WO2005002010A1 - 有機レーザー装置 - Google Patents

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WO2005002010A1
WO2005002010A1 PCT/JP2004/008810 JP2004008810W WO2005002010A1 WO 2005002010 A1 WO2005002010 A1 WO 2005002010A1 JP 2004008810 W JP2004008810 W JP 2004008810W WO 2005002010 A1 WO2005002010 A1 WO 2005002010A1
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organic compound
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compound layer
electrodes
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PCT/JP2004/008810
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Ryoji Nomura
Hiroko Abe
Mikio Yukawa
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Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd.
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    • H10K50/852—Arrangements for extracting light from the devices comprising a resonant cavity structure, e.g. Bragg reflector pair

Definitions

  • the present invention relates to a laser device using an organic material, and more particularly to a current-excitation type organic laser device.
  • Solid-state lasers have features such as high output, high efficiency, high energy storage, wide wavelength tunability, and small size, and are therefore lasers with a wide range of application fields.
  • semiconductor lasers are characterized by their small size, light weight, and small threshold.
  • Semiconductor lasers using inorganic semiconductors have already been developed and are being put to practical use in various fields.
  • Non-Patent Document 1 summarizes a review of lasers using organic compounds.
  • an organic electroluminescence (EL) element As a typical light emitting element for emitting light from an organic material, an organic electroluminescence (EL) element is known. This element is formed by stacking layers called a hole transport layer, a light emitting layer, and an electron transport layer using an organic material between a pair of electrodes. And Light is emitted by injecting electrons and holes into the light emitting layer by applying a voltage between the electrodes. This light emission can change the wavelength band of light emission depending on the type of material used for the light emitting layer or the kind of guest material to be added, but in any case, the wavelength band is relatively wide (poor color purity). Due to the lack of force directivity, it could not be used as laser light. Furthermore, it is said that conventional organic EL devices cannot pass a high-density current required for laser oscillation.
  • Non-noon literature l Nir ressler, 'Lasers Based on Semiconducting urgamc Materials, Adv. Mater., 1999, 11, p.363-370
  • the present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a laser device that can use current-excitation by using an organic material as a laser medium.
  • the present invention is an organic laser device including an organic compound that emits laser light when a current is injected.
  • a thin film containing an organic compound as a main component and formed between a pair of electrodes is generally referred to as an organic compound layer.
  • the layered structure and the thickness of each layer of the organic compound layer used in the laser device of the present invention are determined in consideration of the wavelength in order to enable emission of laser light.
  • the organic compound layer is formed so as to be sandwiched between a pair of electrodes, and is preferably formed using a plurality of layers having different carrier transport characteristics and emission wavelengths. Further, it is a desirable form to form a so-called resonator structure in which a pair of electrodes are formed via a reflector.
  • a plurality of layers capable of emitting light are formed in the organic compound layer so that laser light can be emitted by passing a current through the organic compound layer formed between the pair of electrodes. It is formed in contact with.
  • a reflector is provided on both or one surface of the organic compound layer between the pair of electrodes, so that it is preferable to form a so-called resonator structure. That is, at least one surface of the organic compound layer is counter-reflected so that a standing wave is formed between the pair of electrodes with respect to light of a specific wavelength emitted from the organic compound layer.
  • Providing a projectile is a preferred form.
  • the thickness of the organic compound layer be 1/2 times (half wavelength) the wavelength of one laser beam or an integer multiple thereof. It is known that the speed of light in a substance is different from that in a vacuum, and the speed of light in a substance is the speed of light in a vacuum multiplied by the refractive index of the substance.
  • the film thickness simply refers to the film thickness of the substance, and the optical film thickness is obtained by multiplying the film thickness of the substance film by its refractive index.
  • the present invention relates to an organic layer having a plurality of emission peaks, and an organic compound layer that emits light having a half width of at least one emission peak of 10
  • the organic compound layer applied to the present invention has a structure in which a hole injection layer, a hole transport layer, a light emitting layer, an electron transport layer, an electron injection layer, and the like are appropriately combined.
  • a layer suitable for hole transport properties such as hole mobility is called a hole injection layer and a hole transport layer
  • a layer suitable for electron transport properties such as electron mobility is called an electron transport layer and an electron injection layer.
  • the force which distinguishes between the hole injection layer and the hole transport layer is the same in the sense that the hole transport property is a particularly important property.
  • the hole injection layer is a layer in contact with the anode, and the layer in contact with the light emitting layer is called a hole transport layer.
  • the layer in contact with the cathode is called an electron injection layer, and the layer in contact with the light emitting layer is called an electron transport layer.
  • the light emitting layer may also serve as an electron transporting layer, and may be called a light emitting electron transporting layer. Further, a hole injection layer, a hole transport layer, an electron injection layer, and the like can also be used as the light emitting layer.
  • the light-emitting layer may be a layer containing a metal complex, an organic dye material, various derivatives, or the like for changing the emission color.
  • an organic compound layer that emits light having a half-width of a peak wavelength of not more than lOnm by current injection is provided between a pair of electrodes, and a change in emission intensity at a light emission peak with respect to current density has a slope.
  • the region with a large slope is the organic laser device that is on the high current density side with respect to the region with a small slope.
  • the present invention is characterized in that a current density (hereinafter, referred to as a threshold) where two linear regions having different slopes are in contact is between 5 mA / cm 2 and 20 mA / cm 2 .
  • the half-width of the emission peak changes by 20% or more before the current density of the current injected into the organic compound layer reaches the threshold value.
  • a laser device that can use an organic material as a laser medium and can excite current can be obtained.
  • the hole mobility is 10- 6 cm 2 / V 'sec or more of, for example 4, 4 Mr. bis [N_ (l_ Naphthyl) -N-phenylamino] biphenyl (hereinafter referred to as ⁇ -NPB), 4, 4 ', 4 "-tris ( ⁇ , ⁇ -diphenylamino) triphenylamine (hereinafter referred to as TDATA), 4, 4-bis [ ⁇ - (3-methylphenyl) - ⁇ -phenylamino] biphenyl (hereinafter referred to as TPD), 4,4 ', 4'tris ( ⁇ -carbazolyl) triphenylamine (hereinafter referred to as TCTA) ), Etc.
  • TPD 4-bis [ ⁇ - (3-methylphenyl) - ⁇ -phenylamino] biphenyl
  • TCTA 4,4 ', 4'tris ( ⁇ -carbazolyl) triphenylamine
  • the electron mobility is 10- 8 cm 2 / V 'sec or more to be, for example, tris (8-quinolinolato) aluminum (hereinafter, referred to as Alq) to As represented
  • PBD 2- (4-biphenyl) _5- (4-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazole
  • PBD 1,3_bis Oxazidazole derivatives such as [5_ (p_ tert-butylphenyl) -1, 3,4_oxaziazinolene_2_yl] benzene
  • ⁇ XD_7 1,3_bis Oxazidazole derivatives
  • TAZ 3- (4-tert-butylphenyl) _4_ (4_ethylphenyl) —5_ (4—biphenyl Triazole
  • first layer and the second layer may be a layer containing an inorganic compound.
  • laser oscillation can be performed by current excitation using an organic material as a laser medium. That is, an organic laser device capable of current excitation can be obtained.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of the embodiment-one device.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of the embodiment-the device.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of the embodiment-one device.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a structure of the embodiment-one device.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the structure of the laser device shown in the sixth embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing the light emission characteristics of the device manufactured in Example 1 and the result of measuring the light emission spectrum by changing the angle of the detector.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the structure of the element manufactured in Example 1.
  • FIG. 9 is a graph showing the emission spectrum of the device produced in Example 1.
  • FIG. 10 is a graph showing (A) voltage vs. current characteristics and (B) voltage vs. emission intensity characteristics of the device produced in Example 1.
  • FIG. 11 is a graph showing the dependence of the emission spectrum of the device prepared in Example 1 on the current density and normalized by the maximum value of the emission intensity.
  • FIG. 12 is a graph showing the emission spectrum of the device produced in Example 1 at a current density of 120 mA / cm 2 .
  • FIG. 13 shows the emission characteristics of the device fabricated in Example 1, where the half-width of the emission peak at 460 nm is the current density.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a structure of a light-emitting element described in Embodiment 7.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the structure of the light emitting device manufactured in Example 2.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating the structure of the light-emitting element manufactured in Example 2 and a light-emitting element of a comparative example.
  • FIG. 17 is a diagram showing the current density dependence of the emission spectrum intensity of the light emitting device manufactured in Example 2 and the light emitting device of the comparative example.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a laminated structure of a light-emitting element of a comparative example.
  • the present inventors thought that there was a problem in the method of measuring the threshold value in the research on the photoexcitation organic laser reported so far.
  • an organic compound in the form of a thin film is irradiated with intense laser light and the resulting fluorescence is measured.
  • the fluorescence spectrum is measured while changing the incident energy of the laser beam, and the emission peak intensity with a narrow half width is monitored.
  • the problem with the measurement is that it is based on the assumption that all the incident energy is absorbed by the organic compounds in the film. Actually, laser light transmitted without being absorbed by the organic compound in the thin film and laser light reflected by the film are not considered. Therefore, the energy density required for lasing is considered to be much lower than previously reported.
  • an organic EL device In an organic EL device, a large amount of carriers is supplied to a thin film of an organic compound. When roughly estimated, the number of carriers present in the organic EL device during energization is almost equal to the number of molecules in the device, or the former is large. Therefore, the number of molecules without carriers, that is, molecules in the ground state, may be smaller than those with carriers. If the excited state is generated by the recombination of carriers in this state, the number of molecules in the excited state may possibly be relatively larger than that in the ground state. In other words, it can be expected that a population inversion can be sufficiently created even with a low current flow.
  • a resonator structure may be given to the element.
  • the optical film thickness of the organic compound thin film that functions as a resonator an integral multiple of half a wavelength, laser light can be oscillated by amplifying light by stimulated radiation and resonance generated from the population inversion state. It is expected to be.
  • the present inventors examined in detail the correlation between the current density and the light emission intensity in the low current region with the aim of exploring the possibility of laser oscillation from the organic EL element. As a result, all or a part of the correlation of the light emission intensity with respect to the current density is represented by two straight lines having different slopes, and the area with a large slope is closer to the high current density side than the area with a small slope. It turned out to be located.
  • the present inventors have found that the current density (threshold) at which the two regions come into contact with each other is an extremely small value of several mA / cm 2 and several tens mAZcm 2 . At the same time, it was clarified that the half width of the emission spectrum decreased by about 20% around this threshold. That is, by forming a plurality of layers of a specific organic compound in contact with each other, even a current excitation type laser device using an organic compound as a medium can exhibit the same behavior as a so-called solid laser. could be confirmed.
  • FIG. 1 shows a laser device according to the present embodiment configured by stacking a plurality of layers on a substrate 11.
  • any substrate may be used as long as it has a property of transmitting one laser beam.
  • glass, quartz, transparent plastic, or the like can be used.
  • Reference numeral 12 denotes an anode, which can be a metal, an alloy, an electrically conductive compound, or a mixture thereof, and there is no particular need to consider a work function.
  • the conductive reflector 13 formed on the anode 12 plays a role in injecting holes into the organic compound layer, and the anode 12 only has to make ohmic contact with the conductive reflector 13.
  • a laser beam is output to the substrate 11 side, and therefore, it is preferable that the anode 12 be as transparent as possible. Therefore, when the material of the anode 12 is a metal or an alloy, a metal having a small absorption in the visible light region is used, and is formed as a thin film. It is preferable to make it.
  • a light-transmitting conductive oxide such as ITO (Indium Tin Oxide) or Zn ⁇ (Zinc Oxide), or a light-transmitting conductive nitride such as TiN (Titanium Nitride) can be used.
  • a light-transmitting conductive oxide such as ITO (Indium Tin Oxide) or Zn ⁇ (Zinc Oxide)
  • a light-transmitting conductive nitride such as TiN (Titanium Nitride)
  • TiN Tin Nitride
  • the conductive reflector 13 has a function as an electrode for injecting holes into the organic compound layer, and a function as a reflector for confining light generated in the light emitting layer 16 to form a standing wave. Also have. Therefore, it is preferable to use a material having a small absorption of visible light, a high reflectance and a conductivity as the conductive reflector 13 as the reflector. Also, since it is necessary to inject holes into the organic compound layer here, it is necessary to select a material with a large work function (work function 4. OeV or more). Examples of materials satisfying these conditions include Ag and Pt. Since the laser light is extracted through the conductive reflector 13 functioning as a reflecting mirror, the reflectance is preferably set to about 50% to 95%.
  • An electron injection layer 18 having a function of reducing a barrier and an electron transport layer 17 for efficiently transporting injected electrons to the light emitting layer 16 are included.
  • the injected carriers (holes and electrons) recombine in the light emitting layer 16.
  • the mechanism from the carrier injection, transport, and recombination to light emission is similar to that of a normal organic EL device. Therefore, a material that can be used for a normal organic EL element can be used for each of the functional layers described above. In this embodiment mode, five functional layers are used as the organic compound layer.
  • the present invention is not limited to this, and the number of layers is reduced by performing a plurality of functions in the same layer. It is also possible.
  • a hole injection material for forming the hole injection layer 14 a material having a low ionization potential is used, and is roughly classified into a metal oxide, a low molecular weight organic compound, and a polymer compound.
  • the metal oxide vanadium oxide, molybdenum oxide, ruthenium oxide, aluminum oxide, or the like can be used.
  • low-molecular organic compounds include starburst amines represented by m_MTDATA and metal phthalocyanines. And so on.
