DE69800005T2

DE69800005T2 - Vorrichtung mit einem organischen Laser

Info

Publication number: DE69800005T2
Application number: DE69800005T
Authority: DE
Inventors: Magnus Berggren; Ananth Dodabalapur; Richart Elliott Slusher
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1998-05-05
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2018-05-06
Also published as: EP0878883A1; EP0878883B1; JPH10321941A; US5881089A; DE69800005D1; JP3575665B2

Description

Vorrichtung mit einem organischen Laser

Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Festkörperlaser. Speziell betrifft sie Festkörperlaser, die organisches Material in ihrem aktiven Bereich enthalten.

Hintergrund

Eine Anzahl von konventionellen Festkörperlasern basiert auf anorganischen Halbleitern (z. B. GaAs) und diese werden typischerweise elektrisch betrieben. Das bedeutet, die Laser (allgemein als Diodenlaser bezeichnet) verwenden die Rekombination von eingeschossenen Elektronen und Löchern in eine Laserkavität. Dies macht ein Design notwendig, welches sowohl elektrischen als auch optischen Anforderungen entsprechen muß. Diese Anforderungen sind relativ leicht im Fall von anorganischen Halbleitern erfüllt, wo hohe Ladungsträgerbeweglichkeit die Verwendung von relativ dicken Schichten, ohne zu große Einbußen bezüglich Spannungsabfall und Ohmsche Verluste, erlaubt. Außerdem ermöglicht die Verfügbarkeit von eng verwandten Halbleitermaterialien mit signifikantem Unterschied des Brechungsindexes eine einfache Herstellung von ebenen Wellenleitern oder verteilten Bragg- Reflektor- (Distributed-Bragg-Reflector-, DBR-) basierten Lasern mit senkrechter Kavität. Diese vorteilhaften Eigenschaften führten zur schnellen Entwicklung der anorganischen Halbleiterlaser. Zum Hintergrund bezüglich Halbleiterlasern siehe z. B. G.P. Agrawal et al., "Long- Wavelength Semiconductor Lasers", Van Nostrand Reinhold, New York 1986.
Trotz der weit gefächerten Verwendung von anorganischen Halbleiterlasern wäre es von Interesse, Laser zu haben, die auf organischem Material basieren, da zumindest manche organische Materialien Eigenschaften besitzen, welche diese z. B. als Verstärkungsmedium in Lasern mit sehr niedrigen Schwellen verwendbar machen. Diese Eigenschaften enthalten eine Stokes-Verschiebung zwischen den Absorptions- und Emissionsbändern und die Fähigkeit, ein Parasiten-Wirt- System, in welchem ein geringer Volumenanteil der emittierenden Spezies in einem geeigneten Wirt eingebettet ist, einfach zu realisieren. Zwar ist es möglich, einen organischen Laser mit niedriger Schwelle durch optisches Pumpen mit der Strahlung einer geeigneten externen Quelle zu realisieren (siehe z. B. M. Kuwata-Gonokami et al., Optic Letters, Vol. 20 (20), p. 2093 (1995), aber eine Anzahl von Umständen haben unserem besten Wissen nach ein erfolgreiches Design eines elektrisch gepumpten organischen Lasers bislang verhindert. Andererseits sind elektrisch gepumpte Laser im allgemeinen praktischer als optisch gepumpte Laser. Zum Beispiel sind elektrisch gepumpte Halbleiterlaser im allgemeinen kompakter und einfacher zu modulieren als optisch gepumpte Halbleiterlaser. Daher wäre es wünschenswert organische Laser, welche nicht die Bestrahlung des Lasers einer extern erzeugten Pumpstrahlung bedürfen, verfügbar zu haben.
Mit "konventionellem" elektrischem Pumpen ist hier das Pumpen durch Einschuß von Elektronen und Löchern in die Diodenstruktur mit Rekombination in einem im wesentlichen undotierten aktiven Bereich gemeint.
