有機半導体レーザ装置および有機エレクトロルミネッセンス装置
【課題】大電流の注入による熱破壊を防ぎ、電流励起によるレーザ発振を実現する。大電流駆動を可能とした高輝度の有機エレクトロルミネッセンス装置を提供する。
【解決手段】この有機半導体レーザ装置は、有機半導体レーザ活性層２と、有機半導体レーザ活性層２に正孔を供給する第１透明導電膜としての陽極１と、有機半導体レーザ活性層２に電子を供給する陰極３とを備えている。陽極１を支持する透明基板１０は、サファイヤ基板からなる。
【解決手段】この有機半導体レーザ装置は、有機半導体レーザ活性層２と、有機半導体レーザ活性層２に正孔を供給する第１透明導電膜としての陽極１と、有機半導体レーザ活性層２に電子を供給する陰極３とを備えている。陽極１を支持する透明基板１０は、サファイヤ基板からなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、有機半導体レーザ活性層を挟んで陽極および陰極を配置した有機半導体レーザ装置、および有機半導体発光層を挟んで陽極および陰極を配置した有機エレクトロルミネッセンス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機半導体レーザ装置の構造は、たとえば、下記特許文献１に開示がある。この有機半導体レーザ装置は、基板と、この基板上に配置された陽極層と、この陽極層上に配置された発光層と、この発光層上に配置された陰極層とを備えている。この装置は、陽極層から発光層へ正孔が注入され、また、陰極層から発光層に電子が注入されることによって、発光層内で正孔および電子が再結合して発光するとともに、この光が、陽極層と発光層との接触面および発光層と陰極層との接触面で反射を繰り返すことにより増幅され、レーザ光として放出されると説明されている。
【０００３】
基板材料としては、ガラスおよびプラスチックフィルムが適用可能であるとされ、さらに、陽極層の材料として、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）が挙げられ、陰極層の材料として、１０ｎｍ〜１μｍ厚のＭｇＡｇ合金等の金属が挙げられている。
【特許文献１】特開２００４−１８６５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、電流励起によって増幅自然放出（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）を起こさせるためには、千アンペアのオーダーの電流の注入が必要になるが、このような大電流を注入することで、発光層が熱破壊に至ってしまうという問題がある。
また、有機半導体レーザ装置に限らず、有機エレクトロルミネッセンス装置においても、高輝度発光のために高電流密度による駆動を行うとすると、同様の問題に直面することになる。
【０００５】
そこで、この発明の目的は、大電流の注入による熱破壊を防ぎ、これにより、電流励起によるレーザ発振を有利に行うことができる有機半導体レーザ装置を提供することである。
また、この発明の他の目的は、大電流の注入による熱破壊を防ぎ、これにより、高輝度での発光を実現した有機エレクトロルミネッセンス装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、有機半導体レーザ活性層と、第１透明導電膜を有し、前記有機半導体レーザ活性層に正孔を供給する陽極と、第２透明導電膜を有し、前記有機半導体レーザ活性層に電子を供給する陰極と、熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなり、前記陽極または陰極を支持する基板とを含むことを特徴とする有機半導体レーザ装置である。なお、「透明」とは、有機半導体レーザ活性層の発光波長の光の透過率が５０％以上（より好ましくは、８０％以上）である場合を指す。
【０００７】
この構成によれば、有機半導体レーザ活性層において生じた熱を良好に放熱することができる。これによって、大きな電流密度を有機半導体レーザ活性層に電流を注入することが可能となり、電流励起による増幅自然放出（ＡＳＥ）を達成することができる。
請求項２記載の発明は、前記基板が透明基板であることを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置である。この構成では、基板が透明基板であるので、有機半導体レーザ活性層内に光を良好に閉じ込めることができ、増幅自然放出を生じさせるためのしきい値（ＡＳＥしきい値）を低く維持することができる。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記基板が不透明基板であり、この基板上に透明な光閉じこめ層を介して前記陽極または陰極が積層されていることを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置である。この構成では、基板には不透明基板を用いているが、この基板上に透明な光閉じ込め層を配置していることにより、光伝播損失を抑制して、ＡＳＥしきい値を低く維持することができる。
【０００９】
光閉じ込め層は、酸化シリコン、アルミナ、サファイヤ、ダイヤモンド、またはアモルファスカーボンで構成することができる。この光閉じ込め層は、当該光閉じ込め層の屈折率をｎ、発光波長をλとして、少なくともλ／２ｎで表される厚み以上とすることにより、効率的に光を閉じ込めることができる。
請求項４記載の発明は、前記基板がサファイヤ、シリコン、化合物半導体（ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）、金属（銅、ステンレスなど）、グラファイト、ダイヤモンド、セラミックスおよびアモルファスカーボンよりなる群から選択した１種以上の材料を含むことを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置である。
【００１０】
これらの材料によって基板を構成することにより、４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を実現することができるので、１０００アンペア/cm2オーダの電流を、破壊を生じさせることなく、有機半導体レーザ活性層に注入することが可能である。これによって、電流励起による増幅自然放出を実現できる。
前記アモルファスカーボンは、いわゆるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Diamond Like Carbon（ダイヤモンドの様なカーボン））であってもよい。ダイヤモンドライクカーボンは、炭素および水素を主体とした非晶質のカーボン薄膜を形成する。このアモルファスカーボンを基板材料として用いる場合には、支持基板の表面にアモルファスカーボン薄膜を形成して基板を構成することが好ましい。
【００１１】
請求項５記載の発明は、前記有機半導体レーザ活性層は、前記陰極から電子の供給を受ける電子輸送層と、前記陽極から正孔の供給を受ける正孔輸送層と、前記電子輸送層および前記正孔輸送層の間に配置され、前記電子輸送層および正孔輸送層よりも屈折率の大きな発光層とを含むものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の有機半導体レーザ装置である。
【００１２】
この構成によれば、有機半導体レーザ活性層は、発光層を電子輸送層および正孔輸送層で挟持したダブルヘテロ構造を有していて、発光層が、電子輸送層および正孔輸送層よりも大きな屈折率を有している。そのため、この発光層内に良好に光が閉じ込められることになる。これによって、ＡＳＥしきい値を低くすることができる。
前記発光層は、前記電子輸送層および前記正孔輸送層よりも、ＨＯＭＯ（highest occupied molecular orbital）エネルギーレベルおよびＬＵＭＯ（lowest unoccupied molecular orbital）エネルギー間のエネルギーギャップが大きな有機半導体材料からなっていることが好ましい。これによって、発光層内にキャリヤを効率的に閉じ込めることができるので、ＡＳＥしきい値をより低くすることができる。
【００１３】
