專利名稱:納米結構及其制造方法
技術領域:
本發(fā)明總體上涉及本質(zhì)上為一維形式的結構,該結構的寬度或直徑為 納米尺寸,它們一般被稱為納米晶須、納米棒、納米線、納米管等;為便 于說明,此種結構將被稱為"一維納米元件"。本發(fā)明更具體地但不限于 涉及納米晶須以及形成納米晶須的方法。
背景技術:
利用所謂的VLS (氣-液-固)機理在襯底(基片)上形成晶須的基本 工藝是眾所周知的。襯底上的催化材料(例如通常為金)的顆粒在特定氣 體氛圍中被加熱,以形成熔融體。在熔融體下面形成柱狀物,該熔融體在 該柱狀物的頂部上升。因此,便得到所需材料的晶須,其中固化顆粒熔融 體位于頂部一參見"Growth of Whiskers by the Vapour-Liquid-Solid Mechanism", Givargizov, Current Topics in Materials Science,巻1, 79-145頁, North Holland Publishing Company, 1978。這種晶須的尺寸在微米范圍內(nèi)。
國際專利申請WO 01/84238在圖15和16中公開了一種形成納米晶須 的方法,其中來自氣溶膠的納米尺寸的顆粒沉積在一襯底上,這些顆粒被 用來作為生成晶絲或納米晶須的籽晶(籽晶)。為便于說明,術語納米晶 須意在表示直徑為納米尺寸的一維納米元件,該元件采用VLS機理制成。
4通常,納米結構是具有至少兩個小于約l|_im (即納米尺寸)的維度的 裝置。 一般地,具有厚度小于lpm的一層或多層的層狀結構或堆垛材料并 不被視為納米結構,盡管如下所述,納米結構可能用在這種層的制備中。 因此,術語納米結構包括具有兩個小于約l]am的維度的自立或孤立結構, 其具有不同于較大結構的功能和效用,并且通常通過與用于制備略大一些 即微米量級結構的現(xiàn)有工序不同的方法加工。因此,盡管沒有用特定的數(shù) 字尺寸界限來定義納米結構量級的精確邊界,該術語已經(jīng)意味著本領域的 技術人員所公認的這種量級。在許多情況下,表征納米結構的維度尺寸的 上限大約為500nm。
當納米元件的直徑小于一定的值例如50nm時,則會出現(xiàn)量子局限, 即電子只能沿著該納米元件的長度方向運動;而對于直徑面(徑向平面), 電子則占據(jù)量子力學本征態(tài)。
半導體納米晶須的電學和光學性質(zhì)基本上由它們的結晶結構、形狀和 尺寸決定。具體而言,晶須寬度的微小變化可能激起由量子局限效應導致 的能態(tài)分裂中的巨大變化。因此,可自由選擇晶須的寬度是很重要的,同 樣重要的是,對于伸長的晶須長度,其寬度可保持恒定。如果要使晶須技 術與當前的半導體器件技術的結合成為可能,就必須要求上述這一點,并 且還要求有將晶須定位于襯底上的選定位置處的可能。已經(jīng)有若干個實驗 對GaAs晶須的生長進行了研究,其中最重要的是Hiruma等人所報道的。 在有機金屬化學氣相沉積一MOCVD—生長系統(tǒng)中,他們在III-V族襯底上 生長了 III-V族納米晶須一參見K. Hiruma, M. Yazawa, K. Haraguchi, K. Ogawa, T. Katsuyama, M. Koguchi,禾卩H. Kakibayashi, J. Appl. Phys. 74, 3162, 1993; K. Hiruma, M. Yazawa, T. Katsuyama, K. Ogawa, K. Haraguchi, M. Koguchi,禾卩H. Kakibayashi, J. Appl. Phys. 77, 447, 1995; E. I. Givargizov, J. Cryst. Growth 31, 20, 1975; X. F. Duan, J. F. Wang,和C. M. Lieber, Appl. Phys. Lett. 76, 1116, 2000; K. Hiruma, H. Murakoshi, M. Yazawa, K. Ogawa, S. Fukuhara, M. Shirai,禾卩T. Katsuyama, IEICE Trans. Electron. E77C, 1420, 1994; K. Hiruma等,"Self-organised growth on GaAs/InAs heterostructure nanocylinders by organometallic vapor phase epitaxy", J. Crystal growth 163, (1996), 226-231。它們的方法在于對薄的Au膜進行退火,從而形成籽晶顆粒。以這種方式,他們得到了均勻的晶須寬度分布,其平均尺寸可通過Au 層的厚度以及此層轉變成納米顆粒的方式來控制。