  • the polymer compound a conjugated polymer such as polyaniline or a polythiophene derivative can be used.
  • HI-NPB 4,4-bis [N- (l-naphthyl) -N-phenyl-amino] biphenyl
  • TDATA tris (N, N-diphen) (2-amino) triphenylamine
  • polymer material poly (burcarbazole) or the like having a good hole transporting property may be used.
  • Alq 8-quinolinolato aluminum
  • Almq 4_methyl_8-quinolinolato aluminum
  • BeBq Bis (10-hydroxybenzo [] -quinolinato) beryllium
  • BAlq Bis (2_methyl_8_quinolinolato) _ (4-hydroxy-1-biphenylyl) monoaluminum
  • BAlq bis [2_ (2-hydroxyphenyl) -benzoxazolat] zinc
  • Z n bis [2_ (2-hydroxyphenyl) -benzothiazolate] zinc
  • Phosphorescent materials such as tris (phenylvinylidine) iridium complex and tris (benzylideneacetonato) phenanthrene europium complex are also effective.
  • a phosphorescent material has a longer excitation lifetime than a fluorescent material, so it is indispensable for laser oscillation to create population inversion, that is, a state in which the number of molecules in the excited state is larger than that in the ground state. Become easy.
  • a light emitting material may be used as a dopant.
  • a material having a higher ionization potential and a larger band gap than the light emitting material may be used as a host, and a small amount (about 0.001% to 30%) of the above light emitting material may be mixed with the host.
  • a known material can be used for the electron transport layer 17. Specifically, representative of Alq
  • Such a metal complex having a quinoline skeleton or a benzoquinoline skeleton or a mixed ligand complex thereof is preferable.
  • 2- (4-biphenyl) _5- (4-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazole (hereinafter referred to as PBD), 1,3_bis Oxadiazole derivatives such as [5_ (p_tert_butylphenyl) _1,3,4_oxaziazol-2-yl] benzene (hereinafter referred to as OXD-7), 3- (4-tert-butylphenyl) _4_phenyl-5_ ( 4-biphenyl 2,4-triazole (hereinafter referred to as TAZ), 3_ (4_tert_butylphenyl) _4_ (4_ethylphenyl) — 5_ (4-biphenyl) _1,2,4-triazole , PEt
  • an alkali metal salt such as lithium fluoride or cesium bromide, or an alkaline earth metal salt such as fluorinated potassium may be used.
  • a cathode 19 is formed on the electron injection layer 18.
  • the cathode 19 may be made of a metal, an alloy, an electrically conductive compound, a mixture thereof, or the like having a small work function as used in a normal EL element.
  • a force that can be formed using a transition metal containing a rare earth metal can also be formed by lamination with a metal (including an alloy) such as Al, Ag, and ITO.
  • a metal including an alloy
  • the cathode material a metal having a small absorption of visible light and a large reflectance is preferable. Specifically, A1, Mg, or an alloy thereof is preferable. In addition, it is preferable that the reflectance of this cathode is as close to 100% as possible, so that a film thickness that does not allow visible light to pass through is required.
  • the above-described organic material may be formed by applying a wet method, a dry method, a method, or a shift method.
  • a spin coating method, an inkjet method, a dip coating method, a printing method, and the like are suitable.
  • the film can be formed by vacuum evaporation or the like, which can be performed only by dip coating or spin coating.
  • the anode material and the cathode material are formed by a vapor deposition method, a sputtering method, or the like.
  • the most important thing here is the distance between the conductive reflector 13 functioning as a reflector on the anode 12 and the cathode 19.
  • an interval of an integral multiple of a half wavelength is required. Therefore, the organic reflector placed between the conductive reflector 13 and the cathode 19
  • the distance between the conductive reflector 13 and the cathode 19 needs to be set so that the film thickness of the material is multiplied by its refractive index, that is, the optical film thickness is an integral multiple of a half wavelength of the laser light.
  • the optical film thickness needs to be at least 200 nm. Therefore, the distance between the conductive reflector 13 and the cathode 19 is a length obtained by dividing 200 nm by the refractive index of the organic material. .
  • the organic layer must have an optical thickness of at least 40 Onm. Therefore, the distance between the conductive reflector 13 and the cathode 19 is a length obtained by dividing 400 nm by the refractive index of the organic material.
  • the emission wavelength of the organic light emitting material described above mainly exists in the visible light region. Therefore, in order to amplify the visible light defined as 400 nm to 800 nm, the distance between the conductive reflector 13 and the cathode 19, that is, the optical thickness of the functional layer needs to be 200 nm or more.
  • a configuration of a laser device using an anode as a reflecting mirror will be described.
  • a substrate similar to the material described in Embodiment 1 can be used for the substrate 21.
  • An anode 22 is formed on a substrate 21.
  • the anode 22 simultaneously functions as a reflector. Therefore, the anode 22 is formed using a material that absorbs less visible light, has high reflectivity, and has conductivity. Further, since it is necessary to inject holes into the organic compound layer, it is necessary to select a material having a large work function (work function 4. OeV or more). As a material satisfying these conditions, for example, Ag, Pt, or Au can be used.
  • the reflectance is set to about 50% to 90%.
  • the organic compound layer formed on the anode 22 is the same as in Embodiment 1, and the hole injection layer 23, the hole transport layer 24, the light emitting layer 25, the electron transport layer 26, the electron injection layer 27, and the like are appropriately formed. It is formed by stacking.
  • the material described in Embodiment 1 can be used for cathode 28.
  • the distance between the anode 22 and the cathode 28 (that is, the optical film thickness of the organic compound layer) needs to be manufactured so as to satisfy the conditions described in Embodiment 1.
  • an electric current is applied between the electrodes of the organic laser device shown in FIG. 2
  • electrons injected from the cathode 28 and holes injected from the anode 22 are mainly recombined in the light emitting layer 25 to emit light.
  • Part of the light emission obtained here is amplified between the anode 22 and the cathode 28. Therefore, when a current flows at a current density equal to or higher than the threshold value, a population inversion is formed, and the laser oscillates.
  • the laser light is extracted from the anode 22 side.
  • the laser light is observed as a relatively sharp emission stadium centered on the wavelength allowed to be amplified in the resonator structure in the spectrum radiated from the light emitting layer 25.
  • a resonator structure is formed between the anode or a conductive reflector functioning as a reflecting mirror on the anode, and the cathode to amplify light and invert the current by current.
  • the figure shows a configuration in which stimulated radiation based on the formation of the distribution occurs and the laser oscillates.
  • the thickness of the organic compound layer is inevitably increased. This leads directly to an increase in the drive voltage, so that the voltage required to oscillate the laser increases. Therefore, in this embodiment, a configuration of a laser device which can reduce the thickness of an organic compound layer by mounting a reflecting mirror below a transparent electrode and incorporating the transparent electrode itself into a part of a resonator will be described.
  • the substrate 31 has high translucency with respect to oscillating laser light.
  • the materials described in Embodiments 1 and 2 may be used.
  • Reference numeral 32 denotes a reflecting mirror formed on the substrate.
  • a material having a small absorption power S for visible light and a high reflectance Specifically, metals and alloys such as A1, Ag, and Pt are preferable. Alternatively, Ti may be further formed after forming an alloy of A1 and Si. Les ,.
  • a dielectric multilayer film can be used. For example, a dielectric multilayer film in which silicon oxide and titanium oxide are alternately deposited is exemplified. This dielectric multilayer film is formed by vacuum deposition, sputtering, or the like.
  • the thickness of the silicon oxide and the titanium oxide is determined by the wavelength of the light to be resonated, and the light reflectance may be controlled by the number of layers.
  • the reflecting mirror 32 is also a light extraction port, that is, an output mirror, it is preferable to set the reflectance to 50% and 95%.
  • the transparent electrode 33 is formed on the reflecting mirror 32 obtained as described above.
  • a transparent conductive oxide such as IT ⁇ or Zn ⁇ , or a transparent conductive nitride such as TiN can be used.
  • a material having a large work function for example, IT ⁇ or TiN is preferable.
  • the organic compound layer includes a hole injection layer 34, a hole transport layer 35, a light-emitting layer 36, an electron transport layer 37, an electron injection layer 38, and the like, which is similar to the stacked structure of an organic EL element that emits light by passing a current. It is manufactured by applying a method and a material as described in the first embodiment.
  • the thickness of the transparent electrode 33 may be determined in consideration of the following.
  • the average refractive index of the functional layer is n
  • the film thickness is d
  • the refractive index and the film thickness of the transparent electrode are n and d, respectively
  • the wavelength of the light to be emitted is org org ele ele.
  • the optical thickness d is given by equation (1).
  • the average refractive index of the organic compound layer is 1.7
  • the refractive index of the transparent electrode is 2
  • the thickness of the organic compound layer is 100 nm of a standard organic EL device.
  • the thickness of the transparent electrode is 40 nm or 160 nm.
  • the cathode 39 is formed on the device constructed according to such design guidelines.
  • a material as described in Embodiment Mode 1 can be used.
  • the cathode 39 is not used as a reflecting mirror or an output mirror. Therefore, the film may be formed to have a thickness not less than a thickness through which emitted light is not transmitted.
  • the electrons injected from the cathode 39 and the holes injected from the transparent electrode 33 are recombined mainly in the light emitting layer 36 and light is emitted. .
  • Part of the light emission obtained here is amplified between the reflector 32 and the cathode 39. Therefore, when a current is passed at a current density equal to or higher than the threshold, a population inversion is formed, and the laser is oscillated.
  • the laser light is extracted from the anode 33 side. The laser light is observed as a relatively sharp emission spectrum peak, centered on the wavelength allowed to be amplified in the resonator structure in the spectrum emitted from the light emitting layer 36.
  • Embodiments 1 to 3 the configuration in which laser light is extracted from the substrate side, that is, from the anode side, has been described.
  • the substrate is located above the anode with respect to the substrate, that is, from the cathode side (element top surface).
  • the configuration of a laser device for extracting laser light will be described.
  • reference numeral 41 denotes a substrate, and a material is not particularly selected. Not only glass, quartz, and plastic but also flexible substrates such as paper and cloth can be used. Of course, it doesn't have to be transparent.
  • Reference numeral 42 denotes an anode. It functions to inject holes into the organic compound layer and as a reflector. Therefore, it is necessary to select a material that has low absorption of visible light, high reflectance, and high work function (work function 4. OeV or more). As a material satisfying these conditions, for example, Ag, Pt, or Au can be used. In addition, since this anode is used as a reflecting mirror, it is necessary that the anode has a thickness that is at least a thickness that does not transmit visible light. Specifically, it may be set to several tens nm to several hundreds nm. [0053] A structure similar to that of an organic EL element that emits light by flowing a current can be used on the anode 42.
  • the hole injection layer 43, the hole transport layer 44, the light emitting layer 45, and the electron transport layer 46 are provided.
  • known materials as described in Embodiment Mode 1 may be used.
  • An electron injection layer 47 is usually provided on the electron transport layer 46.
  • As a material for the electron injection layer 47 it is preferable to use an organic compound doped with an alkali metal such as Li or Ce.
  • the organic compound the electron transporting material described in Embodiment 1 can be used in combination.
  • a cathode 48 is formed.
  • a known material as described in Embodiment Mode 1 may be used.
  • the cathode 48 may be formed by directly laminating an MgAg alloy having excellent electron injection properties without providing the electron injection layer 47.
  • the cathode since one laser beam is extracted from the upper surface, the cathode functions as an output mirror. Therefore, the cathode is formed so that the transmittance for the oscillating laser light is 50% -95%.
  • the thickness of the cathode 48 is about 5 nm to 20 nm.
  • the laser device of the present embodiment formed as described above When the laser device of the present embodiment formed as described above is energized, the light emitted from the organic compound layer is amplified by the stimulated radiation and resonates between the cathode and the anode. (Top surface of the element).
  • a reflecting mirror is attached below the transparent electrode, and the transparent electrode itself is incorporated into a part of the resonator to reduce the thickness of the organic compound layer and to increase the upper surface of the substrate.
  • the structure of a laser device capable of oscillating laser light from the side of the pair of electrodes farther from the substrate is shown.
  • reference numeral 51 denotes a substrate, and the material is not particularly limited. Not only glass, quartz, and plastic but also flexible substrates such as paper and cloth can be used. Of course, it doesn't need to be transparent.
  • a reflecting mirror 52 is provided on this substrate 51.
  • the reflector 52 a material having a high reflectance and a low absorption rate of visible light is selected. Specific examples include metals such as Al and Ag, alloys containing these metals as main components, and laminated films of dielectrics such as SiO and TiO.
  • each layer is designed so as to selectively reflect light having a wavelength to be oscillated.
  • a number of layers necessary for totally reflecting light are stacked.
  • An electrode 53 is provided on the reflecting mirror 52. This electrode 53 allows holes to be injected into the organic compound layer and is transparent. High clarity is required. Therefore, it is preferable to use a transparent electrode such as ITO or TiN.
  • the hole injection layer 54, the hole transport layer 55, the light emitting layer 56, and the electron transport layer 57 are formed.
  • known materials as described in Embodiment Mode 1 may be used.
  • layers other than the layer responsible for light emission can be omitted.
  • An electron injection layer 58 is usually provided on the electron transport layer 57.
  • the material of the electron injection layer 58 it is preferable to use an organic compound doped with an alkali metal such as Li or Ce.
  • the electron transporting material described in Embodiment 1 can be used in combination.
  • the cathode 59 is formed.
  • a known material as described in Embodiment 1 may be used.
