JP5373782B2 - ナノワイヤフォトダイオード及びナノワイヤフォトダイオードを作製する方法 - Google Patents

Description

ナノテクノロジー及び量子情報技術は、極めて小さな電子回路及び光回路の設計を伴う。ナノテクノロジー及び量子情報技術の用途に適したナノワイヤを含むナノメータスケールの光電子デバイスを提供することが望ましい。これらの用途において、このようなデバイスは、効率的な性能を提供し、生産環境において低コスト製造技術により製造することができる。

ナノワイヤフォトダイオードの例示的な一実施の形態は、第１の先端を含むテーパ状の第１の端部を備える第１の光導波路と、第１の先端から離間された第２の先端を含むテーパ状の第２の端部を備える第２の光導波路と、第１の先端と第２の先端とをブリッジ構成で接続し、少なくとも１つの半導体材料を含む少なくとも１本のナノワイヤとを備える。

ナノワイヤフォトダイオードの別の例示的な実施の形態は、表面を有する基板と、基板の表面上又は表面内に一体的に製造され、第１の先端を含むテーパ状の第１の端部を備える第１の光導波路と、基板の表面上又は表面内に一体的に製造され、第１の先端から離間された第２の先端を含むテーパ状の第２の端部を備える第２の光導波路と、少なくとも１つの第１の半導体材料を含み、第１の先端と第２の先端とをブリッジ構成で接続する少なくとも１本のナノワイヤとを備え、第１の光導波路及び第２の光導波路は、基板の表面と同じ材料を含む。

ナノワイヤフォトダイオードを製造する方法の例示的な一実施の形態は、少なくとも１つの第１の半導体材料を含む少なくとも１本のナノワイヤを、第１の光導波路のテーパ状の第１の端部の第１の先端から成長させることを含み、このことによって、第１の先端から離間した第２の光導波路のテーパ状の第２の端部の第２の先端に、ブリッジ構成でナノワイヤが接続する。

ナノワイヤフォトダイオードの例示的な一実施形態を示す。 基板上に配置された図１のナノワイヤフォトダイオードを示す。 基板上に一体的に製造されたナノワイヤフォトダイオードの別の例示的な実施形態を示す。 基板上に一体的に製造されたナノワイヤフォトダイオードの別の例示的な実施形態を示す。

フォトダイオードは、光信号を電気信号に変換するのに使用される。ナノスケールフォトダイオードは、ナノスケール発光ダイオード及びナノスケールレーザ等の他のナノフォトニック素子をナノエレクトロニクスと統合するのに望ましい。ナノワイヤは、電気信号及び光信号の搬送並びに光の検出及び放射を行うのに使用することができる。しかしながら、光検出の用途については、ナノワイヤの直径が非常に小さいということが、光子吸収断面が非常に小さいということに対応し、このことは、満足できるデバイス感度を達成することに関して難題を提示する。複数本のナノワイヤを使用して感度を改善することができるが、この手法は、デバイスキャパシタンスを犠牲にする。超低キャパシタンスのフォトダイオードには、単一のナノワイヤ又は数本のみのナノワイヤが望ましい。

望ましい光子検出感度及びキャパシタンスで動作するように構成されるナノワイヤフォトダイオードが開示される。これらフォトダイオードの実施形態を使用して、フォトダイオードによって出力された電気信号を増幅してフォトダイオードのナノワイヤ（複数可）の小さな光子吸収断面を補償する部品を使用する必要もなく、光を検出することができる。

例示的な一実施形態によるナノワイヤフォトダイオード１００が図１に示される。フォトダイオード１００は、第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４を備える。簡単にするために、第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４の一部のみが示されている。第１の光導波路１０２は、第１の先端１０８において終端するテーパ状の第１の端部１０６を含み、第２の光導波路１０４は、第２の先端１１２において終端するテーパ状の第２の端部１１０を含む。第１の先端１０８及び第２の先端１１２は、距離Ｄだけ互いに離間している。ナノワイヤ１１４は、第１の先端１０８を第２の先端１１２にブリッジ構成で接続する。ナノワイヤ１１４は、フォトダイオード１００において検出器及び導波路として作用する。

ナノワイヤ１１４は、第１の先端１０８又は第２の先端１１２から成長させることができる。例えば、ナノワイヤ１１４を第１の先端１０８から成長させ、第１の先端１０８と第２の先端１１２との間に連続して伸ばし、第２の先端１１２に衝突させ、第２の先端１１２に機械的且つ電気的に接続させて、第１の光導波路１０２と第２の光導波路１０４とを直接架橋することができる。ナノワイヤ１１４の両端は、対向する第１の先端と第２の先端１１２との間の自己組織化されたナノワイヤ接続を形成する。

この実施形態では、第１の端部１０６及び第２の端部１１０は、テーパ状にされ、それぞれ第１の先端１０８及び第２の先端１１２へ向けて長手方向に連続的に減少するそれぞれの断面積を有する。第１の端部１０６及び第２の端部１１０のテーパは変更することができる。テーパは、反射を低減するために、約２度未満又は約１度未満のような約３度未満の角度のように、好ましくは漸進的である。フォトダイオード１００では、テーパ状の第１の端部１０６及び第２の端部１１０は、ナノワイヤ（複数可）１１４への移行部を提供する。

