DE602005005985T2

DE602005005985T2 - Wellenlängenempfindlicher Photondetektor mit länglichen Nanostrukturen

Info

Publication number: DE602005005985T2
Application number: DE602005005985T
Authority: DE
Inventors: Anne Verhulst; Wilfried Vandervorst
Original assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Current assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: US7598482B1; US20090266974A1; EP1748494B1; US8232517B2; EP1748494A1; ATE392013T1; DE602005005985D1; US20100171025A1

Description

Hintergrund
Gebiet
Diese Erfindung betrifft wellenlängensensitive Detektoren, bei denen längliche Nanostrukturen verwendet werden, insbesondere betrifft die Erfindung Detektionssysteme, wie beispielsweise Fotodetektionssysteme, einschließlich Fotodetektoren, Monochromatoren und Optiken. Die Erfindung betrifft ferner Techniken, die dazu verwendet werden können, eine Spektralinformation über einen einfallenden Photonenstrahl zu erhalten. Die Erfindung betrifft ferner die Nanotechnologie, insbesondere beruht die Erfindung auf der Verwendung von länglichen Nanostrukturen wie Nanodrähten (NW) oder Nanoröhrchen, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT).
Beschreibung des Standes der Technik
Ein Fotodetektor ist ein ist ein Gerät, das die Intensität eines einfallenden Photonenstrahls misst, indem es ein elektrisches Signal proportional zu der Anzahl der einfallenden Photonen ausgibt. Ein Fotodetektor ist gegenüber einfallenden Photonen sensitiv unter der Voraussetzung, dass die Photonenenergie größer als der Bandabstand des Fotodetektor-Materials ist. Bei einer herkömmlichen Anordnung wird die Wellenlängen-Sensitivität beispielsweise erreicht, indem Spektralfilter vor dem Fotodetektor verwendet werden, so dass nur Photonen in einem eingeschränkten Spektralbereich auf dem Fotodetektor einfallen. Wenn diese Filter auf dem Fotodetektor-Substrat hergestellt werden, sind die Verarbeitungskosten sehr hoch. Es ist auch eine eigenständige Aufgabe der Forschung, Materialien zu entwickeln, die einen scharfen Durchtritts-/Blockierungs-Übergang im Bereich der gewünschten Wellenlänge aufweisen. Des Weiteren ist die minimale Photonenenergie, die festgestellt werden kann, noch durch das Fotodetektor-Material bestimmt. Ein anderer Weg, die Wellenlängen-Sensitivität zu erreichen, besteht darin, einen Monochromator vor dem Detektor zu verwenden. Der Monochromator beugt den einfallenden Photonenstrahl, und eine Gitterbildung wählt dann einen besonderen (engen) Spektralbereich des einfallenden Photonenstrahls, der dann an dem Detektor einfällt.
Durch Abtasten der Gitterbildung des Monochromators kann die gesamte Spektraldichte des einfallenden Photonenstrahls bestimmt werden. Gleichzeitig nimmt jedoch der Monochromator häufig viel Raum ein, und macht er eine zusätzliche Einrichtung erforderlich, um die Gitterbildung des Monochromators zu steuern. Ein verbessertes System, das die oben beschriebenen Probleme vermeidet, ist daher in hohem Maße erwünscht.
Nanokristalle (NC) und Nanodrähte (NW) haben heutzutage wegen der interessanten fundamentalen Eigenschaften, die bei solchen klein-dimensionierten Systemen vorhanden sind, und wegen der erregenden Aussichten zur Verwendung dieser Materialien bei auf die Nanotechnologie gestützten elektronischen und photonischen Anwendungen die Aufmerksamkeit erheblich auf sich gezogen.
Im Stand der Technik steht ein gewisser Hintergrund zur Verfügung, der die photonischen Anwendungen von Nanodrähten beschreibt. Gudiksen et al. (J. Phys. Chem. B 106, 4036, 2002) beschreiben eine größenabhängige Fotolumineszenz von einzelnen Indiumphosphid-Nanodrähten. Diese Veröffentlichung ist die Peakfrequenz des fotolumineszenten Spektrums eines Nanodrahts angegeben, wenn sich der Durchmesser des Nanodrahts verändert. Diese Wirkung wird mit einer radialen Quanteneinengung der Elektronen und Löcher in den engen Nanodrähten erklärt. Diese Veröffentlichung gibt die Möglichkeit, mehrere Materialien und Drähte mit unterschiedlichen Durchmessern gleichzeitig zu verwenden, jedoch ist dies eine herkömmliche Anordnung, die beispielsweise die Verwendung eines Monochromators umfasst, um die Frequenz des einfallenden Lichts zu bestimmen.
Wang et al. beschreibt eine stark polarisierte Fotolumineszenz von einzelnen Indiumphosphid-Nanodrähten und eine polarisationssensitive Fotodetektion mit diesen (Science 293, 1455, 2001). In dieser Veröffentlichung ist ein horizontaler Nanodraht, der als Fotoleiter verwendet wird, angegeben und die Sensitivität des Nanodrahts gegenüber der Polarisation von einfallendem Licht gezeigt. Es sind Vorschläge für die Verwendung anderer Materialien für den Nanodraht gemacht worden. JP-A-2003 282 924 beschreibt einen Fotodetektor mit Nanostrukturen mit unterschiedlichen Bandabständen.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen wellenlängensensitiven Detektor. Dieser wellenlängensensitive Detektor weist mindestens eine erste und eine zweite Fotoleitereinheit auf. Die Fotoleitereinheiten befinden sich auf einem in einer Ebene liegenden Substrat. Sowohl die erste als auch die zweite Fotoleitereinheit weisen eine erste Elektrode mit einer in einer ersten Ebene liegenden ersten Hauptfläche und eine zweite Elektronen mit einer in einer zweiten Ebene liegenden zweiten Hauptfläche auf, wobei die erste und die zweite Ebene im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zur Ebene des Substrat verlaufen.
Jede einzelne Fotoleitereinheit weist ferner eine Vielzahl von länglichen Nanostrukturen auf, wobei jede längliche Nanostruktur eine Längsachse aufweist, die Achsen der länglichen Nanostrukturen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der ersten und der zweiten Ebene der ersten und der zweiten Elektroden-Hauptfläche verlaufen. Diese Vielzahl von länglichen Nanostrukturen ist zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet.
Die erste Fotoleitereinheit weist ferner eine Vielzahl von länglichen Nanostrukturen eines ersten Typs, die im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser aufweisen und aus gleichem Material bebildet sind, und die zweite Fotoleitereinheit weist eine Vielzahl von länglichen Nanostrukturen eines zweiten Typs, die im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser aufweisen und aus gleichem Material bebildet sind, auf, wobei sich die länglichen Nanostrukturen des ersten Typs von den länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs im Material und/oder im Durchmesser unterscheiden.
Mit anderen Worten kann die vorliegende Erfindung wie folgt formuliert werden:
Die vorliegende Erfindung stellt zur Verfügung einen wellenlängensensitiven Detektor mit mindestens einer ersten und einer zweiten Fotoleitereinheit auf einem in einer Ebene liegenden Substrat, wobei jede Einheit der mindestens ersten und zweiten Fotoleitereinheit eine erste Elektrode mit einer ersten Hauptfläche, die in einer ersten Ebene liegt, und eine zweite Elektrode mit einer zweiten Hauptfläche, die in einer zweiten Ebene liegt, aufweist, die erste und die zweite Ebene einer Fotoleitereinheit im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der Ebene des Substrats verlaufen,
wobei die erste Fotoleitereinheit eine Vielzahl von länglichen Nanostrukturen eines ersten Typs aufweist, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode der ersten Fotoleitereinheit angeordnet sind, wobei die länglichen Nanostrukturen je eine Längsachse aufweisen, die Längsachsen der länglichen Nanostrukturen des ersten Typs im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der ersten und der zweiten Ebene der ersten und der zweiten Elektroden-Hauptfläche der ersten Fotoleitereinheit verlaufen, und
wobei die zweite Fotoleitereinheit eine Vielzahl von länglichen Nanostrukturen eines zweiten Typs aufweist, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode der zweiten Fotoleitereinheit angeordnet sind, wobei die länglichen Nanostrukturen je eine Längsachse aufweisen, die Längsachsen der länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der ersten und der zweiten Ebene der ersten und der zweiten Elektroden-Hauptfläche der zweiten Fotoleitereinheit verlaufen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen des ersten Typs im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser aufweisen und aus einem gleichen Material gebildet sind und dass die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs einen im Wesentlichen gleichen Durchmesser aufweisen und aus einem gleichen Material gebildet sind, und wobei sich die länglichen Nanostrukturen des ersten Typs von den länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs im Material und/oder im Durchmesser unterscheiden.
