DE112008003659B4 - Nanostrukturen und Verfahren zum Herstellen derselben - Google Patents

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Abstract

Eine Nanostruktur (10, 10', 10", 10'''), die folgende Merkmale umfasst:eine hochleitfähige mikrokristalline Schicht (18), die ein mikrokristallines Material und ein Metall umfasst;einen bipolaren Nanodraht (16), von dem ein Ende an der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht (18) befestigt ist;eine andere Schicht (18, 30), die an dem anderen Ende des bipolaren Nanodrahts (16) befestigt ist;ein Substrat (14), auf dem die hochleitfähige mikrokristalline Schicht (18) eingerichtet ist; undeine leitfähige Oxidschicht (32), die zwischen der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht (18) und dem Substrat (14) eingerichtet ist.

Description

  • Hintergrund
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Nanostrukturen und Verfahren zum Herstellen derselben.
  • Seit dem Beginn der Halbleitertechnologie gibt es einen ständigen Trend zur Entwicklung kleinerer Vorrichtungsabmessungen und höherer Bauelementdichten. Als Folge erlebte die Nanotechnologie ein explosives Wachstum und erzeugte wesentliches Interesse. Nanotechnologie zentriert sich auf die Herstellung und Anwendung von Strukturen im Nanomaßstab oder Strukturen mit Abmessungen, die häufig 5 bis 100 mal kleiner sind als herkömmliche Halbleiterstrukturen. Nanodrähte sind in der Kategorie von Strukturen im Nanomaßstab enthalten.
  • Nanodrähte sind drahtartige Strukturen mit zumindest einer linearen Abmessung (z. B. einem Durchmesser), der von etwa 1 nm bis etwa 800 nm reicht. Es ist klar, dass der Durchmesser des Nanodrahts auch entlang der Länge variieren kann (z. B. von mehreren hundert Nanometern in der Basis bis zu einigen wenigen Nanometern an der Spitze). Nanodrähte sind geeignet für die Verwendung bei einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich einem Wirken als herkömmliche Drähte für Verbindungswendungen oder als Halbleiterbauelemente. Nanodrähte sind auch die Bausteine vieler potentieller Bauelemente im Nanomaßstab, wie z. B. Feldeffekttransistoren (FETs), p-n-Dioden, Licht emittierende Dioden (LEDs) und nanodrahtbasierte Sensoren im Nanomaßstab, um einige zu nennen.
  • Figurenliste
  • Merkmale und Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung werden offensichtlich durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen den gleichen oder ähnlichen, wenn auch vielleicht nicht identischen Komponenten entsprechen. Der Kürze halber kann es sein, dass Bezugszeichen mit einer vorher beschriebenen Funktion in Verbindung mit nachfolgenden Zeichnungen, in denen sie erscheinen, beschrieben werden oder nicht.
    • 1 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens darstellt zum Bilden eines Ausführungsbeispiels einer Nanostruktur;
    • 2A zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Bilden eines und 2B Ausführungsbeispiels der Nanostruktur;
    • 3A zeigen schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Bilbis 3C den eines weiteren Ausführungsbeispiels der Nanostruktur;
    • 4A zeigen schematisch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum bis 4D Bilden noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Nanostruktur; und
    • 5A zeigen schematisch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Bilbis 5C den eines Ausführungsbeispiels der Nanostruktur.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Ausführungsbeispiele der hierin offenbarten Nanostruktur umfassen einen oder mehrere bipolare Nanodrähte mit zumindest einem Ende, das an einer hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht befestigt ist.
  • Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff „bipolarer Nanodraht“ auf einen Nanodraht, der Segmente mit zumindest zwei unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen aufweist. Allgemein erstrecken sich diese dotierten Segmente einen vorbestimmten Abstand entlang der Länge des Nanodrahts und über die Enden hinaus, die beispielsweise die hochleitfähige mikrokristalline Schicht kontaktieren. Der Nanodraht kann ein p-n- oder ein n-p-Nanodraht sein. Solche Nanodraht-Nanostrukturen können besonders geeignet sein für die Verwendung als Emitter und Photodetektoren. Die hierin offenbarten Nanodrähte können auch einen oder mehrere Heteroübergänge aufweisen (d. h. einen Übergang, an dem sich zwei unterschiedliche Materialien treffen). Der Nanodraht kann auch mehrere p-Typ- oder n-Typ-Segmente durch die Länge des Nanodrahts umfassen und/oder eine undotierte intrinsische Halbleiterregion (z. B. p-i-n oder n-i-p). Nicht begrenzende Beispiele von mehrfach segmentierten Nanodrähten umfassen p+-p-n-n+ oder p+-p-i-n-n+, wobei „p+“ oder „n+“ einen höheren Dotierpegel anzeigt als p oder n allein. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, die höher dotierten Pegel an Bereichen aufzunehmen, wo der Nanodraht einen Kontakt mit der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht bildet. Für Photodioden kann ein p+-p-i-n-n+ Nanodraht besonders geeignet sein, wo die höher dotierten Pegel mit jeweiligen hochleitfähigen mikrokristallinen Schichten einen ohmschen Kontakt bilden.
