赤外線放射を感知する方法および装置
本発明の実施形態は、赤外線（ＩＲ）放射を感知する方法および装置に関する。特定の実施形態において、暗視デバイスは数層の有機薄膜を積層することによって製造することができる。本デバイスの実施形態は、１０〜１５ボルトの範囲の電圧で動作可能であり、従来の暗視デバイスと比較して、製造コストがより低い。本デバイスの実施形態は、有機光トランジスタと有機発光デバイスを直列に組み合わせることができる。特定の実施形態において、全ての電極は赤外光に対し透過性である。ＩＲ感知層はＯＬＥＤと組み合わされて、ＩＲ−可視色アップコンバージョンを提供することができる。暗電流特性の改善は、ＩＲ感知層の一部として正孔の少ない輸送層を組み込むことによって達成することができる。
【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、２００９年１１月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／２６４，０７１号の利益を主張するものであり、いかなる図、表または図面をも含めて、その全体が本明細書に参照により組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
既存の夜間明視装置は、非常に高い動作電圧を必要とし、数千ドルの費用がかかる。典型的な夜間明視装置は、専用の光源に頼る代わりに既存の光を増強する複雑な電気光学デバイスである。夜間明視装置は、可視光から赤外線まで、幅広いスペクトルの光を感知することができる。典型的な構成において、対物レンズと呼ばれる従来のレンズは、環境光や多少の近赤外光も捕らえる。集められた光は、その後、イメージ増幅管に送られる。管からは、通常約５，０００ボルトの高電圧が管構成要素に出力される。イメージ増幅管は、光カソードを使って、光エネルギーの光子を電子に変換することができる。電子が管を通り抜けると、より多くの電子が管内の原子から放出され、その結果、電子はもとの数の数千倍となり得る。この増加を実現する方法の１つは、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）を使うことである。ＭＣＰは、光カソードからの電子がＭＣＰの第１の電極に当たった際に、高電圧（約５，０００ボルト）バーストが電極対の電極間で送られることによって、電子がガラスマイクロチャンネル内に加速され得るように管内に配置される。電子がマイクロチャンネルを通り抜けると、それら電子は、カスケード二次放出と呼ばれる処理を使って、各チャンネルで他の電子の放出をもたらす。これらの新しい電子も他の原子とぶつかり、連鎖反応を起こし、その連鎖反応によって、ほんの少数のみが入り込んだチャンネルから数千の電子が出るようにできる。
【０００３】
イメージ増幅管は、管の端でカスケード電子が蛍光物質で覆われたスクリーンに当たるように配置することができる。これらの電子は、それらが通過したチャンネルに関連して、その位置を維持する。電子のエネルギーにより蛍光物質は励起状態に達し、光子の放出をもたらす。これらの蛍光物質は、スクリーン上に暗視を特徴づける緑色の画像を生成する。電子はもとの光子と同じ配置で留まるため、信頼できる画像を生成することができる。緑色の蛍光画像は、ユーザが画像を拡大および焦点を合わせることができる接眼レンズと呼ばれる他のレンズを通して見ることができる。暗視デバイスは、モニタなどの電子ディスプレイに接続することができ、画像は接眼レンズを通して直接見ることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、光アップコンバージョンデバイスが非常に多くの研究的な関心を集めており、これは、半導体ウェハ検査とともに、暗視、距離測定、セキュリティーにおける潜在用途のためである。初期の近赤外（ＮＩＲ）アップコンバージョンデバイスは、ほとんどが無機半導体のヘテロ接合構造に基づいていた。これらのデバイスは、直列な２つの部分からなり、一方は光検出のため、もう一方は発光のためのものである。アップコンバージョンデバイスは、主に、光検出方法によって区別される。しかしながら、最近のデバイスでのアップコンバージョン効率は、非常に低い状態が続いている。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）と半導体ベースの光検出器を一体化したある近赤外−可視光アップコンバージョンデバイスは、最大外部変換効率０．０４８（４．８％）Ｗ／Ｗを示したに過ぎない。無機ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ光検出器と有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を一体化したハイブリッド無機／有機アップコンバージョンデバイスでさえ、外部変換効率０．７％Ｗ／Ｗを示すに過ぎない。更に、現在の無機およびハイブリッドアップコンバージョンデバイスは、製造に高い費用がかかり、それらのデバイスを製造するために使われる処理は、大面積用途との適合性がない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は赤外線（ＩＲ）放射を感知する方法および装置に関する。ＩＲ放射を感知するための特定の実施形態は、暗電流特性の改善をもたらす。一実施形態は、全有機デバイスに組み込むことができる。１つの実施形態において、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）と有機光検出器を１つのデバイスに統合することによって製造可能となる全有機アップコンバージョンデバイスが提供される。本発明の一実施形態によるＯＬＥＤのＩＲ感知層は、正孔の少ない輸送層で形成することができる。ある実施形態において、ＩＲ感知層は、ＯＬＥＤに組み込むことができ、ＩＲ−可視色アップコンバージョンを提供する。
【０００６】
特定の実施形態において、暗視デバイスは、数層の有機薄膜を積層することによって製造することができる。本デバイスの実施形態は、１０〜１５ボルトの範囲の電圧で動作可能であり、従来の暗視デバイスと比較して、製造コストがより低い。デバイスの実施形態は、有機光トランジスタと有機発光デバイスを直列に組み合わせることができる。特定の実施形態において、全電極は、赤外光に対し透過性である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態による赤外線感知アップコンバージョンデバイスのエネルギーバンド図である。
【図２】１つの電子から複数の光子を生成することを可能にする、本発明の一実施形態によるデバイスの構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるアップコンバージョンデバイスの動作を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による別の赤外線感知アップコンバージョンデバイスのエネルギーバンド図である。
【図５】図４のデバイスの構造図である。
【図６Ａ】図４のデバイスの光−電流−電圧特性を示し、デバイスが暗所にある場合の特性を示す図である。
【図６Ｂ】図４のデバイスの光−電流−電圧特性を示し、デバイスが赤外線放射にさらされた場合の特性を示す図である。
【図７Ａ】制御有機発光デバイスの電流効率を示す図である。
【図７Ｂ】図４のデバイスの電流効率を示す図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態による１００ｎｍ厚の純ＳｎＰｃ膜と、１００ｎｍ厚のＳｎＰｃ：Ｃ60の混合膜の吸光スペクトルを示す図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態による制御ＯＬＥＤ（図７Ａの挿入図に示す）および２つのアップコンバージョンデバイスの暗Ｉ−Ｖ特性を示す図であり、一方のデバイスは１００ｎｍ厚の純ＳｎＰｃ膜を備え、他方のデバイスは１００ｎｍ厚のＳｎＰｃ：Ｃ60混合膜を備える。
【図９Ａ】暗所および光（赤外線）放射下での本発明の一実施形態による赤外線−緑色光アップコンバージョンデバイスの光−電流−電圧特性を示す図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態による赤外線−緑色光アップコンバージョンデバイスに対する電流密度の関数として、オン／オフ比のプロットを示す図である。
【図１０Ａ】図５のデバイスの光子−光子変換効率を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の別の実施形態の量子効率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態は、赤外線（ＩＲ）放射を感知する方法および装置に関する。本発明の一実施形態は、ＯＬＥＤと有機光検出器を１つのデバイスに統合することによって製造することができる全有機アップコンバージョンデバイスを提供する。軽量基板、凹凸基板、または柔軟なプラスチック基板と整合性があるため、本発明の実施形態による全有機アップコンバージョンデバイスは、暗視、距離測定、セキュリティー、および半導体ウェハ検査を含むがそれらに限定されない多数の用途で使用可能である。
