本研究由Renjun Liu、Hong Ji、Diyar Mousa Othman、Alexander R. C. Osypiw、William Solari、Wenlong Ming、Jung Inn Sohn、Jae Cheol Shin和Bo Hou等人完成，主要作者分别来自Cardiff University物理与天文学院、Cardiff University工程学院以及韩国Dongguk University。该研究于2024年1月30日投稿，2024年8月20日修订，2024年9月19日被接收，最终发表于期刊《Infoscience》（2025年，第2卷，文章编号e12027），论文标题为《基于金属卤化物钙钛矿的电泵浦有源垂直腔面发射激光器二极管的数值模拟》。

从学术背景来看，该研究属于光电子器件与半导体激光器领域，聚焦于垂直腔面发射激光器（VCSEL）的电泵浦实现。传统的VCSEL在光纤通信、激光打印和芯片间高密度数据互连中应用广泛，但其制造通常依赖III-V族半导体的复杂真空外延工艺，如金属有机化学气相沉积，成本高且不利于未来低碳智能制造。金属卤化物钙钛矿（MHP）材料因其溶液加工、低碳足迹的优势，近年来在光伏和发光二极管领域进展迅速，但其在电泵浦垂直腔面发射激光器（EPVCSEL）中的应用尚未实现。该研究旨在通过数值模拟，探索利用MHP材料同时作为分布式布拉格反射器（DBR）和增益介质，构建电泵浦VCSEL的可行性，以克服传统电子传输层和空穴传输层导电性不足及载流子注入不平衡等难题。

在研究方法和工作流程方面，该研究采用传输矩阵法（TMM）和Silvaco TCAD器件模拟器进行计算与仿真。研究首先通过TMM计算了由MAPbCl₃和CsSnCl₃构成的DBR的反射率，两者折射率分别为2.2和1.82，在950 nm设计波长下，厚度分别为130.5 nm和108 nm。当DBR对数（np）达到10对时，反射率超过91%；达到22对时，底DBR反射率可达99.95%，顶DBR为99.9%。随后，研究构建了完整的器件结构，从顶部到底部依次为：ITO阳极（100 nm）/MoO₃空穴注入层（7 nm）/CsSnCl₃-MAPbCl₃顶DBR（22对）/CsSnCl₃光学放大增强层1（OAEL1，188 nm）/空穴传输层（HTL，130 nm）/CsSnI₃有源层（25 nm）/电子传输层（ETL，90 nm）/CsSnCl₃光学放大增强层2（OAEL2，208 nm）/CsSnCl₃-MAPbCl₃底DBR（22对）/Cs电子注入层（0.5 nm）/Al阴极（100 nm）/热沉。模拟中，电子和空穴迁移率在2至100 cm²V⁻¹s⁻¹范围内变化，重点优化了HTL和ETL的掺杂浓度、厚度以及迁移率，并进一步优化DBR对数。器件模拟基于圆柱坐标系，半径固定为6 μm，采用Helmholtz方程求解光场强度、增益模型和光子速率方程，耦合Poisson方程和漂移-扩散模型，最终获得I-V和P-V特性。

在主要结果方面，迁移率对器件性能影响显著。当迁移率μ ≤ 5 cm²V⁻¹s⁻¹时，电子和空穴准费米能级未分别完全进入导带和价带，准费米能级差δEfnp小于有源层带隙Eg，自发辐射复合占主导，无法实现激光。当μ增至10 cm²V⁻¹s⁻¹时，准费米能级部分进入导带和价带，但δEfnp仍小于Eg，受激复合开始上升但增益仍为负。当μ进一步增至25 cm²V⁻¹s⁻¹时，准费米能级几乎完全进入导带和价带，δEfnp大于Eg，受激复合占主导，实现粒子数反转。当μ从50增至100 cm²V⁻¹s⁻¹时，注入电流继续增加，但准费米能级几乎不变，局部光增益趋于饱和，受激复合速率增加消耗了额外的载流子，光子密度随之增加。考虑到实际报道的MAPbCl₃和CsSnCl₃迁移率在2至50 cm²V⁻¹s⁻¹量级，且随厚度增加而提高，模拟中将电子和空穴迁移率设定为5 cm²V⁻¹s⁻¹是合理且可实现的。DBR对数对器件性能的影响表明，阈值电压随np增加而降低，原因在于吸收损耗减小和反射率提高；输出光功率在np为22时达到最优。当np小于19时，损耗过大，即使电流最大也无法补偿，输出功率最低；当np大于23时，损耗虽大幅降低，但增益模式也下降至略高于损耗的稳定值，导致输出功率下降。此外，谐振光子能量和输出纵模随np增加保持不变。自热效应模拟显示，器件工作时热量主要集中在有源区，施加5 V电压时温度约334 K，较室温高出30°C以上；在3-4 V低驱动电压下，晶格温度在305至315 K之间，可实现室温连续波激射。

从结论看，该研究首次利用卤化物钙钛矿材料构建了高质量DBR光学谐振腔，当DBR对数大于10时反射率超过91%。通过优化掺杂浓度、厚度、迁移率和DBR对数，设计的MHP-EPVCSEL器件在驱动电压为3 V时即可实现光放大，对应晶格温度约305 K，具备室温连续波激射潜力。器件的阈值电流密度约为69 A cm⁻²，输出光功率约为10⁻⁴ W。该研究为低成本溶液加工MHP-EPVCSEL的实现提供了器件和材料设计指导，具有重要的科学意义和应用价值。

本研究的亮点在于：首次提出并数值验证了利用MAPbCl₃和CsSnCl₃作为DBR及载流子传输层的可行性，克服了传统ETL和HTL导电性差、迁移率低以及载流子注入不平衡的难题；通过系统优化迁移率、DBR对数和掺杂参数，实现了室温连续波激射的模拟预测；采用CsSnI₃作为无铅无机增益材料，在950 nm近红外波段具有强光致发光特性，有望替代含铅钙钛矿；同时给出了详尽的热分布分析，为实际器件热管理提供了参考。此外，该研究还说明了Ge材料可用于增强底DBR反射率，MoO₃和金属Cs用于形成欧姆接触以提高载流子注入效率。