專利名稱：垂直定向的半導(dǎo)體納米線的光吸收和過濾特性的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
背景技術(shù)：
納米結(jié)構(gòu)通常展現(xiàn)其大體積對等物中不存在的吸引人的物理特性。納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性一直是當(dāng)前研究關(guān)注點之一。轉(zhuǎn)換納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性將促進其在半導(dǎo)體、光學(xué)元件和消費者電子工業(yè)中的應(yīng)用。在一個實例中，納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性可由其化學(xué)組成控制。化學(xué)摻雜可改變組成半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的材料的電子結(jié)構(gòu)，這又會改變其與光的交互。在另一實例中，將納米結(jié)構(gòu)布置成規(guī)則柵格可產(chǎn)生個別納米結(jié)構(gòu)所缺乏的光學(xué)特性。然而，這些常規(guī)方法通常需要復(fù)雜的化學(xué)合成或合成后操縱，且因此對于條件的微小變化不太穩(wěn)健，且無法輕易且準(zhǔn)確地將納米結(jié)構(gòu)定位在功能裝置中。對比之下，本文描述的方法通過利用納米結(jié)構(gòu)的小物理大小和自上而下式制造工藝(即，移除一塊大體積材料的一部分直到實現(xiàn)所要納米結(jié)構(gòu)為止)來克服常規(guī)方法的這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
本文描述一種納米線陣列，其包括襯底和從所述襯底基本上垂直延伸的多條納米線；其中:所述納米線的折射率至少為所述納米線的覆層的折射率的兩倍。優(yōu)選地，所述納米線的數(shù)量密度至多約為1.8/μπι2。所述納米線陣列可使用包括以下各項的方法來制造:(a)用抗蝕劑層涂覆所述襯底；(b)使用光刻技術(shù)在抗蝕劑層中產(chǎn)生點圖案；(c)在抗蝕劑層中使圖像顯影；(d)沉積掩模層；(e)起離抗蝕劑層；(f)通過對襯底進行干式蝕刻形成納米線；(g)任選地移除掩模層；其中點的形狀和大小決定納米線的橫截面形狀和大小。所述納米線陣列可用作光電檢測器、亞微米彩色濾光片、靜態(tài)彩色顯示器或動態(tài)彩色顯不器。


圖1A展示納米線陣列的透視示意圖。圖1B展示圖1A的納米線陣列的橫截面示意圖。圖2A-2D是示范性納米線陣列的SEM圖像。
圖3A展示具有擁有一系列不同半徑的納米線的納米線陣列的測得的反射光譜。圖3B展示圖3A的納米線陣列的模擬的反射光譜。圖3C展示作為其上的納米線的半徑的函數(shù)的納米線陣列的測得和模擬的反射光譜中的下沉(dip)位置。圖4A-4C展示在納米線陣列中的納米線附近處于不同波長的Hm模式的主要橫向分量。圖4D展示垂直入射在納米線陣列上的白光的可能路徑的示意說明。圖5A展示具有不同納米線半徑的三個納米線陣列的Hm模式的模擬有效折射率(IWf)(作為波長的函數(shù))。圖5B展示圖5A的納米線陣列的模擬吸收光譜。圖5C比較納米線陣列中的襯底的模擬吸收光譜、納米線陣列中的納米線(45nm半徑)的模擬吸收光譜以及整個納米線陣列的模擬反射光譜。圖6展示根據(jù)一實施例包括納米線陣列的動態(tài)彩色顯示器的四個像素的示意俯視圖。圖7A和7B展示用于測量納米線陣列的反射光譜的兩個示范性設(shè)備的示意圖。
具體實施例方式根據(jù)一實施例，本文描述一種納米線陣列，其包括襯底和從所述襯底基本上垂直延伸的多條納米線；其中所述納米線的折射率至少為所述納米線的覆層的折射率的兩倍。所述納米線的數(shù)量密度優(yōu)選至多約為1.8/μπι2。根據(jù)一實施例，一種納米線陣列包括襯底和從所述襯底基本上垂直延伸的多條納米線；其中所述納米線陣列可作為亞微米彩色濾光片操作。如本文使用的“亞微米彩色濾光片”意味著允許某些波長的光通過濾光片中的光學(xué)元件的濾光片至少在一個維度中小于I微米。根據(jù)一實施例，一種納米線陣列包括襯底和從所述襯底基本上垂直延伸的多條納米線；其中所述納米線不實質(zhì)上耦合。如本文使用的術(shù)語“實質(zhì)上耦合”意味著納米線總體與入射光交互使得納米線陣列的光譜特性(例如，反射光譜)不同于納米線陣列中的個別納米線的光譜特性。