有机半导体激光器研究的新进展

¹1998-12-02收稿;1999-02-03定稿º国家自然科学基金资助项目»本刊通讯编委

第20卷第4期

半 导 体 光 电

Vol.20No.4

1999年8月

Semiconductor Optoelectronics

Aug.1999

文章编号: 1001-5868(1999)04-0221-05

有机半导体激光器研究的新进展

¹º

刘明大1,»史素姣2,刘宇光3,陆 羽1,石家纬1

(1.吉林大学电子工程系,长春130023;2.北大方正出版系统工程公司,北京100871;3.神华集团公司,北京100081)

摘 要: 近年来,有机半导体激光器已经成为一个新的研究热点。叙述了光泵浦有机半导体激光器的最新研究进展,对实现电泵浦(电注入)有机半导体激光器也进行了评述。

关键词: 半导体激光器 有机半导体 光泵浦 电泵浦中图分类号: TN248.4;TN383.1 文献标识码:A

Recent advance of organic semiconductor lasers

LIU M ing-da 1,SH I Su-jiao 2,LIU Yu-guang 3,LU Yu 1,SH I Jia-wei 1

(1.D ept.of Electronic Engineering,Jilin University,C hangchun 130023,China;

2.Founder Publishing System Engineering C o.,Beijing 100871,China;

3.Shenhua Group of China,Beijing 100081,China)

Abstract: The current study is focused on organic semiconductor lasers .The recent advance in optically pumped organic sem iconductor lasers is review ed,and for demonstration of electrically pumped organic semiconductor lasers,the present g reat goal are also discussed.

Keywords: semiconductor laser,organic semiconductor,optical pump,electrical pump

1 引言

近年来,有机小分子和高分子聚合物电发光(EL)器件,已经取得了重大进展。由于其具有驱动电压低、发光效率高、成膜特性好、全色发光等优点,在显示技术领域受到人们的极大关注。

近两年的大量研究表明,有机半导体是一种新型固体激光材料[1~3],其发光波长范围可以从蓝光到近红外。目前,用有机小分子或高分子聚合物半导体材料,均已制成光泵浦有机半导体激光器(OSL)。其谱线宽度最窄为0.02nm ,最高脉冲功率为5W,最高工作寿命大于1@106h 。光泵浦OSL 的结构有平板波导结构、双异质结结构、DBR 结构、DFB 结构以及微腔结构。

由于有机半导体材料的低成本和能够生长准外延或非外延薄膜,使有机半导体激光器容易与其他

光电子器件集成在一起。有机半导体的特殊光电特性导致OSL 的各项性能(输出功率、量子效率、发射波长)比通常的无机半导体激光器的有更好的温度稳定性。OSL 在光通信和传感器应用方面有潜在的优势,特别是460~540nm 的短波段的光泵浦蓝光OSL,在光存储应用中有着美好的前景。有机半导体激光器的出现,将对信息产业产生重大影响。

研究表明,有机半导体激光材料有三个特征[4]:第一,吸收峰与发射峰偏离较大,导致这些材料的辐射吸收非常小,这是有机半导体激光材料的一个独特优点;第二,有机半导体激光材料含有共轭P (P *

)键结构,因此这些有机半导体激光材料的准一维P y P *

键,带间直接跃迁具有很大的相交密度。通过泵浦激发P y P *

跃迁,将很容易实现粒子数反转;第三,有机半导体激光材料的吸收系数A 很大,典型地A \1@105cm -1,所以它的受激截面和吸收截面都很大,因而增益长度将基本上等于吸收长度,这就意味着与自发辐射相比,受激辐射将占有优势。由此可见,有机半导体激光材料具有容易实现粒子

数反转和受激辐射占优势两大特点。

综上所述,由于有机半导体激光材料具有大的受激截面,在低的光泵浦能量下,就可以实现粒子数反转。而且在增益介质中,发射光子的传播距离大于增益长度。所以在亚微米厚度的薄膜内,使用简单的平板波导结构,就可以实现低阈值增益。

有机半导体激光器受激产生激光,可以由五种现象来进行判定[5]:第一,在输出能量与输入能量(泵浦能量)的关系曲线中出现明显的阈值。在阈值以上有一个高的激光效率;第二,有一个强的偏振光输出;第三,出现立体相干性(远场图有衍射斑点);第四,有效光谱谱线变窄;第五,出现激光器谐振模式。

2光泵浦红光激光器

美国Princeton大学的V.Bulovic等人[1,5]研制出光泵浦红光有机半导体激光器,其增益介质是由Alq3(8羟基喹啉铝)掺DCM激光染料组成的。从最佳设计角度考虑,DCM具有红色的受激发射波长645nm。这个发射波长远离Alq3主体分子的紫外吸收边波长450nm。而DCM的吸收中心,又接近Alq3的最大发射谱波长530nm。所以,这个由Alq3:DCM组成的有源层,对有效的Forster能量传递提供了一个从紫外激发的Alq3主体。这样,泵浦能量通过Alq3主体分子吸收后,非辐射传递给DCM客体分子。由于Alq3发射谱与DCM吸收谱匹配,才能在分子之间有足够的Forster能量传递,所以需要很低浓度的客体分子。只有很低浓度的光活性态密度,才能降低阈值并提高激光器的效率。Alq3与DCM的吸收和发射之间有大的Stokes移动,从而大大降低了受激阈值并增加了器件的工作寿命。

这种光泵浦红光OSL采用平板波导结构和DBR结构。有源区为500nm厚的掺有3%的DCM 的Alq3,在高真空下,通过热蒸发共淀积在DBR介质镜面叠层表面上,如图1所示。在有源层的顶部,再顺次淀积20nm厚的Alq3缓冲层和200nm厚的Ag镜面。Alq3缓冲层降低了有机层与金属界面下的DCM激发淬灭。

OSL的光泵浦采用N2激光器(K=337nm),在50Hz下产生500ps脉宽重复速率。泵浦光束通过DBR叠层入射,当K=337nm时它能透射8%,并

聚焦成圆形。在有机薄膜表面上形成100L m直径的光点。

图1激光器结构(a)和DCM及Alq3的化学结构式(b) Fig.1L aser structure(a)and chemical structur e formulas of DCM and A lq3(b)

Alq3:DCM OSL的发射光谱如图2所示。自发辐射谱阈值比较低,这是由于微腔效应影响的结果。K=635nm的峰相当于腔的模式,如图2(a)所示。在阈值以上的光发射谱,相应能量在300J/cm2以上,则完全受高增益支配,OSL发射谱变窄,如图2 (b)所示。

(a)在衬底垂直方向的自发发射谱(K=635nm处观察到腔的模式);(b)在高泵浦能量下,OSL的受激发射谱。

图2Alq3:DCM DBR O SL的发射光谱

(a)Spontaneous emissio n spectrum in the substrate normal d-i rection(Cavity mode is observed at K=635nm).(b)Emission spectra from the same OSL at a high ex citation level.

F ig.2Emission spectrum o f Alq3:DCM DBR OSL

这种Alq3:DCM DBR有机半导体激光器,具有很窄的光谱线宽(0.02nm?0.01nm),很高的功率(3W),在阈值以上脉冲工作时寿命大于1@106h,受激发射光谱范围随着有源层厚度不同而变化,为589~645nm。研制的Alq3:DCM双异质结光波导

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