專利名稱：納米線光電二極管和制作納米線光電二極管的方法
納米線光電二極管和制作納米線光電二極管的方法
背景技術(shù)：
納米技術(shù)和量子信息技術(shù)涉及對(duì)極小的電子和光學(xué)電路的設(shè)計(jì)。所 期望的是提供包括納米線的納米級(jí)光電子器件，其適合于納米技術(shù)和量 子信息技術(shù)應(yīng)用，其中這樣的器件提供高效的性能并且能夠在生產(chǎn)環(huán)境 中通過(guò)低成本的制造技術(shù)來(lái)制造。

發(fā)明內(nèi)容
納米線光電二極管的示例性實(shí)施例包括包括錐形第 一端部的第一 光波導(dǎo)，所述第一端部包括第一尖端；包括錐形第二端部的第二光波導(dǎo)， 所述第二端部包括與所述第一尖端隔開(kāi)的第二尖端；以及至少一個(gè)納米 線，所述納米線包括至少一種半導(dǎo)體材料，所述納米線以橋接配置連接 所述第一尖端和所述第二尖端。
納米線光電二極管的另一示例性實(shí)施例包括具有表面的襯底；被
述第一光波導(dǎo)包括錐形第一端i，所述第二端部包括第二尖端;、被整體
二光波導(dǎo)包括錐形第二端部，所述第二端部包括與所述第一尖端隔開(kāi)的 第二尖端；其中所述第一和第二光波導(dǎo)包括與所述襯底的表面相同的材 料；以及至少一個(gè)納米線，所述納米線包括至少一種第一半導(dǎo)體材料， 所述納米線以橋接配置連接所述第一尖端和所述第二尖端。
制造納米線光電二極管的方法的示例性實(shí)施例包括從第 一 光波導(dǎo) 的錐形第一端部的第一尖端生長(zhǎng)至少一個(gè)包括至少一種第一半導(dǎo)體材 料的納米線，使得所述納米線以橋接配置連接到與所述第一尖端隔開(kāi)的 第二光波導(dǎo)的錐形第二端部的第二尖端。


圖1圖解說(shuō)明納米線光電二極管的示例性實(shí)施例。
圖2圖解說(shuō)明設(shè)置在襯底上的圖1的納米線光電二極管。
圖3圖解說(shuō)明整體制造在襯底上的納米線光電二極管的另一示例性實(shí)施例。
圖4圖解說(shuō)明整體制造在襯底上的納米線光電二極管的另一示例性 實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
光電二極管被用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。納米級(jí)光電二極管可期 望用于將諸如納米級(jí)發(fā)光二極管和激光器之類的其它納米光子元件與 納米電子器件相集成。納米線能夠被用于載送電信號(hào)和光信號(hào)并且被用 于探測(cè)和發(fā)射光。然而，對(duì)于光探測(cè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，納米線的極小直徑對(duì)應(yīng) 于極小的光子吸收截面，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)令人滿意的器件靈敏度提出了挑 戰(zhàn)。能夠使用多個(gè)納米線來(lái)改善靈敏度，但是該方式犧牲了器件電容。 單個(gè)納米線或者僅幾個(gè)納米線可期望用于超低電容的光電二極管。
所公開(kāi)的納米線光電二極管被構(gòu)造為以期望的光子探測(cè)靈敏度和 電容進(jìn)行搡作。光電二極管的實(shí)施例能夠被用于探測(cè)光，而不必還使用 用于放大由光電二極管所輸出的電信號(hào)以補(bǔ)償光電二極管的(一個(gè)或多 個(gè))納米線的小光子吸收截面的部件。
在圖1中示出^^據(jù)示例性實(shí)施例的納米線光電二^l管100。光電二 極管100包括第一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)只示出 第一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104的一段。第一光波導(dǎo)102包括終止于 第一尖端108的錐形第一端部106,而第二光波導(dǎo)l(M包括終止于第二 尖端112的《,形第二端部110。第一尖端108和第二尖端112相互隔開(kāi) 距離D。納米線114以橋接配置將第一尖端108與第二尖端112連接。 納米線114在光電二極管100中起到探測(cè)器和波導(dǎo)的作用。
納米線114能夠從第一尖端108或者第二尖端112生長(zhǎng)出來(lái)。例如， 納米線114能夠從第一尖端108生長(zhǎng)出來(lái)，并且在第一尖端108與第二 尖端112之間持續(xù)延伸，并且碰到(impinge on)以及機(jī)械地和電學(xué)地 連接到第二尖端112,以將第一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104直接橋接。 納米線114的端部形成相對(duì)的第一尖端和第二尖端112之間的自組裝的 納米線連接。
在實(shí)施例中，第一端部106和第二端部110是錐形的并且分別具有 在通向第一尖端108和第二尖端112的縱向方向上持續(xù)減小的相應(yīng)截面 積。第一端部106和第二端部110的錐度(taper)可以變化。該錐度優(yōu)選是平緩的(the taper is preferably gradual)--諸如小于大
約3。、諸如小于大約2?；蛘咝∮诖蠹s1°的角度一一以減小反射。在 光電二極管100中，錐形第一端部106和第二端部110提供到(一個(gè)或 多個(gè))納米線114的過(guò)渡(transition )。