  • the cathode 59 may be formed by directly laminating an MgAg alloy having excellent electron injection properties without providing the electron injection layer 58.
  • the cathode 59 functions as an output mirror. Therefore, the cathode is formed so that the transmittance of one oscillating laser beam is 50% -95%.
  • the thickness of the cathode 59 is about 5 nm to 20 nm.
  • the laser device of the present embodiment By energizing the laser device of the present embodiment formed as described above, a part of the light amplified by the induced radiation from the organic compound layer power is applied between the cathode 59 and the electrode 53, ie, between the anode. Resonates and a standing wave is formed. At this time, since the transparent electrode is also included in the resonator, the thickness of the organic compound layer can be reduced accordingly. That is, light emission can be performed at a low voltage, and laser oscillation can be performed at a low voltage.
  • reference numeral 61 denotes a substrate, the material of which is not particularly limited. Materials such as those described in Embodiment 5 can be used.
  • An electrode 62 is formed on a substrate 61.
  • the amplification of light by resonance focuses only on the light emission component parallel to the film surface. That is, attention is paid only to the vertical mode, and the resonance of the horizontal mode as shown in Embodiment 15 can be ignored. Therefore, since the transparency and reflectance of the electrode can be ignored, the work function is mainly used. What is necessary is just to select the material of an electrode as a barrel parameter.
  • a metal having a large work function such as Ag, Pt, or Au, or an alloy may be used.
  • a transparent electrode having a large work function such as ITO or Zn, may be used, but an electrode having no transparency is preferable in consideration of the light wraparound in the plane direction.
  • Electrodes 68 are provided on the electron injection layer 67.
  • the work function may be mainly selected as a parameter without having to consider transparency and reflectance. Specifically, a material such as that described in Embodiment 1 is used.
  • the width is usually small even if it is small, and a few hundred ⁇ ⁇ in length. What is important here is the control of multiple vertical modes.
  • the wavelength is usually shorter than the length of the organic compound layer, so that many longitudinal modes are generated. As a result, many longitudinal modes are present within the width of the spectrum shape curve. enter. Therefore, as shown in FIG. 6, a diffraction grating 69 is formed near the light emitting layer.
  • the upper surface of the hole transport layer is not flat, but is formed in a stripe shape to form a diffraction grating.
  • the light generated in the light emitting layer is periodically reflected by the grating interval of the diffraction grating, and is resonated and amplified, and the power S for amplifying the light having high monochromaticity can be obtained.
  • the refractive index of the organic compound layer is n and the wavelength at which oscillation occurs
  • the diffraction grating may be manufactured with a lattice spacing of ( ⁇ / 2 ⁇ ).
  • reference numeral 121 denotes a substrate for supporting the element.
  • substrate 121 There is no particular limitation. Not only glass, quartz, and plastic but also flexible substrates such as paper and cloth can be used.
  • the first electrode 122 is formed on the substrate 121.
  • the first electrode 122 functions as an anode and also functions as a reflector for reflecting emitted light.
  • the first electrode 122 includes two layers (122a and 122b).
  • the first electrode 122a is not particularly limited as long as it is formed of a material having high conductivity.
  • the first electrode 122b is in contact with the first layer 123, injects holes into the first layer 123, and also functions as a reflector. Therefore, in consideration of injecting holes, the first electrode 122b is made of a metal oxide having a high work function such as IT ⁇ or Zn ⁇ , or a metal or alloy such as Ag, Pt, or Au. It is preferable to form it.
  • the work function of the first electrode 122a is not particularly limited because the first electrode 122b is formed of a material having a high work function. Further, the first electrode 122 may have a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers, which need not necessarily be formed of two layers.
  • the first layer 123 formed on the first electrode 122b is a layer for transporting holes and a layer for emitting light.
  • the first layer 123 is preferably formed using a material that has a higher hole-transporting property than an electron, has excellent hole-injecting properties, and has a large energy band gap.
  • the first layer 123 is also a layer that emits light, it is preferable that the first layer 123 be formed using a material having a high quantum yield of light emission. For example, aromatic amines are preferred.
  • NPB N-(2-methylphenyl) -N-phenylamino] -biphenyl
  • TPD 4,4-bis [N- (3-methylphenyl) -N-phenylamino] -biphenyl
  • TCTA Tris (N-carbazolyl) triphenylamine
  • TCTA Tris (N-carbazolyl) triphenylamine
  • a polymer material such as poly (bulcarbazole) which exhibits good hole transport properties may be used.
  • the first layer 123 is a layer having a stacked structure of two or more layers made of the above-described substances instead of a single layer. There may be.
  • a second layer 124 is formed on the first layer 123.
  • the second layer is a layer for transporting electrons.
  • the second layer 124 is preferably formed using a material that has a higher electron-transporting property than a hole and also has an excellent electron-injecting property and a large ionization potential.
  • Oxadiazole derivatives such as PBD, PBD, ⁇ XD-7, triazole derivatives such as TAZ, p-EtTAZ, phenanthroline derivatives such as BPhen and BCP, Described below
  • a substance forming the second layer 124 preferably has a larger band gap and a larger ionization potential than the substance forming the first layer 123. Specifically, it includes phenantophore phosphorus derivatives such as CBP and BCP, and carbazole derivatives.
  • the second layer 124 may be a layer having a stacked structure of two or more layers made of the above-described substances, instead of a single layer.
  • the second electrode 125 is formed on the second layer 124.
  • the second electrode 125 functions not only as a cathode but also as a reflector for reflecting emitted light.
  • the second electrode 125 has two layers (125a and 125b). The second electrode 125a is in contact with the second layer 124 and injects electrons into the second layer 124.
  • the second electrode 125a is made of a typical element of Group 1 or 2; namely, an alkali metal such as Li or Cs, an alkaline earth metal such as Mg, Ca, or Sr, and an alloy containing these (Mg / Ag , Al / Li), and a material having a low work function such as a transition metal containing a rare earth metal.
  • the second electrode 125b functions as a reflector. Therefore, it is preferable to use a metal such as Ag, A1, Mg, or an alloy thereof, which has a small absorption of visible light and a high reflectance. The film thickness is controlled so as to function as a reflector.
  • the work function of the second electrode 125b is not particularly limited because the second electrode 125a is formed of a material having a low work function.
  • the second electrode 125 does not necessarily need to be formed of two layers, and may have a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers.
  • the first layer 123 and the second layer 124 are formed by any of a wet method and a dry method. It does not matter. In the case of a polymer material, a spin coating method, an inkjet method, a dip coating method, a printing method, and the like are suitable. On the other hand, in the case of a low molecular material, a film can be formed by vacuum evaporation or the like, which can be performed only by the dip coating method and the spin coating method.
  • the formation method of the first electrode 122 and the second electrode 125 is not particularly limited, and they are formed by an evaporation method, a sputtering method, or the like.
  • a first layer 123 and a second layer 124 are provided between the first electrode 122 and the second electrode 125 functioning as a reflector, and light emitted from these two layers is provided. Are resonated and amplified. Therefore, the sum of the optical thicknesses of these two layers needs to be an integral multiple of a half wavelength of the emitted light. That is, the distance between the first electrode 122 and the second electrode 125 is a value obtained by dividing the optical film thickness of the first layer 123 and the second layer 124 by the refractive index.
  • a layer provided between the first electrode 122 and the second electrode 125 is a two-layer structure including a first layer 123 and a second layer 124.
  • the present invention is not limited to this, and may have a configuration of three or more layers provided with other functional layers. For example, functions such as an electron injection layer, a hole injection layer, and a hole blocking layer may be provided.
  • the threshold of stimulated emission in the change of the light-emission intensity with respect to the current density has a current density of 200 mA / cm 2 or less. That is, when a current is supplied so as to have a current density equal to or higher than the threshold value, a population inversion state is formed.
  • the threshold is preferably 2 mA / cm 2 to 50 mA / cm 2 in consideration of the durability of the light emitting element.
  • the emission spectrum of the emission mainly has an emission wavelength that can resonate in the light emitting element and has a relatively sharp peak.
  • the light-emitting element can be used, for example, as a laser oscillator, that is, a laser device.
  • FIG. 8 shows an element structure of a sample manufactured in this example.
  • a glass substrate for example, # 1737 glass manufactured by KOJUNG Co., Ltd.
  • An ITO film having a thickness of 100 nm was formed thereon as the anode 101 by a sputtering method.
  • ⁇ -NPB as a hole transport material was formed into a film with a thickness of 135 nm by vacuum evaporation.
  • CBP 4,4 ⁇ , ⁇ dicarbazolebiphenyl
  • Ir a triplet light emitting material
  • tpy acac
  • BCP was formed as a blocking layer and an electron transport layer 104
  • calcium fluoride (CaF) as an electron injection material was formed as an electron injection layer 105
  • A1 was formed as a cathode 106 by vapor deposition to form a sandwich structure.
  • the size of the element may be determined as appropriate, but in the present embodiment, it was set to 2 mm ⁇ 2 mm.
  • each layer formed of an organic material is set for the purpose of amplifying generated light in the organic compound layer. That is, the light emitted from the Ir complex added to the CBP layer or the 4,4'-bis [N_ (1_naphthyl) -N-phenylamino] biphenyl (hereinafter referred to as "hi-NPB") layer
  • hi-NPB 4,4'-bis [N_ (1_naphthyl) -N-phenylamino] biphenyl
  • the film thickness is set to form a standing wave while repeating reflection. Les, prefer to be.
  • the organic materials used in this example those capable of emitting light are an Ir complex and ⁇ - ⁇ . These emit light in the visible light region (400 nm-800 nm).
  • the interval between the reflecting surfaces is an integral multiple of a half wavelength of the standing wave divided by the refractive index of the organic material.
  • the interval between the reflecting surfaces needs to be an integral multiple of 200 nm divided by the refractive index of the organic material. Therefore, assuming that the refractive index of the organic material is 1.7, it is a value obtained by dividing 200 by 1.7, that is, an integer multiple of 120 nm.
  • the total thickness of the heat NPB layer, CBP layer, and BCP layer must be an integral multiple of 120 nm.
  • the total power of the optical film thickness of the _NPB, CBP layer, and BCP layer is 400 nm, 800 nm, 1200 nm, and so on, as an integral multiple of 400 nm. That is a prerequisite.
  • an integral multiple of 240 nm is an essential condition, assuming that the total film thickness is 240, 480, and 720 nm, and the spacing between the reflecting surfaces, i.e., _NPB, CBP layer, BCP
  • the total thickness of the layers is an integral multiple of 240 nm, such as 240 nm, 480 nm, and 720 nm.
  • the optical film thickness of the organic compound layer is set to 270 nm in the organic EL device shown in FIG.
  • the film thickness of the organic EL element is not limited to this.
  • the wavelength of light that can form a standing wave is a wavelength obtained by dividing 920 nm by an integer, and is 460 nm in the visible light region.
  • FIG. 9 shows an emission spectrum of the organic EL device shown in FIG. 8 observed from the substrate surface. Light emission is obtained by applying a DC voltage and flowing a current so that ITO becomes the anode and A1 becomes the cathode.
  • Figure 10 (A) shows the voltage versus current density characteristics. It can be seen that a current of several mA flows when about 20 V is applied. Since the light emitting area of the device is 0.04 cm 2 , the current density is about 100 mAZcm 2 .
  • FIG. 10 (B) shows the voltage versus emission intensity characteristics. The emission intensity was observed from the emission extraction surface (ITO side). Light emission starts at around 6 V, and tens of thousands of candela (Cd) are obtained by applying 24 V.
  • Hi 1 (A) and (B) show emission spectra of the organic EL device shown in FIG. In both spectra, the emission intensity is normalized by the maximum value.
  • FIG. 11 (A) shows the spectrum of surface emission observed from the ITO side.
  • FIG. 11 (B) shows the spectrum of side emission observed by the lateral force of the device.
  • the emission spectrum obtained from the lateral force of the device with respect to the spectrum shown in FIG. 11 ( ⁇ ) has two features as shown in FIG. 11 ( ⁇ ). The first is that the emission spectrum waveforms in the wavelength range of 475 nm to 650 nm are different. Another point is that a sharp emission spectrum is observed around 460 nm. The cause of the former is not clear, but the luminescent status of the latter is It is considered that a standing wave is formed in the organic compound layer of the device, and only light of this wavelength is amplified. In fact, as described above, the wavelength at which a standing wave is allowed at the film thickness of this element is 460 nm.
  • the emission in the 475 nm to 650 nm wavelength band changes in intensity in proportion to the increase in current density, whereas another emission spectrum with a peak near 460 nm has a lower current density.
  • the emission intensity increases even more than the increase. Therefore, in the normalized FIG. 11B, only the emission at 460 nm is relatively increased.
  • FIG. 13 is a diagram in which the emission intensity of light having a wavelength of 460 nm is plotted with respect to the current density.
  • FIG. 13 (A) shows the light emission intensity of the organic EL device shown in FIG. B) is a measurement of light emitted from the side of the device.
  • the emission intensity increases linearly with the increase in current density.
  • it is not a monotonous increase, but it has been shown that for any emission, there is a threshold at which the slope changes at current densities around 5 mA / cm 2 -10 mA / cm 2 .
  • the current density is lower than the threshold, light emission is caused by spontaneous emission, and when the current density is high, light emission is induced by stimulated emission.
  • FIG. 13 (B) also shows a diagram in which the half-value width of the emission status at an emission peak of 460 nm is plotted against the current density. Until the threshold is reached, the half-width decreases sharply, and at current densities above the threshold, the half-width gradually decreases.
