DE112008001009T5 - Auf Nanodraht basierende, optoelektronische Bauelemente - Google Patents

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Abstract

Ein auf Nanodraht basierendes, optoelektronisches Bauelement (200), das folgende Merkmale aufweist:
zumindest eine erste Oberfläche (210) eines einkristallinen oder nichteinkristallinen Materials;
zumindest eine zweite Oberfläche (212) eines einkristallinen oder nichteinkristallinen Materials, wobei jede zweite Oberfläche elektrisch von einer entsprechenden ersten Oberfläche isoliert ist; und
zumindest einen ersten Nanodraht (214), der zumindest ein gegenüberliegendes erstes Paar der ersten und zweiten Oberfläche in einer Überbrückungskonfiguration verbindet, wobei der erste Nanodraht aus der ersten und der zweiten Oberfläche gewachsen ist und eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche des ersten Paars der ersten und zweiten Oberflächen bildet.

Description

  • Hintergrund
  • Nanotechnik und Quanteninformationstechnik umfassen den Entwurf von extrem kleinen, elektronischen und optischen Schaltungen, die auf Molekularebene gebaut sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen, optoelektronischen Schaltungen, die durch „von oben nach unten”-Herstellungstechniken gebildet werden, verwendet die Nanotechnik „von unten nach oben”-Techniken, um Bauelemente durch Hinzufügen von Material aufwärts zu bauen. Zum Beispiel können Nanodrähte verwendet werden, um elektrische und optische Signale zu tragen. Die Quanteninformationstechnik kann Lichtpartikel oder Photonen verwenden, um Informationen zu übermitteln. Es wäre wünschenswert, optoelektronische Bauelemente auf Nanometerskala zu liefern, die Nanodrähte für Quanteninformationstechnikanwendungen umfassen, wobei solche Bauelemente durch kostengünstige Herstellungstechniken in einer Herstellungsumgebung hergestellt werden können.
  • Zusammenfassung
  • Ein exemplarisches Bauelement eines auf Nanodraht basierenden, optoelektronischen Bauelements weist zumindest eine erste Oberfläche eines einkristallinen oder eines nicht einkristallinen Materials auf; zumindest eine zweite Oberfläche eines einkristallinen oder eines nicht einkristallinen Materials, wobei jede zweite Oberfläche elektrisch von einer entsprechenden ersten Oberfläche isoliert ist; und zumindest einen ersten Nanodraht, der zumindest ein gegenüberliegendes erstes Paar der ersten und zweiten Oberfläche in einer Brückenkonfiguration verbindet, wobei der erste Nanodraht aus entweder der ersten oder der zweiten Oberfläche wächst und eine Verbindung zwischen der ersten und zweiten Oberfläche des ersten Paars der ersten und zweiten Oberflächen herstellt.
  • Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines optischen Halbleiterverstärkers mit fester Verstärkung weist zumindest eine erste Oberfläche auf; zumindest eine zweite Oberfläche, wobei jede zweite Oberfläche einer entsprechenden ersten Oberfläche zugewandt ist und von derselben isoliert ist; eine Mehrzahl von Nanodrähten, die jedes gegenüberliegende Paar der ersten und der zweiten Oberfläche in einer Überbrückungskonfiguration verbin den; und einen Signalwellenleiter, der die Nanodrähte derart überlappt, dass ein optisches Signal, das sich entlang des Signalwellenleiters bewegt, durch Energie verstärkt wird, die durch elektrische Erregung der Nanodrähte geliefert wird.
  • Ein anderes, exemplarisches Ausführungsbeispiel eines auf Nanodraht basierenden, optoelektronischen Bauelements weist eine erste, horizontale Oberfläche auf; eine zweite, horizontale Oberfläche, die elektrisch von der ersten, horizontalen Oberfläche isoliert und derselben zugewandt ist; zumindest einen vertikalen Nanodraht, der die erste und die zweite, horizontale Oberfläche in einer Überbrückungskonfiguration verbindet, wobei der vertikale Nanodraht (i) entweder aus der ersten oder aus der zweiten horizontalen Oberfläche wachst oder (ii) wachst aus und eine Verbindung bildet zwischen der ersten und der zweiten horizontalen Oberfläche; eine erste vertikale Oberfläche; eine zweite vertikale Oberfläche, die elektrisch von der ersten vertikalen Oberfläche isoliert ist und derselben zugewandt ist; und zumindest einen horizontalen Nanodraht, der die erste und die zweite, vertikale Oberfläche in einer Überbrückungskonfiguration verbindet, wobei der horizontale Nanodraht (i) entweder aus der ersten oder der zweiten vertikalen Oberfläche wachst oder (ii) aus der ersten oder der zweiten vertikalen Oberfläche wachst und eine Verbindung zwischen denselben bildet; wobei die horizontalen Nanodrähte und die vertikalen Nanodrähte selektiv elektrisch erregbar sind, um eine horizontale bzw. vertikale Polarisation zu liefern.
  • Zeichnungen
  • 1 stellt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Nanodrahtlasers dar, der Nanodrähte umfasst, die gegenüberliegende Oberflächen in einer Überbrückungskonfiguration verbinden.
  • 2 stellt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Nanodrahtphotodetektors dar, der Nanodrähte umfasst, die gegenüberliegende Oberflächen in einer Überbrückungskonfiguration verbinden, in der die Nanodrähte eine Verbindung zwischen den Oberflächen bilden.
  • 3 stellt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines auf Nanodraht basierenden optischen Halbleiterverstärkers dar.
  • 4 stellt eine Grundstruktur und ein Operationsprinzip eines anderen Ausführungsbeispiels eines auf Nanodraht basierenden, optoelektronischen Bauelements dar.
  • 5A ist eine perspektivische Ansicht eines anderen, exemplarischen Ausführungsbeispiels eines auf Nanodraht basierenden, optoelektronischen Bauelements.
  • 5B ist eine Seitenansicht des auf Nanodraht basierenden, optoelektronischen Bauelements, das in 5A gezeigt ist.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Auf Nanodraht basierende, optoelektronische Bauelemente, die Laser, Photodetektoren und optische Halbleiterverstärker (SOAs; semiconductor optical amplifiers) umfassen, sind offenbart. Polarisationsabhängige Laser und polarisationserfassende Photodetektoren sind ebenfalls offenbart. Exemplarische Ausführungsbeispiele der Laser können betrieben werden, um Licht über einen breiten Bereich von ungefähr 300 nm bis mehr als 1.500 nm zu emittieren.
  • Ein elektrisch getriebener Nanodrahtlaser 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist in 1 gezeigt. Der Nanodrahtlaser 100 weist erste Vorsprünge 102 und gegenüberliegende, zweite Vorsprünge 104 auf, die auf einer Oberfläche 106 eines Substrats 108 angeordnet sind. Die ersten Vorsprünge 102 umfassen jeweils eine erste Oberfläche 110 und die zweiten Vorsprünge 104 umfassen jeweils eine zweite Oberfläche 112, die einer entsprechenden einen der ersten Oberflächen 110 zugewandt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die ersten Oberflächen 110 und die zweiten Oberflächen 112 vertikale Oberflächen, die parallel zueinander sein können. Einer oder mehrere Nanodrähte 114 (z. B. ein Array aus Nanodrähten) erstreckt sich horizontal zwischen gegenüberliegenden Paaren der ersten Vorsprünge 102 und der zweiten Vorsprünge 104 und verbindet die ersten Oberflächen 110 und die zweiten Oberflächen 112 in einer Überbrückungskonfiguration. Bei diesem Ausführungsbeispiel wachsen die individuellen Nanodrähte 114 aus einer der ersten Oberflächen 110 und der zweiten Oberflächen 112 und erstrecken sich durchgehend zwischen den gegenüberliegenden ersten Oberflächen 110 und zweiten Oberflächen 112. Der dargestellte Nanodrahtlaser 100 weist drei Paare aus ersten Vorsprüngen 102 und zweiten Vorsprüngen 104 auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Nanodrahtlaser 100 weniger als drei oder mehr als drei Paare aus ersten Vorsprüngen 102 und zweiten Vorsprüngen 104 aufweisen, wie z. B. zehn bis mehrere Hundert oder mehr.
  • Wie in 1 gezeigt ist, weisen die ersten Vorsprünge 102 eine erste Schicht 116, die auf der Oberfläche 106 des Substrats 108 gewachsen ist, und eine zweite Schicht 118, die auf die erste Schicht 116 gewachsen ist, auf. Die zweiten Vorsprünge 104 umfassen eine erste Schicht 116, die auf die Oberfläche 106 des Substrats 108 gewachsen ist, und eine zweite Schicht 118, die auf die erste Schicht 116 gewachsen ist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel kann das Substrat 106 ein einkristallines Material oder ein nicht einkristallines Material aufweisen. Das einkristalline Material kann einkristallines Silizium sein, z. B. ein Siliziumwafer. Das nicht einkristalline Material kann ein elektrischer Leiter sein; mikrokristallines oder amorphes Silizium; oder ein Isolator, wie z. B. Glas, Quarz, ein Polymer (wie z. B. ein Thermoplast, so wie Polyethylenterephthalat (PET)), ein Metall (z. B. Edelstahl, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung) oder Kombinationen aus diesen oder anderen Materialien. Diese exemplarischen, nicht einkristallinen Materialien können die Kosten der Herstellung des Nanodrahtlasers 100 reduzieren. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das nicht einkristalline Metall auf einer Rolle vorgesehen sein, wodurch ermöglicht wird, dass mehrere Nanodrahtlaser unter Verwendung eines Rollherstellungsprozesses hergestellt werden.
