專利名稱：電泵浦面發(fā)射耦合微腔有機(jī)激光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光器件領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及電泵浦有機(jī)激 光器件。
背景技術(shù)：
自從有機(jī)薄膜的光泵浦激光在各種諧振腔包括光波導(dǎo)、平面微 腔、分布反饋等結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)以來(lái)，人們對(duì)實(shí)現(xiàn)電泵浦有機(jī)激光器件產(chǎn) 生了濃厚的興趣(見(jiàn)N. Tessler等人，Nature, Vol. 382， 695， 1996年8月；RuidongXia等人，Organic Electronics, Vol. 4， 165， 2003年;M, Reufer等人，Applied Physics Letters, Vol. 84， 3262， 2004年)。在本申請(qǐng)中，名詞"有機(jī)"包括用于制備有機(jī)光電子器件 的聚合物材料、小分子有機(jī)材料和其它種類的有機(jī)發(fā)光材料。
作為激光增益介質(zhì)，有機(jī)材料本質(zhì)上屬于準(zhǔn)四能級(jí)激光系統(tǒng)。有 機(jī)材料有高的熒光量子效率和低的吸收損耗，并且成本低廉。在各種 有機(jī)材料中觀察到的光泵浦受激發(fā)射、增益以及激光的發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋 了可見(jiàn)光譜區(qū)。研究表明有機(jī)激光器件的激光閾值、發(fā)射波長(zhǎng)和輸出 功率與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體激光二極管相比有更高的溫度穩(wěn)定性(見(jiàn)V.G. Kozlov等人，Journal of Applied Physics, Vol. 84， 4096， 1998 年10月)。因此，有機(jī)激光器件被認(rèn)為是新型的可見(jiàn)光激光器件，在 顯示、光存儲(chǔ)和光通信等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。研究人員已發(fā)表了一些關(guān)于有機(jī)激光器件的專利(見(jiàn)Chu等人，
美國(guó)專利No. 6,498,802， 2002年12月發(fā)布;Kozlov等人，美國(guó)專 利No. 6， 160， 828， 2000年12月發(fā)布;Forrest等人，美國(guó)專利No. 7,242,703， 2007年7月發(fā)布；Spoonhower等人，美國(guó)專利No. 6， 853， 660， 2005年2月發(fā)布;Kahen等人，美國(guó)專利No. 6,674,776， 2004年1月發(fā)布;Berggren等人，美國(guó)專利No. 5,881,089， 1999 年3月發(fā)布；Kahen等人，美國(guó)專利No. 6,996,146， 2006年2月發(fā) 布)。但是，到目前為止，制作電泵浦有機(jī)激光器件的各種努力都沒(méi)有 成功。人們?nèi)匀灰鎸?duì)并克服與電泵浦有機(jī)激光器件相關(guān)的挑戰(zhàn)，例 如，有機(jī)薄膜較低的載流子遷移率和電泵浦引起的較高的光學(xué)損耗。 有機(jī)薄膜的低載流子遷移率使有機(jī)激光器件很難獲得所需的高電流密 度，并限制了器件只能采用很薄的有機(jī)薄膜，這種限制在波導(dǎo)和分布 反饋結(jié)構(gòu)的有機(jī)激光器中產(chǎn)生了很高的光學(xué)損耗(見(jiàn)V.G. Kozlov等 人，Journal of Applied Physics, Vol. 84， 4096， 1998年10月; Michael D. McGehee等人，Advanced Materials, Vol. 12， 1655， 2000 年ll月)。近年來(lái)，光泵浦有機(jī)激光器已經(jīng)在波導(dǎo)和微腔結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn) 了低閾值的激射，這表明電泵浦有機(jī)激光器可以在較低的電流密度下 工作，從而克服有機(jī)薄膜載流子遷移率較低的問(wèn)題(見(jiàn)T.W. Lee等人， Journal of Applied Physics, Vol. 93， 1367， 2003年2月；M. Berggren 等人，Nature, Vol. 389， 466， 1997年10月；X. Liu等人，A卯lied Physics Letters, Vol.84, 2727， 2004年4月)。因此，當(dāng)前發(fā)展
電泵浦有機(jī)激光器的關(guān)鍵問(wèn)題是如何降低激光器件的光學(xué)損耗(見(jiàn)s. Lattante等人，Applied Physics Letters, Vol. 89,031108， 2006 年；P. G5rrn等人，Applied Physics Letters, Vol.91, 041113， 2007年)。
