CN101689581A - 纳米线光电二极管和制作纳米线光电二极管的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种基于纳米线的光电二极管(100，200，300，400)。所述光电二极管包括具有锥形第一端部(106，206，306，406)的第一光波导(102，202，302，402)、具有锥形第二端部(110，210，310，410)的第二光波导(104，204，304，404)以及至少一个包括至少一种半导体材料、以桥接配置连接所述第一端部和第二端部(108，112，208，212，308，312，408，412)的纳米线(114，214，314，414)。还公开了制作所述光电二极管的方法。

Description

纳米线光电二极管和制作纳米线光电二极管的方法
背景技术
纳米技术和量子信息技术涉及对极小的电子和光学电路的设计。所期望的是提供包括纳米线的纳米级光电子器件，其适合于纳米技术和量子信息技术应用，其中这样的器件提供高效的性能并且能够在生产环境中通过低成本的制造技术来制造。
发明内容
纳米线光电二极管的示例性实施例包括：包括锥形第一端部的第一光波导，所述第一端部包括第一尖端；包括锥形第二端部的第二光波导，所述第二端部包括与所述第一尖端隔开的第二尖端；以及至少一个纳米线，所述纳米线包括至少一种半导体材料，所述纳米线以桥接配置连接所述第一尖端和所述第二尖端。
纳米线光电二极管的另一示例性实施例包括：具有表面的衬底；被整体制造在所述衬底的表面上或者所述衬底的表面中的第一光波导，所述第一光波导包括锥形第一端部，所述第一端部包括第一尖端；被整体制造在所述衬底的表面上或者所述衬底的表面中的第二光波导，所述第二光波导包括锥形第二端部，所述第二端部包括与所述第一尖端隔开的第二尖端；其中所述第一和第二光波导包括与所述衬底的表面相同的材料；以及至少一个纳米线，所述纳米线包括至少一种第一半导体材料，所述纳米线以桥接配置连接所述第一尖端和所述第二尖端。
制造纳米线光电二极管的方法的示例性实施例包括从第一光波导的锥形第一端部的第一尖端生长至少一个包括至少一种第一半导体材料的纳米线，使得所述纳米线以桥接配置连接到与所述第一尖端隔开的第二光波导的锥形第二端部的第二尖端。
附图说明
图1图解说明纳米线光电二极管的示例性实施例。
图2图解说明设置在衬底上的图1的纳米线光电二极管。
图3图解说明整体制造在衬底上的纳米线光电二极管的另一示例性实施例。
图4图解说明整体制造在衬底上的纳米线光电二极管的另一示例性实施例。
具体实施方式
光电二极管被用于将光信号转换为电信号。纳米级光电二极管可期望用于将诸如纳米级发光二极管和激光器之类的其它纳米光子元件与纳米电子器件相集成。纳米线能够被用于载送电信号和光信号并且被用于探测和发射光。然而，对于光探测应用来说，纳米线的极小直径对应于极小的光子吸收截面，这对于实现令人满意的器件灵敏度提出了挑战。能够使用多个纳米线来改善灵敏度，但是该方式牺牲了器件电容。单个纳米线或者仅几个纳米线可期望用于超低电容的光电二极管。
所公开的纳米线光电二极管被构造为以期望的光子探测灵敏度和电容进行操作。光电二极管的实施例能够被用于探测光，而不必还使用用于放大由光电二极管所输出的电信号以补偿光电二极管的(一个或多个)纳米线的小光子吸收截面的部件。
在图1中示出根据示例性实施例的纳米线光电二极管100。光电二极管100包括第一光波导102和第二光波导104。为了简单起见只示出第一光波导102和第二光波导104的一段。第一光波导102包括终止于第一尖端108的锥形第一端部106，而第二光波导104包括终止于第二尖端112的锥形第二端部110。第一尖端108和第二尖端112相互隔开距离D。纳米线114以桥接配置将第一尖端108与第二尖端112连接。纳米线114在光电二极管100中起到探测器和波导的作用。
纳米线114能够从第一尖端108或者第二尖端112生长出来。例如，纳米线114能够从第一尖端108生长出来，并且在第一尖端108与第二尖端112之间持续延伸，并且碰到(impinge on)以及机械地和电学地连接到第二尖端112，以将第一光波导102和第二光波导104直接桥接。纳米线114的端部形成相对的第一尖端和第二尖端112之间的自组装的纳米线连接。
在实施例中，第一端部106和第二端部110是锥形的并且分别具有在通向第一尖端108和第二尖端112的纵向方向上持续减小的相应截面积。第一端部106和第二端部110的锥度(taper)可以变化。该锥度优选是平缓的(the taper is preferably gradual)——诸如小于大约3°、诸如小于大约2°或者小于大约1°的角度——以减小反射。在光电二极管100中，锥形第一端部106和第二端部110提供到(一个或多个)纳米线114的过渡(transition)。