  • Ferner kann der bipolare Nanodraht Quantenmulden oder Heterostrukturen umfassen, die in demselben gebildet sind. Eine p-i-n- oder n-i-p-Nanodraht-Nanostruktur und Nanostrukturen mit darin gebildeten Quantenmulden oder Heterostrukturen können besonders geeignet sein für die Verwendung als Photodetektoren und Emitter. In einem nicht begrenzenden Beispiel können eine Heterostruktur und Quantenmulden gebildet werden durch Aufwachsen eines InP-InGaAsP-InP-InGaAsP-InP-Nanodrahts, wobei jeder InP-InGaAsP-InP-Abschnitt als eine Quantenmulde wirkt, wenn die Länge des InGaAsP-Segments etwa 30 nm beträgt. Eine Heterostruktur kann beispielsweise auch gebildet werden, wenn das InGaAsP-Segment größer ist (d. h. eine Länge aufweist, die größer oder gleich 100 nm ist).
  • Außerdem bedeutet der Begriff „hochleitfähig“, wie er ebenfalls hierin verwendet wird, in Bezug auf die mikrokristalline Schicht, dass die Schicht eine Widerstandsfähigkeit aufweist, die von etwa 1 µohm/cm bis etwa 100 µohm/cm reicht. In einigen Fällen reicht die Widerstandsfähigkeit von etwa 1 µohm/cm bis etwa 10 µohm/cm und in anderen Fällen ist die Widerstandsfähigkeit geringer als 50 µohm/cm. Allgemein, je niedriger die Widerstandsfähigkeit, um so leitfähiger ist die mikrokristalline Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen der hierin offenbarten Verfahren werden die Nanodrähte im Allgemeinen während des Wachstums dotiert. In einigen Fällen ist das Metallmaterial, das verwendet wird, um die hochleitfähige mikrokristalline Schicht zu bilden, ausreichend, um erwünschte Leitfähigkeitspegel zu schaffen; und als daher können zusätzliche Verarbeitungsschritte zum Dotieren der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht vermieden werden.
  • Mit Bezugnahme auf 1 umfassen Ausführungsbeispiele des Verfahrens im Allgemeinen das Bilden einer hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht, wie sie bei Bezugszeichen 100 gezeigt ist, und das Aufwachsen eines bipolaren Nanodrahts, so dass ein Ende des bipolaren Nanodrahts an der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht befestigt ist und ein anderes Ende an einer anderen Schicht befestigt ist, wie es bei dem Bezugszeichen 102 gezeigt ist. Es ist klar, dass detailliertere Aspekte des in 1 gezeigten Verfahrens und die resultierenden Nanostrukturen mit Bezugnahme auf die anderen Figuren näher erörtert werden.
  • 2A und 2B zeigen zusammen ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens, das hierin offenbart ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Metallmaterial/eine Metallschicht 12 auf einem Substrat 14 eingerichtet. Es ist klar, dass jedes geeignete Substrat 14 verwendet werden kann. Das Substrat 14 kann transparent oder undurchlässig sein, zumindest teilweise abhängig von der gewünschten Endverwendung des Bauelements 10 (in 2B gezeigt). Spezifischere Beispiele von geeigneten Substratmaterialien umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Quarz, Siliziumwafer, Metallfolien (z. B. Folien aus rostfreiem Stahl), Glas, Polymere oder Kombinationen davon.
  • Es ist klar, dass globale hohe Temperaturen (z. B. verwendet zum Ausheilen, Schicht/Nanodrahtwachstum usw.) bestimmte Substratmaterialien, wie z. B. Polymere, verschlechtern können. Als solches, wenn solche Materialien für das Substrat 14 verwendet werden, kann es wünschenswert sein, lokalisierte Erwärmung zu verwenden (z. B. unter Verwendung einer Laserquelle), um Hitze zu liefern zum Ausheilen und/oder für Wachstum von Halbleitermaterial, Mikrokristallin und/oder Nanodraht 16. In einigen Fällen kann das Bewegen des Laserpunkts verwendet werden, um lokalisiertes Erhitzen für einen größeren Bereich zu liefern.
  • Das Metallmaterial/Die Metallschicht 12 kann eingerichtet werden, um jede gewünschte Konfiguration zu haben, und bei diesem Ausführungsbeispiel hat das Material/die Schicht 12 mehrere Spitzen, zwischen denen der Nanodraht 16 (2B) gebildet werden kann. Nicht begrenzende Beispiele von geeigneten Metallen umfassen Platin, Titan, Wolfram, Nickel, Kobalt oder jedes geeignete Alkalimetall zum Bilden beispielsweise von Silizid oder einer anderen hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht. Das Metallmaterial/Die Metallschicht 12 kann eingerichtet werden über jede geeignete Aufbringungstechnik, einschließlich, aber nicht begrenzt auf, Sputtern, Verdampfen, chemische Dampfaufbringung oder dergleichen.
  • Allgemein kann das Metallmaterial/die Metallschicht 12 eingerichtet werden, um jede gewünschte Dicke zu haben, und die Dicke kann entlang der Länge des eingerichteten Materials/der Schicht 12 variieren. Es ist klar, dass bei einigen Ausführungsbeispielen das Metallmaterial/die Metallschicht 12 dick genug ist, um ausreichend Leitfähigkeit für die resultierende leitfähige mikrokristalline Schicht 18 zu liefern (2B). Als nicht begrenzendes Beispiel reicht die Dicke des Metallmaterials/der Metallschicht 12 von etwa 10 nm bis etwa 100 nm.