  • Die ersten Schichten 116 des Nanodrahtlasers 100 weisen ein Isoliermaterial auf, wie z. B. ein Oxid (z. B. SiO2) oder ein Nitrid. Zum Beispiel kann SiO2 auf einem Siliziumsubstrat aufgewachsen sein (z. B. (111)Silizium). Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Material der Gruppe III–V, das als eine Isolierschicht wirkt, wie z. B. undotiertes AlAs oder InAs auf ein GaAs-Substrat aufgewachsen sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können ähnliche gitterangepasste Halbleitermaterialien auf ein InP-Substrat aufgewachsen sein. Zum Beispiel kann eine halbisolierende InxAl1-xAs-Schicht (d. h. erste Schicht) auf einen dotierten InP-Wafer (d. h. Substrat) aufgewachsen sein, gefolgt von dem Aufwachsen einer anderen, dotierten InP-Schicht (d. h. zweite Schicht) auf der halbleitenden Schicht. Alle solchen Schichten sind gitterangepasst.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel isolieren die ersten Schichten 116 die ersten Vorsprünge 102 voneinander, die zweiten Vorsprünge 104 voneinander und die ersten Vorsprünge 102 von den zweiten Vorsprüngen 104.
  • Die zweiten Schichten 118 der ersten Vorsprünge 102 und der zweiten Vorsprünge 104 können einkristallines Material oder nichteinkristallines Material aufweisen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Material der zweiten Schichten 118 gitterangepasst an das Material der entsprechenden ersten Schichten 116. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können die zweiten Schichten 118 mehr als ein Material aufweisen, wie z. B. mehr als ein einkristallines Material, mehr als ein nichteinkristallines Material oder eine Kombination aus zumindest einem einkristallinen Material und zumindest einem nichteinkristallinen Material. Bei einem Ausführungsbeispiel können die ersten Oberflächen 110 und die zweiten Oberflächen 112 der zweiten Schichten 118 ein einkristallines Material aufweisen (z. B. einkristallines Silizium), das auf einem nichteinkristallinen Material gebildet ist (z. B. polykristallinem, mikrokristallinem oder amorphem Silizium).
  • Geeignete, einkristalline Materialien zum Bilden der zweiten Schichten 118 des Nanodrahtlasers 100 umfassen z. B. Si, Ge; Gruppe-IV-Verbundhalbleiter, z. B. SiC und SiGe; Gruppe-III-V-Verbundhalbleiter, wie z. B. binäre Legierungen, z. B. Galliumphosphid (GaP), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Indiumnitrid (InN), Indiumarsenid (InAs), Aluminiumarsenid (AlAs), Aluminiumnitrid (AlN), Bornitrid (BN) und Borarsenid (BAs); Gruppe II-VI-Halbleiter, wie z. B. Zinkoxid (ZnO) und Indiumoxid (InO) und Kombinationen dieser oder anderer Halbleitermaterialien. Zum Beispiel kann eine Epitaxialschicht aus Si auf ersten SiO2-Schichten unter Verwendung von Verfahren hergestellt werden, um SOI(Silizium-auf-Isolator)-Schichten zu erzeugen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Gruppe-III-V-Halbleitermaterial, wie z. B. GaAs, auf ein Material aufgewachsen sein, das als eine Isolierschicht wirken wird, wie z. B. nicht dotiertes AlAs oder InAs.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein nichtkristallines Material, wie z. B. mikrokristallines oder amorphes Silizium entweder auf kristalline oder andere nichtkristalline Materialien aufgebracht sein, wie z. B. Metalle, Dielektrika oder nichtkristalline Halbleiter. Nanodrähte können ebenfalls aus diesen Oberflächen gewachsen sein.
  • Bei Ausführungsbeispielen des Nanodrahtlasers 100, der erste Oberflächen 110 und zweite Oberflächen 112 aus einkristallinem oder nichteinkristallinem Material aufweist, kann das einkristalline oder nichteinkristalline Material jegliches Material sein, das geeignete, physische Charakteristika aufweist, um das Wachstum von Nanodrähten aus den ersten Oberflächen 110 und/oder zweiten Oberflächen 112 zu ermöglichen. Das nichteinkristalline Material kann z. B. ein polykristallines Silizium, amorphes Silizium, mikrokristallines Silizium, Saphir oder auf Kohlenstoff basierende anorganische Materialien sein, wie z. B. Diamant und diamantartiger Kohlenstoff. Diese nichteinkristallinen Materialien können die Kosten der Herstellung der Nanodrahtlaser reduzieren im Vergleich zur Verwendung von teureren einkristallinen Materialien oder Verbundhalbleitermaterialien. Ferner können einkristalline Nanodrähte, die aus nichteinkristallinen Oberflächen gewachsen sind, alle Eigenschaften der einkristallinen Halbleitermaterialien aufweisen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel können die erste(n) Schicht(en) 116 und die zweite(n) Schicht(en) 118 beide epitaxial gewachsen sein unter Verwendung jeglicher geeigneter Techniken, wie z. B. Molekularstrahlepitaxie (MBE; molecular beam epitaxy), metallorganischer, chemischer Dampfaufbringung (MOCVD; metal-organic chemical vapor deposition) und CVD.
  • Die Struktur, die in 1 gezeigt ist, die getrennte erste Schichten 116 und zweite Schichten 118 aufweist, kann gebildet sein durch Strukturieren der zweiten Materialschicht wie gewachsen unter Verwendung einer darüber liegenden Maskierungsschicht, um die gegenüberliegenden zweiten Schichten 118 getrennt durch einen Zwischenraum zu bilden. Das Isolatormaterial der darunter liegenden ersten Schicht wird strukturiert durch Entfernen eines Teils des Isolatormaterials durch eine Öffnung, die in dem Material der zweiten Schicht gebildet ist, um die Oberfläche 106 des Substrats 108 freizulegen und gegenüberliegende erste Schichten 116 zu bilden, die durch einen Zwischenraum getrennt sind. Zum Beispiel können eine oder mehrere aus einer lithographischen Technik, einer Trockenätztechnik (z. B. RIE) oder einer nasschemischen Ätztechnik verwendet werden, um die erste Materialschicht und die zweite Materialschicht zu ätzen. Zum Beispiel ist Kaliumhydroxid (KOH) ein nasschemisches Ätzmittel, das verwendet werden kann, um Silizium anisotropisch zu ätzen; SiO2 kann nasschemisch geätzt werden mit Flusssäure (HF; hydrofluoric acid)), anisotropisch trockenchemisch geätzt werden unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen oder anisotropisch geätzt werden durch Ionenstrahlätzen; und GaAs kann nasschemisch geätzt werden mit H2SO4.
  • Die zweiten Schichten 118 der ersten Vorsprünge 102 und der zweiten Vorsprünge 104 können geeignete Abmessungen aufweisen, um einen ausreichenden Oberflächenbereich für Nanodrahtwachstum bereitzustellen. Zum Beispiel können die zweiten Oberflächen 112 üblicherweise eine Höhe von ungefähr zehn nm bis ungefähr 5.000 nm und eine Breite von ungefähr 100 nm bis ungefähr 10.000 nm aufweisen. Die ersten Oberflächen 110 und die zweiten Oberflächen 112 können voneinander durch eine Distanz von ungefähr 10 nm bis ungefähr 10 μm z. B. getrennt sein.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel weist der Nanodrahtlaser 100 eine elektrische Pumpe auf, um die Laserresonatoren zu pumpen, die durch die Nanodrahtarrays und Bragg-Spiegel gebildet sind, die jedem Paar aus ersten Vorsprüngen 102 und zweiten Vorsprüngen 104 zugeordnet sind, mit einem elektrischen Strom oder Puls. Zum Beispiel können die zweiten Schichten 118 der ersten Vorsprünge 102 und der zweiten Vorsprünge 104 hoch dotierte Elektrodenregionen 120 bzw. 122 jeweils an benachbarten Enden der Nanodrähte aufweisen, die eine ausreichende Menge eines p-Typ- oder n-Typ-Dotiermittels enthalten, um eine gewünschte Menge einer elektrischen Leitfähigkeit zum Herstellen eines elektrischen Kontakts zu erreichen. Die Elektrodenregionen 120 der ersten Vorsprünge 102 können dotierte p-Typ-Regionen sein und die Elektrodenregionen 122 der zweiten Vorsprünge 104 können vom dotierten n-Typ sein oder umgekehrt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können Elektroden (oder Kontaktanschlussflächen) auf den oberen Oberflächen der jeweiligen zweiten Schichten 118 gebildet sein. Die Elektrodenregionen 120, 122 (oder Elektroden) sind elektrisch voneinander durch die ersten Schichten 116 isoliert. Die Elektrodenregionen 120, 122 (oder Elektroden) können elektrisch mit einer Leistungsquelle verbunden sein, die wirksam ist, um Träger in die Arrays aus Nanodrähten 114 zu injizieren, um eine Lichtemission aus den Nanodrähten zu erzeugen. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Lichtemission horizontal polarisiert.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel weist der Nanodrahtlaser 100 einen Bragg-Spiegel auf, der in oder auf jedem der ersten Vorsprünge 102 bzw. der zweiten Vorsprünge 104 angeordnet ist, um gegenüberliegende Enden optischer Resonatoren zu definieren. Zum Beispiel können die Bragg-Spiegel 124, 126 in oder auf jeder der zweiten Schichten 118 der ersten Vorsprünge 102 bzw. der zweiten Vorsprünge 104 gebildet sein, wie in 1 gezeigt ist. Jeder Satz aus Bragg-Spiegeln 124, 126 definiert gegenüberliegende Enden eines optischen Nanodrahtresonators. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Bragg-Spiegel 124, 126 abwechselnd Bragg-Reflektorschichten und Luftzwischenräume aufweisen, die in den zweiten Schichten 118 angeordnet sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Bragg-Spiegel 124, 126 abwechselnde Schichten aus Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes voneinander und/oder von dem Halbleitermaterial der entsprechenden zweiten Schichten aufweisen, in die die Bragg-Spiegel integriert sind. Die Bragg-Spiegel können abwechselnde Schichten aus Halbleitermaterial aufweisen, was z. B. Halbleitermaterialien der Gruppe IV, Gruppe III–V und Gruppe II–VI oder ein anderes Halbleitermaterial aufweist. Die Materialien, die die Schichten der Bragg-Spiegel 124, 126 bilden, können gitterangepasst sein und können ein dotierter p-Typ oder n-Typ sein, um eine Stromvorspannung der Nanodrähte 114 zu ermöglichen. Techniken zum Bilden von Reflektorschichten eines Bragg-Spiegels in einer Halbleiterstruktur sind beschrieben in der U.S.-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2006/0098705, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
  • Der Bragg-Spiegel an einem Ende der Nanodrähte 114 weist ein höheres Reflexionsvermögen auf als der Bragg-Spiegel an dem gegenüberliegenden Ende der Nanodrähte 114. Zum Beispiel kann der Bragg-Spiegel 124 an den ersten Vorsprüngen 102 zumindest eine Periode mehr aufweisen als der Bragg-Spiegel 126 an den zweiten Vorsprüngen 104, wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass ein erzeugtes Photon aus dem optischen Hohlraum aus dem Ende der Nanodrähte 114 an den zweiten Vorsprüngen 104 austritt. Die zweiten Schichten 118 der ersten Vorsprünge 102 und der zweiten Vorsprünge 104 sind transparent bei der Frequenz des Photons. Die Bragg-Spiegel 124, 126 ermöglichen eine Verstärkung von optischen Signalen, die in den Nanodrähten 114 erzeugt werden.
