the electron transport layer, and the second electrode layer will be described. The numerical values in parentheses are the refractive index at a wavelength of 510 nm (peak wavelength of light generated in a light emitting layer formed from diaminodistyrylbenzene).
[0051]
An example of a material for forming the substrate includes SiO 2 (1.46).
[0052]
Examples of a material for forming the first electrode layer and the second electrode layer include tin-doped indium oxide (1.84).
[0053]
Examples of a material for forming the light emitting layer include diaminodistyrylbenzene (2.11).
[0054]
Examples of the material for forming the hole transport layer include co-poly [3,3'-hydroxytetraphenylbenzidine / diethylene glycol] carbonate (1.75) and 4,4 'represented by the following chemical formula (1). -Bis (9-carbazolyl) biphenyl (1.78) and the like.
[0055]
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[0056]
Examples of the material for forming the electron transport layer include an oxadiazole derivative (1.93) represented by the following chemical formula (2), 2,9-dimethyl-4 represented by the following chemical formula (3), 7-diphenyl [1,10] phenanthroline (1.68) and the like.
[0057]
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[0058]
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[0059]
【The invention's effect】
In the organic semiconductor laser of the present invention, a larger amount of light can be confined inside the light emitting layer by the transparent low refractive index layer provided between the substrate and the first electrode layer. Therefore, the organic semiconductor laser of the present invention can generate a laser light having a small threshold current and a high intensity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a configuration of an example of a conventional organic semiconductor laser.
FIG. 2 is a side view showing a configuration of an example of an organic semiconductor laser according to the present invention.
FIG. 3 is a side view showing a configuration of another example of the organic semiconductor laser according to the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 11 substrate 12 first electrode layer 13 hole transport layer 14 light emitting layer 15 electron transport layer 16 second electrode layer 21 substrate 22 first electrode layer 23 hole transport layer 24 light emitting layer 25 electron transport layer 26 second electrode layer 27 transparent Low refractive index layer
