双腔钙钛矿器件实现电驱动激光：突破低阈值与高稳定性的光电集成新策略

研究人员针对钙钛矿半导体电驱动激光的关键难题，通过垂直集成低阈值单晶钙钛矿微腔与高功率微腔PeLED子单元，构建双腔器件。该器件在脉冲电激发下实现92 A cm−2的超低阈值（平均阈值129 A cm−2），耦合效率达82.7%，半衰期（T50）1.8小时，调制带宽36.2 MHz。这一突破为可穿戴光电子和高速数据传输提供了新方案。

研究背景与挑战

金属卤化物钙钛矿（metal halide perovskites）因其可溶液加工、高增益系数和波长可调等特性，成为激光增益介质的理想候选。尽管光学泵浦钙钛矿激光已实现室温连续运转，但电驱动激光始终面临两大瓶颈：高电流注入导致材料降解，以及传统光学腔设计与钙钛矿器件架构不兼容。现有有机电驱动激光阈值高达2.8 kA cm⁻²，且稳定性不足，严重制约其实际应用。

技术方法创新

研究团队采用三项核心技术：

1. 1.

   双腔垂直集成架构：将微腔PeLED子单元（Cs_0.05FA_0.95PbI₃）与单晶钙钛矿微腔（FAPbI₃）通过DBR堆叠，耦合距离缩短至50 μm；

2. 2.

   空间限域逆温结晶法：生长180 nm厚FAPbI₃单晶，表面粗糙度仅0.7 nm；

3. 3.

   脉冲调制技术：1 μs脉宽、100 Hz重复频率驱动，结合硅基底降低寄生电容。

研究结果

1. 1.

   器件结构与性能

   

   双腔器件包含三层DBR（SiO₂/TiO₂），微腔I的PeLED输出功率达25.1 W cm⁻²（2.5 kA cm⁻²），微腔II单晶尺寸0.29 mm×0.27 mm。

2. 2.

   激光特性验证

   

   阈值电流92 A cm⁻²时，发射峰803 nm，线宽从1.03 nm缩窄至0.44 nm，发散角3.7°，偏振度显著提升。

3. 3.

   稳定性与调制能力

   器件在10 Hz脉冲下持续6.4×10⁴次循环（1.8小时）后强度保持50%，优于有机激光器。36.2 MHz调制带宽支持高速数据传输应用。

结论与意义

该研究通过创新性双腔设计解决了钙钛矿电驱动激光的核心难题：

• •

  阈值突破：较有机激光降低10倍，归因于微腔PeLED的定向发射（82.7%耦合效率）；

• •

  稳定性提升：单晶钙钛矿与脉冲驱动策略协同抑制降解；

• •

  应用潜力：高频调制特性为光通信和光子计算开辟新路径。

研究团队Chen Zou、Dawei Di等的工作标志着钙钛矿光电器件从实验室走向集成的关键一步，相关成果发表于《Nature》将为下一代轻量化光电子器件提供范式。