JP2006093628A - Organic semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ホール輸送層にトリフェニルアミン誘導体を含有することを特徴とする有機半導体レーザー装置に関する。 The present invention relates to an organic semiconductor laser device characterized in that a triphenylamine derivative is contained in a hole transport layer.
無機物であるIII−V族化合物を半導体層として使用する場合については、半導体レーザ素子又は発光ダイオードが報告され(例えば、特許文献1参照)、面発光型半導体レーザと端面発光型半導体レーザが報告されている(例えば、特許文献2参照)。一方、有機化合物を使用する有機半導体レーザー装置は、その構造として基板、陽極層、ホール輸送層、レーザー活性層、電子輸送層、陰極層を備えている。レーザー活性層がホール輸送層や電子輸送層を兼ねる場合もある。この装置は、電圧印加により、陽極からレーザー活性層(発光層)へ正孔が注入され、また、陰極からレーザー活性層(発光層)に電子が注入されることによって、レーザー活性層(発光層)内で正孔および電子が再結合して発光するとともに、この光が、レーザー装置内を導波することによって増幅され、レーザー光として放出される。 In the case of using a group III-V compound, which is an inorganic substance, as a semiconductor layer, a semiconductor laser element or a light emitting diode is reported (for example, refer to Patent Document 1), and a surface emitting semiconductor laser and an edge emitting semiconductor laser are reported. (For example, refer to Patent Document 2). On the other hand, an organic semiconductor laser device using an organic compound includes a substrate, an anode layer, a hole transport layer, a laser active layer, an electron transport layer, and a cathode layer as its structure. The laser active layer may also serve as a hole transport layer or an electron transport layer. In this apparatus, holes are injected from the anode into the laser active layer (light emitting layer) by applying a voltage, and electrons are injected from the cathode into the laser active layer (light emitting layer), so that the laser active layer (light emitting layer) is injected. ), Holes and electrons recombine to emit light, and this light is amplified by being guided through the laser device and emitted as laser light.
有機電界発光素子の分野においては、発光層、電子輸送層、ホール輸送層それぞれについて、これまでに実に多数の化合物種が報告されている。ホール輸送層に着目した場合、数多くのホール輸送層用化合物種の中でも、トリフェニルアミン4量体化合物が耐熱性に優れていることが報告されている(例えば、特許文献3参照)。 In the field of organic electroluminescent devices, a large number of compound types have been reported so far for each of the light emitting layer, the electron transport layer, and the hole transport layer. When paying attention to the hole transport layer, it has been reported that among many types of compound for hole transport layer, the triphenylamine tetramer compound is excellent in heat resistance (see, for example, Patent Document 3).
従来の有機半導体レーザーの構造においては、ホール輸送層や電子輸送層の膜厚を厚くすることができないため、電極による光の伝搬損失が大きく、増幅自然放出(ASE:Amplified Spontaneous Emission)を生じさせるためのしきい値(ASEしきい値)が著しく高くなってしまう問題点がある。そのため実際には、陽極および陰極からの電流励起によるASE発振を生じさせることは極めて困難である。
したがって、ホール輸送層として厚膜層を導入することが必要不可欠となるが、通常のホール輸送材料を用いて厚膜デバイスを構成した場合、著しく駆動電圧の上昇が見られ、ホール注入効率が低下してしまう。さらに、電流励起によるASE発振を起こさせるためには、数千アンペアオーダーの電流注入が必要になるが、このような大電流注入下では、多くのホール輸送材料は熱破壊に至ってしまうという問題もある。
In the conventional organic semiconductor laser structure, the hole transport layer and the electron transport layer cannot be made thick, so that the propagation loss of light due to the electrodes is large, resulting in amplified spontaneous emission (ASE). Therefore, there is a problem that the threshold value (ASE threshold value) for this becomes extremely high. Therefore, in practice, it is extremely difficult to cause ASE oscillation by current excitation from the anode and the cathode.
Therefore, it is indispensable to introduce a thick film layer as a hole transport layer. However, when a thick film device is formed using a normal hole transport material, the driving voltage is remarkably increased and the hole injection efficiency is decreased. Resulting in. Furthermore, in order to cause ASE oscillation by current excitation, current injection of several thousand amperes is necessary. However, under such a large current injection, there is a problem that many hole transport materials are thermally destroyed. is there.
本発明は、ホール輸送層を厚膜な構造として、陰極による伝搬損失を抑制するとともに、厚膜であってもホール輸送層が高いホール注入効率を維持し、これにより、電流励起によるレーザー発振を有利に行うことができる有機半導体レーザー装置を提供することを目的としている。また、大電流の注入による熱破壊に耐え、これにより、電流励起によるレーザー発振を有利に行うことができる有機半導体レーザー装置を提供することをも目的としている。 In the present invention, the hole transport layer has a thick film structure to suppress the propagation loss due to the cathode, and the hole transport layer maintains high hole injection efficiency even with a thick film, thereby enabling laser oscillation by current excitation. An object of the present invention is to provide an organic semiconductor laser device that can be advantageously performed. Another object of the present invention is to provide an organic semiconductor laser device that can withstand thermal destruction caused by injection of a large current and can advantageously perform laser oscillation by current excitation.