電泵浦有機(jī)激光器的一種有效的結(jié)構(gòu)是微腔結(jié)構(gòu)，由厚幾百納米 的單層或多層有機(jī)材料夾在兩個(gè)反射鏡之間形成。反射鏡可以是多層 介質(zhì)鏡或金屬鏡。為了工作在較低的閾值電流，典型的微腔有機(jī)激光 器采用短的增益區(qū)。單程的光增益很小，因此為了實(shí)現(xiàn)激光需要在有 機(jī)層與電極的界面處獲得大于等于97%的反射率。電泵浦有機(jī)激光器需要從兩個(gè)電極，即陽(yáng)極和陰極分別注入電子和空穴。如何降低陰極/ 有機(jī)層界面的電子注入勢(shì)壘和陽(yáng)極/有機(jī)層界面的空穴注入勢(shì)壘是有 機(jī)激光器的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為了利于空穴注入，陽(yáng)極材料通常采用高
功函數(shù)的透明導(dǎo)電氧化物(TC0)，例如氧化銦錫材料(ITO)。為了 利于電子注入，陰極材料通常采用低功函數(shù)的金屬材料(例如鋁(A1)、 鋰(Li))或雙層結(jié)構(gòu)(如A1/IT0等)。金屬鏡經(jīng)常用在微腔中，因 為它們能提供適當(dāng)?shù)姆瓷浜蜆O好的電接觸。已經(jīng)知道絕大多數(shù)的厚金 屬鏡的反射率不超過(guò)96%。而為發(fā)展微腔有機(jī)激光器，采用兩個(gè)高反 射鏡以構(gòu)造高品質(zhì)因子(高Q值)微腔是基本的要求。因此在各種高 反射鏡中，分布式布拉格反射鏡(DBR)成為最好的選擇。在微腔有機(jī) 激光器中，電極需放置在有機(jī)層與反射鏡之間。為了降低光吸收，微 腔有機(jī)激光器應(yīng)采用薄且透明的電極。常見(jiàn)的陽(yáng)極IT0薄膜在厚度 30nm時(shí)的平均透射率為85%，吸收率為O. 5%。而常見(jiàn)的陰極金屬鋁 膜厚度為10nra時(shí)，其可見(jiàn)光譜區(qū)的平均透射率為42%,吸收率達(dá)到 37%。
為了實(shí)現(xiàn)低損耗微腔有機(jī)激光器， 一個(gè)挑戰(zhàn)是如何在有機(jī)層與電 極界面位置，尤其是有機(jī)層與金屬界面的位置處，獲得大于等于97% 的反射率并實(shí)現(xiàn)良好的電接觸。另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何降低電極引入的光 學(xué)損耗。因此有需要發(fā)展能克服上述問(wèn)題的微腔有機(jī)激光器。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問(wèn)題，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種特別適合電泵浦工作 的低損耗微腔有機(jī)激光器。有機(jī)激光器件具有由多層有機(jī)材料放入一 個(gè)高反微腔鏡和一個(gè)高反鏡之間而形成的層狀耦合微腔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明
的有機(jī)激光器件具體結(jié)構(gòu)包括襯底、底部鏡、間隔層、耦合鏡、陽(yáng) 極、有源層、陰極、頂部鏡。本發(fā)明中的有源層包括陽(yáng)極緩沖層、空 穴傳輸層、增益區(qū)、電子傳輸層、陰極緩沖層。本發(fā)明中的電極與反 射鏡的組合可以在有機(jī)/電極界面處實(shí)現(xiàn)低吸收和高反射的電接觸。電 致發(fā)光效率因電子和空穴的有效注入而得到提高。從而獲得了低損耗 耦合微腔結(jié)構(gòu)的有機(jī)激光器件，可在電泵浦下產(chǎn)生面發(fā)射激光。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在有機(jī)和電極界面位置提供高反射電接觸。 本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是獲得低損耗微腔有機(jī)激光器件，在電泵浦下發(fā) 出激光。


通過(guò)下面結(jié)合

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，將使本發(fā)明的上述 及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，其中
圖1A所示為本發(fā)明中電泵浦有機(jī)激光器的橫截面結(jié)構(gòu)圖； 圖1B所示為本發(fā)明中有源層的橫截面結(jié)構(gòu)圖； 圖1C所示為本發(fā)明中增益區(qū)的橫截面結(jié)構(gòu)圖2所示為在實(shí)施例1中測(cè)量的頂部鏡的反射光譜(點(diǎn)線)以及 金屬陰極與頂部鏡組合結(jié)構(gòu)的反射光譜(實(shí)線)，同時(shí)給出了測(cè)量的被 動(dòng)腔的反射光譜(短線)以及陽(yáng)極與被動(dòng)腔鏡組合結(jié)構(gòu)的反射光譜(空 心圓線)；
圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例1中測(cè)量的有機(jī)激光器襯底側(cè)的反射譜 和頂部側(cè)反射譜(實(shí)線)，以及相應(yīng)的理論模擬曲線(點(diǎn)線)，圖中箭 頭指向腔模式位置；
圖4所示為本發(fā)明實(shí)施例1中有機(jī)激光器的電流密度與電壓關(guān)系 曲線；內(nèi)圖為本發(fā)明實(shí)施例1中有機(jī)激光器低于閾值和高于閾值的發(fā) 射光譜，測(cè)量角度為15°全角，Jth為閾值電流密度；