Unter länglichen Nanostrukturen werden alle zweidimensional begrenzten Stücke aus festem Material in der Form von Drähten (Nanodrähten), Röhrchen (Nanoröhrchen), Stäbchen (Nanostäbchen) und ähnliche längliche, im Wesentlichen zylindrische oder polygonale Nanostrukturen mit einer Längsachse verstanden. Die Querabmessung der länglichen Nanostrukturen liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 500 Nanometer. Erfindungsgemäß können organische längliche Nanostrukturen, wie beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen, oder anorganische längliche Nanostrukturen, wie beispielsweise halbleitende Nanodrähte (beispielsweise Silicium-Nanodrähte) verwendet werden.
Die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen in jedem Fotoleiter ist vorzugsweise aus einem halbleitenden Material gebildet. Die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen kann beispielsweise aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen bestehen.
Als Alternative kann der wellenlängensensitive Detektor mindestens eine Fotoleitereinheit aufweisen, wobei die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen in mindestens einer der Fotoleitereinheiten von erster und zweiter Fotoleitereinheit teilweise n-dotiert und teilweise p-dotiert ist, sodass eine pn-Diode innerhalb der mindestens einen Fotoleitereinheit geschaffen ist.
Bei einem bevorzugten Aufbau kann die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen in einer Fotoleitereinheit nebeneinander und/oder übereinander gestapelt sein. Die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen kann in einem Feld angeordnet sein, das Reihen und Spalten von länglichen Nanostrukturen umfasst. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Feld ein periodisches Feld sein.
Die erste und die zweite Elektrode einer Fotoleitereinheit sind vorzugsweise aus leitenden Materialien, wie beispielsweise Metallen, Legierungen, Poly-Si, Metall-Silicium-Verbindungen, etc., hergestellt.
Die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen, die in der mindestens ersten und zweiten Fotoleitereinheit verwendet werden, weist einen Durchmesser vorzugsweise von 0,3 nm bis 300 nm und stärker bevorzugt einen Durchmesser nicht kleiner als 100 nm, d. h. einen Durchmesser zwischen 0,3 nm und 100 nm, auf.
Die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen, die in den Fotoleitereinheiten verwendet werden, kann aus irgendwelchen Materialien der Gruppe IV oder binären Verbindungen von diesen, Materialien der Gruppe III/V oder binären, tertiären oder quaternären Verbindungen von diesen oder der Gruppe II/VI oder binären, tertiären oder quaternären Verbindungen von diesen hergestellt sein.
Optional kann die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen, die in den Fotoleitereinheiten verwendet werden, ein Dotierungsprofil aufweisen.
Optional kann die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen in den Fotoleitereinheiten in einem Material eingebettet sein, das im Bereich der festzustellenden Wellenlängen oder in dem Bereich von interessierenden Photonenenergien transparent ist.
Ein bevorzugter und alternativer Aufbau für den wellenlängensensitiven Detektor der vorliegenden Erfindung kann mindestens eine erste und eine zweite Fotoleitereinheit aufweisen, wobei sich die erste Fotoleitereinheit zwischen dem Substrat und der zweiten Fotoleitereinheit befindet. Die zweite Fotoleitereinheit kann dadurch gekennzeichnet sein, dass sie eine Vielzahl von länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs mit einem größeren Bandabstand als die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen des ersten Typs in dem (darunter liegenden) ersten Fotoleiter aufweist, und/oder kann dadurch gekennzeichnet sein, dass sie eine Vielzahl von länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs aufweist, die in einer Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zu der Richtung der Vielzahl der länglichen Nanostrukturen des ersten Typs in der ersten Fotoleitereinheit verlaufen.
Der wellenlängensensitive Detektor der vorliegenden Erfindung kann zur Bestimmung der Frequenz einer einfallenden Strahlung, beispielsweise von Licht, verwendet werden.
Der wellenlängensensitive Detektor der vorliegenden Erfindung kann zur Bestimmung der Polarisationsrichtung einer einfallenden Strahlung, bei spielsweise von Licht, verwendet werden. Zur Bestimmung der Polarisationsrichtung einer einfallenden Strahlung, beispielsweise von Licht, kann der wellenlängensensitive Detektor mindestens eine erste und eine zweite Fotoleitereinheit aufweisen, wobei die erste Fotoleitereinheit längliche Nanostrukturen des ersten Typs aufweisen kann, die in einer ersten Richtung ausgerichtet sind, und die zweite Fotoleitereinheit längliche Nanostrukturen des zweiten Typs aufweisen kann, die in einer zweiten Richtung ausgerichtet sind. Die erste und die zweite Richtung können im Wesentlichen rechtwinklig zueinander verlaufen.
Der wellenlängensensitive Detektor der vorliegenden Erfindung kann zur Umwandlung eines optischen Signals in ein elektrisches Signal und zur gleichzeitigen Bestimmung der Frequenz von einfallendem Licht verwendet werden.
Der wellenlängensensitive Detektor der vorliegenden Erfindung kann zur Darstellung eines Pixels einer farbsensitiven Kamera verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner zur Verfügung ein Verfahren zur Herstellung einer wellenlängensensitiven Detektoreinheit, wobei die wellenlängensensitive Detektoreinheit mindestens zwei Fotoleitereinheiten aufweist. Das Verfahren umfasst das Vorsehen eines Substrats, das in einer Ebene liegt, und das Vorsehen einer ersten und einer zweiten Fotoleitereinheit auf dem Substrat. Das Vorsehen einer Fotoleitereinheit umfasst das Vorsehen einer ersten Elektrode mit einer ersten Hauptfläche, die in einer ersten Ebene liegt, das Vorsehen einer zweiten Elektrode mit einer zweiten Hauptfläche, die in einer zweiten Ebene liegt, wobei die erste und die zweite Ebene im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der Ebene des Substrats verlaufen. Das Vorsehen einer Fotoleitereinheit umfasst ferner das Vorsehen einer Vielzahl von länglichen Nanostrukturen mit Enden, wobei die Enden der länglichen Nanostrukturen an der ersten und der zweiten Hauptfläche der ersten und der zweiten Elektrode befestigt sind, jede längliche Nanostruktur eine Längsachse aufweist, die Längsachsen der Vielzahl der länglichen Nanostrukturen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der ersten und der zweiten Ebene der ersten und der zweiten Elektrodenhaupffläche verlaufen. Erfindungsgemäß umfasst das Vorsehen der ersten und der zweiten Fotoleitereinheit das Vorsehen einer ersten Fotoleitereinheit mit länglichen Nanostrukturen des ersten Typs, die im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser aufweisen und aus einem gleichen Material gebildet sind, und einer zweiten Fotoleitereinheit mit länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs, die im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser aufweisen und aus einem gleichen Material gebildet sind, wobei sich die länglichen Nanostrukturen des ersten Typs von den länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs im Material und/oder im Durchmesser unterscheiden.
Die erste Hauptfläche der ersten Elektrode kann als Katalysator für das Wachstum von länglichen Nanostrukturen verwendet werden, alternativ können Katalysatorteilchen auf der ersten Hauptfläche der ersten Elektrode vor dem Wachstum von länglichen Nanostrukturen aufgebracht werden.
Ferner ist eine zweite Elektrode vorgesehen, wobei die zweite Elektrode eine zweite Hauptfläche aufweist, die in einer zweiten Ebene liegt, wobei die erste Ebene (von der ersten Elektrode) und die zweite Ebene im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der Ebene des Substrats verlaufen.
Innerhalb einer Fotoleitereinheit sind die Ausgangspunkte und die jeweiligen Enden der Vielzahl der länglichen Nanostrukturen jeweils an der ersten und der zweiten Hauptfläche der ersten und der zweiten Elektrode befestigt, oder mit anderen Worten befindet sich die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, wobei die Achsen der Vielzahl der länglichen Nanostrukturen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der ersten und der zweiten Ebene der ersten und der zweiten Elektrodenhauptfläche verlaufen. Entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung kann das Vorsehen einer ersten Fotoleitereinheit das Vorsehen einer Vielzahl von Nanostrukturen des ersten Typs, die im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser aufweisen und im Wesentlichen aus dem gleichen Material gebildet sind, umfassen, und kann das Vorsehen einer zweiten Fotoleitereinheit das Vorsehen einer Vielzahl von länglichen Nanostruk turen des zweiten Typs umfassen, die im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser aufweisen und aus dem gleichen Material gebildet sind, wobei sich die länglichen Nanostrukturen des ersten Typs und des zweiten Typs im Material und/oder im Durchmesser voneinander unterscheiden.
