第58卷第2期2021年2月
微鈉电子技术
Micronanoelectronic Technology
Vol. 58 No. 2
February 2021
D O I：10. 13250/j. cnki. wndz. 2021.02. 002
李圣昆U2，赵跃进1
(1.北京理工大学精密光电测量仪器技术重点实验室，北京100081;
2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051)
摘要：针对微光电子机械系统（M O M E S)传感器件对微型片上光源的需求与当前半导体纳米线结 构制备的进展，设计了一种基于n-vi族半导体纳米线的激光器。将生长出来的纳米线在纯净水中超 声制备均匀分布的悬浊液，再滴至栽玻片表面，在显微镜50X物镜下观测得到纳米线呈现稀疏分 布，约2〜3根，选择尺寸较长的纳米线作为制备环形谐振腔的材料。首先使用355 nm激光激发单 根的纳米线，得到半导体纳米线受激发射的以505 n m为中心波长的绿光，半高全宽（F W H M)为2()nm，然后采用光纤探针和微米位移平台操控纳米线，制备了一个半径约lU fxm的环形谐振腔，并得到其激发光谱，谐振峰的中心位置在521.5 nm处，F W H M为0.19 nm，由此计算得到的品质 因子值为2 700，制备得到的谐振腔激光器可以满足M O M E S器件集成的需要。 关键词：微光电子机械系统（M O M ES)；半导体纳米线；谐振腔；微型激光器；光致发光
中图分类号：T N248.4 文献标识码：A文章编号：1671-4776 (2021) 02-0102-05
Ring Laser Based on Semiconductor Nanowires
Li S h e n g k u n1'2, Zhao Yuejin'
(1. K ey Laboratory fo r Precision Optoelectronic Measurement Instrument and Technology ^B eijing
Institute o f
Technology，B eijin g100081, China \ 2. K ey Laboratory o f Instrumentation Science and D ynamic Measurement o f M inistry o f Education ^North University o f China ^Taiyuan030051 »China)
Abstract ：F or the dem and of micro-opto-electro-mechanical system(M O M E S) sensing devices for m iniature on-chip light sources and the current progress in fabricating the semiconductor nanowire stru c tu re, a laser based on II~V I semiconductor nanowires was designed. T he grown nanowires in pure w ater were ultrasonically prepared the uniform ly distributed suspension liquid, and then the solution was dropped onto the surface of the glass slide. T h e nanowirevS sparsely distributed »i. e. tw o to three nanow ires w ere observed under the 50 X objective lens of the m icroscope. T h e nanow ires w ith longer size were chosen as the m aterial to fabricate the ring resonator.
F irstly, the 355 nm laser was used to excite a single nanow ire, and the sem iconductor nanowire
was stim ulated to em it green light w ith a center wavelength of 505 nm and a full w idth at half m axim um(F W H M)of 20 nm. T h e n the fiber probe combined w ith the m icrom eter displacement platform was used to m anipulate the nanow ire, and a ring resonator with a radius of about 10 f im w
