近期，瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員與德國柏林工業大學的合作者，一起展示了現存能發射最短波長的垂直腔面發射激光器（VCSEL）。這為未來在消毒和醫療等方面的應用奠定了基礎。該研究成果最近以A310nmOpticallyPumpedAlGaNVertical-CavitySurface-EmittingLaser為題發表在ACSPhotonics上。
“盡管還有很多工作要做，特別是要實現電泵浦驅動，但該成果為實現覆蓋大部分紫外光譜范圍的VCSEL卻提供了重要基礎。”FilipHjort博士說，他是本文的第一作者，也是MC2光子學實驗室的博士生。
光泵浦 UVB VCSEL 的藝術插圖（圖片版權：ACS Photonics）
VCSEL是一種緊湊型半導體激光器，在數據通信、傳感和照明等領域發揮著巨大作用，現已廣泛應用于智能手機的人臉識別以及數據傳輸的光通信模塊。到目前為止，這類激光器的商業應用集中在可見紅光和紅外波段。還有其他可見光發射的VCSEL，可以應用于汽車的自適應前大燈或投影儀，很快也會商業化。
“如果將波長范圍進一步推向紫外線（UV），那么VCSEL將有更廣泛的用途。紫外線可以用于消毒、材料固化、熒光激發和醫療，未來能發出紫外線的緊湊型VCSEL還可應用于水源、空氣和表面消毒殺菌系統，以及皮膚病治療。”FilipHjort說。
為了實現大多數應用場景所需的UVB（280nm-320nm）和UVC（200nm-280nm）中的紫外線發射波長，激光介質必須由氮化鎵鋁（AlGaN）制成。MC2光子學實驗室教授?saHaglund的研究小組先前與柏林工業大學的學者，合作展示了一種電化學蝕刻方法，該方法可用于選擇性蝕刻特定的AlGaN層。兩個研究小組在當前的工作中使用這種方法創建了世界上首個光泵浦UVB波段的VCSEL。
“通過使用電化學蝕刻技術去除基底并創建光滑的AlGaN膜，我們解決了VCSEL在紫外線波段長期存在的問題。一般來說，VCSEL需要兩個反射率超過99%的反射鏡，這些反射鏡可以采用外延生長或介電材料制成。但是，使用外延生長并不能實現高UVB或UVC的反射率，并且用于在發藍光VCSEL中沉積第二介電鏡的典型襯底去除方法不適用于AlGaN，”Hjort解釋道，“通過采用電化學蝕刻，我們能夠制造出可以夾在兩個高反射率介電鏡之間的AlGaN膜。通過這種方式，我們形成了一個在光泵浦下發出激光的垂直腔體。”
UVB VCSEL 結構，表面形貌和外延結構。（a）UVB VCSEL 的示意圖結構。（b）生長 的金屬極性 Al0.6Ga0.4N 表面的顯微鏡圖像。（c）犧牲層電化學蝕刻暴露的 N 極表面 顯微鏡圖像。（d）生長的外延層結構。多層犧牲層標記為紅色。（圖片版權：ACS Photonics）
新成果展示了有史以來波長最短的VCSEL，電化學蝕刻技術也可擴展到UVC波長，這是滅菌應用例如對抗未來的流行病和提供清潔飲用水所需要的技術。值得一提的是，該項技術還很容易擴展到更短的紫外波長范圍，成為一個重要跳板，用來實現覆蓋整個紫外光區域的VCSEL。
該團隊指出，如何結合隧道結（tunneljunction）電注入技術是未來應用的關鍵，如果可以成功突破，有望為醫療應用和消毒系統提供一種具有出色光束特性的小尺寸，高能效紫外光源。
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