Bezüglich der Benutzung organischer Materialien in elektrisch gepumpten Lasern besteht eine Reihe von Schwierigkeiten, die erst überwunden werden müßten. Unter diesen Schwierigkeiten sind die sehr niedrige Trägerbeweglichkeit in relevanten Materialien und die derzeitige Unerhältlichkeit geeigneter Kombinationen von Materialien mit genügend großem Brechnungsindex-Unterschied und geeigneten Trägertransporteigenschaften. Diese Schwierigkeiten machen z. B. den Entwurf einer Kavität mit niedrigem Verlust (eine Grundvoraussetzung für das Lasern mit niedriger Schwelle) zu einer großartigen Aufgabe.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert. Wir müssen erreichen, daß zumindest die meisten, wenn nicht alle, der möglichen Vorteile eines elektrisch gepumpten organischen Lasers in einer neuartigen Struktur realisiert werden kann, die nicht konventionelles elektrisches Pumpen verwendet. Das bedeutet, wir haben dafür zu sorgen, daß die injizierte elektrische Leistung effizient in stimulierte optische Emission in einer einheitlichen Struktur, die in einem ersten Bereich in einer organischen Lichtquelle einen elektrischen Strom in inkohärente Photonen umwandelt, wobei die inkohärenten Photonen in eine zweite Region, welche die Laserkavität umfaßt, eingekoppelt werden. Die Laserkavität kann zum effizienten Absorbieren der optischen Pumpleistung entworfen sein, niedrige optische Verluste und hohe optische Verstärkung vorweisend. Die zwei Bereiche sind vorzugsweise in direkter räumlicher Nähe zueinander (z. B. mit einem Abstand < 10 λ, wobei λ die Laserwellenlänge ist), so daß eine kompakte einheitliche Vorrichtung erzielt werden kann. Beispielhafte Vorrichtungsstrukturen sind im Folgenden beschrieben.
Spezieller ist die Erfindung in einem Gegenstand eingefügt, der eine monolithische Quelle elektromagnetischer Strahlung (häufig, unabhängig von der Wellenlänge, als "Licht" bezeichnet) umfaßt. Die Quelle umfaßt eine Schichtstruktur, die eine Mehrzahl von Schichten umfaßt, welche zwei voneinander beabstandete Leiterschichten mit dazwischenliegendem lichtemittierenden ersten organischen Material enthält und weiterhin Kontakte zur Verursachung eines elektrischen Stromflusses zwischen besagten Leiterschichten umfassend, so daß inkohärente elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge (häufig einer Spanne von Wellenlängen) von besagtem lichtemittierenden ersten organischen Material emittiert wird.
Bezeichnenderweise umfaßt die Schichtstruktur ferner einen optischen Wellenleiter, der einen ersten und einen zweiten Mantelbereich mit einem Kernbereich dazwischen umfaßt. Der optische Wellenleiter ist derart angeordnet, daß wenigstens ein Teil der besagten inkohärenten elektromagnetischen Strahlung der ersten Wellenlänge von dem optischen Wellenleiter empfangen wird. Der Kernbereich umfaßt eine Schicht des zweiten organischen Materials, welches zum Absorbieren besagter inkohärenter elektromagnetischer Strahlung der ersten Wellenlänge ausgewählt ist und um kohärente elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge als Reaktion auf besagte absorbierte inkohärenter elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge zu emittieren. Die zweite Wellenlänge ist länger als die erste Wellenlänge und der optische Wellenleiter ist ausgewählt, um zumindest elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge zu leiten. Der optische Wellenleiter ist beispielhaft, aber nicht notwendigerweise zwischen den zwei Leiterschichten angeordnet.
Mit monolithischer Quelle ist eine Festkörperquelle, in der die relative Position der ersten organischen Materialschicht in Bezug auf den optischen Wellenleiter dauerhaft feststehend ist, gemeint, wobei der optische Wellenleiter nahe (beispielhaft innerhalb etwa 10λ, wobei λ die zweite Wellenlänge, d. h. die Laserwellenlänge ist) der ersten organischen Materialschicht ist. Typischerweise ist die Quelle fest auf einem Substrat angebracht.
Mit "Festkörper"-Quelle ist eine Quelle gemeint, die bei der Arbeitstemperatur nur aus festem Material besteht (im Gegensatz zu flüssigem oder gasförmigen Material). Der Begriff impliziert nicht Kristallinität und erfindungsgemäße Festkörperquellen können amorphe, polykristalline und/oder monokristalline Schichten umfassen. Der Begriff "organisches Material" ist hier in konventioneller Weise verwendet, um Bezug auf Kohlenstoff- und Wasserstoffenthaltende Verbundwerkstoffe zu nehmen und umfaßt Polymere, Oligomere und kleine Moleküle.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 illustriert schematisch das Prinzip erfindungsgemäßer Laser;
