反馈和耦合结构及方法
专利名称：反馈和耦合结构及方法
技术领域：
本发明主要涉及包括反馈结构与耦合结构的发光器件，更具体地，涉及包括具有波纹结构或周期结构的耦合结构和反馈结构的有机发光二极管器件(OLED)。
背景技术：
发出光线的反馈增强有机发光二极管器件(FE-OLED)器件的辐射层非常薄(例如，数十纳米)。由于辐射层太薄，因此如果器件用于垂直辐射模式，则产生足够的受激辐射率在辐射层中需要非常高密度的激子和/或非常高的光子通量用于反馈光子。通过FE-OLED器件施加非常高的电流密度可获得非常高的激子密度。不幸的是，非常高的电流密度使设计变得复杂，降低了效率，增加了成本，并且限制应用FE-OLED的效率和数量。类似地，在辐射层中为反馈光子产生非常高的光子通量需要向辐射层中反馈回更高百分比的光。通过增加反馈元件的反射率可获得该反馈，并导致光线在FE-OLED器件中往返经历更长时间。这将在器件中导致更大的光损耗，并因此降低器件效率，因为光每次通过器件都要损耗。这限制了应用FE-OLED的效率和数量。因此，在本领域中强烈需要一种方法，克服前述的在FE-OLED器件中与薄辐射层关联的问题。
发明内容
本发明的一个方面是提供包括发光二极管和垂直耦合结构的发光二极管器件。该垂直耦合结构改变在发光二极管中部分基本水平的受激光辐射的传播方向，使得该部分基本水平的受激光辐射在输出光线时离开发光二极管。
本发明的另一方面是提供一种产生光的方法，包括激励发光材料使发光材料发光，反射回发光材料发出的光线的至少一部分通过该发光材料以激励受激光线的幅射，并且改变一部分受激光线的方向使得受激光线的该部分远离该发光材料。
本发明的另一方面使提供一种辐射器件，包括光栅、与光栅相邻的阳极、与阳极相邻的空穴注入层、与空穴注入层相邻的空穴传输层、与空穴注入层相邻的辐射层、与辐射层相邻的电子传输层，与电子传输层相邻的电子注入层、与电子注入层相邻的阴极以及与阴极相邻的平坦化层。空穴传输层和阳极具有比电子传输层高的折射系数，使得空穴传输层、阳极和电子传输层形成波导。光栅朝向阳极反馈耦合入射其上的一部分光线，还耦合入射其上的远离阳极的另一部分光线。
本发明的另一方面是提供一种反馈增强辐射器，包括发光器、反馈结构和耦合结构。反馈结构将由发光器发射的光线反射回至发光器中。耦合结构改变发光器中部分受激光辐射的传播方向，使得该部分的受激光辐射在输出光线时离开发光器。
本发明的另一方面是提供一种产生光的方法，包括激励发光材料生成第一光线，将至少一部分光线反射回发光材料以沿第一轴激励第二光线的发射，并且将至少一部分第二光线的传播方向改变至至少第二轴。第一轴和至少第二轴基本上不平行。
将参考下列附图详细说明本发明，其中，相同的引用号码表示相同的元件，其中图1表示实例波纹结构；图2表示实例实施例，包括在辐射层的同一侧面上用于反馈和耦合的波纹结构；
图3表示另一实施例，其在OLED的相对侧面上具有反馈与耦合结构；图4表示另一实施例，其中，反馈与耦合结构沿器件平面中的轴具有连续变化的折射系数；图5表示另一实施例，其在单个层中添加耦合与反馈功能，该层沿器件平面中的轴具有连续变化的折射系数；图6表示另一实施例，其在具有叠加的波纹轮廓的单个层上添加耦合与反馈功能；图7表示具有组合的反馈与耦合层的实施例，其具有连续的周期性的折射系数，并为波纹状；图8表示一种实施例，其将反馈结构包含至OLED；图9表示另一实施例，其中，在OLED中进行指数调制，并且平面化层与反射器相邻；图10表示具有不连续的周期性指数变化的另一实施例；图11表示提供具有最小吸收量的波导的器件的示例实施例；以及图12表示具有波导的另一实施例。
具体实施例方式
本发明的示例实施例可包括发光层、一个或多个反馈结构以及一个或多个耦合结构。发光层可包括有机半导体材料或另一适合的发光材料。一个或多个反馈结构可使由发光层发出的光线沿该器件中的轴反馈回通过发光层。光线的反馈由此促进了发光层中的受激光辐射。耦合结构将反馈光线的一部分耦合至器件外部。可以沿与器件平面基本垂直或呈预定角度的轴发射耦合的光线。
例如，发光层可包括诸如有机半导体、三(8-羟基喹啉)铝络合物(Alq3)的半导体。Alq3可具有电子带结构，其导致以所需的(多个)波长发射光线。有机半导体可包括从低分子量到高分子量聚合物的分子。可替换地，半导体材料可全部由有机材料、全部由无机材料、有机金属材料、复合辐射材料或任何其它适当的材料制造。发光层可介于两个电极之间。两个电极中的一个为阴极，两个电极中的另一个为阳极。阴极可由促进电子向有机半导体注入的材料制造。阳极可由促进空穴向有机半导体注入的透明传导材料制造，例如氧化铟锡。可替换地，附加各层可介于发光层和电极之间。例如，这样的附加层可由促进载荷子向有机半导体注入或从注入地点向有机半导体中所需的辐射区域传输载荷子的材料制成。
反馈结构沿器件平面中的轴可具有周期性振荡的折射系数。包含该系数振荡的器件层至少部分位于由辐射层发射的光路中，并且在与沿发生系数振荡的轴平行的器件平面中传播。在此平行结构中，通过大量具有振荡折射系数的材料的光线的散射角度由等式1给出sinΘ＝(κ-υ)/κ(等式1)其中，Θ＝器件平面的法向与散射方向间的夹角，κ＝散射光线的波数，以及υ＝折射系数振荡的空间频率通过适当选择κ与υ，通过该结构将产生所需的光线散射。例如，通过选择υ＝2κ，Θ变为等于-90°，并且产生垂直于(100)一维网格的散射光线。这导致所需的反馈结构，由于直接反射回了与结构作用的部分光线，而剩下的继续向前。这种反馈结构可描述为具有反射系数振荡，其空间周期等于发射的光线的波长的一半。
在耦合结构的情况下，可能沿器件平面的法向散射光线。可通过选择υ＝κ达到此目的，在这种情况下，Θ＝0°。这导致具有折射系数振荡的结构，其空间周期等于散射光线的波长，并且沿器件平面的法向散射光线。该耦合结构的各种Θ值都是可用的，只要与法线的夹角足够小，以允许光线脱离发光层和该器件。例如，选择υ＝3/2κ和Θ＝-30°导致两束光线以+和-30°从该器件发出。光线引导或滤光元件可置于该器件的表面，以过滤或改变从该器件发出的光线的方向。例如，光线散射元件可用于散射光线，而滤光元件可用于沿一个方向(例如，30°)传输光线，而沿另一方向(例如，-30°)过滤光线。
可在各种实施例中组合发光层、一个或多个反馈结构以及一个或多个耦合结构，并还可包括附加元件。这些实施例通常可分为三个主要类别1.包括某种波纹状的实施例，2.包括含有连续折射系数变化的层的实施例，以及3.没有包括波纹或连续折射系数变化的实施例。对于附图讨论了几种示例实施例。
图1表示示例波纹结构100。该波纹结构100包括第一介电材料102和第二介电材料104，其形成波纹状接口并具有不同的折射系数。从而，经过接口的光线106经历周期振荡的折射系数，并且光线106的一些被散射，形成光线108，其可从结构100垂直地辐射。
图2表示示例实施例，包括用于在辐射层的同一面上反馈和耦合的波纹状结构。在图2中，器件200包括透明基板202、阳极204、空穴注入层206、空穴传输层208、辐射层210、电子传输层212、电子注入层214、反射阴极216以及组合的反馈与耦合结构。阳极204、空穴注入层206、空穴传输层208、辐射层210、电子传输层212、电子注入层214、反射阴极216形成有机发光二极管(OLED)218。阳极204可由氧化铟锡或其它合适的透明传导材料制造，并且阴极216可由例如铝、镁/银合金、钙的反射性低功函数金属或其它合适材料制成。该组合的反馈与耦合结构包括第一介电层220、第二介电层222和第三介电层224。第二与第三介电层222、224间的波纹状接口构成反馈结构，并且第一与第二介电层220、222间的波纹状接口构成耦合结构。光线从该耦合结构向上和向下散射。向下散射的光线从阴极216反射，并连同向上散射的光线从器件200的顶部离开。这是有利的，因为该器件是反馈增强的，并且作为激光器，其在该器件平面内具有发激光动作。从而，在严格垂直辐射的器件中，当沿器件的整体长度，相对通过非常薄的辐射层的深度时，在辐射层中存在反馈光线与激子强相互作用的可能性。然而，由于耦合结构的存在，沿与器件平面垂直或接近垂直的方向将光线耦合至外部。从而，该器件垂直辐射，同时保持边缘辐射激光器的激光效率。