第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４は、例えば、本体に沿って円形の断面を有し且つテーパ状の端部を有する光ファイバとすることができる。光ファイバは、例えば、石英光ファイバ、シリコンファイバ等の半導体ファイバ、利得のためにエルビウムをドーピングしたファイバ等とすることができる。光ファイバの直径はそれぞれ、第１の端部１０６に沿って第１の先端１０８へ向け長手方向に減少し、また、第２の端部１１０に沿って第２の先端１１２へ向け長手方向に減少する。別の実施形態では、第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４は、正方形、長方形等の非円形の断面を有し、この断面は、第１の端部１０６では、第１の先端１０８に向かう方向でサイズが減少し、第２の端部１１０では、第２の先端１１２に向かう方向でサイズが減少する。この実施形態では、第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４は、通常、テーパ状の第１の端部１０６及びテーパ状の第２の端部１１０に隣接して約５μｍから約５０μｍの断面直径、すなわち幅を有することができる。第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４は、通常、ほぼ同じ断面形状及び寸法を有することができる。

第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４は、第１の端部１０６及び第２の端部１１０の所望のテーパ及び寸法を生成する任意の技法によってテーパ状にすることができる。例示的な一実施形態では、円筒光ファイバを適した雰囲気において加熱して引き伸ばし、その光ファイバを第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４に分離することができる。この引き伸ばし操作によって、第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４はテーパ状にもされ、それぞれテーパ状の第１の端部１０６及びテーパ状の第２の端部１１０が形成される。

この実施形態では、ｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料の少なくとも１つの層１１６が、第１の光導波路１０２の第１の端部１０６上に被覆され、ｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料の他方の少なくとも１つの層１１８が、光導波路１０４の第２の端部１１０上に被覆される。被覆層１１６、１１８は、図示するように第１の端部１０６全体及び第２の端部１１０全体に施すことができる。代替的に、被覆層１１６、１１８は、第１の端部１０６及び第２の端部１１０の側面のみに施すこともできるし、実質的に第１の先端１０８及び第２の先端１１２上のみに施すこともできる。被覆層１１６，１１８は、ナノワイヤ１１４を製造する前に、第１の端部１０６及び第２の端部１１０上に形成される。

被覆１１６、１１８は、第１の先端１０８又は第２の先端１１２からのナノワイヤ１１４の成長を可能にし、且つ望ましい電気特性を提供するのに適した物理特性を有する任意の材料を含むことができる。被覆材料は、例えば単結晶シリコンといった単結晶材料とすることもできるし、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、サファイア等の非単結晶材料とすることもできるし、ダイヤモンド及びダイヤモンド状炭素等の炭素ベースの無機材料とすることもできる。被覆層１１６、１１８のそれぞれは、フォトダイオード１００における所望の電気特性を提供するのに効果的なドーピングレベルにドーピングすることができる。

被覆層１１６、１１８は、任意の適した技法によって第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４上にエピタキシャル成長させることもできるし、アモルファスに堆積させることもできる。被覆を施すための例示的な技法には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、及びプラズマ増強ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）が含まれる。

別の例示的な実施形態では、第１の光導波路１０２の第１の端部１０６の少なくとも一部をｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料でドーピングすることができ、第２の光導波路１０４の第２の端部１１０の少なくとも一部をｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料の他方でドーピングすることができる。

所望の波長領域内の光を放射する光源によって、第１の光導波路１０２又は第２の光導波路１０４内へ光を放射することができる。図１は、第１の光導波路１０２内へ放射される光信号λを示す。例えば、この光は、フォトダイオード１００の用途に応じて、約０．７５μｍから約１．６μｍの範囲内のような、約０．６μｍから約１．６μｍの範囲内、例えば約０．７８０μｍ又は約１．５５μｍにすることができる。本明細書で説明するフォトダイオードの他の例示的な実施形態も、このような波長で動作することができる。

例示的な光源は、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等のようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を使用して構築することができる。光源は、第１の光導波路１０２（又は第２の光導波路１０４）に結合された外部光源とすることができる。代替的に、光源は、フォトダイオード１００並びにオプションとして追加の電子部品及び／又は光電子部品を含む統合システムの部品とすることもできる。

第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４は、電気接点及び電気リード線１２０、１２１をそれぞれ介して電源に電気接続することができる。例示的な一実施形態では、電気接点は、透明なインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）から製造することができ、ＩＴＯは、第１の端部１０６及び第２の端部１１０のｎ型部分及びｐ型部分と接触し、電気信号が適切な信号処理集積回路へ伝搬するコプラナー線等の高速電気伝送線に接続する。電源は、逆バイアスを生成するように動作可能である。

フォトダイオード１００では、第１の光導波路１０２又は第２の光導波路１０４によって搬送される光信号の光エネルギーをナノワイヤ１１４の小さな断面積内へ結合する問題は、第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４をテーパ状にすることによって対処され、このことによって、第１の光導波路１０２又は第２の光導波路１０４によって搬送される光信号の光場がナノワイヤ１１４上へ押し出される。第１の光導波路１０２の第１の端部１０６及び第２の光導波路１０４の第２の端部１１０をテーパ状にしてナノワイヤ１１４の両端に結合することにより、光場のピーク強度をナノワイヤ１１４上に集中させることができ、それによって、フォトダイオード１００の光変換効率を増加させることができる。加えて、ナノワイヤ１１４の長手に沿って伝搬する光は、ナノワイヤによる光の吸収に起因して減衰される。光のエネルギーは、ナノワイヤ１１４のバンドギャップを超えているので、電子と正孔の対が生成される。これらのキャリアは、逆バイアスを印加することによって掃引され、外部回路機構内の電流が生成される。数十ＧＨｚの範囲での動作のために、ナノワイヤの長さは、通常、約１μｍから約５μｍである。フォトダイオード１００の速度は、大部分は、逆バイアスによるナノワイヤ１１４の掃引されているキャリアの輸送（すなわち、掃引時間）によって制限される。

