TW202135410A - 元件及其製造方法、以及有機半導體雷射二極體 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種元件及其製造方法，該元件包含基板及至少2個不同的光電裝置，其中上述至少2個不同的光電裝置在基板上以單石方式製造。本發明亦公開了一種有機半導體雷射二極體，其依次包含基板、絕緣光柵、第一電極、有機層及第二電極。

Description

元件及其製造方法、以及有機半導體雷射二極體
本發明係有關一種元件，其具有基板及至少2個不同的光電裝置，其中上述至少2個不同的光電裝置在基板上以單石方式製造。本發明亦有關一種前述元件的製造方法、以及依次具有基板、絕緣光柵、第一電極、有機層及第二電極之有機半導體雷射二極體。
在習知無機電子裝置中，對具有不同功能之裝置要求不同的晶狀半導體材料及不同的製造製程。例如，為了在同一基板上組裝不同的裝置(發光二極體、雷射二極體、電晶體等)，不同的晶狀無機材料必須在同一基板上生長。在同一基板上生長不同的晶狀材料具有挑戰性，因為該等具有不同的晶格參數。該等問題限制多功能基板的使用及晶片的積體密度，並且增加製造成本。
另外，使用習知無機發光半導體之RGB雷射二極體技術的關鍵問題在於小型化及大量生產。實際上，紅色、綠色及藍色雷射二極體的增益材料分別為GaN、GainN及AlGainP。該等晶狀半導體不具有相同的晶格參數。因此，在同一基板上生長3個不同的雷射二極體非常具有挑戰性。該等問題亦限制使用玻璃、塑膠及紙等多功能基板。另外，用於製造緊湊型系統之習知RGB雷射二極體的組裝受到連接器的使用及不同驅動條件的限制，這會極大地限制晶片及要求高解析度之微顯示器的積體密度。例如，AlGalnP系及InGaN系LD兩種在一個基板上的積體可以如下實現：藉由黏結接合及化學濕式蝕刻製程，以單石方式集成綠色及紅色發光的帶隙能量不同的兩種材料。為了實現晶片的最終小型化，關鍵在於利用常規製造製程，以單石方式組裝光電裝置。
另一方面，最近，使用有機材料之電流注入半導體雷射二極體已得到了驗證。專利文獻1公開了一種電流注入有機半導體雷射二極體，其具有一對電極、光學共振器結構及一個以上包括由有機半導體構成之光放大層之有機層，其具有在電流注入期間激子密度分布與共振光模式之電場強度分布之間的足以發射雷射光的重疊。
專利文獻
[專利文獻1]W02018/147470
根據該種情況，本發明人等進行了深入研究，其目的在於提供一種元件，其具有解決因使用無機半導體材料而導致之上述問題之至少2個不同的光電裝置。進行深入研究之結果，本發明人等完成了以下發明：
(1)一種元件，其包括基板及至少2個不同的光電裝置，其中 上述至少2個不同的光電裝置在基板上以單石方式製造。 (2)如(1)所述之元件，其中 上述至少2個不同的光電裝置係在不同波長下發光之至少2個光泵有機固態雷射器。 (3)如(1)所述之元件，其中 上述至少2個不同的光電裝置係在不同波長下發光之至少2個有機半導體雷射二極體。 (4)如(1)所述之元件，其中 上述至少2個不同的光電裝置係有機固態雷射器及有機發光二極體。 (5)如(1)所述之元件，其中 上述至少2個不同的光電裝置包括依次包含基板、絕緣光柵、第一電極、有機層及第二電極之有機固態雷射二極體。 (6)如(1)至(5)之任一項所述之元件，其中 上述至少2個不同的光電裝置包括有機固態雷射二極體，且上述元件從其底部發射。 (7)如(1)至(5)之任一項所述之元件，其中 上述至少2個不同的光電裝置包括有機固態雷射二極體，且上述元件從其頂部發射。 (8)一種有機半導體雷射二極體，其依次包含基板、絕緣光柵、第一電極、有機層及第二電極。 (9)一種元件的製造方法，其中 上述元件包含基板及至少2個不同的光電裝置，上述製造方法包括在基板上以單石方式製造上述至少2個不同的光電裝置之步驟。 (10)如(9)所述之方法，其中 上述元件包含基板及至少2個不同的光電裝置，其中上述至少2個不同的光電裝置包括有機固態雷射二極體，並且上述方法包括在基板上形成絕緣光柵之步驟及之後形成用於至少2個不同的光電裝置之有機層之步驟。
以下，對本發明的內容進行詳細說明。以下，參考本發明的代表性實施形態及具體例對本發明的構成要素進行說明，但本發明並不限定於該等實施形態及實施例。在本說明書中，用“～”表示之數值範圍係指包括上限和/或下限之範圍。
本發明的元件具有基板及至少2個不同的光電裝置。上述至少2個不同的光電裝置在基板上以單石方式製造。光電裝置具有將電轉換為光的功能或將光轉換為電之功能。光電裝置的例子包括光泵有機固態雷射器(OSL)、有機半導體雷射二極體(OSLD)、有機發光二極體(OLED)、有機光偵測器及有機太陽能電池。本發明的元件中的至少2個光電裝置彼此不同，但可以屬於相同類型的光電裝置。在本發明的一些實施形態中，上述至少2個光電裝置係在不同波長下發光之至少2個光泵有機固態雷射器。在本發明的一些實施形態中，上述至少2個光電裝置係在不同波長下發光之至少2個有機半導體雷射二極體。在本發明的一些實施形態中，上述至少2個光電裝置係有機固態雷射器及有機發光二極體。只要本發明的元件具有至少2個彼此不同的光電裝置，則該元件可以進一步具有至少1個與至少2個光電裝置中的任一個相同的光電裝置。本發明的元件亦可以具有有機光偵測器、有機場效電晶體、有機熱偶發電器等。