圖5所示為本發(fā)明實(shí)施例1中有機(jī)激光器光譜的半高全寬以及積 分強(qiáng)度隨電流密度的變化曲線，積分強(qiáng)度通過(guò)對(duì)光譜范圍605 rnn到 631 nm積分而得到。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，在描述過(guò)程 中省略了對(duì)于本發(fā)明來(lái)說(shuō)是不必要的細(xì)節(jié)和功能，以防止對(duì)本發(fā)明的 理解造成混淆。本發(fā)明是為了實(shí)現(xiàn)低損耗和高Q值微腔結(jié)構(gòu)的電泵浦有機(jī)激光器
件(0LD)。微腔是指至少有一維的尺寸在光波長(zhǎng)量級(jí)的諧振腔。
本發(fā)明的電泵浦有機(jī)激光器件具有耦合微腔(CMC)的結(jié)構(gòu)。它 包括兩個(gè)平面琺珀微腔。其中一個(gè)沒(méi)有有機(jī)材料的稱為被動(dòng)腔。另一 個(gè)含有有機(jī)材料的稱為激光腔。這兩個(gè)單獨(dú)的微腔通過(guò)一個(gè)共同的反 射鏡連接在一起。每一個(gè)單獨(dú)的微腔可以支持一個(gè)單縱模。耦合微腔 中模式的相互作用產(chǎn)生兩個(gè)光模式，分別稱為長(zhǎng)波長(zhǎng)模式(人J和短 波長(zhǎng)模式(As)。兩個(gè)腔模式的強(qiáng)度與被動(dòng)腔和激光腔腔長(zhǎng)的失配程 度有關(guān)(見(jiàn)L. Pavesi等人，Phys. Rev. B， Vol. 58， 15 794， 1998 年12月)。當(dāng)把被動(dòng)腔作為一個(gè)特殊的高反鏡時(shí)，耦合微腔可以看作 是一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的單一微腔。這樣，激光腔是由一個(gè)高反微腔鏡和一 個(gè)高反鏡構(gòu)成的微腔。
與普通微腔相比，耦合微腔能顯著地抑制橫電場(chǎng)泄漏模式(見(jiàn)R. P. Stanley等人，Applied Physics Letters, Vol. 65， 2093， 1994 年10月；P. Bienstman等人，IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 36，669，2000年6月；P. Michler等人，Applied Physics Letters, Vol. 70， 2073， 1997年4月)。因此，耦合微腔有利于構(gòu)造低損耗微 腔。
圖1A所示為本發(fā)明中電泵浦有機(jī)激光器100的橫截面結(jié)構(gòu)圖。 有機(jī)激光器100由襯底110，底部鏡120，間隔層130，耦合鏡140， 陽(yáng)極150，有源層160，陰極170和頂部鏡180構(gòu)成。圖1B所示為本 發(fā)明中有源層160的橫截面結(jié)構(gòu)圖。有源層160包括陽(yáng)極緩沖層162， 空穴傳輸層163，增益區(qū)164,電子傳輸層165，陰極緩沖層166。圖 1C所示為本發(fā)明中增益區(qū)164的橫截面結(jié)構(gòu)圖。增益區(qū)164包括電子 勢(shì)壘層164a，有機(jī)增益層164b和空穴勢(shì)壘層164c。
本發(fā)明中有機(jī)激光器100在加正向電壓時(shí)，電子從陰極170注入 到電子傳輸層165中，空穴從陽(yáng)極150注入到空穴傳輸層163中。注 入的載流子向電荷相反的電極遷移，在增益區(qū)164中形成電子空穴對(duì)， 又稱為激子。激子輻射躍遷產(chǎn)生的光子在激光腔中可以經(jīng)受激發(fā)射作 用而放大。當(dāng)注入電流超過(guò)閾值電流，并且光增益超過(guò)光損耗時(shí)，增益區(qū)164產(chǎn)生的面發(fā)射激光190會(huì)從反射率相對(duì)較低的反射鏡輸出。 有機(jī)激光器100可以頂發(fā)射，也可以底發(fā)射。襯底110可以是剛性的 或柔性的，可以是透明的或不透明的。當(dāng)激光190從頂部發(fā)射時(shí)，襯 底IIO可以采用適當(dāng)?shù)耐该鞑牧先缡?、玻璃、藍(lán)寶石和塑料，或者 不透明材料如硅襯底。當(dāng)激光190從底部發(fā)射時(shí)，襯底110采用對(duì)可 見(jiàn)光透明的適當(dāng)材料。
構(gòu)成被動(dòng)腔的兩個(gè)反射鏡是底部鏡120和耦合鏡140。構(gòu)成激光 腔的兩個(gè)反射鏡是耦合鏡MO和頂部鏡180。耦合鏡140是被動(dòng)腔和 激光腔的共有反射鏡。通常底部鏡120、耦合鏡140和頂部鏡180由 周期結(jié)構(gòu)的高折射率和低折射率介質(zhì)材料交替組成。高折射率材料包 括二氧化鋯(Zr02)、五氧化二鉭(Ta205) 、 二氧化鈦(Ti02)、硫 化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)以及其它折射率大于1. 8的光學(xué)介質(zhì)材 料。低折射率材料包括二氧化硅(Si02)、氟化鎂(MgF2)、氟化鋰 (LiF)、氟化釔(YF..,)、氟化鋇(BaF2)以及其它折射率小于1.6 的光學(xué)介質(zhì)材料。間隔層130位于底部鏡120和耦合鏡140之間，由 適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)材料如Si02構(gòu)成。間隔層130是被動(dòng)腔的腔層。通過(guò)調(diào)節(jié) 間隔層130的折射率和厚度，被動(dòng)腔可以在預(yù)定的波長(zhǎng)位置產(chǎn)生諧振。 由于有機(jī)激光器IOO在激光方向上的腔長(zhǎng)很短，腔鏡反射率需要增加 以彌補(bǔ)單程光增益的降低。通常，由底部鏡120與耦合鏡140構(gòu)成的 被動(dòng)腔以及頂部鏡180在激光波長(zhǎng)處的反射率至少大于等于97%，最 好大于等于99%。