Der Schritt des Vorsehens einer Vielzahl von länglichen Nanostrukturen kann vorzugsweise im Wege des Wachsens der länglichen Nanostrukturen Mithilfe von chemischen Dampfaufbringungs-(CVD) oder gepulsten Laseraufbringungs-(PLD)-Techniken durchgeführt wird. Der Schritt des Vorsehens einer Vielzahl von länglichen Nanostrukturen kann im Wege des Wachsens der länglichen Nanostrukturen auf der ersten Hauptfläche der ersten Elektrode durchgeführt werden.
Entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung können vor dem Wachsen einer Vielzahl von länglichen Nanostrukturen Katalysatorteilchen auf der ersten Hauptfläche der ersten Elektrode aufgebracht werden, die für den Start des Wachstums der länglichen Nanostrukturen verwendet werden können.
Optional kann ein transparentes Material zwischen der Vielzahl der länglichen Nanostrukturen aufgebracht werden. Dieses Material kann ein Opfermaterial sein, das nach der Herstellung der mindestens ersten und zweiten Fotoleitereinheit entfernt werden kann.
Das Verfahren zur Herstellung des wellenlängensensitiven Detektors kann ferner das Hinzufügen eines zusätzlichen Signalverarbeitungsschaltkreises an jeder der mindestens ersten und zweiten Fotoleitereinheit umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Beispielhafte Ausführungsformen sind in den Figuren der Zeichnungen dargestellt, auf die Bezug genommen wird. Es ist beabsichtigt, dass die die offenbarten Ausführungsformen und Figuren als erläuternd und nicht als einschränkend zu verstehen sind.
1 zeigt eine Draufsicht auf den wellenlängensensitiven Fotodetek tor gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Verwendung von Nanodrähten.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine wellenlängensensitive Fotodetektorstruktur, die beide Orientierungen von Drähten auf einem Chip aufweist, damit auch die Polarisation von Licht gemessen wird.
3 zeigt eine Seitenansicht einer Teileinheit von Nanodrähten mit der Darstellung einer dreidimensionalen (3D) Stapelung der Nanodrähte (sich sowohl horizontal als auch vertikal erstreckende Felder) unter einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Seitenansicht von drei Einheiten von Nanodrähten, die vertikal gestapelt sind, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine Fotodetektorstruktur mit der Darstellung von Nanodrähten mit einer pn-Verbindungs- bzw. -Übergangszone gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6A–6B (Stand der Technik) zeigen Fotolumineszenzdaten von InP-Nanodrähten als Funktion des Nanodraht-Durchmessers. 6A zeigt die Fotolumineszenzspektren bei sich verändernden Nanodraht-Durchmessern, und 6B zeigt die Photonenenergien der Peakmaxima der Fotolumineszenzspektren als Funktion des Nanodraht-Durchmessers.
7 (Stand der Technik) ist eine grafische Kataura-Darstellung (theoretische Berechnung) der Van Hove-Singularitäten in metallischen (a) und halbleitenden (b) Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
8 zeigt die farbsensitive Kameraanwendung. Sie zeigt ein potenzielles Spektrum eines einfallenden Lichtstrahls und den bevorzugten Bandabstand von drei Einheiten von Nanodrähten (U₁, U₂, U₃), die gemeinsam ein Pixel der farbsensitiven Kamera darstellen.
9 zeigt die theoretische erwartete Dichte der Zustände von ID-Strukturen.
Detaillierte Beschreibung
Die nachfolgende Beschreibung und die betroffenen Anwendungen zeigen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail. Der Fachmann erkennt, dass es zahlreiche Änderungen der Modifikationen dieser Erfindung gibt, die durch deren Umfang erfasst sind. Entsprechend soll die nachfolgende Beschreibung nicht als den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränkend gelten.
Insbesondere wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Nanodrähte erläutert. Dies dient jedoch nicht zur Einschränkung der Erfindung. Es selbstverständlich, dass immer dann, wenn unten "Nanodraht/Nanodrähte" angegeben ist, dies als der allgemeinere Ausdruck "längliche Nanostruktur" gelesen und verstanden werden soll. Die Nanodrähte können durch irgendeine andere geeignete längliche Nanostruktur ersetzt werden, insbesondere durch zweidimensional begrenzte Stücke aus festem Material in der Form von Drähten (Nanodrähten), Röhrchen (Nanoröhrchen), Stäbchen (Nanostäbchen) und ähnlichen länglichen, im Wesentlichen zylindrischen oder polygonalen Nanostrukturen mit einer Längsachse.
Die Erfindung offenbart einen wellenlängensensitiven Fotodetektor. Insbesondere betrifft sie einen wellenlängensensitiven Fotodetektor auf der Grundlage von Nanodrähten (NW). Die Querschnittsabmessung der Nanodrähte liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 500 Nanometer. Erfindungsgemäß können organische Nanodrähte, wie beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen, oder ein organische Nanodrähte, wie beispielsweise halbleitende Nanodrähte (beispielsweise Silicium-Nanodrähte) verwendet werden. Insbesondere ist die Schaffung eines Siliciumchips, der Einheiten von horizontal gestapelten Nanodrähten aufweist, offenbart, wodurch die Gesamtheit dieser Einheiten als wellenlängensensitiver Detektor arbeitet. Eine einzelne Einheit von horizontal gestapelten Nanodrähten ist ferner als eine Einheit gekennzeichnet, die NW oder CNT aufweist, wodurch die NW oder CNT aus dem gleichen Material hergestellt sind und einen im Wesentlichen gleichen Durchmesser und eine im Wesentlichen gleiche Länge aufweisen. Unterschiedliche Einheiten, die horizontal gestapelte NW oder CNT aufweisen, sind kombiniert, wodurch die Gesamtheit dieser Einheiten als wellenlängensensitiver Detektor arbeitet. Insbesondere arbeitet jede Einheit von Nanodrähten als Fotoleiter, der einschaltet, wenn die Photonenenergie des Lichts oberhalb eines bestimmten Wertes liegt. Die unterschiedlichen Einheiten, die an dem Chip kombiniert sind, um einen wellenlängensensitiven Detektor zu bilden, unterscheiden sich im Material und/oder im Durchmesser voneinander. Am meisten bevorzugt befinden sich die unterschiedlichen Einheiten von NW oder Fotoleitereinheiten an einem einzelnen Chip. Bevorzugt ist jede einzelne Fotoleitereinheit, die horizontal gestapelte Nanodrähte aus dem gleichen Material aufweist, eine solche, dass das Stapeln der Nanodrähte ein solches parallel zu dem Substrat (beispielsweise einem Siliciumwafer) ist. Vorzugsweise ist das Material der NW halbleitend, in dem Fall von Kohlenstoff-Nanoröhrchen können sogenannte "metallische" Kohlenstoff-Nanoröhrchen ebenfalls verwendet werden. Beispiele von Materialien, die zur Herstellung dieser (halbleitendeen) NW verwendet werden können sind Materialien der Gruppe IV, wie beispielsweise Si, Ge, C und binäre Verbindungen von diesen, Materialien der Gruppe III/V, wie beispielsweise In, Ga, As, Sb, Al, P, B, N und binäre, tertiäre und quaternäre Verbindungen von diesen und Materialien der Gruppe II/VI, wie beispielsweise Cd, Zn, S, Se, Te, O und binäre, tertiäre und quaternäre Verbindungen von diesen. Bevorzugte Beispiele sind beispielsweise GaAs, InP, ZnO, GaAs_xP_y, Al-GaAs, halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhrchen etc.. Der Durchmesser dieser Nanodrähte (Kohlenstoff-Nanoröhrchen) liegt vorzugsweise zwischen 0,3 nm und 300 nm. Vorzugsweise sind die Nanodrähte freistehend, jedoch können sie auch in einem Material eingebettet sein, das im interessierenden Bereich der Photonenenergien transparent ist. In dieser Fotoleitereinheit sind vorzugsweise beide Seiten (oder mit anderen Worten beide Endungen) der horizontal gestapelten Nanodrähte mit einer Elektrode verbunden, wobei die Elektroden aus einem leitfähigen Material bestehen, das weiter mit einer Signalverarbeitungsbox verbunden ist. Am meisten bevorzugt sind die leitfähigen Materialien der Elektroden, die für das Verbinden der beiden Enden der Nanodrähte verwendet werden, aus dem gleichen Material, bevorzugte Materialien für diese Elektroden sind Metalle, Poly-Si, Legierungen oder Silicide.