第一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104例如可以是沿主體具有圓形截面 并且具有錐形端部的光纖。該光纖例如可以是二氧化硅(silica )光纖、 諸如硅光纖(silicon fiber )的半導(dǎo)體光纖、為增益而摻餌的光纖等。 光纖的直徑在縱向方向上分別沿著第一端部106到第一尖端108以及沿 著第二端部UO到第二尖端112而減小。在另一實(shí)施例中，第一光波導(dǎo) 102和第二光波導(dǎo)104具有諸如方形、矩形等的非圓形截面，該截面的 大小在第一端部106在通向第一尖端108的方向上減小并且該截面的大 小在第二端部110在通向第二尖端112的方向上減小。在實(shí)施例中，笫 一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104通常在錐形第一端部106和錐形第二端 部110附近能夠具有大約5jum到大約50pm的截面直徑或者寬度。第 一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104通常可以具有近似相同的截面形狀和尺 寸。
可以通過(guò)使第一端部106和第二端部110產(chǎn)生期望的錐形和尺寸的 任何技術(shù)來(lái)將第一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104錐化。在示例性實(shí)施例 中，可以將圓柱形的光纖在合適的環(huán)境中加熱并拉伸(tension)以將 該光纖分離成第一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104。拉伸操作還分別使第 一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104錐化以形成錐形第一端部106和錐形第 二端部110。
在實(shí)施例中，p型半導(dǎo)體材料或者n型半導(dǎo)體材料的至少 一個(gè)層116 被涂覆在第一光波導(dǎo)102的第一端部106上，并且p型半導(dǎo)體材料或者 n型半導(dǎo)體材料中的另一類型半導(dǎo)體材料的至少一個(gè)層118被涂覆在光 波導(dǎo)104的第二端部110上。涂層116, 118能夠如所示那樣被施加在 整個(gè)第一端部106和第二端部110上。可選地，涂層116， 118可以只 #皮施加在第一端部106和第二端部110的側(cè)面上，或者基本上只纟皮施加 在第一尖端108和第二尖端112上。在制造納米線ll4之前將涂層ll6， 118形成在第一端部106和第二端部110上。
涂層116, 118可以包括具有合適的物理特性以使得納米線114能 夠從第一尖端108或者第二尖端112生長(zhǎng)的任何材料，并且涂層ll6，118能夠提供期望的電學(xué)特性。涂層材料可以是例如單晶硅的單晶材料； 或者非單晶材料，諸如多晶硅、非晶硅、微晶硅、藍(lán)寶石或碳基無(wú)機(jī)材 料(諸如金剛石和類金剛石碳)。涂層116， 118中的每一個(gè)都能夠被 摻雜到有效地在光電二極管100中提供所期望的電學(xué)特性的摻雜水平。
能夠通過(guò)任何合適的技術(shù)使涂層116, 118外延生長(zhǎng)或者非晶沉積 在第一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104上。用于施加涂層的示例性技術(shù)包 括分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(M0CVD)、化學(xué)汽相沉 積(CVD)以及等離子體增強(qiáng)型CVD (PECVD)。
在另一示例性實(shí)施例中，第一光波導(dǎo)102的第一端部106的至少一 部分能夠用p型半導(dǎo)體材料或者n型半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜，而第二光波 導(dǎo)104的第二端部110的至少一部分能夠用p型半導(dǎo)體材料或者n型半 導(dǎo)體材料中的另 一種半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜。
能夠由發(fā)射在期望波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的光的光源將光發(fā)射到第一光波導(dǎo) 102或者第二光波導(dǎo)104中。圖1描繪了被發(fā)射到第一光波導(dǎo)102中的 光信號(hào)入。例如，根據(jù)光電二極管100的應(yīng)用，光可以在大約0. 6ym 到大約1. 6 jum的范圍內(nèi)，諸如在大約0.75Mm到大約1.6pm的范圍內(nèi)， 例如在大約0. 780 jum或者大約1. 55 本文所述的光電二才及管的其它 示例性實(shí)施例也能夠以這樣的波長(zhǎng)操作。
可以使用諸如GaN、 AlGaAs、 InGaAs、 GaAlSb、 InP、 InGaAsP等之 類的III-V族化合物半導(dǎo)體材料來(lái)構(gòu)建示例性光源。該光源可以是耦合 到第一光波導(dǎo)102 (或者第二光波導(dǎo)104)的外部光源?？蛇x地，該光 源可以是包括光電二極管100以及任選地附加電子部件和/或光電子部 件的集成系統(tǒng)的部件。
第一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104能夠分別經(jīng)由電接觸和引線120， 121而電連接到電源。在示例性實(shí)施例中，能夠由透明的銦錫氧化物 (ITO)來(lái)制造電接觸，該銦錫氧化物(ITO)與第一端部106和第二端 部110的n型和p型部分接觸并且連接到諸如共面線之類的高速電傳輸 線，其中電信號(hào)傳播到適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理集成電路。該電源用于產(chǎn)生反向 偏壓(reverse bias)。
在光電二極管100中，將由第一光波導(dǎo)102或者第二光波導(dǎo)104所 載送的光信號(hào)的光能耦合到納米線114的小截面積中的問(wèn)題通過(guò)錐化第 一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104使得由第一光波導(dǎo)102或者第二光波導(dǎo)