陽(yáng)極150采用厚度為入()/4n或更薄的透明導(dǎo)電材料，其中A。為 激光波長(zhǎng)，n為陽(yáng)極150的折射率。適當(dāng)?shù)年?yáng)極150材料包括銦錫氧 化物(ITO)、鋅錫氧化物(ZTO)、氟錫氧化物(FTO)、銦釩氧化物 (IVO)等。陽(yáng)極150制備在耦合鏡140上。底部鏡120、耦合鏡140、 間隔層130和陽(yáng)極150可以采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、
電子束沉積、濺射沉積、熱蒸發(fā)沉積等適當(dāng)?shù)募夹g(shù)制備，通常沉積時(shí) 襯底110溫度超過(guò)200攝氏度。頂部鏡180可以采用濺射沉積、高真 空熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)等方法制備，通常襯底110溫度小于80攝氏度 以免損害有機(jī)材料。陽(yáng)極緩沖層162可以增加陽(yáng)極150的平整度并提高有機(jī)膜的成膜 性。陽(yáng)極緩沖層162可以使空穴容易地從陽(yáng)極150注入到空穴傳輸層 163中。適當(dāng)?shù)年?yáng)極緩沖層162材料包括但不限于，摻雜有機(jī)電子受 體材料的三芳胺衍生物，無(wú)機(jī)氧化物例如氧化釩(VCO、氧化鉬(Mo0J、 氧化鎳(NiOx)和氧化鎢(W0X)等?？昭▊鬏攲?63傳輸空穴到增 益區(qū)164?？昭▊鬏攲?63可以是一層或多層?？昭▊鬏攲?63可以 是單一的有機(jī)材料，也可以是摻雜的有機(jī)材料以增加電導(dǎo)?？昭▊鬏?層163包括三芳胺衍生物或其它適當(dāng)?shù)牟牧希鏝，N-雙(a-萘基-苯 基)-4，4-聯(lián)苯二胺(NPB)、 2T-NATA、聚乙烯基咔唑(PVK)、 m-MTDATA 和聚(3，4-二氧乙基噻吩)/聚(對(duì)苯乙烯磺酸)(PED0T/PSS)等。
增益區(qū)164位于空穴傳輸層163和電子傳輸層165之間。圖1C 所示的增益區(qū)164中的有機(jī)增益層164b夾在電子勢(shì)壘層164a和空穴 勢(shì)壘層164c之間。電子勢(shì)壘層164a是可選層，作為勢(shì)壘阻止電子向 陽(yáng)極150遷移，從而限制電子處于增益區(qū)164內(nèi)。電子勢(shì)壘層164a 包括禁帶寬度大的有機(jī)材料以及無(wú)機(jī)材料如LiF和YF3?？昭▌?shì)壘層
164c是可選層，作為勢(shì)壘阻止空穴向陰極no遷移，從而限制空穴處
于增益區(qū)164內(nèi)。空穴勢(shì)壘層164c包括適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)材料如雙(2-甲基 -8_羥基喹啉-Nl， 08)-(1， 1'-聯(lián)苯-4-羥基)鋁(BALQ) 、 2， 9-二甲基 -4， 7-二苯基-1， 10-鄰二氮雜菲(BCP)等材料?？昭▌?shì)壘層164c也包括 禁帶寬度大的無(wú)機(jī)材料如LiF和YF"電子勢(shì)壘層164a和空穴勢(shì)壘層 164c也可以用來(lái)阻擋激子擴(kuò)散出增益區(qū)164。有機(jī)增益層164b可以是 一層或多層。有機(jī)增益層164b通常包括一個(gè)或多個(gè)主體材料摻雜一個(gè) 或多個(gè)受體摻雜劑。適當(dāng)?shù)闹黧w材料能有效地把能量傳遞給高發(fā)光效 率的受體摻雜劑。主體材料包括BCP、 4,4'-雙(咔唑-9-基)-聯(lián)苯 (CBP)、八羥基喹啉鋁(ALQ)及其它合適的材料。受體摻雜劑可以選擇 高熒光效率的染料或高磷光效率的染料，例如香豆素(Coumarin)、 4_ 二氰基亞甲基-2-甲基6-對(duì)-二甲胺苯乙烯基-4H-吡喃(DCM)、紅熒烯 (Rubrene)、菲(Perylene) 、 10-(2-苯并噻唑基)-2， 3, 6， 7-四氫化 -l， 1, 7， 7-四甲基-1H， 5H， 11H-[1]苯并吡喃[6， 7， 8-ij]喹嗪-11-酮 (C545T) 、4-(氰亞甲基)-2-三氯苯酚-異丁基-6-(1， 1， 7, 7-四甲基久洛
10尼定-9-烯炔烴)-4H-吡喃丁 (DCJTB)，以及其它的適當(dāng)材料。有機(jī)增 益層164b可以只含有一種有機(jī)材料，例如聚對(duì)苯撐乙炔(PPV)衍生 物、聚芴(PF)衍生物等。
