(57)【要約】電気的に刺激されたバンド内遷移がレイジングをもたらす単極有機注入レーザ。活性領域（１４０）は、少なくとも１つの有機注入層（１４４）と少なくとも１つの有機発光層（１４２）とを含む。それぞれの有機発光層は、伝導帯と価電子帯とによって規定されたエネルギーギャップの同じ側に第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位とを持っている。電荷キャリアは、活性領域に電圧がかけられる時に、有機注入層を通して有機発光層の第１のエネルギー準位に注入される。第１および第２のエネルギー準位の間のエネルギー差は、電荷キャリアが第１のエネルギー準位から第２のエネルギー準位に遷移する時に放射発光を引き起こす。反転分布が第１および第２のエネルギー準位の間で維持され、誘導放出とレイジングが引き起こされる。
2008524870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と；
第２の電極と；
第１の反射器および第２の反射器を有する共振器と；
前記共振器に配置され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電気的に接続された活性領域と；
を有し、前記活性領域は、
伝導帯と価電子帯とによって規定されたエネルギーギャップの同じ側に第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位とを持っている有機発光層と、
前記有機発光層と直接接触している有機注入層と、
を備え、
その状況で、もし前記第１の電極と前記第２の電極に電圧がかけられるならば、電荷キャリアが前記第１のエネルギー準位から前記第２のエネルギー準位に遷移して放射発光を引き起こすことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記第１のエネルギー準位はＬＵＭＯ＋１であり、前記第２のエネルギー準位はＬＵＭＯであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記有機注入層のＬＵＭＯは、前記有機発光層のＬＵＭＯ＋１よりも最高で０．２ｅＶ少ないことを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記有機注入層のＬＵＭＯは、最低で、前記有機発光層のＬＵＭＯ＋１であることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記有機注入層はＢＣＰを有し、前記発光体層はアズレンを有することを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１のエネルギー準位はＨＯＭＯ−１であり、前記第２のエネルギー準位はＨＯＭＯであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記有機注入層のＨＯＭＯは、前記有機発光層のＨＯＭＯ−１より最高で０．２ｅＶ高いことを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記有機注入層のＨＯＭＯは、前記有機発光層のＨＯＭＯ−１より高くないことを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項９】
前記有機注入層のＨＯＭＯは、前記有機発光層のＨＯＭＯより少なくとも１．０ｅＶ低いことを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記有機注入層は、銅（ＩＩ）フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、および亜鉛フタロシアニン（ＺｎＰｃ）から成るグループから選択されることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記有機発光層のＨＯＭＯ−１とＨＯＭＯのエネルギー差は１から２ｅＶであることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第１の反射器と前記第２の反射器は、電荷キャリアが前記第１のエネルギー準位から前記第２のエネルギー準位に遷移する時に引き起こされる放射発光の波長において反射性であり、前記第１および第２の反射器は、活性領域に放射発光の少なくともいくらかをフィードバックさせることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記デバイスは垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第１および第２の反射器は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第１の電極は前記第１の反射器と前記活性領域との間にあることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第１の反射器は前記第１の電極と前記活性領域との間にあることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記デバイスは広域レーザであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記有機注入層は、非バイアス状態で前記第１のエネルギー準位、前記第２のエネルギー準位、および前記有機発光層のエネルギーギャップの少なくとも一部に重なるエネルギーギャップを持った有機分子を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
