(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極、
第２の電極、および
前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置された有機発光層をさらに含む第１の有機発光デバイスと、
光共振器、および
前記光共振器内に配置された有機レイジング材料をさらに含む第１のレーザデバイスと、
前記第１の有機発光デバイスによって放射される光を前記第１のレーザデバイス上へ集束させるように配置された焦点機構と
を備え、
前記焦点機構は、前記第１の有機発光デバイスが配置されている非平面基板であり、前記第１の有機発光デバイスからの光が、前記第１のレーザデバイスの少なくとも一部が配置されている領域に集束されるようになっており、
前記焦点機構は、前記第１のレーザデバイスへの入射光の強度が、前記第１の有機発光デバイスによって放射される光の強度よりも少なくとも１０倍大きいように、前記第１の有機発光デバイスによって放射される光を前記第１のレーザデバイス上へ集束させるように構成され、
前記第１のレーザデバイスが光励起有機半導体レーザであり、
前記第１の有機発光デバイスは、微小共振器をさらに備え、前記有機発光層が前記微小共振器内に配置されている、デバイス。
【請求項２】
前記焦点機構は、前記第１のレーザデバイスへの入射光の強度が、前記第１の有機発光デバイスによって放射される光の強度よりも少なくとも１００倍大きいように、前記第１の有機発光デバイスによって放射される光を前記第１のレーザデバイス上へ集束させるように構成されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記微小共振器が、１次元の微小共振器である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記微小共振器が、２次元の微小共振器である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記非平面基板が、３次元湾曲を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記非平面基板が、放物形を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第１の有機発光デバイスをパルス動作させるように構成された回路をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
請求項１に記載のデバイスが組み込まれた民生用デバイスをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
第１の電極、
第２の電極、および
前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置された有機発光層
をさらに備え、非平面基板に配置される第１の有機発光デバイスを電気的に駆動するステップと、
前記第１の有機発光デバイスによって放射される光を第１のレーザデバイスの有機レイジング材料上へ集束させることによって前記第１のレーザデバイスを光励起するステップであって、前記第１の有機発光デバイスによって放射される光を、前記第１のレーザデバイスへの入射光の強度が前記第１の有機発光デバイスによって放射される光の強度よりも少なくとも１０倍大きいように、前記第１のレーザデバイス上へ集束させるステップと
を含み、前記第１のレーザデバイスが、
光共振器、および
前記光共振器内に配置された有機レイジング材料
をさらに含み、
前記第１のレーザデバイスが光励起有機半導体レーザであり、
前記第１の有機発光デバイスは、微小共振器をさらに備え、前記有機発光層が前記微小共振器内に配置されている、方法。
【請求項１０】
前記第１の有機発光デバイスは、前記第１のレーザデバイスがパルスで光励起されるように、パルスで駆動される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記パルスが、５から２０ナノ秒の長さを有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
パルス間の間隔が、少なくとも１マイクロ秒の長さを有する、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２００９年７月２９日に出願された米国特許出願第１２／５１１，７９７号の優先権を主張し、この出願の開示は、その全体が参照によって本明細書に明確に組み込まれる。
【０００２】
連邦支援研究開発
この発明は、空軍科学研究局によって授与された認可番号ＦＡ９５５０−０７−０３６４、プロジェクト番号Ｆ０１７３５７の下に政府支援で行われた。政府は、本発明にある権利を有する。
【０００３】
特許請求される本発明は、産学共同研究契約の以下の当事者、Ｒｅｇｅｎｔｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｍｉｃｈｉｇａｎ、プリンストン大学、南カリフォルニア大学、およびＵｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの１つまたは複数によって、それらを代表して、および／またはそれらに関連して行われた。この契約は、特許請求される本発明が成された日以前に効力があり、さらに特許請求される本発明は、本契約の範囲内で行われた活動の結果として成された。
