WO2006018914A1 - 有機半導体レーザ装置および有機エレクトロルミネッセンス装置 - Google Patents

有機半導体レーザ装置および有機エレクトロルミネッセンス装置 Download PDF

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organic semiconductor
layer
substrate
laser device
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Hidetoshi Yamamoto
Takahito Oyamada
Hiroyuki Sasabe
Chihaya Adachi
Hiroki Kasajima
Wataru Yokoyama
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Japan Science And Technology Agency
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/36—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising organic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04252—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the material
    • H01S5/04253—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the material having specific optical properties, e.g. transparent electrodes

Definitions

  • the present invention relates to an organic semiconductor laser device in which an anode and a cathode are arranged with an organic semiconductor laser active layer interposed therebetween, and an organic electoluminescence device in which an anode and a p-beam are arranged with an organic semiconductor light emitting layer interposed therebetween.
  • the structure of the semiconductor laser device is disclosed in, for example, the publication of Japanese Patent Laid-Open No. 20 04- 1 8 6 59 9.
  • the organic semiconductor laser device includes a substrate, an anode layer disposed on the substrate, a light emitting layer disposed on the positive electrode SS, and a negative electrode layer disposed on the light emitting layer. .
  • holes are injected from the positive to the light-emitting layer, and electrons are transmitted from the negative ⁇ to the light-emitting layer, so that holes and electrons recombine in the light-emitting layer and emit light. It is described that light is amplified by being repeatedly reflected on the transversal surface of the positive and light emitting layers and on the transversal surface of the light and il layers and emitted as laser light.
  • ITO indium tin oxide
  • negative layer material 10 ⁇ ⁇ ! Metals such as Mg Ag alloy with a thickness of ⁇ 1 ⁇ m are listed.
  • the transmission loss is large, and the threshold value (ASE threshold value) for generating amplified spontaneous emission (ASE) Will become expensive. Therefore, in actuality, it is difficult to cause ASE oscillation due to the electromotive force from the anode and illuminator.
  • An object of the present invention is to provide an organic semiconductor laser device capable of suppressing laser propagation at the cathode and maintaining a high current 3 ⁇ 4 ⁇ efficiency, thereby enabling a laser oscillation by current excitation to be performed smoothly.
  • Another object of the present invention is to provide an organic semiconductor laser device that can prevent thermal destruction due to a large current ⁇ , and thereby can perform laser oscillation by electromotive force.
  • Still another object of the present invention is to provide an organic electroluminescence device which prevents thermal destruction due to a large current of ⁇ and thereby realizes light emission with high luminance.
  • An organic semiconductor laser device includes an organic semiconductor laser active layer, a first transparent conductive layer, a positive electrode that supplies holes to the organic semiconductor laser active layer, and a self It is stacked on the male semiconductor laser active layer, and includes supplying electrons to the organic semiconductor laser active layer.
  • the cathode comprises a metal-containing thin film having a thickness of less than 10 nm (preferably 3. O nm or less, more preferably 2.5 nm or less), and a second transparent layer laminated on the metal-containing thin film layer. It consists of a laminated structure film with a lot of conductive MS. In this laminated structure film, the ift self-metal-containing thin film layer is arranged more than the second transparent conductive film.
  • the ⁇ that supplies electrons to the semiconductor laser active tt is arranged with a metal-containing thin film layer having a thickness of less than 10 nm on the organic semiconductor laser active '
  • An electron injection barrier to the active layer 1 to the living layer can be relaxed by the metal-containing thin film layer, and the electron injection efficiency can be increased.
  • the threshold and value (ASE threshold, value) for amplified spontaneous emission by current excitation can be reduced, so that it is possible to achieve a configuration that is ⁇ for laser oscillation by current excitation.
  • Transparent refers to the case where the transmittance of light of the emission wavelength of the organic semiconductor laser active layer is 50% or more (more preferably, 80% or more).
  • the “metal-containing thin film layer” is, for example, a thin film layer having a metal content of 0.1% or more, and includes a layer having a metal content of 100% (that is, a metal layer).
  • the second transparent conductor ms enormous Eff laminated on the metal-containing thin Bi is preferably 40 nm or less in order to suppress the light propagation loss in the second transparent conductor, and it is preferably 30 nm or less. More preferably, ⁇ .
  • the thickness of the first transparent conductive film constituting the anode is preferably 40 nm or less, and more preferably 30 nm or less.
  • first and second transparent conductive materials include transparent conductive materials such as ITO (indium tin oxide), IZO (indium zinc oxide) or Zn (zinc oxide).
  • the braided metal-containing thin film layer preferably contains one or more of MgAg alloy, alkali metal and alkaline earth metal. These metals are neo-materials that can relax the electron 3 ⁇ 4 ⁇ emblem to the organic semiconductor laser activity and increase the electron 3 ⁇ 4 ⁇ efficiency.
  • Alkali metals include Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr.
  • Alkali earth metals include Ca, Sr, Ba, and Ra.
  • the metal-containing thin film layer may include a mixture of at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal and a material.
  • the organic substance include BPC (phenanthrene derivative), Bphen (basocuproin derivative), an aluminum quinoline derivative, a triazole derivative, and the like.
  • BPC phenanthrene derivative
  • Bphen basic quinoline derivative
  • a triazole derivative a material that can also relax the electron injection barrier to the organic semiconductor laser 14 and increase the electron injection efficiency.
  • the organic semiconductor laser can be protected from damage when forming the second transparent conductor.
  • the organic semiconductor laser active device includes an electron transport layer that receives electrons from an IfrlE cathode, a hole transport layer that receives holes from an anode, and the electron transport layer and the hole transport layer. It is preferable to include a light-emitting layer disposed between the layers and having a refractive index higher than that of the braided electron transport layer and the hole transport layer.
  • the organic semiconductor laser activity has a double hetero structure in which the light emitting layer is sandwiched between the electron transport layer and the hole transport layer, and the light emitting layer includes the electron transport layer and the hole transport layer. It has a larger refractive index. Therefore, light is confined well in the light emitting layer. As a result, the A S ⁇ threshold can be lowered.
  • the light emitting layer is an organic semiconductor having a higher energy gap of H OMO (highest occupied molecular orbital) and LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) energy than that of the electron transport layer and hole transport layer. f It is preferable that it consists of materials. As a result, the carrier can be efficiently confined in the light emitting layer, so that the A S E threshold value can be further reduced.
  • organic material constituting the electron transport layer examples include metal complexes such as Alq 3 (quinolinol complexes such as 8-hydroxyquinoline aluminum), PBD (2- (4-tert-Butylphenyl) -5- ( 4-biphenyly 1) -1, 3, 4-oxadiazole) and oxaziazole derivatives such as TAZ (1, 2, 4-triazole derivatives), triazole derivatives, and BCP (2, 9-dimethyl-4, 7- Illustrative are phenanthrophylline (electron transport 'hole' Sit materials) such as diphenyl_l, 10-phenanthroline (phenanthrene derivatives) and B phen (vasocuproin).
  • metal complexes such as Alq 3 (quinolinol complexes such as 8-hydroxyquinoline aluminum), PBD (2- (4-tert-Butylphenyl) -5- ( 4-biphenyly 1) -1, 3, 4-oxadiazole) and oxaziazole derivatives
  • the organic material constituting the hole transport layer is one NPD (4,4′-bis [N-naphthyl) -N-phenyl-amino] biphenyl.
  • Low molecular weight allylamin derivative m MTDATA (4 '4, 4, 4 "-tris [3-methylphenyl- (phenyl) -amino]- triphenyl—amine), TPD ((N-methylphenyl) -1,4-biphenyl) -4,4, -diamine.
