(57)【要約】  有機発光ダイオードを有する発光フォトニック結晶および該発光フォトニック結晶を製造する方法が開示される。バンドギャップまたはストップバンドを有するフォトニック構造体内に配された有機発光ダイオードは、そのフォトニック構造体が、バンドギャップの端にあたる波長の光を放出することを可能にする。この機能を提供するフォトニック結晶構造体は、分布ブラッグ反射器、配向したネマチック液晶およびホログラフィによって記録された格子など、周期的に変化する屈折率を有する材料を含むことができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料がその中に配された発光フォトニック結晶。
【請求項２】
前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料が、前記フォトニック結晶の光学的厚さの１０％未満を占めるゾーンの中に局限された有機発光材料を含む、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項３】
バンドギャップを有し、前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料が、前記フォトニック結晶の前記バンドギャップと少なくとも部分的に重なる自由空間放出スペクトルを有する、請求項２に記載のフォトニック結晶。
【請求項４】
前記フォトニック結晶が、前記バンドギャップの端に対応する波長の光を放出する、請求項３に記載のフォトニック結晶。
【請求項５】
前記バンドギャップの端が、前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料によって放出されたルミネセンス光の測定された放射輝度が前記エミッタ材料のルミネセンス放出スペクトルのピーク放射輝度の４分の１よりも大きい波長にある、請求項４に記載のフォトニック結晶。
【請求項６】
前記バンドの端が、前記エミッタ層を光が１回通過する際の光吸収が１％未満である波長にある、請求項５に記載のフォトニック結晶。
【請求項７】
前記バンドギャップの端が、前記エミッタ層を光が１回通過する際の光吸収が１／２％未満である波長にある、請求項６に記載のフォトニック結晶。
【請求項８】
周期的に変化する屈折率を有する、請求項７に記載のフォトニック結晶。
【請求項９】
高屈折率材料層と低屈折率材料層の交代層をさらに備える、請求項８に記載のフォトニック結晶。
【請求項１０】
前記低屈折率材料層のうちの１つの低屈折率材料層が、前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料を含む、請求項９に記載のフォトニック結晶。
【請求項１１】
前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料を含む前記層がさらに、隣接する層に比べて低い屈折率をそれぞれが有する追加の有機材料を含み、前記追加の有機材料が、電荷輸送材料、電荷注入材料または電荷阻止材料のうちの少なくとも１つの材料である、請求項１０に記載のフォトニック結晶。
【請求項１２】
前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料を含む前記層がさらに、隣接する層に比べて高い屈折率をそれぞれが有する有機材料を含む、請求項９に記載のフォトニック結晶。
【請求項１３】
バンドギャップを有する発光フォトニック結晶であって、
高屈折率誘電体材料層と低屈折率誘電体材料層の交代層であり、周期的に変化する屈折率を生み出すことができる交代層と、
有機発光材料を含む有機発光ダイオードであり、前記有機発光材料が、前記バンドギャップの端において、および前記有機発光材料の自由空間放出スペクトルのピークスペクトルエレクトロルミネセンスにおける放射輝度の４分の１よりも大きな放射輝度に対応する波長において光を放出することができる有機発光ダイオードと
を備える発光フォトニック結晶。
【請求項１４】
前記有機発光ダイオードが有機発光材料を有し、前記バンドギャップの端が、前記有機発光材料の自由空間放出スペクトルのピークスペクトルエレクトロルミネセンスにおける放射輝度の２分の１よりも大きな放射輝度に対応する波長にある、請求項１３に記載のフォトニック結晶。
【請求項１５】
前記バンドギャップの端が、前記エミッタ層を光が１回通過する際の光吸収が１％未満である波長にある、請求項１４に記載のフォトニック結晶。
【請求項１６】
前記バンドギャップの端が、前記エミッタ層を光が１回通過する際の光吸収が１／２％未満である波長にある、請求項１５に記載のフォトニック結晶。
【請求項１７】
前記層のそれぞれの層が、前記バンドギャップの中心波長の４分の１の光学的厚さを有し、前記有機発光ダイオードが、前記バンドギャップの中心波長の４分の１の光学的厚さをやはり有する単一の層に限定された有機エミッタ材料を含み、前記単一の層が、エミッタ層を構成してもよく、あるいはエミッタ層および１つもしくは複数の電荷輸送層または１つもしくは複数の電荷注入層を構成してもよい、請求項１６に記載のフォトニック結晶。
【請求項１８】
前記交代層が分布ブラッグ反射器を構成した、請求項１７に記載のフォトニック結晶。
【請求項１９】
高屈折率誘電体材料層が、Ｎｂ2Ｏ5およびＴｉＯ5の中から選択された材料を含む、請求項１８に記載のフォトニック結晶。
【請求項２０】
低屈折率誘電体材料層が、ＳｉＯ2、ＬｉＦおよびＭｇＦ2の中から選択された材料を含む、請求項１９に記載のフォトニック結晶。
【請求項２１】
前記有機発光材料の分子が、放出光の透過軸に対して平行な誘導放出を最大にするような向きに空間的に配向している、請求項２０に記載のフォトニック結晶。
【請求項２２】
前記バンドギャップの中心波長の４分の１の前記光学的厚さが約１５９ｎｍである、請求項２１に記載のフォトニック結晶。
【請求項２３】
バンドギャップを有する発光フォトニック結晶であって、
第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の屈折率よりも低い屈折率を有する第２の誘電体層であり、前記第１の誘電体層に隣接して配された第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の前記屈折率よりも高い屈折率を有する第３の誘電体層であり、前記第１の誘電体層と第３の誘電体層との間に前記第２の誘電体層が配された第３の誘電体層と、
前記第３の誘電体層の前記屈折率よりも低い屈折率を有する第４の誘電体層であり、前記第２の誘電体層と第４の誘電体層との間に前記第３の誘電体層が配された第４の誘電体層と、
前記第４の誘電体層の前記屈折率よりも高い屈折率を有するアノード層であり、前記第３の誘電体層とアノード層との間に前記第４の誘電体層が配されたアノード層と、
有機発光材料を含むエミッタ層であり、１つまたは複数の副層を備え、それぞれの副層が、前記アノード層の前記屈折率よりも低い屈折率を有し、前記第４の誘電体層とエミッタ層との間に前記アノード層が配されたエミッタ層と、
前記１つまたは複数の副層の前記屈折率よりも高い屈折率を有するカソード層であり、前記アノード層とカソード層との間に前記エミッタ層が配されたカソード層と、
前記カソード層の前記屈折率よりも低い屈折率を有する第５の誘電体層であり、前記エミッタ層と第５の誘電体層との間に前記カソード層が配された第５の誘電体層と、
前記第５の誘電体層の前記屈折率よりも高い屈折率を有する第６の誘電体層であり、前記カソード層と第６の誘電体層との間に前記第５の誘電体層が配された第６の誘電体層と、
前記第６の誘電体層の前記屈折率よりも低い屈折率を有する第７の誘電体層であり、前記第５の誘電体層と第７の誘電体層との間に前記第６の誘電体層が配された第７の誘電体層と、
前記第７の誘電体層の前記屈折率よりも高い屈折率を有する第８の誘電体層であり、前記第６の誘電体層と第８の誘電体層との間に前記第７の誘電体層が配された第８の誘電体層と
を備える発光フォトニック結晶。
【請求項２４】
前記アノードおよび前記カソードを横切って電位が与えられたときに、前記有機発光材料が、前記有機発光材料によって放出されたルミネセンス光の測定された放射輝度が前記有機発光材料の自由空間光放出スペクトルのピーク放射輝度の４分の１よりも大きい波長に対応する前記バンドギャップの端において光を放出することができる、請求項２３に記載の発光フォトニック結晶。
【請求項２５】
前記バンドギャップの端が、前記エミッタ層を光が１回通過する際の光吸収が１％未満である波長にある、請求項２４に記載のフォトニック結晶。
【請求項２６】
前記バンドギャップの端が、前記エミッタ層を光が１回通過する際の光吸収が１／２％未満である波長にある、請求項２５に記載のフォトニック結晶。
【請求項２７】
前記誘電体層がそれぞれ、前記バンドギャップの中心周波数の波長の４分の１の光学的厚さを有する、請求項２６に記載のフォトニック結晶。
【請求項２８】
前記層の全体が分布ブラッグ反射器を構成した、請求項２７に記載のフォトニック結晶。
【請求項２９】
高屈折率の誘電体層が、Ｎｂ2Ｏ5およびＴｉＯ5の中から選択された材料を含む、請求項２８に記載のフォトニック結晶。
【請求項３０】
低屈折率の誘電体層が、ＳｉＯ2、ＬｉＦおよびＭｇＦ2の中から選択された材料を含む、請求項２９に記載のフォトニック結晶。
【請求項３１】
前記有機発光材料の分子が、放出光の透過軸に対して平行な誘導放出を最大にするような向きに空間的に配向している、請求項３０に記載のフォトニック結晶。
【請求項３２】
前記層がそれぞれ、約１５９ｎｍの光学的厚さを有する、請求項３１に記載のフォトニック結晶。
【請求項３３】
前記層のうちの少なくとも１つの層が、前記バンドギャップの中心周波数の波長の約４分の３の厚さを有する、請求項２６に記載のフォトニック結晶。
【請求項３４】
前記誘電体層が、ホログラフィック格子を構成した、請求項２２に記載のフォトニック結晶。
【請求項３５】
前記誘電体層が、配向したネマチック液晶を含む、請求項２２に記載のフォトニック結晶。
【請求項３６】
フォトニック結晶構造体を備える発光デバイスであって、前記フォトニック結晶構造体が有機発光ダイオードを備え、前記有機発光ダイオードが、前記有機発光ダイオードの電極および有機層が前記フォトニック結晶の高屈折率／低屈折率交代構造の部分として機能するような態様の有機発光ダイオードである発光デバイス。
【請求項３７】
前記有機発光ダイオードが、前記少なくとも１つのフォトニック結晶構造体のバンド端モードに入る光を放出する、請求項３６に記載の発光デバイス。
【請求項３８】
フォトニックバンドギャップの端において光を放出する、請求項３７に記載の発光デバイス。
【請求項３９】
前記有機発光ダイオードがその中へ光を放出する前記バンド端モードが、前記有機発光ダイオードの中で利用される発光材料によって放出されたルミネセンス光の測定放射輝度が前記エミッタ材料のルミネセンス放出スペクトルのピーク放射輝度の４分の１よりも大きい波長にある、請求項３８に記載の発光デバイス。
【請求項４０】
前記有機発光ダイオードがその中へ光を放出する前記バンド端モードが、前記エミッタ層を光が１回通過する際の光吸収が１％未満である波長にある、請求項３９に記載の発光デバイス。
【請求項４１】
前記有機発光ダイオードがその中へ光を放出する前記バンド端モードが、前記エミッタ層を光が１回通過する際の光吸収が１／２％未満である波長にある、請求項４０に記載の発光デバイス。
【請求項４２】
前記有機発光ダイオードのカソードまたはカソードの構成層が、前記フォトニック結晶構造体の前記高屈折率層または高屈折率ゾーンのうちの１つの高屈折率層または高屈折率ゾーンとして機能する、請求項４１に記載の発光デバイス。
【請求項４３】
前記有機発光ダイオードの前記アノードが、前記フォトニック結晶構造体の前記高屈折率層または高屈折率ゾーンのうちの１つの高屈折率層または高屈折率ゾーンとして機能する、請求項４２に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下、２０１５年６月２４日に出願された米国特許仮出願第６２／１８３，７７１号の出願日遡及の恩典を主張するものである。この仮出願の開示は本明細書に参照によって組み込まれている。
以下の説明は、改良された発光デバイスおよび該デバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機発光ダイオード（ｏｒｇａｎｉｃ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ：「ＯＬＥＤ」）は、２つの電極間に有機材料の層を置くことによって製作されるオプトエレクトロニクスデバイスであり、これらの電極に電圧電位を与え、この有機材料に電流を注入すると、この有機材料または放出性材料から可視光が放出されるデバイスである。高い電力効率、低い製造コスト、軽量性および耐久性のため、ＯＬＥＤはしばしば、ポータブル装置または非ポータブル装置のディスプレイおよび民生用照明装置を製造する目的に使用されている。