電子傳輸層165傳輸電子到增益區(qū)164。電子傳輸層165可以是 一層或多層。電子傳輸層 165 包括 ALQ 、 3-(4-biphenylyl)-4-phenyl-5-(4-tert-butylpheny1)-1， 2， 4-triaz ole (TAZ) 、 1， 3-bis(N， N-1-buty卜phenyl)-1， 3， 4-oxadiazole (0XD-7)、 BCP以及其它適當(dāng)?shù)牟牧稀ｊ帢O緩沖層166容易地使電子從 陰極170注入到電子傳輸層165中。適當(dāng)?shù)年帢O緩沖層166材料包括 但不限于，堿金屬或堿土金屬摻雜的有機(jī)材料、堿金屬鹵化物、稀土 金屬氟化物、過(guò)渡元素金屬氟化物，例如LiF、 YF3和BaF2等。陰極 170制備在陰極緩沖層166上。陰極170選用金屬材料，要求具有低 功函數(shù)(一般〈4.0eV)和良好成膜性，并能與有機(jī)層形成良好的電接 觸。常見(jiàn)的陰極材料有鋁(Al)、鋰(Li)、銀(Ag)、鈣(Ca)、鎂(Mg) 以及它們的合金材料等。本發(fā)明中所用的有機(jī)材料和金屬材料可以采 用任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)沉積，例如真空熱蒸發(fā)。
對(duì)于薄的吸收薄膜，其光譜透射率、反射率和吸收率的總和是 100%。光的誘導(dǎo)透射原理表明薄膜的吸收不僅與該薄膜的光學(xué)常數(shù)有 關(guān)，而且受到周圍光學(xué)介質(zhì)的顯著影響(見(jiàn)P.H. Berning等人， J. Opt. Soc. Am. Vol.47，230，1957年；S. Y. Zheng等人，Can. J. Phys.， Vol. 61， 361， 1983年；J. A. Dobrowolski等人，Appl. Opt. ， Vol. 31， 5988， 1992年10月)。在金屬薄膜上蒸鍍適當(dāng)?shù)亩鄬咏橘|(zhì)結(jié)構(gòu)，在某 波長(zhǎng)區(qū)域的吸收和反射會(huì)由于光干涉作用而得到增強(qiáng)或抑制。這一原 理已被用來(lái)增加顯示器件的對(duì)比度，也能用來(lái)實(shí)現(xiàn)高反和低吸收的電 接觸。
本發(fā)明中陰極170所用金屬薄膜的厚度為5 15 nm。這樣陰極 170與適當(dāng)結(jié)構(gòu)的頂部鏡180的結(jié)合可以獲得綜合的光電性能，例如 在某一波長(zhǎng)處的高反射和低吸收。因?yàn)榈臀招阅芘c高反射性能是相 關(guān)聯(lián)的，所以頂部鏡180的高反射率可以使陰極170的光損耗充分地 降低。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)能在有源層160/陰極170界面實(shí)現(xiàn)良好的電接觸。
激光腔中存在電場(chǎng)強(qiáng)度極大值和極小值周期變化的駐波電磁場(chǎng)。 可通過(guò)調(diào)節(jié)有源層160的厚度，使激光腔的腔長(zhǎng)等于激光發(fā)射半波長(zhǎng)
的整數(shù)倍。有源層160與陽(yáng)極150的界面以及有源層160與陰極170 的界面位于駐波電磁場(chǎng)的波節(jié)(最小值)位置，而增益區(qū)164位于駐 波電磁場(chǎng)的波腹(最大值)位置。這種結(jié)構(gòu)安排能進(jìn)一步降低了陽(yáng)極 150和陰極170在激光波長(zhǎng)處的光吸收，顯著增強(qiáng)有機(jī)激光器100的 微腔效應(yīng)。本發(fā)明中的電泵浦有機(jī)激光器100能夠在垂直襯底的方向 發(fā)出圓形激光光束。本發(fā)明中的電泵浦有機(jī)激光器ioo可以制成極小 的尺寸，從而方便地制造二維激光列陣。本發(fā)明中的電泵浦有機(jī)激光 器100有廣泛應(yīng)用，包括激光光源、集成光電子回路、光互連、光計(jì) 算、光開(kāi)關(guān)、圖像處理、光探測(cè)、光譜元件、光記憶元件等。
實(shí)施例1
作為圖1中的一個(gè)具體的實(shí)施例，有機(jī)激光器件ioo制備過(guò)程如
下，在玻璃襯底110上沉積底部鏡120。然后底部鏡120上沉積入/2 厚的Si02作為間隔層130。在間隔層130上沉積耦合鏡140。底部鏡 120和耦合鏡140由人/4厚的Ti02/Si02周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成，周期分別為 4. 5個(gè)和4個(gè)，其中布拉格波長(zhǎng)入為595nm。在耦合鏡140上，沉積 一層厚度為54 nm的ITO層作為陽(yáng)極150。 Ti02、 Si02和ITO薄膜均 采用電子束蒸發(fā)的方法沉積，其中襯底加熱溫度200度，氧壓2X10—2 Pa。以下各層在高真空5X10"Pa下由熱蒸發(fā)或升華的方法依次沉積 1)陽(yáng)極緩沖層162沉積在IT0上，材料Mo03，厚lnm; 2)空穴傳輸 層163，材料2T-NATA，厚17 nm;材料NPB，厚45 nm; 3)有機(jī)增益 層164b，包括35 nm的NPB摻雜1. 5 wt % DCM和40 nm的ALQ摻雜2 wt % DCM; 4)電子傳輸層165，材料ALQ，厚58 nm; 5)陰極緩沖層 166，材料LiF，厚l nm; 6)陰極170,材料A1，厚10 nm。上述過(guò) 程完成后，由7. 5個(gè)周期入/4厚的ZnS/MgF2周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成的頂部鏡 180沉積在陰極170即Al膜上。頂部鏡180在590 nm的最大反射率 達(dá)到99. 5%。 ZnS和MgF2薄膜在高真空1X10—3 Pa下采用電子束蒸發(fā)的方法沉積，其中襯底加熱溫度小于80度，以免損傷有機(jī)層。本實(shí)施
