(57)【要約】  有色画素化光を生成するディスプレイ装置は、ポンプ・ビーム光を生成するためのバックライト・ユニット、及び画素間領域よりも高い正味利得を有する間隔を開けたレーザー画素のアレイを提供するように、間隔を開けた位置のところで該デバイスの特性を変調するための構造と、該ポンプ・ビーム光に応答して異なる有色光を生成するための部分を含むアクティブ領域とを含む垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスを含む。当該装置は、光シャッター及び該選択された有色光のビューのアンギュラー・コーンを増大させるための、該光シャッターの上に配置されたビーム拡大器も含む。
2008502925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)  ポンプ・ビーム光を生成するためのバックライト・ユニット；
b)  i)  画素間領域よりも高い正味利得を有する間隔を開けたレーザー画素のアレイを提供するように、間隔を開けた位置のところで該デバイスの特性を変調するための構造と；
ii)  該ポンプ・ビーム光に応答して異なる有色光を生成するための部分を含むアクティブ領域と
を含む垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイス；
c)  光シャッター；及び
d)  該選択された有色光のビューのアンギュラー・コーンを増大させるための、該光シャッターの上に配置されたビーム拡大器
を含んで成る有色画素化光を生成するディスプレイ装置。
【請求項２】
該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスと、該光シャッターとの間に、偏光層が設けられている、請求項1に記載のディスプレイ装置。
【請求項３】
該デバイスが所定の偏光方向を有する偏光を生成することを確実にするために、該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスが、該レーザー・アレイ・デバイス内に配置された複屈折層をさらに含む請求項1に記載のディスプレイ装置。
【請求項４】
a)  ポンプ・ビーム光を生成するためのバックライト・ユニット；
b)  i)  透明基板と；
ii)  、所定の波長範囲全体にわたる光に対して反射性であって、該基板上に配置された底部誘電スタックと；
iii)  画素間領域よりも高い正味利得を有する間隔を開けたレーザー画素のアレイを提供するように間隔を開けた位置のところで該デバイスの特性を変調するための構造と；
iv)  該ポンプ・ビーム光に応答して異なる有色光を生成するための部分を含むアクティブ領域と；
v)  該底部誘電スタックから間隔が開いており、所定の波長範囲全体にわたる光に対して反射性の上部誘電スタックと
を含む垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイス；
c)  該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスからの選択された有色光が通過することを可能にするための光シャッター；及び
d)  該選択された有色光のビューのアンギュラー・コーンを増大させるための、該光シャッターの上に配置されたビーム拡大器
を含む有色画素化光を生成するディスプレイ装置。
【請求項５】
該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスと、該光シャッターとの間に、偏光層が設けられている、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項６】
該デバイスが所定の偏光方向を有する偏光を生成することを確実にするために、該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスが、該レーザー・アレイ・デバイス内に配置された複屈折層をさらに含む請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項７】
該光シャッターが、選択された光が通過するのを可能にするために印加された場に対して応答する液晶を有する1つ以上の層を含む、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項８】
該光シャッターが、1つ以上の偏光フィルム層を含む、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項９】
該光シャッターが、エレクトロウェッティング・スイッチを有する1つ以上の層を含む、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項１０】
該バックライト・ユニットが、発光ダイオード又は冷陰極蛍光灯を含む、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項１１】
該アクティブ領域が、1つ又は2つ以上の周期的利得領域及び該周期的利得領域のいずれの側にも配置されそして該周期的利得領域が該デバイスの定在波電磁場のアンチノードと整列するように配列されているスペーサー層を含む、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項１２】
該周期的利得領域の部分が、赤光、緑光、又は青光を生成する、請求項11に記載のディスプレイ装置。
【請求項１３】
該周期的利得領域が有機ホスト材料とドーパントとを含み、そしてスペーサー層が、ポンプ・ビーム光及びレーザー光に対して実質的に透過性である、請求項11に記載のディスプレイ装置。
【請求項１４】
該スペーサー層が、1,1-ビス-(4-ビス(4-メチル-フェニル)-アミノ-フェニル)-シクロヘキサン又は二酸化ケイ素を含む、請求項11に記載のディスプレイ装置。
【請求項１５】
緑色光を生成する該周期的利得領域部分が、アルミニウムトリス(8-ヒドロキシキノリン)のホスト材料、及び[10-(2-ベンゾチアゾリル)-2,3,6,7-テトラヒドロ-1,1,7,7-テトラメチル-1H,5H,11H-[1]ベンゾピラノ[6,7,8-ij]キノリジン-11-オン]のドーパントを含む、請求項12に記載のディスプレイ装置。
【請求項１６】
赤光を生成する該周期的利得領域部分が、アルミニウムトリス(8-ヒドロキシキノリン)のホスト材料、及び[4-(ジシアノメチレン)-2-t-ブチル-6-(1,1,7,7-テトラメチルユロリジル-9-エニル)-4H-ピラン]のドーパントを含む、請求項12に記載のディスプレイ装置。
【請求項１７】
青色光を生成する該周期的利得領域部分が、2-tert-ブチル-9,10-ジ-ナフタレン-2-イル-アントラセンのホスト材料、及び2,5,8,11-テトラキス(1,1-ジメチルエチル)-ペリレンのドーパントを含む、請求項12に記載のディスプレイ装置。
【請求項１８】
該周期的利得領域が、高分子材料を含む、請求項11に記載のディスプレイ装置。
【請求項１９】
該周期的利得領域が、無機ナノ粒子を含む、請求項11に記載のディスプレイ装置。
【請求項２０】
該間隔を開けたレーザー画素が同じか又は異なるサイズを有しており、そして画素間の間隔が同じか又は異なる長さを有することにより、該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスの出力に単モード又は多モードのレーザー出力を生成させる、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項２１】
画素間の間隔は0.25〜4ミクロンである、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項２２】
画素間の間隔は2.5〜20ミクロンである、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項２３】
該画素が、周期的な二次元アレイを成して配列される、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項２４】
該画素が、二次元アレイを成してランダムに配列される、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項２５】
該間隔を開けたレーザー画素のアレイが、該ポンプ・ビーム光を吸収するために選択された複数の間隔を開けた吸収性素子を含む、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項２６】
該間隔を開けたレーザー画素のアレイが、間隔を開けた位置のところでアクティブ領域の放射特性を変えることを含む、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項２７】
該放射特性が、高強度UV線によって変えられる、請求項26に記載のディスプレイ装置。
【請求項２８】
該間隔を開けたレーザー画素のアレイが、底部誘電スタックの頂面内にエッチ領域を選択的に形成することを含む、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項２９】
該選択的にエッチングされた底部誘電スタック上に、平坦化層が形成されている、請求項28に記載のディスプレイ装置。
【請求項３０】
該平坦化層がポリイミド又はSiO2を含み、そして化学機械研磨システムによって薄くされている、請求項29に記載のディスプレイ装置。
【請求項３１】
該平坦化層がポリメチル-メタクリレートを含む、請求項29に記載のディスプレイ装置。
【請求項３２】
該複屈折層が、該アクティブ領域と、底部誘電層又は上部誘電層との間に配置されている、請求項6に記載のディスプレイ装置。
【請求項３３】
該複屈折層が、該誘電スタックのうちの1つの内部に配置されている、請求項6に記載のディスプレイ装置。
【請求項３４】
該複屈折層が、該複屈折層の2つの側のうちの少なくとも一方に配置された整列層を含む、請求項6に記載のディスプレイ装置。
【請求項３５】
該整列層が、光整列法によって配向を可能にする材料を含む、請求項34に記載のディスプレイ装置。
【請求項３６】
該整列層が、機械的ラビング法によって配向を可能にする材料を含む、請求項34に記載のディスプレイ装置。
【請求項３７】
該複屈折層が正又は負の複屈折材料を含み、該複屈折材料の光軸が、0°〜20°の平均傾斜角を有する、請求項6に記載のディスプレイ装置。
【請求項３８】
該複屈折材料が高分子液晶を含む、請求項37に記載のディスプレイ装置。
【請求項３９】
該ポンプ・ビーム光が透過され、そして誘電スタックのうちの1つ以上を通って該アクティブ領域内に導入される、請求項4に記載のディスプレイ装置。
【請求項４０】
a)  ポンプ・ビーム光を生成するためのバックライト・ユニット；
b)  i)  画素間領域よりも高い正味利得を有する間隔を開けたレーザー画素のアレイを提供するように、第1の底部誘電スタック部分の頂面内に選択的に形成されたエッチ領域と；
ii)  該ポンプ・ビーム光に応答して異なる有色光を生成するための部分を含むアクティブ領域と
を含む垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイス
c)  光シャッター；及び
d)  該選択された有色光のビューのアンギュラー・コーンを増大させるための、該光シャッターの上に配置されたビーム拡大器
を含む有色画素化光を生成するディスプレイ装置。
【請求項４１】
該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスと、該光シャッターとの間に偏光層が設けられている、請求項40に記載のディスプレイ装置。
【請求項４２】
該デバイスが所定の偏光方向を有する偏光を生成することを確実にするために、該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスが、該レーザー・アレイ・デバイス内に配置された複屈折層をさらに含む、請求項40に記載のディスプレイ装置。
【請求項４３】
a)  ポンプ・ビーム光を生成するためのバックライト・ユニット；
b)  i)  透明基板と；
ii)  該基板上に配置された、所定の波長範囲全体にわたる光に対して反射性の第1の底部誘電スタック部分と；
iii)  画素間領域よりも高い正味利得を有する間隔を開けたレーザー画素のアレイを提供するように、該第1の底部誘電スタック部分の頂面内に選択的に形成された、エッチ領域と；
iv)  該エッチングされた第1の底部誘電スタック部分上に形成された第2の底部誘電スタック部分と；
v)  該ポンプ・ビーム光に応答して異なる有色光を生成するための部分を含むアクティブ領域と；
vi)  該底部誘電スタックから間隔を開けた、所定の波長範囲全体にわたる光に対して反射性の上部誘電スタックと
を含む垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイス；