第一光波导102和第二光波导104例如可以是沿主体具有圆形截面并且具有锥形端部的光纤。该光纤例如可以是二氧化硅(silica)光纤、诸如硅光纤(silicon fiber)的半导体光纤、为增益而掺饵的光纤等。光纤的直径在纵向方向上分别沿着第一端部106到第一尖端108以及沿着第二端部110到第二尖端112而减小。在另一实施例中，第一光波导102和第二光波导104具有诸如方形、矩形等的非圆形截面，该截面的大小在第一端部106在通向第一尖端108的方向上减小并且该截面的大小在第二端部110在通向第二尖端112的方向上减小。在实施例中，第一光波导102和第二光波导104通常在锥形第一端部106和锥形第二端部110附近能够具有大约5μm到大约50μm的截面直径或者宽度。第一光波导102和第二光波导104通常可以具有近似相同的截面形状和尺寸。
可以通过使第一端部106和第二端部110产生期望的锥形和尺寸的任何技术来将第一光波导102和第二光波导104锥化。在示例性实施例中，可以将圆柱形的光纤在合适的环境中加热并拉伸(tension)以将该光纤分离成第一光波导102和第二光波导104。拉伸操作还分别使第一光波导102和第二光波导104锥化以形成锥形第一端部106和锥形第二端部110。
在实施例中，p型半导体材料或者n型半导体材料的至少一个层116被涂覆在第一光波导102的第一端部106上，并且p型半导体材料或者n型半导体材料中的另一类型半导体材料的至少一个层118被涂覆在光波导104的第二端部110上。涂层116，118能够如所示那样被施加在整个第一端部106和第二端部110上。可选地，涂层116，118可以只被施加在第一端部106和第二端部110的侧面上，或者基本上只被施加在第一尖端108和第二尖端112上。在制造纳米线114之前将涂层116，118形成在第一端部106和第二端部110上。
涂层116，118可以包括具有合适的物理特性以使得纳米线114能够从第一尖端108或者第二尖端112生长的任何材料，并且涂层116，118能够提供期望的电学特性。涂层材料可以是例如单晶硅的单晶材料；或者非单晶材料，诸如多晶硅、非晶硅、微晶硅、蓝宝石或碳基无机材料(诸如金刚石和类金刚石碳)。涂层116，118中的每一个都能够被掺杂到有效地在光电二极管100中提供所期望的电学特性的掺杂水平。
能够通过任何合适的技术使涂层116，118外延生长或者非晶沉积在第一光波导102和第二光波导104上。用于施加涂层的示例性技术包括分子束外延(MBE)、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、化学汽相沉积(CVD)以及等离子体增强型CVD(PECVD)。
在另一示例性实施例中，第一光波导102的第一端部106的至少一部分能够用p型半导体材料或者n型半导体材料进行掺杂，而第二光波导104的第二端部110的至少一部分能够用p型半导体材料或者n型半导体材料中的另一种半导体材料进行掺杂。
能够由发射在期望波长区域内的光的光源将光发射到第一光波导102或者第二光波导104中。图1描绘了被发射到第一光波导102中的光信号λ。例如，根据光电二极管100的应用，光可以在大约0.6μm到大约1.6μm的范围内，诸如在大约0.75μm到大约1.6μm的范围内，例如在大约0.780μm或者大约1.55μm。本文所述的光电二极管的其它示例性实施例也能够以这样的波长操作。
可以使用诸如GaN、AlGaAs、InGaAs、GaAlSb、InP、InGaAsP等之类的III-V族化合物半导体材料来构建示例性光源。该光源可以是耦合到第一光波导102(或者第二光波导104)的外部光源。可选地，该光源可以是包括光电二极管100以及任选地附加电子部件和/或光电子部件的集成系统的部件。
第一光波导102和第二光波导104能够分别经由电接触和引线120，121而电连接到电源。在示例性实施例中，能够由透明的铟锡氧化物(ITO)来制造电接触，该铟锡氧化物(ITO)与第一端部106和第二端部110的n型和p型部分接触并且连接到诸如共面线之类的高速电传输线，其中电信号传播到适当的信号处理集成电路。该电源用于产生反向偏压(reverse bias)。
