ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА Российский патент 2014 года по МПК H01L51/52 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к интегральным оптоэлектронным устройствам, содержащим светоизлучающие полевые транзисторы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Органические электронные устройства, например светодиоды, солнечные элементы и полевые транзисторы, находят разнообразное применение в дисплеях и электронике. Органические СИД признаны в числе наиболее эффективных из доступных источников света, органические фотодетекторы и органические солнечные элементы имеют квантовый КПД, близкий к 100%, биологические, химические и механические датчики и запоминающие устройства на органической основе разработаны для широкого круга применений. Признанное преимущество органических устройств состоит в той легкости, с которой их различные функциональные возможности можно объединять на общей материальной платформе. Все эти функциональные возможности, в принципе, можно реализовать с использованием аналогичных материалов, которые можно обрабатывать с использованием общего набора промышленных технологий. Поэтому, объединять многофункциональные устройства на общей подложке оказывается проще, чем, например, устройства на основе кремния.

Особый интерес представляет интеграция функций обработки информации, реализуемых с использованием транзисторных устройств, и оптических функций, где свет генерируется СИД и регистрируется фотодетекторами. Интеграцию оптических и электронных функций можно использовать в оптоэлектронных интегральных схемах, в которых световой сигнал, который генерируется в соответствии с результатом тех или иных вычислений, поступает в волноводную структуру и передается на пространственно отделенную часть системы, где он регистрируется и инициирует другую функцию обработки информации.

Аналогично, представляют интерес устройства лазерной генерации с электрической накачкой, в которых электрически стимулируемая активная среда включена в структуру оптической обратной связи для обеспечения генерации когерентного света строго определенной длины волны путем стимулирования излучения активной среды. Лазеры с электрической накачкой, использующие органические полупроводники, еще не созданы, хотя лазерная генерация с оптической накачкой была достигнута в ряде систем (Samuel, Chem. Rev. 107, 1272 (2007)). Причины этого связаны с дополнительными оптическими потерями, которые возникают при использовании электрической накачки, вследствие наличия электродов (потери, обусловленные поглощением света в электродах), поглощением на носителях заряда, а также наличием триплетных состояний. В настоящее время не предложено ни одной архитектуры устройства, которая была бы пригодна для реализации органического полупроводникового лазера с электрической накачкой.

Архитектура органических лазеров с оптической накачкой обычно базируется на структурах распределенной обратной связи (DFB) (Samuel, Chem. Rev. 107, 1272 (2007)), в которых структура одномерной или двухмерной периодической дифракционной решетки объединена с пленкой органической активной среды. Большинство лазеров с DFB, описанных в литературе, изготавливается травлением стеклянной подложки, и, таким образом, их обратная связь основана на разности показателей преломления между стеклом и нанесенным на него органическим активным материалом. Многообещающий альтернативный подход предусматривает включение тонкого слоя материала с большим показателем преломления (например, пентаоксида тантала Ta₂O₅, n=2,07), содержащего необходимый шаблон обратной связи, на который наносится органический материал (Harbers, Appl. Phys. Letters 87, 151121 (2005)).

Недавно нам удалось продемонстрировать новую архитектуру оптоэлектронного устройства для генерации света в амбиполярных полевых транзисторах. В дальнейшем мы будем именовать эту структуру светоизлучающим органическим полевым транзистором (LEFET, LFET) (Zaumseil et al, Nature Materials 5, 69 (2006), Zaumseil, et al. Adv. Funct. Materials 18, 2708 (2006), EP 05701898.8, содержание которой полностью включено, таким образом, в настоящую заявку). В амбиполярном LEFET, при надлежащих условиях смещения, в канале одновременно формируются слои накопления электронов и дырок. На границе между областями накопления электронов и дырок происходит рекомбинация, и наблюдается излучение света. Зону рекомбинации можно перемещать по всей длине канала, изменяя применяемые условия смещения. (Например, при исток=0 В, сток=V_sd и затвор=V_sd/2 рекомбинация происходит примерно посередине канала; изменяя напряжение на затворе, можно перемещать позицию к истоку или стоку). Такие устройства являются хорошими примерами ярко выраженных свойств амбиполярного переноса заряда, которые можно наблюдать в органических полупроводниках при использовании подходящих затворных диэлектриков и конфигураций устройства. Однако, как показано в настоящем изобретении, они также обеспечивают архитектуру, весьма пригодную для эффективного ввода света в оптические волноводные структуры, а также для реализации органических полупроводниковых лазеров с электрической накачкой.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту изобретения предусмотрен светоизлучающий органический полевой транзистор, объединенный с волноводом гребневого или реберного типа, включенным в канал LEFET.

В предпочтительных вариантах осуществления зону рекомбинации в LEFET располагают поверх волновода, используя подходящие условия напряжения, и свет, излучаемый из зоны рекомбинации LEFET, поступает в волновод. Затем, согласно вариантам осуществления, свет канализируется по волноводу либо в пространственно отделенную часть устройства, где, например, он регистрируется фотодетектором, либо, например, в подходящую структуру для вывода света в пустое пространство. Свет, излучаемый в волновод, можно модулировать, либо включая и выключая LEFET, либо перемещая зону рекомбинации, например, удаляя зону рекомбинации от волноводной структуры в канале путем подачи напряжения смещения (напряжения между истоком и стоком, напряжения на затворе).

Изобретение также предусматривает светоизлучающий органический полевой транзистор, объединенный с волноводом гребневого или реберного типа, имеющим высокий показатель преломления, включенным в канал LEFET, причем в волновод также включена оптическая обратная связь.

Таким образом, согласно вариантам осуществления, волновод способен обеспечивать механизм оптической обратной связи. Волноводную структуру можно сформировать, например, из материала с высоким n, например TiO₂ или Ta₂O₅. Структура оптической обратной связи может представлять собой DFB на основе одномерной или двухмерной дифракционной решетки, изменяющей оптическое пропускание канализируемых мод в волноводе. Оптоэлектронное устройство можно использовать, например, как устройство лазерной генерации, в котором электрическая накачка обеспечивается амбиполярным током LEFET. Предложенная архитектура обеспечивает эффективную оптическую обратную связь, и, таким образом, пороги лазерной генерации снижаются. Причина в том, что эффективный показатель преломления лазерной моды увеличивается, поскольку мода более плотно удерживается в гибридном волноводе, образованном материалом с высоким показателем преломления и органическим активным материалом. Структура также обеспечивает более эффективное удержание света по сравнению с обеспечиваемым одним лишь органическим полупроводником, и это дает преимущество снижения оптических потерь на электродах устройства и позволяет, например, использовать более тонкие затворные диэлектрики.

Изобретение дополнительно предусматривает оптоэлектронное устройство, содержащее светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) с активным слоем из органического полупроводника и волноводом, сформированным в канале светоизлучающего полевого транзистора, в котором волновод содержит материал, имеющий более высокий показатель преломления (на длине волны излучаемого света), чем органический полупроводник.

Согласно вариантам осуществления напряжения, подаваемые на LEFET, выбираются так, чтобы зона рекомбинации LEFET располагалась, по меньшей мере, частично поверх волновода, для обеспечения эффективного ввода света в волновод. Предпочтительно, волновод также содержит структуру оптической обратной связи, в частности структуру распределенной обратной связи (DFB), для изменения пропускания света, распространяющегося в волноводе. В этом случае материалы и размеры волноводной структуры, предпочтительно, выбираются так, чтобы условие Брэгга для структуры DFB выполнялось на длине волны, близкой или, по существу, равной длине волны, на которой коэффициент усиления органического полупроводника максимален. Согласно вариантам осуществления волновод изготавливается из неорганического оксида с высокой k (материала с более высокой диэлектрической постоянной (k), чем у диоксида кремния).

Устройство может представлять собой устройство лазерной генерации; тогда накачку устройства лазерной генерации можно обеспечивать электрическими средствами, пропуская ток между истоковым и стоковым электродами LEFET. Детектор, в частности органический фотодиод или фототранзистор, отделенный от LEFET, можно предусмотреть для регистрации света, излучаемого из LEFET в волновод.

Согласно вариантам осуществления толщина и размеры отдельных слоев LEFET и волновода выбираются для обеспечения ввода света, излучаемого из LEFET, в волновод и также предпочтительно оптимизируются для одновременного обеспечения (i) низких оптических потерь и (ii) большого тока LEFET.