【０００９】
特定の実施形態において、暗視デバイスは数層の有機薄膜を積層することによって製造することができる。本デバイスの実施形態は、１０〜１５ボルトの範囲の電圧で動作可能であり、従来の暗視デバイスと比較して、製造コストがより低い。特定の実施形態において、全電極は赤外光に対して透過性である。
【００１０】
サーマルイメージングのための撮像デバイスの波長は、材料の選択によって調整することができる。特定の実施形態において、撮像デバイスは、ＩＲ感知可能である３つの層を有する赤外線吸収層を備える。一実施形態では、タンデム発光デバイス（ＬＥＤ）を組み込むことができ、そのタンデム発光デバイスは積層内に複数のＬＥＤを備える。特定の実施形態において、１つの光子が撮像デバイスに入り、積層内の５つのＬＥＤを通り、出力として５つの光子を生成する。ともに積層された５つのＬＥＤは、単一のＬＥＤよりも高い電圧を使用するが、それでもデバイスを低い電圧で動作可能にすることができる。５つの積層されたＬＥＤによって、単一のＬＥＤを備えるデバイスよりも撮像デバイスが厚くなることがあり、したがって、ノイズに対する感受性がより低い。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態において組み込むことができるＩＲ感知アップコンバージョンデバイスのエネルギーバンド図を示す。
【００１２】
図１に示すデバイスのような、本発明によるＩＲ感知デバイスの実施形態は、ＩＲ増感体またはＩＲ感知層、および発光デバイスの２つの部分を備えることができる。一実施形態において、図１に示すデバイスの最大量子効率は、１００％である。本発明の一実施形態において、性能を向上させるために、デバイスはタンデム構造を備えて製造される。
【００１３】
図２は、本発明の一実施形態による、ＩＲ感知層とＬＥＤを組み込んだ、そのようなタンデム構造を有するデバイスを示す。この構造では、１つの電子は複数の光子を生成することができる。このデバイス構成を組み込むことで、デバイスの出力は利得を得るために高めることができる。デバイスの厚さが増すため、暗電流を低くすることができ、デバイス性能を実質的に改善することができる。
【００１４】
図３は、本発明の一実施形態によるアップコンバージョンデバイスの動作を示す。図示のように、ＩＲ波長の光は、ガラス、または別の適切な透明もしくは半透明材料などの、透明、または半透明基板を通ってデバイスに入ることができる。その後、光子は、第１透明（または、半透明）電極を通り、ＩＲ感知層に当たることができる。ＩＲ感知層は、特定の実施形態において、０．８μｍ〜２μｍの範囲で感受性を示すことができる。更に特定の実施形態において、ＩＲ感知層は、７００ｎｍから１４μｍの範囲、１μｍから４μｍの範囲、および１μｍから３μｍの範囲の波長で感受性を示すことができる。その後、ＩＲ感知層は、電子および正孔などのキャリアを生成することができ、そのような電子または正孔は、ＬＥＤの積層に渡される。図３において、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）が示されているが、本発明において他の発光デバイスを使ってもよい。特定の実施形態において、ＬＥＤは透明、または半透明である。ＩＲ感知層からの電子などのキャリアが第１のＬＥＤ（図３におけるＯＬＥＤ）に入り、それに対応する正孔などのキャリアと結合すると、光子が生成され、デバイスを通り抜けることができる。第１および第２のＬＥＤ（図３におけるＯＬＥＤ１およびＯＬＥＤ２）の間の電荷分離層において、正孔が第１のＬＥＤに入り、ＩＲ感知層から第１のＬＥＤに入る電子と結合して光子を生成することができるよう、電子および正孔が生成される。ここで、５つのＬＥＤは直列に示されており、したがって、デバイスに入る各光子に対して５つの光子が生成され得る。ＬＥＤは同一でも異なっていてもよい。以下に記載するように、ＬＥＤは薄膜として製造することができる。したがって、複数のＬＥＤは、扱いにくいデバイスを製造することなく積層することができる。特定の実施形態において、３から８個のＬＥＤを直列に積層することができる。他の実施形態において、より多くのＬＥＤを積層することができる。追加のＬＥＤが積層されると、利得が高くなくてもノイズを削減することができる。
【００１５】
図３を参照すると、特定の実施形態において、正孔ブロック層（図３では図示しない）を、ＩＲ放射が入る透明電極とＩＲ感知層の間に追加することができる。そのような層は、透明電極からＩＲ感知層に、および／またはＩＲ感知層から透明電極に正孔が通ることをブロックすることができる。そのような正孔ブロック層を組み込んでいる特定の実施形態は、ＺｎＯナノ粒子、ＴｉＯ2ナノ粒子、または当分野において周知である他の適切な材料を使用することができる。ＺｎＯナノ粒子またはＴｉＯ2ナノ粒子、および／またはＺｎＯ層またはＴｉＯ2層は、ＩＲ感知層を追加する前に透明電極に積層させることができる。
【００１６】
図３に示すように、特定の実施形態において、第２の透明（または半透明）電極、またはカソードは、ＬＥＤ積層の別の側に配置することができる。本実施形態において、電極対の間の電位は、ＩＲ感知層から第１のＬＥＤに正孔などのキャリアを動かすことができ、電子や正孔が生成される各電荷分離層からＬＥＤに入りカソード電極へ向けて正孔を動かすことができる。同じように、カソードによって注入された電子は第５のＬＥＤの中に動かされ、電荷分離（生成）層で生成された電子はＬＥＤに入り、アノードに向けて動かされる。
【００１７】
透明電極は、（アルミニウムなどの）反射電極材を（インジウムスズ酸化物などの）透明材に交換することにより製造することができる。本発明の１つの実施形態において、層状ＣｓＣＯ3（１ｎｍ）／Ａｇ（１０ｎｍ）／ＩＴＯ（１００ｎｍ）電極は、頂部電極として使われる。ＣｓＣＯ3中間層は、カソード仕事関数を下げ、ＯＬＥＤの一部として使うことのできる材料であるフェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）の電導（ＬＵＭＯ）エネルギーと一致させる。薄Ａｇ層は導電性をもたらし、ＩＴＯ層はカプセル封止をもたらす。薄膜積層の実施形態は、９０％の光透過と５ｏｈｍ／ｓｑより低いシート抵抗を有し、これは、典型的なＩＴＯ電極より７０％低い。特定の実施形態において、ＭｇＡｇやＩＴＯの薄膜は、透明電極、例えば、最後の発光デバイスと接触する透明電極として使用することができる。薄膜は、特定の実施形態において、厚さ２０ｎｍ以下にすることができる。
【００１８】
任意の波長の可視光を生成するＯＬＥＤを作り出すことができる。１つの実施形態において、有機発光層は、それぞれ青色、緑色、赤色の光を発する３つの異なる色素分子を備える。デバイスにおける３つの色素分子の相対的な存在量を制御することによって、９０より大きな高演色評価数の白色光を得ることができる。別の実施形態において、３つの色素分子の相対的な存在量を変化させることによって、または異なる分子に送られる電力を変化させることによって、様々な色が得られる。
【００１９】
透明なＯＬＥＤの場合、やはり（インジウムスズ酸化物などの）透明材料をカソードとして使うことができる。このようにして、光子は積層ＯＬＥＤを通過することができる。これらデバイスで使われる有機材料は、これら材料のバンドギャップが高い（通常は３ｅＶより大きい）ため、可視スペクトルにおいてほぼ透明である。例外として、所望の発光を生成する色素分子を備えることができるが、その色素分子は、通常は厚さ１０〜３０ｎｍの発光層内にドーパント（典型的なドーピング濃度は約１〜１０ｗｔ％）として組み込むことができる。したがって、全ＯＬＥＤデバイスは、９０％以上の非常に高い透過性を達成することができる。
【００２０】
３重ドープ有機発光層を有する透明ＯＬＥＤの製造において、下地の有機層への損傷は、インジウムスズ酸化物透明カソードのスパッタ積層中に最小にすることができる。更に、低シート抵抗、および高透過性は透明電極に対して得ることができ、電極／有機インターフェースでの高効率電荷注入を達成することができる。上記のように、ＣｓＣＯ3／Ａｇ／ＩＴＯの複合電極は、ＯＬＥＤに対する透明電極として使うこともできる。更に、マイクロレンズアレイが基板表面に製造されて、その方向における光の抽出を高めることもできる。更に、９０より大きな演色評価数の高品質照明を提供するＯＬＥＤを作り出すことができる。
【００２１】
他の実施形態において、使用される電極とＬＥＤは、いくつかの波長の光に対して透過的であり、別の波長を吸収する。
【００２２】
ある実施形態によれば、光感知層は、ＰｂＳｅおよびＰｂＳ量子ドットなどの量子ドットを組み込むことができる。
【００２３】
特定の実施形態において、本アップコンバージョンデバイスは、夜間明視装置、または別の光増幅装置に組み込むことができる。他の実施形態において、緑色ＯＬＥＤは、緑色増幅画像を従来の夜間明視装置と同様に作り出すために使われる。
【００２４】