图3表示另一示例实施例，其在OLED的相对侧面上具有反馈与耦合结构。在图3中，器件300包括透明极板202、阳极204、空穴注入层206、空穴传输层208、辐射层210、电子传输层212、电子注入层214、透射金属阴极302、反射器304、耦合结构以及反馈结构。阳极204、空穴注入层206、空穴传输层208、辐射层210、电子传输层212、电子注入层214、透射金属阴极302形成OLED 306。阳极204可由氧化铟锡或其它合适的材料制成。透射金属阴极302可由通过氧化铟锡层318支撑的低功函数金属316，或其它可透射由OLED 306发出的光线的合适材料制成。该耦合结构包括第一介电层308和第二介电层310。反馈结构包括第三介电层312和第四介电层314。第三和第四介电层312、314间的波纹状接口构成反馈结构，并且第一和第二介电层308、310间的波纹状接口构成耦合结构。光线从该耦合结构向上和向下散射。从耦合结构向下散射的光线从反射器304反射，并且连同向上散射的光线从器件300的顶部离开。反射器304可为金属镜、多层介质反射器、全息反射器、或其它合适的光线反射结构。这是有利的，因为理想的阴极材料可能不是最有效的反射器。此外，通过分离阴极与反射器功能，从而有可能制造更高效的器件。图3的器件300是有优势的，因为可以分别调节反馈与耦合结构的折射系数对比度和它们距辐射器的距离。还有，该器件可允许反馈与耦合层同时紧密靠近辐射层210。可替换地，反馈结构与耦合结构可相互交换，使得反馈结构在辐射层210的阳极侧，并且耦合结构在阴极侧。这是有利的，因为允许在器件平面内传播的光线和反馈层间更强的相互作用。这样的翻转结构产生垂直的激光辐射效应，其基本类似于图3的器件300。
图1、2和3将波纹表示为正弦或基本正弦形。然而，可使用其它周期性的结构，其中折射系数以所需周期振荡。例如，可使用方波或锯齿波纹曲线。尽管将反馈与耦合结构中的折射系数边界说明为非连续的，但这些结构可具有在波纹边界上连续变化或可为非连续和连续组合的折射系数。在波纹状反馈与耦合结构中的折射系数变化曲线确定散射光线的带宽并因此影响器件的形态结构。
图4表示另一实施例，其沿器件平面中的轴的折射系数连续变化。图4的器件400类似于图2的器件，除了用横跨各层的折射系数连续变化的反馈层402和耦合层404代替图2中组合的反馈与耦合结构。在反馈层402和耦合层404中，深色阴影区域406和408具有比浅色阴影区域410于412高的折射系数。这是有利的，因为连续变化的结构可具有较少的有害散射角，并因此在器件平面中保持更多的反馈光线。
另一实施例为类似于图3的器件，但利用沿器件平面中的轴的折射系数连续变化的耦合层与反馈层制造。该结构的优点与图3中器件300类似。该反馈层和耦合层可互相交换。
图5表示另一实施例，其在单个层中添加耦合与反馈功能，该单个层具有沿器件平面中的轴连续变化的折射系数。图5的器件500类似于图4的器件，除了用向单个层中添加耦合与反馈功能的组合耦合与反馈层502替换反馈与耦合层402、404。该组合耦合与反馈层502可通过添加两个系数变化曲线形成。例如，折射系数可具有下面的曲线nx＝n1+[a/2(sin2πκx+1)+b/2(sin4πκx+1)]Δn其中，nx为作为沿轴x的距离的函数的折射系数，κ为散射光线的波数，a为耦合曲线的权重，b为反馈曲线的权重，n1为折射系数的低值，以及Δn为折射系数对比度。
非添加的曲线具有与反馈结构分离的耦合结构，例如图4中所示。然而，利用图5中表示的添加曲线，两个结构距辐射器相同的距离。从而，两个结构中的任一个都不会弱于另一个作用，因此确保两个结构都与在器件平面中传播的光线充分相互作用。另外，此器件的制造比耦合与反馈功能分离的器件简单。
图6表示另一实施例，其在具有添加的波纹曲线的单个层中添加耦合与反馈功能。图6的器件600类似于图2的器件，除了反馈与耦合层已经由在单个层中添加耦合与反馈功能的组合耦合与反馈层代替。该组合的耦合与反馈层可通过添加两个波纹形成。例如，表面轮廓的波动可由等式说明nx＝y1+[a/2(sin2πκx+1)+b/2(sin4πκx+1)]Δy其中，nx为作为沿x轴距离函数的折射系数，κ为散射光线的波数，a为耦合曲线的权重，b为反馈曲线的权重，y1为突纹底部的y坐标，以及Δy为凸纹的高度。
组合的反馈与耦合层可由平面化层604和介电层606形成。可通过连续曝光适当选择的具有两个光线干涉图案的光刻胶膜制造介电层606和平面化层604。以这样一种方式形成这两个干涉图案，它们的间距分别对应于所需的反馈与耦合光栅间距。后续的用平面化层604蚀刻和涂覆产生所需的结构。这是有利的，因为使用该方法便于制造。该光刻胶材料可为一种蚀刻深度为曝光剂函数的材料，例如Shipley S1818光刻胶或任何其它合适的可光图案化的材料。
可替换地，波纹状的连续变化结构可组合在单个器件中。例如，波纹结构可用于器件阴极侧上的反馈功能，而具有连续变化折射系数的层可用于器件阳极侧上耦合功能。该反馈与耦合结构可组合在单个结构中，该单个结构在各个波纹状层中的一个内采用连续的周期性折射系数变化。在图7中说明这一点，其中，具有连续的周期性折射系数变化的耦合层702在波纹层704上形成。(耦合层702还可称为组合的耦合与反馈层，波纹层称为平面化层)。在这两层间的波纹状接口用作反馈结构。可替换地，该波纹状反馈结构可在该器件的一个侧面上，例如阳极侧，而连续变化的折射系数耦合结构在另一个上(阴极侧)。这两个结构可交换至该器件的相对侧面，并且该波纹状接口可构成该耦合结构，而连续变化的折射系数平面构成该反馈结构。
在上面讨论的实施例中，反馈与耦合结构为OLED的外部。然而，该反馈结构、该耦合结构或这个两个结构可集成至OLED中。所需的折射系数调制可施加于电极、载流子传输、和/或辐射层或OLED的其它合适的层中。将该耦合与反馈结构与辐射层尽可能近的放置，或实际放置其中，可提供在器件平面中传播的光与这些结构的更强的相互作用。
OLED中各层或各结构的折射系数调制常常与诸如载流子移动性或带能量的电子特性的调制同时发生。从而，这些实施例可在器件平面上具有很大的器件性能变化。这可能是在一些应用中是有利的，也可能在其它应用中没有任何积极效果。例如，在发光应用中，从小区域输出的光线的频谱内容中的可能变化在产生更宽的能带照明或产生具有另一所需频谱的照明方面可能有用。
图8表示将反馈结合集成至OLED中的实施例。图8的器件800包括透明传输基板202、阳极204、空穴注入层206、空穴传输层208、辐射层210、电子注入层214、反射阴极216、组合的电子传输层和反馈结构802以及耦合层804。通过除了透明传输基板202和耦合层804外的所有这些元件形成OLED 806。组合的电子传输层与反馈结构802的折射系数在沿器件800平面中的轴中的值变化，并引起反馈。
通过利用交联诸如甲基丙烯酸酯和丙烯酸脂的功能团，衍生现有的电子传输材料并用光启始剂掺杂该材料，可制造该组合的电子传输层与反馈结构802。然后，当该材料经历具有对应于所需反馈结构的周期性强度变化的图案化UV曝光时，在光敏电子传输材料中形成所需的系数调制。
可通过与利用光敏、可交联的材料制造这些层的类似方法，可实现诸如辐射层和空穴传输层的其它层中的折射系数调制。
图9表示另一实施例，其中，在OLED中进行系数调制，并且平面化层与反射器相邻。图9的器件900包括透明基板202、组合的反馈与耦合光栅结构902、诸如氧化铟锡阳极的阳极904、空穴注入层906、空穴传输层908、辐射层910、电子传输层912、电子注入层914、透射金属阴极916、平面化层918和反射器920。阳极904、空穴注入层906、空穴传输层908、辐射层910、电子传输层912、电子注入层914、透射金属阴极916形成OLED 922。此实施例是有利的，因为它易于制造，并且因为折射系数变化图案完全通过OLED 922延伸，其通过组合的反馈与耦合光栅结构902产生与发射光的良好耦合。
在该组合的反馈与耦合光栅结构902的波浪表面上淀积OLED922的各层可能引入OLED 922各层的厚度变化。然而，光线与器件900的周期性结构间的强相相互作用降低了凸纹结构的幅度，其产生充分的耦合或下降到约200至约300nm的耦合。当蒸气淀积工艺用于构造OLED 922时，该淀积是足够各向同性的，以产生厚度基本均匀的层。
可替换地，在同一器件中可组合两个或更多反馈/耦合层组合。可沿器件平面的两个垂直轴将两个反馈结构集成至该器件中，然后在该器件中集成两个耦合结构，以沿这两个垂直方向的轴向外耦合光线。可独立制造这四个结构或将其组合至一个或多个复合结构中。也可沿相同的轴将多个反馈层或多个耦合层集成至器件中，以增加和辐射的光线的相互作用，因此增加反射光线的强度。如果单个反馈或耦合结构不能提供足够高的散射光线通量，则可增加第二反馈或耦合结构。
图10表示具有不连续周期性指数变化的另一实施例。器件1000类似于图4的器件400，除了通过反馈层1002和耦合层1004的折射系数变化为非连续，而不是反馈层401和耦合层404的连续变化。深色阴影区域1006和1008对应于更高折射系数的区域，而浅色阴影区域1010和1012对应于低折射系数的区域。
可通过用空间调制的光线在所需频率v曝光光敏材料膜，制造图10中说明的反馈与耦合结构。该曝光可与后续处理相结合，在薄膜中产生所需的折射系数的连续变化。光线中的所需空间调制可通过两束光线的干涉产生，以在光敏材料膜中产生干涉图案。可替换地，可使用三个或更多光束产生干涉图案。全息材料和某些光刻胶可用作光敏材料。