利用此技術,很難分別 對尺寸和表面覆蓋度((surface coverage)進行控制,事實上也不可能得到 低的覆蓋度。由于晶須寬度也依賴于生長溫度,甚至還存在著Au顆粒的平 衡尺寸與溫度有關的跡象,因此,膜厚度與晶須厚度之間的關聯(lián)并不是直 接的。作者還從掃描隧道顯微鏡尖端觀察到,沉積的Au的尺寸與所生成的 晶須寬度之間具有強關聯(lián)。對于由Lieber等人生長的自由伸展的Si晶須-參見Y. Cui, L. J. Lauhon, M. S. Gudiksen, J. F. Wang,和C. M. Lieber, Appl, Phys, Lett. 78, 2214, 2001 ,也表現(xiàn)出了清晰的顆粒-晶須尺寸關聯(lián)。
如果要將晶須用作電子器件,就必須存在明確定義的沿著晶須長度的 電學結,為了實現(xiàn)這一點,已經(jīng)做了大量工作,例如參見Hiruma et al., "Growth and Characterisation of Nanometer-Scale GaAs, AlGaAs and GaAs/InAs Wires", IEICE Trans. Electron., Vol. E77腸C, No. 9, September 1994: pp 1420-1424。但是,還需要很大的改進。
對于碳納米管(CNTs)也已經(jīng)做了大量的工作。盡管有所進步,但由 于缺乏對CNT的導電類型的控制而且不能按所控制的方式形成一維異質(zhì)結 構,研究工作遇到了阻礙。人們對隨機形成的界面,如CNT的金屬性部分 與半導體性部分之間的紐結[Yao et al., Nature, 1999, 402, 273]、在半導體 CNT中具有摻雜(pn)結[Deiycke et al., Nano Letters, 2001, 1, 453.]以及 CNT與半導體(Si和SiC)納米晶須之間的轉變[Huetal.,Nature, 1999, 399, 48.]進行了識別和研究。
在發(fā)展的一個分支中,從二十世紀八十年代晚期幵始,就由德克薩斯 州實驗室的Randall、Reed以及合作者作為倡導者進行了采用自頂而下的方 法(top-down method)來制作一維裝置的嘗試[M.A. Reed et al., Phys. Rev. Lett. 60, 535(1988).]。他們的自頂而下的方法目前仍然代表著量子裝置領域 的最先進工藝技術,其基于定義了兩個勢壘和中央量子阱的多層的外延生 長。然后,采用電子束蝕刻來定義邊緣限定圖案,從而與金屬層的蒸發(fā)一 起形成頂部接點。接著,采用剝離工藝將對電子束敏感的抗蝕劑從表面除 去,并由反應式離子蝕刻將所有圍繞著預期形成的細柱的材料除去。最后, 利用聚酰亞胺層經(jīng)由襯底并從其頂部使該裝置被接觸。在對利用此自底而上技術(bo加m-up technique)制作的器件的研究中,觀察到了 100-200畫 直徑的柱,然而,其電學特征和最佳比值約為1.1:1的峰-谷電流卻相當令 人失望。最近,報道了用于實現(xiàn)低維共振隧穿裝置的另一方法,其利用了 由應力導致的自組合量子點的形成(LE. Itskevich et al., Phys. Rev. B 54, 16401(1996); M. Narihiro, G. Yusa, Y. Nakamura, T. Noda, H. Sakaki, Appl. Phys. Lett. 70, 105(1996); M. Borgstrom et al., Appl. Phys. Lett. 78, 3232(2001).)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種制作納米晶須、 一維半導體納米晶體的方法,其中, 晶須的部分(segments)具有不同的組分,例如砷化銦晶須包含磷化銦部分, 其中生長條件使得形成突變界面(不連續(xù)界面)和厚度為幾個單層至幾百 個納米的異質(zhì)結構勢壘,因此產(chǎn)生了電子可沿著其運動的一維形貌。在優(yōu) 選的化學束外延(CBE)方法中,通過將激勵原子供給到籽晶顆粒(seed particle)與襯底的共晶熔融體(eutectic melt)中控制組分的迅速轉變,該激 勵原子被作為分子束供給到超高真空室中。不同組分之間的迅速轉換經(jīng)由 一個程序來實現(xiàn),該程序中,生長被中斷或至少減弱到可忽略的程度,并 且重新建立起生長的過飽和條件;至少,組分和過飽和的變化改變得比任 何可察覺到的生長均快。對于晶須材料中的突變,通過晶須沿徑向向外膨 脹或至少通過晶面中靠近結的原子的側位移來調(diào)適(accommodate)源于晶 格失配的應力和應變。
