JPH0463329A - 空間光変調素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明はデイスプレィや光通信に用いられる基本的な空
間光−光変調素子に関する。

［従来の技術］ 高輝度の電荷注入型有機電界発光素子が最近発表されて
いる。例えば、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｃｈｅｍ、、
　５１゜９１３　（１９８７）やＪｐｎ、　Ｊ、　Ａｐ
ｐｌ、　Ｐｈｙｓ、、　２７．１２６９（１９８８）な
どに発表され、すでに公知となっている。

これらの電荷注入型有機発光素子は面発光素子であり、
マトリックス可動型デイスプレィなどへの応用が図られ
ている。

一方、光を入力し光を出力する光−光変調素子としては
非線形光学材料が近年開発されており、入射された光の
波長を１／２に変換した２次高調波を発生する材料など
がＫＴＰやＡＤＰとして一般に使用されている。しかし
ながら、これらの非線形光学材料は無機結晶や有機結晶
を用いたもので、材料的にその応用が限定されるばかり
でなく、位相整合など光学的な制約や、発生する波長も
入射光によって非常に限られたものとなるなどの制約が
ある。

社会における情報量の増大にともない、より高密度で高
度な情報処理が求められ、高速並列処理が可能な光コン
ピューターが概念として提案されている。しかし、その
基本となるべき光−光変換素子については具体的な提案
が少なく、その実現が望まれている。光による並列処理
素子の概念としては、図２に示されるような２次元パタ
ーンのまま演算する空間変調が考えられている。図２に
おいて１は入力される２次元パターンを示し、０は変調
素子のもつ演算パターンを示し、２は出力される２次元
パターンを示す。入力された２次元パターンは空間変調
素子のもつ演算パターンによって全情報が同時に変調さ
れ、出力されるものである。

上記のような空間変調を達成させる基本的な要素として
、入力した２次元の光信号を電気信号や光信号によって
入力光の強度や波長の変化をもたらす基本構成素子が必
要である。このような素子があれば、それをブロック化
して上記のような情報などの並列処理素子のひとつとし
て用いることが可能である。

また、もしこのようなことが可能であれば、単に波長変
換素子として光通信などに用いられるだけではなく、レ
ーザーからの光などによる走査が行われるデイスプレィ
や特にカラーデイスプレィ、イルミネーション、スクリ
ーン、信号表示などの表示材料としての用途も期待され
ている。

このような素子が切望されていた。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の課題は、２次元の光パターンを２次元のまま変
調できる全く新しい光−光空間変調素子を創生ずること
にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意検討した
結果、光導電性半導体からなる電荷注入層と電荷注入型
有機電界発光薄膜とを組み合わせることによって光−光
変換が可能であるとの着想を得て、これを実現し本発明
を完成した。

本発明は、 透明電極上に少なくとも光導電性半導体層、有機電界発
光層及び光反射電極を順に積層した構成からなり、光導
電性半導体側から入射する２次元光パターンを有機電界
発光層特有の変調された２次元パターンの発光及び反射
光としてとりだす先光変調素子である。

すなわち、本発明は入射した光の強度、印加電圧や発光
層材料によって出力光の強度、波長を制御できる基本的
な空間光変調素子である。

これを以下に詳細に説明する。

本発明の基本的構成例を図１に示し、これをもって詳細
に説明する。

図１において１は入射する光の２次元パターンを示して
おり、２は発光層から出力される光の２次元パターンを
示している。基本的な構成では１と２のパターンは同一
であり、２次元の信号が保持されたまま光波長および光
強度が変換され、空間変調が行われる。電極または素子
自体を分割し、素子をマトリックス集合体とすれば部分
的な２次元のパターンを保持しながら、２次元マトリッ
クスの空間変調も可能である。

図１における基本構成は概念的に２つの領域にわけて考
えることができる。一つは透明電極４、光導電性半導体
５の積層された領域１１１であって、光による電荷発生
デバイス領域である。もう一方は有機電界発光層６と光
反射電極７からなる領域２２２であって、有機電界発光
デバイスの領域を示し、本発明が２つの概念を融合した
新規な発明であることが示される。

図１において３は透明基板を表し、製造上および素子の
機械的構成要素や保護の目的で用いられるが、場合によ
ってはなくとも構わない。透明基板は入射光に対して透
明であればよく、好適な例としては、ガラスやプラスチ
ック樹脂基板があげられる。これらの基板には入射させ
る信号以外の光を除去するために無機や有機の顔料や染
料などの添加物を加えてもよい、また、光学フィルター
機能をもつ膜を挿入または積層してもよい。

