據麥姆斯諮詢報導，瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）與柏林工業大學的研究人員展示了迄今為止所報導的垂直腔表面發射雷射器（VCSEL）最短波長：中波紫外線（280-320 nm，UVB），未來可用於消毒和醫療等應用。該項成果最近發表於科學雜誌ACS Photonics。
該論文第一作者、微技術與納米科學系光子學實驗室學生Filip Hjort博士說：「儘管還有很多工作要做，特別是要讓器件實現電學驅動，但該演示為實現覆蓋大部分紫外光譜範圍的實用VCSEL產品奠定了堅實的基礎。」
VCSEL是一種緊湊型半導體雷射器，已廣泛應用於智慧型手機的人臉識別和數據中心的光通信等應用中。到目前為止，市場主要供應工作於紅外波段的紅色雷射器，以及可見光波段的VCSEL，已經在汽車自適應大燈、投影顯示器得到應用，將很快實現商業化。
「如果可以將波長範圍進一步擴大到紫外線（UV），那麼VCSEL的應用領域將更加廣泛。紫外線可以用於消毒、材料固化、螢光激發和醫療，而紫外線VCSEL可用於如緊湊型消毒系統以及皮膚疾病治療。」Filip Hjort說。
為了實現上述應用所需的中波紫外線（280-320 nm，UVB）和短波紫外線（200-280 nm，UVC）的發射波長，雷射介質必須採用鋁鎵氮化物（AlGaN）。微技術與納米科學系光子學實驗室教授Åsa Haglund的研究小組曾與柏林工業大學的合作者展示過一種電化學刻蝕方法，該方法可用於選擇性刻蝕特定AlGaN層。兩個研究小組在當前的工作中利用這種方法實現了全球首款光泵浦UVB發射VCSEL。
UVB VCSEL結構、表面形貌和外延結構展示。（a）UVB VCSEL結構示意圖；（b）金屬極性Al0.6Ga0.4N的原子力顯微鏡圖像；（c）通過電化學刻蝕犧牲層後暴露N極性表面的原子力顯微鏡圖像；（d）外延層結構，多層犧牲層標記為紅色。
「通過使用電化學刻蝕技術去除襯底並製造出光滑的AlGaN膜，我們解決了紫外線VCSEL長期存在的問題。VCSEL需要兩面反射率超過99%的反射鏡，這些反射鏡可以採用外延生長或介電材料製成。但是，使用外延生長並不能獲得UVB或UVC波段的高反射率，適用於藍光VCSEL的第二層介電鏡沉積的典型襯底去除方法也不適用於AlGaN。通過採用電化學刻蝕，我們能夠製造出夾於兩面高反射率介電鏡之間的AlGaN膜。這樣，就形成了一個垂直腔，該垂直腔在光泵浦下實現激射。」
波長為1.5λ的UVB VCSEL垂直腔的透射電子顯微鏡（TEM）圖像
這項演示報告了有史以來最短波長的VCSEL，所用電化學刻蝕技術也可擴展到殺菌應用所需的UVC波長。未來可用於清潔飲用水的供給。
論文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c01382
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