国际半导体行业著名杂志《Semiconductor Today》专栏报道长光华芯VCSEL效率进展|量子_新浪财经

国际半导体行业著名杂志《Semiconductor Today》专栏报道由王俊教授带领的四川大学和苏州长光华芯研究团队的“级联VCSEL：提升功率效率的突破-室温性能媲美边发射器件”成果。

《Semiconductor　Today》总部位于英国，是国际半导体行业著名杂志和网站，专注于报道国际半导体领域的重要研究进展和最新行业动态，具有很强的行业影响力。　

原文翻译如下：

通过堆叠VCSEL，该设计实现了光学增益的成倍增加，有效克服了电阻及其他限制效率的内部损耗。单结VCSEL的功率效率总体上低于边发射激光器（EEL）。据研究人员介绍，单个VCSEL单元的微分量子效率超过1100%，加上74%的PCE，被认为是迄今为止VCSEL领域报道的“最大电光转换效率和微分量子效率”。这一微分效率是当前所有半导体激光器中的世界纪录。这种性能改进为解决VCSEL在未来广泛应用中的能耗问题提供了有效的解决方案。高功率在飞行时间“激光雷达”（LiDAR）的长距离测绘中也尤为重要。苏州长光华芯光电技术股份有限公司成立于2012年，致力于高功率二极管激光芯片、高效率LiDAR、三维传感、高速光通信以及相关光电系统的研发。

图1. a 结构示意图；b 折射率分布和驻波光场分布；c 在偏置条件下三结VCSEL的有源区能带结构；d 偏置条件下隧道结的能带结构。

级联VCSEL的设计（见图1）包含N型分布布拉格反射器（N-DBR）、P型DBR、多量子阱（MQWs）、氧化层以及隧道结（TJs）。设计目标是将量子阱置于驻波光场的峰值处，而将氧化孔和隧道结放置在波谷处。当量子阱位于最大光场强度时，可以提升载流子与光子之间的耦合效率，从而增强光增益。通过将隧道结设于波谷处，可减少自由载流子吸收带来的损耗。

图2. VCSEL级联在不同结数下的性能：a、b 光输出功率、电流与电压（L-I-V）；c 各结数的功率转换效率（PCE）；d 斜率效率与阈值电流。

器件通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术制备。DBR采用不同成分的铝镓砷（AlGaAs）合金层。量子阱为7nm的铟镓砷（InGaAs），其势垒为6nm的磷化镓砷（GaAsP）。MQW结构包含三个量子阱。氧化层厚度为20nm的AlGaAs，隧道结（TJ）由重掺杂的15nm砷化镓（GaAs）组成。氧化孔径通过在台面刻蚀后暴露于高温高湿环境下氧化高铝含量的AlGaAs材料形成,氧化孔径为10 μm。钝化层为等离子增强CVD沉积的氮化硅（Si3N4）。制备的器件在20ns脉冲、占空比为0.1%（50kHz）的条件下进行测试。15结VCSEL在7mA注入时实现了100mW的峰值功率（如图2）。其最大电光转换效率、斜率效率及微分量子效率分别为74%、15.6 W/A和超过1100%。15结器件的开启电压为19V，这被认为在短脉冲和高调制速率应用中具有优势。研究人员解释道：“与高电流信号相比，高电压信号更适合产生极短的脉冲宽度和更高的调制速率信号。” 尽管具有较多结数的VCSEL的顶部DBR反射率降低，阈值电流却呈现下降趋势。研究人员指出，优化顶部DBR反射率可能进一步降低阈值电流。

图3. VCSEL和边发射激光器功率转换效率总结

远场光斑显示，发散角随着结数的增加而增大。六结VCSEL级联的发散角达到了28.8°。较大的发散角在许多应用场景中是不利的，因此现有用于LiDAR的多结VCSEL通常通过减少氧化层的数量来减小发散角。在2022年的研究中，我们报道了通过优化氧化层设计，在短脉冲驱动电流下，将八结VCSEL的发散角降低至18°。[1] 这些器件的发射波长范围在940–950nm之间。随着结数的增加，激发模式的数量增加。基于功耗分析，功率转换效率随着结数增加而提高的主要原因是焦耳热减少以及自由载流子吸收引起的内部损耗降低。将15结器件与其他已报道的半导体激光器（图3）进行了对比，这不仅显著提高了过去20年来VCSEL的效率，还使其在室温条件下的性能基本达到了EEL的最高功率转换效率水平。尽管EEL在低温下的PCE达到86%，但其室温PCE为76%，这一水平与15结VCSEL的74%性能相当。

[1] High performance multi-junction VCSELs for LiDAR applications. in Proceedings of SPIE 12020, Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XXVI 1202005 (SPIE, 2022).

原文链接：

https://www.semiconductor-today.com/news_items/2024/mar/sichuanuniversity-140324.shtml

（转自：长光华芯）