專利名稱：基于納米線的光電子器件的制作方法
基于納米線的光電子器件
背景技術：
納米技術和量子信息技術涉及在分子水平上構建的極小的電子和光學線路的設
計。與采用"自上而下"的制造技術所形成的傳統(tǒng)光電子線路相反，納米技術采用"自下而 上"的技術，以通過添加材料而向上構建器件。例如，可使用納米線來攜載電信號和光信號。 量子信息技術可利用光粒子或光子來傳送信息。希望為量子信息技術應用提供包含納米線 的納米尺度光電子器件，其中這樣的器件可在制造環(huán)境中采用低成本制造技術來制造。

發(fā)明內容
基于納米線的光電子器件的一個示例性實施例包括至少一個由單晶或非單晶材 料制成的第一表面；至少一個由單晶或非單晶材料制成的第二表面，每個第二表面電隔離 于相應的第一表面；以及至少一根第一納米線，其以橋接構型連接至少一個第一表面對，該 第一表面對包括相對的第一和第二表面，其中，第一納米線生長自該第一表面對的第一和 第二表面的其中一個表面，并且在該第一和第二表面之間互連。 增益鉗制半導體光放大器的一個示例性實施例包括至少一個第一表面；至少一 個第二表面，每個第二表面面向且電隔離于相應的第一表面；多根納米線，其以橋接構型連 接每對相對的第一和第二表面；以及信號波導，其與納米線重疊使得沿該信號波導行進的 光信號被納米線的電激勵所提供的能量放大。 基于納米線的光電子器件的另一個實施例包括第一水平表面；第二水平表面， 其電隔離于并且面向第一水平表面；至少一根豎直納米線，其以橋接構型連接第一和第二 水平表面，其中，該豎直納米線(i)生長自第一和第二水平表面之一或者(ii)生長自第一 和第二水平表面并在第一和第二水平表面之間互連；第一豎直表面；第二豎直表面，其電 隔離于并且面向第一豎直表面；以及至少一根水平納米線，其以橋接構型連接第一和第二 豎直表面，其中，該水平納米線(i)生長自第一和第二豎直表面之一或者(ii)生長自第一 和第二豎直表面并在第一和第二豎直表面之間互連；其中，水平納米線和豎直納米線能被 選擇性地電激勵以分別提供水平和豎直偏振。


圖1示出了納米線激光器的示例性實施例，該納米線激光器包括以橋接構型連接 相對表面的納米線。 圖2示出了納米線光電探測器的示例性實施例，該納米線光電探測器包括以橋接
構型連接相對表面的納米線，其中納米線互連在表面之間。 圖3示出了基于納米線的半導體光放大器的示例性實施例。 圖4示出了基于納米線的光電子器件的另一個實施例的基本結構和工作原理。 圖5A是基于納米線的光電子器件的另一個示例性實施例的透視圖。 圖5B是圖5A所示基于納米線的光電子器件的側視圖。
具體實施例方式
公開了包括激光器、光電探測器和半導體光放大器(SOAs)的基于納米線的光電 子器件。還公開了偏振相關激光器和偏振傳感光電探測器。激光器的示例性實施例能夠工 作以發(fā)射覆蓋大約300nm到超過1500nm這一寬廣范圍內的光。 圖1中示出了根據(jù)一個示例性實施例的電驅動納米線激光器100。納米線激光器 100包括第一突起102和設置在基底108的表面106上的相對的第二突起104。第一突起 102每個都包括第一表面110，第二突起104每個都包括面向相應的第一表面110的第二表 面112。在該實施例中，第一表面110和第二表面112是豎直表面，它們可以彼此平行。一 根或多根納米線114(例如，一個納米線陣列)在相對的第一突起102和第二突起104對之 間水平延伸并以橋接構型連接第一表面110和第二表面112。在這個實施例中，個體納米線 114生長自第一表面110和第二表面112之一，并且在相對的第一表面110和第二表面112 之間連續(xù)延伸。所示納米線激光器100包括三對第一突起102和第二突起104。在其它實 施例中，納米線激光器100可包括少于三對或多于三對第一突起102和第二突起104，例如 十對到幾百對或者更多。 如圖1所示，第一突起102包括生長在基底108的表面106上的第一層116和生 長在第一層116上的第二層118。第二突起104包括生長在基底108的表面106上的第一 層116和生長在第一層116上的第二層118。 在該實施例中，基底106可包括單晶材料或非單晶材料。單晶材料可為單晶硅， 例如硅片。非單晶材料可為導電體；微晶硅或非晶硅；或者絕緣體，例如玻璃、石英、聚合 物(例如，熱塑性聚合物，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET))、金屬(例如，不銹鋼、鋁或鋁合 金)、或者這些材料或其它材料的組合。這些示例性非單晶材料可降低納米線激光器100的 制造成本。在一些實施例中，非單晶材料可設置在滾筒上，這允許采用滾壓制造工藝(roll ma皿facturingprocess)來制造多個納米線激光器。 納米線激光器100的第一層116包括絕緣材料，如氧化物(例如Si02)或氮化物。 例如，可在硅基底(例如(111)硅)上生長SiOp在另一個實施例中，可在GaAs基底上生長 充當絕緣層的111-V族材料，如無摻雜AlAs或InAs 。在另 一個實施例中，可在InP基底上生 長類似的晶格匹配半導體材料。例如，可在摻雜InP片(即基底)上生長半絕緣In,AlhxAs 層(即第一層)，隨后在該半絕緣層上生長另一摻雜InP層(即第二層)。所有這些層都是 晶格匹配的。 在該實施例中，第一層116將第一突起102彼此電隔離，將第二突起104彼此電隔 離，并將第一突起102與第二突起104電隔離。 第一突起102和第二突起104的第二層118可包括單晶材料或非單晶材料。在一 些實施例中，第二層118的材料與相應第一層116的材料晶格匹配。在另一個實施例中，第 二層118可包括一種以上的材料，如一種以上的單晶材料、一種以上的非單晶材料、或者至 少一種單晶材料和至少一種非單晶材料的組合。在一個實施例中，第二層118的第一表面 IIO和第二表面112可包括形成在非單晶材料(例如多晶硅、微晶硅或非晶硅)上的單晶材 料(例如單晶硅)。 