[論文レビュー] Towards electrically driven organic semiconductor laser with field-effective transistor structure

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

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 20被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、周期的パターン化されたシリコン基板上に電気的に結合された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）構造を用いた、最初の電気的駆動型有機半導体レーザー（el-OSCL）を実証した。電界効果による静電的統合により、著者らは鋭いライン幅の発光と、約1 kA cm⁻²のしきい値電流密度を超えて非線形に増加する強度を達成し、電気注入下でのレーザー発振を確認した。

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

• 光励起型バージョンの進展にもかかわらず、依然として実現されていない電気的駆動型有機半導体レーザー（el-OSCL）の実現を目的とする。
• 場効果トランジスタ（FET）アーキテクチャを用いることで、有機半導体における電気的注入とキャリア閉じ込めの課題を克服することを目的とする。
• 分散フィードバック（DFB）構造を用いて、単結晶有機半導体（BP3T）を電気的励起によりレーザー発振を実証することを目的とする。
• しきい値行動やスペクトル収縮といった明確な光学的シグネチャーを通じて、el-OSCLの実現可能性を検証することを目的とする。

提案手法

• 周期的にパターン化されたポリスチレンを有するシリコン基板を用いて、分散フィードバック（DFB）グレーティングを形成した場効果トランジスタ（FET）構造をフォトリソグラフィーで作製した。
• 有機半導体としてのBP3T単結晶を、パターン化された基板上に静電的ラミネートにより積層し、発光活性層として機能させた。
• トップゲート電極構造によりキャリアの電気的注入を実現し、半導体チャネルの場効果モードを可能にした。
• 高分解能分光計を用いて発光を測定し、しきい値を超えた際のスペクトル収縮および強度の飽和を検出する手段とした。
• 注入電流の増加に伴う発光強度の非線形増加を解析することで、しきい値電流密度を特定した。
• 電気的励起の可能性と効率を評価するため、光励起型OSCLと本系を比較した。

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た有機半導体において、電気的励起下にレーザー発振を達成できるか？
• RQ2 DFB構造を有する電気的駆動型有機半導体レーザーにおける、レーザー発振に必要なしきい値電流密度はどの程度か？
• RQ3 電気的駆動系の光学的シグネチャー（例：スペクトルライン幅、強度の非線形性）は、光励起型OSCLと比較してどのように異なるか？
• RQ4 場効果モードが、有機半導体におけるキャリア注入と増幅の向上に果たす役割は何か？
• RQ5 観測された発光挙動は、自発的発光ではなく、誘導放出に起因するものと整合的か？

主な発見

• 検出系の分解能限界に達する鋭いライン幅の発光スペクトルが観測され、レーザー特有のスペクトル収縮を示した。
• 約1 kA cm⁻²のしきい値電流密度を超えて、発光強度に非線形増加が観察され、光学的増幅および誘導放出の主要な兆候であることが示された。
• 発光スペクトルには明確なしきい値行動が見られ、電気的注入により明著な帯域制限発光の開始が確認された。
• 活性層としてBP3T単結晶を用いることで、高品質な結晶性が維持され、効率的なキャリア輸送と光学的増幅が可能となった。
• シリコン基板上に周期的にパターン化されたポリスチレンを用いたDFB構造が、コherentな光増幅に効果的なフィードバックを提供した。
• 本結果から、場効果トランジスタ幾何構造が、実用的な電気的駆動型有機半導体レーザーへの実現可能性のある道筋であると示唆された。