Fig. 2 bis 4 stellen schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lasers in verschiedenen Stadien der Herstellung dar;
Fig. 5 zeigt die Absorptions- und Lumineszensdaten von beispielhaften organischen Materialien, die für die Anwendung für die Erfindung verwendbar sind;
Fig. 6 bis 8 zeigen schematisch ebenfalls exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung;
Fig. 9 zeigt elektrische Daten und Elektrolumineszensdaten einer exemplarischen organischen Schichtkombination;
Fig. 10 stellt schematisch einen erfindungsgemäßen DBR- Laser dar;
Fig. 11 und 12 zeigen schematisch einen erfindungsgemäßen photonischen Bandlückenlaser.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 illustriert schematisch das Prinzip einer erfindungsgemäßen Festkörperquelle kohärenter elektromagnetischer Strahlung. Bezugszeichen 11 und 12 beziehen sich jeweils auf das erste und zweite Gebiet der Schichtstruktur der Vorrichtung. Sie sind aus didaktischen Gründen physikalisch separiert dargestellt, aber in tatsächlichen Ausführungsbeispielen wird die Schichtstruktur eine einheitliche Struktur sein, typischerweise eine sequentielle Struktur, wie im folgenden diskutiert wird. Nebeneinander gelagerte einheitliche Strukturen sind wenigstens im Prinzip möglich und sind nicht ausgeschlossen.
Der erste Bereich umfaßt einen (halbtransparenten) Leiter 131 (z. B. Indiumzinnoxyd, ITO), eine lichtemittierende organische Schicht 14 (z. B. 30 nm Alq und 30 nm TAD) und eine Leitungsschicht 132. Der erstgenannte dient als Anode, die letztgenannte als Kathode. Der Fachmann wird den ersten Bereich als eine organische lichtemittierende Diode (LED) bildend erkennen. "Alq" ist Konvention für 8-Hydroxyquinolinato-Aluminium und "TAD" ist Konvention für Triphenyl/Diamine.
Der erste Bereich ist optisch an den zweiten Bereich angekoppelt, wobei inkohärente Strahlung 16 in den zweiten Bereich transmittiert wird. Der zweite Bereich bildet eine Laserkavität, welche Mantelschichten 171 und 172 mit dem dazwischenliegenden Kernbereich 8 umfaßt. Wie hinlänglich bekannt ist, hat der Kernbereich einen höheren Brechungsindex als die Mantelschichten, um Lichtleitung zu ermöglichen.
Pfeil 19 bezeichnet die kohärente Strahlung, die von der Laserkavität ausgestrahlt wird. Schichten 171, 18 und/oder 172 können durch konventionelle Mittel gemustert sein, falls dies gewünscht ist.
Organische LEDs sind bekannt und können mit sehr hoher Quantenausbeute hergestellt werden. Über externe Quantenausbeuten > 2% wird allgemein berichtet. Dies korrespondiert typischerweise zu internen Quantenausbeuten > 10%. Mit interner Quantenausbeute ist der Bruchteil der injizierten Elektronen, welche in Photonen konvertiert werden, gemeint und mit externer Quantenausbeute ist das Verhältnis aus Photonen, die die Vorrichtung verlassen, zu den Elektronen, die in die Vorrichtung injiziert werden, gemeint.
Durch technische Bearbeitung der Schichten einer organischen LED ist es möglich hohe Stromdichten in die Vorrichtung zu injizieren. Wir haben einen Strom > 100 A/cm² unter gepulsten Bedingungen in organische LEDs, welche auf emittierenden Alq-Schichten basieren, injiziert. Zum Beispiel wurde eine Stromdichte von 110 A/cm² durch eine Vorrichtung, mit 30 nm TAD und 30 nm Alq unter gepulster Anregung (Pulsbreite 1 us) geschickt. Das TAD arbeitet als Lochtransportierende Schicht und das Alq als die Elektronentransportierende und emittierende Schicht. Der Betrieb solcher organischer LEDs ist in C.W. Tang et al., J. Applied Physics, Vol. 65, p. 3610 (1989) beschrieben. Eine interne Quantenausbeute von 5-10% annehmend, gehören die beschriebenen Bedingungen zu etwa 10 W/cm² optischer Leistung, erzeugt an der emittierenden Schicht.
Die, mit effizient konstruierten organischen LEDs erzielbare hohe optische Ausgangsleistung kann effizient an die separat optimierte Laserkavität angekoppelt werden, wie im folgenden beschrieben wird.
