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JP2006303456A - Light emitting device and laser equipment using the same - Google Patents

Light emitting device and laser equipment using the same Download PDF

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JP2006303456A
JP2006303456A JP2006071361A JP2006071361A JP2006303456A JP 2006303456 A JP2006303456 A JP 2006303456A JP 2006071361 A JP2006071361 A JP 2006071361A JP 2006071361 A JP2006071361 A JP 2006071361A JP 2006303456 A JP2006303456 A JP 2006303456A
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layer
light
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region
level
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Application number
JP2006071361A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroko Abe
寛子 安部
Mikio Yugawa
幹央 湯川
Ryoji Nomura
亮二 野村
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light emitting device that produces an inverted distribution state by subjecting an organic compound to current excitation at low current density and a current excitation laser oscillator using an organic compound as a laser medium. <P>SOLUTION: Molecules existing in a normal state are not excited directly by external energy but configured by current excitation where current flow on a first layer and a second layer, in a way that icon storage takes place in an area where a first layer adjoins a second layer. Namely, the first and second layers are provided, an energy barrier is provided between the lowest unoccupied molecule (LUMO) orbit level of the first layer and the LUMO level of the second layer and between the highest occupied molecule orbit level of the first later and the HOMO level of the second layer, and the energy barrier between the HOMO levels is larger than that between the LUMO levels. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電流励起による誘導放出をする発光素子、及び当該発光素子を用いたレーザー装置に関する。   The present invention relates to a light emitting element that performs stimulated emission by current excitation, and a laser apparatus using the light emitting element.

レーザー光は、単色性、高い可干渉性、強い指向性を有する光であり、光通信技術や光記録技術、光情報処理技術などの分野で欠かせないものとなっている。レーザー光を生み出す装置、つまりレーザー装置は、レーザー媒質の種類により、主に固体レーザー、色素レーザー、気体レーザーに分類される。これらの中でも固体レーザーの一つである半導体レーザーは、近年急速に発展したレーザーである。半導体レーザーの特徴は、第1に装置の小型化ができることである。このため、光ファイバと接続するための光モジュールなどの他の部品と組み合わせることが容易である。第2に、電流励起によってレーザー光が得られることである。従って、電流を流すことによって瞬時に発振可能であり、電流の量によって出力を調整することができ、かつ安定した出力を得ることができる。第三に、技術的に既に確立されている半導体製造プロセスを転用して生産することができるため、大量生産が可能である点である。さらに、半導体の媒質を変えることによって出力波長を変換できることも大きな特徴である。   Laser light is light having monochromaticity, high coherence, and strong directivity, and is indispensable in fields such as optical communication technology, optical recording technology, and optical information processing technology. Devices that generate laser light, that is, laser devices, are mainly classified into solid lasers, dye lasers, and gas lasers depending on the type of laser medium. Among these, a semiconductor laser, which is one of solid lasers, is a laser that has rapidly developed in recent years. The feature of the semiconductor laser is that the apparatus can be miniaturized first. For this reason, it is easy to combine with other components such as an optical module for connecting to an optical fiber. Second, laser light can be obtained by current excitation. Therefore, it is possible to oscillate instantaneously by passing a current, the output can be adjusted according to the amount of current, and a stable output can be obtained. Thirdly, since it can be produced by diverting a semiconductor manufacturing process that has already been established technically, mass production is possible. Furthermore, it is a great feature that the output wavelength can be converted by changing the semiconductor medium.

無機の化合物半導体から構成される半導体レーザーは、図9に示すように電極1001と電極1002の間に、P型半導体層1003、N型半導体層1004、発光を担う活性層1005を挟み込んだものである。活性層1005としてInGaAsPやGaAs、InGaNなどの化合物半導体がよく用いられる。この活性層1005をクラッド層と呼ばれるP型半導体層1003およびN型半導体層1004で挟むことで半導体レーザーが製造される。クラッド層に用いられる化合物半導体としては、InP、AlGaAs、ZnSSe、GaNなどが挙げられる。P型半導体層1003から正孔を、N型半導体層1004から電子が注入され、これらのキャリアは活性層1005に到達する。活性層1005では正孔と電子が再結合し、この際、価電子帯と伝導帯とのエネルギー差に相当する光が発生する。発生した光は、大部分が活性層1005内に閉じ込められ、へき開面から出力される。へき開面の反射率は、活性層1005と空気との屈折率によって決まり、例えばGaAsを活性層に用いた場合、光は約30%反射して活性層1005に戻る。反射した光は、活性層1005の二つのへき開面で反射しながら増幅され、活性層の長さによって決まる波長の光のみが増幅される。ここで電流値を増加させていくと、ある電流密度で反転分布が形成される。このときの電流密度は閾値と呼ばれ、この閾値以降誘導放出により振幅が増幅された光がレーザー光としてへき開面から発振される。   A semiconductor laser composed of an inorganic compound semiconductor has a P-type semiconductor layer 1003, an N-type semiconductor layer 1004, and an active layer 1005 that emits light between electrodes 1001 and 1002, as shown in FIG. is there. As the active layer 1005, a compound semiconductor such as InGaAsP, GaAs, or InGaN is often used. A semiconductor laser is manufactured by sandwiching the active layer 1005 between a P-type semiconductor layer 1003 called a cladding layer and an N-type semiconductor layer 1004. Examples of the compound semiconductor used for the cladding layer include InP, AlGaAs, ZnSSe, and GaN. Holes are injected from the P-type semiconductor layer 1003 and electrons are injected from the N-type semiconductor layer 1004, and these carriers reach the active layer 1005. In the active layer 1005, holes and electrons recombine, and light corresponding to the energy difference between the valence band and the conduction band is generated. Most of the generated light is confined in the active layer 1005 and output from the cleavage plane. The reflectance of the cleavage plane is determined by the refractive index of the active layer 1005 and air. For example, when GaAs is used for the active layer, light is reflected by about 30% and returns to the active layer 1005. The reflected light is amplified while being reflected by the two cleavage planes of the active layer 1005, and only light having a wavelength determined by the length of the active layer is amplified. Here, when the current value is increased, an inversion distribution is formed at a certain current density. The current density at this time is called a threshold, and light whose amplitude is amplified by stimulated emission after this threshold is oscillated from the cleavage plane as laser light.

上述したように、これまでに開発された半導体レーザーは、無機半導体から構成され、無機半導体レーザと呼ぶ。これに対し、有機化合物をレーザー媒質としたレーザー(有機レーザーと呼ぶ)の開発は困難を極め、未だ実用化に至っていない。しかし有機レーザーが実用化されれば、無機半導体レーザーでは得られない特性を付与することができる。例えば材料の柔軟性に基づいてフレキシブルなレーザーが作製できること、製造プロセスの簡素化やコスト削減が可能であること、製造プロセスが多様であること(蒸着、スピンコート法、印刷法、ディップコーティングなどが適用できるなど)などが挙げられる。   As described above, the semiconductor lasers developed so far are composed of inorganic semiconductors and are called inorganic semiconductor lasers. On the other hand, development of a laser using an organic compound as a laser medium (referred to as an organic laser) has been extremely difficult and has not yet been put into practical use. However, if an organic laser is put into practical use, characteristics that cannot be obtained with an inorganic semiconductor laser can be imparted. For example, a flexible laser can be produced based on the flexibility of the material, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced, and the manufacturing process can be varied (e.g., vapor deposition, spin coating, printing, dip coating, etc. Etc.).

これ迄に有機レーザーの開発を妨げていた主な要因は、有機化合物を用いた場合には、レーザー発振に必要不可欠な反転分布状態を形成することが困難であったことである。   The main factor that has hindered the development of organic lasers so far is that it was difficult to form an inversion distribution state indispensable for laser oscillation when organic compounds were used.

非特許文献1に示されているように、有機化合物を用いてレーザー光発振するのに(つまり反転分布状態を形成するのに)必要な光エネルギー密度は5μJ/cmである。これに相当するエネルギーを電流注入によって得ようとすると、数千A/cmもの電流密度の電流を流すことが必要とされる。しかし、有機化合物中に数千A/cmもの電流密度の電流を流すと、素子は破壊されてしまう。従って、有機化合物をレーザー媒質とした電流励起型のレーザー発振を実現するためには、低い電流密度で反転分布状態を形成できるようにする技術を開発することが必要であった。
Kozlov, V. G. 等, アプライド・フィジックス・レターズ, 1998年, 72号, 144−146頁
As shown in Non-Patent Document 1, the light energy density required to oscillate a laser beam using an organic compound (that is, to form an inverted distribution state) is 5 μJ / cm 2 . In order to obtain energy corresponding to this by current injection, it is necessary to flow a current having a current density of several thousand A / cm 2 . However, when a current having a current density of several thousand A / cm 2 is passed through the organic compound, the device is destroyed. Therefore, in order to realize current-excitation laser oscillation using an organic compound as a laser medium, it has been necessary to develop a technique that can form an inversion distribution state at a low current density.
Kozlov, V.M. G. Et al., Applied Physics Letters, 1998, 72, 144-146.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、有機化合物を、低い電流密度で電流励起することによって反転分布状態を形成することのできる発光素子を提供することを課題とする。また、有機化合物をレーザー媒質とした電流励起型のレーザー発振器(すなわちレーザー装置)を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of the said problem, and makes it a subject to provide the light emitting element which can form an inversion distribution state by carrying out current excitation of the organic compound with a low current density. It is another object of the present invention to provide a current excitation type laser oscillator (that is, a laser device) using an organic compound as a laser medium.

