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公開番号2024095739
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-10
出願番号2024060455,2022162035
出願日2024-04-03,2018-02-07
発明の名称電流注入有機半導体レーザダイオード、その作成方法及びプログラム
出願人国立大学法人九州大学,株式会社KOALA Tech
代理人弁理士法人特許事務所サイクス
主分類H01S 5/36 20060101AFI20240703BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】電気駆動有機半導体レーザダイオード(OSLD)を提供する。
【解決手段】1対の電極と、光共振器構造と、有機半導体を含む光増幅層を含む1つ以上の有機層とを含み、レーザ光を放射するために電流注入中の励起子密度分布と共振光モードの電界強度分布の十分な重なりを有する電流注入有機半導体レーザダイオードが開示される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
有機半導体を含む光増幅層を有する電流注入有機半導体レーザダイオードを設計する方法であって、
電流注入中の前記光増幅層のｘｙ面内（ｙは有機発光層の厚さ方向であり、ｘはｙとの直交方向である）における励起子密度分布と共振光モードの電界強度分布の重なりを大きくするように前記ダイオードの材料と構造を設計するステップを含む方法。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記ステップが、電流注入中の前記光増幅層のｘｙ面内のうち、少なくともｘ方向内における励起子密度分布と共振光モードの電界強度分布の重なりを大きくするように前記ダイオードの材料と構造を設計するステップである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電流注入有機半導体レーザダイオードが、光共振器構造と、有機半導体を含む光増幅層を含む１つ以上の有機層と、前記有機層とは別に形成された１対の電極とを含み、前記１対の電極のうちの一方の電極と、絶縁体で構成される光共振器構造とで構成される基板の表面に、前記１つ以上の有機層が形成されている、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
有機半導体を含む光増幅層を有する電流注入有機半導体レーザダイオードを製造する方法であって、
設計済み又は既存ダイオード内の電流注入中の励起子密度分布と共振光モードの電界強度分布の重なりを評価するステップと、
電流注入中の前記光増幅層のｘｙ面内（ｙは有機発光層の厚さ方向であり、ｘはｙとの直交方向である）における励起子密度分布と共振光モードの電界強度分布の重なりを大きくするように前記ダイオードの前記材料と前記構造の少なくとも一方を変化させて新しいダイオードを設計するステップと、
前記新しいダイオードを作成するステップとを含む方法。
【請求項５】
前記新しいダイオードを設計するステップが、電流注入中の前記光増幅層のｘｙ面内のうち、少なくともｘ方向内における励起子密度分布と共振光モードの電界強度分布の重なりを大きくするように前記ダイオードの前記材料と前記構造の少なくとも一方を変化させて新しいダイオードを設計するステップである、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記電流注入有機半導体レーザダイオードが、光共振器構造と、有機半導体を含む光増幅層を含む１つ以上の有機層と、前記有機層とは別に形成された１対の電極とを含み、前記１対の電極のうちの一方の電極と、絶縁体で構成される光共振器構造とで構成される基板の表面に、前記１つ以上の有機層が形成されている、請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
光増幅層のｘｙ面内（ｙは有機発光層の厚さ方向であり、ｘはｙとの直交方向である）における電流注入中の励起子密度分布と共振光モードの電界強度分布の重なりを大きくするように電流注入有機半導体レーザダイオードを設計する、有機半導体を含む前記光増幅層を有する電流注入有機半導体レーザダイオードを設計するためのプログラム。
【請求項８】
前記電流注入有機半導体レーザダイオードの設計が、光増幅層のｘｙ面内のうち、少なくともｘ方向内における電流注入中の励起子密度分布と共振光モードの電界強度分布の重なりを大きくするように電流注入有機半導体レーザダイオードを設計することである、請求項７に記載のプログラム。
【請求項９】
前記電流注入有機半導体レーザダイオードが、光共振器構造と、有機半導体を含む光増幅層を含む１つ以上の有機層と、前記有機層とは別に形成された１対の電極とを含み、前記１対の電極のうちの一方の電極と、絶縁体で構成される光共振器構造とで構成される基板の表面に、前記１つ以上の有機層が形成されている、請求項７または８に記載のプログラム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流注入有機半導体レーザダイオードとその作成方法に関する。本発明は、また、電流注入有機半導体レーザダイオードを設計するためのプログラムに関する。