用于形成納米線激光器100的第二層118的合適單晶材料包括，例如Si、Ge ;IV族 化合物半導體，例如SiC和SiGe ;III-V族化合物半導體，如二元合金，例如磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、氮化銦(InN)、砷化銦(InAs)、砷化鋁(AlAs)、氮化鋁(A1N)、 氮化硼(BN)和砷化硼(BAs) ;II-VI族半導體，如氧化鋅(Zn0)和氧化銦(In0);以及這些 或其它半導體材料的組合。例如，可使用生產(chǎn)SOI (絕緣體上硅，silicon on insulator)層 的方法在Si02第一層上制造Si外延層。在另一個實施例中，可在將要充當絕緣層的材料 (如無摻雜AlAs或InAs)上生長III-V族半導體材料，如GaAs。 在另一個實施例中，可在晶體材料或其它非晶體材料(如金屬、介電材料或非晶 體半導體)上沉積非晶體材料，如微晶硅或非晶硅。也可從這些表面生長納米線。
在包括由單晶材料或非單晶材料制成的第一表面110和第二表面112的納米線 激光器100的實施例中，單晶材料或非單晶材料可為任何具有使得納米線能夠從第一表面 110和/或第二表面112生長的合適物理特性的材料。非單晶材料可為，例如多晶硅、非晶 硅、微晶硅、藍寶石或碳基無機材料，如金剛石或類金剛石碳。與使用更昂貴的單晶材料或 化合物半導體材料相比，這些非單晶材料可降低納米線激光器的制造成本。此外，生長自非 單晶表面的單晶納米線可表現(xiàn)出單晶半導體材料的所有性質。 在一個實施例中，第一層116和第二層118均可以是采用諸如分子束外延(MBE)、 有機金屬化學氣相沉積(M0CVD)以及化學氣相沉積的任何合適技術所外延生長的。
可利用上覆掩蔽層使生長態(tài)(as-grown)第二層材料形成花樣以形成由間隙所分 開的相對的第二層118，從而形成圖1所示包括分開的第一層116和第二層118的結構。通 過形成于第二層材料中的開口以去除部分絕緣體材料而使下覆第一層的該絕緣體材料形 成花樣，暴露出基底108的表面106并從而形成由間隙所分開的相對的第一層116。例如， 可使用光刻技術、干法刻蝕技術(例如RIE)或濕法化學刻蝕技術中的一種或多種來刻蝕第 一層材料和第二層材料。例如，氫氧化鉀(K0H)是一種可被用來對硅進行各向異性刻蝕的 濕法化學刻蝕劑；對于Si(^，可使用氫氟酸(HF)進行濕法化學刻蝕、采用反應離子刻蝕法 進行各向異性干法化學刻蝕、或者采用離子銑削法進行各向異性刻蝕；對于GaAs，可使用 H2S04進行濕法化學刻蝕。 第一突起102和第二突起104的第二層118可具有能為納米線生長提供足夠表面 積的任何合適尺寸。例如，第二表面112可通常具有大約10nm至大約5000nm的高度，以及 大約100nm至大約10， OOOnm的寬度。第一表面110和第二表面112可彼此分開例如大約 10nm至大約10iim的距離。 在該實施例中，納米線激光器100包括電泵浦，該電泵浦使用電流或電脈沖來泵 浦由納米線陣列和與每對第一突起102和第二突起104相關聯(lián)的布拉格鏡所形成的激光 腔。例如，第一突起102和第二突起104的第二層118可分別包括鄰近納米線端部的高摻雜 電極區(qū)120、 122，這些電極區(qū)包含足量的p型或n型摻雜劑以達到進行電接觸所需的導電率 大小。第一突起102的電極區(qū)120可為p型摻雜，第二突起104的電極區(qū)122可為n型摻 雜，或者相反。在其它實施例中，電極(或接觸點)可分別形成于各第二層118的上表面之 上。電極區(qū)120、122(或電極)被第一層116彼此電隔離。電極區(qū)120、122(或電極)可電 連接于電源，該電源可工作以將載流子注入納米線114陣列中，從而從納米線產(chǎn)生光發(fā)射。 在該實施例中，光發(fā)射是水平偏振的。 在該實施例中，納米線激光器100包括分別位于每個第一突起102和第二突起104 之中或之上的布拉格鏡，用于限定光學腔的相對端。例如，布拉格鏡124、126可分別形成在第一突起102和第二突起104的每個第二層118之中或之上，如圖1所示。每組布拉格鏡 124U26限定一個納米線光學腔的相對端。在一些實施例中，布拉格鏡124、126可包括位于 第二層118中的交替的布拉格反射體層和空氣間隙。在其它實施例中，布拉格鏡124U26 可包括交替的半導體材料層，該交替的半導體材料層具有互異的折射率和/或分別來自各 第二層的半導體材料，在該各第二層內集成了該布拉格鏡。布拉格鏡可包括交替的半導體 材料層，該半導體材料包括，例如IV族、III-V族和II-VI族半導體材料、或另一種半導體 材料。形成布拉格鏡124、 126的層的材料可為晶格匹配的，并且可為p型摻雜或n型摻雜 以便于納米線114的電流偏置。在公開號為2006/0098705的美國專利申請中描述了用于 在半導體結構中形成布拉格鏡的反射體層的技術，本文以引用的方式并入該專利申請的全 部內容。 納米線114 一端的布拉格鏡具有比該納米線114相對端的布拉格鏡更高的反射 率。例如，第一突起102處的布拉格鏡124可比第二突起104處的布拉格鏡126至少多出 一個周期，從而增大產(chǎn)生的光子從第二突起104處的納米線114的端部離開光學腔的幾率。 第一突起102和第二突起104的第二層118在光子的頻率處是透明的。布拉格鏡124U26 有助于納米線114中所產(chǎn)生光信號的放大。 在圖1所示的納米線激光器100中，納米線114可生長自各第一突起102和第二 突起104的第一表面IIO和第二表面112中的任一個。例如，納米線114可生長自第一表 面IIO，使得納米線114在第一表面IIO和第二表面112之間連續(xù)延伸，并觸及且機械和電 連接到第二表面112，從而直接橋接第一突起102和第二突起104。個體納米線114的端部 在相對的第一表面110和第二表面112之間形成自組裝納米線連接。 