如本文使用的術(shù)語“納米線不實質(zhì)上耦合”意味著一條納米線不影響相鄰納米線的特性。舉例來說，當(dāng)納米線的間距改變且納米線吸收或反射的光不發(fā)生顏色改變時，那么所述納米線不實質(zhì)上耦合。根據(jù)一實施例，一種納米線陣列包括襯底和從所述襯底基本上垂直延伸的多條納米線；所述納米線陣列對于肉眼不呈現(xiàn)為黑色。如本文使用的術(shù)語“肉眼”意味著無增強設(shè)備支援的人類視覺感知。如本文使用的術(shù)語“納米線陣列對于肉眼不呈現(xiàn)為黑色”意味著來自納米線的經(jīng)反射可見光大體為零，這可能會基于納米線長度、半徑和間距以及襯底的光學(xué)特性在某些條件下發(fā)生。根據(jù)一實施例，如本文使用的納米線意味著具有大小在兩個維度中限于至多IOOOnm且在其它維度中不受限制的結(jié)構(gòu)。如本文使用的陣列意味著例如網(wǎng)格等對象的系統(tǒng)性布置。如本文使用的術(shù)語“從襯底基本上垂直延伸的納米線”意味著納米線與襯底之間的角度為從85°到90°。如本文使用的覆層意味著圍繞納米線的物質(zhì)，其可為真空、空氣、水等。如本文使用的納米線的折射率意味著真空中的光速相對于納米線中的光速的比率。如本文使用的納米線的數(shù)量密度意味著襯底每單位面積的納米線平均數(shù)目。根據(jù)一實施例，納米線陣列中的納米線的每一者在納米線的縱向方向上從納米線的一端到納米線的相對端具有基本上均一的化學(xué)組成。根據(jù)一實施例，如本文使用的納米線的化學(xué)組成意味著納米線中存在的每一元素的原子的最簡單整數(shù)比。如本文使用的術(shù)語“基本上均一的化學(xué)組成”意味著原子的比率變化至多3%，優(yōu)選至多1%。如本文使用的納米線的縱向方向意味著從納米線距襯底最遠的一端指向納米線距襯底最近的一端的方向。根據(jù)一實施例，納米線陣列中的納米線的每一者為單晶體、多晶體或非晶體。如本文使用的納米線為單晶體意味著整個納米線的晶格在整個納米線上是連續(xù)且不中斷的，其中無晶界。如本文使用的納米線為多晶體意味著納米線包括被晶界分離的晶體的晶粒。如本文使用的納米線為非晶體意味著納米線具有無序的原子結(jié)構(gòu)。根據(jù)一實施例，納米線陣列中的納米線由半導(dǎo)體或電絕緣材料組成。導(dǎo)體可為具有基本上為零的帶隙的材料。導(dǎo)體的導(dǎo)電率大體在103S/cm以上。半導(dǎo)體可為具有達約3eV的有限帶隙的材料，且通常具有到IO3到10_8S/cm范圍內(nèi)的導(dǎo)電率。電絕緣材料可為具有大于約3eV的帶隙的材料且通常具有10_8S/cm以下的導(dǎo)電率。根據(jù)一實施例，納米線陣列中的納米線包括選自由S1、Ge、GaN、GaAs、Si02和Si3N4組成的群組的一種或一種以上材料。根據(jù)一實施例，納米線陣列中的納米線的半徑從10到IOOOnm ;納米線的長度從0.01 到 10 μ mo根據(jù)一實施例，納米線陣列中的納米線和襯底具有大體相同的化學(xué)組成。如本文使用的術(shù)語“相同化學(xué)組成”意味著襯底和納米線為相同材料。此處的術(shù)語“大體相同”意味著化學(xué)組成相差不大于3%,優(yōu)選不大于1%。根據(jù)一實施例，納米線陣列中的納米線和襯底為單晶體，且納米線的晶格和襯底的晶格在其間的界面處為連續(xù)的、即，納米線與襯底之間的界面處不存在晶界。根據(jù)一實施例，納米線陣列中的納米線布置成例如矩形網(wǎng)格、正方形網(wǎng)格、同心圓、六邊形網(wǎng)格等預(yù)定圖案。根據(jù)一實施例，沿著平行于襯底的方向納米線距所述納米線的最近相鄰者的距離(也稱為“間距”或“間距距離”)至少為800nm，優(yōu)選至多l(xiāng)OOOOnm。根據(jù)一實施例，納米線陣列的反射光譜具有下沉；下沉位置隨著納米線的半徑減小而移位到較短波長；且下沉位置與沿著平行于襯底的方向納米線距所述納米線的最近相鄰者的距離無關(guān)。如本文使用的反射光譜意味著某一波長處經(jīng)反射光的密度與相同波長處入射光的密度的比率(作為波長的函數(shù))。如本文使用的反射光譜中的“下沉”意味著反射光譜中的區(qū)，在其中反射小于反射光譜中的周圍區(qū)中的反射。如本文使用的“下沉位置”意味著反射為最小的下沉中的波長。根據(jù)一實施例，納米線陣列的反射光譜與照明的入射角無關(guān)。根據(jù)一實施例，如本文使用的入射角意味著入射在襯底上的光線與在入射點處垂直于襯底的線之間的角度。根據(jù)一實施例，一種制造納米線陣列的方法包括:(a)用抗蝕劑層涂覆襯底；(b)使用光刻技術(shù)在抗蝕劑層中產(chǎn)生點圖案；(C)在抗蝕劑層中使圖像顯影；(d)沉積掩模層；