【０００４】
本発明は、発光デバイスに関する。より詳細には、本発明はレーザに関し、レイジング材料は有機物である。
【背景技術】
【０００５】
有機材料を利用する光電子デバイスは、いくつかの理由のためにますます望ましいものになっている。そのようなデバイスを作るために使用される材料の多くは、比較的安価であるので、有機光電子デバイスには、無機デバイスに対してコスト優位の可能性がある。その上、可撓性などの有機材料の固有特性が、有機材料を、可撓性基板上への製作のような特定の用途に申し分なく適したものにする可能性がある。有機光電子デバイスの例には、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）、有機フォトトランジスタ、有機光電池、および有機光検出器などがある。ＯＬＥＤに関して、有機材料は、従来の材料と比べて性能で優位に立っている可能性がある。例えば、有機発光層が光を放射する波長は、一般に、適切なドーパントで容易に調整することができる。
【０００６】
ＯＬＥＤは、電圧がデバイスに加えられたとき光を放射する薄い有機膜を利用する。ＯＬＥＤは、フラットパネルディスプレイ、照明、および背面照光のような用途での使用にとってますます興味ある技術になっている。いくつかのＯＬＥＤ材料および構成は、米国特許第５，８４４，３６３号、６，３０３，２３８号、および５，７０７，７４５号で説明されており、これらの特許は、その全体が参照して本明細書に組み込まれる。
【０００７】
ＯＬＥＤについてのいっそうの詳細および上で説明された定義は、米国特許第７，２７９，７０４号の中に見ることができ、この特許は、その全体が参照して本明細書に組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，８４４，３６３号
【特許文献２】米国特許第６，３０３，２３８号
【特許文献３】米国特許第５，７０７，７４５号
【特許文献４】米国特許第７，２７９，７０４号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｖ．Ｇ．Ｋｏｓｌｏｖ、Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｏｗｓ、Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ｎａｔｕｒｅ  ３８９、３６２頁  （１９９７）
【非特許文献２】Ｇｉｅｂｉｎｋ  ａｎｄ  Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ｐｕｍｐｅｄ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｒｅａｃｈｉｎｇ  ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｕｎｄｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ  ７９、０７３３０２  （２００９）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
デバイスが提供される。本デバイスは、第１の有機発光デバイスを含み、この有機発光デバイスは、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極の間に配置された有機発光層とをさらに含む。本デバイスはまた、第１のレーザデバイスを含み、この第１のレーザデバイスは、光共振器と、この光共振器内に配置された有機レイジング材料をさらに含む。焦点機構が、第１の有機発光デバイスによって放射される光を第１のレーザデバイス上へ集束させるように配置されている。好ましくは、焦点機構は、第１の有機発光デバイスによって放射される光よりも強度が少なくとも１０倍大きな、より好ましくは少なくとも１００倍大きな、第１のレーザデバイスへの入射光を供給する。
【００１１】
好ましくは、第１の有機発光デバイスは、微小共振器を備え、有機発光層がその微小共振器内に配置されている。１次元および２次元の微小共振器は、使用可能な２つの型の微小共振器である。
【００１２】
焦点機構は、屈折率分布型レンズなどのレンズであることがある。屈折率分布型レンズは、第１の平面端と第２の平面端を持っている円柱形を有することがあり、第１の有機発光デバイスが屈折率分布型レンズの第１の平面端に配置され、第１のレーザデバイスが屈折率分布型レンズの第２の平面端に配置されている。１／４ピッチ屈折率分布型レンズが好ましい。
【００１３】
焦点機構は、第１の有機発光デバイスが配置されている非平面基板であり、第１の有機発光デバイスからの光が、第１の有機半導体レーザの少なくとも一部が配置されている領域に集束されるようになっていることがある。３次元湾曲を有する非平面基板が好ましい。放物形が好ましい。
【００１４】
好ましくは、本デバイスは、第１の有機発光デバイスをパルス動作させるように構成された回路をさらに備える。
【００１５】
本デバイスは、民生用デバイスに組み込まれてよい。
【００１６】