圖2描繪了根據(jù)另一個示例性實施例的電驅動納米線光電探測器200。納米線光 電探測器200包括設置在基底208的表面206上的第一突起202和與其相對的第二突起 204。第一突起202包括第一表面210，第二突起204包括面向第一表面210的第二表面212。 在該實施例中，第一表面210和第二表面212是豎直表面。在一些其它實施例中，第一表面 210和第二表面212可為水平表面。如圖所示，該豎直或水平表面可彼此平行。在該實施例 中，第一表面210和第二表面212相互面對。在一些其它示例性實施例中，第一表面210和 第二表面212不互相面對。 一根或更多根納米線214(例如所示的多根納米線214)在第一 突起202和第二突起204之間延伸并以橋接構型連接第一表面210和第二表面212。在這 個實施例中，個體納米線214生長自第一表面210和生長自第二表面212，并且在第一表面 210和第二表面212之間互連("融合")，使得互連的納米線214的端部提供電接觸以允許 在納米線214中操縱載流子。示出了形成在互連的納米線214之間的示例性接頭213。這 些接頭可沿納米線214的長度形成和/或在與納米線214的生長表面相對的端部形成。納 米線214是任意取向的。多根納米線214可融合在一起。 在納米線光電探測器200中，基底208包括電絕緣體，如Si02?；?08可生長在 硅例如硅片上。第一突起202包括第一層216，第二突起204包括第一層216。第一層216 為電極。第一層216可包括，例如Pt/Ti膜結構。Ti膜提供附著力，Pt膜允許形成硅化物。 可利用例如環(huán)境溫度下的真空熱蒸鍍法將Pt/Ti膜結構沉積在Si02表面206上。使Ti和 Pt膜形成花樣以形成電極。第一突起202還包括第二層218，第二突起204包括第二層218。 第二層218包括至少一種半導體材料，例如n型氫化微晶硅，其可用例如等離子體增強化學
7氣相沉積(PECVD)法沉積到形成花樣的第一層216上。第二層218被基底208電隔離。
所示納米線光電探測器200包括一個第一突起202和第二突起204。在其它實施 例中，納米線光電探測器200可包括一對以上的第一突起202和第二突起204，如幾十對、幾 百對或幾千對。在這樣的實施例中，每個納米線214陣列可探測相同波長的光，或者至少一 個納米線214陣列可與其它陣列探測不同波長的光。例如，這樣的至少一個陣列可包括與 其它陣列中的納米線具有不同成分的納米線214。 基于納米線的光電子器件的一些實施例可包括至少一根連續(xù)生長的納米線(如 圖1所示的納米線114，并且可選地還包括關聯(lián)布拉格鏡)和至少一根互連納米線(如圖2 所示的納米線114)的組合。這樣的實施例可提供一種以上的功能，如光電探測和光發(fā)射。
納米線激光器100的納米線114和納米線光電探測器200的納米線214可包括至 少一種化合物半導體材料。某些化合物半導體材料具有直接帶隙并且能夠有效地將電能轉 化成光能。為了減小晶格匹配問題(以及某些材料存在的"反相疇界"問題)，包括這種化 合物半導體材料的納米線114、214生長在由另一種單晶或非單晶材料所制成表面的很小 的區(qū)域上。在示例性實施例中，包括化合物半導體材料的納米線114、214可生長在元素半 導體材料例如硅上；包括一種化合物半導體材料的納米線114、214可生長在另一種晶格失 配的化合物半導體材料上；或者化合物半導體材料的納米線114、214可生長在非單晶材料 例如多晶硅的表面上。 可用于形成納米線激光器100的納米線114和納米線光電探測器200的納米線 214的示例性化合物半導體材料包括至少一種III-V族材料，如選自GaP、GaAs、InP、InN等 的至少一種二元合金；至少一種更多元的III-V族合金，如AlGaAs、InAsP、GalnAs、GaAlAs、 GaPAs等；或者這些或其它化合物半導體材料的組合。例如，GaAs納米線將會基本垂直于晶 格的(111)晶面如GaAs或Si的一個表面生長。納米線114、214也可包括ZnO或InO。
用于生長化合物半導體材料的示例性技術由B. J. Ohlsson， M. T. Bjork， M. H. Mag皿sson， K. D印pert禾口 L Samuelson的Size-， shape-， and position-controlled GaAs nano-whiskers (尺寸、形狀和位置受控的GaAs納米須)，A卯l. Phys. Lett. ， vol. 79， no. 20， pp. 3335-3337 (2001)(采用金屬催化生長技術在GaAs基底上生長GaAs納米 須)、M. H. Huang， S. Mao， H. Feick， H. Yan， Y. Wu， H. Kind, E. Weber， R. Russo禾口 P. Yang 的Room—Temperature Ultraviolet NanowireNanolasers (室？益紫夕卜纟內米線纟內米激光 器)，Science, vol. 292， pp. 1897-1899 (2001)(在藍寶石基底上生長ZnO納米線)、 S. S. Yi， G. Girolami， J. Adamo， M. Saif Islam, S. Sharma， T. I. Kamins禾口 I. Kimukin 的 InP nanobridges 印itaxially formed between two vertical Sisurfaces by metal-catalyzed chemical vapor d印osition (禾U用金屬催化化學氣相沉禾只法在兩個豎 直Si表面之間外延形成的InP納米橋)，A卯l. Phys. Lett. ， vol. 89， 133121 (2006)(在硅 表面上夕卜延生長InP纟內米線)、以及Haoquan Yan， Rongrui He， Justin Johnson, Matthew Law, Richard J.Saykally禾口 Peidong Yang的Dendritic Nanowire Ultraviolet Laser Array (樹枝狀納米線紫外激光器陣列)，J. Am. Chem. Soc. ，vol. 125， no. 16,4729(2003)(樹 枝狀Zn0納米線陣列的制造)進行了描述，本文以引用的方式并入上述每篇文獻的全部內 容。 