図４は、本発明の一実施形態による別のＩＲ感知アップコンバージョンデバイスのエネルギーバンド図を示す。一実施形態によれば、正孔の少ない注入および輸送層は、ＩＲ感知アップコンバージョンデバイスに組み込まれ、暗電流特性を改善することができる。特定の実施形態において、暗電流を削減し、したがってＳＮＲを改善するために、１ｍＡ／ｃｍ2より小さい電流密度を有する材料を、正孔注入および輸送層のために選択することができる。あまり好適ではない実施形態において、１ｍＡ／ｃｍ2以上の電流密度を有する材料を正孔注入および輸送層に使うことができ、暗電流が増え、ＳＮＲが減るように電圧を印加すると、電極からの正孔の注入が増加する。１つの実施形態において、正孔の少ない注入および正孔輸送を示すＳｎＰｃ：Ｃ60混合層により、デバイスは、ＩＲ照射無しに低暗電流を有することが可能になる。本実施形態において、ＩＲ放射にさらされない場合、ＯＬＥＤを本質的にオフにすることができる。
【００２５】
図５は、図４のデバイスの構造図を示す。
【００２６】
図５を参照すると、有機近赤外−可視アップコンバージョンデバイスは、ＮＩＲ増感体としてスズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）：Ｃ60バルクへテロ構造層を、蛍光エミッタとしてｆａｃ−トリス（２−フェニルピリジナト）イリジウム（ＩＩＩ）（ｌｒｐｐｙ3）層を使って提供することができる。蛍光エミッタを使うことによって、光生成は低エネルギーで実現することができ、エネルギー効率の良いＯＬＥＤを提供することができる。従来のＯＬＥＤ構造との違いの１つとして、本発明の一実施形態によるアップコンバージョンデバイスは、正孔の少ない輸送ＮＩＲ感光層を組み込み、デバイスをＩＲ照射の無いオフ状態に保つ。光励起すると、光生成正孔がＯＬＥＤに注入され、カソードから注入された電子と再結合され、可視光を放つ。
【００２７】
図６Ａおよび図６Ｂは、図５のデバイスの光−電流−電圧（Ｌ−Ｉ−Ｖ）特性を示す。ＣｕＰｃ：μh＝７ｘ１０-4ｃｍ2／Ｖｓ。ＳｎＰｃ：μh＝２ｘ１０-10ｃｍ2／Ｖｓ。図６Ａは、デバイスがいかなる赤外光にもさらされない場合の特性を示す。白丸は電流密度であり、黒丸は輝度である。図示のように、本実施形態において、赤外光照射無しでは、発光は１３Ｖまで観測されなかった。上記のように、本実施形態における高立ち上がり電圧は、ＳｎＰｃ：Ｃ60層からの少ない正孔注入のためである。
【００２８】
図６Ｂは、デバイスがＩＲ放射にさらされた場合の特性を示す。１４ｍＷ／ｃｍ2の８３０ｎｍレーザを、デバイスに照射するために使用した。図示のように、本実施形態において、ＯＬＥＤは、レーザからの赤外照明によって２．７Ｖで作動した。最大オン／オフ比は１２．７Ｖで１４００を超えた。
【００２９】
図７Ａおよび図７Ｂは、制御有機発光デバイス（図７Ａ）および図４のデバイス（図７Ｂ）の電流効率を示す。図示のように、本実施形態において、ＩＲ照明下での電流効率は、１００ｃｄ／Ａよりも大きい。電流効率がより高くなるにつれ、制御ＯＬＥＤは、依然、不均衡に帯電し、わずかに電子優勢であるということを示す。
【００３０】
本発明のある実施形態によれば、ＳｎＰｃ：Ｃ60バルクヘテロ構造層は、図８Ａに示すような強いＩＲ吸収、および図８Ｂに示すような正孔の少ない輸送特性のため、正孔の少ない輸送ＩＲ感光層に使われる。図８Ｂは、本発明の実施形態による制御ＯＬＥＤ（図７Ａの挿入図参照）およびＮＩＲ感光層を備えるアップコンバージョンデバイスの暗電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す。純ＳｎＰｃ層の追加により立ち上がり電圧は３Ｖから約５Ｖまで増加し、測定範囲にわたる動作電圧も約２Ｖ増加し、ＳｎＰｃの正孔の少ない輸送特性を示す。ＳｎＰｃ：Ｃ60混合膜の追加は、更に、動作電圧をもう２Ｖ増加する。制御ＯＬＥＤデバイスと比較すると、ＳｎＰｃ：Ｃ60混合層を備えるアップコンバージョンデバイスは、正孔電流の大幅な減少を示す。
【００３１】
図９Ａは、本発明の一実施形態による、正孔の少ない輸送ＮＩＲ感光層としてＳｎＰｃ：Ｃ60混合膜を備えるＮＩＲ−緑色アップコンバージョンデバイスの輝度−電流−電圧（Ｌ−Ｉ−Ｖ）特性を示す。赤外線照射無しでは、発光は電圧が１３Ｖに達するまで検出されず、１５Ｖで最大輝度（１ｃｄ／ｍ2）を示す。立ち上がり電圧が高いことは、ＳｎＰｃ：Ｃ60混合層からの正孔輸送が少ないことを示す。電流は、カソード接点から注入される電子によって支配することができる。ＮＩＲ光で照射すると、デバイスは、緑発光の発現と共に、２．７Ｖで作動し、１５Ｖで８５３ｃｄ／ｍ2の輝度を示した。したがって、ＩＲ光によるスイッチング効果は、図９Ｂに示すように顕著であり、様々な電圧でのオン／オフ比を提供する。図示のように、輝度強度の最大オン／オフ比は、１２．７Ｖで約１４００であった。
【００３２】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、図４のデバイスの光子−光子変換効率（図１０Ａ）、および本発明の別の実施形態の量子効率（ＱＥ）（図１０Ｂ）を示す。
【００３３】
入射ＩＲ光の光子から、放射された緑色光の光子への光子−光子変換効率（ηcon）は、以下の式で計算することができる。
【数１】
ここで、ｈはプランク定数、ｃは光の速度、λは光子波長、Ｉphotoは光電流、ｆは感光層に到達した光子の割合、Ｒ（λ）は光検出器の応答性、λIRは入射赤外波長、およびＰIRは入射赤外パワーである。
【００３４】
ここでも、１４ｍＷ／ｃｍ2の８３０ｎｍレーザを、デバイスを照射するために使用した。図示のように、図４のデバイスに対し、光子−光子変換効率は印加電圧が増えるにつれて増加し、光子−光子変換効率は１５Ｖで２．７％であった。このアップコンバージョン効率は、蛍光ＯＬＥＤを使用した以前に実証された全有機アップコンバージョンデバイスの効率より大幅に高い。
【００３５】
測定のためのアップコンバージョンデバイス構造において、図１０Ｂの挿入図に示すように、光検出器構造全体は使われない。それどころか、ＩＲ吸収層が正孔注入層として使われる。したがって、正確な外部量子効率は、ＩＲ光を入れてから電荷キャリアを取り出すまで測定されない。しかしながら、外部量子効率は、本光検出器構造を作ることによって間接的に測定される。図１０Ｂの挿入図に示すアップコンバージョンデバイスにおいて、厚さ２０ｎｍのＳｎＰｃ：Ｃ60混合層が単独で使われ、１４ｍＷ／ｃｍ2の８３０ｎｍＩＲレーザがＩＲ源として使われる。同じＩＲ照射および同じＩＲ吸収層の厚さで、５〜２０％の外部量子効率（ＥＱＥ）が得られた。
【００３６】
Ｉｒｐｐｙ3を基にしたＯＬＥＤのＥＱＥは、文献では、およそ２０％である。したがって、変換効率を計算すると、約１〜４％であり、実験に基づく変換効率と一致する。この変換効率は、赤色−緑色アップコンバージョンデバイスのものより、およそ１０倍高い。
【００３７】
「１つの実施形態」「一実施形態」「例示的な実施形態」等の本明細書におけるどのような言及も、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、または性質が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれるということを意味する。本明細書の様々な箇所において現れるそのようなフレーズは、必ずしも全てが同じ実施形態について言及しているわけではない。更に、特定の特徴、構造、または性質が任意の実施形態と関連して記載された場合、実施形態の別のものと関連したそのような特徴、構造、または性質を使用すること、または組み合わせることは、当業者の理解の範囲に入るものと考えられる。
【００３８】
本発明の実施形態に関する図および記述は簡略化してあり、本発明の明確な理解ために関連する要素は説明しているが、よく知られているであろう他の要素については、明確化のために省略していることが理解されよう。当業者は、他の要素が本発明を実現するために望ましいこと、および／または必要とされるであろうことを認識するであろう。しかしながら、そのような要素は当分野においてよく知られており、それらは本発明のより良い理解には供さないので、そのような要素の記述は本明細書では行わない。
【００３９】
例示として提供された上記の例によって、本発明と、本発明に関する多くの利点についての理解が深まるであろう。上記の例は、本発明の方法、用途、実施形態、および変形のうちのいくつかを例示したものである。当然ながら、それらは本発明を限定するものとみなされない。多数の変更および修正を、本発明に対して行うことができる。
【００４０】
本明細書において参照または引用された全ての特許、特許出願、仮出願、および刊行物は、本明細書の明白な教示と矛盾しない限りにおいて、全ての図および表を含む全内容が参照により本明細書に組み入れられる。
【００４１】
本明細書において記述された例および実施形態は、例示的な目的のためのものに過ぎず、それに照らして様々な修正または変更が当業者に示唆され、それらも本出願の趣旨および範囲に含まれると理解すべきである。