本発明における透明電極は図１では４で示される。透明
電極に用いられる材料は、入射光あるいは出力光に対し
て十分な光透過性を持つものであればよい。例えば、酸
化スズや酸化インジウム、酸化インジウムスズ（ＩＴ○
）、スズ酸カドミウムなどの金属酸化物や金、銀、パラ
ジウムなどの金属薄膜を例としてあげることができる。

本発明における光反射電極７とは、電子または正孔を注
入し、かつ有機電界発光層からの発光を反射するもので
あればよい。好ましくは金属や合金、及びその積層膜が
用いられ、膜の厚みは１０ｎｍ以上であることが望まし
い。電極が光透過性である場合はさらに電極上に反射層
を積層してもよい。

光導電性半導体Ｍ５にｎ型半導体を用いた場合には、有
機電界発光層６に接する光反射電極７は有機電界発光層
に電子を注入しやすいものが好ましく、一般に電子の仕
事関数の小さな金属や合金薄膜、その積層膜が用いられ
、例えば、マグネシウム、リチウム、カリウム、カルシ
ウム、ルビジウム、ストロンチウム、セリウムなどの金
属薄膜やマグネシウム−銀などの合金やＣｓ　−０−Ａ
ｇ。

Ｃｓ３Ｓｂ、　ＮａｚにＳｂ、　　（Ｃｓ）　ＮａＪＳ
ｂなどの金属化合物薄膜、またはそれらの積層薄膜があ
げられる。

また、光導電性半導体層５にｎ型半導体を用いた場合に
は、有機電界発光１ｉ６に接する光反射電極７は有機電
界発光層に正孔を注入しやすいものが好まれ、−数的に
電子の仕事関数の大きな金属、合金、金属酸化物などの
金属化合物薄膜や、それらの積層された薄膜などが用い
られる。例えば、白金、金、セレン、パラジウム、ニッ
ケル、タングステン、タンタル、テルルなどの金属や合
金化合物またそれらの積層膜、Ｃｕｒなどの金属化合物
薄膜や積層膜が好ましい例としてあげられる。

また、光反射電極７の外側に保護層またはさらに反射層
を設けてもよい。

図１において５は光導電性半導体層を示す。これらは光
によって電荷を発生し、正孔または電子を発光層に注入
するものであればよく、光によってｎ型半導体であれば
発光層に正孔を効率よく注入でき、ｎ型半導体であれば
発光層に電子を効率よく注入できると考えられる。好ま
しくは無機半導体がよく、その非晶質薄膜、微結晶薄膜
、多結晶薄膜、単結晶薄膜、または非晶質と微結晶薄膜
でもよい。

好ましい例としてはＣ，Ｇｅ、　Ｓｉ、　Ｓｎなどの一
元系半導体、ＳｉＣなどの二次元系ｒＶ−ｒＶ族半導体
、ＡｌＳｂ、　ＢＮ、　ＢＰ、　ＧａＮ、　ＧａＡｓ、
　ＧａＰ、　　ＩｎＳｂ、　　ＩｎＡｓ。

ＩｎＰなどのｍ−ｖ族生導体、ＣｄＳ、　ＣｄＳｅ、　
ＣｄＴｅＺｎＯ，ＺｎＳなどのＩＩ−Ｖｌ族半導体など
やさらに多元系の化合物半導体材料が挙げられる。

より具体的にＳｉについて例を挙げると、非晶質Ｓｉ、
水素化非晶質Ｓｉ、微結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、単結晶Ｓ
ｉ、非晶質Ｓｔ＋−ＸｃＸｔ微結晶５ｌｌ−ＸＣＸ、単
結晶Ｓｉ＋−ｘｃｘ、非晶質５ｉｔ−ｘＮｘ、微結晶５
ｉｌ−ｘＮｘ、単結晶Ｓ＋、−ｘＮｘなどが好適に用い
られる。これらの半導体薄膜は、その薄膜自体がｎ型ま
たはｐ型の性質を有するものであるか、またはドーピン
グを行い、ｎ型またはｐ型にして用いられる。なお、厚
みに特に制限はないが、通常、ｌｎｍから５μｍ程度が
使用される。

半導体薄膜の製造方法としては、光ＣＶＤ法、プラズマ
ＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、モレキュラービームエピタキシ
ー（ＭＢＥ）法、有機金属分解法、蒸着法、スパッタ法
などの各種の物理的または化学的な薄膜形成法などが用
いられる。

図１において６は有機電界発光層を示す６本発明におけ
る有機電界発光層に用いられる有機化合物としては、高
い発光量子収率をもち、外部摂動を受けやすいπ電子系
を有し、容易に励起されやすい有機化合物などが好適に
用いられる。