上記の目的を達成するために、本発明者らは厚膜のホール輸送層の可能性について探求を重ねた結果、ホール輸送層にトリフェニルアミン誘導体を採用することによって、ホール輸送層を100nm以上の厚膜にしても、陽極の伝搬損失を抑制することができ、電流励起によるレーザー発振に有利な構成が可能なことを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to achieve the above object, the present inventors have repeatedly investigated the possibility of a thick hole transport layer, and as a result, by adopting a triphenylamine derivative for the hole transport layer, the hole transport layer can be made 100 nm or more. Even with this thick film, the propagation loss of the anode can be suppressed, and it has been found that a configuration advantageous for laser oscillation by current excitation is possible, and the present invention has been completed.
すなわち本発明は、基板上に順次陽極、ホール輸送層、レーザー活性層、電子輸送層、陰極を有し、該ホール輸送層にトリフェニルアミン4量体化合物を使用することを特徴とする有機半導体レーザー装置であり、また本発明は基板上に順次陰極、電子輸送層、レーザー活性層、ホール輸送層、陽極を有し、該ホール輸送層にトリフェニルアミン4量体化合物を使用することを特徴とする有機半導体レーザー装置である。 That is, the present invention has an anode, a hole transport layer, a laser active layer, an electron transport layer, and a cathode sequentially on a substrate, and an organic semiconductor characterized by using a triphenylamine tetramer compound for the hole transport layer. The present invention is a laser device, and the present invention has a cathode, an electron transport layer, a laser active layer, a hole transport layer, and an anode on a substrate, and a triphenylamine tetramer compound is used for the hole transport layer. This is an organic semiconductor laser device.
本発明におけるレーザー活性層は、電子輸送層を兼ねることも可能であり、またレーザー活性層は、電子輸送層およびホール輸送層を兼ねることも可能である。 The laser active layer in the present invention can also serve as an electron transport layer, and the laser active layer can also serve as an electron transport layer and a hole transport layer.
トリフェニルアミン4量体化合物はキャリヤー輸送層として優れた性能を有しているが、HOMO(最高非占有軌道)レベルが浅いために、トリフェニルアミン4量体化合物と接する層との間で分子間相互作用を生じる場合がある。このような分子間相互作用を緩和させるために、薄膜の第2ホール輸送層を挿入することが有効であり、本発明のホール輸送層では、複数のホール輸送層から構成されることを可能としており、該複数のホール輸送層の少なくとも一層にトリフェニルアミン4量体化合物を用いることを特徴としている。 Although the triphenylamine tetramer compound has excellent performance as a carrier transport layer, since the HOMO (highest unoccupied orbital) level is shallow, the molecule between the layer in contact with the triphenylamine tetramer compound May cause interaction. In order to alleviate such intermolecular interaction, it is effective to insert a thin film second hole transport layer, and the hole transport layer of the present invention can be composed of a plurality of hole transport layers. The triphenylamine tetramer compound is used for at least one of the plurality of hole transport layers.
レーザー活性層は、陽極からホールの供給を受ける正孔輸送層と陰極から電子の供給を受ける電子輸送層に接しており、これらのホール輸送層および正孔輸送層よりも屈折率が大きいことが望ましい。この構成は、レーザー活性層が電子輸送層およびホール輸送層で挟持された、いわゆるダブルヘテロ構造を有しており、レーザー活性層が、電子輸送層および正孔輸送層よりも大きな屈折率を有していることにより、このレーザー活性層内に良好に光が閉じ込められることになり、ASEしきい値を低くすることができる。ここで、レーザー活性層は、電子輸送層およびホール輸送層よりも、HOMOレベルおよびLUMOレベル間のエネルギーギャップが大きな有機半導体材料からなっていることが好ましい。このことによって、発光層内にキャリヤを効率的に閉じ込めることができるので、ASEしきい値をより低くすることができる。 The laser active layer is in contact with the hole transport layer that receives the supply of holes from the anode and the electron transport layer that receives the supply of electrons from the cathode, and has a higher refractive index than these hole transport layer and hole transport layer. desirable. This configuration has a so-called double heterostructure in which the laser active layer is sandwiched between the electron transport layer and the hole transport layer, and the laser active layer has a higher refractive index than the electron transport layer and the hole transport layer. By doing so, light is confined well in the laser active layer, and the ASE threshold can be lowered. Here, the laser active layer is preferably made of an organic semiconductor material having a larger energy gap between the HOMO level and the LUMO level than the electron transport layer and the hole transport layer. As a result, carriers can be efficiently confined in the light emitting layer, so that the ASE threshold can be further lowered.