在光电二极管100中，将由第一光波导102或者第二光波导104所载送的光信号的光能耦合到纳米线114的小截面积中的问题通过锥化第一光波导102和第二光波导104使得由第一光波导102或者第二光波导104所载送的光信号的光场被强加到纳米线114上来解决。通过分别锥化第一光波导102和第二光波导104的第一端部106和第二端部110以与纳米线114的相对端部耦合，光场的峰值强度能够被集中到纳米线114上从而增加光电二极管100的光转换效率。另外，沿纳米线114的长度传播的光由于该光被纳米线吸收而有所衰减。因为该光的能量高于纳米线114的带隙，所以生成电子空穴对。通过施加反向偏压来清除载流子，从而在外部电路中生成电流。为了在几十GHz的范围内进行操作，纳米线的长度通常是大约1μm到大约5μm。光电二极管100的速度主要受到被反向偏压清除出纳米线114的载流子的传输(即清除时间(sweep-out time))的限制。
在另一示例性实施例中，纳米线114能够形成为具有邻近中间部分的锥形端部部分。本文所述的光电二极管的其它示例性实施例可以包括一个或者多个纳米线，所述纳米线包括这样的锥形部分和中间部分。
如图1所示，光电二极管100可以任选地包括第一光波导102中的第一布拉格反射器122和第二光波导104中的第二布拉格反射器124。第一布拉格反射器122、纳米线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过纳米线114期间未被纳米线114吸收的光子，由此增加光电二极管100的光转换效率。
本文所述的光电二极管的实施例能够以非常低的电容进行操作。纳米线114的电容能够由等式C＝ε·A/d进行一阶表示；其中ε是纳米线114的介电常数，A是纳米线114的截面积，并且d是纳米线114的长度(其通常近似等于D)。通过减小A和/或增加d而减小光电二极管100的电容C。第一光波导102的第一尖端108和第二光波导104的第二尖端112被优选锥化为与纳米线114具有同样的截面积以增强光电二极管100的光耦合效率。
在示例性实施例中，纳米线114可以具有大约10nm到大约500nm的直径(诸如大约10nm、20nm、50nm、100nm、200nm或者500nm)和大约0.5μm到大约5μm的长度(诸如大约0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm或者5μm)。在本文所述的光电二极管的其它示例性实施例中所提供的纳米线也可以具有这样的尺寸。如上所述，纳米线114的直径(截面)和长度每个都能够被显著改变以显著减小光电二极管100的电容。优选地，光电二极管100的实施例可以具有小于大约1飞法[fF](1×10-15F)的电容，诸如小于大约0.5fF、大约0.1fF或者大约0.01fF(即10阿法[aF])。光电二极管100的电容主要来自边缘电容。第一光波导102和第二光波导104的锥化显著减小了光电二极管100的边缘电容。
光电二极管100的低电容允许其输出大电压。也就是说，电容C也能够被定义为等式Q＝CV中的比例常数，其中Q是电容器的“板”上的电荷，而V是电容器的“板”之间的电压差。于是，减小电容C就增大电压V。光电二极管100的大输出电压允许其在不需要包括附加部件来对电信号进行后置放大的情况下探测到低光级。光电二极管100允许使用简化电路并且减少了功耗。
光电二极管100的实施例能够提供期望高的外量子效率(EQE)，该外量子效率(EQE)是对光电二极管能够多么有效地将光转换为电的量度。EQE能够被定义为每单位时间由光电二极管所生成的电子数与每单位时间进入的光子数的比值。光电二极管100的实施例预期将提供至少大约为10％的EQE，诸如至少大约20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或者90％。对于包括单个纳米线114的光电二极管100的实施例来说，预期EQE至少为10％。根据器件的期望电容，光电二极管100的其它示例性实施例可以包括多于一个纳米线114，诸如两个、五个、十个或者更多个纳米线114。对于包括多个纳米线114(例如2到10个纳米线)的光电二极管100的实施例来说，预期EQE高于单个纳米线实施例的EQE，诸如高达大约90％。同样预期根据本文所述光电二极管的其它示例性实施例的光电二极管——其也可以包括一个或多个纳米线——能提供在大约10％到大约90％范围内的EQE值。
图2所示的光电二极管200的示例性实施例包括设置在衬底230上的第一光波导202和第二光波导204。光电二极管200例如可以与光电二极管100具有相同的结构并且可以由与光电二极管100相同的材料形成。在实施例中，第一光波导200包括终止于第一尖端208的锥形第一端部206，而第二光波导204包括终止于第二尖端212的锥形第二端部210，其中该第二尖端212与第一尖端208隔开。纳米线214以桥接配置将第一尖端208与第二尖端212连接。根据器件的期望电容以及期望的EQE，光电二极管200的实施例可以包括多于一个纳米线214，诸如两个、五个、十个或者更多个纳米线214。
