JPH0695188A - Organic superlattice photoelectronic element and its production - Google Patents

Organic superlattice photoelectronic element and its production

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JPH0695188A
JPH0695188A JP4243177A JP24317792A JPH0695188A JP H0695188 A JPH0695188 A JP H0695188A JP 4243177 A JP4243177 A JP 4243177A JP 24317792 A JP24317792 A JP 24317792A JP H0695188 A JPH0695188 A JP H0695188A
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Shintaro Hattori
服部紳太郎
Atsushi Tsunoda
角田  敦
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Abstract

PURPOSE:To provide the novel element for which the characteristics of elementary excitons, such as excitons and polarons, are utilized and to provide the optical third higher harmonic wave generating element and photo-photo switching element by providing an org. superlattice structure periodically laminated with plural org. ultrathin film layers on a substrate. CONSTITUTION:This org. superlattice photoelectronic element is constituted by having media which can be modulated by exit and incidence of light, charge implantation or electric field magnetic field. The element has the org. superlattice structure periodically laminated with >=2 kinds of the org. ultrathin film layers on the substrate. Namely, the org. superlattice photoelectronic element consisting of highly crystalline hetero ultrathin films of about several nm film thickness which are heretofore difficult with the conventional film forming technique has the superlattice structure of the org. molecules consisting of the high-grade hetero-ultrathin films. The novel superlattice electronic state is thus attained by the quantum confining property and tunnel effect possessed by the org. molecules. The novel org. superlattice photoelectronic element is obtd. by the elementary exciton characteristics, such as excitons and polarons, stabilized in the superlattice structure of the org. molecules.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は有機超格子光電子素子に
係り、特に、光混合、光パラメトリック発振、光高調波
発生、ポッケルス効果、カー効果等の非線形光学効果を
有する有機超格子光電子素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an organic superlattice optoelectronic device, and more particularly to an organic superlattice optoelectronic device having nonlinear optical effects such as light mixing, optical parametric oscillation, generation of optical harmonics, Pockels effect and Kerr effect. .

【0002】[0002]

【従来の技術】超格子とは、例えばMBE(Molecular
Beam Epitaxy)法やALE(AtomicLayer Epitaxy)法
等の薄膜形成技術により、10~9Torr以上の超高真
空下の清浄な環境下で、Si基板上にGaAs等の無機
半導体を任意の原子比率でエピタキシャル成長させ、異
なる構造のヘテロ接合を繰返し、自然にはない原子また
は分子の超構造を形成し、それによって物質の電子状態
またはその波動関数を人工的に変化させた物質系、と定
義される(江崎玲於奈監修、榊裕之編著、「超格子ヘテ
ロ構造デバイス」)。
2. Description of the Related Art A superlattice is, for example, an MBE (Molecular
Thin film forming technology such as Beam Epitaxy) or ALE (Atomic Layer Epitaxy) method, in a clean environment under ultra-high vacuum of 10 to 9 Torr or more, an inorganic semiconductor such as GaAs at an arbitrary atomic ratio on a Si substrate. It is defined as a material system in which epitaxial growth is performed and heterojunctions of different structures are repeated to form a superstructure of atoms or molecules that does not exist naturally, thereby artificially changing the electronic state of the material or its wave function ( "Superlattice heterostructure device", edited by Hirona Ezaki and edited by Hiroyuki Sakaki).

【0003】半導体超格子の最初のアイデアは、196
9年から1970年にかけて、当時IBMのEsaki
及びTsuにより提唱された〔L. Esaki and R. Tsu,"S
uperlattice and negative conductivity in semicondu
ctors", IBM ResearchNote (1969年), RC−2418及び同
著同名, IBM J. Res. Develop. 14, 61(1970年)〕。
The first idea of the semiconductor superlattice was 196
From 9 to 1970, at that time IBM's Esaki
And proposed by Tsu [L. Esaki and R. Tsu, "S
uperlattice and negative conductivity in semicondu
ctors ", IBM Research Note (1969), RC-2418 and the same name, IBM J. Res. Develop. 14 , 61 (1970)].

【0004】1970年代にMBE、MOCVD(Meta
lorganic Chemical VaporDeposition)、MOMBE(M
etalorganic Molecular Beam Epitaxy, CBE:Chemica
l Beam Epitaxyとも呼ばれる)等の薄膜成長技術の進歩
により、極めて高品位のヘテロ接合の作製が可能とな
り、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Elect
ron Mobility Transistor)、ヘテロバイポーラトラン
ジスタ(HBT:Hetero Bipolar Transistor)、共鳴
トンネルダイオード、量子井戸レーザ、光双安定素子
(SEED:Self-Electro-optic Effect Device、CS
F−OB:Charge-induced Self Feedback Optical Bis
table Device)のような多くの超格子デバイスが提案さ
れてきた。
In the 1970s, MBE, MOCVD (Meta
lorganic Chemical VaporDeposition), MONBE (M
etalorganic Molecular Beam Epitaxy, CBE: Chemica
With the progress of thin film growth technology such as l Beam Epitaxy, it has become possible to fabricate extremely high-quality heterojunctions, and high electron mobility transistors (HEMT: High Elect
ron Mobility Transistor), Hetero Bipolar Transistor (HBT), Resonant Tunneling Diode, Quantum Well Laser, Optical Bistable Device (SEED: Self-Electro-optic Effect Device, CS)
F-OB: Charge-induced Self Feedback Optical Bis
Many superlattice devices such as table devices have been proposed.

【0005】このような無機半導体で始められた超格子
デバイスの研究は、近年、高精細リソグラフィの技術や
微粒子分散化技術により、従来の平面的ヘテロ接合によ
る2次元量子井戸構造の低次元化に向けて進行し、量子
井戸細線(1次元)、量子井戸箱(0次元)の実現にそ
の関心が移行している。
In recent years, research on superlattice devices started with such inorganic semiconductors has been made to reduce the dimension of a conventional two-dimensional quantum well structure by a planar heterojunction by means of high-definition lithography technology and particle dispersion technology. The interest is shifting to the realization of quantum well wires (one-dimensional) and quantum well boxes (zero-dimensional).

【0006】一方、有機分子からなるヘテロ接合薄膜の
物性改良の研究は1960年代より主に有機半導体薄膜
に関連した研究が開始されている〔F. Gutmann and L.
E.Lyons, "Organic Semiconductors", John Wiley & So
ns, Inc. (1967年)参照〕。
On the other hand, research on the improvement of the physical properties of heterojunction thin films composed of organic molecules has been started mainly in the 1960s, mainly in relation to organic semiconductor thin films [F. Gutmann and L.
E. Lyons, "Organic Semiconductors", John Wiley & So
ns, Inc. (1967)].

【0007】シリコンやゲルマニウムのような無機結晶
の場合、1つの半導体層のエネルギー準位は結晶を構成
する各原子の原子軌道が結晶の周期構造性によって重ね
合わされたバンド構造で表される。この中で基底状態で
は電子が充填された価電子帯とその上の伝導帯とは一定
のバンドギャップによって隔てられている。異なる半導
体の接合はその境界部においてバンドの不連続を生じさ
せ、そのような接合を反復することでバンドの閉じ込め
構造を形成する(即ち、量子井戸またはトンネル障
壁)。閉じ込められたバンドは1つの孤立原子のような
波動関数を示す。
In the case of an inorganic crystal such as silicon or germanium, the energy level of one semiconductor layer is represented by a band structure in which atomic orbitals of atoms constituting the crystal are superposed by the periodic structure of the crystal. In the ground state, the valence band filled with electrons and the conduction band above it are separated by a constant band gap. Junctions of different semiconductors cause band discontinuities at their boundaries, and repeating such junctions form a band confinement structure (ie, quantum wells or tunnel barriers). The confined band exhibits a wave function like an isolated atom.

【0008】有機分子からなる結晶の場合、一分子内に
おいては一つの完全な分子軌道を形成するが、結晶全体
としてはファンデルワールス力からなる弱い分子性結晶
であり、分子間相互作用は弱く、バンド幅は狭くエネル
ギーギャップは半導体に比べて大きい。このため通常の
有機結晶は絶縁体であり(電気伝導度は10~10Ω~1
m~1以下で多くは10~20〜10~14Ω~1cm~1)、この
ような有機分子をヘテロ接合しても電子物性の改質は生
じない。
In the case of a crystal composed of organic molecules, one complete molecular orbital is formed within one molecule, but the whole crystal is a weak molecular crystal composed of van der Waals forces, and the intermolecular interaction is weak. The band width is narrow and the energy gap is larger than that of semiconductors. Therefore usual organic crystal is an insulator (electric conductivity 10 ~ 10 Ω ~ 1 c
m ~ 1 or less in many 10 ~ 20 ~10 ~ 14 Ω ~ 1 cm ~ 1), no reforming of electronic properties even heterojunction such organic molecules.

【0009】そこで、有機分子から超格子を形成するた
めには、分子を大きくして一分子が一つの量子箱や量子
細線とみなせるサイズにまで分子軌道を拡大するか、も
しくは何らかの分子間相互作用を強めて結晶中にバンド
構造を作らねばならない。
Therefore, in order to form a superlattice from organic molecules, the molecules are enlarged to expand the molecular orbital to a size where one molecule can be regarded as one quantum box or quantum wire, or some kind of intermolecular interaction. Band structure must be created in the crystal.

【0010】前者の例として、ポリアセチレン、ポリジ
アセチレンのような1次元共役系高分子やポルフィリ
ン、フタロシアニンのような平面型共役分子においては
半導体領域の電気特性を示し(電気伝導度10~9〜10
~5Ω~1cm~1)、後者の例としては、ポリ−p−フェニ
レン/ヨウ素のようなドーパント型ヘテロ膜やテトラチ
アフルバレン/テトラシアノキノジメタンのような電荷
移動錯体結晶では、半導体領域から導電体領域の電気特
性を示す(電気伝導度10~4〜104Ω~1cm~1)こと
が知られている。
As an example of the former, one-dimensional conjugated polymers such as polyacetylene and polydiacetylene and planar conjugated molecules such as porphyrin and phthalocyanine show electric characteristics in the semiconductor region (electric conductivity 10 to 9 to 10).
~ 5 Ω ~ 1 cm ~ 1 ), and as an example of the latter, in a dopant type hetero film such as poly-p-phenylene / iodine or a charge transfer complex crystal such as tetrathiafulvalene / tetracyanoquinodimethane, a semiconductor is used. It is known to show electric characteristics from the region to the conductor region (electrical conductivity 10 to 4 to 10 4 Ω to 1 cm to 1 ).

【0011】しかし、これら初期の有機半導体に関する
研究では、無機半導体に比べて純度が低く、その単結晶
作製や真空蒸着法による薄膜作製等のプロセス技術が未
熟であったために、その物性評価に再現性が乏しく、空
気中の湿気や酸素の影響による電気特性の激変、試料の
著しい劣化等の問題があった。
However, in these early studies on organic semiconductors, the purity was lower than that of inorganic semiconductors, and the process technology such as single crystal production and thin film production by the vacuum deposition method was undeveloped. It was poor in properties, and there were problems such as drastic changes in electrical characteristics due to the influence of moisture and oxygen in the air, and marked deterioration of the sample.