前記電子輸送層を構成する有機材料としては、Ａｌｑ3（８−ヒドロキシキノリンアルミニウムなどのアルミキノリノール錯体）のような金属錯体や、のＰＢＤ（2-(4-tert-Butylphenyl)-5-(4-biphenylyl)-1,3,4-oxadiazole）およびＴＡＺ（1,2,4-トリアゾール誘導体）のようなオキサジアゾール・トリアゾール（電子輸送材料）や、ＢＣＰ（2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline。バソキュプロイン）のようなフェナントロリン（電子輸送・正孔阻止材料）を例示することができる。
【００１４】
また、前記正孔輸送層を構成する有機材料としては、α−ＮＰＤ（4,4'-bis[N(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl。低分子量アリールアミン誘導体）、ｍＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris[3-methylphenyl-(phenyl)-amino]-triphenyl-amine）、ＴＰＤ（(N,N’-diphenyl-N,N’-(3-methylphenyl)-1,1’-biphenyl)-4,4’-diamine。トリフェニルアミン誘導体）およびＣＢＰ（4,4'-di(N-carbazolyl)biphenyl）などのアリールアミン（正孔注入・輸送材料）や、ＣｕＰｃ（銅フタロシアニン）のような金属錯体（正孔注入材料）を例示することができる。
【００１５】
この場合に、前記発光層としては、スチリルベンゼン誘導体（たとえば、下記化学式(D-1)のＢＳＢ（1,4-dimethoxy-2,5-bis[p-[N-phenyl-N-(m-tolyl)amino]styryl]benzene）をレーザ色素（発光層用ドーパント）とし、フェニルカルバゾール誘導体（たとえば、下記化学式(H-1)のＣＢＰ、下記化学式(H-2)のｍＣＰ、下記化学式(H-3)のＣＤＢＰ）をホスト材とした有機半導体混合物層を例示することができる。
【００１６】
レーザ色素としては、他にも、下記化学式（D-2）のＤＣＭ２（ジアノメチレンピラン誘導体：赤色）、下記化学式（D-3）のＣｏｕｍａｒｉｎ６（緑色）および下記化学式（D-4）のＰｅｒｙｌｅｎｅ（青色）を例示できる。また、ホスト材としては、他にも、下記化学式（H-4）のＵＧＨ１や下記化学式（H-5）のＵＧＨ２などのアリールシランを例示できる。
【００１７】
【化１】
【００１８】
【化２】
【００１９】
前記陰極は、前記有機半導体レーザ活性層側に配置された厚さ１０ｎｍ未満（好ましくは、３．０ｎｍ以下、さらに好ましくは、２．５ｎｍ以下）の金属層及び金属含有薄膜層、およびこの金属含有薄膜層に積層された第２透明導電膜を有する積層構造膜からなっていてもよい。
この構成によれば、有機半導体レーザ活性層に電子を供給する陰極は、有機半導体レーザ活性層側に厚さ１０ｎｍ未満の金属層及び金属含有薄膜層を配置するとともに、この金属含有薄膜層に第２透明導電膜を積層した積層構造膜で構成されている。これにより、陰極における光伝播損失を抑える一方で、第２透明導電膜の形成時における有機半導体レーザ活性層表面のダメージを抑制し、併せて、第２透明導電膜から有機半導体レーザ活性層への電子注入障壁を金属含有薄膜層によって緩和することができ、電子注入効率を高めることができる。このようにして、電流励起による増幅自然放出のためのしきい値（ＡＳＥしきい値）を小さくすることができるので、電流励起によるレーザ発振に有利な構成とすることができる。
【００２０】
金属層及び金属含有薄膜層に積層される第２透明導電膜の膜厚は、この第２透明導電膜における光伝播損失を抑制するためには、４０ｎｍ以下とすることが好ましく、３０ｎｍ以下の膜厚とすることがより好ましい。
陽極を構成する第１透明導電膜についても同様な理由で、１００ｎｍ以下の膜厚とすることが好ましく、３０ｎｍ以下の膜厚とすればより好ましい。
【００２１】
第１および第２透明導電膜の材料としては、たとえばＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）またはＺｎＯ（酸化亜鉛）などの透明な導電材料を例示できる。
前記金属層及び金属含有薄膜層は、ＭｇＡｇ合金、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの一種以上を含むことが好ましい。これらの金属は、有機半導体レーザ活性層への電子注入障壁を緩和し、電子注入効率を高めることができる材料である。アルカリ金属には、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒが含まれる。また、アルカリ土類金属には、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａが含まれる。
【００２２】
また、前記金属含有薄膜層は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの一種以上と有機物との混合物を含むものであってもよい。上記有機物としては、ＢＰＣ（フェナンスレン誘導体）、Ｂｐｈｅｎ（バソキュプロイン誘導体）、アルミニウムキノリン誘導体、トリアゾール誘導体などを例示することができる。
このような材料も、有機半導体レーザ活性層への電子注入障壁を緩和することができ、電子注入効率を高めることができる。それとともに、第２透明導電膜を形成するときに、有機半導体レーザ活性層をダメージから保護することができる。
【００２３】
請求項６記載の発明は、有機半導体発光層と、第１透明導電膜を有し、前記有機半導体発光層に正孔を供給する陽極と、第２透明導電膜を有し、前記有機半導体発光層に電子を供給する陰極と、前記陽極または陰極を支持する基板とを含み、前記基板が、シリコン、化合物半導体、金属、グラファイト、ダイヤモンド、セラミックスおよびアモルファスカーボンよりなる群から選択した１種以上の材料を含むことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス装置である。この構成により、高電流密度での駆動が可能であり、したがって、高輝度発光が可能な有機エレクトロルミネッセンス装置を実現できる。有機半導体発光層は、前述の有機半導体レーザ活性層と同様に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この有機半導体レーザ装置は、透明基板１０によって支持された第１透明導電膜としての陽極１上に有機半導体レーザ活性層２を積層し、さらに、この有機半導体レーザ活性層２上に陰極３を積層して構成されている。陰極３は、有機半導体レーザ活性層２に接する超薄膜ＭｇＡｇ層３１とこの超薄膜ＭｇＡｇ層３１に積層された透明導電膜（第２透明導電膜）３２との積層構造膜からなっている。すなわち、透明導電膜３２は、超薄膜ＭｇＡｇ層３１を挟んで有機半導体レーザ活性層２上に配置されている。陽極１および透明導電膜３２は、この実施形態では、いずれもＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなっていて、陽極１は、たとえば３０ｎｍの膜厚を有し、透明導電膜３２は、たとえば２０ｎｍの膜厚とされている。そして、超薄膜ＭｇＡｇ層３１は、たとえば２．５ｎｍの膜厚とされている。
【００２５】
透明基板１０は、たとえばサファイヤ基板からなっており、その熱伝導率は、４６Ｗ／ｍ・Ｋである。
有機半導体レーザ活性層２は、陽極１側から順に正孔輸送層２１、発光層２２（活性層）、および電子輸送層２２を積層して構成されており、これらはいずれも有機半導体材料からなっている。より具体的には、正孔輸送層２１は、たとえば、α−ＮＰＤからなり、その膜厚は、たとえば２０ｎｍとされる。また、発光層２２は、ＢＳＢをレーザ色素とし、ＣＢＰをホスト材とした有機半導体混合物層からなっており、その膜厚は、たとえば７０ｎｍとされる。ＢＳＢの含有量は、たとえば６重量％とされる。
【００２６】
電子輸送層２３は、この実施形態では、発光層２２に接する第１電子輸送層２３１（正孔ブロック層）を形成するＢＣＰ層（膜厚２０ｎｍ）と、この第１電子輸送層２３１と陰極３との間にはさまれた第２電子輸送層２３２を構成するＡｌｑ3（たとえば膜厚２０ｎｍ）との積層構造となっている。