9104所載送的光信號(hào)的光場(chǎng)被強(qiáng)加到納米線114上來(lái)解決。通過(guò)分別錐 化第一光波導(dǎo)102和第二光波導(dǎo)104的第一端部106和第二端部110以 與納米線114的相對(duì)端部耦合，光場(chǎng)的峰值強(qiáng)度能夠被集中到納米線 114上從而增加光電二極管100的光轉(zhuǎn)換效率。另外，沿納米線114的 長(zhǎng)度傳播的光由于該光被納米線吸收而有所衰減。因?yàn)樵摴獾哪芰扛哂?納米線114的帶隙，所以生成電子空穴對(duì)。通過(guò)施加反向偏壓來(lái)清除載 流子，從而在外部電路中生成電流。為了在幾十GHz的范圍內(nèi)進(jìn)行操作， 納米線的長(zhǎng)度通常是大約1 ym到大約5ym。光電二極管100的速度主 要受到被反向偏壓清除出納米線114的載流子的傳輸(即清除時(shí)間 (sweep—out time))的卩艮制。
在另一示例性實(shí)施例中，納米線114能夠形成為具有鄰近中間部分 的錐形端部部分。本文所述的光電二極管的其它示例性實(shí)施例可以包括 一個(gè)或者多個(gè)納米線，所述納米線包括這樣的錐形部分和中間部分。
如圖1所示，光電二極管100可以任選地包括第一光波導(dǎo)102'中的 第一布拉格反射器122和第二光波導(dǎo)l(M中的第二布拉格反射器l24。 第一布拉格反射器122、納米線114和第二布拉格反射器124形成光腔。 第一布拉格反射器122和第二布拉格反射器124反射在光子第一次穿過(guò) 納米線114期間未^^皮納米線114吸收的光子，由此增加光電二極管100 的光轉(zhuǎn)換效率。
本文所述的光電二極管的實(shí)施例能夠以非常低的電容進(jìn)行操作。納 米線114的電容能夠由等式C=s .A/d進(jìn)行一階表示；其中s是納米線 114的介電常數(shù)，A是納米線114的截面積，并且d是納米線114的長(zhǎng) 度(其通常近似等于D)。通過(guò)減小A和/或增加d而減小光電二極管 100的電容C。笫一光波導(dǎo)102的第一尖端108和第二光波導(dǎo)104的第 二尖端U2被優(yōu)選錐化為與納米線114具有同樣的截面積以增強(qiáng)光電二 極管100的光耦合效率。
在示例性實(shí)施例中，納米線114可以具有大約10薩到大約500nm 的直徑(諸如大約10nm、 20nm、 5Qnra、 1GQ腦、200nm或者5Q0細(xì))和大 約0. 5 iu m到大約5 ju m的長(zhǎng)度(諸如大約0. 5 ju m、 l|um、 2 ju m、 3jnm、 4jum或者5jum)。在本文所述的光電二才及管的其它示例性實(shí)施例中所 提供的納米線也可以具有這樣的尺寸。如上所述，納米線114的直徑(截 面)和長(zhǎng)度每個(gè)都能夠被顯著改變以顯著減小光電二極管100的電容。
10優(yōu)選地，光電二極管100的實(shí)施例可以具有小于大約1飛法[fF](lx 10—"F)的電容，諸如小于大約O. 5fF、大約0. lfF或者大約0. OlfF (即 10阿法[aF])。光電二極管100的電容主要來(lái)自邊緣電容。第一光波導(dǎo) 102和第二光波導(dǎo)104的錐化顯著減小了光電二極管100的邊緣電容。
光電二極管100的低電容允許其輸出大電壓。也就是說(shuō)，電容C也 能夠被定義為等式Q-CV中的比例常數(shù)，其中Q是電容器的"板，，上的 電荷，而V是電容器的"板"之間的電壓差。于是，減小電容C就增大 電壓V。光電二極管100的大輸出電壓允許其在不需要包括附加部件來(lái) 對(duì)電信號(hào)進(jìn)行后置放大的情況下探測(cè)到低光級(jí)。光電二極管100允許使 用簡(jiǎn)化電路并且減少了功耗。
光電二極管100的實(shí)施例能夠提供期望高的外量子效率(EQE), 該外量子效率(EQE)是對(duì)光電二極管能夠多么有效地將光轉(zhuǎn)換為電的 量度。EQE能夠被定義為每單位時(shí)間由光電二極管所生成的電子數(shù)與每 單位時(shí)間進(jìn)入的光子數(shù)的比值。光電二極管100的實(shí)施例預(yù)期將提供至 少大約為10。/。的EQE,諸如至少大約20%、 30%、 40°/。、 50°/。、 60%、 70%、 8 0%或者9 0%。對(duì)于包括單個(gè)納米線114的光電二極管1 0 0的實(shí)施例來(lái)說(shuō)， 預(yù)期EQE至少為10%。根據(jù)器件的期望電容，光電二極管100的其它示 例性實(shí)施例可以包4舌多于一個(gè)納米線114,諸如兩個(gè)、五個(gè)、十個(gè)或者 更多個(gè)納米線114。對(duì)于包括多個(gè)納米線114 (例如2到10個(gè)納米線) 的光電二4l管100的實(shí)施例來(lái)說(shuō)，預(yù)期EQE高于單個(gè)納米線實(shí)施例的 EQE,諸如高達(dá)大約90%。同樣預(yù)期根據(jù)本文所述光電二極管的其它示例 性實(shí)施例的光電二極管——其也可以包括一個(gè)或多個(gè)納米線——能提 供在大約10%到大約9 0%范圍內(nèi)的EQE值。
圖2所示的光電二極管200的示例性實(shí)施例包括設(shè)置在襯底230上 的第一光波導(dǎo)202和第二光波導(dǎo)204。光電二極管200例如可以與光電 二極管IOO具有相同的結(jié)構(gòu)并且可以由與光電二極管IOO相同的材料形 成。在實(shí)施例中，第一光波導(dǎo)200包括終止于第一尖端208的錐形第一 端部206,而第二光波導(dǎo)204包括終止于第二尖端212的錐形第二端部 210,其中該第二尖端212與第一尖端208隔開(kāi)。納米線214以橋接配 置將第一尖端208與第二尖端212連接。根據(jù)器件的期望電容以及期望 的EQE,光電二才及管200的實(shí)施例可以包括多于一個(gè)納米線214，諸如 兩個(gè)、五個(gè)、十個(gè)或者更多個(gè)納米線214。說(shuō)明書(shū)第7/13頁(yè)
襯底230可以包括任何合適的材料，諸如硅或者化合物半導(dǎo)體材料。 例如，襯底230可以包括具有大約300mm直徑的硅晶片或者具有大約 75,到大約100mm直徑的III-V族半導(dǎo)體材料(諸如GaAs )。