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２００９年１１月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／２６４，０７１号の利益を主張するものであり、いかなる図、表または図面をも含めて、その全体が本明細書に参照により組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
既存の夜間明視装置は、非常に高い動作電圧を必要とし、数千ドルの費用がかかる。典型的な夜間明視装置は、専用の光源に頼る代わりに既存の光を増強する複雑な電気光学デバイスである。夜間明視装置は、可視光から赤外線まで、幅広いスペクトルの光を感知することができる。典型的な構成において、対物レンズと呼ばれる従来のレンズは、環境光や多少の近赤外光も捕らえる。集められた光は、その後、イメージ増幅管に送られる。管からは、通常約５，０００ボルトの高電圧が管構成要素に出力される。イメージ増幅管は、光カソードを使って、光エネルギーの光子を電子に変換することができる。電子が管を通り抜けると、より多くの電子が管内の原子から放出され、その結果、電子はもとの数の数千倍となり得る。この増加を実現する方法の１つは、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）を使うことである。ＭＣＰは、光カソードからの電子がＭＣＰの第１の電極に当たった際に、高電圧（約５，０００ボルト）バーストが電極対の電極間で送られることによって、電子がガラスマイクロチャンネル内に加速され得るように管内に配置される。電子がマイクロチャンネルを通り抜けると、それら電子は、カスケード二次放出と呼ばれる処理を使って、各チャンネルで他の電子の放出をもたらす。これらの新しい電子も他の原子とぶつかり、連鎖反応を起こし、その連鎖反応によって、ほんの少数のみが入り込んだチャンネルから数千の電子が出るようにできる。
【０００３】
イメージ増幅管は、管の端でカスケード電子が蛍光物質で覆われたスクリーンに当たるように配置することができる。これらの電子は、それらが通過したチャンネルに関連して、その位置を維持する。電子のエネルギーにより蛍光物質は励起状態に達し、光子の放出をもたらす。これらの蛍光物質は、スクリーン上に暗視を特徴づける緑色の画像を生成する。電子はもとの光子と同じ配置で留まるため、信頼できる画像を生成することができる。緑色の蛍光画像は、ユーザが画像を拡大および焦点を合わせることができる接眼レンズと呼ばれる他のレンズを通して見ることができる。暗視デバイスは、モニタなどの電子ディスプレイに接続することができ、画像は接眼レンズを通して直接見ることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、光アップコンバージョンデバイスが非常に多くの研究的な関心を集めており、これは、半導体ウェハ検査とともに、暗視、距離測定、セキュリティーにおける潜在用途のためである。初期の近赤外（ＮＩＲ）アップコンバージョンデバイスは、ほとんどが無機半導体のヘテロ接合構造に基づいていた。これらのデバイスは、直列な２つの部分からなり、一方は光検出のため、もう一方は発光のためのものである。アップコンバージョンデバイスは、主に、光検出方法によって区別される。しかしながら、最近のデバイスでのアップコンバージョン効率は、非常に低い状態が続いている。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）と半導体ベースの光検出器を一体化したある近赤外−可視光アップコンバージョンデバイスは、最大外部変換効率０．０４８（４．８％）Ｗ／Ｗを示したに過ぎない。無機ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ光検出器と有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を一体化したハイブリッド無機／有機アップコンバージョンデバイスでさえ、外部変換効率０．７％Ｗ／Ｗを示すに過ぎない。更に、現在の無機およびハイブリッドアップコンバージョンデバイスは、製造に高い費用がかかり、それらのデバイスを製造するために使われる処理は、大面積用途との適合性がない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は赤外線（ＩＲ）放射を感知する方法および装置に関する。ＩＲ放射を感知するための特定の実施形態は、暗電流特性の改善をもたらす。一実施形態は、全有機デバイスに組み込むことができる。１つの実施形態において、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）と有機光検出器を１つのデバイスに統合することによって製造可能となる全有機アップコンバージョンデバイスが提供される。本発明の一実施形態によるＯＬＥＤのＩＲ感知層は、正孔の少ない輸送層で形成することができる。ある実施形態において、ＩＲ感知層は、ＯＬＥＤに組み込むことができ、ＩＲ−可視色アップコンバージョンを提供する。
【０００６】
特定の実施形態において、暗視デバイスは、数層の有機薄膜を積層することによって製造することができる。本デバイスの実施形態は、１０〜１５ボルトの範囲の電圧で動作可能であり、従来の暗視デバイスと比較して、製造コストがより低い。デバイスの実施形態は、有機光トランジスタと有機発光デバイスを直列に組み合わせることができる。特定の実施形態において、全電極は、赤外光に対し透過性である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態による赤外線感知アップコンバージョンデバイスのエネルギーバンド図である。
【図２】１つの電子から複数の光子を生成することを可能にする、本発明の一実施形態によるデバイスの構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるアップコンバージョンデバイスの動作を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による別の赤外線感知アップコンバージョンデバイスのエネルギーバンド図である。
【図５】図４のデバイスの構造図である。
【図６Ａ】図４のデバイスの光−電流−電圧特性を示し、デバイスが暗所にある場合の特性を示す図である。
【図６Ｂ】図４のデバイスの光−電流−電圧特性を示し、デバイスが赤外線放射にさらされた場合の特性を示す図である。
【図７Ａ】制御有機発光デバイスの電流効率を示す図である。
【図７Ｂ】図４のデバイスの電流効率を示す図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態による１００ｎｍ厚の純ＳｎＰｃ膜と、１００ｎｍ厚のＳｎＰｃ：Ｃ60の混合膜の吸光スペクトルを示す図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態による制御ＯＬＥＤ（図７Ａの挿入図に示す）および２つのアップコンバージョンデバイスの暗Ｉ−Ｖ特性を示す図であり、一方のデバイスは１００ｎｍ厚の純ＳｎＰｃ膜を備え、他方のデバイスは１００ｎｍ厚のＳｎＰｃ：Ｃ60混合膜を備える。
【図９Ａ】暗所および光（赤外線）放射下での本発明の一実施形態による赤外線−緑色光アップコンバージョンデバイスの光−電流−電圧特性を示す図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態による赤外線−緑色光アップコンバージョンデバイスに対する電流密度の関数として、オン／オフ比のプロットを示す図である。
【図１０Ａ】図５のデバイスの光子−光子変換効率を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の別の実施形態の量子効率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態は、赤外線（ＩＲ）放射を感知する方法および装置に関する。本発明の一実施形態は、ＯＬＥＤと有機光検出器を１つのデバイスに統合することによって製造することができる全有機アップコンバージョンデバイスを提供する。軽量基板、凹凸基板、または柔軟なプラスチック基板と整合性があるため、本発明の実施形態による全有機アップコンバージョンデバイスは、暗視、距離測定、セキュリティー、および半導体ウェハ検査を含むがそれらに限定されない多数の用途で使用可能である。
【０００９】
特定の実施形態において、暗視デバイスは数層の有機薄膜を積層することによって製造することができる。本デバイスの実施形態は、１０〜１５ボルトの範囲の電圧で動作可能であり、従来の暗視デバイスと比較して、製造コストがより低い。特定の実施形態において、全電極は赤外光に対して透過性である。
【００１０】