此外,本發(fā)明包括一種技術,以用于合成在結晶襯底上外延生長的選 定尺寸的納米晶須。采用選定尺寸的金氣溶膠顆粒作為催化劑,其可使表 面覆蓋度完全獨立于晶須直徑而變化。晶須為棒狀,并具有與催化劑籽晶 尺寸相關的介于10與50nm之間的均勻直徑。通過利用氣溶膠顆粒的納米 操作,各納米晶須可按照被控制的方式以nm量級的精度在襯底上的特定 位置處成核。本發(fā)明的方法通過選擇納米顆粒來增強對晶須的寬度控制。 該納米顆??梢允且r底上的氣溶膠或液體合金,對它的制備可從形成于襯 底上的金矩形開始,該金矩形在熔化時形成精確的直徑球??墒褂闷渌?料來代替金作為籽晶顆粒,例如鎵。在許多應用中,均希望具有直徑基本恒定的納米晶須,同時,在晶須
的形成過程中,通過選擇性改變例如Ga的第III族材料的擴散常數(shù)(擴散 系數(shù)),可改變晶須的形狀和其它特征。這可以按如下方式完成
降低該工藝的溫度-這產(chǎn)生向著其自由端逐漸變細的晶須;
增加第V族材料的壓力;
增加第V族材料和第m族材料的壓力。 更具體地說,本發(fā)明提供一種形成納米晶須的方法,其包括 在襯底上沉積籽晶顆粒,并將該籽晶顆粒暴露于處于溫度和壓力控制 條件下的材料中,以形成具有該籽晶顆粒的熔融體,因此該籽晶顆粒熔融 體在一柱上爬升,從而形成納米晶須,該納米晶須的柱具有納米尺寸的直 徑;
其中,在柱的生長過程中,選擇性地改變所述材料的組分,以不連續(xù) 地改變該柱沿著其長度的區(qū)域處的材料組分,同時維持著外延生長,從而 形成沿著其長度具有至少第一和第二半導體部分長度的柱,該第一半導體 部分的材料具有不同于第二半導體部分的材料的帶隙。
通過將事先設計的不同半導體材料部分自底而上組合在m/v族納米晶
須中,人們已經(jīng)得到了功能性的一維(1D)共振隧穿二極管和其它器件以 及結構。利用單晶成形,也已經(jīng)將包括納米晶須的電子或光子器件制成為 異質(zhì)結構,其中納米晶須的長度部分由不同材料構成,以在不同帶隙材料 之間的晶須中產(chǎn)生明確定義的結(well defined junction),從而產(chǎn)生具有所 需功能的器件。
因此,概括地說,本發(fā)明提供一種異質(zhì)結構電子或光子器件,其包括 納米晶須,該納米晶須包含具有納米尺寸直徑的柱,為了使器件可執(zhí)行所 需的功能,該柱沿著其長度具有多個不同材料組分的長度部分,在沿著納 米晶須的柱延伸預定長度的相鄰部分之間具有預定的徑向邊界,從而在該 邊界處給出所需的帶隙變化。
在一概括方面,本發(fā)明提供一種電子或光子器件,其包括納米晶須,該 納米晶須包含具有納米尺寸直徑的柱,
該柱沿著其長度至少包括不同材料的第一和第二長度部分,在該第一和 第二部分之間具有突變(不連續(xù))的外延組分邊界,其中,該邊界處的晶格失配通過邊界處的納米晶須的徑向向外膨脹調(diào)適。
在另一概括方面,本發(fā)明提供一種電子或光子器件,其包括納米晶須, 該納米晶須包含具有納米尺寸直徑的柱,
該柱沿著其長度至少包括不同材料的第一和第二長度部分,在該第一 和第二部分之間具有突變外延徑向材料邊界,其中,該第一和第二部分的
不同材料組分之間的轉變發(fā)生在不超過8個徑向晶面的軸向距離上。優(yōu)選 的是,該第一和第二部分的組分之間的轉變發(fā)生在不超過6個晶面、更優(yōu) 選不超過5個晶面、更優(yōu)選不超過4個晶面、更優(yōu)選不超過3個晶面、更 優(yōu)選不超過2個晶面以及最優(yōu)選不超過1個晶面的軸向距離上。
另一方面,本發(fā)明還提供一種電子或光子器件,其包括納米晶須,該 納米晶須包含具有納米尺寸直徑的柱,該柱沿著其長度至少包括不同材料 的第一和第二長度部分,該第一部分具有A^Bx形式的化學計量組分,該 第二部分具有A^By形式的化學計量組分,這里A和B為選定物質(zhì),x和 y為變量,其中,位于第一和第二部分之間的外延組分邊界包括在預定數(shù)量 的徑向晶面上從變量x至變量y的預定逐漸變化。在一類似實施例中,本 發(fā)明的納米晶須的第一和第二部分的組分可分別用分子式A,.xBxC和 A,.yByC表示,其中A和B代表一族、例如周期表中的第m族的元素,C 代表另一族、例如周期表中的第V族的元素。變量x和y可取0與l之間 的值,并代表該范圍內(nèi)的不同數(shù)字。因此,由化合物半導體制成這種納米 晶須,沿著其長度的組分可以改變,從而結合成異質(zhì)結。這種化合物半導 體的一個例子是A^GahAs。本發(fā)明的納米晶須可構造成具有例如兩個長度 部分,第一部分具有組分Al^GaxAs,其中變量x為O與l之間的給定值, 第二部分具有組分Al,.yGayAs,其中變量y為不同于x的值的另一值。這兩 部分之間為一界面,該界面中,組分從第一部分的組分連續(xù)變化至第二部 分的組分,即,變量x的值連續(xù)變化且通常是單調(diào)地變化至變量y的值。 因此,該界面構成一異質(zhì)結。正如將在下面進行的更具體解釋,通過調(diào)節(jié) 晶須生長的條件,可使該轉變發(fā)生在預定數(shù)量的徑向晶面上。而且,可周 期性地調(diào)節(jié)該生長條件,以沿著納米晶須的長度形成多個這樣的異質(zhì)結。