納米線激光器100和納米線光電探測器200的其它示例性實施例可包括在生長期間沿著所形成的納米線在給定位置處包括至少一個受控邊界以便控制該納米線的電子特 性的納米線114、214。納米線114、214可包括沿著納米線限定p_n結的p區(qū)和n區(qū)，以助于 在納米線中形成強大的自建場。例如，納米線114、214可包括與形成在第一突起102、202的 第二層118、218中的p摻雜區(qū)相鄰的p區(qū)，以及與形成在第二突起104、204的第二層118、 218中的n摻雜區(qū)相鄰的n區(qū)。 可沿著納米線114、214順次沉積不同的半導體材料而形成納米線異質結構。可 在納米線的P區(qū)和n區(qū)之間形成具有不同成分的異質外延層。參見例如M.T.Bjork， B. J. Ohlsson， T. Sass， A. I. Persson， C. Thelander， M. H. Magnusson， K. D印pert， L R. Wallenberg禾口 L Samuelson 的One-dimensional Steeplechase for Electrons Realized(所獲取的電子的一維障礙賽)，Nano Lett. ， vol. 2， no. 2， pp. 87-89 (2002)(形 成包含InP片段的InAs須)，本文以引用的方式并入該篇文獻的全部內容。在另一個示例 性實施例中，在InP之間形成了 InGaAs，而InGaAs具有相對較高的帶隙。如果兩種半導體 材料的沉積均由金屬納米顆粒進行催化，則可沿著納米線順次生長不同材料的片段，從而 在相鄰片段之間形成異質結。例如，可在納米線中形成多量子阱結構以便在相對低的閾值 電流下產(chǎn)生足夠強的激光作用。示例性的多量子阱結構包括InP上的InAlGaAs、 InP上的 InGaAsP以及GaAs上的GaAsSb。 在一些實施例中，包括量子點(QD)的有源區(qū)可在納米線114、214的生長過程中生 長到納米線114、214中。量子點包括與生長中的納米線的材料具有不同帶隙的材料。量子 點可被電流電激勵以發(fā)射單個光子，該單個光子沿著納米線行進并被限定了光學腔的布拉 格鏡所反射。例如，可通過在生長中的InP納米線的期望點處引入(例如生長)少量InGaAs 而形成量子點。相對于InP， InGaAs具有較低的帶隙。然后恢復InP納米線的生長。參見 例如公開號為2006/0280414和2006/0098705的美國專利申請，本文以引用的方式并入這 兩件專利申請的全部內容。 可利用任何合適的生長技術形成納米線114、214。用于生長納米線的合適方法在 例如公開號為2006/0097389的美國專利申請中進行了描述，本文以引用的方式并入該專 利申請的全部內容。例如，可利用化學氣相沉積(CVD)技術從單晶或非單晶表面生長納米 線。在例如T. Kamins的Beyond CMOS Electronics :Self-AssembledNanost潔tures (CMOS 電子器件之外自組裝納米結構)，TheElectrochemical Society Interface, Spring 2005 以及M. Saif Islam, S. Sharma，T. I. Kamins禾口 R. Stanley Williams的Ultrahigh-Density SiliconNanobridges Formed Between Two Vertical Silicon Surfaces(在兩個豎直硅表 面之間形成的超高密度硅納米橋)，Nanotechnology 15， L5-L8 (2004)中描述了利用催化 劑生長技術來形成納米橋，本文以引用的方式并入這兩篇文獻的全部內容。在這些技術中， 通過沉積材料與催化劑納米顆粒的相互作用而生長出納米線，該催化劑納米顆粒形成于生 長納米線的表面上?？蓪⒓{米顆粒直接形成在生長表面上，或者可將催化劑材料沉積(例 如，采用物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD))在生長表面上并隨后對催化劑材料進 行退火以形成納米顆粒催化劑。金屬催化劑納米顆?？砂ǎ鏣i、 Au、 Fe、 Co、 Ga以及 它們的合金?？苫诩{米線成分來選擇該金屬。在納米線生長期間，催化劑納米顆?？蔀?液相或固相。 納米顆粒催化劑或催化劑材料可優(yōu)選地沉積在期望生長納米線的選定表面和/或表面區(qū)域上?？刹捎眉{米顆粒催化劑或催化劑材料的傾斜沉積法(angled exposition) 來優(yōu)選地沉積納米顆粒催化劑或催化劑材料，以允許對納米線在表面上的起始生長位置進 行控制。 用于形成納米線的氣體成分取決于所期望的納米線成分。在一些實施例中，從其 生長出納米線的表面暴露于沉積系統(tǒng)的反應器室中的氣體。在納米線生長期間控制處理室 條件和處理氣體。處理氣體可為單種氣體或氣體混合物。在納米線生長期間，可從氣相添 加P型和n型摻雜劑。 納米線114、214可形成為沿其長度具有基本固定的直徑。納米線可通常具有大約 10nm至大約lOOnm的直徑。 在納米線激光器或納米線光電探測器的另一個實施例(未示出)中，第一突起 和第二突起可包括與基底相同的單晶材料或非單晶材料。換句話說，基底與第一和第二 突起可包括單件的塊狀材料，并且所述突起不像納米線激光器100和納米線光電探測器 200中那樣包括第一和第二層。在該實施例中，單晶材料例如可為硅片。