  • Ein mikrokristallines Material/Eine mikrokristalline Schicht 20 ist auf zumindest einem Abschnitt des Metallmaterials/der Metallschicht 12 eingerichtet. Das mikrokristalline Material/Die mikrokristalline Schicht 20 kann aus mikrokristallinem Silizium, mikrokristallinem Germanium oder Legierungen davon gebildet sein. Es ist klar, dass das mikrokristalline Material/die mikrokristalline Schicht 20 undotiert sein kann oder leicht dotiert sein kann mit p-Typ-Leitfähigkeit oder n-Typ-Leitfähigkeit. Erfindungsgemäß (wie es hierin nachfolgend näher beschrieben wird) reagiert das mikrokristalline Material/die mikrokristalline Schicht 20 mit dem Metallmaterial/der Metallschicht 12, um die hochleitfähige mikrokristalline Schicht 18 zu bilden (nicht begrenzende Beispiele davon umfassen ein Silizid oder ein Germanat (z. B. Platinsilizid und/oder Platingermanat)). Als Folge dieser Reaktion wird entweder das undotierte oder das leicht dotierte mikrokristalline Material/die mikrokristalline Schicht 20 hochleitfähig.
  • Das mikrokristalline Material/Die mikrokristalline Schicht 20 kann eingerichtet werden durch jede geeignete Technik (z. B. plasmagestützte chemische Dampfaufbringung (PECVD)) und in jeder gewünschten Dicke (die allgemeinen von etwa 10 nm bis etwa 10.000 nm reicht). Falls es wünschenswert ist, die gesamte Dicke eines undotierten mikrokristallinen Materials/einer undotierten mikrokristallinen Schicht 20 auf ein hochleitfähiges Mikrokristallin umzuwandeln, ist klar, dass die Dicke des Materials/der Schicht 20 relativ dünn sein kann. Bei einem Ausführungsbeispiel reicht die Dicke des Metallmaterials/der Metallschicht 12 von etwa 10 nm bis etwa 1.000 nm, und die Dicke des mikrokristallinen Materials/der mikrokristallinen Schicht 20 reicht von etwa 10 nm bis etwa 10.000 nm. Es ist klar, dass die Dicken des jeweiligen Materials/der jeweiligen Schichten 12, 20 variieren können, zumindest. teilweise abhängig davon, ob das mikrokristalline Material/die mikrokristalline Schicht 20 leicht dotiert oder undotiert ist, und davon, ob es wünschenswert ist, das gesamte mikrokristalline Material/die gesamte mikrokristalline Schicht 20 umzuwandeln, davon, wie leitfähig die resultierende mikrokristalline Schicht 18 sein soll oder dergleichen, oder Kombinationen davon. Bei einem nicht begrenzenden Beispiel ist das Metallmaterial/die Metallschicht 12 etwa 100 nm dick und das mikrokristalline Material/die mikrokristalline Schicht 20 ist etwa 500 nm dick.
  • Wie es in 2A gezeigt ist, kann ein Katalysatornanopartikel 22 auf einem der mikrokristallinen Materialien/der mikrokristallinen Schicht 20 eingerichtet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Katalysatornanopartikel 22 gebildet durch Aufbringen (auf dem mikrokristallinen Material/der mikrokristallinen Schicht 20) eines Materials/Materialien, die nachfolgend das Katalysatornanopartikel 22 bilden (z. B. auf das Erhitzen hin). Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein vorgeformtes Katalysatornanopartikel 22 auf dem mikrokristallinen Material/der mikrokristallinen Schicht 20 aufgebracht. Bei jedem Ausführungsbeispiel umfassen geeignete Aufbringungsprozesse, sind aber nicht begrenzt auf, physikalische Aufbringungsprozesse, Lösungsaufbringungsprozesse, chemische Aufbringungsprozesse, elektromechanische Aufbringungsprozesse und/oder Kombinationen davon.
  • Nicht begrenzende Beispiele von geeigneten Katalysatornanopartikelmaterialien umfassen Gold, Titan, Platin, Palladium, Gallium, Nickel oder Kombinationen davon.
  • Wachstum des Nanodrahts 16 kann initiiert werden über das Katalysatornanopartikel 22 und ein Vorläufergas. Es ist klar, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die Wachstumsbedingungen (z. B. Temperatur) des Nanodrahts 16 geeignet sind zum Initiieren einer Reaktion zwischen dem Metallmaterial/der Metallschicht 12 und dem mikrokristallinen Material/der mikrokristallinen Schicht 20, wodurch die hochleitfähige mikrokristalline Schicht 18 gebildet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke des Metallmaterials/der Metallschicht 12 ausreichend, um das mikrokristalline Material/die mikrokristalline Schicht 20 vollständig in eine hochleitfähige mikrokristalline Schicht 18 umzuwandeln. Da das Metallmaterial/die Metallschicht 12 kombiniert wird mit dem mikrokristallinen Material/der mikrokristallinen Schicht 20, wird die resultierende mikrokristalline Schicht 18 hochleitfähig aufgrund von Elektronen von dem Metall. Als solches ist die hochleitfähige mikrokristalline Schicht 18 allgemein mit n-Typ-Leitfähigkeit dotiert.
  • Die Zusammensetzung der resultierenden hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18 wird zumindest teilweise von dem verwendeten Metall und Mikrokristallin abhängen, sowie der Dicke solcher Materialien/Schichten 12, 20. Als nicht begrenzende Beispiele können die hochleitfähigen mikrokristallinen Schichten 18 ein Silizid, Germanat oder Kombinationen von Silizid und Germanat sein.
