近日，微電子所高頻高壓中心吳德馨院士團(tuán)隊在905nm多有源區(qū)級聯(lián)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）研究方面取得新進(jìn)展，成功研發(fā)出高性能905nm雙有源區(qū)級聯(lián)VCSEL器件，斜率效率達(dá)到2.27W/A，微分量子效率為164%，功率密度為257W/mm² （10mA電流下），相當(dāng)于傳統(tǒng)單有源區(qū)VCSEL的兩倍（見圖1a）；功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到52.4%，比傳統(tǒng)單有源區(qū)VCSEL提高了16.4%（見圖1b）。這種高效率、高功率密度多有源區(qū)級聯(lián)VCSEL器件可為中短距離激光雷達(dá)提供高性能的光源。 

　　近年來， VCSEL正迅速從數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域滲透到消費(fèi)電子領(lǐng)域和汽車應(yīng)用領(lǐng)域，這些應(yīng)用領(lǐng)域要求VCSEL需具有高功率和高轉(zhuǎn)換效率，以提高系統(tǒng)的信噪比，同時降低系統(tǒng)功耗。目前，增加輸出功率最常用的方法是增大VCSEL的出光孔徑（如圖2a所示），或?qū)⒍鄠€VCSEL單元集成到一個二維陣列中。但這兩種方法均會增大VCSEL器件的發(fā)光面積，不僅會降低功率密度，還會給光學(xué)準(zhǔn)直帶來困難。 

　　為解決上述問題，團(tuán)隊利用隧道結(jié)載流子再生效應(yīng)，在VCSEL外延結(jié)構(gòu)上縱向集成多個有源區(qū)（器件結(jié)構(gòu)如圖2b所示）。通過精準(zhǔn)、嚴(yán)格設(shè)計重?fù)诫s的隧道結(jié)、有源區(qū)量子阱、氧化層的位置， 使VCSEL器件的微分量子效率和光功率密度獲得較大幅度提高。  

　　基于本研究成果的論文“High Slope Efficiency Bipolar Cascade 905nm Vertical Cavity Surface Emitting Laser”發(fā)表在國際微電子器件領(lǐng)域的權(quán)威期刊《IEEE Electron Device Letters》上（DOI: 10.1109/LED.2021.3098899）。微電子所高頻高壓中心潘冠中為該文章的第一作者，荀孟為該文章的通訊作者。   

　　論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9492046 

圖 1團(tuán)隊研制的隧道級聯(lián)雙有源區(qū)VCSEL與傳統(tǒng)VCSEL的（a）L-I-V（b）功率轉(zhuǎn)換效率對比

圖 2 （a）傳統(tǒng)單有源區(qū)VCSEL結(jié)構(gòu). （b）本論文設(shè)計的隧道級聯(lián)雙有源區(qū)VCSEL結(jié)構(gòu)