照明装置およびディスプレイ装置の市場では、液晶ディスプレイ（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｄｉｓｐｌａｙ：「ＬＣＤ」）装置がＯＬＥＤに急速に置き換えられている。この置換えは、視聴体験、サイズ、重量および単純さにおける利点によって後押しされている。米国特許第７，３３５，９２１号、第９，１２９，５５２号および米国特許出願公開第２００４／００６９９９５号には、強化された発光レベルおよび強化されたエネルギー効率レベルを誘導放出（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）現象を利用することによって提供するために１つまたは複数のフィードバック手段が発光ダイオード構造体に統合された発光ダイオード（「ＬＥＤ」）デバイス、特にＯＬＥＤが記載されている。これらのデバイスは、ひとまとめにして、フィードバック強化型有機発光ダイオード（ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ：ＦＥ−ＯＬＥＤ）と呼ばれている。米国特許第９，１２９，５５２号出願は、ディスプレイ装置でＦＥ−ＯＬＥＤを利用する方法を記載している。ＦＥ−ＯＬＥＤアーキテクチャは一般に非レーザ用途およびレーザ用途に対して有用である。光は、ＦＥ−ＯＬＥＤにより、フィードバック光によって誘導された放出を通して放出されるため、このような放出光は主に平行であり、デバイスの表面に対して垂直にまたはほぼ垂直に放出される。
【０００３】
非レージング（ｎｏｎ−ｌａｓｉｎｇ）ＦＥ−ＯＬＥＤの大きな利点は、デバイスのエネルギー効率が従来のＯＬＥＤに比べて大幅に高められることである。従来のＯＬＥＤの中で生成された光の大部分はこれらのデバイスから出て来ない。これは、光が放出される角度が、内面反射（ｉｎｔｒｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によって光がデバイスの中に閉じ込められるのに十分な程度に、デバイス表面に対する垂線から離れているためである。ＦＥ−ＯＬＥＤによって放出される本質的に全ての光は垂直に近い角度で放出されるため、デバイス内で生成されたほぼ全ての光がデバイスの外に出る。その結果、エネルギー効率が３倍になることがある。
【０００４】
ＦＥ−ＯＬＥＤの際立った特徴は、２つのフィードバック手段間、例えば２つのフォトニック結晶（ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ）間に共振空胴（ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｃａｖｉｔｙ）が形成されていることである。この共振空胴内には、エミッタ材料の層が配されており、このエミッタ材料の層は、対向するフィードバック手段によって共振空胴内に局限された光子によって誘導放出が誘起される結果として、光子を放出する。これらの実施形態のうちのある種の実施形態では、共振空胴内に完全なＯＬＥＤが形成される。エミッタ材料またはエミッタによって放出された光が、エミッタ材料の方へ戻り、エミッタ材料を通り抜けるよう、光の方向を変更するように、フィードバック手段を調整することによって、放出光は共振空胴内に局限される。すなわち、放出光は、２つのフィードバック手段間を往復し、エミッタ材料を通り抜けることを繰り返して、エミッタ材料中でさらなる誘導放出を誘起する確率を増大させる。このようにして光のピーク光学パワー（ｐｅａｋ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）をエミッタ材料のところに局限するために、フィードバック手段間のエミッタの位置を調整することによって、発光効率は高められ、結果として得られるデバイスは、知られているＯＬＥＤよりも改良されたものになる。その結果、共振空胴内のエミッタ材料から出力される光学パワーの量は、デバイスに加えられた電力から見て非常に効率的である。さらに、誘導放出は、共振空胴の境界面に対して垂直に、したがってＦＥ−ＯＬＥＤの放出表面に対して垂直に起こるため、放出材料の平面内への放出によって、または境界面における全内部屈折に対して失われる光は非常に少ない。フィードバック手段を製造する方法は、米国特許出願公開第２００４／００６９９９５号（「’９９５号出願」）に記載されている。この出願公開は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
知られているＦＥ−ＯＬＥＤデバイスの欠点は、デバイス設計に対する厳しい物理的制約により、任意の規模で製造することが難しいことである。ＦＥ−ＯＬＥＤは、先行技術のＬＥＤおよびＯＬＥＤに比べてかなりの改良を提供するが、光学効率を増大させ、ＯＬＥＤの汎用性および利点を提供し、デバイス設計プロセスを単純にし、高歩留りの製造プロセスを可能にし、生成される熱を減らし、全体の消費電力を減らし、幅広い範囲の放出周波数にわたる調整を可能にし、現時点で入手可能なＯＬＥＤ光源およびＬＥＤ光源よりも寿命が長い発光デバイスが求められている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】有機発光ダイオードの基本構造を示す図である。
【図２】単純な欠陥モード（ｄｅｆｅｃｔ  ｍｏｄｅ）デバイスモデルの屈折率プロファイルを示す図である。
【図３】欠陥モードデバイス共振空胴の上にある欠陥モードデバイス内に分布する光の光学強度（ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示す図である。
【図４】フォトニック屈折率プロファイル媒体中の状態密度（ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  ｓｔａｔｅｓ）スペクトルおよび対応する透過率スペクトルを示す図である。
【図５】バンド端（ｂａｎｄ−ｅｄｇｅ）放出フォトニック構造体デバイスモデルの屈折率プロファイルを示す図である。
【図６】バンド端放出フォトニック構造体デバイス内に分布する光の光学強度を示す図である。
【図７】本発明のさまざまな実施形態を、記載されたさまざまな実施形態の関連屈折率プロファイルとともに示す図である。
【図８】本発明のさまざまな実施形態を示す図である。
【図９】本発明のさまざまな実施形態を示す図である。
【図１０】本発明のさまざまな実施形態を示す図である。
【図１１】バンド端放出フォトニック構造体デバイスの設計考慮事項を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
フォトニック結晶は、屈折率の値が周期的に変動する構造を有する材料であって、この構造がバンドギャップまたはストップバンド（ｓｔｏｐ−ｂａｎｄ）を生み出す材料である。このフォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップを示すフォトニック結晶、またはバンドギャップを有するフォトニック結晶と呼ばれている。フォトニックバンドギャップまたはフォトニックストップバンドは、媒体の透過スペクトル中の波長範囲であって、この構造内を屈折率変動の方向に電磁放射（ＥＭＲ）が伝搬することができない、すなわちこの方向に光が伝搬することができない波長範囲である。屈折率変動、したがってストップバンドが、単一の方向または単一の次元に生じうるように、すなわち分布ブラッグ反射器（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：「ＤＢＲ」）となるように、または、特に’９４１号出願に開示されているように２つもしくは３つの次元に生じるように、フォトニック結晶を設計することができる。ストップバンドを波の伝搬モードに関して説明すると、フォトニック結晶は、ある波長バンドにわたって電磁波モードが許されない構造体である。フォトニック結晶内での伝搬が禁止される波長範囲は、フォトニック結晶構造体内の屈折率変動の周期性によって決まる。このバンドギャップまたはストップバンドは、半導体内で電子波動関数に作用して固体物理学のバンドギャップを生み出す結晶原子格子の電磁気相似体である。すなわち、フォトニック結晶内では、ＥＭＲ波動方程式に対する特殊解が、ある波長範囲内で禁止される。波動方程式の解が存在しないこの波長範囲がバンドギャップまたはストップバンドである。特定の構造体に対するストップバンドは、透過軸の方向のフォトニック結晶自体の周期性を調整することによって、ある波長範囲を有する光が透過軸に沿って伝搬することを禁止するように調整される。ＤＢＲの場合には、その構成層の光学的厚さ（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を調整することによってこれを達成することができる。
【０００８】
フォトニック結晶は、いくつかの手法で製造することができる。例えば、’９９５号出願および米国特許第７，３３５，９２１号（「’９２１号特許」）は、フォトニック結晶が採りうるいくつかの代替形態を開示している。’９２１号特許は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれている。ストップバンドを有するフォトニック結晶は、ＤＢＲを利用して製造することができ、また、ホログラフィによって記録された格子（ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙ  ｒｅｃｏｒｄｅｄ  ｇｒａｔｉｎｇ）、オパール（ｏｐａｌ）、逆オパール（ｉｎｖｅｒｓｅ  ｏｐａｌ）、配向したネマチック液晶（ａｌｉｇｎｅｄ  ｎｅｍａｔｉｃ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）、キラル液晶および潜在的に重合するリオトロピック（ｌｙｏｔｒｏｐｉｃ）液晶構造体を利用して製造することもできる。
【０００９】
一例１００が図１に示されている従来のＯＬＥＤは一般にいくつかの機能層からなり、それらの機能層はそれぞれ、デバイスの機能性を向上させる役割を果たす。例えば、ＯＬＥＤ１００は、基板１１０、透明アノード１２０、正孔注入層１３０、正孔輸送層１４０、エミッタ層１５０、電子輸送層１６０および金属カソード１７０からなる。デバイス１００は以下のように機能する。アノードとカソードの間に電位差が与えられたときに、正電荷を有する正孔がアノード１２０から正孔注入層１３０に注入される。かけられた電界の影響の下で、正孔は、正孔注入層から、正孔輸送層１４０を通ってエミッタ層１５０に流入する。同時に、カソード１７０から電子輸送層１６０に電子が注入される。かけられた電界の影響の下で、電子は、電子輸送層からエミッタ層１５０に流入する。エミッタ層内で、電子と正孔は、単一の有機分子上で対となり、このことが、その分子が電子的に励起した状態になることを促進する。次いで、これらの励起状態（励起子（ｅｘｃｉｔｏｎ））は崩壊して光子を放出する。言い換えると光を生み出す。特定の用途のＯＬＥＤのアノードとカソードの間に電位を与える方法および装置は知られていることが理解される。
【００１０】
ＯＬＥＤでは、正孔注入層１３０、正孔輸送層１４０、エミッタ層１５０および電子輸送層１６０の全てが有機材料からなる。典型的なデバイスはさらに、電子注入層、正孔阻止層および電子阻止層などの追加の層を含む。ＯＬＥＤのこれらのさまざまな層を形成する有機材料の電荷キャリア（電子または正孔）移動性は一般に非常に低い。その結果として、これらの層が厚い場合には、ＯＬＥＤ内で非常に大きなインピーダンス損が生じ、それにより、デバイスは非常に高い電圧で動作し、短いデバイス寿命につながる熱故障を起こしやすい。
【００１１】
欠陥モードデバイスとしても知られているＦＥ−ＯＬＥＤは、２つのフィードバック手段間の空胴または欠陥内に高い光子密度を生み出すことによって誘導放出現象を利用する。この空胴は、ＯＬＥＤの放出性材料、例えばエミッタを含む。これらのフィードバック手段は、放出性材料によって放出された光を再び放出性材料に向かって反射するようにストップバンドが調整された２つのフォトニック結晶とすることができる。あるいは、フィードバック手段を、金属反射器または金属鏡と向い合わせに置かれた単一のフォトニック結晶とすることもでき、あるいは、ホログラフィによって記録された２つの格子とすることもできる。前述のとおり、ＦＥ−ＯＬＥＤは、ディスプレイで使用されている伝統的な発光デバイスに比べて多くの改良点を有するが、ＦＥ−ＯＬＥＤには大量生産が難しいという欠点がある。
【００１２】
