近日，微電子所高頻高壓中心吳德馨院士團隊在905nm多有源區級聯垂直腔面發射激光器（VCSEL）研究方面取得新進展，成功研發出高性能905nm雙有源區級聯VCSEL器件，斜率效率達到2.27W/A，微分量子效率為164%，功率密度為257W/mm2 （10mA電流下），相當于傳統單有源區VCSEL的兩倍（見圖1a）；功率轉換效率達到52.4%，比傳統單有源區VCSEL提高了16.4%（見圖1b）。這種高效率、高功率密度多有源區級聯VCSEL器件可為中短距離激光雷達提供高性能的光源。
近年來， VCSEL正迅速從數據通信領域滲透到消費電子領域和汽車應用領域，這些應用領域要求VCSEL需具有高功率和高轉換效率，以提高系統的信噪比，同時降低系統功耗。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），或將多個VCSEL單元集成到一個二維陣列中。但這兩種方法均會增大VCSEL器件的發光面積，不僅會降低功率密度，還會給光學準直帶來困難。
為解決上述問題，團隊利用隧道結載流子再生效應，在VCSEL外延結構上縱向集成多個有源區（器件結構如圖2b所示）。通過精準、嚴格設計重摻雜的隧道結、有源區量子阱、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”發表在國際微電子器件領域的權威期刊《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團隊研制的隧道級聯雙有源區VCSEL與傳統VCSEL的（a）L-I-V（b）功率轉換效率對比
圖 2 （a）傳統單有源區VCSEL結構. （b）本論文設計的隧道級聯雙有源區VCSEL結構
綜合信息