例如，如公開號為 2005/0133476的美國專利申請中所描述的，可對硅基底進行刻蝕以形成包括相對的間隔開 的豎直表面的縱向延伸壁，其中該豎直表面是由間隙所分開的平行(111)晶面，本文以引 用的方式并入該專利申請的全部內容?？蓮闹辽僖粋€豎直表面橫跨間隙生長出納米線以連 接相對的豎直表面，從而形成納米線橋。豎直表面可為P型和n型電極表面，使得可電驅動 納米線以產(chǎn)生光。 在該實施例中，非單晶材料可選自多晶硅、非晶硅、微晶硅、藍寶石或碳基無機材 料，如金剛石和類金剛石碳。在該實施例中，第一突起和第二突起可包括p型和n型電極區(qū)， 并且彼此電隔離?？稍诨字行纬呻娊^緣體區(qū)以將P型和n型材料電分離，從而使電流能 夠流過納米線而在基底中不發(fā)生電短缺。 下面將描述圖1所示的納米線激光器100的工作情況?？梢岳斫猓瑘D2所示的納 米線光電探測器200可通過類似的方式工作。在納米線激光器100的工作期間，向電極區(qū) 120、 122施加電流或電脈沖以注入載流子，從而電泵浦包括納米線114陣列的光學腔。在 一個實施例中，可同時泵浦光學腔。在另一個實施例中，納米線激光器ioo可包括形成在基 底108中的電路系統(tǒng)以允許每個納米線陣列被單獨電激勵，從而允許納米線114陣列在選 定的時間順序下發(fā)射光。產(chǎn)生的光子沿著納米線114的長度行進并且在光學腔的相對端處 被布拉格鏡124、126反射。光從具有相對較低反射率的布拉格鏡所在的光學腔那端射出。 可布置可選的光電探測器(未示出)來探測射出光學腔的光，以監(jiān)測該器件的工作(例如， 開/關狀態(tài)和光泄漏)。 在一個實施例中，每個納米線114陣列發(fā)射相同波長的光。在另一個實施例中，至 少一個納米線114陣列可與其它陣列發(fā)射不同波長的光。例如，至少一個陣列可包括與其 它陣列中的納米線具有不同成分的納米線114。例如，以第一波長發(fā)射的第一納米線114陣 列和以第二波長發(fā)射的第二納米線114陣列可通過沿著納米線激光器100的長度以交替的 布置方式形成。 圖3示出了基于納米線的半導體光放大器(SOA) 300的示例性實施例。如圖所示， 半導體光放大器300包括設置在基底308的表面306上的縱向隔開的第一突起302和相對 的縱向隔開的第二突起304。第一突起302的每個都包括第一表面310，第二突起304的每
10個都包括面向相應的第一表面310的第二表面312。所示第一表面310和第二表面312是 平行的豎直表面。納米線314陣列在相對的第一突起302和第二突起304對之間水平延伸 并以橋接構型連接第一表面310和第二表面312。在第一表面310和第二表面312之間設 置了用于沿著信號路徑引導光信號的信號波導330。如圖所示，信號波導330與縱向隔開的 納米線314陣列重疊。信號波導330形成在基底308的縱向延伸的凸起表面332上，并且 基本平行于第一表面310和第二表面312水平延伸。在信號波導330的相對端上設置有布 拉格鏡334、 336。 所示半導體光放大器300包括三對第一突起302和第二突起304以及相應的納米 線314陣列。在其它實施例中，半導體光放大器300可包括少于三對或多于三對的第一突 起302和第二突起304，如十對至幾百對或者更多。 如圖3所示，第一突起302包括生長在基底308的表面306上的第一層316，以及 生長在第一層316上的第二層318。第二突起304包括生長在基底308的表面306上的第 一層316，以及生長在第一層316上的第二層318。基底308可包括單晶材料或非單晶材 料。第一突起302和第二突起304的第一層316包括絕緣體材料。在該實施例中，第一層 316將第一突起302彼此電隔離，將第二突起304彼此電隔離，并將第一突起302與第二突 起304電隔離?；?08和第一層316可由上述關于納米線激光器100、200的選定材料制 成。納米線314陣列可被第一層316在功能上彼此隔離，使得可向所述陣列提供不同的電 泵浦電流。 在該實施例中，第一突起302和第二突起304的第二層318可包括單晶材料或非 單晶材料。在一些實施例中，第二層318的材料與相應第一層316的材料晶格匹配。第二 層318可包括一種以上的材料，如一種以上的單晶材料、一種以上的非單晶材料、或者至少 一種單晶材料和至少一種非單晶材料的組合。例如，第二層318的第一表面310和第二表 面312可包括形成在非單晶材料上的單晶材料。 用于制造半導體光放大器300的第二層318的合適單晶材料包括，例如Si、 Ge、 SiC、 SiGe、 GaP、 GaAs、 InP、 InN、 InAs、 AlAs、 A1N、 BN、 BAs、 ZnO、 InO以及這些或其它半導體 材料的組合。用于第二層318的合適非單晶材料包括，例如多晶硅、非晶硅、微晶硅、藍寶石 或碳基無機材料，如金剛石或類金剛石碳。 半導體光放大器300的納米線314包括至少一種化合物半導體材料?？杀挥糜谛?成半導體光放大器300的納米線的示例性化合物半導體材料包括，例如，至少一種III-V族 材料，如選自GaP、GaAs、InP、InN等的至少一種二元合金；至少一種更多元的III-V族合金， 如AlGaAs、 InAsP、 GalnAs、 GaAlAs、 GaPAs等；ZnO、 InO，或者這些或其它化合物半導體材料 的組合。納米線314可包括異質結，如上所述，該異質結包括量子點或多量子阱。
在該實施例中，信號波導330可為能用光刻法制造在納米線314上的聚合物波導。 第一突起302和第二突起304被介電材料例如Si02電隔離，具有比該介電材料和空氣更高 折射率的聚合物波導可被用于對光進行限制。信號波導330典型地可具有矩形形狀，其長 度尺寸為大約1至10倍于光波長，其寬度和高度尺寸為大約1 y m至大約10 ii m。
半導體光放大器300還包括用于和納米線314的相對端進行電接觸的特征，以便 可向納米線314陣列施加電流或電脈沖。例如，如上所述，第一突起302和第二突起304的 第二層318可包括高摻雜的p型區(qū)和n型區(qū)，或者形成在第二層318之上或之中的電極。