例中的有機(jī)激光器100結(jié)構(gòu)可以表示為，Glass/bottom mirror/Si02/coupling mirror/ITO (54 nm)/Mo03 (1 nm)/2T-NATA (17 nm)/NPB (45 nm)/NPB:DCM (35 nm)/ALQ:DCM (40 nm)/ALQ (58 nm)/LiF (1 mn)/Al (10 nm)/top rairror。
有機(jī)激光器件100的工作電源采用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀，它能產(chǎn)生 全波整流脈沖波形，重復(fù)頻率100 Hz。電致發(fā)光譜和反射光譜通過(guò) Avantes光纖光譜儀在垂直于樣品表面的方向上測(cè)量。圖2所示為測(cè) 量的本發(fā)明實(shí)施例1中頂部鏡180的反射光譜(點(diǎn)線)以及鋁陰極170 與頂部鏡180組合結(jié)構(gòu)的反射光譜(實(shí)線)。測(cè)試結(jié)果表明與單層鋁膜 相比，鋁陰極170與頂部鏡180組合結(jié)構(gòu)的反射率由于光干涉作用明 顯增加。超過(guò)99%的最大反射率位于618mn的波長(zhǎng)位置，表明在該波 長(zhǎng)位置的吸收率小于1%。與頂部鏡180相比，鋁陰極170與頂部鏡 180組合結(jié)構(gòu)的高反射截止帶變窄，并且最高反射峰發(fā)生紅移。正確 設(shè)計(jì)頂部鏡180的結(jié)構(gòu)可以使最高反射峰位于所需的波長(zhǎng)位置。圖2 還給出了本發(fā)明實(shí)施例1中測(cè)量的被動(dòng)腔的反射光譜(短線)以及陽(yáng) 極150與被動(dòng)腔組合結(jié)構(gòu)的反射光譜(空心圓線)。被動(dòng)腔的諧振峰位 于595nm，高反截止帶的反射率超過(guò)99%。當(dāng)被動(dòng)腔上蒸鍍一層IT0 陽(yáng)極150以后，這一反射率變化很小。在有機(jī)激光器件100中，和被 動(dòng)腔不同，激光腔的布拉格波長(zhǎng)^設(shè)計(jì)為600nm。選擇有機(jī)層的總厚 度使所形成的激光腔中有機(jī)增益層164b位于腔內(nèi)電磁場(chǎng)的波腹位 置，有源層160與陽(yáng)極150的界面以及有源層160與陰極170的界面 位于波節(jié)位置。
圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例1中測(cè)量的有機(jī)激光器100襯底側(cè)的反 射譜和頂部側(cè)反射譜(實(shí)線)，并分別與模擬的反射譜(點(diǎn)線)進(jìn)行對(duì) 比(所用的傳輸矩陣方法見(jiàn)波恩，《光學(xué)原理》，劍橋出版社，劍橋， 1999年)。圖中箭頭指向腔模式位置?？梢钥吹皆诒粍?dòng)腔中存在短波 長(zhǎng)模式入s二 591 nm和長(zhǎng)波長(zhǎng)模式人i = 618 nm。而在激光腔中，短波 長(zhǎng)模式非常弱，而長(zhǎng)波長(zhǎng)模式"二 618 nm可以明顯觀察到。
圖4所示為本發(fā)明實(shí)施例1中有機(jī)激光器100的電流密度與電壓關(guān)系曲線。在該測(cè)試曲線中電壓小于32V時(shí)，電流密度隨電壓線形增
加，表明在有源層160與陽(yáng)極150的界面以及有源層160與陰極170 界面形成了良好的電接觸。在有機(jī)激光器100中，當(dāng)注入電流密度達(dá) 到430 mA/cm2，對(duì)應(yīng)于起亮電壓17V，才觀察到光的輸出。激光從頂 部一側(cè)輸出。圖5所示為本發(fā)明實(shí)施例1中有機(jī)激光器100光譜的半 高全寬以及積分強(qiáng)度隨電流密度的變化曲線。積分強(qiáng)度通過(guò)對(duì)光譜范 圍605 nm到631 nm積分而得到。當(dāng)電流密度達(dá)到612 mA/ci^時(shí)可觀 察到明顯的激光閾值行為。閾值以上，光譜積分強(qiáng)度急劇增加，伴隨 著譜線半高全寬從2.6 nm窄化到2.0 mn。圖4的內(nèi)圖為本發(fā)明實(shí)施 例1中有機(jī)激光器100低于閾值和高于閾值的發(fā)射光譜。低于閾值時(shí)， 發(fā)射光譜中在618mn處存在一個(gè)腔模式，半高全寬為2.6nm，對(duì)應(yīng)腔 的品質(zhì)因子Q二237。當(dāng)電流密度達(dá)到1283 raA/cn/時(shí)，在激光峰618 nm 的平均輸出功率為572 nW。
實(shí)施例2