  • FIG. 7 shows the result of examining the measurement angle dependence of the emission angle observed from the side surface of the device. The emission spectrum at each angle is subtracted from the emission spectrum observed from the front. As shown in the figure, the light emission from the side surface of the device was measured by changing the angle in the range of 0 to 61 degrees, but there was no significant change in the emission wavelength and the half width. This can be considered that the decrease in the half bandwidth is not due to the wavelength-dependent refractive index. In other words, It can be said that the emission spectrum is not apparently sharp because only a small portion of the light was selectively focused and observed.
  • Table 1 shows the laser oscillation characteristics of the sample (element) manufactured in this example. This is,
  • the peak wavelength was 462 nm to 464 nm
  • the half width was 10 nm or less
  • the threshold was 10 mA / cm 2 to 12.5 mA / cm 2 .
  • This characteristic is a value measured at room temperature.
  • the device of this example has a resonator structure for light emission near 460 nm, and a standing wave of light of this wavelength is formed. Also, emission at 460 nm shows a threshold for current density. Such behavior is similar to that of a so-called solid-state laser. Assuming that this threshold is a threshold at which a so-called population inversion starts, a laser beam oscillates at a current density higher than this.
  • Example 2 is a threshold at which a so-called population inversion starts, a laser beam oscillates at a current density higher than this.
  • An electrode 131 is formed by forming an ITO film on a glass substrate 130. After forming a thin NPB as a first layer 132 on the electrode 131 by vacuum evaporation, CBP and BCP are further formed on the first layer 132 as a second layer 133 (133a, 133b). Films were formed in order. A third layer 134 on top of the second layer 133 After forming calcium oxide, aluminum was further formed as an electrode 135 to obtain a light-emitting element.
  • the thicknesses of the first layer 132 and the second layers 133a and 133b are 100 ⁇ , 30 ⁇ m, and 130 nm, respectively, and the total thickness thereof is 260 nm. This is because the electrode 131 and the third layer 134 each function as a reflector in the light emitting element. As described above, the light emitting element in this embodiment is configured to resonate emitted light.
  • FIG. 16A shows a light emission spectrum of the light emitting element having the structure shown in FIG. Fig. 16 (
  • FIG. 17 shows the change in the light emission intensity with respect to the current density. From FIG. 17, it can be seen that the emission intensity increases linearly with an increase in the current density, but the slope increases with the inflection point (that is, the threshold value) of the current density of 12 mA / cm 2 . This contrast is dominated by the spontaneous emission in the region of small Rere current density than 12 mA / cm 2, those in the region of higher current density than 12 mA / cm 2, which shows what is happening is induced radiation it is conceivable that.
  • a comparative example for the light emitting element having the configuration shown in FIG. 15 will be described.
  • an electrode 141 is formed by depositing ITO on a glass substrate 140.
  • BCP was further formed as a second layer 143 on the first layer 142.
  • calcium fluoride was formed as the third layer 144 on the second layer 143, aluminum was further formed as the electrode 145 to obtain a light-emitting element.
  • the thicknesses of the first layer 142 and the second layer 143 are 100 and 160 nm, respectively, and the total thickness thereof is 260 nm. Note that in the light-emitting element, the electrode 141 and the third layer 144 each function as a reflector.
  • Such a light emitting element in this comparative example is configured to resonate emitted light.
  • FIG. 16B shows an emission spectrum of the light-emitting element having the structure shown in FIG. Fig. 16 (

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Abstract

　本発明は、電流が注入されたときにレーザー光を放射する有機化合物を包含する有機レーザー装置である。本発明のレーザー装置に用いる有機化合物層は、レーザー光の放射を可能とするために、その波長を考慮して積層構造と各層の膜厚が決定される。本発明において、一対の電極間に形成される有機化合物を主成分とする薄膜を総称して有機化合物層と呼ぶこととする。有機化合物層は、一対の電極間に挟まれるように形成されるものであり、好ましくはキャリア輸送特性、発光波長の異なる複数の層を用いて形成される。また、反射体を介して一対の電極が形成された、所謂共振器構造とすることは望ましい形態となる。

Description

明 細 書
有機レーザー装置
技術分野
[0001] 本発明は、有機材料を用いたレーザー装置に関し、特に電流励起型の有機レーザ 一装置に関する。
背景技術
[0002] 固体レーザーは高出力、高効率、高いエネルギー蓄積性、広い波長可変特性、小 型であるなどの特徴を有しており、このため応用分野の広いレーザーである。なかで も半導体レーザーは小型、軽量であり、かつ閾値が小さいなどが大きな特徴である。 すでに無機半導体を用いた半導体レーザーが開発されており、多方面で実用化さ れている。
[0003] 一方、有機化合物を用いてレーザー発振が実現されれば、無機半導体レーザーで は得られない特性をレーザーに付与することができる。例えば材料の柔軟性に基づ いてフレキシブルなレーザーが作製できること、製造プロセスの簡素化やコスト削減 が可能であること、製造プロセスが多様である（蒸着、スピンコート法、印刷法、デイツ プコーティングなどが適用できるなど）などが挙げられる。有機化合物を用いたレーザ 一に関しては非特許文献 1に総説としてまとめられている。
[0004] 有機化合物の光励起によるレーザー発振は、これまでにも多くの例があげられてい る。高い量子収率を持つ蛍光材料を用い、窒素レーザーなどの光励起用のレーザ 一を照射することで、比較的容易にレーザー発振が可能である。しかし、レーザー発 振するために必要なエネルギーは極めて大きぐ数 xj/cm2—数百 zj/cm2のェ ネルギー密度が必要であるとされている。この値は、数十 W/cm2—数千 W/cm2の エネルギー密度であり、仮に lcm四方の素子の場合、数十 Vの電圧で 10A 1000 A程度の電流を流す必要がある。
[0005] 有機材料を発光させる代表的な発光素子として、有機エレクトロルミネセンス (EL) 素子が知られている。この素子は、一対の電極間に有機材料を用いて、ホール輸送 層、発光層、電子輸送層と呼ばれる各層を積層することで形成されている。そして、 電極間に電圧を印加して発光層に電子、ホールを注入することにより発光させるもの である。この発光は、発光層に用レ、る材料または添加するゲスト材料の種類により、 発光の波長帯域を変えることができるが、いずれにしても波長帯域が比較的広く（色 純度が悪く）、し力 指向性がないことから、レーザー光として用いることができなかつ た。さらに、従来の有機 EL素子では、レーザー発振するために必要とされる高密度 の電流を流すことができなレ、とされてレ、る。
非特午文献 l : Nir ressler、 'Lasers Based on Semiconducting urgamc Materials 、 Adv. Mater., 1999、 11、 p.363- 370
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、有機材料をレーザー媒体として 用い、電流励起可能なレーザー装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明は、電流が注入されたときにレーザー光を放射する有機化合物を包含する 有機レーザー装置である。本発明において、一対の電極間に形成される有機化合 物を主成分とする薄膜を総称して有機化合物層と呼ぶこととする。本発明のレーザー 装置に用いる有機化合物層は、レーザー光の放射を可能とするために、その波長を 考慮して積層構造と各層の膜厚が決定される。有機化合物層は、一対の電極間に 挟まれるように形成されるものであり、好ましくはキャリア輸送特性、発光波長の異な る複数の層を用いて形成される。また、反射体を介して一対の電極が形成された、所 謂共振器構造とすることは望ましい形態となる。
[0008] 本発明の有機レーザー装置は、一対の電極間に形成された有機化合物層に電流 を流すことによりレーザー光を放射可能とするように、有機化合物層において発光可 能な複数の層が接して形成されているものである。
[0009] この有機レーザー装置において、一対の電極間において、その有機化合物層の両 方または一方の面には、反射体が備えられ、所謂共振器構造としておくことは好まし い形態となる。すなわち、一対の電極間において、有機化合物層で発光した特定波 長の光に対して定在波を形成するように有機化合物層の少なくとも一方の面には反 射体が備えられていることは好ましい形態となる。さらに有機化合物層の厚さは、レー ザ一光の波長の 1/2倍（半波長）、またはその整数倍とすることが望ましい。なおここ で、物質中の光速は真空中のそれとは異なることが知られており、物質中の光速は 真空中の光速に物質の屈折率を乗じたものである。したがって実際には、有機化合 物中の膜厚に屈折率を乗じた膜厚 (以下、光学膜厚と定義する。すなわち、光学膜 厚 =膜厚 X屈折率）を、レーザー光の半波長の整数倍にしなければならない。以下 、膜厚とは単に物質の膜厚を指し、光学膜厚とは物質の膜の膜厚にその屈折率を乗 じたものである。
[0010] 本発明は、複数の発光ピークを有し、少なくとも一つの発光ピークの半値幅が 10η m以下である光を放射する有機化合物層が、一対の電極間に備えられている有機レ 一ザ一装置である。