  • Triphenylamine derivatives and CBP (4,4 Examples include arylamines (hole injection 'transport materials) such as' -di (N-carbazolyl) biphenyl) and metal complexes (hole injection materials) such as CuP c (copper lid cyanine). '
  • the tfit self-emitting layer includes a styrylbenzene derivative (for example, BSB (1, 4-dimethoxy-2, 5-bis [p- ⁇ N-phenyl-N- (m-tolyl) amino ⁇ styryl] benzene) as a laser dye (dopant for the light-emitting layer) and a phenylcarbazole derivative (for example, CBP of the following chemical formula (H-1), mC P of the following chemical formula Ol-2),
  • CD BP phenylcarbazole derivative
  • An organic semiconductor mixture layer using CD BP of the following chemical formula (H-3) as a host material can be exemplified.
  • laser dyes include DCM2 of the following chemical formula (D-2) (Dimethylenpyran derivative: red), Coumarin 6 (green) of the following chemical formula (D-3), and the following chemical formula (D -4) Pe ryle ne (blue).
  • DCM2 of the following chemical formula (D-2) (Dimethylenpyran derivative: red), Coumarin 6 (green) of the following chemical formula (D-3), and the following chemical formula (D -4) Pe ryle ne (blue).
  • Other examples of the host material include aryl silanes such as UGH1 of the following chemical formula (H-4) and UGH2 of the following chemical formula (H-5).
  • the S male semiconductor laser device is further made of a material having an acceptance rate of 4 OW / m, K or more (preferably 1 O OW / m 'K or more), and further includes a self-supporting anode or a substrate supporting Is preferred. According to this configuration, the heat generated in the organic semiconductor laser can be radiated well. Because of this, with a large current density It becomes possible to inject current into the semiconductor laser active ail, and it is possible to achieve spontaneous spontaneous emission due to electricity.
  • the ttif self-substrate is preferably a transparent substrate.
  • the substrate is a transparent substrate, light can be well confined in the organic semiconductor laser active layer, and the A S E threshold can be kept low.
  • an opaque substrate may be used as the lift substrate. It is preferable that a self-anode or a cathode is laminated on the substrate via a transparent light confinement layer. In this configuration, an opaque substrate is used as the substrate. By placing a transparent optical confinement layer on this substrate, the optical propagation loss is suppressed, and the ASE threshold and the value are kept low. Can do.
  • the optical confinement layer can be composed of silicon oxide, alumina, sapphire, diamond, ceramic or amorphous carbon.
  • the light confinement layer can efficiently confine light by setting the refractive index of the light confinement layer to n and the thickness represented by at least L Z 2 n or more, where the emission wavelength is taken into account.
  • the substrate is made of one or more materials selected from the group consisting of sapphire, silicon, compound semiconductors (GaAs, InP, etc.), metals (copper, stainless steel, etc.), graphite, diamond, and amorphous carbon. It is preferable to include.
  • a thermal conductivity 40 W / m ⁇ K or more, so that a current of the order of 100 amperes / cm 2 is destroyed. It is possible to inject it into the organic semiconductor laser active layer without causing this. As a result, amplified spontaneous emission by current excitation can be realized.
  • the amorphous carbon may be so-called diamond-like carbon (DLC: Diamond Like Carbon). Diamond-like carbon forms an amorphous carbon thin film mainly composed of carbon and hydrogen. When using this amorphous carbon as the substrate material, it is preferable to form an amorphous carbon thin film on the surface of the support substrate. Good.
  • DLC Diamond Like Carbon
  • a semiconductor laser device comprises: an organic semiconductor laser active layer 4; a first transparent conductive layer; an anode for supplying holes to the organic semiconductor laser active layer; A transparent electrode having a large capacity, including a cathode for supplying electrons to the ffifS organic semiconductor laser active tt, and a cathode made of a material having a thermal conductivity of 4 OW / m ⁇ K or more and supporting the anode or the cathode.
  • the heat generated by the organic semiconductor laser can be radiated satisfactorily.
  • the current can be reduced to a large current density in the organic semiconductor laser activity, and amplification self-output (A S E) by current excitation can be achieved.
  • the organic electoluminescence device of the present invention has an organic semiconductor light emitting layer, a first transparent conductive layer, an anode for supplying holes to the organic semiconductor light emitting layer, and a second transparent conductive layer.
  • the selfish substrate includes at least one material selected from the group consisting of silicon, silicon semiconductor, metal, graphite, diamond, ceramics, and amorphous carbon.
  • the shelf semiconductor light emitting layer can be constructed in the same manner as the semiconductor laser active layer described above.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of an organic semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of an organic semiconductor laser device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows the organic semiconductor laser device with the configuration shown in Fig. 1!
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing a result of measuring a characteristic of emission intensity at a wavelength to be measured.
  • FIG. 4 is a diagram showing a measurement result of the emitted light intensity with respect to the excitation light intensity in the organic semiconductor laser device having the configuration of FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing the results of measuring the change in current density with respect to Mffi for the apparatus of one example and the apparatus of the comparative example.
  • FIG. 6 is a diagram showing the results of measuring the characteristics of current density with respect to voltage for the organic semiconductor device of the reference example using the sub-eye substrate.
  • FIG. 7 is a diagram showing the results of measuring current density with respect to voltage for an organic semiconductor device of a reference example using a silicon substrate.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of an organic semiconductor laser device according to an embodiment of the invention.
  • This organic semiconductor laser device is formed by laminating an organic semiconductor laser activity '2 on an anode 1 as a first transparent conductor I supported by a transparent substrate 10, and further on the organic semiconductor laser activity' 2.
  • the cathode 3 is stacked on top of each other.
  • the cathode 3 is composed of an organic semiconductor laser active '[3 ⁇ 412 in contact with the ultrathin IlMgAg layer 3 1 and this ultrathin MMgAg layer 3 1 (second transparent conductor 3 ⁇ 4SI) 3 2 It consists of a laminated structure film.
  • the transparent lead 32 is disposed on the semiconductor laser active 14) 12 with the ultrathin StMgAg layer 31 interposed therebetween.
  • the anode 1 and the transparent conductor «113 2 are both made of ITO (indium tin oxide), and the anode 1 has an HJ ⁇ of 30 nm, for example.
  • 2 is considered to be 2 O nm ⁇ .
  • the ultra-thin BlM g A g layer 31 is, for example, a BU of 2.5 nm.
  • the transparent substrate 10 is made of, for example, a sapphire substrate, and its thermal conductivity is 46 W / m′K.
  • the shelf semiconductor laser active ffiJl 2 is composed of a hole transport layer 21, a light emitting layer 2 2 (active layer), and an electron transport layer 22 2 in order from the anode 1 side. It is made up of semi-conducted material. More specifically, the hole transport layer 2 1 is For example, it consists of ⁇ -NPD, which is, for example, 2 Onm.
  • the light-emitting layer 22 is composed of an organic semiconductor mixture layer using BSB as a laser dye and CBP as a host material, and its thickness is, for example, 7 Onm. The content of BSB is, for example, 6% by weight.
  • the electron transport layer 23 includes a B CP layer (B3 ⁇ 4 ⁇ 20 nm) that forms a first electron transport layer 2 31 (hole blocking layer) in contact with the light emitting layer 22, and the first electron transport layer 231. It has a laminated structure with A 1 q 3 (for example, 22 Onm) constituting the second electron transport layer 232 sandwiched between the cathode 3.
  • B CP layer B3 ⁇ 4 ⁇ 20 nm
  • a 1 q 3 for example, 22 Onm
  • the organic semiconductor laser active layer 2 has a double hetero structure in which the light emitting layer 22 is sandwiched between the hole transport layer 21 and the electron transport layer 23.