  • Da die Nanodrahtwachstumsbedingungen bei dem in 2B gezeigten Ausführungsbeispiel die hochleitfähige mikrokristalline Schicht 18 bilden, wird das Wachstum des Nanodrahts 16 initiiert bei einer Oberfläche der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18 und an einer anderen Oberfläche der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18 wird eine Verbindung gebildet. Es ist klar, dass eines der Nanodrahtenden an einer anderen Oberfläche befestigt sein kann (d. h. einer anderen als einer Oberfläche der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18), solange Wachstum von einer hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18 initiiert wird. Nicht begrenzende Beispiele von Oberflächen, an denen ein Nanodrahtende befestigt sein kann, umfassen eine hochleitfähige mikrokristalline Schicht 18, eine leitfähige Oxidschicht, eine Quarzschicht oder Schichten davon. Bei einem nicht begrenzenden Beispiel kann die Spitze, an der der Nanodraht 16 befestigt sein kann, eine darauf eingerichtete Schicht aus leitfähigem Oxid aufweisen anstatt der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18.
  • Während der Nanodraht 16 wächst, wird derselbe an vorbestimmten Bereichen mit einem Dotiermittel dotiert, das in der Lage ist, unterschiedliche Leitfähigkeitstypen in eines oder mehrere der Nanodrahtsegmente S1 , S2 , S3 einzuführen. Das Dotiermittel wird mit dem Vorläufergas eingeführt. Allgemein werden zumindest zwei der Segmente S1 , S2 , S3 unterschiedlich dotiert, so dass ein bipolarer Nanodraht 16 gebildet wird. Es ist klar, dass zumindest eines der Segmente S1 , S2 , S3 p-Typ- oder n-Typ-dotiert ist und zumindest ein anderes der Segmente S1 , S2 , S3 mit dem anderen von n-Typ oder p-Typ dotiert ist. In einem nicht begrenzenden Beispiel kann der Nanodraht 16 zwei unterschiedlich dotierte Segmente S1 , S2 umfassen (siehe z. B. 4D), wodurch ein p-n- oder n-p-Nanodraht 16 gebildet wird. Wie es vorher erwähnt wurde, kann der Nanodraht 16 auch aufgewachsen werden, um mehrere p-Typ- und n-Typ-Segmente (nicht gezeigt) zu umfassen, oder um eine undotierte intrinsische Halbleiterregion zu umfassen (siehe z. B. 2B und 3C).
  • Allgemein werden die Nanodrahtsegmente S1 , S2 , S3 aus Halbleitermaterialien ausgewählt. Nicht begrenzende Beispiele solcher Materialien umfassen Silizium, Germanium, Indiumphosphid, Galliumarsenid, Galliumnitrid oder dergleichen oder Legierungen davon oder Kombinationen davon. Ferner umfassen Dotiermittel zum Einführen von p-Typ-Leitfähigkeit in Gruppe-IV-Halbleiter Boron, andere ähnliche Elemente oder Kombinationen davon, sind aber nicht darauf begrenzt; und Dotiermittel zum Einführen von n-Typ-Leitfähigkeit in Gruppe-IV-Halbleiter umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Phosphor, Arsen, Antimon oder andere ähnliche Elemente oder Kombinationen davon. Unterschiedliche Dotiermittel können geeignet sein für Gruppe-III-V-Materialien, wie z. B. Silizium, Karbon, Zink oder dergleichen oder Kombinationen davon.
  • Das erste Segment Si wird aufgewachsen, bis eine gewünschte Länge erreicht wird. Allgemein wird das erste Segment S1 dotiert, so dass dasselbe einen gewünschten ohmschen Kontakt mit der Oberfläche bildet, von der dasselbe aufgewachsen wird.
  • Sobald das erste Segment S1 auf eine gewünschte Länge gewachsen ist, umfasst das Verfahren das Ändern oder Entfernen der Dotiermittelkonzentration, um das zweite Segment S2 an dem Ende des ersten Segments S1 zu bilden. Bei dem Ausführungsbeispiel von 2B ist das zweite Segment S2 eine undotierte intrinsische Halbleiterregion. Dieses Segment S2 wird allgemein gebildet durch Entfernen des/der Dotiermittel(s) von dem Vorläufergas und Fortsetzen des Wachstums des Nanodrahts 16.
  • Für Nanodrähte 16, die drei oder mehr Segmente S1 , S2 , S3 umfassen, sobald das zweite Segment S2 auf eine gewünschte Länge gewachsen ist, umfasst das Verfahren das Ändern der Dotiermittelkonzentration oder das Wiedereinführen einer weiteren Dotiermittelkonzentration, um das dritte Segment S3 am Ende des zweiten Segments S2 zu bilden. Bei dem in 2B gezeigten Ausführungsbeispiel wird das dritte Segment S3 dotiert, um einen Leitfähigkeitstyp einzuführen, der anders ist als der Leitfähigkeitstyp des ersten Segments S1 . Allgemein ist dass dritte Segment S3 dotiert, so dass dasselbe einen gewünschten ohmschen Kontakt mit der Oberfläche bildet, an der dasselbe befestigt ist.
