[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究首次通过具有分布反馈（DFB）结构的场效应晶体管（FET）架构，实现了电致激发的有机半导体激光器（el-OSCL）的实验验证。通过在周期性图案化的聚苯乙烯/硅基底上静电集成BP3T单晶有机半导体，该器件实现了窄线宽发射，并在约1 kA cm⁻²的阈值电流密度以上表现出非线性强度增加，证实了激光作用。

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.

研究动机与目标

• 证明电致激发有机半导体激光器（el-OSCL）的可行性，尽管其理论潜力已被广泛认可，但至今尚未实现。
• 通过利用场效应晶体管（FET）结构，克服有机半导体中实现电致泵浦的挑战。
• 利用单晶有机半导体（BP3T）在分布反馈（DFB）结构中实现激光，以获得高光学品质因数。
• 比较有机半导体中光学泵浦与电致泵浦机制，以理解实现电致激光的条件。

提出的方法

• 制备了以BP3T单晶作为活性激光介质的场效应晶体管（FET）结构。
• 通过在硅基底上周期性图案化聚苯乙烯，构建了用于光学反馈的分布反馈（DFB）光栅。
• 通过静电层压将BP3T单晶精确地集成到图案化基底上，以确保高质量异质界面和载流子注入。
• 在FET结构中施加电流，并测量其发射光谱以检测激光特性。
• 使用高分辨率探测器观测发射线宽，并通过强度非线性行为识别阈值特性。
• 比较光学泵浦与电致泵浦模式，分析有机半导体中的增益与损耗机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过场效应晶体管架构实现电致激发的有机半导体激光器？
• RQ2 在FET-DFB有机半导体结构中，实现激光所需的阈值电流密度是多少？
• RQ3 与光学泵浦对应器件相比，FET-DFB器件的发射光谱在线宽和光谱锐度方面有何差异？
• RQ4 单晶BP3T半导体在电致激发下实现高效激光中起到何种作用？
• RQ5 光学与电致激发有机半导体激光器在增益与损耗动力学方面存在哪些关键差异？

主要发现

• 该器件表现出窄线宽发射光谱，已达到探测器的分辨率极限，表明光谱纯度极高。
• 在约1 kA cm⁻²的阈值电流密度以上，观测到发射强度的非线性增加，这是激光作用的典型特征。
• 基于硅基底上周期性图案化聚苯乙烯的分布反馈（DFB）结构，为激光提供了有效的光学反馈。
• BP3T单晶通过静电层压方式与基底结合，确保了高结晶质量与高效的载流子传输。
• 结果表明，当结合FET结构与DFB设计时，有机半导体的电致泵浦是可行的。
• 光学与电致泵浦模式的对比表明，FET结构中的载流子诱导增益与损耗机制，能够支持电致激发下的激光作用。