Klimov团队Nature力作：开启半导体量子点激光电泵浦时代

NSCD 9个月前 (05-21) 1236浏览

  • 【导读】

半导体量子点具有合成简单、吸收截面大、发光效率高、易于集成等得天独厚的优势，是新型激光器增益介质最有潜力的候选者。目前，基于量子点的激光仍停留在光泵浦阶段，大大限制了其实际应用。通过抑制量子点本身的快速俄歇弛豫同时降低整个器件的光损耗是获得电泵浦量子点激光从而实现量子点激光应用潜力的关键。

  • 【成果掠影】

近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Klimov团队在Nature上发表了新的研究论文，通过构建具有近连续组分分布的CdSe/Cd1−xZnxSe/ZnSe0.5S0.5/ZnS的核壳量子点并结合新型的器件结构设计，在电泵浦条件下成功观察到了放大自发辐射（ASE）。在本研究中，作者首先阐明了要实现电泵浦量子点激光所需解决的两个挑战：量子点的快速俄歇弛豫和器件的光损耗。基于以上分析，作者首先合成了具有渐变壳层结构的量子点（ccg-QDs），显著抑制了多激子条件下的俄歇复合，所得到的量子点双激子寿命长达1.9 ns，量子效率达到38%。此外，较低的壳层厚度，有助于增大量子点的排布密度从而增大了增益系数。在此基础上，作者将分布式布拉格反射器（DBR）与传统二极管结构集成，从而获得布拉格反射波导（BRW）。利用该结构可以将光场限制在量子点增益层，同时减小了导电层中的光损耗。通过以上两个方面的工作，作者成功在电泵浦的条件下获得了发射峰位于1.94 eV和2.09 eV的分别属于1S和1P能级向基态跃迁的窄带ASE发射。这两个发射峰的峰值位置与光泵浦情况下相同且发光强度随电荷注入水平的提升表现出ASE特征的超线性增长。

相关研究文章以“Electrically driven amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots”为题发表在Nature上。

  • 【核心创新点】

利用成分渐变核壳结构量子点低的俄歇弛豫并结合具有低光损失的器件设计成功获得了电泵浦量子点放大自发辐射。

  • 【数据概览】

图1ccg-QDs的光学和电致发光特征 ©2023 Springer Nature

图2参考器件和BRW器件中的光波导模式 ©2023 Springer Nature

图3BRW结构中的电泵浦ASE ©2023 Springer Nature

图4BRW器件的输出特征 ©2023 Springer Nature

  • 【成果启示】

综上，获得电泵浦量子点ASE具有重要意义，若能将现有器件与光学谐振腔结合，将最终获得电泵浦量子点激光器。

原文详情：Electrically driven amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots, Nature, 2023, 617, 79-85.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05855-6

本文由NSCD供稿。

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