襯底230包括形成在表面236中的凹槽232。第一光波導(dǎo)202和第 二光波導(dǎo)204被定位在凹槽232中。凹槽232能夠具有使得第一光波導(dǎo) 202和第二光波導(dǎo)204在表面236上方部分延伸的深度?？梢允褂肰型 凹槽來(lái)容納二氧化硅光纖。例如，第一光波導(dǎo)202和第二光波導(dǎo)204能 夠被金屬結(jié)合到凹槽232，或者能夠通過(guò)玻璃-硅結(jié)合來(lái)結(jié)合。金屬結(jié)合 還能夠被用于到光電二極管200的電接觸。能夠通過(guò)激光燒蝕、光光學(xué) 刻蝕(photolithography)以及蝕刻等在襯底230的表面236中形成凹 槽232。
在示例性實(shí)施例中，通過(guò)如下步驟來(lái)制作光電二極管200:將第一 光波導(dǎo)202和第二光波導(dǎo)204 (在錐化之后)放置于凹槽232中，其中 第一尖端208與第二尖端212隔開(kāi)期望的距離；分別在第一端部206和 第二端部210上形成涂層216, 218 (或者可選地對(duì)第一端部206和第二 端部210進(jìn)行摻雜)；以及然后生長(zhǎng)納米線214來(lái)以橋接配置將第一尖 端208連接到第二尖端212。
在實(shí)施例中，能夠分別經(jīng)由接觸和引線220， 221將第一光波導(dǎo)202 和第二光波導(dǎo)204電連接到電源以產(chǎn)生反向偏壓。
圖3描繪了根據(jù)另一示例性實(shí)施例的光電二極管300。在該實(shí)施例 中，第 一光波導(dǎo)302和第二光波導(dǎo)304被整體形成在襯底330的表面336 上，使得第一光波導(dǎo)302和第二光波導(dǎo)3(M在表面336上方突出。在實(shí) 施例中，第一光波導(dǎo)302和第二光波導(dǎo)304被直接制造在表面336上， 并且包括與表面336相同的半導(dǎo)體材料。
在光電二極管300的其它實(shí)施例中，為了平坦化的目的，所述光波 導(dǎo)能夠作為埋入式波導(dǎo)形成在襯底的表面336中。
如圖所示，第一光波導(dǎo)302和第二光波導(dǎo)3Q4能夠具有矩形或者方 形截面。在所圖解說(shuō)明的實(shí)施例中，第一光波導(dǎo)302包括具有第一尖端 308的錐形第一端部306,而第二光波導(dǎo)304包括具有第二尖端312的 錐形第二端部310。納米線314以橋接配置連接第一尖端306與第二尖 端312。
能夠通過(guò)光學(xué)刻蝕技術(shù)將第一光波導(dǎo)302和第二光波導(dǎo)304制造在
12襯底330上。能夠通過(guò)包括光壓印(photo—imprinting )或纟內(nèi)米壓印的 光刻(lithographic)技術(shù)來(lái)產(chǎn)生錐形部分。用于近紅外傳輸?shù)牟▽?dǎo)通 常在分別靠近錐形端部306和錐形端部310的部分中可以具有大約1 jum 到大約lOpm的寬度尺寸和大約1 pm到大約10pm的高度?？梢砸孕?于大約3。的角度(諸如小于大約2?；蛘咝∮诖蠹s1。)使波導(dǎo)逐漸錐 化。例如使用納米壓印光刻，能夠在第一光波導(dǎo)302和第二光波導(dǎo)304 的錐形部分上形成具有大約10nm那樣小或者更小尺寸的尖端。第一光 波導(dǎo)302的第一尖端308的寬度和第二光波導(dǎo)304的第二尖端312的寬 度優(yōu)選近似等于納米線314的直徑以增強(qiáng)光耦合效率。在光電二極管 300中，(一個(gè)或者多個(gè))納米線314通?？梢跃哂写蠹s10nm到大約 500nm的直徑以及大約0. 5/im到大約5jum的長(zhǎng)度。
在實(shí)施例中，襯底330可以是晶體材料或者非晶體材料。襯底330 可以包括例如Si、 Ge、 Si-Ge合金或者諸如GaAs或者InP之類的III-V 族半導(dǎo)體材料。襯底330、第一光波導(dǎo)302和第二光波導(dǎo)304可以包括 單片的塊狀(bulk)半導(dǎo)體材料。該塊狀半導(dǎo)體材料例如可以是單晶硅 晶片，在其中或者在其上制造光電二極管300。
第一光波導(dǎo)302可以包括p型或者n型半導(dǎo)體材料，而第二光波導(dǎo) 304可以包括p型或者n型半導(dǎo)體材料中的另一種。在另一實(shí)施例中， 第一光波導(dǎo)302的第一端部306的至少一部分能夠用p型或者n型半導(dǎo) 體材料進(jìn)行涂覆或者摻雜，而第二光波導(dǎo)304的第二端部310的至少一 部分能夠用p型或者n型半導(dǎo)體材料中的另 一種進(jìn)行涂覆或者摻雜。
在實(shí)施例中，在襯底330中形成電絕緣體區(qū)334以使第一光波導(dǎo)302 和第二光波導(dǎo)304的p型和n型材料電隔離從而使得電流能夠流過(guò)納米 線314而不會(huì)在襯底330內(nèi)電短3各。例如，可以通過(guò)在襯底330中在第 一光波導(dǎo)302與第二光波導(dǎo)304之間離子注入絕緣體材料而在襯底330 中形成電絕緣體區(qū)334。
在實(shí)施例中，分別經(jīng)由接觸和引線320， 321將第一光波導(dǎo)302和 第二光波導(dǎo)304電連接到電源。該電源用于產(chǎn)生反向偏壓。
可以在襯底330上和/或在襯底330中制造附加的光電子元件和/或 電子元件以產(chǎn)生集成系統(tǒng)。例如，諸如正向偏置的納米線激光器之類的 發(fā)光器件能夠使用類似技術(shù)來(lái)制造并且也被提供在襯底330上。
圖4描繪了根據(jù)另一示例性實(shí)施例的光電二極管400。在該實(shí)施例中，至少襯底430的表面436包括諸如Si02或者氮化物材料之類的介電 材料，并且第一光波導(dǎo)402和第二光波導(dǎo)404被整體制造在該介電材料 上并且在表面436上方突出。例如，第一光波導(dǎo)402和第二光波導(dǎo)404 能夠具有與光電二極管300的第一光波導(dǎo)302和第二光波導(dǎo)304相同的 配置，如圖所示。襯底430的表面436例如可以包括生長(zhǎng)在硅襯底(例 如(111 )硅晶片)上的Si02。如圖所示，第一光波導(dǎo)402和第二光波 導(dǎo)404具有示例性的矩形或者方形截面。分別地，第一光波導(dǎo)402包括 具有第一尖端408的錐形第一端部406而第二光波導(dǎo)包括具有第二尖端 412的錐形第二端部410。納米線414以橋接配置連接第一尖端408與 第二尖端412。在其它實(shí)施例中，所述波導(dǎo)能夠作為埋入式波導(dǎo)形成在 表面436中。