【0012】より完全な有機分子薄膜の分子配向制御を
目指した手法として、上述の真空蒸着法のようなドライ
プロセス以外に、溶媒蒸発法、スピンコーティング法、
ラングミュア・ブロジェット膜法等のウェットプロセス
が検討されている。この中で唯一分子レベルでの配列制
御が可能な手法として、ラングミュア・ブロジェット法
は分子オーダの薄膜の形成と薄膜層方向の配列制御がで
きることから、この手法による種々の分子エレクトロニ
クスデバイスが1970年から同年代の前半にかけて検
討された〔F. L. Carter, "Molecular Electronic Devi
ces", Marcel (1982年)〕。
As a method aiming at more complete control of molecular orientation of an organic molecular thin film, a solvent evaporation method, a spin coating method, in addition to a dry process such as the vacuum evaporation method described above,
Wet processes such as the Langmuir-Blodgett film method are being studied. Among them, the Langmuir-Blodgett method is the only method that can control the array at the molecular level, because it can form a thin film on the molecular order and control the array in the thin film layer direction. To the first half of the same generation [FL Carter, "Molecular Electronic Devi
ces ", Marcel (1982)].

【0013】しかし、この手法では気−液界面における
分子配列性を利用するために、膜中に溶媒分子が混在し
たり、薄膜面内における秩序性が得られないこと、分子
配列のための長いアルキル鎖を分子中に必要とするため
に層方向の分子間相互作用が達成できないこと等の問題
があった。
However, in this method, since the molecular arrangement at the gas-liquid interface is utilized, solvent molecules are mixed in the film, no ordering is obtained in the plane of the thin film, and a long time for the molecular arrangement is required. There is a problem that intermolecular interaction in the layer direction cannot be achieved because an alkyl chain is required in the molecule.

【0014】一方、有機薄膜の多層化技術として、機能
性高分子膜のラミネート法による製膜技術がある。しか
し、この方法では分子レベルでの配列制御は困難であ
り、かつ、超格子性が発現される量子サイズでの多層膜
化は不可能であった。
On the other hand, as a technique for forming a multilayer of an organic thin film, there is a film forming technique by a laminating method of a functional polymer film. However, with this method, it is difficult to control the array at the molecular level, and it is impossible to form a multilayer film with a quantum size that exhibits superlattice properties.

【0015】1980年代後半から、MBE(Molecula
r Beam Epitaxy)技術により有機分子を極めて清浄な環
境下でエピタキシャル成長させる研究が盛んに行われ、
MBE法で作製した超薄膜が極めて均一で高品質である
ことが報告されている〔J. C. Buchholz and G. A. Som
orjai, J.Chem. Phys. 66, 573 (1977年):M. Komiyama,
Y. Sakakibara, and H. Hirai, Thin Solid Films 15
1, L109 (1987年): A.Yamada, K. Shigehara, and M. H
ara, Synth. Met. 18, 821 (1987年): M. Hara, H. Sas
abe, A. Yamada, and A. F. Garito, Jpn. J. Appl. Ph
ys. 28, L306(1989年)等〕。その多くがフタロシアニ
ン化合物の種々の結晶基板上へのエピタキシャル成長条
件の検討に関連している。
From the late 1980s, MBE (Molecula
r Beam Epitaxy) technology is being actively used for epitaxial growth of organic molecules in an extremely clean environment.
It has been reported that ultra-thin films prepared by the MBE method are extremely uniform and of high quality [JC Buchholz and GA Som
orjai, J. Chem. Phys. 66 , 573 (1977): M. Komiyama,
Y. Sakakibara, and H. Hirai, Thin Solid Films 15
1 , L109 (1987): A. Yamada, K. Shigehara, and M. H
ara, Synth. Met. 18 , 821 (1987): M. Hara, H. Sas
abe, A. Yamada, and AF Garito, Jpn. J. Appl. Ph
ys. 28 , L306 (1989), etc.]. Most of them are related to the examination of epitaxial growth conditions of phthalocyanine compounds on various crystal substrates.

【0016】1990年代に入り、これ以外の多くの有
機分子がアルカリハライド基板やMoS2基板上にエピ
タキシャル成長することが確認されており〔多田博一、
小間篤、「化学と工業」44,2109(1991
年)〕、従来、膜質が悪いために劣っていた種々の特性
の著しい向上が期待されている。
In the 1990s, it was confirmed that many other organic molecules were epitaxially grown on an alkali halide substrate or a MoS 2 substrate [Hirichi Tada,
Atsushi Koma, "Chemistry and Industry" 44 , 2109 (1991)
)], It is expected that various properties, which have been inferior due to poor film quality, are remarkably improved.

【0017】こうした真空蒸着技術の進歩により、従来
不完全であった有機分子のヘテロエピタキシャル構造の
作製は1991年より再び盛んになりつゝある。例え
ば、ペリレン/ナフタレンヘテロ膜に関する蛍光寿命と
膜厚との関係についての報告〔F. F. So and S. R. For
rest, Phys. Rev. Lett. 66, 2649 (1991年)〕や、ペン
タセン/ヘキサセンヘテロ膜に関する人工周期構造の確
認〔秋道斉、榊裕之、「創造科学技術推進事業 '91研
究報告会第二部講演要旨集」、69頁、新技術事業団
(1991年)〕等、結晶性の高い多環系芳香族誘導体
積層膜の研究が開始されつゝある。このような有機分子
のドライプロセスによるヘテロ薄膜形成技術の進歩によ
り、有機分子からなる超格子の概念が検討されつゝあ
る。
Due to such advances in vacuum deposition technology, the production of heteroepitaxial structures of organic molecules, which has been incomplete in the past, has been active again since 1991. For example, a report on the relationship between fluorescence lifetime and film thickness for perylene / naphthalene hetero films [FF So and SR For
rest, Phys. Rev. Lett. 66, 2649 (1991)] and confirmation of artificial periodic structure of pentacene / hexacene hetero films [Hitomi Akimichi, Hiroyuki Sakaki, "Creative Science and Technology Promotion Project '91 Research Report Meeting II""Abstracts of Part Lectures", p. 69, New Technology Agency (1991)], etc., have begun research on polycyclic aromatic derivative laminated films with high crystallinity. With the progress of the hetero thin film forming technology by such a dry process of organic molecules, the concept of a superlattice composed of organic molecules has been studied.

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】前記のように、従来の
有機分子からなる単純な超薄膜積層構造からなる薄膜光
素子の場合、単一種の薄膜の膜質そのものが不完全であ
り、薄膜中での分子配向の制御や基板及び薄膜間のエピ
タキシャル成長制御等の成長技術も不完全であった。ま
た、得られた薄膜の構造はバルク結晶に等しく、人工的
格子構造を採るものではなく、こうした構造の構成分子
集合体では、その電子状態を変調することはできなかっ
た。
As described above, in the case of a conventional thin film optical device having a simple ultra-thin film laminated structure composed of organic molecules, the film quality itself of a single kind of thin film is incomplete and Growth techniques such as the control of molecular orientation and the epitaxial growth between the substrate and the thin film were also incomplete. Moreover, the structure of the obtained thin film is the same as that of a bulk crystal and does not take an artificial lattice structure, and the electronic states of the constituent molecular aggregates having such a structure could not be modulated.

【0019】有機超格子技術を実現する上では、その物
質系のモデル、量子力学的考察、超格子構造作製技術と
キャラクタリゼーション、超格子構造特有の光・電子物
性評価等の課題を検討する必要があるにもかゝわらず、
有機分子の超格子性について検討した有機超薄膜デバイ
スの検討例はなかった。
In order to realize the organic superlattice technology, it is necessary to study the problems such as model of the material system, quantum mechanical consideration, superlattice structure fabrication technology and characterization, and evaluation of optical and electronic properties peculiar to the superlattice structure. Despite that,
There was no study example of the organic ultra-thin film device which investigated the superlattice property of the organic molecule.

【0020】そこで、超格子の光・電子物性を特徴付け
るものが何であるかを総説〔日本物理学会編「半導体超
格子の物理と応用」、培風館(1984年)〕を基に整
理してみる。
Then, I will sort out what is what characterizes the optical and electronic properties of superlattices based on a review article [Physics and Applications of Semiconductor Superlattices, edited by the Physical Society of Japan, Baifukan (1984)].

【0021】超格子は、異なる電子状態を有する半導体
化合物のヘテロエピタキシャル接合によって実現され
る。1つの半導体層のエネルギー準位は、結晶を構成す
る各原子の原子軌道が結晶の周期構造性によって重ね合
わされたバンド構造で表される。この中で、基底状態で
は電子が充填された価電子帯と、その上の伝導帯とは、
一定のバンドギャップによって隔てられている。
Superlattices are realized by heteroepitaxial junctions of semiconductor compounds having different electronic states. The energy level of one semiconductor layer is represented by a band structure in which atomic orbitals of atoms constituting a crystal are superposed by the periodic structure of the crystal. Among these, the valence band filled with electrons in the ground state and the conduction band above it are
They are separated by a constant bandgap.

【0022】そこで、伝導帯に電子を入れる、或いは、
価電子帯から電子を除いてホール(正孔)をつくると、
これらの電子或いはホールは外場のもとで有効質量 m
〔electron(電子)〕或いはm〔hole(ホ
ール)〕で、結晶中を比較的自由に動き回る。異なる半
導体の接合はその境界部においてバンドの不連続を生じ
させ、そのような接合を反復することでバンドの閉じ込
め構造を形成する(即ち、量子井戸またはトンネル障
壁)。閉じ込められたバンドは1つの孤立原子のような
波動関数を示す。
Therefore, electrons are put in the conduction band, or
When holes are created by removing electrons from the valence band,
These electrons or holes have an effective mass m under an external field.
[Electron] or m [hole (hole)] moves around in the crystal relatively freely. Junctions of different semiconductors cause band discontinuities at their boundaries, and repeating such junctions form a band confinement structure (ie, quantum wells or tunnel barriers). The confined band exhibits a wave function like an isolated atom.

【0023】このような超格子の電子状態は4つのパラ
メータ、即ち、2つの半導体のヘテロ界面における伝導
帯、価電子帯におけるエネルギーバンドの不連続の大き
さΔEc,ΔEvと、量子井戸とトンネル障壁の幅Lw,
Lbにより特徴づけられる。
The electronic state of such a superlattice has four parameters, namely, the conduction band at the hetero interface of two semiconductors, the energy band discontinuity ΔEc and ΔEv at the valence band, the quantum well and the tunnel barrier. Width Lw of
Characterized by Lb.