従来のレーザー素子では、外部エネルギーによって基底状態の分子を励起状態へ励起し、励起状態の分子数より基底状態の分子数を大きくすることによって反転分布を得ようとするものである。これに対して本発明では、基底状態の分子を、電気化学的にキャリアを有する状態とし、基底状態の分子数を相対的に減少させ、これによって励起状態の分子数を基底状態の分子数よりも多くすることで反転分布を形成するものである。このような反転分布を形成するために、一対の電極間に複数の層を設けている。   In a conventional laser element, an inversion distribution is obtained by exciting a ground state molecule to an excited state by external energy and increasing the number of molecules in the ground state than the number of molecules in the excited state. On the other hand, in the present invention, the ground state molecule is made to have an electrochemical carrier state, and the number of ground state molecules is relatively reduced, whereby the number of excited state molecules is less than the number of ground state molecules. By increasing the number, an inversion distribution is formed. In order to form such an inversion distribution, a plurality of layers are provided between a pair of electrodes.

本発明の発光素子の構成について以下に説明する。   The structure of the light emitting element of the present invention will be described below.

本発明の発光素子は、一対の電極間に少なくとも第1の層及び第2の層を有し、当該第1の層及び第2の層は、第1の層及び第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、第1の層における第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられたことを特徴としている。   The light-emitting element of the present invention includes at least a first layer and a second layer between a pair of electrodes, and the first layer and the second layer are connected to the first layer and the second layer on one side. When holes are injected and electrons are injected into the other, it is provided adjacent to the first layer so that ion species are accumulated in a region in contact with the second layer.

具体的には、本発明の発光素子は、隣接した第1の層と第2の層とを有し、第1の層の最低空分子軌道(LUMO:Lowest Unoccupied Molecular Orbital)準位と第2の層のLUMO準位との間、及び第1の層の最高被占分子軌道(HOMO:Highest Occupied Molecular Orbital)準位と第2の層のHOMO準位との間のそれぞれにエネルギー障壁を有することを特徴とする。そして、HOMO準位間のエネルギー障壁は、LUMO準位間のエネルギー障壁より大きいことを特徴とする。   Specifically, the light-emitting element of the present invention has a first layer and a second layer adjacent to each other, and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) level and the second layer of the first layer. Energy barriers between the LUMO level of the first layer and between the highest occupied molecular orbital (HOMO) level of the first layer and the HOMO level of the second layer. It is characterized by that. The energy barrier between HOMO levels is larger than the energy barrier between LUMO levels.

別の形態を有する本発明の発光素子は、第1の層において、第2の層に接する領域に基底状態として存在する分子の割合を電気化学的に減少させることにより、基底状態の分子の割合よりも励起状態の分子の割合を大きくすることによって反転分布状態を生じさせることを特徴とする。   In the light-emitting element of the present invention having another form, the proportion of molecules in the ground state is electrochemically reduced in the first layer by reducing the proportion of molecules present as a ground state in a region in contact with the second layer. An inversion distribution state is generated by increasing the proportion of molecules in an excited state.

別の形態を有する本発明の発光素子は、第1の層から第2の層へ正孔の移動を阻止するための第1のエネルギー障壁と、第2の層から第1の層へ電子の移動を阻止するための第2のエネルギー障壁を有することを特徴とする。そして、第1のエネルギー障壁は第2にエネルギー障壁よりも大きいことを特徴とする。   The light-emitting element of the present invention having another form includes a first energy barrier for blocking the movement of holes from the first layer to the second layer, and electrons from the second layer to the first layer. It has the 2nd energy barrier for stopping movement, It is characterized by the above-mentioned. The second energy barrier is secondly larger than the energy barrier.

別の形態を有する本発明の発光素子は、第1の層と第2の層とは優先的に輸送されるキャリアの極性が異なり、第1の層のHOMO準位は第2の層のHOMO準位よりも高く、第1の層のLUMO準位は第2の層のLUMOの準位よりも高いことを特徴としている。また、第1の層は電子よりも正孔の輸送性が高く、第2の層は正孔よりも電子の輸送性が高いことも特徴とする。   In the light-emitting element of the present invention having another form, the first layer and the second layer have different polarities of carriers transported preferentially, and the HOMO level of the first layer is the HOMO level of the second layer. The LUMO level of the first layer is higher than the level of the LUMO of the second layer. In addition, the first layer has a higher hole-transport property than electrons, and the second layer has a higher electron-transport property than holes.

なお、第1の層と第2の層のHOMO準位の差の絶対値は0.5eV以上が好ましく、より好ましくは0.5eV以上3.0eV未満である。また、第1の層と第2の層のLUMO準位の差の絶対値は、0.1eV以上であって且つ第1の層と第2の層のHOMO準位の差の絶対値よりも小さいことが好ましく、より好ましくは0.1以上3.0eV未満である。   Note that the absolute value of the difference between the HOMO levels of the first layer and the second layer is preferably 0.5 eV or more, more preferably 0.5 eV or more and less than 3.0 eV. Further, the absolute value of the difference between the LUMO levels of the first layer and the second layer is 0.1 eV or more and is larger than the absolute value of the difference between the HOMO levels of the first layer and the second layer. It is preferably small, more preferably 0.1 or more and less than 3.0 eV.

上記のような構成とすることにより、第1の層及び第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき発光領域における基底状態の分子数は励起状態の分子数よりも少なくなる。すなわち、反転分布状態が生じやすい。このように一方に正孔を注入し、他方に電子を注入することによって発光する素子を電流励起型発光素子と呼ぶ。   With the above configuration, when holes are injected into one of the first layer and the second layer and electrons are injected into the other, the number of molecules in the ground state in the light emitting region is greater than the number of molecules in the excited state. Less. That is, an inversion distribution state is likely to occur. An element that emits light by injecting holes in one side and injecting electrons in the other side is called a current-excitation light-emitting element.

また、反転分布状態が形成された領域での発光を増幅するために、本発明の発光素子は、発光を共振するための構造を有していることを特徴としている。   Further, in order to amplify the light emission in the region where the inversion distribution state is formed, the light-emitting element of the present invention has a structure for resonating the light emission.

具体的には、本発明の発光素子は、一対の反射体の間に上述の二つの層を有し、反射体間の距離が、反転分布状態が形成された領域での発光の波長の2分の1の整数倍となることを特徴としている。   Specifically, the light-emitting element of the present invention has the two layers described above between a pair of reflectors, and the distance between the reflectors is 2 of the emission wavelength in the region where the inversion distribution state is formed. It is characterized by being an integral multiple of a fraction.

なお、反射体は、発光素子の電極としての機能を有することができる。   Note that the reflector can function as an electrode of the light-emitting element.

発光素子の第1の層を構成する物質としては、例えば4,4’−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニル−アミノ]−ビフェニル(以下、α−NPDと示す)や、4,4’,4’’−トリス(N,N−ジフェニル−アミノ)−トリフェニルアミン(以下、TDATAと示す)、4,4’−ビス[N−(3−メチルフェニル)−N−フェニルアミノ]−ビフェニル(以下、TPDと示す)、4,4’,4’’−トリス(N−カルバゾリル)トリフェニルアミン(以下、TCTAと示す)などが好ましい。但し、ここに列挙した以外の物質であっても、正孔移動度が1×10−6cm/V・sec以上のものであればよい。当該移動度は、室温にて測定した場合の値である。 Examples of the substance constituting the first layer of the light-emitting element include 4,4′-bis [N- (1-naphthyl) -N-phenyl-amino] -biphenyl (hereinafter referred to as α-NPD), 4 , 4 ′, 4 ″ -tris (N, N-diphenyl-amino) -triphenylamine (hereinafter referred to as TDATA), 4,4′-bis [N- (3-methylphenyl) -N-phenylamino ] -Biphenyl (hereinafter referred to as TPD), 4,4 ′, 4 ″ -tris (N-carbazolyl) triphenylamine (hereinafter referred to as TCTA) and the like are preferable. However, the substances other than those listed here may have a hole mobility of 1 × 10 −6 cm 2 / V · sec or more. The mobility is a value measured at room temperature.