もし前記第１の電極と前記第２の電極に電圧がかけられるならば、前記電荷キャリアが、注入される有機注入層を通して前記有機発光層の第１のエネルギー準位中にトンネルすることを特徴とする請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記有機注入層は３０オングストローム厚さ未満であることを特徴とする請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２１】
もし前記第１の電極と前記第２の電極に電圧がかけられるならば、前記電荷キャリアが前記有機注入層を通して前記有機発光層の第１のエネルギー準位中に注入されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記活性領域は、少なくとも追加の有機発光層と少なくとも追加の有機注入層とをさらに有し、その有機発光層とその有機注入層とは、繰り返しの順序で配列されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は有機レーザに関する。さらに具体的には、本発明は電気的にポンピングされる有機注入レーザを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
［行政的権利］
本発明は、米国空軍科学研究局(United States Air Force Office of Scientific Research)によって与えられた規約第３３９６００２の下で、米国政府の援助で作られた。米国政府は、本発明において特定の権利を有している。
【０００３】
［研究協定］
請求された発明は、共同の大学−法人研究協定に対する以下の１つ以上の団体により、それらを代表して、および／または、それらに関連して作られた。すなわち、プリンストン大学、南カリフォルニア大学、およびユニバーサルディスプレイ社(Universal Display Corporation)である。この協定は、請求された発明が作られた日、およびその前に有効であり、そして、主張された発明は、協定の範囲内で着手された活動の結果として作られた。
【０００４】
ここ１５年の間、有機オプトエレクトロニクス・デバイスの活性媒体としての有機材料の研究と応用における研究的関心について、爆発的な増大が見られた。この研究は、発光性のＯＬＥＤを含む有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）のような、いくつかの発展をもたらした。有機材料を利用するオプトエレクトロニクス・デバイスは、多くの理由から、ますます望ましいものとなってきている。このようなデバイス作るために使われる材料の多くは比較的高価でなく、そのため、有機オプトエレクトロニクス・デバイスは無機デバイスを超えるコスト的利点の可能性を有する。加えて、柔軟性のような有機材料の固有の特性は、柔軟な基板上に製作するような特定の応用にそれらをよく適合させることができる。
【０００５】
量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）のような無機単極（ユニポーラ）レーザが知られている。ＱＣＬは、ＱＣＬデバイスが単極である点で、通常の半導体ヘテロ構造レーザとは基本的に異なる。単極量子デバイスにおいては、フォトンを生成する電子またはホール遷移が、同じバンド中のサブバンドエネルギー準位間にある（すなわち、バンド内遷移）。非特許文献１での無機ＱＣＬデバイスの最初の実験的デモンストレーション以来、このようなデバイスの物理学的および技術的応用を理解のもとに進歩が成し遂げられた。非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４である。
【非特許文献１】Faistら著、「サイエンス誌(Science)」２６４，５５３号（１９９４年）
【非特許文献２】Faistら著、「ネイチャー誌(Nature)」３８７,７７７号（２００２年）
【非特許文献３】Gmachlら著、「ネイチャー誌(Nature)」４１５，８８３号（２００２年）
【非特許文献４】Paiellaら著、「ＩＥＥＥフォトン技術学術誌(IEEE Photon. Tech. Lett.)」１２,７８０号（２０００年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＱＣＬは、低コストや分子レベルにおけるエネルギー準位の調節性のような、有機デバイスの多くの利益を享受しえない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