Für das Schaffen eines wellenlängensensitiven Fotodetektors müssen unterschiedliche Fotoleitereinheiten kombiniert werden, vorzugsweise auf dem gleichen Substrat. Entweder sind die unterschiedlichen Einheiten hergestellt aus Nanodrähten aus unterschiedlichen Materialien der Gruppe IV, wie beispielsweise Si, Ge, C und binäre Verbindungen von diesen, Materialien der Gruppe II/V, wie beispielsweise In, Ga, As, Sb, Al, P, B, N und binäre, tertiäre und quaternäre Verbindungen von diesen, und Materialien der Gruppe II/VI, wie beispielsweise Cd, Zn, S, Se, Te, O und binäre, tertiäre und quaternäre Verbindungen von diesen. Beispiele dieser Materialien sind GaAs, InP, ZnO, GaAs_xP_y, AlGaAs, halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhrchen etc.. Oder die unterschiedlichen Einheiten sind aus Nanodrähten aus gleichem Material hergestellt, jedoch mit unterschiedlichen Durchmessern. In dieser Weise ist der Bandabstand der Nanodrähte in jeder Einheit ein unterschiedlicher. Daher schalten, wenn ein Photonenstrahl einer besonderen Frequenz den Chip bestrahlt, alle Einheiten, für die der Photonenstrahl oberhalb des Bandabstandes liegt, ein, und bleiben alle Einheiten, für die die Photonenenergie des Lichts unterhalb des Bandabstandes liegt, ausgeschaltet. Auf diese Weise arbeitet der Chip als wellenlängensensitiver Fotodetektor. Die Signalverarbeitung aller einzelnen Fotoleitereinheiten ist vorzugsweise auf den Chip integriert, kann jedoch auch teilweise außerhalb des Chips stattfinden (= Softwareprogramm).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist auch ein Verfahren zur Herstellung der einzelnen Nanodrähte offenbart. Vorzugsweise beginnt das Verfahren zur Herstellung der einzelnen Nanodrähte (oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen) mit der Herstellung und Aufbringung von Katalysatorteilchen. Die kristallinen Nanodrähte oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen wachsen dann beispielsweise Mithilfe beispielsweise der chemischen Dampfaufbringungstechnik (CVD). Der zusätzliche Schaltkreis kann vor oder nach dem Wachstum des Nanodrahts hergestellt werden. Es ist einzusehen, dass es viele unterschiedliche Alternativen zur Herstellung der vorgeschlagenen Struktur gibt. Beispielsweise können die Nanodrähte auch vorab hergestellt werden und dann danach auf dem Substrat nur inkorporiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Verfahren offenbart, mittels dessen die Sensitivität der einzelnen Fotoleitereinheiten durch Vergrößerung der Anzahl der horizontalen Drähte in dem 2D-Feld oder durch Verwendung einer 3D-Struktur erhöht werden kann. Die vertikale Stapelung erhöht die Sensitivitat, solange die Länge des Materials des Nanodrahts in der vertikalen Abmessung nicht größer als die Absorptionslänge ist, an welchem Punkt der größte Teil des Lichts durch die oben liegenden Nanodrähte absorbiert wird. Die Sensitivität wird auch durch die Größe des Chips bestimmt, weil der einfallende Strahl den gesamten Chip gleichzeitig bestrahlt.
Die Wellenlängensensitivität des vorgeschlagenen Fotodetektors kann durch vertikale Stapelung von unterschiedlichen Einheiten verbessert werden. Die obere Einheit ist vorzugsweise eine solche, dass der Bandabstand größer als der Bandabstand der darunter liegenden Einheit ist. In diesem Fall enthält das Licht, das auf die darunter liegende Einheit fällt, nicht weiterhin Photonen, die durch die obere Einheit absorbiert werden. Daher ist das durch die darunter liegende Einheit erzeugte Signal ausschließlich ein solches infolge der Photonen in dem Spektralbereich, der oberhalb des Bandabstandes der Einheit, jedoch nicht in dem Absorptionsbereich der oberen Einheit liegt.
Die Polarisation des einfallenden Lichts kann auch durch Herstellung von Einheiten mit im Wesentlichen gleichen Nanodrähten, jedoch mit orthogonalen Ausrichtungen bestimmt werden. Der Grund hierfür besteht darin, dass das einfallende Licht nur absorbiert wird, wenn die Polarisation des Lichts eine solche in der Richtung der Länge des Nanodrahts ist.
Vorzugsweise ist der Durchmesser der in den einzelnen Fotoleitereinheiten verwendeten Nanodrähte klein genug, dass das Wachstum von kristallinen Drähten möglich ist. Dies macht typischerweise Durchmesser der Nanodrähte unterhalb von 100 nm erforderlich. Um eine Verschiebung des Bandabstandes mit abnehmendem Durchmesser zu erreichen, muss der Durchmesser klein genug sein, dass Einschnürungseffekte auftreten. Der Durchmesser, bei dem dieses beginnt, hängt vom Material ab, jedoch beginnt die Verschiebung typischerweise bei Durchmessern von etwa 10 nm. Wenn die Nanodrähte Nano röhrchen sind, liegt der Durchmesser typischerweise in der Größenordnung von 0,5 nm–6 nm.
Bei einer alternativen Ausführungsform können die (halbleitenden) Nanodrähte der oben beschriebenen Fotoleitereinheiten ein Dotierungsprofil aufweisen und Fotodioden bilden, wie beispielsweise pn-Dioden, p-i-n-Dioden, Lawinen-Fotodioden etc.. Eine Fotoleitereinheit, die Fotodioden enthält, wird dann Fotodiodeneinheit genannt. Im Allgemeinen ist in Fotodiodeneinheiten im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Fotoleitereinheiten die elektrische Reaktion schneller.
Mehrere mögliche Anwendungen, bei denen die Fotoleitereinheiten der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind möglich. Beispielsweise sind drei größere Bereiche in der vorliegenden Erfindung offenbart und erörtert. Der erste Anwendungsbereich liegt innerhalb des Gebiets von farbsensitiven Kameras, auf dem beispielsweise drei unterschiedliche Fotoleitereinheiten, die Nanodrähte umfassen, ein Pixel der farbsensitiven Kamera darstellen.
Der zweite Anwendungsbereich liegt innerhalb des Gebiets der Telekommunikation, bei der der wellenlängensensitive Detektor das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt, während gleichzeitig die Frequenz das einfallende Lichtstrahls bestimmt wird.
Die dritte Anwendung der Erfindung liegt innerhalb des Gebiets der Spektroskopie, um einen wellenlängensensitiven Detektor zu schaffen, der zur Bestimmung der Frequenz von einfallendem Licht und gegebenenfalls der Polarisation des einfallenden Lichts verwendet werden kann.
Die nachfolgende Beschreibung erläutert in einem ersten Teil einen Aufbau für die Schaffung einer wellenlängensensitiven Fotodetektoreinrichtung, bei der Fotoleitereinheiten der vorliegenden Erfindung, die Nanodrähte (oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen) aufweisen, verwendet werden. In einem zweiten Teil werden einige neue Anwendungsbereiche gezeigt, bei denen die wellenlängensensitive Fotodetektoreinrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
I. Aufbau für die Schaffung einer wellenlängensensitiven Fotodetektoreinrichtung, bei der Fotoleitereinheiten, die Nanodrähte aufweisen, verwendet werden
Offenbart ist ein wellenlängensensitiver Fotodetektor, der auf Nanodrähten (NW) oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) beruht. Die NW verlaufen in Hinblick auf ein gemeinsames Substrat parallel und sind in Einheiten von einem oder mehreren parallelen Nanodrähten gruppiert. An beiden Seiten des Nanodrahts befindet sich eine Elektrode, wodurch alle Nanodrähte in der gleichen Einheit durch die gleichen zwei Elektroden kontaktiert sind. Der notwendige Schaltkreis wird hinzugefügt, um die elektronischen Signale von den Nanodrahteinheiten auszulesen. Die elektrische Dichte der Zustände der Nanodrähte in jeder Einheit ist unterschiedlich, weil das Material, aus dem die Nanodrähte hergestellt sind, unterschiedlich ist oder weil der Durchmesser der Nanodrähte unterschiedlich ist. Jede Einheit der Nanodrähte liefert daher eine andere Reaktion auf die einfallenden Photonen, sodass eine wellenlängenspezifische Information mit der vorgeschlagenen Einrichtung hergeleitet werden kann.