Таким образом, аспект изобретения предусматривает способ изготовления вышеописанного LEFET с активным слоем из органического полупроводника и волноводом, сформированным в канале светоизлучающего полевого транзистора, в котором толщина и размеры отдельных слоев LEFET и волновода выбираются для обеспечения ввода света, излучаемого из LEFET, в волновод и также предпочтительно оптимизируются для одновременного обеспечения (i) низких оптических потерь и (ii) большого тока LEFET.

Изобретение дополнительно предусматривает полупроводниковый лазер, содержащий светоизлучающий полевой транзистор (LEFET), причем LEFET имеет канал, который в ходе эксплуатации переносит носители заряда двух типов противоположной полярности, волновод, оптически подключенный к каналу LEFET, и светоотражатель, предназначенный для обеспечения оптического резонатора для лазера.

Согласно вариантам осуществления механизм оптической обратной связи или светоотражатель или вышеописанный механизм оптической обратной связи может содержать структуру распределенной обратной связи, период которой, по существу, отвечает условию Брэгга второго порядка для конкретной длины волны, близкой к максимуму усиления LEFET или лазера. В необязательном порядке устройство может быть приспособлено одновременно поддерживать множественные резонансные моды на разных длинах волны.

Изобретение также предусматривает способ ввода света в волновод с использованием светоизлучающего полевого транзистора (LEFET), причем LEFET имеет канал, переносящий носители заряда двух типов противоположной полярности, способ содержит этапы, на которых обеспечивают волновод рядом или в канале LEFET и подают на LEFET смещение для регулировки положения рекомбинации носителей заряда противоположной полярности, в результате чего свет, генерируемый при рекомбинации, поступает в волновод.

Изобретение дополнительно предусматривает оптоэлектронную интегральную схему, содержащую подложку, несущую светоизлучающий полевой транзистор (LEFET), в которой канал полевого транзистора включает в себя волновод.

Преимущественно, в описанном выше оптоэлектронном устройстве, LEFET, лазере, интегральной схеме или способе светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) является транзистором с верхним затвором. Преимущественно, светоизлучающий полевой транзистор (LEFET), независимо от того, является он устройством с верхним затвором или нет, имеет затворный электрод, содержащий серебро в качестве металла затвора.

В этом варианте осуществления под "светом" подразумевается как видимый, так и невидимый свет (инфракрасный и, возможно, ультрафиолетовый свет). Таким образом, например, можно рассматривать видимый свет, содержащий свет длиной волны от 380 нм до 750 нм, можно рассматривать инфракрасный свет, содержащий свет длиной волны примерно от 750 нм до 300 мкм и можно рассматривать ультрафиолетовый свет, содержащий свет длиной волны короче 380 нм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты изобретения дополнительно описаны ниже исключительно в порядке примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - архитектура верхнего затвора для амбиполярного LEFET согласно уровню техники (A) и изображение оптического излучения из зоны рекомбинации в канале устройства;

фиг.2 - LEFET, объединенный с волноводом реберного типа (A), и модельное представление профиля канализируемой оптической моды в волноводной структуре реберного типа (B) и в структуре LEFET, показанной на фиг.1;

фиг.3 - структура DFB, встроенная в волновод: схематическая диаграмма (A), АСМ-топография (B) и РЭМ (C) электродов истока/стока и волноводной структуры;

фиг.4 - модельные представления относительных интенсивностей мод на различных участках устройств (A), прогнозируемых оптических потерь вследствие поглощения на затворном электроде (B) и добротности для оптимизации толщины затворного диэлектрика (C);

фиг.5 - электрические характеристики LEFET на основе F8BT/ПММА с волноводом реберного типа со встроенной DFB;

фиг.6 - спектр ЭЛ LEFET со встроенной структурой DFB (A/B) и модельное представление соответствующих мод (C);

фиг.7 - спектры ЭЛ устройства, показанного на фиг.6, как функция напряжения возбуждения (A) и положения зоны рекомбинации в канале (A), и изображение света, излучаемого из края подложки (C);

фиг.8 - характеристики лазерной генерации с оптической накачкой для волноводной структуры реберного типа с F8BT и 350 нм ПММА, но без каких-либо электродов;

фиг.9 - характеристики лазерной генерации с оптической накачкой для волноводной структуры реберного типа с F8BT и 325 нм ПММА, с золотым затворным электродом, но без истокового/стокового электродов;

фиг.10 - характеристики лазерной генерации с оптической накачкой для волноводной структуры реберного типа с F8BT и 325 нм ПММА, с серебряным затворным электродом, но без истокового/стокового электродов;

фиг.11 - характеристики лазерной генерации с оптической накачкой для волноводной структуры реберного типа с F8BT и 430 нм ПММА, с серебряным затворным электродом, но без истокового/стокового электродов;

фиг.12 - характеристики лазерной генерации с оптической накачкой для полной структуры с волноводной структурой реберного типа с F8BT, 430 нм ПММА, серебряным затворным электродом и золотыми истоковым/стоковым электродами;

фиг.13 - изображение, сделанное цифровой камерой, рисунка дальнеполевой моды лазерного излучения, идентифицирующее профиль поперечной моды, аналогичный типичной моде TE₀;

фиг.14 - оптоэлектронная интегральная схема на основе LEFET.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Предложенную структуру устройства можно реализовать либо в архитектуре LEFET с верхним затвором, показанной на фиг.1, либо в архитектуре с нижним затвором, продемонстрированной, например, в статье Zaumseil et al, Nature Materials 5, 69 (2006). В дальнейшем мы будем рассматривать архитектуру верхнего затвора.

На фиг.2(A) показана архитектура нашего устройства. Устройство построено на подходящей подложке, например из стекла, Si/SiO₂ или на гибкой подложке. Реберная или гребневая волноводная структура с высоким показателем преломления наносится и шаблонируется на подложке. Подходящими материалами для волновода являются неорганические или органические материалы с высокой k (высокой k можно считать, в частности, диэлектрическую постоянную, более высокую, чем у диоксида кремния). Предпочтительно выбирать Ta₂O₅ или TiO₂ ввиду их хорошего оптического качества и низких оптических потерь. Металлические истоковый/стоковый электроды формируются путем нанесения изображения, например, фотолитографии или прямой печати, благодаря чему края электродов выравниваются относительно волновода, и волновод располагается в канале, образованном истоковым/стоковым электродами. Предпочтительно, волновод является линейным и выровнен параллельно краям электродов. Волновод может выходить за пределы структуры электродов истока/стока в отдельную позицию на подложке, где может находиться детектор, или к краю подложки, где свет может легко выводиться. Металлы, используемые для истокового и стокового электродов, можно выбирать одинаковыми или разными. Первый выбор проще в производстве, но второй выбор позволяет использовать металлы с разными значениями работы выхода, чтобы по отдельности инжектировать электроны и дырки из соответствующих электродов. Поверх волновода и структуры электродов истока/стока наносится активный органический полупроводящий слой. Органический полупроводник может содержать полупроводящий полимер или маломолекулярный органический полупроводник. Предпочтительно выбирать органический полупроводник, обладающий высокой подвижностью электронов и дырок, предпочтительно более 10^-3 см²/В·с и более предпочтительно свыше 10^-2 см²/В·с для электронов и дырок, и высоким КПД фотолюминесценции, предпочтительно более 50%. Подходящим выбором такого полупроводника является поли-диоктил-флуорен-ко-битиофен (F8BT). Поверх органического полупроводника наносится затворный диэлектрик. Подходящим выбором затворного диэлектрика является ПММА или полициклогексилэтилен. Поверх всего наносится затворный электрод.

Амбиполярный LEFET с F8BT в качестве активного материала излучает свет вследствие рекомбинации зарядов в канале. Поскольку перенос электронов и дырок хорошо сбалансирован, эта зона рекомбинации находится примерно посередине канала при подаче надлежащего смещения на устройство. Свет может преобразовываться в TE моду в F8BT. Однако в отсутствие волновода свет не может эффективно канализироваться (фиг.2C). Благодаря введению дополнительного волноводного ребра, содержащего изолирующий материал с высоким показателем преломления, например Ta₂O₅, излучаемый свет более эффективно преобразуется в волноводную моду за счет выравнивания гребня с зоной рекомбинации LEFET (фиг.2B). Ширина гребня должна совпадать с шириной зоны рекомбинации (2-3 мкм).