発光素子の第2の層を構成する物質としては、例えばトリス(8−キノリノラート)アルミニウム錯体(以下、Alqと記す)に代表されるような、キノリン骨格またはベンゾキノリン骨格を有する金属錯体やその混合配位子錯体などが好ましい。さらに、金属錯体以外にも、2−(4−ビフェニリル)−5−(4−tert−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール(以下、PBDと示す)、1,3−ビス[5−(p−tert−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール−2−イル]ベンゼン(以下、OXD−7と示す)などのオキサジアゾール誘導体、3−(4−tert−ブチルフェニル)−4−フェニル−5−(4−ビフェニリル)−1,2,4−トリアゾール(以下、TAZと示す)、3−(4−tert−ブチルフェニル)−4−(4−エチルフェニル)−5−(4−ビフェニリル)−1,2,4−トリアゾール(以下、p−EtTAZと示す)などのトリアゾール誘導体、バソフェナントロリン(以下、BPhenと示す)、バソキュプロイン(以下、BCPと示す)などのフェナントロリン誘導体、4,4’−(N−カルバゾリル)ビフェニル(以下、CBPと記す)を用いることができる。但し、ここに列挙した以外の物質であっても、電子移動度が10−8cm/V・sec以上のものであればよい。当該移動度は、室温にて測定した場合の値である。 As a substance constituting the second layer of the light-emitting element, for example, a metal complex having a quinoline skeleton or a benzoquinoline skeleton represented by a tris (8-quinolinolato) aluminum complex (hereinafter referred to as Alq 3 ), or a metal complex thereof Mixed ligand complexes are preferred. In addition to metal complexes, 2- (4-biphenylyl) -5- (4-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazole (hereinafter referred to as PBD), 1,3-bis [ Oxadiazole derivatives such as 5- (p-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazol-2-yl] benzene (hereinafter referred to as OXD-7), 3- (4-tert-butyl Phenyl) -4-phenyl-5- (4-biphenylyl) -1,2,4-triazole (hereinafter referred to as TAZ), 3- (4-tert-butylphenyl) -4- (4-ethylphenyl)- Triazole derivatives such as 5- (4-biphenylyl) -1,2,4-triazole (hereinafter referred to as p-EtTAZ), bathophenanthroline (hereinafter referred to as BPhen), bathocuproin (hereinafter referred to as “p-EtTAZ”) Phenanthroline derivatives such as indicated as BCP), 4, 4 '- (N-carbazolyl) biphenyl (hereinafter referred to as CBP) can be used. However, any substance other than those listed here may have an electron mobility of 10 −8 cm 2 / V · sec or more. The mobility is a value measured at room temperature.

なお、第1の層と第2の層は、いずれか一方または両方が無機化合物を含む層であってもよい。   Note that one or both of the first layer and the second layer may be a layer containing an inorganic compound.

このような発光素子は、当該発光素子へ流す電流の密度に対する発光スペクトル強度の変化が、傾きの異なる二つの線形領域で区分可能であり、傾きの大きい領域は、傾きの小さい領域に対して、高電流密度側にある。そして、傾きの異なる二つの線形領域の閾値が、2mA/cm以上50mA/cm以下である。 In such a light-emitting element, the change in emission spectrum intensity with respect to the density of the current flowing to the light-emitting element can be divided into two linear regions having different inclinations. On the high current density side. The threshold values of the two linear regions having different inclinations are 2 mA / cm 2 or more and 50 mA / cm 2 or less.

本発明により、有機化合物を、低い電流密度で電流励起することによって反転分布状態を形成できる発光素子を得ることができる。また、反転分布状態が形成された領域において誘導放出された光を共振・増幅することのできる発光素子を得ることができる。また、有機化合物をレーザー媒質とした電流励起型のレーザー装置を得ることができる。   According to the present invention, a light-emitting element capable of forming an inversion distribution state by exciting an organic compound with a low current density can be obtained. Further, it is possible to obtain a light-emitting element that can resonate and amplify the stimulated emission in the region where the inversion distribution state is formed. In addition, a current excitation type laser apparatus using an organic compound as a laser medium can be obtained.

本発明の発光素子の態様について以下に説明する。   Embodiments of the light-emitting element of the present invention will be described below.

従来のレーザー素子では、外部エネルギーによって基底状態の分子を励起状態へ励起し、励起状態の分子数より基底状態の分子数を大きくすることによって反転分布を得ようとするものである。これに対して本発明では、基底状態の分子を、電気化学的にキャリアを有する状態とし、基底状態の分子数を相対的に減少させ、これによって励起状態の分子数を基底状態の分子数よりも多くすることで反転分布を形成するものである。   In a conventional laser element, an inversion distribution is obtained by exciting a ground state molecule to an excited state by external energy and increasing the number of molecules in the ground state than the number of molecules in the excited state. On the other hand, in the present invention, the ground state molecule is made to have an electrochemical carrier state, and the number of ground state molecules is relatively reduced, whereby the number of excited state molecules is less than the number of ground state molecules. By increasing the number, an inversion distribution is formed.

具体的には、図3に示すように、発光素子は、優先的に輸送されるキャリアの極性が異なり、隣接して設けられている二つの層311、312を少なくとも有し、二つの層にはそれぞれ分子301a、302aが含まれる。二つの層311、312にそれぞれ正孔または電子を注入させることで、基底状態であった分子301a、302aの殆んど全てを、キャリアを有する状態にする。キャリアを有する状態とは、イオン種が形成されている状態である。イオン種には、カチオンラジカル301b、又はアニオンラジカル302bがある。その他のイオン種としては、ジカチオン、ジアニオン等がある。イオン種が形成されていることで、電気化学的に基底状態の分子の膜中濃度が減少する。そして、例えば基底状態であった分子301aの殆んど全てがカチオンラジカル301bになった領域に、電子を注入させる。このとき、再結合により励起状態の分子301cが形成されるが、基底状態の分子301aの密度は非常に低いため、相対的に励起状態の分子301cの数が基底状態の分子301aの数よりも多くなり、反転分布状態が形成されることになる。なお図3において、302cは発光して基底状態に至った分子を表している。   Specifically, as shown in FIG. 3, the light emitting element has at least two layers 311 and 312 provided adjacent to each other in which the polarities of carriers transported preferentially are different. Includes molecules 301a and 302a, respectively. By injecting holes or electrons into the two layers 311, 312 respectively, almost all of the molecules 301a, 302a in the ground state are brought into a state having carriers. The state having carriers is a state in which ionic species are formed. The ionic species includes a cation radical 301b or an anion radical 302b. Other ionic species include dications and dianions. The formation of ionic species reduces the concentration of electrochemically ground state molecules in the film. Then, for example, electrons are injected into a region where almost all of the molecules 301a in the ground state become cation radicals 301b. At this time, excited state molecules 301c are formed by recombination, but the density of the ground state molecules 301a is very low, and therefore the number of excited state molecules 301c is relatively larger than the number of ground state molecules 301a. As a result, an inversion distribution state is formed. In FIG. 3, 302 c represents a molecule that has emitted light and has reached the ground state.

このような、電気化学的な反転分布状態を形成することのできる発光素子のエネルギー構造について、図1を用いて説明する。   An energy structure of a light-emitting element capable of forming such an electrochemical inversion distribution state will be described with reference to FIG.

図1は、本発明の発光素子のエネルギーバンド図である。図1において、第1の層101は電子よりも正孔の輸送性が高い層であり、第2の層102は正孔よりも電子の輸送性が高い層である。正孔は陽極103側から第1の層101に注入され、陰極104側へ輸送される。   FIG. 1 is an energy band diagram of the light emitting device of the present invention. In FIG. 1, the first layer 101 is a layer having a higher hole-transport property than electrons, and the second layer 102 is a layer having a higher electron-transport property than holes. Holes are injected into the first layer 101 from the anode 103 side and transported to the cathode 104 side.

ここで第1の層101のHOMOの準位(HOMO準位)107は第2の層102のHOMO準位108よりも上に位置し、また第1の層101と第2の層102のHOMO準位の差(ΔE)106の絶対値ができるだけ大きくなるように構成されている。これによって、第2の層102は正孔を阻止するための層として機能し、できるだけ多くの正孔を第1の層101内に蓄積することができる。なおHOMO準位の差106の絶対値は、0.5eV以上が好ましく、より好ましくは0.5eV以上3.0eV未満である。 Here, the HOMO level (HOMO level) 107 of the first layer 101 is located above the HOMO level 108 of the second layer 102, and the HOMO levels of the first layer 101 and the second layer 102. The absolute value of the level difference (ΔE 1 ) 106 is configured to be as large as possible. Thus, the second layer 102 functions as a layer for blocking holes, and as many holes as possible can be accumulated in the first layer 101. The absolute value of the HOMO level difference 106 is preferably 0.5 eV or more, more preferably 0.5 eV or more and less than 3.0 eV.

また、第1の層101のLUMOの準位(LUMO準位)109は第2の層102のLUMO準位110よりも上に位置し、また第1の層101と第2の層102のLUMO準位の差(ΔE)105の絶対値ができるだけ大きくなるように構成されている。これによって、陰極104側から注入された電子が第1の層101に大量に注入されるのを阻止することができる。従って、電子と正孔との再結合によって正孔の蓄積ができなくなるのを抑制することができる。 The LUMO level (LUMO level) 109 of the first layer 101 is located above the LUMO level 110 of the second layer 102, and the LUMO levels of the first layer 101 and the second layer 102 are also set. The absolute value of the level difference (ΔE 2 ) 105 is configured to be as large as possible. Thus, a large amount of electrons injected from the cathode 104 side can be prevented from being injected into the first layer 101. Accordingly, it is possible to suppress the accumulation of holes due to recombination of electrons and holes.

HOMO準位の差、又はLUMO準位の差をエネルギー障壁と呼ぶ。 The difference between HOMO levels or LUMO levels is called an energy barrier.