このように、有機半導体レーザ活性層２は、正孔輸送層２１および電子輸送層２３によって発光層２２を挟持したダブルヘテロ構造を有している。そして、ＣＢＰ：ＢＳＢからなる発光層２２の屈折率はｎ＝１．８４であり、陽極１側において発光層２２に接する正孔輸送層２１の屈折率はｎ＝１．８１であり、陰極１側において発光層２２に接合されている第１電子輸送層２３１を構成するＢＣＰの屈折率ｎはｎ＝１．６６である。すなわち、発光層２２は、その両側に配置された正孔輸送層２１および第１電子輸送層２３１のいずれよりも屈折率ｎが高く、したがって、この発光層２２内に光が閉じ込められ易い構造となっている。換言すれば、発光層２２は、光閉じ込め層としての正孔輸送層２１および第１電子輸送層２３１に挟持されているといえる。
【００２７】
また、ＨＯＭＯエネルギーレベルとＬＵＭＯエネルギーレベルとの間のエネルギーギャップは、発光層２２を構成するＣＢＰ：ＢＳＢが最も大きく、この発光層２２に隣接する正孔輸送層２１および第１電子輸送層２３１のエネルギーギャップは、発光層２２のエネルギーギャップよりも小さくなっている。これにより、発光層２２内にキャリヤが閉じ込められ易い構造となっている。すなわち、正孔輸送層２１および第１電子輸送層２３１は、キャリヤ閉じ込め層としての機能をも有している。
【００２８】
この実施形態に係る有機半導体レーザ装置によれば、有機半導体レーザ活性層２上に超薄膜ＭｇＡｇ層３１を挟んで透明導電膜３２を配置しているため、厚い金属膜によって陰極を構成する場合に比較して、光伝播損失を格段に抑制することができる。しかも、超薄膜ＭｇＡｇ層３１を有機半導体レーザ活性層２の表面に形成していることによって、電子注入障壁が緩和されているとともに、透明導電膜３２を形成するときのダメージから有機半導体レーザ活性層２の表面を保護することができる。これによって、陰極３から有機半導体レーザ活性層２への電子注入効率を高めることができる。
【００２９】
このようにして、増幅自然放出（ＡＳＥ）を生じさせるためのしきい値（ＡＳＥしきい値）を低くすることができるので、陽極１から有機半導体レーザ活性層２に正孔を注入するとともに、陰極３から有機半導体レーザ活性層２に電子を注入することにより、電流励起によるレーザ発振を生じさせることができる。すなわち、陽極１から注入された正孔は、正孔輸送層２１によって発光層２２へと輸送され、陰極３から注入された電子は、電子輸送層２３によって発光層２２へと輸送される。この発光層２２内では、正孔および電子の再結合が生じ、これに伴う発光が起こる。これに伴う光は、発光層２２と正孔輸送層２１および電子輸送層２３との各界面、ならびに正孔輸送層２１と陽極１との界面、ならびに陰極３と電子輸送層２３との界面における反射を繰り返すことによって増幅され、端面７から放出されることになる。
【００３０】
透明基板１０に、高熱伝導率を有するサファイヤ基板を適用することにより、放熱性が格段に向上されているので、有機半導体レーザ活性層２に高い電流密度で電流を注入しても、有機半導体レーザ活性層２の熱破壊が生じることがなく、電流励起による増幅自然放出を生じさせることができる。
この実施形態の有機半導体レーザ装置は、電流励起ではなく、光励起によってレーザ発振を生じさせることも可能である。すなわち、透明基板１０側または陰極３側から、ポンピングレーザ光８を入射することにより、有機半導体レーザ活性層２内でレーザ光が繰り返し反射されて増幅される。これにより、端面７からレーザ光を取り出すことができる。
【００３１】
なお、図１の実施形態では、透明基板１０上に陽極１が支持されているが、透明基板によって陰極３側を支持する構成としてもよい。
また、図１の構成は、レーザ発振のために用いるのではなく、有機エレクトロルミネッセンス装置として用いることもできる。この場合、高電流密度での駆動が可能なので、高輝度での発光を実現できる。
【００３２】
図２は、この発明の他の実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この図２において、上述の図１に示された各部に対応する部分には、図１の場合と同一の参照符号を付して示す。この実施形態では、陽極１を支持する基板１５は、高熱伝導率の不透明な基板からなっている。具体的には、たとえば、基板１５は、シリコン基板（熱伝導率１４８Ｗ／ｍ・Ｋ）や、銅（熱伝導率３９０Ｗ／ｍ・Ｋ）等の金属で構成されている。この不透明な基板１５の表面には、透明な光閉じ込め層１６が形成されており、この光閉じ込め層１６上に陽極１が配置されている。
【００３３】
光閉じ込め層１６は、その基板１５との間の界面における反射率を最大とするために、その膜厚がλ／２ｎ以上（λは有機半導体レーザ活性層の発光波長、ｎは光閉じ込め層１６の屈折率）とされることが好ましい。より具体的には、有機半導体レーザ活性層２からの発光波長λ＝５００ｎｍの場合であって、光閉じ込め層１６を酸化シリコン（ｎ＝１．５）で構成する場合には、光閉じ込め層１６の膜厚を１７０ｎｍ程度とすればよい。光閉じ込め層１６は、酸化シリコンの他にも、アルミナ、サファイヤ、ダイヤモンド、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、セラミックスなどで構成することができる。
【００３４】
このようにして、不透明な基板１５を用いる場合であっても、光閉じ込め層１６を基板１５と陽極１との間に介在させることによって、光伝播損失を抑制して、レーザ発振のためのしきい値を低く維持することができる。それとともに、高熱伝導率が求められる基板材料の選択の幅が広がるから、より大きな電流密度で有機半導体レーザ活性層２に電流を注入することができる。
【００３５】
なお、図２の実施形態では、基板１５上に光閉じ込め層１６を介して陽極１が支持されているが、基板１５および光閉じ込め層１６を陰極３側に配置し、これらによって陰極３を支持する構成としてもよい。
また、図２の構成も、レーザ発振のために用いるのではなく、有機エレクトロルミネッセンス装置として用いることもでき、高電流密度での駆動が可能なので、高輝度での発光が可能となる。
［参考例１］
【００３６】
透明基板１０としてガラス基板を用いて、参考例１としての有機半導体レーザ装置を作製した。具体的には、ガラス基板の表面に、３×１０-3Ｐａ程度の真空中で、３０ｎｍの膜厚のＩＴＯを陽極１として堆積させた。このＩＴＯからなる陽極１上に、真空蒸着により、有機半導体レーザ活性層２を構成する４つの有機層２１，２２，２３１，２３２を順に形成した。正孔輸送層２１は、膜厚２０ｎｍのα−ＮＰＤとした。発光層２２は、レーザ色素としてのＢＳＢを、ホスト材料としてのＣＢＰ中に６重量％添加するように、共蒸着によって作製し、その膜厚を７０ｎｍとした。第１電子輸送層（正孔ブロック層）２３１としては、２０ｎｍの膜厚のＢＣＰを堆積し、第２電子輸送層（電子注入層）２３２としては、膜厚２０ｎｍのＡｌｑ3を堆積した。
【００３７】
陰極３は、３×１０-3Ｐａ程度の真空中における蒸着によって膜厚２．５ｎｍの超薄膜ＭｇＡｇ層３１を有機半導体レーザ活性層２上に堆積させ、その後、１×１０-1Ｐａの真空中で、アルゴン（１１．４sccm）および酸素（０．６sccm）のガスフロー中で、マグネトロンスパッタリングにより、ＩＴＯからなる透明導電膜３２を形成した。その膜厚は、２０ｎｍとした。
【００３８】
陰極３の形成に先立って、ガラスからなる透明基板１０側からポンピングレーザ光８を入射して光励起によるレーザ発振を行わせたところ、ＡＳＥしきい値Ｅth＝４．７±０．９μＪ／ｃｍ2であった。陰極３を形成した後に、同様の測定を行ったところ、ＡＳＥしきい値Ｅth＝５．１±１．０μＪ／ｃｍ2であり、超薄膜ＭｇＡｇ層３１および透明導電膜３２の積層膜からなる陰極３の形成によっても、ほとんど光伝播損失が増加しないことが確認された。
【００３９】
図３は、前記のようにして作製された参考例１の構成（陰極３を形成したもの）の有機半導体レーザ装置において、種々の励起光強度（Excitation intensity）における波長（Wavelength）に対する放出強度（Emission intensity）の特性（すなわち、発光スペクトル）を測定した結果を示す。また、図４には、前記の参考例１の有機半導体レーザ装置における励起光強度に対する放射光強度の測定結果が示されている。
【００４０】
