CN109687290A - 电泵浦钙钛矿复合腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电泵浦钙钛矿复合腔激光器，属于量子点激光器领域。本发明提供的电泵浦钙钛矿复合腔激光器包括：发光单元，从上至下依次包括N型电极、电子传输层、钙钛矿量子点层、空穴传输层以及P型电极；绝缘微盘，包括圆盘和侧向光栅；所述绝缘微盘嵌于所述发光单元之间；所述绝缘微盘的等效折射率与所述发光单元的等效折射率不同。本发明通过增加带侧向光栅的绝缘微盘，使发光单元与绝缘微盘形成回音壁模式共振，极大地提高了钙钛矿激光外量子的效率。

Description

电泵浦钙钛矿复合腔激光器

技术领域

本发明涉及量子点激光器领域，尤其涉及一种电泵浦钙钛矿复合腔激光器。

背景技术

钙钛矿材料有相同的化学结构式：ABX3。其中A为一价阳离子，B为二价金属阳离子，X为卤族元素或者卤族元素的混合。钙钛矿材料作为一种新兴的光电有源材料，被广泛地应用于光电领域并取得了飞快的进展，例如光伏太阳能电池，光电探测器，场效应晶体管和LED。钙钛矿材料具有优越的光电特性，包括吸收系数高、光泵量子效率高、长扩散长度和高迁移率等。

除此以外，钙钛矿制备方法简单，相比于其他CdSe等量子点成本低廉，发光波长可以覆盖整个可见光谱且颜色纯度高。这些特性，使得钙钛矿材料在显示和通信上有着巨大潜力。

目前关于钙钛矿激光器的研究主要集中在光泵，光泵的钙钛矿激光器主要采用回音壁模式、DFB垂直腔面、FP腔以及随机激光等谐振腔类型。而电泵的钙钛矿激光器一直没有报道，仅有电泵的钙钛矿LED。钙钛矿材料本身的量子效率高，但由于耦合等因素限制，目前最高的外量子效率在23％左右，效率较低。

现有的齿轮状的谐振腔的结构都是直接将有源层加工成齿轮状进行光泵，有源层中产生的光经过齿轮结构的回音壁模式共振形成激射。但是，直接刻蚀有源层，会引入损伤，导致缺陷增加，引入损耗；并且现有的齿轮状的谐振腔的结构不能应用于难以使用常规的刻蚀手段或者压印技术的有源材料，如钙钛矿材料。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种电泵浦钙钛矿复合腔激光器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种电泵浦钙钛矿复合腔激光器，包括：

发光单元，从上至下依次包括N型电极、电子传输层、钙钛矿量子点层、空穴传输层以及P型电极；

绝缘微盘，包括圆盘和侧向光栅；

所述绝缘微盘嵌于所述发光单元之间；所述绝缘微盘的等效折射率与所述发光单元的等效折射率不同。

在一些实施例中，所述侧向光栅与所述发光单元相间排列；所述侧向光栅与所述发光单元的形状为矩形、梯形、三角形、圆形或椭圆形。

在一些实施例中，所述绝缘微盘为所述电泵浦钙钛矿复合腔激光器的谐振腔，用于限制电流注入。

在一些实施例中，所述绝缘微盘的谐振波长和所述钙钛矿量子点层中钙钛矿材料的发光波长相同。

在一些实施例中，所述钙钛矿量子点层是采用溶液法、分子束外延法或者有机金属化学气相沉积法制备成的钙钛矿量子点薄膜或者钙钛矿量子点纳米晶体。

在一些实施例中，所述电子传输层采用的材料为金属氧化物氧化钛、氧化锌、氧化锡或者有机材料PC61BM、ICBA。

在一些实施例中，所述空穴传输层采用材料为spiro-OMeTAD、NiO或者TiO。

在一些实施例中，所述N型电极的材料为Al、Au或者Ag；所述P型电极的材料为ITO、FTO或者Au。

在一些实施例中，所述电泵浦钙钛矿复合腔激光器还包括反射层；所述反射层位于所述P型电极下方。

在一些实施例中，所述反射层为反射率大于P型电极和空气界面的反射率的薄膜。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明电泵浦钙钛矿复合腔激光器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本发明由发光单元和绝缘微盘组合而成，结构简单，易于实现；

(2)本发明通过增加带侧向光栅的绝缘微盘结构，使发光单元和绝缘微盘耦合形成盘内回音壁模式共振，并经侧向光栅耦合输出，实现激射，极大地提高了钙钛矿激光外量子的效率；

(3)本发明通过调整发光单元的间距和尺寸，可以使发光单元和绝缘微盘之间形成不同谐振波长的回音壁模式共振；

(4)本发明通过调整发光单元或者侧向光栅的形状，可以更进一步提高钙钛矿激光外量子的效率，实现激射的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电泵浦钙钛矿复合腔激光器的纵向截面示意图；