本發(fā)明控制納米晶須的直徑使其沿著該納米晶須的長度基本上為恒 量,或者具有限定的變化,如被控制的錐形。這就為納米晶須保證了精確的電學參量,該被控制的錐形等同于沿著該納米晶須長度產(chǎn)生一電壓梯度。 直徑可足夠小,從而使該納米晶須展現(xiàn)出量子局限效應。盡管對直徑進行 了精確控制,該直徑還是會有微小變化,其源于處理方法,特別是源于為 了調(diào)節(jié)外延結構中的晶格失配使組分邊界處的納米晶須沿徑向向外鼓起。 而且,由于晶格尺寸的不同, 一部分的直徑與不同材料的另一部分的直徑 會略有不同。
根據(jù)本發(fā)明,納米晶須的直徑優(yōu)選不大于約500nm,更優(yōu)選不大于約 100nm,并更優(yōu)選不大于約50nm。而且,本發(fā)明的納米晶須的直徑可優(yōu)選 在不大于約20nm、不大于約10nm,或不大于約5nm的范圍內(nèi)。
納米晶須的精確形成使得能夠制作依賴于量子局限效應的裝置,尤其 是共振隧穿二極管。因此,已經(jīng)發(fā)展出了RTD,其中,發(fā)射極、集電極和 中央量子點由InAs制成,勢壘材料由InP制成。在低溫下觀察到了峰-谷比 高達50:1的理想共振隧穿行為。
在一特別方面,本發(fā)明提供一種共振隧穿二極管,其包括納米晶須, 該納米晶須包含具有納米尺寸直徑的柱,以展現(xiàn)出量子局限效應,
沿著其長度,該柱包括分別形成發(fā)射極和集電極的第一和第二半導體 長度部分;位于第一和第二半導體部分之間的第三和第四長度部分,它們 的材料具有不同于第一和第二半導體部分的材料的帶隙;具有不同于第三 和第四部分的材料的帶隙的第五半導體材料中央長度部分,其處于第三和 第四部分之間并形成量子阱。
由納米晶須制成的電子或光子器件所伴隨引發(fā)的問題是如何對該納米 晶須作出高效的電接點。
一種方法是通過機械刮除工藝將納米晶須從其襯底上取下,并將該納 米晶須置于另一襯底上,此納米晶須沿著長度方向的側邊位于該襯底上。 然后在該納米晶須的端部上形成金屬焊盤(metallised bond pad),或者也 可操作納米晶須,以使其位于預制的接觸墊上。
或者,在一種可能更適合于批量生產(chǎn)的方法中,使納米晶須留在襯底 上,其底端形成于電接點上。 一旦形成,該納米晶須便被封裝入樹脂或玻 璃態(tài)物質(zhì)中,然后在封裝表面上形成與納米晶須的自由端相接觸的接觸墊。 為了有助于這一點,向著形成納米晶須的一端的催化顆粒熔融體可具有注
10入其中的額外的導電物質(zhì),以改善與焊盤的電接觸。
更為具體的器件在附屬權利要求中進行闡明,并在下面進行解釋。特 別是,它們包括異質(zhì)雙極性晶體管、發(fā)光二極管和光電探測器。
由于發(fā)光二極管可構造得具有可從覆蓋紫外線、可見光和紅外區(qū)波長的 連續(xù)范圍中任意選擇的發(fā)射波長,因此,它非常適用于本發(fā)明。
本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管,其包括納米晶須,該納米晶須包含具有納 米尺寸直徑的柱,從而展現(xiàn)出量子局限效應,
該柱沿著其長度依次包括第一、第二和第三半導體長度部分,該三部分 分別包括發(fā)射極、量子阱激活部分和集電極,所述第二部分具有不同于第 一和第三部分的帶隙,并形成發(fā)光二極管的激活區(qū)。
發(fā)光二極管的一個特殊應用是發(fā)射單個光子。這可用于多種應用,特 別是用于量子密碼學中,其中,根據(jù)量子理論,對光子流的未經(jīng)授^i的中 途攔截將不可避免地導致對該光子的破壞或更改,從而造成被傳輸信號的
毀壞-見P. Michler, A. Imamoglu, M. D. Mason, P. J. Carson, G. F. Strouse, S. K. Buratto, Nature 406, 968 (2000); C. Santori, M. Pelton, G. Solomon, Y. Dale: Y. Yamamoto, Phys. Rev. Lett. 86, 1502 (2001)。
