Solution-processed quantum dot infrared lasers
Authors:   , Taghipour Nima 
Published: December 2023

(English) Colloidal semiconductors quantum dots (CQDs) have emerged as a promising solutionprocessed gain material that can be engineered via low-cost and scalable chemical techniques. Owing to quantum confinement, their emission wavelengths and optical properties can be tuned from the visible to the infrared. Despite these possible advantages, the realization of lasing action in CQDs is complicated and fundamentally stems from the non-unity degeneracy of the band-edge state. This results in high optical gain thresholds, demanding multiexcitons for achieving lasing action. This, in turn, leads to a very short optical gain lifetime which is caused by Auger recombination.
Following the first demonstration of lasing action in CQDs, this field has thus far experienced remarkable development with materials offering emission in the visible showing limited application potential. However, the possibility of lasing in the infrared
region would open a new realm of applications for this material platform in optical telecommunications, photonic integrated circuits, and LIDAR applications. To unleash those applications, the demonstration of solution-processed infrared lasers in the eye-safe window between 1.5-1.6 µm operating robustly at room temperature is a prerequisite.
Midgap trap states in CQDs limit the performance of optoelectronics devices. In particular, PbS CQDs suffer from a very fast trap-assisted Auger process leading to high lasing thresholds. To suppress this type of Auger process, in this work, we use a binary nanocomposite of PbS CQDs and ZnO nanocrsystals (NCs) where the former serves as the infrared gain medium and the latter as a remote passivant for midgap traps in PbS CQDs. This binary heterostructure drastically suppresses the Auger process and lowers the lasing thresholds.
Low threshold infrared CQD-laser has been thought to be not possible because of 8-fold degeneracy of the band-edge state in the infrared-emitting Pb-chalcogenide CQDs. In this Thesis, we demonstrate that using core-alloyed shell heterostructured
CQD comprising PbS as core and PbSSe as shell allows suppressing Auger process. Furthermore, by applying doping to specially engineered CQDs, we demonstrate a substantial reduction in lasing threshold down to sub-single exciton level per-dot thanks to the blocking of the ground state absorption. Employing these CQDs has drastically improved the net modal coefficient of the medium and brought it on par with a gain coefficient of epitaxially grown III-V infrared semiconductors.
The realization of CQD infrared laser-diodes will have a profound impact in many disciplines. Here, by engineering the electric field distribution in our devices, we show stimulated emission in a record ultra-thin gain media which is beyond the slab
waveguide theoretical limit by introducing scatterers implemented by ZnO NCs. We employ this thin gain media as the active layer in a full-stack light emitting diode (LED) device. Also, to overcome the existing challenge underpinned by the optical losses of the metal contacts that have prevented the realization of stimulated emission in a LED, we use an engineered transparent conductive oxide and graphene as anode and cathodeof the LED, respectively. Finally, our proposed LED structure leads us to realize a dual function device showing strong infrared spontaneous- and stimulated-emission under
electrical- and optical-pumping, respectively.
In summary, we have demonstrated that CQDs can emerge as a robust technology for the realization of infrared lasers. Our proposed CQD systems lead us to achieve high performance laser devices under optical excitation and using CQD heterostructures asan active medium in the proposed LED structure paves the way towards the future development of infrared CQD-laser diodes.
(Español) Los puntos cuánticos de semiconductor sintetizados mediante procesos coloidales (CQDs) han resultado ser un prometedor medio de ganancia cuya obtención puede llevarse a cabo mediante técnicas de bajo coste y alta reproducibilidad química. Gracias al efecto del confinamiento cuántico, su longitud de onda puede modularse con precisión desde el visible hasta el infrarrojo. A pesar de todas estas ventajas, conseguir acción láser utilizando estos materiales presenta una gran dificultad, originada fundamentalmente por el alto grado de degeneración de los niveles energéticos más bajos, dando lugar a umbrales ópticos más altos. Esto hace que se requiera de múltiples excitones para conseguir la acción láser, lo que a su vez resulta en tiempos de ganancia muy reducidos por culpa de la recombinación Auger.
Tras la primera demostración del láser utilizando CQDs, este campo ha experimentado un importante desarrollo utilizando materiales con emisión en el visible, limitando sus potenciales aplicaciones. La obtención de luz láser en la región infrarroja supondría por tanto un nuevo abanico de posibilidades para tecnologías tales como las telecomunicaciones ópticas, la fotónica integrada, la imagen biomédica o las aplicaciones LIDAR. Para la realización de todas ellas, es requisito fundamental el desarrollo de láseres infrarrojos en el rango 1.5-1.6 ¿m y que puedan operar a temperatura ambiente de forma estable.
Las trampas electrónicas dentro de la banda prohibida son factores limitantes en el funcionamiento de los dispositivos optoelectrónicos. En el caso de los CQDs basados en PbS, los procesos Auger debidos a estas trampas dan lugar a altos umbrales de ganancia láser. Para mitigar dichos procesos, empleamos un nanocomposite a base de CQDs de PbS y nanocristales de ZnO, donde los CQDs actúan como medio de ganancia y los nanocristales de ZnO sirven de pasivantes de dichas trampas. Esta heteroestructura binaria suprime drásticamente los procesos Auger y reduce el umbral láser.
La fuerte degeneración (8) de los estados energéticos fundamentales de la banda prohibida en los calcogenuros de plomo ha obstaculizado el desarrollo del láser infrarrojo basando en CQDs. En esta tesis, demostramos la supresión de los procesos Auger mediante el uso de CQDs con estructura núcleo (PbS)/corteza (PbSSe). También probamos que, mediante dopaje, es posible reducir el umbral láser a valores por debajo de 1 excitón/CQD gracias a la reducción en la absorción del estado fundamental. El uso de estos CQDs mejora sustancialmente el coeficiente modal neto del medio de ganancia, equiparándose al de los semiconductores infrarrojos del grupo III/V crecidos epitaxia.
El uso de diodos láser infrarrojos fabricados mediante procesos en solución supondrá un cambio significativo en múltiples disciplinas. Mostramos que es posible la obtención de emisión estimulada de luz en un medio de ganancia ultrafino con un espesor por debajo del límite teórico para guías de onda planas gracias a la modificación del campo eléctrico mediante la inclusión de nanocristales de ZnO actuando como puntos dispersivos. Empleamos este medio activo para construir un dispositivo LED. Además, para evitar el problema de las pérdidas ópticas debidas a los contactos metálicos que hasta ahora habían dificultado la obtención de emisión estimulada, hemos empleado un óxido conductor transparente y grafeno como ánodo y cátodo de nuestro LED, respectivamente. Nuestra propuesta de LED demuestra que es posible la fabricación de un dispositivo de funcionamiento dual capaz de producir luminiscencia espontánea y estimulada mediante bombeo eléctrico y óptico, respectivamente.
En resumen, hemos probado que el uso de CQDs ofrece una alternativa tecnológica para la producción de luz láser. Estos dispositivos basados en CQDs permiten fabricar fuentes láser de alto rendimiento mediante bombeo óptico. Además, su uso como medio activo en un dispositivo LED supone un avance hacia futuros láseres de diodo basados en CQDs.