別の例示的な実施形態では、ナノワイヤ１１４は、中間部分に隣接したテーパ状の端の部分で形成することができる。本明細書で説明するフォトダイオードの他の例示的な実施形態は、このようなテーパ状の部分及び中間部分を含む１本又は複数本のナノワイヤを含むことができる。

図１に示すように、フォトダイオード１００は、オプションとして、第１の光導波路１０２内に第１のブラッグ反射器１２２、及び第２の光導波路１０４内に第２のブラッグ反射器１２４を含むことができる。第１のブラッグ反射器１２２、ナノワイヤ１１４、及び第２のブラッグ反射器１２４は、光キャビティを形成する。第１のブラッグ反射器１２２及び第２のブラッグ反射器１２４は、光子がナノワイヤ１１４を最初に通過している間にナノワイヤ１１４によって吸収されない光子を反射し、それによって、フォトダイオード１００の光変換効率を増加させる。

本明細書で説明するフォトダイオードの実施形態は、非常に低いキャパシタンスで動作することができる。ナノワイヤ１１４のキャパシタンスは、一次的には、式：Ｃ＝ε・Ａ／ｄによって表すことができる。ここで、εはナノワイヤ１１４の誘電体の誘電率であり、Ａはナノワイヤ１１４の断面積であり、ｄは（通常はＤにほぼ等しい）ナノワイヤ１１４の長さである。フォトダイオード１００のキャパシタンスＣは、Ａの削減及び／又はｄの増加によって削減される。第１の光導波路１０２の第１の先端１０８及び第２の光導波路１０４の第２の先端１１２は、フォトダイオード１００の光結合効率を高めるために、好ましくは、ナノワイヤ１１４の断面積とほぼ同じ断面積へ向けてテーパ状にされる。

例示的な実施形態では、ナノワイヤ１１４は、約１０ｎｍ、２０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、又は５００ｎｍのような、約１０ｎｍから約５００ｎｍの直径を有することができ、約０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、又は５μｍのような、約０．５μｍから約５μｍの長さを有することができる。本明細書で説明するフォトダイオードの他の例示的な実施形態において提供されるナノワイヤも、このような寸法を有することができる。上述したように、ナノワイヤ１１４の直径（断面）及び長さは、フォトダイオード１００のキャパシタンスを大幅に減少させるために、それぞれ大幅に変更することができる。好ましくは、フォトダイオード１００の実施形態は、約０．５フェムトファラッド［ｆＦ］（１×１０^-15Ｆ）未満、約０．１ｆＦ未満、又は約０．０１ｆＦ（すなわち、１０アトファラッド［ａＦ］）未満のような、約１ｆＦ未満のキャパシタンスを有することができる。フォトダイオード１００のキャパシタンスは、主として、フリンジングキャパシタンスからのものである。第１の光導波路１０２及び第２の光導波路１０４をテーパ状にすることによって、フォトダイオード１００のフリンジングキャパシタンスは大幅に削減される。

フォトダイオード１００の低いキャパシタンスによって、フォトダイオード１００は、大電圧を出力することが可能になる。すなわち、キャパシタンスＣは、式：Ｑ＝ＣＶの比例定数として定義することもできる。ここで、Ｑはキャパシタの「プレート」上の電荷であり、Ｖはキャパシタの「プレート」間の電圧差である。したがって、キャパシタンスＣを減少させることによって、電圧Ｖは増加する。フォトダイオード１００の大出力電圧によって、フォトダイオード１００は、電気信号を後増幅する追加の部品を含める必要なく低い光レベルを検出することが可能になる。フォトダイオード１００によって、単純化された回路機構の使用が可能になり、電力消費が削減される。

フォトダイオード１００の実施形態は、望ましい高さの外部量子効率（ＥＱＥ）を提供することができる。ＥＱＥは、フォトダイオードがどれくらい効率的に光を電気に変換できるのかの尺度である。ＥＱＥは、単位時間当たりに入来する光子の個数に対する、フォトダイオードによって単位時間当たりに生成される電子の個数の比として定義することができる。フォトダイオード１００の実施形態は、少なくとも約２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、又は９０％のような、少なくとも約１０％のＥＱＥを提供するものと予測される。単一のナノワイヤ１１４を含むフォトダイオード１００の実施形態については、少なくとも１０％のＥＱＥが予測される。フォトダイオード１００の他の例示的な実施形態は、デバイスの所望のキャパシタンスに応じて、２本、５本、１０本、又はそれよりも多くのナノワイヤ１１４等、２本以上のナノワイヤ１１４を含むことができる。複数本のナノワイヤ１１４、例えば２本から１０本のナノワイヤを備えるフォトダイオード１００の実施形態について、ＥＱＥは、最大約９０％等、単一のナノワイヤの実施形態よりも高くなると予測される。本明細書で説明するフォトダイオードの他の例示的な実施形態によるフォトダイオードも、１本又は複数本のナノワイヤを含むことができるが、これらのフォトダイオードも、約１０％から約９０％の範囲内のＥＱＥ値を提供できるものと予測される。