電気的に刺激されたバンド内遷移がレイジングをもたらす単極有機注入レーザである。活性領域は少なくとも１つの有機注入層と少なくとも１つの有機発光層とを含む。それぞれの有機発光層は、伝導帯と価電子帯とによって規定されたエネルギーギャップの同じ側に第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位とを持っている。活性領域に電圧がかけられる時、電荷キャリアは有機注入層を通して有機発光層の第１のエネルギー準位に注入される。電荷キャリアが第１のエネルギー準位から第２のエネルギー準位に遷移する時、第１および第２のエネルギー準位の間のエネルギー差は放射発光を引き起こす。反転分布が第１および第２のエネルギー準位の間で維持され、誘導放出とレイジングが引き起こされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
ここに使われるように、また一般的に当技術分野の当業者によって理解されるように、第１の「最高占有分子軌道(Highest Occupied Molecular Orbital)」（ＨＯＭＯ）または「最低非占有分子軌道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)」（ＬＵＭＯ）のエネルギー準位は、もし第１のエネルギー準位が真空のエネルギー準位により近いならば、第２のＨＯＭＯまたはＬＵＭＯのエネルギー準位よりも「大きい」か、または「高い」。イオン化ポテンシャル（ＩＰ）は真空レベルに対して負のエネルギーとして測られるので、高い方のＨＯＭＯエネルギー準位は、より小さな絶対値を持っているＩＰ（より小さな負の値であるＩＰ）に対応する。同様に、高い方のＬＵＭＯエネルギー準位は、より小さな絶対値を持っている電子親和力（ＥＡ）（より小さな負の値であるＥＡ）に対応する。最高部が真空レベルである従来のエネルギー準位ダイアグラム（ここで使われるようなもの）において、材料のＬＵＭＯエネルギー準位は同じ材料のＨＯＭＯエネルギー準位より高い。「より高い」ＨＯＭＯまたはＬＵＭＯエネルギー準位は、「より低い」ＨＯＭＯまたはＬＵＭＯエネルギー準位よりも、このようなダイアグラムの最高部から近いように見られる。
【０００９】
ここに使われるように、「有機」という用語は、ポリマー（重合体）材料と、さらに有機オプトエレクトロニクス・デバイスを製造するために使うことのできる小分子の有機材料を含む。「小分子」とは、重合体ではない何らかの有機材料のことを言い、「小分子群」とは、実際には非常に大きいもののことである。小分子は何らかの環境における繰り返し単位を含むことができる。例えば、長鎖アルキル基を置換基として使用することは、「小分子」階級から分子を取り除かない。小分子は、例えば重合体バックボーン上のペンダント群として、あるいはそのバックボーンの一部として、ポリマー中に組み入れることもできる。小分子群は、コア部分上に構築された一連の化学殻から成るデンドリマーのコア部分としての役割も果たすことができる。デンドリマーのコア部分は、螢光性または燐光性の小分子発光体でありうる。デンドリマーは「小分子」であることが可能で、ＯＬＥＤの分野で現在使われる全てのデンドリマーは小分子であるとみられている。一般に、小分子は一つの分子量による明確な化学式を持っているが、ポリマーは分子から分子へと（分子毎に）変動しうる化学式と分子量を持っている。
【００１０】
過去三十年にわたって、多くの有機材料は、光学的にポンピング（駆動）される時にレーザ発光を示すことが示されてきた。分子材料をベースとする液体色素レーザが、上記と同じ期間にわたって使われてきた。そして１９９７年に、光学的にポンピングされた有機半導体薄膜からのレイジングがデモンストレーション（実演）された。Koslovら著の「ネイチャー誌(Nature)」３８９，３６２号（１９９７年）である。レイジング作用は、小分子量の有機半導体の真空蒸着された薄膜の、光学的にポンピングされたスラブ型導波路構造を持った有機レーザで実演された。V.G. Kozlovらの「Conf. on Lasers and Electro-optics CLEO '97, CPD-18, Opt. Soc. Am., Baltimore, MD」（１９９７年５月）である。分子有機材料とポリマー薄膜からのレイジングは可視スペクトルに及び、単にレイジング媒体に改変を加えることによって、近ＩＲ（近赤外）にまで延びることが示された。V. G. Kozlov、V. Bulovic、P. E. Burrows、V. Khalfin、およびS. R. Forrestの「Unique optical properties of organic lasers」presented at CLEO '98, San Francisco」（１９９８年）である。
【００１１】
（小分子およびポリマー材料の両方を含んだ）有機材料をレイジング媒体として使うことにはいくつかの利点がある。すなわち、線幅が極めて狭いこと、レイジング種を化学的に改変することによってレイジング波長が調整可能であること、そしてレイジング波長は広範囲にわたって温度に依存しないこと、である。Koslozらの「Appl. Phys. Lett. 71, 2575」（１９９７年）による。それ故、有機レーザは、この高度に多様な材料システムの基本的な光学的および電子的特性のプローブ（探針）としての役割を果たすだけでなく、光子システムおよび光学遠隔測定法の波長標準としてこのようなデバイスの実用的な応用も存在する。例えば、光学的にポンピングされたＤＣＭ２ドープＡｌｑ３有機薄膜レーザの温度依存性をＧａＡｓベースのレーザと比較することができる。光学的にポンピングされたレイジングのための敷居値と、さらに温度関数としての分子性有機薄膜のレイジング波長は、従来のＧａＡｓベースのレーザとは対照的に最小の温度依存を示す。これらのパラメータの変化のほぼ完全な欠如（スロープ効率を含めた）は、有機薄膜における励起状態での孤立した量子的特性によるものである。これらの分子状態は、周囲環境のそれらから大部分孤立しており、無機半導体で起こるような広範囲のエネルギーバンドにおける電子共有の欠如をもたらす。