  • Es ist klar, dass die Markierungen der Segmente S1 , S2 , S3 (d. h. erstes, zweites, drittes) lediglich zu darstellenden Zwecken verwendet werden und keinen spezifischen Nanodraht 16 auf eine Ausrichtung eines bestimmten Segments S1 , S2 , S3 begrenzen. In einigen Fällen kann das dritte Segment S3 beispielsweise die undotierte intrinsische Halbleiterregion sein und somit zwischen zwei anderen Nanodrahtsegmenten S1 , S2 positioniert sein.
  • In 2B verbindet der resultierende Nanodraht 16 mit einer anderen hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18, die auf einer benachbarten Spitze des Metallmaterials/der Metallschicht 12 gebildet ist. Obwohl der in 2B gezeigte Nanodraht so dargestellt ist, dass er im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist zwischen den Spitzen, ist klar, dass der/die Nanodraht/Nanodrähte 16 relativ beliebig von einer Oberfläche zu einer anderen wachsen. Als solches können die Nanodrähte 16 horizontal, vertikal oder in einem beliebigen Winkel ausgerichtet sein, zumindest teilweise abhängig von dem Bauelementtyp 10, der zu bilden ist, und der Ausrichtung der Oberfläche der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18 (die in einigen Fällen beliebig ausgerichtete Mikrokristalle aufweist), von der der Nanodraht 16 aufgewachsen wird.
  • Mit Bezugnahme auf 3A bis 3C ist ein Ausführungsbeispiel des Bildens eines weiteren Ausführungsbeispiels des Bauelements 10' (in 3C gezeigt) dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das mikrokristalline Material/die mikrokristalline Schicht 20 auf zumindest einem Teil des Substrats 14 eingerichtet, und das Metallmaterial/die Metallschicht 12 ist auf zumindest einem Teil des mikrokristallinen Materials/der mikrokristallinen Schicht 20 eingerichtet. Es ist klar, dass die hierin oben beschriebenen Materialien und Verfahren für solche Materialien/Schichten 12, 20 oder Substrate 14 in jedem der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele verwendet werden können.
  • Wie es in 3A gezeigt ist, ist das mikrokristalline Material/die mikrokristalline Schicht 20 konfiguriert mit einem Zwischenraum 24, und der Nanodraht 16 kann aufgewachsen werden, um sich über den Zwischenraum 24 zu erstrecken. Es ist klar, dass das mikrokristalline Material/die mikrokristalline Schicht 20 auf jede gewünschte Weise auf dem Substrat 14 eingerichtet werden kann, einschließlich der Spitzenkonfiguration des Metallmaterials/der Metallschicht 12, die in 2A und 2B gezeigt ist. Allgemein hängt die Konfiguration des mikrokristallinen Materials/der mikrokristallinen Schicht 20 und des Metallmaterials/der Metallschicht 12 zumindest teilweise von der gewünschten Position des Nanodrahts 16 ab.
  • Wenn das Metallmaterial/die Metallschicht 12 auf dem mikrokristallinen Material/der mikrokristallinen Schicht 20 eingerichtet ist, ist klar, dass das Verfahren ferner einen Ausheilungsschritt umfasst vor dem Einrichten des Katalysatornanopartikels 22 und Bilden des Nanodrahts 16. Das Ausheilen initiiert eine Reaktion zwischen dem Metallmaterial/der Metallschicht 12 und einem Abschnitt des darunterliegenden mikrokristallinen Materials/der mikrokristallinen Schicht 20. Diese Reaktion führt zur Bildung der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18 an der Oberfläche von und sich erstreckend in einen Abschnitt des mikrokristallinen Materials/der mikrokristallinen Schicht 20. Es ist klar, dass Ausheilungstemperaturen variieren können, abhängig zumindest teilweise von der Dicke des Metallmaterials/der Metallschicht 12. Als nicht begrenzende Beispiele kann die Ausheilungstemperatur von etwa 350°C bis etwa 550°C reichen.
  • Es ist klar, dass die Menge des mikrokristallinen Materials/der mikrokristallinen Schicht 20, die mit dem Metallmaterial/der Metallschicht 12 reagiert, zumindest teilweise von der Dicke des Metallmaterials/der Metallschicht 12 abhängt. Es ist ferner klar, dass, wenn ein undotiertes mikrokristallines Material/eine undotierte mikrokristalline Schicht 20 verwendet wird und ein Teil des Materials/der Schicht 20 nach der Reaktion undotiert oder leicht dotiert bleibt, der verbleibende undotierte/leicht dotierte Abschnitt dotiert wird, um eine gewünschte hohe Leitfähigkeit zu zeigen. Dies wird näher beschrieben mit Bezugnahme auf 4A bis 4D.
  • Wie es in 3B gezeigt ist, sobald die hochleitfähige mikrokristalline Schicht 18 gebildet ist, kann das Katalysatornanopartikel 22 darauf eingerichtet werden. Wachstum des Nanodrahts 16 kann dann initiiert werden über das Katalysatornanopartikel 22 und ein Vorläufergas.
  • 3C zeigt den resultierenden Nanodraht 16. Wie es gezeigt ist, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Nanodraht 16 an zwei Oberflächen der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18 befestigt. Wie es vorher angemerkt wurde, ist klar, dass eines der Nanodrahtenden an einer anderen Oberfläche befestigt ist (d. h. einer anderen als einer Oberfläche der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18).
