近日，南方科技大学电子与电气工程系教授陈树明课题组成功开发出一种新型量子点发光二极管（QLED）结构，首次达成了胶体量子点（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）的实现提供了解决方案。研究成果以“Electrically pumped surface-emitting amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots”为题发表在学术期刊Light：Science & Applications。

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，在实现电泵浦的发射激光，尤其是实现更理想的表面发射激光的研究进程中，一直面临着两大挑战：其一是电流注入不足导致粒子数反转困难；其二是器件内部光学损耗过高难以获得正净增益。针对上述问题，研究团队创新提出“电-热-光协同设计”策略。

图1：量子点增益介质的光学特性和大电流注入QLED的实现

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。大密度电流下的常规器件（图1e，左）工作会产生最高温度可至470 K（图1f，红线）的焦耳热，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0.01mm²，显著减少发热；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63 ns超短脉冲电流驱动，避免热量累积。通过调控，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）。电致发光光谱中能清晰地观察到来自CQDs高能级（1P）的强发光（图1h），证明实现了粒子数反转（通过计算，平均每个量子点容纳5-6个激子）。

图2：不同结构QLEDs的光学分析

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，进一步削弱光场限制。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）。通过对该新型器件结构进行详细的光学分析，研究团队发现所引入的厚IZO层几乎完全消除了金属Ag电极引起的SPP光损耗（图2b），并且将IZO作为相位调节层，使光场主要局域限制在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，该新型器件结构呈现出正净光学增益，是产生ASE的关键。在这种结构中，光场的强局域最大限度提高了光与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。通过CQDs层的有效散射，横向ASE信号最终从垂直方向出射，形成能够探测的表面出射ASE。

图3：光泵浦和电泵浦ASE光谱

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10μJ cm^－2的光致发光（PL）的表面发射ASE信号（图3a-c）。通过在153 K低温下施加纳秒脉冲电流驱动，使电流密度达到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4：器件的输出特性表征

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），优于传统底发射器件。实物照片直观显示了器件的高亮度定向发光（图4d）。

本研究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。研究团队通过“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、片上光互连等领域的应用提供重要支撑。

南方科技大学电子与电气工程系博士生田丰收为论文第一作者，陈树明为论文通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。电子与电气工程系陈锐教授课题组为本研究中光学表征部分提供了重要支持，陈锐课题组博士生张轩宇、任志媛、王珊为本研究的重要贡献者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和深圳市科创局的资金支持以及南方科技大学分析测试中心的技术支持。

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李薇

文字：田丰收

编辑：任奕霏