本發(fā)明提供一種單光子光源,其包括一維納米器件,該器件沿著其長 度布置有一定體積的光學活性材料,該材料足夠小,以形成量子阱,在該 量子阱的任一側上形成有隧穿勢壘,因此在使用時,該量子阱可一次發(fā)射 一個光子。
根據(jù)本發(fā)明的另一形式的光源被設計為超出遠紅外的太赫輻射。以美 國朗訊技術公司的Capasso及其合作者為先鋒,人們在超晶格方面做了大 量的工作。他們的'量子級聯(lián)'激光利用了InGaAs/InAlAs/InP異質(zhì)結構中 亞帶內(nèi)的光子發(fā)射,并實現(xiàn)了在高達17微米的波長處的室溫(脈沖模式) 運轉。例如,見IEEE Spectrum, July 2002, pages 23,24, "Using Unusable Frequencies".和 F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, and A.Y. Cho, "Quantum cascade lasers", Physics Today, May 2000, pp.34-39。
本發(fā)明提供一種太i^輻射源,其包括納米晶須,該納米晶須包含具有納 米尺寸直徑的柱,該柱包括與多層第二帶隙材料相互交替插入的多層第一 帶隙半導體,從而形成超晶格,其尺寸使得電子能夠以一波矢運動,從而發(fā)出太赫輻射。
在根據(jù)本發(fā)明的器件、結構和工藝中,可形成從襯底延伸出來的基本 上相互平行的大量納米晶須的陣列。形成這種陣列有多種方法,例如在 襯底上布置氣溶膠顆粒陣列,以提供催化籽晶顆粒;利用膠狀溶液在襯底 上沉積顆粒,或者通過納米壓印蝕刻(NIL)工藝(或通過任何其它蝕刻工 藝,例如電子束蝕刻、紫外光蝕刻或X射線蝕刻)在襯底上形成預定形狀 (矩形或其它形狀)和厚度的區(qū)域陣列,當受熱時,這種陣列形成所需體 積的球,從而使納米晶須的生長過程得以進行。
這種陣列可用作光子晶體、由大量光電探測器組成的太陽能電池、場 致發(fā)射顯示器(FED)、以及用于將紅外圖像轉換成可見光圖像的轉換器, 所有這些將在下面進行解釋。其進一步的應用在于偏振濾光片。
在本發(fā)明的工藝中,大量納米晶須的陣列可用來在諸如硅等較便宜物 質(zhì)的晶片襯底上生成外延材料層?,F(xiàn)有技術中長期存在的問題是昂貴的 III-V族材料的單晶晶片的形成,利用這些材料可形成芯片。對于在硅晶片 襯底上形成單晶層已經(jīng)做了大量的研究-例如,見WO 02/01648。然而,還 需要進一步的改進。
根據(jù)本發(fā)明,提供在其上生長覆蓋材料(mask material)的硅襯底或其 它物質(zhì)的襯底,該覆蓋材料對外延生長有抵觸作用,其例如為諸如Si02或 Si3N4等介電材料。例如,通過NIL工藝在該覆蓋材料中形成納米尺寸的孔 陣列,并且將催化籽晶-形成材料布置在這些孔中。另外,也可以在襯底上 沉積籽晶-形成材料區(qū)域的陣列,然后在該襯底和籽晶顆粒區(qū)域上沉積覆蓋 材料層。加熱使得該籽晶顆粒區(qū)域熔化,從而產(chǎn)生籽晶顆粒,然后激發(fā)所 需III-V族和其它材料的納米晶須的生長。在納米晶須生長以后,利用該晶 須作為成核中心,所需材料的生長繼續(xù)進行,直到形成該材料的一個單一 連續(xù)層。該材料是單晶外延的。優(yōu)選的是,在一個便利的時機中將在納米 晶須端部熔化的籽晶顆粒除去,以避免污染外延層。
在一種變型中,在納米晶須形成之前,釆用籽晶顆粒熔融體作為成核 點,以激發(fā)外延層的大量生長,而在籽晶顆粒下面的生長則仍然處于液相 狀態(tài)。
在另一種變型中,在硅襯底的上表面中形成微型V形凹槽,例如,在<100>襯底上進行<111>蝕刻。籽晶顆粒形成區(qū)域形成在¥形凹槽的表面上, 因此,納米晶須與襯底成角度地生長,并在凹槽處互相交叉。這使得外延 層可從納米成核中心更高效地生長。而且,避免了在具有不同生長相的疇 區(qū)之間的晶粒邊界,其一直是現(xiàn)有技術的工藝所具有的問題。
因此,另一方面,本發(fā)明還提供一種方法,其用于在不同材料的襯底 上形成所需材料的外延層,該方法包括在襯底上形成多個籽晶顆粒材料 區(qū)域的排列;在該籽晶顆粒區(qū)域周圍形成覆蓋材料層;從該籽晶顆粒區(qū)域 生長所述的所需材料的納米晶須;以及采用該納米晶須作為生長點,繼續(xù) 生長所述的所需材料,從而形成延伸在所述襯底上的所需材料的外延層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,還發(fā)展了用于形成沿<100>方向延伸的III-V 族材料的納米晶須的工藝,其與通常沿著<111>方向的納米晶須不同。這有 著十分重要的應用,尤其是對于氮化物材料,由于這種材料在閃鋅礦結構 和纖維鋅礦結構之間交替變化,其傾向于沿著<111>方向生長,但具有許多 堆跺層錯。