衬底230可以包括任何合适的材料，诸如硅或者化合物半导体材料。例如，衬底230可以包括具有大约300mm直径的硅晶片或者具有大约75mm到大约100mm直径的III-V族半导体材料(诸如GaAs)。
衬底230包括形成在表面236中的凹槽232。第一光波导202和第二光波导204被定位在凹槽232中。凹槽232能够具有使得第一光波导202和第二光波导204在表面236上方部分延伸的深度。可以使用V型凹槽来容纳二氧化硅光纤。例如，第一光波导202和第二光波导204能够被金属结合到凹槽232，或者能够通过玻璃-硅结合来结合。金属结合还能够被用于到光电二极管200的电接触。能够通过激光烧蚀、光光学刻蚀(photolithography)以及蚀刻等在衬底230的表面236中形成凹槽232。
在示例性实施例中，通过如下步骤来制作光电二极管200：将第一光波导202和第二光波导204(在锥化之后)放置于凹槽232中，其中第一尖端208与第二尖端212隔开期望的距离；分别在第一端部206和第二端部210上形成涂层216，218(或者可选地对第一端部206和第二端部210进行掺杂)；以及然后生长纳米线214来以桥接配置将第一尖端208连接到第二尖端212。
在实施例中，能够分别经由接触和引线220，221将第一光波导202和第二光波导204电连接到电源以产生反向偏压。
图3描绘了根据另一示例性实施例的光电二极管300。在该实施例中，第一光波导302和第二光波导304被整体形成在衬底330的表面336上，使得第一光波导302和第二光波导304在表面336上方突出。在实施例中，第一光波导302和第二光波导304被直接制造在表面336上，并且包括与表面336相同的半导体材料。
在光电二极管300的其它实施例中，为了平坦化的目的，所述光波导能够作为埋入式波导形成在衬底的表面336中。
如图所示，第一光波导302和第二光波导304能够具有矩形或者方形截面。在所图解说明的实施例中，第一光波导302包括具有第一尖端308的锥形第一端部306，而第二光波导304包括具有第二尖端312的锥形第二端部310。纳米线314以桥接配置连接第一尖端306与第二尖端312。
能够通过光学刻蚀技术将第一光波导302和第二光波导304制造在衬底330上。能够通过包括光压印(photo-imprinting)或纳米压印的光刻(lithographic)技术来产生锥形部分。用于近红外传输的波导通常在分别靠近锥形端部306和锥形端部310的部分中可以具有大约1μm到大约10μm的宽度尺寸和大约1μm到大约10μm的高度。可以以小于大约3°的角度(诸如小于大约2°或者小于大约1°)使波导逐渐锥化。例如使用纳米压印光刻，能够在第一光波导302和第二光波导304的锥形部分上形成具有大约10nm那样小或者更小尺寸的尖端。第一光波导302的第一尖端308的宽度和第二光波导304的第二尖端312的宽度优选近似等于纳米线314的直径以增强光耦合效率。在光电二极管300中，(一个或者多个)纳米线314通常可以具有大约10nm到大约500nm的直径以及大约0.5μm到大约5μm的长度。
在实施例中，衬底330可以是晶体材料或者非晶体材料。衬底330可以包括例如Si、Ge、Si-Ge合金或者诸如GaAs或者InP之类的III-V族半导体材料。衬底330、第一光波导302和第二光波导304可以包括单片的块状(bulk)半导体材料。该块状半导体材料例如可以是单晶硅晶片，在其中或者在其上制造光电二极管300。
第一光波导302可以包括p型或者n型半导体材料，而第二光波导304可以包括p型或者n型半导体材料中的另一种。在另一实施例中，第一光波导302的第一端部306的至少一部分能够用p型或者n型半导体材料进行涂覆或者掺杂，而第二光波导304的第二端部310的至少一部分能够用p型或者n型半导体材料中的另一种进行涂覆或者掺杂。
在实施例中，在衬底330中形成电绝缘体区334以使第一光波导302和第二光波导304的p型和n型材料电隔离从而使得电流能够流过纳米线314而不会在衬底330内电短路。例如，可以通过在衬底330中在第一光波导302与第二光波导304之间离子注入绝缘体材料而在衬底330中形成电绝缘体区334。
在实施例中，分别经由接触和引线320，321将第一光波导302和第二光波导304电连接到电源。该电源用于产生反向偏压。
