基于PDMS襯底的高效頂發(fā)射930 nm薄膜VCSEL

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，由韓國(guó)亞洲大學(xué)（Ajou University）和RayIR公司組成的研究團(tuán)隊(duì)利用雙轉(zhuǎn)移技術(shù)結(jié)合表面改性輔助鍵合（SMB）工藝成功地在PDMS襯底上制造了一種頂發(fā)射930 nm薄膜垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。該薄膜VCSEL在室溫下的閾值電流低至1.08 mA。當(dāng)注入電流為13.9 mA時(shí)，其最大輸出功率為7.52 mW。相關(guān)研究成果以“Highly efficient thin-film 930 nm VCSEL on PDMS for biomedical applications”為題發(fā)表于Scientific Reports期刊，文中提出的方法有望為下一代VCSEL的多功能生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用開辟技術(shù)可能性。

光電子學(xué)已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)行業(yè)得到了廣泛的研究和開發(fā)，以用于基于光學(xué)的生物傳感、光動(dòng)力療法、熒光成像和激光手術(shù)等多種應(yīng)用。特別是，生物相容性光源最近在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兙哂型苿?dòng)下一代生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用發(fā)展的潛力，使傳感器能夠獲得血壓、卡路里消耗和心電圖（ECG）等實(shí)時(shí)生理監(jiān)測(cè)信息。

與傳統(tǒng)發(fā)光二極管（LED）和邊緣發(fā)射激光二極管（EEL）相比，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）由于其低閾值、低發(fā)散光束尺寸、出色的可靠性和低功耗而迅速成為一種有前景的光源。此外，二維（2D）激光陣列可大規(guī)模制造，使其能夠容易地封裝到光子集成電路（PIC）等光學(xué)芯片中。隨著多功能VCSEL應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)步，許多項(xiàng)研究工作提出將傳統(tǒng)VCSEL與聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等生物相容性聚合物以及Si和藍(lán)寶石等剛性襯底相集成。然而，由于缺乏將傳統(tǒng)VCSEL與適用于生物組織的聚合物集成的有效技術(shù)，因此限制了具有生物相容性的高效薄膜VCSEL的實(shí)現(xiàn)。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）屬于一類高分子有機(jī)硅化合物，由于其生物相容性和生物穩(wěn)定性，有望成為生物電子應(yīng)用的合適材料。與用于微器件制造的其它材料相比，PDMS還具有熱穩(wěn)定性、柔性和輕質(zhì)性，并且具有較低的制造成本。它已被廣泛應(yīng)用于生物MEMS、微流控系統(tǒng)和生物光學(xué)等生物電子學(xué)，使其能夠減輕對(duì)人體組織的炎癥反應(yīng)等不良影響。PDMS還可以在較寬的溫度范圍內(nèi)保護(hù)電子元件免受機(jī)械和環(huán)境影響。這一特性使PDMS材料能夠用于生物電子行業(yè)，從而保護(hù)基于半導(dǎo)體的波導(dǎo)、光纖和激光器等微光學(xué)器件。

然而，由于PDMS在器件制造和特性測(cè)量方面的不利特性，在實(shí)現(xiàn)集成于PDMS襯底的生物相容性薄膜VCSEL方面仍存在一些挑戰(zhàn)。PDMS在整個(gè)表面上具有相當(dāng)大的疏水性，使其在鍵合過程中難以與親水性III–V族外延層的表面相結(jié)合。此外，當(dāng)與一些試劑結(jié)合時(shí)，PDMS往往會(huì)發(fā)生膨脹，從而中斷化學(xué)分析的定量測(cè)試。盡管人們多次成功嘗試將PDMS從疏水性改變?yōu)橛H水性，但目前仍存在一些局限性，如化學(xué)不穩(wěn)定性、大規(guī)模制造工藝限制以及難以長(zhǎng)時(shí)間保持親水性等。