c)  該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスからの選択された有色光が通過することを可能にするための光シャッター；及び
d)  該選択された有色光のビューのアンギュラー・コーンを増大させるための、該光シャッターの上に配置されたビーム拡大器
を含む有色画素化光を生成するディスプレイ装置。
【請求項４４】
該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスと、該光シャッターとの間に、偏光層が設けられている、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項４５】
該デバイスが所定の偏光方向を有する偏光を生成することを確実にするために、該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスが、該レーザー・アレイ・デバイス内に配置された複屈折層をさらに含む、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項４６】
該光シャッターが、選択された光が通過するのを可能にするために印加された場に対して応答する液晶を有する1つ以上の層を含む、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項４７】
該光シャッターが、1つ以上の偏光フィルム層を含む、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項４８】
該光シャッターが、エレクトロウェッティング・スイッチを有する1つ以上の層を含む、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項４９】
該バックライト・ユニットが、発光ダイオード又は冷陰極蛍光灯を含む、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項５０】
該アクティブ領域が、1つ又は2つ以上の周期的利得領域を含み、該周期的利得領域のいずれの側にもスペーサー層が配置されており、そして該スペーサー層が、該周期的利得領域が該デバイスの定在波電磁場のアンチノードと整列するように配列されている、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項５１】
該周期的利得領域の部分が、赤光、緑光、又は青光を生成する、請求項50に記載のディスプレイ装置。
【請求項５２】
該周期的利得領域が有機ホスト材料とドーパントとを含み、そしてスペーサー層が、ポンプ・ビーム光及びレーザー光に対して実質的に透過性である、請求項50に記載のディスプレイ装置。
【請求項５３】
該スペーサー層が、1,1-ビス-(4-ビス(4-メチル-フェニル)-アミノ-フェニル)-シクロヘキサン又は二酸化ケイ素を含む、請求項50に記載のディスプレイ装置。
【請求項５４】
緑色光を生成する該周期的利得領域部分が、アルミニウムトリス(8-ヒドロキシキノリン)のホスト材料、及び[10-(2-ベンゾチアゾリル)-2,3,6,7-テトラヒドロ-1,1,7,7-テトラメチル-1H,5H,11H-[1]ベンゾピラノ[6,7,8-ij]キノリジン-11-オン]のドーパントを含む、請求項51に記載のディスプレイ装置。
【請求項５５】
赤光を生成する該周期的利得領域部分が、アルミニウムトリス(8-ヒドロキシキノリン)のホスト材料、及び[4-(ジシアノメチレン)-2-t-ブチル-6-(1,1,7,7-テトラメチルユロリジル-9-エニル)-4H-ピラン]のドーパントを含む、請求項51に記載のディスプレイ装置。
【請求項５６】
青色光を生成する該周期的利得領域部分が、2-tert-ブチル-9,10-ジ-ナフタレン-2-イル-アントラセンのホスト材料、及び2,5,8,11-テトラキス(1,1-ジメチルエチル)-ペリレンのドーパントを含む、請求項51に記載のディスプレイ装置。
【請求項５７】
該周期的利得領域が、高分子材料を含む、請求項50に記載のディスプレイ装置。
【請求項５８】
該周期的利得領域が、無機ナノ粒子を含む、請求項50に記載のディスプレイ装置。
【請求項５９】
該間隔を開けたレーザー画素が同じか又は異なるサイズを有しており、そして画素間の間隔が同じか又は異なる長さを有することにより、該垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイスの出力に単モード又は多モードのレーザー出力を生成させる、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項６０】
画素間の間隔は0.25〜4ミクロンである、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項６１】
画素間の間隔は2.5〜20ミクロンである、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項６２】
該画素が、周期的な二次元アレイを成して配列される、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項６３】
該画素が、二次元アレイを成してランダムに配列される、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項６４】
該第1の底部誘電スタック部分と該第2の底部誘電スタック部分との間に、平坦化層が形成されている、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【請求項６５】
該平坦化層がポリイミド又はSiO2を含み、そして化学機械研磨システムによって薄くされている、請求項64に記載のディスプレイ装置。
【請求項６６】
該平坦化層がポリメチル-メタクリレートを含む、請求項64に記載のディスプレイ装置。
【請求項６７】
該複屈折層が、該アクティブ領域と、底部誘電層又は上部誘電層との間に配置されている、請求項45に記載のディスプレイ装置。
【請求項６８】
該複屈折層が、該誘電スタックのうちの1つの内部に配置されている、請求項45に記載のディスプレイ装置。
【請求項６９】
該複屈折層が、該複屈折層の2つの側のうちの少なくとも一方に配置された整列層を含む、請求項45に記載のディスプレイ装置。
【請求項７０】
該整列層が、光整列法によって配向を可能にするのに適した材料を含む、請求項69に記載のディスプレイ装置。
【請求項７１】
該整列層が、機械的ラビング法によって配向を可能にするのに適した材料を含む、請求項69に記載のディスプレイ装置。
【請求項７２】
該複屈折層が正又は負の複屈折材料を含み、該複屈折材料の光軸が、0°〜20°の平均傾斜角を有する、請求項45に記載のディスプレイ装置。
【請求項７３】
該複屈折材料が高分子液晶を含む、請求項72に記載のディスプレイ装置。
【請求項７４】
該ポンプ・ビーム光が透過され、そして誘電スタックのうちの1つ以上を通って該アクティブ領域内に導入される、請求項43に記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直キャビティ・レーザー・アレイを使用した、有色光を生成するディスプレイ・デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
明細書を読むのを容易にするために、下記用語を定義する。本明細書において光軸は、伝搬光が複屈折を受けない方向を意味する。本明細書において偏光子及び検光子は、電磁波を偏光する素子を意味する。ただし、光源に近い方の素子を偏光子と呼ぶのに対して、観察者に近い方の素子を検光子と呼ぶことにする。本明細書において偏光素子は、偏光子及び検光子の双方を意味する。光軸の方向を特定するために、方位角φ及び傾斜角θを本明細書中で使用する。偏光子及び検光子の透過軸に関しては、傾斜角θがゼロなので、方位角φだけが使用される。
【０００３】
図1は、光軸1の方向をx-y-z座標系3に関して特定するために、方位角φ及び傾斜角θの定義を示す。x-y平面はディスプレイ面5に対して平行であり、そしてz軸はディスプレイ法線方向7に対して平行である。方位角φは、y軸と、x-y平面上への光軸9の投影との間の角度である。傾斜角θは、光軸1とx-y平面との間の角度である。
【０００４】
ディスプレイ用途において、画素化された有色光を生成する数多くの方法がある。これらの方法は、例えばコンベンショナルなパッシブ又はアクティブ・マトリックス有機発光ダイオード(OLED)デバイスを使用することである。別の方法は、液晶ディスプレイ(LCD)を採用することである。典型的なLCDシステムの場合、偏光子対の間に、液晶セルが配置されている。ディスプレイに入る光は、初めの偏光子によって偏光される。光が液晶セルを通過するのに伴って、液晶材料の分子配向が偏光に影響を与えることにより、偏光は検光子を通過するか、又は検光子によって遮断されるようになっている。液晶分子の配向は、セルを横切って電圧を印加することにより変化させることができ、こうして、種々の量の光強度がLCD画素を通過することを可能にする。この原理を採用することにより、LCDを切り換えるために必要なエネルギーは最小限となる。この切り換えエネルギーは典型的には、陰極ルミネッセント材料を採用する陰極線管(CRT)に必要となるエネルギーよりも著しく小さい。
【０００５】
典型的な液晶セルは、赤、緑及び青透過画素から成るカラー・フィルター・アレイ(CFA)を含有する。バックライト・ユニット(BLU)からの光の大部分を透過させるために、CFA画素のそれぞれの透過スペクトルは、大きい半値全幅(FWHM)を有しなければならない。FWHMが大きい結果、LCDの色域は、最良でも、NTSC色域標準の約0.7である。加えて、光がCFA上に衝突する際に、その光の3分の2超がCFAによって吸収され、3分の1未満が透過されることが可能になる。これに相応して、各画素の透過スペクトル以外の光がこのように吸収される結果、ディスプレイ効率全体が損失することになる。
【０００６】
透過型LCDは、光源、光導板(LGP)、リフレクター、ディフューザー、視準フィルム、及び反射性偏光子を含むバックライト・ユニットによって照らされる。反射性偏光子は、望ましくない偏光を有する光を再循環させて反射させるために使用される。しかし、望ましくない偏光を有する光の全てが再循環されるわけではなく、また再循環された光の全てが、正しい偏光状態でBLUを出るわけでもない。従って、反射性偏光子から反射させられた光のうち、再循環されて正しい偏光状態になるのは僅かな部分だけでしかない。結果として、偏光されていないBLU光源は、底部偏向子を通過する時にほぼ2倍の効率損失をもたらす。
【０００７】
LCDは、CRT、並びに、コンピューター・モニター、テレビ受像機、及び事務用及び家庭用ディスプレイのためのその他のタイプの電子ディスプレイに、急速に取って代わりつつある。しかしLCDは、より広い視野角においてコントラスト比が低い。広い視野角においてコントラスト比が改善されなければ、特定の市場へのLCDの浸透は限られたものになる。低いコントラスト比は典型的には、ディスプレイの暗状態の明るさが増大することに起因する。LCDは、ディスプレイが軸(視野角ゼロ度)を中心とした狭いビューイング・コーン内部に最高コントラスト比を有するように最適化されている。ディスプレイをより広い視野角で、軸から外れた状態で観察すると、暗状態は明るさを増大させられ、従ってコントラスト比が低くなる。フルカラー・ディスプレイを軸から外れた状態で観察すると、暗状態は明るさを増大させるだけでなく、暗状態及び明状態両方の色のずれも生じる。これまで、この色相ずれ及びコントラスト比の損失を種々の方法によって改善しようという試みが為されており、例えばディスプレイ内に補償フィルムを導入しようとし、又は、マルチ・ドメインをさらに使用してさえも画素をセグメント化しようとしてきた。しかし、これらの方法は色相ずれ及びコントラスト比を僅かしか、しかも限られたビューイング・コーンに対してしか改善しない。また、補償フィルム及びマルチ・ドメイン液晶セルの製造は、典型的には高価であり、従ってディスプレイのコスト全体を高くしてしまう。
【０００８】
他のフラット型パネル・ディスプレイは、LCDの前面にフォトルミネッセント(PL)スクリーンを内蔵することにより、視野角の問題を解決しようとしている。このようなディスプレイは、W. Crossland, SID Digest 837,(1997)に記載されているように、PL-LCDと呼ばれる。このディスプレイは、狭帯域周波数のバックライト・ユニット、液晶モジュレーター、及び色を生成するためのフォトルミネッセント出力スクリーンを採用する。PL-LCD光源は、UV範囲内にある波長を利用する。UVは、液晶材料の破壊を加速することになる。また、PL-LCD光源は、典型的なLCDディスプレイ内に使用される標準的な冷陰極蛍光灯(CCFL)よりも効率が著しく低い。
【０００９】
