【儀表網 研發快訊】近日，南方科技大學電子與電氣工程系教授陳樹明課題組成功開發出一種新型量子點發光二極管(QLED)結構，首次達成了膠體量子點(CQDs)的電泵浦表面發射自發輻射放大(ASE)，這一突破為量子點垂直腔面發射激光器(VCSEL)的實現提供了解決方案。研究成果以“Electrically pumped surface-emitting amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots”為題發表在學術期刊Light：Science & Applications。
CQDs因其增益系數高、可溶液加工、顏色可調、成本低廉等優勢，被視為下一代激光二極管的理想增益材料。然而，在實現電泵浦的發射激光，尤其是實現更理想的表面發射激光的研究進程中，一直面臨著兩大挑戰：其一是電流注入不足導致粒子數反轉困難；其二是器件內部光學損耗過高難以獲得正凈增益。針對上述問題，研究團隊創新提出“電-熱-光協同設計”策略。
圖1：量子點增益介質的光學特性和大電流注入QLED的實現
為了達到粒子數反轉狀態(產生激光的必要條件)，需要給量子點注入足夠大的電流。大密度電流下的常規器件(圖1e，左)工作會產生最高溫度可至470 K(圖1f，紅線)的焦耳熱，導致器件過熱失效。面對這一問題，研究團隊從空間、結構和時間方面三管齊下對器件進行熱量管理：在空間上，將發光面積縮小到僅0.01mm²，顯著減少發熱；在結構上，直接在散熱優異的硅(Si)散熱片上制作器件，快速導走熱量；在時間上，使用63 ns超短脈沖電流驅動，避免熱量累積。通過調控，器件在低溫下(153 K)可穩定承受高達2000 A cm-2的驚人電流密度(圖1g)。電致發光光譜中能清晰地觀察到來自CQDs高能級(1P)的強發光(圖1h)，證明實現了粒子數反轉(通過計算，平均每個量子點容納5-6個激子)。
圖2：不同結構QLEDs的光學分析
器件中金屬電極會引發嚴重的光學損耗(吸收損耗、表面等離激元損耗)，且表面發射結構需要半透明電極，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增益區域內。為了解決這一問題，器件采用頂發射(TE)法布里-珀羅(FP)腔結構(圖1e，右側)，使用銀(Ag)和氧化銦鋅(IZO)復合層作為電極(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構進行詳細的光學分析，研究團隊發現所引入的厚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作為相位調節層，使光場主要局域限制在CQDs增益區域內(圖2e-f)。這種結構的光場限制因子高達0.54，是傳統底發射(BE)器件的兩倍以上，該新型器件結構呈現出正凈光學增益，是產生ASE的關鍵。在這種結構中，光場的強局域最大限度提高了光與CQDs增益介質的相互作用，使器件在橫向上產生了較強的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
經過以上電-熱-光的器件協同設計，最終在該新型QLED中觀察到了電泵浦的表面發射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的光致發光(PL)的表面發射ASE信號(圖3a-c)。通過在153 K低溫下施加納秒脈沖電流驅動，使電流密度達到94 A cm-2時(圖3d-f)，電致發光(EL)光譜在634 nm處出現一個尖銳的新峰，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)。根據以上三個特征(新峰、超線性增長、線寬變窄)，可以判斷產生了電泵浦的表面發射ASE。
圖4：器件的輸出特性表征
圖4展示了器件在ASE區域具有減弱的效率滾降(圖4a)，證明大電流密度下器件的發光有放大現象，并且具有優異的發射方向性(圖4c)，優于傳統底發射器件。實物照片直觀顯示了器件的高亮度定向發光(圖4d)。
本研究首次實現了膠體量子點材料的電泵浦表面發射自發輻射放大。研究團隊通過“電-熱-光協同設計”策略，解決了QLED器件存在的大電流注入與正凈光學增益難以兼顧的核心挑戰。該工作為最終開發出低成本、溶液加工的量子點垂直腔面發射激光器奠定了器件基礎，也為QLED在高速光通信、激光顯示、傳感、片上光互連等領域的應用提供重要支撐。
南方科技大學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計劃、國家自然科學基金委和深圳市科創局的資金支持以及南方科技大學分析測試中心的技術支持。
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