また、方法が提供される。第１の有機発光デバイスは、電気的に駆動されてエレクトロルミネセンスを引き起こしてよい。エレクトロルミネセンスは、焦点機構によって有機半導体レーザ上へ集束されて、有機半導体レーザを光励起する。
【００１７】
好ましくは、第１の有機発光デバイスは、ＯＳＬがパルスで光励起されるようにパルスで駆動される。好ましくは、パルスは、５ナノ秒から２０ナノ秒の継続時間を有する。好ましくは、パルス間の間隔は、少なくとも１マイクロ秒の継続時間を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】有機発光デバイスを示す図である。
【図２】独立した電子輸送層を有しない逆有機発光デバイスを示す図である。
【図３】光励起有機半導体レーザを示す図である。
【図４】ＯＬＥＤからの光をＯＳＬ上へ集束させる焦束機構として屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズを示す図である。
【図５】ＯＬＥＤからの光をＯＳＬ上へ集束させる焦束機構として湾曲ＯＬＥＤを示す図である。
【図６】ＧＲＩＮレンズのピッチ概念を示す図である。
【図７】平行入力光を仮定して、ＧＲＩＮレンズに関し一様入力強度プロファイルと計算された出力強度プロファイルを示す図である。
【図８】図７に示されたものと同様な計算を示す図であるが、入力光は半球上に等方的に角度分布すると仮定している。
【図９】第１のＯＬＥＤに関して、測定された規格化ＥＬスペクトルを示す図である。
【図１０】第１のＯＬＥＤを特徴付けるプロットを示す図である。
【図１１】第２のＯＬＥＤに関して、測定された規格化ＥＬスペクトルを示す図である。
【図１２】第２のＯＬＥＤを特徴付けるプロットを示す図である。
【図１３】ＧＲＩＮレンズからの測定された光出力を示す図であり、光は第１のＯＬＥＤから入力されている。
【図１４】図１３に示された焦点に関して、ＸおよびＹ方向の断面強度プロファイルを示す図である。
【図１５】ＧＲＩＮレンズからの測定された光出力を示す図であり、光は第１のＯＬＥＤから入力されている。
【図１６】図１５に示された焦点に関して、ＸおよびＹ方向の断面強度プロファイルを示す図である。
【図１７】図５のそれと同様な湾曲ＯＬＥＤに関して、計算された強度プロファイルを示す図である。
【図１８】図１７に示されたＯＬＥＤに関して、強度プロファイルを示す図である。
【図１９】ＯＬＥＤに対応する光微小共振器構造を示す図である。
【図２０】図１９の構造に基づいたいくつかの光プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
光励起有機半導体レーザ（ＯＳＬ）が提供される。ＯＳＬは、別個の電気的に駆動される有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）からの光で励起される。
【００２０】
光励起ＯＳＬデバイスは知られており、Ｖ．Ｇ．Ｋｏｓｌｏｖ、Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｏｗｓ、Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ｎａｔｕｒｅ  ３８９号、３６２頁  （１９９７）を参照されたい。ＯＳＬは、一般に、その中に有機レイジング材料が配置されている光共振器を含む。光共振器をどのようにして作るか、レイジング材料をどこに置くべきか、およびどの材料を使用すべきかのような考慮すべき問題は、当技術分野でよく知られている。ＯＳＬは、ＯＳＬが吸収することができる波長に十分な強度を有するＯＳＬへの入射光を供給することによって、光学的に励起することができる。レイジングを達成する最少励起光閾値を有する従来の光励起ＯＳＬデバイスでは、およそ１００Ｗ／ｃｍ２の励起強度が必要である。現在利用可能なＯＬＥＤで達成される最高輝度は、およそ１０Ｗ／ｃｍ２である。したがって、出力強度の約１０倍の増加がなければ、従来のＯＬＥＤは、レイジングを達成するために必要とされるレベルで、光励起ＯＳＬを駆動することができない。
【００２１】
本発明の実施形態は、ＯＬＥＤからの光出力を光励起ＯＳＬ上へ集束させる焦束機構を設けることによってこの問題に対処して、面積は減少したがＯＬＥＤのデフォルト出力に比べて増した光強度の領域を実現する。この増した強度は、従来のＯＬＥＤを用いて従来の光励起ＯＳＬでレイジングを達成するのに十分である。既存のＯＬＥＤを用いて既存のＯＳＬを駆動するために必要とされる強度の増加に基づいて、ＯＳＬへの入射光の強度は、好ましくは、ＯＬＥＤで放射される光強度よりも少なくとも１０倍大きい。より好ましくは、ＯＳＬへの入射光の強度は、ＯＬＥＤで放射される光の強度よりも少なくとも１００倍大きく、さらにより好ましくは１，０００倍大きい。これらの増加は、本明細書で開示される構成に基づいて達成することができ、最高輝度のＯＬＥＤまたは最少レイジング閾値のＯＳＬデバイスではない可能性があるデバイスおよび材料を用いたレイジングの達成に、かなりの余裕を与える。利用可能なＯＬＥＤおよびＯＳＬの特性のような要素に依存して、光強度の他の増加が使用されることがある。
【００２２】