  • Bei dem Nanodrahtlaser 100, der in 1 gezeigt ist, können die Nanodrähte 114 aus einer beliebigen der ersten Oberflächen 110 und der zweiten Oberflächen 112 der jeweiligen ersten Vorsprünge 102 und zweiten Vorsprünge 104 gewachsen sein. Zum Beispiel können die Nanodrähte 114 aus den ersten Oberflächen 110 so gewachsen sein, dass die Nanodrähte 114 sich durchgehend zwischen den ersten Oberflächen 110 und den zweiten Oberflächen 112 erstrecken und auftreffen auf und eine mechanische und elektrische Verbindung bilden zu den zweiten Oberflächen 112, um die ersten Vorsprünge 102 und die zweiten Vorsprünge 104 direkt zu überbrücken. Die Enden der individuellen Nanodrähte 114 bilden eine sich selbst anordnende Nanodrahtverbindung zwischen den gegenüberliegenden ersten Oberflächen 110 und zweiten Oberflächen 112.
  • 2 zeigt einen elektrisch getriebenen Nanodrahtphotodetektor 200 gemäß einem anderen, exemplarischen Ausführungsbeispiel. Der Nanodrahtphotodetektor 200 weist einen ersten Vorsprung 202 und einen gegenüberliegenden, zweiten Vorsprung 204 auf, die auf einer Oberfläche 206 eines Substrats 208 angeordnet sind. Der erste Vorsprung 202 umfasst eine erste Oberfläche 210 und der zweite Vorsprung 204 umfasst eine zweite Oberfläche 212, die der ersten Oberfläche 210 zugewandt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die erste Oberfläche 210 und die zweite Oberfläche 212 vertikale Oberflächen. Bei einigen anderen Ausführungsbeispielen können die erste Oberfläche 210 und die zweite Oberfläche 212 horizontale Oberflächen sein. Die vertikalen oder horizontalen Oberflächen können parallel zueinander sein, wie gezeigt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die erste Oberfläche 210 und die zweite Oberfläche 212 einander zugewandt. Bei einigen anderen, exemplarischen Ausführungsbeispielen sind die erste Oberfläche 210 und die zweite Oberfläche 212 einander nicht zugewandt. Einer oder mehrere Nanodrähte 214 (z. B. eine Mehrzahl von Nanodrähten 214, wie gezeigt ist) erstrecken sich zwischen dem ersten Vorsprung 202 und dem zweiten Vorsprung 204 und verbinden die ersten Oberflächen 210 und die zweiten Oberflächen 212 in einer Überbrückungskonfiguration. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die individuellen Nanodrähte 214 aus der ersten Oberfläche 210 und aus der zweiten Oberfläche 212 gewachsen und verbinden („vereinigen”) die erste Oberfläche 210 und die zweite Oberfläche 212 derart, dass die Enden der Verbindungsnanodrähte 214 einen elektrischen Kontakt liefern, um zu ermöglichen, dass elektrische Träger in den Nanodrähten 214 manipuliert werden. Exemplarische Verbindungsstellen 213, die zwischen verbundenen Nanodrähten 214 gebildet sind, sind gezeigt.
  • Solche Verbindungsstellen können entlang der Längen der Nanodrähte 214 gebildet sein und/oder an den Enden gegenüberliegend zu den gewachsenen Oberflächen der Nanodrähte 214. Die Nanodrähte 214 sind beliebig orientiert. Mehrere Nanodrähte 214 können sich miteinander vereinigen.
  • Bei dem Nanodrahtphotodetektor 200 weist das Substrat 208 einen elektrischen Isolator auf, wie z. B. SiO2. Das Substrat 208 kann aufgewachsenes Silizium sein, z. B. ein Siliziumwafer. Der erste Vorsprung 202 umfasst eine erste Schicht 216 und der zweite Vorsprung 204 umfasst eine erste Schicht 216. Die ersten Schichten 216 sind Elektroden. Die ersten Schichten 216 können z. B. eine Pt/Ti-Filmstruktur aufweisen. Der Ti-Film liefert eine Haftung und der Pt-Film ermöglicht eine Silizidbildung. Die Pt/Ti-Filmstruktur kann auf die SiO2-Oberfläche 206 z. B. durch thermische Vakuumverdampfung bei Umgebungstemperatur aufgebracht werden. Die Ti- und Pt-Filme sind strukturiert, um die Elektroden zu bilden. Der erste Vorsprung 202 umfasst ferner eine zweite Schicht 218 und der zweite Vorsprung 204 umfasst eine zweite Schicht 218. Die zweiten Schichten 218 weisen zumindest ein Halbleitermaterial auf, z. B. hydriertes, mikrokristallines n-Typ-Silizium, das aufgebracht werden kann, z. B. durch plasmaverbesserte, chemische Dampfaufbringung (PECVD; plasma enhanced chemical vapor deposition), auf die strukturierten ersten Schichten 216. Die zweiten Schichten 218 sind elektrisch durch das Substrat 208 isoliert.
  • Der dargestellte Nanodrahtphotodetektor 200 weist einen ersten Vorsprung 202 und einen zweiten Vorsprung 204 auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Nanodrahtphotodetektor 200 mehr als ein Paar aus ersten Vorsprüngen 202 und zweiten Vorsprüngen 204 aufweisen, wie z. B. mehrere zehn, hundert oder tausend. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann jedes Array aus Nanodrähten 214 Licht derselben Wellenlänge erfassen oder zumindest ein Array aus Nanodrähten 214 kann Licht einer anderen Wellenlänge erfassen als die anderen Arrays. Zum Beispiel kann ein solches, zumindest eines Array Nanodrähte 214 mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung zu den Nanodrähten der anderen Arrays aufweisen.
  • Einige Ausführungsbeispiele der auf Nanodraht basierenden, optoelektronischen Bauelemente können eine Kombination aus zumindest einem kontinuierlich gewachsenen Nanodraht (wie z. B. einem Nanodraht 114, der in 1 gezeigt ist und optional auch zugeordnete Bragg-Spiegel umfasst) und zumindest einem Verbindungsnanodraht aufweisen (wie z. B. einem Nanodraht 114, der in 2 gezeigt ist). Solche Ausführungsbeispiele können mehr als eine Funktion liefern, wie z. B. Photodetektion und Lichtemission.
  • Die Nanodrähte 114, 214 des Nanodrahtlasers 100 und des Nanodrahtphotodetektors 200 können zumindest ein Verbundhalbleitermaterial aufweisen. Bestimmte Verbundhalbleitermaterialien haben einen direkten Bandabstand und können elektrische Energie effizient in Lichtenergie umwandeln. Um Gitteranpassungsprobleme zu reduzieren (und „Gegenphasenbereichsgrenzen”-Probleme für einige Materialien), sind Nanodrähte 114, 214, die solche Verbundhalbleitermaterialien aufweisen, über sehr kleine Bereiche einer Oberfläche eines anderen einkristallinen oder nichteinkristallinen Materials gewachsen. Bei exemplarischen Ausführungsbeispielen können Nanodrähte 114, 214, die ein Verbundhalbleitermaterial aufweisen, auf einem elementaren Halbleitermaterial aufgewachsen sein, z. B. Silizium; Nanodrähte 114, 214, die ein Verbundhalbleitermaterial aufweisen, können auf ein anderes nicht gitterangepasstes Verbundhalbleitermaterial gewachsen sein; oder Nanodrähte 114, 214 eines Verbundhalbleitermaterials können auf eine nichteinkristalline Materialoberfläche gewachsen sein, z. B. Polysilizium.
  • Exemplarische Verbundhalbleitermaterialien, die verwendet werden können, um die Nanodrähte 114, 214 des Nanodrahtlasers 100 und des Nanodrahtphotodetektors 200 zu bilden, umfassen zumindest ein Material der Gruppe III–V, sowie z. B. mindestens eine binäre Legierung, die ausgewählt ist aus GaP, GaAs, InP, InN und ähnlichem; zumindest eine Legierung einer höheren Gruppe III-V, wie z. B. AlGaAs, InAsP, GaInAs, GaAlAs, GaPAs oder ähnliches; oder Kombinationen aus diesen oder anderen Verbundhalbleitermaterialien. Zum Beispiel wächst ein GaAs-Nanodraht im Wesentlichen normal zu einer (111) Ebene eines Kristallgitters, wie z. B. einer Oberfläche aus GaAs oder Si. Die Nanodrähte 114, 214 können ferner ZnO oder InO aufweisen.