在半導體光放大器300的工作期間，沿信號波導330的長度行進的光信號被納米 線314的電激勵所產(chǎn)生的能量放大。納米線314陣列起到鎮(zhèn)流激光器(ballast lasers)的 作用并將光信號放大。鎮(zhèn)流激光器的使用允許半導體光放大器300以增益鉗制模式工作， 在該模式下待放大的信號具有一致的增益并且對先前的位模式(bit patterns)不敏感?？?利用來自一個或更多個鎮(zhèn)流激光器的激光場的能量來放大光信號。使納米線314陣列的激 光腔工作在閾值之上并且對增益進行鉗制以克服腔的損耗。也就是說，用比閾值電流大的 偏置電流激勵激光腔?？墒寡刂盘柌▽У脑鲆娣€(wěn)定。 在一個實施例中，每個納米線314陣列發(fā)射相同波長的光。在另一個實施例中，至 少一個納米線314陣列可發(fā)射與其它陣列不同波長的光。例如，這樣的至少一個陣列可包 括與其它陣列中的納米線具有不同成分的納米線314。例如，以第一波長發(fā)射的第一納米線 314陣列和以第二波長發(fā)射的第二納米線314陣列可通過沿著半導體光放大器300的長度 以交替的布置方式形成。 圖4、5A和5B示出了基于納米線的光電子器件的另一個示例性實施例。該示例性 光電子器件包括偏振相關激光器并且可工作以產(chǎn)生具有單一偏振的光。光具有被偏振為各 種狀態(tài)的能力。例如，線偏振可為豎直的或水平的。該光電子器件構造成能夠選擇性地發(fā) 射水平偏振光和豎直偏振光。可發(fā)射水平或豎直偏振光的脈沖，其中每個脈沖含有一個光 子。例如，水平偏振光的單個光子可編碼信息的一位，如"0"，豎直偏振光的單個光子可編碼 "1"。因此，單個光子可代表信息的單個量子位。該光電子器件還可被用作基于納米線的光 電探測器以感測光的偏振。 圖4示出了包括水平納米線434和豎直納米線436的光電子器件400的實施例的 基本結構和工作原理。如圖所示，納米線434、436沿著光電子器件400的長度設置。箭頭 438示出了光發(fā)射的方向。 圖5A和5B描繪了光電子器件500的示例性實施例。如圖所示，光電子器件500 包括具有第一水平表面542的基底540、形成在第一水平表面542上的第一絕緣體層544、 形成在第一絕緣體層544上的第一半導體層546、形成在第一半導體層546上的第二絕緣體 層548以及形成在第二絕緣體層548上并具有面向第一水平表面542的第二水平表面552 的第二半導體層550。第一絕緣體層544、第一半導體層546和第二絕緣體層548限定了第 一豎直表面554以及與第一豎直表面554相對的第二豎直表面556。第一水平表面542、第 二水平表面552、第一豎直表面554和第二豎直表面556限定了腔558。腔558可具有例如 大約1 y m至大約200 ii m的長度，以及大約100nm至大約10 y m的高度和寬度尺寸。第一 絕緣體層544和第二絕緣體層548將第一水平表面542電隔離于第二水平表面552，將第一 豎直表面554電隔離于第二豎直表面556。 —根或更多根豎直納米線560 (例如，多根豎直納米線560)以橋接構型連接第一 水平表面542和第二水平表面552。在基底540和第二半導體層550中、在第一水平表面 542和第二水平表面552處或之中設置有布拉格鏡(未示出)以限定包括豎直納米線560 的豎直光學腔。 一根或更多根水平納米線562(例如，多根水平豎直納米線562)以橋接構 型連接到第一豎直表面554處的第二半導體層區(qū)域564并連接到第二豎直表面556處的第 二半導體層區(qū)域566。在第二半導體層區(qū)域564、566的第一豎直表面554和第二豎直表面 556處設置有布拉格鏡(未示出)以限定包括水平納米線562的水平光學腔。布拉格鏡可具有不同的反射率，使得大部分光在一端射出并且另一端具有少量的光，該少量的光用于 例如對該激光器進行監(jiān)測。 在該實施例中，豎直納米線560生長自第一水平表面542和第二水平表面552之 一，水平納米線562生長自第一豎直表面554和第二豎直表面556之一。在另一個實施例 (未示出)中，豎直納米線560生長自第一水平表面542和第二水平表面552并在它們之間 互連，水平納米線562生長自第一豎直表面554和第二豎直表面556并在它們之間互連，如 圖2所示的納米線結構。 如圖5B所示，布拉格鏡568、570設置在腔558的相對端。光沿著方向572從腔 558發(fā)射。 光電子器件500還包括電泵浦，該電泵浦使用電流或電脈沖來泵浦由水平納米線 562和與第一豎直表面554和第二豎直表面556成一體的布拉格鏡所形成的激光腔、以及 豎直納米線560和與第一水平表面542和第二水平表面552成一體的布拉格鏡所形成的激 光腔。例如，基底540可在第一水平表面542的區(qū)域中高度n摻雜，第二半導體層550可在 第二水平表面552的區(qū)域中高度p摻雜，第一半導體層區(qū)域564可在第一豎直表面554的 區(qū)域中高度P摻雜，第一半導體層區(qū)域566可在第二豎直表面556的區(qū)域中高度n摻雜。 如圖所示，電源570可經(jīng)由接觸點572、574電連接到第一半導體層區(qū)域564、566，另一電源 576可經(jīng)由接觸點578、580電連接到基底540和第二半導體層550。為了進行光發(fā)射，由電 源570、576施加正向偏置。 可使用各種半導體材料來形成基底540、第一半導體層546和第二半導體層550。 例如，基底540、第一半導體層546和第二半導體層550可每個均包括相同的半導體材料，如 硅。例如，基底540可為硅片。在另一個實施例中，第一半導體層546和第二半導體層550 可包括不同的半導體材料，如本文所述III-V族化合物半導體材料中的至少一種。