Das kristalline Wachstum von Nanodrähten aus unterschiedlichen Materialien auf einem Si-Chip wird zusammen mit der Durchmesserabhängigkeit des Bandabstandes kombiniert, um einen vielseitigen Detektor herzustellen, der wellenlängensensitiv (= ohne die Verwendung von zusätzlicher Hardware zur Unterscheidung von Wellenlängen) und (optional) polarisationssensitiv ist.
Der bevorzugte Aufbau zur Schaffung eines wellenlängensensitiven Fotodetektors, der unterschiedliche Fotoleitereinheiten aufweist, ist in 1 dargestellt und wird nachfolgend im Detail beschrieben. Wie in 3 für eine Fotoleitereinheit schematisch dargestellt ist, ist der Ausgangspunkt ein Substrat 1, vorzugsweise ist dieses Substrat einem Silicium- oder SiO₂-Substrat. Auf diesem Substrat 1 sind vertikale Strukturen 2 geschaffen, diese vertikalen Strukturen sind vorzugsweise aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise Metallen, Legierungen, Poly-Si oder Siliciden hergestellt, und diese Strukturen werden in dem wellenlängensensitiven Fotodetektor als Elektroden verwendet. Zwischen 2 vertikalen Strukturen wachsen mindestens ein Nanodraht und vorzugsweise mehr als ein Nanodraht (oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen). Diese Nanodrähte 3 in einer besonderen Fotoleitereinheit sind vorzugsweise aus einem gleichen Material bei gleichem Durchmesser und gleicher Länge. Das Material der Nanodrähte ist vorzugsweise ein halbleitendes Material. Beispiele dieser Materialien sind Materialien der Gruppe IV, wie beispielsweise Si, Ge, C und binäre Verbindungen von diesen, Materialien der Gruppe III/V, wie beispielsweise In, Ga, As, Sb, Al, P, B, N und binäre, tertiäre und quaternäre Verbindungen von diesen, und Materialien der Gruppe II/VI, wie beispielsweise Cd, Zn, S, Se, Te, O und binäre, tertiäre und quaternäre Verbindungen von diesen. Bevorzugte Beispiele dieser Materialien sind GaAs, InP, ZnO, GaAs_xP_y, AlGaAs, halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs). Vorzugsweise liegt der Durchmesser der Nanodrähte im Bereich von 0,3 nm bis 300 nm. Die unterschiedlichen Fotoleitereinheiten sind entweder aus unterschiedlichem Material hergestellt, oder sie sind aus dem gleichen Material, jedoch mit unterschiedlichem Durchmesser (und/oder Spiegelbildlichkeit in dem Fall von CNTs) hergestellt. Wenn es nur einen Durchmesserunterschied zwischen unterschiedlichen Einheiten gibt, dann ist die Durchmesseränderung eine solche, dass die elektronische Dichte der Zustände der Einheiten unterschiedlich ist. Die Dichte der Zustände eines Materials hängt von dem Durchmesser ab, wenn der Durchmesser des Nanodrahts so klein ist, dass Quanteneinengungseffekte auftreten. Einer der Effekte der Quanteneinengung besteht darin, dass der Bandabstand eines halbleitenden Materials mit Abnahme des Durchmessers zunimmt, wie in 6 und 7 dargestellt ist. 6A zeigt die Fotolumineszenzspektren der sich verändernden Nanodraht-Durchmesser, und 6B zeigt die Photonenenergie der Peakmaxima der Fotolumineszenzspektren. 7 ist eine grafische Kataura-Darstellung (theoretische Berechnung) der Van Hove-Singularitäten in metallischen (a) und halbleitenden (b) Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die Nanodrähte in einer Fotoleitereinheit verlaufen parallel zueinander und parallel zu dem darunter liegenden Substrat. Die Nanodrähte sind vorzugsweise freistehend, jedoch können sie auch in einem Material eingebettet sein, das im interessierenden Bereich der Photonenenergien transparent ist. Jede Einheit kann ferner einen Schaltkreis enthalten, um das elektrische Ausgangssignal bei einfallendem Licht zu verarbeiten.
Mehrere Herstellungsverfahren zur Schaffung dieser Nanodrähte können durch einen Fachmann realisiert werden. Ein mögliches Herstellungsverfahren kann damit beginnen, dass zunächst Katalysatoren mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser und aus gleichem Material hergestellt werden. Diese Katalysatorteilchen können an den Seitenwänden der vertikalen Strukturen 2 an dem Substrat 1 aufgebracht werden. Die kristallinen Nanoröhrchen wachsen dann Mithilfe der chemischen Dampfaufbringungs-Technik (CVD). Alternativ können die Nanodrähte (oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen) zunächst auf einem Opfersubstrat wachsen und anschließend an das endgültige Substrat 1 übergeben werden. Eine vertikale Struktur oder beide vertikale Strukturen 2 können auch nach dem Wachstum oder nach der Übergabe der Nanodrähte an das endgültige Substrat geschaffen werden. Sofern notwendig kann transparentes Material oder Opfermaterial zwischen den Nanodrähten (Kohlenstoff-Nanoröhrchen) zur mechanischen Abstützung während des Herstellungsvorgangs aufgebracht werden. Der zusätzliche Signalverarbeitungs-Schaltkreis kann vor der nach dem Wachstum der Nanodrähte hergestellt werden. Es ist verständlich einzusehen, dass es viele unterschiedliche Alternativen zur Herstellung der vorgeschlagenen Struktur gibt. Die oben angegebenen Verfahrensweisen sind nur als Beispiel angegeben.
Die Arbeitsweise der offenbarten wellenlängensensitiven Fotodetektoreinrichtung kann wie folgt beschrieben werden. Das Licht des einfallenden Strahls fällt auf das Substrat und fällt gleichzeitig auf allen Einheiten ein. Nur diejenigen Einheiten erzeugen ein elektrisches Signal, für die die Photonenenergie der einfallenden Photonen (eines Teils der einfallenden Photonen) eine solche ist, dass diese Photonen durch die Nanodrähte absorbiert werden. Eine notwendige Bedingung, um eine Absorption zu erreichen, besteht darin, dass die Photonenenergie oberhalb des Bandabstandes der Nanodrähte liegt. Die vorgeschlagene Struktur gestattet daher die Bestimmung beispielsweise der minimalen Photonenenergie des einfallenden Lichtstrahls durch Abschätzung, welche Einheiten eingeschaltet worden sind und welche ausgeschaltet geblieben sind. Das durch die Einheiten erzeugte Signal ist auch proportional zu der Anzahl der absorbierten Photonen. Die Kenntnis der elektronischen Dichte der Zustände der Nanodrähte in den unterschiedlichen Einheiten und der Vergleich der Signalintensitäten der unterschiedlichen Einheiten, die eingeschaltet sind, liefert eine weitere Spektralinformation. Beispielsweise ist vorstellbar, dass dann, wenn eine Einheit Photonen mit einer Energie oberhalb von E₁ absorbiert und wenn eine zweite Einheit Photonen mit einer Energie oberhalb von E₂ absorbiert und wenn E₁ > E₂ ist, dann alle Photonen mit einer solchen Energie, dass sie durch die erste Einheit absorbiert werden können, auch durch die zweite Einheit absorbiert werden können. Daher stehen die Signalintensitäten beider Einheiten in einer Beziehung zueinander, und können die Signalintensitäten durch einen Vergleich des Spektrums des einfallenden Lichtstrahls rekonstruiert werden. Als ein weiteres Beispiel ist zu verstehen, dass, wenn die Nanodrähte eng genug sind, sich die Dichte der Zustände dem eindimensionalen Verhalten nähert (siehe 8), was bedeutet, dass es Teile der Photonen oberhalb des Bandabstandes gibt, für die es eine sehr starke Absorption gibt, und dass es Teile gibt, für die es eine sehr schwache Absorption gibt. Das Signal jeder Einheit ist daher das Integral der Multiplikation des Spektrums des einfallenden Photonenstrahls mit der spektralen Reaktionsfunktion der Nanodrähte in der Einheit. Je mehr Einheiten vorhanden sind, desto besser kann das einfallende Spektrum rekonstruiert werden. Die Auflösung des sich ergebende Spektrums wird durch die Differenz der elektronischen Dichte der Zustände zwischen den unterschiedlichen Einheiten bestimmt. Typischerweise wird eine Auflösung von 10 meV oder weniger für den größten Teil des optischen Zentrums bis zu 3 eV erwartet.