これらの問題点を例示するため、２つのＤＢＲからなり、ＤＢＲの表面が互いに平行となるように空胴によって分離されたＦＥ−ＯＬＥＤの簡略化されたモデル（図示せず）を考える。さらに、このようなＦＥ−ＯＬＥＤデバイスモデルの中を透過軸２２０に対して平行に進む光が遭遇する屈折率プロファイル２００を示す図２、およびその結果生じるデバイス内の光強度分布２７０を示す図３を検討する。このようなデバイスの、屈折率プロファイル２５０を有する空胴内には、ＯＬＥＤ（図示せず）またはＯＬＥＤの部分が形成されている。ＯＬＥＤのエミッタ材料が空胴内の平面２１０に沿って精確に配向するような態様でＯＬＥＤが形成されていることが理想的であり、エミッタ材料中の追加の誘導放出を最大にするために、平面２１０において光強度が最大になることが理想的である。このようなデバイスでは、デバイスの中を進む光が遭遇する屈折率が透過軸２２０に沿って変化する。この屈折率の変化は、屈折率プロファイル２４０に対応するフォトニック結晶の第１の部分を通して、または屈折率プロファイル２６０に対応するフォトニック結晶の第２の部分を通して周期的だが、この周期性は空胴によって中断され、この中断が位相スリップ（ｐｈａｓｅ  ｓｌｉｐ）を引き起こす。このデバイスモデルは、屈折率プロファイル２３０を生み出す４３個の層（図示せず）のスタック（ｓｔａｃｋ）からなる。このプロファイルの第１のセクション２４０は、厚さ４３．９８ｎｍ、屈折率２．７０の１１個の透明材料層と、これらの層の間に挿入された厚さ５９．３８ｎｍ、屈折率２．００の１０個の透明材料層とからなるスタックに対応する。これらの層は、このスタック中で、高屈折率の層と低屈折率の層とが交互に並んでおり、これらの層はそれぞれ、光学的厚さ（屈折率に物理的厚さを乗じたもの）が、１１８．８ｎｍ、すなわち波長４７５ｎｍの光に対して４分の１波長の厚さになるような態様の物理的厚さ（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を有する。これらの２１個の層の最後の層の上には、厚さ１４８．４４ｎｍ、屈折率１．６０の材料層２５０がある。この層の上には、このスタックの第１の２１個の層と全く同じ別の２１個の層からなる第２のフィードバック手段２６０がある。このモデルでは、厚さ１４８．４４ｎｍの中心層の中心にある平面２１０内で発光が起こるものとする。要約すると、ＦＥ−ＯＬＥＤは、それらの間の空胴２５０の中にＯＬＥＤのエミッタ層が位置する２つのフィードバック手段、例えば２つのフォトニック結晶（例えば２４０および２６０）として具体化される。
【００１３】
図３は、前述のＦＥ−ＯＬＥＤが波長４７５ｎｍの光をスタックの中へ放出しているときの、図２の透過軸２２０に沿ったＯＬＥＤ内のモデル化された光強度分布のプロット２７０を示す。平面２１０に対応する厚さ１４８．４４ｎｍの中心層の中心に、鋭く尖った光強度の極大または腹（ａｎｔｉ−ｎｏｄｅ）があり、この中心層の境界２８０ａおよび２８０ｂに、強度ゼロの節（ｎｏｄｅ）があることが分かる。このように、これらの２つの２１層フィードバック構造体は、厚さ１４８．４４ｎｍの中心層によって形成された空胴の中へ光を反射により戻している。
ＦＥ−ＯＬＥＤの動作原理は、空胴内のエミッタが平面２１０の中心に精確に置かれている限りは、空胴内の高い光子密度が、エミッタからの発光を非常に効率的に誘導するというものである。最大光強度は空胴内の非常に幅の狭い領域で起こり、平面２１０から離れるにつれて光強度は急速に低下するため、このタイプのデバイスでは問題が生じる。図２および図３に示されたモデル化された例では、この平面が、フィードバック層間の空胴の中心に位置する。しかしながら、この簡略化されたモデルでは、空胴内の材料が均一な屈折率を有する。
【００１４】
実際には、空胴２５０内には、異なる屈折率を有する異なる材料を含む多数のＯＬＥＤ機能層があるため、一般に、空胴内の材料の屈折率は均一にはならず、その結果、光強度の分布は、より複雑な異なるものになる。ＯＬＥＤを構成する層の厚さおよび位置は主として、電子工学的な考慮事項によって決まり、したがって、光強度が最大になる平面２１０にエミッタ層を置くことができないことがある。それが可能な場合でも、最大光強度位置２１０に位置するようにエミッタ層を位置決めすることは難しい作業である。さらなる問題は、これらのデバイスの空胴内に光強度を局限する強さは空胴の厚さに非常に敏感であり、ＯＬＥＤの有機層の厚さが非常に厳しい許容差に収まらない場合には、この強さが、デバイスごとにかなり異なることがある点である。図２およびプロファイル２３０がモデル化されたデバイスを再び参照すると、光を局限するためには空胴が必要であるため、共振空胴２５０、したがってエミッタ層、ならびにさまざまな実施形態ではエミッタ層の周囲の機能層および非機能層が、フォトニック結晶の部分として機能しない（フォトニック結晶の部分として機能することができない）。したがって、欠陥モードデバイスは、例えば２４０および２６０によって記述された屈折率プロファイルを有する２つのフィードバック手段、例えば２つのフォトニック結晶であって、２つのフィードバック手段の空胴２５０内に位置するＯＬＥＤのエミッタ層を有する２つのフィードバック手段として具体化される。
【００１５】
要約すると、適切な層厚を維持することに関係する歩留りの問題、必要な２つのフォトニック結晶構造体を空間的に互いに位置決めすることの難しさ、およびデバイス内の光分布のピーク光学パワーのところにエミッタ層を位置決めすることの難しさのために、現在まで、ＦＥ−ＯＬＥＤの潜在的な商業的可能性は実現できていない。ピーク光学パワーも、それぞれのフィードバック手段内の屈折率の周期、空胴の厚さ、２つのフィードバック手段の特別な位置決め、およびＯＬＥＤ層が存在することによって空胴内に実際に生じる屈折率の変動の間の相互作用に依存する。ＦＥ−ＯＬＥＤ型のデバイスを製造することが難しいことを考えると、多数の色の光（すなわち所望の出力スペクトル）を提供するように製造プロセスを変更することも同様に難しい。これは、ストップバンドをシフトさせるために屈折率変動の周期を変更するためには、２つのデバイス間の共振光空胴のサイズを変更すること、共振空胴の両側の２つのフィードバック手段の位相を位置決めし直すこと、および共振光空胴内のエミッタ層の位置を、その位置がピーク光学パワー２１０に一致するように位置決めし直すことも必要となるためである。
【００１６】
誘導放出に基づく第２のタイプのデバイス強化であって、フォトニックストップバンドのスペクトル端にあるＥＭＲモードのところに現れる現象を利用するデバイス強化が開示される。この第２のタイプのデバイスはバンド端放出デバイスと呼ばれる。バンド端放出は、フォトニック結晶構造体の内部に光が放出されたときに起こる。フォトニック結晶内にエミッタ材料が配されており、そのエミッタ材料が、例えば電圧印加（電気ポンピング）によってまたは光学的なポンピングによって励起されて、その一部がストップバンドと重なるある波長バンドを有する光を放出すると、その光は、そのバンドでフォトニック構造体の中を伝搬することが禁止される。その代わりに、ストップバンドまたはバンドギャップの端に波長を有する光がフォトニック結晶の中へ放出され、次いで、フォトニック結晶構造体の１つまたは複数の表面から現れる。このタイプのデバイスのさまざまな実施形態では、フォトニック結晶を構成するＤＢＲの１つの層の中にエミッタ材料が完全に配される。
【００１７】
フォトニック結晶内にエミッタ材料が導入されており、フォトニック結晶のフォトニックストップバンドがエミッタ材料の放出スペクトルのある部分と重なっている場合には、自由空間では存在するであろう放出モードまたは放出状態が、フォトニック結晶では破壊されると仮定することは魅惑的である。しかしながら、このような放出モードは、フォトニック結晶から排除されるだけ、またはフォトニック結晶内に存在することが禁止されるだけであり、破壊されるのではなく、ストップバンドの端に「積み重なる」と想像することができる。状態密度について言うと、ＥＭＲスペクトル中の周波数間隔当たりの許されうる波の伝搬状態または伝搬モードの数は、ストップバンドの端で大幅に増加する。
【００１８】
前述のとおり、フォトニックバンドギャップ内の光の波長については、自然放出が抑制される。これは、励起状態の原子が自然放出または誘導放出によって脱励起される確率は光子状態密度に比例し、光子状態密度は、所与のモードに関してフォトニックバンドギャップの全体にわたってゼロになるためである。例示のための例として、図４は、フォトニック結晶内に配された放出媒体の状態密度スペクトル４００、およびストップバンドまたはバンドギャップ４０４を有するフォトニック結晶の透過スペクトル４０２を示す。ストップバンドまたはバンドギャップ４０４内では、状態密度がゼロとなり、そのため、バンドギャップ４０４内の周波数、すなわち周波数Ｂと周波数Ｃの間の周波数を有するモードの伝搬が禁止される。このスペクトルと重なって、フォトニック結晶外にある放出性材料の自由空間状態密度スペクトル４１４が示されている。ＥＭＲ周波数に関して、周波数Ｂは、ストップバンド４０４の下限４１０を形成し、周波数Ｃは、ストップバンド４０４の上限４１２を形成する。発光している分子がその周囲に放出する光の量は、光を伝搬するのに使用可能な状態密度に依存するため、状態密度スペクトル４００を有する周囲のフォトニック結晶の中へ放出するエミッタ分子は、周波数Ａと周波数Ｂの間の下範囲４０６内の周波数または周波数Ｃと周波数Ｄの間の上範囲４０８内の周波数においてかなり多くの光子を放出する。さらに、周波数が増大するにつれて下領域４０６内で低下し次いで上領域４０８内で増大する透過率を示す透過率スペクトル４０２から分かるとおり、フォトニック結晶は、バンド端周波数に対して少なくとも部分的に透明であり、したがってバンド端放出がデバイスから出ることを許すという利点を有する。
【００１９】
図４を参照すると、ストップバンド４０４を有するフォトニック結晶内のエミッタ材料によって、ストップバンド４０４内の周波数を有するＥＭＲモードが誘起されると、ストップバンド４０４内のＥＭＲに対する状態密度は抑制され、ゼロに近づく傾向を有し、一方、左から下境界４１０に近づく周波数を有する光モードまたは右から上境界４１２に近づく周波数を有する光モードの状態密度、特に周波数Ａと周波数Ｂの間の下範囲４０６内の周波数を有する光モードおよび周波数Ｃと周波数Ｄの間の上範囲４０８内の周波数を有する光モードの状態密度は大幅に増大する。下範囲４０６内および上範囲４０８内のこれらの放出は、バンド端放出として知られている。図４から分かるように、範囲Ａ〜ＢおよびＣ〜Ｄを超えても、自由空間（例えば４１４）に比べて状態密度は増大しており、したがって、範囲Ａ〜ＢおよびＣ〜Ｄをストップバンドから外側へ変更することができ、依然としてバンド端放出を達成すると言うことができる。
【００２０】
下範囲４０６内の周波数νABを中心とする周波数スペクトルを有するバンド端放出は、波数ｋAB＝（２π／λAB）を有する光モードに対応する波長λAB＝（ｃ／νAB）を中心とする波長スペクトルを有するＥＭＲに対応し、同様に、上範囲４０８内のνCDを中心とする周波数スペクトルを有するバンド端放出は、波数ｋCD＝（２π／λCD）を有する光モードに対応する波長λCD＝（ｃ／νCD）を中心とする波長スペクトルを有するＥＭＲに対応する。次いで、νABを中心とするバンド端放出スペクトルは、ＥAB＝ｈνAB＝ｈ（ｃ／λAB）（ｈはプランク定数）を中心とする統計的エネルギー分布を有する光子からなる。波長λABと等価の周波数νABを有するこれらのデバイス内の光は、ｋABを中心とする小さな波数バンド内に非常に多くのモードを有する。波数ｋABを有するモードは、変化する位相φを有することができる。ＦＥ−ＯＬＥＤデバイスでは、例えば図３の場合のように、全てのモードが、空胴端に固定された節を有し、したがって、許された波数ごとに１つのモードが存在するが、バンド端デバイスでは、同じ波数を有する多くのモードが許される。このことは、デバイス内の位置に対する光子密度のプロットが、後に論じるように、節のないなめらかなものになることを意味する。その結果として、バンド端デバイスでは、フォトニック結晶内のエミッタ層位置の変動の影響がほとんどない。
【００２１】
これらのバンド端モードに対するフォトニック結晶の部分的な透過率のため、これらの波長において放出された光は、バンド端フォトニック結晶を構成する媒体内で増大する。内面反射に起因する媒体内でのこれらの光子の増加と組み合わされた、ストップバンドに隣接する波長における通常よりも高いレベルの光子放出の組合せは、フォトニック結晶媒体のバルクの全体にわたって非常に高い光子密度を生み出す。これらの高い光子密度は、フォトニック結晶に埋め込まれた本質的に全ての励起状態エミッタ分子からのさらなる誘導放出を保証する。１次元フォトニック結晶では、誘導放出光子の伝搬方向が放出表面に対して垂直である。
フォトニック結晶構造体内の仮定された光子分布とエミッタ材料が占有するはるかに小さな容積との間の空間的なミスマッチのために、現在まで、固体バンド端有機発光ダイオード（ｂａｎｄ−ｅｄｇｅ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ：ＢＥ−ＯＬＥＤ）は可能とはなっていないようである。以前に生産されたバンド端レーザの場合と同様に、フォトニック結晶構造体の広がりの全体にわたってエミッタ材料をドープするのでなければ、フォトニック結晶内に伴出された以前の放出光と励起されたエミッタ分子との間の不十分な相互作用が、有用で効率的な発光デバイスを妨げるとされた。