  • Exemplarische Techniken zum Wachsen von Verbundhalbleitermaterialien sind beschrieben von B. J. Ohlsson, M. T. Bjork, M. H. Magnusson, K. Deppert und L. Samuelson, Size-, shape-, and position-controlled GaAs nano-whiskers, Appl. Phys. Lett., Bd. 79, Nr. 20, S. 3.335–3.337 (2001) (growth of GaAs nano-whiskers on GaAs substrates by metalcatalyzed growth techniques); M. H. Huang, S. Mao, H. Feick, H. Yan, Y. Wu, H. Kind, E. Weber, R. Russo und P. Yang, Room-Temperature Ultraviolet Nanowire Nanolasers, Science, Bd. 292, S. 1.897–1.899 (2001) (growth of ZnO nanowires on sapphire substrates); S. S. Yi, G Girolami, J. Adamo, M. Saif Islam, S. Sharma, T. I. Kamins und I. Kimukin, InP nanobridges epitaxially formed between two vertical Si surfaces by metalcatalyzed chemical vapor deposition, Appl. Phys. Lett., Bd. 89, 133121 (2006) (epitaxial growth of InP nanowires on silicon surfaces); und Haoquan Yan, Rongrui He, Justin Johnson, Matthew Law, Richard J. Saykally und Peidong Yang, Dendritic Nanowire Ultraviolet Laser Array, J. Am. Chem. Soc., Bd. 125, Nr. 16, 4729 (2003) (fabrication of dendritic nanowire arrays of ZnO), wobei jedes hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist.
  • Andere exemplarische Ausführungsbeispiele des Nanodrahtlasers 100 und des Nanodrahtphotodetektors 200 können Nanodrähte 114, 214 aufweisen, die zumindest eine gesteuerte Grenze an einem gegebenen Ort entlang der Nanodrähte umfassen, gebildet während des Wachstums, um elektronische Eigenschaften des Nanodrahts zu steuern. Die Nanodrähte 114, 214 können eine p-Region und eine n-Region umfassen, die einen p-n-Übergang entlang der Nanodrähte definieren, um das Bilden eines starken, eingebauten Feldes in den Nanodrähten zu unterstützen. Zum Beispiel können die Nanodrähte 114, 214 eine p-Region benachbart zu p-dotierten Regionen umfassen, die in den zweiten Schichten 118, 218 der ersten Vorsprünge 102, 202 gebildet sind, und eine n-Region benachbart zu n-dotierten Reginen, die in den zweiten Schichten 118, 218 der zweiten Vorsprünge 104, 204 gebildet sind.
  • Nanodrahtheterostrukturen können gebildet werden durch sequentielles Aufbringen unterschiedlicher Halbleitermaterialien entlang der Nanodrähte 114, 214. Heteroepitaxialschichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen können zwischen p-Regionen und n-Regionen der Nanodrähte gebildet sein. Siehe z. B. M. T. Bjork, B. J. Ohlsson, T. Sass, A. I. Persson, C. Thelander, M. H. Magnusson, K. Deppert, L. R. Wallenberg und L. Samuelson, One-dimensional Steeplechase for Electrons Realized, Nano Lett., Bd. 2, Nr. 2, S. 87–89 (2002) (forming InAs whiskers containing segments of InP), das hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist. Bei einem anderen, exemplarischen Ausführungsbeispiel ist InGaAs zwischen InP gebildet, was einen relativ gesehen höheren Bandabstand aufweist. Wenn die Aufbringung beider Halbleitermaterialien durch Metallnanopartikel katalysiert wird, können Segmente unterschiedlicher Materialien sequentiell entlang der Nanodrähte gewachsen sein, wodurch Heteroübergänge zwischen den benachbarten Segmenten gebildet werden. Zum Beispiel können mehrere Quantenquellenstrukturen in den Nanodrähten gebildet sein, um eine ausreichende Laserwirkung bei relativ niedrigen Schwellenströmen zu erzeugen. Exemplarische Mehrfach-Quantenquellenstrukturen umfassen InAlGaAs auf InP, InGaAsP auf InP und GaAsSb auf GaAs.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine aktive Region, die einen Quantenpunkt (QD; quantum dot) aufweist, in die Nanodrähte 114, 214 während ihres Wachstums gewachsen sein. Der Quantenpunkt weist ein Material mit einem unterschiedlichen Bandabstand auf als das Material des wachsenden Nanodrahts. Der Quantenpunkt kann elektrisch erregt werden durch einen elektrischen Strom, um ein einzelnes Photon zu emittieren, das sich entlang dem Nanodraht bewegt und durch die Bragg-Spiegel reflektiert wird, die den optischen Resonator definieren. Zum Beispiel kann ein Quantenpunkt gebildet werden durch Einbringen (d. h. Wachsen) einer geringen Menge von InGaAs an einem gewünschten Punkt eines wachsenden InP-Nanodrahts. InGaAs weist einen geringen Bandabstand relativ zu InP auf. Dann wird das Wachstum des InP-Nanodrahts wieder aufgenommen. Siehe U. S.-Patentanmeldungen Veröffentlichungsnummern 200/0280414 und 2006/0098705, wobei jede derselben hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
  • Die Nanodrähte 114, 214 können unter Verwendung einer geeigneten Wachstumstechnik gebildet werden. Geeignete Verfahren zum Wachsen der Nanodrähte sind z. B. beschrieben in der U. S.-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2006/0097389, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Zum Beispiel können die Nanodrähte aus einkristallinen oder nichtkristallinen Oberflächen gewachsen sein durch Techniken einer chemischen Dampfaufbringung (CVD; chemical vapor deposition). Eine Nanobrückenbildung unter Verwendung von Katalysatorwachstumstechniken ist z. B. beschrieben in T. Kamins, Beyond CMOS Electronics: Self-Assembled Nanostructures, The Electrochemical Society Interface, Frühling 2005; und M. Saif Islam. S. Sharma, T. I. Kamins und R. Stanley Williams, Ultrahigh-Density Silicon Nanobridges Formed Between Two Vertical Silicon Surfaces, Nanotechnology 15, L5–L8 (2004), wobei jede derselben hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Bei diesen Techniken sind Nanodrähte gewachsen durch Wechselwirkung eines Aufbringungsmaterials mit einem Katalysatornanopartikel, das auf der Oberfläche gebildet ist, aus der die Nanodrähte gewachsen sind. Nanopartikel können direkt auf der Wachstumsoberfläche gebildet sein oder des Katalysatormaterial kann (z. B. durch physische Dampfaufbringung (PVD; physical vapor deposition) oder chemische Dampfaufbringung (CVD)) auf die Wachstumsoberfläche aufgebracht werden, gefolgt von einem Aushärten des Katalysatormaterials, um den Nanopartikelkatalysator zu bilden. Die Metallkatalysatomanopartikel können z. B. Ti, Au, Fe, Co, Ga und Legierungen derselben aufweisen. Das Metall kann basierend auf der Nanodrahtzusammensetzung ausgewählt werden. Die Katalysatornanopartikel können in der flüssigen oder festen Phase während des Nanodrahtwachstums sein.
  • Der Nanopartikelkatalysator oder das Katalysatormaterial kann vorzugsweise auf ausgewählte Oberflächen und/oder Oberflächenregionen aufgebracht werden, an denen ein Nanodrahtwachstum erwünscht ist. Eine winkelige Aufbringung des Nanopartikelkatalysators oder des Katalysatormaterials kann eingesetzt werden, um vorzugsweise den Nanopartikelkatalysator oder das Katalysatormaterial aufzubringen, um eine Steuerung des Startorts für das Wachstum der Nanodrähte auf einer Oberfläche zu ermöglichen.
  • Die Gaszusammensetzung, die verwendet wird, um die Nanodrähte zu bilden, hängt von der gewünschten Nanodrahtzusammensetzung ab. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Oberfläche, aus der die Nanodrähte gewachsen sind, freiliegend für das Gas in einer Reaktorkammer eines Aufbringungssystems. Die Prozesskammerbedingungen und das Prozessgas werden während des Nanodrahtwachstums gesteuert. Das Prozessgas kann ein einzelnes Gas oder eine Gasmischung sein. p-Typ- und n-Typ-Dotiermittel können aus der Gasphase während des Nanodrahtwachstums hinzugefügt werden.
  • Die Nanodrähte 114, 214 können mit einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser entlang ihrer Länge gebildet sein. Die Nanodrähte können üblicherweise einen Durchmesser von ungefähr 10 nm bis ungefähr 100 nm aufweisen.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Nanodrahtlasers oder des Nanodrahtphotodetektors (nicht gezeigt) können die ersten Vorsprünge und die zweiten Vorsprünge dasselbe einkristalline Material oder nichteinkristalline Material wie das Substrat aufweisen. Anders ausgedrückt können das Substrat und die ersten und zweiten Vorsprünge ein einzelnes Stück eines Volumenmaterials aufweisen und die Vorsprünge umfassen nicht die ersten und zweiten Schichten wie bei dem Nanodrahtlaser 100 und dem Nanodrahtphotodetektor 200. Bei dem Ausführungsbeispiel kann das einkristalline Material z. B. ein Siliziumwafer sein. Zum Beispiel, wie in der U. S.-Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2005/0133476 beschrieben ist, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist, kann ein Siliziumsubstrat geätzt sein, um sich längs erstreckende Wände zu bilden, die gegenüberliegende, beabstandete, vertikale Oberflächen umfassen, die parallele (111) Gitterebenen getrennt durch einen Abstand sind. Nanodrähte können aus zumindest einer der vertikalen Oberflächen über den Abstand wachsen, um gegenüberliegende, vertikale Oberflächen zu verbinden, um Nanodrahtbrücken zu bilden. Die vertikalen Oberflächen können Oberflächen von p-Typ- und n-Typ-Elektroden sein, derart, dass die Nanodrähte elektrisch getrieben werden können, um Licht zu erzeugen.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel kann das nichteinkristalline Material ausgewählt sein aus polykristallinem Silizium, amorphem Silizium, mikrokristallinem Silizium, Saphir oder auf Kohlenstoff basierenden, anorganischen Materialien, wie z. B. Diamant und diamantartigem Kohlenstoff. Bei dem Ausführungsbeispiel können der erste Vorsprung und der zweite Vorsprung p-Typ- und n-Typ-Elektrodenregionen umfassen und sind elektrisch voneinander isoliert. Eine elektrische Isolatorregion kann in dem Substrat gebildet sein, um das p-Typ- und n-Typ-Material elektrisch zu trennen, um zu ermöglichen, dass elektrischer Strom durch die Nanodrähte fließt, ohne einen elektrischen Kurzschluss innerhalb des Substrats zu haben.