電子輸送層を構成する有機材料としては、Alq3(8−ヒドロキシキノリンアルミニウム)のような金属錯体、PBD(2−(4−tert−Butylphenyl)−5−(4−biphenylyl)−1,3,4−oxadiazole)およびTAZ(1,2,4−トリアゾール誘導体)のようなオキサジアゾール・トリアゾールや、BCP(2,9−dimethyl−4,7−diphenyl−1,10−phenanthroline)のようなフェナントロリンを例示することができる。 As an organic material constituting the electron transport layer, a metal complex such as Alq3 (8-hydroxyquinoline aluminum), PBD (2- (4-tert-butylphenyl) -5- (4-biphenylyl) -1,3,4 Oxadiazole triazoles such as -oxadiazole) and TAZ (1,2,4-triazole derivatives), and phenanthrolines such as BCP (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) It can be illustrated.
ホ−ル輸送層を構成する有機材料としては、芳香族アミン誘導体が極めて有効である。本発明においてホール輸送層を構成する必須の有機材料として使用されるのはトリフェニルアミン4量体化合物であり、中でも[化1]式で示されるトリフェニルアミン4量体化合物が有効である。 An aromatic amine derivative is extremely effective as the organic material constituting the hole transport layer. In the present invention, a triphenylamine tetramer compound is used as an essential organic material constituting the hole transport layer, and a triphenylamine tetramer compound represented by the formula [1] is particularly effective.
(式[化1]中、R1〜R8はそれぞれが同一でも異なっていても良く、水素原子、炭素数1〜4の直鎖もしくは分枝のアルキル基または炭素数1〜4の直鎖もしくは分枝のアルコキシ基を表し、Aは単結合、フェニレン基、4,4’−ビフェニレン基、1,1−シクロヘキシレン基または9,9−フルオレニレン基を表す。) (In the formula [Chemical Formula 1], each of R1 to R8 may be the same or different and is a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or a linear or branched group having 1 to 4 carbon atoms. (A represents a single bond, a phenylene group, a 4,4′-biphenylene group, a 1,1-cyclohexylene group, or a 9,9-fluorenylene group.)
[化1]式で示されるトリフェニルアミン4量体化合物の具体的化合物として、次の化合物が挙げられる。 [Chemical Formula 1] Specific compounds of the triphenylamine tetramer compound represented by the formula include the following compounds.
また、これらの化合物の中でも、R1〜R8で表される置換基が水素原子であるものがさらに好ましい。 Among these compounds, those in which the substituents represented by R1 to R8 are hydrogen atoms are more preferable.
また、上記したトリフェニルアミン4量体化合物層とレーザー活性層間に、第2ホール輸送層(ホ−ル注入・輸送材料)を挿入する場合は、次のようなトリフェニルアミン誘導体が使用される。α−NPD(4,4’−bis〔N(1−naphtyl)−N−phenyl−amino〕biphenylやCBP(4,4’−di(N−carbazolyl)biphenyl)などのアリールアミン、およびTPD((N,N’−diphenyl−N,N’−(3−methylphenyl)−1,1’−biphenyl)−4,4’−diamine)等である。 Further, when the second hole transport layer (hole injection / transport material) is inserted between the above triphenylamine tetramer compound layer and the laser active layer, the following triphenylamine derivatives are used. . arylamines such as α-NPD (4,4′-bis [N (1-naphthyl) -N-phenyl-amino] biphenyl and CBP (4,4′-di (N-carbazolyl) biphenyl), and TPD (( N, N′-diphenyl-N, N ′-(3-methylphenyl) -1,1′-biphenyl) -4,4′-diaminine) and the like.
レーザー活性層としては、スチリルアミン誘導体をレーザー色素(レーザー活性層用ドーパント)とし、フェニルカルバゾール誘導体をホスト材としたレーザー活性層が典型的なものとして挙げられるが、他の材料であっても使用することが可能である。レーザー色素に使用されるスチリルアミン誘導体の具体例としては、下記化学式[化16]で表されるBSB(1,4−dimethoxy−2,5−bis〔p−{N−phenyl−N−(m−tolyl)amino}styryl〕benzene)が示される。ホスト材に使用されるフェニルカルバゾール誘導体の具体例としては、下記化学式[化17]で表されるCBP、下記化学式[化18]で表されるmCP、下記化学式[化19]で表されるCDBPが示される。 Typical examples of the laser active layer include a laser active layer using a styrylamine derivative as a laser dye (a dopant for a laser active layer) and a phenylcarbazole derivative as a host material, but other materials may also be used. Is possible. Specific examples of styrylamine derivatives used for laser dyes include BSB (1,4-dimethyl-2,5-bis [p- {N-phenyl-N- (m -Tolyl) amino} styl] benzene). Specific examples of the phenylcarbazole derivative used for the host material include CBP represented by the following chemical formula [Chemical Formula 17], mCP represented by the following chemical formula [Chemical Formula 18], and CDBP represented by the following chemical formula [Chemical Formula 19]. Is shown.