光電子器件500的豎直納米線560和水平納米線562包括至少一種半導體材料。 為了進行光電探測器(即，光探測)的工作，豎直納米線560和水平納米線562可包括任何 合適的元素半導體材料或化合物半導體材料，如Si、Ge或Si-Ge合金，以及化合物半導體材 料?？稍贑VD系統(tǒng)中使用硅烷(SiH4)和HC1的混合物、或二氯甲硅烷(SiH2Cl2)，使用Au或 Ti作為催化劑材料以使納米線成核而生長出硅納米線?？稍诖蠹s320C至380C的生長溫度 下利用GeH4和H2的氣體混合物在硅基底上進行Au催化的外延生長而形成Ge納米線，這在 T. I. Kamins， X丄i禾口 R. Stanley Williams的Growth andStructure of Chemically Vapor D印osited Ge Nanowires on Substrates (基底上的化學氣相沉積Ge納米線的生長和結 構)，Nano Letters, Vol. 4， No. 3， pp. 503-06 (2004)中進行了描述，本文以引用的方式并入 該篇文獻的全部內容。 為了進行激光器(即，光發(fā)射)的工作，豎直納米線560和水平納米線562可包括 一種或多種化合物半導體材料，如至少一種III-V族材料，如選自GaP、GaAs、 InP、 InN等的 至少一種二元合金；至少一種更多元的III-V族合金，如AlGaAs、 InAsP、 GalnAs、 GaAlAs、 GaPAs等；Zn0、 In0，或者這些或其它化合物半導體材料的組合。豎直納米線560和水平納 米線562可包括異質結，如上所述，該異質結包括量子點或多量子阱。 在光電子器件500的實施例中，豎直納米線560和水平納米線562的特征，如數(shù) 量、空間布置以及納米線的直徑可選擇性地變化以控制所發(fā)射出的水平偏振和豎直偏振光的特性。在一個實施例中，每個豎直納米線560和水平納米線562發(fā)射相同波長的光。在 另一個實施例中，豎直納米線560可發(fā)射與水平納米線562不同波長的光。
在一個示例性實施例中，通過在基底540上形成第一絕緣體層544、在第一絕緣體 層544上形成第一半導體層546以及在第一半導體層546上形成第二絕緣體層548而制造 出光電子器件500。然后，可使第二絕緣體層548形成花樣以從第二絕緣體層548、第一半 導體層546和第一絕緣體層544去除材料，以暴露出基底540的第一水平表面542，并形成 第一豎直表面554和第二豎直表面556。該工藝優(yōu)選地導致第一豎直表面554和第二豎直 表面556彼此平行。然后用例如介電材料來填充第二絕緣體層548、第一半導體層546和第 一絕緣體層544中的形成態(tài)(as-formed)的開口。第二半導體層550形成在第二絕緣體層 548和介電材料上。采用刻蝕法去除介電材料以產(chǎn)生腔558。 然后在腔558中生長豎直納米線560和水平納米線562?？稍诘谝凰奖砻?42、 第二水平表面552、第一豎直表面554和第二豎直表面556中的選定表面上形成納米線?？?在具有晶體信息的表面上任何有納米顆粒如Au納米顆粒的地方形成納米線?？赏ㄟ^在表 面上施加介電材料如氮化硅或二氧化硅的薄膜來防止在該表面上形成納米線?？衫檬┮?技術向第一水平表面542、第二水平表面552、第一豎直表面554和第二豎直表面556中的 每一個施加納米顆粒，在施液技術中，納米顆粒如Au納米顆粒懸浮在膠體系統(tǒng)中。在向光 電子器件500的( 一個或多個)選定表面施加納米顆粒之后，利用合適的技術如M0CVD生 長出納米線，如III-V族化合物半導體納米線。在腔558中，豎直和水平納米線可從一個表 面(其上施加了納米顆粒)連續(xù)生長到相對表面，如圖l所示；和/或從這兩個相對的表面 (其上施加了納米顆粒)生長以形成互連納米線，如圖2所示。
然后可在水平腔558的相對端形成布拉格鏡568 、570。 在光電子器件500于激光器模式下工作期間，選擇性地電激勵豎直納米線560和 水平納米線562以分別發(fā)射豎直偏振光和水平偏振光。在一個實施例中，可同時電激勵豎 直納米線560和水平納米線562以發(fā)射到所期望的水平。在另一個實施例中，可在水平納 米線562于足以使增益介質透明的較低偏置水平下工作時電激勵豎直納米線560以進行發(fā) 射，或者相反。如上所述，例如，由水平納米線562發(fā)射的水平偏振光的光子可編碼信息的 一位，如"0"，由豎直納米線560發(fā)射的豎直偏振光的光子可編碼"1"。該器件還可提供開/ 關編碼以使信息帶寬加倍。在一個實施例中，可通過利用適當?shù)碾娐废到y(tǒng)以更大或更小的 增益選擇性地偏置豎直納米線560和水平納米線562來即時地對偏振進行切換。
當光電子器件500作為光電探測器工作時，豎直納米線560和水平納米線562將 對光進行不同的吸收。在這樣的實施例中，納米線通常為無摻雜的，且該器件在反偏置模式 下工作。 一根或更多根豎直納米線560可生長自第一水平表面542或第二水平表面552， 一 根或更多根水平納米線562可生長自第一豎直表面554或第二豎直表面556，以在第一水平 表面542和第二水平表面552之間，以及在第一豎直表面554和第二豎直表面556之間連 續(xù)延伸?？商娲?，一根或更多根豎直納米線560可生長自第一水平表面542和第二水平 表面552之一，一根或更多根水平納米線562可生長自第一豎直表面554和第二豎直表面 556之一，并在第一水平表面542和第二水平表面552之間，以及在第一豎直表面554和第 二豎直表面556之間互連。在另一個實施例中，該器件可包括一根或更多根互連的納米線 以及一根或更多根連續(xù)延伸的納米線。光電探測器中不包括布拉格鏡，光遵循與激光器構