Wie bereits erwähnt, wird das Licht, welches im Bereich 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt wird, in den Bereich 2 injiziert, wo es absorbiert werden muß und in Photonen einer größeren Wellenlänge konvertiert wird. Die optische Verstärkung in dem zweiten Bereich muß hinreichend sein, um die Verluste zu überwinden und die stimulierte Emission aus dem zweiten Bereich zu verursachen. Dies kann durch eine Vielfalt organischer Materialien und/oder Kavitätsarchitekturen erreicht werden.
Stimulierte Emission und Lasern wurden in einer Vielzahl von organischen Medien beobachtet. Tatsächlich wurden organische Verstärkungsmedien in den ersten Demonstrationen von verteilten Rückkopplungs- (Distributed-Feedback-, DFB) Lasern (siehe H. Kogelnik et al., Applied Physics Letters, Vol. 18(4), p. 152, 1971) und verteilten Bragg-Reflektor- (DBR) Lasern (siehe I.P. Kaminow et al., Applied Physics Letters, Vol. 18(11), p. 497, 1971) verwendet. Das Verstärkungsmedium organischer Laser gemäß dem Stand der Technik (optisch gepumpt) besteht typischerweise aus einem transparenten Polymerwirt dotiert mit fluoreszierenden Dye- Molekülen. Der Wirt dient dazu, die Dotiermoleküle räumlich getrennt zu halten, so daß eine Konzentrationsanhäufung minimiert werden kann.
Mögliche Kavitätsarchitekturen sind ebene Wellenleiter, Mikroscheiben ("Microdisks") für die Flüstergewölbemode (whispering-gallery-Mode) und senkrechte Kavitäten. Wir geben nun eine Beschreibung eines beispielhaften Prozesses zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, nämlich eine Vorrichtung mit ebenem Wellenleiter mit DFB.
Ein Siliziumträger wird mit SiO&sub2;in konventioneller Art (z. B. CVD) beschichtet. Die SiO&sub2;-Schicht ist typischerweise 1-2 um dick. Ein Gitter ist in der SiO&sub2;-Schicht in üblicher Art und Weise (Photolithographie und Ätzen, z. B. Plasmaätzen in CHF3) geformt. Die Gitterperiode Λ hängt von der Konstruktionswellenlänge λ in bekannter Art und Weise, nämlich Λ = λ/2neff ab, wobei nett der effektive Brechungsindex ist. Ätzen funktioniert beispielsweise bis eine Gittertiefe von ~ 30 nm erreicht ist. Danach folgt die Entfernung des Photowiderstands. Das resultierende Zwischenprodukt ist schematisch in Fig. 2 gezeigt, mit den Bezugszeichen 21 und 22 Bezug nehmend auf das Siliziumsubstrat und die gemusterte SiO&sub2;-Schicht.
Als nächstes wird eine 250 nm dicke gemusterte Schicht Alq, dotiert mit etwa 1% Volumenanteil DCM2 (ein Laser-Dye, z. B. erhältlich von Exciton, Inc., Dayton, Ohio) durch gleichzeitige Aufdampfung durch die 25 · 1000 um Öffnungen einer mechanischen Schattenmaske über dem Gitter aufgebracht. Darauf folgt die Aufbringung (durch Sublimation) von etwa 1 um MgF&sub2; über die Oberfläche. Siehe Fig. 3, worin die Bezugszeichen 31 und 32 die dotierte Alq-Schicht und die MgF&sub2;&submin;Schicht bezeichnen.
Der Fachmann erkennt, daß die SiO&sub2;/dotiertes Alq/MgF&sub2;- Schichtsequenz einen ebenen Wellenleiter formt, weil die Brechungsindizes etwa 1,47; 1,65 und 1,4 sind. Die Querausdehnung und Länge des Wellenleiters (und daher der optischen Kavität) sind durch das gemusterte, dotierte Alq definiert.
Auf den daher geformten zweiten Bereich der Vorrichtung wird eine Schicht halbtransparenter Leiter aufgebracht, z. B. Sputteraufbringung von etwa 100 nm ITO, Flächenwiderstand < 10 Ohm/Quadrat. Optional wird eine dielektrische Schicht (z. B., SiO) zwischen dem MgF&sub2; und dem ITO plaziert.
Durch Vakuumsublimation werden die folgenden Schichten hintereinander durch eine mechanische Schattenmaske, mit Öffnungen, welche so dimensioniert sind, daß ein Teil der ITO-Schicht ausgesetzt bleibt, beschichtet: 30 nm TAD, 15 nm NAPOXA, 15 nm Alq. "NAPOXA" steht für 2-Naphtyl-4, 5-Di(4-Methoxyphenyl)-1, 3-Oxazol. Zur Syntheseinformation siehe z. B. US-Patentanmeldung Nr. 08/673,864, angemeldet am 13.9.1995 von A. Dodabalapür et al. Schließlich werden durch die oben beschriebene Schattenmaske 2 nm Lithium und 250 nm Aluminium aufgebracht. Die resultierende Struktur ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, worin sich Bezugszeichen 41-46 jeweils auf die ITO-, TAD-, NAPOXA-, Alq-, Li- und Al- Schichten beziehen. Die Li/Al-Schicht wirkt als Kathode und die ITO-Schicht wirkt als die Anode der organischen LED (der erste Bereich).