また、発光させるために、正孔輸送に対するエネルギー障壁よりも電子輸送に対するエネルギー障壁の方が小さくなるように構成されている。つまり、LUMO準位の差105(ΔE)の絶対値がHOMO準位の差106(ΔE)の絶対値よりも小さくなるように構成されている。これは、キャリアの注入速度は、エネルギー障壁の大きさに大きく依存するためである。なお、LUMO準位の差105の大きさは、好ましくは0.1以上3.0eV未満である。このような値にすることによって、第1の層101へ僅かな電子注入がなされるように制御することができる。 In order to emit light, the energy barrier for electron transport is smaller than the energy barrier for hole transport. That is, the absolute value of the LUMO level difference 105 (ΔE 2 ) is configured to be smaller than the absolute value of the HOMO level difference 106 (ΔE 1 ). This is because the carrier injection speed largely depends on the size of the energy barrier. Note that the magnitude of the LUMO level difference 105 is preferably 0.1 or more and less than 3.0 eV. By setting it to such a value, it is possible to control so that slight electron injection into the first layer 101 is performed.

上記のような構成を有する本発明の発光素子では、発光領域における基底状態の分子の数をできるだけ少なくし、正孔を有する分子(カチオンラジカル分子)の密度を上げることができる。つまり第1の層101のうち第2の層102と接している側には殆んど基底状態の分子は存在せず、イオン種であるカチオンラジカルが占めている。なお、正孔が蓄積された第1の層101には僅かに電子が注入される。電子が注入されると正孔と再結合して発光領域に励起子が生成する。すなわち励起状態が形成される。このとき、発光領域では基底状態の分子は殆んど存在しないため、基底状態の分子数は、励起状態の分子数に対して小さくなり、反転分布状態が形成される。   In the light-emitting element of the present invention having the above structure, the number of molecules in the ground state in the light-emitting region can be reduced as much as possible to increase the density of molecules having holes (cation radical molecules). That is, almost no ground state molecules exist on the side of the first layer 101 that is in contact with the second layer 102, and the cation radical that is an ionic species occupies. Note that a slight amount of electrons are injected into the first layer 101 in which holes are accumulated. When electrons are injected, they recombine with holes and excitons are generated in the light emitting region. That is, an excited state is formed. At this time, since there are almost no ground state molecules in the light emitting region, the number of molecules in the ground state becomes smaller than the number of molecules in the excited state, and an inversion distribution state is formed.

なお、本形態では第1の層101において反転分布状態が形成されるような構成の発光素子について説明したが、これ以外に第2の層102に反転分布状態が形成されるような構成の発光素子であってもよい。この場合、上記した発光素子と全く逆の構成の発光素子とすればよい。具体的には、ΔEの絶対値がΔEの絶対値よりも大きくなるような構成とすればよい。このような構成を有する発光素子では、第2の層102に電子が蓄積される。 Note that although a light-emitting element having a configuration in which an inversion distribution state is formed in the first layer 101 has been described in this embodiment mode, light emission having a configuration in which an inversion distribution state is formed in the second layer 102 can be performed. It may be an element. In this case, a light-emitting element having a configuration opposite to that of the light-emitting element described above may be used. Specifically, the absolute value of ΔE 2 may be configured to be larger than the absolute value of ΔE 1 . In the light-emitting element having such a structure, electrons are accumulated in the second layer 102.

なお、有機化合物では電子よりも正孔の輸送性に優れたものの方が多く、第1の層101における正孔の移動度の方が第2の層102における電子の移動度よりも高くなるような発光素子の方が作製しやすい。従って、発光素子の構造としては、先に述べたような第1の層101に反転分布状態が形成されるような構成を有する方が好ましい。   Note that many organic compounds have better hole transportability than electrons, and the mobility of holes in the first layer 101 is higher than the mobility of electrons in the second layer 102. A simple light-emitting element is easier to manufacture. Therefore, the light emitting element preferably has a structure in which an inversion distribution state is formed in the first layer 101 as described above.

上記に示したようなエネルギーバンド構造を有する発光素子の構造について、図2を用いて以下に説明にする。   The structure of the light-emitting element having the energy band structure as described above will be described below with reference to FIG.

なお本形態では、発光素子の端面(エッジ部分)から矢印に示すように発光を取り出すことのできるような構造を有する発光素子について説明する。勿論、発光素子の上面から発光を取り出す構造を有する発光素子であっても、本発明の素子構造を適用することができる。   Note that in this embodiment, a light-emitting element having a structure in which light emission can be extracted from an end surface (edge portion) of the light-emitting element as indicated by an arrow will be described. Needless to say, the element structure of the present invention can be applied even to a light-emitting element having a structure in which light is extracted from the upper surface of the light-emitting element.

図2において、11は素子を支持するための基板である。基板11の材質として特に限定されるものはない。ガラス、石英、プラスチックのみならず、紙や布などの柔軟な基板でも用いることができる。   In FIG. 2, reference numeral 11 denotes a substrate for supporting the element. There is no particular limitation on the material of the substrate 11. Not only glass, quartz and plastic but also flexible substrates such as paper and cloth can be used.

基板11の上には第1の電極12が形成されている。第1の電極12は陽極として機能すると共に、発光を反射するための反射体としての機能を有するとよい。本形態に示す発光素子において第1の電極12は二層(12a、12b)で構成することができる。例えば第1の電極12aは導電性の高いもので形成すればよい。また第1の電極12bは第1の層13と接し、第1の層13へ正孔を注入する機能を有する材料を用いる。例えば、インジウム錫酸化物(ITO:Indium Tin Oxide)やZnOのような仕事関数が高い金属酸化物を用いることができる。さらに第1の電極12bは反射体としても機能するものとするとよい。そのため、仕事関数が大きく、反射性を有するAl、Ag、Pt、又はAu等の金属または合金などを用いて形成することが好ましい。第1の電極12bが反射体としても機能することを考慮すれば、Agのような可視光の吸収率が低く反射率の高いものを用いて形成することが好ましいからである。また膜厚については、第1の電極12bが反射体として機能できるような膜厚に制御されている。非常に薄い場合、反射体としての機能を奏することができないからである。なお、第1の電極12bが仕事関数の高い材料で形成されることから、第1の電極12aは仕事関数については特に制限されない。また、第1の電極12aは反射性を有する材料(Al、Agなど)を用いればよく、誘電体多層膜などを用いてもよい。このように電極を積層構造とすることによって、電極材料の選択の幅を広げることができ、積層された電極の各機能を高めることができる。また、第1の電極12は、必ずしも二層で構成される必要はなく、単層構造、又は三層以上の積層構造であってもよい。   A first electrode 12 is formed on the substrate 11. The first electrode 12 may function as an anode and have a function as a reflector for reflecting light emission. In the light-emitting element described in this embodiment, the first electrode 12 can be formed of two layers (12a and 12b). For example, the first electrode 12a may be formed with a high conductivity. The first electrode 12 b is made of a material that is in contact with the first layer 13 and has a function of injecting holes into the first layer 13. For example, a metal oxide having a high work function such as indium tin oxide (ITO) or ZnO can be used. Further, the first electrode 12b may function as a reflector. Therefore, it is preferable to use a metal or an alloy such as Al, Ag, Pt, or Au having a high work function and reflectivity. In consideration of the fact that the first electrode 12b also functions as a reflector, it is preferable to form the first electrode 12b using a material having a low visible light absorptivity such as Ag and a high reflectance. The film thickness is controlled so that the first electrode 12b can function as a reflector. This is because if it is very thin, it cannot function as a reflector. Note that since the first electrode 12b is formed of a material having a high work function, the work function of the first electrode 12a is not particularly limited. The first electrode 12a may be made of a reflective material (Al, Ag, etc.), and may be a dielectric multilayer film. Thus, by making an electrode into a laminated structure, the selection range of an electrode material can be expanded and each function of the laminated | stacked electrode can be improved. In addition, the first electrode 12 is not necessarily formed of two layers, and may have a single layer structure or a stacked structure of three or more layers.

第1の電極12bの上に形成されている第1の層13は、正孔を輸送するための層であると共に、発光する層である。なお本形態の発光素子では、第1の層13は、電子よりも正孔の輸送性が高く、また正孔注入性にも優れ、エネルギーバンドギャップの大きいもので形成することが好ましい。また、発光する層でもあるため、発光の量子収率の大きな材料が好ましい。例えば、芳香族アミンが好ましい。具体的には、4,4’−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニル−アミノ]−ビフェニル(以下、α−NPDと示す)や、4,4’,4’’−トリス(N,N−ジフェニル−アミノ)−トリフェニルアミン(以下、TDATAと示す)、4,4’−ビス[N−(3−メチルフェニル)−N−フェニルアミノ]−ビフェニル(以下、TPDと示す)、4,4’,4’’−トリス(N−カルバゾリル)トリフェニルアミン(以下、TCTAと示す)などを用いることができる。一方、高分子材料としては良好なホール輸送性を示すポリ(ビニルカルバゾール)などを用いてもよい。なお、トリフェニルアミン誘導体はエネルギーバンドギャップが大きくHOMO準位が高い、つまりイオン化ポテンシャルが小さいため特に好ましい。なお、第1の層13は、単層のみでなく、上記に示したような物質からなる二層以上の積層構造を有する層であってもよい。   The first layer 13 formed on the first electrode 12b is a layer for transporting holes and a layer that emits light. Note that in the light-emitting element of this embodiment, the first layer 13 is preferably formed with a material having a higher hole transportability than electrons, an excellent hole injection property, and a large energy band gap. In addition, since it is also a light emitting layer, a material having a large quantum yield of light emission is preferable. For example, an aromatic amine is preferable. Specifically, 4,4′-bis [N- (1-naphthyl) -N-phenyl-amino] -biphenyl (hereinafter referred to as α-NPD), 4,4 ′, 4 ″ -tris ( N, N-diphenyl-amino) -triphenylamine (hereinafter referred to as TDATA), 4,4′-bis [N- (3-methylphenyl) -N-phenylamino] -biphenyl (hereinafter referred to as TPD) 4,4 ′, 4 ″ -tris (N-carbazolyl) triphenylamine (hereinafter referred to as TCTA) and the like can be used. On the other hand, as the polymer material, poly (vinyl carbazole) or the like showing good hole transportability may be used. Triphenylamine derivatives are particularly preferable because they have a large energy band gap and a high HOMO level, that is, a low ionization potential. Note that the first layer 13 is not limited to a single layer, and may be a layer having a laminated structure of two or more layers made of the materials described above.