下記表１には、ＩＴＯからなる透明導電膜３２の膜厚を複数種類に設定して、ＡＳＥしきい値を測定した結果が示されている。この測定は、超薄膜ＭｇＡｇ層３１の膜厚を２．５ｎｍに固定して行った。
この表１から、ＩＴＯからなる透明導電膜３２の膜厚が２０ｎｍおよび３０ｎｍのときには明確なＡＳＥしきい値が観測されたのに対して、透明導電膜３２の膜厚を４０ｎｍとしたときには、ＡＳＥしきい値が不明確になり、したがって、透明導電膜３２の膜厚を４０ｎｍを超える値に設定すると、光伝播損失が大きくなって、光増幅が阻害されることがわかる。
【００４１】
【表１】
【００４２】
下記表２は、ＩＴＯからなる透明導電膜３２の膜厚を３０ｎｍに固定して、超薄膜ＭｇＡｇ層３１の膜厚を種々に変化させて、ＡＳＥしきい値を測定した結果が示されている。この表２から、超薄膜ＭｇＡｇ層３１の膜厚を３．０ｎｍとするとＡＳＥしきい値が不明確となり、したがって、この超薄膜ＭｇＡｇ層の膜厚を３．０ｎｍを超えて設定すれば、光伝播損失が大きくなって、光増幅が阻害されることが理解される。
【００４３】
【表２】
【００４４】
さらに、透明基板１０としてガラス基板を用いた前記の構成の有機半導体レーザ装置に対して、電流励起による増幅自然放出を試みた。比較例として、陰極電極に１０ｎｍの膜厚のＡｇ層と１００ｎｍの膜厚のＭｇＡｇ層との積層構造を用い、他の構成については上記の参考例１の通りに作製した装置を用意した。
図５には、前記参考例１の装置と、前記比較例の装置とに関して、電圧に対する電流密度の変化を測定した結果が示されている。この図５には、前記参考例１の装置および比較例の装置に関して、電流密度に対する外部量子効率を測定した結果が併せて示されている。この図５から、参考例１の装置の場合には、比較例の装置に比較して、しきい値電圧Ｖthが増加するものの、高い外部量子効率３．６％（電流密度Ｊ＝０．１mA/cm2が達成されていることがわかる。
【００４５】
光励起によるＡＳＥしきい値Ｅth＝１２．８±２．６μＪ／ｃｍ2（ＭｇＡｇ層の膜厚を２．５ｎｍとし、透明導電膜３２の膜厚を３０ｎｍとした場合）から、電流励起による増幅自然放出を生じさせるために必要な電流密度を見積もると、３８４０Ａ／ｃｍ2となる。
［参考例２］
【００４６】
サファイヤ基板上に陽極としてのＩＴＯ膜（膜厚１１０ｎｍ）、ＣｕＰｃ（銅フタロシアニン）層（膜厚２５ｎｍ）、陰極としてのＭｇＡｇ層（膜厚１００ｎｍ）および同じく陰極としてのＡｇ層（膜厚１０ｎｍ）を積層して、有機半導体装置を作製した。この有機半導体装置に関して、電圧（Voltage）に対する電流密度（Current density）の特性を測定した結果を図６に示す。陰極は円形に形成し、その半径ｒを２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍとした場合の各特性を測定した。この図７から、電流密度４０２６Ａ／ｃｍ2（陰極半径ｒ＝２５μｍのとき）を達成でき、素子の破壊が生じていないことが理解される。
［参考例３］
【００４７】
シリコン基板上に、陽極としてのＩＴＯ膜（膜厚１１０ｎｍ）、有機半導体層としてのＣｕＰｃ層（膜厚２５ｎｍ）、陰極としてのＭｇＡｇ層（膜厚１００ｎｍ）および同じく陰極としてのＡｇ層（１０ｎｍ）を積層して、有機半導体装置を作製した。この有機半導体装置に対して、電圧対電流密度特性を測定した。陰極は円形に形成し、その半径ｒを２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍとした場合の各特性を測定した。測定結果を、図７に示す。この図７から、電流密度１２２２２Ａ／ｃｍ2（陰極半径ｒ＝２５μｍのとき）が達成され、かつ、素子の破壊が生じないことが理解される。
【００４８】
上記参考例２および３から、透明基板１０として、サファイヤやシリコンのように高熱伝導率を示す材料を適用することによって、電流励起による増幅自然放出に必要な電流密度を、素子の破壊を生じさせることなく実現できることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の一実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明するための図解的な断面図である。
【図２】この発明の他の実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明するための図解的な断面図である。
【図３】図１の構成の有機半導体レーザ装置において、種々の励起光強度における波長に対する放出強度の特性を測定した結果を示す特性図である。
【図４】図１の構成の有機半導体レーザ装置における励起光強度に対する放射光強度の測定結果を示す図である。
【図５】参考例の装置と比較例の装置とに関して、電圧に対する電流密度の変化を測定した結果を示す図である。
【図６】サファイヤ基板を用いた参考例の有機半導体装置に関して、電圧に対する電流密度の特性を測定した結果を示す図である。
【図７】シリコン基板を用いた参考例の有機半導体装置に関して、電圧に対する電流密度の特性を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 第１透明導電膜としての陽極
２ 有機半導体レーザ活性層
３ 陰極
７ 端面
８ ポンピングレーザ光
１０ 透明基板
１５ 基板
１６ 光閉じ込め層
２１ 正孔輸送層
２２ 電子輸送層
２２ 発光層
２３ 電子輸送層
２３１ 第１電子輸送層（正孔ブロック層）
２３２ 第２電子輸送層（電子注入層）
３１ 超薄膜ＭｇＡｇ層
３２ 透明導電膜（第２透明導電膜）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、有機半導体レーザ活性層を挟んで陽極および陰極を配置した有機半導体レーザ装置、および有機半導体発光層を挟んで陽極および陰極を配置した有機エレクトロルミネッセンス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機半導体レーザ装置の構造は、たとえば、下記特許文献１に開示がある。この有機半導体レーザ装置は、基板と、この基板上に配置された陽極層と、この陽極層上に配置された発光層と、この発光層上に配置された陰極層とを備えている。この装置は、陽極層から発光層へ正孔が注入され、また、陰極層から発光層に電子が注入されることによって、発光層内で正孔および電子が再結合して発光するとともに、この光が、陽極層と発光層との接触面および発光層と陰極層との接触面で反射を繰り返すことにより増幅され、レーザ光として放出されると説明されている。
【０００３】
基板材料としては、ガラスおよびプラスチックフィルムが適用可能であるとされ、さらに、陽極層の材料として、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）が挙げられ、陰極層の材料として、１０ｎｍ〜１μｍ厚のＭｇＡｇ合金等の金属が挙げられている。
【特許文献１】特開２００４−１８６５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、電流励起によって増幅自然放出（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）を起こさせるためには、千アンペアのオーダーの電流の注入が必要になるが、このような大電流を注入することで、発光層が熱破壊に至ってしまうという問題がある。
また、有機半導体レーザ装置に限らず、有機エレクトロルミネッセンス装置においても、高輝度発光のために高電流密度による駆動を行うとすると、同様の問題に直面することになる。
【０００５】
そこで、この発明の目的は、大電流の注入による熱破壊を防ぎ、これにより、電流励起によるレーザ発振を有利に行うことができる有機半導体レーザ装置を提供することである。
また、この発明の他の目的は、大電流の注入による熱破壊を防ぎ、これにより、高輝度での発光を実現した有機エレクトロルミネッセンス装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、有機半導体レーザ活性層と、第１透明導電膜を有し、前記有機半導体レーザ活性層に正孔を供給する陽極と、第２透明導電膜を有し、前記有機半導体レーザ活性層に電子を供給する陰極と、熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなり、前記陽極または陰極を支持する基板とを含むことを特徴とする有機半導体レーザ装置である。なお、「透明」とは、有機半導体レーザ活性層の発光波長の光の透過率が５０％以上（より好ましくは、８０％以上）である場合を指す。