「焦束機構」は、光を集束させるどんな機構であってもよい。本発明のいくつかの実施形態では、そのような集束を達成するために、１つまたは複数のレンズが使用される。屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）は、好ましい集束機構である。ＧＲＩＮレンズを用いて、ＯＬＥＤ、ＯＳＬおよびＧＲＩＮレンズを含む簡便なユニットを容易に製造することができる。円柱状ＧＲＩＮレンズは、２つの円形平面端を持っている。ＧＲＩＮレンズがＯＬＥＤからの光をＯＳＬ上へ集束させるように、ＯＬＥＤはこれらの端の１つに位置付けされ、ＯＳＬが他方の端に位置付けされることがある。この構成には、集束の程度および強度増加に影響を及ぼす、ＯＬＥＤとＯＳＬの間の距離が、ＧＲＩＮレンズの製造中に容易に制御できるという有利点がある。１／４ピッチＧＲＩＮレンズが好ましい。その理由は、１／４ピッチＧＲＩＮレンズは、他のピッチを有するＧＲＩＮレンズに比べて短い距離で高い集束を達成するからである。
【００２３】
いくつかの実施形態では、ＯＬＥＤが微小共振器を含むことが好ましい。微小共振器ＯＬＥＤでは、ＯＬＥＤの発光層は微小共振器の中に、すなわち少なくとも半反射性である２つの表面の間に、配置される。微小共振器効果のないＯＬＥＤは、おおむね「ランベルト」放射を有し、すなわち観察される放射強度が観察者の視線と表面法線の間の角度θの余弦に正比例する可能性がある。微小共振器効果は、放射強度を表面法線の方向に集める傾向があり、極限では「平行」放射を生じさせる。しばしば、微小共振器を持っているＯＬＥＤは、ＯＬＥＤの電極と有機層の間の境界面を半反射表面として使用するが、他の表面も同様に使用することができる。
【００２４】
特に、ＯＬＥＤの発光が、方向性を有し、好ましくは平行にされるとき、いくつかの集束機構が最適に作用する可能性がある。ＧＲＩＮレンズは、そのような集束機構の例である。
【００２５】
他の集束機構は、非平面のまたは湾曲した基板を使用することを含み、この基板上にＯＬＥＤが製作される。例えば、平行発光するＯＬＥＤを使用すると、そのＯＬＥＤの各部分は表面法線の方向に光を放射する。これらの表面法線が特定の場所の小さな面積に集まるように湾曲基板を形作ることによって、ＯＬＥＤからＯＳＬへの集束は、レンズを使用することなしに達成することができる。最高の集束が達成される場所にＯＳＬを位置付けすることは必ずしも必要でないが、望ましいことがある。むしろ、光が少なくとも十分に集束されてＯＳＬを駆動するように、ＯＳＬを位置付けすることが好ましい。
【００２６】
３次元湾曲を有する非平面基板が好ましい。放物形が好ましい。２次元湾曲を有する表面が、使用されることがあり、製造の容易さなどのいくつかの理由のために好ましいことがある。しかし、２次元湾曲を有する表面は、光を点に集束させる能力が限られており、むしろ光を直線領域に集束させることができる。３次元湾曲を有する表面は、強度のより大きな増加を達成することができるので、好ましい。放物形が好ましく、その場合ＯＳＬは、パラボラの焦点または焦点の近くに置かれる。放物状の皿は、好ましい形の例である。
【００２７】
好ましくは、デバイスは、第１の有機発光デバイスをパルス動作させるように構成された回路をさらに備える。連続的にレーザ発振したとき、ＯＳＬは、望ましくないクエンチングを引き起こす三重項の蓄積を受けることがあると信じられているので、パルス動作が好ましい。Ｇｉｅｂｉｎｋ  ａｎｄ  Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ｐｕｍｐｅｄ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｒｅａｃｈｉｎｇ  ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｕｎｄｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ  ７９、０７３３０２  （２００９）を参照されたい。パルス励起光を使用してＯＳＬを駆動することで、この問題が軽減される可能性がある。第１の有機発光デバイスをパルス動作させるように構成された回路は、例えば、市販のパルス発生器であってもよい。いくつかのＯＳＬデバイスで、三重項は、約１００ｎｓの時間の間に望ましくないレベルまで蓄積すると信じられている。したがって、１００ｎｓ未満のパルス継続時間が好ましい。好ましくは、パルスは、５から２０ｎｓの継続時間を有する。パルスは、ＯＬＥＤの強度が増加する立ち上り時間を含むことがあり、好ましくは、この立ち上り時間はできるだけ短い。パルス間の間隔は、他のパルスが開始されてもよいように三重項を減衰させる。好ましくは、パルス間の間隔は、少なくともｎｅマイクロ秒である。１秒以上までのより長い間隔が使用されることがある。ＯＳＬの材料および構成に依存して、異なるパルス継続時間およびパルス間の間隔が使用されることがある。その上、例えばレイジング効率と望ましいレーザ信号プロファイルの間の妥協として、最適とは言えないパルスの継続時間および間隔が、使用されることがある。
【００２８】
集束機構は、本明細書で特に示されたものに限定されない。他の適切な集束機構には、従来のレンズ、フレネルレンズ、顕微鏡用対物レンズ、凹面鏡または放物面鏡、または光学要素の組合せなどがある。より一般的には、光を集束させることができる任意の光学要素または光学要素の組合せが使用可能である。
【００２９】