На фиг.3 показана структура DFB, объединенная с волноводом. Структура обратной связи для излучаемого света содержит одномерную дифракционную решетку DFB, перпендикулярную гребню, который выполнен из того же материала. Из производственных соображений она выбирается здесь так, чтобы быть шире канала и проходить под золотыми электродами. Дифракционная решетка порождает распределенное отражение света, канализируемого параллельно гребню. Дифракционная решетка DFB может, по выбору, быть первого порядка или более высокого порядка по отношению к нужной длине волны излучения. Период DFB в соответствующих структурах выбирается здесь в соответствии с условием Брэгга второго порядка для конкретной длины волны в окрестности максимума усиления F8BT (560-570 нм). Конструкция дифракционной решетки второго порядка демонстрирует значительные преимущества изготовления над краевым излучением первого порядка. Края стеклянной подложки всегда несовершенны, и полимерное покрытие, полученное методом центрифугирования, обуславливает существенные колебания толщины на краях. Несмотря на вертикальное излучение второго порядка, наблюдается также направленное световое излучение через края подложки в направлении гребня волновода. Однако из практических соображений свет регистрируется вверху и внизу.

Одним из наиболее деликатных этапов обработки является выравнивание гребня волновода (обычно шириной 3 мкм) посередине канала транзистора (L=10 мкм), образованного Т-образными истоковым/стоковым электродами, выполненными из золота (W=5 мм). Для устройств со структурой обратной связи сам гребень располагается посередине дифракционной решетки DFB шириной 50 мкм и длиной 3 мм.

В то время как оптический микроскоп позволяет проверять выравнивание, более высокие разрешения и, таким образом, вид тонкой структуры архитектуры обратной связи можно получить с помощью растрового электронного микроскопа, работающего в режиме естественной среды, Environmental SEM. На фиг.3C представлено ESEM-изображение области канала транзистора, где располагаются T-образные электроды. Увеличенный вид подтверждает высокую гомогенность дифракционной решетки с периодом около 340 нм. Небольшие колебания размеров обусловлены тем фактом, что ширина гребня достигает минимальных размеров, которых можно добиться с помощью фотолитографической системы, что вызывает отклонения при экспонировании. Кроме того, Ta₂O₅ свойственно повторное осаждение в процессах отслаивания по причине его гранулярности и клейкости.

Для контроля толщины отдельных признаков делаются топографические изображения с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) (фиг.3B). Профиль канала показывает, что высоты 46±2 нм для золотых электродов и 30±2 нм для гребня Ta₂O₅ совпадают с отрегулированной толщиной. Профиль, перпендикулярный канавкам дифракционной решетки поверх и после гребня, подтверждает отрегулированную высоту 30±2 нм.

Оптимизация размеров

Для достижения оптимальной производительности устройства важно тщательно выбирать размеры структурных компонентов. Производительность устройства весьма чувствительна к балансировке толщины слоя. В областях применения, где LEFET служит источником накачки лазерного устройства, следует одновременно оптимизировать производительность транзистора и коэффициент усиления света.

Модельные представления были получены с помощью программного обеспечения Lumerical MODE Solutions (Lumerical Solutions Inc.). Оно позволяет вычислять развивающиеся ограниченные электромагнитные моды и их потери на поглощение в заданном окружении. Материалы характеризуются комплексными показателями преломления, зависящими от длины волны. Мнимые части материалов либо пренебрежимо малы (стекло, ПММА, Ta₂O₅), либо с трудом поддаются определению в присутствии зарядов (F8BT). Анизотропия оптических постоянных, в частности для F8BT, является фактором, который невозможно включить в модельное представление. Поскольку полимерные цепочки, в большинстве своем, выровнены по горизонтали, показатель преломления в плоскости, который больше, чем вне плоскости, имеет смысл и поэтому используется. Комплексные параметры металлов заносятся в базу данных материалов программного обеспечения, что гарантирует реалистичное поведение, включая потери.

Размеры выбираются в соответствии с изготовленной структурой, описанной в предыдущем разделе, за исключением толщины волноводной структуры. Для обеспечения возможности волнистой поверхности DFB-резонатора толщины гомогенной части и гребня выбираются как среднее двух разных значений толщины в направлении оси z. Поскольку части после гребня демонстрируют модуляцию между голой стеклянной подложкой и волноводным материалом толщиной 30 нм, и сам гребень содержит волноводный материал толщиной, попеременно принимающей значения 30 нм и 60 нм, для скважности дифракционной решетки, например, 1:1, выбирается толщина 15 нм и 45 нм, соответственно.

На фиг.2(В) показано модельное представление основной моды (ТЕ₀) в предложенной структуре с Ta₂O₅. В результате получается экспоненциально убывающая ограниченная мода, сосредоточенная на границе раздела гребень/F8BT посередине канала. Возможные ТЕ моды более высокого порядка демонстрируют дополнительные узлы в направлении оси x. Модельное представление моды на фиг.2(С) демонстрирует результат для устройства стандартной архитектуры на голой стеклянной подложке без каких-либо дополнительных волноводных структур. Хотя мода демонстрирует примерно такую же форму, как в случае дополнительного волноводного ребра, существуют фундаментальные различия. Слабое удержание моды в направлении оси x обусловлено только истоковым и стоковым электродами по обе стороны канала. Еще заметнее проявляется снижение удержания моды в направлении оси y. Поскольку разность показателей преломления между материалами оболочки и сердцевины из F8BT незначительна, наблюдается значительная утечка моды в стеклянную подложку, затворный диэлектрик и металлический затвор. Ta₂O₅, однако, обладает более высоким показателем преломления, чем слои оболочки из стекла и ПММА. По этой причине сердцевина гибридного волновода из волноводного оксида и F8BT существенно увеличивает удержание моды в направлении оси y. Кроме того, гребень волновода обеспечивает сильное удержание в канале в направлении оси x. Это двухмерное удержание моды обеспечивает концентрацию электрического поля вблизи гребня волновода и активной области, а также направленное распространение излучаемого света. Перекрытие моды с поглощающими металлическими электродами, что является существенным изъяном светоизлучающих устройств с электрическим возбуждением, сводится к минимуму.

Для количественного выражения улучшенного удержания благодаря дополнительному волноводному ребру напряженность электрического поля вычисляется с помощью Lumerical MODE Solutions. Показателем качества для удержания является интегральная напряженность электрического поля в Ta₂O₅, а также в части F8BT непосредственно над гребнем. Для сравнения, ту же область исследовали для стандартной структуры. Было обнаружено, что мода распределяется между активным материалом F8BT и волноводным материалом. Около 32% интенсивности моды располагается в части F8BT над гребнем волновода. Очевидно, что, благодаря сильному удержанию в направлении оси x, доля моды в гребне и над ним практически равна полной доле в отдельном материале. В стандартной структуре без волноводного ребра ситуация другая. В той же самой области посередине канала доля моды более чем вполовину меньше, и там находится менее 15% моды.

Тот факт, что в стандартной структуре моды проникают сравнительно далеко в слои оболочки и, следовательно, в электроды, весьма негативно сказывается на общих потерях на поглощение света, распространяющегося в направлении оси z. В то время как основная мода в структуре с волноводным ребром с Ta₂O₅ демонстрирует потери 19,2 дБ/см, ограниченное удержание приводит к значительному увеличению потерь, до 117,2 дБ/см в стандартной структуре. При этом следует заметить, что структуру можно дополнительно оптимизировать в отношении снижения потерь. Возможность уменьшения толщины ПММА и/или материала затвора подробно рассмотрена в следующем разделе.

Улучшенное удержание света в волноводных структурах реберного типа проявляется в повышении эффективных показателей преломления n_eff соответствующих мод. Расчет n_eff в такой сложной структуре, как LEFET, затруднен и поэтому осуществляется с помощью Lumerical MODE Solutions. Расчеты хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Согласно модельному представлению стандартная структура LEFET с F8BT толщиной 70 нм демонстрирует эффективный показатель преломления основной моды n_eff=1,55. Волноводная структура реберного типа на основе Ta₂O₅ дает значительно более высокое значение 1,65-1,67 в нужном диапазоне длины волны, в зависимости от скважности дифракционной решетки. Обнаружено, что размеры подложки, диэлектрика и трех электродов не влияют на n_eff, если подложка и ПММА имеют достаточную толщину (>250 нм). Расчетный эффективный показатель преломления моды позволяет определить период дифракционной решетки λ идеальной DFB для данной длины волны излучения λ. Оценка производится на основании условия Брэгга для излучения второго порядка (m=2),

m·λ=2·n_eff·λ.