选择在器件平面中由(各)反馈结构产生的部分光线和由耦合层从该器件中提取的部分光线，以在反馈回到该器件的光线和耦合出该器件的光线间提供平衡。如果将太多的光线耦合出该器件和在该器件平面中产生太少的光线，则没有足够的光线支持受激辐射，并且器件辐射率将为不希望地低。相反，如果将太少的光线耦合出该器件和在该器件平面中产生太多的光线，光线将多次通过其路径上的吸收材料和散射结构，以至于吸收和其它损耗将变得极大，以至于将降低整体的器件辐射率。
可通过分别调整光线与反馈和耦合结构相互作用的水平，选择产生的和耦合的光线间的适当平衡。可通过调整层中折射系数变化的幅度(Δn)、反馈或耦合层距辐射层的距离和系数调制区域的厚度，控制与这些结构的相互作用水平。系数调制区域的厚度对应于波纹结构中波纹的深度。利用这三个参数调整器件设计，以最大化来自该器件的光辐射效率，或另外选择所需的设计。
通过确保在器件平面中捕获更多或最多的从辐射层发射的光线量，并且不在宽角度范围内散射，可提高该器件的效率。实现此目的的一种实例方法是通过将光线管道即波导集成在该器件中。例如，可通过在器件平面中的一层高系数材料形成波导，通过低系数材料在任一侧面上限制该波导。来自高系数材料任一侧面上的系数边界的反射有助于将约束关系保持在该层中。这样的高折射系数层具有一个波长或更长的厚度，使得该光线限制在该层中。由于辐射层的厚度通常小于一个波长(例如，辐射层的厚度通常为50纳米或更小)，所以辐射层通常太薄，而不能用作高系数波导芯。从而，必须用超过辐射层的附加材料加厚高系数芯，以便将光线限制在该器件平面中。
上面讨论的发射器件还可具有该发射器件的内部波导。该波导可接近和/或包括在辐射层中。这样的器件可包括光栅、与该光栅相邻的阳极、与该阳极相邻的空穴注入层、与该空穴注入层相邻的空穴传输层、与该空穴注入层相邻的辐射层，与该辐射层相邻的电子传输层、与该电子传输层相邻的电子注入层、与该电子注入层相邻的阴极以及与该阴极相邻的平面化层。空穴传输层和阳极可具有高于电子传输层和光栅的折射系数，使得空穴传输层和阳极形成高折射系数波导芯。辐射层可具有任意的折射系数，但使辐射层折射系数等于或高于空穴传输层的折射系数是有利的。光栅与电子传输层形成用于波导的低系数覆层。这样形成的波导捕获器件中发射的大部分光线，将光线的传播多多少少限制在该器件平面中。光栅中的波纹包括添加的耦合结构和反馈结构的凸纹轮廓。这些波纹在器件中通过多个层从光栅向上延伸。这样形成的波纹状结构反馈回在器件平面中传播的光线，进一步在辐射层中引起受激辐射。该波纹状结构还将在器件平面中传播的光线的一部分以垂直于或接近垂直于器件平面的角度耦合出该器件，或以预定角度将在器件平面中传播的光线耦合出该器件。参考图1和图12在下面进一步讨论包括波导的发射器件。
器件中最高的折射系数之一可为阳极和/或阴极中的氧化铟锡。该氧化铟锡可用作波导的一部分。不幸地是，氧化铟锡仅在非常薄的部分中足够透明，并且可强烈吸收穿过器件平面中氧化铟锡的光线。从而，希望具有一种波导，其将辐射光限制在包含辐射层或与其紧密相邻的体积内，同时最小化与氧化铟锡的相互作用。
图11表示器件100的示例实施例，其提供具有最小吸收量的波导。该器件1100包括透明基板202、阳极204、空穴注入层206、辐射层210、电子注入层214、反射阴极216、由第一空穴传输层1106和第二空穴传输层1108形成的空穴传输介质1104、由第一电子传输层1112和第二电子传输层1114形成的电子传输介质1110。第一电子传输层1112还包含反馈与耦合结构，其由通过器件平面中的层的连续变化的折射系数形成。在图11中，层1112中的深色阴影区域1118具有较高的折射系数，而浅色阴影区域1120具有较低的折射系数。系数变化可仅沿该图的平面中的轴，或其可沿该轴和与该图的平面正交的第二轴，如对于图9的说明。可用与器件800中对于层802说明的类似方式产生折射系数的变化。然而，在此示例中，反馈与耦合光栅曲线添加在同一层中，如在器件500中对于层502的说明。阳极204、空穴传输层208、辐射层210、电子注入层214、反射阴极216、空穴传输介质1104以及电子传输介质1110形成OLED 1116。
可选择第二空穴传输层1108中的材料，以具有比第一空穴传输层1106中高得多的折射系数。可选择第一电子传输层1112中的材料，以具有从点1120的n1至点1118的较高系数n2变化的折射系数。可选择两个系数n1和n2都高于第二电子传输层1114中的折射系数nc。第二空穴传输层1108、第一电子传输层1112以及辐射层210形成高系数的波导芯。第一空穴传输层1106和第二电子传输层1114作为波导的低系数波导覆层。将辐射层210、第二空穴传输层1108的折射系数和第一电子传输层1112的各折射系数中的一个选择为彼此相似或相同，以避免不必要的反射、散射等。然而，当辐射层210的厚度极小时，这是经常发生的，辐射层210可具有任何折射系数，而没有任何显著的有害光学效果。
该反馈与耦合结构不需要在高折射系数的波导芯内，只要他们足够接近，使得器件的反馈与耦合结构和共面的传播光线相互作用，以在共面和输出方向充分地散射光线。
图12表示具有波导的另一实施例。在图12中，设备1200使用在当前可用的波导材料间的折射系数变化，以在OLED结构内部产生粗糙的波导。器件1200包括光栅1202，其组合了具有约1.5的折射系数的反馈与耦合结构的功能，其由诸如Shipley S1818光刻胶的材料或任何其它合适的光可图案化材料制成；氧化铟锡阳极1204，其具有约为1.9的折射系数；酞菁铜空穴注入层1206；具有约为1.9的折射系数的α-NPB空穴传输层1208；具有约为1.72的折射系数的Alq3+掺杂剂(例如，香豆素)辐射层1210，具有约为1.72的折射系数的Alq3电子传输层1212；LiF电子注入层1214；铝阴极1216；约为1.9的折射系数的氧化铟锡传导阴极支撑1218；以及约为1.5的折射系数的平面化层1220。铝阴极1216和氧化铟锡传导阴极支撑1218形成透明阴极结构1222。铝阴极1216为辐射层1210提供电子源，而氧化铟锡传导阴极支撑1218向铝阴极1216传导电流，由于铝阴极1216足够薄，其为透明的。该器件中的氧化铟锡阳极1204和α-NPB空穴传输层1208构成材料芯，其折射系数约等于1.9。这些层由构成光刻胶材料的较低系数层和辐射层加电子传输层包围。酞菁铜空穴注入层1206、LiF电子注入层1214以及铝阴极1216太薄，以致于不能在光学上相互作用。
可替换地，具有折射系数调制间隔υ＝κ的耦合层可用于将光线垂直耦合出基于OLED的激光器，其中，在器件平面中发生反馈并因此出现光辐射。同样，除了上面描述的那些结构外，还可使用其它分布式反馈结构。同样的垂直耦合结构还与边缘辐射OLED激光器一起工作，其中，反馈来自于通过裂开的表面、金属化的表面或在激光器端部的其它反射器的普通反射。可用其它OLED结构代替图中所示的OLED结构。可用其它非OLED结构代替图中所示的OLED结构。这些OLED结构可包括附加层，例如浴铜灵的空穴阻挡层(2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲绕啉)或其它合适的材料。阻挡层在每个专利No.6,451,415和6,097,147。
可通过不同的方法和不同的材料制造文中的光栅。例如，通过多个(例如，两个)光束干涉法或其它合适的方法，利用电子束绘图来制造光栅。可这样批量生产光栅，首先在光刻胶或其它合适的材料上绘制光栅，然后通过压花法或其它合适的方法复制光栅。通过将聚合物基板用作主凸纹结构，可实现每次生产多个复制品，例如用于复制压缩磁盘和在信用卡和钞票上使用的防伪全息图。例如通过电镀或真空淀积的可将主凸纹结构上的凸纹结构传送到金属片，其用作压制复制品的标记，或作为注入模具。可替换地，可使用向玻璃上另外的光刻胶层的接触仿形和通过光刻胶向玻璃蚀刻，以在玻璃中制造凸纹结构。除了光刻胶和玻璃，这些光栅可由例如聚碳酸酯、聚亚安酯的聚合材料或其它任何合适的材料制成。
通过两光束干涉法，来自波长为λ的激光器的校准光束以角度θ干涉，使得λ＝2psin(θ/2)，其中，p为所需的光栅间隙。可改变光刻胶的曝光和显影，以控制凸纹结构的深度。如果需要不同间隔的两个或更多光栅，则可通过在同一光刻胶上进行两次不同的曝光增加光栅。
示例用1微米厚的Shipley S1818光刻胶层旋转涂覆玻璃基板。用两束来自氩离子激光器的351nm波长的干涉的UV辐射同时曝光该光刻胶。这两束光的传播方向都平行于同一平面，该平面垂直于全息板的表面。一束光线以相对于法线50.1°的角度轰击该表面，另一束光线以相对于法线-50.1°的角度轰击该表面(两束光线间的夹角为100.2度)。发送的总辐射剂量在100mJ/平方厘米的数量级。精确的剂量可由刻度游程确定。通过将氩离子激光器设置在488nm线和如同前两次曝光那样以32.2°和-32.2°用两束光线轰击表面，可对于同一极板进行二次曝光。再一次地，发送的总辐射剂量接近100mJ/cm2。设置第一次曝光产生以229nm空间周期绘制的光栅。设置第二次曝光产生以457.9nm空间周期绘制的重叠的第二光栅。然后将曝光板侵入未稀释的Shipley 303A显影剂中两分钟，在流动的去离子水中漂洗2.5分钟，并用干燥的氮气干燥。该光刻胶形成约30nm深的凸纹。