上述至少2個不同的光電裝置在基板上以單石方式製造。在本發明的一些實施形態中，上述至少2個不同的光電裝置在單獨的基板上以單石方式製造。在本發明的一些實施形態中，將上述至少2個不同的光電裝置一同封裝。在本發明的一些實施形態中，上述至少2個不同的光電裝置具有至少1個相同組成的共用有機層。上述共用有機層在各裝置中可以具有相同的厚度。在本發明的一些實施形態中， 上述共用有機層的數量可以為至少2個，至少3個或至少4個。在一些實施形態中，上述至少2個不同的光電裝置彼此之間的間隔小於1mm。該等間隔可以小於10μm，小於1μm或小於100nm。
本發明包括以下四個態樣的內容。
(1) 本發明的第一態樣
(技術背景)
對於發光二極體(LED)及有機發光二極體(OLED)等習知技術，在顯示器中使用RGB雷射器係非常有吸引力的替代方案。受益於極窄的光譜線寬(～0.2 nm)、高亮度及高功率效率，雷射光源提供高色純度，這有助於顯示系統的小型化。
使用習知無機發光半導體之RGB雷射二極體技術的關鍵問題在於小型化及大量生產。實際上，紅色、綠色及藍色雷射二極體的增益材料分別為GaN、GainN及 AlGainP。該等晶狀半導體不具有相同的晶格參數。因此，在同一基板上生長3個不同的雷射二極體非常具有挑戰性。該等問題亦限制使用玻璃、塑膠及紙等多功能基板。另外，用於製造緊湊型系統之習知RGB雷射二極體的組裝受到連接器的使用及不同的驅動條件的限制，這會極大地限制晶片及要求高解析度之微顯示器的積體密度。
例如，AlGalnP系及InGaN系LD兩種在一個基板上的積體可以如下實現：藉由黏結接合及化學濕式蝕刻製程，以單石方式集成綠色及紅色發光的帶隙能量不同的兩種材料。為了實現晶片的最終小型化，關鍵在於利用常規製造製程，以單石方式組裝光電裝置。
( 本發明 )
藉由使用有機半導體，能夠解決無機半導體固有的問題。實際上，若使用有機半導體，則可以在玻璃、塑膠甚至為紙等各種基板上製造高密度單石電路。
該有趣的特徵出於如下原因：有機半導體為非晶質且無需為晶狀。另外，有機半導體能夠藉由噴墨印製及熱蒸發等適於大量生產之簡單的技術進行沉積。
本發明的第一態樣提供一種元件，其包含基板及在不同波長下發光之至少2個光泵有機固態雷射器(OLS)，其中上述至少2個有機固態雷射器在基板上以單石方式製造。
更具體而言，提出了一種在同一基板上，使用相同的製造製程之光泵RGB OSL的單石積體。可以將兩種、三種或更多種顏色(波長)整合在一起。可以使用其他顏色來替代紅色、綠色及藍色，或者除了紅色、綠色及藍色以外，進一步使用其他顏色。
本發明的第一態樣包括以下內容：
[實施形態1-1]在同一基板上製造在不同波長(例如，紅色、綠色及藍色)下發光之有機固態雷射器(單石積體)。
[實施形態1-2]在可撓性基板及透明基板上的單石積體。
[實施形態1-3]製造方法：溶液製程(噴墨、旋塗)及熱蒸發。
在本發明的一些實施形態中，上述OSL結構由以下部分構成： 1.泵源 2.基板 3.光柵 4.增益有機材料(半導體) 5.封裝膠(Encapsulant)
光柵可以位於有機增益材料的上側或位於基板的上側，亦可以位於有機增益材料的下側。在本發明的一實施形態中，從底部依次形成有基板、光柵及有機增益材料。在本發明的一實施形態中，從底部依次形成有基板、有機增益材料及光柵。在本發明的一實施形態中，光柵與有機增益材料接觸。在本發明的一實施形態中，光柵與基板接觸。在一實施形態中，有機材料與光柵接觸，該光柵與基板接觸。
本發明的優點為如下： -藉由單石積體，提高用於實現最終小型化晶片之裝置的積體密度， -使用透明基板及可撓性基板， -適於大量生產之噴墨印製及熱蒸發等簡單的製造製程。 -加速向全有機電子平台(all-organic electronic platform)的發展。
圖1表示根據本發明之光泵單石積體式RGB有機固態雷射器。
(實施例：紅色、綠色及藍色有機固態雷射器的單石積體)
紅色、綠色及藍色表面發射有機固態雷射器(圖1)在同一基板玻璃上，利用針對上述三種顏色的熱蒸發製程來製造。OSL包括一種發射體，該發射體藉由熱蒸發沉積在二階分散式回饋光柵(DFB)之後利用CYTOP及SAPPHIRE蓋封裝。利用電子束微影術及反應離子蝕刻法，在二氧化矽表面上直接蝕刻上述DFB光柵。圖7表示單石積體式紅色、綠色及藍色有機固態雷射器的雷射光譜。藍色、綠色及紅色有機固態雷射器的週期為∧=270、310、380nm，並在λ=470、511、601nm發射雷射光。
(2) 本發明的第二態樣
(技術背景)
電子零件的小型化能夠使智慧型手錶、醫療用手持式顯示器、頭戴式顯示器等智慧型穿戴小型裝置執行智慧型手機的幾乎所有功能。為了實現晶片的最終小型化，關鍵在於利用常規製造製程，以單石方式組裝光電裝置。
在習知無機電子裝置中，對具有不同功能之裝置要求不同的晶狀半導體材料及不同的製造製程。例如，為了在同一基板上組裝不同的裝置(發光二極體、雷射二極體、電晶體等)，不同的晶狀無機材料必須在同一基板上生長。在同一基板上生長不同的晶狀材料具有挑戰性，因為該等具有不同的晶格參數。該等問題限制多功能基板的使用及晶片的積體密度，並且增加製造成本。
藉由使用有機半導體等創新材料，能夠解決無機材料固有的問題。實際上，若使用有機半導體，則可以在玻璃、塑膠甚至為紙等各種基板上製造單石電路。該有趣的特徵出於如下原因：有機半導體為非晶質且無需為晶狀。因此，該等能夠藉由旋塗、噴墨印製及熱蒸發等簡單的技術來進行沉積。另外，對於加速向全有機電子平台的融合(convergence)，有機半導體裝置的單石積體係非常重要的特徵。
目前，諸多電子裝置能夠用有機太陽能電池、有機感測器、有機場效電晶體(OFET)、有機發光二極體(OLED)、有機記憶體及有機雷射器等有機材料製造。OLED及有機光感測器已被商業化，且超過了無機裝置市場。
藉由將OSL集成在全有機電子平台中而能夠在感測及顯示等應用中增加並改善裝置功能。
(本發明)