図２に示すフォトダイオード２００の例示的な実施形態は、基板２３０上に配置された第１の光導波路２０２及び第２の光導波路２０４を含む。フォトダイオード２００は、例えば、フォトダイオード１００と同じ構成を有することができ、フォトダイオード１００と同じ材料で形成することができる。この実施形態では、第１の光導波路２０２は、第１の先端２０８において終端するテーパ状の第１の端部２０６を含み、第２の光導波路２０４は、第１の先端２０８から離間された第２の先端２１２において終端するテーパ状の第２の端部２１０を含む。ナノワイヤ２１４は、第１の先端２０８を第２の先端２１２にブリッジ構成で接続する。フォトダイオード２００の実施形態は、デバイスの所望のキャパシタンス及び所望のＥＱＥに応じて、２本、５本、１０本、又はそれよりも多くのナノワイヤ２１４等、２本以上のナノワイヤ２１４を備えることができる。

基板２３０は、シリコン又は化合物半導体材料等の任意の適した材料を含むことができる。例えば、基板２３０は、約３００ｍｍの直径を有するシリコンウエハ、又は約７５ｍｍから約１００ｍｍの直径を有するＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含むことができる。

基板２３０は、表面２３６内に形成された溝２３２を備える。第１の光導波路２０２及び第２の光導波路２０４は、溝２３２内に位置付けられる。溝２３２は、第１の光導波路２０２及び第２の光導波路２０４が部分的に表面２３６よりも上に伸びるような深さを有することができる。Ｖ字溝を使用して石英光ファイバを収容することができる。第１の光導波路２０２及び第２の光導波路２０４は、例えば、溝２３２に金属接合することもできるし、ガラス対シリコン接合によって接合することもできる。金属接合は、フォトダイオード２００への電気接点にも使用することができる。溝２３２は、レーザアブレーション、フォトリソグラフィー及びエッチング等によって基板２３０の表面２３６内に形成することができる。

例示的な一実施形態では、（テーパ状にした後の）第１の光導波路２０２及び第２の光導波路２０４を、第１の先端２０８を第２の先端２１２から所望の距離だけ離間させて溝２３２内に配置し、被覆層２１６、２１８をそれぞれ第１の端部２０６及び第２の端部２１０上に形成し（又は、代替的に第１の端部２０６及び第２の端部２１０をドーピングし）、次いで、ナノワイヤ２１４を成長させて、第１の先端２０８を第２の先端２１２にブリッジ構成で接続することにより、フォトダイオード２００は作製される。

この実施形態では、逆バイアスを生成するために、第１の光導波路２０２及び第２の光導波路２０４を接点及びリード線２２０、２２１をそれぞれ介して電源に電気接続することができる。

図３は、別の例示的な実施形態によるフォトダイオード３００を示す。この実施形態では、第１の光導波路３０２及び第２の光導波路３０４が、基板３３０の表面３３６上に一体的に形成され、このことによって、第１の光導波路３０２及び第２の光導波路３０４は、表面３３６よりも上に突出する。この実施形態では、第１の光導波路３０２及び第２の光導波路３０４は、表面３３６上に直接製造され、表面３３６と同じ半導体材料を含む。

フォトダイオード３００の他の実施形態では、平坦化するために、光導波路を、埋設された導波路として基板の表面３３６内に形成することができる。

図示するように、第１の光導波路３０２及び第２の光導波路３０４は、長方形又は正方形の断面を有することができる。図示した実施形態では、第１の光導波路３０２は、第１の先端３０８を有するテーパ状の第１の端部３０６を含み、第２の光導波路３０４は、第２の先端３１２を有するテーパ状の第２の端部３１０を含む。ナノワイヤ３１４は、第１の先端３０６を第２の先端３１２にブリッジ構成で接続する。

第１の光導波路３０２及び第２の光導波路３０４は、フォトリソグラフィー技法によって基板３３０上に製造することができる。テーパ状の部分は、光インプリント又はナノインプリントを含むリソグラフィー技法によって作製することができる。近ＩＲ伝送用の導波路は、通常、それぞれテーパ状の端部３０６及びテーパ状の端部３１０に隣接した部分において約１μｍから約１０μｍの幅寸法及び約１μｍから約１０μｍの高さを有することができる。導波路は、約２度未満又は約１度未満のような約３度未満の角度で徐々にテーパ状にすることができる。例えば、ナノインプリントリソグラフィーを使用すると、約１０ｎｍ以下程の小さな寸法を有する先端を、第１の光導波路３０２及び第２の光導波路３０４のテーパ状の部分に形成することができる。第１の光導波路３０２の第１の先端３０８の幅及び第２の光導波路３０４の第２の先端３１２の幅は、光結合効率を高めるために、好ましくは、ナノワイヤ３１４の直径とほぼ等しい。フォトダイオード３００では、ナノワイヤ（複数可）３１４は、通常、約１０ｎｍから約５００ｎｍの直径及び約０．５μｍから約５μｍの長さを有することができる。

この実施形態では、基板３３０は、結晶質材料又は非晶質材料とすることができる。基板３３０は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ合金、又はＧａＡｓ若しくはＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含むことができる。基板３３０、第１の光導波路３０２、及び第２の光導波路３０４は、単一片のバルク半導体材料を含むことができる。このバルク半導体材料は、例えば、単結晶シリコンウエハとすることができ、この内部又はこの上に、フォトダイオード３００が製造される。

第１の光導波路３０２は、ｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料を含むことができ、第２の光導波路３０４は、ｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料の他方を含むことができる。別の実施形態では、第１の光導波路３０２の第１の端部３０６の少なくとも一部を、ｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料で被覆又はドーピングすることができ、第２の光導波路３０４の第２の端部３１０の少なくとも一部を、ｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料の他方で被覆又はドーピングすることができる。