as fabricated. T h e excitation spectrum of the ring resonator was obtained. T h e center position of the resonance peak is at 521. 5 n m，the F W H M is 0. 19 n m, and the calculated quality factor
收稿日期：2020-08-25
通信作者：赵跃进，E-mail: **************
102
李圣昆等：基于半导体纳米线的环形激光器
CdS 半导体光致发光示意图
亚国家实验室的G . T . W a n g 研究小组[23]将干、
湿法刻蚀结合，精确控制纳米线的几何参数，制备 得到了 4. 7 p m 长的G a N 纳米线激光器，输出波 长为370 n m ，阈值功率为231kW /cm 2。2019年， 浙江大学Q . Y a n g 课题组[24]通过带隙渐变的
C d S S e 纳米线和C d S 纳米线构建了 FP -W G M 耦合
腔，实现了波长在570〜612 r i m 范围内的调谐。 由于激光腔损耗系数会随腔长减小而增加，较短的
腔长提高了激光腔的损耗系数，对阈值功率有很高 的要求。而面向传感的微纳光源需要简便、稳定的 制备和使用条件。
本文采用了谐振腔技术与半导体纳米线操控工 艺，制备出一款片上微型激光光源。纳米线谐振腔 激光器的直径为30 p m ，输出的中心波长为 520 run 。本文研究为用于传感应用的微纳片上光 源制作提供一种新的思路。
前继1基本原理
C d S 是一种宽禁带的半导体材料[25_26]，室温
下的禁带宽度为2. 42 e V ，在波长355 n m 光的照 射下，材料吸收光子，内部的电子跃迁到高能级 上，经过短暂停留后，电子跃迁回低能级，辐射出 光子。C d S 由于自身的能带特性，发光的波长以 510 n m 为中心。在室温下半导体材料的光致发光 性质同时受到原子间的相互作用力的影响，部分的 能量与声子产生作用，因此辐射出来的光呈现了一
个较宽的波长范围，如图1所示，Fig. 1 Schematic diagrams of CdS semiconductor photoluminescence
引
百
半导体材料在电子领域已经发挥着巨大作 用〜3]，构成了当代电子技术和信息技术的重要基 础。此外，半导体材料在光学领域也具有巨大的应 用前景，如半导体激光器可以制备稳定和性价比高 的相干光源[4_7]，半导体光电探测器则可以方便地 将信号从光波载体中提取出来&9]。半导体材料的 研究发展与应用探索为信息技术向纵深方向发展和 光量子技术发展提供基础[^"]。
在实现相同功能的情况下，体积和功耗小的器 件更受青睐。特别是针对传感元件，小型化和微型 化的工作一直在进行，从信号源、敏感单元到测量 电路[^
3]，从传统笨重的机电传感器到器件尺寸在
微米级和功耗在毫瓦级的微机电传感器，传感单元 在体积和功耗不断减小的同时，精度和稳定性不断 提升。而光学传感相比电学传感具有更高的精度， 将光学传感与微纳技术结合起来，制备出具有较小 体积的光学传感芯片将是未来的发展方向[M15]。
小体积光源的制备和可靠使用是微光电子机械 系统（M OM ES )光学传感芯片规模化研发、制备 和使用的先决条件，目前半导体的激光光源已经实 现了较小体积的制备，但仍然需要深人进行平面的 微型激光光源的研发制备。同时，光学微纳米线是 一种性能优良的波导结构，具有光学传输损耗低、 光场约束强和倏逝场明显等特性[16^8]。
基于半导体光学纳米线可以发展出更小尺寸、 更高性能和更高集成度的微纳米级别光子学器 件[^2°]。无机半导体光学纳米线具备半导体材料 本身所具有的能级特点，可以带间吸收发射，并能 采用已经发展成熟的半导体材料加工工艺，广泛批 量应用在微纳光学器件上[21]。
2(M 1年，浙江大学L . M . T o n g 教授课题组[22] 通过显微操纵将C d S e 的一端或两端弯折成环形 镜，在700 n m 红光波段实现了单纵模输出。桑迪
value is 2 700. T h u s , the fabricated resonator laser can meet the requirement of the integration of the MOMES devices .