【０００７】
この構成によれば、有機半導体レーザ活性層において生じた熱を良好に放熱することができる。これによって、大きな電流密度を有機半導体レーザ活性層に電流を注入することが可能となり、電流励起による増幅自然放出（ＡＳＥ）を達成することができる。
請求項２記載の発明は、前記基板が透明基板であることを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置である。この構成では、基板が透明基板であるので、有機半導体レーザ活性層内に光を良好に閉じ込めることができ、増幅自然放出を生じさせるためのしきい値（ＡＳＥしきい値）を低く維持することができる。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記基板が不透明基板であり、この基板上に透明な光閉じこめ層を介して前記陽極または陰極が積層されていることを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置である。この構成では、基板には不透明基板を用いているが、この基板上に透明な光閉じ込め層を配置していることにより、光伝播損失を抑制して、ＡＳＥしきい値を低く維持することができる。
【０００９】
光閉じ込め層は、酸化シリコン、アルミナ、サファイヤ、ダイヤモンド、またはアモルファスカーボンで構成することができる。この光閉じ込め層は、当該光閉じ込め層の屈折率をｎ、発光波長をλとして、少なくともλ／２ｎで表される厚み以上とすることにより、効率的に光を閉じ込めることができる。
請求項４記載の発明は、前記基板がサファイヤ、シリコン、化合物半導体（ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）、金属（銅、ステンレスなど）、グラファイト、ダイヤモンド、セラミックスおよびアモルファスカーボンよりなる群から選択した１種以上の材料を含むことを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置である。
【００１０】
これらの材料によって基板を構成することにより、４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を実現することができるので、１０００アンペア/cm2オーダの電流を、破壊を生じさせることなく、有機半導体レーザ活性層に注入することが可能である。これによって、電流励起による増幅自然放出を実現できる。
前記アモルファスカーボンは、いわゆるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Diamond Like Carbon（ダイヤモンドの様なカーボン））であってもよい。ダイヤモンドライクカーボンは、炭素および水素を主体とした非晶質のカーボン薄膜を形成する。このアモルファスカーボンを基板材料として用いる場合には、支持基板の表面にアモルファスカーボン薄膜を形成して基板を構成することが好ましい。
【００１１】
請求項５記載の発明は、前記有機半導体レーザ活性層は、前記陰極から電子の供給を受ける電子輸送層と、前記陽極から正孔の供給を受ける正孔輸送層と、前記電子輸送層および前記正孔輸送層の間に配置され、前記電子輸送層および正孔輸送層よりも屈折率の大きな発光層とを含むものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の有機半導体レーザ装置である。
【００１２】
この構成によれば、有機半導体レーザ活性層は、発光層を電子輸送層および正孔輸送層で挟持したダブルヘテロ構造を有していて、発光層が、電子輸送層および正孔輸送層よりも大きな屈折率を有している。そのため、この発光層内に良好に光が閉じ込められることになる。これによって、ＡＳＥしきい値を低くすることができる。
前記発光層は、前記電子輸送層および前記正孔輸送層よりも、ＨＯＭＯ（highest occupied molecular orbital）エネルギーレベルおよびＬＵＭＯ（lowest unoccupied molecular orbital）エネルギー間のエネルギーギャップが大きな有機半導体材料からなっていることが好ましい。これによって、発光層内にキャリヤを効率的に閉じ込めることができるので、ＡＳＥしきい値をより低くすることができる。
【００１３】
前記電子輸送層を構成する有機材料としては、Ａｌｑ3（８−ヒドロキシキノリンアルミニウムなどのアルミキノリノール錯体）のような金属錯体や、のＰＢＤ（2-(4-tert-Butylphenyl)-5-(4-biphenylyl)-1,3,4-oxadiazole）およびＴＡＺ（1,2,4-トリアゾール誘導体）のようなオキサジアゾール・トリアゾール（電子輸送材料）や、ＢＣＰ（2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline。バソキュプロイン）のようなフェナントロリン（電子輸送・正孔阻止材料）を例示することができる。
【００１４】
また、前記正孔輸送層を構成する有機材料としては、α−ＮＰＤ（4,4'-bis[N(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl。低分子量アリールアミン誘導体）、ｍＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris[3-methylphenyl-(phenyl)-amino]-triphenyl-amine）、ＴＰＤ（(N,N’-diphenyl-N,N’-(3-methylphenyl)-1,1’-biphenyl)-4,4’-diamine。トリフェニルアミン誘導体）およびＣＢＰ（4,4'-di(N-carbazolyl)biphenyl）などのアリールアミン（正孔注入・輸送材料）や、ＣｕＰｃ（銅フタロシアニン）のような金属錯体（正孔注入材料）を例示することができる。
【００１５】
この場合に、前記発光層としては、スチリルベンゼン誘導体（たとえば、下記化学式(D-1)のＢＳＢ（1,4-dimethoxy-2,5-bis[p-[N-phenyl-N-(m-tolyl)amino]styryl]benzene）をレーザ色素（発光層用ドーパント）とし、フェニルカルバゾール誘導体（たとえば、下記化学式(H-1)のＣＢＰ、下記化学式(H-2)のｍＣＰ、下記化学式(H-3)のＣＤＢＰ）をホスト材とした有機半導体混合物層を例示することができる。
【００１６】
レーザ色素としては、他にも、下記化学式（D-2）のＤＣＭ２（ジアノメチレンピラン誘導体：赤色）、下記化学式（D-3）のＣｏｕｍａｒｉｎ６（緑色）および下記化学式（D-4）のＰｅｒｙｌｅｎｅ（青色）を例示できる。また、ホスト材としては、他にも、下記化学式（H-4）のＵＧＨ１や下記化学式（H-5）のＵＧＨ２などのアリールシランを例示できる。
【００１７】
【化１】
【００１８】
【化２】
【００１９】
前記陰極は、前記有機半導体レーザ活性層側に配置された厚さ１０ｎｍ未満（好ましくは、３．０ｎｍ以下、さらに好ましくは、２．５ｎｍ以下）の金属層及び金属含有薄膜層、およびこの金属含有薄膜層に積層された第２透明導電膜を有する積層構造膜からなっていてもよい。
この構成によれば、有機半導体レーザ活性層に電子を供給する陰極は、有機半導体レーザ活性層側に厚さ１０ｎｍ未満の金属層及び金属含有薄膜層を配置するとともに、この金属含有薄膜層に第２透明導電膜を積層した積層構造膜で構成されている。これにより、陰極における光伝播損失を抑える一方で、第２透明導電膜の形成時における有機半導体レーザ活性層表面のダメージを抑制し、併せて、第２透明導電膜から有機半導体レーザ活性層への電子注入障壁を金属含有薄膜層によって緩和することができ、電子注入効率を高めることができる。このようにして、電流励起による増幅自然放出のためのしきい値（ＡＳＥしきい値）を小さくすることができるので、電流励起によるレーザ発振に有利な構成とすることができる。
【００２０】