レーザー色素としては、さらに下記化学式[化20]で表されるDCM2(ジシアノメチレンピラン誘導体:赤色)、下記化学式[化21]で表されるCoumarin6および下記化学式[化22]で表されるPerylene(青色)が示される。 As the laser dye, DCM2 (dicyanomethylenepyran derivative: red) represented by the following chemical formula [Chemical Formula 20], Coumarin 6 represented by the following chemical formula [Chemical Formula 21], and Perylene represented by the following chemical formula [Chemical Formula 22] (Blue).
陽極に使用される材料としては、光伝搬ロスの少ない可視域において透明性に富むITOやIZOなどの透明電極が好ましい。 The material used for the anode is preferably a transparent electrode such as ITO or IZO that is highly transparent in the visible range with little light propagation loss.
陰極に使用される材料としては、陽極と同様に光伝搬ロスの少ない可視域において透明性に富むITOやIZOなどの透明電極を用いることができる。ここで、透明電極からの電子注入効率を向上させるためにMg、Cs、Li、Caなどのアルカリ金属、アルカリ土類金属を陰極と電子輸送層界面に挿入する事が有効である。 As a material used for the cathode, a transparent electrode such as ITO or IZO, which has high transparency in the visible region with a small light propagation loss, like the anode can be used. Here, in order to improve the efficiency of electron injection from the transparent electrode, it is effective to insert an alkali metal such as Mg, Cs, Li, or Ca or an alkaline earth metal at the interface between the cathode and the electron transport layer.
基板としては、ガラス、サファイヤ、シリコン、化合物半導体(GaAs,InPなど)、金属(銅、ステンレスなど)、グラファイト、ダイヤモンドおよびアモルファスカーボンなどを利用することができる。特に熱伝導性に優れた基板を用いることにより、1000アンペアオーダーの電流を、破壊を生じさせることなく、有機半導体レーザー活性層に注入することが可能である。 As the substrate, glass, sapphire, silicon, compound semiconductors (GaAs, InP, etc.), metals (copper, stainless steel, etc.), graphite, diamond, amorphous carbon, etc. can be used. In particular, by using a substrate having excellent thermal conductivity, it is possible to inject a current of the order of 1000 amperes into the organic semiconductor laser active layer without causing breakdown.
本発明の有機半導体レーザー装置は、電流励起ではなく、光励起によってレーザー発振を生じさせることも可能である。すなわち、透明基板側または陰極側から、ポンピングレーザー光を入射することにより、有機半導体レーザー活性層内で光が増幅される。このことにより、端面からレーザー光を取り出すことができる。 The organic semiconductor laser device of the present invention can generate laser oscillation by light excitation instead of current excitation. That is, the light is amplified in the organic semiconductor laser active layer by entering the pumping laser light from the transparent substrate side or the cathode side. As a result, laser light can be extracted from the end face.
本発明の有機半導体レーザー装置は、ホール輸送層を厚膜な構造として、陰極による伝搬損失を抑制するとともに、厚膜であってもホール輸送層が高いホール注入効率を維持しているので、電流励起によるレーザー発振を有利に行うことができる有機半導体レーザー装置を提供することができる。また、大電流の注入による熱破壊に耐えるので、電流励起によるレーザー発振を有利に行う有機半導体レーザー装置を提供することができる。さらに、光励起によってレーザー発振を行う有機半導体レーザー装置を提供することができる。
ホール輸送層を厚膜な構造としているために、ピンホールの発生を抑制することができる。
The organic semiconductor laser device of the present invention has a thick hole transport layer structure, suppresses propagation loss due to the cathode, and maintains a high hole injection efficiency even if the hole transport layer is thick. An organic semiconductor laser device capable of advantageously performing laser oscillation by excitation can be provided. In addition, since it withstands thermal destruction caused by large current injection, it is possible to provide an organic semiconductor laser device that advantageously performs laser oscillation by current excitation. Furthermore, an organic semiconductor laser device that performs laser oscillation by optical excitation can be provided.
Since the hole transport layer has a thick structure, the generation of pinholes can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。[図1]は、この発明の一実施形態に係る有機半導体レーザー装置の構成を説明するための図面である。この有機半導体レーザー装置は、透明基板、陽極、ホール輸送層、レーザー活性層、電子輸送層、陰極から構成される。[図2]は、本発明の有機半導体レーザー装置における、電子輸送層(第1電子輸送層)と陰極との間に、第2電子輸送層を挿入した有機半導体レーザー装置の構成を示す図面である。[図3]は、本発明の有機半導体レーザー装置において、さらにホール輸送層(第1ホール輸送層)とレーザー活性層との間に、第2ホール輸送層を挿入した有機半導体レーザー装置の構成を示す図面である。[図4]は、透明基板上に陰極を支持する逆構成で、さらに電子輸送層、レーザー活性層、ホール輸送層、陽極から構成される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a drawing for explaining the configuration of an organic semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. This organic semiconductor laser device includes a transparent substrate, an anode, a hole transport layer, a laser active layer, an electron transport layer, and a cathode. [FIG. 2] is a drawing showing a configuration of an organic semiconductor laser device in which a second electron transport layer is inserted between an electron transport layer (first electron transport layer) and a cathode in the organic semiconductor laser device of the present invention. is there. [FIG. 3] shows the configuration of the organic semiconductor laser device of the present invention in which a second hole transport layer is further inserted between the hole transport layer (first hole transport layer) and the laser active layer. FIG. [FIG. 4] is a reverse structure which supports a cathode on a transparent substrate, and further comprises an electron transport layer, a laser active layer, a hole transport layer, and an anode.
