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采用电光热数值模拟研究III族氮化物垂直腔面发射激光器的热设计考量

DOI：10.1109/jqe.2019.2937991 期刊：IEEE Journal of Quantum Electronics 出版年份：2019 更新时间：2025-09-19 17:13:59
摘要： III族氮化物垂直腔面发射激光器（III-N VCSELs）存在严重的自发热问题，这限制了其输出光功率。因此热管理成为关键的设计考量因素。本研究采用先进的自洽电-光-热数值模拟方法，对三种最常见的VCSEL结构（混合式VCSEL、倒装芯片VCSEL和ELOG VCSEL）进行了分析，确定了影响这些器件热阻的关键几何与材料参数。模拟结果表明，部分提出的解决方案和设计改进措施可使最大光输出功率提升高达100%。本文还阐述了在器件设计中正确运用数值模拟的方法——即预测趋势并识别影响器件性能的关键因素。
作者： Karan Mehta，Yuh-Shiuan Liu，Jialin Wang，Hoon Jeong，Theeradetch Detchprohm，Russell D. Dupuis，P. Douglas Yoder
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研究概述 实验方案

研究目的

研究III族氮化物垂直腔面发射激光器（VCSELs）的热设计考量，通过先进的自洽电光热数值模拟提升其输出光功率。

研究成果

研究表明，通过优化热设计，III族氮化物垂直腔面发射激光器（III-N VCSELs）的最大输出功率可提升超过100%。关键改进措施包括：对混合分布式布拉格反射镜（DBR）VCSELs采用衬底减薄技术，为倒装芯片VCSELs配置金属支撑衬底并增加腔长，以及对外延横向过生长（ELOG）VCSELs调整器件直径与腔长。

研究不足

该研究的局限性在于建模分布式布拉格反射镜（DBR）的计算成本较高，以及假设电流孔径中电流均匀扩散——这一假设可能无法解释因电流拥挤导致的局部热点问题。

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