本發明的第二態樣提供一種元件，其包含基板、光泵有機固態雷射器、有機發光二極體，其中上述有機固態雷射器及上述有機發光二極體在基板上以單石方式製造。
在一些實施形態中，在同一基板上以單石方式集成OSL、OLED及有機光偵測器以驗證以單石方式集成在全有機電子平台中之光泵OSL。
提出了全有機電子平台中的OSL的單石積體。全有機光電系統可以由光泵OSL、OLED、有機太陽能電池、光偵測器、有機場效電晶體、有機記憶體及有機熱電產生器構成。
圖1表示在同一基板上製造之光泵OSL、OLED及有機光偵測器的積體。在該實施形態中，將其在同一基板上製造。上述OLED由夾在2個傳輸層(TL)與2個電極之間的發光有機層構成。上述OLED能夠從頂部或底部發射。上述OSL由分散式回饋光柵(DFB)及增益有機材料構成。上述DFB可以位於基板上或有機增益材料的頂部
上述光偵測器由夾在2個傳輸層(TL)與2個電極之間的活性有機層構成。上述三個裝置在共用基板上製造。
本發明的第二態樣包括以下內容： [實施形態2-1]以單石方式集成有機固態雷射器、有機發光二極體及光偵測器(在同一基板上製造)。 [實施形態2-2]可撓性基板及透明基板上的單石積體。 [實施形態2-3]本發明包括以下組合： [實施形態2-4]OLED+OSL [實施形態2-5]OLED+OSL+有機太陽能電池 [實施形態2-6]OLED+OSL+有機光偵測器 [實施形態2-7]OLED+OSL+有機場效電晶體 [實施形態2-8]OLED+OSL+有機熱偶發電器 [實施形態2-9]OLED+OSL+有機太陽能電池+有機光偵測器+有機場效電晶體+有機熱偶發電器
圖2表示單石積體式OLED、OSL及有機光偵測器。
(實施例：有機雷射器及OLED的單石積體)
藉由真空沉積製備了裝置。首先，藉由超音波處理，使用中性清潔劑對塗佈了100nm厚度的圖案化ITO之玻璃基板進行了清潔。
依次用純淨水、丙酮及異丙醇清潔之後進行了UV-臭氧處理。藉由使用遮罩保護OLED區域進行濺射來沉積SiO2 。在非ITO部分利用電子束微影術及反應離子蝕刻法，在SiO2 層上製造了DFB光柵。然後，利用遮罩對有機層、注入層及金屬電極層進行了真空沉積。該金屬遮罩保護DFB光柵區域(在DFB光柵區域沒有金屬沉積)。使用玻璃蓋及UV硬化環氧樹脂，將裝置封裝在充氮手套箱中。圖8a表示藍色有機固態雷射器的雷射光譜，圖8b表示OLED的電流-電壓曲線，圖8c表示OLED的外部量子效率(EQE)-電流曲線，圖8d表示OLED的電致發光光譜。
(3) 本發明的第三態樣
(技術背景)
對於發光二極體(LED)及有機發光二極體(OLED)等習知技術，在顯示器中使用紅色、綠色及藍色(RGB)雷射器係非常有吸引力的替代方案。受益於極窄的光譜線寬(～0.2 nm)、高亮度及高功率效率，雷射光源提供高色純度，這有助於顯示系統小型化。
使用習知無機發光半導體之RGB雷射二極體技術的關鍵問題在於小型化及大量生產。實際上，紅色、綠色及藍色雷射二極體的增益材料分別為GaN、GainN及 AlGainP。該等晶狀半導體不具有相同的晶格參數。因此，在同一基板上生長3個不同的雷射二極體非常具有挑戰性。該等問題亦限制使用玻璃、塑膠及紙等多功能基板。另外，用於製造緊湊型系統之習知RGB雷射二極體的組裝受到連接器的使用及不同的驅動條件的限制，這會極大地限制晶片及要求高解析度之微顯示器的積體密度。
例如，AlGalnP系及InGaN系LD兩種在1個基板上的積體可以如下實現：藉由黏結接合及化學濕式蝕刻製程，以單石方式集成綠色及紅色發光的帶隙能量不同的兩種材料。為了實現晶片的最終小型化，關鍵在於利用常規製造製程，以單石方式組裝光電裝置。
(本發明)
藉由使用有機半導體，能夠解決無機半導體固有的問題。實際上，若使用有機半導體，則可以在玻璃、塑膠甚至為紙等各種基板上製造高密度單石電路。
該有趣的特徵出於如下原因：有機半導體為非晶質且無需為晶狀。另外，有機半導體能夠藉由噴墨印製及熱蒸發等適於大量生產之簡單的技術進行沉積。
本發明的第三態樣提供一種有機半導體雷射二極體，其依次包含：基板、絕緣光柵、第一電極、有機層及第二電極；以及2個以上不同的有機半導體雷射二極體的單石積體。
本發明的第三態樣包括以下內容： [實施形態3-1]在同一基板上製造了在不同波長(紅色、綠色及藍色)下發光之有機半導體雷射二極體。在該實施形態中，將其在同一基板上製造(單石積體)。上述分散式回饋共振器配置於基板的頂部且在電極的下方。上述單石積體式有機半導體雷射二極體能夠從頂部或底部發射。 [實施形態3-2]上述單石積體式有機半導體雷射二極體可以具有撓性。 [實施形態3-3]上述單石積體式有機半導體雷射二極體可以透明。
本發明的第三態樣提供以下兩種發明構思：
1. 透明電極位於光柵的上側之全新 OSLD 設計
在OSLD的第一個示範[WO 2018/147470 Al]中，使用位於ITO電極的上側(在本發明中為頂部)之絕緣光柵。光柵的作用為產生光回饋。如圖3a所示，在電極頂部製造絕緣光柵非常複雜，這是因為需要完全去除電極頂部的絕緣體以使電荷從電極注入到發光層。如圖3b所示，在本發明中提出之全新OSLD設計中，光柵位於電極的下側(在該實施形態中為下側)。電極位於絕緣光柵的頂部時，電荷載子會從整個裝置區域注入。因此，激子能夠在裝置內部均勻地產生，這會由於激子密度與光學共振模式的重疊而提高增益。