【0024】まずトンネル障壁幅Lbが無限大で高さVo
(Vo=ΔEcまたはΔEv)の単一量子井戸の場合を考
える。井戸中の電子は、井戸に垂直な面(x,y)内で
は波数ベクトルkx,kyを有する自由電子としてふるま
うが、井戸に沿う方向(z)にはVoのポテンシャル障
壁があって電子は井戸付近に局在し、波動関数は指数関
数的に減少する。したがって、高さVoが十分高いとき
はこの方向のエネルギ固有値Enは、
First, the tunnel barrier width Lb is infinite and the height Vo is
Consider the case of a single quantum well (Vo = ΔEc or ΔEv). The electrons in the well behave as free electrons having wave number vectors kx and ky in the plane (x, y) perpendicular to the well, but there is a potential barrier of Vo in the direction (z) along the well and the electrons are well. Localized in the vicinity, the wave function decreases exponentially. Therefore, when the height Vo is sufficiently high, the energy eigenvalue En in this direction is

【0025】[0025]

【数1】 [Equation 1]

【0026】で表される。ここで、nは量子数(n=
1,2,3,…)、πは円周率、hはPlank定数
を、mは電子の有効質量を示す。従って、電子の全エネ
ルギーは、
It is represented by Here, n is a quantum number (n =
, 1, 2, 3, ...), π is the circular constant, h is the Plank constant, and m is the effective mass of the electron. Therefore, the total energy of the electron is

【0027】[0027]

【数2】 [Equation 2]

【0028】で表される。これは量子閉じ込めのないバ
ルク結晶中の電子の全エネルギーが、
It is represented by This is because the total energy of electrons in a bulk crystal without quantum confinement is

【0029】[0029]

【数3】 [Equation 3]

【0030】と比べると、バルク中では連続的であった
電子状態が量子井戸中では離散的になることが分かる。
ここでpは電子の運動量であり、電子のde Brol
ie波長λとはλ=h/pで関係付けられている。従っ
て、エネルギー準位が離散的になり、量子効果が顕著と
なるためには、以下の式を満たさなければならない。
Comparing with, it can be seen that the electronic state which was continuous in the bulk becomes discrete in the quantum well.
Where p is the momentum of the electron, and the electron de Broll
It is related to the ie wavelength λ by λ = h / p. Therefore, in order for the energy levels to become discrete and the quantum effect to be significant, the following formula must be satisfied.

【0031】[0031]

【数4】Lw≦λ 次に、トンネル障壁幅Lbが薄くなる場合を考える。こ
の時、隣合う量子井戸中の波動関数同士が重なり合い、
井戸型ポテンシャルが単独に存在するときには縮退して
いた量子準位はトンネル効果により分裂し、ミニバンド
(或いはサブバンド)を形成する。半導体のGaAsと
AlGaAsからなる超格子では、GaAs層とAlG
aAs層で単位格子が形成されるので、実空間における
周期性の長さはLb+Lwで繰り返され、第1Brill
ouan域の大きさは2π/(Lb+Lw)となる。
## EQU00004 ## Next, consider the case where the tunnel barrier width Lb becomes thin. At this time, the wavefunctions in adjacent quantum wells overlap,
When the well potential exists alone, the degenerate quantum level splits due to the tunnel effect, forming a miniband (or subband). In the superlattice composed of semiconductors GaAs and AlGaAs, the GaAs layer and AlG
Since the unit cell is formed by the aAs layer, the length of the periodicity in the real space is repeated by Lb + Lw, and the first Brill
The size of the ouan area is 2π / (Lb + Lw).

【0032】バルク結晶の場合単位格子の大きさaは格
子間隔程度であり、この半導体超格子がGaAs10層
とAlGaAs10層からなるとすると、Lb+Lwは2
0a程度となり、超格子の第1Brillouan域の
大きさはバルク結晶の場合の大きさ2π/aの1/20
程度となる。このため、バルク結晶のバンド構造が2π
/aの周期でエネルギーバンドを折り返すことに対応し
て、このエネルギーバンドを更に細かい1/20の間隔
で折り返し、ミニバンドを形成する。
In the case of a bulk crystal, the unit cell size a is about the lattice spacing, and if this semiconductor superlattice is composed of 10 layers of GaAs and 10 layers of AlGaAs, Lb + Lw is 2
The size of the first Brillouan region of the superlattice is 1/20 of the size 2π / a in the case of the bulk crystal.
It will be about. Therefore, the band structure of the bulk crystal is 2π
Corresponding to the folding back of the energy band at a cycle of / a, this energy band is folded back at a finer 1/20 interval to form a miniband.

【0033】以上から、量子井戸幅Lwとトンネル障壁
幅Lbを変えることにより、超格子系の電子状態を大き
く変化させることができることが分かる。特に、Lwを
deBrolie波長以下にすると量子効果が顕著にな
る(GaAsの場合、約300Å)。
From the above, it can be seen that the electronic state of the superlattice system can be greatly changed by changing the quantum well width Lw and the tunnel barrier width Lb. In particular, the quantum effect becomes remarkable when Lw is equal to or less than the de Brolie wavelength (about 300Å in the case of GaAs).

【0034】また、LwをLbに比べ十分厚くすると電子
の閉じ込めが可能となり、Lbを十分薄くするとミニバ
ンドが形成される(数100Å以下)。Lwを10Å以
下の数原子層厚以下にするとバルク結晶の電子構造を用
いたKronig−Pennyのモデルは使えなくなり、単位格
子を大きくとったバンド計算が必要となる。
Further, if Lw is made sufficiently thicker than Lb, electrons can be confined, and if Lb is made sufficiently thin, a miniband is formed (several hundreds of liters or less). If Lw is 10 Å or less and a few atomic layer thickness or less, the Kronig-Penny model using the electronic structure of the bulk crystal cannot be used, and band calculation with a large unit cell is required.

【0035】有機分子からなる結晶の場合、一分子内に
おいては一つの完全な分子軌道を形成するが、結晶全体
としてはファンデルワールス力からなる弱い分子性結晶
であり、分子間相互作用は弱く、バンド幅は狭くエネル
ギーギャップは半導体に比べて大きい。かつ、上記のよ
うな半導体超格子のモデルをあてはめると、一分子その
ものが量子井戸であり、分子間相互作用が乏しいために
各量子井戸が孤立状態にある。
In the case of a crystal composed of organic molecules, one complete molecular orbital is formed within one molecule, but the whole crystal is a weak molecular crystal composed of van der Waals forces, and the intermolecular interaction is weak. The band width is narrow and the energy gap is larger than that of semiconductors. Moreover, when the above semiconductor superlattice model is applied, each molecule is a quantum well, and each quantum well is in an isolated state because intermolecular interaction is poor.

【0036】そこで、有機分子から超格子を形成するた
めには、分子を大きくして一分子が一つの量子箱や量子
細線とみなせるサイズにまで分子軌道を拡大するか、も
しくは何らかの分子間相互作用を強めて結晶中にバンド
構造を作らねばならない。更に、有機分子では複数の原
子の組合せで分子が形成され、分子全体の電子の分布は
分子固有の分子軌道を形成し、異方性を有している。こ
のため分子1個の分子軌道と共に分子集合体の配列が物
質全体の物性に大きく影響を与える。即ち、有機超格子
の設計には、分子種の選択、各分子の電子状態の制御、
分子配向の制御、分子層厚の最適化等を考慮なしに、超
格子と呼べる分子集合体を形成することはできない。
Therefore, in order to form a superlattice from organic molecules, the molecules are enlarged to expand the molecular orbital to a size where one molecule can be regarded as one quantum box or quantum wire, or some kind of intermolecular interaction. Band structure must be created in the crystal. Furthermore, in an organic molecule, a molecule is formed by combining a plurality of atoms, and the distribution of electrons throughout the molecule forms a molecular orbital peculiar to the molecule and has anisotropy. Therefore, the molecular orbital of one molecule and the arrangement of molecular aggregates have a great influence on the physical properties of the whole substance. That is, in designing an organic superlattice, selection of molecular species, control of electronic state of each molecule,
A molecular assembly called a superlattice cannot be formed without considering the control of the molecular orientation and the optimization of the molecular layer thickness.

【0037】本発明は、前記の問題点を解決するため
に、従来有機薄膜の積層構造体からなる薄膜光学素子に
おいて見落とされていた分子配向と超格子構造の設計指
針と、その具体的な作製技術を提供するもので、その目
的は、有機薄膜の積層構造体からなる有機超格子光電子
素子を提供にある。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a design guideline for a molecular orientation and a superlattice structure, which was conventionally overlooked in a thin film optical element composed of a laminated structure of organic thin films, and its specific fabrication. The object is to provide an organic superlattice optoelectronic device comprising a laminated structure of organic thin films.

【0038】また、本発明の他の目的は、上記有機超格
子光電子素子の製法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the above organic superlattice optoelectronic device.

【0039】[0039]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明の要旨は次の通りである。
The gist of the present invention for solving the above problems is as follows.

【0040】(1) 光の出入射、電荷注入または電
場,磁場により変調可能な媒体を備えてなる有機超格子
光電子素子であって、該素子は基板に2種以上の有機超
薄膜層を周期的に積層した有機超格子構造を有すること
を特徴とする有機超格子光電子素子。
(1) An organic superlattice optoelectronic device comprising a medium capable of being modulated by light incident / incident light, charge injection or electric field / magnetic field, wherein the device comprises two or more kinds of organic ultrathin film layers periodically formed on a substrate. An organic superlattice optoelectronic device characterized by having an organic superlattice structure that is laminated physically.

【0041】(2) 前記有機超格子構造を構成する各
超薄膜層は2種以上の有機膜からなり、かつ、一層の薄
膜の厚さが1〜100000Åであり、相異なる薄膜層
の繰り返し積層数が少なくとも3層の有機超格子構造に
より構成されている有機超格子光電子素子。
(2) Each ultrathin film layer constituting the organic superlattice structure is composed of two or more kinds of organic films, and the thickness of one thin film is 1 to 100000Å, and different thin film layers are repeatedly laminated. An organic superlattice optoelectronic device comprising an organic superlattice structure having at least three layers.

【0042】(3) 前記有機超格子構造を構成する各
超薄膜層は2種以上の有機膜からなり、かつ、一層の薄
膜の厚さが1〜100分子層であり、相異なる薄膜層の
繰り返し積層数が少なくとも3層の有機超格子構造によ
り構成されている有機超格子光電子素子。
(3) Each of the ultrathin film layers constituting the organic superlattice structure is composed of two or more kinds of organic films, and the thickness of one thin film is 1 to 100 molecular layers. An organic superlattice optoelectronic device having an organic superlattice structure in which the number of repeated layers is at least three.

【0043】(4) 前記超薄膜層を構成する有機分子
が単独で有する電子状態を変調させる特定の位置で配位
させた分子配向集合体構造の有機超格子光電子素子。
(4) An organic superlattice optoelectronic device having a molecular alignment assembly structure in which the organic molecules constituting the ultrathin film layer are coordinated at a specific position to modulate the electronic state of the organic molecules.

【0044】(5) 前記有機超格子構造を構成する有
機超薄膜層の構成分子が単独で有する配向状態または電
子状態を、隣接する基板または異なる薄膜層により変調
された分子配向集合体構造を有する有機超格子光電子素
子。
(5) The organic superlattice layer has a molecular orientation aggregate structure in which the orientational state or electronic state of each constituent molecule of the organic ultrathin layer is modulated by an adjacent substrate or a different thin film layer. Organic superlattice optoelectronic device.

【0045】(6) 前記有機超格子構造を構成する有
機超薄膜層の一部またはその近傍に電場印加もしくは電
荷を移動させる電極を設けた有機超格子光電子素子。
(6) An organic superlattice optoelectronic device in which an electrode for applying an electric field or moving an electric charge is provided at or near a part of the organic ultrathin film layer constituting the organic superlattice structure.

【0046】上記の電場印加もしくは電荷移動により薄
膜層を構成する有機分子の配向状態または電子状態を変
調させた分子配向集合体構造を形成する。
A molecular orientation aggregate structure is formed by modulating the orientation state or electronic state of the organic molecules constituting the thin film layer by applying the above electric field or transferring charges.