[0011] 本発明に適用される有機化合物層は、ホール注入層、ホール輸送層、発光層、電 子輸送層、電子注入層などを適宣組み合わせた構造となっている。この分類におい て、ホール移動度などホール輸送性に適した層をホール注入層、ホール輸送層と呼 び、電子移動度など電子輸送性に適した層を電子輸送層、電子注入層と呼ぶ。なお 、ホール注入層とホール輸送層とを区別して表記している力 これらはホール輸送性 が特に重要な特性である意味において同じである。便宜上区別するために、ホール 注入層は陽極に接する側の層であり、発光層に接する側の層はホール輸送層と呼ん でいる。また、陰極に接する側の層を電子注入層と呼び、発光層に接する側の層を 電子輸送層と呼んでいる。発光層は電子輸送層を兼ねる場合もあり、発光性電子輸 送層と呼ぶこともできる。また、ホール注入層、ホール輸送層、電子注入層なども、発 光層と兼用することができる。また、発光層には、発光色を変化させるために金属錯 体や、もしくは有機色素材料、各種誘導体などを含ませたものが適用可能である。
[0012] このような有機化合物層の積層構造を適用した場合、陰極から注入された電子と、 陽極から注入されたホールが発光層で再結合して励起子を形成し、その励起子が基 底状態に戻る時に光を放出する、所謂エレクトロルミネセンスにより発光が得られる。 本発明では、電流注入により発光層で発光する光の波長帯域よりも短波長側であつ て、ピーク波長の半値幅が lOnm以下である光を放射するように、発光層に接してホ ール輸送層を形成することにより、レーザー光を発現させることも可能としている。
[0013] 本発明は、電流注入によりピーク波長の半値幅が lOnm以下である光を放射する 有機化合物層が一対の電極間に備えられ、電流密度に対する発光ピークでの発光 強度の変化が、傾きの異なる二つの線形領域で区分可能であり、傾きの大きい領域 は、傾きの小さい領域に対して高電流密度側にある有機レーザー装置である。特に 、本発明では、傾きの異なる二つの線形領域が接する電流密度（以下、閾値と記す） が、 5mA/ cm2 20mA/ cm2の間にあることを特徴としている。また、有機化合物 層に注入する電流の電流密度が閾値に達するまでに、発光ピークの半値幅が 20% 以上変化することを特徴としているものである。
[0014] 上記した本発明の構成により、有機材料をレーザー媒体として用レ、、電流励起可能 なレーザー装置を得ることができる。
[0015] ここで、有機化合物層の第 1の層を構成する物質としては、正孔移動度が 10— 6cm2 /V' sec以上のもの、例えば 4, 4しビス [N_(l_ナフチル)—N—フエ二ルーアミノ]ビ フエニル（以下、 α—NPBと示す）や、 4, 4', 4"—トリス（Ν, Ν—ジフエニルァミノ）トリフ ェニルァミン（以下、 TDATAと示す）、 4, 4しビス [Ν— (3—メチルフエ二ル）— Ν—フエ ニルァミノ]ビフエニル（以下、 TPDと示す）、 4, 4', 4'しトリス（Ν—カルバゾリル）トリフ ヱニルァミン（以下、 TCTAと示す）などが好ましい。但し、ここに列挙した以外の物質 でも構わない。
[0016] また、第 2の層を構成する物質としては、電子移動度が 10— 8cm2/V' sec以上のも の、例えばトリス（8-キノリノラート）アルミニウム（以下、 Alqと記す）に代表されるよう
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な、キノリン骨格またはべンゾキノリン骨格を有する金属錯体やその混合配位子錯体 などが好ましい。さらに、金属錯体以外にも、 2— (4一ビフヱ二リル )_5— (4一 tert—ブ チルフエ二ル）— 1， 3， 4—ォキサジァゾール（以下、 PBDと示す）、 1， 3_ビス [5_ (p_ tert—ブチルフエ二ル）— 1 , 3, 4_ォキサジァゾ一ノレ _2_ィル]ベンゼン（以下、〇XD _7と示す）などのォキサジァゾール誘導体、 3_ (4_tert_ブチルフエ二ル)— 4—フエ ニル— 5_ (4_ビフヱ二リル）_1 , 2, 4—トリアゾール（以下、 TAZと示す）、 3- (4-tert —ブチルフエニル） _4_ (4_ェチルフエ二ル）— 5_ (4—ビフエ二リル）_1 , 2, 4—トリア ゾール（以下、 p— EtTAZと示す）などのトリァゾール誘導体、バソフヱナント口リン（以 下、 BPhenと示す）、バソキュプロイン（以下、 BCPと示す）などのフエナント口リン誘 導体、 4, 4' -(N-カルバゾリル）ビフエニル（以下、 CBPと記す）を用いることができる 。但し、ここに列挙した以外の物質でも構わない。
[0017] なお、第 1の層と第 2の層とは、いずれか一方または両方が無機化合物を含む層で あってもよレヽ。
発明の効果
[0018] 本発明により、有機材料をレーザ媒体として用いて、電流励起によってレーザ発振を 行うことが可能になる。すなわち、電流励起可能な有機レーザ装置を得ることができ る。
図面の簡単な説明
[0019] [図 1]図 1は、実施の形態 -ザ一装置の構造を説明する断面図である。
[図 2]図 2は、実施の形態 -ザ一装置の構造を説明する断面図である。
[図 3]図 3は、実施の形態 -ザ一装置の構造を説明する断面図である。
[図 4]図 4は、実施の形態 -ザ一装置の構造を説明する断面図である。
[図 5]図 5は、実施の形態 -ザ一装置の構造を説明する断面図である。 園 6]図 6は、実施の形態 6で示すレーザー装置の構造を説明する断面図である。 園 7]図 7は、実施例 1で作製した素子の発光特性であり、検出器の角度を変えて発 光スペクトルを測定した結果を示すグラフである。
園 8]図 8は、実施例 1で作製した素子の構造を説明する図である。
園 9]図 9は、実施例 1で作製した素子の発光スペクトルを示すグラフである。
[図 10]図 10は、実施例 1で作製した素子の (A)電圧対電流特性と、（B)電圧対発光 強度特性を示すグラフである。
[図 11]図 11は、実施例 1で作製した素子の発光スペクトルの電流密度依存性を示し 、発光強度の最大値で規格化したグラフである。
園 12]図 12は、実施例 1で作製した素子の、電流密度 120mA/cm2における発光 スペクトルを示すグラフである。
園 13]図 13は、実施例 1で作製した素子の発光特性であり、 460nmの発光ピークの 半値幅を電流密度 [図 14]図 14は、実施の形態 7で示す発光素子の構造を説明する図である。
[図 15]図 15は、実施例 2で作製した発光素子の構造を説明する図である。
[図 16]図 16は、実施例 2で作製した発光素子及び比較例の発光素子の構造を説明 する図である。
[図 17]図 17は、実施例 2で作製した発光素子および比較例の発光素子における発 光スペクトル強度の電流密度依存性について示す図である。
[図 18]図 18は、比較例の発光素子の積層構造について説明する図である。
発明を実施するための最良の形態
[0020] 本発明者らは、これまで報告されている光励起有機レーザーの研究において、閾 値の測定方法に問題があると考えた。従来、光励起による有機固体レーザーでは、 薄膜状の有機化合物に強いレーザー光を照射し、得られる蛍光を測定している。ここ では、レーザー光の入射エネルギーを変化させながら、蛍光スペクトルを測定してお り、半値幅の狭い発光ピーク強度をモニターする。測定上の問題点とは、入射エネル ギ一は全て膜中の有機化合物によって吸収されているという仮定に基づいている点 である。実際には、薄膜中の有機化合物に吸収されずに透過するレーザー光や、膜 によって反射されるレーザー光は考慮していない。従って、レーザー発振するために 必要なエネルギー密度は、これまで報告されている値よりもかなり小さいものであると 考えられる。
[0021] 有機 EL素子では、有機化合物の薄膜に対して多量のキャリアが供給される。大ま 力、な見積りを行うと、通電中に有機 EL素子に存在するキャリア数と素子中の分子数と はほぼ同等、あるいは前者が多い。従って、キャリアを持たない分子、すなわち基底 状態の分子の数は、キャリアを持った分子よりも少ない可能性がある。この状態でキ ャリアの再結合が起こって励起状態が生成すると、励起状態の分子数は基底状態の 分子数よりも相対的に多い状態を作り出すことができる可能性がある。すなわち、低 電流量の通電でも十分に反転分布を作り出せるものと予想できる。ここで素子に共振 器構造を付与してやれば良い。すなわち、共振器として機能する有機化合物の薄膜 の光学膜厚を半波長の整数倍にすることで、反転分布状態から生じる誘導放射と共 振によって、光が増幅することでレーザーの発振が可能になるものと期待される。 [0022] そこで、本発明者らは、有機 EL素子からのレーザー発振の可能性を探ることを目 的として、低電流領域での電流密度と発光強度との相関関係を詳細に検討した。そ の結果、電流密度に対する発光強度の相関関係の全て、あるいは一部が、傾きの異 なる二つの直線で表され、かつ傾きの大きい領域は、傾きの小さい領域に対して高 電流密度側に位置することが分かった。そして前記二つの領域が接する電流密度（ 閾値）は数 mA/cm2力も数十 mAZcm2という、極めて小さな値であることを見出し た。同時に、この閾値前後で発光スペクトルの半値幅が 20%程度減少することを明 らかにした。すなわち、ある特定の複数の有機化合物の層を接して形成することによ り、有機化合物を媒体とした電流励起型のレーザー装置であっても、所謂固体レー ザ一と同様の挙動を示すことを確認することができた。
[0023] 以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明 は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から 逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易 に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではな レ、。
実施の形態 1
[0024] 本実施の形態では、基板上に電極と有機化合物層を積層したレーザー装置におい て、基板側（陽極側）からレーザー光を取り出すことのできる構造について説明する。 図 1に、基板 11上に複数の層が積層形成されて構成される本実施の形態のレーザ 一装置を示す。本実施の形態では、基板側 11からレーザー光を取り出すので、レー ザ一光に対して透光性を有する基板であればよい。具体的には、ガラス、石英、透明 プラスチックなどを用いることができる。 12は陽極であり、金属、合金、電気導電性化 合物、あるいはこれらの混合物を用いることが可能であり、仕事関数は考慮する必要 性は特にない。これは陽極 12の上に形成される導電性反射体 13が有機化合物層 へのホール注入を担うため、陽極 12は導電性反射体 13とォーミック接触すれば良い ためである。ただし、この構造では基板 11側にレーザー光を出力させるので、陽極 1 2はできるだけ透光性を有することが好ましい。したがって陽極 12の材料が金属や合 金の場合には、可視光領域における吸収が小さい金属を用い、それを薄膜として形 成することが好ましレ、。具体的には、 ITO(Indium Tin Oxide)や Zn〇(Zinc Oxide)などの透光性導電性酸化物、または TiN(Titanium Nitride)などの透光性導電 性窒化物を用いることができる。しかし、これらの材料もある程度は光を吸収するので 、陽極 12は膜厚を lOOnm程度あるいはそれ以下の薄膜とするのが好ましい。
[0025] 導電性反射体 13は有機化合物層へホールを注入するための電極としての機能を 有し、かつ発光層 16で生じる光を閉じ込めて定在波を形成するための反射鏡として の機能も有している。従って、反射鏡として、導電性反射体 13には可視光の吸収が 少なぐ反射率が高ぐかつ導電性を有する材料を使用することが好ましい。また、こ こでは有機化合物層にホールを注入する必要があるため、仕事関数の大きい（仕事 関数 4. OeV以上)材料を選択する必要がある。これらの条件を満たすものとしては、 例えば Agや Ptなどが挙げられる。なお、この反射鏡として機能する導電性反射体 13 を通してレーザー光を取り出すため、反射率は 50%から 95%程度にするのが好まし レ、。
[0026] 有機化合物層には、陽極からのホール注入に優れるホール注入層 14、ホール注 入層 14から発光層 16へホールを効率よく輸送するためのホール輸送層 15、陰極 19 からの電子注入障壁を軽減する機能を有する電子注入層 18、注入された電子を発 光層 16へ効率よく輸送するための電子輸送層 17が含まれている。そして注入された キャリア（ホールと電子）は発光層 16で再結合する。これらのキャリア注入、輸送、再 結合から発光に至る機構は、通常の有機 EL素子と同様である。したがって、通常の 有機 EL素子で用いることができる材料を上述した各機能層で用いることができる。な お、本実施の形態では、有機化合物層として 5つの機能層を用いることとしているが、 本発明はこれに限定されず、複数の機能を同一の層で担うことにより、層の数を減ら すことも可能である。
[0027] ホール注入層 14を形成するホール注入材料としては、イオン化ポテンシャルの小さ な材料が用いられ、大別すると金属酸化物、低分子有機化合物、および高分子系化 合物に分けられる。金属酸化物の例としては、酸化バナジウムや酸化モリブデン、酸 化ルテニウム、酸化アルミニウムなどを用いることができる。低分子有機化合物の例と しては、 m_MTDATAに代表されるスターバースト型ァミンや金属フタロシアニンな どが挙げられる。一方高分子系化合物の一例としては、ポリア二リンやポリチォフェン 誘導体などの共役高分子を用いることができる。これらの材料をホール注入層 14とし て用いることにより、ホール注入障壁が低減し、効率よくホールが注入される。
[0028] ホール輸送層 15としても公知の材料を用いることができ、芳香族ァミンが良い例で ある。例えば 4， 4しビス [N—(l—ナフチル)—N—フエ二ル―ァミノ]ビフエニル（以下、 ひ— NPBと示す）や、 4, 4，， 4，しトリス（N, N—ジフエ二ル―ァミノ）トリフエニルァミン（ 以下、 TDATAと示す）などを用いることができる。また、高分子材料としては良好な ホール輸送性を示すポリ（ビュルカルバゾール）などを用いてもょレ、。
[0029] 発光層 16でも既知の材料が使用可能である。例えばトリス（8—キノリノラト）アルミ二 ゥム（以下、 Alqと示す）、トリス（4_メチル _8—キノリノラト）アルミニウム（以下、 Almq
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と示す）、ビス（10—ヒドロキシベンゾ [ ]—キノリナト）ベリリウム（以下、 BeBqと示す