Das Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen Anode und Kathode bewirkt einen Stromfluß in dem externen Schaltkreis, Lochinjektion vom ITO zum TAD, und Elektroneninjektion von der Li/AL-Elektrode zum Alq und von dort in die NAPOXA- Schicht. Trägerrekombination findet im NAPOXA statt, welches zu einer Emission von Photonen über einen Wellenlängenbereich, welcher den Bereich von 400-450 nm enthält, führt. Wenigstens ein Teil dieser inkohärenten Strahlung wird in den Wellenleiter des Bereiches 2 eingekoppelt, wo sie durch das Alq absorbiert wird, wobei die dabei erzeugten Anregungen, bzw. Erregungen auf die Dotierung (das DCM-Dye) Forster-transferiert werden, gefolgt von Photonenemission durch stimulierte Emission und Lasern. Der Fachmann ist vertraut mit dem Konzept des Forster-Transfers der molekularen Anregung. Das Gitter dient als wellenlängenselektierendes Merkmal. Es ist so angebracht, daß eine optische Mode in dem optischen Wellenleiter mit dem Gitter wechselwirkt.
Fig. 5 zeigt Absorption und Lumineszenzdaten für Alq und DCM2. Optional wird ein Wellenlängenfilter zwischen den Bereichen 1 und 2 angebracht, um den Eintritt von Strahlung, die nicht effizient durch das Alq absorbiert wird, in die Laserkavität zu verhindern.
Der so produzierte elektrisch gepumpte organische Laser ist getestet und funktioniert wie erwartet, kohärente Strahlung einer ungefähren Wellenlänge von 620 nm emittierend. Speziell fließt ein Strom durch das Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen der Kathode und der ITO- Anode in den externen Schaltkreis und es werden Löcher von dem ITO in das TAD injiziert, während Elektronen von der Kathode in das Alq und von dort in die NAPOXA-Schicht injiziert werden. Trägerrekombination findet im NAPOXA statt, was zur Emission einer signifikanten Zahl von Photonen des Wellenlängenbereiches 400-450 nm führt. Diese Photonen können von dem Alq in dem Bereich 2 absorbiert werden, d. h. dem Alq in der optischen Kavität. Die Anregungen, die in dem Alq durch das absorbierte Licht erzeugt werden, werden zum DCM- Dye Forster-transferiert. Wellenlängen größer als 450 nm werden von Bereich 1 emittiert, d. h. der Diodenstruktur, aber sie werden nicht effizient in der optischen Kavität absorbiert, wie anhand von Fig. 5 gesehen werden kann. Die Anregungen in dem DCM-Dye können durch einen Prozeß, welcher Emission eines Photons einbezieht, zerfallen. Wenn ein hinreichender Strom in die Diodenstruktur injiziert wird, ist die optische Leistung, welche in das DCM-Dye transferiert wird ausreichend, um Lasertätigkeit zu erreichen, die Emission kohärenter Strahlung als Folge der elektrischen Eingabe bewirkend.
Es wird verstanden werden, daß die oben beschriebene DFB-Vorrichtung nur beispielhaft ist und daß z. B. die vorgetragenen Schichtzusammensetzungen und Dicken wie gewünscht variiert werden können, ohne dabei den Erfindungsgedanken zu verlassen. Es wird ebenfalls verstanden werden, daß erfindungsgemäße Laser nicht notwendigerweise DFB-Laser sein müssen, sondern z. B. DBR- (Distributed-Bragg- Relector) Laser sein können. Ferner können erfindungsgemäße Laser organisch aktive Materialien in einer Kavität, welche auf dem photonischen Bandlückenkonzept basiert, umfassen. Als Hintergrund zum photonischen Bandlückenkonzept siehe z. B. "Solid State Physics", Vol. 49, pp. 151-203, Academic Press, San Diego (1995), F. Seitz und D. Turnbull, Editors.