第1の層13の上には第2の層14が形成されている。第2の層は、電子を輸送するための層である。第2の層14は、正孔よりも電子の輸送性が高く、また電子注入性にも優れ、イオン化ポテンシャルの大きいものを用いて形成することが好ましい。例えば、トリス(8−キノリノラート)アルミニウム錯体(以下、Alqと記す)に代表されるような、キノリン骨格またはベンゾキノリン骨格を有する金属錯体やその混合配位子錯体などを用いることが好ましい。さらに、金属錯体以外にも、2−(4−ビフェニリル)−5−(4−tert−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール(以下、PBDと示す)、1,3−ビス[5−(p−tert−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール−2−イル]ベンゼン(以下、OXD−7と示す)などのオキサジアゾール誘導体、3−(4−tert−ブチルフェニル)−4−フェニル−5−(4−ビフェニリル)−1,2,4−トリアゾール(以下、TAZと示す)、3−(4−tert−ブチルフェニル)−4−(4−エチルフェニル)−5−(4−ビフェニリル)−1,2,4−トリアゾール(以下、p−EtTAZと示す)などのトリアゾール誘導体、バソフェナントロリン(以下、BPhenと示す)、バソキュプロイン(以下、BCPと示す)などのフェナントロリン誘導体、4,4’−(N−カルバゾリル)ビフェニル(以下、CBPと記す)を用いることができる。なお、第2の層14を構成する物質は第1の層13を構成する物質よりもバンドギャップが大きく、かつイオン化ポテンシャルがより大きいものを用いることが好ましい。具体的には、CBPやBCPなどのフェナントロリン誘導体やカルバゾール誘導体などである。なお、第2の層14は、単層のみでなく、上記に示したような物質からなる二層以上の積層構造を有する層であってもよい。 A second layer 14 is formed on the first layer 13. The second layer is a layer for transporting electrons. The second layer 14 is preferably formed using a material having higher electron transportability than holes, excellent electron injection properties, and a large ionization potential. For example, it is preferable to use a metal complex having a quinoline skeleton or a benzoquinoline skeleton represented by a tris (8-quinolinolato) aluminum complex (hereinafter referred to as Alq 3 ), a mixed ligand complex thereof, or the like. In addition to metal complexes, 2- (4-biphenylyl) -5- (4-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazole (hereinafter referred to as PBD), 1,3-bis [ Oxadiazole derivatives such as 5- (p-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazol-2-yl] benzene (hereinafter referred to as OXD-7), 3- (4-tert-butyl Phenyl) -4-phenyl-5- (4-biphenylyl) -1,2,4-triazole (hereinafter referred to as TAZ), 3- (4-tert-butylphenyl) -4- (4-ethylphenyl)- Triazole derivatives such as 5- (4-biphenylyl) -1,2,4-triazole (hereinafter referred to as p-EtTAZ), bathophenanthroline (hereinafter referred to as BPhen), bathocuproin (hereinafter referred to as “p-EtTAZ”) Phenanthroline derivatives such as indicated as BCP), 4, 4 '- (N-carbazolyl) biphenyl (hereinafter referred to as CBP) can be used. Note that the material constituting the second layer 14 is preferably a material having a larger band gap and a larger ionization potential than the material constituting the first layer 13. Specifically, phenanthroline derivatives such as CBP and BCP, carbazole derivatives, and the like. Note that the second layer 14 is not limited to a single layer, and may be a layer having a laminated structure of two or more layers made of the materials described above.

なお、第1の層13のHOMO準位は、第2の層14のHOMO準位よりも上に位置し、第1の層13のLUMO準位は、第2の層14のLUMO準位よりも上に位置していることが好ましい。第1の層13が二層以上の積層構造である場合、第1の層13のうち第2の層14に接する層のHOMO準位及びLUMO準位がそれぞれ第2の層14のHOMO準位及びLUMO準位よりも上に位置していることが好ましい。また、第2の層14が二層以上の積層構造である場合、第2の層14のうち第1の層13に接する層のHOMO準位及びLUMO準位がそれぞれ第1の層13のHOMO準位及びLUMO準位よりも下に位置していることが好ましい。また、第1の層13及び第2の層14が二層以上の積層構造である場合、第1の層13のうち第2の層14に接する層のHOMO準位及びLUMO準位が、第2の層14のうち第1の層13に接する層のHOMO準位及びLUMO準位よりも上に位置していることが好ましい。   The HOMO level of the first layer 13 is located above the HOMO level of the second layer 14, and the LUMO level of the first layer 13 is higher than the LUMO level of the second layer 14. It is preferable that it is located above. When the first layer 13 has a stacked structure of two or more layers, the HOMO level and the LUMO level of the layer in contact with the second layer 14 in the first layer 13 are the HOMO levels of the second layer 14 respectively. And preferably above the LUMO level. When the second layer 14 has a stacked structure of two or more layers, the HOMO level and the LUMO level of the layer in contact with the first layer 13 in the second layer 14 are the HOMO of the first layer 13 respectively. It is preferably located below the level and the LUMO level. Further, when the first layer 13 and the second layer 14 have a stacked structure of two or more layers, the HOMO level and the LUMO level of the layer in contact with the second layer 14 in the first layer 13 are The second layer 14 is preferably located above the HOMO level and the LUMO level of the layer in contact with the first layer 13.

第2の層14の上に第2の電極15が形成される。第2の電極15は陰極として機能すると共に、発光を反射するための反射体としての機能を有するとよい。本形態に示す発光素子において第2の電極15は二層(15a、15b)で構成することができる。例えば第2の電極15aは第2の層14と接し、第2の層14へ電子を注入するものである。従って、第2の電極15aは、1族または2族の典型元素、すなわちLiやCs等のアルカリ金属、およびMg、Ca、Sr等のアルカリ土類金属、およびこれらを含む合金(Mg/Ag、Al/Li)の他、希土類金属を含む遷移金属のような仕事関数の低いもので形成することが好ましい。また、第2の電極15aは、反射体として機能する。従って、Al、Ag、若しくはMg、またはこれらの合金のような可視光の吸収が小さく、反射率の大きな金属を用いて形成することが好ましい。また膜厚については、反射体として機能できるような膜厚に制御されている。非常に薄い場合、反射体としての機能を奏することができないからである。なお、第2の電極15aが仕事関数の低い材料で形成されることから、第2の電極15bは仕事関数については特に制限されない。また、第2の電極15bは反射性を有する材料(Al、Agなど)を用いればよく、誘電体多層膜などを用いてもよい。このように電極を積層構造とすることによって、電極材料の選択の幅を広げることができ、積層された電極の各機能を高めることができる。また、第2の電極15は、必ずしも二層で構成される必要はなく、単層構造、又は三層以上の積層構造であってもよい。   A second electrode 15 is formed on the second layer 14. The second electrode 15 may function as a cathode and have a function as a reflector for reflecting light emission. In the light-emitting element described in this embodiment mode, the second electrode 15 can be formed of two layers (15a and 15b). For example, the second electrode 15 a is in contact with the second layer 14 and injects electrons into the second layer 14. Therefore, the second electrode 15a is a group 1 or group 2 typical element, that is, an alkali metal such as Li or Cs, an alkaline earth metal such as Mg, Ca, or Sr, and an alloy containing these (Mg / Ag, In addition to (Al / Li), it is preferable to form with a low work function such as transition metals including rare earth metals. The second electrode 15a functions as a reflector. Therefore, it is preferable to use a metal having low visible light absorption and high reflectance such as Al, Ag, Mg, or an alloy thereof. The film thickness is controlled so as to function as a reflector. This is because if it is very thin, it cannot function as a reflector. Since the second electrode 15a is formed of a material having a low work function, the work function of the second electrode 15b is not particularly limited. The second electrode 15b may be made of a reflective material (Al, Ag, etc.), and may be a dielectric multilayer film. Thus, by making an electrode into a laminated structure, the selection range of an electrode material can be expanded and each function of the laminated | stacked electrode can be improved. In addition, the second electrode 15 is not necessarily formed of two layers, and may have a single layer structure or a stacked structure of three or more layers.