このような有機化合物としては、例えば、アントラセン
、コロネン、ペリレンなどの縮合多環芳香族炭化水素類
やｐ−ターフェニル、ポリ−ｐ−キシレンなどのポリフ
ェニル類、２．５−ジフェニルオキサゾール、１．４−
ビス−（２−メチルスチリル）−ベンゼンなどのジスチ
ルベンゼン類、シクロペンタジェン類、ペリノン類、キ
サンチン類、クマリン類、アクリジン類、ＮＫ１９５２
（日本感光色素製品）などのシアニン色素類、ベンゾフ
ェノン類、フタロシアニン色素類、ならびに、上記以外
の複素環化合物、芳香族アミン、芳香族ポリアミン、お
よびキノン構造を有する化合物の中で励起状態で錯体を
形成する化合物やポリアセチレン、ポリシランなどを挙
げることができる。

また、金属と有機物の配位子からなる金属錯体化合物が
好ましい例としてあげられる。具体的な例としては金属
種としては例えば、ＡＩ、　Ｇａ、　Ｉｒ。

Ｚｎ、　Ｃｄ、　Ｍｇ、　Ｐｂ、　Ｔａなどが好ましく
、有機物からなる配位子としては、例えばポルフィリン
、クロロフィル、８−ヒドロキシキノリン（オキシン）
、フタロシアニン、サリチルアルデヒドオキシム、１−
二トロン−２−ナフトール、クフェロン、ジチゾン、ア
セチルアセトンなどが用いられる。より具体的には、例
えば、オキシン錯体、５，７−ジブロムオキシン錯体、
５．７−ジヨードオキシン錯体、チオオキシン錯体、メ
チルオキシン錯体があげられ、より具体的にはアルミニ
ウムオキシン錯体、鉛オキシン錯体、鉛ジブロムオキシ
ン錯体、鉛（５，７−ジヨードオキシン）錯体、鉛チオ
オキシン錯体、鉛セレノオキシン錯体、ビスマスメチル
オキシン錯体などが好ましい例としてあげられる６代表
例として式（１）に示されるトリス（８−ヒドロキシキ
ノリン）アルミニウムや式（２）から式（６）に示され
るような多環系の化合物があげられる。

また、これらの化合物の混合物を用いてもかまわない。

これらの発光層にドーパントと呼ばれる添加剤を００２
ｗｔ％から３０ｗｔ％の量で添加することにより発光色
を変えることができる。例えば式（１）に示されている
トリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウムにクマ
リンを添加することによってもとの緑色の発光から青緑
色の発光となる。また、スチリル系色素の添加では橙色
の発光色が得られる。添加剤をいれた場合の発光は添加
剤からの発光であり、添加剤を変えることによって発光
を変えることができることを示している。

したがって、同一の素子上でもドーパントや発光材料混
合比の分布を変えてやれば同一の入射光に対して空間固
有の波長変換を行うことができる。これを利用したカラ
ー画像形成の可能性もある０例えば、同一面上に３原色
を発光する成分分布を形成すれば、レーザービームで走
査するカラーデイスプレィやスクリーンが可能である。

本発明における有機電界発光層はこれらの有機化合物の
非晶質、微結晶または微結晶を含む非晶質、多結晶、単
結晶層である６層の厚さは特に限定されないが通常５ｎ
ｍから２μｍが採用される。

本発明における有機電界発光層の製造方法としては、真
空蒸着法や昇華法、モレキュラービームエピタキシー法
、ＬＢ法、ディッピングやスピンコードなどの塗布法な
どの物理的または化学的な薄膜形成方法をとることがで
きる。

有機電界発光層６と光反射電極７との間には電荷輸送層
を設けてもよい、光導電性半導体材料がｎ型であれば正
孔輸送材料が用いられ、光導電性半導体がｐ型であれば
電子輸送材料が用いられる。

また、有機電界発光層６と光導電性半導体層５との間に
は電荷輸送層を設けてもよい、光導電性半導体材料がｎ
型であれば電子輸送材料が用いられ、光導電性半導体が
ｐ型であれば正孔輸送材料が用いられる。

正孔輸送材料としては、例えば、式（１１）で示される
ＰＤＡや式（１２）などのトリフェニルアミン誘導体や
オキサチアゾール誘導体、フタロシアニン誘導体、シリ
コンポリマー、ポリチオフェンなどが好適な例として挙
げることができる。これらの代表的な例を式（１１）か
ら式（１５）に示す。