Для эффективной световой обратной связи большое значение имеет перекрытие между распространяющейся модой и активной областью, где создаются возбужденные состояния и, следовательно, излучается свет. Этот фактор ограничивает полезную толщину удерживающего волноводного ребра. Из-за более низкого показателя преломления F8BT по сравнению с Ta₂O₅ мода имеет тенденцию слишком далеко проникать в волноводное ребро для увеличения толщины. В амбиполярной структуре LEFET TG/BC активная область локализуется на границе раздела полупроводник (F8BT)/диэлектрик (ПММА).

Систематически изменяя толщину F8BT и волноводного материала, структуру можно оптимизировать в соответствии с нужными критериями. Помимо интегральной напряженности электрического поля в определенной области нормализованную интенсивность моды на границе раздела F8BT/ПММА следует учитывать как вторую важную величину. Кроме того, следует учитывать, что диапазон изменения толщины F8BT ограничен волноводными характеристиками и производительностью транзистора. Для обеспечения достаточной волноводной способности в F8BT ее нельзя делать слишком малой. С другой стороны, в случае превышения определенной толщины возникают проблемы переноса, связанные с повышенным контактным сопротивлением, и, таким образом, световое излучение значительно снижается. Дополнительно, преобразование света, излучаемого на границе раздела F8BT/ПММА, в световую моду, сосредоточенную вблизи границы раздела F8BT/Ta₂O₅, ограничивается, если расстояние между этими двумя границами раздела оказывается слишком большим.

Модельное представление (фиг.4A) прогнозирует приблизительно линейное увеличение доли моды в F8BT для увеличения толщины слоя F8BT по сравнению с Ta₂O₅. Однако распределение этой доли в F8BT отличается. Рассмотрев соответствующие значения интенсивности моды в активной области на границе раздела F8BT/ПММА, можно увидеть, что увеличение толщины F8BT приводит к существенному снижению. С учетом этих противоположных тенденций толщина Ta₂O₅ в 45 нм, а также толщина F8BT около 70 нм оказывается хорошим компромиссом, приводящим к модуляции толщины дифракционной решетки DFB от 30 нм до 60 нм поверх гребня волновода.

Анализ потерь на поглощение в электродах

Один важный аспект построения подходящей архитектуры для лазерной генерации с электрической накачкой состоит в минимизации дополнительных потерь на поглощение, обусловленных металлическими контактами. В случае LEFET существуют истоковый и стоковый контакты, а также верхний затворный электрод. В то время как в случае F8BT истоковый и стоковый электроды должны быть выполнены из золота для эффективной инжекции электронов и дырок, материал затворного электрода можно выбирать более гибко. На практике, предпочтительны металлы, устойчивые к атмосферным условиям, например, золото или серебро. Эти металлы отличаются своими свойствами поглощения и внутреннего отражения.

Сравнительно большая длина канала 10 мкм между истоковым и стоковым контактами, а также удержание моды, обеспечиваемое дополнительным гребнем волновода шириной 3 мкм, почти полностью предотвращает поглощение света на истоке и стоке. Однако затворный электрод обычно отстоит от активного слоя и, следовательно, от центра удерживаемой световой моды всего лишь на несколько сотен нанометров. Это расстояние определяется толщиной затворного диэлектрика. В результате, толщину диэлектрика и толщину материала затворного электрода следует оптимизировать для обеспечения успешного распространения света без больших потерь на поглощение. Эта оптимизация осуществляется с помощью Lumerical MODE Solutions. Как и прежде, все материалы выбираются беспотерьными, не говоря уже о металлах. Это хорошее предположение для Ta₂O₅ и ПММА, а также стеклянной подложки (однако не рассматриваются ни неизбежные потери на поглощение, ни индуцированный коэффициент усиления в F8BT).

На фиг.4(B) показаны расчетные потери на распространение основной моды, визуализированные во вкладке, в зависимости от толщины затворного диэлектрика ПММА. Графики демонстрируют экспоненциальное снижение потерь с увеличением толщины ПММА. Тот факт, что экспоненциальное снижение согласуется с данными, отражает характер удерживаемой моды с экспоненциально спадающими хвостами, проникающими в слои оболочки. Таким образом, при линейном увеличении толщины диэлектрика перекрытие моды с затвором экспоненциально уменьшается. Само по себе изменение толщины металлического затвора вряд ли влияет на потери на распространение, поскольку поглощение происходит в пределах характеристической глубины проникновения, которая обычно составляет лишь несколько нанометров.

Обнаружено, что потери на распространение моды можно существенно снизить с использованием более подходящего металла затвора, чем золото, которое обычно используется. Таким материалом является серебро, и эквивалентная структура демонстрирует меньшие потери на поглощение в нужном диапазоне длины волны (в данном случае, 562 нм), чем с золотым затвором. В дальнейшем используются значения из базы данных Lumerical MODE Solutions, построенной на основе экспериментальных данных. Хотя серебро имеет немного больший коэффициент поглощения k_Ag=3,70, чем золото, для которого k_Au=2,62, различие в действительной части показателя преломления оказывается более значительным. Значение n_Ag=0,06 для серебра по сравнению с n_Au=0,37 приводит к значительному уменьшению утечки моды в затвор. Этот эффект свидетельствует о том, что поглощается немного больше этого хвоста моды света.

Однако чистая оптимизация структуры устройства в отношении минимальных потерь на распространение на практике не имеет особого значения. Модельное представление рекомендует делать ПММА как можно толще для снижения потерь на поглощение в затворе. С точки зрения производительности транзистора, ПММА играет роль затворного диэлектрика и отвечает за емкость C накопления заряда. Согласно определению в логарифмическом масштабе для потерь α в дБ·см^-1, световой выход P₁ для данного входа P₀ выражается в виде

В амбиполярном полевом транзисторе ток I_d, текущий между истоковым и стоковым электродами, пропорционален затворной емкости C, которая обратно пропорциональна толщине диэлектрика t,

Таким образом, ток стока снижается с увеличением толщины t ПММА. Для определения оптимальной толщины ПММА, т.е. для нахождения компромисса между потерями на поглощение и током транзистора, задается показатель качества (FOM), пропорциональный световому выходу P₁. Поскольку световой вход P₀ пропорционален току I_d, уравнения (2) и (3) можно объединить в

Этот показатель качества достигает максимума в случае оптимальной структуры. На фиг.4(C) показано поведение нормализованного FOM для переменной толщины t ПММА в случае золотого и серебряного затвора. Тонкие слои ПММА толщиной менее 340 нм или 260 нм для золота и серебра, соответственно, дают малое значение FOM, менее 0,1. Оптимальная толщина t, дающая максимальный FOM, оказывается равной около 540 нм для золотого и 420 нм для серебряного затвора. Поэтому серебряный затвор предпочтителен, поскольку меньшая толщина означает увеличенный ток транзистора.

Характеристики транзистора и спектры ЭЛ при электрическом возбуждении

Были проанализированы электрические характеристики типичного устройства LEFET со структурой обратной связи на основе Ta₂O₅ и оптимизированными размерами. Наблюдалось амбиполярное поведение с большими токами в режиме светоизлучения. Были получены подвижность дырок μ_h=1,4×10^-3 см²·В^-1·с^-1 и пороговое напряжение для дырок V_th,h=-25 В. Соответствующие параметры переноса электронов составляли μ_e=7×10^-4 см²·В^-1·с^-1 и V_th,e=35 В. Графики, представленные на фиг.5, демонстрируют характеристики устройства в ходе амбиполярной вольтамперной развертки. При постоянном потенциале 0 В на затворном электроде и увеличивающейся разности потенциалов V_d между истоком и стоком зарегистрировано увеличение тока стока I_d и фототока I_ph диода поверх устройства.

Для возможного применения в качестве лазерного устройства с электрической накачкой важно количественно выразить интенсивность оптического возбуждения при эксплуатации транзистора. На основании максимально достижимого тока I_d амбиполярного транзистора, указанного на фиг.5, можно оценить такой важный параметр, как плотность синглетных экситонов в зоне рекомбинации:

где e - элементарный заряд, и W - заданная ширина канала транзистора. Предполагая, что доля синглетных экситонов χ=0,25, и используя типичные значения для времени жизни экситона и КПД ФЛ (фотолюминесценции) F8BT τ_ex=1 нс и η_PL=0,55, соответственно, а также измеренную ширину зоны рекомбинации w=2 мкм, получаем n_ex=2-3×10⁸ см^-2.