可以在衬底330上和/或在衬底330中制造附加的光电子元件和/或电子元件以产生集成系统。例如，诸如正向偏置的纳米线激光器之类的发光器件能够使用类似技术来制造并且也被提供在衬底330上。
图4描绘了根据另一示例性实施例的光电二极管400。在该实施例中，至少衬底430的表面436包括诸如SiO2或者氮化物材料之类的介电材料，并且第一光波导402和第二光波导404被整体制造在该介电材料上并且在表面436上方突出。例如，第一光波导402和第二光波导404能够具有与光电二极管300的第一光波导302和第二光波导304相同的配置，如图所示。衬底430的表面436例如可以包括生长在硅衬底(例如(111)硅晶片)上的SiO2。如图所示，第一光波导402和第二光波导404具有示例性的矩形或者方形截面。分别地，第一光波导402包括具有第一尖端408的锥形第一端部406而第二光波导包括具有第二尖端412的锥形第二端部410。纳米线414以桥接配置连接第一尖端408与第二尖端412。在其它实施例中，所述波导能够作为埋入式波导形成在表面436中。
能够通过用于介电材料的光学刻蚀技术来在衬底430上制造第一光波导402和第二光波导404。如上所述，能够使用纳米压印光刻来形成具有大约10nm那样小或者更小宽度尺寸的尖端。能够以小于大约3°的角度(诸如小于大约2°或者小于大约1°)使波导逐渐锥化。第一光波导402和第二光波导404可以在靠近第一端部406和第二端部410的部分处具有大约1μm到大约10μm的宽度尺寸和大约1μm到大约10μm的高度。第一光波导402的第一尖端408和第二光波导404的第二尖端412的宽度优选近似等于纳米线414的直径以增强光耦合效率。在光电二极管400中，(一个或者多个)纳米线414例如可以具有大约10nm到大约500nm的直径和大约0.5μm到大约5μm的长度。
在光电二极管400中，第一光波导402和第二光波导404在纳米线414连接到的选定位置处被涂覆有半导体材料。例如，第一端部406可以具有p型或者n型单晶或者非单晶半导体材料的涂层416，而第二端部410可以具有p型或者n型单晶或者非单晶半导体材料中的另一种的涂层418。该涂层能够覆盖第一端部406和第二端部410的整个部分或仅选定部分。分别在第一端部406和第二端部410上所形成的涂层416，418具有选定的、在光电二极管400中提供期望电学特性的掺杂水平。
可以使用诸如MBE、MOCVD、CVD和PECVD之类的任何合适的技术来在第一光波导402和第二光波导404上外延生长涂层416，418。
在实施例中，可以分别经由接触和引线420，421将第一光波导402和第二光波导404电连接到电源以产生反向偏压。
能够在衬底430上和/或在衬底430中制造附加的光电子元件和/或电子元件以产生集成系统。例如，诸如正向偏置的纳米线激光器之类的发光器件能够使用类似技术来制造并且也被提供在衬底430上。
在另一实施例中，可以在包括非单晶材料(例如玻璃)的衬底的表面上制造光电二极管。例如可以使用产生具有间隔布置的二氧化硅平面波导层的方法来在玻璃上制造二氧化硅层。波导被处理为具有合适的锥形。然后，可以用诸如掺杂p型或者n型的非晶或者多晶Si或者硅化物之类的合适材料来涂覆二氧化硅波导，并且可以在锥形p型与n型部分或硅化物锥形之间以桥接配置来生长一个或者多个纳米线。
如图3和4所示，光电二极管300，400包括在第一光波导302，402中制造的任选第一布拉格反射器322，422以及在第二光波导304，404中制造的任选第二布拉格反射器324，424。第一布拉格反射器322，422和第二布拉格反射器324，424反射在光子第一次穿过纳米线314，414时未被纳米线314，414吸收的光子。在一些实施例中，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层和空隙。在其它实施例中，布拉格反射器可以包括交替的半导体材料层，所述半导体材料层相互之间和/或与布拉格反射器被集成在其中的相应第一光波导和第二光波导的材料具有不同的折射率。用于在半导体结构中形成布拉格反射器的反射器层的技术在美国专利申请公开No.2006/0098705中有所描述，该美国专利申请的全部内容通过引用结合于此。