Fig. 10 zeigt schematisch einen relevanten Anteil eines erfindungsgemäßen DBR-Lasers, worin die Bezugszeichen 21 und 22 das Substrat (z. B. Si-Wafer) und die untere Mantelschicht (z. B. SiO&sub2;) bezeichnen. Bezugszeichen 101 und 102 beziehen sich auf die voneinander im Abstand befindlichen Reflektoren, welche die Laserkavität definieren und Bezugszeichen 103 bezieht sich auf den organischen Materialkern. Die Reflektoren sind beispielhaft als Gitter ausgeführt. Die obere Mantelregion und die Schichtstruktur können im wesentlichen wie in Fig. 4 gezeigt sein und sind nicht gezeigt.
Fig. 11 zeigt schematisch einen relevanten Anteil eines erfindungsgemäßen photonischen Bandlückenlasers, worin sich die Bezugszeichen 21, 22 und 112 auf das Substrat, die untere Mantelschicht und den organischen Materialkernbereich beziehen. Die Merkmale 111 sind z. B. Vertiefungen in der Mantelschicht. Wie in Fig. 12 gesehen werden kann, bilden die Vertiefungen 111 eine regelmäßige Anordnung. Die Details der Anordnung (z. B. Durchmesser und Tiefe der Vertiefungen, Abstand der Vertiefungen) bestimmen die photonischen Bandlückeneigenschaften der Anordnung. Es wird verstanden werden, daß Fig. 11 und 12 eine Seitenansicht und eine Draufsicht zeigen.
In der oben diskutierten beispielhaften Vorrichtung sind die Bereiche 1 und 2 elektrisch getrennt und optisch gekoppelt. Jedoch ist die elektrische Trennung kein notwendiges Merkmal, wie durch die folgenden erfindungsgemäßen beispielhafte Vorrichtungen demonstriert werden wird. Die erste solche Vorrichtung ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Der Laser ist ein Mikroscheiben- ("Microdisk") Laser und daher im wesentlichen rotationssymmetrisch. Siehe z. B. S. L. McCall et al., Applied Physics Letters, Vol. 60(3), p. 291 (1992).
Ein organischer Laser 60 umfaßt ein Glassubstrat 61 und darauf eine ITO-Schicht 62. Eine Goldschicht 63 umschließt den Stapel organischer Schichten und ist mit einer SiO&sub2;- Schicht 64 beschichtet. Bezugszeichen 671, 68, 672 und 69 beziehen sich auf eine TAD-Schicht, eine mit Pentazen dotierte PTCDA-Schicht, eine TAD-Schicht und eine Alq- Schicht. PTCDA ist zum Beispiel von Aldrich Chemical Company, Inc., Milwaukee, Wisconsin erhältlich. Derselbe Stapel organischer Schichten (bezeichnet 65) ist auf der SiO&sub2;- Schicht aufgebracht. Dies ist ein Artefakt des Herstellungsprozesses. Stapel 65 spielt keine Rolle für den Betrieb der Vorrichtung und könnte, falls gewünscht, entfernt werden. Eine Aluminiumelektrode 66 ermöglicht elektrischen Kontakt zur oberen Alq-Schicht 69.
Die Vorrichtung 60 kann wie folgt hergestellt werden.
Auf das Substrat 61 (z. B. Glas oder jedes andere geeignete transparente Material) wird eine 150 nm ITO-Schicht und nachfolgend eine 300 nm Goldschicht aufgebracht. Eine 250 nm Schicht aus SiO&sub2; wird durch plasmaverstärktes CVD (oder einer anderen geeigneten Methode) auf dem Gold aufgebracht. Eine photounempfindliche Schutzschicht wird auf dem SiO&sub2; aufgebracht und kreisförmige Fenster eines Durchmessers, der typischerweise im Bereich 1-10 um liegt, werden photolithographisch in der lichtunempfindlichen Schutzschicht definiert. Das belichtete SiO&sub2; wird mittels eines konventionellen Plasmas (z. B. CHF&sub3;-enthaltend bei 50 mTorr, 250 V) trocken geätzt. Nach dem Entfernen des belichteten SiO&sub2; wird das belichtete Gold durch chemisches Ätzen (z. B. KI : I&sub2; : H&sub2;O, dieses Ätzen greift SiO&sub2; oder ITO nicht an) entfernt. Das Ätzen formt eine Unterschneidung, welche eine Isolation des aufeinanderfolgend geformten Stapels organischen Materials vom umgebenden Gold bewirkt. Nach dem Reinigen (entionisiertes Wasser, sauerstoffhaltiges Plasma) der so hergestellten Struktur werden die organischen Materialien durch Sublimation aufgebracht. Eine Aufbringung von 200 nm TAD wird von einer gemeinsamen Aufbringung von 200 nm Perylentetracarboxylischem Dianhydrid (PTCDA) und etwa 1% Volumenanteil Pentazen (ein Laser-Dye, erhältlich z. B. von Aldrich Chemical Company, Inc.) gefolgt. Dies wird der Reihe nach von einer Aufbringung von 200 nm TAD und danach einer Aufbringung von 50 nm Alq gefolgt. Die Vorrichtungsstruktur wird durch Aufbringung von 400 nm A1 vervollständigt. Falls gewünscht, kann der letzte Anteil der Al-Aufbringung eine Aufbringung unter einem Winkel sein, um eine elektrische Kontinuität zu garantieren.
