Оптоэлектронные устройства

Оптоэлектронные устройства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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