【前沿】量子势垒 “微调”，让 GaN 基 VCSEL 激光性能再升级

GMPT, 2026/04/28

图1

  GaN基垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有窄线宽、圆对称出光、低光束发散角与高调制带宽等优势，在全色显示、激光投影、AR/VR、原子钟等精密量子测量以及高速光通信、水下无线通信等领域具有重要应用价值。有源区InGaN/GaN多量子阱结构是决定器件发光效率与激光输出的核心，量子势垒（QB）的厚度与结构直接影响载流子输运、复合过程及电子泄漏，而VCSEL微腔结构会放大势垒参数对性能的敏感度，尤其是紧邻电子阻挡层（EBL）的末重量子势垒（LQB）的作用机制尚不明确，相关系统研究仍较为缺乏。

  为此， 中国科学院半导体研究所赵德刚、梁锋教授团队联合上海芯钬量子科技有限公司和澳门科技大学 以波长450 nm的GaN 基VCSEL为研究对象，采用Nuwa TCAD商用器件仿真软件开展数值模拟，设计4 nm至8 nm梯度厚度的量子势垒结构，系统仿真并分析势垒厚度对器件能带结构、载流子浓度分布、电子泄漏、空穴注入势垒、受激复合速率及输出功率–电流特性的影响；针对厚势垒器件性能劣化问题，进一步将传统GaN最后一个量子势垒替换为不同Al组分的AlₓGa₁-ₓN材料，开展最后一个量子势垒工程优化，对比分析不同结构下的电子泄漏抑制效果与器件性能提升规律。

图2

  研究发现，量子势垒厚度增加会显著阻碍载流子输运，降低阱间迁移效率，同时使电子泄漏势垒降低、空穴注入势垒升高，加剧电子向p型区泄漏，导致阈值电流上升、斜率效率下降，高注入电流下电光转换效率快速衰减。其中最后一个量子势垒因特殊能带结构形成三角势阱，易引发电子积累，是电子泄漏的主要来源，对器件性能影响最为显著。通过将最后一个GaN量子势垒替换为AlₓGa₁₋ₓN材料，可有效削弱极化效应，增大量子阱与最后一个量子势垒之间的导带偏移；当Al组分为0.10时，电子泄漏势垒高度从178 meV提升至267 meV，电子泄漏被显著抑制，空穴注入效率改善，有源区受激复合速率提高，高电流下效率跌落问题得到缓解，激光输出功率与工作稳定性明显提升。

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  该研究系统阐明了势垒厚度对GaN基VCSEL载流子动力学与输出性能的调控机制，揭示了最后一个量子势垒在电子泄漏抑制中的关键作用，提出并验证了AlₓGa₁₋ₓN最后一个量子势垒优化方案，为GaN基VCSEL的结构设计、性能提升与工程化应用提供了完整的理论依据与可行技术路径。

论文信息： Y. C. Wang, F. Liang, J. Yang, et al., Effect of quantum barrier thickness and last quantum barrier engineering on the performance of GaN-based vertical-cavity surface-emitting lasers, Micro and Nanostructures, 214, 208619 (2026).