本發(fā)明提供一種形成納米晶須的方法,其包括提供襯底;在其上表 面上形成多個籽晶顆粒的排列;從所述籽晶顆粒生長納米晶須,該納米晶 須最初沿著<111>方向從襯底延伸;以及在所述晶須中形成短的勢壘材料部 分,以將晶須的生長方向改變?yōu)?lt;100>方向。
另一方面,本發(fā)明還提供了一種形成納米晶須的方法,其包括提供 襯底;在其上表面上形成多個籽晶顆粒的排列;從所述的籽晶顆粒生長納 米晶須,該納米晶須最初沿著<111>方向從襯底延伸;以及改變所述納米晶 須的生長條件,以將它們的生長方向改變?yōu)?lt;100>方向。
本發(fā)明還涉及結合在MEMS裝置-微型機械裝置中的一維納米元件。
一方面,襯底(例如硅襯底)具有形成于其一個表面上的電接點區(qū)的 矩陣。在每個接點區(qū)上,例如從金催化劑顆粒形成一個或多個納米晶須, 它們從襯底表面直立起來。因此,每個晶須或晶須組可通過電信號而獨立 尋址。這種結構可接觸神經(jīng)末梢或者眼睛視網(wǎng)膜中的神經(jīng)末梢,并且可激 活該電極,從而為神經(jīng)提供修復或人造功能。因此,例如當應用于眼睛的 視網(wǎng)膜中時,該結構可克服一定的失明問題。
另一方面,提供了可作為神經(jīng)電極或在其它應用中起作用的納米晶須,其中,該晶須由硅或者可被氧化的金屬形成,該晶須被氧化,從而沿著其 長度形成氧化層。位于該晶須端部、包括金或其它不能被氧化的材料的顆 粒熔融體保持不被氧化,因而可用于形成電接點。這種布置可提供比沿著 其長度具有暴露的導電材料的納米晶須更精確的電學特性,而且這種納米 晶須可用作神經(jīng)電極或用作在其中該納米晶須的電容起重要作用的裝置。 此外,也可采用其它材料作為外層,例如較高帶隙的外殼,例如當晶須由 砷化鎵制成時,該外層可以是磷化鎵。
納米結構的一個重要應用在于微型機械懸臂梁(cantilever beam),其 中固定于一端的梁伸入空中,并且可受到外力(例如電力、重力、外界物 體的力或者化學力)作用,從而使懸臂彎曲。例如可通過該結構的電容變 化來檢測所述彎曲。
另一方面,本發(fā)明提供一個或多個納米晶須,該納米晶須可以按照本 發(fā)明的上述方面沿著其長度被氧化或不被氧化,以提供懸臂或者形成為一 排或平行梁的懸臂的陣列。這種布置可提供與以前釆用蝕刻工藝形成該梁 的布置相同量級的敏感度或比其更敏感。
此種懸臂的一個應用在于用帶有涂層的材料形成晶須,該涂層對一定 的有機分子或生物分子敏感,因此,當分子在接觸懸臂梁時會進行一定的 化學反應。這就在該懸臂梁上產(chǎn)生一定的應力并導致該梁彎曲,該彎曲可 通過光學或電學監(jiān)控而檢測到。
在另一特別方面,納米晶須形成于一向上突起至一基本絕緣材料層的 孔中襯底上。該絕緣層的上表面具有形成于其上的導電材料。從襯底開始, 該導電性材料基本上與其上具有導電籽晶顆粒熔融體的納米晶須的頂端等 高。通過導電材料的適當激活,可使得晶須以一定的本征頻率(例如該本 征頻率在千兆赫范圍內(nèi))在孔內(nèi)進行機械振動。在一個振動周期內(nèi), 一個 單電子經(jīng)由籽晶顆粒熔融體從導電材料的一側轉移到另一側。這就產(chǎn)生了 一電流標準發(fā)生器,其中通過導電材料的電流I等于振動頻率f與一個電子 的電荷e的乘積I-f-e。
如果使晶須敏感得可吸引一定種類的分子,則沉積到晶須上的分子將 會改變該晶須的惰性特征并從而改變其振動的本征頻率。因此,這可以通 過導電材料的電激活來檢領IJ。此技術可用來以很高的精度計算分子的重量。本發(fā)明還提出一種光電裝置,其包括設有接點區(qū)的襯底;至少一個 從所述接點區(qū)延伸的納米晶須,所述納米晶須形成至少部分的用于光吸收 的p-ii結;在每個晶須的自由端上延伸并與其電接觸的透明電極。
本發(fā)明還提出一種包括如上所述的光電裝置的太陽能電池,其中所述 光電裝置適于將陽光轉變?yōu)殡娏Α?br>
本發(fā)明還提出一種包括如上所述的光電裝置的光電探測器,其中所述 光電裝置適于探測輻射。
下面參考附圖僅通過舉例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。附圖中 圖1是根據(jù)本發(fā)明用于形成納米晶須的制備技術的示意圖(a)在
GaAs襯底上沉積選定尺寸的Au氣溶膠顆粒;(b)用于定位晶須的顆粒的 AFM操作;(c)合金化,以從表面形成Au與Ga之間的共晶熔融體或共熔 體;(d)GaAs晶須生長。