【0047】ここで云う分子の配向状態または電子状態
の変調とは、基板表面に分子の積層及び相異なる分子同
士を積層することにより、ヘテロ界面近傍における新規
結合の形成、電荷移動、静電ポテンシャル等の分子間相
互作用、及び分子または基板表面の立体特異構造、立体
障害、光学活性等の幾何学的因子等により、同一分子の
みからなる場合の結晶状態またはガラス状態で分子が有
する分子配向及びその電子状態が変化を受けることを示
している。
The term "modulation of the orientation state or electronic state of a molecule" as used herein means to form a new bond, charge transfer, electrostatic potential in the vicinity of a hetero interface by stacking molecules on the substrate surface and stacking different molecules. Due to intermolecular interactions such as, and geometrical factors such as stereospecific structure, steric hindrance, and optical activity of the molecule or substrate surface, the molecular orientation of the molecule in the crystalline state or the glass state in the case of only the same molecule, and It indicates that its electronic state is subject to change.

【0048】本発明の有機超格子光電子素子を作製に
は、種々のエピタキシャル成長可能なドライプロセスに
よる薄膜形成技術、例えば、MBE(Molecular Beam E
pitaxy)法、ALE(Atomic Layer Epitaxy)法、ML
E(Molecular Layer Epitaxy)法、MO−ALE(Met
alorganic Atomic Layer Epitaxy)法、MOCVD(Me
talorganic Chemical Vapor Deposition)法等により行
うことができる。
In order to fabricate the organic superlattice optoelectronic device of the present invention, various dry-process thin film forming techniques capable of epitaxial growth, for example, MBE (Molecular Beam E) are used.
pitaxy) method, ALE (Atomic Layer Epitaxy) method, ML
E (Molecular Layer Epitaxy) method, MO-ALE (Met
alorganic Atomic Layer Epitaxy method, MOCVD (Me
talorganic Chemical Vapor Deposition) method or the like.

【0049】有機物質としてはポリカーボネート、ポリ
スルホン、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミ
ド、ポリイミド、ポリシロキサン、ポリエチレンテレフ
タレート、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン、ポリプロピ
レン、アクリル樹脂、ポリブタジエン、ポリ塩化ビニ
ル、ポリ塩化ビニリデン、石油樹脂、メラミン樹脂、エ
ポキシ樹脂、フェノール樹脂、イソプレンゴム、エチレ
ン−プロピレンゴム、ノルボネン樹脂、シアノアクリレ
ート樹脂、スチレン樹脂及びこれらの共重合体、セルロ
ース、澱粉、キチン、寒天、絹糸、綿糸、ナイロン糸、
アルブミン、グロブリンその他の蛋白質、木質、骨粉等
が、また、低分子の有機物質としてはナフタレン、アン
トラセン等の縮合芳香族化合物、染料、顔料、尿素、酒
石酸、光学活性アミノ酸等が挙げられる。
As the organic substance, polycarbonate, polysulfone, polyarylate, polyester, polyamide, polyimide, polysiloxane, polyethylene terephthalate, polyvinyl acetate, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polybutadiene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, petroleum resin, Melamine resin, epoxy resin, phenol resin, isoprene rubber, ethylene-propylene rubber, norbornene resin, cyanoacrylate resin, styrene resin and copolymers thereof, cellulose, starch, chitin, agar, silk thread, cotton thread, nylon thread,
Albumin, globulin and other proteins, wood, bone powder and the like, and examples of low molecular weight organic substances include condensed aromatic compounds such as naphthalene and anthracene, dyes, pigments, urea, tartaric acid and optically active amino acids.

【0050】前記有機薄膜無機物質、例えばガラス、水
晶、ダイアモンド、二酸化珪素、雲母、大理石、方解
石、単結晶シリコン、非晶質シリコン、GaAs、Cd
S、KDP、KTP、ニオブ酸リチウム、臭化カリス
ム、ロッシェル塩、硫酸銅、フッ化カルシウム、グラフ
ァイト、二酸化錫、チタン酸バリウム、赤血塩、陶磁
器、セラミックス、ベンナイト、セメント、金属または
合金等を共存あるいは混在することができる。
The organic thin film inorganic material such as glass, crystal, diamond, silicon dioxide, mica, marble, calcite, single crystal silicon, amorphous silicon, GaAs, Cd.
S, KDP, KTP, lithium niobate, charismum bromide, Rochelle salt, copper sulfate, calcium fluoride, graphite, tin dioxide, barium titanate, red blood salt, ceramics, ceramics, bentonite, cement, metal or alloy Can coexist or coexist.

【0051】本発明の有機超格子光電子素子は、超格子
構造作製後にそのまゝもしくは適当なドーパントを添加
し、塊状、平板状、繊維状、粉末状、薄膜状に形成して
用いることができる。また、上記の形状において、本発
明の構造の異なる他の材料あるいは異種材料と共存、混
在させて用いることができる。
The organic superlattice optoelectronic device of the present invention can be used by forming a superlattice structure, or adding an appropriate dopant to the superlattice structure, and forming it into a lump, a plate, a fiber, a powder or a thin film. . Further, in the above-mentioned shape, other materials having different structures of the present invention or different kinds of materials can coexist or be mixed and used.

【0052】また、本発明の有機超格子光電子素子は、
その特性向上や長寿命化のため熱アニーリング、放射線
照射、電子線照射、光照射、電波照射、磁力線照射、超
音波照射等の後処理を行なってもよい。
The organic superlattice optoelectronic device of the present invention is
In order to improve its characteristics and extend its life, post-treatments such as thermal annealing, radiation irradiation, electron beam irradiation, light irradiation, radio wave irradiation, magnetic force line irradiation, and ultrasonic wave irradiation may be performed.

【0053】本発明の有機超格子光電子素子は、例え
ば、光導波路、光混合器、光位相分別器、光変調器、光
偏向器、光選択波長板、位相共役鏡、光スィッチ、光発
光素子、レーザ発信素子、光−電子変換素子、光−音波
変換素子、圧電素子、光論理素子、メモリ素子、表示素
子等に応用することができる。
The organic superlattice optoelectronic device of the present invention is, for example, an optical waveguide, an optical mixer, an optical phase discriminator, an optical modulator, an optical deflector, an optical selective wavelength plate, a phase conjugate mirror, an optical switch, a light emitting device. , A laser emitting element, a photo-electron conversion element, a light-sound wave conversion element, a piezoelectric element, an optical logic element, a memory element, a display element and the like.

【0054】[0054]

【作用】従来の製膜技術では困難であった数nm程度の
膜厚の高結晶性ヘテロ超薄膜からなる本発明の有機超格
子光電子素子は、高品位のヘテロ超薄膜からなる有機分
子の超格子構造を有することにより、有機分子の持つ量
子閉じ込め性とトンネル効果により、新しい超格子電子
状態を実現できる。また、係る有機分子の超格子構造中
に安定化されるエキシトン、ポーラロン等の素励起子特
性により新規な有機超格子光電子素子を与える。
The organic superlattice optoelectronic device of the present invention comprising a highly crystalline hetero ultrathin film having a film thickness of about several nm, which has been difficult to achieve by the conventional film forming technique, is an organic superlattice composed of a high quality hetero ultrathin film. By having a lattice structure, a new superlattice electronic state can be realized due to the quantum confinement property and the tunnel effect of organic molecules. In addition, a novel organic superlattice optoelectronic device is provided by the characteristics of elementary excitons such as excitons and polarons stabilized in the superlattice structure of the organic molecule.

【0055】[0055]

【実施例】本発明の有機超格子光電子素子を実施例に基
づき説明する。
EXAMPLES The organic superlattice optoelectronic device of the present invention will be described based on examples.

【0056】〔実施例1〕本発明の有機超格子構造の作
製装置の一例である分子線蒸着装置〔有機物用MBE
(Molecular Beam Epitaxy)装置、以下MBE装置と云
う〕の構成の一例を図1に示す。
[Example 1] A molecular beam deposition apparatus [MBE for organic substances] which is an example of an apparatus for producing an organic superlattice structure of the present invention.
(Molecular Beam Epitaxy) device, hereinafter referred to as MBE device] is shown in FIG.

【0057】MBE装置は、基板を装置内に導入するた
めの交換室1と、基板を加熱及び紫外線照射により清浄
化する前処理室2、有機超格子構造を蒸着形成する成長
室4、有機超格子構造物に金電極等を蒸着する予備蒸着
室3、超格子構造を解析する構造分析室5、光学特性を
測定評価する光学評価室6を有し、それぞれのチャンバ
はゲートバルブ7を介して連結されている。上記各チャ
ンバは個別に超高真空ポンプ(図示しない)に接続され
ている。なお、各チャンバの配列は図1に限定されず、
また、必要に応じてこれ以外のチャンバを付設してもよ
い。
The MBE apparatus comprises an exchange chamber 1 for introducing a substrate into the apparatus, a pretreatment chamber 2 for cleaning the substrate by heating and UV irradiation, a growth chamber 4 for depositing and forming an organic superlattice structure, and an organic superlattice. There are a pre-deposition chamber 3 for depositing a gold electrode or the like on a lattice structure, a structure analysis chamber 5 for analyzing a superlattice structure, and an optical evaluation chamber 6 for measuring and evaluating optical characteristics, each chamber via a gate valve 7. It is connected. Each of the above chambers is individually connected to an ultra high vacuum pump (not shown). The arrangement of each chamber is not limited to that shown in FIG.
Further, a chamber other than this may be attached if necessary.

【0058】上記有機超格子構造を形成する成長室4の
構造の一例を図2に示す。
An example of the structure of the growth chamber 4 forming the above organic superlattice structure is shown in FIG.

【0059】成長室4はゲートバルブ7を介して超高真
空ポンプ(図示省略)で主排気系へ常時排気されてい
る。有機超格子構造を形成する基板11は、基板保持手
段9により保持されており、基板保持手段9は基板面の
向きを変える手段(図示省略)と基板加熱手段10を備
えている。なお、基板加熱手段10はヒ−タと冷媒の双
方により+1000℃〜−271℃の範囲で基板11の
温度を任意に制御することができる。
The growth chamber 4 is constantly evacuated to the main exhaust system by an ultrahigh vacuum pump (not shown) via the gate valve 7. The substrate 11 forming the organic superlattice structure is held by the substrate holding means 9, and the substrate holding means 9 includes means (not shown) for changing the orientation of the substrate surface and substrate heating means 10. The substrate heating means 10 can arbitrarily control the temperature of the substrate 11 in the range of + 1000 ° C. to −271 ° C. by using both the heater and the coolant.

【0060】成長室4は、蒸着時には液体窒素を導通し
て該室内の真空度を維持すると共に余分の分子線を捕捉
する。分子線源は本実施例では3本あり、それぞれKn
udsenセル(以下K−セルと云う)15中に蒸着試
料が保持されている。成長室4内へのK−セルの出し入
れはK−セル移動手段18により行われ、その出入口は
ゲートバルブ7’で仕切られている。K−セル移動手段
18に保持されたK−セル15は、まず、バルブ17を
介して接続された副排気系により脱ガスした後、成長室
4内に搬送される。
During the vapor deposition, the growth chamber 4 conducts liquid nitrogen to maintain the degree of vacuum in the chamber and traps extra molecular beams. In this embodiment, there are three molecular beam sources, each of which has a Kn
A vapor deposition sample is held in an udsen cell (hereinafter referred to as K-cell) 15. The K-cell is moved in and out of the growth chamber 4 by the K-cell moving means 18, and its entrance and exit is partitioned by the gate valve 7 '. The K-cell 15 held by the K-cell moving means 18 is first degassed by the auxiliary exhaust system connected via the valve 17, and then transferred into the growth chamber 4.