實(shí)施例2中的有機(jī)激光器件100的結(jié)構(gòu)和制備與實(shí)施例1中的大 致相同，但是有如下變化。襯底110采用硅襯底。底部鏡120和耦合 鏡140由入/4厚的Ta2()5/Si(V周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成，周期分別為5.5個(gè)和4 個(gè)。間隔層130采用入/2厚的Si02。頂部鏡180由7.5個(gè)周期的入/4 厚的ZnS/MgF2周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成。所有反射鏡的布拉格波長(zhǎng)A均為500nm。 陽(yáng)極緩沖層162材料為V0X。電子勢(shì)壘層164a和空穴勢(shì)壘層164c均 采用厚0. 3 nm的LiF材料。有機(jī)增益層164b，包括30 nm的NPB摻 雜lwt % C545T和45 nm的ALQ摻雜1, 5 wt % C545T。陰極緩沖層166 采用1 nm厚的YF:,材料。陰極170材料是10: 1原子比例的MgAg合 金。陰極170與頂部鏡180組合系統(tǒng)在波長(zhǎng)515nm處的反射率為99%。 實(shí)施例2中的完整的有機(jī)激光器100結(jié)構(gòu)可以表示為，Si substrate/bottom mirror/Si02/coupling mirror/IT0 (43 nm)/V0x (1 nm)/NPB (47腦)/LiF (0. 3醒)/NPB:C545T (30 nm)/ALQ:C545T (45 服)/LiF (0. 3 nm)/ALQ (42 nm)/YF3 (1 nm)/MgAg (10 nra)/Top mirror 。
實(shí)施例2中電流電壓關(guān)系特性由Keithley 2400數(shù)字源表測(cè)量。有機(jī)激光器100的激光發(fā)射從頂部一側(cè)輸出。激光發(fā)射波長(zhǎng)為516 nm， 譜線半高全寬為1 nm。閾值電流密度為892 mA/cm2。
實(shí)施例3
實(shí)施例3中的有機(jī)激光器仵100制備在襯底110上。底部鏡120 和耦合鏡140由入/4厚的TaA/Si02周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成，周期分別為4. 5 個(gè)和4個(gè)；間隔層130采用入/2厚的Si02。頂部鏡180由9. 5個(gè)周 期的入/4厚的ZnSe/YF:,周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成。所有反射鏡的布拉格波長(zhǎng)入 均為645nm。陽(yáng)極緩沖層162材料為V0X。電子勢(shì)壘層164a和空穴勢(shì) 壘層164c均采用厚0. 2 nm的YF:,材料。有機(jī)增益層164b，包括36 nm 的NPB摻雜lwt % DCJTB和40 nm的ALQ摻雜2. 5 wt % DCJTB。
實(shí)施例3中的完整的有機(jī)激光器100結(jié)構(gòu)可以表示為，Glass substrate/bottom mirror/Si02/coupling mirror/ITO (58 nm)/V0x (1 nm)/NPB (60服)/ YF:! (0.2 nm)/NPB: DCJTB (36 nm)/ALQ: DCJTB (40 nm)/ YF:, (0.2 nm)/ALQ (61訓(xùn))/LiF (1 nm)/Al (10畫(huà))/Top mirror。
實(shí)施例3中電流電壓關(guān)系特性由Keithley 2400數(shù)字源表測(cè)量。 有機(jī)激光器100的激光發(fā)射從底部襯底110 —側(cè)輸出。激光的雙發(fā)射 波長(zhǎng)分別為635訓(xùn)和651 nm。閾值電流密度為1439 mA/cm2。
至此己經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。應(yīng)該理解，本領(lǐng) 域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種其 它的改變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不局限于上述特定實(shí)施 例，而應(yīng)由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1. 一種有機(jī)激光器件，包括襯底；底部鏡，由分布式布拉格反射鏡形成在襯底上；間隔層，形成在底部鏡上；耦合鏡，由分布式布拉格反射鏡形成在間隔層上；陽(yáng)極，形成在耦合鏡上；有源層，包括陽(yáng)極緩沖層，形成在陽(yáng)極上；空穴傳輸層，形成在陽(yáng)極緩沖層上；增益區(qū)，形成在空穴傳輸層上；電子傳輸層，形成在增益區(qū)上；和陰極緩沖層，形成在電子傳輸層上；陰極，形成在有源層上；和頂部鏡，由分布式布拉格反射鏡形成在陰極上。
2. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，增益區(qū)包 括電子勢(shì)壘層、有機(jī)增益層和空穴勢(shì)壘層，有機(jī)增益層位于電子勢(shì)壘 層和空穴勢(shì)壘層中間。
3. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，被動(dòng)腔由 底部鏡和耦合鏡構(gòu)成，激光腔由耦合鏡和頂部鏡構(gòu)成，被動(dòng)腔和激光腔 通過(guò)共有的耦合鏡形成耦合微腔。
4. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，調(diào)節(jié)有源 層的厚度，從而使激光腔的腔長(zhǎng)等于激光發(fā)射半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。
5. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，被動(dòng)腔和 頂部鏡在激光波長(zhǎng)處的反射率大于等于97%。
6. 如權(quán)利要求5所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，被動(dòng)腔和 頂部鏡在激光波長(zhǎng)處的反射率大于等于99%。
7. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，增益區(qū)位于激光腔駐波電磁場(chǎng)的波腹位置。
8. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，有源層與 陽(yáng)極界面和有源層與陰極界面位于激光腔駐波電磁場(chǎng)的波節(jié)位置。
9. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，陰極與頂部鏡的組合在有源層與陰極界面獲得低光吸收和高反射電接觸。
10. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，陽(yáng)極與被動(dòng)腔的組合在有源層與陽(yáng)極界面獲得低光吸收和高反射電接觸。
11. 如權(quán)利要求2所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，電子勢(shì)壘 層和空穴勢(shì)壘層是可選層，由寬帶隙的適當(dāng)有機(jī)材料或無(wú)機(jī)材料構(gòu)成。
12. 如權(quán)利要求2所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，有機(jī)增益 層是一層或多層，有機(jī)增益層含有一種有機(jī)材料，或包括一個(gè)或多個(gè) 主體材料摻雜一個(gè)或多個(gè)受體摻雜劑。
13. 如權(quán)利要求12所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，主體材料能有效地把能量傳遞給高發(fā)光效率的受體摻雜劑，受體摻雜劑是高 熒光效率的染料或高磷光效率的染料。
14. 如權(quán)利要求l所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，底部鏡、 間隔層、耦合鏡和陽(yáng)極采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、電子束沉積、 濺射沉積、熱蒸發(fā)沉積中適當(dāng)?shù)募夹g(shù)制備。
15. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，頂部鏡采 用濺射沉積、高真空熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)的方法制備。
16. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，有機(jī)激光 器件工作在正向偏壓下，在垂直襯底的方向上發(fā)出圓形激光光束。
17. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，有機(jī)激光 器件從襯底側(cè)的底部發(fā)出激光，或者從相反方向的頂部發(fā)出激光。
18. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，有機(jī)激光 器件發(fā)出單波長(zhǎng)激光或雙波長(zhǎng)激光。
19. 如權(quán)利要求1所述的有機(jī)激光器件，其特征在于，有機(jī)激光 器件能制成極小的尺寸，并構(gòu)造二維激光列陣。
全文摘要
本發(fā)明所述的電泵浦面發(fā)射有機(jī)激光器件具有由多層有機(jī)材料放入一個(gè)高反微腔鏡和一個(gè)高反鏡之間而形成的耦合微腔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有機(jī)激光器件具體結(jié)構(gòu)包括襯底、底部鏡、間隔層、耦合鏡、陽(yáng)極、有源層、陰極、頂部鏡。本發(fā)明中的電極與反射鏡的組合可以在有機(jī)/電極界面處實(shí)現(xiàn)低光學(xué)吸收和高反射電學(xué)接觸。由于實(shí)現(xiàn)了有效的電子和空穴注入，電致發(fā)光效率得以提高。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了低損耗耦合微腔有機(jī)激光器件，在電泵浦下可獲得面發(fā)射激光。
文檔編號(hào)H01S5/187GK101447644SQ20071017831
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2007年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月28日
發(fā)明者劉星元 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所