(e)起離抗蝕劑層；(f)通過對襯底進行干式蝕刻形成納米線；(g)任選地移除掩模層；其中點的形狀和大小決定納米線的橫截面形狀和大小。根據(jù)一實施例，如本文使用的抗蝕劑層意味著用于將圖案轉(zhuǎn)移到上面沉積抗蝕劑層的襯底的薄層?？刮g劑層可經(jīng)由光刻而圖案化以形成在后續(xù)處理步驟期間保護下伏襯底的選定區(qū)域的(亞)微米級臨時掩模?？刮g劑通常為聚合物或其前驅(qū)體與已針對給定光刻技術(shù)特別制備的其它小分子(例如，光生酸劑)的專門混合物。光學(xué)光刻期間使用的抗蝕劑稱為光致抗蝕劑。電子束光刻期間使用的抗蝕劑稱為電子束抗蝕劑。如本文使用的“點”意味著離散區(qū)。光刻技術(shù)可為光學(xué)光刻、電子束光刻、全息光刻。光學(xué)光刻是在微制造中用以選擇性移除襯底的薄膜或大塊的部分的工藝。其使用光將幾何圖案從光掩模轉(zhuǎn)移到襯底上的光敏化學(xué)光致抗蝕劑或簡單地“抗蝕劑”。一系列化學(xué)處理接著將曝光圖案雕刻到光致抗蝕劑下方的材料中。在復(fù)雜集成電路(例如，現(xiàn)代CMOS)中，晶片將通過光學(xué)光刻循環(huán)達50次。電子束光刻是在用膜(稱為抗蝕劑)涂覆的表面上以圖案化方式掃描電子束(“曝光”抗蝕劑)且選擇性移除抗蝕劑的曝光或未曝光區(qū)(“顯影”)的實踐。與光學(xué)光刻一樣，目的是在抗蝕劑中形成可隨后通常通過蝕刻轉(zhuǎn)移到襯底材料的非常小的結(jié)構(gòu)。其經(jīng)開發(fā)用于制造集成電路，且還用于形成納米技術(shù)人工制品。全息光刻(也稱為干涉光刻)是用于在不使用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)或光掩模的情況下圖案化精細特征的規(guī)則陣列的技術(shù)?；驹砼c干涉測量術(shù)或全息術(shù)中相同。兩個或兩個以上相干光波之間的干涉圖案設(shè)置并記錄在記錄層(光致抗蝕劑)中。此干涉圖案由表示強度最小值和最大值的一系列周期性邊緣組成。在曝光后光學(xué)光刻處理后，即刻出現(xiàn)對應(yīng)于周期性強度圖案的光致抗蝕劑圖案。如本文使用的掩模層意味著保護襯底的下伏部分使其免受蝕刻的層。如本文使用的“干式蝕刻”意味著在不使用液體蝕刻劑的情況下的蝕刻技術(shù)。根據(jù)一實施例，一種使用納米線陣列I作為光電檢測器的方法包括:在納米線陣列上照射光；測量納米線上的光電流；測量襯底上的光電流；將納米線上的光電流與襯底上的光電流進行比較。如本文使用的光電檢測器意味著光的傳感器。根據(jù)一實施例，一種使用納米線陣列作為靜態(tài)彩色顯示器的方法包括:從待顯示的圖案確定納米線的位置和半徑；用所確定的半徑在襯底上的所確定位置處制造納米線；在納米線陣列上照射白光。根據(jù)一實施例，一種動態(tài)彩色顯示器包括納米線陣列，即襯底的與納米線相對的一側(cè)上可獨立尋址的白光源的陣列，其中每一白光源對應(yīng)于納米線的一者且在襯底平面中與所述納米線的一者對準(zhǔn)。如本文使用的“可獨立尋址的白光源”意味著每一光源可獨立于其它光源而控制、調(diào)整、開啟或關(guān)閉。如本文使用的“白光”意味著不同波長的可見光以相等比例的組合。根據(jù)一實施例，動態(tài)彩色顯示器中的白光源為白色LED。LED也稱為發(fā)光二級管。存在使用LED產(chǎn)生白光的兩種主要方式。一種是使用發(fā)射三種基色(紅、綠和藍)且接著將所有顏色混合以形成白光的個別LED。另一種是使用熒光體材料將單色光從藍色或UV LED轉(zhuǎn)換為廣譜白光，與熒光燈泡的工作原理大體相同。根據(jù)一實施例，在動態(tài)彩色顯示器中，第一群組的納米線具有第一半徑，第二群組的納米線具有第二半徑，且第三群組的納米線具有第三半徑，其中第一群組的納米線僅允許紅光通過，第二群組的納米線僅允許綠光通過，且第三群組的納米線僅允許藍光通過。根據(jù)一實施例，一種亞微米彩色濾光片包括所述納米線陣列，其中每一納米線放置在光電檢測器上，其中僅允許具有每一納米線的反射光譜的下沉中的波長的入射光到達下方的光電檢測器。一種使用所述亞微米彩色濾光片的方法包括在納米線陣列上照射白光，檢測納米線下方所透射的光。根據(jù)一實施例，納米線的半徑與納米線的間距的比率至多為0.5。實例圖1A和IB展示根據(jù)一實施例的納米線陣列100的示意圖。納米線陣列100包括襯底Iio和從襯底110基本上垂直延伸的多條納米線120 (例如，納米線120與襯底110之間的角度從85°到90° )。每一納米線120優(yōu)選具有沿著其整個長度的均一化學(xué)組成。每一納米線120為單晶體、多晶體或非晶體。納米線120優(yōu)選由適宜的半導(dǎo)體或電絕緣材料制成，其實例包含S1、Ge、GaN、GaAs、Si02、Si3N4等。納米線120的折射率與覆層130(即，圍繞納米線120的材料)的折射率的比率(即，折射率對比)優(yōu)選至少為2，更優(yōu)選至少為