【００２２】
意外にも、単一のフォトニック結晶内の薄い単一の層に埋め込まれたＯＬＥＤを含む新規の発光デバイスは、非レージングバンド端放出発光デバイスとして機能し、かなりの量の放出光を提供する。さらに、このようなデバイスは、従来のＬＥＤ、ＯＬＥＤおよび空胴型ＦＥ−ＯＬＥＤに比べて大幅に増大した効率を提供する。１ワットあたり３００ルーメン程度の光学パワー出力が達成されている。この効率の増大が実現される一方で、生産がより単純であり、熱の発生が少ないという利点もある。開示されたデバイスはさらに、主としてフォトニック結晶のフォトニックストップバンドのバンド端の近くの比較的に狭い周波数範囲に収まる大幅に改良された放出スペクトルを提供する。さらに、これらのデバイスの製造は、結果として生じるデバイスの出力周波数（すなわち放出光の色）を、単一の因子、すなわち屈折率の周期だけを変化させることによって、設計者が容易に微調整することを可能にする。
【００２３】
このことは、選択された波長の高彩度の色を放出するデバイスの製造を可能にする。これが可能になるのは、そのデバイスが比較的に幅の狭い放出スペクトルを有するためである。その結果、バンド端放出を利用して赤、緑、青のピクセルを有するように製造されたフルカラーのＯＬＥＤディスプレイは、ＣＩＥ色空間の幅広い色域を再現することができる。
【００２４】
本発明の強化および特徴ならびに本発明を実施する方法の強化および特徴は、例示的な実施形態の以下の詳細な説明および添付図面を参照することによってより容易に理解することができる。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載された実施形態だけに本発明が限定されると解釈すべきではない。これらの実施形態は、本開示が網羅的かつ完全なものとなるように、また、本開示が、本発明の着想を当業者に十分に伝えるものとなるように提供されるものであり、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその等価物のみによって定義される。したがって、不必要な詳細によって本発明の説明が不明瞭になることがないように、いくつかの実施形態では、周知の構造体およびデバイスが示されない。全体を通じて同様の符号は同様の要素を指す。分かりやすくするため、図面では、層および領域の厚さが誇張されている。
【００２５】
１つの要素もしくは層が別の要素もしくは層「上にある」または別の要素もしくは層「に接続されている」と書かれているとき、その１つの要素もしくは層は、その別の要素もしくは層上に直接にあり、またはその別の要素もしくは層に直接に接続されており、あるいは、間に要素または層が存在してもよい。逆に、１つの要素が別の要素もしくは層「上に直接にある」または別の要素もしくは層「に直接に接続されている」と書かれているときには、間に要素もしくは層は存在しない。本明細書で使用されるとき、用語「および／または」は、挙げられた関連品目のうちの１つまたは複数の品目の全ての組合せを含む。一連の要素の後に続く「〜のうちの少なくとも１つ」などの表現は、その一連の要素の全体を修飾し、その一連の要素の個々の要素を修飾しない。さらに、本発明の実施形態を記述するときの「してもよい（ｍａｙ）」の使用は、「本発明の１つまたは複数の実施形態」に関する。本発明のデバイス実施形態の物理的な構成要素または部分の厚さまたは長さを光の波長に関して論じるとき、この厚さは、そのような構成要素の中を通り抜ける光が、等価の光学的厚さ（すなわち屈折率×物理的厚さ）に遭遇するような態様の厚さである。例えば、屈折率１．１の媒体の中を進む放出光の波長の１／４の光学的厚さに等しい物理的長さは、放出光が６００ｎｍである場合、１５０ｎｍの光学的厚さであり、または、物理的厚さは、光学的厚さを１．１で除したものに等しく、したがって物理的厚さは１３６．３６ｎｍである。当業者なら、説明中の構成要素の機能がこのような等価の厚さをいつ必要とするか、また厚さと光学的厚さは相互に交換可能に使用され得る場合を理解するであろう。
【００２６】
本明細書では、説明をわかり易くするため、図面に示された１つの要素または特徴と別の要素または特徴との関係を記述するのに、「下方（ｂｅｌｏｗ）」、「真下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下（ｌｏｗｅｒ）」、「上方（ａｂｏｖｅ）」、「上（ｕｐｐｅｒ）」などの空間的に相対的な用語が使用されることがある。空間に関するこれらの相対語は、図面に示された向きに加えて、使用または動作におけるデバイスのさまざまな向きを包含することが意図されていることが理解される。
本明細書に記載された実施形態は、本発明の理想的な略図としての平面図および／または断面図に関して説明される。したがって、製造技術および／または許容差に応じてそれらの例示的な図を変更することができる。したがって、本発明の実施形態は、図に示された実施形態だけに限定されるものではなく、製造プロセスに基づいて形成された構成の変更をも含む。したがって、図面に示された領域は概略的なものであり、図面に示された領域の形状は、要素の領域の特定の形状の例であり、本発明の態様を限定しない。
【００２７】
一実施形態では、本明細書に開示されたデバイスが、フォトニック結晶内に配されたエミッタ材料を有する一体型（ｕｎｉｔａｒｙ）フォトニック結晶である。さまざまな実施形態では、エミッタ材料が、ＯＬＥＤのエミッタ層内に位置する。さらに、さまざまな実施形態では、一体型フォトニック結晶がＤＢＲであり、デバイスの中を進む光が実質的に周期的な屈折率プロファイルに遭遇するような態様で配置された、異なる屈折率を有するさまざまな材料の一連の層からなる。この屈折率プロファイルは、図５に示されたものなどの方形波型の周期関数とすることができ、または、別の実施形態では、この屈折率プロファイルが、連続的に変化する実質的に周期的な屈折率である。
【００２８】
ＯＬＥＤは、薄い単一の層として形成することができる。あるいは、フォトニック結晶がＤＢＲである場合には、ＯＬＥＤが単一の層を構成し、または、屈折率が交代する複数の層のうちの１つもしくは複数の層を構成する。このタイプのデバイスでは、ＯＬＥＤの中に一般的に見られるエミッタ層ならびに関連する電荷キャリア輸送層および電荷キャリア阻止層が一緒に結合して、１つまたは複数の活性層または活性ゾーンを形成する。あるいは、これらのＯＬＥＤ構成要素が、適当な屈折率を有する不活性材料の中に含まれ、ＯＬＥＤ構成要素とこの材料とが一体となって、活性層または活性ゾーンを形成する。本明細書で使用されるとき、活性ゾーン、活性層および活性領域は同義語として使用され、一般に、フォトニック結晶の中を特定の方向に進んでいる光が遭遇する屈折率が、その活性領域を含む幾何形状を通過するときに実質的に中断されない実質的に連続的に変化する周期的な屈折率に遭遇することを除いてその幾何形状にかかわりなく、ＯＬＥＤとして機能する態様または構成要素を含むフォトニック結晶の任意の部分を指す。本明細書で使用されるとき、不活性材料は、ＯＬＥＤデバイスの電気的機能に関係しない材料を意味する。活性領域が不活性材料を部分的に含んでもよい。一実施形態では、フォトニック結晶が、１つの層から次の層へ屈折率が交代する（例えば高、低、高、低、高、低など）誘電体層のスタックからなるＤＢＲを構成し、この１つまたは複数の活性層の光学的厚さがλ／４である。λは、フォトニック結晶のストップバンドの中心周波数の波長であり、エミッタ材料を含む活性層の屈折率は、隣接するそれぞれの層の屈折率よりも低い。あるいは、活性ゾーンまたは活性層の屈折率は、隣接するそれぞれの層の屈折率よりも高い。別の実施形態では、互いに隣接した２つの活性ゾーンがあり、一方の活性層の屈折率がもう一方の活性層の屈折率よりも高い。別の実施形態では、３つの活性層があり、１つの活性層がアノードを構成し、１つの活性層が、ＯＬＥＤからＯＬＥＤの電極を除いたものを構成し、１つの活性層がカソードを構成し、アノード層およびカソード層がそれぞれＯＬＥＤ層と隣接している。さらに、フォトニック結晶の全体にわたって追加の活性領域、活性ゾーンまたは活性層が存在してもよい。フォトニック結晶がＤＢＲである場合には、フォトニック結晶のλ／４光学的厚さ特性の高屈折率／低屈折率交代層または高屈折率／低屈折率交代ゾーンのパターンが、活性層を含むデバイススタック全体を通して継続し、したがって、アノードおよびカソードに通電されたときにバンド端で光を放出する単一のフォトニック結晶構造体を形成する。より一般的には、周期的な屈折率の周期性が、発光フォトニック結晶の全体にわたって実質的に中断されない。
【００２９】
これらのデバイスでは、フォトニック結晶構造体内で密度が高まる光子と薄い（好ましくは光学的厚さがλ／４以下の）有機エミッタ材料層との相互作用が、レージングを誘起しないが、それらは、本質的に全ての発光が事実上誘導されることを保証する程度に十分に相互作用する。したがって、この放出は、ディスプレイ用途および照明用途に対して特に有用である。これは、ＢＥ−ＯＬＥＤから放出される光が、スペックル（ｓｐｅｃｋｌｅ）を生じない放出であるためである。スペックルを生じない放出は、可視レーザ光のよく知られているスペックル効果、すなわちレーザ光子の弱め合う干渉によって画面上に生み出される「ソルト・アンド・ペッパー（ｓａｌｔ  ａｎｄ  ｐｅｐｐｅｒ）」効果を生み出さない誘導放出によって生み出される平行光である。
【００３０】
このＯＬＥＤは、その自由空間エレクトロルミネセンス放出がバンド端波長においてかなり高い放射輝度（ｒａｄｉａｎｃｅ）、すなわち、デバイス表面に対して垂直に測定したときに、その材料のピークスペクトルエレクトロルミネセンスにおける放射輝度の好ましくは少なくとも２５％、最も好ましくは少なくとも５０％である放射輝度をもたらすエミッタ材料を含む。言い換えると、有機発光ダイオードの中で利用される発光材料によって放出されたルミネセンス光の測定放射輝度は、その発光表面に対して垂直に測定したエミッタ材料のルミネセンス放出スペクトルのピーク放射輝度の４分の１よりも大きい。言い換えると、自由空間内のエミッタ材料は、フォトニック結晶のバンド端波長に対応する波長の光を相当な量放出する。単純にするため、このことを、エミッタ材料が、バンドギャップの中へ、またはフォトニック結晶のバンド端モードの中へ光を放出すると言う。
【００３１】
開示されたデバイスの特に有利な態様は、デバイス内のエミッタ層の位置が、欠陥モードデバイスの場合ほどには精確である必要がない点である。
【００３２】
以下の議論では、図２および３と図５および６とを比較する。図５には、開示されたＢＥ−ＯＬＥＤデバイスの簡略化されたコンピュータモデルの屈折率プロファイル５１０が示されている。この例で説明するデバイス（図示せず）は、交代する高い屈折率（ｎ2）５２０と低い屈折率（ｎ1）５３０とを有する４３個の層またはゾーンからなる。（この層数は例示だけが目的であり、デバイス層の最適数というわけではない。）ゾーン４は、発光材料を含む層に対応する。この構造体が与えられた場合、ゾーン４のエミッタから、フォトニック結晶構造体内に存在するバンド端光伝搬モード内へ光が放出されると、デバイス内の光強度の分布６１０は図６に示された分布になる。この分布が生じるのは、非常に多数のモードが存在し、それらのモードは多数の波長を有するだけでなく、放出された特定の波長についてデバイス層境界に対する異なる位相関係も有するためである。これは、単一の光伝搬モードがあり、中心層または中心ゾーンの中心に鋭く尖った光強度分布がある図２および図３によって説明したＦＥ−ＯＬＥＤデバイスとは対照的である。図５のゾーン４を含むゾーン１から７を図６の光強度分布６１０上に投影すると、エミッタ層を、ゾーン４のどこに置いても、または、さらに言えばゾーン２から６のどこに置いても、デバイス性能に対する影響はほとんどないことが分かる。これは、これらの２から６のどの領域でも光強度の差がほとんどないためである。
【００３３】
図７は、発光デバイス７００の開示されたさまざまな実施形態の断面を示す。発光デバイス７００は、活性ゾーン７０８を含み、活性ゾーン７０８が層７１０、７１２、７１４（点線によって示されている）を含むフォトニック結晶構造体７０２であって、その非限定的な例がＤＢＲ（図示せず）であるフォトニック結晶構造体７０２と、透過軸７０４と、放出表面７０６と、活性ゾーン７０８とを備える。活性ゾーン７０８は、フォトニック結晶構造体７０２内に配されるかまたはフォトニック結晶構造体７０２内に形成され、有機層７１０、アノード７１２およびカソード７１４をさらに備える。有機層はさらに、有機エレクトロルミネセンス材料を含む副層（ｓｕｂｌａｙｅｒ）（図示せず）と、電荷輸送材料を含む副層（図示せず）とを備える。有機層７１０はさらに、電荷キャリア輸送層、電荷キャリア注入層、電荷キャリア阻止層を構成する１つまたは複数の追加の副層（図示せず）を備えることができる。したがって、有機層７１０は、１つまたは複数の追加のＯＬＥＤ機能層を含むことができることが理解される。層７１０、７１２および７１４は全体としてＯＬＥＤを構成することが理解される。理解されるとおり、アノード７１２およびカソード７１４をそれぞれ単一の電極とすることができ、あるいは、多数の電極層（図示せず）をさらに含むこともできる。活性ゾーン７０８は、フォトニック構造体の透過軸７０４に沿った周期的に変化する屈折率７５０が中断されないような態様で、または実質的に中断されないような態様で形成される。