なお、第1の層13や第2の層14は、湿式、及び乾式のいずれの方法を適用して形成しても構わない。高分子材料の場合では、スピンコート法、インクジェット法、ディップコート法、又は印刷法などが適している。一方低分子材料であれば、ディップコート法やスピンコート法だけでなく、真空蒸着などによっても形成することができる。第1の電極12、第2の電極15についても形成方法は特に限定されず、蒸着法、スパッタリング法等によって形成することができる。   Note that the first layer 13 and the second layer 14 may be formed by applying either a wet method or a dry method. In the case of a polymer material, a spin coating method, an ink jet method, a dip coating method, a printing method, or the like is suitable. On the other hand, a low molecular material can be formed not only by dip coating and spin coating, but also by vacuum deposition. The formation method of the first electrode 12 and the second electrode 15 is not particularly limited, and can be formed by an evaporation method, a sputtering method, or the like.

反射体として機能する第1の電極12と第2の電極15との光学的距離(以下、単に距離と呼ぶ)は、反転分布状態が形成された領域における発光を共振・増幅するために、発光波長の2分の1の整数倍となっているとよい。これによって、定常波を形成して光を共振・増幅させることができるからである。なお、当該距離の制御は、第1の層13と第2の層14との積算膜厚を変えることによって行うことができる。   The optical distance between the first electrode 12 and the second electrode 15 functioning as a reflector (hereinafter simply referred to as the distance) is used to resonate and amplify the light emission in the region where the inversion distribution state is formed. It is good that it is an integral multiple of half the wavelength. This is because it is possible to resonate and amplify light by forming a standing wave. Note that the distance can be controlled by changing the integrated film thickness of the first layer 13 and the second layer 14.

なお、本形態では第1の電極12と第2の電極15との間に設けられた層は、第1の層13と第2の層14との二層で構成されているが、これに限らず、その他の機能層を設けた三層以上の構成のものとしてもよい。例えば、電子注入層や正孔注入層、正孔阻止層などの機能を設けても構わない。   In this embodiment, the layer provided between the first electrode 12 and the second electrode 15 is composed of two layers of the first layer 13 and the second layer 14. Not limited to this, it may have a configuration of three or more layers provided with other functional layers. For example, functions such as an electron injection layer, a hole injection layer, and a hole blocking layer may be provided.

上記発光素子では、以下の実施例1で示すが、電流密度に対する発光強度の変化からわかる誘導放出の閾値を電流密度50mA/cm以下、好ましくは15mA/cm以下とすることができる。すなわち、この閾値以上の電流密度となるように電流を流した場合に反転分布状態が形成される。なお、閾値は、発光素子の耐久性を考慮すれば2mA/cm以上50mA/cm以下であることが好ましく、本発明の発光素子では2mA/cm以上50mA/cm以下に閾値を有することができる。当該状態が形成された領域において各々の電極から注入された電子と正孔が再結合し発光した発光の一部は反射体(本形態においては第1および第2の電極)の間で共振・増幅される。なお、該発光の発光スペクトルは、上記発光素子内で共振し得る発光波長を主とし、比較的鋭いピークをもつものである。上記発光素子は、例えばレーザー発振器、即ちレーザー装置として用いることができる。 In the above light-emitting element, as shown in Example 1 below, the threshold of stimulated emission that can be seen from the change in the emission intensity with respect to the current density can be set to a current density of 50 mA / cm 2 or less, preferably 15 mA / cm 2 or less. That is, an inversion distribution state is formed when a current is supplied so as to have a current density equal to or higher than this threshold value. The threshold has preferably Considering durability is 2 mA / cm 2 or more 50 mA / cm 2 or less of the light-emitting element, the threshold value 2 mA / cm 2 or more 50 mA / cm 2 or less in the light emitting device of the present invention be able to. In the region where the state is formed, electrons and holes injected from each electrode are recombined, and part of the emitted light is resonated between the reflectors (first and second electrodes in this embodiment). Amplified. Note that the emission spectrum of the emitted light has a light emission wavelength that can resonate within the light emitting element and has a relatively sharp peak. The light emitting element can be used as, for example, a laser oscillator, that is, a laser device.

本発明の発光素子、並びにその発光素子の諸特性について説明する。   The light-emitting element of the present invention and various characteristics of the light-emitting element will be described.

図4に示すように、ガラス基板70上にITOを成膜して電極71を形成する。電極71上に、第1の層72としてα−NPDを真空蒸着によって成膜した後、さらに第1の層72の上に第2の層73(73a、73b)として、CBPおよびBCPを順に成膜した。第2の層73の上に第3の層74としてフッ化カルシウムを成膜した後、さらに電極75としてアルミニウムを成膜し、発光素子とした。なお、第1の層72、第2の層73a、73bの膜厚はそれぞれ、100、30、130nmでありこれらの合計膜厚は260nmである。これは、上記発光素子において電極71、75がそれぞれ反射体として機能する。このように本実施例における発光素子は発光した光を共振できるような構成となっている。   As shown in FIG. 4, an electrode 71 is formed by depositing ITO on a glass substrate 70. After forming α-NPD as a first layer 72 on the electrode 71 by vacuum deposition, CBP and BCP are sequentially formed on the first layer 72 as second layers 73 (73a, 73b). Filmed. After forming calcium fluoride as a third layer 74 on the second layer 73, aluminum was further formed as an electrode 75 to obtain a light emitting element. The film thicknesses of the first layer 72 and the second layers 73a and 73b are 100, 30, and 130 nm, respectively, and the total film thickness thereof is 260 nm. In this light emitting element, the electrodes 71 and 75 function as reflectors, respectively. As described above, the light emitting element in this embodiment is configured to resonate the emitted light.

なお、α−NPDは正孔輸送性に優れた物質であり、LUMO準位は−2.4eV、HOMO準位は−5.3eVである。CBPは電子輸送性の高い物質であり、LUMO準位は−2.5eV、HOMO準位は−5.9eVである。BCPは電子輸送性に優れた物質であり、LUMO準位は−1.7eV、HOMO準位は−6.7eVである。なお上記発光素子のエネルギーバンド構造を図5に示す。図5からも分かるように、第1の層72のLUMO準位は第2の層73aのLUMO準位よりも高い。また、第1の層72のHOMO準位は第2の層73aのHOMO準位よりも高い。なお、第2の層73bのLUMO準位は第2の層73aのLUMO準位よりも高く、第2の層73bのHOMO準位は第2の層73aのHOMO準位よりも低く構成されている。   Note that α-NPD is a substance excellent in hole transportability, and has a LUMO level of −2.4 eV and a HOMO level of −5.3 eV. CBP is a substance having a high electron transporting property, and the LUMO level is −2.5 eV and the HOMO level is −5.9 eV. BCP is a substance having an excellent electron transporting property, and has a LUMO level of −1.7 eV and a HOMO level of −6.7 eV. Note that FIG. 5 illustrates an energy band structure of the light-emitting element. As can be seen from FIG. 5, the LUMO level of the first layer 72 is higher than the LUMO level of the second layer 73a. The HOMO level of the first layer 72 is higher than the HOMO level of the second layer 73a. The LUMO level of the second layer 73b is higher than the LUMO level of the second layer 73a, and the HOMO level of the second layer 73b is lower than the HOMO level of the second layer 73a. Yes.

上記の発光素子の発光スペクトル図を図6に示す。図6から、465nmに半値幅の狭いピークを有する発光が得られていることが分かる。また、電流密度に対する発光強度の変化を図7に示す。なお、実施例のプロットを傾きの異なる2つの領域に区分し、それぞれの領域についての近似直線を実線で示した。図7から、電流密度の増加に応じて直線的に発光強度が増大するが、電流密度が12mA/cmを屈曲点(つまり閾値)としてその傾きが大きくなることが分かる。これは12mA/cmよりも小さい電流密度の領域では自然放射が支配的であるのに対し、12mA/cmよりも大きい電流密度の領域では誘導放射が起こっていることを示しているものと考えられる。 FIG. 6 shows an emission spectrum of the light-emitting element. From FIG. 6, it can be seen that light emission having a narrow peak at 465 nm is obtained. Further, FIG. 7 shows the change in the emission intensity with respect to the current density. Note that the plot of the example was divided into two regions having different slopes, and the approximate straight line for each region was shown by a solid line. From FIG. 7, it can be seen that the emission intensity increases linearly as the current density increases, but the slope increases with the current density being 12 mA / cm 2 as the inflection point (that is, the threshold value). This indicates that spontaneous radiation is dominant in the region of current density smaller than 12 mA / cm 2 , whereas stimulated radiation occurs in the region of current density larger than 12 mA / cm 2. Conceivable.

またこれは次のようなメカニズムによるものと考えられる。第1の層に注入された正孔は、第1の層72と第2の層73aとの間のエネルギー障壁(HOMO準位の差)によって第2の層73aへの注入を阻止され、第1の層72に蓄積される。第2の層73bから第2の層73aへ容易に注入された電子は、第1の層72と第2の層73aとの間のエネルギー障壁(LUMO準位の差)によって第1の層72への注入を阻止される。但し、僅かな確率ではあるが電子は第1の層へ注入される。従って、第1の層72のうち第2の層73a側の領域では、正孔と電子の再結合がおこり励起状態が形成される。しかし、当該領域において、正孔を有する分子の濃度が高いため、励起状態の分子数が基底状態の分子数よりも多くなり、その結果反転分布状態が形成される。   This is considered to be due to the following mechanism. The holes injected into the first layer are blocked from being injected into the second layer 73a by the energy barrier (difference in the HOMO level) between the first layer 72 and the second layer 73a. Accumulated in one layer 72. The electrons easily injected from the second layer 73b to the second layer 73a are caused by the energy barrier (difference in LUMO level) between the first layer 72 and the second layer 73a. Is blocked from injection. However, electrons are injected into the first layer with a small probability. Accordingly, in the region of the first layer 72 on the second layer 73a side, recombination of holes and electrons occurs and an excited state is formed. However, since the concentration of molecules having holes in the region is high, the number of molecules in the excited state is larger than the number of molecules in the ground state, and as a result, an inversion distribution state is formed.