  • the light emitting layer 22 has a higher refractive index n than the deviation between the hole transport layer 21 and the first electron transport layer 231 disposed on both sides thereof, and therefore, the light is confined in the light emitting layer 22. It has an easy structure. In other words, it can be said that the light emitting layer 22 is sandwiched between the hole transport layer 21 and the first electron transport layer 231 as the light confinement layer.
  • the energy gap between the HOMO energy level and the LUMO energy level is the largest in CBP: BSB constituting the light emitting layer 22, and the hole transport layer 21 adjacent to the light emitting layer 22 and the first electron transport layer 231 The energy gap is smaller than that of the light emitting layer 22.
  • the carrier is easily confined in the light emitting layer 22 and has a structure. That is, the hole transport layer 21 and the first electron transport layer 231 also have a function as a carrier confinement layer.
  • the transparent conductor 32 is disposed on the organic semiconductor laser 'active'& ⁇ 2 with the ultrathin MgAg layer 31 sandwiched therebetween, a thick metal film is used. Therefore, light propagation loss is greatly suppressed compared to the configuration of it ⁇ . You can.
  • the power is super crane!
  • the MgAlg layer 31 is formed on the surface of the organic semiconductor laser activity 42, the electron injection barrier is relaxed, and the organic semiconductor laser is protected from damage when forming the transparent conductor Ml3.
  • the surface of the active layer can be protected. As a result, the efficiency of the electrons to the organic semiconductor laser activity
  • the threshold (ASE threshold) for generating amplified spontaneous emission (ASE) can be lowered, so that holes are generated from the anode 1 force to the organic semiconductor laser activity ' ⁇ 4 ⁇ 2.
  • ASE threshold amplified spontaneous emission
  • the cathode 3 by injecting electrons from the cathode 3 into the organic semiconductor laser active layer 2, laser oscillation can be caused by current excitation. That is, the holes injected from the anode 1 are transported to the light emitting layer 2 2 by the hole transport layer 21, and the electrons 3 ⁇ 4 ⁇ from the cathode 3 are transported by the electron transport layer 2 3 to the light emitting layer 2. Transported to 2. In the light emitting layer 22, recombination of holes and electrons occurs, and light emission associated therewith occurs.
  • the light accompanying this is the light emitting layer 2 2, the hole transport layer 21, and the electron transport layer 2 3, the interface between the hole transport layer 2 1 and the anode 1, and 3 and the electron transport layer. It is amplified by repeating reflection at the interface with 2 3 and emitted from the end face 7.
  • the organic semiconductor laser device of this embodiment can also generate laser oscillation by optical excitation instead of current excitation. That is, by using the pumping laser light 8 from the transparent substrate 10 side or the negative electrode 3 side, the laser light is repeatedly reflected and amplified by the organic semiconductor laser activity 4i! Thereby, the laser beam can be extracted from the end face 7.
  • the anode 1 is supported on the transparent substrate 10, but the cathode 3 side may be supported by the transparent substrate.
  • Fig. 1 The configuration in Fig. 1 is not used for laser oscillation, It can also be used as a luminescence device. Because of this: ⁇ , it can be driven at high power, so it can emit light with high brightness.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of an organic semiconductor laser device according to another embodiment of the present invention.
  • the substrate 15 that supports the anode 1 is made of an opaque substrate having a high thermal conductivity.
  • the substrate 15 is made of a metal such as a silicon substrate (thermal conductivity 14 8 WZm′K) or copper (thermal conductivity 3 9 OW / m ⁇ K).
  • a transparent optical confinement layer 16 is formed on the surface of the opaque substrate 15, and the anode 1 is disposed on the optical confinement layer 16.
  • the optical confinement layer 16 has a film thickness to maximize the reflectance at the interface with the substrate 15; LZ 2 n or more (emission wavelength of the organic semiconductor laser active layer, where n is the light
  • the refractive index of the confinement layer 16 is preferred. More specifically, the emission wavelength from the organic semiconductor laser active
  • the optical confinement layer 16 can be composed of ananoremina, sapphire, diamond, DLC (diamond-like carbon), ceramics, etc., in addition to silicon oxide.
  • the optical confinement layer 16 is interposed between the substrate 15 and the anode 1 to suppress the light propagation loss, thereby reducing the laser oscillation. Threshold for! / The price can be kept low. At the same time, since the range of substrate materials that require high thermal conductivity is widened, current can be injected into the organic semiconductor laser active layer 2 at a higher current density.
  • the force substrate 15 and the optical confinement layer 16 are supported on the substrate 3 via the optical confinement layer 16 via the optical confinement layer 16 on the ⁇ 3 side. Therefore, the cathode 3 may be supported.
  • the configuration in FIG. 2 can also be used as an organic electoluminescence device, not for laser oscillation, and can be driven at a high current density. Light emission with high luminance is possible.
  • a glass substrate was used as the transparent substrate 10, and 30 nm BJ-enjoyed IT ⁇ was deposited as an anode 1 on the surface in a vacuum of about 3 ⁇ 10 3 Pa.
  • Four organic layers 21, 22, 231, and 232 constituting the organic semiconductor laser active layer 2 were sequentially formed on the anode 1 made of ITO by vacuum deposition.
  • the hole transport layer 21 was made of one NPD with i ⁇ 20 nm.
  • the light emitting layer 22 was formed by co-evaporation so that 6% by weight of BSB as a laser dye was added to CBP as a host material, and its Siff was 70 nm.
  • the cathode 3 is deposited by depositing a 2.5 nm thick IM g Ag layer 31 on the shelf semiconductor laser active I4S 2 by vapor deposition in a vacuum of about 3 X 10 1 3 Pa, and then 1 X
  • a transparent lead 32 consisting of ITO was formed by magnetron sputtering in a 10 _1 Pa vacuum under a gas flow of anoregon (11.4 sccm) and oxygen (0.6 sccm). The thickness of S was 20nm.
  • Bosepin glazer light 8 was incident from the glass transparent substrate 10 side and laser oscillation was performed by optical excitation.
  • AS E threshold value E th 4.7 7 0. 9 ⁇ J / cm 2 .
  • the ASE threshold value Eth 5.1 ⁇ 1.0 JZ cm 2 was obtained, and it was composed of an ultrathin StMgAg layer 31 and a transparent conductive layer 32 laminated film. The formation of ⁇ 3 also helped almost no increase in light propagation loss.
  • Fig. 3 shows the characteristics of the emission intensity with respect to the wavelength (Wavelength) at various excitation intensity (ie, emission intensity) in the organic semiconductor laser device having the above-described configuration (in which the cathode 3 is formed). The results of measuring the emission spectrum are shown.
  • FIG. 4 shows the measurement result of the emitted light intensity with respect to the excitation light intensity in the organic semiconductor laser device having the above-described configuration.
  • Table 2 below shows the measurement of AS E threshold value by varying the moon ff of the ultra-thin g Ag layer 31 with the Ilff of transparent conductor 32 made of ITO fixed at 30 nm. The results are shown. From Table 2, if the Slff of the ultra-thin BlMgAg layer 31 is 3. Onm, the AS threshold value becomes unclear, so the ii? Of this ultra-thin SlMgAg layer 31 should be set above 3. Onm. For example, the fact that the optical propagation loss is hindered and the optical amplification is hampered is translated.
  • a laminated structure of 3 nm Ag layers of 10 nm and 100 mg of Mg Ag layer is used for the cathode.
  • an apparatus as described in the above example was prepared.
  • FIG. 5 shows the results of measuring the change in current density with respect to the apparatus of the example of the present invention and the apparatus of the comparative example.