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)、ビス（2_メチル _8_キノリノラト）_ (4—ヒドロキシ一ビフヱ二リル)一アルミニウム（以下 、 BAlqと示す）、ビス [2_ (2—ヒドロキシフエ二ル)—ベンゾォキサゾラト]亜鉛（以下、 Z n (BOX) と示す）、ビス [2_(2—ヒドロキシフエニル)一べンゾチアゾラト]亜鉛（以下、
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Zn (BTZ) と示す）などの金属錯体の他、各種蛍光色素が有効である。また、白金ォ
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クタェチルポルフイリン錯体ゃトリス（フエ二ルビリジン）イリジウム錯体、トリス（ベンジリ デンァセトナート）フエナントレンユーロピウム錯体などのりん光材料も有効である。特 にりん光材料は蛍光材料と比較して励起寿命が長いため、レーザー発振に不可欠な 、反転分布、すなわち、基底状態にある分子数よりも励起状態にある分子数が多い 状態を作り出すことが容易になる。
[0030] なお、上述した発光層では、発光材料をドーパントとして用いても構わない。すなわ ち、発光材料よりもイオン化ポテンシャルが大きぐかつバンドギャップの大きな材料 をホストとし、これに上述した発光材料を少量 (0. 001 %から 30%程度）混合しても 構わない。
[0031] 電子輸送層 17も公知材料を使用することが可能である。具体的には、 Alqに代表
3 されるような、キノリン骨格またはべンゾキノリン骨格を有する金属錯体やその混合配 位子錯体などが好ましい。さらに、金属錯体以外にも、 2— (4一ビフヱ二リル )_5— (4一 tert—ブチルフエ二ル）— 1 , 3, 4—ォキサジァゾール（以下、 PBDと示す）、 1 , 3_ビス [5_ (p_tert_ブチルフエニル）_1 , 3, 4_ォキサジァゾ一ルー 2 ィル]ベンゼン（以 下、 OXD— 7と示す）などのォキサジァゾール誘導体、 3—（4 tert ブチルフエニル） _4_フエ二ルー 5_ (4—ビフエ二リル 2, 4—トリアゾール（以下、 TAZと示す）、 3_ (4_tert_ブチルフエニル） _4_ (4_ェチルフエ二ル）— 5_ (4—ビフエ二リル）_1， 2, 4 —トリアゾール（以下、 p EtTAZと示す）などのトリァゾール誘導体、バソフヱナント口 リン（以下、 BPhenと示す）、バソキュプロイン（以下、 BCPと示す）などのフエナント口 リン誘導体を用いることができる。
[0032] 電子注入層 18では、フッ化リチウム、臭化セシウムなどのアルカリ金属塩、フッ化力 ルシゥムなどのアルカリ土類金属塩を使用すればよい。電子注入層 18の上に陰極 1 9が形成される。陰極 19は通常の EL素子で用いられるような仕事関数の小さい金属 、合金、電気伝導性化合物、およびこれらの混合物などを用いればよい。具体的に は、 1族または 2族の典型元素、すなわち Liや Cs等のアルカリ金属、および Mg、 Ca 、 Sr等のアルカリ土類金属、およびこれらを含む合金（Mg/Ag、 Al/Li)の他、希土 類金属を含む遷移金属を用いて形成することができる力 Al、 Ag、 ITO等の金属（ 合金を含む）との積層により形成することもできる。ただし、本実施の形態では発光層 から得られる発光を陰極 19と、陽極 12上の反射鏡として機能する導電性反射体 13 との間で共振器構造を形成する必要がある。したがって、陰極材料としては可視光の 吸収が小さぐ反射率の大きな金属が好ましい。具体的には A1や Mg、あるいはこれ らの合金が好ましい。また、この陰極では反射率が限りなく 100%に近いことが好まし レ、ので、可視光が透過しなレ、程度の膜厚は必要である。
[0033] なお、上述した有機材料は、湿式、乾式、レ、ずれの方法を適用して形成しても構わ なレ、。高分子材料の場合では、スピンコート法やインクジェット法、ディップコート法、 印刷法などが適している。一方低分子材料であれば、ディップコート法やスピンコート 法だけでなぐ真空蒸着などによっても成膜される。陽極材料及び陰極材料は、蒸着 法、スパッタリング法等によって形成される。
[0034] ここで最も重要なことは、陽極 12上の反射鏡として機能する導電性反射体 13と陰 極 19の間隔である。定在波を形成して光を増幅させるためには、半波長の整数倍の 間隔が必要である。したがって、導電性反射体 13と陰極 19の間に設置された有機 材料の膜厚とその屈折率を乗じた膜厚、すなわち、光学膜厚がレーザー光の半波長 の整数倍となるように、導電性反射体 13と陰極 19の間隔を設定する必要がある。
[0035] 例えば 400nmの光を増幅させるためには、光学膜厚は少なくとも 200nm必要であり 、したがって導電性反射体 13と陰極 19の間隔は、 200nmを有機材料の屈折率で除 した長さとなる。同様に、 800nmの光を増幅させるためには、有機層は少なくとも 40 Onmの光学膜厚が必要である。したがって、導電性反射体 13と陰極 19の間隔は、 4 OOnmを有機材料の屈折率で除した長さとなる。上述した有機発光材料の発光波長 は、主として可視光領域に存在する。したがって、 400nmカゝら 800nmと定義される 可視光を増幅させるためには、導電性反射体 13と陰極 19の間隔、すなわち機能層 の光学 S莫厚を 200nm以上にする必要がある。
[0036] 図 1に示した有機レーザー装置の電極間に通電することにより、陰極 19から注入さ れた電子と陽極 12から注入されたホールが主として発光層 16で再結合して発光す る。ここで得られた発光の一部は反射鏡として機能する導電性反射体 13と陰極の間 で増幅される。したがって、閾値以上の電流密度で電流を流すことによって反転分布 が形成され、レーザーが発振する。なお、レーザー光は陽極 12側から取り出される。 レーザー光は、発光層 16から放射されるスペクトルの内、共振器構造内で増幅が許 容される波長を中心となり、比較的シャープな発光スペクトルとして観測することがで きる。
実施の形態 2
[0037] 本実施の形態では、陽極を反射鏡として用いるレーザー装置の構成を示す。図 2 において、基板 21は実施の形態 1で示す材料と同様なものを用いることができる。基 板 21の上に陽極 22が形成される。陽極 22は同時に反射鏡としての機能を果たす。 したがって、陽極 22は可視光の吸収が少なぐ反射率が高ぐかつ導電性を有する 材料を使用して形成する。また、有機化合物層にホールを注入する必要があるため 、仕事関数の大きい (仕事関数 4. OeV以上)材料を選択する必要がある。これらの条 件を満たすものとしては、例えば Agや Pt、あるいは Auなどが用いることが可能であ る。なお、この反射鏡として機能する陽極 22を通してレーザー光を取り出すため、反 射率は 50%から 90%程度にするのが好ましい。 [0038] 陽極 22の上に形成する有機化合物層は、実施の形態 1と同様であり、ホール注入 層 23、ホール輸送層 24、発光層 25、電子輸送層 26、電子注入層 27などを適宜積 層して形成する。
[0039] 同様に、陰極 28も実施の形態 1で示す材料を用いることができる。また、陽極 22と 陰極 28との間隔 (すなわち、有機化合物層の光学膜厚）についても、実施の形態 1 で示すような条件を満たすように作製する必要がある。図 2に示した有機レーザー装 置の電極間に通電することにより、陰極 28から注入された電子と陽極 22から注入さ れたホールが主として発光層 25で再結合して発光する。ここで得られた発光の一部 は陽極 22と陰極 28の間で増幅される。したがって、閾値以上の電流密度で電流を 流すことによって反転分布が形成され、レーザーが発振される。なお、レーザー光は 陽極 22側から取り出される。レーザー光は、発光層 25から放射されるスペクトルの内 、共振器構造内で増幅が許容される波長が中心とする、比較的シャープな発光スぺ タトルとして観測される。
実施の形態 3
[0040] 実施の形態 1と 2では、陽極、あるいは陽極上の反射鏡として機能する導電性反射 体と、陰極との間で共振器構造を形成し、光の増幅と、あわせて電流による反転分布 の形成に基づく誘導放射が起こり、レーザーが発振する構成を示している。この場合 、電極間、あるいは導電製反射体と陰極との間で光増幅するため、有機化合物層の 膜厚は必然的に厚くなつてしまう。これは駆動電圧の増大に直接結びつくため、レー ザ一を発振するための電圧が上昇する。そこで本実施の形態では、透明性電極の下 に反射鏡を取り付け、透明性電極自身を共振器の一部に取り込むことによって有機 化合物層の膜厚を小さくできるレーザー装置の構成について示す。
[0041] 図 3では、基板 31側からレーザー光を取り出す構造のため、基板 31は発振するレ 一ザ一光に対して透光性が高い方が望ましい。具体的には、実施の形態 1、 2で示し たような材料を用いればょレ、。
[0042] 32は基板上に形成される反射鏡である。反射鏡 32としては、可視光に対する吸収 力 S小さぐ反射率の高い材料を用いることが好ましい。具体的には、 A1や Ag, Ptなど の金属や合金がよい。あるいは A1と Siの合金を形成した後にさらに Tiを成膜してもよ レ、。あるいは誘電体の多層膜を用いることもできる。例えば酸化ケィ素と酸化チタンを 交互に蒸着した誘電体多層膜などが挙げられる。この誘電体多層膜は真空蒸着、あ るいはスパッタリングなどによって形成される。なお、この場合、酸化ケィ素と酸化チタ ンの膜厚は、共振させる光の波長によって決定され、また、光の反射率も層の数によ つて制御すればよい。本実施の形態のレーザー装置では、この反射鏡 32が光の取り 出し口、すなわち出力鏡でもあるので、反射率は 50% 95%に設定するのが好まし レ、。
[0043] このようにして得られた反射鏡 32の上に、透明電極 33が形成される。透明電極 33 としては、 IT〇や Zn〇、などの透明性導電性酸化物、あるいは TiNなどの透明性導 電性窒化物を用いることができる。ただし、有機化合物層へホール注入を行う必要が あるため、仕事関数の大きいもの、例えば IT〇や TiNなどが好ましい。有機化合物層 はホール注入層 34、ホール輸送層 35、発光層 36、電子輸送層 37、電子注入層 38 などであり、電流を流すことによって発光に至らしめる有機 EL素子の積層構造と同様 であり、実施の形態 1で示すような方法、材料を適用することによって作製される。
[0044] この透明電極 33の膜厚は、以下のように考慮して決定すればよい。いま、機能層の 平均屈折率を n 、膜厚を d 、透明電極の屈折率と膜厚をそれぞれ n 、 d とし、発 org org ele ele 振させる光の波長をえとする。光学膜厚 dは式（1)で与えられる。
[0045] [数 1]
•••(1)
この光学膜厚 dが半波長 整数 (q)倍である必要があるので、式（2)の関係 力 Sある。
[0046] [数 2] = "。rs x ^ + " Xも e
•••(2)
したがって、透明電極の膜厚は、式（3)のように与えられる。
[0047] [数 3]
_ ( ^/2 ) -_«0¾ χ ¾ •••(3)
[0048] 例えば 500nmの光を発振し、有機化合物層の平均屈折率を 1. 7、透明電極の屈 折率を 2、有機化合物層の膜厚が標準的な有機 EL素子の lOOnmとした場合、透明 電極の膜厚は 40nmあるいは 160nmとする。
[0049] このような設計指針で構築された素子上に陰極 39を形成する。陰極 39としては実 施の形態 1で示すような材料を用いることができる。なお、この陰極 39は反射鏡として 用レ、、出力鏡としては用いない。したがって、発光した光が透過しない程度以上の膜 厚で形成すればよい。
[0050] 図 3に示した構成において、電極間に通電することにより、陰極 39から注入された 電子と透明電極 33すなわち陽極から注入されたホールが主として発光層 36で再結 合し発光に至る。ここで得られた発光の一部は反射鏡 32と陰極 39の間で増幅される 。したがって、閾値以上の電流密度で電流を流すことによって反転分布が形成され、 レーザーが発振される。なお、レーザー光は陽極 33側から取り出される。レーザー光 は、発光層 36から放射されるスペクトルの内、共振器構造内で増幅が許容される波 長が中心となり、比較的シャープな発光スペクトルのピークとして観測される。
実施の形態 4
[0051] 実施の形態 1から 3では、基板側、すなわち陽極側からレーザー光を取り出す構成 について示したが、本実施の形態では基板に対して陽極よりも上側、すなわち陰極 側（素子上面）からレーザー光を取り出すレーザー装置の構成について示す。図 4に おいて、 41は基板であり、特に材料は選ばなレ、。ガラスや石英、プラスチックのみな らず、紙や布などの柔軟な基板でも用いることができる。もちろん、透明である必要は ない。
[0052] 42は陽極である。これは有機化合物層にホールを注入するため、ならびに反射鏡 として機能する。したがって、可視光の吸収が少なぐ反射率が高ぐかつ仕事関数 の大きい (仕事関数 4. OeV以上)材料を選択する必要がある。これらの条件を満た すものとしては、例えば Agや Pt、あるいは Auなどが用いることが可能である。なお、 この陽極は反射鏡として用いるため、可視光を透過しない程度以上の膜厚が必要で ある。具体的には、数十 nmから数百 nmとすればよい。 [0053] 陽極 42の上には電流を流すことによって発光に至らしめる有機 EL素子と同様の構 造を用いることができる。つまり、ホール注入層 43、ホール輸送層 44、発光層 45、電 子輸送層 46を設ける。これらは実施の形態 1で示されるような公知の材料を用いれ ばよい。電子輸送層 46の上には通常電子注入層 47を設ける。電子注入層 47の材 料として、 Liや Ceなどのアルカリ金属がドープされた有機化合物を使用するのが好 ましレ、。有機化合物としては、実施の形態 1に示した電子輸送材料を併用することが できる。この後、陰極 48を形成する。陰極 48としては実施の形態 1で示したような公 知材料を用いればよい。あるいは、電子注入層 47を設けず、電子注入性に優れた MgAg合金を直接積層して陰極 48としてもよレ、。なお、この構造では上面からレーザ 一光を取り出すので、陰極は出力鏡として機能する。したがって、発振するレーザー 光に対して透過率が 50 %— 95 %となるように陰極を形成する。例えば Mgと Agとの 合金を材料とする場合は、陰極 48の膜厚は 5nm 20nm程度となる。
[0054] このようにして形成された本実施の形態のレーザー装置に通電することにより有機 化合物層力 発光した光が、誘導放射によって増幅され陰極と陽極の間で共振し、 レーザー光として陰極側（素子上面)から取り出すことができる。
実施の形態 5
[0055] 本実施の形態では、透明性電極の下に反射鏡を取り付け、透明性電極自身を共 振器の一部に取り込むことによって有機化合物層の膜厚を小さくし、かつ基板の上 面（一対の電極のうち、基板からより離れた方の電極側）からレーザー光を発振できる レーザー装置の構造を示す。