3。納米線120的半徑優(yōu)選從10到lOOOnm，更優(yōu)選從20到80nm，最優(yōu)選從45到75nm。納米線120的長度優(yōu)選從0.01到10 μ m,更優(yōu)選0.1到5 μ m。納米線120和襯底110優(yōu)選具有大體相同的化學(xué)組成。納米線120和襯底110的晶格(如果兩者均為單晶體)優(yōu)選在其間的界面處為連續(xù)的。納米線120可具有相同或不同形狀和大小。納米線120可布置成任何適宜的圖案，其實例包含矩形網(wǎng)格、正方形網(wǎng)格、六邊形網(wǎng)格、同心圓等。沿著平行于襯底的方向的納米線陣列100的納米線120距納米線陣列100的最近相鄰納米線的距離也稱為“間距”或“間距距離”。納米線120的半徑與所述間距的比率不應(yīng)過高，即優(yōu)選至多0.5，更優(yōu)選至多0.1。如果此比率過高，那么納米線120彼此耦合(即，納米線120總體與入射光交互使得納米線陣列100的光譜特性(例如，反射光譜)與納米線陣列100中的個別納米線120的光譜特性不同)，且納米線陣列100對于肉眼呈現(xiàn)為黑色且無法充當(dāng)彩色濾光片或顯示器。優(yōu)選地，納米線120的數(shù)量密度(襯底110上每單位面積的納米線120的平均數(shù)目)因此至多約為1.8/μπι2。優(yōu)選地，納米線120的間距至少為500nm。圖2A-2D展示納米線陣列100的示范性掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。在這些示范性SEM圖像中，由硅組成的10，000條納米線120在由硅組成的襯底110上布置成100 μ mX 100 μ m正方形網(wǎng)格，其中一條納米線沿著平行于襯底的方向距納米線陣列100的最近相鄰納米線的距離約為I μ m。納米線120的長度約為I μ m。納米線120的半徑約為45nm。圖3A展示五個納米線陣列100的測得的反射光譜，所述五個納米線陣列100的每一者由由硅組成的10,000條納米線120組成，所述納米線120在由硅組成的襯底110上布置成100 μ mX 100 μ m正方形網(wǎng)格，其中這些納米線陣列100的間距和納米線120的長度約為Ιμπι。這五個納米線陣列100為相同的，只是其納米線120分別具有45nm、50nm、55nm、60nm、65nm和70nm的均一半徑。在白光照明下,這些納米線陣列100對于肉眼呈現(xiàn)為不同顏色(例如，紅、綠、藍、青等)。這些納米線陣列100的每一者的反射光譜展示一個下沉，即在下沉內(nèi)的波長處的入射光與在下沉外的波長處的入射光相比以較小的比例反射。下沉的位置決定著納米線陣列100的表觀顏色。舉例來說，如果下沉的位置在700與635nm之間，那么納米線陣列100呈現(xiàn)為青色；如果下沉的位置在560與490nm之間，那么納米線陣列100呈現(xiàn)為品紅色；如果下沉的位置在490與450nm之間，那么納米線100呈現(xiàn)為黃色。下沉的位置從具有最大納米線120 (半徑為70nm)的納米線陣列100中的約770nm逐步移位到具有最小納米線120 (半徑為45nm)的納米線陣列100中的約550nm。這五個納米線陣列100中下沉的位置范圍跨越整個可見光譜。下沉的位置與納米線陣列100的間距無關(guān)，這表明下沉不是歸因于衍射或耦合效應(yīng)。盡管不需要衍射和耦合效應(yīng)，但當(dāng)此類效應(yīng)存在時，納米線陣列100可工作。納米線陣列100優(yōu)選具有大于800nm的間距,使得衍射和耦合效應(yīng)不會起支配作用。下沉的量值隨著間距增大而減小，因為較大間距導(dǎo)致納米線120的較低數(shù)量密度。