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• 發布時間：2024-12-30
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【概要描述】國際半導體行業著名雜志《Semiconductor Today》專欄報道由王俊教授帶領的四川大學和蘇州ibet研究團隊的“級聯VCSEL：提升功率效率的突破-室溫性能媲美邊發射器件”成果。

【概要描述】國際半導體行業著名雜志《Semiconductor Today》專欄報道由王俊教授帶領的四川大學和蘇州ibet研究團隊的“級聯VCSEL：提升功率效率的突破-室溫性能媲美邊發射器件”成果。

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國際半導體行業著名雜志《Semiconductor Today》專欄報道由王俊教授帶領的四川大學和蘇州ibet研究團隊的“級聯VCSEL：提升功率效率的突破-室溫性能媲美邊發射器件”成果。

《Semiconductor　Today》總部位于英國，是國際半導體行業著名雜志和網站，專注于報道國際半導體領域的重要研究進展和最新行業動態，具有很強的行業影響力。

原文翻譯如下：

中國四川大學和蘇州ibet報道了級聯垂直腔面發射激光器（VCSEL）在室溫下功率轉換效率（PCE）高達 74%的成果。 [Xiao et al, Light: Science & Applications, v13, p60, 2024]

通過堆疊VCSEL，該設計實現了光學增益的成倍增加，有效克服了電阻及其他限制效率的內部損耗。單結VCSEL的功率效率總體上低于邊發射激光器（EEL）。據研究人員介紹，單個VCSEL單元的微分量子效率超過1100%，加上74%的PCE，被認為是迄今為止VCSEL領域報道的“最大電光轉換效率和微分量子效率”。這一微分效率是當前所有半導體激光器中的世界紀錄。這種性能改進為解決VCSEL在未來廣泛應用中的能耗問題提供了有效的解決方案。高功率在飛行時間“激光雷達”（LiDAR）的長距離測繪中也尤為重要。蘇州ibet光電技術股份有限公司成立于2012年，致力于高功率二極管激光芯片、高效率LiDAR、三維傳感、高速光通信以及相關光電系統的研發。

圖1. a 結構示意圖；b 折射率分布和駐波光場分布；c 在偏置條件下三結VCSEL的有源區能帶結構；d 偏置條件下隧道結的能帶結構。

級聯VCSEL的設計（見圖1）包含N型分布布拉格反射器（N-DBR）、P型DBR、多量子阱（MQWs）、氧化層以及隧道結（TJs）。設計目標是將量子阱置于駐波光場的峰值處，而將氧化孔和隧道結放置在波谷處。當量子阱位于最大光場強度時，可以提升載流子與光子之間的耦合效率，從而增強光增益。通過將隧道結設于波谷處，可減少自由載流子吸收帶來的損耗。

圖2. VCSEL級聯在不同結數下的性能：a、b 光輸出功率、電流與電壓（L-I-V）；c 各結數的功率轉換效率（PCE）；d 斜率效率與閾值電流。

器件通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術制備。DBR采用不同成分的鋁鎵砷（AlGaAs）合金層。量子阱為7nm的銦鎵砷（InGaAs），其勢壘為6nm的磷化鎵砷（GaAsP）。MQW結構包含三個量子阱。氧化層厚度為20nm的AlGaAs，隧道結（TJ）由重摻雜的15nm砷化鎵（GaAs）組成。氧化孔徑通過在臺面刻蝕后暴露于高溫高濕環境下氧化高鋁含量的AlGaAs材料形成,氧化孔徑為10 μm。鈍化層為等離子增強CVD沉積的氮化硅（Si3N4）。制備的器件在20ns脈沖、占空比為0.1%（50kHz）的條件下進行測試。15結VCSEL在7mA注入時實現了100mW的峰值功率（如圖2）。其最大電光轉換效率、斜率效率及微分量子效率分別為74%、15.6 W/A和超過1100%。15結器件的開啟電壓為19V，這被認為在短脈沖和高調制速率應用中具有優勢。研究人員解釋道：“與高電流信號相比，高電壓信號更適合產生極短的脈沖寬度和更高的調制速率信號。” 盡管具有較多結數的VCSEL的頂部DBR反射率降低，閾值電流卻呈現下降趨勢。研究人員指出，優化頂部DBR反射率可能進一步降低閾值電流。

圖3. VCSEL和邊發射激光器功率轉換效率總結

遠場光斑顯示，發散角隨著結數的增加而增大。六結VCSEL級聯的發散角達到了28.8°。較大的發散角在許多應用場景中是不利的，因此現有用于LiDAR的多結VCSEL通常通過減少氧化層的數量來減小發散角。在2022年的研究中，ibet報道了通過優化氧化層設計，在短脈沖驅動電流下，將八結VCSEL的發散角降低至18°。[1] 這些器件的發射波長范圍在940–950nm之間。隨著結數的增加，激發模式的數量增加。基于功耗分析， 功率轉換效率隨著結數增加而提高的主要原因是焦耳熱減少以及自由載流子吸收引起的內部損耗降低。將15結器件與其他已報道的半導體激光器（圖3）進行了對比， 這不僅顯著提高了過去20年來VCSEL的效率，還使其在室溫條件下的性能基本達到了EEL的最高功率轉換效率水平。盡管EEL在低溫下的PCE達到86%，但其室溫PCE為76%，這一水平與15結VCSEL的74%性能相當。

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

原文鏈接：

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

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