  • ITO film (swelled 11 Onm) as anode, CuP c (copper phthalocyanine) layer Ii ⁇ 25nm on sapphire substrate, MgAg layer (10 On m) as cathode and Ag layer (Hi? 1 as cathode) Onm) was stacked to produce a semiconductor device.
  • Figure 6 shows the results of measuring the current density characteristics with respect to W ⁇ (Voltage) for this organic semiconductor device.
  • the voltage vs. current density characteristic ft was measured for this organic semiconductor device.
  • the negative electrode was formed into a circular shape, and the individual characteristics were measured with ⁇ ⁇ ⁇ r of 25 im, 50 ⁇ m, 100 ⁇ , 200 ⁇ m, and 50 ⁇ m.

Abstract

この有機半導体レーザ装置は、有機半導体レーザ活性層と、第１透明導電膜を有し、前記有機半導体レーザ活性層に正孔を供給する陽極と、前記有機半導体レーザ活性層に電子を供給する陰極とを含む。陰極は、厚さ１０ｎｍ未満の金属含有薄膜層、およびこの金属含有薄膜層に積層された第２透明導電膜を有する積層構造膜からなる。この積層構造膜において、前記金属含有薄膜層は、前記第２透明導電膜よりも前記有機半導体レーザ活性層側に配置されている。

Description

• 明 細 書 有機半導体レーザ装置おょぴ ェレクトロノレミネッセンス装置 技術分野
この発明は、 有機半導体レーザ活性層を挟んで陽極おょぴ陰極を配置した有機 半導体レーザ装置、 および有機半導体発光層を挟んで陽極およぴ p射亟を配置した 有機エレク ト口ルミネッセンス装置に関する。
背景技術
幾半導体レーザ装置の構造は、 たとえば、 特開 2 0 0 4— 1 8 6 5 9 9号公 報に開示がある。 この有機半導体レーザ装置は、 基板と、 この基板上に配置され た陽極層と、 この陽†SS上に配置された発光層と、 この発光層上に配置された陰 極層とを備えている。 この装置は、 陽観から発光層へ正孔が注入され、 また、 陰 βから発光層に電子が ¾Λされることによって、 発光層内で正孔および電子 が再結合して発光するとともに、 この光が、 陽 ¾ と発光層との翻虫面およ 光層とil 層との翻虫面で反射を繰り返すことにより増幅され、 レーザ光として 放出されると説明されている。
基板材料としてはく ガラスおよびプラスチックフィルムが適用可能であるとさ れ、 さらに、 陽 ®1の材料として、 I T O (酸化インジウム錫） が挙げられ、 陰 極層の材料として、 1 0 η π！〜 1 μ m厚の M g A g合金等の金属が挙げられて 1/ヽ る。
しかし、 餅亟層に厚い金属を適用した上記の構成では、 伝纏失が大きく、 増 幅自然放出 （A S E： Amplified Spontaneous Emission) を生じさせるためのし きレ、値 （A S Eしきレ、値） が高くなつてしまう。 そのため、 実際には、 陽極およ ひil亟からの電«起による A S E発振を生じさせることは困難である。
そこで、 il亟層に I T O膜を適用することが考えられる力 このような構成を 採用すると、 I T O膜をスパッタ法によって成膜するときのプラズマによって、 有»光層がダメージを受け、 電子注入効率が割匕する。
さらには、 電流励起による A S E発振を起こさせるためには、 千アンペアん m2 のオーダーの電流の注入が必要になるが、 このような大電流を注入することで、 発光層が熱破壊に至ってしまうという問題もある。
有機半導体レーザ装置に限らず、 有機エレク トロルミネッセンス装置において も、 高輝度発光のために高電流密度による駆動を行うとすると、 同様の問題に直 面することになる。 発明の開示
この発明の目的は、 陰極における伝 l失を抑制するとともに、 高い電流 ¾Λ 効率を維持し、 これにより、 電流励起によるレーザ発振を辩リに行うことができ る有機半導体レーザ装置を することである。
また、 この発明の他の目的は、 大電流の ¾Λによる熱破壊を防ぎ、 これにより、 電»起によるレーザ発振を辩 ϋに行うことができる有機半導体レーザ装置を提 供することである。
この発明めさらに他の目的は、 大電流の ¾λによる熱破壊を防ぎ、 これにより、 高輝度での発光を実現した有機エレクトロルミネッセンス装置を ί することで める。
この発明の第 1の局面に係る有機半導体レーザ装置は、 有機半導体レーザ活性 層と、 第 1透明導 mi莫を有し、 前記有機半導体レーザ活 ttiiに正孔を供給する陽 極と、 辦己雄半導体レーザ活'隨に積層され、 この有機半導体レーザ活 '隨に 電子を供給する 返とを含む。 この陰極は、 厚さ 1 0 n m未満 （好ましくは、 3 . O n m以下、 さらに好ましくは、 2 . 5 n m以下） の金属含有薄麵、 およびこ の金属含有薄膜層に積層された第 2透明導 MS莫を有する積層構造膜からなる。 そ して、 この積層構造膜において、 ift己金属含有薄膜層が肅己第 2透明導電膜より も辦己棚半導体レーザ活'國憾こ配置されている。
この構成によれば、 樣半導体レーザ活 tt に電子を供給するil亟は、 有機半 導体レーザ活' |4ϋ側に厚さ 1 0 n m未満の金属含有薄膜層を配置するとともに、 この金属含有薄,に第 2透明導劇莫を積層した積層構造膜で構成されている。 これにより、 陰極における光伝 β失を抑える一方で、 第 2透明導劇莫の形成時 における有機半導体レーザ活' Ι4ϋ表面のダメージを抑制し、 併せて、 第 2透明導 慰莫から有機半導体レーザ活'1~生層への電子注入障壁を金属含有薄膜層によつて緩 和することができ、 電子注入効率を高めることができる。 このようにして、 電流 励起による増幅自然放出のためのしきレ、値 （ASEしきレ、値） を小さくすること ができるので、 電流励起によるレーザ発振に ^^な構成とすることができる。 なお、 「透明」 とは、 有機半導体レーザ活性層の発光波長の光の透過率が 5 0 %以上 （より好ましくは、 80 %以上） である場合を指す。
また、 「金属含有薄膜層」 とは、 たとえば、 金属含有率が 0. 1%以上の薄膜 層であり、 金属含有率が 100%の層 （すなわち、 金属層） を含む。
金属含有薄 Bi に積層される第 2透明導 ms莫の Effは、 この第 2透明導 莫に おける光伝播損失を抑制するためには、 40n m以下とすることが好ましく、 3 0 nm以下の^ とすることがより好ましい。
陽極を構成する第 1透明導電膜についても同様な理由で、 40nm以下の膜厚 とすることが好ましく、 30n m以下の^ とすればより好ましレ、。
第 1および第 2透明導慰莫の材料としては、 たとえば I TO (酸化インジウム 錫） 、 I ZO (酸化インジウム亜鉛） または Znひ （酸化亜鉛） などの透明な導 電材料を例示できる。
編己金属含有薄膜層は、 MgAg合金、 アルカリ金属およびアルカリ土類金属 のうちの一種以上を含むことカ好ましい。 これらの金属は、 有機半導体レーザ活 十 4ϋへの電子 ¾ΛΡ章壁を緩和し、 電子 ¾Λ効率を高めることができるネオ料である。 アルカリ金属には、 L i、 Na、 K、 Rb、 C s、 F rが含まれる。 また、 アル カリ土類金属には、 Ca、 S r、 Ba、 R aが含まれる。