Key w ords ： micro -opto -electro-mechanical system (M O M ES ); semiconductor nanowire ； resona t o r ； miniature laser ； photoluminescence EEACC ： 4320J
图中E 为电子E
电子涡轮增压器/
导带
'
k
价带
(c )电子与空穴复
合，释放光子
/i v 为光子能量。
E
y
导带
'
1
价带
(b )载流子弛豫能级，々为波矢，E Y
导带
hv
\
k 价带
吸
跃子量上
电能带上子导带光到价
收迁a 图
103软膜布
微鈉电子技术
2 实验样品制备炭材料工程技术
目前，C d S纳米线较为成熟的制备方法是气- 液-固（V L S)的方法[27_29]。首先在硅片上沉积一层金薄膜。在真空中退火后，金薄膜产生团簇，形成金纳米颗粒。将载有金纳米颗粒的硅片放在腔 室内，向腔室内通人惰性气体，并加热C d S粉末，则C d S蒸发，并在金纳米颗粒的催化作用下，在 金颗粒下方先冷凝形成液态C dS，再形成固体。受 到分子间张力等作用的影响，此时的C d S纳米线 横向尺寸保持稳定，而只在径向上生长。通过调节 退火的温度和时间等条件来控制金纳米颗粒的大小，改变真空度、缓冲气体流量和C d S粉末加热温度等，可以在硅片表面制备得到尺寸均匀的纳米 线阵列结构，制备过程如图2所示。
图2 CdS纳米线生长示意图
Fig. 2 Schematic diagram of CdS nanowire growth
光在半导体纳米线波导中传播时，当纳米线的 截面尺寸小于光的波长时，光在纳米线内部以单一 模式传播，且光能无法完全束缚在纳米线内部，很 大的一部分能量存在于纳米线的表面，当两根纳米 线之间的距离小于光波长时，光能从一根纳米线波 导中经过倏逝场耦合至另一个纳米线波导中，耦合 的过程伴随着相位的改变[3°]。
使用微纳米尺度的光纤探针操控纳米线，根据 所需要的耦合特性，精细调节耦合区域处纳米线之 间的相对位置，得到环形谐振腔。实验所用的环形 谐振腔结构如图3所示，A、B、C和D为同一根 纳米线上的不同点，其中，A与D相连，B与C 相连，经过光纤探针的微米位移操控后，A D与 B C受到分子间作用力粘附在一起。当355 n m激 光照射到环形谐振腔上时，受激发的光从激发点向 两侧传播，由于纳米线两端紧密挨在一起，所以产 生耦合，从C向B顺时针传输的光有一部分耦合到D再向C传播，逆时针传播的光也类似。只有 满足相位条件的波长的光场在纳米线谐振腔内部才 振荡增强，可以通过调节环形腔的结构特征实现选
耦合区域
图3谐振腔示意图
Fig. 3 Schematic diagram of the resonantor
所以，半导体纳米线激光器首先在光的激发下，电子在带间发生布居数的变化，此时受到激发 发射出光来，但受到高温下半导体结构本身的声子 运动的影响，这时发射出来的光有很宽的荧光分布。然后通过谐振腔的选频，压缩受激发光在光谱 上的分布。
3测试与分析
实验装置的原理框图如图4所示，泵浦激光器 (型号为M PL- N- 355 nm，激光功率为530 mW，脉宽为5 ns，频率为8. 28 kHz)发射出 的355 n m脉冲激光经过衰减片降低功率在二向镜（Thorlabs 38() n m长通二向镜）处发生反射.反射向下的激光受到镀铝反射式物镜的聚焦作用汇聚到纳米线波导结构上，同时物镜也接收纳米 线波导结构发出的荧光。当光的波长大于4(mmn 时，二向镜呈现出透明的效果，荧光经过二向
数码相机
光谱仪
图4实验测试装置图
Fig. 4 Schematic diagram of the test device for the experiment
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李圣昆等：基于半导体纳米线的环形激光器
一^
—I ______I ______I 、 I
440 460 480 500 520 540 560
Wavelength/nm (b) G 处
图6
对图5中单根纳米线激发后F 和
G 两处测量得到的光谱
Fig. 6 Spectra measured at points of F and G of
a single nanowire in Fig. 5