【００３４】
有機層７１０は、周期的な屈折率７５０によって生み出されたストップバンドによってフォトニック構造体内で禁止された中心波長に対応する単一の波長の約１／４の最大光学的厚さを有することが好ましい（ここでは、周期的な屈折率が正弦曲線として示されているが、周期的な屈折率は、方形波に近くもしくは実質的に方形波であってもよく、または実質的に周期的に変化する他の屈折率であってもよい）。特定の実施形態に対して１／４波長の光学的厚さが非実用的である場合には、有機層７１０の光学的厚さを、ストップバンドの中心波長の約３／４にしてもよい。例えば、層７１０、７１２および７１４のそれぞれの光学的厚さはストップバンドの中心波長の約１／４である。アノード７１２およびカソード７１４を横切って与えられた電位によって活性化されたとき、有機エミッタ分子は励起され、フォトニック結晶のバンド端モード内へ光子が放出される。その結果として、バンド端放出に対応する、例えば図４のバンド４０６または４０８内の波長の可視光７１６が放出表面７０６から放出される。透過軸７０４に対して平行な誘導放出を最大にするため、有機層７１０内の有機エミッタ材料の分子は空間的に配向していることが好ましい。理解されるとおり、適正に形成されたとき、デバイス７００は、ストップバンドを有するフォトニック構造体を含み、デバイス７００の状態密度スペクトルおよび透過率スペクトルは図４に示されたものと同様になる。
【００３５】
さまざまな実施形態において、活性ゾーン７０８は、アノード層７１２およびカソード層７１４の屈折率よりも低い屈折率を有する有機層７１０を備え、アノード層およびカソード層の屈折率は、フォトニック構造体の隣接する部分よりも高い。さまざまな実施形態において、アノードおよびカソードは有機層７１０の両側に隣接し、アノードおよびカソードはそれぞれ、ストップバンドの中心波長の１／４波長に等しい厚さを有し、発光材料の副層を備える有機層７１０は、ストップバンドの中心波長の１／４波長に等しい厚さを有し、アノード層およびカソード層の屈折率よりも低い屈折率を有する。
【００３６】
図７はさらに、開示された発光デバイス７２０の他のさまざまな実施形態を示す。デバイス７００と同様に、デバイス７２０は、層７３２、７２８および７３４（点線によって示されている）を含むフォトニック結晶構造体７２２であって、その非限定的な例が例えばＤＢＲであるフォトニック結晶構造体７２２と、透過軸７２４と、放出表面７２６と、活性ゾーン７２８とを備える。活性ゾーン７２８は、フォトニック構造体７２２内に配されるかまたはフォトニック構造体７２２内に形成され、有機層７３０をさらに備える。フォトニック構造体７２０はさらに、２つの追加の活性ゾーン７３２および７３４を含み、活性ゾーン７３２および７３４はそれぞれ、中心波長の１／４波長に等しい厚さを有することができ、それぞれアノード層７３２およびカソード層７３４を構成する。有機層７３０は有機エミッタ材料を含む。有機層７３０はさらに、電荷キャリア層および電荷注入層（図示せず）などの追加のＯＬＥＤ機能層を含むことができる。有機層７３０はさらに、サマリウムと銀の５０：５０混合物から形成された非常に薄い１つまたは複数の金属層、例えば０．５ｎｍの第１のカソード層（図示せず）、または非常に薄い電荷注入層を備えることができ、これらの層は、比較的に低い屈折率を有する材料から形成することができる。理解されるように、アノード７３２およびカソード７３４をそれぞれ単一の電極とすることもでき、あるいは、多数の電極層（図示せず）をさらに含むこともできる。アノード層７３２またはカソード層７３４内に、それらのそれぞれの屈折率に応じて、１つまたは複数のＯＬＥＤ機能層を配置することができることが理解される。活性ゾーン７２８は、フォトニック構造体の透過軸７２４に沿って周期的に変化する屈折率７５０が中断されないような態様で形成される。活性ゾーン７２８は、周期的な屈折率７５０によって生み出されたストップバンドによってフォトニック構造体内で禁止された中心モードに対応する単一の波長の約１／４の厚さを有することが好ましい。７００と７２０の間の１つの物理的な違いは、活性ゾーン７２８が、フォトニック構造体の２つの次元（すなわち図７に示された断面を水平に横切る次元と図７の紙面に対して垂直な次元）の全体にわたって平面的に広がっているのに対して、活性ゾーン７０８は、フォトニック構造体によって完全に囲われている（これがデバイス７００の境界まで達していない７０８の点線によって表されている）点である。したがって、活性ゾーンは層である必要はなく、より一般的には、活性ゾーンを、フォトニック結晶の水平に広がった小さな領域に限定されたゾーンとすることができることが理解される。有機エミッタ材料を含むゾーンは、フォトニック結晶全体の垂直方向の光学的厚さの１０％未満を占める領域内に限定または局限されていることが好ましい。活性ゾーンは、この好ましい厚さよりも薄くし、または好ましい厚さよりも厚くすることができることが理解される。エミッタ材料を、フォトニック結晶７２０の垂直厚さの１０％以下を占める単一の層に局限することができることが理解される。
【００３７】
開示されたさまざまな実施形態において、発光デバイス７２０は、真空蒸着させた１１個以上の層を備えるフォトニック結晶である。これらの１１個の層は、低−高−低−高−低−高のパターンの交代する屈折率を有する最初の４つ以上の誘電体材料層、それ続くアノードを構成する第５の層、有機エミッタ材料（またはＯＬＥＤから電極を除いたもの）を構成する第６の層、カソードを構成する第７の層、および、高−低−高−低−高−低のパターンの交代する屈折率を有する最後の４つ以上の追加の誘電体材料層とすることができる。これらの層はそれぞれ実質的に同じ光学的厚さを有する。開示されたさまざまな実施形態において、ＯＬＥＤを構成する第５、第６および第７の層はさらに、正孔注入層、正孔輸送層、エミッタ層、電子輸送層および電子注入層などのさまざまな副層を備える。別の実施形態では、最初の４つの層の代わりに、交代する高低の屈折率を有する真空蒸着させた６つもしくはことによると８つの層が使用され、または最後の４つの層の代わりに、交代する高低の屈折率を有する真空蒸着させた６つもしくはことによると８つの層が使用される。本発明から逸脱することなく、交代する高低の屈折率を有する層の追加の層を組み込むことができることが理解される。開示されたさまざまな実施形態において、この例示的なデバイス、例えば７２０は基板７６２上に形成され、基板７６２は、例えばガラスまたはプラスチックなどの誘電体材料を含むことができる。
【００３８】
本明細書に開示されたデバイスのさまざまな態様は、スパッタリング技法もしくは真空蒸着技法、または当業者によって理解される他の同種の技法を使用して形成することができる。デバイスは、これらの技法の組合せを使用して形成することもできる。さまざまな実施形態において、バンド端型の強化されたＯＬＥＤは、図７に示されたどちらかの構造を有することができる。図７に示された例は一定の尺度では描かれていないことに留意されたい。この例示的な実施形態では、厚さが、おおよその厚さであることにも留意されたい。例えば１５９ｎｍは１５９ｎｍであることが好ましいが、以下の例の構成層を形成するために使用される技術の限界を考えると、わずかに異なってもよい。このデバイスは寛容であるため、小さい変動は性能に大きな影響を与えない−変動に対してはるかに敏感である空胴型デバイス（例えばＦＥ−ＯＬＥＤ）に勝るもうひとつの改良点である。フォトニック結晶７２０の構造の非限定的な例は、以下の例示的な実施形態に従って形成することができる。
【００３９】
好ましい一実施形態では、フォトニック構造体７２２がフォトニック結晶を構成する。フォトニック構造体７２２を形成するためには、例えば、それぞれの層が１５９ｎｍの光学的厚さを有する、交代する（互いに対して）高低の屈折率を有する誘電体材料層の連続する２つの対を、透明基板７６２上に形成することができる。それぞれの対は、ＴｉＯ2を含む高屈折率層と、ＳｉＯ2を含むことができる低屈折率層とを含むことができる。代替の低屈折率層の非限定的な例は、ＬｉＦまたはＭｇＦ2から形成することができる。代替の高屈折率層の非限定的な例は、Ｎｂ2Ｏ5から形成することができる。このような場合の高屈折率層は、基板７６２に隣接して、または基板７６２上に形成されることになる。基板７６２は、比較的に低い屈折率を有するガラスまたはプラスチックなどの誘電体材料を含む。次いで、この高屈折率層に隣接して、低屈折率層を形成する。それぞれの対は、低屈折率層に隣接してまたは低屈折率層の上に高屈折率層が形成されるような態様で、直前の対の上に形成される。したがって、例えば、フォトニック結晶７２２は、基板７６２上に、最初に、７１．７ｎｍの１つのＴｉＯ2層（測定された屈折率２．２１８に基づけば光学的厚さは１５９ｎｍである）をスパッタリングし、次いで、１０８．８ｎｍの１つのＳｉＯ2層（測定された屈折率１．４６２に基づけば光学的厚さは１５９ｎｍである）をスパッタリングし、これらのステップをさらに２回繰り返すことによって、この中間成果物の一番上の層が低い屈折率を有するような態様で、形成することができる。
【００４０】
この中間成果物の後、アノード７３２を形成することができる。アノード７３２は例えば、厚さ７９．２ｎｍのＩｎ2Ｏ3ＺｎＯ層（酸化インジウム亜鉛、ＩＺＯ、９０：１０）（測定された屈折率２．００８に基づけば光学的厚さは１５９ｎｍである）を備える透明な無機半導体アノードとすることができる。あるいは、ＩＺＯの代わりに、Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2（酸化インジウムスズ、ＩＴＯ）を使用することもできる。青色光を放出することが予定されたデバイスでは、酸化ガリウムインジウムスズなどの三元酸化物を使用することができる。これは、この材料が、代替材料よりも良好な青色光に対する透過率を有しうるからである。このアノード７３２の後、例えばＯＬＥＤ（電極を除く）を構成するさまざまな有機材料および低屈折率材料を含む光学的厚さ１５９ｎｍの活性層７２８を、活性層７２８の屈折率がアノード７３２の屈折率よりも低くなるような態様で形成することができる。
【００４１】
直前の例を続けると、活性ゾーン７２８は例えば、さまざまな構成副層の熱蒸着によって形成することができ、このさまざまな構成副層は、正孔輸送材料として機能するＮ，Ｎ’−ビス（ナフタレン（ｎａｐｈｔａｌｅｎ）−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ビス（フェニル）−ベンジジン（ＮＰＢ）の層（物理的厚さは例えば３１．８ｎｍである。これは、測定された屈折率１．８３１に基づけば光学的厚さ６５．６ｎｍに相当する）、および電子輸送材料と放出性材料の両方として機能するトリス−（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム（Ａｌｑ３）の層（物理的厚さは例えば４７．８ｎｍである。これは、測定された屈折率１．７２４に基づけば光学的厚さ９２．３ｎｍに相当する）を含むことができる。したがって、フォトニック構造体７２２の活性ゾーン７２８は有機層７３０を含む。この例示的な実施形態の活性ゾーン７２８に関する２つの制約条件は、活性ゾーン７２８が約１５９ｎｍの光学的厚さを有すること、および構成層の屈折率がそれぞれアノード層７３２の屈折率よりも低いことである。活性ゾーン７２８の必要な厚さを達成するのに必要な場合には、１つまたは複数の追加の機能層（例えばカソードの金属層および電子注入層）または非機能層がスペーサの働きをしてもよい。この中間成果物が完成した後、フォトニック構造体７２２は、比較的に低い屈折率を有する基板と、交代する高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層とからなる交代する３つの対と、高屈折率のアノード層と、低屈折率の活性ゾーンとを備え、この中間成果物のそれぞれの層の光学的厚さは約１５９ｎｍである。任意選択で、Ａｌｑ３層上に、物理的厚さが０．５ｎｍのフッ化リチウムの電子注入層（図示せず）（屈折率１．２９４に基づけば光学的厚さは０．６ｎｍである）を、真空熱蒸着によって形成することができる。この比較的に低屈折率の薄層の光学的厚さは合計で０．６ｎｍである。
【００４２】