金属層及び金属含有薄膜層に積層される第２透明導電膜の膜厚は、この第２透明導電膜における光伝播損失を抑制するためには、４０ｎｍ以下とすることが好ましく、３０ｎｍ以下の膜厚とすることがより好ましい。
陽極を構成する第１透明導電膜についても同様な理由で、１００ｎｍ以下の膜厚とすることが好ましく、３０ｎｍ以下の膜厚とすればより好ましい。
【００２１】
第１および第２透明導電膜の材料としては、たとえばＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）またはＺｎＯ（酸化亜鉛）などの透明な導電材料を例示できる。
前記金属層及び金属含有薄膜層は、ＭｇＡｇ合金、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの一種以上を含むことが好ましい。これらの金属は、有機半導体レーザ活性層への電子注入障壁を緩和し、電子注入効率を高めることができる材料である。アルカリ金属には、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒが含まれる。また、アルカリ土類金属には、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａが含まれる。
【００２２】
また、前記金属含有薄膜層は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの一種以上と有機物との混合物を含むものであってもよい。上記有機物としては、ＢＰＣ（フェナンスレン誘導体）、Ｂｐｈｅｎ（バソキュプロイン誘導体）、アルミニウムキノリン誘導体、トリアゾール誘導体などを例示することができる。
このような材料も、有機半導体レーザ活性層への電子注入障壁を緩和することができ、電子注入効率を高めることができる。それとともに、第２透明導電膜を形成するときに、有機半導体レーザ活性層をダメージから保護することができる。
【００２３】
請求項６記載の発明は、有機半導体発光層と、第１透明導電膜を有し、前記有機半導体発光層に正孔を供給する陽極と、第２透明導電膜を有し、前記有機半導体発光層に電子を供給する陰極と、前記陽極または陰極を支持する基板とを含み、前記基板が、シリコン、化合物半導体、金属、グラファイト、ダイヤモンド、セラミックスおよびアモルファスカーボンよりなる群から選択した１種以上の材料を含むことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス装置である。この構成により、高電流密度での駆動が可能であり、したがって、高輝度発光が可能な有機エレクトロルミネッセンス装置を実現できる。有機半導体発光層は、前述の有機半導体レーザ活性層と同様に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この有機半導体レーザ装置は、透明基板１０によって支持された第１透明導電膜としての陽極１上に有機半導体レーザ活性層２を積層し、さらに、この有機半導体レーザ活性層２上に陰極３を積層して構成されている。陰極３は、有機半導体レーザ活性層２に接する超薄膜ＭｇＡｇ層３１とこの超薄膜ＭｇＡｇ層３１に積層された透明導電膜（第２透明導電膜）３２との積層構造膜からなっている。すなわち、透明導電膜３２は、超薄膜ＭｇＡｇ層３１を挟んで有機半導体レーザ活性層２上に配置されている。陽極１および透明導電膜３２は、この実施形態では、いずれもＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなっていて、陽極１は、たとえば３０ｎｍの膜厚を有し、透明導電膜３２は、たとえば２０ｎｍの膜厚とされている。そして、超薄膜ＭｇＡｇ層３１は、たとえば２．５ｎｍの膜厚とされている。
【００２５】
透明基板１０は、たとえばサファイヤ基板からなっており、その熱伝導率は、４６Ｗ／ｍ・Ｋである。
有機半導体レーザ活性層２は、陽極１側から順に正孔輸送層２１、発光層２２（活性層）、および電子輸送層２２を積層して構成されており、これらはいずれも有機半導体材料からなっている。より具体的には、正孔輸送層２１は、たとえば、α−ＮＰＤからなり、その膜厚は、たとえば２０ｎｍとされる。また、発光層２２は、ＢＳＢをレーザ色素とし、ＣＢＰをホスト材とした有機半導体混合物層からなっており、その膜厚は、たとえば７０ｎｍとされる。ＢＳＢの含有量は、たとえば６重量％とされる。
【００２６】
電子輸送層２３は、この実施形態では、発光層２２に接する第１電子輸送層２３１（正孔ブロック層）を形成するＢＣＰ層（膜厚２０ｎｍ）と、この第１電子輸送層２３１と陰極３との間にはさまれた第２電子輸送層２３２を構成するＡｌｑ3（たとえば膜厚２０ｎｍ）との積層構造となっている。
このように、有機半導体レーザ活性層２は、正孔輸送層２１および電子輸送層２３によって発光層２２を挟持したダブルヘテロ構造を有している。そして、ＣＢＰ：ＢＳＢからなる発光層２２の屈折率はｎ＝１．８４であり、陽極１側において発光層２２に接する正孔輸送層２１の屈折率はｎ＝１．８１であり、陰極１側において発光層２２に接合されている第１電子輸送層２３１を構成するＢＣＰの屈折率ｎはｎ＝１．６６である。すなわち、発光層２２は、その両側に配置された正孔輸送層２１および第１電子輸送層２３１のいずれよりも屈折率ｎが高く、したがって、この発光層２２内に光が閉じ込められ易い構造となっている。換言すれば、発光層２２は、光閉じ込め層としての正孔輸送層２１および第１電子輸送層２３１に挟持されているといえる。
【００２７】
また、ＨＯＭＯエネルギーレベルとＬＵＭＯエネルギーレベルとの間のエネルギーギャップは、発光層２２を構成するＣＢＰ：ＢＳＢが最も大きく、この発光層２２に隣接する正孔輸送層２１および第１電子輸送層２３１のエネルギーギャップは、発光層２２のエネルギーギャップよりも小さくなっている。これにより、発光層２２内にキャリヤが閉じ込められ易い構造となっている。すなわち、正孔輸送層２１および第１電子輸送層２３１は、キャリヤ閉じ込め層としての機能をも有している。
【００２８】
この実施形態に係る有機半導体レーザ装置によれば、有機半導体レーザ活性層２上に超薄膜ＭｇＡｇ層３１を挟んで透明導電膜３２を配置しているため、厚い金属膜によって陰極を構成する場合に比較して、光伝播損失を格段に抑制することができる。しかも、超薄膜ＭｇＡｇ層３１を有機半導体レーザ活性層２の表面に形成していることによって、電子注入障壁が緩和されているとともに、透明導電膜３２を形成するときのダメージから有機半導体レーザ活性層２の表面を保護することができる。これによって、陰極３から有機半導体レーザ活性層２への電子注入効率を高めることができる。
【００２９】
このようにして、増幅自然放出（ＡＳＥ）を生じさせるためのしきい値（ＡＳＥしきい値）を低くすることができるので、陽極１から有機半導体レーザ活性層２に正孔を注入するとともに、陰極３から有機半導体レーザ活性層２に電子を注入することにより、電流励起によるレーザ発振を生じさせることができる。すなわち、陽極１から注入された正孔は、正孔輸送層２１によって発光層２２へと輸送され、陰極３から注入された電子は、電子輸送層２３によって発光層２２へと輸送される。この発光層２２内では、正孔および電子の再結合が生じ、これに伴う発光が起こる。これに伴う光は、発光層２２と正孔輸送層２１および電子輸送層２３との各界面、ならびに正孔輸送層２１と陽極１との界面、ならびに陰極３と電子輸送層２３との界面における反射を繰り返すことによって増幅され、端面７から放出されることになる。
【００３０】
透明基板１０に、高熱伝導率を有するサファイヤ基板を適用することにより、放熱性が格段に向上されているので、有機半導体レーザ活性層２に高い電流密度で電流を注入しても、有機半導体レーザ活性層２の熱破壊が生じることがなく、電流励起による増幅自然放出を生じさせることができる。
この実施形態の有機半導体レーザ装置は、電流励起ではなく、光励起によってレーザ発振を生じさせることも可能である。すなわち、透明基板１０側または陰極３側から、ポンピングレーザ光８を入射することにより、有機半導体レーザ活性層２内でレーザ光が繰り返し反射されて増幅される。これにより、端面７からレーザ光を取り出すことができる。
【００３１】
なお、図１の実施形態では、透明基板１０上に陽極１が支持されているが、透明基板によって陰極３側を支持する構成としてもよい。