在光学显微镜l 〇〇倍物镜下，纳米线环形激光 器的形貌如图7 (a )所示。将制备好的纳米线环
形激光器放在图4所示的测试系统下，光致激发后 测量输出的光学信号，在激光泵浦下激光器的显微 图片如图7 (b )所示，在端点处有明亮的光斑， 利用针孔滤波采集这一点处的荧光信号。保持光谱 仪处的狭缝和积分时间等参数不变，经过比较发现 端点处测得的信号中心波长为521.5 nm ，半高全 宽为0. 19 nm 。测量得到的荧光强度远大于单根纳 米线的光致发光测试结果，如图7 (c )所示。经 过计算得到的Q 值为2 700。
光信号中心波长进行比较后发现，端点处的中心波 长呈现出红移的效果。观察到的这一光谱红移现象 与C d S 纳米线腔内带边缘发射的重吸收相符合。 分别收集图5中F 处和G 处的光谱，如图6所示， 可得到F 处的荧光中心峰位置在505 nm ，半高全 宽为20 nm ，G 处的荧光中心峰位置在515 nm , G 处的荧光中心波长比F 处更长，由于在半导体纳 米线波导中传输时的损耗，G 处测量得到的光强度 />于
F 处的。
镜后被收集到光谱仪中（H o rrib a 公司的 iH R 550)，采用制冷型C C D 检测光谱信号降低散 粒噪声，提高光谱采集的信噪比。
将生长着半导体纳米线的硅片放在蒸馏水中于 超声波清洗机中振荡5 min ，使纳米线均匀悬浮在 蒸馏水中，制备成悬浊液。将含有纳米线的悬浊液 上层清液滴在载玻片上，待水分蒸发后，半导体纳 米线受到分子间作用力吸附在载玻片表面上。
采用熔融光纤拉锥法制备光纤探针，探针尖端 直径约为100 nm 。结合高精度三维微米位移平台， 可以实现对载玻片表面的纳米线的微纳操控。移动 光纤探针，带动载玻片上纳米线移动，此时纳米线 一端受到分子间结合力产生的摩擦力，保持在平面 上的固定位置处，而另一端在光纤探针的作用下移 动。纳米线弯曲制备成半导体谐振腔。在显微镜的 观测下，制备好的半导体谐振腔激光器两端之间的 距离在1 jxm 以内，满足倏逝场耦合的条件[33]。
355 n m 激光器经过380 n m 的长通二向镜后 由物镜聚焦到纳米线上，激发纳米线发出绿光，激 发下的图片如图5所示，图中E 、F 和G 为纳米线 上不同位置。半导体纳米线发出的绿光再经过物镜 后形成平行光束传播，被收集到光谱仪中测试分析 半导体纳米线的光致发光特性。
泰.
*
F
•
G
E
图5
光激发下的纳米线在显微镜下的照片
Fig. 5 Photograph of a nanowire excited by the
light under the microscope
在半导体纳米线波导中，传输的光会被波导本 身吸收再发射。在实验装置上增加空间光滤波装 置，实现对成像平面上某一点处的光场测量。当对 纳米线进行激发后，分别测量激光聚焦处和从半导 体纳米线波导两端发射出来的光。在激发点测试得 到的光信号中心波长和从纳米线端点处收集得到的
o o o o
8
6
4
2
(•
n .E )x .t:s s l u J
105
微纳电子技术
(a)纳米线谐振腔在显微镜（b)谐振腔在355 nm激光激发
T的形貌下得到的荧光图片
22 500「
，18 000-
3
e〇
X13 500 -
|9 000 -
c
4 500 -
0，…v-----I
513 516 519 522 525 528 531
Wavelength/nm
(c)测试得到的谐振光谱信号，中心波长为521.5 nm
图7纳米线谐振腔的显微照片和测试光谱
Fig. 7 Micrographs and measured spectrum of the
nanowire resonator
4 结论
本文主要研究了将均匀生长的纳米线制备成环形谐振腔激光器，采用基于光纤探针的微纳操控平台，制作出纳米线的环形耦合结构，测试在激光栗浦下的性能。实验检测了C d S单根纳米线本身的光致发光特性，510m n的中心波长与C d S半导体结构的能级跃迁一致。当进行微纳操控后，纳米线首尾相交形成环形谐振腔结构，在光栗浦和谐振腔的选频作用下，测得中心波长为521.5 n m，半高 全宽为().19 n m。本文的工作为光学传感应用提供了一种制备纳米级激光器光源的思路。
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