[논문 리뷰] Towards electrically driven organic semiconductor laser with field-effective transistor structure

Thangavel Kanagasekaran, Hidekazu Shimotani외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 21.

Organic Electronics and Photovoltaics참고 문헌 20인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 분포 피드백(DFB)을 갖춘 필드효과 트anz이터(FET) 구조를 사용하여 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저(el-OSCL)를 처음으로 구현한다. 기판에 주기적으로 패tern된 실리콘 기판 위에 전기적 통합된 BP3T 단일결정체 유기 반도체를 통합함으로써, 저자들은 날카러운 선폭을 가진 방출과 약 1 kA cm⁻²의 임계 전류 밀도 이상에서 비선형적인 강도 증가를 달성하였으며, 이는 전기 주입 조건 하에서 레이저 작동을 확인하는 데에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광학적으로 구동되는 버전의 진전에도 불구하고 아직 실현되지 않은 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저(el-OSCL)를 실현하고자 한다.
• 필드효과 트랜지스터(FET) 구조를 활용하여 유기 반도체에서 전기 주입 및 캐리어 봉쇄의 과제를 극복하고자 한다.
• 분포 피드백(DFB) 구조를 사용하여 전기 주입을 통해 단일결정체 유기 반도체(BP3T)에서 레이저 작동을 실증하고자 한다.
• 임계 행동과 스펙트럼 좁아짐과 같은 명확한 광학적 서명을 통해 el-OSCL의 실현 가능성에 대한 검증을 수행하고자 한다.

제안 방법

• 주기적으로 패턴화된 폴리스티렌을 이용해 분포 피드백(DFB) 격자 구조를 형성한 실리콘 기판을 사용하여 필드효과 트랜지스터(FET) 구조를 제작하였다.
• 활성 레이저 매체로 기능하기 위해 BP3T 단일결정체를 패턴화된 기판 위에 전기적 통합 방식으로 라미네이션하였다.
• 상부 게이트 전극 구조를 통해 캐리어의 전기적 주입을 실현하였으며, 이는 반도체 채널의 필드효과 조절을 가능하게 하였다.
• 고해상도 스펙트럼계를 사용하여 광학적 방출을 측정함으로써, 임계 이상에서 스펙트럼 좁아짐과 강도 포화 현상을 탐지하였다.
• 증가하는 주입 전류에 따라 방출 강도의 비선형 증가를 분석함으로써 임계 전류 밀도를 결정하였다.
• 전기 주입의 실현 가능성과 효율성을 평가하기 위해 광학적으로 구동된 OSCL들과 시스템을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 필드효과 트랜지스터 구조를 사용하여 전기 주입 조건 하에서 유기 반도체에서 레이저 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 DFB 구성이 있는 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저에서 레이저 작동을 위한 임계 전류 밀도는 얼마인가?
• RQ3 전기적으로 구동된 시스템의 광학적 서명(예: 스펙트럼 선폭과 강도의 비선형성)은 광학적으로 구동된 OSCL과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ4 필드효과 조절이 유기 반도체에서 캐리어 주입과 이득을 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 관측된 방출 행동이 자발적 방출이 아닌 자극된 방출(stimulated emission)과 일치하는가?

주요 결과

• 검출 시스템의 해상도 한계에 도달하는 날카러운 선폭을 가진 방출 스펙트럼이 관측되어, 레이저 특성의 스펙트럼 좁아짐을 나타내었다.
• 약 1 kA cm⁻²의 임계 전류 밀도 이상에서 방출 강도의 비선형 증가가 관측되어, 광학적 이득과 자극된 방출의 핵심 서명으로 확인되었다.
• 방출 스펙트럼은 명확한 임계 행동을 보였으며, 전기 주입 시 날카운 밴드의 방출이 뚜렷하게 시작되었다.
• 활성 매체로 BP3T 단일결정체를 사용함으로써 고질적 결정 구조를 확보하여 효율적인 캐리어 이동성과 광학적 이득을 지원하였다.
• 실리콘 기반 주기적 패턴화된 폴리스티렌 기반 DFB 구조는 협동적 빛 증폭을 위한 효과적인 피드백을 제공하였다.
• 결과적으로 필드효과 트랜지스터 기하학이 실용적인 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저로 향한 실현 가능한 길임을 시사한다.