能夠通過(guò)用于介電材料的光學(xué)刻蝕技術(shù)來(lái)在襯底430上制造第一光 波導(dǎo)402和第二光波導(dǎo)404。如上所述，能夠使用納米壓印光刻來(lái)形成 具有大約10nm那樣小或者更小寬度尺寸的尖端。能夠以小于大約3°的 角度(諸如小于大約2°或者小于大約1° )使波導(dǎo)逐漸錐化。第一光 波導(dǎo)402和第二光波導(dǎo)404可以在靠近第一端部406和第二端部410的 部分處具有大約1 jum到大約10jum的寬度尺寸和大約1 jum到大約10 ym的高度。第一光波導(dǎo)402的第一尖端408和第二光波導(dǎo)404的第二 尖端412的寬度優(yōu)選近似等于納米線414的直徑以增強(qiáng)光耦合效率。在 光電二極管400中，( 一個(gè)或者多個(gè))納米線4N例如可以具有大約10nm 到大約500nm的直徑和大約0. 5jdm到大約5jum的長(zhǎng)度。
在光電二極管400中，第一光波導(dǎo)402和第二光波導(dǎo)404在納米線 414連接到的選定位置處被涂覆有半導(dǎo)體材料。例如，第一端部406可 以具有p型或者n型單晶或者非單晶半導(dǎo)體材料的涂層416,而第二端 部410可以具有p型或者n型單晶或者非單晶半導(dǎo)體材料中的另一種的 涂層418。該涂層能夠覆蓋第一端部406和第二端部410的整個(gè)部分或 僅選定部分。分別在第一端部406和第二端部410上所形成的涂層416, 418具有選定的、在光電二極管400中提供期望電學(xué)特性的摻雜水平。
可以4吏用諸如MBE、 MOCVD、 CVD和PECVD之類的4壬何合適的技術(shù)來(lái) 在第一光波導(dǎo)402和第二光波導(dǎo)404上外延生長(zhǎng)涂層416， 418。
在實(shí)施例中，可以分別經(jīng)由接觸和引線420, 421將第一光波導(dǎo)402 和第二光波導(dǎo)404電連接到電源以產(chǎn)生反向偏壓。能夠在襯底430上和/或在襯底430中制造附加的光電子元件和/或 電子元件以產(chǎn)生集成系統(tǒng)。例如，諸如正向偏置的納米線激光器之類的 發(fā)光器件能夠使用類似技術(shù)來(lái)制造并且也被提供在襯底430上。
在另一實(shí)施例中，可以在包括非單晶材料(例如玻璃)的襯底的表 面上制造光電二極管。例如可以使用產(chǎn)生具有間隔布置的二氧化硅平面 波導(dǎo)層的方法來(lái)在玻璃上制造二氧化硅層。波導(dǎo)被處理為具有合適的錐 形。然后，可以用諸如摻雜p型或者n型的非晶或者多晶Si或者硅化 物之類的合適材料來(lái)涂覆二氧化硅波導(dǎo)，并且可以在錐形p型與n型部 分或硅化物錐形之間以橋接配置來(lái)生長(zhǎng)一個(gè)或者多個(gè)納米線。
如圖3和4所示，光電二極管300, 400包括在第一光波導(dǎo)302， 402 中制造的任選第一布拉格反射器322, 422以及在第二光波導(dǎo)！304， 4(M 中制造的任選第二布拉格反射器324, 424。第一布拉格反射器322， 4" 和第二布拉格反射器324， "4反射在光子第一次穿過(guò)納米線3M, 時(shí)未被納米線314, 414吸收的光子。在一些實(shí)施例中，第一布拉格反 射器322， 422和第二布拉格反射器324, 424可以包括交替的布拉格反 射器層和空隙。在其它實(shí)施例中，布拉格反射器可以包括交替的半導(dǎo)體 材料層，所述半導(dǎo)體材料層相互之間和/或與布拉格反射器被集成在其 中的相應(yīng)第一光波導(dǎo)和第二光波導(dǎo)的材料具有不同的折射率。用于在半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中形成布拉格反射器的反射器層的技術(shù)在美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi) No. 2006/0098705中有所描述，該美國(guó)專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié) 合于此。
在示例性光電二極管1 00, 200， 300, 400中，以水平橋接布置來(lái) 生長(zhǎng)納米線114, 214, 314, 414。然而，在其它實(shí)施例中，4艮據(jù)第一尖 端1 08, 208, 308， 408和第二尖端112, 212, 312, 412的相對(duì)位置， 可以以其它取向來(lái)生長(zhǎng)納米線114, 214, 314和/或414。例如，納米線 114， 214, 314和/或414可以可選地與水平線成4兌角地向上或者向下延 伸，其中第一光波導(dǎo)1 02, 202, 302， 402與第二光波導(dǎo)104， 204, 304, 404彼此垂直間隔開(kāi)，或者納米線114, 214, 314和/或4M可以以橋接 配置垂直延伸。在所圖解說(shuō)明的光電二極管1 00, 200, 300， 400中， 第一尖端1 08, 208, 308, 408 、納米線114， 214, 314, 414以及相應(yīng) 的第二尖端112, 212, 312, 412是共線的。在其它實(shí)施例中，第一尖 端108， 208, 308, 408、第二尖端112， 212， 312， 412以及納米線114,
15214, 314, 414可以位于共同的水平面中，其中第一尖端與相應(yīng)的第二 尖端橫向隔開(kāi)。