圖3A還說明下沉的量值隨著波長中下沉的位置而增加，這是歸因于襯底材料在其帶隙上方的較強材料色散(即，襯底110的折射率在高于其材料的帶隙的波長處增力口，而納米線120中的引導(dǎo)模式的有效折射率保持接近空氣的折射率，這導(dǎo)致引導(dǎo)模式與襯底110之間的較高折射率對比以及因此較短波長處下沉中的較強反射(即，下沉的較小量值))。對于具有較粗納米線的納米線陣列，其反射光譜中可存在一個以上下沉，且納米線陣列可以顏色的組合呈現(xiàn)?？衫媒?jīng)聚焦或校準(zhǔn)入射照明來測量反射光譜。在如圖7A所示的示范性實施例中，來自光源810的入射白光由20x物鏡830(數(shù)值孔徑=0.5)聚焦；經(jīng)反射光被相同物鏡830收集且由分束器820部分反射到分光儀850。在物鏡830的圖像平面處使用虹膜840來拒絕除納米線陣列100反射的光的任何光。在如圖7B所示的另一示范性測量中，來自光源815的入射白光由透鏡835校準(zhǔn)且經(jīng)由分束器825導(dǎo)向納米線陣列100 ;經(jīng)反射光被IOx物鏡865收集到分光儀855。在物鏡865的圖像平面處使用虹膜845來拒絕除納米線陣列100反射的光的任何光?？墒褂勉y鏡來測量經(jīng)反射光的絕對強度，其用于計算(即，正規(guī)化)反射光譜。發(fā)現(xiàn)反射光譜基本上與入射角無關(guān)，其指示反射光譜由入射光的法線分量與納米線陣列100之間的耦合動力學(xué)控制。圖3B展示使用有限差時域(FDTD)方法的圖3A中的五個納米線陣列100的模擬反射光譜。FDTD方法是用數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)中的光的傳播的方法且可用于預(yù)測傳播的詳細特性。所述模擬反射光譜相對于作為納米線半徑的函數(shù)的下沉位置在數(shù)量上與圖3A的測得的反射光譜較好地一致。與測得的反射光譜相比，模擬光譜具有較淺下沉，這可歸因于實際納米線陣列中變粗糙的襯底表面與模擬中假定的理想地平坦的襯底表面之間的反射率差。使用Lumerical (Lumerical Solutions公司)的FDTD和MODE解決程序來執(zhí)行模擬。在MODE解決程序中通過簡單地指定納米線半徑、間距和材料特性構(gòu)造二維模型。接著在襯底平面中強加周期性邊界條件。這些模式用于研究作為波長的函數(shù)的納米線120的基本模式的演進。在Lumerical的FDTD解決程序中通過指定完整的納米線幾何形狀以及間距和材料特性構(gòu)造完整的三維模型。強加襯底平面中的周期性邊界條件和沿著z軸(襯底110的法線方向)的吸收邊界條件。沿著z軸啟動適當(dāng)帶寬的平面波脈沖源，且放置監(jiān)視器以計算作為波長的函數(shù)的總體被吸收、透射和反射的流量。納米線120和襯底110假定在模擬中為娃。圖3C展示在測得和模擬反射光譜兩者中作為納米線120的半徑的函數(shù)的下沉的位置，其展示對納米線半徑的基本上線性的相依性?；旧暇€性的相依性指示測得與模擬反射光譜之間的強相關(guān)或一致。如圖3A和3B所示的納米線陣列100的波長選擇性反射源自每一納米線120的基本引導(dǎo)模式(HEm模式)的場分布的強波長相依性。如本文使用的基本引導(dǎo)模式意味著具有最低頻率的引導(dǎo)模式。如本文使用的納米線120的引導(dǎo)模式意味著場在納米線120外部各處在橫向方向(平行于襯底110的方向)上單調(diào)衰減且不丟失功率到輻射的模式。對稱性防止納米線120與其它引導(dǎo)模式之間的有效交互，且納米線120太小而不能支持較高級HE1,模式(具有較高頻率的引導(dǎo)模式)。圖4A-4C展示不同波長處Hm模式的主要橫向分量(例如，Ey)(垂直于所述模式的傳播方向的場分量)。在反射光譜的下沉中的波長處，每一納米線120的HEm模式的場分布表征為部分包含在納米線120中且部分延伸到覆層130中的橫向場，如圖4A所示。這些波長處的入射光可有效激勵HEm模式且由納米線120引導(dǎo)到襯底110或被納米線120吸收。納米線120與覆層之間的較大折射率對比導(dǎo)致具有與納米線120的顯著重疊的不可忽略的縱向場分量(Ez)(即，平行于模式的傳播方向的場分量)；由于模式吸收與包含Ez的電磁能量的空間密度成比例，所以這些波長處的入射光可有效耦合到納米線120(即，入射光的顯著部分在納米線120內(nèi)部傳播)而且被納米線120吸收。在顯著低于反射光譜的下沉的波長處，每一納米線120的HE1;1模式的場分布表征為歸因于納米線120與覆層之間的較大折射率對比而基本上限于納米線120中的橫向場，如圖4B所示。