Плотность экситонов можно повысить, например, используя органические полупроводники с более высокой амбиполярной дрейфовой подвижностью или используя затворные диэлектрики с более высокой k, устойчивые к более сильным токам.

Для рассмотрения отдельных признаков типичных спектров электролюминесценции (ЭЛ) устройств со встроенной волноводной реберной структурой DFB скважность дифракционной решетки выбирается равной 1,5:1 с увеличенной долей Ta₂O₅. Измеренный период дифракционной решетки этого конкретного устройства составляет около 345 нм. На фиг.6 показан спектр ЭЛ устройства в ходе амбиполярной вольтамперной развертки, показанной на фиг.5. Обнаружено, что механизм обратной связи значительно изменяет спектр по сравнению со стандартным устройством LEFET на голой стеклянной подложке. Спектр сужается и демонстрирует горб с центром в 565 нм, указывающий наличие резонансной световой моды. Полученные спектры ЭЛ для напряжений V_d=-V_s=80 В, 90 В и 100 В показаны на фиг.7(A). Несмотря на тот факт, что абсолютная интенсивность света снижается вследствие увеличения тока, можно видеть, что форма спектра не изменяется при усилении возбуждения при прохождении диапазона электрической накачки. Небольшие отклонения, скорее всего, обусловлены допусками измерений и шумом.

Однако, если при большом напряжении V_d между истоковым и стоковым электродами смещение затвора V_g проходит свой диапазон значений в ходе сканирования перехода, можно видеть, что это сопровождается изменением формы спектра ЭЛ. На фиг.7B показано такое наблюдение. Горб спектра вокруг 565 нм, обусловленный дифракционной решеткой, неуклонно уменьшается при изменении напряжения на затворе, и форма в целом становится более похожей на стандартный спектр в отсутствие структуры обратной связи. Этот устойчивый переход объясняется перемещением зоны рекомбинации от гребня, лежащая поверх которого дифракционная решетка DFB вызывает резонанс на длине волны в пределах этого горба. Таким образом, ввод излучаемого света в волноводную структуру реберного типа с обратной связью ослабевает, и горб становится менее выраженным.

Увеличенный вид спектра ЭЛ на фиг.6B позволяет анализировать отдельные признаки спектра. Главным признаком, обусловленным структурой DFB второго порядка, является характерный брэгговский провал в горбе интенсивности вокруг 573 нм. Согласно условию Брэгга, выраженному вышеприведенным уравнением, это свидетельствует об увеличении фотонной полосы затухания, что препятствует распространению канализируемых фотонов в структуре обратной связи. Ее глубина является мерой высокого качества дифракционной решетки. Значение n_eff эффективного показателя преломления моды, экспериментально определенное согласно условию Брэгга, совпадает с теоретически определенным значением для основной моды TE₀ 1,67, показанной на фиг.6C, с учетом возможных небольших отклонений в модельном представлении, касающихся толщины материала и показателей преломления.

Помимо основного резонанса меньший второй провал возникает в спектре ЭЛ на длине волны около 540 нм. Предположительно, этот признак указывает резонансную длину волны фотонов, канализируемых в моде с меньшим эффективным показателем преломления n_eff. Это умозаключение опирается на условие Брэгга. Обнаружено, что n_eff лишь незначительно изменяется с длиной волны в этом диапазоне длины волны. Таким образом, условие Брэгга дает меньшую резонансную длину волны λ при постоянном периоде дифракционной решетки Λ. В данной структуре наблюдаемая альтернативная мода считается TE модой, основная часть света которой содержится в областях чистой дифракционной решетки слева и справа от центрального гребня. Поскольку такая мода содержит меньше частей Ta₂O₅, ее эффективный показатель преломления значительно ниже. Расчетное значение n_eff 1,58 согласуется с экспериментальными данными и допускает интерпретацию.

Важную функцию гребня как части структуры обратной связи DFB можно продемонстрировать, изменяя его толщину. Если высота гребня, содержащего Ta₂O₅ с более высоким показателем преломления, уменьшается, эффективный показатель преломления n_eff резонансной моды снижается. Согласно условию Брэгга это сопровождается уменьшением резонансной длины волны λ. При использовании высоты гребня Ta₂O₅ всего 20 нм вместо стандартных 30 нм наблюдается синий сдвиг брэгговского резонанса с сильным провалом на длине волны около 566 нм. Расчетный эффективный показатель преломления TE₀ моды, равный 1,64 вместо 1,67 для более толстого гребня, согласуется с экспериментом.

Аналогично изготовленные устройства LEFET, включающие в себя структуру обратной связи на основе Ta₂O₅ со стандартной скважностью 1:1 и измеренным периодом дифракционной решетки 339 нм, используемые в следующих разделах, демонстрируют, соответственно, измененное спектральное поведение излучения. Скважность 1:1 означает меньшее количество Ta₂O₅ с большим показателем преломления и, следовательно, более низкий n_eff. Брэгговский провал свидетельствует о резонансе в окрестности 560 нм. При оценочном значении n_eff=1,65-1,66 экспериментально наблюдаемая резонансная длина волны хорошо согласуется с теоретическим значением, определенным из модельных представлений моды. Заметим, что в этой конфигурации структуры обратной связи предполагается сдвиг альтернативного резонансного провала в сторону еще меньших длин волны от пика излучения, и поэтому уже не наблюдающийся в измерениях. Кроме того, спектр ЭЛ и, в частности, индуцированный резонанс хорошо согласуется со спектром ФЛ ниже порога лазерной генерации того же устройства при оптическом возбуждении.

На фиг.7C показано оптическое изображение зоны рекомбинации, при наблюдении сверху, расположенной поверх волновода (a), и света, излучаемого из края подложки (b). Форма зоны рекомбинации не выглядит существенно отличающейся от соответствующей формы для стандартного устройства при сканировании по каналу. Тем не менее, можно зарегистрировать сильный волноводный эффект в плоскости. Изображение, сделанное камерой в (b), указывает, что вместо того, чтобы равномерно рассеиваться, излучаемый свет канализируется вдоль ребра к краю. Серебряное зеркало вверху дополнительно усиливает канализацию. Свет выводится из края, демонстрируя выраженное зеленое пятно. Дифракционная решетка второго порядка приводит к выводу вне плоскости, в результате чего значительная часть света выводится через поверхность устройства. Это изображение отчетливо подтверждает возможность эффективно выводить свет из LEFET в волновод.

Спектры ФЛ и лазерной генерации при оптическом возбуждении

Для исследования возможностей изготовленных устройств в качестве органического полупроводникового лазера с электрическим возбуждением их свойства лазерной генерации проверяются посредством оптической накачки. В частности, большую роль играют пороговые значения лазерной генерации и их зависимость от структуры электродов транзистора.

Лазерная система, возбуждающая структуры, содержит TOPAS (Light Conversion Ltd.), настроенный на излучение импульсов с типичной длиной волны λ=488 нм (ширина импульса около 100 фс, частота повторения 1 кГц) в соответствии с характеристикой поглощения F8BT. Выровненный пучок фокусируется на образце. Вследствие поглощения на металлическом затворе устройство необходимо накачивать через стеклянную подложку (1737 Low Alkali Glass, толщиной 0,7 мм, Präzisions Glas & Optik GmbH). Из практических соображений, излучение из структуры обратной связи второго порядка регистрируется через подложку оптическим многомодовым волокном, которое регистрирует световое излучение, перпендикулярное поверхности образца, и передает сигнал на спектрометр (Ocean Optics USB2000).

Производительность лазерной генерации устройств количественно выражается путем определения порога в качестве характеристического показателя качества. С этой целью строится график интенсивности излучения P_out(output) на длине волны лазерной генерации как функции энергии накачки P_pump(input). В данных архитектуре устройства и способе измерения вход задается как плотность энергии, нормализованная по размеру пучка и допускающая конечное пропускание стеклянной подложки на длине волны накачки (92%). Резкое изменение наклона кривой, связывающей выход и вход, изображаемое пересечением линий аппроксимации под и над порогом, указывает значение порога лазерной генерации. Другим важным значением является дифференциальный КПД η_slope, который определяется как градиент линейной аппроксимации выходной мощности над порогом P_th,

$$P_{out}={\eta }_{slope}\cdot \left(P_{pump}-P_{th}\right)\text{при}{\eta }_{slope}\propto {\beta }^{-1}$$ .