【００１２】
激しくポンピングされた二重ヘテロ接合構造の使用のような、無機半導体での電気的に誘発されたレーザ発光を達成するのに適用された従来の技術は、有機半導体でのレーザ発光を成功裏に発生させることには適していない。有機材料において、薄膜の抵抗、ポーラロン(polaron)消光と吸収、および一重線エキシトン消滅にかかわる損失は、有機薄膜が従来のアプローチによってレイジングしきい値に達することを妨げる要因である。M. A. Baldo、R. J. Holmes、およびS. R. Forrestの「Prospects for electrically pumped organic lasers」Phys. Rev. B, 第66巻, 035321頁（２００２年）；V. G. Kozlov、G. Parthasarathy、P. E. Burrows、V. B. Khalfin、J. Wang、S. Y. Chou、およびS. R. Forrestの「Structures for Organic Diode Lasers and Optical Properties of Organic Semiconductors Under Intense Optical and Electrical Excitations」IEEE J. Quant. Electron., 第36巻, 第18頁（２０００年）による。
【００１３】
レイジングを達成するための光学的なポンピングは比較的簡単である一方で、有機材料のための電気的注入によるレイジングも長い間探求されてきたのにもかかわらず、依然として今日まで成功していない。従来のレーザ型構造の電気的注入を、有機材料で達成するのが難しい基本的な理由が存在する。ベル(Bell)研究所からの、電気的注入によるレイジングの詳細な研究に動機付けられたSchonらの報告である。Baldoら著「Phys Rev. B 66」035321頁（２００２）による。ポーラリトン(polariton)（すなわち電荷）−エキシトン二分子のエキシトンのプロセスが、エキシトンがまず作られ、次に共振空胴において放射性再結合が起こる有機ヘテロ構造において、究極的にレイジングが起きることを防止する、ということを、その解析が示した。すなわち、発光のプロセスは、有機半導体においては、無機半導体と比べて基本的に異なりうる。なぜならば、前者のケースでは、強固に拘束されたエキシトンの形成が、従来の光生成プロセスにおける必須の中間状態であるからである。
【００１４】
本発明の実施形態は、完全に異なるアプローチ−有機材料における電気的注入によってレイジングを達成すること−を考慮する。このアプローチの下では、従来の有機発光に関与するエキシトン生成は望ましくなく、回避される。むしろ、発光は、注入されたエネルギー遷移の分子間プロセスを通して起こる。このようなデバイスは、単極有機注入レーザ（ＵＰＯＩＬ）と言うことができ、それによって、バンド間電子遷移がレイジングをもたらす。有機材料においては、むしろ、異種の有機材料の最低非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）間、または最高占有分子軌道（ＨＯＭＯ）間に存在する大きなエネルギーギャップを、このような放射遷移を達成するために利用することができる。
【００１５】
単極デバイスの主要な利点は、キャリア−キャリア再結合とキャリア−キャリア消滅メカニズムの欠如である。他の利点は、コンタクトの間のキャリアによって移動された電流経路において、数多くの続いて起こる光学遷移を導入する能力を含んでいる。
【００１６】
単極光学遷移には不利点もある。それは、連続したエネルギー準位の間、またはサブバンドの間のエネルギーギャップの完全な欠如に主に関連し、大きなｋベクトル交換を伴った、追加的で非放射的な散乱メカニズムを許容することである。単極レーザにおける反転分布は、個々のエネルギー準位の間またはサブバンドの間のキャリア輸送、および結晶中の位置を調整することによって達成され、それによってエネルギー的により高いエネルギーバンドにおけるキャリアを濃縮する。一方、より低いエネルギー準位のものを速やかに減少させ、それによって元の順位は、遷移を許容される光双極子を共有する。このようにして数を達成する最も良い手段は、構造の遷移特性を調整することによる。すなわち、専ら高いエネルギー準位においてキャリアの共鳴トンネル現象を通して効率的に注入するが、一方で、低いエネルギー準位からのキャリアに対して共鳴散乱メカニズムを提供することによる。実際に、何らかの遷移に関連した、反転分布につながるキャリア濃度のアンバランスが適している。
【００１７】
