中科院微电子所成功研发905nm多有源区级联VCSEL器件

近日，微电子所高频高压中心吴德馨院士团队在905nm多有源区级联垂直腔面发射激光器（VCSEL）研究方面取得新进展，成功研发出高性能905nm双有源区级联VCSEL器件，斜率效率达到2.27W/A，微分量子效率为164%，功率密度为257W/mm² （10mA电流下），相当于传统单有源区VCSEL的两倍（见图1a）；功率转换效率达到52.4%，比传统单有源区VCSEL提高了16.4%（见图1b）。这种高效率、高功率密度多有源区级联VCSEL器件可为中短距离激光雷达提供高性能的光源。 

近年来， VCSEL正迅速从数据通信领域渗透到消费电子领域和汽车应用领域，这些应用领域要求VCSEL需具有高功率和高转换效率，以提高系统的信噪比，同时降低系统功耗。目前，增加输出功率最常用的方法是增大VCSEL的出光孔径（如图2a所示），或将多个VCSEL单元集成到一个二维阵列中。但这两种方法均会增大VCSEL器件的发光面积，不仅会降低功率密度，还会给光学准直带来困难。 

为解决上述问题，团队利用隧道结载流子再生效应，在VCSEL外延结构上纵向集成多个有源区（器件结构如图2b所示）。通过精准、严格设计重掺杂的隧道结、有源区量子阱、氧化层的位置， 使VCSEL器件的微分量子效率和光功率密度获得较大幅度提高。  

基于本研究成果的论文“High Slope Efficiency Bipolar Cascade 905nm Vertical Cavity Surface Emitting Laser”发表在国际微电子器件领域的权威期刊《IEEE Electron Device Letters》上（DOI: 10.1109/LED.2021.3098899）。微电子所高频高压中心潘冠中为该文章的第一作者，荀孟为该文章的通讯作者。   

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9492046 

图 1团队研制的隧道级联双有源区VCSEL与传统VCSEL的（a）L-I-V（b）功率转换效率对比

图 2 （a）传统单有源区VCSEL结构. （b）本论文设计的隧道级联双有源区VCSEL结构

本文作者为中科院微电子所高频高压中心 韩超、潘冠中

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