基于PDMS衬底的高效顶发射930 nm薄膜VCSEL,为生物医学应用开辟技术可能性

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。

转移到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。

利用MOCVD制造的薄膜VCSEL的p-on-n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。

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。

集成于PDMS衬底的顶发射930 nm薄膜VCSEL
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。

顶发射930 nm薄膜VCSEL的L-I-V特性和发射光谱
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。

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
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

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