现在可通过下面连续真空淀积的层在该全息板的凸纹表面上构造OLED器件堆叠，这些层包括150nm氧化铟锡阴极支撑，7nm铝阴极，10nm氟化锂电子注入层，35nm三(8-羟基喹啉)铝电子传输层，10nm浴铜灵空穴阻挡层(2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲绕啉)空穴阻挡层，50nm H9680辐射器(H9680辐射器可从Specialty Chemicals inMorristown，New Jersy获得)，75nm N，N’-二(甲基苯基)-N，N’-二苯基联苯胺，10nm酞菁铜空穴注入层以及氧化铟锡阳极。
尽管已经详细说明了本发明的几个实施例及其优势，但应当理解，可在其中进行各种改变、替换、变换、修改、变化、置换以及替代，而不脱离本发明的宗旨，和由所附权利要求说明的本发明的精神与范围。
权利要求
1.一种发光二极管器件，包括发光二极管；以及垂直耦合结构，其中，垂直耦合结构改变该发光二极管中一部分基本水平的受激光辐射的传播方向，使得在输出光线时该部分基本水平的受激光辐射离开该发光二极管。
2.权利要求1所述的器件，其中，输出光线基本垂直于基本平行于该发光二极管的平面传播。
3.权利要求1所述的器件，其中，输出光线以对于基本平行于发光二极管的平面的法线成±θ°传播。
4.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构为波纹状。
5.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构沿基本平行于发光二极管的平面具有振荡的折射系数。
6.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构的折射系数连续变化。
7.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构的折射系数不连续变化。
8.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构是周期的。
9.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构包括第一介电材料和第二介电材料。
10.权利要求1所述的器件，还包括光反馈结构。
11.权利要求10所述的器件，其中，光反馈结构为波纹状。
12.权利要求10所述的器件，其中，光反馈结构沿基本平行于发光二极管的平面具有振荡的折射系数。
13.权利要求10所述的器件，其中，光反馈结构的折射系数连续变化。
14.权利要求10所述的器件，其中，光反馈结构的折射系数不连续变化。
15.权利要求10所述的器件，其中，光反馈结构为周期的。
16.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构包括部分光反馈结构。
17.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构包括光反馈结构。
18.权利要求1所述的器件，其中，发光二极管包括夹在低折射系数区域间的高折射系数区域。
19.权利要求18所述的器件，其中，高折射系数区域包括发光材料。
20.权利要求1所述的器件，其中，发光二极管包括发光材料，该发光材料为下列材料的一种有机半导体材料；有机与无机半导体材料的组合；或有机金属半导体材料；或无机半导体材料。
21.一种产生光的方法，包括激励发光材料使得该发光材料发光；将由该发光材料发出的光线的至少一部分反射回至该发光材料，以激励受激光辐射；以及改变一部分受激光线的方向，使得该部分受激光线耦合远离该发光材料。
22.权利要求21所述的方法，其中，受激光线为激光光线。
23.权利要求22所述的方法，其中，将该部分受激光线垂直耦合远离该发光材料。
24.一种发光器件，包括光栅；与该光栅相邻的阳极；与该阳极相邻的空穴注入层；与该空穴注入层相邻的空穴传输层；与该空穴注入层相邻的辐射层；与辐射层相邻的电子传输层；与该电子传输层相邻的电子注入层；与该电子注入层相邻的阴极；以及与该阴极相邻的平面化层，其中，空穴传输层和阳极具有高于电子传输层的折射系数，使得空穴传输层、阳极和电子传输层形成波导，以及其中，该光栅朝向阳极反馈回入射其上的部分光线，并将入射其上的另一部分光线耦合远离该阳极。
25.权利要求24所述的器件，其中，将在器件平面上传播的、入射至光刻胶光栅上的部分光线沿与原始传播方向成180°的方向反馈回，并将入射至该光栅上的另一部分光线以垂直于器件平面的方向耦合。
26.权利要求24所述的器件，其中，辐射层为下列中的一个有机半导体材料；有机与无机半导体材料的组合；或有机金属半导体材料；或无机半导体材料。
27.权利要求24所述的器件，其中，光栅为光刻胶光栅。
28.一种反馈增强辐射器，包括发光器；反馈结构；以及耦合结构，其中，反馈结构将由发光器产生的光线反射回该发光器，以及其中，耦合结构改变该发光器中一部分受激光辐射的传播方向，使得在输出光线时该部分受激光辐射离开该发光器。
29.权利要求28所述的辐射器，其中，输出光线垂直于基本平行于该发光器的平面传播。
30.权利要求28所述的辐射器，其中，输出光线以对于基本平行于发光器的平面的法线成±θ°传播。
31.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构为波纹状。
32.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构沿基本平行于发光器的平面具有振荡的折射系数。
33.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构的折射系数连续变化。
34.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构的折射系数不连续变化。
35.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构是周期的。
36.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构包括第一介电材料和第二介电材料。
37.权利要求28所述的辐射器，其中，光反馈结构为波纹状。
38.权利要求28所述的辐射器，其中，光反馈结构沿基本平行于发光器的平面具有振荡的折射系数。
39.权利要求28所述的辐射器，其中，光反馈结构的折射系数连续变化。
40.权利要求28所述的辐射器，其中，光反馈结构的折射系数不连续变化。
41.权利要求28所述的辐射器，其中，光反馈结构为周期的。
42.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构包括部分光反馈结构。
43.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构包括光反馈结构。
44.权利要求28所述的辐射器，其中，发光器包括夹在低折射系数区域间的高折射系数区域。
45.权利要求44所述的辐射器，其中，高折射系数区域包括发光材料。
46.权利要求28所述的辐射器，其中，发光器包括发光材料，该发光材料为下列材料的一种有机半导体材料；有机与无机半导体材料的组合；或有机金属半导体材料；或无机半导体材料。
47.权利要求28所述的辐射器，其中，发光器为发光二极管。
48.一种产生光的方法，包括激励发光材料以产生第一光线；将第一光线的至少一部分反射回至该发光材料，以激励沿第一轴的第二光线的辐射；以及将至少一部分第二光线的传播方向改变到至少第二轴，其中，第一轴与至少第二轴基本上不平行。
49.权利要求48所述的方法，其中，第一轴正交于至少第二轴。
全文摘要
一种发光器件，可包括诸如有机半导体材料的发光层，一个或多个反馈结构，以及耦合结构。该一个或多个反馈结构通过其可沿器件平面反馈回发光层发出的光线，因此促进发光层中的受激光辐射。该耦合结构将反馈光线的一部分耦合出该器件。可沿与器件平面基本垂直的轴，或以预定角度辐射耦合的光线。该耦合与反馈结构可具有波纹状结构，沿器件平面中的轴连续变化的折射系数，周期性的折射系数，或其任一组合。该耦合与反馈结构可为分离的、共享的部分或组合在一起。
文档编号H01L33/00GK1806338SQ200480016864
公开日2006年7月19日 申请日期2004年4月12日 优先权日2003年4月16日
