基于PDMS衬底的高效顶发射930 nm薄膜VCSEL

据麦姆斯咨询报道，近期，由韩国亚洲大学（Ajou University）和RayIR公司组成的研究团队利用双转移技术结合表面改性辅助键合（SMB）工艺成功地在PDMS衬底上制造了一种顶发射930 nm薄膜垂直腔面发射激光器（VCSEL）。该薄膜VCSEL在室温下的阈值电流低至1.08 mA。当注入电流为13.9 mA时，其最大输出功率为7.52 mW。相关研究成果以“Highly efficient thin-film 930 nm VCSEL on PDMS for biomedical applications”为题发表于Scientific Reports期刊，文中提出的方法有望为下一代VCSEL的多功能生物医学应用开辟技术可能性。

光电子学已经在生物医学行业得到了广泛的研究和开发，以用于基于光学的生物传感、光动力疗法、荧光成像和激光手术等多种应用。特别是，生物相容性光源最近在生物医学技术领域引起了极大的关注，因为它们具有推动下一代生物医学应用发展的潜力，使传感器能够获得血压、卡路里消耗和心电图（ECG）等实时生理监测信息。

与传统发光二极管（LED）和边缘发射激光二极管（EEL）相比，垂直腔面发射激光器（VCSEL）由于其低阈值、低发散光束尺寸、出色的可靠性和低功耗而迅速成为一种有前景的光源。此外，二维（2D）激光阵列可大规模制造，使其能够容易地封装到光子集成电路（PIC）等光学芯片中。随着多功能VCSEL应用的技术进步，许多项研究工作提出将传统VCSEL与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等生物相容性聚合物以及Si和蓝宝石等刚性衬底相集成。然而，由于缺乏将传统VCSEL与适用于生物组织的聚合物集成的有效技术，因此限制了具有生物相容性的高效薄膜VCSEL的实现。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）属于一类高分子有机硅化合物，由于其生物相容性和生物稳定性，有望成为生物电子应用的合适材料。与用于微器件制造的其它材料相比，PDMS还具有热稳定性、柔性和轻质性，并且具有较低的制造成本。它已被广泛应用于生物MEMS、微流控系统和生物光学等生物电子学，使其能够减轻对人体组织的炎症反应等不良影响。PDMS还可以在较宽的温度范围内保护电子元件免受机械和环境影响。这一特性使PDMS材料能够用于生物电子行业，从而保护基于半导体的波导、光纤和激光器等微光学器件。

然而，由于PDMS在器件制造和特性测量方面的不利特性，在实现集成于PDMS衬底的生物相容性薄膜VCSEL方面仍存在一些挑战。PDMS在整个表面上具有相当大的疏水性，使其在键合过程中难以与亲水性III–V族外延层的表面相结合。此外，当与一些试剂结合时，PDMS往往会发生膨胀，从而中断化学分析的定量测试。尽管人们多次成功尝试将PDMS从疏水性改变为亲水性，但目前仍存在一些局限性，如化学不稳定性、大规模制造工艺限制以及难以长时间保持亲水性等。

在本论文中，研究团队利用双转移技术结合表面改性辅助键合（SMB）工艺成功地在PDMS衬底上制造了一种顶发射930 nm薄膜VCSEL，使其能够用于生物相容性光源。为了将VCSEL的薄膜III–V族外延层与PDMS衬底集成，研究人员利用双转移技术将VCSEL两次转移到异质载体衬底上，以保持薄膜VCSEL的p-on-n极性。此外，他们使用氧等离子体结合有机硅烷处理进行表面改性辅助键合，当将PDMS载体与去除衬底的薄膜VCSEL结合时不需要任何额外的键合介质。文中证实了将薄膜VCSEL结构集成到PDMS衬底上的转移过程不会严重降低VCSEL在光-电流-电压（L–I–V）特性和光谱方面的性能。特别是，文中还确定了该顶发射930 nm薄膜VCSEL在室温下的低工作阈值电流约为1 mA，这表明PDMS衬底上的薄膜VCSEL的阈值电流与GaAs衬底上的传统VCSEL一样低。

图1显示了使用SMB和双转移工艺转移到柔性PDMS衬底上的顶发射930 nm薄膜VCSEL的结构示意图。

图1 转移到PDMS衬底上的顶发射930 nm薄膜VCSEL的结构示意图

图2显示了薄膜VCSEL的外延生长的p-on-n结构。研究人员采用金属有机化学气相沉积法（MOCVD），以垂直向上的顺序在n型GaAs衬底上生长了薄膜VCSEL的p-on-n结构。VCSEL的有源区域由被夹在两个分布式布拉格反射镜（DBR）中间的3个GaAsP/InGaAs MQW构成，DBR由n-DBR和p-DBR交替的高、低折射率材料构成。蚀刻停止层生长在GaAs缓冲层上，以在去除GaAs衬底过程中保护VCSEL结构。

图2 利用MOCVD制造的薄膜VCSEL的p-on-n结构

图3显示了利用SMB和双转移技术将薄膜VCSEL转移到PDMS衬底的制造工艺。

图3 将薄膜VCSEL转移到PDMS衬底的制造工艺

图4a展示了集成于PDMS衬底的顶发射930 nm薄膜VCSEL的照片，可见其具有相当大的柔性。图4b和图4c分别描绘了制造的薄膜VCSEL的FE-SEM顶视图和截面图。

图4 集成于PDMS衬底的顶发射930 nm薄膜VCSEL

图5a显示了在25°C连续波（CW）工作模式下集成于PDMS衬底上的顶发射930 nm薄膜VCSEL的L-I-V特性，其阈值电压和电流分别约为1.69 V和1.08 mA。当注入电流为13.9 mA时，该薄膜VCSEL的最大输出功率为7.52 mW。图5b显示了所制造的薄膜VCSEL的光谱，其峰值波长为929 nm。

图5 顶发射930 nm薄膜VCSEL的L-I-V特性和发射光谱

在25°C的相同条件下，研究人员比较了GaAs衬底上的传统VCSEL和PDMS衬底上的薄膜VCSEL的L–I–V特性，结果如图6所示。

图6 GaAs衬底上的传统VCSEL和PDMS衬底上的薄膜VCSEL的L-I-V特性对比

综上所述，本文实现了一种转移到PDMS衬底上的生物相容性顶发射930 nm薄膜VCSEL，具有高度的柔性。双转移技术使所制造的930 nm薄膜VCSEL能够保持p-on-n极性。此外，表面改性工艺表现出优异的键合性能，无需任何额外的材料即可将PDMS载体与去除衬底的薄膜VCSEL集成。当注入电流为13.9 mA时，集成于PDMS衬底的930 nm薄膜VCSEL的最大输出功率为7.52 mW。该薄膜VCSEL的阈值电流和电压分别为1.08 mA和1.64 V。本文提出的方法有望为下一代VCSEL的多功能生物医学应用开辟技术可能性。

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

审核编辑 ：李倩