有機分子半導体は、ヘテロ構造が非常に異なった材料から製造できるという相対的な容易さに起因して、単極光学デバイスのための機会を提供する。さらに、これらのヘテロ構造は多くの種類のバンド配列、タイプＩ、タイプＩＩと、適切な有機単極注入レーザを構築できる飛び飛びのギャップを提供する。有機ＵＰＯＩＬのための材料の成功した選択は、層間の分子レベルエネルギーの適切な一致につながる界面処理技術によって、有機材料を特定することによる。具体的に、エネルギー一致は、発光分子の注入層（インジェクタ）ＬＵＭＯ（ＨＯＭＯ）からＬＵＭＯ＋１（ＨＯＭＯ−１）準位への電子（ホール）の注入、および、発光層のＬＵＭＯ（ＨＯＭＯ）からの電子（ホール）の抜き取りのために必要とされ、続いて薄いトンネリングバリアを通してエネルギー構築コレクタ／インジェクタ中への放射の分子間緩和がおこる。
【００１８】
ここでの実施形態で説明した材料は、約１ｅＶの放出を達成するのに使うことができるが、この概念は容易に他の材料およびエネルギーに広げることができる。ＵＰＯＩＬにより、単一のキャリア遷移だけ（エキシトンの中間構造を含めない）が、光共振器中で光を生成するために必要である。分子間振動電子状態モードでの競争に因って、より緩い基準で低温度発光を達成することができるが、室温でのレイジング作用も達成することができると期待さる。近ＩＲ（近赤外）でのレイジング、または可視の赤色領域でのレイジングでさえもが、他の波長よりも一層容易に室温において達成できる、と期待される。
【００１９】
図１Ａは有機ＶＣＳＥＬ１００の一実施形態を示す。この図は必ずしも一定の縮尺通りに描かれていない。デバイス１００は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）(distributed Bragg reflector)１２０と１２１との間に形成された共振器を有する。伝導性基板１１０は第１の電極としての役割を果たし、第２の電極１７０は共振器の反対側に形成される。図１Ａの具体的な構造において、ＤＢＲ１２０とＤＢＲ１２１とは伝導性である。
【００２０】
活性領域１４０は、少なくとも１つの有機発光層１４２と少なくとも１つの有機注入層１４４とを含む。活性領域１４０の反対側には、電子およびホール電荷輸送層１３０および１３１がある。さらに以下で説明するように、輸送層は、発光体層中への注入を容易にするのに十分なエネルギーで、活性領域に電荷キャリアを輸送するよう選ばれる。
【００２１】
従来のレーザ技術で知られているように、共振器の長さは、活性領域によって発光される波長において強め合う干渉を最適化するよう設定されうる。一方のＤＢＲ１２１は可能な限り共振波長を反射するよう最適化されるが、他方のＤＢＲ１２０は部分的に反射性である。しかし、共振波長のいくらかの透過（１０１）を許容する。
【００２２】
図１Ｂは有機ＶＣＳＥＬ１００の他の実施形態を示す。この実施形態では、ＤＢＲ１２０’と１２１’とは非伝導性である。透明電極１７１とｌ７２（例えばＩＴＯ）は共振空胴内側、ＤＢＲと活性領域１４０の間に置かれる。同じく、非伝導性基板１１１、バッファまたはスペーサー層１５０と１５１、およびキャッピング層１７０も示されている。
【００２３】
図１Ａおよび図１Ｂにおける実施形態の特徴は組み合わせることもできる。例えば、ＤＢＲが伝導性であるが基板が非伝導性であるならば、透明電極はＤＢＲと基板との間に配置することができる。
【００２４】
一般に、基板１１０／１１１は堅いもの、柔軟なもの、透過性のもの、不透明なもの、あるいは反射性のものでありうる。ここでに使われる「透過性の」というのは、構造によって発光された波長の光が、実質的な振幅の損失なしに基板材料を通して透過する、ということを示す。基板材料の例としては、ガラス、プラスチック、および石英がある。もし基板が不透明または反射性ならば、孔または開口が基板中にエッチングでき、光透過のための経路を提供する。基板１１０／１１１の材料と厚さは、要求される構造的、熱的、および光学的特性を獲得するように選ぶことができる。
【００２５】
分散ブラッグ反射器は、異なった屈折率を持った２つの材料で構成された周期的な構造であって、伝導性あるいは非伝導性とすことができる。ＤＢＲ層のための例としての材料はＴｉＯ２／ＳｉＯ２多層スタックを含むが、他のＤＢＲ材料を使うことができる。ＤＢＲ層は、例えばスパッタ堆積またはプラズマ堆積（蒸着）によって作ることができ、そしてそれが堆積されるのに応じ偏光解析法を使ってインシチュでモニターすることができる。他の例として、ＤＢＲ層として使われる誘電材料は熱的蒸着によって堆積させることができる。反射性層は典型的なＤＢＲ必要条件を念頭において設計することができる。すなわち、それぞれの誘電体層の厚さは、反射される光の波長を、前記波長での誘電材料の屈折率の４倍で割った値に等しい（波長／（４ｘｎ））ということである。
【００２６】
共振する極小共振器の光路長は、閉じ込められる光の半波長の整数倍（ｍ×波長／２）に等しくなければならない（ここで、ｍは整数であり、波長は材料内の光のものである）。さらに、関連する波長のフォトンは、共振状態の空洞を通して往復移動での正味の位相ずれを経験しない。
【００２７】