图2为本发明实施例提供的绝缘微盘的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电泵浦钙钛矿复合腔激光器的结构示意图；

图4为图3中电泵浦钙钛矿复合腔激光器在Comsol二维模拟中的频谱结果示意图；

图5为图4中575THz频率处的电场模式分布图；

图6为本发明实施例提供另一种电泵浦钙钛矿复合腔激光器的结构示意图；

图7为图6中电泵浦钙钛矿复合腔激光器在Comsol二维模拟中的频谱结果示意图；

图8为图7中448THz频率处的电场模式分布图。

【附图中本发明实施例主要元件符号说明】

10-发光单元；

11-N型电极；12-电子传输层；13-钙钛矿量子点层；14-空穴传输层；15-P型电极；16-反射层；

20-绝缘微盘；

21-圆盘；22-侧向光栅。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种电泵浦钙钛矿复合腔激光器，可以解决现有技术中存在的结构复杂，钙钛矿材料的外量子效率较低，难以实现不同远场模式的激射的技术问题。

参见图1和图2，本发明实施例提供了一种电泵浦钙钛矿复合腔激光器，包括：

发光单元10，从上至下依次包括N型电极11、电子传输层12、钙钛矿量子点层13、空穴传输层14以及P型电极15；其中，电子传输层12采用具有电子传输能力的材料，例如氧化钛、氧化锌、氧化锡等金属氧化物以及PC61BM、ICBA等有机材料，用于实现电子传输以及阻止空穴传输；钙钛矿量子点层13为由溶液法、分子束外延法或者有机金属化学气相沉积法等方法制备出的钙钛矿量子点薄膜或者纳米晶体；空穴传输层14采用具有空穴传输能力的材料，例如spiro-OMeTAD，NiO、TiO等，用于实现空穴传输以及阻止电子传输；N型电极和P型电极分别为钙钛矿量子点太阳能电池、LED和激光器中可以使用的负极材料和正极材料，如Al、Ag或者透明电极ITO等，用于接入电源的负极和正极；

绝缘微盘20，包括圆盘21和侧向光栅22；

侧向光栅和发光单元的形状22可以是矩形、梯形、三角形、圆形或者椭圆形等。

其中，绝缘微盘20嵌于发光单元10之间；绝缘微盘20的等效折射率与发光单元10的等效折射率不同。

本发明实施例提供的电泵浦钙钛矿复合腔激光器由发光单元和绝缘微盘组合而成，结构简单，已于实现。

在本发明实施例中，发光单元10还可以包括反射层16，并要求反射层16为反射率大于P型电极15和空气界面的反射率的薄膜，反射层16用于提高光的提取效率。

在本发明实施例中，绝缘微盘20并不限于只能嵌入发光单元10的空穴传输层14中，还可以嵌入到发光单元10的其他结构中；绝缘微盘20为电泵浦钙钛矿复合腔激光器提供谐振腔，用于限制电流注入。

谐振腔的原理是，非法光区和发光单元的等效折射率不同，发光单元打出的光通过非发光去相互耦合，沿着非法光区的边缘形成驻波，实现谐振。

在本发明实施例中，绝缘微盘20即为电泵浦钙钛矿复合腔激光器的谐振腔，绝缘微盘20的等效折射率与发光单元10的等效折射率不同，所以发光单元10中钙钛矿量子点层13中载流子复合发出的光与绝缘微盘20中的圆盘21互相耦合，形成盘内回音壁模式谐振波共振，经侧向光栅22耦合输出，从而实现谐振波激射，极大地提高了钙钛矿量子点的外量子效率。

在本实施例中，发光单元10与绝缘微盘20的关系为：

2πr＝2m(s+w) (1)

其中，r为绝缘微盘的半径，s为发光单元的间距、w为发光单元宽度，m为正整数。

回音壁模式的传播公式为：

n·2πr＝mλ (2)

其中，n为谐振腔的折射率，λ为谐振波长。

根据公式(1)和(2)可得，发光单元10的间距和宽度会影响谐振腔的谐振波长。因此，本发明可以通过调整发光单元10的间距和宽度，使得发光单元和绝缘微盘形成不同谐振波长的回音壁模式共振。

例如，图3所示的电泵浦钙钛矿复合腔激光器为在购买的ITO导电玻璃即P型电极15上，生长270纳米厚的氮化硅层作为绝缘层即圆盘21；通过电子束曝光及ICP刻蚀出图中所示的为带侧向光栅22的绝缘层结构绝缘微盘20；然后依次旋涂空穴传输层14、钙钛矿量子点层13、电子传输层12，然后通过剥离的办法制备出和绝缘层图形相对应的N型电极11，形成发光单元10。其中，发光单元10采用矩形形状，宽度70纳米，长度250纳米；钙钛矿量子点层13中的载流子复合发出的光子通过空穴传输层14，在绝缘微盘20中谐振，最终从N型电极11出光。