図１は、有機発光デバイス１００を示す。図は、必ずしも一定の率で拡大して描かれていない。デバイス１００は、基板１１０、陽極１１５、正孔注入層１２０、正孔輸送層１２５、電子阻止層１３０、発光層１３５、正孔阻止層１４０、電子輸送層１４５、電子注入層１５０、保護層１５５、および陰極１６０を含むことがある。陰極１６０は、第１の伝導層１６２および第２の伝導層１６４を有する複合陰極である。デバイス１００は、説明されたこれらの層を順番に堆積させることによって製作されることがある。これらの様々な層ならびに例の材料の特性および機能は、米国特許第７，２７９，７０４号、６〜１０欄により詳細に説明されており、これらは、参照して組み込まれる。
【００３０】
矢印１７０は、デバイス１００中の微小共振器の境界面を示す。微小共振器は、デバイス中の２つの境界面が少なくともある程度の反射率を有するとき、これらの境界面の間に形成されている。境界面の１つは、完全反射性であることがある。しかし、ＯＬＥＤは光を放射すると期待されているので、少なくとも１つの境界面は半透明でなければならない。矢印１７０は、陽極１１５および陰極１６０とデバイス１００の有機層の境界面の間に描かれている。これらの境界面は、ＯＬＥＤ中に存在する任意の微小共振器を一般的に画定している。というのは、これらの境界面は、一般的な設計選択が成されたときデバイス中で最も高い反射率を有する傾向があるからである。しかし、他の境界面が、微小共振器を画定するために使用されてもよい。
【００３１】
図２は、逆ＯＬＥＤ２００を示す。このデバイスは、基板２１０、陰極２１５、発光層２２０、正孔輸送層２２５、および陽極２３０を含む。デバイス２００は、説明されたこれらの層を順番に堆積させることによって製作されることがある。最も一般的なＯＬＥＤ構成は、陽極の上方に配置された陰極を有し、デバイス２００は陽極２３０の下に配置された陰極２１５を持っているので、デバイス２００は、「逆」ＯＬＥＤと呼ばれることがある。デバイス１００に関して説明されたものと同様な材料が、デバイス２００の対応する層で使用されることがある。図２は、デバイス１００の構造からいくつかの層をどのように省略することができるかの１つの例を提供している。
【００３２】
図１および２に示された簡単な層状構造は、非限定の例として提供され、理解されることであるが、本発明の実施形態は、広範な様々な他の構造に関連して使用されることがある。説明される特定の材料および構造は、本質的に例示であって、他の材料および構造が使用されることがある。実用的なＯＬＥＤは、設計、性能、およびコスト要素に基づいて、説明された様々な層を異なるやり方で組み合わせることによって達成されることがあり、または複数の層が完全に省略されることがある。具体的に説明されなかった他の層が、また含まれることがある。具体的に説明されたもの以外の材料が、使用されることがある。様々な層は、単一材料、またはホストとドーパントの混合物、またはより一般的に混合物を含むことがある。また、これらの層は、様々な副層を持っていることがある。本明細書で様々な層に付けられた名称は、厳格に限定的なものである意図でない。例えば、デバイス２００で、正孔輸送層２２５は、正孔を輸送し、正孔を発光層２２０の中へ注入するので、正孔輸送層または正孔注入層として説明されることがある。一実施形態では、ＯＬＥＤは、陰極と陽極の間に配置された「有機層」を持つものとして説明されることがある。この有機層は、単一層を含むことがあり、または例えば図１および２に関して説明されたように、異なる有機材料の多層をさらに含むことがある。
【００３３】
図３は、光励起有機半導体レーザ（ＯＳＬ）３００を示す。レーザ３００は、基板３１０上に製作される。レーザ３００は、第１の半反射層３２０および第２の半反射層３４０を含み、これらの半反射層が一緒になって光共振器を画定している。有機レイジング材料３３０は、共振器の中に配置されている。ＯＳＬの背景の中で、本明細書で使用されるような「光共振器」は、光励起されたとき有機レイジング材料がレーザ発振するのに適した環境を実現する任意の構造を意味している。入射光３５０は、レイジング材料３３０を励起するために使用される。好ましくは、レイジング材料３３０は、入射光３５０の支配的な波長に対して高い吸収係数を有している。入射光３５０は、レイジング材料３３０で吸収されたとき、レイジング材料３３０の分子を励起する。この励起された分子は、その後減衰して、放射されるレーザ光の波長を有する光子を生成する。これらの光子は、両矢印３６０で示されるように、光共振器の中で行ったり来たりして反射する。これらの光子のいくつかは、レーザ３００で放射されるレーザ光３７０になる。光励起ＯＳＬデバイスは、当技術分野でよく知られている。図３に示されたものと異なる特定の構成が、使用されることがある。光励起ＯＳＬの設計基準、例えば、様々な材料の組合せ、光共振器の光路長を放射されるべき光の波長の倍数に合わせること、半反射層の反射率の程度、および同様なものは、当技術分野でよく知られている。
【００３４】