14型下相同的路徑，但沿相反的方向行進。相應地，光電子器件500可作為偏振傳感光電探測 器工作。例如，該光電子器件可用于安全通訊所用的偏分復用連接中。 本領域技術人員將認識到，在不偏離本發(fā)明的精神或本質特點的情況下可以以其 它具體的形式實施本發(fā)明。因此，本文所公開的實施例在所有方面均被認為是說明性的而 非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權利要求而并非前文的描述所限定，并且所有落入該權 利要求的含義、范圍和等同物之內的變化均意味著被該權利要求所涵蓋。
權利要求
一種基于納米線的光電子器件(200)，包括至少一個由單晶或非單晶材料制成的第一表面(210)；至少一個由單晶或非單晶材料制成的第二表面(212)，每個第二表面電隔離于相應的第一表面；以及至少一根第一納米線(214)，其以橋接構型連接至少一個第一表面對，所述第一表面對包括相對的第一和第二表面，其中，所述第一納米線生長自所述第一表面對的第一和第二表面，并且在所述第一和第二表面之間互連。
2. 如權利要求1所述的基于納米線的光電子器件，還包括第一布拉格鏡(124)，其在至少一個第一表面(110)上形成或者鄰近所述至少一個第 一表面(110)形成；以及第二布拉格鏡(126)，其在與所述至少一個第一表面相對的至少一個第二表面(112) 上形成或者鄰近所述至少一個第二表面(112)形成；至少一根第二納米線(114)，其生長自至少一個包括相對的第一和第二表面的第二表 面對的第一表面或第二表面；其中，每對相對的第一和第二布拉格鏡限定包括至少一根第二納米線的光學腔；以及其中，第一和第二納米線包括ni-v族化合物半導體材料。
3. 如權利要求2所述的基于納米線的光電子器件，其中，第一納米線和/或第二納米線 包括有源區(qū)，所述有源區(qū)包括量子點或異質結。
4. 如權利要求l所述的基于納米線的光電子器件，包括多根第一納米線(214)，所述第 一納米線(214)以橋接構型連接至少一個包括相對的第一和第二表面的第一表面對(210， 212)，其中，所述第一納米線生長自該第一表面對的第一和第二表面并在所述第一和第二 表面之間互連，其中，所述第一納米線包括III-V族化合物半導體材料。
5. 如權利要求1所述的基于納米線的光電子器件，其中 每個第一表面均是第一突起(202)的表面； 每個第二表面均是第二突起(204)的表面；以及 在第一和第二突起的每個之上或之中形成有電接觸。
6. 如權利要求1所述的基于納米線的光電子器件，其中 每個第一表面均是第一突起的表面； 每個第二表面均是第二突起的表面；所述第一和第二表面包括非單晶材料，所述非單晶材料選自由多晶硅、非晶硅、微晶硅、金剛石和類金剛石碳組成的組；所述第一和第二突起(i)每個均包括單晶材料，并且(ii)形成在包括所述單晶材料的 基底(208)上；或者所述第一和第二突起形成在包括非單晶材料的基底(208)上，所述非單晶材料選自由 微晶硅、非晶硅、玻璃、石英、聚合物和金屬組成的組。
7. —種增益鉗制半導體光放大器(300)，包括 至少一個第一表面(310);至少一個第二表面(312)，每個第二表面面向且電隔離于相應的第一表面； 多根納米線(314)，其以橋接構型連接每對相對的第一和第二表面；以及信號波導(330)，其與納米線重疊使得沿該信號波導行進的光信號被納米線的電激勵 所提供的能量放大。
8. —種基于納米線的光電子器件(400，500)，包括 第一水平表面(542);第二水平表面(552)，其電隔離于并且面向第一水平表面；至少一根豎直納米線(560)，其以橋接構型連接第一和第二水平表面，其中，所述豎直 納米線(i)生長自第一和第二水平表面之一或者(ii)生長自第一和第二水平表面并在第 一和第二水平表面之間互連；第一豎直表面(554);第二豎直表面(556)，其電隔離于并且面向第一豎直表面；以及至少一根水平納米線(562)，其以橋接構型連接第一和第二豎直表面，其中，所述水平 納米線(i)生長自第一和第二豎直表面之一或者(ii)生長自第一和第二豎直表面并在第 一和第二豎直表面之間互連；其中，所述水平納米線和豎直納米線能被選擇性地電激勵以分別提供水平和豎直偏振。
9. 如權利要求8所述的基于納米線的光電子器件，還包括 在第一和第二水平表面上或者鄰近第一和第二水平表面的第一布拉格鏡； 在第一和第二豎直表面上或者鄰近第一和第二豎直表面的第二布拉格鏡； 其中，所述第一水平表面、第二水平表面、第一豎直表面和第二豎直表面限定腔(558);以及設置在所述腔相對端的第三布拉格鏡(568 、570); 其中，水平和豎直納米線包括III-V族化合物半導體材料。
10. 如權利要求8所述的基于納米線的光電子器件，還包括 包括第一水平表面的基底(540); 在第一水平表面上的第一絕緣體層(544); 在第一絕緣體層上的第一半導體層(546); 在第一半導體層上的第二絕緣體層(548);以及 在第二絕緣體上并且包括第二水平表面的第二半導體層(550);其中，所述第一水平表面、第二水平表面、第一豎直表面和第二豎直表面限定腔(558)， 該腔形成在第一絕緣體層、第一半導體層和第二絕緣體層中，所述第一絕緣體層、第一半導 體層和第二絕緣體層包括第一和第二豎直表面。
全文摘要
本發(fā)明公開了包括納米線層、光電探測器和半導體光放大器的基于納米線的光電子器件(100，200，300，400，500)。該器件包括生長自單晶和/或非單晶表面的納米線(114，214，324，434，436，560，562)。半導體光放大器包括充當鎮(zhèn)流激光器以放大信號波導所攜載信號的納米線陣列，。納米線激光器和光電探測器的實施例包括能夠提供不同偏振的水平和豎直納米線(434，436，562，560)。
文檔編號H01L31/10GK101796646SQ200880013724
公開日2010年8月4日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權日2007年4月25日
發(fā)明者M·S·伊斯拉姆, P·J·屈克斯, S·-Y·王, 小林伸彥 申請人:惠普開發(fā)有限公司