【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系教授陳樹明課題組成功開發(fā)出一種新型量子點發(fā)光二極管(QLED)結(jié)構(gòu)，首次達成了膠體量子點(CQDs)的電泵浦表面發(fā)射自發(fā)輻射放大(ASE)，這一突破為量子點垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的實現(xiàn)提供了解決方案。研究成果以“Electrically pumped surface-emitting amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Light：Science & Applications。
 

　　CQDs因其增益系數(shù)高、可溶液加工、顏色可調(diào)、成本低廉等優(yōu)勢，被視為下一代激光二極管的理想增益材料。然而，在實現(xiàn)電泵浦的發(fā)射激光，尤其是實現(xiàn)更理想的表面發(fā)射激光的研究進程中，一直面臨著兩大挑戰(zhàn)：其一是電流注入不足導(dǎo)致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)困難；其二是器件內(nèi)部光學(xué)損耗過高難以獲得正凈增益。針對上述問題，研究團隊創(chuàng)新提出“電-熱-光協(xié)同設(shè)計”策略。
 

圖1：量子點增益介質(zhì)的光學(xué)特性和大電流注入QLED的實現(xiàn)
 

　　為了達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)(產(chǎn)生激光的必要條件)，需要給量子點注入足夠大的電流。大密度電流下的常規(guī)器件(圖1e，左)工作會產(chǎn)生最高溫度可至470 K(圖1f，紅線)的焦耳熱，導(dǎo)致器件過熱失效。面對這一問題，研究團隊從空間、結(jié)構(gòu)和時間方面三管齊下對器件進行熱量管理：在空間上，將發(fā)光面積縮小到僅0.01mm²，顯著減少發(fā)熱；在結(jié)構(gòu)上，直接在散熱優(yōu)異的硅(Si)散熱片上制作器件，快速導(dǎo)走熱量；在時間上，使用63 ns超短脈沖電流驅(qū)動，避免熱量累積。通過調(diào)控，器件在低溫下(153 K)可穩(wěn)定承受高達2000 A cm-2的驚人電流密度(圖1g)。電致發(fā)光光譜中能清晰地觀察到來自CQDs高能級(1P)的強發(fā)光(圖1h)，證明實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(通過計算，平均每個量子點容納5-6個激子)。
 

圖2：不同結(jié)構(gòu)QLEDs的光學(xué)分析
 

　　器件中金屬電極會引發(fā)嚴重的光學(xué)損耗(吸收損耗、表面等離激元損耗)，且表面發(fā)射結(jié)構(gòu)需要半透明電極，進一步削弱光場限制。為了減少損耗、提高凈增益，需要將光場最大限度地限制在CQDs增益區(qū)域內(nèi)。為了解決這一問題，器件采用頂發(fā)射(TE)法布里-珀羅(FP)腔結(jié)構(gòu)(圖1e，右側(cè))，使用銀(Ag)和氧化銦鋅(IZO)復(fù)合層作為電極(Ag/IZO底部反射電極及IZO/Ag頂部半透明電極)。通過對該新型器件結(jié)構(gòu)進行詳細的光學(xué)分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)所引入的厚IZO層幾乎完全消除了金屬Ag電極引起的SPP光損耗(圖2b)，并且將IZO作為相位調(diào)節(jié)層，使光場主要局域限制在CQDs增益區(qū)域內(nèi)(圖2e-f)。這種結(jié)構(gòu)的光場限制因子高達0.54，是傳統(tǒng)底發(fā)射(BE)器件的兩倍以上，該新型器件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出正凈光學(xué)增益，是產(chǎn)生ASE的關(guān)鍵。在這種結(jié)構(gòu)中，光場的強局域最大限度提高了光與CQDs增益介質(zhì)的相互作用，使器件在橫向上產(chǎn)生了較強的ASE信號。通過CQDs層的有效散射，橫向ASE信號最終從垂直方向出射，形成能夠探測的表面出射ASE。
 

圖3：光泵浦和電泵浦ASE光譜
 

　　經(jīng)過以上電-熱-光的器件協(xié)同設(shè)計，最終在該新型QLED中觀察到了電泵浦的表面發(fā)射ASE。在77 K低溫下，用飛秒激光泵浦，成功觀測到閾值僅為10μJ cm-2的光致發(fā)光(PL)的表面發(fā)射ASE信號(圖3a-c)。通過在153 K低溫下施加納秒脈沖電流驅(qū)動，使電流密度達到94 A cm-2時(圖3d-f)，電致發(fā)光(EL)光譜在634 nm處出現(xiàn)一個尖銳的新峰，該峰強度隨電流密度超線性增長(斜率k從0.8增至1.2)，光譜線寬顯著變窄(從24 nm縮至15 nm)。根據(jù)以上三個特征(新峰、超線性增長、線寬變窄)，可以判斷產(chǎn)生了電泵浦的表面發(fā)射ASE。
 

圖4：器件的輸出特性表征
 

　　圖4展示了器件在ASE區(qū)域具有減弱的效率滾降(圖4a)，證明大電流密度下器件的發(fā)光有放大現(xiàn)象，并且具有優(yōu)異的發(fā)射方向性(圖4c)，優(yōu)于傳統(tǒng)底發(fā)射器件。實物照片直觀顯示了器件的高亮度定向發(fā)光(圖4d)。
 

　　本研究首次實現(xiàn)了膠體量子點材料的電泵浦表面發(fā)射自發(fā)輻射放大。研究團隊通過“電-熱-光協(xié)同設(shè)計”策略，解決了QLED器件存在的大電流注入與正凈光學(xué)增益難以兼顧的核心挑戰(zhàn)。該工作為最終開發(fā)出低成本、溶液加工的量子點垂直腔面發(fā)射激光器奠定了器件基礎(chǔ)，也為QLED在高速光通信、激光顯示、傳感、片上光互連等領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要支撐。
 

　　南方科技大學(xué)電子與電氣工程系博士生田豐收為論文第一作者，陳樹明為論文通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。電子與電氣工程系陳銳教授課題組為本研究中光學(xué)表征部分提供了重要支持，陳銳課題組博士生張軒宇、任志媛、王珊為本研究的重要貢獻者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委和深圳市科創(chuàng)局的資金支持以及南方科技大學(xué)分析測試中心的技術(shù)支持。