デバイス１００／１００は他の構造を含むことができる。誘電体スペーサー層を、有機活性領域スタック１４０の堆積からのポーラリトンＤＢＲスタックへのダメージを減らす手段として含めることができる。誘電体スペーサーを、１つ以上のキャリア注入層１３０／１３１と透明電極１７１／１７２との間に形成することもできる。さらに、誘電体スペーサーは、ポーラリトンＤＢＲスタック中に活性領域を結合させる特性を調整するための手段として機能することができる。誘電体スペーサー層は、もし光路に含まるならば、活性領域から発光される共振波長光に対して透明でなければならない。誘電体スペーサーにおいて使用するのに適切な材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、フッ化リチウム、酸化テルル、および酸化チタンを含む。
【００２８】
本発明の実施形態に使われる材料を堆積するための技術は、当技術分野でよく知られている。例えば、有機層を堆積するための方法は熱的蒸着による。金属層を堆積する方法は熱的または電子ビーム蒸着による。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）（透明電極材料）を堆積する方法は電子ビーム蒸着またはスパッタリングによる。しかしながら、本発明は、材料層を堆積する何らかの適切な方法の使用を考慮する。
【００２９】
一例として、第１のＤＢＲはガラス基板上に成長される。ＤＢＲはスパッタ堆積またはプラズマ堆積によって作ることができ、その層が堆積されるのに応じ偏光解析法を使ってインシチュでモニターすることができる。次に、図３〜図６に関連して説明するような、また透明電極を持ったデバイスが、第１のＤＢＲ上に作られる。
【００３０】
図２は広域レーザ２００の実施形態であり、電極２１０と２７０、電荷輸送層２３０と２３１、および有機発光層２４２と有機注入層２４４を備えた活性領域２４０を含む。反射器２２０と２２１は、放射出力２０１を伴う共振器のそれぞれの終端に含まれる。図１Ａと図１Ｂの実施形態のために説明した方法と材料は、この実施形態でも使うことができる。さらに、当技術分野でよく知られているように、広域レーザは、キャリアおよび／または光の閉じ込めを促進するためのストライプ状幾何学的配置のような、もしくは、単一光学モードを促進するための、および／または共振波長を調整するための分散フィードバック構造のような、様々な構造を利用することができる。広域レーザの一例として、活性領域は図３〜図６で説明する原理に従って動作する。
【００３１】
図１Ａ、図１Ｂ、および図２は共振構造の個々の例を示す一方で、広く多様な共振構造が当技術分野によく知られており、そして本発明の実施形態に関連して使用することができる、ということが理解されよう。例えば、部分的に反射性の層が、内部にホールを備えた反射性材料から作られうる。反射性（または部分的に反射性）の層は、内側または外側とすることができる。当技術で知られている他の変更も利用することができる。
【００３２】
他の実施形態では、非共振デバイスを作ることができ、それは、そこに必ずしも共振空胴が存在しないという点で、共振デバイスとは異なっている。共振なしでは、発光した光の強い角度依存性が存在しない。それ故、標準ＯＬＥＤの単純な均等拡散パターン(Lambertian pattern)となる。しかしながら、このようなデバイスは、標準のＯＬＥＤの光の発光が、一般に、エキシトンの放射崩壊からの結果であるが、本発明の実施形態はバンド内遷移に依存していると理解されるという点で、標準ＯＬＥＤとは異なっている（すなわち、伝導体または価電子帯の中の遷移であって、バンドギャップを横断する（越える）電荷キャリアを含まない）。
【００３３】
有機材料の狭いバンド（＜１ｅＶ）は、個々の分子上に主として局在化される電荷をもたらす。それ故、提案されたレイジングは、ラジカルイオンＭ−のバンド内遷移からのものであり（すなわちここでは、中性分子のＬＵＭＯが、ほぼラジカル陰イオンのＨＯＭＯと同じエネルギー状態にある）、それは通常、Ｍの対応する遷移より低いエネルギーであり、ＬＵＭＯ遷移に対するそのＬＵＭＯ＋１に関連する。注入は励起状態（Ｍ−）*または（Ｍ＋）*に対するものである。この段階の効率は、ヘテロ接合におけるエネルギー準位の適切な配列に依存する。量子カスケードレーザで使用されるようなヘテロ接合間の超格子構造ミニバンドは、まだ有機材料を使って実現されるに至っていない。代案として、次第に電子親和力が低くなる薄膜を、次の活性領域の前でＭ−のエネルギーを上げるのに使うことができる。さらに、低い温度のテトラセン(tetracene)、ペンタンセン(pentancene)、ルブレン(rubrene)のような高純度有機物質においてバンド状のホール輸送が実践されたので、印加電圧は、次の活性領域において励起状態の（Ｍ−）*に直接に電荷を注入することをも容易にする。
【００３４】
もし、伝導帯中または価電子帯中で、電荷キャリアがバンドギャップを横断することなく、電荷キャリアの遷移から光が発せられるならば、レーザはＵＰＯＩＬであると思われる。図３は、電子のバンド内遷移を利用するＵＰＯＩＬの一発光周期の間のエネルギー準位ダイアグラムを示す。各層はキャリア輸送層３３２、第１の注入層３４２、第１の発光体層３４４、第２の注入層３４２を含む。発光体のＬＵＭＯ＋１エネルギー準位から発光体のＬＵＭＯエネルギー準位までの電子の遷移の結果として、フォトンが発せられる。電子は、キャリア輸送層３３２から注入層３４２を通してトンネリングすることによって発光体層３４４に注入されて、ＵＰＯＩＬがもたらされる。我々は、このようなヘテロ構造におけるトンネリングを、我々の研究室において有機分子線蒸着(organic molecular beam deposition:ＯＭＢＤ)の極めて高い真空プロセスによって調査した。そして、これが、３０オングストローム厚さより薄い有機層に対する電荷輸送のための効率的なメカニズムでありうることを見出した。