在示例性光电二极管100，200，300，400中，以水平桥接布置来生长纳米线114，214，314，414。然而，在其它实施例中，根据第一尖端108，208，308，408和第二尖端112，212，312，412的相对位置，可以以其它取向来生长纳米线114，214，314和/或414。例如，纳米线114，214，314和/或414可以可选地与水平线成锐角地向上或者向下延伸，其中第一光波导102，202，302，402与第二光波导104，204，304，404彼此垂直间隔开，或者纳米线114，214，314和/或414可以以桥接配置垂直延伸。在所图解说明的光电二极管100，200，300，400中，第一尖端108，208，308，408、纳米线114，214，314，414以及相应的第二尖端112，212，312，412是共线的。在其它实施例中，第一尖端108，208，308，408、第二尖端112，212，312，412以及纳米线114，214，314，414可以位于共同的水平面中，其中第一尖端与相应的第二尖端横向隔开。
在所图解说明的光电二极管100，200，300，400中，为了简单起见示出单个纳米线114，214，314，414。如上所述，所述光电二极管可以任选地包括多个纳米线以改善光电二极管的外量子效率。光电二极管100，200，300和400的实施例可以包括多于一个的纳米线以用于其中所得到的器件电容足够低的应用中。例如，光电二极管100，200，300和400的某些实施例可以包括多个纳米线，诸如两个、五个、十个或者更多个纳米线114，所述纳米线以桥接配置连接第一光波导102，202，302，402的第一尖端108，208，308，408与第二光波导104，204，304，404的第二尖端112，212，312，412。在光电二极管100，200，300，400中纳米线平行连接。因此，总电容等于纳米线的数量乘以各个纳米线的电容(各个纳米线的电容通常可以近似相等)。
光电二极管100，200，300和/或400的纳米线114，214，314和/或414可以是“i”材料(即，非故意掺杂的或者是本征材料的材料)。在这样的实施例中，在第一端部106，206，306，406以及相应的第二端部110，210，310，410与纳米线114，214，314和/或414之间形成p-i-n结。在其它实施例中，可以任选地在相对端部用p型和n型掺杂剂对纳米线114，214，314和/或414进行掺杂。
在其它实施例中，纳米线114，214，314和/或414可以包括至少一种元素半导体材料或者至少一种化合物半导体材料。可以被用于形成纳米线的示例性半导体材料包括：Si、Ge、Si-Ge合金；包括至少一种III-V族半导体材料的化合物半导体材料，所述III-V族半导体材料诸如二元合金，例如GaP、GaAs、InP、InN、InAs、AlAs、AlN、BN和砷化硼BAs或者至少一种更高的III-V族合金(诸如AlGaAs、InAsP、GaInAs、GaAlAs、GaPAs)；至少一种II-VI族半导体材料，诸如氧化锌(ZnO)和氧化铟(InO)；以及这些或者其它半导体材料的组合。
可以使用任何合适的生长技术来形成光电二极管100，200，300，400的纳米线114，214，314，414。例如在美国专利申请公开No.2006/0097389中描述了生长纳米线的合适方法，所述美国专利申请的全部内容通过引用结合于此。例如，可以通过CVD技术从单晶或者非单晶表面生长纳米线。例如T.Kamins的Beyond CMOS Electronics：Self-Assembled Nanostructures，The Electrochemical SocietyInterface，2005年春季；和M.Saif Islam，S，Sharma，T.I.Kamins和R.Stanley Williams的Ultrahigh-Density Silicon NanobridgesFormed Between Two Vertical Silicon Surface，Nanotechnology 15，L5-L8(2004)描述了使用催化剂生长技术的纳米桥形成，这两篇文献中的每一篇的全部内容都通过引用结合于此。在这些技术中，通过沉积材料与在纳米线从其生长的表面上所形成的催化剂纳米颗粒的相互作用来生长纳米线。纳米颗粒可以被直接形成在生长表面上，或者可以将催化剂材料沉积(例如通过物理汽相沉积(PVD)或者CVD)在生长表面上，然后对催化剂材料进行退火以形成纳米颗粒催化剂。金属催化剂纳米颗粒例如可以包括Ti、Au、Fe、Co、Ga及其合金。可以基于纳米线组成来选择金属。在纳米线生长期间，催化剂纳米颗粒可以处于液相或者固相。
