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微电子所在905nm多有源区级联VCSEL研究方面取得新进展

稿件来源:高频高压中心 韩超 潘冠中 发布时间:2021-09-06

  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 


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

           

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

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