サーマルイメージングのための撮像デバイスの波長は、材料の選択によって調整することができる。特定の実施形態において、撮像デバイスは、ＩＲ感知可能である３つの層を有する赤外線吸収層を備える。一実施形態では、タンデム発光デバイス（ＬＥＤ）を組み込むことができ、そのタンデム発光デバイスは積層内に複数のＬＥＤを備える。特定の実施形態において、１つの光子が撮像デバイスに入り、積層内の５つのＬＥＤを通り、出力として５つの光子を生成する。ともに積層された５つのＬＥＤは、単一のＬＥＤよりも高い電圧を使用するが、それでもデバイスを低い電圧で動作可能にすることができる。５つの積層されたＬＥＤによって、単一のＬＥＤを備えるデバイスよりも撮像デバイスが厚くなることがあり、したがって、ノイズに対する感受性がより低い。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態において組み込むことができるＩＲ感知アップコンバージョンデバイスのエネルギーバンド図を示す。
【００１２】
図１に示すデバイスのような、本発明によるＩＲ感知デバイスの実施形態は、ＩＲ増感体またはＩＲ感知層、および発光デバイスの２つの部分を備えることができる。一実施形態において、図１に示すデバイスの最大量子効率は、１００％である。本発明の一実施形態において、性能を向上させるために、デバイスはタンデム構造を備えて製造される。
【００１３】
図２は、本発明の一実施形態による、ＩＲ感知層とＬＥＤを組み込んだ、そのようなタンデム構造を有するデバイスを示す。この構造では、１つの電子は複数の光子を生成することができる。このデバイス構成を組み込むことで、デバイスの出力は利得を得るために高めることができる。デバイスの厚さが増すため、暗電流を低くすることができ、デバイス性能を実質的に改善することができる。
【００１４】
図３は、本発明の一実施形態によるアップコンバージョンデバイスの動作を示す。図示のように、ＩＲ波長の光は、ガラス、または別の適切な透明もしくは半透明材料などの、透明、または半透明基板を通ってデバイスに入ることができる。その後、光子は、第１透明（または、半透明）電極を通り、ＩＲ感知層に当たることができる。ＩＲ感知層は、特定の実施形態において、０．８μｍ〜２μｍの範囲で感受性を示すことができる。更に特定の実施形態において、ＩＲ感知層は、７００ｎｍから１４μｍの範囲、１μｍから４μｍの範囲、および１μｍから３μｍの範囲の波長で感受性を示すことができる。その後、ＩＲ感知層は、電子および正孔などのキャリアを生成することができ、そのような電子または正孔は、ＬＥＤの積層に渡される。図３において、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）が示されているが、本発明において他の発光デバイスを使ってもよい。特定の実施形態において、ＬＥＤは透明、または半透明である。ＩＲ感知層からの電子などのキャリアが第１のＬＥＤ（図３におけるＯＬＥＤ）に入り、それに対応する正孔などのキャリアと結合すると、光子が生成され、デバイスを通り抜けることができる。第１および第２のＬＥＤ（図３におけるＯＬＥＤ１およびＯＬＥＤ２）の間の電荷分離層において、正孔が第１のＬＥＤに入り、ＩＲ感知層から第１のＬＥＤに入る電子と結合して光子を生成することができるよう、電子および正孔が生成される。ここで、５つのＬＥＤは直列に示されており、したがって、デバイスに入る各光子に対して５つの光子が生成され得る。ＬＥＤは同一でも異なっていてもよい。以下に記載するように、ＬＥＤは薄膜として製造することができる。したがって、複数のＬＥＤは、扱いにくいデバイスを製造することなく積層することができる。特定の実施形態において、３から８個のＬＥＤを直列に積層することができる。他の実施形態において、より多くのＬＥＤを積層することができる。追加のＬＥＤが積層されると、利得が高くなくてもノイズを削減することができる。
【００１５】
図３を参照すると、特定の実施形態において、正孔ブロック層（図３では図示しない）を、ＩＲ放射が入る透明電極とＩＲ感知層の間に追加することができる。そのような層は、透明電極からＩＲ感知層に、および／またはＩＲ感知層から透明電極に正孔が通ることをブロックすることができる。そのような正孔ブロック層を組み込んでいる特定の実施形態は、ＺｎＯナノ粒子、ＴｉＯ2ナノ粒子、または当分野において周知である他の適切な材料を使用することができる。ＺｎＯナノ粒子またはＴｉＯ2ナノ粒子、および／またはＺｎＯ層またはＴｉＯ2層は、ＩＲ感知層を追加する前に透明電極に積層させることができる。
【００１６】
図３に示すように、特定の実施形態において、第２の透明（または半透明）電極、またはカソードは、ＬＥＤ積層の別の側に配置することができる。本実施形態において、電極対の間の電位は、ＩＲ感知層から第１のＬＥＤに正孔などのキャリアを動かすことができ、電子や正孔が生成される各電荷分離層からＬＥＤに入りカソード電極へ向けて正孔を動かすことができる。同じように、カソードによって注入された電子は第５のＬＥＤの中に動かされ、電荷分離（生成）層で生成された電子はＬＥＤに入り、アノードに向けて動かされる。
【００１７】
透明電極は、（アルミニウムなどの）反射電極材を（インジウムスズ酸化物などの）透明材に交換することにより製造することができる。本発明の１つの実施形態において、層状ＣｓＣＯ3（１ｎｍ）／Ａｇ（１０ｎｍ）／ＩＴＯ（１００ｎｍ）電極は、頂部電極として使われる。ＣｓＣＯ3中間層は、カソード仕事関数を下げ、ＯＬＥＤの一部として使うことのできる材料であるフェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）の電導（ＬＵＭＯ）エネルギーと一致させる。薄Ａｇ層は導電性をもたらし、ＩＴＯ層はカプセル封止をもたらす。薄膜積層の実施形態は、９０％の光透過と５ｏｈｍ／ｓｑより低いシート抵抗を有し、これは、典型的なＩＴＯ電極より７０％低い。特定の実施形態において、ＭｇＡｇやＩＴＯの薄膜は、透明電極、例えば、最後の発光デバイスと接触する透明電極として使用することができる。薄膜は、特定の実施形態において、厚さ２０ｎｍ以下にすることができる。
【００１８】
任意の波長の可視光を生成するＯＬＥＤを作り出すことができる。１つの実施形態において、有機発光層は、それぞれ青色、緑色、赤色の光を発する３つの異なる色素分子を備える。デバイスにおける３つの色素分子の相対的な存在量を制御することによって、９０より大きな高演色評価数の白色光を得ることができる。別の実施形態において、３つの色素分子の相対的な存在量を変化させることによって、または異なる分子に送られる電力を変化させることによって、様々な色が得られる。
【００１９】
透明なＯＬＥＤの場合、やはり（インジウムスズ酸化物などの）透明材料をカソードとして使うことができる。このようにして、光子は積層ＯＬＥＤを通過することができる。これらデバイスで使われる有機材料は、これら材料のバンドギャップが高い（通常は３ｅＶより大きい）ため、可視スペクトルにおいてほぼ透明である。例外として、所望の発光を生成する色素分子を備えることができるが、その色素分子は、通常は厚さ１０〜３０ｎｍの発光層内にドーパント（典型的なドーピング濃度は約１〜１０ｗｔ％）として組み込むことができる。したがって、全ＯＬＥＤデバイスは、９０％以上の非常に高い透過性を達成することができる。
【００２０】
３重ドープ有機発光層を有する透明ＯＬＥＤの製造において、下地の有機層への損傷は、インジウムスズ酸化物透明カソードのスパッタ積層中に最小にすることができる。更に、低シート抵抗、および高透過性は透明電極に対して得ることができ、電極／有機インターフェースでの高効率電荷注入を達成することができる。上記のように、ＣｓＣＯ3／Ａｇ／ＩＴＯの複合電極は、ＯＬＥＤに対する透明電極として使うこともできる。更に、マイクロレンズアレイが基板表面に製造されて、その方向における光の抽出を高めることもできる。更に、９０より大きな演色評価数の高品質照明を提供するＯＬＥＤを作り出すことができる。
【００２１】
他の実施形態において、使用される電極とＬＥＤは、いくつかの波長の光に対して透過的であり、別の波長を吸収する。
【００２２】
ある実施形態によれば、光感知層は、ＰｂＳｅおよびＰｂＳ量子ドットなどの量子ドットを組み込むことができる。
【００２３】
特定の実施形態において、本アップコンバージョンデバイスは、夜間明視装置、または別の光増幅装置に組み込むことができる。他の実施形態において、緑色ＯＬＥＤは、緑色増幅画像を従来の夜間明視装置と同様に作り出すために使われる。
【００２４】
図４は、本発明の一実施形態による別のＩＲ感知アップコンバージョンデバイスのエネルギーバンド図を示す。一実施形態によれば、正孔の少ない注入および輸送層は、ＩＲ感知アップコンバージョンデバイスに組み込まれ、暗電流特性を改善することができる。特定の実施形態において、暗電流を削減し、したがってＳＮＲを改善するために、１ｍＡ／ｃｍ2より小さい電流密度を有する材料を、正孔注入および輸送層のために選択することができる。あまり好適ではない実施形態において、１ｍＡ／ｃｍ2以上の電流密度を有する材料を正孔注入および輸送層に使うことができ、暗電流が増え、ＳＮＲが減るように電圧を印加すると、電極からの正孔の注入が増加する。１つの実施形態において、正孔の少ない注入および正孔輸送を示すＳｎＰｃ：Ｃ60混合層により、デバイスは、ＩＲ照射無しに低暗電流を有することが可能になる。本実施形態において、ＩＲ放射にさらされない場合、ＯＬＥＤを本質的にオフにすることができる。
【００２５】
図５は、図４のデバイスの構造図を示す。
【００２６】