Es wird anerkannt werden, daß die beschriebene Methode und Vorrichtung beispielhaft sind und die Schichtzusammensetzungen und Dicken verändert werden können, falls dies gewünscht wird.
Das TAD hat einen niedrigeren Brechungsindex als das PTCDA, so daß der oben beschriebene organische Stapel einen Wellenleiter bildet. Eine wichtige Eigenschaft dieser Materialien ist, daß sowohl der Kern- als auch der Mantelmaterial die Eigenschaft besitzen, Ladungen (Löcher) zu transportieren, so daß Löcher, die durch die ITO-Elektrode in die untere TAD-Schicht injiziert werden, zu der TAD/Alq- Schnittstelle transportiert werden können, wo sie mit Elektronen rekombinieren, die in die Alq-Schicht durch die Al-Elektrode injiziert werden und zu der Schnittstelle transportiert worden sind, eine Photonenemission bewirkend.
Diese Photonen werden durch das PTCDA absorbiert und die daraus resultierende Anregung wird zur Dye-Dotierung (z. B. Pentazen) transferiert. Die Dye-Dotierung emittiert daraufhin Photonen, welche durch den Scheibenwellenleiter eingegrenzt werden. Die so geformte optische Kavität unterstützt sogenannte Flüstergewölbemoden ("whispering-gallery-Moden"), welche die Peripherie der Wellenleiterscheibe einhüllen.
Das Laserlicht wird von dem Wellenleiter entlang der Ebene des Wellenleiters emittiert. Es wird von dem Gold und dem Aluminium reflektiert und verläßt die Vorrichtung letztlich durch den Rücken des Glaskörpers.
Selbstverständlich wird etwas des Lichts durch das Gold und andere Schichten absorbiert.
Fig. 7 zeigt die elektrischen und Lumineszensdaten für eine Diode, welche eine Schichtstruktur ähnlich der oben beschriebenen Struktur besitzt, nämlich ITO/100 nm, TAD/200 nm, PTCDA/10 nm, TAD/70 nm, Alq:DCM2/Al. Die Daten weisen eindeutig nach, daß die Schichtstruktur Licht unter geeigneter Vorspannung emittiert.
Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Laser aus Fig. 7 gleicht im wesentlichen dem Laser aus Fig. 6, außer daß der erstgenannte einen transparenten, dielektrischen vielschichtigen Stapel 71 zwischen dem Substrat 61 und der ITO-Schicht 62 besitzt. Solch ein Stapel besteht typischerweise aus wechselnden Materialschichten (z. B. SiO&sub2; und SiNx), welche sich durch unterschiedliche Brechungsindizes voneinander unterscheiden. Die Schichten werden typischerweise (aber nicht notwendigerweise) so ausgesucht, daß jede Schicht etwa eine Dicke λ/4 hat, wobei λ die Wellenlänge des Lasers ist. Der vielschichtige Stapel kann das Wechseln der Form der optischen Mode in dem Wellenleiter (671/68/672) bewirken und dadurch die Lasereigenschaften verbessern. Viertelwellen- Stapel sind bekannt und werden in organischen LEDs verwendet. Siehe z. B. A. Dodabalapur et al., J. Applied Physics, Vol. 80(12). Dezember 1996, p.6954.
Fig. 8 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Laser aus Fig. 8 ist im wesentlichen ähnlich dem Laser aus Fig. 6, außer daß der Erstgenannte zwei (oder möglicherweise mehr) Dotierungen in der Kernschicht des Wellenleiters umfaßt. Die Dotierungen sind räumlich getrennt, beispielsweise mehr als etwa 10 nm. Zum Beispiel umfaßt die Kernschicht 68 eine erste Unterschicht 681, welche eine erste Dotierung (z. B. ein Dye, wie z. B. Magnesium-Phetalocyanin; dieses Dye ist z. B. von Aldrich Chemical Company, Inc. erhältlich), eine zweite Unterschicht 682, welche im wesentlichen undotiert und dicker als 10 nm ist und eine dritte Unterschicht 683, welche z. B. mit Pentazen dotiert ist. Durch das Ausstatten eines Verbundkerns mit zwei oder mehr räumlich getrennten dotierten Unterschichten ist es möglich, die effektive Photonenverweildauer in der optischen Kavität zu erhöhen und folgerichtig die Schwelle der Leistungsdichte für das Lasern weiter zu erniedrigen.
Es wird verstanden werden, daß die Ausführungsformen der Fig. 8 und 9 zu einer weiteren Ausführungsform kombiniert werden können.