本発明の有機半導体レーザー装置を構成している各層の実施の形態について説明する。陰極は、電子輸送層に接する超薄膜MgAg層(例えば2.5nmの膜厚)とITO透明導電膜(例えば20nm)との積層構造膜から構成される。陽極は、ITOから構成され、例えば30nmの膜厚を有する。基板は、例えばサファイヤ基板などの熱伝導率に富む材料が利用できる。有機層は、陽極側から順にホール輸送層、レーザー活性層、および電子輸送層を積層して構成されており、これらはいずれも有機半導体材料からなっている。レーザー活性層は、BSB[化16]をレーザー色素とし、CBP[化17]をホスト材とした有機半導体混合物層からなっており、その膜厚はたとえば70nmである。BSBの含有量は、たとえば6重量%である。電子輸送層は、レーザー活性層に接する第1電子輸送層を形成するBCP層(膜厚20nm)と、この第1電子輸送層と陰極との間にはさまれた第2電子輸送層を構成するAlq3(たとえば膜厚100nm)との積層構造となっている。[図5]参照。 An embodiment of each layer constituting the organic semiconductor laser device of the present invention will be described. The cathode is composed of a laminated structure film of an ultra-thin MgAg layer (for example, a film thickness of 2.5 nm) in contact with the electron transport layer and an ITO transparent conductive film (for example, 20 nm). The anode is made of ITO and has a film thickness of 30 nm, for example. For the substrate, for example, a material having high thermal conductivity such as a sapphire substrate can be used. The organic layer is formed by laminating a hole transport layer, a laser active layer, and an electron transport layer in order from the anode side, and these are all made of an organic semiconductor material. The laser active layer is composed of an organic semiconductor mixture layer using BSB [Chemical Formula 16] as a laser dye and CBP [Chemical Formula 17] as a host material, and has a film thickness of, for example, 70 nm. The content of BSB is, for example, 6% by weight. The electron transport layer constitutes a BCP layer (film thickness 20 nm) that forms the first electron transport layer in contact with the laser active layer, and a second electron transport layer sandwiched between the first electron transport layer and the cathode. It has a laminated structure with Alq3 (for example, a film thickness of 100 nm). See FIG.
ホール輸送層における膜厚は、10〜1000nmの範囲である。膜厚がこの範囲よりも薄くなると、電極による光の伝搬損失が大きくなり、しかもピンホールの確率も高くなるので好ましくない。さらに好ましい膜厚は、20〜300nmの範囲である。ホール輸送層用の材料としては、トリフェニルアミン4量体化合物[化1]が使用される。また、[図3]に示すように、TPT1層とレーザー活性層の界面に、α−NPD等の第2ホ−ル輸送層を挿入することもレーザー作用の向上に効果的である。 The film thickness in the hole transport layer is in the range of 10 to 1000 nm. If the film thickness is thinner than this range, the propagation loss of light due to the electrodes increases and the probability of pinholes also increases, which is not preferable. A more preferable film thickness is in the range of 20 to 300 nm. As a material for the hole transport layer, a triphenylamine tetramer compound [Chemical Formula 1] is used. As shown in FIG. 3, inserting a second hole transport layer such as α-NPD at the interface between the TPT1 layer and the laser active layer is also effective in improving the laser action.
有機半導体レーザー装置は、ホール輸送層および電子輸送層によってレーザー活性層をはさんだダブルヘテロ構造を有している。そして、レーザー活性層は、その両側に配置されたホール輸送層および電子輸送層のいずれよりも屈折率nが高いことが必要である。このことによって、このレーザー活性層(発光層)内に光が閉じ込められ易い構造となっている。実施の形態であるCBP:BSBからなる発光層の屈折率はn=1.84であり、ホール輸送層の屈折率はn=1.8であり、第1電子輸送層を構成するBCPの屈折率はn=1.7である。 The organic semiconductor laser device has a double hetero structure in which a laser active layer is sandwiched between a hole transport layer and an electron transport layer. The laser active layer needs to have a refractive index n higher than both the hole transport layer and the electron transport layer disposed on both sides thereof. As a result, light is easily confined in the laser active layer (light emitting layer). The refractive index of the light-emitting layer made of CBP: BSB in the embodiment is n = 1.84, the refractive index of the hole transport layer is n = 1.8, and the refraction of the BCP constituting the first electron transport layer The rate is n = 1.7.