實施光學模擬以設計示於圖4a～圖4d中之OSLD結構。使ITO電極及有機膜的厚度dITO 及dFILM 最優化，以調整共振波長λ0 且增大Q-因子及侷限因子Г。將光學最優化之結果示於表1。圖4a表示DFB共振腔在OSLD1的共振波長下的電場分布，圖4b表示DFB共振腔在OSLD2的共振波長下的電場分布，圖4c表示DFB共振腔在OSLD3的共振波長下的電場分布，圖4d表示DFB共振腔在OSLD4的共振波長下的電場分布。在OSLD1-4中，上述DFB光柵配置於基板的頂部且ITO電極的下方。在OSLD-ref中，上述DFB光柵配置於ITO電極的頂部(先前獲得專利之OSLD，W02018/147470A1)。OSLD1-4顯示出Q-因子及侷限因子均高於OSLD-ref。OSLD4的共振腔顯示出最佳之光學性能。
表1 OSLD的光學及幾何參數
結構 λ0 (nm) Q-因子 Г(%) dITO (nm) dFILM (nm)
OSLD1 480 643 63 100 150
OSLD2 493 642 64 100 200
OSLD3 481 460 65 70 160
OSLD4 485 726 79 70 200
OSLD-ref 483 255 40 100 210
2. 2 個以上不同的有機半導體雷射二極體的單石積體
作為較佳之實施形態，將RGB顏色的單石積體示於圖5。可以將兩種、三種或更多種顏色(波長)整合在一起。可以使用其他顏色來替代紅色、綠色及藍色，或者除了紅色、綠色及藍色以外，進一步使用其他顏色。
上述OSLD結構可以為： 1.頂部發射OSLD結構，其依次由基板、電極、由低折射率材料製成之分散式回饋(DFB)光柵、電子傳輸層、有機增益層、電洞傳輸層及透明或半透明電極構成。 2.底部發射OSLD結構，其依次由基板、電極、由低折射率材料製成之DFB光柵、電洞傳輸層、有機增益層、電子傳輸層及透明或半透明電極構成。
在兩種情況下，上述DFB光柵均能夠配置於基板的同一區域(在該實施形態中為頂部)和ITO電極的一側(在該實施形態中為下方)。例如，以下OSLD結構包括在本發明中： 1.頂部發射OSLD結構，其依次由基板、由低折射率材料製成之分散式回饋(DFB)光柵、透明或半透明電極、電子傳輸層、有機增益層、電洞傳輸層及透明或半透明電極構成。 2.底部發射OSLD結構，其依次由基板、由低折射率材料製成之DFB光柵、透明或半透明電極、電洞傳輸層、有機增益層、電子傳輸層及透明或半透明電極構成。
本發明的第三態樣的優點為如下： -藉由單石積體，提高用於實現最終小型化晶片之裝置的積體密度， -使用可撓性基板， -適於大量生產之噴墨印製及熱蒸發等簡單的製造製程，以及加速向全有機電子平台的發展。
(4) 本發明的第四態樣
(技術背景)
電子零件的小型化能夠使智慧型手錶、醫療用手持式顯示器等智慧型穿戴小型裝置執行智慧型手機的幾乎所有功能。為了實現晶片的最終小型化，關鍵在於利用常規製造製程，以單石方式組裝光電裝置。
相較於習知電子裝置，有機電子裝置具有較低之製造成本、示於大量生產之快速簡便的製造製程，並提供製造具有高度可撓性、折疊性、延伸性及生物相容性之裝置之可能性。藉由分子設計，能夠容易實現具有不同特性及不同發光波長之多功能分子。在無機電子裝置中，顏色不同的發光(LED)二極體及雷射二極體(LD)要求不同的晶狀半導體材料及不同的製造製程腔室。因此，無法在共用基板上製造無機LED及LD的單石積體。
相對於此，藉由有機材料的多功能特性，能夠製造有機雷射器、OLED、有機太陽能電池及光感測器等具有不同光電功能之各種裝置。
實際上，機電子裝置的結構包括在界面層與電極之間積層之有機活性層。該裝置結構係有機電子裝置間的共同特性。因此，若使用有機半導體，則可以在玻璃、塑膠甚至為紙等各種基板上製造單石電路。
該有趣的特徵出於如下原因：有機半導體為非晶質且無需為晶狀。因此，該等能夠藉由旋塗、噴墨印製及熱蒸發等簡單的技術來進行沉積。對於加速向全有機電子平台的融合，有機半導體裝置的單石積體係非常重要的特徵。
目前，諸多電子裝置能夠用有機太陽能電池、有機感測器、有機場效電晶體(OFET)、有機發光二極體(OLED)、有機記憶體及有機雷射器等有機材料製造。OLED及有機光感測器已被商業化，且超過了無機裝置市場。
(本發明)
最近，有機半導體雷射二極體(OSLD)已得到驗證。有趣的是，上述OSLD具有與OLED相似的結構。主要差異在於，OSLD需要共振腔以提供光回饋。因此，OSLD的製造方法可以與OLED技術互換。
本發明的第四態樣提供一種元件，其包含基板及在不同波長下發光之至少2個有機半導體雷射二極體，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體在基板上以單石方式製造。本發明的第四態樣亦提供一種元件，其包含基板、有機半導體雷射二極體、有機發光二極體，其中上述有機半導體雷射二極體及上述有機發光二極體在基板上以單石方式製造。
在一些實施形態中，在同一基板上製造OSLD、OLED及有機光偵測器以驗證單石積體式OSLD、OLED及光偵測器。
本發明的第四態樣包括以下內容： [實施形態4-1]以單石方式集成有機半導體雷射二極體、有機發光二極體及光偵測器(在同一基板上製造)。提出了底部發射偵測器及頂部發射偵測器。分散式回饋共振器能夠配置於基板的上側(例如頂部)及電極的下側(例如下方)。 [實施形態4-2]可撓性和/或透明基板上的單石積體 如圖6a～圖6d所示，由OSLD、OLED及光偵測器構成之有機光電系統在基板上的同一區域，且利用相同的技術。該等圖表示光柵在ITO電極的一側(在該實施形態中為表面)之頂部發射偵測配置及底部發射偵測配置。圖6c、圖6d表示光柵在ITO電極的下側(在該實施形態中為下側)之頂部發射偵測配置及底部發射偵測配置。藉由將光柵配置於ITO電極的下側(在該實施形態中為下側)，增強了注入。
