瑞典科学家研发用于消毒和医疗领域的超短波长VCSEL

据麦姆斯咨询报道，瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)与柏林工业大学的研究人员展示了迄今为止所报道的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)最短波长：中波紫外线(280-320 nm，UVB)，未来可用于消毒和医疗等应用。该项成果最近发表于科学杂志ACS Photonics。

该论文第一作者、微技术与纳米科学系光子学实验室学生Filip Hjort博士说：“尽管还有很多工作要做，特别是要让器件实现电学驱动，但该演示为实现覆盖大部分紫外光谱范围的实用VCSEL产品奠定了坚实的基础。”

VCSEL是一种紧凑型半导体激光器，已广泛应用于智能手机的人脸识别和数据中心的光通信等应用中。到目前为止，市场主要供应工作于红外波段的红色激光器，以及可见光波段的VCSEL，已经在汽车自适应大灯、投影显示器得到应用，将很快实现商业化。

“如果可以将波长范围进一步扩大到紫外线(UV)，那么VCSEL的应用领域将更加广泛。紫外线可以用于消毒、材料固化、荧光激发和医疗，而紫外线VCSEL可用于如紧凑型消毒系统以及皮肤疾病治疗。”Filip Hjort说。

为了实现上述应用所需的中波紫外线(280-320 nm，UVB)和短波紫外线(200-280 nm，UVC)的发射波长，激光介质必须采用铝镓氮化物(AlGaN)。微技术与纳米科学系光子学实验室教授?sa Haglund的研究小组曾与柏林工业大学的合作者展示过一种电化学刻蚀方法，该方法可用于选择性刻蚀特定AlGaN层。两个研究小组在当前的工作中利用这种方法实现了全球首款光泵浦UVB发射VCSEL。

UVB VCSEL结构、表面形貌和外延结构展示。(a)UVB VCSEL结构示意图;(b)金属极性Al0.6Ga0.4N的原子力显微镜图像;(c)通过电化学刻蚀牺牲层后暴露N极性表面的原子力显微镜图像;(d)外延层结构，多层牺牲层标记为红色。

“通过使用电化学刻蚀技术去除衬底并制造出光滑的AlGaN膜，我们解决了紫外线VCSEL长期存在的问题。VCSEL需要两面反射率超过99%的反射镜，这些反射镜可以采用外延生长或介电材料制成。但是，使用外延生长并不能获得UVB或UVC波段的高反射率，适用于蓝光VCSEL的第二层介电镜沉积的典型衬底去除方法也不适用于AlGaN。通过采用电化学刻蚀，我们能够制造出夹于两面高反射率介电镜之间的AlGaN膜。这样，就形成了一个垂直腔，该垂直腔在光泵浦下实现激射。”

这项演示报告了有史以来最短波长的VCSEL，所用电化学刻蚀技术也可扩展到杀菌应用所需的UVC波长。未来可用于清洁饮用水的供给。