這些波長處的入射光無法有效激勵HEm模式且因此無法被納米線120有效引導(dǎo)或吸收；這些波長處的入射光大體被襯底110與覆層130的界面反射。在顯著高于反射光譜的下沉的波長處，每一納米線120的HE1，I模式的場分布表征為基本上從納米線120驅(qū)逐的橫向場，如圖4C所示。這些波長處的入射光可有效激勵HEm模式，但這些波長處的HEm模式無法被納米線120有效引導(dǎo)或吸收；這些波長處的入射光大體被襯底110與覆層的界面反射。圖4D展示垂直入射在納米線陣列100上的白光的可能路徑的示意說明。超出反射光譜中的下沉的波長的光被襯底110反射；下沉中的波長的光被納米線120引導(dǎo)以透射穿過襯底110或被納米線120吸收。反射光譜的下沉的位置由納米線120的半徑?jīng)Q定。圖5A展示具有不同納米線半徑(分別跡線501、502和503中為45nm、55nm和70nm)的三個納米線陣列100的Hm模式的模擬有效折射率(Heff)(作為波長的函數(shù))，其中通過FDTD方法在周期性邊界條件下在I μ m乘I μ m單位單元上獲得nrff，納米線陣列100的材料假定為硅，覆層假定為空氣，且納米線120的長度假定為I μ m。當(dāng)光在包括具有不同折射率的材料的媒介中傳播時，光表現(xiàn)為似乎其在具有值為所述材料的折射率值的某一中間值的均一折射率的均一媒介中傳播。此均一折射率稱為有效折射率。周期性邊界條件是通常用于將較大系統(tǒng)建模為小單位單元的無限周期性瓦片的一組邊界條件。在每一跡線中，針對短于圖3A中的對應(yīng)下沉位置的波長，neff急劇增加且接近nSi (硅的折射率)。在neff接近(空氣的折射率)的情況下發(fā)生下沉。nrff作為波長的函數(shù)(也稱為色散曲線)隨著納米線半徑增加而移位到較長波長。圖5B展示圖5A的納米線陣列100的(通過FDTD方法獲得的)模擬吸收光譜(跡線511、512和513分別對應(yīng)于具有45nm、55nm和70nm半徑的納米線的納米線陣列)。對于藍光(<500nm)，H1；1模式的超過90%可在納米線的I μ m長度中被吸收。圖5C將具有45nm半徑的納米線120的納米線陣列100 (對應(yīng)于跡線501和511)中的襯底110的模擬吸收光譜521、此納米線陣列100中45nm半徑的納米線120的模擬吸收光譜523以及此納米線陣列100中的模擬反射光譜522進行比較。反射光譜522中的下沉相對于納米線120的吸收光譜523中的峰值稍許紅移，這指示下沉的長波長邊沿更多產(chǎn)生自到襯底110的耦合。然而，這展示被引導(dǎo)的光實際上吸收在納米線120中，且因此反射光譜523的形狀和納米線120中吸收的光的量可通過更改其長度來控制。襯底110吸收的光(參見跡線521)可由納米線120相對于平面襯底的光吸收增強或減弱，這取決于納米線120吸收還是僅耦合到襯底110。納米線陣列100的濾光特性與其不同部分中的吸收有關(guān)的事實可導(dǎo)致光電子裝置中的有用應(yīng)用。一種制造納米線陣列100的方法包含:(a)用抗蝕劑層(例如、電子束抗蝕劑、光學(xué)抗蝕劑等)涂覆襯底110 ;(b)使用光刻技術(shù)(例如，光學(xué)光刻、電子束光刻、全息光刻等)在抗蝕劑層中產(chǎn)生點圖案；(C)在抗蝕劑層中使圖像顯影；(d)沉積掩模層(例如，Al、Cr、Si02、Si3N4、Au、Ag等)；(e)起離抗蝕劑層；(f)通過對襯底110進行干式蝕刻形成納米線120 ； (g)任選地移除掩模層；其中點的形狀和大小決定納米線120的橫截面形狀和大小?？刮g劑可為聚(甲基丙烯酸甲酯)(可從位于馬薩諸塞州的牛頓市的MicroChem購得)。掩模層可為通過例如電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、濺鍍等適宜的技術(shù)沉積的鋁。掩模層可為約40nm厚。襯底110可為單晶硅晶片?？稍陔姼旭詈系入x子體-反應(yīng)離子蝕刻器(例如可從位于加州紅木城的Surface Technology Systems購得)中實行干式蝕刻。示范性干式蝕刻工藝包含在室溫下交替蝕刻和沉積步驟，其中分別在其中使用60seem的SF6和160seem的C4F8。掩模層可使用適宜的蝕刻劑(例如，可從位于馬薩諸塞州的丹弗斯市的Transene Company公司購得的型A鋁抗蝕劑)或溶劑(例如，酸、堿或有機溶劑)移除?？稍诶缈蓮奈挥隈R薩諸塞州的皮博迪市的Carl Zeiss NTS購得的Zeiss Ultra55等SEM中拍攝SEM圖像。