  • Während der Nanodraht 16 wächst, wird derselbe an vorbestimmten Bereichen dotiert mit einem Dotiermittel, das in der Lage ist, unterschiedliche Leitfähigkeitstypen in eines oder mehrere der Nanodrahtsegmente S1 , S2 , S3 einzuführen. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Nanodraht 16 ein Segment S1 , das dotiert ist, um einen ersten Leitfähigkeitstyp zu haben, ein Segment S2 eines undotierten, intrinsischen Halbleiters, und ein Segment S3 , das dotiert ist, um einen zweiten Leitfähigkeitstyp zu haben, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet. Es ist klar, dass der erste und der zweite Leitfähigkeitstyp aus p-Typ und n-Typ ausgewählt sind. Daher ist das in 3C gezeigte Ausführungsbeispiel ein p-i-n- oder ein n-i-p-Nanodraht 16. Wie es vorher beschrieben ist, können die jeweiligen Segmente S1 , S2 , S3 auf jede gewünschte Länge aufgewachsen werden. Wie es oben mit Bezugnahme auf 2A und 2B erwähnt wurde, werden während des Wachstums des undotierten intrinsischen Halbleitersegments S2 Dotiermittel entfernt von dem Vorläufergas und es wird dem Nanodraht 16 erlaubt, für eine vorbestimmte Zeit zu wachsen, bevor ein weiteres Dotiermittel eingeführt wird.
  • Wie es vorher erwähnt wurde, wächst/wachsen der Nanodraht/die Nanodrähte 16 in einer beliebigen Richtung. 3C zeigt den Nanodraht 16 winklig ausgerichtet über den Zwischenraum 24.
  • 4A bis 4D zeigen noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Bilden eines weiteren Ausführungsbeispiels des Bauelements 10" (siehe 4D). Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das mikrokristalline Material/die mikrokristalline Schicht 20 nicht dotiert und auf zumindest einem Abschnitt des Metallmaterials/der Metallschicht 12 eingerichtet. Obwohl dies in 4A nicht gezeigt ist, kann das Metallmaterial/die Metallschicht 12 auf einem Substrat 14 gebildet sein, wie diejenigen, die vorher beschrieben sind.
  • Die Materialien/Schichten 12, 20 werden Ausheilen unterzogen. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das undotierte mikrokristalline Material/die mikrokristalline Schicht 20 eine Dicke, so dass auf das Aussetzen gegenüber einer Ausheilung ein Teil des undotierten mikrokristallinen Materials/der undotierten mikrokristallinen Schicht 20 ein undotierter mikrokristalliner Abschnitt 26 bleibt oder ein leicht dotierter mikrokristalliner Abschnitt wird, und ein weiterer Abschnitt des undotierten mikrokristallinen Materials/der undotierten mikrokristallinen Schicht 20 mit dem Metallmaterial/der Metallschicht 12 reagiert, um die hochleitfähige mikrokristalline Schicht 18 zu bilden. Allgemein bleibt der undotierte oder leicht dotierte mikrokristalline Abschnitt 26 nach dem Ausheilen, wenn das Metallmaterial/die Metallschicht 12 nicht dick genug ist, um mit dem gesamten undotierten mikrokristallinen Material/der gesamten undotierten mikrokristallinen Schicht 20 zu reagieren. Da die Reaktion zwischen dem Metallmaterial/der Metallschicht 12 und dem undotierten mikrokristallinen Material/der undotierten mikrokristallinen Schicht 20 an der Schnittstelle zwischen den zwei Materialien/Schichten 12, 20 initiiert, wird der Abschnitt des undotierten mikrokristallinen Materials/der undotierten mikrokristallinen Schicht 20 direkt benachbart zu dem Metallmaterial/der Metallschicht 12 umgewandelt zu der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18. Als solches, wenn das undotierte mikrokristalline Material/die undotierte mikrokristalline Schicht 20 zu dick ist und/oder das Metallmaterial/die Metallschicht 12 zu dünn ist, schreitet die Reaktion durch weniger als die gesamte Dicke des undotierten mikrokristallinen Materials/der undotierten mikrokristallinen Schicht 20 fort, und zumindest die Oberfläche des undotierten mikrokristallinen Materials/der undotierten mikrokristallinen Schicht 20 bleibt undotiert oder wird leicht dotiert.
  • Da es wünschenswert ist, den Nanodraht 16 von einer hochleitfähigen Oberfläche aufzuwachsen, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner das Dotieren des undotierten oder leicht dotierten mikrokristallinen Abschnitts 26, um p-Typ-Leitfähigkeit oder n-Typ-Leitfähigkeit aufzuweisen. Der dotierte mikrokristalline Abschnitt ist in 4C mit 28 gekennzeichnet. Es wird davon ausgegangen, dass durch weiteres Dotieren des Abschnitts 26 jede Anstieg der Widerstandsfähigkeit (aufgrund des undotierten oder leicht dotierten Abschnitts 26) minimiert oder eliminiert wird. Das verwendete Dotiermittel hängt zumindest teilweise von dem Leitfähigkeitstyp des Segments S1 , S2 , S3 des Nanodrahts 16 ab, der den dotierten mikrokristallinen Abschnitt 28 kontaktiert.