おおまかに言えば、典型的なLCDディスプレイに関連する問題を被らないディスプレイを製造することが有益である。上述のように、これらの欠点は、効率の損失(偏光されていないバックライト、及びCFAの使用に起因する)、貧弱な色域、並びに、より大きい視野角におけるコントラスト及び色の損失である。OLEDディスプレイは、これらの欠点のうちのいくつかを克服しはするものの、目下のところ寿命が短く、製造コストがより高い。より高い製造コストの要因の一部は、OLEDの構成に固有のものであり、例えばOLEDエミッター領域を画素化することが必要であること、及び電流駆動型デバイスのための薄膜トランジスター(TFT)がより複雑であることによる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って本発明の目的は、効率の損失、より貧弱な色域、並びに、より大きい視野角におけるコントラスト低下及び色の損失といった、典型的なLCDディスプレイに固有の欠点を克服するディスプレイを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、
a)  ポンプ・ビーム光を生成するためのバックライト・ユニット；
b)  i)  画素間領域よりも高い正味利得を有する間隔を開けたレーザー画素のアレイを提供するように間隔を開けた位置のところで該デバイスの特性を変調するための構造と；
ii)  該ポンプ・ビーム光に応答して異なる有色光を生成するための部分を含むアクティブ領域と
を含む垂直キャビティ・レーザー・アレイ・デバイス；
c)  光シャッター；及び
d)  該選択された有色光のビューのアンギュラー・コーンを増大させるための、該光シャッターの上に配置されたビーム拡大器
を含んで成る有色画素化光を生成するディスプレイ装置によって達成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の利点は、液晶ディスプレイの光源として、画素化された二次元の垂直キャビティ面発光レーザー(VCSEL)アレイを使用することである。それぞれの色素子は、ミクロンサイズの数千個のレーザー画素を含有し、これらの画素は相互に非コヒーレント性である。これにより、それぞれの色素子は、多モード・レーザー光を生成することになる。画素サイズが直径3〜5ミクロンである結果として、多モード・レーザー光の発散角は、3〜5°のオーダーにある。この小さな発散角は、レーザーの色素子と液晶ディスプレイの色素子との間の1:1の対応関係を可能にする。これに相応して、LCDフィルム成分の1つとしてカラー・フィルター・アレイを含むことはもはや必要でない。
【００１３】
レーザー光は軸上のLCスイッチを通過するので、視野角が大きい場合のコントラスト及び色ずれに関連する問題は抑制される。光源の近視準状態の付加的な特徴は、液晶視野角補償フィルムをディスプレイ構造から除去できることである。VCSEL成分の1つとして複屈折層を含むことにより、二次元垂直キャビティ・レーザー・アレイからの多モード・レーザー光出力を、1つの方向に沿って優先的に偏光することができる。光源が偏光を生成する結果として、底部偏向子素子及び関連する反射性偏光子素子を、LCDディスプレイの素子として取り除くことができる。LCD成分の一部として視準フィルムを含むことも一般的ではあるが、これらのフィルムも取り除くことができる。それというのも、二次元垂直キャビティ・レーザー・アレイからのレーザー出力は自然に視準される(3〜5°の発散角)からである。
【００１４】
本発明のさらなる利点は、各色素子からの光出力がほぼ単一の波長であることから得られる。この特性は結果として、液晶ディスプレイの色域を大きく増大させる。制限された視野角を好む用途、例えばプライバシー保護用途の場合、光源が近視準状態である結果、典型的なディスプレイと比較して、ディスプレイの軸上で観察する際の明るさを著しく高める。このような増強は、ディスプレイの明るさを大幅に増大させることを可能にするか、或いは、その代わりに、ディスプレイ電力効率を著しく高めることができる(電池寿命の大幅な増大を可能にする)。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、ほぼ視準され、しかも単一の波長である光出力を生成する光源によって可能になる。加えて、光源は、サイズが80×240 μmの規模の、共通の基板から発光する赤色、緑色、及び青色発光素子を含有しなければならない。これらの基準を満たす光源は、図2に概略的に示されているような二次元垂直キャビティ面発光レーザー(VCSEL)アレイ・デバイス100である。図3は、二次元VCSELアレイ・デバイス100の頂面図を示す。二次元VCSELアレイ・デバイス100において、VCSELの表面上には、赤色、緑色、及び青色(RGB)発光素子205が画定されることが必要である。これらの発光素子205は、画素間領域210によって分離されたミクロンサイズの数千個のレーザー画素200から成っている。共通の基板から赤色、緑色、及び青色レーザー光を生成するために、アクティブ領域130が有機系利得媒質から成ることが好ましい。しかし、R.N. Bhargava, Phys. Stat. Sol. 229, 897(2002)における最近の研究では、無機系ナノ粒子から可視波長を得ることができることが指摘されている。これらの例は、ドープされていないか、又は不純物、例えばMn2+又はEu2+でドープされたZnOナノ粒子(好ましい直径は10 nm未満)である。
【００１６】
各RGB発光素子205から単モードのレージング作用が望まれる場合には、種々のレーザー画素200からの発光は位相固定される必要がある。すなわち、強度及び位相の情報が画素間で交換されなければならない(E. Kapon及びM. Orenstein, 米国特許第5,086,430号明細書)。加えて、レーザー画素200は同じサイズであること、そして周期的なアレイを成して位置決めされることが必要である。しかし、各発光素子205からの単モード・レーザー出力を有する結果、スペックルが生じる。スペックルはディスプレイ用途には望ましくない。結果として、個々のレーザー画素200が画素間で非コヒーレント性であることにより、各発光素子205から多モード・レーザー出力が生じることが好ましい。レーザー画素200が画素間で強度及び位相の情報を交換しなくても、各発光素子205からほぼ視準された単一の波長出力を得るために、各レーザー画素は単モード出力を生成する必要がある。結果として、レーザー画素200の好ましい直径は、2.5〜4.5 μmであり、直径は小さければ小さいほど散乱損失が増大し、また直径が大きければ大きいほど、より高次の望ましくない横モードが生じる。
【００１７】
二次元レーザー画素アレイを生成する一般的な方法は、VCSELデバイスの正味利得を変調することである。正味利得のこの変調は、多数の方法、例えばアクティブ領域130内の利得媒質の発光特性を選択的に損なうこと、アクティブ領域130内の利得媒質を選択的にポンピングすること、そして誘電ミラー(スタック)のうちの1つを選択的にエッチングすることによって達成することができる。有機系利得媒質の発光特性を損なう簡単な方法は、これを高レベルのUV線に当てることである。アクティブ領域130内の利得媒質を選択的にポンピングするためには、アクティブ領域130の下側(画素間領域210の下部の区域)に、吸収層を選択的に堆積させて、吸収層がポンプ・ビーム光180を、アクティブ領域130に入る前に吸収するようにする。双方の事例において、画素間領域210は、(発光特性を損なうことにより、又はポンプ・ビーム光180を吸収することにより)正味利得が低下する場所により画定されるのに対して、レーザー画素200の二次元アレイは正味利得が変更されない領域に相当する。誘電スタックのうちの1つを選択的にエッチングする場合、誘電スタックのうちの1つに二次元エッチングを施して、画素間領域210が、誘電スタックのエッチ領域(レージング波長におけるより低い全反射率)に相当するのに対して、エッチングされていない領域(レージング波長におけるより高い全反射率)がレーザー画素200に相当するようにすることにより、変調が達成される。適正なデバイス作業のためには、誘電スタックの1つ又は2つの周期をエッチングするので十分である。アクティブ領域130に有機系利得媒質が使用される場合、全てのデバイス処理は、有機成分を堆積させるまえに実施されなければならない。それというのも、有機層が一旦堆積されると、レーザー構造上にミクロン・スケールのパターニングを施すことは極めて難しいからである。結果として、エッチングは底部誘電スタック120上に施される。正味利得変調を介してレーザー画素200にレーザー発光を弱く制限すると、最良の場合、位相固定された単モードレージング作用を生じさせることができるとしても、位相固定が局在化されるだけであるならば、或いはより高次のアレイ・モードが有力であるならば、多モード・レージング作用が発生することになる。本発明の場合、レーザー・スペックルを防止するためには多モードレージング作用が好ましい。このような場合、局在化された位相固定さえをも損なうために、レーザー画素200のサイズを場所間でランダムに変化させることができ、また、ランダムに配列された二次元アレイ上に画素を配置することができる。
【００１８】
図2に戻ってこれを参照すると、基板110は、光透過性であるべきである。結果として、基板110は透明なガラス又はプラスチックとなることができる。基板110上には、底部誘電スタック120が堆積されている。底部誘電スタック120は、交互に配置された高屈折率誘電材料と低屈折率誘電材料とから成っている。一般に底部誘電スタック120は、所定の波長範囲全体にわたるレーザー光に対して反射性であるように構成されている。典型的な高屈折率誘電材料はTiO2であり、また典型的な低屈折率誘電材料はSiO2である。底部誘電スタック120は、プラズマ増強型化学気相堆積、電子ビーム(eビーム)堆積、又はスパッタリングによって堆積させることができる。追加の方法は、当業者に広く実施されているような、高分子押出し、ゾル-ゲル堆積、及びコロイド堆積である。
【００１９】
当業者によく知られているように、VCSELデバイスからの光出力は典型的には選択方位を有することがなく、光強度の関数として変化することができる。偏光を固定する方法は、2つの群、すなわち：1) オシレータのレージング遷移強度を、横電気(TE)偏光及び横磁気(TM)偏光の間で異なるようにする方法；及び2)誘電スタック反射率をこれらの2つの偏光の間で異なるようにする方法、に分けることができる。第1のアプローチは、非晶質有機化合物から成る利得媒質に対して実施するのは難しい。結果として、好ましい実施態様の1つにおいて、上部又は底部の誘電スタックの反射率を変更することにより、スタックを複屈折性にする。無機VCSELデバイスに関しては、TE偏光とTM偏光との間の閾値モード利得の4%の差が、100:1を上回る偏光モード抑制比(PMSR)をもたらすことが示されている(Y. Ju他、Appl. Phys. Lett. 71, 741(1997))。非晶質有機レーザーシステムのこのようなモード差を可能にする最も単純な手段は、誘電スタック(好ましくは、より低いピーク反射率を有するスタック)の層のうちの1つの代わりに複屈折層126を配置することである。当業者にはよく知られているように、これらの複屈折層の、2つの偏光方向における屈折率は、0.25も異なることができ、0.16の屈折率差がより一般的である。スタック層のうちの1つ(そのピーク反射率は99%のオーダーにある)の代わりに、0.16の屈折率差を有する複屈折層126を配置すれば、2つの偏光間のモード差が22%のオーダーになることを、標準的な転送行列技術を用いて単純に計算することができる。このモード差は、Y. Ju他、Appl. Phys. Lett. 71, 741(1997)によって無機VCSELに関して測定されたものよりも遥かに大きいので、結果として生じたPMSRは、100:1よりも著しく大きいはずである。当業者によく知られているように、VCSELアレイ・デバイス100は、レーザー光190を偏光するために複屈折層126を含むことに関連して、Y. Ju他、Appl. Phys. Lett. 71, 741(1997)に記載されてはいるが、他の方法を採用して、VCSELアレイ・デバイス100からのレーザー光190を偏光することもできる。
【００２０】
図2に示された複屈折層126は、整列層128と複屈折材料129とを含み、底部誘電スタック120上に堆積されている。複屈折層126は、アクティブ領域130と上部誘電スタック140との間に配置することもできる。複屈折層126は、誘電スタックのうちの1つの中に配置することもできる。整列層128は、下記技術によって配向することができる。整列層は、光配向可能な又は光整列可能な材料を含有し、そして光整列技術によって配向することができる。光配向可能な材料は、例えば光異性化ポリマー、光二量化ポリマー、及び光分解ポリマーを含む。好ましい実施態様の場合、光配向可能な材料は、米国特許第6,160,597号明細書に開示された桂皮酸誘導体である。このような材料は、線状偏光されたUV線で輻射することにより配向し、同時に架橋することができる。整列層は、当業者によく知られている機械的ラビングによって配向することもできる。光整列法は、同一譲受人による米国特許出願公開第2004/0008310号明細書に記載されているような装置を使用して達成することができる。上記明細書の開示内容を参考のため本明細書中に引用する。
