[논문 리뷰] The first evidence of current-injection organic semiconductor laser with field-effect transistor

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

Semiconductor Lasers and Optical Devices인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 분포 피드백(Distributed Feedback, DFB)을 갖춘 필드효과트랜지스터(Field-Effect Transistor, FET) 구조를 사용하여 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저(electrical-organic semiconductor laser, el-OSCL)의 첫 실험적 실현을 제시한다. 기판에 주기적으로 패tern된 폴리스티렌/Si 기판 위에 전기적 통합된 BP3T 단일결정유기 반도체를 탑재함으로써, 장치는 날카운 라인폭과 임계 전류 밀도 약 ~1 kA cm⁻² 이상에서 비선형적인 강도 증가를 나타내어 레이저 작동을 확인하였다.

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

• 이론적으로는 가능성이 있으나 아직 실현되지 않은 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저(el-OSCL)의 실현 가능성 입증.
• 필드효과트랜지스터(FET) 구조를 활용하여 유기 반도체에서 전기 펌프링을 달성하는 데 도전 과제 해결.
• 고광학 품질 인자에 적합한 단일결정유기 반도체(BP3T)를 사용하여 분포 피드백(DFB) 구조에서 레이저 작동 실현.
• 유기 반도체에서 광학 펌프링과 전기 펌프링 메커니즘을 비교하여 전기 레이저 작동 조건 이해.

제안 방법

• 활성 레이저 매체로 BP3T 단일결정유기 반도체를 사용한 필드효과트랜지스터(FET) 구조 제작.
• 광학 피드백을 위한 분포 피드백(DFB) 격자 구현을 위해 주기적으로 패턴 처리된 실리콘 기판을 수정.
• 고품질 이종접합 및 캐리어 주입을 보장하기 위해 BP3T 단일결정유기 반도체를 기판 위에 전기적 라미네이션.
• FET 구조를 통해 전류를 공급하고, 유도되는 방출 스펙트럼을 측정하여 레이저 특성 탐지.
• 고해상도 검출기를 사용하여 방출 라인폭 관측 및 강도의 비선형성으로 임계 행동 확인.
• 광학 펌프링 및 전기 펌프링 모드를 비교하여 유기 반도체 내의 이득 및 손실 메커니즘 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 필드효과트랜지스터 구조를 사용하여 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저를 실현할 수 있는가?
• RQ2 FET-DFB 유기 반도체 구조에서 레이저 작동을 달성하기 위해 필요한 임계 전류 밀도는 얼마인가?
• RQ3 FET-DFB 장치의 방출 스펙트럼은 광학 펌프링 대비 라인폭과 스펙트럼의 날카움 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 단일결정유기 반도체인 BP3T 반도체는 전기 주입 하에서 효율적인 레이저 작동을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 광학적 및 전기적 구동 방식의 유기 반도체 레이저 간의 이득 및 손실 역학적 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 장치는 검출기의 해상도 한계에 도달할 정도로 날카운 라인폭을 가지며, 높은 스펙트럼 순도를 나타내었다.
• 약 ~1 kA cm⁻² 이상의 임계 전류 밀도에서 방출 강도의 비선형 증가가 관측되어 레이저 작동의 특징적인 징후로 확인되었다.
• 실리콘 기반 주기적으로 패턴 처리된 폴리스티렌을 이용한 분포 피드백(DFB) 구조가 효과적인 광학 피드백을 제공하였다.
• BP3T 단일결정유기 반도체를 기판에 전기적 라미네이션함으로써 고정결정 품질 및 효율적인 캐리어 운반 보장.
• 결과적으로 FET 기하학적 구조와 DFB 설계를 조합함으로써 유기 반도체에서의 전기 펌프링이 실현 가능하다는 것이 시사된다.
• 광학 펌프링과 전기 펌프링 모드의 비교 결과, FET 구조 내에서 캐리어 유도 이득 및 손실 메커니즘이 전기 자극 하에서의 레이저 작동을 지원하는 것으로 나타났다.