據麥姆斯咨詢報道，近期，由韓國亞洲大學（Ajou University）和RayIR公司組成的研究團隊利用雙轉移技術結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射930 nm薄膜垂直腔面發射激光器（VCSEL）。該薄膜VCSEL在室溫下的閾值電流低至1.08 mA。當注入電流為13.9 mA時，其最大輸出功率為7.52 mW。相關研究成果以“Highly efficient thin-film 930 nm VCSEL on PDMS for biomedical applications”為題發表于Scientific Reports期刊，文中提出的方法有望為下一代VCSEL的多功能生物醫學應用開辟技術可能性。

光電子學已經在生物醫學行業得到了廣泛的研究和開發，以用于基于光學的生物傳感、光動力療法、熒光成像和激光手術等多種應用。特別是，生物相容性光源最近在生物醫學技術領域引起了極大的關注，因為它們具有推動下一代生物醫學應用發展的潛力，使傳感器能夠獲得血壓、卡路里消耗和心電圖（ECG）等實時生理監測信息。

與傳統發光二極管（LED）和邊緣發射激光二極管（EEL）相比，垂直腔面發射激光器（VCSEL）由于其低閾值、低發散光束尺寸、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）激光陣列可大規模制造，使其能夠容易地封裝到光子集成電路（PIC）等光學芯片中。隨著多功能VCSEL應用的技術進步，許多項研究工作提出將傳統VCSEL與聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等生物相容性聚合物以及Si和藍寶石等剛性襯底相集成。然而，由于缺乏將傳統VCSEL與適用于生物組織的聚合物集成的有效技術，因此限制了具有生物相容性的高效薄膜VCSEL的實現。

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

然而，由于PDMS在器件制造和特性測量方面的不利特性，在實現集成于PDMS襯底的生物相容性薄膜VCSEL方面仍存在一些挑戰。PDMS在整個表面上具有相當大的疏水性，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合。此外，當與一些試劑結合時，PDMS往往會發生膨脹，從而中斷化學分析的定量測試。盡管人們多次成功嘗試將PDMS從疏水性改變為親水性，但目前仍存在一些局限性，如化學不穩定性、大規模制造工藝限制以及難以長時間保持親水性等。

在本論文中，研究團隊利用雙轉移技術結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，研究人員利用雙轉移技術將VCSEL兩次轉移到異質載體襯底上，以保持薄膜VCSEL的p-on-n極性。此外，他們使用氧等離子體結合有機硅烷處理進行表面改性輔助鍵合，當將PDMS載體與去除襯底的薄膜VCSEL結合時不需要任何額外的鍵合介質。文中證實了將薄膜VCSEL結構集成到PDMS襯底上的轉移過程不會嚴重降低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VCSEL一樣低。

圖1顯示了使用SMB和雙轉移工藝轉移到柔性PDMS襯底上的頂發射930 nm薄膜VCSEL的結構示意圖。

圖1 轉移到PDMS襯底上的頂發射930 nm薄膜VCSEL的結構示意圖

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

圖2 利用MOCVD制造的薄膜VCSEL的p-on-n結構

圖3顯示了利用SMB和雙轉移技術將薄膜VCSEL轉移到PDMS襯底的制造工藝。

圖3 將薄膜VCSEL轉移到PDMS襯底的制造工藝

圖4a展示了集成于PDMS襯底的頂發射930 nm薄膜VCSEL的照片，可見其具有相當大的柔性。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襯底的頂發射930 nm薄膜VCSEL

圖5a顯示了在25°C連續波（CW）工作模式下集成于PDMS襯底上的頂發射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。當注入電流為13.9 mA時，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，其峰值波長為929 nm。

圖5 頂發射930 nm薄膜VCSEL的L-I-V特性和發射光譜

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

圖6 GaAs襯底上的傳統VCSEL和PDMS襯底上的薄膜VCSEL的L-I-V特性對比

綜上所述，本文實現了一種轉移到PDMS襯底上的生物相容性頂發射930 nm薄膜VCSEL，具有高度的柔性。雙轉移技術使所制造的930 nm薄膜VCSEL能夠保持p-on-n極性。此外，表面改性工藝表現出優異的鍵合性能，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。當注入電流為13.9 mA時，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的多功能生物醫學應用開辟技術可能性。

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

審核編輯 ：李倩