この実施形態では、第１の光導波路３０２及び第２の光導波路３０４のｐ型材料及びｎ型材料を電気的に絶縁して、電流が、基板３３０内で電気的ショートを起こすことなくナノワイヤ３１４を流れることを可能にするために、電気絶縁体領域３３４が基板３３０に形成される。例えば、電気絶縁体領域３３４は、第１の光導波路３０２と第２の光導波路３０４との間の基板３３０内に絶縁体材料をイオン注入することによって基板３３０に形成することができる。

この実施形態では、第１の光導波路３０２及び第２の光導波路３０４は、接点及びリード線３２０、３２１をそれぞれ介して電源に電気接続される。電源は、逆バイアスを生成するように動作可能である。

追加の光電子素子及び／又は電子素子を基板３３０上及び／又は基板３３０内に製造して統合システムを作製することができる。例えば、順方向バイアスされたナノワイヤレーザ等の発光デバイスを同様の技法を使用して製造することができ、基板３３０上に設けることもできる。

図４は、別の例示的な実施形態によるフォトダイオード４００を示す。この実施形態では、基板４３０の少なくとも表面４３６は、ＳｉＯ₂又は窒化物材料等の誘電体材料を含み、第１の光導波路４０２及び第２の光導波路４０４は、この誘電体材料上に一体的に製造され、表面４３６よりも上に突出する。第１の光導波路４０２及び第２の光導波路４０４は、図示するように、例えば、フォトダイオード３００の第１の光導波路３０２及び第２の光導波路３０４と同じ構成を有することができる。基板４３０の表面４３６は、例えば、シリコン基板（例えば、（１１１）シリコンウエハ）上に成長させたＳｉＯ₂を含むことができる。図示するように、第１の光導波路４０２及び第２の光導波路４０４は、例示的な長方形又は正方形の断面を有する。第１の光導波路４０２は、第１の先端４０８を有するテーパ状の第１の端部４０６を含み、第２の光導波路は、第２の先端４１２を有するテーパ状の第２の端部４１０を含む。ナノワイヤ４１４は、第１の先端４０８を第２の先端４１２にブリッジ構成で接続する。他の実施形態では、導波路は、埋設された導波路として表面４３６内に形成することができる。

第１の光導波路４０２及び第２の光導波路４０４は、誘電体材料に使用されるフォトリソグラフィー技法によって基板４３０上に製造することができる。上述したように、ナノインプリントリソグラフィーを使用して、約１０ｎｍ以下程の小さな幅寸法を有する先端を形成することができる。導波路は、約２度未満又は約１度未満のような約３度未満の角度で徐々にテーパ状にすることができる。第１の光導波路４０２及び第２の光導波路４０４は、それぞれ第１の端部４０６及び第２の端部４１０に隣接した部分で約１μｍから約１０μｍの幅寸法及び約１μｍから約１０μｍの高さを有することができる。第１の光導波路４０２の第１の先端４０８の幅及び第２の光導波路４０４の第２の先端４１２の幅は、光結合効率を高めるために、好ましくは、ナノワイヤ４１４の直径とほぼ等しい。フォトダイオード４００では、ナノワイヤ（複数可）４１４は、例えば、約１０ｎｍから約５００ｎｍの直径及び約０．５μｍから約５μｍの長さを有することができる。

フォトダイオード４００では、第１の光導波路４０２及び第２の光導波路４０４は、選択されたロケーションが、ナノワイヤ４１４が接続される半導体材料で被覆される。例えば、第１の端部４０６は、ｐ型又はｎ型の単結晶又は非単結晶の半導体材料の被覆４１６を有することができ、第２の端部４１０は、ｐ型又はｎ型の他方の単結晶又は非単結晶の半導体材料の被覆４１８を有することができる。これらの被覆は、第１の端部４０６及び第２の端部４１０の全体又は選択された部分のみを覆うことができる。第１の端部４０６上に形成された被覆４１６及び第２の端部４１０上に形成された被覆４１８は、フォトダイオード４００における所望の電気特性を提供する選択されたドーピングレベルを有する。

被覆４１６、４１８は、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、ＣＶＤ、及びＰＥＣＶＤ等の任意の適した技法を使用して、第１の光導波路４０２及び第２の光導波路４０４上にエピタキシャル成長させることができる。

この実施形態では、逆バイアスを生成するために、第１の光導波路４０２及び第２の光導波路４０４を接点及びリード線４２０、４２１をそれぞれ介して電源に電気接続することができる。

追加の光電子素子及び／又は電子素子を基板４３０上及び／又は基板４３０内に製造して統合システムを作製することができる。例えば、順方向バイアスされたナノワイヤレーザ等の発光デバイスを同様の技法を使用して製造することができ、基板４３０上に設けることもできる。

別の実施形態では、非単結晶材料（例えば、ガラス）を含む基板の表面上にフォトダイオードを製造することができる。例えば、離間した配列を有する石英平面導波路層を作製する方法を使用してガラス上にシリカの層を製造することができる。導波路は、適したテーパを有するように処理される。石英導波路は、次に、ｐ型若しくはｎ型又はシリサイドのいずれかでドーピングされたアモルファスＳｉ又は多結晶Ｓｉ等、適した材料で被覆することができ、テーパ状のｐ型部分とｎ型部分との間又はシリサイドテーパ間に１本又は複数本のナノワイヤをブリッジ構成で成長させることができる。