(比較例) (Comparative example)

上記発光素子に対する比較例について説明する。   A comparative example for the light-emitting element will be described.

図8に示すように、ガラス基板80上にITOを成膜して電極81を形成する。電極81上に、第1の層82としてα−NPDを真空蒸着によって成膜した後、さらに第1の層82の上に第2の層83としてBCPを成膜した。第2の層83の上に第3の層84としてフッ化カルシウムを成膜した後、さらに電極85としてアルミニウムを成膜し、発光素子とした。なお、第1の層82、第2の層83の膜厚はそれぞれ、100、160nmでありこれらの合計膜厚は260nmである。なお、上記発光素子において電極81、84がそれぞれ反射体として機能する。このような本比較例における発光素子は発光した光を共振できるような構成となっている。   As shown in FIG. 8, an electrode 81 is formed by depositing ITO on a glass substrate 80. An α-NPD film was formed as a first layer 82 on the electrode 81 by vacuum deposition, and then a BCP film was formed as a second layer 83 on the first layer 82. After forming calcium fluoride as a third layer 84 on the second layer 83, aluminum was further formed as an electrode 85 to obtain a light emitting element. The film thicknesses of the first layer 82 and the second layer 83 are 100 and 160 nm, respectively, and the total film thickness thereof is 260 nm. Note that the electrodes 81 and 84 each function as a reflector in the light-emitting element. Such a light emitting element in this comparative example is configured to resonate emitted light.

比較例の発光素子のエネルギーバンド構造を図10に示す。図10からも分かるように、第1の層82のLUMO準位は第2の層83のLUMO準位よりも低い。また、第1の層82のHOMO準位は第2の層83のHOMO準位よりも高い。   FIG. 10 shows an energy band structure of the light-emitting element of the comparative example. As can be seen from FIG. 10, the LUMO level of the first layer 82 is lower than the LUMO level of the second layer 83. The HOMO level of the first layer 82 is higher than the HOMO level of the second layer 83.

上記の発光素子の発光スペクトルを図11に示す。図11から、460nmに半値幅の狭いピークを有する発光が得られていることが分かる。しかし、電流密度に対する発光強度の依存性(図7)では、電流密度の増加に応じて直線的に発光強度が増大するが、本発明の発光素子においてみられていたような、屈曲点は有していないことがわかる。   An emission spectrum of the light-emitting element is shown in FIG. It can be seen from FIG. 11 that light emission having a narrow peak at 460 nm is obtained. However, in the dependence of the light emission intensity on the current density (FIG. 7), the light emission intensity increases linearly as the current density increases, but there is an inflection point as seen in the light emitting device of the present invention. You can see that they are not.

またこれは次のようなメカニズムによるものと考えられる。第1の層に注入された正孔は、第1の層82と第2の層83との間のエネルギー障壁(HOMO準位の差)によって第2の層83への注入を阻止され、第1の層82に蓄積される。しかし、第1の層82よりも第2の層83のLUMO準位が高いため、第2の層83から第1の層82へ速やかに電子が注入され、電子と正孔の再結合が頻繁におこる。その結果、キャリアを有する分子数は少なく、基底状態に至った分子数が、励起状態の分子数よりも大きい状態が形成されてしまい、反転分布状態を形成することができない。   This is considered to be due to the following mechanism. The holes injected into the first layer are blocked from being injected into the second layer 83 by the energy barrier (difference in HOMO level) between the first layer 82 and the second layer 83, Accumulated in one layer 82. However, since the LUMO level of the second layer 83 is higher than that of the first layer 82, electrons are rapidly injected from the second layer 83 into the first layer 82, and recombination of electrons and holes is frequent. It happens. As a result, the number of molecules having carriers is small, and a state in which the number of molecules that have reached the ground state is larger than the number of molecules in the excited state is formed, and an inversion distribution state cannot be formed.

本発明の発光素子のエネルギーバンド構造について説明する図。3A and 3B each illustrate an energy band structure of a light-emitting element of the present invention. 本発明の発光素子の積層構造について説明する図。4A and 4B illustrate a stacked structure of a light-emitting element of the present invention. 本発明の発光素子における反転分布状態の形成過程について説明する図。8A and 8B illustrate a process for forming an inversion distribution state in a light-emitting element of the present invention. 本発明の発光素子の積層構造について説明する図。4A and 4B illustrate a stacked structure of a light-emitting element of the present invention. 本発明の発光素子のエネルギーバンド構造について説明する図。3A and 3B each illustrate an energy band structure of a light-emitting element of the present invention. 本発明の発光素子の発光スペクトル。The emission spectrum of the light emitting element of this invention. 本発明の発光素子および比較例の発光素子における発光スペクトル強度の電流密度依存性について示す図。FIG. 5 shows current density dependence of emission spectrum intensity in the light-emitting element of the present invention and the light-emitting element of the comparative example. 比較例の発光素子の積層構造について説明する図。8A and 8B illustrate a stacked structure of a light-emitting element of a comparative example. 従来技術の半導体レーザーについて説明する図。The figure explaining the semiconductor laser of a prior art. 比較例の発光素子のエネルギーバンド構造について説明する図。6A and 6B illustrate an energy band structure of a light-emitting element of a comparative example. 比較例の発光素子の発光スペクトル。The emission spectrum of the light emitting element of a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板
12 第1の電極
12a 第1の電極
12b 第1の電極
13 第1の層
14 第2の層
15 第2の電極
15a 第2の電極
15b 第2の電極
70 ガラス基板
71 電極
72 第1の層
73 第2の層
73a 第2の層
73b 第2の層
74 第3の層
75 電極
80 ガラス基板
81 電極
82 第1の層
83 第2の層
84 第3の層
85 電極
101 第1の層
102 第2の層
103 陽極
104 陰極
105 LUMO準位の差
106 HOMO準位の差
107 第1の層101のHOMOの準位
108 第2の層102のHOMO準位
109 第1の層101のLUMOの準位
110 第2の層102のLUMO準位
301a 分子
301b カチオンラジカル
301c 分子
302a 分子
302b アニオンラジカル
302c 分子
311 層
312 層
1001 電極
1002 電極
1003 P型半導体層
1004 N型半導体層
1005 活性層
11 substrate 12 first electrode 12a first electrode 12b first electrode 13 first layer 14 second layer 15 second electrode 15a second electrode 15b second electrode 70 glass substrate 71 electrode 72 first Layer 73 second layer 73a second layer 73b second layer 74 third layer 75 electrode 80 glass substrate 81 electrode 82 first layer 83 second layer 84 third layer 85 electrode 101 first Layer 102 second layer 103 anode 104 cathode 105 LUMO level difference 106 HOMO level difference 107 first layer 101 HOMO level 108 second layer 102 HOMO level 109 first layer 101 LUMO level 110 Second layer 102 LUMO level 301a molecule 301b cation radical 301c molecule 302a molecule 302b anion radical 302c molecule 311 layer 312 layer 1001 1002 electrodes 1003 P-type semiconductor layer 1004 N-type semiconductor layer 1005 active layer

Claims (22)