Die Sensitivität des vorgeschlagenen wellenlängensensitiven Fotodetektors kann vergrößert werden, indem die Anzahl der horizontalen Drähte vergrößert wird oder indem eine 3-dimenionale Stapelung verwendet wird, wie in 3 dargestellt ist. Die vertikale Stapelung vergrößert die Sensitivität, solange die Länge des Nanodraht-Materials in der vertikalen Abmessung nicht größer ist als die Absorptionslänge, an welchem Punkt der größte Teil des Lichts durch die oben liegenden Nanodrähte absorbiert wird.
Die Wellenlängensensitivität des vorgeschlagenen Fotodetektors kann durch vertikale Stapelung von unterschiedlichen Einheiten verbessert werden, wie in 4 dargestellt ist. Die obere Einheit ist vorzugsweise eine solche, dass der Bandabstand größer ist als der Bandabstand der unten liegenden Einheit. In diesem Fall enthält das Licht, das auf die unten liegende Einheit fällt, nicht wei terhin Photonen, die durch die obere Einheit absorbiert werden. Daher geht das durch die unten liegende Einheit erzeugte Signal ausschließlich auf Photonen in dem Spektralbereich zurück, der oberhalb des Bandabstandes der Einheit, nicht jedoch im Bereich der Absorption der oberen Einheit liegt.
Die Größe der Nanodrähte (Kohlenstoff-Nanoröhrchen) muss klein genug sein, damit das Wachstum der kristallinen Drähte möglich ist. Dies erfordert typischerweise Durchmesser der Nanodrähte unterhalb von 100 nm. Um eine Bandabstandverschiebung mit kleiner werdendem Durchmesser zu erreichen, muss der Durchmesser klein genug sein, damit Einengungseffekte auftreten. Der Durchmesser, bei dem dies beginnt, ist materialabhängig, jedoch beginnt die Verschiebung typischerweise bei Durchmessern von etwa 10 nm. Wenn die Nanodrähte Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind, liegen die Durchmesser typischerweise in der Größenordnung von 0,5 nm–6 nm.
Um einen durch den Fotodetektor abgedeckten großen Spektralbereich zur Verfügung zu haben, müssen die Materialien innerhalb der unterschiedlichen Fotodetektoreinheiten entsprechend gewählt werden. Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen besitzen eine Wellenlängensensitivität im Bereich von 0,3 eV bis oberhalb 3V (siehe 7 wo die halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit b bezeichnet sind), InP-Nanodrähte besitzen eine Selektivität im Bereich von 1,4 eV bis oberhalb 1,55 eV, GaAs-Nanodrähte bei Energien von etwa 1,4 eV, ZnO-Nanodrähte bei Energien von etwa 3,2 eV etc..
Die Wellenlängenauflösung des wellenlängensensitiven Fotodetektors ist durch die Differenz der Bandabstandenergie von zwei aufeinander folgenden Fotoleitereinheiten bestimmt. Typischerweise wird eine Auflösung von 10 meV oder weniger für den größten Teil des optischen Spektrums bis zu 3 eV erwartet.
Die Polarisation des einfallenden Lichts kann auch durch Herstellen von Einheiten mit gleichen Nanodrähten, jedoch mit orthogonalen Ausrichtungen bestimmt werden, wie in 2 dargestellt ist. Der Grund hierfür besteht darin, dass das einfallende Licht nur absorbiert wird, wenn die Polarisation des Lichts in der Richtung der Länge der Nanodrähte liegt.
Bei einer alternativen Ausführungsform können die (halbleitenden) Nanodrähte der oben beschriebenen Fotoleitereinheiten ein Dotierungsprofil aufweisen und Fotodioden bilden, wie beispielsweise pn-Dioden, p-i-n-Dioden, Lawinen-Fotodioden etc.. Eine Fotoleitereinheit, die Fotodioden enthält, wird dann Fotodiodeneinheit genannt. Im Allgemeinen enthält eine Fotodiode einen p-dotierten Abschnitt und einen n-dotierten Abschnitt. Ein p-dotierter Abschnitt weist entweder ein konstantes oder ein sich veränderndes p-Dotierungsprofil auf, und ein n-dotierter Abschnitt weist entweder ein konstantes oder ein sich veränderndes n-Dotierungsprofil auf. In dem Fall von pn-Dioden besteht jede Fotodiodeneinheit aus zwei Elektroden, zwischen denen sich Nanodrähte befinden, die aus zwei Abschnitten bestehen: einem p-dotierten Abschnitt (beispielsweise linken Abschnitt) und einen n-dotierten Abschnitt (beispielsweise rechten Abschnitt), wie in 5 dargestellt ist. Der wellenlängensensitive Fotodetektor mit Fotodiodeneinheiten, die aus pn-Dioden bestehen, wird für Hochgeschwindigkeitsanwendungen bevorzugt. In dem Fall von p-i-n-Dioden-Nanodrähten bestehen die Nanodrähte aus drei Abschnitten: einem p-dotierten Abschnitt (links), einem intrinsischen Abschnitt (in der Mitte) und einem n-dotierten Abschnitt (rechts) (in keiner Figur dargestellt). Die auf einer p-i-n-Diode basierenden Einheiten werden bevorzugt, wenn Geschwindigkeit und Quanteneffizienz wichtig sind (wobei die Quanteneffizienz die Anzahl der Elektronen-Lochpaare ist, die je einfallendem Photon erzeugt werden). Eine Lawinen-Fotodiode ist eine Fotodiode, die bei hohen Umkehr-Vorpannungs-Spannungen arbeitet und die eine Struktur aufweist, die derjenigen einer pn-Diode ähnlich ist. Im Allgemeinen ist bei Fotodiodeneinheiten im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen Fotoleitereinheiten die elektrische Reaktion schneller.
Kombinationen der oben angegebenen alternativen Ausführungsformen bilden auch Teil der vorliegenden Erfindung, wie beispielsweise das vertikale Stapeln von 2 Fotoleitereinheiten mit orthogonalen Ausrichtungen der Nanodrähte oder wie das vertikale Stapeln von Fotodiodeneinheiten. Wie diese Ausführungsformen reagieren und wie sie aufgebaut sind, sollte für den Fachmann klar sein.
Der auf einem Nanodraht basierende Fotodetektor bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen wellenlängensensitiven Fotodetektionssystemen. Ein erster Vorteil besteht darin, dass der Fotodetektor der vorliegenden Erfindung keine zusätzlichen oder externe Komponenten erforderlich macht, um eine Information zu der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls zu erhalten. Eine Einheit, die einschaltet, liefert bereits eine Information zu der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Wahl der Einheiten mit unterschiedlichen Bandabständen und unterschiedlicher elektronischer Dichte der Zustände sehr systematisch getroffen werden kann, weil der Abstand der halbleitenden Materialien heutzutage bekannt ist und die Änderung der elektronischen Dichte der Zustände infolge der Quanteneinengungseffekte durch theoretische Berechnungen sehr gut vorhergesagt werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist der extrem große Spektralbereich, der durch den auf einem Nanodraht basierenden Fotodetektor der vorliegenden Erfindung abgedeckt werden kann. Der Spektralbereich bei einem herkömmlichen Fotodetektor und Filtersystemen ist durch den Spektralbereich des Materials des Fotodetektors begrenzt, und der Spektralbereich bei herkömmlichem Spektrometer-Aufbau (= Monochromator + Fotodetektor) ist weiter durch die Gitterbildung des Spektrometers begrenzt. Bei der vorliegenden Erfindung können jedoch Einheiten mit Nanodrähten aus Materialien mit sehr hohen Bandabständen und aus Materialien mit sehr geringen Bandabständen kombiniert werden, sodass der weiteste überhaupt mögliche Spektralbereich durch einen Detektor abgedeckt ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Nanodrahteinheiten inhärent klein sind und dass das Filtern und das Feststellen des einfallenden Lichts in derselben Einheit stattfindet. Dies ist besonders von Interesse für Telekommunikationsanwendungen, weil der vorgeschlagene wellenlängensensitive Fotodetektor das optische Signal des einfallenden Strahls in ein elektrisches Signal umwandelt, während gleichzeitig die Frequenz des einfallenden Strahls bestimmt wird. Mit irgendeiner zusätzlichen, auf dem Chip befindlichen Logikschaltung kann das Signal daher in die Nachverarbeitungsbox mit Hardwarekomponenten nur für die besondere Frequenz gerichtet werden.