【００３５】
ＬＵＭＯ＋１からＬＵＭＯへの遷移は非常に速くなければならない。なぜならば、ＬＵＭＯ（「最低非占有分子軌道」）は、定義上、電子のための多数の可能サイトを持っているからである。この速い遷移は、ＬＵＭＯエネルギー準位からＨＯＭＯエネルギー準位へ移動する電子に基づいた光放出とは対照的であって、それ（ＬＵＭＯからＨＯＭＯへ移動する電子による光放出）は一般に、電子がそこに移動できるＨＯＭＯエネルギー準位における空の状態を提供するために、エキシトンを形成するためのホールと電子が最初にペアを作ることを必要とする。
【００３６】
発光体層におけるＬＵＭＯ＋１からＬＵＭＯへの遷移を呈する一実施形態として、注入層のＬＵＭＯエネルギー準位は、注入層から注入を行う有機発光層のＬＵＭＯ＋１エネルギー準位よりも最高で０．２ｅＶ少ない。最高で０．２ｅＶ少ないことに起因するエネルギー障壁は、デバイス性能に重要な逆効果を与えることを想定されないような、十分に小さいものである。他の実施形態では、注入層のＬＵＭＯエネルギー準位が発光体層のＬＵＭＯ＋１エネルギー準位より低くない。もし注入層のＬＵＭＯエネルギー準位が発光体層のＬＵＭＯ＋１エネルギー準位より低くないならば、電子が注入層から発光体層のＬＵＭＯ＋１エネルギー準位中に容易に移動することができる。しかしながら、注入層のＬＵＭＯエネルギー準位が発光体層のＬＵＭＯ＋１エネルギー準位よりたとえ少しでも低ければ、電子は、特に印加電圧バイアスの下で、発光体層のＬＵＭＯ＋１エネルギー準位にさらに遷移することが可能である。
【００３７】
ＵＰＯＩＬにおけるＬＵＭＯ＋１エネルギー準位からＬＵＭＯエネルギー準位への発光のための適切なエネルギー準位を持った材料の例は、注入層としてはＢＣＰ(bathocuproine)であり、発光体層としてはアズレン（Ｃ１０Ｈ８）である。ＢＣＰは、−３．２ｅＶのＬＵＭＯエネルギー準位を持つ。ナフタリンの異性体であるアズレンは、Ｓ２あるいはＬＵＭＯ＋１から発光する有機分子の中にあり、そのＳ１は異常に低いエネルギーを持つ。Ｓ２からＳ０への量子収率は〜０．０４６であり、Ｓ２からＳ１へのそれは〜４×１０−６であり、Ｓ１からＳ０へのそれは＜１０−６ある。Ｓ１は、振動電子状態遷移を通して、〜１．７ｐｓの崩壊時間で非放射的にＳ０へと崩壊する。ＨＯＭＯ、ＬＵＭＯ、およびＬＵＭＯ＋１エネルギーは、７．４ｅＶ、５．６４ｅＶ、および３．９ｅＶである。
【００３８】
バソキュプロイン(Bathocuproine:BCP)は広いエネルギーギャップを持っており、バリア材料として良好に機能する。多くのホール輸送材料およびいくつかの電子輸送材料も、ＯＬＥＤおよび薄膜トランジスタとして特定されてきた。それらは輸送層としての候補であり、低温でバンド輸送を伴うことができる。局所的なホールのための活性層は、その陽イオンラジカルＤ＋が１〜２ｅＶ範囲で発光するドナーＤであるか、または電子のために蛍光Ａ−を持ったアクセプタである。それに応じて、本発明の実施形態のように、発光体層のＬＵＭＯ＋１エネルギー準位とＬＵＭＯエネルギー準位とのエネルギー差、および／または、発光体層のＨＯＭＯ−１とエネルギー準位ＨＯＭＯエネルギー準位とのエネルギー差は、１から２ｅＶである。
【００３９】
有機塩からの発光を考慮すれば追加的な柔軟性がある。注入層のＬＵＭＯエネルギー準位と発光体層のＬＵＭＯ＋１エネルギー準位との適切な関係を持つ材料のペアは、それらのＬＵＭＯエネルギー準位に大きな差を持ちうる。実施形態の例として、注入層のＬＵＭＯエネルギー準位は、発光体層のＬＵＭＯエネルギー準位より少なくとも１．０ｅＶ高い。
【００４０】
同じ構成の多数の期間が、フォトン発光を強め、またレーザ構造で必要とされるよう利得を導入するために繰り返されうる。例えば、図４はバイアス下での多数のエミッタ（発光体）を示す。電子は、電荷輸送層４３２から注入され、バリア４４４を通過し発光体層４４２中にトンネリングする。電子がＬＵＭＯ＋１からＬＵＭＯへとそれぞれの発光体で崩壊するにつれて、フォトンが発せられる。
【００４１】
図５は本発明の同じ原理を示すが、ホールに対するものである。ホールは、キャリア輸送層５３２からバリア５４２を通して発光体５４４に注入され、ホールがＨＯＭＯ−１からＨＯＭＯへと落ち込んでフォトンを発する。ＨＯＭＯ−１からＨＯＭＯへの遷移はに非常に速くなければならない。なぜならば、ＨＯＭＯ（「最高占有分子軌道」）は、定義上、空きのＨＯＭＯ−１サイトに落ることが可能な多数の電子を持っているからである。この速い遷移は、ＬＵＭＯエネルギー準位からＨＯＭＯエネルギー準位へ移動する電子に基づいた光放出とは対照的であって、それ（ＬＵＭＯからＨＯＭＯへ移動する電子による光放出）は一般に、ＨＯＭＯエネルギー準位のホールの空きを埋めるためのＬＵＭＯエネルギー準位における電子を提供するために、エキシトンを形成するためのホールと電子が最初にペアを作ることを必要とする。有機注入層の例は、銅（ＩＩ）フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、および亜鉛フタロシアニン（ＺｎＰｃ）を含む。