一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられたことを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer A light-emitting element, which is provided adjacent to each other so that ion species are accumulated in a region in contact with the layer.
一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられ、
且つ前記第1の層のLUMO準位と前記第2の層のLUMO準位の間、及び前記第1の層のHOMO準位と前記第2の層のHOMO準位の間のそれぞれにエネルギー障壁を有することを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer So as to accumulate ionic species in the region in contact with the layer,
And energy barriers between the LUMO level of the first layer and the LUMO level of the second layer, and between the HOMO level of the first layer and the HOMO level of the second layer. A light-emitting element including:
一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられ、
且つ前記第1の層のLUMO準位と前記第2の層のLUMO準位の間、及び前記第1の層のHOMO準位と前記第2の層のHOMO準位の間のそれぞれにエネルギー障壁を有し、
前記第1の層のHOMO準位と前記第2の層のHOMO準位の間のエネルギー障壁は、前記第1の層のLUMO準位と前記第2の層のLUMO準位の間のエネルギー障壁より大きいことを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer So as to accumulate ionic species in the region in contact with the layer,
And energy barriers between the LUMO level of the first layer and the LUMO level of the second layer, and between the HOMO level of the first layer and the HOMO level of the second layer. Have
The energy barrier between the HOMO level of the first layer and the HOMO level of the second layer is an energy barrier between the LUMO level of the first layer and the LUMO level of the second layer. A light emitting element characterized by being larger.
一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられ、
前記第1の層における前記第2の層に接する領域に基底状態として存在する分子の割合を電気化学的に減少させることにより、基底状態の分子の割合よりも励起状態の分子の割合を大きくすることによって反転分布状態が生じることを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer So as to accumulate ionic species in the region in contact with the layer,
The proportion of molecules in the excited state is made larger than the proportion of molecules in the ground state by electrochemically reducing the proportion of molecules present as a ground state in a region of the first layer in contact with the second layer. Thus, an inversion distribution state is generated.
一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられ、
前記第1の層から前記第2の層へ正孔の移動を阻止するための第1のエネルギー障壁と、
前記第2の層から前記第1の層へ電子の移動を阻止するための第2のエネルギー障壁と
を有することを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer So as to accumulate ionic species in the region in contact with the layer,
A first energy barrier for preventing movement of holes from the first layer to the second layer;
And a second energy barrier for preventing movement of electrons from the second layer to the first layer.
一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられ、
前記第1の層のから前記第2の層へ正孔の移動を阻止するための第1のエネルギー障壁と、
前記第2の層から前記第1の層へ電子の移動を阻止するための第2のエネルギー障壁と
を有し、
前記第1のエネルギー障壁は前記第2にエネルギー障壁よりも大きいことを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer So as to accumulate ionic species in the region in contact with the layer,
A first energy barrier for preventing movement of holes from the first layer to the second layer;
A second energy barrier for preventing movement of electrons from the second layer to the first layer;
The light emitting device, wherein the first energy barrier is larger than the second energy barrier.
一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられ、
前記第1の層と前記第2の層とは優先的に輸送されるキャリアの極性が異なり、
前記第1の層のHOMO準位は前記第2の層のHOMO準位よりも高く、
前記第1の層のLUMO準位は前記第2の層のLUMO準位よりも高い
ことを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer So as to accumulate ionic species in the region in contact with the layer,
The first layer and the second layer have different polarities of carriers transported preferentially,
The HOMO level of the first layer is higher than the HOMO level of the second layer,
The light emitting element, wherein the LUMO level of the first layer is higher than the LUMO level of the second layer.
一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられ、
前記第1の層は電子よりも正孔移動度が高く、
前記第2の層は正孔よりも電子移動度が高く、
前記第1の層のHOMO準位は前記第2の層のHOMO準位よりも高く、
前記第1の層のLUMO準位は前記第2の層のLUMO準位よりも高い
ことを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer So as to accumulate ionic species in the region in contact with the layer,
The first layer has a higher hole mobility than electrons;
The second layer has higher electron mobility than holes;
The HOMO level of the first layer is higher than the HOMO level of the second layer,
The light emitting element, wherein the LUMO level of the first layer is higher than the LUMO level of the second layer.
請求項7又は8において、前記第1の層と前記第2の層のHOMO準位の差の絶対値が0.5eV以上であることを特徴とする発光素子。 9. The light-emitting element according to claim 7, wherein an absolute value of a difference between HOMO levels of the first layer and the second layer is 0.5 eV or more. 請求項7乃至9のいずれか一において、前記第1の層と前記第2の層のHOMO準位の差の絶対値が、前記第1の層と前記第2の層のLUMO準位の差の絶対値よりも大きいことを特徴とする発光素子。 The absolute value of the difference between the HOMO levels of the first layer and the second layer is the difference between the LUMO levels of the first layer and the second layer. A light emitting element characterized by being larger than the absolute value of. 請求項10において、前記第1の層と前記第2の層のLUMO準位の差の絶対値が0.1eV以上3.0eV未満であることを特徴とする発光素子。 11. The light-emitting element according to claim 10, wherein an absolute value of a difference in LUMO level between the first layer and the second layer is 0.1 eV or more and less than 3.0 eV. 請求項1乃至11のいずれか一において、前記発光素子から発光した光を反射する第1の電極及び第2の電極を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の電極及び前記第2の電極において前記光が共振するような膜厚を有することを特徴とする発光素子。
In any one of Claims 1 thru | or 11, It has the 1st electrode and 2nd electrode which reflect the light light-emitted from the said light emitting element,
The light-emitting element, wherein the first layer and the second layer have such a thickness that the light resonates in the first electrode and the second electrode.
請求項5乃至12のいずれか一において、前記第1の層は4,4’−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニル−アミノ]−ビフェニルを用いて形成されていることを特徴とする発光素子。 13. The first layer according to claim 5, wherein the first layer is formed using 4,4′-bis [N- (1-naphthyl) -N-phenyl-amino] -biphenyl. A light emitting element. 請求項5乃至13のいずれか一において、前記第2の層は4,4’−(N−カルバゾリル)ビフェニルを用いて形成されていることを特徴とする発光素子。 14. The light-emitting element according to claim 5, wherein the second layer is formed using 4,4 ′-(N-carbazolyl) biphenyl. 請求項5乃至13のいずれか一において、前記第2の層は4,4’−(N−カルバゾリル)ビフェニルとバソキュプロインとを用いて形成されていることを特徴とする発光素子。 14. The light-emitting element according to claim 5, wherein the second layer is formed using 4,4 ′-(N-carbazolyl) biphenyl and bathocuproine. 一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられ、
電流の密度に対する発光スペクトル強度の変化は、傾きの異なる二つの線形領域に区分され、傾きの大きい領域は、傾きの小さい領域に対して、高電流密度側にあることを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer So as to accumulate ionic species in the region in contact with the layer,
A change in emission spectrum intensity with respect to current density is divided into two linear regions having different slopes, and a region having a large slope is on a higher current density side than a region having a small slope.
一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられ、
且つ前記第1の層のLUMO準位と前記第2の層のLUMO準位との間、及び前記第1の層のHOMO準位と前記第2の層のHOMO準位との間のそれぞれにエネルギー障壁を有し、
電流の密度に対する発光スペクトル強度の変化が、傾きの異なる二つの線形領域で区分可能であり、傾きの大きい領域は、傾きの小さい領域に対して、高電流密度側にあることを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer So as to accumulate ionic species in the region in contact with the layer,
And between the LUMO level of the first layer and the LUMO level of the second layer, and between the HOMO level of the first layer and the HOMO level of the second layer, respectively. Have an energy barrier,
The change in emission spectrum intensity with respect to the current density can be divided into two linear regions with different slopes, and the region with a large slope is on the high current density side with respect to the region with a small slope. element.
一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられ、
且つ前記第1の層のLUMO準位と前記第2の層のLUMO準位との間、及び前記第1の層のHOMO準位と前記第2の層のHOMO準位との間のそれぞれにエネルギー障壁を有し、
前記第1の層のHOMO準位と前記第2の層のHOMO準位との間のエネルギー障壁は、前記第1の層のLUMO準位と前記第2の層のLUMO準位との間のエネルギー障壁より大きく、
電流の密度に対する発光スペクトル強度の変化が、傾きの異なる二つの線形領域で区分可能であり、傾きの大きい領域は、傾きの小さい領域に対して、高電流密度側にあることを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer So as to accumulate ionic species in the region in contact with the layer,
And between the LUMO level of the first layer and the LUMO level of the second layer, and between the HOMO level of the first layer and the HOMO level of the second layer, respectively. Has an energy barrier,
The energy barrier between the HOMO level of the first layer and the HOMO level of the second layer is between the LUMO level of the first layer and the LUMO level of the second layer. Bigger than the energy barrier,
The change in emission spectrum intensity with respect to the current density can be divided into two linear regions with different slopes, and the region with a large slope is on the high current density side with respect to the region with a small slope. element.
一対の電極間に第1の層及び第2の層を有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、前記第1の層及び前記第2の層へ一方に正孔を注入し、他方に電子を注入したとき、前記第1の層における前記第2の層に接する領域にイオン種が蓄積されるように、隣接して設けられ、
前記第1の層において、前記第2の層に接する領域に基底状態として存在する分子の割合を電気化学的に減少させることにより、基底状態の分子の割合よりも励起状態の分子の割合を大きくすることによって反転分布状態が生じ、
電流の密度に対する発光スペクトル強度の変化が、傾きの異なる二つの線形領域で区分可能であり、傾きの大きい領域は、傾きの小さい領域に対して、高電流密度側にあることを特徴とする発光素子。
Having a first layer and a second layer between a pair of electrodes;
When the first layer and the second layer inject holes into one of the first layer and the second layer and inject electrons into the other, the second layer in the first layer So as to accumulate ionic species in the region in contact with the layer,
In the first layer, the proportion of molecules in the excited state is made larger than the proportion of molecules in the ground state by electrochemically reducing the proportion of molecules in the region in contact with the second layer as a ground state. To produce an inversion distribution state,
The change in emission spectrum intensity with respect to the current density can be divided into two linear regions with different slopes, and the region with a large slope is on the high current density side with respect to the region with a small slope. element.
請求項16乃至19のいずれか一において、前記傾きの異なる二つの線形領域の閾値が、2mA/cm以上50mA/cm未満であることを特徴とする発光素子。 20. The light-emitting element according to claim 16, wherein a threshold value of the two linear regions having different inclinations is 2 mA / cm 2 or more and less than 50 mA / cm 2 . 請求項1乃至請求項20のいずれか一項に記載の発光素子を用いていることを特徴とするレーザー装置。 A laser device using the light emitting element according to claim 1. 請求項1乃至請求項20のいずれか一項に記載の発光素子を、レーザー発振器として用いていることを特徴とするレーザー装置。 21. A laser device using the light emitting element according to claim 1 as a laser oscillator.
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