図５を参照すると、有機近赤外−可視アップコンバージョンデバイスは、ＮＩＲ増感体としてスズフタロシアニン（ＳｎＰｃ）：Ｃ60バルクへテロ構造層を、蛍光エミッタとしてｆａｃ−トリス（２−フェニルピリジナト）イリジウム（ＩＩＩ）（ｌｒｐｐｙ3）層を使って提供することができる。蛍光エミッタを使うことによって、光生成は低エネルギーで実現することができ、エネルギー効率の良いＯＬＥＤを提供することができる。従来のＯＬＥＤ構造との違いの１つとして、本発明の一実施形態によるアップコンバージョンデバイスは、正孔の少ない輸送ＮＩＲ感光層を組み込み、デバイスをＩＲ照射の無いオフ状態に保つ。光励起すると、光生成正孔がＯＬＥＤに注入され、カソードから注入された電子と再結合され、可視光を放つ。
【００２７】
図６Ａおよび図６Ｂは、図５のデバイスの光−電流−電圧（Ｌ−Ｉ−Ｖ）特性を示す。ＣｕＰｃ：μh＝７ｘ１０-4ｃｍ2／Ｖｓ。ＳｎＰｃ：μh＝２ｘ１０-10ｃｍ2／Ｖｓ。図６Ａは、デバイスがいかなる赤外光にもさらされない場合の特性を示す。白丸は電流密度であり、黒丸は輝度である。図示のように、本実施形態において、赤外光照射無しでは、発光は１３Ｖまで観測されなかった。上記のように、本実施形態における高立ち上がり電圧は、ＳｎＰｃ：Ｃ60層からの少ない正孔注入のためである。
【００２８】
図６Ｂは、デバイスがＩＲ放射にさらされた場合の特性を示す。１４ｍＷ／ｃｍ2の８３０ｎｍレーザを、デバイスに照射するために使用した。図示のように、本実施形態において、ＯＬＥＤは、レーザからの赤外照明によって２．７Ｖで作動した。最大オン／オフ比は１２．７Ｖで１４００を超えた。
【００２９】
図７Ａおよび図７Ｂは、制御有機発光デバイス（図７Ａ）および図４のデバイス（図７Ｂ）の電流効率を示す。図示のように、本実施形態において、ＩＲ照明下での電流効率は、１００ｃｄ／Ａよりも大きい。電流効率がより高くなるにつれ、制御ＯＬＥＤは、依然、不均衡に帯電し、わずかに電子優勢であるということを示す。
【００３０】
本発明のある実施形態によれば、ＳｎＰｃ：Ｃ60バルクヘテロ構造層は、図８Ａに示すような強いＩＲ吸収、および図８Ｂに示すような正孔の少ない輸送特性のため、正孔の少ない輸送ＩＲ感光層に使われる。図８Ｂは、本発明の実施形態による制御ＯＬＥＤ（図７Ａの挿入図参照）およびＮＩＲ感光層を備えるアップコンバージョンデバイスの暗電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す。純ＳｎＰｃ層の追加により立ち上がり電圧は３Ｖから約５Ｖまで増加し、測定範囲にわたる動作電圧も約２Ｖ増加し、ＳｎＰｃの正孔の少ない輸送特性を示す。ＳｎＰｃ：Ｃ60混合膜の追加は、更に、動作電圧をもう２Ｖ増加する。制御ＯＬＥＤデバイスと比較すると、ＳｎＰｃ：Ｃ60混合層を備えるアップコンバージョンデバイスは、正孔電流の大幅な減少を示す。
【００３１】
図９Ａは、本発明の一実施形態による、正孔の少ない輸送ＮＩＲ感光層としてＳｎＰｃ：Ｃ60混合膜を備えるＮＩＲ−緑色アップコンバージョンデバイスの輝度−電流−電圧（Ｌ−Ｉ−Ｖ）特性を示す。赤外線照射無しでは、発光は電圧が１３Ｖに達するまで検出されず、１５Ｖで最大輝度（１ｃｄ／ｍ2）を示す。立ち上がり電圧が高いことは、ＳｎＰｃ：Ｃ60混合層からの正孔輸送が少ないことを示す。電流は、カソード接点から注入される電子によって支配することができる。ＮＩＲ光で照射すると、デバイスは、緑発光の発現と共に、２．７Ｖで作動し、１５Ｖで８５３ｃｄ／ｍ2の輝度を示した。したがって、ＩＲ光によるスイッチング効果は、図９Ｂに示すように顕著であり、様々な電圧でのオン／オフ比を提供する。図示のように、輝度強度の最大オン／オフ比は、１２．７Ｖで約１４００であった。
【００３２】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、図４のデバイスの光子−光子変換効率（図１０Ａ）、および本発明の別の実施形態の量子効率（ＱＥ）（図１０Ｂ）を示す。
【００３３】
入射ＩＲ光の光子から、放射された緑色光の光子への光子−光子変換効率（ηcon）は、以下の式で計算することができる。
【数１】
ここで、ｈはプランク定数、ｃは光の速度、λは光子波長、Ｉphotoは光電流、ｆは感光層に到達した光子の割合、Ｒ（λ）は光検出器の応答性、λIRは入射赤外波長、およびＰIRは入射赤外パワーである。
【００３４】
ここでも、１４ｍＷ／ｃｍ2の８３０ｎｍレーザを、デバイスを照射するために使用した。図示のように、図４のデバイスに対し、光子−光子変換効率は印加電圧が増えるにつれて増加し、光子−光子変換効率は１５Ｖで２．７％であった。このアップコンバージョン効率は、蛍光ＯＬＥＤを使用した以前に実証された全有機アップコンバージョンデバイスの効率より大幅に高い。
【００３５】
測定のためのアップコンバージョンデバイス構造において、図１０Ｂの挿入図に示すように、光検出器構造全体は使われない。それどころか、ＩＲ吸収層が正孔注入層として使われる。したがって、正確な外部量子効率は、ＩＲ光を入れてから電荷キャリアを取り出すまで測定されない。しかしながら、外部量子効率は、本光検出器構造を作ることによって間接的に測定される。図１０Ｂの挿入図に示すアップコンバージョンデバイスにおいて、厚さ２０ｎｍのＳｎＰｃ：Ｃ60混合層が単独で使われ、１４ｍＷ／ｃｍ2の８３０ｎｍＩＲレーザがＩＲ源として使われる。同じＩＲ照射および同じＩＲ吸収層の厚さで、５〜２０％の外部量子効率（ＥＱＥ）が得られた。
【００３６】
Ｉｒｐｐｙ3を基にしたＯＬＥＤのＥＱＥは、文献では、およそ２０％である。したがって、変換効率を計算すると、約１〜４％であり、実験に基づく変換効率と一致する。この変換効率は、赤色−緑色アップコンバージョンデバイスのものより、およそ１０倍高い。
【００３７】
「１つの実施形態」「一実施形態」「例示的な実施形態」等の本明細書におけるどのような言及も、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、または性質が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれるということを意味する。本明細書の様々な箇所において現れるそのようなフレーズは、必ずしも全てが同じ実施形態について言及しているわけではない。更に、特定の特徴、構造、または性質が任意の実施形態と関連して記載された場合、実施形態の別のものと関連したそのような特徴、構造、または性質を使用すること、または組み合わせることは、当業者の理解の範囲に入るものと考えられる。
【００３８】
本発明の実施形態に関する図および記述は簡略化してあり、本発明の明確な理解ために関連する要素は説明しているが、よく知られているであろう他の要素については、明確化のために省略していることが理解されよう。当業者は、他の要素が本発明を実現するために望ましいこと、および／または必要とされるであろうことを認識するであろう。しかしながら、そのような要素は当分野においてよく知られており、それらは本発明のより良い理解には供さないので、そのような要素の記述は本明細書では行わない。
【００３９】
例示として提供された上記の例によって、本発明と、本発明に関する多くの利点についての理解が深まるであろう。上記の例は、本発明の方法、用途、実施形態、および変形のうちのいくつかを例示したものである。当然ながら、それらは本発明を限定するものとみなされない。多数の変更および修正を、本発明に対して行うことができる。
【００４０】
本明細書において参照または引用された全ての特許、特許出願、仮出願、および刊行物は、本明細書の明白な教示と矛盾しない限りにおいて、全ての図および表を含む全内容が参照により本明細書に組み入れられる。
【００４１】
本明細書において記述された例および実施形態は、例示的な目的のためのものに過ぎず、それに照らして様々な修正または変更が当業者に示唆され、それらも本出願の趣旨および範囲に含まれると理解すべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、
第１の端部が前記第１の電極と接している赤外線（ＩＲ）感知層と、
第１の端部が前記赤外線感知層の第２の端部と接している第１の発光デバイス（ＬＥＤ）と、
第１の端部が前記第１のＬＥＤの第２の端部と接している第１の電荷分離層と、
第１の端部が前記電荷分離層の第２の端部と接している第２のＬＥＤと、
自身の第２の端部と接している第２の電極と、
を備え、
電位が前記第１および第２の電極間に印加され、前記ＩＲ感知層がＩＲ放射にさらされた場合に、感知電子および感知正孔がＩＲ感知層内で生成され、かつ第１の正孔および第１の電子が前記第１の電荷分離槽内で生成され、前記第１の正孔および前記第１の電子の一方が前記第１のＬＥＤに移され、前記ＩＲ感知層内で生成された前記感知電子および前記感知正孔の一方が前記第１のＬＥＤに移され、それぞれ前記第１の正孔および前記第１の電子の一方と結合し、前記第１のＬＥＤにおいて第１の放出光子を作り出し、前記第１の電荷分離層内で生成された前記第１の正孔および前記第１の電子の他方が前記第２のＬＥＤに移され、前記第２のＬＥＤに移された対応する電子または正孔と結合し、第２の放出光子を作り出す、赤外線（ＩＲ）放射感知デバイス。