図４は、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズを集束機構として使用してＯＬＥＤからの光をＯＳＬ上へ集束させる本発明の実施形態を示す。デバイス４００は、ＧＲＩＮレンズ４２０を含む。ＧＲＩＮレンズは、全体的に円柱の形であり、光ファイバに使用されるのと同様な方法を使用して製造されることがある。ＯＬＥＤ４１０は、ＧＲＩＮレンズ４２０の第１の平面端に配置される。ＯＳＬ４３０は、ＧＲＩＮレンズ４２０の第２の平面端に配置される。ＯＬＥＤ４１０に電力が供給されるとき、ＯＬＥＤ４１０はエレクトロルミネセンスを発する。ＯＬＥＤ４１０からの光は、ＧＲＩＮレンズ４２０に入り、そこでＯＳＬ４３０の面積上へ集束される。光が集束されるＯＳＬ４３０の面積は、光が供給されるＯＬＥＤ４１０の面積よりもかなり小さい。その結果として、ＯＳＬ４３０上へ集束される光は、ＯＬＥＤ４１０で放射されるものよりかなり高い強度を有している。強度の増加は、ＧＲＩＮのパラメータを選ぶことによって制御されることがある。大抵の状況では、少なくとも１０倍の増加が好ましい。少なくとも１００倍または少なくとも１０００倍の増加は、また、容易に達成することができ、望ましいことがある。１０，０００以下の強度の増加が、大抵の実施形態に適しているかもしれない。ＯＳＬ４３０の光励起は、可干渉性レーザ光４４０の放射を引き起こす。
【００３５】
図５は、湾曲ＯＬＥＤを集束機構として使用してＯＬＥＤからの光をＯＳＬ上へ集束させる本発明の実施形態を示す。ＯＬＥＤは、湾曲基板５１０上に製作される。基板５１０は、ＯＬＥＤからの光５３０がＯＬＥＤの放射面積よりもかなり小さなＯＳＬ５２０の面積に集まるように湾曲されている。光５３０はＯＳＬ５２０を光励起して、レーザ光５４０の放射を引き起こす。ＯＬＥＤ５１０の放射面積と光が集束されるＯＳＬ５２０の面積との比の好ましい範囲は、図４に関して説明された実施形態と同じである。
【００３６】
図６は、ＧＲＩＮレンズのピッチ概念を示す。ＧＲＩＮレンズは、全体的にピッチを有している。ＧＲＩＮレンズの端に入る一様な平行光は、ＧＲＩＮレンズの長さに沿ったある特定の距離の小さな領域に集まり、それからＧＲＩＮレンズに沿った他の距離のところで再び発散する。例えば、図４の実施形態での使用では、レンズの一端に入る広がった平行光がレンズの他端で好ましい範囲に集束されるような長さのＧＲＩＮレンズを選ぶことが好ましい。好ましい様々な範囲の長さがある可能性がある。というのは、強度の望ましい増加を達成するために、全ての光を１つの点に集束させることは必ずしも必要でないからである。図６は、また、屈折率がＧＲＩＮレンズの直径にわたって変化することがある１つのやり方を示している。図６に示された特定のプロファイルは、ＳＥＬＦＯＣ  ＧＲＩＮレンズに関し、中心で屈折率Ｎ０および縁でゼロの屈折率を有する二次屈折率プロファイルである。ＳＥＬＦＯＣは、ＮＳＧ  Ａｍｅｒｉｃａ，  Ｉｎｃ．から入手できる低コストＧＲＩＮレンズの商品名である。
【００３７】
図７は、ＧＲＩＮレンズについて、一様な入力強度プロファイルおよび計算された出力強度プロファイルを示す。計算のパラメータは次の通りである。レンズは、図６に示されたように二次プロファイルを有し、Ｎ０＝１．６０７、直径Ｄ＝１ｍｍ、長さＬ＝２．５８ｍｍで、二次屈折率プロファイルであった。レンズは、０．６０８の傾斜定数Ａを有し、この傾斜定数が、二次屈折率プロファイルの急峻さを決定する。
【００３８】
出力プロファイルは、不均一光線伝搬方程式（近軸でない）を厳密に解くことによって計算された。これらの方程式は、次の非線形結合常微分方程式（ＯＤＥ）である。
【００３９】
【数１】
0005911423.tif 000002
【００４０】
入力光は平行になっていると仮定された。プロファイル７１０は、一様な入力強度を示している。プロファイル７２０は、出力強度を示している。出力強度プロットにおいて光のほとんどが集束された面積は、入力強度プロットの面積に比べて１０４分の１に減少したので、出力プロットの光強度はそれに応じて高くなった。従来のＯＬＥＤを用いて容易に達成することができる１０Ｗ／ｃｍ２の一様な入力強度を使用して、平均出力強度は１００，０００Ｗ／ｃｍ２であった。この出力強度は、従来のＯＳＬを光励起するのに望ましい１００Ｗ／ｃｍ２を十分に超えている。
【００４１】
図８は、入力光が平行になっていると仮定する代わりに、入力光が半球上に等方的に角度分布すると仮定したことを除いて、図７に示されたのと同様な計算を示している。「等方的な」入力は、等方的な確率分布関数を有する１０００本のシミュレーション光線を使用することによってシミュレートされた。光線の数が少ないために、強度にいくつかの局所的なばらつきが観察される可能性があるが、これらのばらつきは、等方的な平行入力で達成される可能性がある強度増加の比較に大きな影響を及ぼさない。プロファイル８１０は、入力強度プロファイルを示し、プロファイル８２１は出力強度プロファイルを示す。出力光の強度の向上は、図７に示されたものよりはるかに少なかった。この計算は、平行入力光、または少なくともある程度のコリメーションを有する光を使用することが望ましいことを示している。そのような平行光は、適切な微小共振器を持っているＯＬＥＤを使用することによって、ＯＬＥＤの背景の中で容易に実現される。
【００４２】