圖2: (a)從10nm Au氣溶膠顆生長而成的GaAs納米晶須的TEM顯 微圖;(b)具有從40nmAu氣溶膠顆生長而成的GaAs晶須的GaAs〈lll〉B 襯底的SEM顯微圖;(c)從Au簇生長而成的GaAs晶須的400kV高分辨 電子顯微鏡圖像,其中的插圖給出的是放大了的晶須部分。
圖3是用于實施本發(fā)明方法的裝置的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一實施例采用晶格間距的交互空間分析而得到的 InAs納米晶須的組分分布,該晶須包含若干個InP異質(zhì)結構(a)直徑為 40nm的晶須的高分辨TEM圖像;(b)圖(a)中圖像的功率譜;(c)采用與split 200反射的InP部分最接近的信息的反傅立葉變換,InP (明亮部分)分別 位于寬度約為25、 8和1.5nm的三個帶中;(d)分別在200反射的InP部分 和InAs部分上采用相同的覆蓋物的重疊圖像。
圖5是對InAs納米晶須中InP異質(zhì)結構的分析(a)直徑為40nm的 InAs納米晶須中的InP勢壘(100, 25, 8和1.5nm)的TEM圖像;(b) 8nm 勢壘區(qū)的放大,示出了結晶完整性和單層水平的界面突變;(c)模擬 InAs/InP異質(zhì)結構的帶結構圖,其包括(左邊)與InAs的歐姆接觸的理想 形式;(d)同質(zhì)InAs晶須的歐姆式I-V依賴關系,與從包含80nm的InP
15勢壘的InAs晶須中可見的強烈非線性I-V行為形成對比;(e)示出了對穿 過InP勢壘(偏壓10mV)的熱離子激發(fā)的測量的阿列紐斯(Arrhenius)圖, 產(chǎn)生了0.57eV的勢壘高度。
圖6是為了在本發(fā)明的共振隧穿二極管中進行使用而對不同厚度的單 勢壘的傳輸機制的評估(A)生長襯底上的晶須的SEM圖像(比例尺代表 lpm) ; (B) —被兩個合金化歐姆接點接觸的InAs/InP納米晶須(比例尺 代表2pm); (C)InAs晶須的TEM圖像,該晶須具有垂直于晶須長軸的8nm InP段;(D)三種不同勢壘情況的電流-電壓特征。
圖7是高分辨TEM圖像:(A)用來形成本發(fā)明第一實施例的沿著<111〉 方向生長并具有兩個InP勢壘的InAs晶須的TEM圖像(比例尺代表8nm); (B)圖(A)中的方框區(qū)域的一維合成輪廓。勢壘的寬度約為5.5nm (16個晶 格間距),界面銳度為1-3個晶格間距的量級,由圖像襯比中的變化判斷 得出。
圖8是形成本發(fā)明一實施例的共振隧穿二極管(RTD):
(A) 具有清晰可見的雙勢壘的晶須的頂端的TEM圖像,在此情形下的 勢壘厚度約為5nm (比例尺代表30nm);
(B) 用所指出的發(fā)射極區(qū)域(左)中的特征電子態(tài)進行研究的裝置的 能帶圖原理;
(C) 圖(A)和(B)中所示的同一裝置的電流-電壓數(shù)據(jù),其在特征上表現(xiàn) 為尖銳的峰值,反映了共振隧穿進入基態(tài)Elz,電壓寬度約為5mV。該寬 度可轉化成約為2meV的轉變能量寬度,對應于電子隧穿的發(fā)射極中的陰 影部分能帶的寬度。該裝置的特征顯示在插圖中,其提供了用于增大電壓 和減小電壓的共振峰的放大示圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的共振隧穿二極管的優(yōu)選實施例的示意圖10是包括寬帶隙絕緣部分的本發(fā)明另一實施例的示意圖ll是包括異質(zhì)雙極晶體管(HBT)的本發(fā)明另一實施例的示意圖12是與HBT結構相關的HBT的帶隙圖13示出了帶隙隨著三元化合物組分的變化而改變的示圖14A和14B示出了多種半導體化合物的帶隙與晶格尺寸的關系圖15是包括發(fā)光二極管和激光器的本發(fā)明一實施例的示意圖;圖16是包括應用激光檢測所需元素的單個分子的本發(fā)明另一實施例的 示意圖17是包括在NIL過程中應用激光器陣列使光致抗蝕劑(光刻膠)形 成圖案的本發(fā)明另一實施例的示意圖18A是包括光電探測器的本發(fā)明另一實施例的示意圖,圖18B和18C 是其變型;
圖19A是包括太陽能電池的本發(fā)明另一實施例的示意性示圖,圖19B 是其變型;
圖20是包括太赫輻射的輻射源的本發(fā)明另一實施例的示意性示圖21A-C是解釋包括光子晶體的本發(fā)明一實施例的示意圖,圖21D其 用于形成3-D光子晶體的變型;
圖22A-G是用于沿著襯底外延生長形成一材料層的本發(fā)明另一實施例 的示意圖,其中,晶格之間相互不匹配;
圖23A-C是解釋沿著襯底外延生長形成一材料層的本發(fā)明另一實施例 的示意圖,其中,晶格之間相互不匹配;