また、 前記金属含有薄膜層は、 アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの 一種以上と 物との混合物を含むものであってもよレ、。 上記有機物としては、 BPC (フエナンスレン誘導体） 、 Bph en (バソキュプロイン誘導体） 、 ァ ルミ二ゥムキノリン誘導体、 トリアゾール誘導体などを例示することができる。 このような材料も、 有機半導体レーザ活' 14 への電子注入障壁を緩和すること ができ、 電子注入効率を高めることができる。 それとともに、 第 2透明導慰莫を 形成するときに、 有機半導体レーザ活' をダメージから保護することができる。 廳己有機半導体レーザ活 '隨は、 IfrlE陰極から電子の供給を受ける電子輸送層 と、 ΙίίΙ己陽極から正孔の供給を受ける正孔輸送層と、 前記電子輸送層およひ前記 正孔輸送層の間に配置され、 編己電子輸送層および正孔輸送層よりも屈折率の大 きな発光層とを含むことが好ましレ、。
この構成によれば、 有機半導体レーザ活 は、 発光層を電子輸送層および正 孔輸送層で挟持したダブルへテロ構造を有していて、 発光層が、 電子輸送層およ ぴ正孔輸送層よりも大きな屈折率を有している。 そのため、 この発光層内に良好 に光が閉じ込められることになる。 これによつて、 A S Εしきい値を低くするこ とができる。 - 前記発光層は、 前記電子輸送層および前記正孔輸送層よりも、 H OMO (highest occupied molecular orbital) ェ不ルキーレベノレおよび L UM O (lowest unoccupied molecular orbital) エネノレギー のエネノレギ一ギャップ が大きな有機半導 f材才科からなっていることが好ましい。 これによつて、 発光層 内にキヤリャを効率的に閉じ込めることができるので、 A S Eしきレ、値をより低 くすることができる。
前記電子輸送層を構成する有ネ»料としては、 A l q 3 ( 8—ヒドロキシキノ リンアルミニゥムなどのキノリノール錯体） のような金属錯体や、 P B D (2- (4-tert-Butylphenyl) -5- (4-biphenyly 1) -1, 3， 4-oxadiazole ) およぴ T A Z (1， 2， 4 -トリアゾール誘導体） のようなォキサジァゾール誘導体、 トリアゾール 誘導体や、 B C P (2， 9 - dimethyl - 4， 7 - diphenyl_l, 10 - phenanthroline (フエナ ンスレン誘導体） 、 B p h e n (バソキュプロイン） のようなフエナント口リン (電子輸送'正孔] Sit材料） を例示することができる。
また、 前記正孔輸送層を構成する有機材料としては、 一N P D (4, 4' - bis[N - naphthyl)- N - phenyl- amino]biphenyl。 低分子量ァリールァミン誘導 体) 、 m M T D A T A ( 4' 4，， 4"-tris [3-methylphenyl- (phenyl) -amino]- triphenyl— amine) 、 TPD ( (N, ' -diphenyl-N, N' 一（3— methylphenyl)— 1， ― biphenyl) - 4， 4， - diamine。 トリフエニルァミン誘導体） および C B P (4, 4' - di (N-carbazolyl) biphenyl) などのァリールァミン （正孔注入'輸送材料） や、 CuP c (銅フタ口シァニン） のような金属錯体 （正孔注入材料） を例示するこ とができる。'
この に、 tfit己発光層としては、 スチリルベンゼン誘導体 （たとえば、 下記 ィ匕 学 式 （D-1) の B S B ( 1, 4-dimethoxy-2, 5-bis[p-{N-phenyl-N-(m- tolyl) amino} styryl] benzene) をレーザ色素 （発光層用ドーパント） とし、 フエ 二ルカルバゾール誘導体 （たとえば、 下記化学式 (H - 1)の CBP、 下記化学式 Ol- 2)の mC P、 下記化学式 (H - 3)の CD B P) をホスト材とした有機半導体混合物 層を例示することができる。
レーザ色素としては、 他にも、 下記化学式 (D-2) の DCM2 (ジァノメチレ ンピラン誘導体：赤色） 、 下記化学式 （D— 3) の Co uma r i n 6 (緑色） お よび下記ィ匕学式 (D-4) の Pe r y l e ne (青色） を例示できる。 また、 ホス ト材としては、 他にも、 下記化学式 (H-4) の UGH1や下記化学式 (H-5) の U GH 2などのァリ一ルシランを例示できる。
(以下余白）
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(H-3)
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編 S雄半導体レーザ装置は、 謝云導率が 4 OW/m , K以上 （好ましくは 1 O OW/m' K以上） 以上の材料からなり、 歯己陽極または を支持する基板 をさらに含むことが好ましい。 この構成によれば、.有機半導体レーザ活十媚にお いて生じた熱を良好に放熱することができる。 これによつて、 大きな電流密度で 半導体レーザ活 ailに電流を注入することが可能となり、 電 起による増 幅自然放出を達成することができる。
ただし、 謝云導率が上記の範囲未満であるガラス基板などの透明基板を用レ、て もレーザ発振が可能である。 ttif己基板ほ、 透明基板であることが好ましい。 この構成では、 基板が透明基板 であるので、 有機半導体レーザ活性層内に光を良好に閉じ込めることができ、 A S Eしきい値を低く維持することができる。
また、 lift己基板として、 不透明基板が用いられてもよい。 この^^には、 その 基板上に透明な光閉じこめ層を介して l己陽極または陰極が積層されていること が好ましい。 この構成では、 基板には不透明基板を用いているが、 この基板上に 透明な光閉じ込め層を配置していることにより、 光伝播損失を抑制して、 A S E しきレ、値を低く維持することができる。
光閉じ込め層は、 酸化シリコン、 アルミナ、 サフアイャ、 ダイヤモンド、 セラ ミックスまたはアモルファスカーボンで構成することができる。 この光閉じ込め 層は、 当該光閉じ込め層の屈折率を n、 発光波長をえとして、 少なくとも; L Z 2 n以上で表される厚みとすることにより、 効率的に光を閉じ込めることができる。
ΙΐίΙΒ基板は、 サフアイャ、 シリコン、 化合物半導体 （G a A s、 I n Pなど） 、 金属 (銅、 ステンレスなど) 、 グラフアイト、 ダイャモンドぉよびァモルファス カーボンよりなる群から選択した 1種以上の材料を含むことが好ましい。 これら の材料によつて基板を構成することにより、 4 0 W/m · K以上の熱伝導率を実 現することができるので、 1 0 0 0ァンペア/ cm2オーダの電流を、 破壊を生じさ せることなく、 有機半導体レーザ活性層に注入することが可能である。 これによ つて、 電流励起による増幅自然放出を実現できる。
前記アモルファスカーボンは、 いわゆるダイヤモンドライクカーボン （D L C ： Diamond Like Carbon (ダイヤモンドの様なカーボン） ） であってもよい。 ダイャモンドライクカーボンは、 炭素および水素を主体とした非晶質のカーボン 薄膜を形成する。 このァモノレファスカーボンを基板材料として用いる場合には、 支持基板の表面にァモルファスカーボン薄膜を形成して を構成することが好 ましい。