在所圖解說(shuō)明的光電二極管100, 200, 300, 400中，為了簡(jiǎn)單起 見(jiàn)示出單個(gè)納米線114， 214, 314, 414。如上所述，所述光電二極管可 以任選地包括多個(gè)納米線以改善光電二極管的外量子效率。光電二極管 1 00, 200, 300和400的實(shí)施例可以包括多于一個(gè)的納米線以用于其中 所得到的器件電容足夠低的應(yīng)用中。例如，光電二極管100， 200, 300 和400的某些實(shí)施例可以包括多個(gè)納米線，諸如兩個(gè)、五個(gè)、十個(gè)或者 更多個(gè)納米線114，所述納米線以橋接配置連接第一光波導(dǎo)102， 202, 302, 402的第一尖端108, 208, 308, 408與第二光波導(dǎo)1 04, 204, 304, 404的第二尖端112， 212, 312, 412。在光電二極管IOO， 200, 300, 400中納米線平行連接。因此，總電容等于納米線的數(shù)量乘以各個(gè)納米 線的電容(各個(gè)納米線的電容通?？梢越葡嗟?。
光電二極管IOO, 200, 300和/或400的納米線114， 214， 314和/ 或414可以是"i，，材料(即，非故意摻雜的或者是本征材料的材料)。 在這樣的實(shí)施例中，在第一端部106， 206, 306, 406以及相應(yīng)的第二 端部IIO， 210, 310， 410與納米線114， 214, 314和/或414之間形成 p-i-n結(jié)。在其它實(shí)施例中，可以任選地在相對(duì)端部用p型和n型摻雜 劑對(duì)納米線U4， 214， 314和/或414進(jìn)行摻雜。
在其它實(shí)施例中，納米線114, 214, 314和/或414可以包括至少 一種元素半導(dǎo)體材料或者至少一種化合物半導(dǎo)體材料?？梢员挥糜谛纬?納米線的示例性半導(dǎo)體材料包括Si、 Ge、 Si-Ge合金；包括至少一種 III-V族半導(dǎo)體材料的化合物半導(dǎo)體材料，所述III-V族半導(dǎo)體材料諸 如二元合金，例如GaP、 GaAs、 InP、 InN、 InAs、 AlAs、 A1N、 BN和石申 化硼B(yǎng)As或者至少一種更高的III-V族合金(諸如AlGaAs、 InAsP、 GalnAs、 GaAlAs、 GaPAs );至少一種II-VI族半導(dǎo)體材料，諸如氧化 鋅(ZnO)和氧化銦(InO);以及這些或者其它半導(dǎo)體材料的組合。
可以4吏用任何合適的生長(zhǎng)技術(shù)來(lái)形成光電二極管100， 200， 300, 400的納米線114, 214, 314, 414。例如在美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi) No. 2006/0097389中描述了生長(zhǎng)納米線的合適方法，所述美國(guó)專利申請(qǐng) 的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于此。例如，可以通過(guò)CVD技術(shù)從單晶或者非 單晶表面生長(zhǎng)納米線。例如T. Kamins的Beyond CMOS Electronics:Self—Assembled Nanostructures, The Electrochemical Society Interface, 2005年春季；和M. Saif Islam, S， Sharma, T.I. Kamins 和R. Stanley Wi11iams的Ultrahigh-Density Silicon Nanobridges Formed Between Two Vertical Silicon Surface, Nanotechnology 15， L5-L8 (2004)描述了使用催化劑生長(zhǎng)技術(shù)的納米橋形成，這兩篇文獻(xiàn)中 的每一篇的全部?jī)?nèi)容都通過(guò)引用結(jié)合于此。在這些技術(shù)中，通過(guò)沉積材 料與在納米線從其生長(zhǎng)的表面上所形成的催化劑納米顆粒的相互作用 來(lái)生長(zhǎng)納米線。納米顆粒可以被直接形成在生長(zhǎng)表面上，或者可以將催 化劑材料沉積(例如通過(guò)物理汽相沉積(PVD )或者CVD )在生長(zhǎng)表面上， 然后對(duì)催化劑材料進(jìn)行退火以形成納米顆粒催化劑。金屬催化劑納米顆 粒例如可以包括Ti、 Au、 Fe、 Co、 Ga及其合金?？梢曰诩{米線組成 來(lái)選擇金屬。在納米線生長(zhǎng)期間，催化劑納米顆?？梢蕴幱谝合嗷蛘吖?相。
B. J. 0hlsson, M. T. Bjork, M. H. Magnusson, K. Deppert和 L. Samuelson 的 Size—， shape—, and position—control led GaAs nano-wh i skers, Appl. Phys. Lett., vol. 79， no. 20， pp. 3335-3337 (2001)(通過(guò)金屬催化生長(zhǎng)技術(shù)在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs納米須)；M. H. H蹈g, S. Mao， H. Feick, H. Yan， Y. Wu, H. Kind, E. Weber, R. Russo 禾口 P. Yang的 Room—Temperature Ultraviolet Nanowire Nanolasers, Science, vol. 292， pp. 1 897-1 899 (2001)(在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)ZnO 纟內(nèi)米線)；S. S. Yi, G. Girolami, J. Adanio, M. Saif Tslam， S. Sharma, T. I. Kamins禾口 I. Kimukin的 InP nanobridges epitaxially formed between two vertical Si surfaces by metal-catalyzed chemical vapor deposition, Appl. Phys. Lett., vol. 89， 133121 (2006)(在 石圭表面上夕卜延生長(zhǎng)InP纟內(nèi)米纟戔)；以及Haoquan Yan, Rongrui He, Justin Johnson, Matthew Law, Richard J. Saykally 和 Peidong Yang 的 Dendritic Nanowire Ultraviolet Laser Array, J. Am. Chem. Soc., vol. 125, no. 16， 4729 (2003)(制造ZnO的4對(duì)枝狀納米線陣列)描述 了用于生長(zhǎng)化合物半導(dǎo)體材料的示例性技術(shù)，以上文獻(xiàn)中的每篇的全部 內(nèi)容都通過(guò)引用結(jié)合于此。