1.頂部發射偵測配置包括(圖6a)： a.頂部發射OLED結構，其依次由基板、電極、電子傳輸層、有機發光層、電洞傳輸層及透明或半透明電極構成。 b.頂部發射OSLD結構，其依次由基板、電極、由低折射率材料製成之分散式回饋(DFB)光柵、電子傳輸層、有機增益層、電洞傳輸層及透明或半透明電極構成。 c.頂部偵測有機光偵測器，其依次由基板、電極、電子傳輸層、活性有機(吸收)層、電洞傳輸層及透明或半透明電極構成。
2.底部發射偵測配置包括(圖6b)： a.底部發射OLED結構，其依次由透明或半透明基板、透明或半透明電極、電洞傳輸層、有機發光層、電子傳輸層及電極構成。 b.底部發射OSLD結構，其依次由透明或半透明基板、透明或半透明電極、由低折射率材料製成之DFB光柵、電洞傳輸層、有機增益層、電子傳輸層及電極構成。 c.底部偵測有機光偵測器，其依次由透明或半透明基板、透明或半透明電極、電洞傳輸層、活性有機(吸收)層、電子傳輸層及電極構成。
3.頂部發射偵測配置包括(圖6c)： a.頂部發射OLED結構，其依次由基板、電極、電子傳輸層、有機發光層、電洞傳輸層及透明或半透明電極構成。 b.頂部發射OSLD結構，其依次由基板、由低折射率材料製成之DFB光柵、電極、電子傳輸層、有機增益層、電洞傳輸層及透明或半透明電極構成。 c.頂部偵測有機光偵測器，其依次由基板、電極、電子傳輸層、活性有機(吸收)層、電洞傳輸層及透明或半透明電極構成。
4.底部發射偵測配置包括(圖6d)： a.底部發射OLED結構，其依次由透明或半透明基板、透明或半透明電極、電洞傳輸層、有機發光層、電子傳輸層及電極構成。 b.底部發射OSLD結構，其依次由透明或半透明基板、由低折射率材料製成之DFB光柵、透明或半透明電極、電洞傳輸層、有機增益層、電子傳輸層及電極構成。 c.底部偵測有機光偵測器，其依次由透明或半透明基板、透明或半透明電極、電洞傳輸層、活性有機(吸收)層、電子傳輸層及電極構成。
本發明包括以下組合： OLED+OSLD OLED+OSLD+有機太陽能電池 OLED+OSLD+有機光偵測器 OLED+OSLD+有機場效電晶體 OLED+OSLD+有機熱偶發電器 OLED+OSLD+有機太陽能電池+有機光偵測器+有機場效電晶體+有機熱偶發電器
本發明的實施形態
本發明包括以下實施形態： [1]一種元件，其包含基板及在不同波長下發光之至少2個光泵有機固態雷射器，其中上述至少2個有機固態雷射器在基板上以單石方式製造。 [2]如[1]所述之元件，其包含在不同的波長下發光之至少3個有機固態雷射器。 [3]如[2]所述之元件，其包含發出藍光之有機固態雷射器、發出綠光之有機固態雷射器及有發出紅光之機固態雷射器。 [4]如[1]至[3]之任一項所述之元件，其中上述基板具有可撓性。 [5]如[1]至[4]之任一項所述之元件，其中上述基板為透明。 (注)在本發明中，術語 “透明”包括透明及半透明兩種。在本發明中，“透明”基板或“透明”電極的透過率較佳為至少70%，更佳為至少90%，進一步較佳為至少95%，進一步更佳為至少99%。 [6]一種元件的製造方法，其中上述元件包含基板及在不同波長下發光之至少2個光泵有機固態雷射器，上述製造方法包括在基板上以單石方式製造有機固態雷射器之步驟。 [7]如[6]所述之元件的製造方法，其中上述元件包含在不同波長下發光之至少3個有機固態雷射器。 [8]如[7]所述之元件的製造方法，其中上述元件包含發出藍光之有機固態雷射器、發出綠光之有機固態雷射器及發出紅光之有機固態雷射器。 [9]如[6]至[8]之任一項所述之元件的製造方法，其中上述基板具有可撓性。 [10]如[6]至[9]之任一項所述之元件的製造方法，其上述基板為透明。 [11]如[6]至[10]之任一項所述之元件的製造方法，其包括藉由溶液製程在上述基板上以單石方式製造有機固態雷射器之步驟。 [12]如[6]至[10]之任一項所述之元件的製造方法，其包括藉由噴墨製程在上述基板上以單石方式製造有機固態雷射器之步驟。 [13]如[6]至[10]之任一項所述之元件的製造方法，其包括藉由旋塗製程在上述基板上以單石方式製造有機固態雷射器之步驟。 [14]如[6]至[10]之任一項所述之元件的製造方法，其包括藉由熱蒸發製程在上述基板上以單石方式製造有機固態雷射器之步驟。 [15]一種元件，其包含基板、光泵有機固態雷射器、有機發光二極體，其中上述有機固態雷射器及上述有機發光二極體在上述基板上以單石方式製造。 [16]如[15]所述之元件，其包含基板、有機固態雷射器、有機發光二極體及光偵測器，其中在上述基板上以單石方式製造上述有機固態雷射器、上述有機發光二極體及上述光偵測器。 [17]如[15]所述之元件，其包含基板、有機固態雷射器、有機發光二極體及有機太陽能電池，其中在上述基板上以單石方式製造上述有機固態雷射器、上述有機發光二極體及上述有機太陽能電池。 [18]如[15]所述之元件，其包含基板、有機固態雷射器、有機發光二極體及有機場效電晶體，其中在上述基板上以單石方式製造上述有機固態雷射器、上述有機發光二極體及上述有機場效電晶體。 [19]如[15]所述之元件，其包含基板、有機固態雷射器、有機發光二極體及有機熱偶發電器，其中在上述基板上以單石方式製造上述有機固態雷射器、上述有機發光二極體及上述有機熱偶發電器。 [20]如[15]至[19]之任一項所述之元件，其中上述基板具有可撓性。 [21]如[15]至[19]之任一項所述之元件，其中上述基板為透明。 [22一種元件的製造方法，其中上述元件包含基板、光泵有機固態雷射器、有機發光二極體，上述製造方法包括在上述基板上以單石方式製造上述有機固態雷射器及上述有機發光二極體之步驟。 [23]如[22]所述之元件的製造方法，其包括在上述基板上以單石方式製造上述有機固態雷射器、上述有機發光二極體及有機光偵測器之步驟。 [24]如[22]或[23]所述之元件的製造方法，其包括在上述基板上以單石方式製造上述有機固態雷射器、上述有機發光二極體及有機太陽能電池之步驟。 [25]如[22]至[24]之任一項所述之元件的製造方法，其包括在上述基板上以單石方式製造上述有機固態雷射器、上述有機發光二極體及有機場效電晶體之步驟。 [26]如[22]至[25]之任一項所述之元件的製造方法，其包括在上述基板上以單石方式製造上述有機固態雷射器、上述有機發光二極體及有機熱偶發電器之步驟。 [27]如[22]至[26]之任一項所述之元件的製造方法，其中藉由溶液製程整體進行上述製造。 [28]如[22]至[26]之任一項所述之元件的製造方法，其中藉由噴墨製程整體進行上述製造。 [29]如[22]至[26]之任一項所述之元件的製造方法，其中藉由旋塗製程整體進行上述製造。 [30]如[22]至[26]之任一項所述之元件的製造方法，其中藉由熱蒸發製程整體進行上述製造。 [31]一種有機半導體雷射二極體，其依次包含基板、絕緣光柵、第一電極、有機層及第二電極。 [32]如[31]所述之有機半導體雷射二極體，其中上述絕緣光柵與上述第一電極接觸。 [33]如[31]或[32]所述之有機半導體雷射二極體，其中上述絕緣光柵與上述基板接觸。 [34]如[31]至[33]之任一項所述之有機半導體雷射二極體，其中上述第一電極及上述基板為透明。 [35]如[34]所述之有機半導體雷射二極體，其從底部(從第一電極側)發光。 [36]如[31]至[35]之任一項所述之有機半導體雷射二極體，其中上述第二電極為透明。 [37]如[36]所述之有機半導體雷射二極體，其從頂部(從第二電極側)發光。 [38]如[31]至[37]之任一項所述之有機半導體雷射二極體，其中在上述有機層側的上述第一電極的表面未形成有光柵。 [39]如[31]至[38]之任一項所述之有機半導體雷射二極體，其中電荷載子從上述第一電極的表面注入到上述有機層而未受到光柵干擾。 [40]如[31]至[39]之任一項所述之有機半導體雷射二極體，其中藉由調整共振波長並增加Q-因子及侷限因子來對上述第一電極的厚度及上述有機層的厚度進行最優化。 [41]如[31]至[39]之任一項所述之有機半導體雷射二極體，其具有至少450的Q因子。 [42]如[31]至[39]之任一項所述之有機半導體雷射二極體，其具有至少60%的侷限因子。 [43]一種有機半導體雷射二極體的製造方法，其包括： 在基板上或基板上方形成絕緣光柵之步驟； 在上述絕緣光柵上或上述絕緣光柵上方形成第一電極之步驟；及 在上述第一電極上或上述第一電極上方形成有機層並在上述有機層上或上述有機層上方形成第二電極之步驟。 [44]如[43]所述之有機半導體雷射二極體的製造方法，其中上述第一電極直接形成於上述絕緣光柵以用上述第一電極完全覆蓋上述絕緣光柵。 [45]如[43]或[44]所述之有機半導體雷射二極體的製造方法，其中上述絕緣光柵直接形成於上述基板上。 [46]如[43]至[45]之任一項所述之有機半導體雷射二極體的製造方法，其中上述第一電極及上述基板為透明。 [47]如[43]至[46]之任一項所述之有機半導體雷射二極體的製造方法，其中上述第二電極為透明。 [48]如[43]至[47]之任一項所述之有機半導體雷射二極體的製造方法，其中在上述有機層側的上述第一電極的表面未形成有光柵。 [49]如[43]至[48]之任一項所述之有機半導體雷射二極體的製造方法，其中藉由調整共振波長並增加Q-因子及侷限因子來對上述第一電極的厚度及上述有機層的厚度進行最優化。 [50]一種有機半導體雷射二極體，其藉由[43]至[49]之任一項所述之方法製造。 [51]一種元件，其包含基板及在不同波長下發光之至少2個有機半導體雷射二極體，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體在上述基板上以單石方式製造。 [52]如[51]所述之元件，其包含至少3個在不同波長下發光之有機半導體雷射二極體。 [53]如[52]所述之元件，其包含發出藍光之有機半導體雷射二極體、發出綠光之有機半導體雷射二極體及發出紅光之有機半導體雷射二極體。 [54]如[51]至[53]之任一項所述之元件，其中上述基板具有可撓性。 [55]如[51]至[54]之任一項所述之元件，其中上述基板為透明。 [56]如[55]所述之元件，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體從底部發射。 [57]如[56]所述之元件，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體依次包含透明基板、透明第一電極、分散式回饋(DFB)光柵、電洞傳輸層、有機增益層、電子傳輸層及第二電極。 [58]如[56]所述之元件，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體依次包含透明基板、分散式回饋(DFB)光柵、透明第一電極、電洞傳輸層、有機增益層、電子傳輸層及第二電極。 [59]如[51]至[55]所述之元件，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體從頂部發射。 [60]如[59]所述之元件，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體依次包含基板、第一電極、分散式回饋(DFB)光柵、電子傳輸層、有機增益層、電洞傳輸層及透明第二電極。 [61]如[59]所述之元件，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體依次包含基板、分散式回饋(DFB)光柵、第一電極、電子傳輸層、有機增益層、電洞傳輸層及透明第二電極。 [62]如[51]至[61]之任一項所述之元件，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體中的一個以上為[31]至[42]及[50]之任一項所述之有機半導體雷射二極體。 [63]如[51]至[61]之任一項所述之元件，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體全部為[31]至[42]及[50]之任一項所述之有機半導體雷射二極體。 [64]一種元件的製造方法，其中上述元件包含基板及在不同波長下發光之至少2個有機半導體雷射二極體，上述製造方法包括在上述基板上以單石方式製造有機半導體雷射二極體之步驟。 [65]如[64]所述之元件的製造方法，其中上述元件包含在不同波長下發光之至少3個有機半導體雷射二極體。 [66]如[65]所述之元件的製造方法，其中上述元件包含發出藍光之有機半導體雷射二極體、發出綠光之有機半導體雷射二極體及發出紅光之有機半導體雷射二極體。 [67]如[64]至[66]之任一項所述之元件的製造方法，其中上述基板具有可撓性。 [68]如[64]至[67]之任一項所述之元件的製造方法，其中上述基板為透明。 [69]如[64]至[68]之任一項所述之元件的製造方法，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體藉由以下步驟製造： 在上述基板上或基板上方形成絕緣光柵之步驟； 在上述絕緣光柵上或上述絕緣光柵上方形成第一電極之步驟；及 在上述第一電極上或上述第一電極上方形成有機層並在上述有機層上或上述有機層上方形成第二電極之步驟。 [70]如[69]之任一項所述之元件的製造方法，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體藉由[44]至[49]之任一項所述之方法製造。 [71]如[64]至[68]之任一項所述之元件的製造方法，其中上述至少2個有機半導體雷射二極體藉由以下步驟製造： 在上述基板上或基板上方形成第一電極之步驟； 在上述第一電極上或上述第一電極上方形成絕緣光柵之步驟；及 在上述絕緣光柵上或上述絕緣光柵上方形成有機層並在上述有機層上或上述有機層上方形成第二電極之步驟。 [72]如[64]至[71]之任一項所述之元件的製造方法，其包括藉由溶液製程在上述基板上以單石方式製造上述有機半導體雷射二極體之步驟。 [73]如[64]至[71]之任一項所述之元件的製造方法，其包括藉由噴墨製程在上述基板上以單石方式製造上述有機半導體雷射二極體之步驟。 [74]如[64]至[71]之任一項所述之元件的製造方法，其包括藉由旋塗製程在上述基板上以單石方式製造上述有機半導體雷射二極體之步驟。 [75]如[64]至[71]之任一項所述之元件的製造方法，其包括藉由熱蒸發製程在上述基板上以單石方式製造上述有機半導體雷射二極體之步驟。 [76]一種元件，其包含基板、有機半導體雷射二極體、有機發光二極體，其中上述有機半導體雷射二極體及上述有機發光二極體在上述基板上以單石方式製造。 [77]如[76]所述之元件，其包含基板、有機半導體雷射二極體、有機發光二極體及光偵測器，其中上述有機半導體雷射二極體、上述有機發光二極體及上述光偵測器在上述基板上以單石方式製造。 [78]如[76]所述之元件，其包含基板、有機半導體雷射二極體、有機發光二極體及有機太陽能電池，其中上述有機半導體雷射二極體、上述有機發光二極體及上述有機太陽能電池在上述基板上以單石方式製造。 [79]如[76]所述之元件，其包含基板、有機半導體雷射二極體、有機發光二極體及有機場效電晶體，其中上述有機半導體雷射二極體、上述有機發光二極體及上述有機場效電晶體在上述基板上以單石方式製造。 [80]如[76]所述之元件，其包含基板、有機半導體雷射二極體、有機發光二極體及有機熱偶發電器，其中上述有機半導體雷射二極體、上述有機發光二極體及上述有機熱偶發電器在上述基板上以單石方式製造。 [81]如[76]至[80]之任一項所述之元件，其中上述基板具有可撓性。 [82]如[76]至[80]之任一項所述之元件，其中上述基板為透明。 [83]如[82]所述之元件，其中上述有機半導體雷射二極體及上述有機發光二極體從底部發射。 [84]如[83]所述之元件，其中上述有機半導體雷射二極體依次包含透明基板、透明第一電極、分散式回饋(DFB)光柵、電洞傳輸層、有機增益層、電子傳輸層及第二電極。 [85]如[83]所述之元件，其中上述有機半導體雷射二極體依次包含透明基板、分散式回饋(DFB)光柵、透明第一電極、電洞傳輸層、有機增益層、電子傳輸層及第二電極。 [86]如[77]至[82]所述之元件，其中上述有機半導體雷射二極體從頂部發射。 [87]如[86]所述之元件，其中上述有機半導體雷射二極體依次包含基板、第一電極、分散式回饋(DFB)光柵、電子傳輸層、有機增益層、電洞傳輸層及透明第二電極。 [88]如[86]所述之元件，其中上述有機半導體雷射二極體依次包含基板、分散式回饋(DFB)光柵、第一電極、電子傳輸層、有機增益層、電洞傳輸層及透明第二電極。 [89]如[77]至[88]之任一項所述之元件，其中上述有機半導體雷射二極體係[31]至[42]及[50]之任一項所述之有機半導體雷射二極體。 [90]一種元件的製造方法，其中上述元件包含基板、有機半導體雷射二極體、有機發光二極體，上述製造方法包括在上述基板上以單石方式製造上述有機半導體雷射二極體及上述有機發光二極體之步驟。 [91]如[90]所述之元件的製造方法，其包括在上述基板上以單石方式製造上述有機半導體雷射二極體、有機發光二極體及有機光偵測器之步驟。 [92]如[90]或[91]所述之元件的製造方法，其包括在上述基板上以單石方式製造上述有機半導體雷射二極體、上述有機發光二極體及有機太陽能電池之步驟。 [93]如[90]至[92]之任一項所述之元件的製造方法，其包括在上述基板上以單石方式製造上述有機半導體雷射二極體、上述有機發光二極體及有機場效電晶體之步驟。 [94]如[90]至[93]之任一項所述之元件的製造方法，其包括在上述基板上以單石方式製造上述有機半導體雷射二極體、上述有機發光二極體及有機熱偶發電器之步驟。 [95]如[90]至[94]之任一項所述之元件的製造方法，其中上述基板具有可撓性。 [96]如[90]至[95]之任一項所述之元件的製造方法，其中上述基板為透明。 [97]如[90]至[96]之任一項所述之元件的製造方法，其中上述有機半導體雷射二極體藉由以下步驟製造： 在上述基板上或基板上方形成絕緣光柵之步驟； 在上述絕緣光柵上或上述絕緣光柵上方形成第一電極之步驟；及 在上述第一電極上或上述第一電極上方形成有機層並在上述有機層上或上述有機層上方形成第二電極之步驟。 [98]如[97]之任一項所述之元件的製造方法，其中上述有機半導體雷射二極體藉由[44]至[49]之任一項所述之方法製造。 [99]如[90]至[96]之任一項所述之元件的製造方法，其中上述有機半導體雷射二極體藉由以下步驟製造： 在上述基板上或基板上方形成第一電極之步驟； 在上述第一電極上或上述第一電極上方形成絕緣光柵之步驟；及 在上述絕緣光柵上或上述絕緣光柵上方形成有機層並在上述有機層上或上述有機層上方形成第二電極之步驟。 [100]如[90]至[99]之任一項所述之元件的製造方法，其中藉由溶液製程整體進行上述製造。 [101]如[90]至[99]之任一項所述之元件的製造方法，其中藉由噴墨製程整體進行上述製造。 [102]如[90]至[99]之任一項所述之元件的製造方法，其中藉由旋塗製程整體進行上述製造。 [103]如[90]至[99]之任一項所述之元件的製造方法，其中藉由熱蒸發製程整體進行上述製造。
無
圖1表示根據本發明之光泵單石積體式RGB有機固態雷射器。 圖2表示單石積體式光泵有機固態雷射器、OLED及有機光偵測器。 圖3a表示在WO 2018/147470 A1中使用之OSLD的示意圖，圖3b表示本發明的新設計OSLD。 圖4a表示DFB共振腔在OSLD1的共振波長下的電場分布，圖4b表示DFB共振腔在OSLD2的共振波長下的電場分布，圖4c表示DFB共振腔在OSLD3的共振波長下的電場分布，圖4d表示DFB共振腔在OSLD4的共振波長下的電場分布。 圖5表示單石積體式RGB有機半導體雷射二極體的示意圖。 圖6a表示光柵在ITO電極的頂部上之頂部發射偵測配置的單石積體式有機半導體雷射二極體、有機發光二極體及有機光偵測器的示意圖，圖6b表示光柵在ITO電極的頂部上之底部發射偵測配置的單石積體式有機半導體雷射二極體、有機發光二極體及有機光偵測器的示意圖，圖6c表示光柵在ITO電極的下方之頂部發射偵測配置的單石積體式有機半導體雷射二極體、有機發光二極體及有機光偵測器的示意圖，圖6d表示光柵在ITO電極的下方之底部發射偵測配置的單石積體式有機半導體雷射二極體、有機發光二極體及有機光偵測器的示意圖。 圖7表示單石積體式紅色、綠色及藍色有機固態雷射器的雷射光譜。 圖8a表示藍色有機固態雷射器的雷射光譜，圖8b表示OLED的電流-電壓曲線，圖8c表示OLED的外部量子效率(EQE)-電流曲線，圖8d表示OLED的電致發光光譜。

Claims (10)

  1. 一種元件，其係包含基板及至少2個不同的光電裝置，其中該至少2個不同的光電裝置在該基板上以單石方式製造。
  2. 如請求項1之元件，其中 該至少2個不同的光電裝置係在不同波長下發光之至少2個光泵有機固態雷射器。
  3. 如請求項1之元件，其中 該至少2個不同的光電裝置係在不同波長下發光之至少2個有機半導體雷射二極體。
  4. 如請求項1之元件，其中 該至少2個不同的光電裝置係有機固態雷射器及有機發光二極體。
  5. 如請求項1之元件，其中 該至少2個不同的光電裝置包括依次包含基板、絕緣光柵、第一電極、有機層及第二電極之有機固態雷射二極體。
  6. 如請求項1至5中任一項之元件，其中 該至少2個不同的光電裝置包括有機固態雷射二極體，且該元件從其底部發射。
  7. 如請求項1至5中任一項之元件，其中 該至少2個不同的光電裝置包括有機固態雷射二極體，且該元件從其頂部發射。
  8. 一種有機半導體雷射二極體，其係依次包含基板、絕緣光柵、第一電極、有機層及第二電極。
  9. 一種元件的製造方法，其中 該元件包含基板及至少2個不同的光電裝置，該製造方法包括在該基板上以單石方式製造該至少2個不同的光電裝置之步驟。
  10. 如請求項9之方法，其中 該元件包含基板及至少2個不同的光電裝置，該至少2個不同的光電裝置包括有機固態雷射二極體，並且該方法包括在該基板上形成絕緣光柵之步驟及之後形成用於至少2個不同的光電裝置之有機層之步驟。
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