【００２１】
複屈折材料129は典型的には、整列層128上に最初に配置されたときには液晶モノマーであり、そしてUV線によって架橋されるか、或いは熱のような他の手段によって重合される。複屈折材料129は正誘電材料であってよい。正誘電材料の光軸1の平均傾斜角は0°〜20°である。複屈折材料129は負誘電材料であってもよい。負誘電材料の光軸1の平均傾斜角は0°〜20°である。好ましい実施態様の場合、複屈折材料129は、米国特許第6,160,597号明細書(Schadt他)及び米国特許第5,602,661号明細書(Schadt他)に開示されているような、正複屈折を有するジアクリレート又はジエポキシドから成っている。複屈折材料129における光軸1は通常、層平面に対して傾斜されておらず、そして厚さ方向にわたって均一である。
【００２２】
アクティブ領域130は、これがデバイス内に含まれるときには、底部誘電スタック120上又は複屈折層126上に堆積される。図2は、アクティブ領域130がバルク層ではなく多層複合体であることを示している。アクティブ領域130は、1つ又は2つ以上の周期的利得領域160を含有する。周期的利得領域160は、スペーサー層170によって分離されている。周期的利得領域160の厚さは典型的には50 nm未満であり、好ましい厚さは5〜30 nmである。スペーサー層170の厚さは、周期的利得領域がレーザー・キャビティの定在波電磁場(eフィールド)のアンチノードと整列するように選択される。アクティブ領域130内に周期的利得領域160を採用することにより、電力変換効率が大きくなり、及び望ましくない自然発生的な発光が大幅に低下する。要約すると、アクティブ領域130は1つ又は2つ以上の周期的利得領域160を含み、周期的利得領域のいずれの側にもスペーサー層170が配置されており、そしてスペーサー層は、周期的利得領域がデバイスの定在波電磁場のアンチノードと整列するように配列されている。
【００２３】
周期的利得領域160は、小分子量有機材料、高分子有機材料、又は無機系ナノ粒子から成っている。これらの材料は、高量子効率で蛍光を発する。小分子量有機材料は典型的には、高真空(10-6 Torr)熱蒸発によって堆積されるのに対して、共役ポリマー及び無機ナノ粒子は通常、スピンキャストによって形成される。
【００２４】
特に断らない限り、「置換型」又は「置換基」という用語の使用は、任意の基又は水素以外の原子を意味する。加えて、「基」という用語が使用されるときには、置換基が置換可能な水素を含有する場合、置換基の無置換形態だけでなく、本明細書に言及された任意の置換基でさらに置換されたその形態をも、その置換基がデバイス有用性に必要な特性を破壊しない限り、含むものとする。好適には、置換基はハロゲンであってよく、又は、炭素、ケイ素、酸素、窒素、リン、硫黄、セレニウム、又はホウ素の原子によって分子の残部に結合することができる。置換基は例えば、ハロゲン、例えばクロロ、ブロモ又はフルオロ；ニトロ；ヒドロキシル；シアノ；カルボキシル；又はさらに置換可能な基、例えば、直鎖状又は分枝状鎖又は環状アルキルを含むアルキル、例えばメチル、トリフルオロメチル、エチル、t-ブチル、3-(2,4-ジ-t-ペンチルフェノキシ)プロピル、及びテトラデシル；アルケニル、例えばエチレン、2-ブテン；アルコキシ、例えばメトキシ、エトキシ、プロポキシ、ブトキシ、2-メトキシエトキシ、sec-ブトキシ、ヘキシルオキシ、2-エチルヘキシルオキシ、テトラデシルオキシ、2-(2,4-ジ-t-ペンチルフェノキシ)エトキシ、及び2-ドデシルオキシエトキシ；アリール、例えばフェニル、4-t-ブチルフェニル、2,4,6-トリメチルフェニル、ナフチル；アリールオキシ、例えばフェノキシ、2-メチルフェノキシ、アルファ-又はベータ-ナフチルオキシ、及び4-トリルオキシ；カルボンアミド、例えばアセトアミド、ベンズアミド、ブチルアミド、テトラデカンアミド、アルファ-(2,4-ジ-t-ペンチルフェノキシ)アセトアミド、アルファ-(2,4-ジ-t-ペンチルフェノキシ)ブチルアミド、アルファ-(3-ペンタデシルフェノキシ)-ヘキサンアミド、アルファ-(4-ヒドロキシ-3-t-ブチルフェノキシ)-テトラデカンアミド、2-オキソ-ピロリジン-1-イル、2-オキソ-5-テトラデシルピロリン-1-イル、N-メチルテトラデカンアミド、N-スクシニミド、N-フタリミド、2,5-ジオキソ-1-オキサゾリジニル、3-ドデシル-2,5-ジオキソ-1-イミダゾリル、及びN-アセチル-ドデシルアミノ、エトキシカルボニルアミノ、フェノキシカルボニルアミノ、ベンジルオキシカルボニルアミノ、ヘキサデシルオキシカルボニルアミノ、2,4-ジ-t-ブチルフェノキシカルボニルアミノ、フェニルカルボニルアミノ、2,5-(ジ-t-ペンチルフェニル)カルボニルアミノ、p-ドデシル-フェニルカルボニルアミノ、p-トリルカルボニルアミノ、N-メチルウレイド、N,N-ジメチルウレイド、N-メチル-N-ドデシルウレイド、N-ヘキサデシルウレイド、N,N-ジオクタデシルウレイド、N,N-ジオクチル-N'-エチルウレイド、N-フェニルウレイド、N,N-ジフェニルウレイド、N-フェニル-N-p-トリルウレイド、N-(m-ヘキサデシルフェニル)ウレイド、N,N-(2,5-ジ-t-ペンチルフェニル)-N'-エチルウレイド、及びt-ブチルカルボンアミド；スルホンアミド、例えばメチルスルホンアミド、ベンゼンスルホンアミド、p-トリルスルホンアミド、p-ドデシルベンゼンスルホンアミド、N-メチルテトラデシルスルホンアミド、N,N-ジプロピル-スルファモイルアミノ、及びヘキサデシルスルホンアミド；スルファモイル、例えばN-メチルスルファモイル、N-エチルスルファモイル、N,N-ジプロピルスルファモイル、N-ヘキサデシルスルファモイル、N,N-ジメチル��ルファモイル、N-[3-(ドデシルオキシ)プロピル]-スルファモイル、N-[4-(2,4-ジ-t-ペンチルフェノキシ)ブチル]スルファモイル、N-メチル-N-テトラデシルスルファモイル、及びN-ドデシルスルファモイル；カルバモイル、例えばN-メチルカルバモイル、N,N-ジブチルカルバモイル、N-オクタデシルカルバモイル、N-[4-(2,4-ジ-t-ペンチルフェノキシ)ブチル]カルバモイル、N-メチル-N-テトラデシルカルバモイル、及びN,N-ジオクチルカルバモイル；アシル、例えばアセチル、(2,4-ジ-t-アミルフェノキシ)アセチル、フェノキシカルボニル、p-ドデシルオキシフェノキシカルボニル、メトキシカルボニル、ブトキシカルボニル、テトラデシルオキシカルボニル、エトキシカルボニル、ベンジルオキシカルボニル、3-ペンタデシルオキシカルボニル、及びドデシルオキシカルボニル；スルホニル、例えばメトキシスルホニル、オクチルオキシスルホニル、テトラデシルオキシスルホニル、2-エチルヘキシルオキシ-スルホニル、フェノキシスルホニル、2,4-ジ-t-ペンチルフェノキシスルホニル、メチルスルホニル、オクチルスルホニル、2-エチルヘキシルスルホニル、ドデシルスルホニル、ヘキサデシルスルホニル、フェニルスルホニル、4-ノニルフェニルスルホニル、及びp-トリルスルホニル；スルホニルオキシ、例えばドデシルスルホニルオキシ、及びヘキサデシルスルホニルオキシ；スルフィニル、例えばメチルスルフィニル、オクチルスルフィニル、2-エチルヘキシルスルフィニル、ドデシルスルフィニル、ヘキサデシルスルフィニル、フェニルスルフィニル、4-ノニルフェニルスルフィニル、及びp-トリルスルフィニル；チオ、例えばエチルチオ、オクチルチオ、ベンジルチオ、テトラデシルチオ、2-(2,4-ジ-t-ペンチルフェノキシ)エチルチオ、フェニルチオ、2-ブトキシ-5-t-オクチルフェニルチオ、及びp-トリルチオ；アシルオキシ、例えばアセチルオキシ、ベンゾイルオキシ、オクタデカノイルオキシ、p-ドデシルアミドベンゾイルオキシ、N-フェニルカルバモイルオキシ、N-エチルカルバモイルオキシ、及びシクロヘキシルカルボニルオキシ；アミン、例えばフェニルアニリノ、2-クロロアニリノ、ジエチルアミン、ドデシルアミン；イミノ、例えば1(N-フェニルイミド)エチル、N-スクシニミド又は3-ベンジルヒダントイニル；ホスフェート、例えばジメチルホスフェート及びエチルブチルホスフェート；ホスフィット、例えばジエチル及びジヘキシルホスフィット；複素環式基、複素環式オキシ基又は複素環式チオ基(これらのうちのそれぞれは置換型であってよく、そして炭素原子と、酸素、窒素、硫黄、リン、又はホウ素を含む群から選択された1つ以上のヘテロ原子から成る3〜7員複素環、例えば2-フリル、2-チエニル、2-ベンズイミダゾリルオキシ又は2-ベンゾチアゾリルを含有する)；第四アンモニウム、例えばトリエチルアンモニウム；第四ホスホニウム、例えばトリフェニルホスホニウム；及びシリルオキシ、例えばトリメチルシリルオキシであってよい。
【００２５】
所望の場合には、置換基はそれら自体、記載の置換基と1回又は2回以上置換することができる。使用される具体的な置換基は、特定用途にとって所望の特性を得るように、当業者によって選択することができ、そして、例えば電子求引基、電子供与基、及び立体基を含むことができる。分子が2つ又は3つ以上の置換基を有することができるときには、置換基は結合することにより、特に断りのない限り縮合環のような環を形成することができる。一般に、上記基及びこれらの置換基は、炭素原子数が最大48、典型的には1〜36、そして普通は24未満のものを含むことができるが、これよりも多い数も、選択された具体的な置換基いかんでは可能である。置換基は縮合環誘導体、例えばベンゾ-、ジベンゾ-、ナフサ-、又はジナフト縮合型誘導体を含むことができる。これらの縮合環誘導体もさらに置換することができる。
【００２６】
有機系周期的利得領域160(又は発光材料)は、単一のホスト材料から形成することができるが、より一般的には、ゲスト化合物(ドーパント)でドープされたホスト材料を含む。この場合、発光は主としてドーパントから生じ、そして任意の色を有することができる。これらのホスト-ドーパントの組み合わせは、これらが、有機系利得媒質に対してもたらす、ポンピングされない散乱/吸収損失が極めて小さい(1 cm-1未満であることが可能である)ため、有利である。ドーパントは通常、高蛍光色素から選択されるが、しかし、燐光性化合物、例えば国際公開第98/55561号パンフレット、同第00/18851号パンフレット、同第00/57676号パンフレット、及び同第00/70655号パンフレットに記載された遷移金属錯体も有用である。ドーパントは典型的には、ホスト材料中に0.01〜10重量%として被覆される。ドーパントは、赤光、緑光、又は青光の色相を有する放射光を提供するように選択することができる。赤色発光層のための有用なホスト-ドーパントの組み合わせの一例は、ホスト材料としてのAlq、及びドーパントしての1% L39[4-(ジシアノメチレン)-2-t-ブチル-6-(1,1,7,7-テトラメチルユロリジル-9-エニル)-4H-ピラン]である。
【００２７】
ドーパントとして色素を選ぶための重要な関係は、ドーパント材料の吸収と、ホスト材料の発光との比較である。(フェルスター・エネルギー移動を介して)ホストからドーパント分子へ効率的にエネルギーを移動するために、ドーパントの吸収がホスト材料の発光とオーバーラップすることが必要な条件である。当業者によく知られているように、フェルスター・エネルギー移動の概念は、ホスト分子とドーパント分子との間の無放射エネルギー移動に関与する。ホスト材料を選択するための重要な関連は、ホスト材料の吸収が、ポンプ・ビーム光180の発光スペクトルと有意にオーバーラップすることである。加えて、ホスト材料、又はホスト材料及びドーパントの吸収量が、VCSELアレイ・デバイス100のレーザー発光波長において小さいことが好ましい。許容できる吸収レベルは、ホストとドーパントとの組み合わせの吸収係数が、レーザー発光波長において10 cm-1未満であることである。
【００２８】
有用な蛍光発光材料は、I. B. Berlman, 「Handbook of Fluorescence Spectra of Aromatic Molecules」Academic Press, New York, 1971及び欧州特許第1 009 041号明細書に記載されているような多環式芳香族化合物を含む。オリゴマー材料を含む、3つ以上のアミン基を有する第三芳香族アミンを使用することができる。
【００２９】
(ホスト又はドーパントのための)有用な別のクラスの発光材料は、芳香族第三アミンを含み、芳香族第三アミンは、炭素原子にだけ結合される1つ以上の3価窒素原子を含有する化合物であることが理解されている。これらの炭素原子のうちの1つ以上が芳香環の員である。1形態において、芳香族第三アミンはアリールアミン、例えばモノアリールアミン、ジアリールアミン、トリアリールアミン、又はオリゴマー・アリールアミンであってよい。単量体トリアリールアミンの例が、Klupfel他によって米国特許第3,180,730号明細書に示されている。1つ又は2つ以上のビニル基と置換された、且つ/又は、1つ以上の活性水素含有基を含む他の好適なトリアリールアミンは、米国特許第3,567,450号明細書及び同第3,658,520号明細書においてBrantley他によって開示されている。