この発明の第 2の局面に係る半導体レーザ装置は、 有機半導体レーザ活' Ι4ϋと、 第 1透明導 ®莫を有し、 嫌己有機半導体レーザ活性層に正孔を供給する陽極と、 第 2透明導 «I莫を有し、 ffifS有機半導体レーザ活 tt に電子を供給する陰極と、 熱伝導率が 4 OW/m · K以上の材料からなり、 前記陽極または陰極を支持する 纖とを含む。
この構成によれば、 有機半導体レーザ活 '隨におレ、て生じた熱を良好に放熱す ることができる。 これによつて、 大きな電流密度を有機半導体レーザ活 '14ϋに電 流を ¾Λすることが可能となり、 電流励起による増幅自^:出 （A S E) を達成 することができる。
この発明の有機エレクト口ルミネッセンス装置は、 有機半導体発光層と、 第 1 透明導 mi莫を有し、 嫌己有機半導体発光層に正孔を供給する陽極と、 第 2透明導 慰莫を有し、 前記有機半導体発光層に電子を供給する陰極と、 前記陽極または陰 極を支持する基板とを含む。 そして、 嫌己基板が、 シリコン、 ィ匕合物半導体、 金 属、 グラフアイト、 ダイヤモンド、 セラミックスおよびァモ ^ファスカーボンよ りなる群から選択した 1種以上の材料を含む。
この構成により、 高電流密度での駆動が可能であり、 したがって、 高輝度発光 が可能な機エレクトロルミネッセンス装置を実現できる。 棚半導体発光層は、 前述の 幾半導体レーザ活 ttilと同様に構成することができる。
本発明における上述の、 またはさらに他の目的、 糊敷および効果は、 添付図面 を参照して次に述べる実施形態の説明により明らカにされる。 図面の簡単な説明
図 1は、 この発明の一実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明する ための図解的な断面図である。
図 2は、 この発明の他の実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明す るための図角 勺な断面図である。
図 3は、 図 1の構成の有機半導体レーザ装置にお!/、て、 種々の励起光強度にお ける波長に ¾}する放出強度の特性を測定した結果を示す特性図である。
図 4は、 図 1の構成の有機半導体レーザ装置における励起光強度に対する放射 光強度の測定結果を示す図である。
図 5は、 一実施例の装置と比較例の装置とに関して、 Mffiに対する電流密度の 変化を測定した結果を示す図である。
図 6は、 サブアイャ基板を用いた参考例の有機半導体装置に関して、 電圧に対 する電流密度の特性を測定した結果を示す図である。
図 7は、 シリコン基板を用いた参考例の有機半導体装置に関して、 電圧に対す る電流密度の特个生を測定した結果を示す図である。 発明の実施の形態
図 1は、 ；の発明の一実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明する- ための図解的な断面図である。 この有機半導体レーザ装置は、 透明基板 1 0によ つて支持された第 1透明導 «I莫としての陽極 1上に有機半導体レーザ活' 2を 積層し、 さらに、 この有機半導体レーザ活' 2上に陰極 3を積層して構成され ている。 陰極 3は、 有機半導体レーザ活 '[¾12に接する超薄 IlM g A g層 3 1と この超薄 MM g A g層 3 1に積層された透明導鱺莫 （第 2透明導 ¾SI) 3 2との 積層構造膜からなっている。 すなわち、 透明導鑭莫 3 2は、 超薄 StM g A g層 3 1を挟んで權半導体レーザ活' 14)12上に配置されている。 陽極 1および透明導 «113 2は、 この実施形態では、 いずれも I TO (酸化インジウム錫） からなつ てレ、て、 陽極 1は、 たとえば 3 0 n mの HJ¥を有し、 透明導 莫 3 2は、 たとえ ば 2 O nmの^ とされている。 そして、 超薄 BlM g A g層 3 1は、 たとえば 2. 5 n mの BU¥とされている。
透明基板 1 0は、 たとえばサフアイャ基板からなっており、 その熱伝導率は、 4 6W/m ' Kである。
• 棚半導体レーザ活 ffiJl 2は、 陽極 1側から順に正孔輸送層 2 1、 発光層 2 2 (活性層） 、 および電子輸送層 2 2を積層して構成されており、 これらはいずれ も有機半導 f材才料からなつている。 より具体的には、 正孔輸送層 2 1は、 たとえ ば、 α—NPDからなり、 その は、 たとえば 2 Onmとされる。 また、 発光 層 22は、 B SBをレーザ色素とし、 CBPをホスト材とした有機半導体混合物 層からなっており、 その^?は、 たとえば 7 Onmとされる。 B SBの含有量は、 たとえば 6重量％とされる。
電子輸送層 23は、 この実施形態では、 発光層 22に接する第 1電子輸送層 2 31 (正孔ブロック層） を形成する B CP層 （B¾¥20nm) と、 この第 1電子 輸送層 231と陰極 3との間にはさまれた第 2電子輸送層 232を構成する A 1 q3 (たとえばϋ¥2 Onm) との積層構造となっている。
このように、 有機半導体レーザ活性層 2は、 正孔輸送層 21および電子輸送層 23によって発光層 22を挟持したダブルへテロ構造を有している。 そして、 C BP： BSBからなる発光層 22の屈折率は n = 1. 84であり、 陽極 1側にお レ、て発光層 22に接する正孔輸送層 21の屈折率は n = 1. 81であり、 it亟 1 側において発光層 22に接合されている第 1電子輸送層 231を構成する B C P の屈折率 nは n=l. 66である。 すなわち、 発光層 22は、 その両側に配置さ れた正孔輸送層 21および第 1電子輸送層 231の 、ずれよりも屈折率 nが高く、 したがって、' この発光層 22内に光が閉じ込められ易い構造となっている。 換言 すれば、 発光層 22は、 光閉じ込め層としての正孔輸送層 21および第 1電子輸 送層 231に挟持されているといえる。
また、 HOMOエネルギーレベルと LUMOエネルギーレベルとの間のエネル ギーギヤップは、 発光層 22を構成する C B P： B S Bが最も大きく、 この発光 層 22に隣接する正孔輸送層 21および第 1電子輸送層 231のエネルギーギヤ ップは、 発光層 22のエネルギーギヤップよりも小さくなつている。 これにより、 発光層 22内にキヤリャが閉じ込められ易レ、構造となっている。 すなわち、 正孔 輸送層 21および第 1電子輸送層 231は、 キヤリャ閉じ込め層としての機能を も有してレ、る。
この実施形 ϋにィ系る有機半導体レーザ装置によれば、 有機半導体レーザ '活' &ϋ 2上に超薄 MgAg層 31を挟んで透明導 mit 32を配置しているため、 厚い 金属膜によつてit亟を構成する に比較して、 光伝播損失を格段に抑制するこ とができる。 し力も、 超鶴！M g A g層 3 1を有機半導体レーザ活4 2の表面 に形成していることによって、 電子注入障壁が緩和されているとともに、 透明導 Ml莫 3 2を形成するときのダメージから有機半導体レーザ活' 2の表面を保護 することができる。 これによつて、 陰極 3カゝら有機半導体レーザ活' |4ϋ2への電 子 ¾Λ効率を高めることができる。
このようにして、 増幅自然放出 （A S E) を生じさせるためのしきい値 (A S Eしきレ、値） を低くすることができるので、 陽極 1力 ら有機半導体レーザ活 'Ι4ϋ 2に正孔を するとともに、 陰極 3から有機半導体レーザ活性層 2に電子を注 入することにより、 電流励起によるレーザ発振を生じさせることができる。 すな わち、 陽極 1から注入された正孔は、 正孔輸送層 2 1によって発光層 2 2へと輸 送され、 陰極 3から ¾Λされた電子は、 電子輸送層 2 3によって発光層 2 2へと 輸送される。 この発光層 2 2内では、 正孔および電子の再結合が生じ、 これに伴 う発光が起こる。 これに伴う光は、 発光層 2 2と正孔輸送層 2 1および電子輸送 層 2 3との各界面、 ならぴに正孔輸送層 2 1と陽極 1との界面、 ならびに 3 と電子輸送層 2 3との界面における反射を繰り返すことによって増幅され、 端面 7から放出されることになる。