光電二4及管1 00, 200, 300, 400的示例性實(shí)施例可以包括這樣的 納米線114， 214， 314, 414:所述納米線在沿著納米線的給定位置處包括至少一個(gè)受控邊界，該邊界在生長(zhǎng)期間形成以控制該納米線的電子屬
性。該納米線可以包括p區(qū)和n區(qū)從而沿該納米線限定p-n結(jié)以幫助在 該納米線中形成強(qiáng)的內(nèi)建場(chǎng)(built-in field)。例如，納米線114, 214, 314和/或141可以包括p區(qū)和n區(qū)，該p區(qū)鄰近第一光波導(dǎo)1 02, 202, 302, 402的p摻雜或者涂覆有p型材料的第一尖端108， 208, 308， 408,該n區(qū)鄰近第二光波導(dǎo)1 04, 204, 304, 404的n摻雜或者涂覆有 n型材料的第二尖端112, 212， 312, 412。
可以通過(guò)沿納米線順序地沉積不同的半導(dǎo)體材料來(lái)形成納米線異 質(zhì)結(jié)構(gòu)?？梢栽诩{米線的p區(qū)與n區(qū)之間形成具有不同組成的異質(zhì)外延 層。參見(jiàn)例如M. T. Bjork, B. J. Ohlsson， T. Sass, A. I. Persson, C. Thelander, M. H. Magnusson， K. Deppert， L. R. Wallenberg和 L. Samuelson 的 One—dimensiona1 Steeplechase for Electrons Realized, Nano Lett., vol. 2， no. 2, pp. 87-89 (2002)(形成包 含InP段的InAs須)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于此。
可以構(gòu)建上述光電二極管的實(shí)施例來(lái)在各種應(yīng)用中探測(cè)光信號(hào)，所 述各種應(yīng)用諸如消費(fèi)電子學(xué)、光通信、計(jì)算、化學(xué)和生物學(xué)分析以及光 輻射校準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)。光電二極管的實(shí)施例可以被合并到包括其它納米級(jí)部 件的集成系統(tǒng)中。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以以其它特定形式來(lái)體現(xiàn)本發(fā)明而不 脫離本發(fā)明的精神或者實(shí)質(zhì)特性。因此，目前所公開(kāi)的實(shí)施例在所有方 面都應(yīng)被視為是說(shuō)明性的而不是限制性的。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利 要求書(shū)而不是前面的描述來(lái)表明，并且落入本發(fā)明的意義和范圍以及等 同體內(nèi)的所有改變都意欲包含在本發(fā)明的范圍中。
18
權(quán)利要求
1.一種納米線光電二極管(100，200，300，400)，包括包括錐形第一端部(106，206，306，406)的第一光波導(dǎo)(102，202，302，402)，所述第一端部包括第一尖端(108，208，308，408)；包括錐形第二端部(110，210，310，410)的第二光波導(dǎo)(104，204，304，404)，所述第二端部包括與所述第一尖端隔開(kāi)的第二尖端(112，212，312，412)；以及包括至少一種半導(dǎo)體材料的至少一個(gè)納米線(114，214，314，414)，所述納米線以橋接配置連接所述第一尖端和所述第二尖端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線光電二極管，其中 所述納米線具有大約0. 5ym到大約5ym的長(zhǎng)度和大約IO歷到大約5 00nm的直徑；并且所述第一尖端和所述第二尖端具有近似等于所述納米線的直徑的寬 度或者直徑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線光電二極管，其中所述第一尖端包括 p型或者n型半導(dǎo)體材料，而所述第二尖端包括p型或者n型半導(dǎo)體材 料中的另一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的納米線光電二極管，其中所述p型和n型半 導(dǎo)體材料是多晶硅、非晶硅、微晶硅、金剛石或者類金剛石碳。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線光電二極管，其中所述納米線包括至 少一種III-V族化合物半導(dǎo)體材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線光電二極管，進(jìn)一步包括 具有表面(236， 336， 436 )的襯底(230, 330, 430 ); 其中所述第一光波導(dǎo)(202， 302， 402 )被整體制造在所述襯底的表面上或者所述襯底的表面中；并且所述第二光波導(dǎo)(204, 304, 404 )被整體制造在所述襯底的表面上或者所述襯底的表面中；并且其中所述第 一光波導(dǎo)和第二光波導(dǎo)包括與所述襯底的表面相同的材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米線光電二極管，其中 所述襯底的表面以及所述第一光波導(dǎo)和第二光波導(dǎo)包括第二半導(dǎo)體材料；所述笫二半導(dǎo)體材料任選地是非單晶材料； 所述第 一光波導(dǎo)和第二光波導(dǎo)在所述襯底上彼此電隔離； 所述第一尖端包括p型或者n型半導(dǎo)體材料；并且 所述第二尖端包括p型或者n型半導(dǎo)體材料中的另 一種。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米線光電二極管，其中 所述襯底的表面以及所述第一光波導(dǎo)和第二光波導(dǎo)包括介電材料； 所述第一尖端用p型或者n型半導(dǎo)體材料(216)進(jìn)行涂覆；并且 所述第二尖端用p型或者n型半導(dǎo)體材料中的另一種(H8)進(jìn)行涂