  • Die Operation des Nanodrahtlasers 100, der in 1 gezeigt ist, wird beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass der Nanodrahtphotodetektor 200, der in 2 gezeigt ist, auf ähnliche Weise betrieben werden kann. Während der Operation des Nanodrahtlasers 100 ist ein elektrischer Strom oder Puls an die Elektrodenregionen 120, 122 angelegt, um Träger zu injizieren, um die optischen Resonatoren elektrisch zu pumpen, die die Arrays aus Nanodrähten 114 aufweisen. Bei einem Ausführungsbeispiel können die optischen Resonatoren gleichzeitig gepumpt werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Nanodrahtlaser 100 eine elektrische Schaltungsanordnung aufweisen, die in dem Substrat 108 gebildet ist, um zu ermöglichen, dass jedes Nanodrahtarray individuell elektrisch erregt wird, um zu erlauben, dass die Arrays aus Nanodrähten 114 Licht in einer ausgewählten, zeitlichen Sequenz emittieren. Erzeugte Photonen bewegen sich entlang der Längen der Nanodrähte 114 und werden an gegenüberliegenden Enden der optischen Resonatoren durch die Bragg-Spiegel 124, 126 reflektiert. Licht tritt aus dem Ende der optischen Resonatoren aus, an denen der Bragg-Spiegel angeordnet ist, der ein relativ gesehen niedrigeres Reflexionsvermögen aufweist. Ein optionaler Photodetektor (nicht gezeigt) kann angeordnet sein, um Licht zu erfassen, das aus den optischen Resonatoren austritt, um eine Operation des Bauelements zu überwachen (z. B. den Ein-/Aus-Zustand und Lichtlecken).
  • Bei einem Ausführungsbeispiel emittiert jedes Array aus Nanodrähten 114 Licht derselben Wellenlänge. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Array aus Nanodrähten 114 Licht einer anderen Wellenlänge emittieren als die anderen Arrays. Zum Beispiel kann zumindest ein Array Nanodrähte 114 mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung zu den Nanodrähten der anderen Arrays aufweisen. Zum Beispiel können ein erstes Array aus Nanodrähten 114, das bei einer ersten Wellenlänge emittiert, und ein zweites Array aus Nanodrähten 114, das bei einer zweiten Wellenlänge emittiert, in einer abwechselnden Anordnung entlang der Länge des Nanodrahtlasers 100 gebildet sein.
  • 3 stellt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines auf Nanodraht basierenden, optischen Halbleiterverstärkers (SOA; semiconductor optical amplifier) 300 dar. Wie gezeigt ist, weist der optische Halbleiterverstärker 300 längs beabstandete, erste Vorsprünge 302 und gegenüberliegende längs beabstandete, zweite Vorsprünge 304 auf, die auf einer Oberfläche 306 eines Substrats 308 angeordnet sind. Die ersten Vorsprünge 302 umfassen jeweils eine erste Oberfläche 310 und die zweiten Vorsprünge 304 umfassen jeweils eine zweite Oberfläche 312, die einer jeweiligen einen der ersten Oberflächen 310 zugewandt ist. Die dargestellten, ersten Oberflächen 310 und die zweiten Oberflächen 312 sind parallele, vertikale Oberflächen. Arrays aus Nanodrähten 314 erstrecken sich horizon tal zwischen den gegenüberliegenden Paaren der ersten Vorsprünge 302 und der zweiten Vorsprünge 304 und verbinden die ersten Oberflächen 310 und die zweiten Oberflächen 312 in einer Überbrückungskonfiguration. Ein Signalwellenleiter 330 zum Leiten eines optischen Signals entlang eines Signalwegs ist zwischen den ersten Oberflächen 310 und den zweiten Oberflächen 312 angeordnet. Wie gezeigt ist, überlappt der Signalwellenleiter 330 die längs beabstandeten Arrays aus Nanodrähten 314. Der Signalwellenleiter 330 ist auf einer sich längs erstreckenden, erhobenen Oberfläche 332 des Substrats 308 gebildet und erstreckt sich horizontal, im Wesentlichen parallel zu den ersten Oberflächen 310 und den zweiten Oberflächen 312. Bragg-Spiegel 334, 336 sind an gegenüberliegenden Enden des Signalwellenleiters 330 vorgesehen.
  • Der dargestellte, optische Halbleiterverstärker 300 weist drei Paare aus ersten Vorsprüngen 302 und zweiten Vorsprüngen 304 und entsprechende Arrays aus Nanodrähten 314 auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der optische Halbleiterverstärker 300 weniger als drei oder mehr als drei Paare aus ersten Vorsprüngen 302 und zweiten Vorsprüngen 304 aufweisen, wie z. B. zehn bis mehrere Hundert oder mehr.
  • Wie in 3 gezeigt ist, umfassen die ersten Vorsprünge 302 eine erste Schicht 316, die auf der ersten Oberfläche 306 des Substrats 308 gewachsen ist, und eine zweite Schicht 318, die auf der ersten Schicht 316 gewachsen ist. Die zweiten Vorsprünge 304 umfassen eine erste Schicht 316, die auf der Oberfläche 306 des Substrats 308 gewachsen ist, und eine zweite Schicht 318, die auf der ersten Schicht 316 gewachsen ist. Das Substrat 308 kann ein einkristallines Material oder ein nichteinkristallines Material aufweisen. Die erste Schicht 316 der ersten Vorsprünge 302 und der zweiten Vorsprünge 304 weist ein Isolatormaterial auf. Bei dem Ausführungsbeispiel isolieren die ersten Schichten 316 die ersten Vorsprünge 302 elektrisch voneinander, die zweiten Vorsprünge 304 elektrisch voneinander und die ersten Vorsprünge 302 elektrisch von den zweiten Vorsprüngen 304. Das Substrat 308 und die ersten Schichten 316 können aus ausgewählten Materialien hergestellt sein, wie oben Bezug nehmend auf die Nanodrahtlaser 100, 200 beschrieben ist. Die Arrays aus Nanodrähten 314 können funktional voneinander durch die ersten Schichten 316 isoliert sein, so dass die Arrays mit getrennten, elektrischen Pumpströmen versorgt werden können.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel kann die zweite Schicht 318 der ersten Vorsprünge 302 und der zweiten Vorsprünge 304 einkristalline Materialien oder nichteinkristalline Materialien aufweisen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Material der zweiten Schichten 318 gitterangepasst an das Material der jeweiligen ersten Schichten 316. Die zweiten Schichten 318 können mehr als ein Material aufweisen, wie z. B. mehr als ein einkristallines Material, mehr als ein nichteinkristallines Material oder eine Kombination von zumindest einem einkristallinen Material und zumindest einem nichteinkristallinen Material. Zum Beispiel können die ersten Oberflächen 310 und die zweiten Oberflächen 312 der zweiten Schichten 318 ein einkristallines Material aufweisen, das auf einem nichteinkristallinen Material gebildet ist.
  • Geeignete, einkristalline Materialien zum Herstellen der zweiten Schichten 318 des optischen Halbleiterverstärkers 300 umfassen z. B. Si, Ge, SiC, SiGe, GaP, GaAs, InP, InN, InAs, AlAs, AlN, BN, BAs, ZnO, InO und Kombinationen dieser oder anderer Halbleitermaterialien. Ein geeignetes, nichteinkristallines Material für die zweiten Schichten 318 umfasst z. B. polykristallines Silizium, amorphes Silizium, mikrokristallines Silizium, Saphir oder auf Kohlenstoff basierende, anorganische Materialien, wie z. B. Diamant und diamantartigen Kohlenstoff.
  • Die Nanodrähte 314 des optischen Halbleiterverstärkers 300 weisen zumindest ein Verbundhalbleitermaterial auf. Beispielhafte Verbundhalbleitermaterialien, die verwendet werden können, um die Nanodrähte des optischen Halbleiterverstärkers 300 zu bilden, umfassen z. B. zumindest ein Material der Gruppe III-V, wie z. B. zumindest eine binäre Legierung, ausgewählt aus GaP, GaAs, InP, InN und ähnlichem; zumindest eine höhere Gruppe-III-V-Legierung, wie z. B. AlGaAs, InAsP, GaInAs, GaAlAs, GaPAs und ähnliches; ZnO, InO oder Kombinationen dieser oder anderer Verbundhalbleitermaterialien. Die Nanodrähte 314 können Heteroübergänge aufweisen, die Quantenpunkte oder mehrere Quantenquellen umfassen, wie oben beschrieben ist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel kann der Signalwellenleiter 330 ein Polymerwellenleiter sein, der photolithographisch auf den Nanodrähten 314 hergestellt sein kann. Die ersten Vorsprünge 302 und zweiten Vorsprünge 304 sind elektrisch durch ein dielektrisches Material isoliert, z. B. SiO2, und der Polymerwellenleiter mit einem höheren Brechungsindex als dem des Halbleitermaterials und Luft kann verwendet werden, um Licht zu begrenzen. Der Signalwellenleiter 330 kann üblicherweise eine rechteckige Form mit einer Längsabmessung von ungefähr ein bis zehn Mal dem Lichtwellenleiter und eine Breiten- und Höhen-Abmessung von ungefähr einem μm bis ungefähr zehn μm aufweisen.
