[論文レビュー] The first evidence of current-injection organic semiconductor laser with field-effect transistor

Thangavel Kanagasekaran, Hidekazu Shimotani+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2019

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、周期的パターン加工されたポリスチレン/Si基板上に静電的に統合されたBP3T単結晶有機半導体を用いた、分散フィードバック（DFB）構造を有する場効果トランジスタ（FET）構造を用いて、電気的駆動型有機半導体レーザー（el-OSCL）の初の実験的実現を報告する。デバイスは、約1 kA cm⁻²のしきい値電流密度を超えて発光強度が非線形に増加し、明確な線幅を示す発光を達成し、レーザー動作の確認がなされた。

ABSTRACT

Laser is one of the most important discoveries in the 20th century, and inorganic semiconductor lasers (ISCL) are most frequently used in many applications nowadays. Organic semiconductor lasers (OSCL) have many attractive features when they compared to ISCLs, such as flexibility, human friendliness, feasible and inexpensive production process, light weight, and multicolor emission. However, electrically driven OSCLs (el-OSCL) have not yet been realized, although they are possible in an optically driven mode. Here, we report that an el-OSCL can be realized in field-effect transistor (FET) structure. The FET el-OSCL with distributed feedback (DFB) construction is made using a BP3T single crystal as a lasing medium electrostatically laminated on a silicon substrate modified with periodically patterned polystyrene. An emergent sharp-linewidth emission spectrum to the resolution limit of a detector and a non-linear increase in intensity above the threshold current density of ca. 1 kA cm-2 was observed, being indicative of lasing. Discussions on the possible realization of lasing in el-OSCLs can be made from the comparison between optical and electrical-driven mode.

研究の動機と目的

• 理論的期待は高いが、実現に至っていない電気的駆動型有機半導体レーザー（el-OSCL）の実現可能性を示すこと。
• 場効果トランジスタ（FET）構造を活用することで、有機半導体における電気的ポンプの課題を克服すること。
• 高光学的品質因子を実現するため、単結晶有機半導体（BP3T）を用いた分散フィードバック（DFB）構造でのレーザー発振を実現すること。
• 有機半導体における光学ポンプと電気ポンプのメカニズムを比較し、電気的レーザー発振を可能にする条件を理解すること。

提案手法

• 活性レーザー媒質としてBP3T単結晶を用いた場効果トランジスタ（FET）構造をフォーミングした。
• シリコン基板を周期的パターン加工したポリスチレンで改変し、光学的フィードバックを提供する分散フィードバック（DFB）グレーティングを形成した。
• 高品質なヘテロ界面と効率的なキャリア注入を確保するため、BP3T単結晶を静電的にラミネートした。
• FET構造を介して電流を印加し、発光スペクトルを測定することでレーザー特性を検出した。
• 高分解能検出器を用いて発光線幅を観測し、強度の非線形性からしきい値行動を同定した。
• 光学ポンプと電気ポンプモードを比較し、有機半導体内の増幅と損失メカニズムを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 場効果トランジスタ構造を用いて、電気的駆動型有機半導体レーザーを実現できるか？
• RQ2 FET-DFB有機半導体構造におけるレーザー発振を達成するためのしきい値電流密度はどの程度か？
• RQ3 FET-DFBデバイスの発光スペクトルは、光学ポンプされた対応デバイスと比較して、線幅やスペクトルの鋭さの点でどのように異なるか？
• RQ4 単結晶BP3T半導体は、電気注入下での効率的レーザー発振を可能にするために果たす役割は何か？
• RQ5 光学駆動と電気駆動の有機半導体レーザーにおける増幅と損失ダイナミクスの主な違いは何か？

主な発見

• デバイスは、検出器の分解能限界に達する明確な線幅の発光スペクトルを示し、高いスペクトル純度を示した。
• 約1 kA cm⁻²のしきい値電流密度を超えて、発光強度の非線形的増加が観測され、レーザー動作の特徴であることが確認された。
• シリコン基板上に周期的パターン加工されたポリスチレンを用いた分散フィードバック（DFB）構造が、効果的な光学的フィードバックを提供した。
• BP3T単結晶を基板上に静電的にラミネートすることで、高品質な結晶性と効率的なキャリア輸送が確保された。
• FET幾何構造とDFB設計を組み合わせることで、有機半導体における電気的ポンプが実現可能であると示唆された。
• 光学ポンプと電気ポンプモードの比較から、FET構造におけるキャリア誘起増幅と損失メカニズムが、電気励起下でのレーザー発振を支えていることが示された。