【請求項２】
前記感知電子が前記第１のＬＥＤに移り、前記第１の正孔と結合し、前記第１の電子が前記第２のＬＥＤに移り、前記第２のＬＥＤに移された前記対応する正孔と結合する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記感知正孔が前記第１のＬＥＤに移され、前記第１の電子と結合し、前記第１の正孔が前記第２のＬＥＤに移され、前記第２のＬＥＤに移された前記対応する電子と結合する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第２のＬＥＤに移された前記対応する電子または正孔が、前記第２の電極から前記第２のＬＥＤに移される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１の電極が、少なくとも部分的に透明である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１の電極が透明である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２の電極が、少なくとも部分的に透明である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第２の電極が透明である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第２の電極が、ＭｇＡｇの膜である、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記ＭｇＡｇの膜が、厚さが２０μｍ以下である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
少なくとも１つの追加のＬＥＤおよび対応する少なくとも１つの追加の電荷分離層を更に備え、前記少なくとも１つの追加のＬＥＤの各々の第１の端部は前記対応する少なくとも１つの追加の電荷分離層の第２の端部と接しており、前記少なくとも１つの追加のＬＥＤおよび前記対応する少なくとも１つの追加の電荷分離層は、前記第１の追加の電荷分離層の前記第１の端部が前記第２のＬＥＤの前記第２の端部と接し、前記第２の電極が前記少なくとも１つの追加のＬＥＤのうちの最後のＬＥＤの第２の端部と接するように前記第２のＬＥＤの前記第２の端部と前記第２の電極の間に挿入され、前記第１の電荷分離層内で生成された前記第１の正孔および前記第１の電子の他方は、前記第２のＬＥＤに通され、前記第２の電荷分離層から前記第２のＬＥＤに移された対応する電子または正孔と結合し、前記第２のＬＥＤに移された前記対応する電子または正孔は、前記第１の追加の電荷分離層内で生成された第２の電子または第２の正孔の一方であり、前記第２の電子または第２の正孔の他方は、前記第１の追加のＬＥＤに通され、前記第２の電極または第２の追加の電荷分離層から前記第１の追加のＬＥＤに移された対応する電子または正孔と結合する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記赤外線感知層が、１ｍＡ／ｃｍ2より低い電流密度を有する正孔の少ない輸送材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第１の電極がＩＴＯを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第１のＬＥＤおよび前記第２のＬＥＤが発光ダイオードである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第１のＬＥＤおよび前記第２のＬＥＤが有機発光デバイスである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第１のＬＥＤおよび前記第２のＬＥＤが有機発光ダイオードである、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記ＩＲ感知層が有機ＩＲ感知層である、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記第１のＬＥＤおよび前記第２のＬＥＤが薄膜発光デバイスである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの追加のＬＥＤが１つから６つの追加のＬＥＤを含み、前記対応する少なくとも１つの追加の電荷分離層が対応する１つから６つの追加の電荷分離層を含む、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第１の放出光子および前記第２の放出光子が可視光子である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記ＩＲ感知層が０．８μｍから２μｍの範囲の波長を感知する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記第１の放出光子および前記第２の放出光子が異なる波長を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記第１の有機ＬＥＤおよび前記第２の有機ＬＥＤの少なくとも一方が、青色光を放射する第１の色素分子、緑色光を放射する第２の色素分子、および赤色光を放射する第３の色素分子を有する有機発光層を含む、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項２４】
１ｍＡ／ｃｍ2未満の電流密度を有することを示すＩＲ感知層と、
前記ＩＲ感知層上にあり、前記ＩＲ感知層内で生成された電子を受け取るように配置された有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と、
を備える、赤外線（ＩＲ）放射感知デバイス。
【請求項２５】
１ｍＡ／ｃｍ2未満の電流密度を有することを示すＩＲ感知層と、
前記ＩＲ感知層上にあり、前記ＩＲ感知層内で生成された正孔を受け取るように配置された有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と、
を備える、赤外線（ＩＲ）放射感知デバイス。
【請求項２６】
前記ＩＲ感知層が前記ＯＬＥＤと接しており、前記デバイスが第１の電極、および前記ＩＲ感知層と前記第１の電極の間に配置された正孔の少ない輸送層を更に備え、前記正孔の少ない輸送層が１ｍＡ／ｃｍ2未満の電流密度を有する、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
正孔ブロック層がＳｎＰｃ：Ｃ60を含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記ＯＬＥＤが蛍光エミッタを含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記ＩＲ感知層が、有機赤外線吸収材料と、受容体とを含み、前記有機ＩＲ吸収材料と前記受容体が前記ＩＲ感知層内で混合される、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記ＩＲ感知層がフラーレンを含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記ＩＲ感知層が量子ドットを含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項１】
第１の電極と、
第１の端部が前記第１の電極と接している赤外線（ＩＲ）感知層と、
第１の端部が前記赤外線感知層の第２の端部と接している第１の発光デバイス（ＬＥＤ）と、
第１の端部が前記第１のＬＥＤの第２の端部と接している第１の電荷分離層と、
第１の端部が前記電荷分離層の第２の端部と接している第２のＬＥＤと、
自身の第２の端部と接している第２の電極と、
を備え、
電位が前記第１および第２の電極間に印加され、前記ＩＲ感知層がＩＲ放射にさらされた場合に、感知電子および感知正孔がＩＲ感知層内で生成され、かつ第１の正孔および第１の電子が前記第１の電荷分離槽内で生成され、前記第１の正孔および前記第１の電子の一方が前記第１のＬＥＤに移され、前記ＩＲ感知層内で生成された前記感知電子および前記感知正孔の一方が前記第１のＬＥＤに移され、それぞれ前記第１の正孔および前記第１の電子の一方と結合し、前記第１のＬＥＤにおいて第１の放出光子を作り出し、前記第１の電荷分離層内で生成された前記第１の正孔および前記第１の電子の他方が前記第２のＬＥＤに移され、前記第２のＬＥＤに移された対応する電子または正孔と結合し、第２の放出光子を作り出す、赤外線（ＩＲ）放射感知デバイス。
【請求項２】