Claims

1. Gegenstand mit einer monolytischen elektromagnetischen Strahlungsquelle, wobei die Quelle eine Schichtenstruktur umfaßt, die eine Vielzahl von Schichten umfaßt, mit zwei beabstandeten Leiterschichten (131, 132) mit einem dazwischenliegenden lichtemittierenden ersten organischen Material (14) und Kontakten zum Bewirken eines elektrischen Stromflusses zwischen den Leiterschichten, derart, daß von dem lichtemittierenden ersten organischen Material eine inkohärente elektromagnetische Strahlung (16) mit einer ersten Wellenlänge emittiert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Schichtenstruktur ferner eine Laserkavität und einen optischen Wellenleiter umfaßt, wobei die Laserkavität einen ersten und einen zweiten Mantelbereich (171, 172) mit einem dazwischenliegenden Kernbereich (18) umfaßt, und wobei der optische Wellenleiter so angeordnet ist, daß wenigstens einige der inkohärenten elektromagnetischen Strahlen der ersten Wellenlänge von dem optischen Wellenleiter empfangen werden;

b) der Kernbereich eine Schicht mit einem zweiten organischen Material umfaßt, das so ausgewählt ist, daß die inkohärente elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge absorbiert wird und in Verbindung mit der Laserkavität die kohärente elektromagnetische Strahlung (19) der zweiten Wellenlänge emittiert wird, wobei die zweite Wellenlänge länger ist als die erste Wellenlänge.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, bei welchem die Schichtstruktur auf einem Substrat angeordnet ist, wobei die Schicht des lichtemittierenden ersten organischen Materials parallel zum zweiten organischen Material liegt und von diesem beabstandet ist.

3. Gegenstand nach Anspruch 1, bei welchem die Schicht aus dem zweiten organischen Material ein organisches Matrizenmaterial und ein organisches Dotiermaterial umfaßt, wobei das organische Matrizenmaterial so ausgewählt ist, daß es die elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge absorbiert, und eine sich ergebende molekulare Erregung zum organischen Dotiermaterial überträgt, so daß sich ein angeregtes Dotiermaterial ergibt, wobei das angeregte Dotiermaterial die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Wellenlänge emittiert.

4. Gegenstand nach Anspruch 3, bei welchem die Schicht aus dem zweiten organischen Material eine erste, zweite und dritte Unterschicht umfaßt, wobei die erste und dritte Unterschicht das Matrizenmaterial umfaßt, das jeweils mit einem ersten organischen Dotiermaterial und einem zweiten organischen Dotiermaterial dotiert ist, wobei die zweite Unterschicht im wesentlichen frei von dem ersten und zweiten organischen Dotiermaterial ist und zwischen der ersten und der dritten Unterschicht angeordnet ist, wobei das erste und zweite organische Dotiermaterial so ausgewählt ist, daß sich eine erhöhte effektive Photonenverweilzeit in der Schicht aus dem zweiten organischen Material ergibt.

5. Gegenstand nach Anspruch 2, der ferner ein verteiltes Rückkoppelungsgitter umfaßt, das so ausgewählt ist, daß die Emission der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Wellenlänge vereinfacht wird.

6. Gegenstand nach Anspruch 2, der ferner zwei beabstandete verteilte Bragg-Reflektoren umfaßt, die so ausgewählt sind, daß sie die Emission der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Wellenlänge vereinfachen.

7. Gegenstand nach Anspruch 2, bei welchem der optische Wellenleiter eine photonische Bandlückenstruktur umfaßt, um die Emission der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Wellenlänge zu vereinfachen, wobei die photonische Bandlückenstruktur beispielsweise eine Vielzahl von beabstandeten im wesentlichen identischen Strukturen in einer Mantelschicht umfaßt.

8. Gegenstand nach Anspruch 2, der ferner einen dielektrischen mehrschichtigen Stapel umfaßt, der zwischen dem Substrat und einer im wesentlichen transparenten Leiterschicht angeordnet ist.

9. Gegenstand nach Anspruch 2, bei welchem die monolytische elektromagnetische Strahlungsquelle entweder ein Mikroscheiben- oder Microdisk-Laser mit einer im wesentlichen kreisförmigen Symmetrie hinsichtlich einer senkrechten Richtung zum Substrat oder ein ebener Wellenleiter-Laser ist.

10. Gegenstand nach Anspruch 2, bei welchem die Schicht aus dem zweiten organischen Material entweder zwischen den beabstandeten Leiterschichten oder zwischen dem Substrat und der Leiterschicht angeordnet ist, die am nächsten zum Substrat liegt.