【0061】K−セル移動手段18により搬送されたK
−セル15は、K−セル加熱手段16により試料の蒸発
温度またはそれ以上に加熱され、一定の蒸発速度で試料
の分子線を基板11に向けて射出する。試料分子線の蒸
着時間はシャッタ13の開閉により制御される。なお、
射出された試料分子線の指向性を向上するため途中に分
子線制御手段14が設けられている。また、成長室4に
は分子線の射出速度、残留ガス濃度、薄膜結晶性等の逐
次監視手段が付設(図示省略)されている。
K-K carried by the cell moving means 18
-The cell 15 is heated to the evaporation temperature of the sample or higher by the K-cell heating means 16 and ejects the molecular beam of the sample toward the substrate 11 at a constant evaporation rate. The vapor deposition time of the sample molecular beam is controlled by opening and closing the shutter 13. In addition,
A molecular beam control means 14 is provided on the way to improve the directivity of the ejected sample molecular beam. Further, the growth chamber 4 is additionally provided with a means for sequentially monitoring the molecular beam injection speed, residual gas concentration, thin film crystallinity, etc. (not shown).

【0062】前記のMBE装置を用いて作製した有機分
子超薄膜の膜厚分布の一例を図3に示す。図3は、銅フ
タロシアニンをシリコン基板上に、真空度10~6Tor
r台(基板温度200℃)及び真空度10~10Torr
台(基板温度200℃)で製膜したものを、加速電圧5
kV、試料水平傾斜角60°で薄膜の厚さ方向の凹凸を
強調して観察したSEM(Scanning Electron Microsco
pe:日立S−800型電解放射型走査電子顕微鏡)によ
り観測したものである。図3(a)は平面内の膜厚分
布、また、図3(b)は(a)のA−A’線上の膜厚分
布を示す。
FIG. 3 shows an example of the film thickness distribution of the organic molecule ultra-thin film produced by using the above MBE apparatus. Figure 3 shows copper phthalocyanine on a silicon substrate with a vacuum of 10 to 6 Torr.
r unit (substrate temperature 200 ° C) and vacuum degree 10 ~ 10 Torr
The film formed on the table (substrate temperature of 200 ° C) was accelerated at an accelerating voltage of 5
SEM (Scanning Electron Microscopy) observed by emphasizing the unevenness in the thickness direction of the thin film at kV and sample horizontal inclination angle of 60 °.
pe: Hitachi S-800 type field emission scanning electron microscope). 3A shows the film thickness distribution in the plane, and FIG. 3B shows the film thickness distribution on the line AA ′ in FIG.

【0063】通常の真空蒸着膜の場合、約10〜20n
mの凹凸が見られるが、本実施例の分子線蒸着膜は、極
めて平滑で均一な膜厚を有し、3cm×4cmと云う極
めて広い範囲内でも僅かに3〜4分子層程度の凹凸しか
見られない均一な膜であることが分かる。このことは、
分子線の強度が極めて均一に分布されてて形成されてい
ることを示すものである。このようにMBE法によれ
ば、通常の真空蒸着ではとうてい得ることができない、
凹凸が分子オーダの膜厚が均一な膜を作製できることが
分かる。
In the case of a normal vacuum deposited film, it is about 10 to 20 n.
Although the unevenness of m is observed, the molecular beam vapor deposition film of this example has an extremely smooth and uniform film thickness, and even within an extremely wide range of 3 cm × 4 cm, the unevenness is only about 3 to 4 molecular layers. It can be seen that it is a uniform film that cannot be seen. This is
This indicates that the molecular beam strengths are extremely uniformly distributed and formed. As described above, according to the MBE method, it is almost impossible to use ordinary vacuum deposition.
It can be seen that it is possible to manufacture a film in which the unevenness has a uniform film thickness on the molecular order.

【0064】〔実施例2〕次に、異なる2種の原料有機
化合物を用いて、その分子配向を制御しつゝ数分子層の
交互積層膜を形成した一例を示す。
Example 2 Next, an example is shown in which two different kinds of raw material organic compounds are used to control the molecular orientation and form an alternating laminated film of several molecular layers.

【0065】有機超格子用の原料有機化合物としては、
中心金属のd軌道による分子間相互作用の増大と分子骨
格の類似性によるエピタキシャル成長制御の容易性の点
から、金属フタロシアニンの一種である銅フタロシアニ
ン(CuPc)と亜鉛フタロシアニン(ZnPc)の2
種の有機化合物を選び、単結晶シリコン(Si)基板上
にCuPc/ZnPc/SiとZnPc/CuPc/S
iの2通りの組合せで交互積層し、有機超格子の超薄膜
構成条件を検討した。
As the raw material organic compound for the organic superlattice,
In order to increase the intermolecular interaction due to the d-orbital of the central metal and to facilitate the epitaxial growth control due to the similarity of the molecular skeleton, two types of metal phthalocyanines, copper phthalocyanine (CuPc) and zinc phthalocyanine (ZnPc), are used.
Select organic compounds of the species and select CuPc / ZnPc / Si and ZnPc / CuPc / S on a single crystal silicon (Si) substrate.
The conditions for forming an ultrathin film of an organic superlattice were examined by alternately stacking two combinations of i.

【0066】上記銅フタロシアニン及び亜鉛フタロシア
ニンは、それぞれ市販品(東京化成製)をガラスチュー
ブオーブン(柴田科学機器製)でアスピレータ減圧下約
250℃で加熱脱ガス処理を行い、吸着水分や揮発性不
純物(フタロニトリルなどの未反応原料)を可能な限り
除去した。
The above copper phthalocyanine and zinc phthalocyanine are commercial products (manufactured by Tokyo Kasei) and heated and degassed in a glass tube oven (manufactured by Shibata Scientific Instruments) at about 250 ° C. under reduced pressure by an aspirator to obtain adsorbed water and volatile impurities. (Unreacted raw materials such as phthalonitrile) were removed as much as possible.

【0067】基板はシリコン単結晶基板(信越化学製、
p型、100面)をダイヤモンドペンで35mm×35
mmの大きさに裁断し、文献〔S. Hattori, et al.,J.A
ppl.Phys. 67, 237 (1990年)〕の手法(UV/HF法)
を参考に、表面クリーニングした後、分子線蒸着に供し
た。即ち、空気中、200℃に設定しアルミホイルで覆
ったホットプレートにシリコン基板をセットし、約10
cmの距離から高圧水銀灯(440W)を用いて紫外線
を基板表裏に各10〜20分間照射して表面の有機汚染
物層を取り除いた。次いで予め過硫酸ナトリウム(Na
228、和光純薬製)の純水飽和溶液で煮沸し、純水
で注意深く洗浄して付着有機汚染物を取り除いたテフロ
ン製器具を用い、1重量%稀フッ化水素(森本化学製、
半導体グレード品を希釈)でエッチングし表面自然酸化
膜を除去後、直ちに純水で洗浄し水切りせずにそのまゝ
の状態(若干の水滴が付着)で、紫外線照射クリーニン
グしたモリブデン製の基板ホルダーに装着した。
The substrate is a silicon single crystal substrate (manufactured by Shin-Etsu Chemical,
35 mm x 35 with p type, 100 sides) with a diamond pen
Cut to a size of mm and read the document [S. Hattori, et al., JA
ppl.Phys. 67 , 237 (1990)] method (UV / HF method)
After cleaning the surface, the sample was subjected to molecular beam deposition. That is, set the silicon substrate on a hot plate set to 200 ° C. in air and covered with aluminum foil,
Ultraviolet rays were applied to the front and back of the substrate for 10 to 20 minutes from a distance of cm using a high pressure mercury lamp (440 W) to remove the organic contaminant layer on the surface. Next, sodium persulfate (Na
2 S 2 O 8 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was boiled in a saturated solution of pure water, carefully washed with pure water to remove adhered organic contaminants, and then used a Teflon-made instrument to prepare 1 wt% diluted hydrogen fluoride (Morimoto Chemical Co., Ltd.). Made by
A substrate holder made of molybdenum that has been cleaned by UV irradiation in the same state (with some water droplets attached) without removing the natural oxide film on the surface by etching with (diluting a semiconductor grade product) to remove the surface natural oxide film I attached it to.

【0068】これを手早くMBE装置の交換室1にセッ
トし、ターボモレキュラポンプで1×10~8Torr以
下になるまで排気し、超高真空に保持した状態で構造分
析室5、成長室4内に導入した。
This was quickly set in the exchange chamber 1 of the MBE apparatus, exhausted to 1 × 10 to 8 Torr or less by a turbo molecular pump, and the structure analysis chamber 5 and the growth chamber 4 were kept in an ultrahigh vacuum state. Introduced in.

【0069】次に、金属フタロシアニンの分子線蒸着条
件について述べる。成長室のベース圧力3.8×10~11
Torr、蒸着時圧力(7〜11)×10~10Torr
(装置付属ヌードイオンゲージによる値)の条件で約
0.2〜0.3gの試料を装填した溶融石英ガラス製K−
セルを予め10~9Torr台で脱ガスした後に、ターボ
モレキュラポンプによる差動排気(圧力 7〜9×10
~9Torr)を行いながらタンタル製ヒータで400℃
に加熱した。また、基板温度は文献〔服部紳太郎、「有
機超薄膜の構造制御」、新技術事業団創造科学推進事業
1989年研究報告会、第2部講演要旨集、22頁
(1989年)〕のX線回折(XRD)、RHEED分
析結果を参考に、超薄膜の結晶性が最も高くなると推定
した200℃に設定した。この条件で約2時間かけて超
薄膜を成長させた。超薄膜成長中は装置付属の水晶振動
子式膜厚計で分子線強度をモニターし、必要に応じて次
に述べる分析評価を行った。
Next, the conditions for molecular beam deposition of metal phthalocyanine will be described. Base pressure of growth chamber 3.8 × 10 ~ 11
Torr, pressure during vapor deposition (7 to 11) x 10 to 10 Torr
K-made of fused silica glass loaded with about 0.2 to 0.3 g of sample under the condition of (value according to the apparatus attached nude ion gauge)
After degassing the cell in advance at 10 to 9 Torr level, differential evacuation by the turbo molecular pump (pressure 7 to 9 × 10
~ 9 Torr) and 400 ℃ with tantalum heater
Heated to. In addition, the substrate temperature is X-ray of the literature [Shintaro Hattori, "Structural control of organic ultra-thin film", New Technology Corporation Creative Science Promotion Business 1989 Research Report Meeting, Part 2 Lectures, page 22 (1989)] With reference to the results of diffraction (XRD) and RHEED analysis, the temperature was set to 200 ° C. at which the crystallinity of the ultrathin film was estimated to be highest. Under these conditions, the ultrathin film was grown for about 2 hours. During the ultra-thin film growth, the molecular beam intensity was monitored with a crystal oscillator type film thickness meter attached to the device, and the analysis and evaluation described below were performed as necessary.