直前の例を続けると、フッ化リチウムの上に、サマリウムと銀の５０：５０混合物から真空熱蒸着によって形成された０．５ｎｍの第１のカソード層（図示せず）を付着させることができる。この層の光学的厚さは０．５ｎｍであり、したがって、フォトニック結晶の屈折率プロファイルに対するこの層の影響は無視することができ、この層は、活性層７２８の部分または第２のカソード層７３４の部分とみなすことができる。この第１のカソード層上に第２のカソード層、例えば７３４を形成することができる。第２のカソード層７３４の光学的厚さは約１５９ｎｍである。第２のカソード層７３４は、スパッタリングされたＩＺＯまたは他の透明導電性酸化物から製造することができる。第２のカソード層７３４は、活性ゾーン７２８を構成する材料と比較したときに比較的に高い屈折率を有し、また、ＳｉＯ2またはその代替材料と比較したときにも高い屈折率を有する。
【００４３】
このカソード層の後、交代する高低の屈折率を有する誘電体材料層の連続する２つの対を形成することができる。それぞれの層の厚さは約１５０ｎｍである。それぞれの対は、ＳｉＯ2を含むことができる低屈折率層と、ＴｉＯ2を含む高屈折率層とを含むことができる。前述のとおり、代替の低屈折率層の非限定的な例は、ＬｉＦまたはＭｇＦ2から形成することができる。代替の高屈折率層の非限定的な例は、Ｎｂ2Ｏ5から形成することができる。このような場合の低屈折率層は、比較的に高い屈折率を有するカソード層７３４に隣接して、またはカソード層７３４の上に形成されることになる。それぞれの対は、低屈折率層に隣接してまたは低屈折率層の上に高屈折率層が形成されるような態様で、直前の対の上に形成される。したがって、例えば、フォトニック結晶７２２は、カソード層７３４上に、１５９ｎｍの１つのＳｉＯ2層をスパッタリングし、次いで、１５９ｎｍの１つのＮｂ2Ｏ5層をスパッタリングし、これをもう１回繰り返すことによって、この最終成果物が、一番上の層が高い屈折率を有する単一のフォトニック結晶７２２を構成するような態様で、形成し続けることができる。このフォトニック結晶内のエミッタ材料は、デバイスの光学的厚さの全体の１０％未満である領域に限定さていることが理解される。
【００４４】
例示的な他の代替実施形態では、代わりに、例示的なフォトニック結晶、例えば７２０を以下のように形成する。ガラスまたはプラスチックを含む透明基板７６２から開始する。前述の実施形態と同様に、それぞれの層が１４７．５ｎｍの光学的厚さを有する、交代する（互いに対して）高低の屈折率を有する誘電体材料層の連続する３つの対を、基板上に形成することができる。それぞれの対は、Ｎｂ2Ｏ5を含む高屈折率層と、ＳｉＯ2を含むことができる低屈折率層とを含むことができる。代替の低屈折率層の非限定的な例は、ＬｉＦまたはＭｇＦ2から形成することができる。代替の高屈折率層の非限定的な例は、ＴｉＯ2から形成することができる。このような場合の高屈折率層は、基板に隣接して形成することができる。基板は、比較的に低い屈折率を有するガラスまたはプラスチックを含む。それぞれの対は、低屈折率層に隣接してまたは低屈折率層の上に高屈折率層が形成されるような態様で、直前の対の上に形成される。したがって、例えば、フォトニック結晶７２２は、基板７６２上に、最初に、８２．２ｎｍの１つのＮｂ2Ｏ5層（測定された屈折率１．７９５に基づけば光学的厚さは１４７．５ｎｍである）をスパッタリングし、次いで、１０１．２ｎｍの１つのＳｉＯ2層（測定された屈折率１．４５７に基づけば光学的厚さは１４７．５ｎｍである）をスパッタリングし、これをさらに２回繰り返すことによって、この中間成果物の一番上の層が低い屈折率を有するような態様で、形成することができる。
【００４５】
前述の直前の実施形態と同様に、この中間成果物の後、アノード７３２を形成することができる。アノード７３２は例えば、厚さ７３．５ｎｍのＩｎ2Ｏ3−ＺｎＯ層（酸化インジウム亜鉛、ＩＺＯ）（測定された屈折率２．００８に基づけば光学的厚さは１４７．５ｎｍである）を備える透明な無機半導体アノードとすることができる。あるいは、アノード７３２は、ＺｎＯ2を約１０％、Ｉｎ2Ｏ3を約９０％含む光学的厚さ１４７．５ｎｍの層を備えることもできる。このアノード７３２の後、例えばＯＬＥＤを構成するさまざまな有機材料および他の低屈折率材料を含む、全光学的厚さが１４７．５ｎｍの活性層７２８を、活性層７２８の屈折率がアノード７３２の屈折率よりも低くなるような態様で形成することができる。
【００４６】
直前の例を続けると、活性ゾーン７２８は例えば、さまざまな構成層の熱蒸着によって形成することができ、この場合、このさまざまな構成層は、正孔注入層として機能する厚さ２．０ｎｍの銅フタロシアニン（ＣｕＰＣ）の熱蒸着層（屈折率１．３１８に基づけば光学的厚さは２．６ｎｍである）または代替してジピラジノ［２，３−ｆ：２’，３’−ｈ］キノキサリン−２，３．６，７，１０，１１−ヘキサカルボニトリル（ＨＡＴ−ＣＮ）の熱蒸着層、続いて、正孔輸送層として機能する厚さ３５．０ｎｍの４，４’−ビス（９−カルバゾリル）−１，１’−ビフェニル（ＣＢＰ）の熱蒸着層（屈折率１．８４０に基づけば光学的厚さは６４．４ｎｍである）、放出性材料として機能する、８％ビス［２−（２−ピリジニル−Ｎ）フェニル−Ｃ］（アセチルアセトナト）イリジウム（ＩＩＩ）（Ｉｒ（ｐｐｙ）2（ａｃａｃ））でドープされた、厚さ１５．０ｎｍのＣＢＰの熱蒸着層（屈折率１．８３１に基づけば光学的厚さは２７．５ｎｍである）、電子輸送層として機能する厚さ２９．３ｎｍの２，２’，２”−（１，３，５−ベンジントリイル−トリス（１−フェニル−１−Ｈ−ベンゾイミダール（ｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌ）（ＴＰＢｉ）の層（屈折率１．７３６に基づけば光学的厚さは５０．８ｎｍである）、および電子注入層として機能する１．０ｎｍの８−ヒドロキシキノラトリチウム（Ｌｉｑ）の層（屈折率１．７に基づけば光学的厚さは１．７ｎｍである）を（好ましくはこの順番で）含むことができる。したがって、活性ゾーン７２８は有機層７３０を含む。この例示的な実施形態の活性ゾーン７２８に関する２つの制約条件は、活性ゾーン７２８が約１４７．５ｎｍの厚さを有すること、および構成層の屈折率がそれぞれアノード層７３２の屈折率よりも低いことである。活性ゾーン７２８の必要な厚さを達成するのに必要な場合には、１つまたは複数の追加の機能層（例えばカソードの金属層および電子注入層）または非機能層がスペーサの働きをしてもよい。この中間成果物が完成した後、フォトニック構造体７２２は、比較的に低い屈折率を有する基板と、交代する高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層とからなる交代する３つの対と、高屈折率のアノード層と、低屈折率の活性ゾーンとを備え、この中間成果物のそれぞれの層の厚さは約１４７．５ｎｍである。さらに、この例ではそれぞれＣｕＰＣおよびＣＢＰを含む正孔注入層および正孔輸送層の代わりに、電子阻止特性を有する正孔輸送材料であるＮ，Ｎ’−ビス（１ナフタレニル）−Ｎ，Ｎ’−ビスフェニル（１，１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン（ＮＢＰ）の１つの層を使用してもよい。
【００４７】
直前の例を続けると、８−ヒドロキシキノラトリチウムの上に、サマリウムと銀の５０：５０混合物から真空熱蒸着によって形成された０．５ｎｍの第１のカソード層（図示せず）を付着させることができる。この層の光学的厚さは０．５ｎｍである。この第１のカソード層上に第２のカソード層、例えば７３４を形成することができる。第２のカソード層７３４の光学的厚さは約１４７．５ｎｍである。第２のカソード層７３４は、スパッタリングされたＩＺＯまたは他の透明導電性酸化物から製造することができる。第２のカソード層７３４は、活性ゾーン７２８を構成する材料と比較したときに比較的に高い屈折率を有し、また、ＳｉＯ2またはその代替材料と比較したときにも高い屈折率を有する。
【００４８】
このカソード層の後、交代する高低の屈折率を有する誘電体材料層の連続する３つの対を付着させることができる。それぞれの層の光学的厚さは約１４７．５ｎｍである。それぞれの対は、ＳｉＯ2を含むことができる低屈折率層と、Ｎｂ2Ｏ5を含む高屈折率層とを含むことができる。前述のとおり、代替の低屈折率層の非限定的な例は、石英、ＬｉＦまたはＭｇＦ2から形成することができる。代替の高屈折率層の非限定的な例は、ＴｉＯ2から形成することができる。このような場合の低屈折率層は、比較的に高い屈折率を有するカソード層７３４に隣接して、またはカソード層７３４の上に形成されることになる。それぞれの対は、低屈折率層に隣接してまたは低屈折率層の上に高屈折率層が形成されるような態様で、直前の対の上に形成される。したがって、例えば、フォトニック結晶７２２は、カソード層７３４上に、約１４７．５ｎｍの１つのＳｉＯ2層をスパッタリングし、次いで、約１４７．５ｎｍの１つのＮｂ2Ｏ5層をスパッタリングし、これをさらに２回繰り返すことによって、この最終成果物が、一番上の層が高い屈折率を有する単一のフォトニック結晶７２２を構成するような態様で、続けることができる。
【００４９】
例示的な他の代替実施形態では、代わりに、例示的なフォトニック結晶、例えば７２０を以下のように形成する。ガラスまたはプラスチックを含む透明基板７６２から開始する。それぞれの層が１６２ｎｍの光学的厚さを有する、交代する（互いに対して）高低の屈折率を有する誘電体材料層の連続する２つの対を、基板上に形成することができる。それぞれの対は、ＴｉＯ2を含む高屈折率層と、ＳｉＯ2を含むことができる低屈折率層とを含むことができる。代替の低屈折率層の非限定的な例は、ＬｉＦまたはＭｇＦ2から形成することができる。代替の高屈折率層の非限定的な例は、Ｎｂ2Ｏ5から形成することができる。このような場合の高屈折率層は、基板に隣接して形成することができる。基板は、比較的に低い屈折率を有するガラスまたはプラスチックを含む。それぞれの対は、低屈折率層に隣接してまたは低屈折率層の上に高屈折率層が形成されるような態様で、直前の対の上に形成される。したがって、例えば、フォトニック結晶７２２は、基板７６２上に、最初に、７３．４ｎｍの１つのＴｉＯ2層（測定された屈折率２．２０６に基づけば光学的厚さは１６２ｎｍである）をスパッタリングし、次いで、１１０．７ｎｍの１つのＳｉＯ2層（測定された屈折率１．４６３に基づけば光学的厚さは１６２ｎｍである）をスパッタリングし、これをもう１回繰り返すことによって、この中間成果物の一番上の層が低い屈折率を有するような態様で、形成することができる。
【００５０】
前述の直前の実施形態と同様に、この中間成果物の後、アノード７３２を形成することができる。アノード７３２は例えば、厚さ８２．４ｎｍのＩｎ2Ｏ3−ＺｎＯ層（酸化インジウム亜鉛、ＩＺＯ）（測定された屈折率１．９６６に基づけば光学的厚さは１６２ｎｍである）を備える透明な無機半導体アノードとすることができる。あるいは、アノード７３２は、ＺｎＯ2を約１０％、Ｉｎ2Ｏ3を約９０％含む光学的厚さ１６２ｎｍの層を備えることもできる。このアノード７３２の後、例えばＯＬＥＤを構成するさまざまな有機材料および他の低屈折率材料を含む、全光学的厚さが１６２ｎｍの活性層７２８を、活性層７２８の屈折率がアノード７３２の屈折率よりも低くなるような態様で形成することができる。
【００５１】
直前の例を続けると、活性ゾーン７２８は例えば、さまざまな構成層の熱蒸着によって形成することができ、この場合、このさまざまな構成層は、正孔注入／正孔輸送層として機能するＮ，Ｎ’−ビス（ナフタレン（３２ａｐｈｔａｌｅｎｅ）−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ビス（フェニル）−ベンジジン（ＮＰＢ）の熱蒸着層（物理的厚さは例えば２０ｎｍである。これは、測定された屈折率１．７４８に基づけば光学的厚さ３５ｎｍに相当する）、続いて、三重項（ｔｒｉｐｌｅｔ）阻止材料として機能する、厚さ５．０ｎｍの４，４’，４”−トリ（Ｎ−カルバゾイル）トリフェニルアミン（ＴｃＴａ）の熱蒸着層（屈折率１．８０７に基づけば光学的厚さは９．０ｎｍである）、放出性材料として機能する、１０％ビス（２−フェニルベンゾチアゾラト）（アセチルアセトナト）イリジウム（ＩＩＩ）（Ｉｒ（ｂｔ）2（ａｃａｃ）でドープされた、厚さ１５．０ｎｍの９−（３−（３，５−ジ（ピリジン−２−イル）−１Ｈ−１，２，４−トリアゾル−１−イル）フェニル−９Ｈ−カルバゾール（ｍ−ＣＢＴＺ）の熱蒸着層（屈折率１．９３５に基づけば光学的厚さは２９．０ｎｍである）、電子輸送層として機能する厚さ５１．４ｎｍのＴＰＢｉ層（屈折率１．７０８に基づけば光学的厚さは８７．８ｎｍである）、および電子注入層として機能する０．５ｎｍのフッ化リチウム層（屈折率１．３９１に基づけば光学的厚さは０．７ｎｍである）を含むことができる。したがって、活性ゾーン７２８は有機層７３０を含む。この例示的な実施形態の活性ゾーン７２８に関する２つの制約条件は、活性ゾーン７２８が約１６２ｎｍの厚さを有すること、および構成層の屈折率がそれぞれアノード層７３２の屈折率よりも低いことである。活性ゾーン７２８の必要な厚さを達成するのに必要な場合には、１つまたは複数の追加の機能層（例えばカソードの金属層および電子注入層）または非機能層がスペーサの働きをしてもよい。この中間成果物が完了した後、フォトニック構造体７２２は、比較的に低い屈折率を有する基板と、交代する高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層とからなる交代する２つの対と、高屈折率のアノード層と、低屈折率の活性ゾーンとを備え、この中間成果物のそれぞれの層の厚さは約１６２ｎｍである。