また、図１の構成は、レーザ発振のために用いるのではなく、有機エレクトロルミネッセンス装置として用いることもできる。この場合、高電流密度での駆動が可能なので、高輝度での発光を実現できる。
【００３２】
図２は、この発明の他の実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この図２において、上述の図１に示された各部に対応する部分には、図１の場合と同一の参照符号を付して示す。この実施形態では、陽極１を支持する基板１５は、高熱伝導率の不透明な基板からなっている。具体的には、たとえば、基板１５は、シリコン基板（熱伝導率１４８Ｗ／ｍ・Ｋ）や、銅（熱伝導率３９０Ｗ／ｍ・Ｋ）等の金属で構成されている。この不透明な基板１５の表面には、透明な光閉じ込め層１６が形成されており、この光閉じ込め層１６上に陽極１が配置されている。
【００３３】
光閉じ込め層１６は、その基板１５との間の界面における反射率を最大とするために、その膜厚がλ／２ｎ以上（λは有機半導体レーザ活性層の発光波長、ｎは光閉じ込め層１６の屈折率）とされることが好ましい。より具体的には、有機半導体レーザ活性層２からの発光波長λ＝５００ｎｍの場合であって、光閉じ込め層１６を酸化シリコン（ｎ＝１．５）で構成する場合には、光閉じ込め層１６の膜厚を１７０ｎｍ程度とすればよい。光閉じ込め層１６は、酸化シリコンの他にも、アルミナ、サファイヤ、ダイヤモンド、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、セラミックスなどで構成することができる。
【００３４】
このようにして、不透明な基板１５を用いる場合であっても、光閉じ込め層１６を基板１５と陽極１との間に介在させることによって、光伝播損失を抑制して、レーザ発振のためのしきい値を低く維持することができる。それとともに、高熱伝導率が求められる基板材料の選択の幅が広がるから、より大きな電流密度で有機半導体レーザ活性層２に電流を注入することができる。
【００３５】
なお、図２の実施形態では、基板１５上に光閉じ込め層１６を介して陽極１が支持されているが、基板１５および光閉じ込め層１６を陰極３側に配置し、これらによって陰極３を支持する構成としてもよい。
また、図２の構成も、レーザ発振のために用いるのではなく、有機エレクトロルミネッセンス装置として用いることもでき、高電流密度での駆動が可能なので、高輝度での発光が可能となる。
［参考例１］
【００３６】
透明基板１０としてガラス基板を用いて、参考例１としての有機半導体レーザ装置を作製した。具体的には、ガラス基板の表面に、３×１０-3Ｐａ程度の真空中で、３０ｎｍの膜厚のＩＴＯを陽極１として堆積させた。このＩＴＯからなる陽極１上に、真空蒸着により、有機半導体レーザ活性層２を構成する４つの有機層２１，２２，２３１，２３２を順に形成した。正孔輸送層２１は、膜厚２０ｎｍのα−ＮＰＤとした。発光層２２は、レーザ色素としてのＢＳＢを、ホスト材料としてのＣＢＰ中に６重量％添加するように、共蒸着によって作製し、その膜厚を７０ｎｍとした。第１電子輸送層（正孔ブロック層）２３１としては、２０ｎｍの膜厚のＢＣＰを堆積し、第２電子輸送層（電子注入層）２３２としては、膜厚２０ｎｍのＡｌｑ3を堆積した。
【００３７】
陰極３は、３×１０-3Ｐａ程度の真空中における蒸着によって膜厚２．５ｎｍの超薄膜ＭｇＡｇ層３１を有機半導体レーザ活性層２上に堆積させ、その後、１×１０-1Ｐａの真空中で、アルゴン（１１．４sccm）および酸素（０．６sccm）のガスフロー中で、マグネトロンスパッタリングにより、ＩＴＯからなる透明導電膜３２を形成した。その膜厚は、２０ｎｍとした。
【００３８】
陰極３の形成に先立って、ガラスからなる透明基板１０側からポンピングレーザ光８を入射して光励起によるレーザ発振を行わせたところ、ＡＳＥしきい値Ｅth＝４．７±０．９μＪ／ｃｍ2であった。陰極３を形成した後に、同様の測定を行ったところ、ＡＳＥしきい値Ｅth＝５．１±１．０μＪ／ｃｍ2であり、超薄膜ＭｇＡｇ層３１および透明導電膜３２の積層膜からなる陰極３の形成によっても、ほとんど光伝播損失が増加しないことが確認された。
【００３９】
図３は、前記のようにして作製された参考例１の構成（陰極３を形成したもの）の有機半導体レーザ装置において、種々の励起光強度（Excitation intensity）における波長（Wavelength）に対する放出強度（Emission intensity）の特性（すなわち、発光スペクトル）を測定した結果を示す。また、図４には、前記の参考例１の有機半導体レーザ装置における励起光強度に対する放射光強度の測定結果が示されている。
【００４０】
下記表１には、ＩＴＯからなる透明導電膜３２の膜厚を複数種類に設定して、ＡＳＥしきい値を測定した結果が示されている。この測定は、超薄膜ＭｇＡｇ層３１の膜厚を２．５ｎｍに固定して行った。
この表１から、ＩＴＯからなる透明導電膜３２の膜厚が２０ｎｍおよび３０ｎｍのときには明確なＡＳＥしきい値が観測されたのに対して、透明導電膜３２の膜厚を４０ｎｍとしたときには、ＡＳＥしきい値が不明確になり、したがって、透明導電膜３２の膜厚を４０ｎｍを超える値に設定すると、光伝播損失が大きくなって、光増幅が阻害されることがわかる。
【００４１】
【表１】
【００４２】
下記表２は、ＩＴＯからなる透明導電膜３２の膜厚を３０ｎｍに固定して、超薄膜ＭｇＡｇ層３１の膜厚を種々に変化させて、ＡＳＥしきい値を測定した結果が示されている。この表２から、超薄膜ＭｇＡｇ層３１の膜厚を３．０ｎｍとするとＡＳＥしきい値が不明確となり、したがって、この超薄膜ＭｇＡｇ層の膜厚を３．０ｎｍを超えて設定すれば、光伝播損失が大きくなって、光増幅が阻害されることが理解される。
【００４３】
【表２】
【００４４】
さらに、透明基板１０としてガラス基板を用いた前記の構成の有機半導体レーザ装置に対して、電流励起による増幅自然放出を試みた。比較例として、陰極電極に１０ｎｍの膜厚のＡｇ層と１００ｎｍの膜厚のＭｇＡｇ層との積層構造を用い、他の構成については上記の参考例１の通りに作製した装置を用意した。
図５には、前記参考例１の装置と、前記比較例の装置とに関して、電圧に対する電流密度の変化を測定した結果が示されている。この図５には、前記参考例１の装置および比較例の装置に関して、電流密度に対する外部量子効率を測定した結果が併せて示されている。この図５から、参考例１の装置の場合には、比較例の装置に比較して、しきい値電圧Ｖthが増加するものの、高い外部量子効率３．６％（電流密度Ｊ＝０．１mA/cm2が達成されていることがわかる。
【００４５】
光励起によるＡＳＥしきい値Ｅth＝１２．８±２．６μＪ／ｃｍ2（ＭｇＡｇ層の膜厚を２．５ｎｍとし、透明導電膜３２の膜厚を３０ｎｍとした場合）から、電流励起による増幅自然放出を生じさせるために必要な電流密度を見積もると、３８４０Ａ／ｃｍ2となる。
［参考例２］
【００４６】
サファイヤ基板上に陽極としてのＩＴＯ膜（膜厚１１０ｎｍ）、ＣｕＰｃ（銅フタロシアニン）層（膜厚２５ｎｍ）、陰極としてのＭｇＡｇ層（膜厚１００ｎｍ）および同じく陰極としてのＡｇ層（膜厚１０ｎｍ）を積層して、有機半導体装置を作製した。この有機半導体装置に関して、電圧（Voltage）に対する電流密度（Current density）の特性を測定した結果を図６に示す。陰極は円形に形成し、その半径ｒを２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍとした場合の各特性を測定した。この図７から、電流密度４０２６Ａ／ｃｍ2（陰極半径ｒ＝２５μｍのとき）を達成でき、素子の破壊が生じていないことが理解される。
［参考例３］
【００４７】
シリコン基板上に、陽極としてのＩＴＯ膜（膜厚１１０ｎｍ）、有機半導体層としてのＣｕＰｃ層（膜厚２５ｎｍ）、陰極としてのＭｇＡｇ層（膜厚１００ｎｍ）および同じく陰極としてのＡｇ層（１０ｎｍ）を積層して、有機半導体装置を作製した。この有機半導体装置に対して、電圧対電流密度特性を測定した。陰極は円形に形成し、その半径ｒを２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍとした場合の各特性を測定した。測定結果を、図７に示す。この図７から、電流密度１２２２２Ａ／ｃｍ2（陰極半径ｒ＝２５μｍのとき）が達成され、かつ、素子の破壊が生じないことが理解される。