【００４２】
図６は、バイアス下でのエミッタ（発光体）におけるホール遷移の多数の期間を示す。ホールは、電荷輸送層６３２から発光体６４２へ注入され、バリア６４４を通してトンネリングする。それぞれの時間でホールがＨＯＭＯ−１からＨＯＭＯに遷移し、フォトンが発せられる。そして、このプロセスは次の発光体層と注入層に対して繰り返される。
【００４３】
発光体層におけるＨＯＭＯ−１からＨＯＭＯへの遷移を示した実施形態は、ＬＵＭＯとＬＵＭＯ＋１の間の伝導帯エネルギー準位に対する説明と類似している。実施形態として、注入層のＨＯＭＯエネルギー準位は、注入層から注入を行う発光層のＨＯＭＯ−１エネルギー準位よりも最高で０．２ｅＶ高い。他の実施形態では、注入層のＨＯＭＯエネルギー準位は、発光体層のＨＯＭＯ−１エネルギー準位より低くない。もし注入層のＨＯＭＯエネルギー準位が発光体層のＨＯＭＯ−１エネルギー準位より低くないならば、ホールが注入層から発光体層のＨＯＭＯ−１エネルギー準位中に容易に移動することができる。しかしながら、注入層のＨＯＭＯエネルギー準位が発光体層のＨＯＭＯ−１エネルギー準位よりたとえ少しでも低ければ、ホールは、印加電圧バイアスの下で、発光体層のＨＯＭＯ−１エネルギー準位にさらに遷移することが可能である。
【００４４】
もしデバイスがそれぞれの段階において同じエネルギー準位間隔を持つ（それぞれの発光体層が、同じＬＵＭＯ＋１エネルギー準位とＬＵＭＯエネルギー準位の差、またはＨＯＭＯ−１エネルギー準位とＨＯＭＯエネルギー準位の差を持つ）よう設計されるならば、フォトンはすべて同じエネルギーとなるであろう。
【００４５】
輸送層３３２、４３２、５３２、および６３２は、中性分子または材料の薄膜とすることができるが、有機塩のイオンも使うことができる。
【００４６】
本発明の実施形態によって製造されたデバイスは、通信デバイス、プリンタ、エッチングシステム、計測デバイス、光学メモリーデバイス、表示デバイス、およびセンサデバイスを含んだ多種多様な消費者製品に組み込むことができる。本発明のデバイスは、波長分割多重化、光学ヘテロダイン、および光学クロック用途のための波長基準としても使うことができる。ここで説明した実施形態は、摂氏１８度から摂氏３０度のような人間にとって快適な温度範囲で、また室温（摂氏２０〜２５度）で、動作するように作ることができる。
【００４７】
ここで説明した種々の実施形態が専ら例示によるものであり、発明の範囲を制限するように意図されたものでない、ということが理解される。例えば、ここで説明した材料および構成の多くを、本発明の精神から逸脱することなく、他の材料で代用することができる。別の例として、フォトンを生成するバンド内遷移は、ＬＵＭＯ＋２からＬＵＭＯ＋１、またはＨＯＭＯ−２からＨＯＭＯ−１のような、他のサブバンド間においてもあり得る。本発明が機能する理由に対応した様々な理論が、限定のために意図されたものでない、ということが理解される。
【００４８】
本発明についてのいくつかの実施形態をここで詳細に示し、および／または、説明した。しかしながら、本発明の改良および変更は、本発明の精神と対象とする範囲から逸脱することなく、上述の教示によって、また添付の請求項の範囲内でカバーされる、ということが認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１Ａ】有機垂直キャビティ面発光レーザ（vertical-cavity surface-emitting laser：ＶＣＳＥＬ）の一実施形態の断面図である。
【図１Ｂ】有機垂直キャビティ面発光レーザ（vertical-cavity surface-emitting laser：ＶＣＳＥＬ）の一実施形態の断面図である。
【図２】有機広域レーザの一実施形態の断面図である。
【図３】放射発光を引き起こす電子のバンド内遷移を示すエネルギーバンドダイアグラムである。
【図４】バイアス下における一連の有機発光体を通した電子の経路を示すエネルギーバンドダイアグラムである。
【図５】放射発光を引き起こすホールのバンド内遷移を示すエネルギーバンドダイアグラムである。
【図６】バイアス下における一連の有機発光体を通したホールの経路を示すエネルギーバンドダイアグラムである。
【符号の説明】
【００５０】
１００  デバイス
１１０  基板
１１１  非伝導性基板
１２０、１２１  ＤＢＲ
１３０、１３１  電子およびホール電荷輸送層（キャリア注入層）
１４０  活性領域
１４２  有機発光層
１４４  有機注入層
１５０、１５１  スペーサー層
１７０  第２の電極（キャッピング層）
１７１、１７２  透明電極
２００  広域レーザ
２０１  放射出力
２１０  電極
２２０  反射器
２３０、２３１  電荷輸送層
２４０  活性領域
２４２  有機発光層
２４４  有機注入層
３３２  キャリア輸送層
３４２  注入層（第１および第２）
３４４  発光体層
４３２  電荷輸送層
４４２  発光体層
４４４  バリア
５３２  キャリア輸送層
５４２  バリア
５４４  発光体
６３２  電荷輸送層
６４２  発光体
６４４  バリア
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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