[论文解读] 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 8

一句话总结

该论文首次展示了基于场效应晶体管（FET）结构与分布反馈（DFB）的电致驱动有机半导体激光器（el-OSCL）。通过将BP3T单晶有机半导体静电集成于周期性图案化的硅基底上，作者实现了窄线宽发射，并在约1 kA cm⁻²的阈值电流密度以上观察到非线性强度增加，证实了电注入下的激光作用。

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

• 实现电致驱动有机半导体激光器（el-OSCL），尽管在光泵浦版本方面已取得进展，但该目标仍具挑战性。
• 通过采用场效应晶体管（FET）结构，克服有机半导体中电注入与载流子限制的难题。
• 通过分布式反馈（DFB）结构实现对单晶有机半导体（BP3T）的电泵浦激光作用。
• 通过清晰的光学特征（如阈值行为与光谱展宽）验证电致驱动有机半导体激光器的可行性。

提出的方法

• 采用周期性图案化聚苯乙烯的硅基底，制备了场效应晶体管（FET）结构，以形成分布式反馈（DFB）光栅。
• 将BP3T单晶通过静电层压技术转移到图案化基底上，作为主动激光介质。
• 通过顶栅电极结构实现载流子的电注入，从而实现对半导体沟道的场效应调制。
• 利用高分辨率光谱仪测量光学发射，检测光谱展宽与阈值以上强度饱和现象。
• 通过分析发射强度随注入电流增加而呈现的非线性增长，确定阈值电流密度。
• 将该系统与光泵浦OSCL进行对比，评估电泵浦的可行性与效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在场效应晶体管结构下，通过电注入在有机半导体中实现激光？
• RQ2 在具有DFB结构的电致驱动有机半导体激光器中，实现激光所需的阈值电流密度是多少？
• RQ3 电致驱动系统的光学特征（如光谱线宽与强度非线性）与光泵浦OSCL相比有何差异？
• RQ4 场效应调制在增强有机半导体中载流子注入与增益方面起到何种作用？
• RQ5 所观测到的发射行为是否与受激辐射一致，而非自发辐射？

主要发现

• 观测到窄线宽发射光谱，达到检测系统的分辨率极限，表明具有激光特征的光谱展宽。
• 在约1 kA cm⁻²的阈值电流密度以上，检测到发射强度的非线性增长，这是光学增益与受激辐射的关键特征。
• 发射光谱表现出明显的阈值行为，电注入后出现明显的窄带发射起始。
• 采用BP3T单晶作为活性介质，实现了高质量的晶体有序性，支持高效的载流子传输与光学增益。
• 基于周期性图案化聚苯乙烯的硅基底DFB结构，为相干光放大提供了有效反馈。
• 结果表明，场效应晶体管结构是实现实用化电致驱动有机半导体激光器的可行路径。