【００５２】
直前の例を続けると、フッ化リチウムの上に、サマリウムと銀の５０：５０混合物から真空熱蒸着によって形成された０．５ｎｍの第１のカソード層（図示せず）を付着させることができる。この層の光学的厚さは０．５ｎｍである。この第１のカソード層上に第２のカソード層、例えば７３４を形成することができる。第２のカソード層７３４の光学的厚さは約１６２ｎｍである。第２のカソード層７３４は、スパッタリングされたＩＺＯまたは他の透明導電性酸化物から製造することができる。第２のカソード層７３４は、活性ゾーン７２８を構成する材料と比較したときに比較的に高い屈折率を有し、また、ＳｉＯ2またはその代替材料と比較したときにも高い屈折率を有する。
【００５３】
このカソード層の後、交代する高低の屈折率を有する誘電体材料層の連続する３つの対を付着させることができる。それぞれの層の光学的厚さは約１６２ｎｍである。それぞれの対は、ＳｉＯ2を含むことができる低屈折率層と、ＴｉＯ2を含む高屈折率層とを含むことができる。前述のとおり、代替の低屈折率層の非限定的な例は、ＬｉＦまたはＭｇＦ2から形成することができる。代替の高屈折率層の非限定的な例は、Ｎｂ2Ｏ5から形成することができる。このような場合の低屈折率層は、比較的に高い屈折率を有するカソード層７３４に隣接して、またはカソード層７３４の上に形成されることになる。それぞれの対は、低屈折率層に隣接してまたは低屈折率層の上に高屈折率層が形成されるような態様で、直前の対の上に形成される。したがって、例えば、フォトニック結晶７２２は、カソード層７３４上に、約１６２ｎｍの１つのＳｉＯ2層をスパッタリングし、次いで、約１６２ｎｍの１つのＮｂ2Ｏ5層をスパッタリングし、これをさらに２回繰り返すことによって、この最終成果物が、一番上の層が高い屈折率を有する単一のフォトニック結晶７２２を構成するような態様で、続けることができる。
【００５４】
上に開示された例示的な実施形態では、フォトニック結晶７２２のそれぞれの「端面」または表面７２６から、透過軸７３６に対してほぼ平行に光が放出されることを当業者は理解する。１つの端面だけから放出するようにデバイスを構成するためには、鏡または反射器を１つの端面に置く必要がある。金属鏡を使用するときには、金属表面からの反射時に生じる位相シフトに対するアロワンス（ａｌｌｏｗａｎｃｅ）を、例えば隣接層の厚さを厚くすることによって講じるべきである。あるいは、デバイスの一端における高屈折率／低屈折率誘電体対の数を、その対応するそれぞれの端から光が放出されなくなるまで、またはその対応するそれぞれの端からごくわずかな光しか放出されなくなるまで単純に増やすとは、当業者の技能の範囲に含まれる。
【００５５】
金属カソード、さまざまな層境界、および未知のまたは制御不能の屈折率変動に起因する光の位相の小さな変化によって、さまざまな構成要素の厚さの調整が必要となることを当業者は理解する。これらの変動は確定的に起こるものであり、したがって、選択された材料が与えられれば、ＴＢＰ層などの１つまたは複数の層の厚さを調整して、これらの小さな変動を補正することができる。さらに、ＩＴＯおよびＩＺＯをスパッタリングするときには、これらの材料内で屈折率の変動が起こる。適切な光学的厚さを達成するため、この変動を、物理的厚さを調整することによって考慮することもできる。
【００５６】
本発明のデバイスのフォトニック結晶構造体から放出された光は、デバイスの平面に対して垂直な方向に（透過軸７０４に対して平行に）伝搬する。したがって、この光に関連した電界ベクトル（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｖｅｃｔｏｒ）の向きは全て、デバイスの平面に対して平行である。これは、この光が、実質的にデバイスの平面内の成分を有する遷移モーメントを有する励起状態分子からの放出だけを誘導することを意味する。したがって、遷移モーメントがデバイスの平面に対して実質的に直角である分子を励起するために使用されたエネルギーは、平面内発光または非放射性緩和機構に向けられて失われる。そのため、デバイスの平面内の放出性ドーパントの遷移モーメントを異方性ホストが優先的に配向させるホスト−ドーパント混合物が好ましい。一例は、Ｉｒ（ｐｐｙ）2（ａｃａｃ）でドープされたＣＢＰである。
【００５７】
他のさまざまな態様は異なる層構成を有することができることも当業者は理解する。開示されたデバイス８００のさまざまな追加の実施形態が図８に示されている。示された実施形態は、バンドギャップを有するフォトニック結晶であって、周期的に変化する屈折率を生み出すことができる交代する高屈折率誘電体材料と低屈折率誘電体材料とから形成することができるフォトニック結晶と、その自由空間エレクトロルミネセンス放出がバンド端波長においてかなり高い放射輝度、すなわち、デバイス表面に対して垂直に測定したときに、その材料のピークスペクトルエレクトロルミネセンスにおける放射輝度の好ましくは少なくとも２５％、最も好ましくは少なくとも５０％である放射輝度をもたらすエミッタ材料を含むＯＬＥＤとを備えることができる。言い換えると、有機発光ダイオードの中で利用される発光材料によって放出されたルミネセンス光の測定放射輝度は、その発光表面に対して垂直に測定したエミッタ材料のルミネセンス放出スペクトルのピーク放射輝度の４分の１よりも大きい。このデバイスは、３つの副構造体（ｓｕｂ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を備える。すなわち、フォトニック結晶構造体の第１の部分８１０、低屈折率の中心ゾーン（以後、中心低屈折率ゾーン）８１２、およびフォトニック結晶構造体の第２の部分８１４である。「部分」と言うとき、この語は、単一の一体型フォトニック結晶であるように形成された８００の構成要素の記述を容易にするための決まりとして使用されている。これらの３つの副構造体の他に、図８によって記載されたデバイスはさらに、透明なアノード８２２、低仕事関数の金属からなる薄い第１のカソード層８３４、および第２の透明なカソード層８３６を備えることができる。透明なアノード８２２は、酸化インジウムスズまたは酸化インジウム亜鉛などの適当な透明導電性材料から製造することができる。第１のカソード層は、低仕事関数の適当な金属の薄い透明な膜から、例えばアルミニウム、マグネシウム／銀合金、銀／希土類合金または純粋な希土類金属、例えばサマリウムもしくはイッテルビウムの薄い透明な膜から、製造することができる。第２のカソード層８３６は、酸化インジウムスズなどの適当な透明導電性材料から製造することができる。例えば８３４の材料と８３６の材料とが互いに両立しない場合には、任意選択で、層８３４と層８３６の間に第２の金属層を挿入してもよい。
【００５８】
フォトニック結晶構造体の第１の部分８１０は、多数の（この非限定的な例では５つだが、６つ以上または４つ以下とすることもできる）層対８１６を含むことができる。これらの層対はそれぞれ、透明な高屈折率材料の層８１８と透明な低屈折率材料の層８２０とからなる。層対８１６を構成する層はそれぞれ、フォトニック結晶副構造体８１０のストップバンドの中心波長の４分の１に等しい光学的厚さを有する。光学的厚さは、その層の物理的厚さにその層の屈折率を乗じたものに等しい。フォトニック結晶構造体の第２の部分８１４は、多数の（この非限定的な例では５つだが、６つ以上または４つ以下とすることもできる）層対８３８を含むことができる。これらの層対はそれぞれ、透明な低屈折率材料の層８４０と透明な高屈折率材料の層８４２とを含むことができる。層対８３８を構成する層はそれぞれ、フォトニック結晶副構造体８１４のストップバンドの中心波長の約４分の１に等しい光学的厚さを有し、フォトニック結晶副構造体８１４のストップバンドは、フォトニック結晶副構造体８１０のストップバンドに等しい。
【００５９】
中心低屈折率ゾーン８１２は、正孔注入層８２４、正孔輸送層８２６、エミッタ層８２８、電子輸送層８３０および電子注入層８３２を含むことができる。中心低屈折率ゾーン８１２に含まれる層は全て、電極８２２および８３６の屈折率よりも低い屈折率を有し、ゾーン８１２に含まれる全ての層の全光学的厚さは、フォトニック結晶副構造体８１０および８１４のストップバンドの中心波長の４分の１に等しい。さまざまな実施形態において、エミッタ層８２８は、放出スペクトルおよび吸収スペクトルを有するエミッタ材料を含み、バンドギャップは、（デバイスのそれぞれの層の光学的厚さを変更することによって、または、より一般的には、周期的屈折率プロファイルの空間周期の物理的長さを変更することによって、）デバイス表面に対して垂直に測定したバンドギャップのバンド端におけるバンド端発光のピーク放射輝度波長が、エミッタ材料の自由空間発光が好ましくはエミッタのピーク放射輝度の１／４よりも大きい波長、最も好ましくはエミッタのピーク放射輝度の１／２よりも大きい波長であるような態様で調整される。その自由空間エレクトロルミネセンス放出がバンド端波長においてかなり高い放射輝度、すなわちその材料のピークスペクトルエレクトロルミネセンスにおける放射輝度の好ましくは少なくとも２５％、最も好ましくは少なくとも５０％である放射輝度をもたらすエミッタ材料。
【００６０】
電極層８２２および８３６は、中心低屈折率ゾーン８１２内の材料よりも高い屈折率を有することができるだけでなく、隣接するそれぞれの層８２０および８４０よりも高い屈折率を有することができる。電極層８２２および８３６はさらに、フォトニック結晶副構造体８１４および８１６のストップバンドの中心波長の４分の１に等しい光学的厚さを有することができる。カソード層８３４は極めて薄くすることができ、一般に、カソード８３６の光学的厚さに対する無視できる影響を有するが、光学設計に関しては、中心低屈折率ゾーン８１２またはカソード層８３６（これらのうち屈折率がより近い方の）の部分として考えるべきである。このようにすると、この層８２０、８２２、８１２（複合層）、８３６および８４０のシーケンスは、フォトニック結晶に含めるのに必要な交代する低／高／低／高／低の屈折率を与えることができる。したがって、副構造体８１０、８１２、８１４ならびに層８２２および８３６は全て、一体の結合体として、単一のフォトニック結晶構造体８００を形成することが分かる。
【００６１】
デバイス８００を電気的に作動させると、正孔が、アノード８２２から、正孔注入層８２４および正孔輸送層８２６を通って、エミッタ層８２８内へ流れる。同時に、電子が、カソード層８３４および８３６から、電子注入層８３２および電子輸送層８３０を通って、エミッタ層８２８内へ流れる。電子と正孔は、層８２８内のルミネセンス材料分子上で再結合して、励起子を生ずる。エミッタ層８２８はフォトニック結晶構造体の内部にあるため、エミッタ層内で生じた励起子は、フォトニック結晶のストップバンド内の波長の光を放出することができない。しかしながら、層８２８内のルミネセンス材料の放出バンドがストップバンドのバンド端波長と重なる場合には発光が起こり、それらの波長における高い状態密度のため、異常に高いレベルの放出が起こる。フォトニック結晶は、その構造体内のバンド端放出からの光を閉じ込め、励起子と相互作用する光子の密度がほぼ全ての発光が誘導放出となるのに十分となる程度まで光子密度を増大させる。しかしながら、設計によって、および、普通は、含まれる材料の性質のため、有機材料中のレーザゲインは、これらのデバイス内で達成可能な電流レベルにおけるレージングをサポートするのに不十分である。誘導放出による光のデバイス内での伝搬方向はほぼ完全に垂直であるため、光の内面反射および閉じ込めによる損失は非常に小さく、その結果、デバイスのエネルギー効率は高い。
【００６２】
電気的に活性化されて光を放出することができるエミッタ層が存在する限りにおいて、およびエミッタ層のエミッタ材料の放出スペクトルが、フォトニック結晶のストップバンドと重なる波長を含む限りにおいて、中心低屈折率ゾーン８１２を構成する層の性質および数を変更することができる。例えば、正孔注入層８２４の機能と正孔輸送層の機能とを結合して別個の単一の層とすることができる。電子注入層８３２の機能と電子輸送層８３０の機能とを結合して別個の単一の層とすることもできる。追加の正孔輸送層または電子輸送層、ならびに正孔阻止層、電子阻止層および三重項阻止層を導入することもできる。
デバイス８００内のフォトニック結晶構造体は、一度に一層ずつ構築することができ、デバイスの機能ＯＬＥＤ層も同様である。したがって、フォトニック結晶構造体は、不連続な周期的屈折率プロファイルを有することがある。
【００６３】