また、HOMOレベルとLUMOレベルとの間のエネルギーギャップは、実施の形態であるレーザー活性層を構成しているCBP:BSBが最も大きく、このレーザー活性層に隣接するホ−ル輸送層および第1電子輸送層のエネルギーギャップは、レーザー活性層のエネルギーギャップよりも小さくなっている。このことによって、レーザー活性層内にキャリヤが閉じ込められ易い構造となっている。すなわち、ホール輸送層および第1電子輸送層は、キャリヤ閉じ込め層としての機能も有していることになる。 Further, the energy gap between the HOMO level and the LUMO level is the largest in CBP: BSB constituting the laser active layer according to the embodiment, and the hole transport layer adjacent to the laser active layer and the first The energy gap of the electron transport layer is smaller than the energy gap of the laser active layer. As a result, the carrier is easily confined in the laser active layer. That is, the hole transport layer and the first electron transport layer also have a function as a carrier confinement layer.
この実施形態に係る有機半導体レーザー装置によれば、有機半導体レーザー活性層上に超薄膜MgAg層等の電子注入電極と透明導電膜を配置しているため、厚い金属膜によって陰極を構成する場合に比較して、光伝搬損失を格段に抑制する事ができる。しかも、超薄膜MgAg層を有機多層の表面に形成していることによって、電子注入障壁が緩和されているとともに、透明導電膜を形成するときのプラズマダメージから有機多層を保護することができる。これによって、陰極からレーザー活性層への電子注入効率を著しく高めることができる。 According to the organic semiconductor laser device according to this embodiment, since the electron injection electrode such as the ultra-thin MgAg layer and the transparent conductive film are arranged on the organic semiconductor laser active layer, the cathode is constituted by a thick metal film. In comparison, light propagation loss can be remarkably suppressed. In addition, since the ultrathin MgAg layer is formed on the surface of the organic multilayer, the electron injection barrier is relaxed and the organic multilayer can be protected from plasma damage when forming the transparent conductive film. Thereby, the electron injection efficiency from the cathode to the laser active layer can be remarkably increased.
このようにして、増幅自然放出(ASE)を生じさせるためのしきい値(ASEしきい値)を低くすることができるので、陽極からレーザー活性層にホールを注入するとともに、陰極からレーザー活性層に電子を注入することにより、電流励起によるレーザー発振を生じさせることができる。すなわち、陽極から注入されたホールは、ホール輸送層によってレーザー活性層へと輸送され、陰極から注入された電子は、電子輸送層によってレーザー活性層へと輸送される。このレーザー活性層内において電子およびホールの再結合が生じ、これにより励起状態が形成され発光が生じる。放出された光は、レーザー活性層(発光層)とホ−ル輸送層および電子輸送層との屈折率差によりレーザー活性層(発光層)内へ閉じ込められ、光の伝搬に伴い、光強度が増幅され、端面からASE光が放出されることになる。 In this way, since the threshold value (ASE threshold value) for causing amplified spontaneous emission (ASE) can be lowered, holes are injected from the anode into the laser active layer, and from the cathode to the laser active layer. By injecting electrons into the laser, laser oscillation can be caused by current excitation. That is, holes injected from the anode are transported to the laser active layer by the hole transport layer, and electrons injected from the cathode are transported to the laser active layer by the electron transport layer. In this laser active layer, recombination of electrons and holes occurs, whereby an excited state is formed and light emission occurs. The emitted light is confined in the laser active layer (light emitting layer) due to the refractive index difference between the laser active layer (light emitting layer) and the hole transport layer and electron transport layer. Amplified and ASE light is emitted from the end face.
特にホール輸送層としてトリフェニルアミン4量体化合物を適用することにより、耐熱性が格段に向上されるので、有機半導体レーザー活性層に高い電流密度で電流を注入しても、有機半導体レーザー活性層の熱破壊が生じることがない。 In particular, by applying a triphenylamine tetramer compound as a hole transport layer, the heat resistance is remarkably improved. Therefore, even if a current is injected into the organic semiconductor laser active layer at a high current density, the organic semiconductor laser active layer The thermal destruction of is not caused.
次の実施例に記載されている通り、本発明の有機半導体レーザー装置は、電流励起ではなく、光励起によってレーザー発振を生じさせることも可能である。すなわち、透明基板側または陰極側から、ポンピングレーザー光を入射することにより、有機半導体レーザー活性層内で光が増幅される。これにより、端面からレーザー光を取り出すことができる。 As described in the following examples, the organic semiconductor laser device of the present invention can generate laser oscillation by light excitation instead of current excitation. That is, the light is amplified in the organic semiconductor laser active layer by entering the pumping laser light from the transparent substrate side or the cathode side. Thereby, a laser beam can be taken out from the end face.