II Neue Anwendungsgebiete, bei denen eine wellenlängensensitive Fotodetektoreinrichtung verwendet wird, die Nanodrähte (Kohlenstoff-Nanodrähte) aufweist
Es werden drei Anwendungsgebiete für die wellenlängensensitive Fotodetektoreinrichtung der vorliegenden Erfindung kurz dargestellt und beschrieben. Bei jeder der angegebenen Anwendungen werden die Fotoleitereinheiten, die eine Stapelung von vorzugsweise Nanodrähten mit gleichen Eigenschaften aufweisen, miteinander kombiniert und vorzugsweise auf einem einzigen Chip platziert, sodass er die Anforderungen jeder der unten angegebenen Anwendungen erfüllt. Jedoch sind mehrere Alternativen der offenbarten Anwendungen möglich, und sind somit die vorgeschlagenen Strukturen der Einrichtung nicht auf die nachfolgende Beschreibung begrenzt.
Das erste Anwendungsgebiet liegt innerhalb des Gebiets von Kameras, insbesondere auf dem Gebiet von farbsensitiven Kameras. Herkömmlicherweise besteht jedes Pixel einer farbsensitiven Kamera aus drei Silicium-Detektoren, jeder mit einem farbsensitiven Filter davor, um zwischen den drei Grundfarben zu unterscheiden: rot, grün und blau. Bei dieser Erfindung kann jedes Pixel mit drei (wenn eine höhere Farbeauflösung erwünscht ist, mit mehr) Einheiten der Grundstruktur von 1 dargestellt werden. Insbesondere kann jedes Pixel durch auf NW (oder CNT) basierende Fotoleitereinheiten dargestellt werden, die sich auf einem einzigen Chip befinden. Es ist weiter offenbart, dass der Bandabstand der drei Fotoleitereinheiten den sichtbaren Bereich gänzlich abdeckt, dies beruht beispielsweise (s. 8) darauf, dass eine Einheit einen Bandabstand nahe bei der niedrigsten sichtbaren Photonenenergie (rot, etwa 700 nm = 1,78 eV) aufweist, eine Einheit einen Bandabstand nahe bei dem Beginn des grünen Lichts (etwa 600 nm = 2,07 eV) und aufweist und eine Einheit einen Bandabstand nahe bei dem Beginn des blauen Lichts (etwa 500 nm = 2,48 eV) aufweist. Sofern notwendig ist ein Filter, der nur das sichtbare Licht überträgt, vor dem Nanodraht-Kamerachip vorgesehen. Die optischen Eigenschaften (Absorptionslänge, Dichte der Zustände, Sensitivität, ...) der Strukturen in jeder Einheit werden bestimmt 8 zeigt die farbsensitive Kameraanwendung. Die Figur zeigt ein potenzielles Spektrum eines einfallenden Photonenstrahls und die bevorzugte Wahl des Bandabstandes für die drei Fotoleitereinheiten (ferner bezeichnet als U₁, U₂ und U₃), die NWs (oder CNTs,) aufweisen, die ein Pixel einer farbsensitiven Kamera darstellen.
Der Mechanismus der Farbbestimmung kann wie folgt beschrieben werden: das Signal der Fotoleitereinheit U₃ bestimmt die Menge des Lichts in dem Spektralbereich, der dem blauen Licht (500 nm–400 nm) entspricht, wie in 8 dargestellt ist. Aus dem Signal von U₃ und auf der Grundlage der Kenntnis der optischen Eigenschaften der Fotoleitereinheit U₂ kann das Hintergrundsignal S_{2,Hintergrund} von U₂ infolge des Lichts in dem Spektralbereich von 500 nm–400 nm bestimmt werden. Das Signal von U₂ minus das Signal S_{2,Hintergrund} bestimmt dann die Menge des Lichts in dem Spektralbereich, der dem grünen Licht (600 nm–500 nm) entspricht. Aus dem Signal von U₃ und U₂ und auf der Grundlage der Kenntnis der optischen Eigenschaften von U₁ kann das Hintergrundsignal S_{1,Hintergrund} von U₁ infolge des Lichts in dem Spektralbereich von 600 nm–400 nm bestimmt werden. Das Signal von U₁ minus das Signal S_{1,Hintergrund} bestimmt dann die Menge des Lichts in dem Spektralbereich, der dem roten Licht (700 nm–600 nm) entspricht.
Bevorzugte Materialien für die Fotoleitereinheit U₁ sind beispielsweise Al_1-xGa_xAs, InP oder GaAs. Bevorzugte Materialien für die Fotoleitereinheit U₂ sind beispielsweise Cu₂O, und bevorzugte Materialien für die Fotoleitereinheit U₃ sind beispielsweise CdS.
Das zweite Anwendungsgebiet liegt innerhalb des Gebiets der Telekommunikation; spezieller wird der wellenlängensensitive Detektor dazu verwendet, das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, während gleichzeitig die Frequenz des einfallenden Lichtstrahls bestimmt wird. Typische Lichtstrahlen für die Telekommunikation haben einen engen Spektralbereich, sodass die Photonenenergie durch den Bandabstand der Nanodraht-Einheit mit den engsten Bandabstand der Einheiten, die einschalten, gegeben ist. Das Sig nal aller einfallenden Lichtstrahlen Kann daher auf den gleichen Detektor mit irgendeiner zusätzlichen Schaltung auf dem Chip einfallen, die erhaltene Frequenzinformation kann dazu verwendet werden, das Signal in eine Nachverarbeitungsbox für diese besondere Frequenz zu richten.
Das dritte Anwendungsgebiet liegt innerhalb des Gebiets der Spektroskopie; spezieller wird der wellenlängensensitive Detektor der vorliegenden Erfindung dazu verwendet, das Frequenzspektrum der einfallenden Photonen zu bestimmen. Wenn die Spektralreaktion aller Einheiten bekannt ist und wenn eine Nachverarbeitung verwendet wird, kann das optische Spektrum des einfallenden Lichts konstruiert werden. Dies wird auf der Grundlage der Spektralreaktion der verschiedenen Fotoleitereinheiten (die durch Kalibrierung der verschiedenen Fotoleitereinheiten erhalten werden kann) und auf Grund der Tatsache erreicht, dass aus dem Signal der Einheiten mit einem großen Bandabstand das minimale erwartete Signal in Einheiten mit einem kleineren Bandabstand (der dann für diese Hochenergie-Photonen notwendig ist) bestimmt werden kann. Spezieller gilt: wenn für eine besondere Einheit das Signal stärker als das vorausgesagte minimale Signal infolge der Hochenergie-Photonen ist, dann kann daraus geschlossen werden, dass es Licht in dem Spektralbereich zwischen dem Bandabstand der betroffenen Einheit und dem Bandabstand der Einheit mit den kleinsten Hochenergie-Bandabständen gibt.
Wenn sich die Nanodrähte in den einzelnen Fotoleitereinheiten einer 1-dimensionalen Dichte der Zustandprofile nähern, wie schematisch in 9 dargestellt ist, ist die Absorption nicht kontinuierlich. Diese Tatsache kann auf dem Gebiet der Spektroskopie ausgenutzt werden, weil das Fehlen der Absorption in bestimmten Wellenlängenbereichen und die verstärkte Absorption in anderen Wellenlängenbereichen die Fähigkeit des Detektors, Wellenlängen unterscheiden zu können, verbessert.
Ein Fachmann kann verstehen, dass eine Kombination aller angegebenen Anwendungen wie in dem vorausgehenden Abschnitt beschrieben realisiert und/oder derart verändert werden kann, dass sie zu weiteren Alternativen und Anwendungen führen kann. Diese Alternativen sind ebenfalls Teil der vorlie genden Erfindung, solange sie unter den Umfang der Ansprüche fallen.
Das vertikale Stapeln von Nanodrähten mit vorzugsweise im Wesentlichen dem gleichen Durchmesser, der gleichen Länge und aus dem gleichen Material zwischen zwei Elektroden, um Fotoleitereinheiten zu schaffen, die zur Schaffung eines fotosensitiven Wellenlängendetektors verwendet werden können, ist in dieser Erfindung auf dem Gebiet der Spektroskopie, der Telekommunikation und der farbsensitiven Kameras erläutert, jedoch kann ein Fachmann sie auf mehreren anderen möglichen Anwendungsgebieten realisieren, bei denen diese Fotoleitereinheiten, die gestapelte Nanodrähte aufweisen, verwendet werden können.