[0056] 図 5では、 51は基板であり、材質は特に限定されない。ガラス、石英、プラスチック のみならず、紙や布などの柔軟な基板でも用いることができる。もちろん、透明である 必要はない。この基板 51の上に反射鏡 52を設ける。反射鏡 52としては、反射率が 高ぐ可視光の吸収率が低い材料を選ぶ。具体的には、 Al、 Agなどの金属やこれら の金属を主成分とする合金、あるいは SiOや TiOなどの誘電体の積層膜などがある
2 2
。誘電体の積層膜では、発振させる波長を持った光を選択的に反射するように各層 の膜厚を設計する。また、光を全反射させるに必要な層数だけ積層する。反射鏡 52 の上に電極 53を設ける。この電極 53は有機化合物層にホールが注入でき、かつ透 明性が高いことが要求される。そこで ITOや TiNなどの透明性電極を用いることが好 ましい。
[0057] 電極 53の上には電流を流すことによって発光に至らしめる有機 EL素子と同様の構 造を設ける。つまり、ホール注入層 54、ホール輸送層 55、発光層 56、電子輸送層 5 7を形成する。これらは実施の形態 1で示されるような公知の材料を用いればよい。な お、ホール注入層 54ないし電子輸送層 57の内、発光を担う層以外は省略することも 可能である。電子輸送層 57の上には通常電子注入層 58を設ける。電子注入層 58 の材料として、 Liや Ceなどのアルカリ金属がドープされた有機化合物を使用するの が好ましい。有機化合物としては、実施の形態 1に示した電子輸送材料を併用するこ とができる。この後、陰極 59を形成する。陰極 59としては実施の形態 1で示したような 公知材料を用いればよい。あるいは、電子注入層 58を設けず、電子注入性に優れ た MgAg合金を直接積層し陰極 59としてもよレ、。なお、この構造では上面からレーザ 一光を取り出すので、陰極 59は出力鏡として機能する。したがって、発振するレーザ 一光に対して透過率が 50%— 95%となるように陰極を形成する。例えば Mg/Ag合 金を材料とする場合、陰極 59の膜厚は 5nm— 20nm程度となる。
[0058] このようにして形成された本実施の形態のレーザー装置に通電することにより、有 機化合物層力ら誘導放射によって増幅された光の一部が陰極 59と電極 53すなわち 陽極の間で共振し定在波が形成される。この際、透明性電極も共振器に含まれてい るので、その分有機化合物層の膜厚を小さくすることができる。すなわち、低い電圧 で発光が可能であり、従って、低い電圧でレーザー発振が可能となる。
実施の形態 6
[0059] 本実施の形態では発光素子の端面 (エッジ部分）、すなわち有機化合物層の側面 からレーザー光を取り出すことが可能なレーザー装置の構造を記述する。
[0060] 図 6において、 61は基板であり、材質は特に限定されなレ、。実施の形態 5に示した ような材料を用いることができる。基板 61の上に電極 62が形成される。ここでは、共 振による光の増幅は膜面に対して平行な発光成分のみに着目する。すなわち、縦モ ードのみに着目し、実施の形態 1一 5で示したような横モードの共振は無視することが できる。従って、電極の透明性や反射率は無視することができるので、仕事関数を主 たるパラメータとして電極の材料を選択すればよい。具体的には、 Agや Pt、 Auなど の大きな仕事関数を有する金属、あるいは合金を用いればよい。もちろん、仕事関数 の大きな透明性電極である ITOや Zn〇も用いても良いが、面方向に出る光の回り込 みを考慮すると、透明性のない電極が好ましい。
[0061] 電極 62の上には、電流を流すことによって発光に至らしめる有機 EL素子と同様な 構造を採用する。つまり、ホール注入層 63、ホール輸送層 64、発光層 65、電子輸送 層 66、ならびに電子注入層 67が設けられ、これらは実施の形態 1で示すような方法 、材料を選択することによって作製される。なお、これらの有機化合物層、ならびに前 記電極の膜厚は、効率よく発光するに適切な膜厚を選択すればよい。電子注入層 6 7の上には電極が 68設けられる。材料としては透明性や反射率を考慮する必要はな ぐ主として仕事関数をパラメータとして選択すればよい。具体的には、実施の形態 1 で示したような材料を用いればょレ、。
[0062] なお、本実施の形態では有機化合物層の端面からレーザー発振する。従って、そ の幅は小さくても良ぐ通常幅数/ m、長さ数百 μ ΐηで十分である。ここで重要なこと は、複数の縦モードの制御である。有機化合物層の横方向から発振する場合、通常 有機化合物層の長さよりも波長の方が短いので、多くの縦モードが生じ、その結果、 スペクトル形状曲線の幅の中に何本もの縦モードが入る。そこで図 6に示すように、発 光層付近に回折格子 69を作製する。例えば図 6では、ホール輸送層の上面は平坦 とせず、縞状にして回折格子を形成する。すると、発光層内で発生した光はこの回折 格子の格子間隔によって周期的に反射されて共振 ·増幅され、単色性の高い光を増 幅すること力 Sできる。ここで有機化合物層の屈折率を n、発振させる波長をえとすると 、 ( λ /2η)の格子間隔で回折格子を作製すれば良い。
[0063] このようにすることで、単一の縦モードが実現でき、単色性の良いレーザー光を有機 化合物層の側面から得ることができる。
実施の形態 7
[0064] 本実施の形態では、発光素子の端面（エッジ部分)からレーザ光を取り出すことの できるような構造を有する発光素子について図 14を用いて説明する。
[0065] 図 14において、 121は素子を支持するための基板である。基板 121の材質として 特に限定されるものはない。ガラス、石英、プラスチックのみならず、紙や布などの柔 軟な基板でも用いることができる。
[0066] 基板 121の上には第 1の電極 122が形成されている。第 1の電極 122は陽極として 機能すると共に、発光した光を反射するための反射体としても機能する。本実施の形 態に示す発光素子において第 1の電極 122は二層（122a、 122b)で構成されてい る。第 1の電極 122aは導電性の高いもので形成されていればよぐ特に限定されるも のはない。第 1の電極 122bは第 1の層 123と接し、第 1の層 123へ正孔を注入すると 共に反射体としても機能するものである。従って、正孔を注入することを考慮すれば、 第 1の電極 122bは、 IT〇や Zn〇のような仕事関数が高い金属酸化物、或いは Agや Pt、 Au等の金属または合金などを用いて形成することが好ましい。また、反射体とし ても機能することを考慮すれば、 Agのような可視光の吸収率が低く反射率の高レ、も のを用いて形成することが好ましい。また膜厚については、反射体として機能できるよ うな膜厚に制御されている。なお、第 1の電極 122bが仕事関数の高い材料で形成さ れることから、第 1の電極 122aは仕事関数については特に制限されない。また、第 1 の電極 122は、必ずしも二層で構成される必要はなぐ単層或いは三層以上の積層 構造であってもよい。
[0067] 第 1の電極 122bの上に形成されている第 1の層 123は、正孔を輸送するための層 であると共に、発光する層である。なお本実施の形態の発光素子では、第 1の層 123 は、電子よりも正孔の輸送性が高ぐまた正孔注入性にも優れ、エネルギーバンドギ ヤップの大きいもので形成することが好ましい。また、第 1の層 123は発光する層でも あるため、発光の量子収率の大きな材料で形成することが好ましい。例えば、芳香族 ァミンが好ましい。具体的には、 ひ— NPBや、 TDATA、 4， 4しビス [N— (3—メチル フエ二ル）— N—フエニルァミノ]—ビフエニル（以下、 TPDと示す）、 4， 4', 4"—トリス（N —カルバゾリル）トリフエニルァミン（以下、 TCTAと示す）などを用いることができる。ま た、良好なホール輸送性を示すポリ（ビュルカルバゾール)などの高分子材料を用い てもよレ、。なお、トリフエニルァミン誘導体を用いることは特に好ましい。なお、第 1の 層 123は、単層のみでなぐ上記に示したような物質からなる二層以上の積層構造を 有する層であってもよい。 [0068] 第 1の層 123の上には第 2の層 124が形成されている。第 2の層は、電子を輸送す るための層である。第 2の層 124は、正孔よりも電子の輸送性が高ぐまた電子注入 性にも優れ、イオンィ匕ポテンシャルの大きいものを用いて形成することが好ましい。例 えば、 Alqに代表されるような、キノリン骨格またはべンゾキノリン骨格を有する金属
3
錯体やその混合配位子錯体などを用レ、ることが好ましい。さらに、金属錯体以外にも
、 PBD、〇XD— 7などのォキサジァゾール誘導体、 TAZ、 p— EtTAZなどのトリァゾ ール誘導体、 BPhen、 BCPなどのフエナント口リン誘導体、 4， 4' _ (N—力ルバゾリノレ )ビフヱニル (以下、 CBPと記す）を用いることができる。なお、第 2の層 124を構成す る物質は第 1の層 123を構成する物質よりもバンドギャップが大きぐかつイオンィ匕ポ テンシャルがより大きいものを用いることが好ましい。具体的には、 CBPや BCPなど のフヱナント口リン誘導体や力ルバゾール誘導体などである。なお、第 2の層 124は、 単層のみでなぐ上記に示したような物質からなる二層以上の積層構造を有する層 であってもよい。
[0069] 第 2の層 124の上に第 2の電極 125が形成される。第 2の電極 125は陰極として機 能すると共に、発光した光を反射するための反射体としても機能する。本実施の形態 に示す発光素子にぉレヽて第 2の電極 125は二層（125a、 125b)で構成されてレ、る。 第 2の電極 125aは第 2の層 124と接し、第 2の層 124へ電子を注入するものである。 従って、第 2の電極 125aは、 1族または 2族の典型元素、すなわち Liや Cs等のアル カリ金属、および Mg、 Ca、 Sr等のアルカリ土類金属、およびこれらを含む合金 (Mg/ Ag、 Al/Li)の他、希土類金属を含む遷移金属のような仕事関数の低いもので形成 することが好ましい。また、第 2の電極 125bは、反射体として機能する。従って、 Ag, A1や Mg、またはこれらの合金のような可視光の吸収が小さぐ反射率の大きな金属 を用いて形成することが好ましい。また膜厚については、反射体として機能できるよう な膜厚に制御されている。なお、第 2の電極 125aが仕事関数の低い材料で形成され ることから、第 2の電極 125bは仕事関数については特に制限されなレ、。また、第 2の 電極 125は、必ずしも二層で構成される必要はなぐ単層或いは三層以上の積層構 造であってもよい。
[0070] なお、第 1の層 123や第 2の層 124は、湿式、乾式、いずれの方法を適用して形成 しても構わない。高分子材料の場合では、スピンコート法やインクジェット法、ディップ コート法、印刷法などが適している。一方低分子材料であれば、ディップコート法ゃス ピンコート法だけでなぐ真空蒸着などによっても成膜される。第 1の電極 122、第 2の 電極 125についても形成方法は特に限定されず、蒸着法、スパッタリング法等によつ て形成される。
[0071] 反射体として機能する第 1の電極 122と第 2の電極 125との間には、第一の層 123 と第 2の層 124が設置されており、この二つの層において発光した光が共振、増幅さ れる。したがって、この二つの層の光学膜厚の合計が、発光した光の半波長の整数 倍である必要がある。つまり、第一の電極 122と第 2の電極 125との間隔は、第一の 層 123と第 2の層 124の光学膜厚を屈折率で除した値となる。
[0072] なお、本実施の形態では第 1の電極 122と第 2の電極 125との間に設けられた層は 、第 1の層 123と第 2の層 124との二層で構成されている力 これに限らず、その他の 機能層を設けた三層以上の構成のものとしてもよい。例えば、電子注入層や正孔注 入層、正孔阻止層などの機能を設けても構わない。
[0073] 上記発光素子では、電流密度に対する発光強度の変化において、誘導放出の閾値 を電流密度 200mA/cm2以下の範囲に有するものである。つまり、この閾値以上の 電流密度となるように電流を流した場合に反転分布状態が形成される。なお、閾値は 、発光素子の耐久性を考慮すれば 2mA/ cm2— 50mA/ cm2にあることが好ましレヽ 。当該状態が形成された領域において各々の電極から注入された電子と正孔が再 結合し、発光した光の一部は反射体 (本実施の形態においては第 1の電極および第 2の電極）の間で共振，増幅される。なお、該発光の発光スペクトルは、上記発光素子 内で共振し得る発光波長を主とし、比較的鋭いピークをもつものである。上記発光素 子は、例えばレーザー発振器、即ちレーザー装置として用いることができる。
実施例 1
[0074] 以下、本発明の実施例について説明する。
図 8は本実施例で作製する試料の素子構造を示す。電極や発光層などの被膜を 形成するための基板として、ガラス基板（例えば、コーユング社の #1737ガラス）を用い る。その上に、陽極 101として ITO膜をスパッタリング法で lOOnmの膜厚で形成した [0075] 陽極 101上に、ホール輸送層 102としてホール輸送材料である α— NPBを真空蒸 着により 135nmの膜厚で成膜した。続いて、ホール輸送層 102上に、発光層 103と してホスト材料である 4，4し Ν,Νしジカルバゾールビフエニル（以下、 CBPと記す）と 三重項発光材料であるイリジウム錯体 Ir(tpy) (acac)を共蒸着して、 30nmの膜厚で形 成した。 CBPとイリジウム錯体は重量比で 10:1である。これらの膜上に阻止層兼電子 輸送層 104として BCP、電子注入層 105として電子注入材料であるフッ化カルシウム (CaF )、ならびに陰極 106として A1を蒸着によって成膜してサンドイッチ構造とした
。なお素子の大きさは適宜決定すれば良レ、が、本実施例では 2mm X 2mmとした。
[0076] 有機材料で形成する各層の膜厚は、発生した光を有機化合物層中で増幅する事 を目的として設定している。すなわち、 CBP層中に添加された Ir錯体、または 4， 4' - ビス [N_ (1_ナフチル)—N—フエ二ルーァミノ]ビフヱ二ノレ（以下、 ひ— NPBと記す）層 から発光した光が、 ITOと有機化合物層が接する界面と、 BCP層と CaF層が接する 界面、あるいは CaF層と A1層とが接する界面で、反射を繰り返しながら定在波を形 成するように膜厚を設定することが好ましレ、。