【００３０】
芳香族第三アミンのより好ましいクラスは、米国特許第4,720,432号明細書及び同第5,061,569号明細書に記載された2種以上の芳香族第三アミン部分を含む。このような化合物は構造式Aによって表される：
【００３１】
【化１】
2008502925.tif 000003
【００３２】
（上記式中、Q1及びQ2はそれぞれ独立して、芳香族第三アミン部分から選択され；そして
Gは、炭素間結合の結合基、例えばアリーレン、シクロアルキレン、又はアルキレン基である）。
【００３３】
1実施態様の場合、Q1及びQ2のうちの少なくとも一方は、多環式縮合環構造、例えばナフタレンを含有する。Gはこれがアリール基である場合には、フェニレン、ビフェニレン又はナフタレン部分であると好都合である。
【００３４】
構造式Aを満たし、そして2つのトリアリールアミン部分を含有するトリアリールアミンの有用なクラスは、構造式Bによって表される：
【００３５】
【化２】
2008502925.tif 000004
【００３６】
上記式中：
R1及びR2はそれぞれ独立して、水素原子、アリール基、又はアルキル基を表し、又はR1及びR2は結合して、シクロアルキル基を完成する原子を表し；そして
R3及びR4はそれぞれ独立してアリール基を表し、次にアリール基は、構造式C:
【００３７】
【化３】
2008502925.tif 000005
【００３８】
によって示されているようなジアリール置換型アミノ基と置換されており、ここで、R5及びR6は独立して選択されるアリール基である。1実施態様の場合、R5又はR6のうちの少なくとも一方は、多環式縮合環構造、例えばナフタレンを含有する。
【００３９】
ホスト材料は、置換型又は無置換型トリアリールアミン化合物を含むことができる。別のクラスの芳香族第三アミンはテトラアリールジアミンである。望ましいテトラアリールジアミンは、アリーレン基を介して結合された2つのジアリールアミノ基、例えば式Cによって示される基を含む。有用なテトラアリールジアミンは、式Dによって表されるものを含む：
【００４０】
【化４】
2008502925.tif 000006
【００４１】
（上記式中、
各Areは独立して選択されたアリーレン基、例えばフェニレン部分又はアントラセン部分であり；
nは整数1〜4であり；そして
Ar、R7、R8及びR9は独立して選択されたアリール基である）。
【００４２】
典型的な実施態様の場合、Ar、R7、R8及びR9のうちの1つ以上は、多環式縮合環構造、例えばナフタレンである。
【００４３】
前記構造式A、B、C、Dの種々のアルキル、アルキレン、アリール及びアリーレン部分はそれぞれ置換することができる。典型的な置換基は、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基、及びハロゲン、例えばフッ化物、塩化物、及び臭化物を含む。種々のアルキル部分及びアルキレン部分の典型的な炭素原子数は1〜6である。シクロアルキル部分は炭素原子数が3〜約10であることが可能であるが、しかし典型的には炭素原子数5、6又は7であり、例えばシクロペンチル、シクロヘキシル及びシクロヘプチル環構造を含有する。アリール部分及びアリーレン部分は通常、フェニル部分及びフェニレン部分である。
【００４４】
発光材料は、単一の芳香族第三アミン化合物又は芳香族第三アミン化合物の混合物から形成することができる。具体的には、式Dによって示されたようなテトラアリールジアミンと組み合わされた、トリアリールアミン、例えば式Bを満たすトリアリールアミンを採用することができる。ホスト材料は置換型又は無置換型のジカルバゾール-ビフェニル化合物を含むことができる。有用な芳香族第三アミンの例は下記の通りである：
【００４５】
4,4'-N,N'-ジカルバゾール-1,1'-ビフェニル(CBP)(D1)；
4,4'-ビス[N-(1-ナフチル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル(D2)；
4,4'-ビス[N-(1-ナフチル)-N-(2-ナフチル)アミノ]ビフェニル(D3)；
4,4'-ビス[N-(2-ナフチル)-N-p-トリルアミノ]ビフェニル(D4)；
1,1-ビス(4-ジ-p-トリルアミノフェニル)シクロヘキサン；
1,1-ビス(4-ジ-p-トリルアミノフェニル)-4-フェニルシクロヘキサン；
4,4'-ビス(ジフェニルアミノ)クアドリフェニル；
ビス(4-ジメチルアミノ-2-メチルフェニル)-フェニルメタン；
N,N,N-トリ(p-トリル)アミン；
4-(ジ-p-トリルアミノ)-4'-[4(ジ-p-トリルアミノ)-スチリル]スチルベン；
N,N,N',N'-テトラ-p-トリル-4-4'-ジアミノビフェニル；
N,N,N',N'-テトラフェニル-4,4'-ジアミノビフェニル；
N,N,N',N'-テトラ-1-ナフチル-4,4'-ジアミノビフェニル；
N,N,N',N'-テトラ-2-ナフチル-4,4'-ジアミノビフェニル；
N-フェニルカルバゾール；
【００４６】
4,4''-ビス[N-(1-ナフチル)-N-フェニルアミノ]p-ターフェニル；
4,4'-ビス[N-(2-ナフチル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル；
4,4'-ビス[N-(3-アセナフテニル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル；
1,5-ビス[N-(1-ナフチル)-N-フェニルアミノ]ナフタレン；
4,4'-ビス[N-(9-アントリル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル；
4,4''-ビス[N-(1-アントリル)-N-フェニルアミノ]p-ターフェニル；
4,4'-ビス[N-(2-フェナントリル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル；
4,4'-ビス[N-(8-フルオルアンテニル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル；
4,4'-ビス[N-(2-ピレニル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル；
4,4'-ビス[N-(2-ナフタセニル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル；
4,4'-ビス[N-(2-ペリレニル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル；
4,4'-ビス[N-(1-コロネニル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル；
2,6-ビス(ジ-p-トリルアミノ)ナフタレン；
2,6-ビス[ジ-(1-ナフチル)アミノ]ナフタレン；
2,6-ビス[N-(1-ナフチル)-N-(2-ナフチル)アミノ]ナフタレン；
N,N,N',N'-テトラ(2-ナフチル)-4,4''-ジアミノ-p-ターフェニル；
4,4'-ビス｛N-フェニル-N-[4-(1-ナフチル)-フェニル]アミノ｝ビフェニル；
4,4'-ビス[N-フェニル-N-(2-ピレニル)アミノ]ビフェニル；
2,6-ビス[N,N-ジ(2-ナフチル)アミン]フルオレン；
1,5-ビス[N-(1-ナフチル)-N-フェニルアミノ]ナフタレン；及び
4,4',4''-トリス[(3-メチルフェニル)フェニルアミノ]トリフェニルアミン。
【００４７】
ホスト材料は、置換型又は無置換型アザ芳香族化合物を含むことができる。例えば、ホスト材料は、置換型又は無置換型のアクリジン、キノリン、プリン、フェナジン、フェノキサジン、又はフェナントロリン化合物を含むことができる。カルバゾール誘導体は有用なホストである。フェナントロリン材料の有用な例は、2,9-ジメチル-4,7-ジフェニル-1,10-フェントロリン及び4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリンを含む。
【００４８】
ホスト分子及び発光分子の一例としては、米国特許第4,768,292号；同第5,141,671号；同第5,150,006号；同第5,151,629号；同第5,405,709号；同第5,484,922号；同第5,593,788号；同第5,645,948号；同第5,683,823号；同第5,755,999号；同第5,928,802号；同第5,935,720号；同第5,935,721号；及び同第6,020,078号に開示された分子が挙げられる。
【００４９】
8-ヒドロキシキノリンの金属錯体及び同様の誘導体(式E)が、エレクトロルミネッセンスを支持することができる有用なホスト材料の1クラスを構成し、そして、500 nmよりも長い波長、例えば緑、黄、橙及び赤色の発光に特に適している。
【００５０】
【化５】
2008502925.tif 000007
【００５１】
（上記式中：
Mは金属を表し；
nは整数1〜3であり；そして
Zは独立して、出現毎に、2つ以上の縮合芳香環を有する核を完成する原子を表す）。
【００５２】
以上から明らかなように、金属は一価、二価、又は三価金属であってよい。金属は例えば、アルカリ金属、例えばリチウム、ナトリウム、又はカリウム；アルカリ土類金属、例えばマグネシウム又はカルシウム；又は土類金属、例えばアルミニウム又はガリウム、又は遷移金属、例えば亜鉛又はジルコニウムであってよい。一般に、有用なキレート金属であることが知られている任意の一価、二価、又は三価金属を採用することができる。
【００５３】
Zは2つ以上の縮合芳香環を含有する複素環核を完成し、これらの縮合芳香環のうちの1つ以上がアゾール又はアジン環である。脂肪族環及び芳香環の両方を含む付加的な環は、必要な場合には、2つの所要の環と縮合することができる。機能を改善することなしに分子の嵩を加えることを避けるために、環原子数は通常18以下に維持される。
【００５４】
ホスト材料は、置換型又は無置換型キレート型オキシノイド化合物を含むことができる。
【００５５】
有用なキレート型オキシノイド化合物の例は、下記の通りである：
CO-1:アルミニウムトリソキシン[別名、トリス(8-キノリノラト)アルミニウム(III)]；
CO-2:マグネシウムビソキシン[別名、ビス(8-キノリノラト)マグネシウム(II)]；
CO-3:ビス[ベンゾ｛f｝-8-キノリノラト]亜鉛(II)；
CO-4:ビス(2-メチル-8-キノリノラト)アルミニウム(III)-μ-オキソ-ビス(2-メチル-8-キノリノラト)アルミニウム(III)；
CO-5:インジウムトリソキシン[別名、トリス(8-キノリノラト)インジウム]；
CO-6:アルミニウムトリス(5-メチロキシン)[別名、トリス(5-メチル-8-キノリノラト)アルミニウム(III)]；
CO-7:リチウムオキシン[別名、(8-キノリノラト)リチウム(I)]；
CO-8:ガリウムオキシン[別名、(8-キノリノラト)ガリウム(III)]；及び
CO-9:ジルコニムオキシン[別名、テトラ(8-キノリノラト)ジルコニム(IV)]。
【００５６】
ホスト材料は、置換型又は無置換型アントラセン化合物を含むことができる。
【００５７】
9,10-ジ-(2-ナフチル)アントラセンの誘導体(式F)が、エレクトロルミネッセンスを支持することができる有用なホスト材料の1クラスを構成し、そして、400 nmよりも長い波長、例えば青、緑、黄、橙及び赤色の発光に特に適している。
【００５８】
【化６】
2008502925.tif 000008
【００５９】
上記式中、R1、R2、R3、R4、R5及びR6は、各環上の1つ又は2つ以上の置換基を表し、各置換基は下記基から個々に選択される：
群1：水素、又は炭素原子数1〜24のアルキル；
群2：炭素原子数5〜20のアリール又は置換型アリール；
群3：アントラセニル、ピレニル又はペリレニルの縮合芳香環を完成するのに必要な4〜24個の炭素原子；
群4：フリル、チエニル、ピリジル、キノリニル又はその他の複素環系の縮合芳香族複素環を完成するのに必要な炭素原子数5〜24のヘテロアリール又は置換型ヘテロアリール；
群5：炭素原子数1〜24のアルコキシルアミノ、アルキルアミノ、又はアリールアミノ；
群6：フッ素、塩素、臭素又はシアノ。
【００６０】
一例としては、9,10-ジ-(2-ナフチル)アントラセン(F1)及び2-t-ブチル-9,10-ジ-(2-ナフチル)アントラセン(F2)が挙げられる。9,10-ビス-(4-(2,2'-ジフェニルエテニル)フェニル)アントラセンの誘導体を含む他のアントラセン誘導体が、ホストとして有用であり得る。
【００６１】
ベンザゾール誘導体(式G)が、フォトルミネッセンスを支持することができる有用なホスト材料の別のクラスを構成し、そして、400 nmよりも長い波長、例えば青、緑、黄、橙及び赤色の発光に特に適している。
【００６２】