发明者艾伦·K·伊万斯 申请人:泽奥勒克斯公司
技术领域：
本发明主要涉及包括反馈结构与耦合结构的发光器件，更具体地，涉及包括具有波纹结构或周期结构的耦合结构和反馈结构的有机发光二极管器件(OLED)。
背景技术：
发出光线的反馈增强有机发光二极管器件(FE-OLED)器件的辐射层非常薄(例如，数十纳米)。由于辐射层太薄，因此如果器件用于垂直辐射模式，则产生足够的受激辐射率在辐射层中需要非常高密度的激子和/或非常高的光子通量用于反馈光子。通过FE-OLED器件施加非常高的电流密度可获得非常高的激子密度。不幸的是，非常高的电流密度使设计变得复杂，降低了效率，增加了成本，并且限制应用FE-OLED的效率和数量。类似地，在辐射层中为反馈光子产生非常高的光子通量需要向辐射层中反馈回更高百分比的光。通过增加反馈元件的反射率可获得该反馈，并导致光线在FE-OLED器件中往返经历更长时间。这将在器件中导致更大的光损耗，并因此降低器件效率，因为光每次通过器件都要损耗。这限制了应用FE-OLED的效率和数量。因此，在本领域中强烈需要一种方法，克服前述的在FE-OLED器件中与薄辐射层关联的问题。
发明内容
本发明的一个方面是提供包括发光二极管和垂直耦合结构的发光二极管器件。该垂直耦合结构改变在发光二极管中部分基本水平的受激光辐射的传播方向，使得该部分基本水平的受激光辐射在输出光线时离开发光二极管。
本发明的另一方面是提供一种产生光的方法，包括激励发光材料使发光材料发光，反射回发光材料发出的光线的至少一部分通过该发光材料以激励受激光线的幅射，并且改变一部分受激光线的方向使得受激光线的该部分远离该发光材料。
本发明的另一方面使提供一种辐射器件，包括光栅、与光栅相邻的阳极、与阳极相邻的空穴注入层、与空穴注入层相邻的空穴传输层、与空穴注入层相邻的辐射层、与辐射层相邻的电子传输层，与电子传输层相邻的电子注入层、与电子注入层相邻的阴极以及与阴极相邻的平坦化层。空穴传输层和阳极具有比电子传输层高的折射系数，使得空穴传输层、阳极和电子传输层形成波导。光栅朝向阳极反馈耦合入射其上的一部分光线，还耦合入射其上的远离阳极的另一部分光线。
本发明的另一方面是提供一种反馈增强辐射器，包括发光器、反馈结构和耦合结构。反馈结构将由发光器发射的光线反射回至发光器中。耦合结构改变发光器中部分受激光辐射的传播方向，使得该部分的受激光辐射在输出光线时离开发光器。
本发明的另一方面是提供一种产生光的方法，包括激励发光材料生成第一光线，将至少一部分光线反射回发光材料以沿第一轴激励第二光线的发射，并且将至少一部分第二光线的传播方向改变至至少第二轴。第一轴和至少第二轴基本上不平行。
将参考下列附图详细说明本发明，其中，相同的引用号码表示相同的元件，其中图1表示实例波纹结构；图2表示实例实施例，包括在辐射层的同一侧面上用于反馈和耦合的波纹结构；
图3表示另一实施例，其在OLED的相对侧面上具有反馈与耦合结构；图4表示另一实施例，其中，反馈与耦合结构沿器件平面中的轴具有连续变化的折射系数；图5表示另一实施例，其在单个层中添加耦合与反馈功能，该层沿器件平面中的轴具有连续变化的折射系数；图6表示另一实施例，其在具有叠加的波纹轮廓的单个层上添加耦合与反馈功能；图7表示具有组合的反馈与耦合层的实施例，其具有连续的周期性的折射系数，并为波纹状；图8表示一种实施例，其将反馈结构包含至OLED；图9表示另一实施例，其中，在OLED中进行指数调制，并且平面化层与反射器相邻；图10表示具有不连续的周期性指数变化的另一实施例；图11表示提供具有最小吸收量的波导的器件的示例实施例；以及图12表示具有波导的另一实施例。
具体实施例方式
本发明的示例实施例可包括发光层、一个或多个反馈结构以及一个或多个耦合结构。发光层可包括有机半导体材料或另一适合的发光材料。一个或多个反馈结构可使由发光层发出的光线沿该器件中的轴反馈回通过发光层。光线的反馈由此促进了发光层中的受激光辐射。耦合结构将反馈光线的一部分耦合至器件外部。可以沿与器件平面基本垂直或呈预定角度的轴发射耦合的光线。
例如，发光层可包括诸如有机半导体、三(8-羟基喹啉)铝络合物(Alq3)的半导体。Alq3可具有电子带结构，其导致以所需的(多个)波长发射光线。有机半导体可包括从低分子量到高分子量聚合物的分子。可替换地，半导体材料可全部由有机材料、全部由无机材料、有机金属材料、复合辐射材料或任何其它适当的材料制造。发光层可介于两个电极之间。两个电极中的一个为阴极，两个电极中的另一个为阳极。阴极可由促进电子向有机半导体注入的材料制造。阳极可由促进空穴向有机半导体注入的透明传导材料制造，例如氧化铟锡。可替换地，附加各层可介于发光层和电极之间。例如，这样的附加层可由促进载荷子向有机半导体注入或从注入地点向有机半导体中所需的辐射区域传输载荷子的材料制成。
反馈结构沿器件平面中的轴可具有周期性振荡的折射系数。包含该系数振荡的器件层至少部分位于由辐射层发射的光路中，并且在与沿发生系数振荡的轴平行的器件平面中传播。在此平行结构中，通过大量具有振荡折射系数的材料的光线的散射角度由等式1给出sinΘ＝(κ-υ)/κ(等式1)其中，Θ＝器件平面的法向与散射方向间的夹角，κ＝散射光线的波数，以及υ＝折射系数振荡的空间频率通过适当选择κ与υ，通过该结构将产生所需的光线散射。例如，通过选择υ＝2κ，Θ变为等于-90°，并且产生垂直于(100)一维网格的散射光线。这导致所需的反馈结构，由于直接反射回了与结构作用的部分光线，而剩下的继续向前。这种反馈结构可描述为具有反射系数振荡，其空间周期等于发射的光线的波长的一半。
在耦合结构的情况下，可能沿器件平面的法向散射光线。可通过选择υ＝κ达到此目的，在这种情况下，Θ＝0°。这导致具有折射系数振荡的结构，其空间周期等于散射光线的波长，并且沿器件平面的法向散射光线。该耦合结构的各种Θ值都是可用的，只要与法线的夹角足够小，以允许光线脱离发光层和该器件。例如，选择υ＝3/2κ和Θ＝-30°导致两束光线以+和-30°从该器件发出。光线引导或滤光元件可置于该器件的表面，以过滤或改变从该器件发出的光线的方向。例如，光线散射元件可用于散射光线，而滤光元件可用于沿一个方向(例如，30°)传输光线，而沿另一方向(例如，-30°)过滤光线。
可在各种实施例中组合发光层、一个或多个反馈结构以及一个或多个耦合结构，并还可包括附加元件。这些实施例通常可分为三个主要类别1.包括某种波纹状的实施例，2.包括含有连续折射系数变化的层的实施例，以及3.没有包括波纹或连续折射系数变化的实施例。对于附图讨论了几种示例实施例。
图1表示示例波纹结构100。该波纹结构100包括第一介电材料102和第二介电材料104，其形成波纹状接口并具有不同的折射系数。从而，经过接口的光线106经历周期振荡的折射系数，并且光线106的一些被散射，形成光线108，其可从结构100垂直地辐射。
图2表示示例实施例，包括用于在辐射层的同一面上反馈和耦合的波纹状结构。在图2中，器件200包括透明基板202、阳极204、空穴注入层206、空穴传输层208、辐射层210、电子传输层212、电子注入层214、反射阴极216以及组合的反馈与耦合结构。阳极204、空穴注入层206、空穴传输层208、辐射层210、电子传输层212、电子注入层214、反射阴极216形成有机发光二极管(OLED)218。阳极204可由氧化铟锡或其它合适的透明传导材料制造，并且阴极216可由例如铝、镁/银合金、钙的反射性低功函数金属或其它合适材料制成。该组合的反馈与耦合结构包括第一介电层220、第二介电层222和第三介电层224。第二与第三介电层222、224间的波纹状接口构成反馈结构，并且第一与第二介电层220、222间的波纹状接口构成耦合结构。光线从该耦合结构向上和向下散射。向下散射的光线从阴极216反射，并连同向上散射的光线从器件200的顶部离开。这是有利的，因为该器件是反馈增强的，并且作为激光器，其在该器件平面内具有发激光动作。从而，在严格垂直辐射的器件中，当沿器件的整体长度，相对通过非常薄的辐射层的深度时，在辐射层中存在反馈光线与激子强相互作用的可能性。然而，由于耦合结构的存在，沿与器件平面垂直或接近垂直的方向将光线耦合至外部。从而，该器件垂直辐射，同时保持边缘辐射激光器的激光效率。