Для интерпретации дифференциального КПД η_slope важен тот факт, что он обратно пропорционален потерям β в резонаторе.

Идеальные характеристики лазерной генерации архитектуры обратной связи можно получить, изготовив вышеописанную структуру, но без каких-либо потенциально светопоглощающих электродов (истока, стока, затвора). На фиг.8 показаны результирующие спектры излучения волноводной структуры реберного типа DFB на основе Ta₂O₅ со скважностью 1:1, описанной в предыдущем разделе, с нанесенным на нее покровным слоем ПММА (325 нм), но без каких-либо электродов, для увеличения энергии накачки.

Показаны два качественно отличающиеся режима под и над порогом лазерной генерации. В отличие от результатов электрической накачки можно индуцировать лазерную генерацию в структуре, которая проявляется в спектре ФЛ, который стягивается в острый пик излучения при постепенном нарастании интенсивности над порогом лазерной генерации. Этот пик демонстрирует FWHM менее 2,5 нм, ограниченный спектральным разрешением спектрометра. Пик возникает на длине волны, которая определяется как структурой обратной связи, в частности, брэгговской длиной волны дифракционной решетки, так и активной областью F8BT в качестве активного материала. Область максимального вынужденного излучения оказывается в диапазоне 560-570 нм. В данной архитектуре, с учетом допусков эксперимента и изготовления, лазерная генерация обычно происходит на длине волны 560-562 нм. Согласно условию Брэгга экспериментально определенный эффективный показатель преломления n_eff=1,65 хорошо согласуется с модельными представлениями моды для этой конкретной структуры. Поэтому предполагается, что основная мода TE₀, порожденная гребнем, с наибольшим n_eff является фактической модой лазерной генерации, в том смысле, что она имеет наибольший эффективный коэффициент усиления, в качестве наилучшего компромисса между перекрытием активной области и потерь на распространение.

Даже под порогом лазерной генерации встроенная структура обратной связи оказывает значительное влияние на спектр поверхностного излучения устройства. Широкий спектр излучения стандартного LEFET на основе F8BT сужается вследствие фильтрации, осуществляемой структурой обратной связи. Отчетливо наблюдается выраженный брэгговский провал, свидетельствующий об индуцированной полосе затухания, которая препятствует распространению фотонов.

Над порогом пик лазерной генерации возникает на длинноволновом краю брэгговского провала, что свидетельствует о том, что связь по показателю преломления преобладает над механизмом обратной связи. Тот факт, что связь по коэффициенту усиления в устройствах играет подчиненную роль, неочевиден. Вследствие процесса нанесения покрытия методом центрифугирования, который приводит к небольшому размыванию нижележащей структуры, малая модуляция толщины активного материала F8BT поверх сравнительно мелкой дифракционной решетки может способствовать связи по коэффициенту усиления. Это приведет к более выраженной комплексной связи с лазерным излучением в пределах брэгговского провала. Хотя в изготовленном устройстве может присутствовать периодическая модуляция коэффициента усиления, способствующая распаду мод на краях полосы затухания, спектры излучения, однако, недвусмысленно указывают, что модуляция показателя преломления преобладает над комплексно-связанной системой. Оптимизируя профили толщины пленки для пленки F8BT, можно изменять модуляцию коэффициента усиления и показателя преломления.

Соответствующий график интенсивности света на длине волны лазерной генерации в зависимости от энергии накачки позволяет получить очень низкую пороговую плотность энергии 4,1±0,3 мкДж·см^-2. Это значение примерно в шесть раз меньше известного порога для одномерной структуры DFB, протравленной в стекле с F8BT в качестве активной среды (Xia, APL 87, 031104 (2005)). Кроме того, можно экстраполировать дифференциальный КПД 11790±1000 отсчетов/с·мкДж·см^-2, нормализованный по времени интегрирования.

Как предсказывают модельные представления моды, добавление металлического затворного электрода поверх диэлектрика ПММА толщиной 325 нм в устройстве приводит к значительному поглощению и, таким образом, к значительному повышению порогов (фиг.9 и 10). Помимо влияния затворного электрода на пороговое значение обнаружено, что качественные характеристики спектров под и над порогом остаются неизменными. Независимо от материала затвора и толщины изолирующего слоя ПММА, брэгговский провал и лазерная генерация происходят на одних и тех же длинах волны, с учетом экспериментальных допусков. При добавлении затворного электрода, содержащего золото, поверх устройства, пороговая энергия возрастает более чем в пять раз, достигая 22,7±0,3 мкДж·см^-2. Повышенные потери β в резонаторе также проявляются в значительном снижении дифференциального КПД, как и было предсказано. Предполагается, что смена материала затворного электрода на серебро при той же толщине ПММА приведет к уменьшению этих дополнительных потерь на поглощение. Без каких-либо дополнительных модификаций архитектуры устройства измеренное пороговое значение 10,9±0,3 мкДж·см^-2 более чем вдвое ниже, чем для золотого затвора. Таким образом, дифференциальный КПД также сравнивается со значением для золотого затвора. И все же, пороговые характеристики остаются значительно хуже, чем в отсутствие затворного электрода.

Следуя теоретическому процессу оптимизации согласно модельным представлениям моды, увеличение толщины ПММА улучшает изоляцию металлического затвора и, следовательно, уменьшает потери на поглощение. Если также рассмотреть влияние на ток транзистора и, таким образом, общую интенсивность светового излучения, толщина ПММА около 420-430 нм для серебряного затвора является оптимальной (фиг.4). В соответствии с модельными представлениями устройство с серебряным затвором, но с оптимизированной толщиной ПММА 430 нм, демонстрирует пороговую энергию 4,5±0,3 мкДж·см^-2 (фиг.11), что лишь немного больше, чем значение без затвора, и, таким образом, значительно ниже, чем для ПММА толщиной 325 нм. Дифференциальный КПД устройства с оптимизированной толщиной ПММА и серебряным затвором также сравним или чуть выше, чем в отсутствие затвора.

Предполагается, что пороговое значение экспоненциально уменьшается для увеличения толщины ПММА, достигая значения в отсутствие затворного электрода. Поэтому остаточная разность пороговых значений обусловлена конечной толщиной ПММА, которая выбирается также с учетом влияния на ток транзистора. Однако экспоненциальное поведение объясняет сильное снижение порогового значения более чем в два раза для увеличения толщины ПММА с 325 нм до 430 нм.

Эти экспериментальные результаты для устройств, отличающихся материалом затвора и/или толщиной диэлектрика, хорошо согласуются с прогнозами теоретической оптимизации, осуществляемой через модельные представления моды. Эти сведения отчетливо говорят о том, что потери на распространение моды вследствие поглощения на металлическом затворе являются важным фактором, определяющим изменения порога лазерной генерации.

Если Т-образный рисунок истокового/стокового электрода выровнен с гребнем волновода поверх дифракционной решетки, рисунок золотого истокового/стокового электрода, обычно толщиной 45 нм, действует как теневая маска для падающего пучка накачки, и F8BT над электродами не возбуждается. На фиг.12 показаны характеристики излучения при оптическом возбуждении для такой законченной структуры LEFET, включающей в себя истоковый и стоковый электроды помимо структуры серебряного затвора с диэлектриком ПММА толщиной 430 нм. Согласно усложненной структуре обратной связи с дополнительным гребнем волновода дополнительные электроды не влияют на пороговую энергию лазерной генерации. Пороговое значение 4,6±0,3 мкДж·см^-2 совместно с дифференциальным КПД 12530±1000 отсчетов/с·мкДж·см^-2 подтверждает значения аналогичной структуры без рисунка истока/стока, демонстрируя хорошее удержание моды волноводной структурой реберного типа вблизи гребня и на удалении от электродов.

Это недвусмысленно указывает, что поглощение на всех трех электродах в архитектуре LEFET со встроенным волноводом DFB минимизируется и, таким образом, оптимизируется для лазерной генерации с электрической накачкой.

На фиг.13 показано изображение, сделанное цифровой камерой, рисунка дальнеполевой моды лазерного излучения, идентифицирующее профиль поперечной моды, аналогичный типичной моде ТЕ₀. Наблюдаемая резкая линия излучения, поляризованного параллельно канавке одномерной дифракционной решетки, выглядит толще посередине, свидетельствуя о дополнительном удержании моды по причине нижележащего гребня волновода.