B.J.Ohlsson，M.T.Bjork，M.H.Magnusson，K.Deppert和L.Samuelson的Size-，shape-，and position-controlled GaAsnano-whiskers，Appl.Phys.Lett.，vol.79，no.20，pp.3335-3337(2001)(通过金属催化生长技术在GaAs衬底上生长GaAs纳米须)；M.H.Huang，S.Mao，H.Feick，H.Yan，Y.Wu，H.Kind，E.Weber，R.Russo和P.Yang的Room-Temperature Ultraviolet Nanowire Nanolasers，Science，vol.292，pp.1897-1899(2001)(在蓝宝石衬底上生长ZnO纳米线)；S.S.Yi，G.Girolami，J.Adamo，M.Saif Islam，S.Sharma，T.I.Kamins和I.Kimukin的InP nanobridges epitaxially formedbetween two vertical Si surfaces by metal-catal yzed chemicalvapor deposition，Appl.Phys.Lett.，vol.89，133121(2006)(在硅表面上外延生长InP纳米线)；以及Haoquan Yan，Rongrui He，JustinJohnson，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的树枝状纳米线阵列)描述了用于生长化合物半导体材料的示例性技术，以上文献中的每篇的全部内容都通过引用结合于此。
光电二极管100，200，300，400的示例性实施例可以包括这样的纳米线114，214，314，414：所述纳米线在沿着纳米线的给定位置处包括至少一个受控边界，该边界在生长期间形成以控制该纳米线的电子属性。该纳米线可以包括p区和n区从而沿该纳米线限定p-n结以帮助在该纳米线中形成强的内建场(built-in field)。例如，纳米线114，214，314和/或141可以包括p区和n区，该p区邻近第一光波导102，202，302，402的p掺杂或者涂覆有p型材料的第一尖端108，208，308，408，该n区邻近第二光波导104，204，304，404的n掺杂或者涂覆有n型材料的第二尖端112，212，312，412。
可以通过沿纳米线顺序地沉积不同的半导体材料来形成纳米线异质结构。可以在纳米线的p区与n区之间形成具有不同组成的异质外延层。参见例如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-dimensional Steeplechase for ElectronsRealized，Nano Lett.，vol.2，no.2，pp.87-89(2002)(形成包含InP段的InAs须)，其全部内容通过引用结合于此。
可以构建上述光电二极管的实施例来在各种应用中探测光信号，所述各种应用诸如消费电子学、光通信、计算、化学和生物学分析以及光辐射校准和监测。光电二极管的实施例可以被合并到包括其它纳米级部件的集成系统中。
本领域技术人员应该理解，可以以其它特定形式来体现本发明而不脱离本发明的精神或者实质特性。因此，目前所公开的实施例在所有方面都应被视为是说明性的而不是限制性的。本发明的范围由所附的权利要求书而不是前面的描述来表明，并且落入本发明的意义和范围以及等同体内的所有改变都意欲包含在本发明的范围中。

Claims (17)

1.一种纳米线光电二极管(100，200，300，400)，包括：
包括锥形第一端部(106，206，306，406)的第一光波导(102，202，302，402)，所述第一端部包括第一尖端(108，208，308，408)；
包括锥形第二端部(110，210，310，410)的第二光波导(104，204，304，404)，所述第二端部包括与所述第一尖端隔开的第二尖端(112，212，312，412)；以及
包括至少一种半导体材料的至少一个纳米线(114，214，314，414)，所述纳米线以桥接配置连接所述第一尖端和所述第二尖端。
2.根据权利要求1所述的纳米线光电二极管，其中：
所述纳米线具有大约0.5μm到大约5μm的长度和大约10nm到大约500nm的直径；并且
所述第一尖端和所述第二尖端具有近似等于所述纳米线的直径的宽度或者直径。
3.根据权利要求1所述的纳米线光电二极管，其中所述第一尖端包括p型或者n型半导体材料，而所述第二尖端包括p型或者n型半导体材料中的另一种。
4.根据权利要求3所述的纳米线光电二极管，其中所述p型和n型半导体材料是多晶硅、非晶硅、微晶硅、金刚石或者类金刚石碳。