图3表示另一示例实施例，其在OLED的相对侧面上具有反馈与耦合结构。在图3中，器件300包括透明极板202、阳极204、空穴注入层206、空穴传输层208、辐射层210、电子传输层212、电子注入层214、透射金属阴极302、反射器304、耦合结构以及反馈结构。阳极204、空穴注入层206、空穴传输层208、辐射层210、电子传输层212、电子注入层214、透射金属阴极302形成OLED 306。阳极204可由氧化铟锡或其它合适的材料制成。透射金属阴极302可由通过氧化铟锡层318支撑的低功函数金属316，或其它可透射由OLED 306发出的光线的合适材料制成。该耦合结构包括第一介电层308和第二介电层310。反馈结构包括第三介电层312和第四介电层314。第三和第四介电层312、314间的波纹状接口构成反馈结构，并且第一和第二介电层308、310间的波纹状接口构成耦合结构。光线从该耦合结构向上和向下散射。从耦合结构向下散射的光线从反射器304反射，并且连同向上散射的光线从器件300的顶部离开。反射器304可为金属镜、多层介质反射器、全息反射器、或其它合适的光线反射结构。这是有利的，因为理想的阴极材料可能不是最有效的反射器。此外，通过分离阴极与反射器功能，从而有可能制造更高效的器件。图3的器件300是有优势的，因为可以分别调节反馈与耦合结构的折射系数对比度和它们距辐射器的距离。还有，该器件可允许反馈与耦合层同时紧密靠近辐射层210。可替换地，反馈结构与耦合结构可相互交换，使得反馈结构在辐射层210的阳极侧，并且耦合结构在阴极侧。这是有利的，因为允许在器件平面内传播的光线和反馈层间更强的相互作用。这样的翻转结构产生垂直的激光辐射效应，其基本类似于图3的器件300。
图1、2和3将波纹表示为正弦或基本正弦形。然而，可使用其它周期性的结构，其中折射系数以所需周期振荡。例如，可使用方波或锯齿波纹曲线。尽管将反馈与耦合结构中的折射系数边界说明为非连续的，但这些结构可具有在波纹边界上连续变化或可为非连续和连续组合的折射系数。在波纹状反馈与耦合结构中的折射系数变化曲线确定散射光线的带宽并因此影响器件的形态结构。
图4表示另一实施例，其沿器件平面中的轴的折射系数连续变化。图4的器件400类似于图2的器件，除了用横跨各层的折射系数连续变化的反馈层402和耦合层404代替图2中组合的反馈与耦合结构。在反馈层402和耦合层404中，深色阴影区域406和408具有比浅色阴影区域410于412高的折射系数。这是有利的，因为连续变化的结构可具有较少的有害散射角，并因此在器件平面中保持更多的反馈光线。
另一实施例为类似于图3的器件，但利用沿器件平面中的轴的折射系数连续变化的耦合层与反馈层制造。该结构的优点与图3中器件300类似。该反馈层和耦合层可互相交换。
图5表示另一实施例，其在单个层中添加耦合与反馈功能，该单个层具有沿器件平面中的轴连续变化的折射系数。图5的器件500类似于图4的器件，除了用向单个层中添加耦合与反馈功能的组合耦合与反馈层502替换反馈与耦合层402、404。该组合耦合与反馈层502可通过添加两个系数变化曲线形成。例如，折射系数可具有下面的曲线nx＝n1+[a/2(sin2πκx+1)+b/2(sin4πκx+1)]Δn其中，nx为作为沿轴x的距离的函数的折射系数，κ为散射光线的波数，a为耦合曲线的权重，b为反馈曲线的权重，n1为折射系数的低值，以及Δn为折射系数对比度。
非添加的曲线具有与反馈结构分离的耦合结构，例如图4中所示。然而，利用图5中表示的添加曲线，两个结构距辐射器相同的距离。从而，两个结构中的任一个都不会弱于另一个作用，因此确保两个结构都与在器件平面中传播的光线充分相互作用。另外，此器件的制造比耦合与反馈功能分离的器件简单。
图6表示另一实施例，其在具有添加的波纹曲线的单个层中添加耦合与反馈功能。图6的器件600类似于图2的器件，除了反馈与耦合层已经由在单个层中添加耦合与反馈功能的组合耦合与反馈层代替。该组合的耦合与反馈层可通过添加两个波纹形成。例如，表面轮廓的波动可由等式说明nx＝y1+[a/2(sin2πκx+1)+b/2(sin4πκx+1)]Δy其中，nx为作为沿x轴距离函数的折射系数，κ为散射光线的波数，a为耦合曲线的权重，b为反馈曲线的权重，y1为突纹底部的y坐标，以及Δy为凸纹的高度。
组合的反馈与耦合层可由平面化层604和介电层606形成。可通过连续曝光适当选择的具有两个光线干涉图案的光刻胶膜制造介电层606和平面化层604。以这样一种方式形成这两个干涉图案，它们的间距分别对应于所需的反馈与耦合光栅间距。后续的用平面化层604蚀刻和涂覆产生所需的结构。这是有利的，因为使用该方法便于制造。该光刻胶材料可为一种蚀刻深度为曝光剂函数的材料，例如Shipley S1818光刻胶或任何其它合适的可光图案化的材料。
可替换地，波纹状的连续变化结构可组合在单个器件中。例如，波纹结构可用于器件阴极侧上的反馈功能，而具有连续变化折射系数的层可用于器件阳极侧上耦合功能。该反馈与耦合结构可组合在单个结构中，该单个结构在各个波纹状层中的一个内采用连续的周期性折射系数变化。在图7中说明这一点，其中，具有连续的周期性折射系数变化的耦合层702在波纹层704上形成。(耦合层702还可称为组合的耦合与反馈层，波纹层称为平面化层)。在这两层间的波纹状接口用作反馈结构。可替换地，该波纹状反馈结构可在该器件的一个侧面上，例如阳极侧，而连续变化的折射系数耦合结构在另一个上(阴极侧)。这两个结构可交换至该器件的相对侧面，并且该波纹状接口可构成该耦合结构，而连续变化的折射系数平面构成该反馈结构。
在上面讨论的实施例中，反馈与耦合结构为OLED的外部。然而，该反馈结构、该耦合结构或这个两个结构可集成至OLED中。所需的折射系数调制可施加于电极、载流子传输、和/或辐射层或OLED的其它合适的层中。将该耦合与反馈结构与辐射层尽可能近的放置，或实际放置其中，可提供在器件平面中传播的光与这些结构的更强的相互作用。
OLED中各层或各结构的折射系数调制常常与诸如载流子移动性或带能量的电子特性的调制同时发生。从而，这些实施例可在器件平面上具有很大的器件性能变化。这可能是在一些应用中是有利的，也可能在其它应用中没有任何积极效果。例如，在发光应用中，从小区域输出的光线的频谱内容中的可能变化在产生更宽的能带照明或产生具有另一所需频谱的照明方面可能有用。
图8表示将反馈结合集成至OLED中的实施例。图8的器件800包括透明传输基板202、阳极204、空穴注入层206、空穴传输层208、辐射层210、电子注入层214、反射阴极216、组合的电子传输层和反馈结构802以及耦合层804。通过除了透明传输基板202和耦合层804外的所有这些元件形成OLED 806。组合的电子传输层与反馈结构802的折射系数在沿器件800平面中的轴中的值变化，并引起反馈。
通过利用交联诸如甲基丙烯酸酯和丙烯酸脂的功能团，衍生现有的电子传输材料并用光启始剂掺杂该材料，可制造该组合的电子传输层与反馈结构802。然后，当该材料经历具有对应于所需反馈结构的周期性强度变化的图案化UV曝光时，在光敏电子传输材料中形成所需的系数调制。
可通过与利用光敏、可交联的材料制造这些层的类似方法，可实现诸如辐射层和空穴传输层的其它层中的折射系数调制。
图9表示另一实施例，其中，在OLED中进行系数调制，并且平面化层与反射器相邻。图9的器件900包括透明基板202、组合的反馈与耦合光栅结构902、诸如氧化铟锡阳极的阳极904、空穴注入层906、空穴传输层908、辐射层910、电子传输层912、电子注入层914、透射金属阴极916、平面化层918和反射器920。阳极904、空穴注入层906、空穴传输层908、辐射层910、电子传输层912、电子注入层914、透射金属阴极916形成OLED 922。此实施例是有利的，因为它易于制造，并且因为折射系数变化图案完全通过OLED 922延伸，其通过组合的反馈与耦合光栅结构902产生与发射光的良好耦合。
在该组合的反馈与耦合光栅结构902的波浪表面上淀积OLED922的各层可能引入OLED 922各层的厚度变化。然而，光线与器件900的周期性结构间的强相相互作用降低了凸纹结构的幅度，其产生充分的耦合或下降到约200至约300nm的耦合。当蒸气淀积工艺用于构造OLED 922时，该淀积是足够各向同性的，以产生厚度基本均匀的层。
可替换地，在同一器件中可组合两个或更多反馈/耦合层组合。可沿器件平面的两个垂直轴将两个反馈结构集成至该器件中，然后在该器件中集成两个耦合结构，以沿这两个垂直方向的轴向外耦合光线。可独立制造这四个结构或将其组合至一个或多个复合结构中。也可沿相同的轴将多个反馈层或多个耦合层集成至器件中，以增加和辐射的光线的相互作用，因此增加反射光线的强度。如果单个反馈或耦合结构不能提供足够高的散射光线通量，则可增加第二反馈或耦合结构。
图10表示具有不连续周期性指数变化的另一实施例。器件1000类似于图4的器件400，除了通过反馈层1002和耦合层1004的折射系数变化为非连续，而不是反馈层401和耦合层404的连续变化。深色阴影区域1006和1008对应于更高折射系数的区域，而浅色阴影区域1010和1012对应于低折射系数的区域。
可通过用空间调制的光线在所需频率v曝光光敏材料膜，制造图10中说明的反馈与耦合结构。该曝光可与后续处理相结合，在薄膜中产生所需的折射系数的连续变化。光线中的所需空间调制可通过两束光线的干涉产生，以在光敏材料膜中产生干涉图案。可替换地，可使用三个或更多光束产生干涉图案。全息材料和某些光刻胶可用作光敏材料。