【0070】基板の清浄性と薄膜形成を確認評価するた
め分子線蒸着の前後にAES(Auger Electron Spectro
scopy)およびXPS(X-ray Photoelectronspectrosco
py)測定を行った。これらの測定はMBE成長室に連接
し、10~10Torr台の超高真空状態に保持された構
造分析室5で行った。
AES (Auger Electron Spectroscopy) was used before and after the molecular beam deposition to confirm and evaluate the cleanliness and thin film formation of the substrate.
scopy) and XPS (X-ray Photoelectronspectrosco
py) The measurement was performed. These measurements were conducted in the structural analysis room 5 connected to the MBE growth room and maintained in an ultrahigh vacuum state of 10 to 10 Torr level.

【0071】AES測定は、PHI社製ESCA/AE
S255システム(同軸型電子銃、円筒型ダブルパスタ
イプエネルギー・アナライザ装備)をAES測定モード
に設定して行い、一次電子加速電圧3kVで測定した。
AES measurement is performed by PHI ESCA / AE
The S255 system (equipped with a coaxial electron gun and a cylindrical double-pass type energy analyzer) was set in the AES measurement mode, and measurement was performed at a primary electron acceleration voltage of 3 kV.

【0072】また、XPS測定は、同じ装置をXPS測
定モードにし、MgKα線(1253.6eV)をX線
源に用いて行った。なお、測定は室温で行い、サンプル
保護のための加熱,冷却等の温度制御は特に行わなかっ
た。
The XPS measurement was carried out by using the same device in the XPS measurement mode and using MgKα rays (1253.6 eV) as the X-ray source. The measurement was performed at room temperature, and temperature control such as heating and cooling for protecting the sample was not particularly performed.

【0073】こうして得られたスペクトルは、文献〔C.
D. Wagner et al., "Handbook ofX-ray Photoelectron
Spectroscopy", Perkin-Elmer Co.(1979年)、及び L.
E.Davis et al., "Handbook of Auger Electron Spectr
oscopy", Physicalelectronics industries, Inc.(197
6年)〕記載の標準スペクトルを参照し帰属同定した。
The spectrum thus obtained was obtained from the literature [C.
D. Wagner et al., "Handbook of X-ray Photoelectron
Spectroscopy ", Perkin-Elmer Co. (1979), and L.
E. Davis et al., "Handbook of Auger Electron Spectr
oscopy ", Physicalelectronics industries, Inc. (197
6 years)] The attribution was identified with reference to the standard spectrum described.

【0074】なお、作製した薄膜の厚さは大気中でエリ
プソメトリにより決定した。フタロシアニン化合物蒸着
膜は光源のHe−Neレーザ波長(632.8nm)で
通常の膜厚計算上無視できないオーダの吸収を示すた
め、試料への入射角を70度と58度に設定し、それぞ
れの入射角度で位相差Δ、反射係数比のアークタンジェ
ントΨを測定し、これらから膜厚を算出した。
The thickness of the produced thin film was determined by ellipsometry in the atmosphere. Since the phthalocyanine compound vapor-deposited film shows absorption at the He-Ne laser wavelength (632.8 nm) of the light source, which cannot be ignored in normal film thickness calculation, the incident angles to the sample are set to 70 degrees and 58 degrees, respectively. The phase difference Δ and the arc tangent Ψ of the reflection coefficient ratio were measured at the incident angle, and the film thickness was calculated from them.

【0075】図4はZnPc/CuPc/SiとCuP
c/ZnPc/Siの交互積層膜(二層)の形成過程の
XPS強度の経時変化を示すグラフである。
FIG. 4 shows ZnPc / CuPc / Si and CuP.
It is a graph which shows the time-dependent change of the XPS intensity in the formation process of the alternating laminated film (two layers) of c / ZnPc / Si.

【0076】図4(a)のZnPc/CuPc/Si膜
の場合、第1層目のCuPcの成長過程で、最初の2時
間で基板Si原子からのシグナルは激減し、CuPc層
のC、N、Cu原子からのシグナルが増大する。その割
合は4時間経過しても変化しない。この上に、第2層目
のZnPcを4時間蒸着してもSi、C、Nのシグナル
は余り変化しない。中心金属のシグナルは時間と共にC
uがやや減少しZnが増大している。このことから、第
1層目のCuPcはSi基板面の清浄な部分に最初の2
時間で均一に成長し、それ以外の部分には殆ど成長せ
ず、第2層目のZnPcも殆どが第1層目のCuPc上
に同様に成長することが分かった。
In the case of the ZnPc / CuPc / Si film of FIG. 4A, in the growth process of CuPc of the first layer, the signal from the substrate Si atoms drastically decreases during the first 2 hours, and C and N of the CuPc layer are reduced. , The signal from the Cu atom increases. The ratio does not change after 4 hours. Even if the second layer of ZnPc is vapor-deposited thereon for 4 hours, the signals of Si, C and N do not change so much. The central metal signal is C over time
u is slightly decreased and Zn is increased. From this fact, the CuPc of the first layer was added to the first 2
It was found that it grew uniformly over time and almost no growth in the other portions, and almost all of the second layer ZnPc also grew on the first layer CuPc.

【0077】これに対して、図4(b)のCuPc/Z
nPc/Si膜の場合、第1層目のZnPcの成長過程
で、Siのシグナルは緩やかに減少し、C、N、Znの
シグナルは増加し続けている。この上に、第2層目のC
uPcを成長させると、Siのシグナルは著しく減少
し、C、Nのシグナルは更に増加する。中心金属のシグ
ナルはCuが増加したのに対しZnはかなり大きく減少
した。このことから、第1層目のZnPcは4時間の蒸
着を行っても基板表面上に僅かにまばらに成長したに過
ぎず、第2層目のCuPcはZnPc上以外の未蒸着の
基板表面にも成長していることが分かった。
On the other hand, CuPc / Z shown in FIG.
In the case of the nPc / Si film, the Si signal gradually decreases and the C, N, and Zn signals continue to increase during the growth process of the first layer ZnPc. On top of this, the second layer C
When uPc is grown, the Si signal is significantly decreased and the C and N signals are further increased. The signal of the central metal was increased in Cu, whereas Zn was considerably decreased. From this, ZnPc of the first layer grew only slightly sparsely on the surface of the substrate even after the vapor deposition for 4 hours, and CuPc of the second layer was not deposited on the surface of the substrate other than ZnPc. I also found that I was growing.

【0078】こうした第1層目の成長状態の相違は、実
験基板温度条件での有機分子の平均滞在時間、即ち、付
着係数の相違が反映されていると考えられる。これらの
超薄膜の膜厚をエリプソメトリで求めたところ、CuP
c/Si(2時間)で約46Å、ZnPc/Si(2時
間)で約15Å、ZnPc/CuPc/Si(4時間/
4時間)で約67Å、CuPc/ZnPc/Si(4時
間/4時間)で約70Å程度であった。
It is considered that the difference in the growth state of the first layer reflects the difference in the average residence time of the organic molecules under the experimental substrate temperature condition, that is, the difference in the sticking coefficient. When the film thickness of these ultra-thin films was determined by ellipsometry, CuP
c / Si (2 hours) about 46Å, ZnPc / Si (2 hours) about 15Å, ZnPc / CuPc / Si (4 hours /
It was about 67Å in 4 hours) and about 70Å in CuPc / ZnPc / Si (4 hours / 4 hours).

【0079】次に、前記のような数分子層程度の超薄膜
の分子配向をXPSシグナル強度の脱出角(θ)依存性
から求めた。
Next, the molecular orientation of the ultra-thin film of about several molecular layers as described above was determined from the dependence of the XPS signal intensity on the escape angle (θ).

【0080】図5はCuPc/ZnPc/Si膜の基板
面に対する脱出角90°及び30°のXPSチャ−トを
示した。
FIG. 5 shows XPS charts of the CuPc / ZnPc / Si film with the escape angles of 90 ° and 30 ° with respect to the substrate surface.

【0081】脱出角が小さくなる程、薄膜表面に近い原
子のシグナルは強調され、表面より深い原子のシグナル
は減衰する。基板のSiや第1層目のZnのシグナルが
かなり減衰している様子が見える。
As the escape angle becomes smaller, signals of atoms closer to the surface of the thin film are emphasized and signals of atoms deeper than the surface are attenuated. It can be seen that the signals of Si of the substrate and Zn of the first layer are considerably attenuated.

【0082】[0082]

【表1】 [Table 1]

【0083】表1にはCuPc/Si、ZnPc/S
i、CuPc/ZnPc/Si、ZnPc/CuPc/
SiのXPSシグナルの脱出角依存性をC原子のシグナ
ルに対する相対値で示した。単層の分子配向を見ると、
CuPcを構成するC、N、Cuのシグナルは脱出角依
存性が殆どなく、表面から同じ深さ、即ち基板に対して
分子面はほゞ水平に配向している。
Table 1 shows CuPc / Si and ZnPc / S.
i, CuPc / ZnPc / Si, ZnPc / CuPc /
The escape angle dependence of the XPS signal of Si is shown by the relative value to the signal of the C atom. Looking at the molecular orientation of a single layer,
The signals of C, N, and Cu constituting CuPc have almost no dependence on the exit angle, and the molecular planes are oriented almost at the same depth from the surface, that is, the substrate.

【0084】これに対して、ZnPcでは脱出角が小さ
いほどC原子に比べてN、Znのシグナルは弱くなり、
C原子の下にN、Zn原子が位置することから、基板に
対して分子面が立っていることが分かる。
On the other hand, in ZnPc, the smaller the escape angle, the weaker the signals of N and Zn as compared with the C atom,
Since the N and Zn atoms are located under the C atom, it can be seen that the molecular surface stands on the substrate.

【0085】第2層目を積層すると、CuPc/ZnP
c/Si膜ではZnのシグナルが著しく減少したが、C
uは殆ど単層のCuPc膜と同じ依存性を示し、多くの
CuPcは第1層と異なる配向をしている。これに対し
てZnPc/CuPc/Si膜では、Cuのシグナルに
脱出角依存性が多少見受けられたが、Znのシグナルに
はそれがなく、第1層目のCuPcの水平配向とほゞ同
じ配向を第2層目のZnPcもとっていることが分かっ
た。
When the second layer is laminated, CuPc / ZnP
In the c / Si film, the Zn signal was remarkably reduced, but
u shows almost the same dependence as that of the single-layer CuPc film, and most of CuPc have an orientation different from that of the first layer. On the other hand, in the ZnPc / CuPc / Si film, the Cu signal showed some dependence on the escape angle, but the Zn signal did not have such an exit angle and the orientation was almost the same as the horizontal orientation of CuPc in the first layer. It was found that the ZnPc of the second layer was also generated.

【0086】これらの知見から予測される今回の交互積
層膜の分子配向のモデルを図6に示した。
FIG. 6 shows a model of the molecular orientation of the present alternate laminated film predicted from these findings.

【0087】図6(b)のように第1層目がCuPcの
場合、分子面は基板面に対して水平配向であり、この上
のZnPcはCuPcと同じ水平配向となっている。こ
れに対して、図6(a)のように第1層がZnPcの場
合、分子面は基板面に垂直に近い配向である。特に、今
回の成長時間では1分子層も成長せず、その上に成長さ
せたCuPcはZnPcの覆っていないSi基板状に大
部分が成長している。
When the first layer is CuPc as shown in FIG. 6 (b), the molecular surface is horizontally oriented with respect to the substrate surface, and ZnPc on this has the same horizontal orientation as CuPc. On the other hand, when the first layer is ZnPc as shown in FIG. 6A, the molecular surface is oriented almost perpendicular to the substrate surface. In particular, no one molecular layer has grown during the growth time this time, and most of CuPc grown on it grows on the Si substrate not covered with ZnPc.