  • Obwohl dieses Ausführungsbeispiel des Verfahrens zu einer Nanodrahtwachstumsoberfläche führt, die leitfähig ist, ist klar, dass dieses Ausführungsbeispiel der hochleitfähigen Wachstumsoberfläche Folgendes umfasst: 1) einen Abschnitt, der das Ergebnis der Reaktion zwischen dem Metallmaterial/der Metallschicht 12 und der undotierten mikrokristallinen Schicht 20 (d. h. hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18) ist, und 2) einen weiteren Abschnitt, der mit dem gewünschten Leitfähigkeitstyp dotiert ist.
  • Nachdem die gesamte Wachstumsoberfläche aus einer Form eines hochleitfähigen mikrokristallinen Materials besteht, kann das Katalysatornanopartikel 22 eingerichtet werden und das Wachstum des Nanodrahts 16 kann wie oben beschrieben initiiert werden. 4D zeigt ein Ausführungsbeispiel des Bauelements 10", das über dieses Ausführungsbeispiel des Verfahrens gebildet wird. Wie es gezeigt ist, wird der Nanodraht 16 zweimal während des Wachstums dotiert, was zu zwei Segmenten S1 , S2 mit unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen führt (d. h. ein p-n-Nanodraht oder ein n-p-Nanodraht).
  • Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Bilden noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des Bauelements 10''' ist in 5A bis 5C gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Mehrzahl von Nanodrähten 16 aufwachsen, in zufälligen, etwa vertikalen Richtungen zwischen der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht 18 und einer weiteren Schicht 30.
  • Es ist klar, dass jedes der hierin oben offenbarten Ausführungsbeispiele eine Mehrzahl von Nanodrähten 16 umfassen kann.
  • 5A zeigt die bereits gebildete hochleitfähige mikrokristalline Schicht 18 und die bereits aufgewachsene Mehrzahl von Nanodrähten 16. Es ist klar, dass die Schicht 18 und Nanodrähte 16 gebildet und aufgewachsen werden können unter Verwendung von einem der hierin oben offenbarten Ausführungsbeispiele. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Metallmaterial/die Metallschicht 12 auf dem Substrat 14 eingerichtet und das undotierte mikrokristalline Material/die undotierte mikrokristalline Schicht 20 (nicht gezeigt) wird anfangs auf dem Metallmaterial/der Metallschicht 12 eingerichtet.
  • Wie es in 5A gezeigt ist, ist das Metallmaterial/die Metallschicht 12 auf einem Substrat 14 eingerichtet mit einer leitfähigen Oxidschicht 32, die darauf eingerichtet ist. Ein nicht begrenzendes Beispiel einer solchen leitfähigen Oxidschicht 32 umfasst Indiumzinnoxid. Jedes der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele kann eine solche leitfähige Oxidschicht 32 umfassen.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird ein Material 34 zwischen den Nanodrähten 16 eingerichtet. Das Material 34 kann so eingerichtet werden, dass dasselbe die Nanodrähte 16 bedeckt (wie es in 5B gezeigt ist). In einigen Fällen kann es jedoch wünschenswert sein, dass das Material 34 eingerichtet wird, so dass sich die Nanodrähte 16 durch das Material 34 erstrecken, wodurch eine Antireflexionsoberfläche gebildet wird. Nicht begrenzende Beispiele solcher Materialien 34 umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Kalziumfluorid, Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, Aufschleuderglas und/oder Kombinationen davon. Ein solches Material 34 kann eingerichtet werden über Sputtern, chemische Dampfaufbringung (CVD; CVD = chemical vapor deposition), Verdampfung, Flüssigkeitstropfen und Aufschleudern (z. B. Aufschleuderglas) und/oder dergleichen. Das Material 34 kann auch als eine Passivierungsschicht für die Nanodrähte 16 dienen.
  • Wenn das Material 34 eingerichtet ist, um die Nanodrähte 16 zu bedecken, kann es wünschenswert sein, dann das Material 34 zurückzuätzen (z. B. über chemischmechanische Planarisierung (CMP; CMP = chemical mechanical planarization), so dass ein Segment S1 von jedem der Nanodrähte 16 freigelegt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Nanodrähte 16 im Wesentlichen planar sein mit einer Oberfläche S des Materials 34 (siehe 5C) oder können im Wesentlichen nichtplanar sein mit der Oberfläche S. Falls es wünschenswert ist, kann die andere Schicht 30 dann auf dem Material 34 und auf den freigelegten Nanodrahtsegmenten S1 eingerichtet werden. Nicht begrenzende Beispiele dieser anderen Schicht 30 umfassen eine hochleitfähige mikrokristalline Schicht 18 (z. B. gebildet über die hierin offenbarten Verfahren), eine leitfähige Oxidschicht, eine metallische ohmsche Schicht oder Schichten davon. Es ist ferner klar, dass diese andere Schicht 30 auch an einem zusätzlichen Substrat (nicht gezeigt) befestigt sein kann.
  • Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele in Einzelheiten beschrieben wurden, ist es für Fachleute auf diesem Gebiet klar, dass die offenbarten Ausführungsbeispiele modifiziert werden können. Daher ist die obige Beschreibung beispielhaft und nicht begrenzend zu sehen.