第１のＯＬＥＤは、次の通りに製作された。２．５ｐ分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）上に、ＯＬＥＤが製作された。ＯＬＥＤは、次の層を順番に含んでいた。すなわち、１４０ｎｍのスパッタインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）／５００ｎｍのＮＰＤ／１５０ｎｍのＢＣＰ／３００ｎｍのＡｌｑ／ＬｉＦ／Ａｌを含んだ。ＤＢＲは、ＳｉＯ２の２つの挿入された厚さ７６２Ａ層を含んだ２．５・４分の１波長対、すなわち３層の厚さ５４７ＡのＳｉＮｘを有した。ＯＬＥＤは、ＤＢＲとＡｌ電極の結果として微小共振器を有した（ＬｉＦ／Ａｌ電極の厚さは関係がない−ＬｉＦ／Ａｌ電極は、完全反射性でありかつ適切に電気を伝導するように十分に厚い）。ＯＬＥＤは、４５０ｎｍに発光スペクトルのピークを有する光を放射するように設計された。図９は、このＯＬＥＤについて、測定された規格化ＥＬスペクトルを示す。
【００４３】
図１０は、図９のＯＬＥＤについて、計算された放射プロファイル１０１０を示す。ゼロの角度のピークは、放射プロファイルが高度に平行にされたことを示している。図１０は、また、第１のＯＬＥＤについて、測定された量子効率（ＱＥ）対電流束Ｊ（Ａ／ｃｍ２）のプロット１０２０、ならびに電力（Ｗ）および電流束Ｊ（Ａ／ｃｍ２）対電圧Ｖのプロット１０３０を示す。
【００４４】
第２のＯＬＥＤは次の通りに製作された。ガラス基板上に、次の層が順番に堆積された。すなわち、１２５ｎｍのスパッタＩＴＯ／５００ｎｍのＮＰＤ／１５０ｎｍのＢＣＰ／３００ｎｍのＡｌｑ／ＬｉＦ／Ａｌ。ＩＴＯは、０．１ｓｃｃｍのＯ２および１４０ｓｃｃｍのＡｒを用いて８０Ｗでスパッタされ、次に３時間アニールされた。ＩＴＯのシート抵抗は、３５Ω／□と測定された。第２のＯＬＥＤは制御デバイスであり、第１のＯＬＥＤと同様であるが、ＤＢＲがない。図１１は、第２のＯＬＥＤについて、測定された規格化ＥＬスペクトルを示す。図１２は、第２のＯＬＥＤについて、測定された量子効率（ＱＥ）対電流束Ｊ（Ａ／ｃｍ２）のプロット１２１０、ならびに電力（Ｗ）および電流束Ｊ（Ａ／ｃｍ２）対電圧Ｖのプロット１２２０を示す。
【００４５】
第１のＯＬＥＤの構造を持っているＯＬＥＤは、ＯＬＥＤのガラス基板がＧＲＩＮレンズの端と接触した状態でＧＲＩＮレンズ上に置かれた。ＧＲＩＮレンズは、１ｍｍの直径、屈折率ｎ０＝１．６０７３、Ａ＝０．６０８、およびピッチ＝１／４（２．５８ｍｍの長さに相当する）を有した。図１３は、ＧＲＩＮレンズからの測定された光出力を示す。この光は、入力光に比べて減少した面積および増加した強度の点から見ると２０倍を示している。したがって、図１３で測定された特定の構成で、ＯＳＬ上で１００Ｗ／ｃｍ２の強度に達するためには、約５Ｗ／ｃｍ２のＯＬＥＤ強度が必要とされる。これは、１ｍｍ直径を有する３８ｍＷのＯＬＥＤに相当する。実際に使用されたＯＬＥＤは３８ｍＷでなかったが、強度の増加は、ＯＬＥＤを集束させることによってＯＳＬを駆動するために必要な強度を達成できることを証明している。
【００４６】
図１４は、図１３に示された焦点について、ＸおよびＹ方向の断面強度プロファイルを示す。単位は任意である。
【００４７】
第１のＯＬＥＤの構造を持っているＯＬＥＤは、ＯＬＥＤのガラス基板がＧＲＩＮレンズの端と接触した状態でＧＲＩＮレンズ上に置かれた。ＧＲＩＮレンズは、１．８ｍｍの直径、屈折率ｎ０＝１．６０７３、Ａ＝０．３３９、およびピッチ＝１／４（４．６３ｍｍの長さに相当する）を有した。図１５は、ＧＲＩＮレンズからの測定された光出力を示す。この光は、入力光に比べて減少した面積および増加した強度の点から見て１８倍を示している。
【００４８】
図１６は、図１５に示された焦点について、ＸおよびＹ方向の断面強度プロファイルを示す。単位は任意である。
【００４９】
図１７は、図５のそれと同様な湾曲ＯＬＥＤについて、計算された強度プロファイルを示す。ＸおよびＹ軸は、任意の単位で位置を表している。破線１７１０は、図１８のデータが取られた断面である。図１７は、湾曲ＯＬＥＤによる光出力の強度に比べて、焦点領域で増加した強度を示している。
【００５０】
図１８は、図１７に示されたＯＬＥＤについて、強度プロファイルを示している。微小共振器放射プロファイル１８１０は、図１７を作るために使用された計算で使用された仮定平行ＯＬＥＤ出力を示す。焦点面強度プロファイル１８２０は、図１７の破線１７１０上の様々な点について計算されるような強度を示している。強度プロファイル１８２０に示された強度は、任意の単位である。１−Ｄ微小共振器では、焦点での強度は、集束のない場合のＯＬＥＤ強度の焦点での強度の６．８倍であった。２−Ｄ小共振器では、焦点での強度は、集束のない場合のＯＬＥＤ強度の焦点での強度の４３．８倍であった。１−Ｄ微小共振器は、１つの次元に沿って周期的な屈折率変化を持つ構造である。具体化は、分布帰還回折格子（ＤＦＢ）または分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含む。２−Ｄ微小共振器は、２つの次元に沿って周期的な屈折率変化を持ち、一般に２−Ｄフォトニック結晶と呼ばれる。微小共振器は、許容光学モードと不許容光学モードの離散帯を生成することによって、放射パターンを作ることができる。適切に設計された非周期的回折格子は、また、そのような用途に使用することができる。
【００５１】