  • Der optische Halbleiterverstärker 300 weist ferner Merkmale auf zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit gegenüberliegenden Enden der Nanodrähte 314, so dass ein elektrischer Strom oder Puls an die Arrays aus Nanodrähten 314 angelegt werden kann. Zum Beispiel können die zweiten Schichten 318 der ersten Vorsprünge 302 und der zweiten Vorsprünge 304 hoch dotierte p-Typ- und n-Typ-Regionen umfassen oder Elektroden, die auf oder in den zweiten Schichten 318 gebildet sind, wie oben beschrieben ist.
  • Während einer Operation des optischen Halbleiterverstärkers 300 wird ein optisches Signal, das sich entlang der Länge des Signalwellenleiters 330 bewegt, durch Energie verstärkt, die durch elektrische Erregung der Nanodrähte 314 erzeugt wird. Die Arrays aus Nanodrähten 314 funktionieren als Ballastlaser und verstärken das optische Signal. Die Verwendung von Ballastlasern erlaubt dem optischen Halbleiterverstärker 300 in dem Modus mit fester Verstärkung zu arbeiten, wo das Signal, das verstärkt werden soll, eine einheitliche Verstärkung aufweist und nicht empfindlich für vorherige Bitmuster ist. Das optische Signal kann unter Verwendung einer Energie aus Laserfeldern von einem oder mehreren der Ballastlaser verstärkt werden. Die Laserresonatoren der Arrays aus Nanodrähten 314 werden über der Schwelle betrieben und die Verstärkung ist festgelegt, um die Verluste der Resonatoren zu überwinden. Das heißt, die Laserresonatoren werden durch einen Vorspannungsstrom erregt, der größer ist als ein Schwellenstrom. Die Verstärkung entlang dem Signalwellenleiter kann stabilisiert werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel emittiert jedes Array aus Nanodrähten 314 Licht derselben Wellenlänge. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Array aus Nanodrähten 314 Licht einer anderen Wellenlänge emittieren als die anderen Arrays. Zum Beispiel kann ein solches zumindest eines Array Nanodrähte 314 mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung zu den Nanodrähten der anderen Arrays aufweisen. Zum Beispiel können ein erstes Array aus Nanodrähten 314, das bei einer ersten Wellenlänge emittiert, und ein zweites Array aus Nanodrähten 315, das bei einer zweiten Wellenlänge emittiert, in einer abwechselnden Anordnung entlang der Länge des optischen Halbleiterverstärkers 300 gebildet sein.
  • 4, 5A und 5B stellen ein anderes, exemplarisches Ausführungsbeispiel eines auf Nanodraht basierenden, optoelektronischen Bauelements dar. Das exemplarische, optoelektronische Bauelement weist polarisationsabhängige Laser auf und kann betrieben werden, um Licht mit einer eindeutigen Polarisation zu erzeugen. Licht hat die Fähigkeit, in verschiedene Zustände polarisiert zu werden. Zum Beispiel kann eine lineare Polarisation vertikal oder horizontal sein. Das optoelektronische Bauelement ist aufgebaut, um in der Lage zu sein, selektiv horizontal polarisiertes und vertikal polarisiertes Licht zu emittieren. Pulse eines horizontal oder vertikal polarisierten Lichts mit einem Photon pro Puls können emittiert werden. Zum Beispiel kann ein einzelnes Photon eines horizontal polarisierten Lichts ein Informationsbit codieren, wie z. B. eine „0”, und ein einzelnes Photon eines vertikal polarisierten Lichts kann eine „1” codieren. Somit kann ein einzelnes Photon ein einzelnes Quanteninformationsbit darstellen. Das optoelektronische Bauelement kann ferner als ein auf Nanodraht basierender Photodetektor verwendet werden, um eine Lichtpolarisation zu erfassen.
  • 4 stellt eine Grundstruktur dar und das Operationsprinzip eines Ausführungsbeispiels des optoelektronischen Bauelements 400, das horizontale Nanodrähte 434 und vertikale Nanodrähte 436 umfasst. Wie gezeigt ist, sind die Nanodrähte 434, 436 entlang der Länge des optoelektronischen Bauelements 400 angeordnet. Die Richtung der Lichtemission ist durch Pfeile 438 angezeigt.
  • 5A und 5B zeigen ein exemplarisches Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Bauelements 500. Wie gezeigt ist, weist das optoelektronische Bauelement 500 ein Substrat 540 mit einer ersten, horizontalen Oberfläche 542, einer ersten Isolatorschicht 544, die auf der ersten, horizontalen Oberfläche 542 gebildet ist, einer ersten Halbleiterschicht 546, die auf der ersten Isolatorschicht 544 gebildet ist, einer zweiten Isolatorschicht 548, die auf der ersten Halbleiterschicht 546 gebildet ist, und einer zweiten Halbleiterschicht 550, die auf der zweiten Isolatorschicht 548 gebildet ist und eine zweite, horizontale Oberfläche 552 aufweist, die der ersten horizontalen Oberfläche 542 zugewandt ist, auf. Die erste Isolatorschicht 544, die erste Halbleiterschicht 546 und die zweite Isolatorschicht 548 definieren eine erste, vertikale Oberfläche 554 und eine zweite, vertikale Oberfläche 556, die der ersten, vertikalen Oberfläche 554 gegenüber liegt. Die erste, horizontale Oberfläche 542, die zweite, horizontale Oberfläche 552, die erste, vertikale Oberfläche 554 und die zweite, vertikale Oberfläche 556 definieren einen Hohlraum 558. Der Hohlraum 558 kann eine Länge von ungefähr einem um bis ungefähr 200 μm aufweisen und z. B. eine Höhen- und Breitenabmessung von ungefähr 100 nm bis ungefähr zehn μm. Die erste, horizontale Oberfläche 542 ist elektrisch von der zweiten, horizontalen Oberfläche 552 isoliert und die erste, vertikale Oberfläche 554 ist elektrisch von der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 durch die erste Isolatorschicht 544 und die zweite Isolatorschicht 548 isoliert.
  • Ein oder mehrere, vertikale Nanodrähte 560 (z. B. eine Mehrzahl von vertikalen Nanodrähten 560) verbinden die erste, horizontale Oberfläche 542 und die zweite, horizontale Oberfläche 552 in einer Überbrückungskonfiguration. Bragg-Spiegel (nicht gezeigt) sind in dem Substrat 540 und der zweiten Halbleiterschicht 550 an oder in der ersten horizontalen Oberfläche 542 und der zweiten horizontalen Oberfläche 552 vorgesehen, um einen vertikalen, optischen Resonator zu definieren, der die vertikalen Nanodrähte 560 aufweist. Einer oder mehrere horizontale Nanodrähte 562 (z. B. eine Mehrzahl von horizontalen, vertikalen Nanodrähten 562) sind mit der zweiten Halbleiterschichtregion 564 an der ersten, vertikalen Oberfläche 554 und mit der zweiten Halbleiterschichtregion 566 an der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 in einer Überbrückungskonfiguration verbunden. Bragg-Spiegel (nicht gezeigt) sind an der ersten, vertikalen Oberfläche 554 und der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 an den zweiten Halbleiterschichtregionen 564, 566 vorgesehen, um einen horizontalen, optischen Resonator zu definieren, der die horizontalen Nanodrähte 562 aufweist. Die Bragg-Spiegel können ein unterschiedliches Reflexionsvermögen aufweisen, derart, dass ein Großteil des Lichts an einem Ende austritt und das andere Ende weniger Licht hat, das z. B. zum Überwachen des Lasers verwendet wird.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel sind die vertikalen Nanodrähte 560 aus entweder der ersten, horizontalen Oberfläche 542 oder der zweiten, horizontalen Oberfläche 552 gewachsen und die horizontalen Nanodrähte 562 sind aus entweder der ersten, vertikalen Oberfläche 554 oder der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 gewachsen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) sind die vertikalen Nanodrähte 560 aus der ersten horizontalen Oberfläche 542 und der zweiten horizontalen Oberfläche 552 gewachsen und bilden eine Verbindung zwischen denselben und die horizontalen Nanodrähte 562 sind aus der ersten, vertikalen Oberfläche 554 und der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 gewachsen und bilden eine Verbindung zwischen denselben, wie z. B. bei der Nanodrahtstruktur, die in 2 gezeigt ist.
  • Wie in 5B gezeigt ist, sind Bragg-Spiegel 568, 570 an gegenüberliegenden Enden des Resonators 558 angeordnet. Licht wird aus dem Hohlraum 558 in der Richtung 572 emittiert.
  • Das optoelektronische Bauelement 500 weist ferner eine elektrische Pumpe auf, um den Laserresonator, der durch die horizontalen Nanodrähte 562 und die Bragg-Spiegel gebildet ist; die mit der ersten, vertikalen Oberfläche 554 und der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 integriert sind, und den Laserresonator, der durch die vertikalen Nanodrähte 560 und die Bragg-Spiegel gebildet ist, die mit der ersten, horizontalen Oberfläche 542 und der zweiten, horizontalen Oberfläche 552 integriert sind, mit einem elektrischen Strom oder Puls zu pumpen. Zum Beispiel kann das Substrat 540 hoch n-dotiert in der Region der ersten, horizontalen Oberfläche 542 sein, die zweite Halbleiterschicht 550 kann hoch p-dotiert in der Region der zweiten, horizontalen Oberfläche 552 sein, die erste Halbleiterschichtregion 564 kann hoch p-dotiert in der Region der ersten, vertikalen Oberfläche 554 sein und die erste Halbleiterschichtregion 566 kann hoch n-dotiert in der Region der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 sein. Wie gezeigt ist, kann eine Leistungsquelle 570 elektrisch mit den ersten Halbleiterschichtregionen 564, 566 über Kontaktanschlussflächen 572, 574 verbunden sein, und eine andere Leistungsquelle 576 kann elektrisch mit dem Substrat 540 und der zweiten Halbleiterschicht 550 über Kontaktanschlussflächen 578, 580 verbunden sein. Für eine Lichtemission wird eine Vorwärtsvorspannung durch die Leitungsquellen 570, 576 angelegt.