透明基板 1 0に、 高齊 云導率を有するサフアイャ基板を適用することにより、 放熱！"生が格段に向上されているので、 有機半導体レーザ活 'ί4ϋ 2に高い電流密度 で電流を' ¾Λしても、 有機半導体レーザ活 ' 2の 壌が生じることがなく、 電? β起による増幅自然放出を生じさせることができる。
この実施形態の有機半導体レーザ装置は、 電流励起ではなく、 光励起によって レーザ発振を生じさせることも可能である。 すなわち、 透明基板 1 0側または陰 極 3側から、 ボンピングレーザ光 8を することにより、 有機半導体レーザ活 †4i! 2內でレーザ光;^繰り返し反射されて増幅される。 これにより、 端面 7から レーザ光を取り出すことができる。
なお、 図 1の実施形態では、 透明基板 1 0上に陽極 1が支持されているが、 透 明基板によって陰極 3側を支持する構成としてもよい。
また、 図 1の構成は、 レーザ発振のために用いるのではなく、 エレクト口 ルミネッセンス装置として用いることもできる。 この:^、 高電«度での駆動 が可能なので、 高輝度での発光を実現できる。
図 2は、 この発明の他の実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明す るための図解的な断面図である。 この図 2において、 上述の図 1に示された各部 に対応する部分には、 図 1の:^と同一の参照符号を付して示す。 この実施形態 では、 陽極 1を支持する基板 1 5は、 高熱伝導率の不透明な基板からなっている。 具体的には、 たとえば、 基板 1 5は、 シリコン基板 （熱伝導率 1 4 8 WZm ' K) や、 銅 （熱伝導率 3 9 OW/m · K) 等の金属で構成されている。 この不透 明な基板 1 5の表面には、 透明な光閉じ込め層 1 6が形成されており、 この光閉 じ込め層 1 6上に陽極 1が配置されている。
光閉じ込め層 1 6は、 その基板 1 5との間の界面における反射率を最大とする ために、 その膜厚が; LZ 2 n以上 （えは有機半導体レーザ活性層の発光波長、 n は光閉じ込あ層 1 6の屈折率） とされることが好ましい。 より具体的には、 有機 半導体レーザ活' |4ϋ 2からの発光波長； L = 5 0 0 nmの であって、 光閉じ込 め層 1 6を酸化シリコン （n = l . 5 ) で構成する場合には、 光閉じ込め層 1 6 の SiJ¥を 1 7 O nm¾¾とすればよい。 光閉じ込め層 1 6は、 酸ィ匕シリコンの他 にも、 ァノレミナ、 サフアイャ、 ダイヤモンド、 D L C (ダイヤモンドライクカー ボン） 、 セラミックスなどで構成することができる。
このようにして、 不透明な基板 1 5を用いる場合であっても、 光閉じ込め層 1 6を基板 1 5と陽極 1との間に介在させることによって、 光伝播損失を抑制して、 レーザ発振のためのしき！/ヽ値を低く維持することができる。 それとともに、 高熱 伝導率が求められる基板材料の選択の幅が広がるから、 より大きな電流密度で有 機半導体レーザ活性層 2に電流を注入することができる。
なお、 図 2の実施形態では、 基板 1 5上に光閉じ込め層 1 6を介して陽極 1が 支持されている力 基板 1 5および光閉じ込め層 1 6を 亟 3側に配置し、 これ らによつて陰極 3を支持する構成としてもよい。
また、 図 2の構成も、 レーザ発振のために用いるのではなく、 有機エレクト口 ルミネッセンス装置として用いることもでき、 高電流密度での駆動が可能なので、 高輝度での発光が可能となる。
【実施例】
透明基板 10としてガラス基板を用い、 その表面に、 3 X 10一3 P a程度の 真空中で、 30nmの B J享の IT〇を陽極 1として堆積させた。 この I TOから なる陽極 1上に、 真空蒸着により、 有機半導体レーザ活性層 2を構成する 4つの 有機層 21, 22， 231, 232を順に形成した。 正孔輸送層 21は、 i¥ 2 0 nmのひ一 NPDとした。 発光層 22は、 レーザ色素としての B S Bを、 ホス ト材料としての C BP中に 6重量％添加するように、 共蒸着によってィ樓し、 そ の Siffを 70 n mとした。 第 1電子輸送層 （正孔プロック層） 231としては、 20n mの^ の B C Pを堆積し、 第 2電子輸送層 （電子注入層） 232として は、 1U¥20 nmの A 1 q 3を堆積した。
陰極 3は、 3 X 10一3 P a程度の真空中における蒸着によって膜厚 2. 5 n mの超麵 IM g A g層 31を棚半導体レーザ活' I4S 2上に堆積させ、 その後、 1 X 10_1P aの真空中で、 ァノレゴン （1 1. 4sccm) および酸素 （0. 6 sccm) のガスフロー中で、 マグネトロンスパッタリングにより、 I TOからなる 透明導 ®莫 32を形成した。 その S莫厚は、 20nmとした。
Ptl亟 3の 成に先立って、 ガラスからなる透明基板 10側からボンピングレー ザ光 8を入射して光励起によるレーザ発振を行わせたところ、 AS Eしきレヽ値 E th=4. 7土 0. 9 μ J /cm2であった。 陰極 3を形成した後に、 同様の測定 を行ったところ、 ASEしきい値 Eth=5. 1±1. 0 J Z c m2であり、 超 薄 StMgAg層 31および透明導 莫32の積層膜からなるit亟 3の形成によつ ても、 ほとんど光伝播損失が増カ卩しないこと力 された。
図 3は、 前記の構成 （陰極 3を形成したもの） の有機半導体レーザ装置におい て、 種々の励起光強度 (Excitation intensity) における波長 （Wavelength) に 対する放出強度 (Emission intensity) の特性 （すなわち、 発光スぺクトル） を 測定した結果を示す。 また、 図 4には、 前記の構成の有機半導体レーザ装置にお ける励起光強度に対する放射光強度の測定結果が示されている。
下記表 1には、 I TOからなる透明導電膜 32の flfJ?を複 類に設定して、 A S Eしきレ、値を測定した結果が示されている。 この測定は、 超薄 SIM g A g層 31の^1：を2. 5 nmに固定して行った。
この表 1から、 I TOからなる透明導電膜 32の鎮が 2 Onmおよび 3 On mのときには明確な A S Eしきレヽ値が観測さ; たのに対して、 透明導 奠 32の を 40 nmとしたときには、 A S Eしきい値が不明確になり、 したがって、 透明導 莫 32の Sfffを 40n mを超える値に設定すると、 光伝«失が大きく なって、 光増幅が阻害されることがわかる。
【表 1】
Figure imgf000017_0001
下記表 2は、 I TOからなる透明導 ¾ΙΙ32の Ilffを 30 nmに固定して、 超 薄^ g A g層 31の月 ffを種々に変ィ匕させて、 AS Eしきレ、値を測定した結果 が示されている。 この表 2から、 超薄 BlMgAg層 31の Slffを 3. Onmとす ると AS Eしきレ、値が不明確となり、 したがって、 この超薄 SlMgAg層のii? を 3. Onmを超えて設定すれば、 光伝播損失が大きくなつて、 光増幅が阻害さ れることが翻军される。
【表 2】
Figure imgf000017_0002
さらに、 透明基板 10としてガラス基板を用いた tfit己の構成の有機半導体レー ザ装置に対して、 電流励起による増幅自^ ¾出を試みた。 比較例として、 射亟電 極に 10 n mの 3鎮の A g層と 100 n mの膜厚の M g A g層との積層構造を用 い、 他の構成については上記の実施例の通りに した装置を用意した。