[0077] 本実施例で用いた有機材料のうち、発光可能なものは Ir錯体と α -ΝΡΒである。こ れらは可視光領域 (400nm— 800nm)に発光を示す。定在波を形成するためには 、反射面の間隔が定在波の半波長を有機材料の屈折率で除した数値の整数倍であ ることが必要条件である。例えば、 400nmの光の定在波を形成するためには、反射 面の間隔は 200nmを有機材料の屈折率で除した値の整数倍の長さにすることが必 要である。したがって、有機材料の屈折率を 1. 7と仮定すると、 200を 1. 7で除した 値、つまり、 120nmの整数倍となる。つまり、 ひ— NPB層、 CBP層、 BCP層の膜厚の 合計が 120nmの整数倍になることが必要になる。同様に、 800nmの光の定在波を 形成させるためには、 ひ _NPB、 CBP層、 BCP層の光学膜厚の合計力 400nm、 8 00nm、 1200nmとレ、うように、 400nmの整数倍であることカ必須条件である。屈折 率を 1. 7と仮定すると、膜厚の合計は 240、 480、 720nmとレヽうように、 240nmの整 数倍が必須条件であり、反射面の間隔、すなわちひ _NPB、 CBP層、 BCP層の膜厚 の合計は、 240nm、 480nm、 720nmとレヽうように、 240nmの整数倍となる。 [0078] 本実施例では上述したことを鑑み、図 8で示す有機 EL素子では有機化合物層の 光学膜厚は 270nmと、有機 ELとしては敢えて厚い膜厚に設定しているが、本発明 において有機 EL素子の膜厚はこれに限定されない。図 8で示す有機 EL素子の場合 、有機化合物の屈折率を 1. 7と仮定すると、定在波を形成できる光の波長は 920nm を整数で割った波長であり可視光領域では 460nmとなる。
[0079] 図 9は、図 8で示した有機 EL素子を基板面より観測した発光スペクトルを示す。 IT Oを陽極とし A1を陰極となるように直流電圧を印加して電流を流すことにより発光を得 ている。図 10 (A)は電圧対電流密度特性であり、 20V程度印加することによって数 mAの電流が流れることが分かる。素子の発光面積は 0. 04cm2であるので、電流密 度は lOOmAZcm2程度となる。図 10 (B)は電圧対発光強度特性である。なお、発 光強度は、発光取り出し面（ITO側）から観測している。 6V付近から発光が始まり、 2 4V印加することによって数万カンデラ（Cd)の発光が得られている。
[0080] Hi 1 (A) (B)に、図 8で示した有機 EL素子の発光スペクトルを示す。両スペクトル に於いて、発光強度は最大値で規格化している。図 11 (A)は、 ITO側から観測した 面発光のスペクトルである。一方、図 11 (B)は素子の横方向力 観測した側面発光 のスペクトルである。
[0081] 図 11 (A)では、 475nm— 650nmの波長帯域に強い発光が観測される。この発光 は Ir錯体からの発光に基づくものである。また、 400nm— 475nm付近には別の発光 が観測される。この発光は α -ΝΡΒ層からの発光に基づくものである。この結果は、 キャリア（ホールと電子）は主として CBP層中で再結合して Irからの発光に寄与する 1S 一部のキャリアは α _ΝΡΒ層の中でも再結合していると考察される。この面発光 では、発光強度は電流密度の変化に比例して変化する。したがって、いずれの電流 密度においても、スペクトルは全く同一の形状となり、強度だけが電流密度の増大に 比例して直線的に増大する。
[0082] 図 11 (Α)のスペクトルに対し、素子の側面力 得られる発光スペクトルは図 11 (Β) で示すように二つの特徴を有する。まず一つは、 475nm— 650nmの波長帯域にお ける発光スペクトルの波形が異なる点である。もう一点は 460nm付近に鋭レ、発光ス ぺクトルが観測されることである。前者の原因は明らかでないが、後者の発光スぺタト ルは素子の有機化合物層で定在波が形成され、この波長の光のみが増幅されてレ、 るためと考えられる。実際、上述したように、この素子の膜厚で定在波が許容される波 長は 460nmである。最も特徴的なことは、 475nm— 650nmの波長帯域における発 光は、電流密度の増大に比例して強度が変化するのに対し、 460nm付近にピーク のある別の発光スぺクトノレは電流密度の増大よりもさらに大きく発光強度が増大する 事である。したがって、規格化された図 11 (B)では、 460nmの発光のみが相対的に 増大することになる。
[0083] 以上のことから、図 8で示した有機 EL素子内で 460nmの波長を持つ光は定在波 を形成しているものと考えられる。すなわち、この素子が 460nmの光の共振器として 働き、光を増幅させていると言える。さらに電流密度を増大させ 120mA/cm2とする と、面発光のスペクトル形状は全く変化しないのに対し、 460nmの発光はさらに強度 が増大し、鋭い発光シグナルを与える（図 12)。
[0084] 図 13は、 460nmの波長を持つ光の発光強度を電流密度に対してプロットした図で あり、図 13 (A)は図 8で示した有機 EL素子の面側から、図 13 (B)は素子の側面側 力 放射される光を測定したものである。いずれの特性においても、電流密度の増大 に伴って発光強度は直線的に増大する。し力しながら、それは単調な増加ではなぐ いずれの発光に於いても、電流密度が 5mA/cm2— 10mA/cm2付近でその傾き が変化する閾値があることが示されている。このとき、電流密度が閾値よりも低い場合 には自然放出による発光であり、高い場合には誘導放出により発光しているというこ とができる。
[0085] 図 13 (B)では、発光ピークが 460nmでの発光スぺタトノレの半値幅を電流密度に対 してプロットした図も示している。閾値に達するまでの間、半値幅は急激に減少し、閾 値以上の電流密度では徐々に半値幅が減少する。図 7は、素子の側面から観察され る発光スぺタトノレの測定角度依存性について調べた結果であり、それぞれの角度に おける発光スペクトルから正面から観測される発光スペクトルを引いたものである。同 図に示すように素子の側面からの発光を、角度を 0度から 61度の範囲で変化させて 測定したが、発光波長と半値幅に大きな変化がなかった。このことは、半値幅の減少 は、屈折率が波長に依存するためではないと考察することができる。換言すると、発 光のごく一部の波長のみを選択的に絞って観測したために発光スペクトルが見かけ 上シャープになっているのではないと言える。
[0086] 一方、面側からの発光および側面側からの発光のいずれの場合においても、 475 nm 650nmの発光には閾値を見出すことはできな力、つた。この波長帯域の発光は 、電流密度の増大に伴って直線的に強度が増大し、高電流領域に至ると発光の増 大率が低下する現象を示していた。これは通常の有機 EL素子の典型的な挙動と同 じである。なお、素子の IT〇側力、ら観測される 460nmの発光はいずれの電流密度で もブロードなスペクトルを与えるため、半値幅を求めることができな力、つた。
[0087] 表 1は本実施例で作製した試料 (素子）のレーザー発振特性を示している。これは、
3個の同一の試料について測定した結果を示している力 いずれの場合もピーク波 長は 462nm— 464nm、半値幅は 10nm以下であり、閾値は 10mA/cm2— 12. 5 mA/cm2となっている。なお、この特性は室温において測定された値である。
[0088] (表 1)
作製した素子のレーザー発振挙動
サンプル No. 閾値 ピーク波萇 半値幅
(mA (nm)
1 12.5 464 8.0
2 10.0 462
3 11.0 463 9.1
50 mAycm^ ίこおける半値幅。 [ 60 mA cm に ：おける半値幅。
[0089] 以上の結果から、以下のような結論を導き出すことができる。本実施例の素子では、 4 60nm付近の発光に対して共振器構造を有しており、この波長の光の定在波が形成 される。また、 460nmの発光は電流密度に対して閾値を示す。こうした挙動は、所謂 固体レーザーと同様の挙動である。この閾値が、所謂反転分布が始まった閾値であ るとすると、これよりも大きな電流密度ではレーザー光が発振していることになる。 実施例 2
[0090] 本発明の発光素子、並びにその発光素子の諸特性について説明する。
本実施例で示す発光素子の構造を図 15を用いて説明する。ガラス基板 130上に I TOを成膜して電極 131とする。電極 131上に、第 1の層 132としてひ—NPBを真空 蒸着によって成膜した後、さらに第 1の層 132の上に第 2の層 133 (133a、 133b)と して、 CBPおよび BCPを順に成膜した。第 2の層 133の上に第 3の層 134としてフッ 化カルシウムを成膜した後、さらに電極 135としてアルミニウムを成膜し、発光素子と した。なお、第 1の層 132、第 2の層 133a、 133bの膜厚はそれぞれ、 100應、 30η m、 130nmでありこれらの合計膜厚は 260nmである。これは、上記発光素子におい て電極 131、第 3の層 134がそれぞれ反射体として機能する。このように本実施例に おける発光素子は発光した光を共振できるような構成となっている。
[0091] 図 15で示した構成を有する発光素子の発光スぺクトノレを図 16 (A)に示す。図 16 (
A)から、 465nmに半値幅の狭いピークを有する発光が得られていることが分かる。 また、電流密度に対する発光強度の変化を図 17に示す。図 17から、電流密度の増 加に応じて直線的に発光強度が増大するが、電流密度が 12mA/cm2を屈曲点（つ まり閾値）としてその傾きが大きくなることが分かる。これは 12mA/cm2よりも小さレヽ 電流密度の領域では自然放射が支配的であるのに対し、 12mA/cm2よりも大きい 電流密度の領域では誘導放射が起こっていることを示しているものと考えられる。
[0092] (比較例）
図 15で示した構成を有する発光素子に対する比較例について説明する。 図 18に示すように、ガラス基板 140上に ITOを成膜して電極 141とする。電極 141 上に、第 1の層 142として α -ΝΡΒを真空蒸着によって成膜した後、さらに第 1の層 1 42の上に第 2の層 143として BCPを成膜した。第 2の層 143の上に第 3の層 144とし てフッ化カルシウムを成膜した後、さらに電極 145としてアルミニウムを成膜し、発光 素子とした。なお、第 1の層 142、第 2の層 143の膜厚はそれぞれ、 100、 160nmで ありこれらの合計膜厚は 260nmである。なお、上記発光素子において電極 141、第 3の層 144がそれぞれ反射体として機能する。このような本比較例における発光素子 は発光した光を共振できるような構成となっている。
[0093] 図 18で示した構成を有する発光素子の発光スペクトルを図 16 (B)に示す。図 16 (
B)から、 460nmに半値幅の狭いピークを有する発光が得られていることが分かる。し かし、電流密度に対する発光強度の依存性（図 17)では、電流密度の増加に応じて 直線的に発光強度が増大するが、本発明の図 15で示した構成を有する発光素子に ぉレ、てみられてレ、たような、屈曲点は有してレヽなレ、ことがわかる。

Claims

請求の範囲
[1] 一対の電極と、前記一対の電極間に有機化合物層と、反射体と、を有することを特徴 とする発光装置。
[2] 一対の電極と、前記一対の電極間に有機化合物層と、反射体と、を有し、
前記反射体は、前記有機化合物層の少なくとも一方の面に備えられていることを特 徴とする発光装置。
[3] 一対の電極と、前記一対の電極間に有機化合物層と、反射体と、を有し、
前記反射体は、前記有機化合物層の少なくとも一方の面に備えられており、 前記反射体によって、前記有機化合物層で発光した特定波長を持つ光の定在波が 形成されることを特徴とする発光装置。
[4] 請求項 1乃至 3において、
前記有機化合物層の光学膜厚が、前記有機化合物層で発光した光の波長の半波 長または半波長の整数倍であることを特徴とする発光装置。
[5] 一対の電極と、前記一対の電極間に有機化合物層と、反射体と、を有し、
前記有機化合物層は、複数の発光ピークを有する光を放射し、
前記複数の発光ピークのうち少なくとも一つの発光ピークの半値幅が 10nm以下で あることを特徴とする発光装置。
[6] 一対の電極と、前記一対の電極間に有機化合物層と、反射体と、を有し、
前記反射体は、前記有機化合物層の少なくとも一方の面に備えられており、 前記有機化合物層は、複数の発光ピークを有する光を放射し、
前記複数の発光ピークのうち少なくとも一つの発光ピークの半値幅が 10nm以下で あることを特徴とする発光装置。
[7] 一対の電極と、前記一対の電極間に有機化合物層と、反射体と、を有し、
前記反射体は、前記有機化合物層の少なくとも一方の面に備えられており、 前記有機化合物層は、複数の発光ピークを有する光を放射し、
前記複数の発光ピークのうち少なくとも一つの発光ピークの半値幅が 10nm以下で あり、
前記反射体によって、前記有機化合物層で発光した特定波長を持つ光の定在波が 形成されることを特徴とする発光装置。
[8] 請求項 5乃至 7において、
前記有機化合物層の光学膜厚が、前記有機化合物層から放射された光の波長の半 波長または半波長の整数倍であることを特徴とする発光装置。
[9] 発光層と、
前記発光層に接するホール輸送層と、を有し、
前記ホール輸送層は、電流注入により発光層で発光する光の波長帯域よりも短波長 側であって、ピーク波長の半値幅が 10nm以下の発光ピークを有する光を放射する ことを特徴とする発光装置。
[10] 請求項 9において、
前記発光層に、ドーパントとして金属錯体が含まれてレ、ることを特徴とする発光装置
[11] 請求項 9において、
前記発光層のホスト材料力 4, 4し Ν,Ν'—ジカルバゾーノレービフエニルであり、前記ホ ール輸送層の材料が、 4, 4，一ビス [N_ (l_ナフチル)—Ν—フエ二ルーァミノ]—ビフエ ニルであることを特徴とする発光装置。
[12] 請求項 9において、
前記発光ピークを有する光が、前記電流注入の方向とは交差する方向から放射され ることを特徴とする発光装置。
[13] 一対の電極と、前記一対の電極間に有機化合物層と、を有し、
前記有機化合物層は、電流注入によりピーク波長の半値幅が lOnm以下の発光ピ ークを有する光を放射し、
前記放射された光の発光強度の電流密度に対する変化が、傾きの異なる二つの線 形領域で区分可能であり、
高電流密度側にある線形領域の傾きが、低電流密度側にある線形領域の傾きより大 きレ、ことを特徴とする発光装置。
[14] 一対の電極と、前記一対の電極間に有機化合物層と、を有し、
前記有機化合物層は、電流注入によりピーク波長の半値幅が lOnm以下の発光ピ ークを有する光を放射し、
前記放射された光の発光強度の電流密度に対する変化が、傾きの異なる二つの線 形領域で区分可能であり、
高電流密度側にある線形領域の傾きが、低電流密度側にある線形領域の傾きより大 きぐ
前記傾きの異なる二つの線形領域の閾値が、 5mA/cm2— 20mA/cm2の範囲に あることを特徴とする発光装置。
[15] 請求項 13乃至 14において、
前記有機化合物層に注入する電流の電流密度が、前記閾値に達するまでに、前記 発光ピークの半値幅が 20%以上変化することを特徴とする発光装置。
[16] 請求項 13乃至 14において、
前記発光ピークを有する光が、前記電流注入の方向とは交差する方向から放射され ることを特徴とする発光装置。
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