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

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

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

《Semiconductor　Today》總部位于英國，是國際半導(dǎo)體行業(yè)著名雜志和網(wǎng)站，專注于報道國際半導(dǎo)體領(lǐng)域的重要研究進展和最新行業(yè)動態(tài)，具有很強的行業(yè)影響力。

原文翻譯如下：

中國四川大學(xué)和蘇州ibet報道了級聯(lián)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）在室溫下功率轉(zhuǎn)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(shè)計實現(xiàn)了光學(xué)增益的成倍增加，有效克服了電阻及其他限制效率的內(nèi)部損耗。單結(jié)VCSEL的功率效率總體上低于邊發(fā)射激光器（EEL）。據(jù)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(lǐng)域報道的“最大電光轉(zhuǎn)換效率和微分量子效率”。這一微分效率是當(dāng)前所有半導(dǎo)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(yīng)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(shù)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(guān)光電系統(tǒng)的研發(fā)。

圖1. a 結(jié)構(gòu)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(jié)VCSEL的有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu)；d 偏置條件下隧道結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)。

級聯(lián)VCSEL的設(shè)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(jié)（TJs）。設(shè)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(jié)放置在波谷處。當(dāng)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(jié)設(shè)于波谷處，可減少自由載流子吸收帶來的損耗。

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

器件通過金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)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(jié)構(gòu)包含三個量子阱。氧化層厚度為20nm的AlGaAs，隧道結(jié)（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(huán)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(jié)VCSEL在7mA注入時實現(xiàn)了100mW的峰值功率（如圖2）。其最大電光轉(zhuǎn)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(jié)器件的開啟電壓為19V，這被認為在短脈沖和高調(diào)制速率應(yīng)用中具有優(yōu)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(chǎn)生極短的脈沖寬度和更高的調(diào)制速率信號。” 盡管具有較多結(jié)數(shù)的VCSEL的頂部DBR反射率降低，閾值電流卻呈現(xiàn)下降趨勢。研究人員指出，優(yōu)化頂部DBR反射率可能進一步降低閾值電流。

圖3. VCSEL和邊發(fā)射激光器功率轉(zhuǎn)換效率總結(jié)

遠場光斑顯示，發(fā)散角隨著結(jié)數(shù)的增加而增大。六結(jié)VCSEL級聯(lián)的發(fā)散角達到了28.8°。較大的發(fā)散角在許多應(yīng)用場景中是不利的，因此現(xiàn)有用于LiDAR的多結(jié)VCSEL通常通過減少氧化層的數(shù)量來減小發(fā)散角。在2022年的研究中，ibet報道了通過優(yōu)化氧化層設(shè)計，在短脈沖驅(qū)動電流下，將八結(jié)VCSEL的發(fā)散角降低至18°。[1] 這些器件的發(fā)射波長范圍在940–950nm之間。隨著結(jié)數(shù)的增加，激發(fā)模式的數(shù)量增加。基于功耗分析， 功率轉(zhuǎn)換效率隨著結(jié)數(shù)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(nèi)部損耗降低。將15結(jié)器件與其他已報道的半導(dǎo)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(zhuǎn)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(jié)VCSEL的74%性能相當(dāng)。

[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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