ガラス基板上にITO膜(膜厚110nm)、ホール輸送層として190nmの膜厚のTPT1を形成し、第2ホール輸送層として5nmのα−NPD薄膜を、発光層として50nmのAlq3の薄膜を形成し、陰極としてのMgAg層(膜厚100nm)および同じく陰極としてのAg層(膜厚10nm)を積層して、有機発光デバイスを作製した。この有機半導体装置に、電流密度1mA/cm2の電流を流すための電圧は5.0Vであった。 An ITO film (110 nm film thickness) is formed on a glass substrate, a 190 nm film thickness TPT1 is formed as a hole transport layer, a 5 nm α-NPD thin film is formed as a second hole transport layer, and a 50 nm Alq3 thin film is formed as a light emitting layer. Then, an MgAg layer (film thickness: 100 nm) as a cathode and an Ag layer (film thickness: 10 nm) as a cathode were laminated to produce an organic light emitting device. The voltage for applying a current of 1 mA / cm 2 to this organic semiconductor device was 5.0V.
[比較例1]
ガラス基板上にITO膜(膜厚110nm)、ホール輸送層として50nmの膜厚のTPT1を形成し、第2ホール輸送層として5nmのα−NPD薄膜を、発光層として50nmのAlq3の薄膜を形成し、陰極としてのMgAg層(膜厚100nm)および同じく陰極としてのAg層(膜厚10nm)を積層して、有機発光デバイスを作製した。この有機半導体装置に、電流密度1mA/cm2の電流を流すための電圧は、TPT1膜厚が190nmの実施例1と同じく5.0Vであった。TPT層が厚膜となっても駆動電圧は上昇しないという特性は有機半導体レーザー装置におけるホ−ル輸送層として有用であることがわかる。
[Comparative Example 1]
An ITO film (thickness 110 nm) is formed on a glass substrate, a TPT1 with a thickness of 50 nm is formed as a hole transport layer, a 5 nm α-NPD thin film is formed as a second hole transport layer, and a 50 nm Alq3 thin film is formed as a light emitting layer. Then, an MgAg layer (film thickness: 100 nm) as a cathode and an Ag layer (film thickness: 10 nm) as a cathode were laminated to produce an organic light emitting device. The voltage for applying a current density of 1 mA / cm 2 to this organic semiconductor device was 5.0 V as in Example 1 having a TPT1 film thickness of 190 nm. It can be seen that the characteristic that the driving voltage does not increase even when the TPT layer is thick is useful as a hole transport layer in an organic semiconductor laser device.
透明基板としてガラス基板を用い、その表面に、30nmの膜厚のITOを陽極として堆積させた。このITO陽極上に、真空蒸着法により、ホ−ル輸送層、レーザー活性層、電子輸送層を形成した。ホール輸送層としては、膜厚20nmのTPT1とした。レーザー活性層は、レーザー色素としてBSBを、ホスト材料としてCBPを用い、BSBを6重量%添加するように、共蒸着によって作製し、その膜厚を70nmとした。第1電子輸送層としては、20nmの膜厚のBCPを堆積し、第2電子輸送層(電子注入層)としては、膜厚20nmのAlq3を堆積した。陰極は、3×10−3Pa程度の真空中における蒸着によって膜厚2.5nmの超薄膜MgAg層を電子輸送層上に堆積させ、その後、1×10−1Paの真空中で、アルゴン(11.4sccm)および酸素(0.6sccm)のガスフロー中で、マグネトロンスパッタリングにより、ITOからなる透明導電膜を形成した。その膜厚は、20nmとした。このデバイスに、ポンピングレーザー光(窒素ガスレーザー:波長337nm)を入射して光励起を行なったところ、ASEしきい値Eth=5μJ/cm2が得られた。このASEしきい値から、レーザー活性層より容易にレーザー発振を生じさせることの可能なことがわかる。 A glass substrate was used as a transparent substrate, and ITO having a thickness of 30 nm was deposited on the surface as an anode. A hole transport layer, a laser active layer, and an electron transport layer were formed on the ITO anode by a vacuum deposition method. The hole transport layer was TPT1 with a thickness of 20 nm. The laser active layer was prepared by co-evaporation using BSB as a laser dye, CBP as a host material, and 6% by weight of BSB added, and the film thickness was set to 70 nm. BCP with a thickness of 20 nm was deposited as the first electron transport layer, and Alq3 with a thickness of 20 nm was deposited as the second electron transport layer (electron injection layer). Cathode, 3 × 10 -3 Pa about ultra-thin MgAg layer thickness 2.5nm by vapor deposition in a vacuum of was deposited on the electron transport layer, thereafter, 1 × 10 -1 in a vacuum of Pa, argon ( A transparent conductive film made of ITO was formed by magnetron sputtering in a gas flow of 11.4 sccm) and oxygen (0.6 sccm). The film thickness was 20 nm. When pumping laser light (nitrogen gas laser: wavelength 337 nm) was incident on this device to perform photoexcitation, an ASE threshold value Eth = 5 μJ / cm 2 was obtained. From this ASE threshold value, it can be seen that laser oscillation can be easily generated from the laser active layer.
