垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种快速、高功率的紧凑型半导体激光器，其激光垂直于顶面射出。VCSEL在数据通信、传感和照明等领域发挥巨大的作用，例如：智能手机中的面部识别以及数据传输中的光通信模块。
到目前为止，这类激光器的商业应用大部分集中在可见光和红外波段上，如果可以将波长范围进一步推向紫外线（UV），那么VCSEL的用途势必将更为广泛。我们知道，紫外线可用于消毒，材料固化，荧光激发和医学治疗。随着VCSEL技术的日趋成熟，在未来，更紧凑的紫外线VCSEL将毫无疑问是空间表面消毒杀菌系统以及皮肤病治疗系统最优秀的解决方案。光泵浦UVB垂直腔面发射激光器（VCSEL）的艺术插图
图源：Krantz NanoArt
然而，目前报道的紫外线VCSEL因GaN的能隙限制（360nm）而全部集中在UVA（320-400 nm）这个范围内。为了实现大多数应用场景所需的UVB（280-320 nm）和UVC（200-280 nm）中波段的紫外线发射，激光介质必须由AlGaN制成，这是这项工作的主要挑战。
近日，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员与德国柏林工业大学的合作者一起展示了现存能发射最短波长的VCSEL。
Filip Hjort博士（文章一作）这样说：“尽管还有很多工作要做，特别是在如何实现电泵浦驱动，但该成果为实用性地覆盖绝大部分紫外光谱范围的VCSEL提供了重要的基础。”该科研成果背后的四位研究人员，从左到右依次为：
Johannes Enslin，Michael Bergmann，Åsa Haglund和Filip Hjort
图源：Henrik Sandsjö
该成果最近以“A 310 nm Optically Pumped AlGaN Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser”为题发表在ACS Photonics上。
如何将GaN基底VCSEL使用的电注入和镜面技术应用到AlGaN基底VCSEL呢？
研究人员创造性地展示了一种电化学蚀刻方法，该方法可用于选择性地蚀刻特定的AlGaN层。他们使用这种技术制造了世界上第一个室温下光泵浦UVB波段（280-320 nm）的垂直腔面发射激光器。
Filip Hjort博士解释说“通过使用电化学蚀刻技术去除衬底并且创建光滑的AlGaN膜，我们解决了如何实现紫外线波段的VCSEL激光器这一长期存在的问题。一般来说，VCSEL激光器需要两个反射率超过99％的反射镜，这些反射镜可以通过使用外延生长技术或者介电材料制成。但在这项工作中，我们通过采用全新的电化学蚀刻方法，克服了使用传统外延生长无法获得在UVB或UVC波段高反射率的困难，从而能制造出可以夹在两个高反射率介电镜之间的AlGaN薄膜，这样的膜具有高Al含量、表面光滑和厚度精确控制等优点。”UVB波段VCSEL的结构，表面形貌和外延结构，使用电化学蚀刻法处理过的表面
图源：ACS Photonics
值得一提的是，该项技术还很容易扩展到更短的紫外波长范围，成为一个重要跳板，用来未来实现覆盖整个紫外光区域的VCSEL。
该团队指出，如何来结合隧道结（tunnel junction）电注入技术是未来应用的关键，如果可以成功突破，有望为医疗应用和消毒系统提供一种具有出色光束特性的小尺寸，高能效紫外光源。
文章信息
Hjort, Filip, et al. "A 310 nm Optically Pumped AlGaN Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser." ACS Photonics (2020).
文章地址
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01382