用Comsol对图3中的电泵浦钙钛矿复合腔激光器进行二维模拟，其频谱结果示意图如图4所示，该激光器在565THz-595THz之间出现多个单峰，在575THz出现谐振效果，实现高品质的单模波导耦合出光。图5示出了图4中575THz频率处的电厂模式分布，图中存在明显的模式雁阵腔的边缘呈放射状分布的现象，显示出是回音壁模式。

为了提高光的输出效率，可以在导电玻璃的另一面镀一层高反射率材料，如Al，形成反射层16。

例如，图6所示的电泵浦钙钛矿复合腔激光器为在购买的ITO导电玻璃即P型电极15上，生长150纳米厚的氧化硅作为绝缘层即圆盘21，通过电子束曝光及ICP刻蚀出图中所示的带侧向光栅22的绝缘微盘20，然后依次旋涂空穴传输层14、量子点层13、电子传输层12，然后通过剥离的办法制备出和绝缘层图形相对应的Al电极-N型电极11，形成发光单元10。其中发光单元10采用矩形结构，宽度98纳米，长度300纳米；钙钛矿量子点层13中的载流子复合发出的光子通过空穴传输层14，在绝缘微盘20中谐振，最终从N型电极11出光。

用Comsol二维模拟，图6中的电泵浦钙钛矿复合腔激光器的频谱结果示意图如图7所示，该激光器在448THz时出现谐振效果，实现高品质的单模波导耦合出光。图8示出了图7中448THz频率处电场模式分布，图中存在明显的模式雁阵腔的边缘呈放射状分布的现象，显示出具有回音壁模式。

由图4和图7可见，发光单元10的间距和宽度会影响谐振腔的谐振波长，发光单元10不同的间距和宽度和绝缘微盘20会形成不同谐振波长的回音壁模式共振。

周期性结构单元的形状对于激光器的单模特性和大功率都有着重大的影响，激光器中的发光单元为三角形时，三角形的非对称特性会极大地提高了激光器的输出效率，且保证了激光器的单模激射的效果。侧向光栅属于一维的周期性结构单元，因此不同的光栅形状可进一步增强外量子效率，实现激射。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电泵浦钙钛矿复合腔激光器，其特征在于，包括：

发光单元，从上至下依次包括N型电极、电子传输层、钙钛矿量子点层、空穴传输层以及P型电极；

绝缘微盘，包括圆盘和侧向光栅；

所述绝缘微盘嵌于所述发光单元之间；所述绝缘微盘的等效折射率与所述发光单元的等效折射率不同。

2.根据权利要求1所述的电泵浦钙钛矿复合腔激光器，其特征在于，所述侧向光栅与所述发光单元相间排列；所述侧向光栅与所述发光单元的形状为矩形、梯形、三角形、圆形或椭圆形。

3.根据权利要求1所述的电泵浦钙钛矿复合腔激光器，其特征在于，所述绝缘微盘为所述电泵浦钙钛矿复合腔激光器的谐振腔，用于限制电流注入。

4.根据权利要求3所述的电泵浦钙钛矿复合腔激光器，其特征在于，所述绝缘微盘的谐振波长和所述钙钛矿量子点层中钙钛矿材料的发光波长相同。

5.根据权利要求1所述的电泵浦钙钛矿复合腔激光器，其特征在于，所述钙钛矿量子点层是采用溶液法、分子束外延法或者有机金属化学气相沉积法制备成的钙钛矿量子点薄膜或者钙钛矿量子点纳米晶体。

6.根据权利要求1所述的电泵浦钙钛矿复合腔激光器，其特征在于，所述电子传输层采用的材料为金属氧化物氧化钛、氧化锌、氧化锡或者有机材料PC61BM、ICBA。

7.根据权利要求1所述的电泵浦钙钛矿复合腔激光器，其特征在于，所述空穴传输层采用材料为spiro-OMeTAD、NiO或者TiO。

8.根据权利要求1所述的电泵浦钙钛矿复合腔激光器，其特征在于，所述N型电极的材料为Al、Au或者Ag；所述P型电极的材料为ITO、FTO或者Au。

9.根据权利要求1所述的电泵浦钙钛矿复合腔激光器，其特征在于，所述电泵浦钙钛矿复合腔激光器还包括反射层；所述反射层位于所述P型电极下方。

10.根据权利要求9所述的电泵浦钙钛矿复合腔激光器，其特征在于，所述反射层为反射率大于P型电极和空气界面的反射率的薄膜。