【００４８】
上記参考例２および３から、透明基板１０として、サファイヤやシリコンのように高熱伝導率を示す材料を適用することによって、電流励起による増幅自然放出に必要な電流密度を、素子の破壊を生じさせることなく実現できることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の一実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明するための図解的な断面図である。
【図２】この発明の他の実施形態に係る有機半導体レーザ装置の構成を説明するための図解的な断面図である。
【図３】図１の構成の有機半導体レーザ装置において、種々の励起光強度における波長に対する放出強度の特性を測定した結果を示す特性図である。
【図４】図１の構成の有機半導体レーザ装置における励起光強度に対する放射光強度の測定結果を示す図である。
【図５】参考例の装置と比較例の装置とに関して、電圧に対する電流密度の変化を測定した結果を示す図である。
【図６】サファイヤ基板を用いた参考例の有機半導体装置に関して、電圧に対する電流密度の特性を測定した結果を示す図である。
【図７】シリコン基板を用いた参考例の有機半導体装置に関して、電圧に対する電流密度の特性を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 第１透明導電膜としての陽極
２ 有機半導体レーザ活性層
３ 陰極
７ 端面
８ ポンピングレーザ光
１０ 透明基板
１５ 基板
１６ 光閉じ込め層
２１ 正孔輸送層
２２ 電子輸送層
２２ 発光層
２３ 電子輸送層
２３１ 第１電子輸送層（正孔ブロック層）
２３２ 第２電子輸送層（電子注入層）
３１ 超薄膜ＭｇＡｇ層
３２ 透明導電膜（第２透明導電膜）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機半導体レーザ活性層と、
第１透明導電膜を有し、前記有機半導体レーザ活性層に正孔を供給する陽極と、
第２透明導電膜を有し、前記有機半導体レーザ活性層に電子を供給する陰極と、
熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなり、前記陽極または陰極を支持する基板とを含むことを特徴とする有機半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記基板が透明基板であることを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記基板が不透明基板であり、この基板上に透明な光閉じこめ層を介して前記陽極または陰極が積層されていることを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記基板がサファイヤ、シリコン、化合物半導体、金属、グラファイト、ダイヤモンド、セラミックスおよびアモルファスカーボンよりなる群から選択した１種以上の材料を含むことを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記有機半導体レーザ活性層は、
前記陰極から電子の供給を受ける電子輸送層と、
前記陽極から正孔の供給を受ける正孔輸送層と、
前記電子輸送層および前記正孔輸送層の間に配置され、前記電子輸送層および正孔輸送層よりも屈折率の大きな発光層とを含むものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の有機半導体レーザ装置。
【請求項６】
有機半導体発光層と、
第１透明導電膜を有し、前記有機半導体発光層に正孔を供給する陽極と、
第２透明導電膜を有し、前記有機半導体発光層に電子を供給する陰極と、
前記陽極または陰極を支持する基板とを含み、
前記基板が、シリコン、化合物半導体、金属、グラファイト、ダイヤモンド、セラミックスおよびアモルファスカーボンよりなる群から選択した１種以上の材料を含むことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス装置。
【請求項１】
有機半導体レーザ活性層と、
第１透明導電膜を有し、前記有機半導体レーザ活性層に正孔を供給する陽極と、
第２透明導電膜を有し、前記有機半導体レーザ活性層に電子を供給する陰極と、
熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなり、前記陽極または陰極を支持する基板とを含むことを特徴とする有機半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記基板が透明基板であることを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記基板が不透明基板であり、この基板上に透明な光閉じこめ層を介して前記陽極または陰極が積層されていることを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記基板がサファイヤ、シリコン、化合物半導体、金属、グラファイト、ダイヤモンド、セラミックスおよびアモルファスカーボンよりなる群から選択した１種以上の材料を含むことを特徴とする請求項１記載の有機半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記有機半導体レーザ活性層は、
前記陰極から電子の供給を受ける電子輸送層と、
前記陽極から正孔の供給を受ける正孔輸送層と、
前記電子輸送層および前記正孔輸送層の間に配置され、前記電子輸送層および正孔輸送層よりも屈折率の大きな発光層とを含むものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の有機半導体レーザ装置。
【請求項６】
有機半導体発光層と、
第１透明導電膜を有し、前記有機半導体発光層に正孔を供給する陽極と、
第２透明導電膜を有し、前記有機半導体発光層に電子を供給する陰極と、
前記陽極または陰極を支持する基板とを含み、
前記基板が、シリコン、化合物半導体、金属、グラファイト、ダイヤモンド、セラミックスおよびアモルファスカーボンよりなる群から選択した１種以上の材料を含むことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−３２９１４１（Ｐ２００７−３２９１４１Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２４１１４５（Ｐ２００４−２４１１４５）
【出願日】平成１６年８月２０日（２００４．８．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年２月２３日 アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジックス発行の「アプライド・フィジックス・レターズ 第８４巻 第８号」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年３月２８日 社団法人応用物理学会発行の「２００４年（平成１６年）春季 第５１回 応用物理学関係連合講演会講演予稿集 第３分冊」に発表
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２０日（２００４．８．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年２月２３日 アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジックス発行の「アプライド・フィジックス・レターズ 第８４巻 第８号」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年３月２８日 社団法人応用物理学会発行の「２００４年（平成１６年）春季 第５１回 応用物理学関係連合講演会講演予稿集 第３分冊」に発表
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
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