実施例1のデバイスにおいてTPT1とレーザー活性層の間に5nmのα−NPD層を挿入した。同様に光励起の実験を行なったところ、ASEしきい値Eth=6μJ/cm2が得られた。このASEしきい値から、レーザー活性層より容易にレーザー発振を生じさせることの可能なことがわかる。 In the device of Example 1, a 5 nm α-NPD layer was inserted between TPT1 and the laser active layer. Similarly, an optical excitation experiment was performed, and an ASE threshold value Eth = 6 μJ / cm 2 was obtained. From this ASE threshold value, it can be seen that laser oscillation can be easily generated from the laser active layer.
透明基板としてガラス基板を用い、その表面に、110nmの膜厚のITOを陽極として堆積させた。このITO陽極上に、真空蒸着法により、ホール輸送層、レーザー活性層、電子輸送層を形成した。ホール輸送層としては、膜厚200nmのTPT1とした。レーザー活性層は、レーザー色素としてBSBを、ホスト材料としてCBPを用い、BSBを6重量%添加するように、共蒸着によって作製し、その膜厚を70nmとした。第1電子輸送層としては、20nmの膜厚のBCPを堆積し、第2電子輸送層(電子注入層)としては、膜厚20nmのAlq3を堆積した。陰極は、3×10−3Pa程度の真空中における蒸着によって膜厚2.5nmの超薄膜MgAg層を電子輸送層上に堆積させ、その後、1×10−1Paの真空中で、アルゴン(11.4sccm)および酸素(0.6sccm)のガスフロー中で、マグネトロンスパッタリングにより、ITOからなる透明導電膜を形成した。その膜厚は、20nmとした。このデバイスに、ポンピングレーザー光(窒素ガスレーザー:波長337nm)を入射して光励起を行なったところ、ASEしきい値Eth=5μJ/cm2が得られた。このASEしきい値から、レーザー活性層より容易にレーザー発振を生じさせることの可能なことがわかる。 A glass substrate was used as the transparent substrate, and ITO having a thickness of 110 nm was deposited on the surface as an anode. A hole transport layer, a laser active layer, and an electron transport layer were formed on the ITO anode by a vacuum deposition method. The hole transport layer was TPT1 with a thickness of 200 nm. The laser active layer was prepared by co-evaporation using BSB as a laser dye, CBP as a host material, and 6% by weight of BSB added, and the film thickness was set to 70 nm. BCP with a thickness of 20 nm was deposited as the first electron transport layer, and Alq3 with a thickness of 20 nm was deposited as the second electron transport layer (electron injection layer). As the cathode, an ultra-thin MgAg layer having a thickness of 2.5 nm was deposited on the electron transport layer by vapor deposition in a vacuum of about 3 × 10 −3 Pa, and then argon (11. A transparent conductive film made of ITO was formed by magnetron sputtering in a gas flow of 4 sccm) and oxygen (0.6 sccm). The film thickness was 20 nm. When pumping laser light (nitrogen gas laser: wavelength 337 nm) was incident on this device to perform photoexcitation, an ASE threshold value Eth = 5 μJ / cm 2 was obtained. From this ASE threshold value, it can be seen that laser oscillation can be easily generated from the laser active layer.
本発明の有機半導体レーザー装置は、電流励起によるレーザー発振を有利に行うことができる有機半導体レーザー装置、および光励起によってレーザー発振を行う有機半導体レーザー装置を提供することができる。ホール輸送層を厚膜な構造としているために、ピンホールの発生を抑制することができ、歩留まりの向上が可能である。 The organic semiconductor laser device of the present invention can provide an organic semiconductor laser device that can advantageously perform laser oscillation by current excitation and an organic semiconductor laser device that performs laser oscillation by optical excitation. Since the hole transport layer has a thick film structure, the generation of pinholes can be suppressed and the yield can be improved.
Claims (15)
(式[化1]中、R1〜R8はそれぞれが同一でも異なっていても良く、水素原子、炭素数1〜4の直鎖もしくは分枝のアルキル基または炭素数1〜4の直鎖もしくは分枝のアルコキシ基を表し、Aは単結合、フェニレン基、4,4’−ビフェニレン基、1,1−シクロヘキシレン基または9,9−フルオレニレン基を表す。) The triphenylamine tetramer compound used for the hole transport layer described above has a structure represented by the formula [Chemical Formula 1], any one of claims 1 to 3 and claims 5 to 7. An organic semiconductor laser device according to any one of the above items.
(In the formula [Chemical Formula 1], each of R1 to R8 may be the same or different and is a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or a linear or branched group having 1 to 4 carbon atoms. (A represents a single bond, a phenylene group, a 4,4′-biphenylene group, a 1,1-cyclohexylene group, or a 9,9-fluorenylene group.)
14. The organic semiconductor laser device according to claim 1, wherein the organic semiconductor laser device is a surface emitting type.
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