一種使用納米線陣列100作為光電檢測器的方法包括:在納米線陣列100上照射光；測量納米線120上的光電流；測量襯底110上的光電流；將納米線120上的光電流與襯底110上的光電流進行比較。納米線陣列100還可用作亞微米彩色濾光片。舉例來說，納米線陣列100中的納米線120的每一者可放置在光電檢測器上。僅具有納米線的反射光譜的下沉中的波長的入射光可到達此納米線下方的光電檢測器。一種使用納米線陣列100作為亞微米彩色濾光片的方法包括在納米線陣列100上照射白光，檢測納米線120下方所透射的光。一種使用納米線陣列100作為靜態(tài)彩色顯示器的方法包括:從待顯示的圖案確定納米線的位置和半徑；用所確定的半徑在襯底上的所確定位置處制造納米線；在納米線陣列上照射白光。此處的詞語“靜態(tài)”意味著顯示器僅可展示一個固定圖像。通過適當(dāng)選擇個別納米線放置和納米線陣列100中的半徑，納米線陣列100可在白光照明下顯示彩色圖像。納米線陣列還可用做動態(tài)彩色顯示器。此處的詞語“動態(tài)”意味著顯示器可在不同時間顯示不同圖像。根據(jù)一實施例，動態(tài)彩色顯示器包括納米線陣列100，即襯底110的與納米線120相對的一側(cè)上可獨立尋址的白光源的陣列，其中每一白光源對應(yīng)于納米線120的一者且在襯底平面中與所述納米線120的一者對準(zhǔn)。納米線120可具有預(yù)定半徑且因此僅允許來自光源的所要波長的光通過。舉例來說，圖6展示動態(tài)彩色顯示器的四個像素的示意俯視圖。納米線715、725、735和745分別對應(yīng)于白光源710、720、730和740且與其對準(zhǔn)。白光源可為白色LED。納米線715具有約45nm的半徑且僅允許紅光通過。納米線725和735具有約60nm的半徑且僅允許綠光通過。納米線745具有約70nm的半徑且僅允許藍光通過?？瑟毩ぶ返陌坠庠纯捎蓲呙璋坠馐?。雖然本文已揭示各個方面和實施例，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解其它方面和實施例。本文揭示的各個方面和實施例是出于說明的目的且不希望具有限制性，其真實范圍和精神由所附權(quán)利要求書指示。
權(quán)利要求
1.一種納米線陣列，其包括襯底和從所述襯底基本上垂直延伸的多條納米線；其中所述納米線陣列可作為亞微米彩色濾光片操作。
2.—種納米線陣列，其包括襯底和從所述襯底基本上垂直延伸的多條納米線；其中所述納米線不實質(zhì)上耦合。
3.—種納米線陣列，其包括襯底和從所述襯底基本上垂直延伸的多條納米線；其中所述納米線陣列對于肉眼不呈現(xiàn)為黑色。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中: 所述納米線的折射率至少為所述納米線的覆層的折射率的兩倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中所述納米線的數(shù)量密度至多約為1.8/μ m2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中所述納米線的每一者在所述納米線的縱向方向上從所述納米線的一端到所述納米線的相對端具有基本上均一的化學(xué)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中所述納米線的每一者為單晶體、多晶體或非晶體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中所述納米線由半導(dǎo)體或電絕緣材料組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中所述納米線包括選自由S1、Ge、GaN、GaAs、SiO2和Si3N4組成的群組的一種或一種以上材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中所述納米線的半徑是從10到IOOOnm;所述納米線的長度是從0.01到10 μ m。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中所述納米線和所述襯底具有大體相同的化學(xué)組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中所述納米線和所述襯底為單晶體，且所述納米線的晶格和所述襯底的晶格在其間的界面處為連續(xù)的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中所述納米線布置成預(yù)定圖案。