日本九州大學研制出有機半導體激光二極管

來源:環球創新智慧    關鍵詞:半導體激光二極管, 激光, 激光技術,    發布時間:2019-06-13

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近日,日本九州大學(Kyushu University)有機光子與電子研究中心(OPERA)的科學家們在《應用物理快報(Applied Physics Express )》期刊上報告稱,他們通過足夠多的數據令人信服地表明,有機半導體激光二極管終于實現了。論文領導作者 Atula S. D. Sandanayaka 表示:“我認為業界中許多人都在懷疑,我們是否真正有一天能實現有機激光二極管。但是,通過改進材料和創新器件結構,慢慢突破各項性能極限,我們最終還是做到了。”

 

半導體激光器,具有體積小、重量輕、壽命長、運轉可靠、能耗低、電光轉換效率高、易于大規模生產以及價格低廉等優勢。

 

日本九州大學研制出有機半導體激光二極管,拓展激光器在光學通信領域的應用

 

封裝好的半導體激光二極管(圖片來源:維基百科)

 

有機激光二極管,被認為是發光器件領域長期以來的一個夢想。它的發光是采用碳基有機材料,而不是傳統器件中使用的無機半導體,例如砷化鎵和氮化鎵。這種激光器,在許多方面類似于有機發光二極管(OLED)。在有機發光二極管中,一層薄薄的有機分子在通電時發光。由于效率高和色彩鮮明,OLED 成為了智能手機顯示屏最受歡迎的選擇之一,而這些顏色很容易通過設計新的有機分子來改變。

 

日本九州大學研制出有機半導體激光二極管,拓展激光器在光學通信領域的應用

 

基于OLED技術的顯示器(圖片來源:Fraunhofer FEP)

 

有機激光二極管能產生更純凈的光線,以實現更多的應用。但是,為了激發激光,它們需要的電流比OLED中所使用的電流高得多。這些極端條件導致之前研究的器件,在激光被觀察到之前就被破壞了。

 

更進一步的復雜進展是,之前聲稱由有機材料產生的電致激光的說法,在某些情況下是錯誤的。由于沒有充分的表征,其他現象被誤認為是激光。

 

發射激光的一個關鍵步驟,就是向有機層中注入大量電流,以達到一種稱為“粒子數反轉(population inversion)”的條件。然而,許多有機材料的高電阻,使得它們在加熱和燃燒之前,難以在材料中獲取足夠的電荷。

 

日本九州大學研制出有機半導體激光二極管,拓展激光器在光學通信領域的應用

 

有機激光二極管在電激下產生藍色激光發射的原理圖(圖片來源:九州大學)

 

最重要的是,在高電流的情況下,大多數有機材料與器件所固有的各種損耗過程會降低效率,使得必要的電流變更高。

 

為了克服這些障礙,Chihaya Adachi 教授領導的研究小組使用了一種高效的有機發光材料(BSBCz)。即使在注入大量電流的情況下,它還是具有相對較低的電阻以及較少量的損耗。但是僅僅擁有正確的材料還是不夠的。

 

他們也設計了一種器件結構,其中一個電極頂部有一個絕緣材料網格,用于將電流注入到有機薄膜中。這種網格也稱為“分布式反饋結構”,可以產生發射激光所需的光學效應。但是,研究人員又更進了一步。

 

日本九州大學研制出有機半導體激光二極管,拓展激光器在光學通信領域的應用

 

Adachi 表示:“通過優化這些網格,我們不僅可以獲取期望的光學特性,而且可以控制器件中的電流,并將觀察有機薄膜發射激光所需的電量最小化。”

 

這項研究為進一步拓展激光器在生物傳感、顯示器、醫療保健和光學通信領域的應用鋪平了道路。研究人員對這些新器件的前景感到很有信心,因此,2019年3月22日,他們創立了一家初創公司(KOALA Tech Inc.),以加速研究和克服有機激光二極管商用的最后障礙。該公司的創始成員 Chihaya Adachi 教授、Jean-Charles Ribierre 博士、Fatima Bencheikh 博士、Takashi Fujihara 博士,目前正在努力改善他們的有機激光二極管,從而將這一最先進的有機發光技術帶給全世界。

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