  • Verschiedene Halbleitermaterialien können verwendet werden, um das Substrat 540, die erste Halbleiterschicht 546 und die zweite Halbleiterschicht 550 zu bilden. Zum Beispiel können das Substrat 540, die erste Halbleiterschicht 546 und die zweite Halbleiterschicht 550 jeweils dasselbe Halbleitermaterial aufweisen, wie z. B. Silizium. Zum Beispiel kann das Substrat 540 ein Siliziumwafer sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können die erste Halbleiterschicht 546 und die zweite Halbleiterschicht 550 unterschiedliche Halbleitermaterialien aufweisen, wie z. B. zumindest eines der Grupppe-III-V-Verbundhalbleitermaterialien, die hierin beschrieben sind.
  • Die vertikalen Nanodrähte 560 und die horizontalen Nanodrähte 562 des optoelektronischen Bauelements 500 weisen zumindest ein Halbleitermaterial auf. Für eine Photodetektor-(d. h. Lichtdetektions-)Operation können die vertikalen Nanodrähte 560 und die horizontalen Nanodrähte 562 jedes geeignete Elementar- oder Verbundhalbleitermaterial aufweisen, wie z. B. Si, Ge oder Si-Ge-Legierungen, und Verbundhalbleitermaterialien. Siliziumnanodrähte können in einem CVD-System unter Verwendung einer Mischung aus Silan (SiH4) und HCl oder Dichlorsilan (SiH2Cl2), unter Verwendung von Au oder Ti als Katalysatormaterial, um die Nanodrähte zu nukleieren, gewachsen sein. Ge-Nanodrähte können gebildet werden unter Verwendung eines Au-katalysierten, epitaxialen Wachstums auf Siliziumsubstraten mit einer Gasmischung aus GeH4 und H2 bei Wachstumstemperaturen von ungefähr 320°C bis 380°C, wie beschrieben ist in T. I. Kamins, X. Li und R. Stanley Williams, Growth and Structure of Chemically Vapor Deposited Ge Nanowires on Substrates, Nano Letters, Bd. 4, Nr. 3, S. 503–06 (2004), das hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist.
  • Für eine Laser-(d. h. Lichtemissions-)Operation können die vertikalen Nanodrähte 560 und die horizontalen Nanodrähte 562 ein oder mehrere Verbundhalbleitermaterialien aufweisen, wie z. B. zumindest ein Gruppe-III-V-Material, wie z. B. zumindest eine binäre Legierung, die ausgewählt ist aus GaP, GaAs, InP, InN und ähnlichem; zumindest eine höhere Gruppe-III-V-Legierung, wie z. B. AlGaAs, InAsP, GaInAs, GaAlAs, GaPAs und ähnliches; ZnO, InO oder Kombinationen dieser oder anderer Verbundhalbleitermaterialien. Die vertikalen Nanodrähte 560 und horizontalen Nanodrähte 562 können Heteroübergänge aufweisen, die Quantenpunkte oder mehrere Quantenquellen umfassen, wie oben beschrieben ist.
  • Bei Ausführungsbeispielen des optoelektronischen Bauelements 500 können Merkmale der vertikalen Nanodrähte 560 und der horizontalen Nanodrähte 562, wie z. B. die Anzahl, räumliche Anordnung und der Durchmesser der Nanodrähte selektiv variiert werden, um die Charakteristika des emittierten, horizontal polarisierten und vertikal polarisierten Lichts zu steuern. Bei einem Ausführungsbeispiel emittiert jeder vertikale Nanodraht 560 und horizontale Nanodraht 562 Licht derselben Wellenlänge. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können die vertikalen Nanodrähte 560 Licht einer unterschiedlichen Wellenlänge emittieren als die horizontalen Nanodrähte 562.
  • Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird das optoelektronische Bauelement 500 hergestellt durch Bilden der ersten Isolatorschicht 544 auf dem Substrat 540, Bilden der ersten Halbleiterschicht 546 auf der ersten Isolatorschicht 544 und Bilden der zweiten Isolatorschicht 548 auf der ersten Halbleiterschicht 546. Dann kann die zweite Isolatorschicht 548 strukturiert werden, um Material von der zweiten Isolatorschicht 548, der ersten Halbleiterschicht 546 und der ersten Isolatorschicht 544 zu entfernen, um die erste, horizontale Oberfläche 542 des Substrats 540 freizulegen und die erste, vertikale Oberfläche 554 und die zweite, vertikale Oberfläche 556 zu bilden. Der Prozess führt vorzugsweise dazu, dass die erste vertikale Oberfläche 554 und die zweite, vertikale Oberfläche 556 parallel zueinander sind. Die Öffnung, wie sie gebildet ist in der zweiten Isolatorschicht 548, der ersten Halbleiterschicht 546 und der ersten Isolatorschicht 544 wird dann z. B. mit einem dielektrischen Material gefüllt. Die zweite Halbleiterschicht 550 ist auf der zweiten Isolatorschicht 548 und dem dielektrischen Material gebildet. Das dielektrische Material wird durch Ätzen entfernt, um den Resonator 558 zu erzeugen.
  • Die vertikalen Nanodrähte 560 und die horizontalen Nanodrähte 562 sind dann in dem Resonator 558 gewachsen. Nanodrähte können auf ausgewählten einen der ersten, horizontalen Oberfläche 542, der zweiten, horizontalen Oberfläche 552, der ersten, vertikalen Oberfläche 554 und der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 gebildet sein. Nanodrähte können überall gebildet sein, wo Nanopartikel sind, wie z. B. Au-Nanopartikel, auf einer Oberfläche mit Kristallinformation. Eine Nanodrahtbildung auf einer Oberfläche kann verhindert werden durch Aufbringen eines Dünnfilms eines dielektrischen Materials, wie z. B. Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid, auf die Oberfläche. Nanopartikel können sowohl auf die erste, horizontale Oberfläche 542, die zweite, horizontale Oberfläche 552, die erste, vertikale Oberfläche 554 und die zweite, vertikale Oberfläche 556 aufgebracht werden unter Verwendung einer Flüssigkeitsaufbringungstechnik, bei der Nanopartikel, wie z. B. Au-Nanopartikel, in einem Kolloidsystem suspendiert sind. Nach dem Aufbringen der Nanopartikel auf die ausgewählte Oberfläche(n) des optoelektronischen Bauelements 500 sind Nanodrähte, wie z. B. Gruppe-III-V-Verbundhalbleiternanodrähte unter Verwendung einer geeigneten Technik gewachsen, wie z. B. MOCVD. In dem Hohlraum 558 können vertikale und horizontale Nanodrähte kontinuierlich von einer Oberfläche (auf der Nanopartikel aufgebracht sind) zu einer gegenüberliegenden Oberfläche gewachsen sein, wie in 1 gezeigt ist, und/oder von beiden gegenüberliegenden Oberflächen (auf denen Nanopartikel aufgebracht sind), um Verbindungsnanodrähte zu bilden, wie in 2 gezeigt ist.
  • Die Bragg-Spiegel 568, 570 können dann an gegenüberliegenden Enden des horizontalen Resonators 558 gebildet sein.
  • Während der Operation des optoelektronischen Bauelements 500 in dem Lasermodus werden die vertikalen Nanodrähte 560 und die horizontalen Nanodrähte 562 selektiv elektrisch erregt, um vertikal polarisiertes Licht bzw. horizontal polarisiertes Licht zu emittieren. Bei einem Ausführungsbeispiel können die vertikalen Nanodrähte 560 und die horizontalen Nanodrähte 562 gleichzeitig elektrisch erregt werden, um auf einem gewünschten Pegel zu emittieren. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können die vertikalen Nanodrähte 560 elektrisch erregt werden, um zu emittieren, während die horizontalen Nanodrähte 562 auf einem niedrigeren Vorspannungspegel betrieben werden, der ausreichend für eine Verstärkungsmediumtransparenz ist, oder umgekehrt. Wie oben beschrieben wurde, können Photonen des horizontal polarisierten Lichts, das durch die horizontalen Nanodrähte 562 emittiert wird, ein Informationsbit codieren, wie z. B. eine „0”, und ein Photon des vertikal polarisierten Lichts, das durch die vertikalen Nanodrähte 560 emittiert wird, kann z. B. eine „1” codieren. Das Bauelement kann ferner eine Ein-/Aus-Codierung bereitstellen, um die Informationsbandbreite zu verdoppeln. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Polarisationen augenblicklich umgeschaltet werden durch selektives Vorspannen der vertikalen Nanodrähte 560 und der horizontalen Nanodrähte 562 mit mehr oder weniger Verstärkung unter Verwendung einer geeigneten, elektrischen Schaltungsanordnung.
  • Wenn das optoelektronische Bauelement 500 als ein Photodetektor betrieben wird, wird Licht unterschiedlich durch die vertikalen Nanodrähte 560 und die horizontalen Nanodrähte 562 absorbiert. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel sind die Nanodrähte üblicherweise nicht dotiert und das Bauelement wird in dem Umkehrvorspannungsmodus betrieben. Ein oder mehrere, vertikale Nanodrähte 560 können aus der ersten, horizontalen Oberfläche 542 oder der zweiten, horizontalen Oberfläche 552 gewachsen sein, und einer oder mehrere, horizontale Nanodrähte 562 können aus der ersten, vertikalen Oberfläche 554 oder der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 gewachsen sein, um sich durchgehend zwischen der ersten, horizontalen Oberfläche 542, und der zweiten, horizontalen Oberflä che 552, und zwischen der ersten, vertikalen Oberfläche 554 und der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 zu erstrecken. Alternativ können einer oder mehrere, vertikale Nanodrähte 560 entweder aus der ersten, horizontalen Oberfläche 542 oder der zweiten horizontalen Oberfläche 552 gewachsen sein, und einer oder mehrere, horizontale Nanodrähte 562 können entweder aus der ersten, vertikalen Oberfläche 554 oder der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 gewachsen sein, und eine Verbindung zwischen der ersten, horizontalen Oberfläche 542 und der zweiten, horizontalen Oberfläche 552 und zwischen der ersten, vertikalen Oberfläche 554 und der zweiten, vertikalen Oberfläche 556 bilden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Bauelement einen oder mehrere verbundene Nanodrähte und einen oder mehrere sich durchgehend erstreckende Nanodrähte umfassen. Bragg-Spiegel sind nicht in dem Photodetektor umfasst und Licht folgt demselben Weg wie bei der Laserkonfiguration, bewegt sich aber in einer entgegengesetzten Richtung. Entsprechend kann das optoelektronische Bauelement 500 als ein Polarisationserfassungsphotodetektor funktionieren. Das optoelektronische Bauelement kann z. B. bei Polarisationsteilungsmultiplexverknüpfungen für gesicherte Kommunikationen verwendet werden.
  • Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen verkörpert sein kann, ohne von dem Wesen oder wesentlichen Charakteristika derselben abzuweichen. Die gegenwärtig offenbarten Ausführungsbeispiele werden daher in jeglicher Hinsicht als darstellend und nicht als einschränkend betrachtet. Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die angehängten Ansprüche und nicht die vorangehende Beschreibung angezeigt und alle Änderungen die sich innerhalb der Bedeutung und des Bereichs und Entsprechungen derselben ergeben sollen hierin umfasst sein.
  • Zusammenfassung
  • Auf Nanodraht basierende, optoelektronische Bauelemente (100, 200, 300, 400, 500), die Nanodrahtlaser, Photodetektoren und optische Halbleiterlaser umfassen, sind offenbart. Die Bauelemente umfassen Nanodrähte (114, 214, 314, 434, 436, 560, 562), die aus einkristallinen und/oder nichteinkristallinen Oberflächen gewachsen sind. Die optischen Halbleiterverstärker umfassen Nanodrahtarrays, die als Ballastlaser wirken, um ein Signal zu verstärken, das durch einen Signalwellenleiter getragen wird. Ausführungsbeispiele der Nanodrahtlaser und Photodetektoren umfassen horizontale und vertikale Nanodrähte (434, 436; 562, 560), die unterschiedliche Polarisationen liefern können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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Claims (10)

  1. Ein auf Nanodraht basierendes, optoelektronisches Bauelement (200), das folgende Merkmale aufweist: zumindest eine erste Oberfläche (210) eines einkristallinen oder nichteinkristallinen Materials; zumindest eine zweite Oberfläche (212) eines einkristallinen oder nichteinkristallinen Materials, wobei jede zweite Oberfläche elektrisch von einer entsprechenden ersten Oberfläche isoliert ist; und zumindest einen ersten Nanodraht (214), der zumindest ein gegenüberliegendes erstes Paar der ersten und zweiten Oberfläche in einer Überbrückungskonfiguration verbindet, wobei der erste Nanodraht aus der ersten und der zweiten Oberfläche gewachsen ist und eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche des ersten Paars der ersten und zweiten Oberflächen bildet.
  2. Das auf Nanodraht basierende, optoelektronische Bauelement gemäß Anspruch 1, das ferner folgende Merkmale aufweist: einen ersten Bragg-Spiegel (124), der auf oder benachbart zu zumindest einer ersten Oberfläche (110) gebildet ist; und einen zweiten Bragg-Spiegel (126), der auf oder benachbart zu zumindest einer zweiten Oberfläche (112) gegenüberliegend zu der zumindest einen ersten Oberfläche gebildet ist; zumindest einen zweiten Nanodraht, der aus der ersten Oberfläche oder der zweiten Oberfläche von zumindest einem gegenüberliegenden zweiten Paar der ersten und zweiten Oberflächen gewachsen ist (114); wobei jedes gegenüberliegende Paar der ersten und zweiten Bragg-Spiegel einen optischen Resonator definiert, der zumindest einen zweiten Nanodraht aufweist; und wobei der erste und der zweite Nanodraht ein Gruppe-III-V-Verbundhalbleitermaterial aufweisen.
  3. Das auf Nanodraht basierende, optoelektronische Bauelement gemäß Anspruch 2, bei dem der erste Nanodraht und/oder der zweite Nanodraht eine aktive Region aufweisen, die einen Quantenpunkt oder einen Heteroübergang aufweist.
  4. Das auf einem Nanodraht basierende, optoelektronische Bauelement gemäß Anspruch 1, das eine Mehrzahl der ersten Nanodrähte (214) aufweist, die zumindest das erste Paar der ersten und zweite Oberflächen (210, 212) in einer Überbrückungskonfiguration verbinden, wobei die ersten Nanodrähte gewachsen sind aus und eine Verbindung bilden zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche des ersten Paars der ersten und der zweiten Oberflächen, wobei die ersten Nanodrähte ein Gruppe-III-V-Verbundhalbleitermaterial aufweisen.
  5. Das auf Nanodraht basierende, optoelektronische Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem: jede erste Oberfläche eine Oberfläche eines ersten Vorsprungs (202) ist; jede zweite Oberfläche eine Oberfläche eines zweiten Vorsprungs (204) ist; und elektrische Kontakte auf oder in jedem der ersten und zweiten Vorsprünge gebildet sind.
  6. Das auf Nanodraht basierende, optoelektronische Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem: jede erste Oberfläche eine Oberfläche eines ersten Vorsprungs ist; jede zweite Oberfläche eine Oberfläche eines zweiten Vorsprungs ist; die erste und die zweite Oberfläche ein nichteinkristallines Material aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus polykristallinem Silizium, amorphem Silizium, mikrokristallinem Silizium, Diamant und diamantartigem Kohlenstoff; die ersten und die zweiten Vorsprünge (i) jeweils ein einkristallines Material aufweisen und (ii) auf einem Substrat (208) gebildet sind, das das einkristalline Material aufweist; oder die ersten und die zweiten Vorsprünge auf einem Substrat (208) gebildet sind, das ein nichteinkristallines Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus mikrokristallinem Silizium, amorphem Silizium, Glas, Quarz, Polymeren und Metallen.
  7. Ein optischer Halbleiterverstärker (300) mit fester Verstärkung, der folgende Merkmale aufweist: zumindest eine erste Oberfläche (310); zumindest eine zweite Oberfläche (312), wobei jede zweite Oberfläche einer entsprechenden ersten Oberfläche zugewandt und elektrisch von derselben isoliert ist; eine Mehrzahl von Nanodrähten (314), die jedes gegenüberliegende Paar der ersten und der zweiten Oberflächen in einer Überbrückungskonfiguration verbinden; und einen Signalwellenleiter (330), der die Nanodrähte derart überlappt, dass ein optisches Signal, das sich entlang dem Signalwellenleiter bewegt, durch Energie verstärkt wird, die durch eine elektrische Erregung der Nanodrähte geliefert wird.
  8. Ein auf Nanodraht basierendes, optoelektronisches Bauelement (400, 500), das folgende Merkmale aufweist: eine erste, horizontale Oberfläche (542); eine zweite, horizontale Oberfläche (552), die elektrisch von der ersten, horizontalen Oberfläche isoliert und derselben zugewandt ist; zumindest einen vertikalen Nanodraht (560), der die erste und die zweite horizontale Oberfläche in einer Überbrückungskonfiguration verbindet, wobei der vertikale Nanodraht (i) entweder aus den ersten oder zweiten horizontalen Oberfläche gewachsen ist oder (ii) aus der ersten und zweiten horizontalen Oberfläche gewachsen ist und eine Verbindung zwischen denselben bildet; eine erste, vertikale Oberfläche (554); eine zweite, vertikale Oberfläche (556), die elektrisch von der ersten, vertikalen Oberfläche isoliert ist und derselben zugewandt ist; und zumindest einen horizontalen Nanodraht (562), der die erste und die zweite vertikale Oberfläche in einer Überbrückungskonfiguration verbindet, wobei der horizontale Nanodraht (i) entweder aus der ersten oder zweiten vertikalen Oberfläche gewachsen ist oder (ii) aus der ersten und der zweiten vertikalen Oberfläche gewachsen ist und eine Verbindung zwischen denselben bildet; wobei der horizontale Nanodraht und der vertikale Nanodraht selektiv elektrisch erregbar sind, um eine horizontale bzw. vertikale Polarisation zu liefern.
  9. Das auf einem Nanodraht basierende, optoelektronische Bauelement gemäß Anspruch 8, das ferner folgende Merkmale aufweist: erste Bragg-Spiegel auf oder benachbart zu der ersten und zweiten horizontalen Oberfläche; zweite Bragg-Spiegel auf oder benachbart zu der ersten und zweiten vertikalen Oberfläche; wobei die erste horizontale Oberfläche, die zweite horizontale Oberfläche, die erste vertikale Oberfläche und die zweite vertikale Oberfläche einen Resonator (558) definieren; und dritte Bragg-Spiegel (568, 570), die an gegenüberliegenden Enden des Resonators angeordnet sind; wobei die horizontalen und vertikalen Nanodrähte ein Gruppe-III-V-Verbundhalbleitermaterial aufweisen.
  10. Das auf einem Nanodraht basierende, optoelektronische Bauelement gemäß Anspruch 8, das ferner folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (540), das die erste horizontale Oberfläche aufweist; eine erste Isolatorschicht (544) auf der ersten, horizontalen Oberfläche; eine erste Halbleiterschicht (546) auf der ersten Isolatorschicht; eine zweite Isolatorschicht (548) auf der ersten Halbleiterschicht; und eine zweite Halbleiterschicht (550) auf der zweiten Isolatorschicht und die die zweite, horizontale Oberfläche aufweist; wobei die erste, horizontale Oberfläche, die zweite, horizontale Oberfläche, die erste, vertikale Oberfläche und die zweite, vertikale Oberfläche einen Resonator (558) definieren, der in der ersten Isolatorschicht, der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Isolatorschicht gebildet ist, die die erste und zweiten vertikale Oberfläche aufweisen.
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