図３及び図４に示すように、フォトダイオード３００、４００は、第１の光導波路３０２、４０２内に製造されたオプションの第１のブラッグ反射器３２２、４２２及び第２の光導波路３０４、４０４内に製造されたオプションの第２のブラッグ反射器３２４、４２４を含む。第１のブラッグ反射器３２２、４２２及び第２のブラッグ反射器３２４、４２４は、光子がナノワイヤ３１４、４１４を最初に通過する際にナノワイヤ３１４、４１４によって吸収されない光子を反射する。いくつかの実施形態では、第１のブラッグ反射器３２２、４２２及び第２のブラッグ反射器３２４、４２４は、ブラッグ反射器層とエアギャップとを交互に備えることができる。他の実施形態では、ブラッグ反射器は、互いに異なる屈折率を有する半導体材料の層であって、且つ／又はブラッグ反射器が一体化されるそれぞれの第１の光導波路及び第２の光導波路の材料と異なる屈折率を有する半導体材料の層を交互に備えることができる。半導体構造内にブラッグ反射器の反射器層を形成するための技法は、米国特許出願公開第２００６／００９８７０５号明細書に記載されている。この米国特許出願公開は、参照によりその全体が本明細書に援用される。

例示的なフォトダイオード１００、２００、３００、４００では、ナノワイヤ１１４、２１４、３１４、４１４は、水平のブリッジ配列で成長される。しかしながら、他の実施形態では、ナノワイヤ１１４、２１４、３１４、及び／又は４１４は、第１の先端１０８、２０８、３０８、４０８と第２の先端１１２、２１２、３１２、４１２との相対的な位置に応じて他の向きに成長させることができる。例えば、第１の光導波路１０２、２０２、３０２、４０２と第２の光導波路１０４、２０４、３０４、４０４とが互いに垂直に離間している状態では、ナノワイヤ１１４、２１４、３１４、及び／又は４１４は、代替的に、水平に対して鋭角で上方又は下方のいずれかに伸びることができ、すなわち、ナノワイヤ１１４、２１４、３１４、及び／又は４１４は、ブリッジ構成で垂直に伸びることができる。図示したフォトダイオード１００、２００、３００、４００では、第１の先端１０８、２０８、３０８、４０８、ナノワイヤ１１４、２１４、３１４、４１４、及びそれぞれの第２の先端１１２、２１２、３１２、４１２は同一直線上にある。他の実施形態では、第１の先端１０８、２０８、３０８、４０８、第２の先端１１２、２１２、３１２、４１２、及びナノワイヤ１１４、２１４、３１４、４１４は、それぞれの第２の先端から側方に離間した第１の先端と共通の水平面内に存在することができる。

図示したフォトダイオード１００、２００、３００、４００では、簡単にするために、単一のナノワイヤ１１４、２１４、３１４、４１４が示されている。上述したように、フォトダイオードは、オプションとして、フォトダイオードの外部量子効率を改善するために、複数本のナノワイヤを含むことができる。フォトダイオード１００、２００、３００、及び４００の実施形態は、デバイスキャパシタンスが結果的に十分低くなる用途で使用するために２本以上のナノワイヤを含むことができる。例えば、フォトダイオード１００、２００、３００、及び４００のいくつかの実施形態は、第１の光導波路１０２、２０２、３０２、４０２の第１の先端１０８、２０８、３０８、４０８を、第２の光導波路１０４、２０４、３０４、４０４の第２の先端１１２、２１２、３１２、４１２にブリッジ構成で接続する、２本、５本、１０本、又はそれよりも多くのナノワイヤ１１４等、複数本のナノワイヤを含むことができる。これらのナノワイヤは、フォトダイオード１００、２００、３００、４００において並列に接続される。したがって、全キャパシタンスは、個々のナノワイヤのキャパシタンスをナノワイヤの本数倍した数に等しい（通常はほぼ等しいものとすることができる）。

フォトダイオード１００、２００、３００、及び／又は４００のナノワイヤ１１４、２１４、３１４、及び／又は４１４は、「ｉ」材料（すなわち、意図的にドーピングされていない材料又は固有の材料である材料）とすることができる。このような実施形態では、第１の端部１０６、２０６、３０６、４０６及びそれぞれの第２の端部１１０、２１０、３１０、４１０とナノワイヤ１１４、２１４、３１４、及び／又は４１４との間にｐ−ｉ―ｎ接合が形成される。他の実施形態では、ナノワイヤ１１４、２１４、３１４、及び／又は４１４は、オプションとして、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントで両端をドーピングすることができる。

他の実施形態では、ナノワイヤ１１４、２１４、３１４、及び／又は４１４は、少なくとも１つの元素半導体材料又は少なくとも１つの化合物半導体材料を含むことができる。ナノワイヤを形成するのに使用できる例示的な半導体材料には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ合金；例えばＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＮ、ＢＮ、及び砒化ホウ素ＢＡｓといった二元合金等の少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、若しくはＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰＡｓ等の少なくとも１つのより高位のＩＩＩ−Ｖ族合金を含む化合物半導体材料；酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び酸化インジウム（ＩｎＯ）等の少なくとも１つのＩＩ−ＶＩ族半導体材料、並びにこれらの組み合わせ又は他の半導体材料が含まれる。