図 5には、 ΙΐίΙ己実施例の装置と、 前記比較例の装置とに関して、 misこ対する 電流密度の変化を測定した結果が示されている。 この図 5には、 tiff己実施例の装 置および比較例の装置に関して、 電流密度に対する外部量子効率を測定した結果 が HTC示されている。 この図 5から、 実施例の装置の には、 比較例の装置 に比較して、 しきい値電圧 Vthが増加するものの、 高い外部量子効率 3. 6% (電流密度 J = 0. 1 mA/cm2が達成されていることがわかる。
光励起による ASEしきい値 Eth=l 2· 8±2· 6 J / c m2 (M g A g 層の^?を 2. 5nmとし、 透明導電 B莫 32の M¥を 30 nmとした ） から、 電流励起による増幅自^ ¾出を生じさせるために必要な電流密度を見積もると、 3840 AZcm2となる。
【参考例 1】
サフアイャ基板上に陽極としての I TO膜 （膨 11 Onm) 、 CuP c (銅 フタロシアニン） 層 Ii¥25nm) 、 陰極としての MgAg層 （ 10 On m) および同じく陰極としての A g層 （Hi? 1 Onm) を積層して、 半導体 装置を作製した。 この有機半導体装置に関して、 W± (Voltage) に対する電流 密度 （Current density) の特性を測定した結果を図 6に示す。 陰極は円形に形 成し、 その判圣 rを 25 μπι、 50 ^m, 100μιη、 200 μ m、 5 Ο 0 μ m とした場合の各特性を測定した。 この図 7から、 電流密度 4026 A/cm2 射亟判圣1：=25 111のとき） を達成でき、 素子の破壊が生じていないことが •理角军される。
【参考例 2】
シリコン 上に、 陽極としての I TOS莫 1 Onm) 、 有機半導体層 としての CuP c層 （S莫厚 25nm) 、 陰極としての MgAg層 （Slffl O On m) およぴ同じく陰極としての A g層 （ 10 n m) を積層して、 有機半導体装置 をィ«した。 この有機半導体装置に対して、 電圧対電流密度特 ftを測定した。 陰 極は円形に形成し、 その雜 rを 25 im、 50^ m、 100μπι、 200 μ m, 50 Ο mとした の各特个生を測定した。 測 ¾ ^果を、 図 7に示す。 この図 7 から、 電流密度 12222A/ cm2 (陰極雜 r = 25 μ mのとき） が達成さ れ、 カゝつ、 素子の破壊が生じないことが理解される。
上記参考例 1および 2力ら、 透明基板 10として、 サフアイャゃシリコンのよ うに高謝云導率を示 才料を適用することによって、 電流励起による増幅自然放 出に必要な電流密度を、 素子の破壊を生じさせることなく実現できることがわか る。 ， 本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、 これらは本発明の技術的內 容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、 本発明はこれらの具体例に 限定して解釈されるべきではなく、 本発明の精神および範囲は添付の請求の範囲 によってのみ限定される。
この出願は、 2004年 8月 20日に日本国特許庁に提出された特願 2004 -241145号およぴ特願 2004-241146号に対応しており、 これら の出願の全開示はここに引用により組み込まれるものとする。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 有機半導 ：レーザ活' と、
第 1透明導 mi莫を有し、 前記有機半導体レーザ活' に正孔を供給する陽極と、 嫌己棚半導体レーザ活十媚に積層され、 この有機半導体レーザ活 ' に電子 を供給する †亟であって、 厚さ 1 0 n m未満の金属含有薄膜層、 およびこの金属 含有薄膜層に積層された第 2透明導電膜を有する積層構造膜からなり、 廳己金属 含有薄 が前記第 2透明導 莫ょりも前記有機半導体レーザ活'隨側に配置さ れた、 亟と
を含む、 «半導体レーザ装置。
2. 前記金属含有薄膜層が、 M g A g合金、 アルカリ金属およびアルカリ土類金 属のうちの一種以上を含む、 請求項 1記載の有機半導体レーザ装置。
3 . 前記金属含有薄膜層が、 アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの一種 以上と有機物との混合物を含む、 請求項 1記載の有機半導体レーザ装置。
4. 前記有; 半導体レーザ活 'itsは、
編己隱亟から電子の供給を受ける電子輸送層と、
編己陽極から正孔の供給を受ける正孔輸送層と、
tiff己電子輸送層および ff己正孔輸送層の間に配置され、 前記電子輸送層および 正孔輸送層よりも屈折率の大きな発光層とを含むものである、 請求項 1記載の有 機半導体レーザ装置。
5. 前記発光層は、 スチリルベンゼン誘導体をレーザ色素とし、 フエ二ルカルバ ゾール誘導体をホスト材とした有機半導体混合物層である、 請求項 1記載の有機 半導体レーザ装置。
6. 導率が 4 OWZm · K以上の材料からなり、 歯己陽極またはit亟を支持 する基板をさらに含む、 請求項 1記載の有機半導体レーザ装置。
7. 前記基板が透明基板である、 請求項 6記載の有機半導体レーザ装置。
8. 前記基板が不透明基板であり、 この基板上に透明な光閉じこめ層を介して前 記陽極または陰極が積層されている、 請求項 6記載の有機半導体レーザ装置。
9. 前記基板がサフアイャ、 シリコン、 ィ匕合物半導体、 金属、 グラフアイト、 ダ ィャモンド、 セラミックスおよびアモルファスカーボンよりなる群から選択した
1種以上の材料を含む、 請求項 6記載の有機半導体レーザ装置。
1 0. 有機半導体レーザ活 '¾jfと、
第 1透明導 «!莫を有し、 前記有機半導体レーザ活' [4)1に正孔を供給する陽極と、 第 2透明導 mi莫を有し、 嫌己有機半導体レーザ活 ¾ϋに電子を供給するit亟と、 謝云導率が 4 OW/m · K以上の材料からなり、 ΙίΤΐΒ陽極または陰極を支持す る基板と
を含む、 有機半導体レーザ装置。
1 1 . ΙΐΠ3¾¾が透明基板である、 請求項 1 0記載の有機半導体レーザ装 go 1 2 . 前記基板が不透明基板であり、 この基板上に透明な光閉じこめ層を介して 前記陽極またはt†亟カ s積層されている、 請求項 1 0記載の有機半導体レーザ装置。 1 3 . 嫌己基板がサフアイャ、 シリコン、 ィ匕合物半導体、 金属、グラフアイト、 ダイヤモンド、 セラミックスおよびアモルファスカーボンよりなる群から選択し た 1種以上の材料を含む、 請求項 1 0記載の有機半導体レーザ装置。
1 4. ΙίίΙ己有機半導体レーザ活' [4ϋは、
lift己 Ρ射亟から電子の供給を受ける電子輸送層と、
ΙΐίΙ己陽極から正孔の供給を受ける正孔輸送層と、
it己電子輸送層および歸己正孔輸送層の間に配置され、 前記電子輸送層および 正孔輸送層よりも屈折率の大きな発光層とを含むものである、 請求項 1 0記載の 有機半導体レーザ装置。
1 5. 有機半導体発光層と、
第 1透明導 ¾1莫を有し、 嫌己有機半導体発光層に正孔を供給する陽極と、 第 2透明導 «I莫を有し、 前記有機半導体発光層に電子を供給する陰極と、 tin己陽極または陰極を支持する基板とを含み、
前記基板が、 シリコン、 化合物半導体、 金属、 グラフアイト、 ダイヤモンド、 セラミックスおよびアモルファスカーボンよりなる群から選択した 1種以上の材 料を含む、 有機エレク ト口ルミネッセンス装置。
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