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的納米線光電二極管，其中所述納米線光 電二極管具有小于大約1飛法的電容和至少大約為10%的外量子效率。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的納米線光電二極管，其中所述錐形第 一端部和錐形第二端部具有小于大約3°的錐度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的納米線光電二極管，其中 所述第一光波導(dǎo)包括第一布拉格反射器(1 22, 222, 3"， 4"); 所述第二光波導(dǎo)包括第二布拉格反射器(1 24, 224, "4， 4M);并且所述第一和第二布拉格反射器限定包括所述納米線的光腔。
12. —種制造根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的納米線光電二極管的方法， 包括從所述第一光波導(dǎo)的錐形第一端部的第一尖端生長(zhǎng)所述至少一個(gè) 包括至少一種第一半導(dǎo)體材料的納米線，使得所述納米線以橋接配置連接到與所述第一尖端隔開(kāi)的所述第二光波導(dǎo)的錐形第二端部的第二尖二山 * 。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述納米線具有大約0. 5ym到大約5jum的長(zhǎng)度和大約10nm到大約 5 00nm的直徑；并且所述第一尖端和所述第二尖端具有近似等于所述納米線的直徑的寬 度或者直徑。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述至少一種第一半導(dǎo)體材料是至少一種ni-v族化合物半導(dǎo)體材料；所述第一尖端包括p型或者n型半導(dǎo)體材料；所述第二尖端包括p型或者n型半導(dǎo)體材料中的另 一種； 其中所述p型和n型半導(dǎo)體材料是多晶硅、非晶硅、微晶硅、金剛石 或者類金剛石碳；并且 所述方法進(jìn)一步包括在所述第一光波導(dǎo)中形成第一布拉格反射器；并且 在所述第二光波導(dǎo)中形成第二布拉格反射器； 其中所述第一布拉格反射器和第二布拉格反射器限定包括所述 納米線的光腔。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括 將所述第一和第二光波導(dǎo)放置于襯底上；用p型或者n型半導(dǎo)體材料來(lái)對(duì)所述第一尖端進(jìn)行摻雜或者涂覆； 用p型或者n型半導(dǎo)體材料中的另一種來(lái)對(duì)所述第二尖端進(jìn)行摻雜或 者涂覆；并且從所述第一尖端生長(zhǎng)所述納米線以連接到所述第二尖端。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括對(duì)襯底的表面進(jìn)行蝕刻以在所述表面上或者所述表面中形成所述第 一光波導(dǎo)；對(duì)所述襯底的表面進(jìn)行蝕刻以在所述表面上或者所述表面中形成所 述第二光波導(dǎo)；用p型或者n型半導(dǎo)體材料來(lái)對(duì)所述第一尖端進(jìn)行摻雜或者涂覆； 用P型或者n型半導(dǎo)體材料中的另一種來(lái)對(duì)所述第二尖端進(jìn)行摻雜或 者涂^隻；并且從所述第一尖端生長(zhǎng)所述納米線來(lái)以橋接配置連接到所述第二尖端。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中a)所述襯底的表面以及所述第一光波導(dǎo)和第二光波導(dǎo)包括第二半導(dǎo) 體材料；并且所述方法進(jìn)一步包括在所述襯底中形成電隔離區(qū)(330 ，所述電隔 離區(qū)將所述第一光波導(dǎo)和第二光波導(dǎo)彼此電隔離；或者b )所述襯底的表面以及所述第 一光波導(dǎo)和第二光波導(dǎo)包括介電材料 (436 );并且所述方法進(jìn)一步包括用p型或者n型半導(dǎo)體材料來(lái)對(duì)所述第一尖端進(jìn)行涂覆；以及用p型或者n型半導(dǎo)體材料中的另一種來(lái)對(duì)所述第二尖端進(jìn)行涂覆。
全文摘要
公開(kāi)了一種基于納米線的光電二極管(100，200，300，400)。所述光電二極管包括具有錐形第一端部(106，206，306，406)的第一光波導(dǎo)(102，202，302，402)、具有錐形第二端部(110，210，310，410)的第二光波導(dǎo)(104，204，304，404)以及至少一個(gè)包括至少一種半導(dǎo)體材料、以橋接配置連接所述第一端部和第二端部(108，112，208，212，308，312，408，412)的納米線(114，214，314，414)。還公開(kāi)了制作所述光電二極管的方法。
文檔編號(hào)H01L31/10GK101689581SQ200880022465
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者A·布拉特科夫斯基, M·譚, N·科巴亞施, R·S·威廉斯, S·-Y·王 申請(qǐng)人:惠普開(kāi)發(fā)有限公司