フォトダイオード１００、２００、３００、４００のナノワイヤ１１４、２１４、３１４、４１４は、任意の適した成長技法を使用して形成することができる。ナノワイヤを成長させる適した方法は、例えば、米国特許出願公開第２００６／００９７３８９号明細書に記載されている。この米国特許出願公開は、参照によりその全体が本明細書に援用される。例えば、ナノワイヤは、ＣＶＤ技法によって単結晶又は非単結晶の表面から成長させることができる。触媒成長技法を使用するナノブリッジ形成が、例えば、T. Kaminsによる「Beyond CMOS Electronics: Self-Assembled Nanostructures」（The Electrochemical Society Interface, Spring 2005）、並びにM. Saif Islam、S. Sharma、T. I. Kamins、及びR. Stanley Williamsによる「Ultrahigh-Density Silicon Nanobridges Formed Between Two Vertical Silicon Surfaces」（Nanotechnology 15, L5-L8 (2004)）に記載されている。これらの文献のそれぞれは、参照によりその全体が本明細書に援用される。これらの技法では、ナノワイヤを成長させる表面上に形成された触媒ナノ粒子と堆積材料との相互作用によって、ナノワイヤは成長される。成長表面上にナノ粒子を直接形成することもできるし、成長表面上に触媒材料を（例えば、物理気相成長（ＰＶＤ）又はＣＶＤにより）堆積させ、その後に、触媒材料をアニーリングしてナノ粒子触媒を形成することもできる。金属触媒ナノ粒子には、例えば、Ｔｉ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｇａ、及びそれらの合金が含まれ得る。金属は、ナノワイヤの組成に基づいて選択することができる。触媒ナノ粒子は、ナノワイヤ成長中、液相又は固相のものとすることができる。

化合物半導体材料を成長させるための例示的な技法は、B. J. Ohlsson、M. T. Bjork、M. H. Magnusson、K. Deppert、及びL. Samuelsonによる「Size-, shape-, and position-controlled GaAs nano-whiskers」（Appl. Phys. Lett., vol. 79, no. 20, pp. 3335-3337 (2001)）（金属触媒成長技法によるＧａＡｓ基板上でのＧａＡｓナノウィスカの成長）；M. H. Huang、S. Mao、H. Feick、H. Yan、Y. Wu、H. Kind、E. Weber、R. Russo、及びP. Yangによる「Room-Temperature Ultraviolet Nanowire Nanolasers」（Science, vol. 292, pp. 1897-1899 (2001)）（サファイア基板上でのＺｎＯナノワイヤの成長）；S. S. Yi、G. Girolami、J. Adamo、M. Saif Islam、S. Sharma、T. I. Kamins、及びI. Kimukinによる「InP nanobridges epitaxially formed between two vertical Si surfaces by metal-catalyzed chemical vapor deposition」（Appl. Phys. Lett., vol. 89, 133121 (2006)）（シリコン表面上でのＩｎＰナノワイヤのエピタキシャル成長）；並びにHaoquan Yan、Rongrui He、Justin Johnson、Matthew Law、Richard J. Saykally、及びPeidong Yangによる「Dendritic Nanowire Ultraviolet Laser Array」（J. Am. Chem. Soc., vol. 125, no. 16, 4729 (2003)）（ＺｎＯの樹枝状ナノワイヤアレイの製造）に記載されている。これらの文献のそれぞれは、参照によりその全体が本明細書に援用される。

フォトダイオード１００、２００、３００、４００の例示的な実施形態は、ナノワイヤの電子特性を制御するために、ナノワイヤに沿った所定のロケーションに成長中に形成された少なくとも１つの制御された境界を含むナノワイヤ１１４、２１４、３１４、４１４を備えることができる。ナノワイヤは、強いビルトイン電界をナノワイヤに形成するのを助けるために、ナノワイヤに沿ってｐ−ｎ接合を規定するｐ領域及びｎ領域を含むことができる。例えば、ナノワイヤ１１４、２１４、３１４、及び／又は４１４は、第１の光導波路１０２、２０２、３０２、４０２のｐドーピング材料又はｐ型材料で被覆された第１の先端１０８、２０８、３０８、４０８に隣接したｐ領域、及び第２の光導波路１０４、２０４、３０４、４０４のｎドーピング材料又はｎ型材料で被覆された第２の先端１１２、２１２、３１２、４１２に隣接したｎ領域を含むことができる。

ナノワイヤに沿って異なる半導体材料を順次堆積させることによって、ナノワイヤヘテロ構造を形成することができる。ナノワイヤのｐ領域とｎ領域との間に、異なる組成を有するヘテロエピタキシャル層を形成することができる。例えば、M. T. Bjork、B. J. Ohlsson、T. Sass、A. I. Persson、C. Thelander、M. H. Magnusson、K. Deppert、L. R. Wallenberg、及びL. Samuelsonによる「One-dimensional Steeplechase for Electrons Realized」（Nano Lett., vol.2, no. 2, pp. 87-89 (2002)）（ＩｎＰのセグメントを含むＩｎＡｓウィスカの形成）を参照されたい。この文献は、参照によりその全体が本明細書に援用される。

上述したフォトダイオードの実施形態は、民生用電子機器、光通信、コンピューティング、化学／生物学的解析、及び光放射較正／監視等、さまざまな用途で光信号を検出するように構成することができる。フォトダイオードの実施形態は、他のナノスケール部品を含む統合システム内に組み込むことができる。

本発明の精神からも本質的な特徴からも逸脱することなく、本発明を他の特定の形態で具現化できることが当業者によって理解されよう。したがって、本明細書において開示した実施形態は、すべての点において、例示であり、限定ではないものとみなされる。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、本発明の意味及び範囲並びにその均等物の範囲内に入るすべての変更は、本発明に包含されるように意図されている。

Claims (15)