【化７】
2008502925.tif 000009
【００６３】
上記式中：
nは整数3〜8であり；
ZはO、NR又はSであり；
R及びR'は独立して、水素；炭素原子数1〜24のアルキル、例えばプロピル、t-ブチル、及びヘプチルなど；炭素原子数5〜20のアリール又はヘテロ原子置換型アリール、例えばフェニル及びナフチル、フリル、チエニル、ピリジル、キノリニル、及びその他の複素環系；又はハロ、例えばクロロ、フルオロ；又は縮合型芳香環を完成するのに必要な原子であり；そして
【００６４】
Lは、複数のベンザゾールと共役又は非共役結合する、アルキル、アリール、置換型アルキル、又は置換型アリールを含む結合ユニットである。有用なベンザゾールの一例は、2,2',2''-(1,3,5-フェニレン)トリス[1-フェニル-1H-ベンズイミダゾール]である。
【００６５】
ホスト材料は、置換型又は無置換型ベンゾオキサゾール化合物、置換型又は無置換型ベンゾチアゾール化合物、又は置換型又は無置換型ベンズイミダゾール化合物を含むことができる。ホスト材料は、置換型又は無置換型オキサゾール化合物、置換型又は無置換型トリアゾール化合物、又は置換型又は無置換型オキサジアゾール化合物を含むことができる。オキサゾール化合物の有用な例は、1,4-ビス(5-フェニルオキサゾル-2-イル)ベンゼン、1,4-ビス(4-メチル-5-フェニルオキサゾル-2-イル)ベンゼン、及び1,4-ビス(5-(p-ビフェニル)オキサゾル-2-イル)ベンゼンを含む。オキサジアゾール化合物の有用な例は、2-(4-ビフェニリル)-5-フェニル-1,3,4-オキサジアゾール及び2-(4-ビフェニリル)-5-(4-tert-ブチルフェニル)-1,3,4-オキサジアゾールを含む。トリアゾール化合物の有用な例は、3-(4-ビフェニリル)-4-フェニル-5-tert-ブチルフェニル-1,2,4-トリアゾールを含む。
【００６６】
ホスト材料又はドーパント材料として、ジスチリルアリーレン誘導体も有用である。米国特許第5,121,029号明細書には多くの例が記載されている。有用な発光材料(ホスト及びドーパント)は、下記一般式を有し、
【００６７】
X-CH=CH-Y-CH=CH-Z
X-(CH=CH)n-Z
【００６８】
上記式中：
X及びZは独立して、置換型又は無置換型芳香族基、又は窒素原子数1の置換型又は無置換型芳香族複合環基であり；
nは、1、2、又は3に等しく；そして
Yは、窒素原子数1の二価芳香族基又は二価芳香族複合環である。有用な例は、1,4-ビス(2-メチルスチリル)ベンゼン、4,4'-(9,10-アントラセンジイルジ-2,1-エテンジイル)ビス(N,N-ビス(4-メチルフェニル)ベンゼンアミン、4,4'-(1,4-ナフタレンジイルジ-2,1-エテンジイル)ビス(N,N-ビス(4-メチルフェニル)ベンゼンアミン、及び4,4-(1,4-フェニレンジ-2,1-エテンジイル)ビス(N,N-(4-トリル))ベンゼンアミンを含む。
【００６９】
有機系ドーパントは、300〜1700 nmの発光を可能にするように選択される。ドーパントは、蛍光色素又は燐光色素から選択することができる。有用な蛍光ドーパントは、ホスト材料として上述した材料を含む。他の蛍光ドーパントの一例としては、置換型又は無置換型のアントラセン、テトラセン、キサンテン、ペリレン、ルブレン、クマリン、ローダミン及びキナクリドン、ジシアノメチレンピラン化合物、チオピラン化合物、ポリメチン化合物、ピリリウム及びチアピリリウム化合物、フルオレン誘導体、ペリフランテン誘導体、インデノペリレン誘導体、ビス(アジニル)アミンホウ素化合物、ビス(アジニル)メタン化合物、ナフチリジン、フルオランテン、フラン、インドール、チアフェン、ベンゾオキサンテン、ピレン、ペロピレン、テルフェニル、クォーターフェニル、キンクフェニル、セクシフェニル、アンタントレン、ビスアントレン化合物、N,N,N',N'-四置換型ベンジデン誘導体、N,N,N',N'-テトラアリールベンジデン誘導体、及びカルボスチリル化合物、又はこれらの組み合わせが挙げられる。これらのクラスの材料の誘導体も、有用なホスト材料又はこれらの組み合わせとして役立つことができる。ホスト材料はしばしば、3つ以上のフェニレン部分を含有する化合物となる。
【００７０】
有用なドーパントの一例としては、下記のものが挙げられる：
【００７１】
【化８】
2008502925.tif 000010
【００７２】
【化９】
2008502925.tif 000011
【００７３】
【化１０】
2008502925.tif 000012
【００７４】
【化１１】
2008502925.tif 000013
【００７５】
【化１２】
2008502925.tif 000014
【００７６】
他の発光材料は、米国特許第4,539,507号明細書に記載されているような種々の複素環式蛍光増白剤を含む。
【００７７】
発光材料は、高分子材料、2種又は3種以上の高分子材料のブレンド、又はドープされたポリマー又はポリマー・ブレンドであってもよい。発光材料は、ドーパントを有する又は有さない、2種以上の非高分子材料及び高分子材料を含むこともできる。典型的なドーパントは、非高分子に関して前に挙げた通りである。非高分子ドーパントは、高分子ホスト中に分子分散させることができ、或いは、ドーパントは、ホスト・ポリマー中に微量成分を共重合することにより添加することもできる。典型的な高分子材料の一例としては、置換型又は無置換型のポリ(p-フェニレンビニレン)(PPV)誘導体、置換型又は無置換型のポリ(p-フェニレン)(PPP)誘導体、置換型又は無置換型のポリフルオレン(PF)誘導体、置換型又は無置換型のポリ(p-ピリジン)、置換型又は無置換型のポリ(p-ピリダルビニレン)誘導体、及び置換型又は無置換型のポリ(p-フェニレン)ラダーポリマー及びステップ-ラダーポリマー、及び米国特許第5,881,083号明細書及びこの明細書中の参考文献においてDiaz Garciaによって教示されているようなこれらのコポリマーが挙げられる。置換基の一例としては、アルキル、シクロアルキル、アルケニル、アリール、ヘテロアリール、アルコキシ、アリールオキシ、アミノ、ニトロ、チオ、ハロ、ヒドロキシ、及びシアノが挙げられる。典型的なポリマーはポリ(p-フェニレンビニレン)、ジアルキル-、ジアリール-、ジアミノ-、又はジアルコキシ置換型PPV、モノアルキル-モノアルコキシ置換型PPV、モノアリール置換型PPV、9,9'-ジアルキル又はジアリール置換型PF、9,9'-モノアルキル-モノアリール置換型PF、9-モノアルキル-又はアリール置換型PF、PPP、ジアルキル-、ジアミノ-、ジアリール-、又はジアルコキシ置換型PPP、モノアルキル-、アリール-、アルコキシ、又はアミノ置換型PPPである。加えて、高分子材料、例えばポリ(N-ビニルカルバゾール)(PVK)、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、及びPEDOT/PSSとも呼ばれるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4-スチレンスルホネート)のようなコポリマーを使用することができる。
【００７８】
上述の有機材料は、昇華法によって好適に堆積されるが、しかし、任意のバインダーを有する溶剤から堆積することにより、膜形成を改善することができる。材料がポリマーの場合には、溶剤堆積が通常好ましい。昇華によって堆積されるべき材料は、例えば米国特許第6,237,529号明細書に記載されているように、しばしばタンタル材料から成る昇華器「ボート」から蒸発させることができ、或いは、先ずドナーシート上に被覆し、次いで基板により近接して昇華させることができる。材料混合物を有する層は、別個の昇華器ボートを利用することができ、或いは、これらの材料は予混合して、単一のボート又はドナーシートから堆積することもできる。
【００７９】
図3に示し、また上で論じたように、VCSELアレイは、80×240 μmのオーダーの寸法を有する赤色、緑色、及び青色発光画素を含有する。発光色は、レーザー光路の長さと、周期的利得領域160内に含有された利得媒質の蛍光スペクトルとの組み合わせによって決定される。周期的利得領域160内に含有された利得媒質のパターニングされた堆積は、シャドーマスク、インテグラル・シャドーマスク(米国特許第5,294,870号明細書)、空間的に画定された、ドナーシートからのサーマル色素転写(米国特許第5,688,551号明細書；同第5,851,709号明細書及び同第6,066,357号明細書)、及びインクジェット法(米国特許第6,066,357号明細書)を使用して達成することができる。周期的利得領域160が2つ以上の層である場合には、パターニングされた堆積は相応に反復される必要がある。
【００８０】
大抵の有機系レーザー・デバイスは湿分又は酸素、又はその両方に対して感受性を有するので、これらのデバイスは一般に不活性雰囲気、例えば窒素又はアルゴン中で密閉される。乾燥剤、例えばアルミナ、ボーキサイト、硫酸カルシウム、クレイ、シリカゲル、ゼオライト、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、硫酸塩、又は金属ハロゲン化物及び過塩素酸塩を、密閉されたデバイス内に内蔵することができる。カプセル化法及び乾燥法の一例としては、米国特許第6,226,890号明細書に記載された方法が挙げられる。加えて、バリア層、例えばSiOx、テフロン（登録商標）及び交互の無機/高分子層が、カプセル化分野の当業者に知られている。
【００８１】
スペーサー層に関しては、レーザー光190及びポンプ・ビーム光180の両方に対して高度に透過性である材料を使用することが好ましい。この実施態様の場合、1,1-ビス-(4-ビス(4-メチル-フェニル)-アミノ-フェニル)-シクロヘキサン(TAPC)がスペーサー材料として選ばれる。それというのも、この材料は、可視スペクトル及び近UVスペクトル全体を通して極めて吸収率が極めて低く、また、その屈折率が大抵の有機ホスト材料の屈折率よりも僅かに低いからである。この屈折率差が有用なのは、これが定在eフィールド・アンチノードと周期的利得領域160との間のオーバーラップを最大化するのを助けるからである。有機スペーサー材料の他に、スペーサー層170は無機材料、例えばSiO2から形成することもできる。それというのも無機材料は吸収率が低く、また、その屈折率が有機ホスト材料の屈折率よりも低いからである。無機系スペーサー層を使用するときには、材料は熱蒸発、低堆積温度(70℃付近)におけるeビーム、又はコロイド法によって堆積することができる。
【００８２】
アクティブ領域130の堆積に続いて、周期的利得領域160の正味利得を空間的にパターニングすることにより、低正味利得領域150を形成することが必要である。図2に示された実施態様の場合、低正味利得領域150は、周期的利得領域160の発光特性を局所的に損なうことによって生成される。(有機系利得媒質のための)低正味利得領域150を形成する効果的な方法は、標準的なフォトリソグラフィ・マスクとUV露光装置とを使用して周期的利得領域160のパターニングされたUV露光部を生成することである。有機媒質は、高強度UV線(例えば水銀灯の365 nmにおけるi線)に対して感光するので、この技術は、周期的利得領域160のUV露光領域の発光強度を低くするのに極めて効果的である。上記のように、UV露光済領域(低正味利得領域150)は画素間領域210に相当するのに対して、未露光領域はレーザー画素200に相当する。好ましい実施態様の場合、レーザー画素200の形状は円形であるが、他の画素形状、例えば方形の形状も可能である。レーザー画素200のサイズは、2.5〜20ミクロンである。単一横モード・レーザー動作の場合、好ましいレーザー画素200の直径は、2.5〜4.5 μmである。画素間の間隔は0.25〜4 μmである。一般には、間隔を開けたレーザー画素200は、同じ又は異なるサイズを有し、そして画素間の間隔は、同じ又は異なる長さを有することにより、VCSELアレイ・デバイス100の出力に、単モード又は多モード・レーザー出力を局所的に生成させることができる。なお、周期的利得領域160の発光強度は、高強度UV線以外の手段、例えば当業者によって広く用いられている手段によって、局所的に変調することができる。
【００８３】
アクティブ領域130の成長及び低正味利得領域150の生成に続いて、上部誘電スタック140が堆積される。上部誘電スタック140は、底部誘電スタック120から間隔を開けており、所定の波長範囲全体にわたる光に対して反射性である。その組成は底部誘電スタックの組成と類似している。上部誘電スタック140は、有機物質を含有する(有機系利得媒質の場合)アクティブ領域130上に堆積されるので、その堆積温度は、その有機物質を溶融するのを避けるために低く維持しなければならない。結果として、上部誘電スタック140のための典型的な堆積温度は、100℃以下である。上部誘電スタックは、コンベンショナルな方法、例えばeビーム、低エネルギー・スパッタリング、又はコロイド堆積によって堆積することができる。効果的なレージング性能を得るために、上部及び底部の誘電スタックのピーク反射能は99%を上回ることが好ましい。この場合値が小さければ小さいほど、レージング線幅が大きくなる。
