导读

胶体量子点（CQDs）因其增益系数高、可溶液加工、颜色可调、成本低廉等优势，被视为下一代激光二极管的理想增益材料。然而，实现电泵浦的激光，特别是更理想的表面发射激光，一直面临两大“拦路虎”：电流注入不足导致粒子数反转困难，以及器件内部光学损耗过高难以获得正的净增益。针对以上问题，南方科技大学陈树明教授团队创新性地提出“电-热-光协同设计”策略，成功开发出一种新型量子点发光二极管（QLED）结构，首次实现了CQDs的电泵浦表面发射自发辐射放大（ASE）！这一突破为量子点垂直腔面发射激光器（VCSEL）的实现提供了解决思路。相关研究成果以“Electrically pumped surface-emitting amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

CQDs具有发射波长可调、高光致发光量子产率及良好的热稳定性，被认为是实现低成本、可溶液加工激光二极管的理想增益材料。近年来，CQDs薄膜已实现了低阈值的光泵浦ASE与激光。然而，要实现电泵浦ASE，必须在器件中同时实现大电流注入且光学增益大于损耗。这面临几项关键挑战：（1）大电流注入带来的热积累，破坏器件的稳定性，同时增加激子的非辐射复合概率；（2）大电流下，多激子效应引起的非辐射复合损耗；（3）器件存在较高的光学损耗（如电极吸收、光场约束不足），即使在大电流下实现了粒子数反转，也难以获得正的净增益。因此，在器件层面，如何通过电-热-光学上的协同设计，实现高效电流注入、有效热管理与强光场约束，从而突破CQDs电泵浦表面发射ASE的瓶颈，是该研究所要解决的核心问题。

研究亮点

为了达到粒子数反转状态（产生激光的必要条件），需要给量子点注入足够大的电流，大电流密度下工作会产生巨大的焦耳热，常规器件（图1e，左）最高温度可飙升至470 K（图1f，红线），导致器件过热失效。面对这一问题，研究团队从空间、结构和时间方面三管齐下对器件进行热量管理。在空间上，将发光面积缩小到仅0.01 mm²，极大减少发热；在结构上，直接在散热优异的硅（Si）散热片上制作器件，快速导走热量；在时间上，使用超短脉冲（63 ns）电流驱动，避免热量累积。通过以上三方面的调控，器件在低温下（153 K）可稳定承受高达2000 A cm^－2的惊人电流密度（图1g）。 电致发光光谱中清晰地观察到了来自CQDs高能级（1P）的强发光（图1h），证明了粒子数反转的实现（通过计算，平均每个量子点容纳5-6个激子）。

图1：量子点增益介质的光学特性和大电流注入QLED的实现。

器件中金属电极会引发严重的光学损耗（吸收损耗、表面等离激元损耗），且表面发射结构需要半透明电极，会减弱光场限制。为了减少损耗，提高净增益，需要将光场最大限度地限制在CQDs增益区域内。为了解决这一问题，器件采用顶发射（TE）法布里-珀罗（FP）腔结构（图1e，右侧），使用银（Ag）和氧化铟锌（IZO）复合层作为电极（Ag/IZO底部反射电极及IZO/Ag顶部半透明电极）。通过对该新型的器件结构进行了详细的光学分析，发现所引入的厚IZO层几乎完全消除了金属Ag电极引起的SPP光损耗（图2b），并且IZO作为相位调节层，使光场主要局域在CQDs增益区域内（图2e-f）。这种结构的光场限制因子高达0.54，是传统底发射（BE）器件的两倍以上，使该新型器件结构呈现出了正的净光学增益，这是产生ASE的关键。这种结构中光场的强局域最大限度的提高了光与CQDs增益介质的相互作用，使器件在横向上产生了较强的ASE信号。横向ASE信号通过CQDs层的有效散射，最终从垂直方向出射，形成能够探测的表面出射ASE。

图2：不同结构QLEDs的光学分析。

经过以上电-热-光的器件协同设计，最终在该新型QLED中观察到了电泵浦的表面发射ASE。 在77 K低温下，用飞秒激光泵浦，成功观测到阈值仅为 10 μJ cm^－2的光致发光（PL）的表面发射ASE信号（图3a-c）。在153 K低温下，施加纳秒脉冲电流驱动，当电流密度达到 94 A cm^－2时（图3d-f）：电致发光（EL）光谱在634 nm处出现一个尖锐的新峰；该峰强度随电流密度超线性增长（斜率k从0.8增至1.2）；光谱线宽显著变窄（从24 nm缩至15 nm）。根据以上三个特征（新峰、超线性增长、线宽变窄），可以判断产生了电泵浦的表面发射ASE。

图3：光泵浦和电泵浦ASE光谱。

图4展示了器件在ASE区域具有减弱的效率滚降（图4a），证明大电流密度下器件的发光有放大现象。并且具有优异的发射方向性（图4c），远胜于传统底发射器件。实物照片直观显示了器件的高亮度定向发光（图4d）。

图4：器件的输出特性表征。

总结与展望

首次实现了胶体量子点材料的电泵浦表面发射自发辐射放大。通过“电-热-光协同设计”策略，解决了QLED器件存在的大电流注入与正的净光学增益难以兼顾的核心挑战。该工作为最终开发出低成本、溶液加工的量子点垂直腔面发射激光器奠定了器件基础，也为QLED在高速光通信、激光显示、传感、片上光互联等领域的应用打下基础。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01972-1