Одной отличительной особенностью предложенной волноводной структуры реберного типа DFB является возможность одновременно поддерживать множественные резонансные моды. Это явление подавляется в структурах с основным резонансом в окрестности 560 нм, поскольку соответствующие альтернативные моды сдвигаются к резонансным длинам волны ниже спектра усиления F8BT. Однако для немного больших периодов дифракционной решетки подходящая альтернативная резонансная мода может перекрываться со спектром усиления и поэтому также способна поддерживать лазерную генерацию. В то время как основная мода, порожденная гребнем, имеет минимальные потери на распространение, альтернативная мода, более значительные части которой выходят за пределы гребня, может более благоприятно перекрываться с активной областью F8BT на границе раздела с ПММА. Вследствие этого, излучаемые фотоны частично переходят в альтернативную моду, и лазерная генерация может происходить на двух длинах волны одновременно.

Определенные типичные пороговые плотности энергии лазерной генерации порядка E_th~1 мкДж·см^-2 позволяют количественно выражать различие между достижимой плотностью возбуждения в данной структуре LEFET и той, которая, предположительно, требуется для лазерной генерации с электрической накачкой. Согласно простому соотношению

,

где h - постоянная Планка, c - скорость света и длина волны λ=450 нм в соответствии с максимумом поглощения F8BT. Результат для плотности синглетных экситонов, приближенно равной n_ex=2×10¹² см^-2, показывает, что производительность типичного устройства при значении примерно 2-3×10⁸ см^-2, полученном из уравнения (5), примерно на четыре порядка величины ниже. Однако можно видеть, что на этой стадии остается неясным, какое дополнительное влияние на это значение оказывают дополнительные механизмы потерь, связанных с зарядом, например, поглощение на поляронах и экситон-поляронное подавление.

Архитектура устройства, представленного в настоящей заявке, позволяет эффективно вводить свет, излучаемый из амбиполярного светоизлучающего полевого транзистора, в структуру обратной связи DFB с высоким n волновода реберного типа. Размеры устройства были оптимизированы для обеспечения хороших характеристик транзистора и, вместе с тем, эффективной обратной связи.

Позиция зоны рекомбинации, которая может перемещаться в канале при подаче напряжения, оказывает влияние на спектр ЭЛ поверхностного излучения, индуцированного дифракционной решеткой DFB второго порядка. Ввод в резонансный волновод оптимизируется, когда зона рекомбинации располагается над гребнем структуры обратной связи, где удерживается основная мода TE. Резонансную длину волны, указанную характерным брэгговским провалом, можно сдвигать, изменяя период и скважность дифракционной решетки, а также высоту гребня.

Спектральная позиция пика лазера с оптической накачкой согласуется с измерениями ЭЛ. Было детально исследовано влияние добавления электродов транзистора, что является важным вопросом в связи с устройствами с электрической накачкой. Согласно прогнозам модельных представлений моды основным ограничительным фактором является поглощение распространяющегося света затворным электродом. Было подтверждено, что порог лазерной генерации значительно увеличивается в отсутствие оптимизации материала затвора и толщины диэлектрика. Однако, благодаря сильному удержанию волноводной структуры реберного типа, использование серебра вместо золота в качестве металла затвора вкупе с увеличением толщины ПММА до 430 нм сводит к минимуму негативное влияние на порог. Удержание моды в волноводной структуре реберного типа также приводит к тому, что включение рисунка истокового/стокового электрода не оказывает влияния на порог лазерной генерации. Низких пороговых значений, обычно около 4,5 мкДж·см^-2, можно добиться в законченной структуре LEFET, демонстрирующей совместимость транзистора со структурой обратной связи. В отличие от стандартных одномерных дифракционных решеток DFB, вытравленных в стекле, структуры, включающие в себя дополнительный материал с высоким показателем преломления, обеспечивают двухмерное удержание, что эффективно предотвращает значительные потери на поглощение на электродах транзистора.

Для достижения лазерной генерации с электрической накачкой с использованием предложенной структуры важно использовать органические полупроводники с высокими подвижностями электронов и дырок. Предпочтительно, чтобы амбиполярные подвижности были выше чем 10^-3 см²/В·с, более предпочтительно 10^-2 см²/В·с и наиболее предпочтительно >10^-1 см²/В·с. В то же время, материал должен иметь высокие КПД люминесценции и оптический коэффициент усиления. Таких высоких значений можно добиться как в полупроводящих полимерах (Yap, Nature Materials 7, 376 (2008)), так и в тонких пленках или монокристаллах маломолекулярных органических полупроводников, например, α,ω-бис(бифенил)тертиофен (BP3T) (Bisri et al. Proc. SPIE, Vol. 6999, 69990Z (2008)). Аналогично, нужно выбирать такой затворный диэлектрик, который поддерживает как высокую дрейфовую подвижность, так и высокую эффективную диэлектрическую постоянную, для достижения высокой плотности тока (Naber, Appl. Phys. Lett. 92, 023301 (2008)). Кроме того, можно использовать приемы, известные в технике, для повышения КПД структуры оптической обратной связи и дополнительного снижения оптических потерь в структуре.

На фиг.14 показана оптоэлектронная интегральная схема, которая является другим применением настоящего устройства. Схема ввода сигнала подает входной электрический сигнал на LEFET, который используется для генерации оптического сигнала, вводимого в волновод, как описано выше. Оптический сигнал канализируется в отдельную часть схемы, где сигнал регистрируется и преобразуется в электрический сигнал для дополнительной обработки информации. Вторая часть может быть либо интегрирована в ту же подложку, либо располагаться на отдельной подложке, и в этом случае две подложки могут быть соединены оптическим волокном. Для таких устройств требуется не лазерная генерация, а лишь эффективная передача сигнала со светоизлучающего полевого транзистора на регистрирующее устройство, находящееся на некотором расстоянии от LEFET. В этом случае требования к LEFET значительно снижаются и могут быть выполнены с помощью разнообразных органических материалов. Функцию регистрации в оптоэлектронной схеме, показанной на фиг.14, может выполнять фотодиодный детектор или фототранзистор, объединенный с волноводом. Преимущество последнего в том, что изготовление детектора предусматривает примерно такие же этапы обработки, как и изготовление LEFET, что позволяет сократить затраты на производство таких устройств и упростить его.

Описанные устройства можно преимущественно изготавливать с использованием методов осаждения из раствора, в частности, из полупроводящих полимеров. Однако устройства можно не только использовать с органическими полупроводниками, но и с неорганическими полупроводниковыми светоизлучающими материалами, хотя в этом случае могут потребоваться более сложные схемы изготовления и интеграции.

Без сомнения, специалист в данной области может предложить много других эффективных альтернатив. Следует понимать, что изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления и охватывает модификации, очевидные для специалистов в данной области техники, согласующиеся с сущностью и объемом нижеследующей формулы изобретения.

Изобретение относится к интегральным оптоэлектронным устройствам, содержащим светоизлучающие полевые транзисторы. Описано оптоэлектронное устройство, содержащее светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) с активным слоем из органического полупроводника и волноводом, сформированным в канале светоизлучающего полевого транзистора. Активный слой находится поверх волновода и истокового и стокового электродов. Гребень волновода содержит материал, имеющий более высокий показатель преломления, чем органический полупроводник. На светоизлучающий полевой транзистор подается смещение для управления положением рекомбинации носителей заряда противоположной полярности в канале, гребень выравнивается с положением рекомбинации, так что свет управляемо вводится в гребень волновода. Технический результат заключается в повышении эффективности ввода света в волновод. 5 н. и 25 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Оптоэлектронное устройство, содержащее:
светоизлучающий полевой транзистор (LEFET), содержащий истоковый, стоковый и затворный электроды, канал, расположенный между упомянутыми истоковым и стоковым электродами, и активный слой из органического полупроводника; и
волновод, сформированный в канале светоизлучающего полевого транзистора,
причем упомянутый волновод содержит гребень;
причем упомянутый активный слой из органического полупроводника находится поверх упомянутого волновода и упомянутых истокового и стокового электродов;
причем упомянутый гребень волновода содержит материал, имеющий более высокий показатель преломления, чем упомянутый органический полупроводник, и
причем на упомянутый светоизлучающий полевой транзистор подается смещение для управления положением рекомбинации носителей заряда противоположной полярности в упомянутом канале, и упомянутый гребень выравнивается с упомянутым положением рекомбинации, так что свет, формируемый при упомянутой рекомбинации, управляемо вводится в упомянутый гребень волновода.