选择在器件平面中由(各)反馈结构产生的部分光线和由耦合层从该器件中提取的部分光线，以在反馈回到该器件的光线和耦合出该器件的光线间提供平衡。如果将太多的光线耦合出该器件和在该器件平面中产生太少的光线，则没有足够的光线支持受激辐射，并且器件辐射率将为不希望地低。相反，如果将太少的光线耦合出该器件和在该器件平面中产生太多的光线，光线将多次通过其路径上的吸收材料和散射结构，以至于吸收和其它损耗将变得极大，以至于将降低整体的器件辐射率。
可通过分别调整光线与反馈和耦合结构相互作用的水平，选择产生的和耦合的光线间的适当平衡。可通过调整层中折射系数变化的幅度(Δn)、反馈或耦合层距辐射层的距离和系数调制区域的厚度，控制与这些结构的相互作用水平。系数调制区域的厚度对应于波纹结构中波纹的深度。利用这三个参数调整器件设计，以最大化来自该器件的光辐射效率，或另外选择所需的设计。
通过确保在器件平面中捕获更多或最多的从辐射层发射的光线量，并且不在宽角度范围内散射，可提高该器件的效率。实现此目的的一种实例方法是通过将光线管道即波导集成在该器件中。例如，可通过在器件平面中的一层高系数材料形成波导，通过低系数材料在任一侧面上限制该波导。来自高系数材料任一侧面上的系数边界的反射有助于将约束关系保持在该层中。这样的高折射系数层具有一个波长或更长的厚度，使得该光线限制在该层中。由于辐射层的厚度通常小于一个波长(例如，辐射层的厚度通常为50纳米或更小)，所以辐射层通常太薄，而不能用作高系数波导芯。从而，必须用超过辐射层的附加材料加厚高系数芯，以便将光线限制在该器件平面中。
上面讨论的发射器件还可具有该发射器件的内部波导。该波导可接近和/或包括在辐射层中。这样的器件可包括光栅、与该光栅相邻的阳极、与该阳极相邻的空穴注入层、与该空穴注入层相邻的空穴传输层、与该空穴注入层相邻的辐射层，与该辐射层相邻的电子传输层、与该电子传输层相邻的电子注入层、与该电子注入层相邻的阴极以及与该阴极相邻的平面化层。空穴传输层和阳极可具有高于电子传输层和光栅的折射系数，使得空穴传输层和阳极形成高折射系数波导芯。辐射层可具有任意的折射系数，但使辐射层折射系数等于或高于空穴传输层的折射系数是有利的。光栅与电子传输层形成用于波导的低系数覆层。这样形成的波导捕获器件中发射的大部分光线，将光线的传播多多少少限制在该器件平面中。光栅中的波纹包括添加的耦合结构和反馈结构的凸纹轮廓。这些波纹在器件中通过多个层从光栅向上延伸。这样形成的波纹状结构反馈回在器件平面中传播的光线，进一步在辐射层中引起受激辐射。该波纹状结构还将在器件平面中传播的光线的一部分以垂直于或接近垂直于器件平面的角度耦合出该器件，或以预定角度将在器件平面中传播的光线耦合出该器件。参考图1和图12在下面进一步讨论包括波导的发射器件。
器件中最高的折射系数之一可为阳极和/或阴极中的氧化铟锡。该氧化铟锡可用作波导的一部分。不幸地是，氧化铟锡仅在非常薄的部分中足够透明，并且可强烈吸收穿过器件平面中氧化铟锡的光线。从而，希望具有一种波导，其将辐射光限制在包含辐射层或与其紧密相邻的体积内，同时最小化与氧化铟锡的相互作用。
图11表示器件100的示例实施例，其提供具有最小吸收量的波导。该器件1100包括透明基板202、阳极204、空穴注入层206、辐射层210、电子注入层214、反射阴极216、由第一空穴传输层1106和第二空穴传输层1108形成的空穴传输介质1104、由第一电子传输层1112和第二电子传输层1114形成的电子传输介质1110。第一电子传输层1112还包含反馈与耦合结构，其由通过器件平面中的层的连续变化的折射系数形成。在图11中，层1112中的深色阴影区域1118具有较高的折射系数，而浅色阴影区域1120具有较低的折射系数。系数变化可仅沿该图的平面中的轴，或其可沿该轴和与该图的平面正交的第二轴，如对于图9的说明。可用与器件800中对于层802说明的类似方式产生折射系数的变化。然而，在此示例中，反馈与耦合光栅曲线添加在同一层中，如在器件500中对于层502的说明。阳极204、空穴传输层208、辐射层210、电子注入层214、反射阴极216、空穴传输介质1104以及电子传输介质1110形成OLED 1116。
可选择第二空穴传输层1108中的材料，以具有比第一空穴传输层1106中高得多的折射系数。可选择第一电子传输层1112中的材料，以具有从点1120的n1至点1118的较高系数n2变化的折射系数。可选择两个系数n1和n2都高于第二电子传输层1114中的折射系数nc。第二空穴传输层1108、第一电子传输层1112以及辐射层210形成高系数的波导芯。第一空穴传输层1106和第二电子传输层1114作为波导的低系数波导覆层。将辐射层210、第二空穴传输层1108的折射系数和第一电子传输层1112的各折射系数中的一个选择为彼此相似或相同，以避免不必要的反射、散射等。然而，当辐射层210的厚度极小时，这是经常发生的，辐射层210可具有任何折射系数，而没有任何显著的有害光学效果。
该反馈与耦合结构不需要在高折射系数的波导芯内，只要他们足够接近，使得器件的反馈与耦合结构和共面的传播光线相互作用，以在共面和输出方向充分地散射光线。
图12表示具有波导的另一实施例。在图12中，设备1200使用在当前可用的波导材料间的折射系数变化，以在OLED结构内部产生粗糙的波导。器件1200包括光栅1202，其组合了具有约1.5的折射系数的反馈与耦合结构的功能，其由诸如Shipley S1818光刻胶的材料或任何其它合适的光可图案化材料制成；氧化铟锡阳极1204，其具有约为1.9的折射系数；酞菁铜空穴注入层1206；具有约为1.9的折射系数的α-NPB空穴传输层1208；具有约为1.72的折射系数的Alq3+掺杂剂(例如，香豆素)辐射层1210，具有约为1.72的折射系数的Alq3电子传输层1212；LiF电子注入层1214；铝阴极1216；约为1.9的折射系数的氧化铟锡传导阴极支撑1218；以及约为1.5的折射系数的平面化层1220。铝阴极1216和氧化铟锡传导阴极支撑1218形成透明阴极结构1222。铝阴极1216为辐射层1210提供电子源，而氧化铟锡传导阴极支撑1218向铝阴极1216传导电流，由于铝阴极1216足够薄，其为透明的。该器件中的氧化铟锡阳极1204和α-NPB空穴传输层1208构成材料芯，其折射系数约等于1.9。这些层由构成光刻胶材料的较低系数层和辐射层加电子传输层包围。酞菁铜空穴注入层1206、LiF电子注入层1214以及铝阴极1216太薄，以致于不能在光学上相互作用。
可替换地，具有折射系数调制间隔υ＝κ的耦合层可用于将光线垂直耦合出基于OLED的激光器，其中，在器件平面中发生反馈并因此出现光辐射。同样，除了上面描述的那些结构外，还可使用其它分布式反馈结构。同样的垂直耦合结构还与边缘辐射OLED激光器一起工作，其中，反馈来自于通过裂开的表面、金属化的表面或在激光器端部的其它反射器的普通反射。可用其它OLED结构代替图中所示的OLED结构。可用其它非OLED结构代替图中所示的OLED结构。这些OLED结构可包括附加层，例如浴铜灵的空穴阻挡层(2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲绕啉)或其它合适的材料。阻挡层在每个专利No.6,451,415和6,097,147。
可通过不同的方法和不同的材料制造文中的光栅。例如，通过多个(例如，两个)光束干涉法或其它合适的方法，利用电子束绘图来制造光栅。可这样批量生产光栅，首先在光刻胶或其它合适的材料上绘制光栅，然后通过压花法或其它合适的方法复制光栅。通过将聚合物基板用作主凸纹结构，可实现每次生产多个复制品，例如用于复制压缩磁盘和在信用卡和钞票上使用的防伪全息图。例如通过电镀或真空淀积的可将主凸纹结构上的凸纹结构传送到金属片，其用作压制复制品的标记，或作为注入模具。可替换地，可使用向玻璃上另外的光刻胶层的接触仿形和通过光刻胶向玻璃蚀刻，以在玻璃中制造凸纹结构。除了光刻胶和玻璃，这些光栅可由例如聚碳酸酯、聚亚安酯的聚合材料或其它任何合适的材料制成。
通过两光束干涉法，来自波长为λ的激光器的校准光束以角度θ干涉，使得λ＝2psin(θ/2)，其中，p为所需的光栅间隙。可改变光刻胶的曝光和显影，以控制凸纹结构的深度。如果需要不同间隔的两个或更多光栅，则可通过在同一光刻胶上进行两次不同的曝光增加光栅。
示例用1微米厚的Shipley S1818光刻胶层旋转涂覆玻璃基板。用两束来自氩离子激光器的351nm波长的干涉的UV辐射同时曝光该光刻胶。这两束光的传播方向都平行于同一平面，该平面垂直于全息板的表面。一束光线以相对于法线50.1°的角度轰击该表面，另一束光线以相对于法线-50.1°的角度轰击该表面(两束光线间的夹角为100.2度)。发送的总辐射剂量在100mJ/平方厘米的数量级。精确的剂量可由刻度游程确定。通过将氩离子激光器设置在488nm线和如同前两次曝光那样以32.2°和-32.2°用两束光线轰击表面，可对于同一极板进行二次曝光。再一次地，发送的总辐射剂量接近100mJ/cm2。设置第一次曝光产生以229nm空间周期绘制的光栅。设置第二次曝光产生以457.9nm空间周期绘制的重叠的第二光栅。然后将曝光板侵入未稀释的Shipley 303A显影剂中两分钟，在流动的去离子水中漂洗2.5分钟，并用干燥的氮气干燥。该光刻胶形成约30nm深的凸纹。