図１９は、ＯＬＥＤに対応する光微小共振器構造を示す。この構造は、陰極１９１０、有機層１９２０、および交互になる高屈折率層１９３０と低屈折率層１９４０から形成されたＤＢＲを持っている。陰極は１００％反射であると仮定された。有機層は、モデル化に有用なパラメータｎｄ／λによって特徴付けられ、ここで、ｎは屈折率であり、ｄは厚さであり、λは関心のある波長（ＯＬＥＤの発光スペクトルのピーク波長など）である。陽極は大きな光学効果を持たないと仮定されたので、陽極は図１９に示されていない。ＤＢＲは、交互になる２．２の屈折率ｎＨを有する高屈折率層１９３０と１．５の屈折率ｎＬを有する低屈折率層１９４０との４サイクルで形成されている。図１９に示された構造は、図２０に示される光プロファイルをもたらす計算で使用された。
【００５２】
図２０は、様々な仮定をして、図１９の構造に基づいたいくつかの光プロファイルを示している。プロット２０１０は、ゼロの角度に高度平行放射を示し、この場合ｎｄ／λは０．４５で、ｄは１６０ｎｍで、さらに出力結合率ηは７％である。プロット２０２０は、高度平行放射を示すが、ＯＬＥＤの表面に垂直でない方向であり、この場合ｎｄ／λは０．５６で、ｄは２５０ｎｍで、さらにηは５０％である。プロット２０３０は、高度平行放射を示し、この場合ｎｄ／λは０．７で、ｄは２００ｎｍで、さらにηは４０％である。図２０は、微小共振器効果が様々なパラメータに依存して変わることがあることを示している。これらのパラメータは、望ましい微小共振器効果を得るように当業者が容易に選ぶことができる。
【００５３】
本発明の実施形態に従って製作されるデバイスは、フラットパネルディスプレイ、コンピュータ用モニタ、テレビジョン、広告用掲示板、内部または外部照明および／または信号伝達用の光源、ヘッドアップディスプレイ、完全透明ディスプレイ、可撓性ディスプレイ、レーザプリンタ、電話、携帯電話、パーソナルディジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ラップトップコンピュータ、ディジタルカメラ、カムコーダ、ビューファインダ、微小ディスプレイ、自動車、大面積壁、映画館またはスタジアムの画面、または標識などの多種多様の民生用製品に組み込まれることがある。様々な制御機構を使用して、受動マトリックスおよび能動マトリックスなどの本発明に従って製作されたデバイスを制御することができる。これらのデバイスの多くは、１８℃から３０℃およびより好ましくは室温  （２０〜２５℃）などの人にとって快適な温度範囲で使用するように意図されている。
【００５４】
図は、一般に、一定の率で拡大して描かれていないことがある。
【００５５】
理解されることであるが、本明細書で説明された様々な実施形態は、ただ例としてだけであり、本発明の範囲を限定する意図でない。例えば、本明細書で説明された材料および構造の多くは、本発明の精神を逸脱することなしに他の材料および構造と置き換えられる可能性がある。したがって、特許請求されるような本発明は、本明細書で説明された特定の例および好ましい実施形態の変形を含むことがあるが、そのことは、当業者には明らかであろう。本発明が機能する理由についての様々な理論は限定するものでない意図であることは理解される。
【符号の説明】
【００５６】
１００  有機発光デバイス
１１０  基板
１１５  陽極
１２０  正孔注入層
１２５  正孔輸送層
１３０  電子阻止層
１３５  発光層
１４０  正孔阻止層
１４５  電子輸送層
１５０  電子注入層
１５５  保護層
１６０  陰極
１６２  第１の伝導層
１６４  第２の伝導層
１７０  陽極および陰極と有機層の境界（微小共振器）
２００  逆ＯＬＥＤ
２１０  基板
２１５  陰極
２２０  発光層
２２５  正孔輸送層
２３０  陽極
３００  光励起有機半導体レーザ（ＯＳＬ）
３１０  基板
３２０  第１の半反射層
３３０  有機レイジング材料
３４０  第２の半反射層
３５０  入射光
３６０  光共振器
３７０  レーザ光
４００  デバイス
４１０  ＯＬＥＤ
４２０  ＧＲＩＮレンズ
４３０  ＯＳＬ
４４０  可干渉性レーザ光
５１０  湾曲基板（ＯＬＥＤ）
５２０  ＯＳＬ
５３０  光
５４０  レーザ光
【図１】
0005911423.tif 000003
【図２】
0005911423.tif 000004
【図３】
0005911423.tif 000005
【図４】
0005911423.tif 000006
【図５】
0005911423.tif 000007
【図７】
0005911423.tif 000008
【図８】
0005911423.tif 000009
【図１４】
0005911423.tif 000010
【図１６】
0005911423.tif 000011
【図２０】
0005911423.tif 000012
【図６】
0005911423.tif 000013
【図９】
0005911423.tif 000014
【図１０】
0005911423.tif 000015
【図１１】
0005911423.tif 000016
【図１２】
0005911423.tif 000017
【図１３】
0005911423.tif 000018
【図１５】
0005911423.tif 000019
【図１７】
0005911423.tif 000020
【図１８】
0005911423.tif 000021
【図１９】
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