続きを表示（約 8,500 文字）【背景技術】
【０００２】
光ポンピング有機半導体レーザ（ＯＳＬ）の特性は、高利得の有機半導体材料の開発と高Ｑ係数共振器構造の設計の両方が大きく進歩した結果、過去２０年間に大きく改善された
1-5
。レーザ用利得媒体としての有機半導体の利点は、その高いフォトルミネセンス（ＰＬ）量子収率、大きい誘導放射断面、及び化学的同調性と処理容易性と共に可視領域全体にわたる幅広い放射スペクトルがある。低しきい値の分布帰還型（ＤＦＢ）ＯＳＬの最近の進歩によって、電気駆動ナノ秒パルス無機発光ダイオードによる光ポンピングが実証され、新しい小型で低コストの可視レーザ技術への道筋が提供された
6
。しかしながら、最終的な目的は、電気駆動有機半導体レーザダイオード（ＯＳＬＤ）である。ＯＳＬＤの実現は、有機フォトニクスとオプトエレクトロニクス回路の完全一体化を可能にする他、分光学、表示装置、医療機器（網膜ディスプレイ、センサ及び光線力学的治療装置など）及びＬＩＦＩ電気通信における新しい用途を切り開く。
【０００３】
有機半導体の直接電気ポンピングによるレーザ発振の実現を妨げる問題は、主に、電気接点からの光損失と高電流密度で起こる三重項及びポーラロン損失による
4,5,7-9
。これらの基本的な損失問題を解決するために提案された手法には、一重項－三重項励起子消滅による三重項吸収損及び一重項消失を抑制する三重項消光剤の使用
10-12
、並びに励起子形成と励起子放射崩壊が起こる場所を空間的に分離しポーラロン消失プロセスを最小にするデバイス活性領域の縮小
13
がある。有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と光ポンピング有機半導体ＤＦＢレーザは進歩したが
5
、電流注入ＯＳＬＤは最終的にまだ実証されていない。
【０００４】
特許文献１
P1
は、電流注入ＯＳＬＤの実現について述べている。文献によれば、デバイスは、ＩＴＯ膜上にピッチ５００ｎｍの回折格子（共振器）を形成し、次に蒸着によってΝ，Ν－ジフェニル－Ｎ，Ｎ’，－ビス（３－メチルフェニル）－１，１’－ビフェニル－４，４’－ジアミン（ＴＰＤ）の厚さ２５０ｎｍの正孔輸送層を形成し、更に芳香族ポリカーボネート樹脂のジクロロメタン溶液をスピンコートすることによって厚さ１００ｎｍの放射層を形成し、蒸着によって２－（４－ターシャリ－ブチルフェニル）－５－（４－ビフェニリル）－ｌ，３，４－オキサジアゾールの厚さ２５０ｎｍの電子輸送層を形成し、厚さ２００ｍｍのＭｇＡｇ合金層を形成することによって作成される。この文献は、このデバイスへの３０Ｖの電圧印加によるレーザ放射について述べている。しかしながら、実際には、スピンコートによってポリカーボネートのジクロロメタン溶液をＴＰＤ層上に塗布するとき、ＴＰＤ層が溶け、したがって当然デバイスを再現できなかった。更に、このデバイスは、厚さ１００ｎｍの有機発光層に加えて形成された厚さ２５０ｎｍをそれぞれ有する有機正孔輸送層と有機電子輸送層を有し、したがって有機層の全厚がかなり大きい。大きい全厚の有機層を含むデバイスに３０Ｖの直流を印加してレーザ発振は得られない。
【０００５】
他の特許文献
P2,P3
は、電流注入ＯＳＬＤを実現する可能性について述べている。しかしながら、これらの特許文献は、電流注入ＯＳＬＤに関する一般的説明を行っているだけで、レーザ発振を確認した具体的な電流注入ＯＳＬＤも全く示していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
日本特許公開第２００４－１８６５９９号
日本特許公開平成１０－３２１９４１号
日本特許公開第２００８－５２４８７０号
【非特許文献】
【０００７】
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【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
その意味で、レーザ発振電流注入ＯＳＬＤはまだ提供されていない。本発明の目的は、レーザ発振電流注入ＯＳＬＤを提供することである。熱心な研究の結果、本発明者は、本発明が目的を達成できることを発見した。本発明は、１対の電極と、光共振器構造と、有機半導体からなる光増幅層を含む１つ以上の有機層とを含む電流注入有機半導体レーザダイオードを提供し、これは、以下の「２」から「１６」のうちの少なくとも１つを満たし、かつ／又は後述される少なくとも１つの実施形態を有しうる。本発明は、以下の実施形態を含む。
【０００９】
１．１対の電極と、光共振器構造と、有機半導体を含む光増幅層を含む１つ以上の有機層とを含み、レーザ光を放射するために電流注入中の励起子密度分布と共振光モードの電界強度分布の十分な重なりを有する、電流注入有機半導体レーザダイオード。
【００１０】
２．光共振器構造が、分布帰還型（ＤＦＢ）構造を有する、項１による電流注入有機半導体レーザダイオード。
（【００１１】以降は省略されています）

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