【００８４】
VCSELアレイ・デバイス100は、入射ポンプ・ビーム光180によって光学的に駆動され、レーザー光190を放射する。有機系VCSELレーザー・キャビティのレージング電力密度閾値が小さい結果、ポンプ・ビームは、非コヒーレント性LED光であることが可能である。図2に示すようにレーザー光190は上部誘電スタック140を通る。或いは、レーザー構造は、誘電スタック反射率特性を適正に構成することにより、基板110を通るレーザー光190を用いて、上部誘電スタック140を通して光学的にポンピングすることもできる。VCSELアレイ・デバイス100の動作は下記のように生じる。ポンプ・ビーム光180が、基板110及び底部誘電スタック120を透過し、そして周期的利得領域160によって吸収される。ポンプ・ビーム・エネルギーのうちの一部は、そのレーザー画素200の位置で、より長い波長のレーザー光として再発光される。ポンプ・ビーム光180が基板110を通って入ることにより、レーザー光190が主として上部誘電スタック140を通って出ることを確実にするときには、上部誘電スタックのピーク反射率を、底部誘電スタック120のピーク反射率よりも小さいように選ぶことが必要である。デバイスの電力変換効率を改善するために、両誘電スタックに付加的な誘電層を加えて、上部誘電スタック140がポンプ・ビーム光180に対して高反射性であるように、そして底部誘電スタック120がポンプ・ビーム光180に対して高透過性であるようにすることが一般的である。
【００８５】
上述のように、周期的利得領域160の正味利得を空間的に変調するための別の方法は、ポンプ・ビーム光180による周期的利得領域160の励起を変調することである。図4に示された本発明の別の実施態様の場合、レーザー・アレイ・デバイス102が吸収素子155を含有する。ミクロンサイズのレーザー画素を形成するために、そして回折効果を低減するために、アクティブ領域130に隣接して吸収素子155が配置されることが好ましい。上述のように、有機物質が一旦堆積されると、フォトリソグラフィに基づいた処理をレーザー・デバイスに施すことは難しい。従って、図4に示されているように、複屈折層126とアクティブ領域130との間に、吸収素子を配置することが好ましい。吸収素子155の組成物は、ポンプ・ビーム光180を吸収し、そしてレーザー光190を最小限にしか吸収・散乱しない任意の材料である。ポンプ・ビーム光180の発光波長において、吸収素子155の吸収係数が104cm-1を上回ることが好ましい。吸収素子155の厚さは、ポンプ・ビーム光180の有意なパーセンテージが素子によって吸収されるように選択される。好ましい吸収率は25%を上回る値である。パターニングされた吸収層を生成することに関連して、このことは数多くの方法によって達成することができる。第1の方法は、均一な色素層157を堆積し、そしてパターン化されたUV線を使用することにより、色素層157の吸収係数を選択的に変更することである。図2を参照しながら上述したように、UV線は、コンベンショナルなフォトリソグラフィ・マスクを使用してパターニングすることができる。色素層157の吸収係数を変更することに関して、このことは、色素分子を漂白する(吸収率を選択的に低下させる)ことを介して、又は色素分子を解離してポンプ・ビーム光180をより強く吸収する(選択的に吸収率を上昇させる)種を生成することにより、達成することができる。上記のように、色素層157及び吸収素子155の両方が、レーザー光190を弱くしか吸収/散乱しないことが好ましい。吸収素子155を生成するこの方法の好ましい特徴は、レーザー・アレイ・デバイス102がプレーナー型になることである。
【００８６】
吸収素子155を堆積する別の方法は、色素含有フォトレジストを使用することである。結果として得られるレーザー・アレイ・デバイス103が、図5に示されている。これらのタイプの色素含有フォトレジストは当業者によく知られており、スピンキャストされ、そして標準的なフォトリソグラフィ技術によってパターニングされる。レーザー・アレイ・デバイス102又は103に関しては、間隔を開けた吸収素子155の生成に続いて、アクティブ領域130及び上部誘電スタック140が順次堆積される。吸収素子155は、複屈折層126とアクティブ領域130との間に配置され、そしてポンプ・ビーム光180の一部を吸収することが必要なので、ポンプ・ビーム光180が基板110を通って入ることが必要である。当業者によって広く実施されているような、吸収素子155の他の生成法もある。例えば透明層(例えばSiO2)内に、エッチングされたピットを形成することができる。透明層上には、吸収素子155の材料を堆積することができる。次に、標準的な化学機械研磨(CMP)技術を用いて、吸収素子155の材料を研磨して、材料が、エッチングされたピット領域内にだけ残るようにすることができる。上述のように、吸収素子155の位置は画素間領域210に相当するのに対して、残りの領域はレーザー画素200に相当する。好ましい実施態様の場合、レーザー画素200の形状は円形であるが、他の画素形状、例えば方形の形状も可能である。レーザー画素200のサイズは、2.5〜20ミクロンである。単一横モード・レーザー動作の場合、好ましいレーザー画素200の直径は、2.5〜4.5 μmである。画素間の間隔は0.25〜4 μmである。一般には、間隔を開けたレーザー画素200は、同じ又は異なるサイズを有し、そして画素間の間隔は、同じ又は異なる長さを有することにより、レーザー・アレイ・デバイス102又は103の出力に、単モード又は多モード・レーザー出力を局所的に生成させることができる。
【００８７】
図6は、本発明の別の実施態様を示す。このレーザー・アレイ・デバイス104は、図5に示されたデバイスの変更形である。図6の場合、アクティブ領域130は吸収素子155上に直接的に成長させられている。結果として、アクティブ領域130及び上部誘電スタック140は、吸収素子が色素含有フォトレジストによって形成される場合には、非プレーナー型(波状)面上に堆積される(なお、エッチング加工ピット内での成長に続いてCMPが施される場合には、プレーナー型表面が得られる)。或る特定の多層スタックの組み合わせ、例えばTiO2-SiO2の場合、波状面上に堆積することにより、スタックの柱状の成長を招くことがある。結果として、上部誘電スタック140の散乱損失が増大する。この問題を克服するために、吸収素子155は、アクティブ領域130の堆積前に、当業者によく知られている技術を用いて、平坦化層158によって平坦化される。1実施態様の場合、間隔を開けた吸収素子155の生成に続いて、平坦化層158材料が好適な方法によって堆積される。次に当業者に知られたCMP技術によって、平坦化層158の材料は、これが吸収素子155の頂面と面一(又は数10ナノメートル以内)になるまで、研磨される。平坦化層158の第2の実施態様の場合、ポリメチル-メタクリレート(PMMA)を使用する。この場合、PMMAは、間隔を開けた吸収素子155上に、厚さ0.5〜3.0 μmにスピンキャストされ、続いて150〜220℃のコンベンショナルなベーキングを施される。走査型電子顕微鏡(SEM)画像は、PMMAの厚さと吸収素子の厚さとの比が3:1又は4:1であると、典型的には、PMMA面の平坦化が生じることを明らかにする。平坦化のためのこれら3つの実施態様の他に、当業者によって実施されているような他の方法も可能である。要約すれば、間隔を開けた吸収素子155の生成に続いて、しかもアクティブ領域130の堆積前に、平坦化層158を加えることにより、アクティブ領域130及び上部誘電スタック140の散乱損失が低下し、そして吸収素子155が色素含有フォトレジストによって形成される場合には、電力変換効率が高くなる。
【００８８】
図7は、本発明の別の実施態様であるレーザー・アレイ・デバイス106を示している。この場合、VCSELデバイスの正味利得を空間的に変調する方法は、底部誘電スタック120を選択的にエッチングする(反射率変調)ことである。散乱損失を低下させ、これに相応して電力変換効率を増強するために、定在波電磁場(eフィールド)の強度が最高であるアクティブ領域130の位置から、底部誘電スタックのエッチング加工面が取り除かれることが好ましい。その結果、底部誘電スタック120は、第1部分121と第2部分125とから成る2つの部分を成して堆積される。これにより、反射率変調は、第1の底部誘電スタック部分121の表面に、エッチ領域151を形成することにより得られる。アクティブ領域130からエッチ領域151を離隔するために、第1の底部誘電スタック部分121は、レーザー光を反射させる最大3〜5個の誘電層を含有する。ポンプ・ビーム光180を反射させてアクティブ領域130に戻すために底部スタックに付加的な誘電層が加えられる場合には、これらの層は、第1の底部誘電スタック部分121内に先ず堆積されることになる。
【００８９】
パターニングされたエッチ領域151は、標準的なフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、第1の底部誘電スタック部分121内に形成され、こうして、第1の底部誘電スタック部分121の表面上に二次元円柱アレイを形成する。好ましい実施態様の場合、レーザー画素の形状は円形であるが、他の画素形状、例えば方形の形状も可能である。画素間の間隔は0.25〜4 μmである。試験により、エッチ領域151を生成するために、第1の底部誘電スタック部分121の1つ又は2つの周期が取り除かれるべきであることが判っている。これよりも深いエッチング加工を施すと、レーザー・アレイの性能が悪化する。第2の底部誘電スタック部分125は、エッチ領域151を形成した後で、第1の底部誘電スタック部分121上に堆積される。図7に概略的に示したように、第2の底部誘電スタック部分125はエッチ領域151を埋める。第2の底部誘電スタック部分125は、交互に配置された高屈折率誘電材料層、例えばTiO2と低屈折率誘電材料層、例えばSiO2とから成っている。第1の底部誘電スタック部分の場合と同様に、第2の底部誘電スタック部分もeビーム、PECVD、スパッタリング、ゾル-ゲル法、又はコロイド堆積によって堆積することができる。
【００９０】
図8は、本発明の別の実施態様である、レーザー・アレイ・デバイス108を示す。このデバイスは、図7に示されたものの変更形である。図7では、第2の底部誘電スタック部分125は、エッチ領域151上に直接的に成長させられている。結果として、スタックは、非プレーナー型(波状)面上に堆積される。或る特定の多層スタックの組み合わせ、例えばTiO2-SiO2の場合、波状面上に堆積することにより、スタックの柱状の成長を招くことがある。結果として、第2の底部誘電スタック部分125の散乱損失が増大する。この問題を克服するために、第1の底部誘電スタック部分121のエッチング加工面は、第2の底部誘電スタック部分125の堆積前に、平坦化層158によって平坦化される。平坦化層158の1実施態様は、Ta2O5-SiO2又はTiO2-SiO2多層スタック系の場合にポリイミドである。エッチ領域151の生成に続いて、第1の底部誘電スタック部分121の表面上に、スピンキャストによって2〜3ミクロンのポリイミドが堆積され、次いでこれは、180〜250℃の温度でベーキングを施すことにより硬化される。次いで、当業者によく知られたCMP技術を用いて、ポリイミドは、レーザー画素200の位置において第1の底部誘電スタック部分121の頂面と面一(又は数10ナノメートル以内)になるまで、研磨される。標準CMPスラリー中のポリイミド及び酸化物の研磨速度の差が大きいので、レーザー画素200の位置で酸化物層を研磨開始する丁度そのときに、研磨を停止させると簡単である。
【００９１】
平坦化層158の第2の実施態様は、Ta2O5-SiO2多層スタック系の場合にSiO2である。この場合、第1の底部誘電スタック部分121の頂面は、Si3N4の薄層である。窒化ケイ素は、温度300〜400℃及び厚さ10〜200 nmのプラズマ増強型化学気相堆積(CVD)によって堆積することができる。エッチ領域151の形成(エッチングは、窒化物層及び第1の底部誘電スタック部分121の1〜2つの周期を通る)に続いて、SiO2の平坦化層158は、CVD又は熱蒸発によって、厚さ0.75〜2.0 μmで堆積される。ポリイミド実施態様の場合と同様に、CMPを別の共通のスラリーとともに使用することにより、窒化ケイ素層の頂面と面一(又は数10ナノメートル以内)になるまで、SiO2を研磨する。研磨選択性が3.5:1を上回る結果、やはりこの場合にも、窒化ケイ素層の頂面を研磨開始する丁度その時に、研磨を停止すると簡単である。平坦化層158の第3実施態様は、任意の多層誘電スタック系の場合、PMMAである。この場合、PMMAは、第1の底部誘電スタック部分121のエッチング加工面上に、厚さ0.5〜3.0 μmにスピンキャストされ、続いて150〜220℃のコンベンショナルなベーキングを施される。平坦化のためのこれら3つの実施態様の他に、当業者によって実施されているような他の方法も可能である。要約すれば、エッチ領域151の生成に続いて、しかも第2の底部誘電スタック部分125の堆積前に、平坦化層158を加えることにより、アクティブ領域130及び底部及び上部誘電スタックの散乱損失が低下し、そして電力変換効率が高くなる。