Claims (12)

  1. Eine Nanostruktur (10, 10', 10", 10'''), die folgende Merkmale umfasst: eine hochleitfähige mikrokristalline Schicht (18), die ein mikrokristallines Material und ein Metall umfasst; einen bipolaren Nanodraht (16), von dem ein Ende an der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht (18) befestigt ist; eine andere Schicht (18, 30), die an dem anderen Ende des bipolaren Nanodrahts (16) befestigt ist; ein Substrat (14), auf dem die hochleitfähige mikrokristalline Schicht (18) eingerichtet ist; und eine leitfähige Oxidschicht (32), die zwischen der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht (18) und dem Substrat (14) eingerichtet ist.
  2. Die Nanostruktur (10, 10', 10", 10''') gemäß Anspruch 1, bei der der bipolare Nanodraht (16) beliebig ausgerichtet ist zwischen der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht (18) und der anderen Schicht (18, 30).
  3. Die Nanostruktur (10, 10', 10", 10''') gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, bei der der bipolare Nanodraht (16) ein erstes Segment (S1) eines ersten Leitfähigkeitstyps und ein zweites Segment (S3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet.
  4. Die Nanostruktur (10, 10', 10", 10''') gemäß Anspruch 3, bei der der bipolare Nanodraht (16) ferner ein drittes Segment (S2) umfasst, das zwischen dem ersten und zweiten Segment (S1, S3) positioniert ist, und wobei das dritte Segment (S2) eine undotierte intrinsische Halbleiterregion ist.
  5. Die Nanostruktur (10, 10', 10", 10''') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner eine Mehrzahl von bipolaren Nanodrähten (16) umfasst, die zwischen der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht (18) und der anderen Schicht (18, 30) positioniert sind, wobei jeder der Mehrzahl von bipolaren Nanodrähten (16) ein erstes Segment (S1) eines ersten Leitfähigkeitstyps und ein zweites Segment (S3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet.
  6. Die Nanostruktur (10, 10', 10", 10''') gemäß Anspruch 5, die ferner ein Material (34) umfasst, das zwischen benachbarten bipolaren Nanodrähten (16) eingerichtet ist, wobei das Material (34) ausgewählt ist aus Kalziumfluorid, Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, Aufschleuderglas und Kombinationen davon.
  7. Die Nanostruktur (10, 10', 10", 10''') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner eine Quantenmulde umfasst, die zwischen einem ersten und zweiten Segment (S1, S3) des bipolaren Nanodrahts (16) gebildet ist.
  8. Die Nanostruktur (10, 10', 10", 10''') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die hochleitfähige mikrokristalline Schicht (18) Silizid, Germanat oder Legierungen aus Silizium und Germanium umfasst.
  9. Die Nanostruktur (10, 10', 10", 10''') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die hochleitfähige mikrokristalline Schicht (18) eine Widerstandsfähigkeit aufweist, die von etwa 1 µohm/cm bis etwa 100 µohm/cm reicht.
  10. Ein Verfahren zum Herstellen einer Nanostruktur (10, 10', 10", 10'''), das folgende Schritte umfasst: Bilden einer hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht (18); und Aufwachsen eines bipolaren Nanodrahts (16), so dass ein Ende des bipolaren Nanodrahts (16) an der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht (18) befestigt ist und ein anderes Ende des bipolaren Nanodrahts (16) an einer anderen Schicht (18, 30) befestigt ist, wobei das Bilden der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht (18) folgende Schritte umfasst: Einrichten einer Metallschicht (12) auf einem Substrat (14); Einrichten einer undotierten mikrokristallinen Schicht (20) auf der Metallschicht (12); Ausheilen der Schichten (12, 20), so dass i) ein Abschnitt der undotierten mikrokristallinen Schicht (20) ein undotierter mikrokristalliner Abschnitt (26) bleibt oder ein leicht dotierter mikrokristalliner Abschnitt (26) wird, und ii) ein anderer Abschnitt der undotierten mikrokristallinen Schicht (20) mit der Metallschicht (12) reagiert, um die hochleitfähige mikrokristalline Schicht (18) zu bilden; und Dotieren des undotierten oder leicht dotierten mikrokristallinen Abschnitts (26), damit derselbe p-Typ-Leitfähigkeit oder n-Typ-Leitfähigkeit aufweist.
  11. Das Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner folgende Schritte umfasst: Aufwachsen einer Mehrzahl von bipolaren Nanodrähten (16) von der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht (18); Einrichten eines Materials (34) zwischen benachbarten bipolaren Nanodrähten (16) und auf dem anderen Ende von jedem der Mehrzahl von bipolaren Nanodrähten (16); Entfernen des Materials (34), so dass ein Ende von jedem der bipolaren Nanodrähte (34) freigelegt ist; und Einrichten der anderen Schicht (18, 30), so dass dieselbe an dem freigelegten Ende von jedem der Mehrzahl von bipolaren Nanodrähten (16) befestigt ist.
  12. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 und 11, bei dem das Aufwachsen erreicht wird durch: Einrichten eines Katalysatornanopartikels (22) auf der hochleitfähigen mikrokristallinen Schicht (18); Aussetzen des Katalysatornanopartikels (22) gegenüber einem ersten dotierten Gas, wodurch Wachstum des bipolaren Nanodrahts (16) initiiert wird, und Bilden eines ersten Segments (S1) des bipolaren Nanodrahts (16) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp; und Aussetzen des wachsenden Nanodrahts gegenüber einem zweiten dotierten Gas, das sich von dem ersten dotierten Gas unterscheidet, und dadurch Bilden eines zweiten Segments (S3) des bipolaren Nanodrahts (16) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet.
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