【0088】以上の結果から、中心金属が異なるフタロ
シアニンの数十Å程度のヘテロエピタキシャル超薄膜が
作製可能である。
From the above results, it is possible to manufacture a heteroepitaxial ultrathin film of tens of liters of phthalocyanine having different central metals.

【0089】〔実施例3〕次に、有機超薄膜を3層以上
多層化し、超格子構造を作製した例を示す。
[Embodiment 3] Next, an example of forming a superlattice structure by forming three or more layers of organic ultrathin films will be described.

【0090】実施例2で述べたように、清浄化されたシ
リコン単結晶板上に第1層目を銅フタロシアニンとする
ことで、期待するような分子配向並びに第2層目の亜鉛
フタロシアニンを配向成長できることが分かった。そこ
で、同じ製膜条件、即ち、第1層目をCuPc、第2層
目をZnPcとする組合せを繰返すことで交互に複数層
積層した新規な有機超格子構造を作製した。
As described in Example 2, by using copper phthalocyanine as the first layer on the cleaned silicon single crystal plate, the expected molecular orientation and the zinc phthalocyanine in the second layer were oriented. I found that I could grow. Therefore, a new organic superlattice structure in which a plurality of layers are alternately laminated by repeating the same film forming condition, that is, the combination of CuPc for the first layer and ZnPc for the second layer is manufactured.

【0091】図7は銅フタロシアニン及び亜鉛フタロシ
アニンを交互に3回、計6層積層した膜〔以下、(Zn
Pc/CuPc)x/Si(x=3)と表記する〕のXP
Sチャートである。エリプソメトリによる全膜厚は約2
00〜300Åであり、一層当りの膜厚は30〜40Å
である。3層目以降の金属フタロシアニンは、銅及び亜
鉛のシグナルが失われないこと、及び基板の酸化膜に由
来するシグナルが消失しないことから、一旦、蒸着され
た金属フタロシアニンを再蒸発させることなく、その上
に積層していることが分かる。
FIG. 7 shows a film in which copper phthalocyanine and zinc phthalocyanine are alternately laminated three times, for a total of six layers [hereinafter referred to as (Zn
[Pc / CuPc) x / Si (x = 3)] XP
It is an S chart. Total film thickness by ellipsometry is about 2
0 to 300Å, the film thickness per layer is 30 to 40Å
Is. The metal phthalocyanine from the third layer onward does not lose the signals of copper and zinc and does not lose the signal derived from the oxide film of the substrate. You can see that they are stacked on top.

【0092】上記と同様にして、同じ組合せで50回、
計100層をシリコン基板〔Si(100)〕及び塩化
カリウム基板〔KCl(100)〕上に積層した有機超
格子薄膜〔以下、それぞれ(ZnPc/CuPc)x/S
i(x=50)及び(ZnPc/CuPc)x/KCl
(x=50)と表記する〕を作製した。エリプソメトリ
法による全膜厚は、いずれも約4000〜5000Åで
あった。
In the same manner as above, 50 times with the same combination,
A total of 100 layers are laminated on a silicon substrate [Si (100)] and a potassium chloride substrate [KCl (100)] to form an organic superlattice thin film [hereinafter, (ZnPc / CuPc) x / S, respectively.
i (x = 50) and (ZnPc / CuPc) x / KCl
(Denoted as (x = 50)] was produced. The total film thickness by the ellipsometry method was about 4000 to 5000Å in all cases.

【0093】本実施例に示すように、上記手法で有機分
子からなる超格子構造を形成することが可能である。
As shown in this example, it is possible to form a superlattice structure composed of organic molecules by the above method.

【0094】〔実施例4〕次に、有機超格子構造を光電
子素子の一つである光第3高調波発生素子として用いる
場合の性能の指標の一つである3次非線形光学特性を評
価した。
[Embodiment 4] Next, the third-order nonlinear optical characteristic, which is one of the performance indexes when the organic superlattice structure is used as an optical third harmonic generating element which is one of optoelectronic elements, was evaluated. .

【0095】上記光第3高調波発生素子とは光通信、光
コンピュータ等に用いられるコヒーレントなマイクロ光
源を与えるもので、特定の波長を有するレーザ光が素子
中に入射されると、素子媒体に非線形な分極が生じ、入
射光の波長の1/3波長の光が発生するため、光波長変
換素子として利用できる。
The above-mentioned optical third harmonic wave generating element is to provide a coherent micro light source used in optical communication, an optical computer, etc., and when a laser beam having a specific wavelength is incident on the element, it is applied to the element medium. Since non-linear polarization occurs and light having a wavelength ⅓ of the wavelength of incident light is generated, it can be used as a light wavelength conversion element.

【0096】図8は、それの評価用の光学系を示す構成
図である。QスイッチYAGレーザ系(Quanta−
Ray社製、DCR−3)22により発生された106
4nm,532nmの2つの波長のレーザ光は、色素レ
ーザ系(Quanta−Ray社製、PDL−2)23
に導入され、532nmのレーザ光は色素レーザの励起
光源(使用色素Quanta−Ray社製、LDS69
8)として用い、681nmの光を発生させる。この6
81nmの光と1064nmの光は差周波発生装置(Q
uanta−Ray社製、Infrared Wavelength Extens
ion System)24に導入され、1900nmの赤外光に
変換される。
FIG. 8 is a block diagram showing an optical system for evaluation thereof. Q-switch YAG laser system (Quanta-
106, generated by Ray, DCR-3) 22
Laser light having two wavelengths of 4 nm and 532 nm is a dye laser system (PDL-2, manufactured by Quanta-Ray) 23
Laser light of 532 nm was introduced into the excitation light source of the dye laser (the dye used was Quanta-Ray, LDS69).
8) used to generate 681 nm light. This 6
81 nm light and 1064 nm light are generated by a difference frequency generator (Q
Quanta-Infrared Wavelength Extens
ion system) 24 and converted into infrared light of 1900 nm.

【0097】この1900nmの赤外光は2枚のミラ−
25,25’と強度調節用のフィルタ26と集光用のレ
ンズ27を通して試料28に照射される。
This 1900 nm infrared light is reflected by two mirrors.
The sample 28 is irradiated through 25, 25 ', a filter 26 for adjusting the intensity, and a lens 27 for condensing.

【0098】試料28としては、実施例3で作製した
(ZnPc/CuPc)x/Si(x=50)と(ZnPc
/CuPc)x/KCl(x=50)とを用い、これらの
比較試料としては真空蒸着法で作製したCuPc/Si
とZnPc/Siを用いた。また、標準試料としては溶
融石英基板を用いた。
The sample 28 was produced in the third embodiment.
(ZnPc / CuPc) x / Si (x = 50) and (ZnPc
/ CuPc) x / KCl (x = 50), and CuPc / Si prepared by the vacuum deposition method as these comparative samples.
And ZnPc / Si were used. A fused quartz substrate was used as a standard sample.

【0099】試料28に対する1900nmの赤外光の
入射角は回転ステージ29により制御される。試料28
を透過した光のうち1900nmの光はフィルタ26’
で除去され、さらにモノクロメータ30により試料で発
生した第3高調波(633nm)のみが分離され、光電
子増倍管31により検出される。
The incident angle of 1900 nm infrared light on the sample 28 is controlled by the rotary stage 29. Sample 28
The light of 1900 nm out of the light transmitted through the filter 26 '
And the third harmonic (633 nm) generated in the sample is separated by the monochromator 30 and detected by the photomultiplier tube 31.

【0100】表2に測定された第3高調波の強度を示し
た。表2に見られるように、超格子構造化することで通
常の真空蒸着膜に比べて4〜5倍の第3高調波の発生が
観測された。
Table 2 shows the intensity of the measured third harmonic. As can be seen from Table 2, the superlattice structure was observed to generate 4 to 5 times the number of third harmonics as compared with a normal vacuum deposited film.

【0101】[0101]

【表2】 [Table 2]

【0102】〔実施例5〕次に、有機超薄膜を光電子素
子の一つである光−光スイッチング素子として用いた場
合の特性について述べる。
[Embodiment 5] Next, characteristics when the organic ultrathin film is used as an optical-optical switching element which is one of optoelectronic elements will be described.

【0103】ここで云う光−光スイッチング素子とは光
通信、光コンピュータ等に用いられるもので、情報を伝
達するプローブ光がスイッチング媒体を透過する際にゲ
ート光により透過率が制御されることで、高速光演算等
が実現される。その効果の大小は用いるスイッチング媒
体の前記3次非線形光学特性や吸収スペクトルの経時変
化等の物性により評価される。
The optical-optical switching element referred to here is used for optical communication, optical computer, etc., and when the probe light transmitting information is transmitted through the switching medium, the transmittance is controlled by the gate light. , High-speed optical calculation, etc. are realized. The magnitude of the effect is evaluated by the above-mentioned third-order nonlinear optical characteristics of the switching medium used and physical properties such as changes in absorption spectrum with time.

【0104】本実施例では、作製された有機超薄膜をス
イッチング媒体に用い、ゲート光によりプローブ光透過
率を制御した一例について述べる。
In this embodiment, an example in which the produced organic ultrathin film is used as a switching medium and the probe light transmittance is controlled by gate light will be described.

【0105】図9は光−光スイッチング素子の特性評価
用光学系の構成図である。プローブ光源37には半導体
レーザ(ピーク波長900nm)を用い、ゲート光源3
8にはナノ秒パルス色素レーザ(波長700nm)を用
いた。
FIG. 9 is a block diagram of an optical system for evaluating the characteristics of the light-light switching element. A semiconductor laser (peak wavelength 900 nm) is used as the probe light source 37, and the gate light source 3 is used.
For No. 8, a nanosecond pulse dye laser (wavelength 700 nm) was used.

【0106】プローブ光は、まず偏光子39で特定の偏
光成分のみに分割され、ハーフミラー40を損失するこ
となく透過し、レンズ41で集光して試料28に照射さ
れる。ゲート光はハーフミラー40で反射され、プロー
ブ光と同軸上に合わされ、同じくレンズ41で集光して
試料28に照射される。試料28には実施例3で作製し
た有機超格子(ZnPc/CuPc)x/KCl(x=5
0)を用いた。
The probe light is first split into a specific polarization component by the polarizer 39, passes through the half mirror 40 without loss, is condensed by the lens 41, and is applied to the sample 28. The gate light is reflected by the half mirror 40, is coaxially combined with the probe light, and is similarly condensed by the lens 41 and applied to the sample 28. Sample 28 contains the organic superlattice (ZnPc / CuPc) x / KCl (x = 5) prepared in Example 3.
0) was used.

【0107】ゲート光源38からのゲート光が無い場合
は、プローブ光源37からのプローブ光は偏光子39に
よる偏光方向を変えることなく透過するが、ゲート光が
導入されると3次非線形光学効果により入射されたプロ
ーブ光と直交する偏光成分が現れる。
When there is no gate light from the gate light source 38, the probe light from the probe light source 37 is transmitted without changing the polarization direction by the polarizer 39, but when the gate light is introduced, it is caused by the third-order nonlinear optical effect. A polarization component that is orthogonal to the incident probe light appears.