2. Оптоэлектронное устройство по п.1, в котором напряжения, подаваемые на LEFET, выбираются так, чтобы зона рекомбинации LEFET располагалась, по меньшей мере частично, поверх волновода для обеспечения эффективного ввода света в волновод.

3. Оптоэлектронное устройство по п.1, в котором упомянутый волновод также содержит структуру оптической обратной связи для изменения передачи света, распространяющегося в волноводе.

4. Оптоэлектронное устройство по п.3, в котором такая структура оптической обратной связи является структурой распределенной обратной связи.

5. Оптоэлектронное устройство по п.3, причем упомянутое оптоэлектронное устройство является лазерным устройством.

6. Оптоэлектронное устройство по п.5, в котором накачка лазерного устройства обеспечивается электрически путем пропускания тока между истоковым и стоковым электродами LEFET.

7. Оптоэлектронное устройство по любому из пп. 1-6, содержащее также детектор, отделенный от LEFET, причем детектор регистрирует свет, излучаемый из LEFET в волновод.

8. Оптоэлектронное устройство по п.7, в котором детектором является органический фотодиод или фототранзистор.

9. Оптоэлектронное устройство по любому из пп.1-6, в котором толщина и размеры отдельных слоев LEFET и волновода оптимизируются, например, для достижения одного или более из следующих: (i) низких оптических потерь, (ii) большого тока LEFET и (iii) ввода света, излучаемого из LEFET, в волновод.

10. Оптоэлектронное устройство по п.4, в котором материалы и размеры волноводной структуры выбираются так, чтобы условие Брэгга для структуры DFB выполнялось на длине волны, близкой длине волны, на которой коэффициент усиления органического полупроводника максимален.

11. Оптоэлектронное устройство по любому из пп.1-6, в котором упомянутый волновод изготавливается из неорганического оксида с диэлектрической постоянной k, более высокой, чем у диоксида кремния.

12. Оптоэлектронное устройство по любому из пп.1-6, в котором упомянутый светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) является транзистором с верхним затвором.

13. Оптоэлектронное устройство по любому из пп.1-6, в котором упомянутый светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) имеет затворный электрод, содержащий серебро в качестве металла затвора.

14. Светоизлучающий органический полевой транзистор (LEFET), причем упомянутый LEFET содержит:
истоковый, стоковый и затворный электроды;
канал, расположенный между упомянутыми истоковым и стоковым электродами, и активный слой из органического полупроводника; и
волновод, сформированный в упомянутом канале LEFET, причем упомянутый волновод содержит гребень; и
причем упомянутый активный слой из органического полупроводника находится поверх упомянутого волновода и упомянутых истокового и стокового электродов;
причем упомянутый гребень волновода содержит материал, имеющий более высокий показатель преломления, чем упомянутый органический полупроводник; и
причем на упомянутый светоизлучающий полевой транзистор подается смещение для управления положением рекомбинации носителей заряда противоположной полярности в упомянутом канале, и упомянутый гребень выравнивается с упомянутым положением рекомбинации, так что свет, формируемый при упомянутой рекомбинации, управляемо вводится в упомянутый гребень волновода.

15. Светоизлучающий органический полевой транзистор (LEFET) по п.14, в котором упомянутый волновод выполнен с возможностью обеспечения механизма оптической обратной связи.

16. LEFET по п.15, в котором механизм оптической обратной связи содержит структуру распределенной обратной связи, период которой, по существу, отвечает условию Брэгга второго порядка для конкретной длины волны, близкой к максимуму усиления LEFET или лазера.

17. LEFET по п.15, выполненный с возможностью одновременно поддерживать множественные резонансные моды на разных длинах волны.

18. Светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) по любому из пп.14-17, причем упомянутый светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) является транзистором с верхним затвором.

19. Светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) по любому из пп.14-17, причем упомянутый светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) имеет затворный электрод, содержащий серебро в качестве металла затвора.

20. Полупроводниковый лазер, содержащий светоизлучающий полевой транзистор (LEFET), причем LEFET содержит:
истоковый, стоковый и затворный электроды;
канал, расположенный между упомянутыми истоковым и стоковым электродами, причем упомянутый канал, в ходе эксплуатации, переносит носители заряда двух типов противоположной полярности;
активный слой из органического полупроводника; и
волновод, сформированный в упомянутом канале LEFET, причем упомянутый волновод содержит гребень; и
светоотражатель, выполненный с возможностью обеспечения оптического резонатора для упомянутого лазера;
причем упомянутый активный слой из органического полупроводника находится поверх упомянутого волновода и упомянутых истокового и стокового электродов;
причем упомянутый гребень волновода содержит материал, имеющий более высокий показатель преломления, чем упомянутый органический полупроводник, и
причем на упомянутый светоизлучающий полевой транзистор подается смещение для управления положением рекомбинации упомянутых носителей заряда противоположной полярности в упомянутом канале, и упомянутый гребень выравнивается с упомянутым положением рекомбинации, так что свет, формируемый при упомянутой рекомбинации, управляемо вводится в упомянутый гребень волновода.

21. Полупроводниковый лазер по п.20, в котором светоотражатель содержит структуру распределенной обратной связи, период которой, по существу, отвечает условию Брэгга второго порядка для конкретной длины волны, близкой к максимуму усиления LEFET или лазера.

22. Полупроводниковый лазер по п.20, выполненный с возможностью одновременно поддерживать множественные резонансные моды на разных длинах волны.

23. Полупроводниковый лазер по любому из пп.20-22, в котором упомянутый светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) является транзистором с верхним затвором.

24. Полупроводниковый лазер по любому из пп.20-22, в котором упомянутый светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) имеет затворный электрод, содержащий серебро в качестве металла затвора.

25. Способ ввода света в волновод с использованием светоизлучающего полевого транзистора (LEFET), причем LEFET содержит истоковый, стоковый и затворный электроды и активный слой из органического полупроводника, содержащий канал, расположенный между упомянутыми истоковым и стоковым электродами, причем упомянутый канал переносит носители заряда двух типов противоположной полярности, причем способ содержит этапы, на которых обеспечивают волновод в канале LEFET, причем упомянутый волновод содержит волновод гребневого или реберного типа, причем упомянутый гребень волновода содержит материал, имеющий более высокий показатель преломления, чем упомянутый канал, и подают на LEFET смещение для управления положением рекомбинации упомянутых носителей заряда противоположной полярности, причем упомянутый гребень выравнивают с упомянутым положением рекомбинации, а ширина упомянутого гребня по существу совпадает с шириной упомянутого положения рекомбинации, так что свет, формируемый при рекомбинации, управляемо вводится в упомянутый волновод.

26. Способ по п.25, в котором упомянутый светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) является транзистором с верхним затвором.

27. Способ по п.25, в котором упомянутый светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) имеет затворный электрод, содержащий серебро в качестве металла затвора.

28. Оптоэлектронная интегральная схема, содержащая подложку, несущую светоизлучающий полевой транзистор (LEFET), причем упомянутый LEFET содержит:
истоковый, стоковый и затворный электроды;
канал, расположенный между упомянутыми истоковым и стоковым электродами, и активный слой из органического полупроводника; и
волновод, сформированный в упомянутом канале LEFET, причем упомянутый волновод содержит гребень; и
причем упомянутый активный слой из органического полупроводника находится поверх упомянутого волновода и упомянутых истокового и стокового электродов;
причем упомянутый гребень волновода содержит материал, имеющий более высокий показатель преломления, чем упомянутый органический полупроводник, и
причем на упомянутый светоизлучающий полевой транзистор подается смещение для управления положением рекомбинации упомянутых носителей заряда противоположной полярности в упомянутом канале, и упомянутый гребень выравнивается с упомянутым положением рекомбинации, так что свет, формируемый при упомянутой рекомбинации, управляемо вводится в упомянутый гребень волновода.

29. Оптоэлектронная интегральная схема по п.28, в которой упомянутый светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) является транзистором с верхним затвором.

30. Оптоэлектронная интегральная схема по п.28, в которой упомянутый светоизлучающий полевой транзистор (LEFET) имеет затворный электрод, содержащий серебро в качестве металла затвора.