Claims

Wellenlängensensitiver Detektor mit mindestens einer ersten und einer zweiten Fotoleitereinheit auf einem in einer Ebene liegenden Substrat (1), wobei jede Einheit der mindestens ersten und zweiten Fotoleitereinheit eine erste Elektrode mit einer ersten Hauptfläche, die in einer ersten Ebene liegt, und eine zweite Elektrode mit einer zweiten Hauptfläche, die in einer zweiten Ebene liegt, aufweist, die erste und die zweite Ebene einer Fotoleitereinheit im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der Ebene des Substrats (1) verlaufen, wobei die erste Fotoleitereinheit eine Vielzahl von länglichen Nanostrukturen (3) eines ersten Typs aufweist, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode der ersten Fotoleitereinheit angeordnet sind, wobei die länglichen Nanostrukturen je eine Längsachse aufweisen, die Längsachsen der länglichen Nanostrukturen des ersten Typs im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der ersten und der zweiten Ebene der ersten und der zweiten Elektroden-Hauptfläche der ersten Fotoleitereinheit verlaufen, und wobei die zweite Fotoleitereinheit eine Vielzahl von länglichen Nanostrukturen (3) eines zweiten Typs aufweist, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode der zweiten Fotoleitereinheit angeordnet sind, wobei die länglichen Nanostrukturen je eine Längsachse aufweisen, die Längsachsen der länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der ersten und der zweiten Ebene der ersten und der zweiten Elektroden-Hauptfläche der zweiten Fotoleitereinheit verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen des ersten Typs im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser aufweisen und aus einem gleichen Material und gebildet sind und dass die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs einen im Wesentlichen gleichen Durchmesser aufweisen und aus einem gleichen Material gebildet sind, und wobei sich die länglichen Nanostrukturen des ersten Typs von den länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs im Material und/oder im Durchmesser unterscheiden.
Wellenlängensensitiver Detektor nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen (3) aus einem halbleitenden Material gebildet ist.
Wellenlängensensitiver Detektor nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen (3) aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht.
Wellenlängensensitiver Detektor nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen (3) in mindestens einer der Fotoleitereinheiten von erster und zweiter Fotoleitereinheit teilweise n-dotiert und teilweise p-dotiert ist, sodass eine pn-Diode innerhalb der mindestens einen Fotoleitereinheit geschaffen ist.
Wellenlängensensitiver Detektor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen (3) innerhalb einer Fotoleitereinheit nebeneinander und/oder übereinander gestapelt ist.
Wellenlängensensitiver Detektor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Elektrode aus leitenden Materialien hergestellt sind.
Wellenlängensensitiver Detektor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen (3) einer Fotoleitereinheit einen Durchmesser von 0,3 nm bis 300 nm aufweist.
Wellenlängensensitiver Detektor nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen (3) einer Fotoleitereinheit einen Durchmesser von 0,3 nm bis 100 nm aufweist.
Wellenlängensensitiver Detektor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen (3) aus irgendwelchen Materialien der Gruppe IV oder binären Verbindungen von diesen, Materialien der Gruppe III/V oder binären, tertiären oder quaternären Verbindungen von die sen oder der Gruppe II/VI oder binären, tertiären oder quaternären Verbindungen von diesen hergestellt ist.
Wellenlängensensitiver Detektor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen (3) einer Fotoleitereinheit eine Dotierungsprofil aufweisen.
Wellenlängensensitiver Detektor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl der länglichen Nanostrukturen (3) einer Fotoleitereinheit in einem Material eingebettet ist, das im Bereich der festzustellenden Wellenlängen transparent ist.
Wellenlängensensitiver Detektor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei sich die erste Fotoleitereinheit zwischen dem Substrat und der zweiten Fotoleitereinheit befindet und wobei die länglichen Nanostrukturen des ersten Typs einen größeren Bandabstand besitzen als die länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs.
Wellenlängensensitiver Detektor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei sich die zweite Fotoleitereinheit an der Oberseite der ersten Fotoleitereinheit befindet und die zweite Fotoleitereinheit eine Vielzahl von länglichen Nanostrukturen (3) des zweiten Typs aufweist, die in einer Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zu der Richtung der Vielzahl der länglichen Nanostrukturen (3) des ersten Typs ausgerichtet sind.
Verwendung des wellenlängensensitiven Detektors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Bestimmung der Frequenz einer einfallenden Strahlung.
Verwendung des wellenlängensensitiven Detektors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Bestimmung der Polarisation einer einfallenden Strahlung.
Verwendung des wellenlängensensitiven Detektors nach Anspruch 15, wobei die Bestimmung der Polarisation einer einfallenden Strahlung unter Verwendung mindestens einer ersten und einer zweiten Fotoleitereinheit durchgeführt wird, wobei die erste Fotoleitereinheit längliche Nanostrukturen des ersten Typs aufweist, die in einer ersten Richtung ausgerichtet sind, und die zweite Fotoleitereinheit längliche Nanostrukturen des zweiten Typs aufweist, die in einer zweiten Richtung ausgerichtet sind, wobei die erste und die zweite Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zueinander verlaufen.
Verwendung des wellenlängensensitiven Detektors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Umwandlung eines optischen Signals in ein elektrisches Signal und zur gleichzeitigen Bestimmung der Frequenz von einfallendem Licht.
Verwendung des wellenlängensensitiven Detektors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Darstellung eines Pixels einer farbsensitiven Kamera.
Verfahren zur Herstellung eines wellenlängensensitiven Detektors mit mindestens einer ersten und einer zweiten Fotoleitereinheit auf einem Substrat (1), das in einer Ebene liegt, – Vorsehen eines Substrats (1), das in einer Ebene liegt, – Vorsehen einer ersten und einer zweiten Fotoleitereinheit auf dem Substrat, wobei das Vorsehen einer Fotoleitereinheit umfasst – Vorsehen einer ersten Elektrode mit einer ersten Hauptfläche, die in einer ersten Ebene liegt, – Vorsehen einer zweiten Elektrode mit einer zweiten Hauptfläche, die in einer zweiten Ebene liegt, wobei die erste und die zweite Ebene im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der Ebene des Substrats (1) verlaufen, – Vorsehen einer Vielzahl von länglichen Nanostrukturen (3) mit Enden, wobei die Enden der länglichen Nanostrukturen an der ersten und der zweiten Hauptfläche der ersten und der zweiten Elektrode befestigt sind, jede längliche Nanostruktur eine Längsachse aufweist, die Längsachsen der Vielzahl der länglichen Nanostrukturen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen rechtwinklig zu der ersten und der zweiten Ebene der ersten und der zweiten Elektrodenfläche verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsehen der ersten und der zweiten Fotolei tereinheit das Vorsehen einer ersten Fotoleitereinheit mit länglichen Nanostrukturen des ersten Typs, die im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser aufweisen und aus einem gleichen Material gebildet sind, und einer zweiten Fotoleitereinheit mit länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs, die im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser aufweisen und aus einem gleichen Material gebildet sind, umfasst wobei sich die länglichen Nanostrukturen des ersten Typs von den länglichen Nanostrukturen des zweiten Typs im Material und/oder im Durchmesser unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der Schritt des Vorsehens einer Vielzahl von länglichen Nanostrukturen (3) im Wege des Wachsens der länglichen Nanostrukturen (3) Mithilfe von chemischen Dampfaufbringungs-(CVD) oder gepulsten Laseraufbringungs-(PLD)-Techniken durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 20, bei dem der Schritt des Vorsehens einer Vielzahl von länglichen Nanostrukturen (3) im Wege des Wachsens der länglichen Nanostrukturen (3) auf der ersten Hauptfläche der ersten Elektrode durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem vor dem Schritt des Wachsens einer Vielzahl von länglichen Nanostrukturen (3) Katalysatorteilchen auf der ersten Hauptfläche der ersten Elektrode aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, weiter umfassend das Vorsehen eines transparenten Materials zwischen den länglichen Nanostrukturen (3).
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem das transparente Material ein Opfermaterial ist, das nach der Herstellung der mindestens ersten und zweiten Fotoleitereinheit entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, weiter umfassend das Hinzufügen eines zusätzlichen Signalverarbeitungsschaltkreises an jeder der mindestens ersten und zweiten Fotoleitereinheit.