5.根据权利要求1所述的纳米线光电二极管，其中所述纳米线包括至少一种III-V族化合物半导体材料。
6.根据权利要求1所述的纳米线光电二极管，进一步包括：
具有表面(236，336，436)的衬底(230，330，430)；
其中所述第一光波导(202，302，402)被整体制造在所述衬底的表面上或者所述衬底的表面中；
并且所述第二光波导(204，304，404)被整体制造在所述衬底的表面上或者所述衬底的表面中；并且
其中所述第一光波导和第二光波导包括与所述衬底的表面相同的材料。
7.根据权利要求6所述的纳米线光电二极管，其中：
所述衬底的表面以及所述第一光波导和第二光波导包括第二半导体材料；
所述第二半导体材料任选地是非单晶材料；
所述第一光波导和第二光波导在所述衬底上彼此电隔离；
所述第一尖端包括p型或者n型半导体材料；并且
所述第二尖端包括p型或者n型半导体材料中的另一种。
8.根据权利要求6所述的纳米线光电二极管，其中：
所述衬底的表面以及所述第一光波导和第二光波导包括介电材料；
所述第一尖端用p型或者n型半导体材料(216)进行涂覆；并且
所述第二尖端用p型或者n型半导体材料中的另一种(218)进行涂覆。
9.根据权利要求1或6所述的纳米线光电二极管，其中所述纳米线光电二极管具有小于大约1飞法的电容和至少大约为10％的外量子效率。
10.根据权利要求1或6所述的纳米线光电二极管，其中所述锥形第一端部和锥形第二端部具有小于大约3°的锥度。
11.根据权利要求1或6所述的纳米线光电二极管，其中：
所述第一光波导包括第一布拉格反射器(122，222，322，422)；
所述第二光波导包括第二布拉格反射器(124，224，424，424)；并且
所述第一和第二布拉格反射器限定包括所述纳米线的光腔。
12.一种制造根据权利要求1或6所述的纳米线光电二极管的方法，包括从所述第一光波导的锥形第一端部的第一尖端生长所述至少一个包括至少一种第一半导体材料的纳米线，使得所述纳米线以桥接配置连接到与所述第一尖端隔开的所述第二光波导的锥形第二端部的第二尖端。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述纳米线具有大约0.5μm到大约5μm的长度和大约10nm到大约500nm的直径；并且
所述第一尖端和所述第二尖端具有近似等于所述纳米线的直径的宽度或者直径。
14.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述至少一种第一半导体材料是至少一种III-V族化合物半导体材料；
所述第一尖端包括p型或者n型半导体材料；
所述第二尖端包括p型或者n型半导体材料中的另一种；
其中所述p型和n型半导体材料是多晶硅、非晶硅、微晶硅、金刚石或者类金刚石碳；并且
所述方法进一步包括：
在所述第一光波导中形成第一布拉格反射器；并且
在所述第二光波导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纳米线的光腔。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
将所述第一和第二光波导放置于衬底上；
用p型或者n型半导体材料来对所述第一尖端进行掺杂或者涂覆；
用p型或者n型半导体材料中的另一种来对所述第二尖端进行掺杂或者涂覆；并且
从所述第一尖端生长所述纳米线以连接到所述第二尖端。
16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
对衬底的表面进行蚀刻以在所述表面上或者所述表面中形成所述第一光波导；
对所述衬底的表面进行蚀刻以在所述表面上或者所述表面中形成所述第二光波导；
用p型或者n型半导体材料来对所述第一尖端进行掺杂或者涂覆；
用p型或者n型半导体材料中的另一种来对所述第二尖端进行掺杂或者涂覆；并且
从所述第一尖端生长所述纳米线来以桥接配置连接到所述第二尖端。
17.根据权利要求16所述的方法，其中：
a)所述衬底的表面以及所述第一光波导和第二光波导包括第二半导体材料；并且
所述方法进一步包括在所述衬底中形成电隔离区(334)，所述电隔离区将所述第一光波导和第二光波导彼此电隔离；或者
b)所述衬底的表面以及所述第一光波导和第二光波导包括介电材料(436)；并且
所述方法进一步包括：
用p型或者n型半导体材料来对所述第一尖端进行涂覆；以及
用p型或者n型半导体材料中的另一种来对所述第二尖端进行涂覆。
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