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中一納米線沿著平行于所述襯底的方向距所述納米線的最近相鄰者的距離至少為800nm。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中其反射光譜具有下沉；下沉位置隨著所述納米線的半徑減小而移位到較短波長；且所述下沉位置與一納米線沿著平行于所述襯底的方向距所述納米線的最近相鄰者的距離無關(guān)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其中其反射光譜與照明的入射角無關(guān)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，其包括襯底和從所述襯底基本上垂直延伸的多條納米線；其中所述納米線的半徑與所述納米線的間距的比率至多為0.5。
18.—種制造根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列的方法，其包括: 使用光刻技術(shù)在抗蝕劑層中產(chǎn)生點圖案； 通過對襯底進行蝕刻形成所述納米線； 其中所述點的形狀和大小決定所述納米線的橫截面形狀和大小。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其進一步包括: 用所述抗蝕劑層涂覆所述襯底； 在所述抗蝕劑層中使所述圖案顯影；沉積掩模層； 起離所述抗蝕劑層；以及 任選地移除所述掩模層。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述蝕刻是干式蝕刻。
21.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列作為光電檢測器的方法，其包括:在所述納米線陣列上照射光；測量所述納米線上的光電流；測量所述襯底上的光電流；將所述納米線上的所述光電流與所述襯底上 的所述光電流進行比較。
22.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列作為靜態(tài)彩色顯示器的方法，其包括:從待顯示的圖像確定所述納米線的位置和半徑；用所述所確定的半徑在所述襯底上的所述所確定位置處制造所述納米線；在所述納米線陣列上照射白光。
23.一種動態(tài)彩色顯示器，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列，即所述襯底的與所述納米線相對的一側(cè)上可獨立尋址的白光源陣列，其中每一白光源對應(yīng)于所述納米線的一者且在襯底平面中與所述納米線的一者對準(zhǔn)。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的動態(tài)彩色顯示器，其中所述白光源為白色LED或掃描白光束。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的動態(tài)彩色顯示器，其中第一群組的所述納米線具有第一半徑，第二群組的所述納米線具有第二半徑，且第三群組的所述納米線具有第三半徑，其中所述第一群組的所述納米線僅允許紅光通過，所述第二群組的所述納米線僅允許綠光通過，且所述第三群組的所述納米線僅允許藍光通過。
26.—種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列的亞微米彩色濾光片，其中每一納米線放置在光電檢測器上，其中僅允許具有每一納米線的反射光譜的下沉中的波長的入射光到達下方的所述光電檢測器。
27.一種使用根據(jù)權(quán)利要求24所述的亞微米彩色濾光片的方法，其包括在所述納米線陣列上照射白光，檢測所述納米線下方所透射的光。
全文摘要
本文描述一種納米線陣列。所述納米線陣列包括襯底和從所述襯底基本上垂直延伸的多條納米線；其中所述納米線的每一者沿著其整個長度具有均一化學(xué)性質(zhì)；所述納米線的折射率至少為所述納米線的覆層的折射率的兩倍。此納米線陣列可用作光電檢測器、亞微米彩色濾光片、靜態(tài)彩色顯示器或動態(tài)彩色顯示器。
文檔編號B82Y20/00GK103168360SQ201180051048
公開日2013年6月19日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者徐官用, 穆尼布·沃貝爾, 保羅·斯坦武澤爾, 伊森·舍恩布倫, 亞平·丹, 肯尼斯·B·克洛澤 申請人:立那工業(yè)股份有限公司, 哈佛大學(xué)校長及研究員協(xié)會