现在可通过下面连续真空淀积的层在该全息板的凸纹表面上构造OLED器件堆叠，这些层包括150nm氧化铟锡阴极支撑，7nm铝阴极，10nm氟化锂电子注入层，35nm三(8-羟基喹啉)铝电子传输层，10nm浴铜灵空穴阻挡层(2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲绕啉)空穴阻挡层，50nm H9680辐射器(H9680辐射器可从Specialty Chemicals inMorristown，New Jersy获得)，75nm N，N’-二(甲基苯基)-N，N’-二苯基联苯胺，10nm酞菁铜空穴注入层以及氧化铟锡阳极。
尽管已经详细说明了本发明的几个实施例及其优势，但应当理解，可在其中进行各种改变、替换、变换、修改、变化、置换以及替代，而不脱离本发明的宗旨，和由所附权利要求说明的本发明的精神与范围。
权利要求
1.一种发光二极管器件，包括发光二极管；以及垂直耦合结构，其中，垂直耦合结构改变该发光二极管中一部分基本水平的受激光辐射的传播方向，使得在输出光线时该部分基本水平的受激光辐射离开该发光二极管。
2.权利要求1所述的器件，其中，输出光线基本垂直于基本平行于该发光二极管的平面传播。
3.权利要求1所述的器件，其中，输出光线以对于基本平行于发光二极管的平面的法线成±θ°传播。
4.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构为波纹状。
5.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构沿基本平行于发光二极管的平面具有振荡的折射系数。
6.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构的折射系数连续变化。
7.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构的折射系数不连续变化。
8.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构是周期的。
9.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构包括第一介电材料和第二介电材料。
10.权利要求1所述的器件，还包括光反馈结构。
11.权利要求10所述的器件，其中，光反馈结构为波纹状。
12.权利要求10所述的器件，其中，光反馈结构沿基本平行于发光二极管的平面具有振荡的折射系数。
13.权利要求10所述的器件，其中，光反馈结构的折射系数连续变化。
14.权利要求10所述的器件，其中，光反馈结构的折射系数不连续变化。
15.权利要求10所述的器件，其中，光反馈结构为周期的。
16.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构包括部分光反馈结构。
17.权利要求1所述的器件，其中，垂直耦合结构包括光反馈结构。
18.权利要求1所述的器件，其中，发光二极管包括夹在低折射系数区域间的高折射系数区域。
19.权利要求18所述的器件，其中，高折射系数区域包括发光材料。
20.权利要求1所述的器件，其中，发光二极管包括发光材料，该发光材料为下列材料的一种有机半导体材料；有机与无机半导体材料的组合；或有机金属半导体材料；或无机半导体材料。
21.一种产生光的方法，包括激励发光材料使得该发光材料发光；将由该发光材料发出的光线的至少一部分反射回至该发光材料，以激励受激光辐射；以及改变一部分受激光线的方向，使得该部分受激光线耦合远离该发光材料。
22.权利要求21所述的方法，其中，受激光线为激光光线。
23.权利要求22所述的方法，其中，将该部分受激光线垂直耦合远离该发光材料。
24.一种发光器件，包括光栅；与该光栅相邻的阳极；与该阳极相邻的空穴注入层；与该空穴注入层相邻的空穴传输层；与该空穴注入层相邻的辐射层；与辐射层相邻的电子传输层；与该电子传输层相邻的电子注入层；与该电子注入层相邻的阴极；以及与该阴极相邻的平面化层，其中，空穴传输层和阳极具有高于电子传输层的折射系数，使得空穴传输层、阳极和电子传输层形成波导，以及其中，该光栅朝向阳极反馈回入射其上的部分光线，并将入射其上的另一部分光线耦合远离该阳极。
25.权利要求24所述的器件，其中，将在器件平面上传播的、入射至光刻胶光栅上的部分光线沿与原始传播方向成180°的方向反馈回，并将入射至该光栅上的另一部分光线以垂直于器件平面的方向耦合。
26.权利要求24所述的器件，其中，辐射层为下列中的一个有机半导体材料；有机与无机半导体材料的组合；或有机金属半导体材料；或无机半导体材料。
27.权利要求24所述的器件，其中，光栅为光刻胶光栅。
28.一种反馈增强辐射器，包括发光器；反馈结构；以及耦合结构，其中，反馈结构将由发光器产生的光线反射回该发光器，以及其中，耦合结构改变该发光器中一部分受激光辐射的传播方向，使得在输出光线时该部分受激光辐射离开该发光器。
29.权利要求28所述的辐射器，其中，输出光线垂直于基本平行于该发光器的平面传播。
30.权利要求28所述的辐射器，其中，输出光线以对于基本平行于发光器的平面的法线成±θ°传播。
31.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构为波纹状。
32.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构沿基本平行于发光器的平面具有振荡的折射系数。
33.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构的折射系数连续变化。
34.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构的折射系数不连续变化。
35.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构是周期的。
36.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构包括第一介电材料和第二介电材料。
37.权利要求28所述的辐射器，其中，光反馈结构为波纹状。
38.权利要求28所述的辐射器，其中，光反馈结构沿基本平行于发光器的平面具有振荡的折射系数。
39.权利要求28所述的辐射器，其中，光反馈结构的折射系数连续变化。
40.权利要求28所述的辐射器，其中，光反馈结构的折射系数不连续变化。
41.权利要求28所述的辐射器，其中，光反馈结构为周期的。
42.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构包括部分光反馈结构。
43.权利要求28所述的辐射器，其中，耦合结构包括光反馈结构。
44.权利要求28所述的辐射器，其中，发光器包括夹在低折射系数区域间的高折射系数区域。
45.权利要求44所述的辐射器，其中，高折射系数区域包括发光材料。
46.权利要求28所述的辐射器，其中，发光器包括发光材料，该发光材料为下列材料的一种有机半导体材料；有机与无机半导体材料的组合；或有机金属半导体材料；或无机半导体材料。
47.权利要求28所述的辐射器，其中，发光器为发光二极管。
48.一种产生光的方法，包括激励发光材料以产生第一光线；将第一光线的至少一部分反射回至该发光材料，以激励沿第一轴的第二光线的辐射；以及将至少一部分第二光线的传播方向改变到至少第二轴，其中，第一轴与至少第二轴基本上不平行。
49.权利要求48所述的方法，其中，第一轴正交于至少第二轴。
全文摘要
一种发光器件，可包括诸如有机半导体材料的发光层，一个或多个反馈结构，以及耦合结构。该一个或多个反馈结构通过其可沿器件平面反馈回发光层发出的光线，因此促进发光层中的受激光辐射。该耦合结构将反馈光线的一部分耦合出该器件。可沿与器件平面基本垂直的轴，或以预定角度辐射耦合的光线。该耦合与反馈结构可具有波纹状结构，沿器件平面中的轴连续变化的折射系数，周期性的折射系数，或其任一组合。该耦合与反馈结构可为分离的、共享的部分或组合在一起。
文档编号H01L33/00GK1806338SQ200480016864
公开日2006年7月19日 申请日期2004年4月12日 优先权日2003年4月16日
发明者艾伦·K·伊万斯 申请人:泽奥勒克斯公司
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