場合によっては、デバイス８００の電気的機能を適切にするために、中心低屈折率ゾーン８１２の全厚を、フォトニック結晶８００のストップバンドの所望の中心波長の４分の１よりも大きくする必要があることがある。例えば、この問題は、必ずというわけではないが、青色光もしくはバイオレット光または他の色の光を生成するように設計されたデバイスで生じることがある。これが当てはまる場合には、中心低屈折率ゾーン８１２の全体の光学的厚さを、フォトニック結晶副構造体８１０および８１４のストップバンドの中心波長の４分の３とすることができる。交代層の数は、図８に記載された数よりも多くしまたは少なくすることができること、および最適な層数は用途によって異なることが理解される。
【００６４】
ゾーン８１２の厚さをストップバンドの中心波長の４分の３まで増大させることが、青色光またはバイオレット光放出デバイスに対する最良の解決策でないことがある。それに代わる代替解決手段は、図９に示された変更された設計９００である。デバイス９００はデバイス８００に非常によく似ており、フォトニック結晶構造体の第１の部分９１０、中心低屈折率ゾーン９１２、およびフォトニック結晶構造体の第２の部分９１４を備え、これらの３つの副構造体は、デバイス８００の副構造体８１０、８１２および８１４に対応する。違いは、中心低屈折率ゾーン９１２が、エミッタ層９２８、電子輸送層９３０および電子注入層９３２だけを含むことである。正孔注入層９２４は正孔輸送層９２６と結合して、別の低屈折率ゾーン９４４を構成している。この低屈折率ゾーンは、第２の正孔輸送層９４６によって中心低屈折率ゾーン９１２から分離されている。正孔輸送層９４６の材料は、ゾーン９４４および９１２の材料よりも高い屈折率を有する。ゾーン９１２を構成する層を合わせた全体の光学的厚さは、フォトニック結晶副構造体９１０および９１４のストップバンドの中心波長の４分の１に等しい。ゾーン９４４を構成する２つの層を合わせた全体の光学的厚さは、フォトニック結晶副構造体９１０および９１４のストップバンドの中心波長の４分の１に等しく、層９４６、アノード９２２およびカソード層９３６の光学的厚さはそれぞれ、フォトニック結晶副構造体９１０および９１４のストップバンドの中心波長の４分の１に等しい。したがって、フォトニック結晶構造体の第１の部分９１０、低屈折率ゾーン９４４、中心低屈折率ゾーン９１２およびフォトニック結晶構造体の第２の部分９１４は、層９２２、９４６および９３６と結合して、単一のフォトニック結晶構造体を形成していることが分かる。この構造体は、デバイス８００に関して上で説明した方式と同じ方式で、エミッタ層９２８によって放出された光と相互作用する。
【００６５】
短波長光を発生させることに関する固有の潜在的問題をやはり解決することができる図１０に示されたデバイス１０００によって、追加の代替実施形態が示されている。このデバイスは、フォトニック結晶構造体の第１の部分１０１０、中心低屈折率ゾーン１０１２、およびフォトニック結晶構造体の第２の部分１０１４を有し、これらの３つの構造体は、デバイス８００の構造体８１０、８１２および８１４に対応する。このデバイスの違いは、中心低屈折率ゾーン１０１２が、エミッタ層１０２８、正孔輸送層９３０および正孔注入層１０３２だけを含むことである。電子注入層１０２４は電子輸送層１０２６と結合して、別の低屈折率ゾーン１０４４を構成している。この低屈折率ゾーンは、第２の電子輸送層１０４６によって中心低屈折率ゾーン１０１２から分離されている。電子輸送層１０４６の材料は、ゾーン１０４４および１０１２の材料よりも高い屈折率を有する。ゾーン１０１２を構成する層を合わせた全体の光学的厚さは、フォトニック結晶副構造体１０１０および１０１４のストップバンドの中心波長の４分の１に等しい。ゾーン１０４４を構成する２つの層を合わせた全体の光学的厚さは、フォトニック結晶副構造体１０１０および１０１４のストップバンドの中心波長の４分の１に等しく、層１０４６、アノード１０２２およびカソード層１０３６の光学的厚さはそれぞれ、フォトニック結晶副構造体１０１０および１０１４のストップバンドの中心波長の４分の１に等しい。したがって、フォトニック結晶構造体の第１の部分１０１０、低屈折率ゾーン１０４４、中心低屈折率ゾーン１０１２およびフォトニック結晶構造体の第２の部分１０１４は、層１０２２、１０４６および１０３６と結合して、単一のフォトニック結晶構造体を形成していることが分かる。この構造体は、デバイス８００に関して上で説明した方式と同じ方式で、エミッタ層１０２８によって放出された光と相互作用する。
【００６６】
８００、９００および１０００などのデバイスは、レーザ光を生み出すことができず、その中で発光が起こるマイクロキャビティを持たず、ストップバンド端誘導放出を利用し、不連続な屈折率プロファイルを有するフォトニック結晶を有するため、知られているデバイスとは異なっている。現時点では、この特性の組合せが、非常に高いエネルギー効率を有する商業的に実現可能なＯＬＥＤデバイスの生産を可能にするデバイス特性の唯一の組合せである可能性がある。
【００６７】
図１１は、エミッタ材料とバンドギャップ材料の組合せをどのように選択すればよいのかを示している。バンドギャップ１１２０を有するフォトニック結晶の例示的な透過スペクトル１１１０が示されている。例示的なエミッタ材料の吸収スペクトル１１３０および放出スペクトル１１４０も示されている。示されているように、放出スペクトルは、λPPで起こるピークパワー１１５０、λ1/2PPで起こる半ピークパワー１１６０、およびλ1/4PPで起こる４分の１ピークパワー１１９５を有する。高効率デバイスを達成するためには、ピーク放出波長１１５０と１／４ピーク放出波長１１９５の間の、吸収スペクトル１１３０のエリアとできるだけ重ならない放出スペクトルの領域、言い換えるとエミッタ材料による吸収が低い領域１１８０に、バンドギャップの端１１７０があるような態様で、フォトニック結晶が構成されていることが好ましい。ピーク放出波長１１５０と１／２ピーク放出波長１１６０の間の、吸収スペクトル１１３０のエリアとできるだけ重ならない放出スペクトルの領域、言い換えるとエミッタ材料による吸収が低い領域１１８０に、バンドギャップの端１１７０があるような態様で、フォトニック結晶が構成されていることが最も好ましい。バンドギャップ端１１７０は、エミッタ層を光が１回通過する際の光吸収が１％未満である波長のところに置くことができる。バンド端１１７０は、エミッタ層を光が１回通過する際の光吸収が１／２％未満の波長であり、同時に、１／４ピーク放射輝度よりも大きい放出スペクトルの波長にも対応することが好ましい。
【００６８】
１１９０。さらに、エミッタ材料の放出スペクトルは２つ以上のピークを有することができること、および、本明細書でのピーク放射輝度の議論は、バンドギャップの近くの放出スペクトルの領域に関するものであることが理解される。層の厚さ、したがってバンド端波長を調整することによってデバイスの出力スペクトルを調整することができるような態様で、開示されたデバイスの出力光は、バンド端に対応する波長に基づいて決定されることが理解される。１つの波長に対応するストップバンドを有する第１のフォトニック結晶を、透過スペクトルが第１のフォトニック結晶からシフトアップまたはシフトダウンされたストップバンドを有する第２のフォトニック結晶に対して透明または実質的に透明にすることができるため、１つまたは複数のフォトニック結晶を互いの上に積み重ねることによって、２つ以上のストップバンドに対応するバンド端光を放出することができる単一のデバイスを形成することができる。
【００６９】
ＯＬＥＤデバイス中のエミッタ材料分子はしばしば、分子配向に対するいくつかの方向の発光を他の方向の発光よりも優先する形状を有する。そのため、エミッタ層中のエミッタ材料の分子を特定の向きに均一に配向させることによって、エミッタ層の平面に対するいくつかの方向の光は、他の方向の光よりも強く放出される。これは、これらの分子中の分子軌道が、形状およびその電子分極率（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｐｏｌａｒｉｚａｂｉｌｉｔｙ）に関して非対称であることがあるためである。入射光または光の放出との相互作用は、光の電界ベクトルが、軌道内の最も高い電気分極率の方向に沿っているときに最も強い。しかしながら、光の放出または吸収は、２つの分子軌道、すなわち励起状態の分子軌道および電子基底状態の分子軌道を含むため、ならびに、最も高い電気分極率の方向がこれらの２つの軌道で異なることはかなり頻繁にあることであるため、最も高い相互作用または放出をもたらす光電界ベクトルの方向は、これらの２つの軌道の最も高い電子分極率の方向の中間にある。最も高い相互作用をもたらす光電界ベクトルの方向は、遷移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）モーメント（または遷移双極子モーメント）と呼ばれる。これは、この方向が、光との相互作用によって（または反対に、光を放出する過渡的な電気双極子の方向によって）分子中に誘起される過渡的な（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）電気双極子の方向であるためである。したがって、エミッタ分子の遷移モーメントがフィードバック光の伝搬方向に対して直角となるようにエミッタ分子が均一に配向している場合には、エミッタ材料とフィードバック光との間の相互作用の効率が最大化され、それによって最大の誘導放出が生み出される。この種の配向は、その下の層表面に「横たわり（ｌａｙ  ｄｏｗｎ）」、したがってエミッタ分子を配向させる異方性環境をもたらす剛性の棒状または円板形の分子を有するホスト材料に溶解したライトジオメトリの剛性異方性エミッタ分子を利用することによって達成することができる。この振舞いを示すことができるホスト材料は、４，４’−ビス（カルバゾール−９−イル）ビフェニル（ＣＢＰ）およびＮ，Ｎ’−ビス（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ビス（フェニル）−ベンジジン（ＮＰＢ）である。
【００７０】
いくつかのイリジウムＩＩＩ有機金属燐光エミッタ材料は、ＯＬＥＤ放出性層の平面内で主に配向した所望の燐光放出のための遷移モーメントを有するように、その分子を、いくつかのホスト材料によって自発的に配向させることができる。具体的には、芳香環置換された窒素を含む芳香族化合物を含む２つの配位子および第３のアセトアセトナト（ａｃｅｔｏａｃｅｔｏｎａｔｅ）配位子を含むいくつかのヘテロレプティック（ｈｅｔｅｒｏｌｅｐｔｉｃ）イリジウムＩＩＩ錯体はこの種の配向を示した。これの例は、４，４’−ビス（カルバゾール−９−イル）ビフェニル  ホスト中のビス（２フェニルピリジン）（アセチルアセトナト）イリジウム（ＩＩＩ）ドーパント、およびＮ，Ｎ’−ビス（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ビス（フェニル）−ベンジジン中のビス（２メチルジベンゾ［ｆ，ｈ］キノキサリン）（アセチルアセトナト）イリジウム（ＩＩＩ）である。これらの調合物などの異方性エミッタ材料調合物を有利に使用して、本発明のデバイスのエネルギー効率をさらに増大させることができる。
【００７１】
上述の実施形態は例示のための例であり、本発明がこれらの特定の実施形態だけに限定されると解釈すべきではない。例えば、放出性デバイスの例としてＯＬＥＤデバイスを使用したが、他のルミネセンス材料または構造を使用することもでき、ＯＬＥＤだけに限定されない。さらに、屈折率プロファイル、光の方向などを、平面に対して「垂直」であると記載したが、それらは厳密に垂直である必要はなく、それらは垂直に近い範囲にある必要があるかまたは実質的に垂直である必要があると理解すべきである。したがって、本出願に記載された実施形態が、屈折率プロファイル、光の方向などが平面に対してほぼ垂直であるケースまたはそれらが実質的に垂直であるケースも含むこともある。さらに、異なる実施形態に関して記載されたさまざまな構成要素および態様は、異なる実施形態間で相互に交換可能であり、特定の１つの実施形態だけに限定されない。したがって、当業者であれば、添付の特許請求項に定義された本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、さまざまな変更および改変を加えることができる。
【００７２】
本発明の例示的な実施形態を参照して本発明を詳細に示し、説明したが、以下の特許請求の範囲およびその等価物によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細のさまざまな変更を加えることができることは、当業者によって理解される。したがって、本発明の実施形態は、あらゆる点で、例示的を目的としたものであり、限定を目的としたものではないいと考えることが望まれている。本発明の範囲を示す目的には、以上の説明ではなく、添付の特許請求の範囲およびその等価物を参照されたい。
【図１】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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