コロイド状量子ドットレーザーダイオード実現が間近に迫る

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(Colloidal quantum dot laser diodes are just around the corner)

2020/1/14 アメリカ合衆国・ロスアラモス国立研究所(LANL)

Colloidal quantum dots operationg in LED mode.

・ LANL が、光共振構造を持たせた LED に、コロイド状量子ドットを統合した半導体レーザーを開発。

・ 2 種類の機能を提供する同新デバイスは、多用途で製造に利用し易い半導体レーザー実現の明確な道筋を提示。フォトニクス、オプトエレクトロニクスから化学センシングや医療診断まで、様々な分野に革新をもたらす可能性が期待できる。

・量子ドット化学とデバイスのエンジニアリングの進展に伴った今回のブレイクスルーは、溶液を用いた半導体レーザー構築の実現が近いことを示すもの。量子ドットディスプレイやテレビはすでに商品化が進んでいるが、次に登場するのはコロイド状量子ドットレーザーであると考える。

・高度な積層技術を要する現行の半導体レーザーに比して、コロイド状量子ドットレーザーは安価でシンプルな方法で製造できる。溶液プロセスによるレーザーは、研究室やより緩やかな工場条件下で作製でき、光集積回路や光回路構成、ラボ・オン・チッププラットフォームやウェアラブルデバイス等の様々な新興分野に役立つデバイス開発につながる可能性を提供する。

・ LANL の量子ドットチームは、過去二十年間にわたり、コロイダル化学で作製した半導体ナノ結晶をベースとしたレーザーデバイスの基礎と応用について研究してきた。コロイド状量子ドットは、溶液で容易に合成し、様々なオプティカル、エレトロニック、オプトエレクトロニックデバイスを作製できる。さらに、レーザーアプリケーションでは、ドットのサイズを調整することで従来の半導体レーザーでは不可能な発光色が得られる。

・量子ドット発光層への電荷キャリア注入を妨げることなく LED 構造に直接光共振器を統合し、光ポンピングによる低しきい値レーザーとしての機能も提供する LED の作動を実証。さらに、このような多層デバイス構造の入念な設計により、約 50nm 幅の極薄い量子ドット内で放出光の閉じ込めに成功。

これは、電流による量子ドットの効率的な励起に加え、レーザー効果獲得において重要。

・また、LANL 量子ドットチームによる長期間の研究で開発された、レーザーアプリケーションに最適な量子ドットの合成方法も本実証の成功に一役を担った。

・残る課題は、量子ドット活性媒体が光増幅器に転換する状態である「反転分布」の達成に充分な電流密度の獲得。

・本研究には、LANL Laboratory Directed Research and Development プログラムが資金を提供した。

URL:  https://www.lanl.gov/discover/news-release-archive/2020/January/0114-colloidal-quantum-dot.php?source=newsroom

(関連情報) 

Nature Communications 掲載論文(フルテキスト)

Optically pumped colloidal-quantum-dot lasing in LED-like devices with an integrated optical cavity

URL:  https://www.nature.com/articles/s41467-019-14014-3

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

Realization of electrically pumped lasing with solution processable materials will have a revolutionary impact on many disciplines including photonics, chemical sensing, and medical diagnostics. Due to readily tunable, size-controlled emission wavelengths, colloidal semiconductor quantum dots (QDs) are attractive materials for attaining this goal. Here we use specially engineered QDs to demonstrate devices that operate as both a light emitting diode (LED) and an optically pumped laser. These structures feature a distributed feedback resonator integrated into a bottom LED electrode. By carefully engineering a refractive-index profile across the device, we are able to obtain good confinement of a waveguided mode within the QD medium, which allows for demonstrating low-threshold lasing even with an ultrathin (about three QD monolayers) active layer. These devices also exhibit strong electroluminescence (EL) under electrical pumping. The conducted studies suggest that the demonstrated dual-function (lasing/EL) structures represent a promising device platform for realizing colloidal QD laser diodes.

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