【0108】試料28を透過したプローブ光とゲート光
はレンズ41’で平行光に戻され、ハーフミラー40’
でゲート光は反射されてダンパ44に到達し、プローブ
光はそのままハーフミラー40’を透過して検光子43
に到達する。検光子43では試料部で発生した入射プロ
ーブ光と直交する成分のみが透過し、光量計45により
検出される。
The probe light and the gate light which have passed through the sample 28 are returned to parallel light by the lens 41 ', and the half mirror 40'.
Then, the gate light is reflected and reaches the damper 44, and the probe light is transmitted as it is through the half mirror 40 ′ to the analyzer 43.
To reach. In the analyzer 43, only the component orthogonal to the incident probe light generated in the sample part is transmitted and detected by the photometer 45.

【0109】表3にはゲート光強度と検光子におけるプ
ローブ光透過率との関係を示した。このようにゲート光
に対応して試料部におけるプローブ光の透過率が変化
し、スイッチング特性を有することが分かる。
Table 3 shows the relationship between the gate light intensity and the probe light transmittance of the analyzer. As described above, it can be seen that the transmittance of the probe light in the sample portion changes corresponding to the gate light, and that it has switching characteristics.

【0110】[0110]

【表3】 [Table 3]

【0111】[0111]

【発明の効果】本発明によれば、有機分子の超格子構造
中に安定化されるエキシトン、ポーラロン等の素励起子
の特性を用いた新規な有機超格子光電子素子を得られ、
これを用いて、光第3高調波発生素子や光−光スイッチ
ング素子を提供することができる。
According to the present invention, a novel organic superlattice optoelectronic device using the characteristics of elementary excitons such as excitons and polarons stabilized in the superlattice structure of organic molecules can be obtained.
By using this, it is possible to provide an optical third harmonic generation element and an optical-optical switching element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】有機超格子構造を作製するための分子線蒸着装
置の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a molecular beam deposition apparatus for producing an organic superlattice structure.

【図2】分子線蒸着装置の成長室の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of a growth chamber of a molecular beam deposition apparatus.

【図3】銅フタロシアニンの分子線蒸着膜の膜厚分布図
である。
FIG. 3 is a film thickness distribution diagram of a molecular beam deposition film of copper phthalocyanine.

【図4】銅フタロシアニン及び亜鉛フタロシアニンの交
互二層膜のXPSシグナルの経時変化を示すグラフであ
る。
FIG. 4 is a graph showing changes with time of XPS signals of an alternating bilayer film of copper phthalocyanine and zinc phthalocyanine.

【図5】銅フタロシアニン及び亜鉛フタロシアニンの交
互二層膜の基板面に対する脱出角90°及び30°のX
PSチャート図である。
FIG. 5: X at an escape angle of 90 ° and 30 ° with respect to the substrate surface of an alternating bilayer film of copper phthalocyanine and zinc phthalocyanine.
It is a PS chart figure.

【図6】銅フタロシアニン及び亜鉛フタロシアニンの交
互二層膜の分子配向のモデル図である。
FIG. 6 is a model diagram of the molecular orientation of an alternating bilayer film of copper phthalocyanine and zinc phthalocyanine.

【図7】銅フタロシアニン及び亜鉛フタロシアニン交互
6層膜のXPSチャート図である。
FIG. 7 is an XPS chart diagram of a copper phthalocyanine and zinc phthalocyanine alternating 6-layer film.

【図8】有機超格子の光第3高調波発生素子の評価用の
光学系の構成図である。
FIG. 8 is a configuration diagram of an optical system for evaluating an optical third harmonic generation element of an organic superlattice.

【図9】光−光スイッチング特性評価用光学系の構成図
である。
FIG. 9 is a configuration diagram of an optical system for evaluating light-light switching characteristics.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…交換室、2…前処理室、3…予備蒸着室、4…成長
室、5…構造分析室、6…光学評価室、7,7’…ゲー
トバルブ、9…基板保持手段、10…基板加熱手段、1
1…基板、13…シャッタ、14…分子線制御手段、1
5…K−セル、16…K−セル加熱手段、17…バル
ブ、18…K−セル移動手段、19,19’…銅フタロ
シアニン分子、20,20’…亜鉛フタロシアニン分
子、21,21’…シリコン基板、22…QスイッチY
AGレーザ系、23…色素レーザ系、24…差周波発生
器、25,25’…フィルタ、26,26’…ミラ−、2
7…レンズ、28…試料、29…回転ステージ、30…
モノクロメータ、31…光電子増倍管、32…高圧電
源、33…遅延回路器、34…ボックスカ−積分器、3
5…GB−IB、36…パーソナルコンピュータ、37
…プローブ光源、38…ゲート光源、39…偏光子、4
0,40’…ハーフミラー、41,41’…レンズ、43
…検光子、44…ダンパ、45…光量計。
1 ... Exchange room, 2 ... Pretreatment room, 3 ... Preliminary evaporation room, 4 ... Growth room, 5 ... Structural analysis room, 6 ... Optical evaluation room, 7, 7 '... Gate valve, 9 ... Substrate holding means, 10 ... Substrate heating means, 1
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 13 ... Shutter, 14 ... Molecular beam control means, 1
5 ... K-cell, 16 ... K-cell heating means, 17 ... Valve, 18 ... K-cell moving means, 19, 19 '... Copper phthalocyanine molecule, 20, 20' ... Zinc phthalocyanine molecule, 21, 21 '... Silicon Substrate, 22 ... Q switch Y
AG laser system, 23 ... Dye laser system, 24 ... Difference frequency generator, 25, 25 '... Filter, 26, 26' ... Miller, 2
7 ... Lens, 28 ... Sample, 29 ... Rotation stage, 30 ...
Monochromator, 31 ... Photomultiplier tube, 32 ... High-voltage power supply, 33 ... Delay circuit device, 34 ... Boxcar integrator, 3
5 ... GB-IB, 36 ... Personal computer, 37
… Probe light source, 38… Gate light source, 39… Polarizer, 4
0,40 '... Half mirror, 41,41' ... Lens, 43
… Analyzer, 44… Damper, 45… Light meter.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01S 3/10 Z 8934−4M 3/109 8934−4M // H01L 31/10 (72)発明者 服部紳太郎 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 角田 敦 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Internal reference number FI Technical indication location H01S 3/10 Z 8934-4M 3/109 8934-4M // H01L 31/10 (72) Inventor Gentaro Hattori 4026 Kuji Town, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Atsushi Tsunoda 4026 Kuji Town, Hitachi City, Hitachi City, Ibaraki Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光の出入射、電荷注入または電場,磁場
により変調可能な媒体を備えてなる有機超格子光電子素
子であって、該素子は基板に2種以上の有機超薄膜層を
周期的に積層した有機超格子構造を有することを特徴と
する有機超格子光電子素子。
1. An organic superlattice optoelectronic device comprising a medium capable of being modulated by light emission / incidence, charge injection or electric field / magnetic field, wherein the device comprises two or more organic ultrathin film layers periodically formed on a substrate. An organic superlattice optoelectronic device having an organic superlattice structure laminated on a substrate.
【請求項2】 前記有機超格子構造を構成する各超薄膜
層は2種以上の有機膜からなり、かつ、一層の薄膜の厚
さが1〜100000Åであり、相異なる薄膜層の繰り
返し積層数が少なくとも3層の有機超格子構造により構
成されている請求項1に記載の有機超格子光電子素子。
2. Each of the ultrathin film layers constituting the organic superlattice structure is composed of two or more kinds of organic films, and the thickness of one thin film is 1 to 100,000Å, and the number of repeated laminated thin film layers is different. 2. The organic superlattice optoelectronic device according to claim 1, wherein the organic superlattice structure has at least three layers.
【請求項3】 前記有機超格子構造を構成する各超薄膜
層は2種以上の有機膜からなり、かつ、一層の薄膜の厚
さが1〜100分子層であり、相異なる薄膜層の繰り返
し積層数が少なくとも3層の有機超格子構造により構成
されている請求項1に記載の有機超格子光電子素子。
3. Each ultrathin film layer constituting the organic superlattice structure is composed of two or more kinds of organic films, and one thin film has a thickness of 1 to 100 molecular layers, and different thin film layers are repeated. The organic superlattice optoelectronic device according to claim 1, wherein the organic superlattice device is configured by an organic superlattice structure having at least three layers.
【請求項4】 前記超薄膜層を構成する有機分子が単独
で有する電子状態を変調させる特定の位置で配位させた
分子配向集合体構造の請求項1,2または3に記載の有
機超格子光電子素子。
4. The organic superlattice according to claim 1, which has a molecular orientation assembly structure in which organic molecules that constitute the ultrathin film layer are coordinated at a specific position that modulates an electronic state of the organic molecule. Optoelectronic device.
【請求項5】 前記有機超格子構造を構成する有機超薄
膜層の構成分子が単独で有する配向状態または電子状態
を、隣接する基板または異なる薄膜層により変調された
分子配向集合体構造を有する請求項1〜4のいずれかに
記載の有機超格子光電子素子。
5. A molecular orientation aggregate structure in which an orientation state or an electronic state which a constituent molecule of the organic ultrathin film layer constituting the organic superlattice structure has independently is modulated by an adjacent substrate or a different thin film layer. Item 5. An organic superlattice optoelectronic device according to any one of items 1 to 4.
【請求項6】 前記有機超格子構造を構成する有機超薄
膜層の一部またはその近傍に電場印加もしくは電荷を移
動させる電極を設けた請求項1〜5のいずれかに記載の
有機超格子光電子素子。
6. The organic superlattice photoelectron according to claim 1, wherein an electrode for applying an electric field or moving an electric charge is provided at or near a part of the organic ultrathin film layer constituting the organic superlattice structure. element.
【請求項7】 前記有機超格子構造を構成する有機超薄
膜層が無機分子を含む請求項1〜7のいずれかに記載の
有機超格子光電子素子。
7. The organic superlattice optoelectronic device according to claim 1, wherein the organic ultrathin film layer constituting the organic superlattice structure contains an inorganic molecule.
【請求項8】 10~6Torr以下の超高真空度に保持され
た容器中に表面の不純物を除去した基板を保持し、該基
板を200℃以上に加熱し、少なくとも2種の有機超薄
膜材料を入れたそれぞれのセルを加熱手段,分子線制御
手段およびシャッタを備えたセル移動手段に装荷し、前
記有機超薄膜材料の蒸発温度以上に加熱して、前記シャ
ッタを所定時間開閉することにより有機超薄膜材料の分
子線を基板面に交互に照射することにより、異種材料か
らなる有機超薄膜を積層して有機超格子構造を形成する
ことを特徴とする有機超格子光電子素子の製法。
8. An ultrathin film of at least two kinds of organic ultrathin films, wherein a substrate from which surface impurities have been removed is held in a container kept in an ultrahigh vacuum of 10 to 6 Torr or less, and the substrate is heated to 200 ° C. or higher. By loading each cell containing the material into a cell moving means provided with a heating means, a molecular beam control means and a shutter, heating the cell above the evaporation temperature of the organic ultra-thin film material, and opening and closing the shutter for a predetermined time. A method for manufacturing an organic superlattice optoelectronic device, which comprises forming an organic superlattice structure by stacking organic ultrathin films made of different materials by alternately irradiating a substrate with a molecular beam of the organic ultrathin film material.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04137666A (en) * 1990-09-28 1992-05-12 Toshiba Corp Organic thin film element

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