前記感知電子が前記第１のＬＥＤに移り、前記第１の正孔と結合し、前記第１の電子が前記第２のＬＥＤに移り、前記第２のＬＥＤに移された前記対応する正孔と結合する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記感知正孔が前記第１のＬＥＤに移され、前記第１の電子と結合し、前記第１の正孔が前記第２のＬＥＤに移され、前記第２のＬＥＤに移された前記対応する電子と結合する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第２のＬＥＤに移された前記対応する電子または正孔が、前記第２の電極から前記第２のＬＥＤに移される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１の電極が、少なくとも部分的に透明である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１の電極が透明である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２の電極が、少なくとも部分的に透明である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第２の電極が透明である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第２の電極が、ＭｇＡｇの膜である、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記ＭｇＡｇの膜が、厚さが２０μｍ以下である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
少なくとも１つの追加のＬＥＤおよび対応する少なくとも１つの追加の電荷分離層を更に備え、前記少なくとも１つの追加のＬＥＤの各々の第１の端部は前記対応する少なくとも１つの追加の電荷分離層の第２の端部と接しており、前記少なくとも１つの追加のＬＥＤおよび前記対応する少なくとも１つの追加の電荷分離層は、前記第１の追加の電荷分離層の前記第１の端部が前記第２のＬＥＤの前記第２の端部と接し、前記第２の電極が前記少なくとも１つの追加のＬＥＤのうちの最後のＬＥＤの第２の端部と接するように前記第２のＬＥＤの前記第２の端部と前記第２の電極の間に挿入され、前記第１の電荷分離層内で生成された前記第１の正孔および前記第１の電子の他方は、前記第２のＬＥＤに通され、前記第２の電荷分離層から前記第２のＬＥＤに移された対応する電子または正孔と結合し、前記第２のＬＥＤに移された前記対応する電子または正孔は、前記第１の追加の電荷分離層内で生成された第２の電子または第２の正孔の一方であり、前記第２の電子または第２の正孔の他方は、前記第１の追加のＬＥＤに通され、前記第２の電極または第２の追加の電荷分離層から前記第１の追加のＬＥＤに移された対応する電子または正孔と結合する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記赤外線感知層が、１ｍＡ／ｃｍ2より低い電流密度を有する正孔の少ない輸送材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第１の電極がＩＴＯを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第１のＬＥＤおよび前記第２のＬＥＤが発光ダイオードである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第１のＬＥＤおよび前記第２のＬＥＤが有機発光デバイスである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第１のＬＥＤおよび前記第２のＬＥＤが有機発光ダイオードである、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記ＩＲ感知層が有機ＩＲ感知層である、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記第１のＬＥＤおよび前記第２のＬＥＤが薄膜発光デバイスである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの追加のＬＥＤが１つから６つの追加のＬＥＤを含み、前記対応する少なくとも１つの追加の電荷分離層が対応する１つから６つの追加の電荷分離層を含む、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第１の放出光子および前記第２の放出光子が可視光子である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記ＩＲ感知層が０．８μｍから２μｍの範囲の波長を感知する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記第１の放出光子および前記第２の放出光子が異なる波長を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記第１の有機ＬＥＤおよび前記第２の有機ＬＥＤの少なくとも一方が、青色光を放射する第１の色素分子、緑色光を放射する第２の色素分子、および赤色光を放射する第３の色素分子を有する有機発光層を含む、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項２４】
１ｍＡ／ｃｍ2未満の電流密度を有することを示すＩＲ感知層と、
前記ＩＲ感知層上にあり、前記ＩＲ感知層内で生成された電子を受け取るように配置された有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と、
を備える、赤外線（ＩＲ）放射感知デバイス。
【請求項２５】
１ｍＡ／ｃｍ2未満の電流密度を有することを示すＩＲ感知層と、
前記ＩＲ感知層上にあり、前記ＩＲ感知層内で生成された正孔を受け取るように配置された有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と、
を備える、赤外線（ＩＲ）放射感知デバイス。
【請求項２６】
前記ＩＲ感知層が前記ＯＬＥＤと接しており、前記デバイスが第１の電極、および前記ＩＲ感知層と前記第１の電極の間に配置された正孔の少ない輸送層を更に備え、前記正孔の少ない輸送層が１ｍＡ／ｃｍ2未満の電流密度を有する、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
正孔ブロック層がＳｎＰｃ：Ｃ60を含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記ＯＬＥＤが蛍光エミッタを含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記ＩＲ感知層が、有機赤外線吸収材料と、受容体とを含み、前記有機ＩＲ吸収材料と前記受容体が前記ＩＲ感知層内で混合される、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記ＩＲ感知層がフラーレンを含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記ＩＲ感知層が量子ドットを含む、請求項２５に記載のデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【公表番号】特表２０１３−５１２４３９（Ｐ２０１３−５１２４３９Ａ）
【公表日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４１１９４（Ｐ２０１２−５４１１９４）
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５８０１５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０６６３９６
【国際公開日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（５０４４３３１６８）ユニバーシティ オブ フロリダ リサーチ ファウンデーション，インク． (10)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＦＬＯＲＩＤＡ ＲＥＳＥＡＴＣＨ ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ，ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５８０１５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０６６３９６
【国際公開日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（５０４４３３１６８）ユニバーシティ オブ フロリダ リサーチ ファウンデーション，インク． (10)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＦＬＯＲＩＤＡ ＲＥＳＥＡＴＣＨ ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ，ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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