【００９２】
VCSELアレイ・デバイス100を含有するディスプレイの発明を用いて、単純化された液晶ディスプレイを形成することができる。図9に示されている、より単純化されたLCDは典型的には、バックライト・ユニット220、VCSELアレイ・デバイス100、偏光層305、光シャッター層310、及びビーム拡大器320を含有する。バックライト・ユニット220は、VCSELアレイ・デバイス100のためのポンプ・ビーム光180を提供する。VCSELアレイ・デバイス100は、光シャッター層310のための有色画素化光源を提供する。VCSELアレイ・デバイス100が複屈折層126を含む場合、その出力も偏光され、偏光層305を制限することができる。そうでない場合には、偏光層305はレーザー光190の1つの偏光を、光シャッター層310に送る。光シャッター層310は、画素化構造における偏光を先に送るか又は遮断する。ビーム拡大器320は、光シャッター層310を出る光を採り、そしてそのビューイング・コーンを拡大する。
【００９３】
ポンプ・ビーム光180を生成するための、図10〜13に示されているようなバックライト・ユニット220は、ディフューザー240、及び発光ダイオード(LED)230又は冷陰極蛍光灯(CCFL)280から成る。ディフューザー240は、VCSELアレイ・デバイス100上に入射する光を均質化する。LED 230は、導波路260の縁部を照らす線状アレイ250にあり、導波路は次いで、VCSELアレイ・デバイス100を照らすように光を再指向するか、或いはLED 230は、VCSELアレイ・デバイス100を直接的に照らすプレーナー型アレイ270内にある。CCFL 280は典型的には、導波路260の縁部を照らしており、導波路はVCSELアレイ・デバイス100を照らすように光を再指向するか、或いはCCFL 280は典型的には、ディフューザーの下方の行300内で配向され、そしてVCSELアレイ・デバイス100を直接的に照らしている。
【００９４】
VCSELアレイ・デバイス100の小さな発散角は、レーザー・アレイの発光素子205と光シャッター層310の色素子との間の1:1の対応関係を可能にする。これに相応して光シャッター層310の成分の1つとしてカラー・フィルター・アレイを含むことはもはや必要でない。光シャッター層310は、VCSELアレイ・デバイス100から入射する有色光を変調するだけでよく、こうしてカラー・フィルター・アレイに関連する効率損失を制限する。VCSELアレイ・デバイス100からの光出力の近視準状態の付加的な特徴は、視野角補償フィルムをディスプレイ構造から除去できることである。また、VCSELアレイ・デバイス100の自然の視準(3〜5°の発散角)により、バックライト・ユニット220内に典型的に含まれる視準フィルムを除去することができる。ディスプレイ構造から視野角補償フィルム及び視準フィルムが制限される結果として、液晶ディスプレイ・デバイスのコストを低減することができる。しかし、近隣の画素からの光の漏れを防止するために、VCSELアレイ・デバイス100の光出力の発散は、極めて小さくなければならない。正しくない色の光が近隣の画素を通って逃れるのを防止するために、レーザー・アレイの発光素子205のサイズを僅かに小さくして、光シャッター層310内へ横切るときのレーザー光が、ほぼ80×240 μmの適正な画素寸法を定めるようになければならない。発光素子のサイズは、底部誘電スタック120と基板110との間に金属を選択的に堆積することにより、調節することができる。好ましい金属は、よく知られた蒸発技術によって選択的に堆積することができるAl又はAgである。これらの金属は、ポンプ・ビーム光180に対して高反射性であり、これらの金属により、ポンプ・ビーム光180は、これが金属堆積物間を通るまで再循環することになる。
【００９５】
VCSELアレイ・デバイス100の1成分として複屈折層126(又はVCSELアレイ光出力の好ましい偏光に影響を与えるための他の一般的な手段)を導入することによって、二次元垂直キャビティ・レーザー・アレイからの多モード・レーザー光出力が1方向に沿って優先的に偏光されることになる。その結果、底部偏向子素子及びその関連の反射性偏光子素子は、バックライト・ユニット20内には必要でなくなる。ディスプレイ構造からこれらの素子が取り除かれることにより、コストが削減される。本発明の別の実施態様の場合、VCSEL出力を優先的に偏光しようとすることはできない。その場合には、VCSELアレイ・デバイス100の上側と光シャッター層310の下側との間に、偏光子層305を加えることが必要となる。上述のVCSEL光出力の発散の結果として、加えられた偏光子層305が実用的な程度に薄いことが好ましい。例えば、最近の偏光子の厚さは、10 μmのオーダーにある。
【００９６】
図14に示されている光シャッター層310は典型的には、VCSELアレイ・デバイス100から最も遠い側に検光子340を有する液晶セル330である。液晶セル330は、これがCFAを含有しないことを除けばコンベンショナルな液晶セルと同様である。液晶セル330はCFAを必要としない。それというのも、VCSELアレイ・デバイス100からの光出力は、赤色、緑色、及び青色レーザー発光に画素化されるからである。液晶セル330は、上側及び下側に液晶基板350を含む。液晶セル330における液晶基板350は、ガラス板又はプラスチック基板を含むことができる。液晶基板350の厚さは、視差を防止するのに十分に薄くあるべきである。視差の結果、隣接する画素から光が漏れるようになる。液晶基板350の厚さは好ましくは0.5 mm未満であるべきである。両方の液晶基板350は、パターニングされた透明導体層360で被覆される。典型的な透明導体は酸化インジウム錫である。透明導体層360のそれぞれの頂面上には整列層370が被覆される。最後に2つの整列層370の間に、液晶材料380が被覆される。液晶セル330は、電圧を選択的に印加して液晶分子を配向することにより、VCSELアレイ・デバイス100からの光強度出力を変調する。液晶セル330は、各画素位置に薄膜トランジスターを含有して、ディスプレイがアクティブに駆動されるのを可能にすることもできる。しかし、本発明は、特定の駆動スキームを必要としない。光シャッター310はまた、液晶セル330からの偏光出力を分解する検光子340を含有する。
【００９７】
当業者には明らかなように、他の光シャッターを本発明と一緒に使用することができる。その一例は、エレクトロウェッティングによって生成される光シャッターである。この光スイッチの場合、Hayes他、Nature, 425, 383(2003)によって示されるように、電場の印加が、色素含有油滴が各画素の表面を覆う程度を変化させる。実際には、電場は画素表面の疎水性を変更する。Hayes他、Nature, 425, 383(2003)は、スイッチが反射ディスプレイのために使用されることを想定した。反射ディスプレイにおいて、反射は、油滴の背後の白いリフレクターによって生成される。エレクトロウェッティング・スイッチは、そのバックプレーンが反射性の代わりに透過性である場合には、透過において使用することもできる。
【００９８】
VCSELアレイ・デバイス100の光出力はほぼ視準されているので、有色光出力のアンギュラー・コーンを増大させるために、図9のLCDデバイスの最終素子として、ビーム拡大器320を含むことが必要である。ビーム拡大器320を含む考えられ得る成分は、ディフューザー素子又はミクロレンズ・アレイであってよい。この成分は、これがディスプレイ画像の鮮鋭度を保ちつつ、ビューイング・コーンを増大させるようになっているべきである。より具体的には、ビーム拡大器320を出ると、各画素は、ビーム拡大器320に入る前と同様に明白に区別可能であるべきである。意図される用途に応じて、ビーム拡大器320によるビューイング・コーンの拡大を相応に調節することができる。
【００９９】
特定の好ましい実施態様を具体的に参照しながら、本発明を詳細に説明してきたが、言うまでもなく、本発明の思想及び範囲内で変更及び改変を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】図1は、光軸の方向を特定するための傾斜角及び方位角の定義を理解する上で有用な概略図である。
【図２】図2は、光励起二次元VCSELアレイ・デバイスを示す側方断面概略図である。
【図３】図3は、赤色、緑色、及び青色発光素子を含有し、各素子がミクロンサイズの数千個のレーザー画素から成る、二次元VCSELアレイ・デバイスを示す頂面図である。
【図４】図4は、吸収素子を含む光励起二次元VCSELアレイ・デバイスの別の実施態様を示す側面図である。
【図５】図5は、色素含有フォトレジスト吸収素子を含む光励起二次元VCSELアレイ・デバイスの別の実施態様を示す側方断面図である。
【図６】図6は、平坦化された吸収素子を含む光励起二次元VCSELアレイ・デバイスの別の実施態様を示す側方断面図である。
【図７】図7は、エッチングされた誘電スタックを含む光励起二次元VCSELアレイ・デバイスの別の実施態様を示す側方断面図である。
【図８】図8は、平坦化されている、エッチングされた誘電スタックを含む光励起二次元VCSELアレイ・デバイスの別の実施態様を示す側方断面図である。
【図９】図9は、VCSELアレイ・デバイスを含有するディスプレイ・デバイスを示す単純化された概略図である。
【図１０】図10は、VCSELアレイ・デバイスをポンピングする線状LEDアレイ駆動型バックライト・ユニットを示す単純化された概略図である。
【図１１】図11は、VCSELアレイ・デバイスをポンピングするプレーナー型LEDアレイ駆動型バックライト・ユニットを示す単純化された概略図である。
【図１２】図12は、VCSELアレイ・デバイスをポンピングする冷陰極蛍光灯駆動型バックライト・ユニットを示す単純化された概略図である。
【図１３】図13は、VCSELアレイ・デバイスをポンピングする冷陰極蛍光灯駆動型バックライト・ユニットの別の実施態様を示す単純化された概略図である。
【図１４】図14は、液晶セル、及び検光子を含むその成分を示す単純化された概略図である。
【符号の説明】
【０１０１】
1    光軸
3    x-y-z座標系
5    ディスプレイ面
7    ディスプレイ法線方向
9    光軸
100    VCSELアレイ・デバイス
102    レーザー・アレイ・デバイス
103    レーザー・アレイ・デバイス
104    レーザー・アレイ・デバイス
106    レーザー・アレイ・デバイス
108    レーザー・アレイ・デバイス
110    基板
120    底部誘電スタック
121    第1の底部誘電スタック部分
125    第2の底部誘電スタック部分
126    複屈折層
128    整列層
129    複屈折材料
130    アクティブ領域
140    上部誘電スタック
150    低正味利得領域
151    エッチ領域
155    吸収素子
157    色素層
158    平坦化層
160    周期的利得領域
170    スペーサー層
180    ポンプ・ビーム光
190    レーザー光
200    レーザー画素
205    発光素子
210    画素間領域
220    バックライト・ユニット
230    発光ダイオード
240    ディフューザー
250    線状アレイ
260    導波路
270    プレーナー型アレイ
280    冷陰極蛍光灯
300    行
305    偏光子層
310    光シャッター層
320    ビーム拡大器
330    液晶セル
340    検光子
350    液晶基板
360    透明導体
370    液晶分子のための整列層
380    液晶材料
φ    方位角
θ    傾斜角
【図１】
2008502925.tif 000015
【図２】
2008502925.tif 000016
【図３】
2008502925.tif 000017
【図４】
2008502925.tif 000018
【図５】
2008502925.tif 000019
【図６】
2008502925.tif 000020
【図７】
2008502925.tif 000021
【図８】
2008502925.tif 000022
【図９】
2008502925.tif 000023
【図１０】
2008502925.tif 000024
【図１１】
2008502925.tif 000025
【図１２】
2008502925.tif 000026
【図１３】
2008502925.tif 000027
【図１４】
2008502925.tif 000028
【国際調査報告】
2008502925.tif 000029
2008502925.tif 000030
2008502925.tif 000031