電子輸送材料としては、例えば、式（２１）や式（２２
）に示されるよつなジフェノキノン類などの交差共役系
化合物やベンゾフェノン系、ヒドラゾン系の化合物や２
，４．７−ドリニトロー９−フルオレノンや式（２３）
に示される化合物などのフルオレン系化合物などが好適
な例としてあげることができる。

本発明に用いてもよい正孔輸送層や電子輸送層などの電
荷輸送層の製造方法としては、真空蒸着法や昇華法、モ
レキュラービームエビタキシ−法、ＬＢ法、ディッピン
グやスピンコードなどの塗布法などの物理的または化学
的な薄膜形成方法をとることができる。膜厚としては特
に制限はないが、１０ｎｍから２μｍ程度が使用される
。

［作用及び効果コ 本発明の空間光変調素子は積層一体型の素子であり、面
発光を利用して入射光パターンに対応し、変調された出
力光が得られるばかりでなく、出力光は入力光強度、印
加電圧により外部制御でき、基本的な光２次元情報処理
が可能である。

また、印加電圧によっては発光源として作用し、信号の
発信源として同時に用いられる可能性もある。

さらに、非線形材料などに比べて位相のマツチングなど
の制約が少ないだけでなく、量産性に冨み大面積化が可
能であり作成も容易である。

式（４） 式 式（６） 式（１） 式（２） 式（３） 式（２１） 式（２２） 式（１５） 式（２３） ［］ 以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、これ
により本発明の実施の形態が限定されるものではない。

実施例 厚さ０．１闘のガラス基板上にＩＴＯを透明電極として
蒸着法によって厚さ１μｍの膜を作成した。さらに、グ
ロー放電法によって、この透明基板上にアモルファスシ
リコンカーバイド層を１μｍの厚さで成膜し、さらにこ
のアモルファスシリコンカーバイド層上に（１）で表さ
れるアルミニウム錯体の有機発光層、（１１）で表され
るＰＤＡからなる正孔輸送層を真空蒸着法によって、こ
の順序でそれぞれ５０％ｍの厚さで成膜した。最後に金
を電極として７０％ｍの厚さで蒸着した。

このように作成した薄膜積層体に電圧印加下、アルゴン
イオンレーザ−の波長４８８ｎｍの光をガラス基板側か
ら入射した。入力光照射下、アモルファスシリコンカー
ボネートを負側に電圧印加した状態、すなわちＩＴＯ電
極側を負側にした時のみ出力光が観測された。これを図
３に示す。図３はアルゴンイオンレーザ−による光照射
中において、３０Ｖの電圧を一分間印加したときの５３
０％ｍ付近の出力強度の測定結果である。

３５Ｖの電圧を印加しながら、アルゴンイオンレーザ−
を照射したときの発光スペクトルを図４に示す。発光幅
は４５０％ｍから６００％ｍ付近まであり、反射型のデ
バイス構成でも入力信号と区別することが十分可能であ
ることを示す。

したがって、出力光はアモルファスシリコンカーバイド
層に光生成した電子がアルミニウム錯体に電場によって
注入されることによって発光層特有の発光をしているこ
とが明らかである。

光−光変換の量子収率は約０．０８％であった。

図３の出力光曲線ａとｂの比較に示されるように出力光
強度は入力強度により制御ができた。また、印加電圧に
よっても制御できることがわかった。

さらに、入力光パターンは出力光でも保持されており、
この素子が２次元の光情報処理に利用できることを示し
ている。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の基本的構成を表す図である。 図２は本発明の概念を表す図である。 図３は本発明の空間光変調素子の実施例において、入射
光照射下、光導電性半導体層に接する透明電極側を負側
に、有機電界発光層に接する光反射電極を正側に一定の
電圧を印加したときの出力強度の変化を示す図であり、
図４は電圧の印加による出力光の発光スペクトルの変化
を示す。 ０：変調素子の２次元変調パターン １：入射する光の２次元パターン ２：発光層から出力された光の２次元パターン３：透明
基板 ４：透明電極 ５：光電導性半導体層 ６：有機電界発光層 ７：光反射電極 第 図 時閏

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、透明電極上に少なくとも光導電性半導体層、有機電
   界発光層及び光反射電極を順に積層した構成からなり、
   光導電性半導体側から入射する２次元光パターンを有機
   電界発光層特有の変調された２次元パターンの発光及び
   反射光としてとりだす空間光変調素子。 ２、光導電性半導体層と有機電界発光層との間に電荷輸
   送層が積層されている請求項１記載の空間光変調素子。 ３、有機電界発光層と光反射電極との間に電荷輸送層が
   積層されている請求項１または２記載の空間光変調素子
   。