在本論文中，研究團(tuán)隊(duì)利用雙轉(zhuǎn)移技術(shù)結(jié)合表面改性輔助鍵合（SMB）工藝成功地在PDMS襯底上制造了一種頂發(fā)射930 nm薄膜VCSEL，使其能夠用于生物相容性光源。為了將VCSEL的薄膜III–V族外延層與PDMS襯底集成，研究人員利用雙轉(zhuǎn)移技術(shù)將VCSEL兩次轉(zhuǎn)移到異質(zhì)載體襯底上，以保持薄膜VCSEL的p-on-n極性。此外，他們使用氧等離子體結(jié)合有機(jī)硅烷處理進(jìn)行表面改性輔助鍵合，當(dāng)將PDMS載體與去除襯底的薄膜VCSEL結(jié)合時(shí)不需要任何額外的鍵合介質(zhì)。文中證實(shí)了將薄膜VCSEL結(jié)構(gòu)集成到PDMS襯底上的轉(zhuǎn)移過程不會(huì)嚴(yán)重降低VCSEL在光-電流-電壓（L–I–V）特性和光譜方面的性能。特別是，文中還確定了該頂發(fā)射930 nm薄膜VCSEL在室溫下的低工作閾值電流約為1 mA，這表明PDMS襯底上的薄膜VCSEL的閾值電流與GaAs襯底上的傳統(tǒng)VCSEL一樣低。

圖1顯示了使用SMB和雙轉(zhuǎn)移工藝轉(zhuǎn)移到柔性PDMS襯底上的頂發(fā)射930 nm薄膜VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 轉(zhuǎn)移到PDMS襯底上的頂發(fā)射930 nm薄膜VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2顯示了薄膜VCSEL的外延生長(zhǎng)的p-on-n結(jié)構(gòu)。研究人員采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（MOCVD），以垂直向上的順序在n型GaAs襯底上生長(zhǎng)了薄膜VCSEL的p-on-n結(jié)構(gòu)。VCSEL的有源區(qū)域由被夾在兩個(gè)分布式布拉格反射鏡（DBR）中間的3個(gè)GaAsP/InGaAs MQW構(gòu)成，DBR由n-DBR和p-DBR交替的高、低折射率材料構(gòu)成。蝕刻停止層生長(zhǎng)在GaAs緩沖層上，以在去除GaAs襯底過程中保護(hù)VCSEL結(jié)構(gòu)。

圖2 利用MOCVD制造的薄膜VCSEL的p-on-n結(jié)構(gòu)

圖3顯示了利用SMB和雙轉(zhuǎn)移技術(shù)將薄膜VCSEL轉(zhuǎn)移到PDMS襯底的制造工藝。

圖3 將薄膜VCSEL轉(zhuǎn)移到PDMS襯底的制造工藝

圖4a展示了集成于PDMS襯底的頂發(fā)射930 nm薄膜VCSEL的照片，可見其具有相當(dāng)大的柔性。圖4b和圖4c分別描繪了制造的薄膜VCSEL的FE-SEM頂視圖和截面圖。

圖4 集成于PDMS襯底的頂發(fā)射930 nm薄膜VCSEL

圖5a顯示了在25°C連續(xù)波（CW）工作模式下集成于PDMS襯底上的頂發(fā)射930 nm薄膜VCSEL的L-I-V特性，其閾值電壓和電流分別約為1.69 V和1.08 mA。當(dāng)注入電流為13.9 mA時(shí)，該薄膜VCSEL的最大輸出功率為7.52 mW。圖5b顯示了所制造的薄膜VCSEL的光譜，其峰值波長(zhǎng)為929 nm。

圖5 頂發(fā)射930 nm薄膜VCSEL的L-I-V特性和發(fā)射光譜

在25°C的相同條件下，研究人員比較了GaAs襯底上的傳統(tǒng)VCSEL和PDMS襯底上的薄膜VCSEL的L–I–V特性，結(jié)果如圖6所示。

圖6 GaAs襯底上的傳統(tǒng)VCSEL和PDMS襯底上的薄膜VCSEL的L-I-V特性對(duì)比

綜上所述，本文實(shí)現(xiàn)了一種轉(zhuǎn)移到PDMS襯底上的生物相容性頂發(fā)射930 nm薄膜VCSEL，具有高度的柔性。雙轉(zhuǎn)移技術(shù)使所制造的930 nm薄膜VCSEL能夠保持p-on-n極性。此外，表面改性工藝表現(xiàn)出優(yōu)異的鍵合性能，無需任何額外的材料即可將PDMS載體與去除襯底的薄膜VCSEL集成。當(dāng)注入電流為13.9 mA時(shí)，集成于PDMS襯底的930 nm薄膜VCSEL的最大輸出功率為7.52 mW。該薄膜VCSEL的閾值電流和電壓分別為1.08 mA和1.64 V。本文提出的方法有望為下一代VCSEL的多功能生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用開辟技術(shù)可能性。

論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41598-023-27589-1

審核編輯 ：李倩