1. 第１の先端を含むテーパ状の第１の端部を備える第１の光導波路であって、前記第１の先端は、ｐ型半導体材料もしくはｎ型半導体材料でドーピングされているか、または、ｐ型半導体材料もしくはｎ型半導体材料で被覆されている、第１の光導波路と、
   前記第１の先端から離間された第２の先端を含むテーパ状の第２の端部を備える第２の光導波路であって、前記第１の先端がｐ型半導体材料でドーピングまたは被覆されているときには、前記第２の先端はｎ型半導体材料でドーピングまたは被覆され、前記第１の先端がｎ型半導体材料でドーピングまたは被覆されているときには、前記第２の先端はｐ型半導体材料でドーピングまたは被覆されている、第２の光導波路と、
   前記第１の先端と前記第２の先端とをブリッジ構成で接続する、ｉ半導体材料から形成された少なくとも１本のナノワイヤとを備え、
   前記第１の先端と前記ナノワイヤと前記第２の先端とによってｐ−ｉ−ｎ接合が形成される、ナノワイヤフォトダイオード。
2. 前記ナノワイヤは、０．５μｍから５μｍの長さ及び１０ｎｍから５００ｎｍの直径を有し、
   前記第１の先端及び前記第２の先端は、前記ナノワイヤの前記直径とほぼ等しい幅又は直径を有する、請求項１に記載のナノワイヤフォトダイオード。
3. 前記ｐ型半導体材料及び前記ｎ型半導体材料は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、ダイヤモンド、又はダイヤモンド状炭素である、請求項１または２に記載のナノワイヤフォトダイオード。
4. 前記ナノワイヤは、少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載のナノワイヤフォトダイオード。
5. 表面を有する基板をさらに備え、
   前記第１の光導波路は、前記基板の前記表面上又は前記表面内に一体的に製造され、
   前記第２の光導波路は、前記基板の前記表面上又は前記表面内に一体的に製造され、
   前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、前記基板の前記表面と同じ材料を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載のナノワイヤフォトダイオード。
6. 前記基板の前記表面並びに前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、第２の半導体材料を含み、
   前記第２の半導体材料は、非単結晶材料であり、
   前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、前記基板上で互いに電気的に絶縁される、請求項５に記載のナノワイヤフォトダイオード。
7. 前記基板の前記表面並びに前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、誘電体材料を含む、請求項５に記載のナノワイヤフォトダイオード。
8. 前記ナノワイヤフォトダイオードは、１フェムトファラッド未満のキャパシタンス及び少なくとも１０％の外部量子効率を有する、請求項１乃至７のいずれかに記載のナノワイヤフォトダイオード。
9. 前記テーパ状の第１の端部及び前記テーパ状の第２の端部は、３度未満のテーパを有する、請求項１乃至８のいずれかに記載のナノワイヤフォトダイオード。
10. 前記第１の光導波路は、第１のブラッグ反射器を含み、
    前記第２の光導波路は、第２のブラッグ反射器を含み、
    前記第１のブラッグ反射器及び前記第２のブラッグ反射器は、前記ナノワイヤを含む光キャビティを規定する、請求項１乃至９のいずれかに記載のナノワイヤフォトダイオード。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載のナノワイヤフォトダイオードを製造する方法であって、
    前記少なくとも１本のナノワイヤを、前記第１の光導波路の前記テーパ状の前記第１の端部の前記第１の先端から成長させることを含み、これによって、前記第１の先端から離間した前記第２の光導波路の前記テーパ状の第２の端部の前記第２の先端に前記ナノワイヤがブリッジ構成で接続し、及び、前記第１の先端と前記ナノワイヤと前記第２の先端とによってｐ−ｉ−ｎ接合が形成される、ナノワイヤフォトダイオードを製造する方法。
12. 前記第１の光導波路内に前記第１のブラッグ反射器を形成し、
    前記第２の光導波路内に前記第２のブラッグ反射器を形成することをさらに含み、
    前記第１のブラッグ反射器及び前記第２のブラッグ反射器は、前記ナノワイヤを含む光キャビティを規定する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路を基板上に配置し、
    ｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料で前記第１の先端をドーピング又は被覆し、
    ｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料の他方で前記第２の先端をドーピング又は被覆し、
    前記第２の先端に接続し、及び、前記第１の先端と前記ナノワイヤと前記第２の先端とによってｐ−ｉ−ｎ接合が形成されるようにするために、前記第１の先端から前記ナノワイヤを成長させることをさらに含む、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 基板の表面上又は前記表面内に前記第１の光導波路を形成するために、前記基板の前記表面をエッチングし、
    前記基板の表面上又は前記表面内に前記第２の光導波路を形成するために、前記基板の前記表面をエッチングし、
    ｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料で前記第１の先端をドーピング又は被覆し、
    ｐ型半導体材料又はｎ型半導体材料の他方で前記第２の先端をドーピング又は被覆し、
    前記第２の先端にブリッジ構成で接続し、及び、前記第１の先端と前記ナノワイヤと前記第２の先端とによってｐ−ｉ−ｎ接合が形成されるようにするために、前記第１の先端から前記ナノワイヤを成長させることをさらに含む、請求項１１または１２に記載の方法。
15. ａ）前記基板の前記表面並びに前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、第２の半導体材料を含み、
    前記方法は、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを互いに電気的に絶縁する電気絶縁領域を前記基板内に形成することをさらに含むか、又は、
    ｂ）前記基板の前記表面並びに前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、誘電体材料を含み、
    前記方法は、
    ｐ型半導体材料若しくはｎ型半導体材料で前記第１の先端を被覆し、
    ｐ型半導体材料若しくはｎ型半導体材料の他方で前記第２の先端を被覆することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

Images