圖24A-B是解釋本發(fā)明用于形成不同于通常的<111>方向而是沿著 <100>方向延伸的晶須的本發(fā)明另一實施例的示意圖25A-B是包括場致發(fā)射顯示器(fed)的本發(fā)明另一實施例的示意圖, 其中,顯示器的單個器件為納米晶須并且獨立地址;
圖26是包括用于將紅外區(qū)的圖像向上轉變至可見光區(qū)的布局的本發(fā)明 另一實施例的示意圖27是包括用于紅外輻射的天線的本發(fā)明另一實施例的示意圖28是包括用于自旋電子學應用的鐵磁性晶須的又一布局的示意圖29是包括用于植入神經(jīng)中的可選擇性地確定地址的電極陣列的本發(fā) 明另一實施例的示意圖30是包括具有沿著其長度被氧化的外表面的晶須的本發(fā)明另一 實施 例的示意圖31是包括從襯底上直立并形成懸臂布局的一排晶須的另一實施例的 示意圖32是包括排列成用于振蕩并提供對重量和頻率的精確測量的晶須的本發(fā)明另一實施例的示意圖;以及
圖33是包括掃描隧道顯微鏡的尖端的本發(fā)明另一實施例的示意圖。
具體實施例方式
下面描述根據(jù)本發(fā)明制備納米晶須的方法。此方法可適用于制備將在下 面進行描述的共振隧穿二極管以及其它電子和/或光子器。
晶須為具有高度各向異性的結構,其由熔化金屬滴在空間上進行催化, 該金屬滴通常在無意中被引入到晶體表面成為雜質(zhì)。由于金能夠與如Si、 Ga和In等半導體材料或成分形成共晶合金,因此往往選擇金作為催化劑或 籽晶顆粒。這些共晶合金的熔點低于Si和III-V族材料的通常生長溫度。 熔化的金屬滴用來作為微型液相外延系統(tǒng),在這里,激勵子以蒸汽的形式 或者在此種情形下以真空中的分子束進入其中。該生長通常被稱為氣-液-固生長。半導體納米晶須的電學和光學性質(zhì)基本上由它們的結晶結構、形 狀和尺寸決定。具體而言,晶須寬度的微小變化會激起由量子局限效應所 引起的能態(tài)分離中的巨大變化。因此,可自由選擇晶須的寬度是很重要的, 同樣重要的是,對于伸長的晶須長度,其寬度能保持為恒量。與將晶須定 位于襯底上的選定位置處的可能性一起,有必要將晶須技術與當前的半導 體器件技術結合起來。.
根據(jù)本發(fā)明,已經(jīng)發(fā)展了用于合成在結晶襯底上外延生長的選定尺寸 的納米晶須的技術。在如下所述的技術中采用的化學束外延裝置示意性地 顯示在圖3中。
化學束外延生長(CBE)將如分子束外延(MBE)的束外延技術和使 用類似于有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)的化學源結合起來。在MOCVD 或相關的激光鍍膜技術中,反應室中的壓力通常大于10mbar,且氣體反應 物是粘滯的,即意味著它們具有相對較高的流阻?;瘜W物質(zhì)通過擴散到達 襯底表面。CBE使壓力減小到低于104mbar,因此擴散物的平均自由程變 得比源的入口與襯底之間的距離長。傳輸變得沒有碰撞而且以分子束的形 式出現(xiàn)。在CBE系統(tǒng)中氣體擴散的排除表明在襯底表面處的流動中的快速 反應,這使得可生長出原子方式的突變界面。
如圖3所示,CBE裝置由UHV (超高真空)生長室1001組成,其中,樣品1021安裝在與加熱器1061相連的金屬樣品架1041上。在生長室的周 圍具有一充滿液氮的被稱為低溫套(ciyoshroud)的環(huán)1081。該低溫套將未 撞擊襯底表面或從襯底表面解吸出來的核素抽走。這防止了正在生長的表 面層受到污染并減小記憶效應。還安裝有真空泵1101。
CBE的源1121處于液相,它們裝在相對于生長室為過壓狀態(tài)的瓶子 內(nèi)。該源通常為TMGa, TEGa, TMIn, TBAs, TBP。瓶子保存在恒溫池 內(nèi),且通過控制液體源的溫度調(diào)節(jié)液體上方蒸汽的局部壓力。然后,該蒸 汽通過管道集成1141進人生長室內(nèi),并輸送至正好位于生長室前面的該管 道的端部處的源注射器1161。該源注射器用來將氣源注射進生長室1001, 并用來產(chǎn)生穩(wěn)定和均勻強度的分子束。來自有機金屬化合物TMIn (三甲基 銦)、TMGa (三甲基鎵)或TEGa (三乙基鎵)的第III族材料通過低溫 注射器注入,以避免生長核素的凝聚。它們將在襯底表面處分解。第V族 材料通過有機金屬化合物TBAs (叔丁基砷)或TBP (叔丁基磷)提供。與 第III族材料的分解不同,第V族材料將在注入生長室1001之前于高溫下 在注射器1161中分解。這些注射器1161被稱為裂化池而且其溫度保持在 900°C左右。源束直接撞擊在加熱過的襯底表面上。分子從襯底表面獲得 足夠的熱能,從而完全分離出其三個烷基而將基本的第III族原子留在該表 面上,或者分子以未離解或部分離解的形態(tài)進行解吸。這兩個過程中的哪 一個起支配作用依賴于襯底的溫度和分子到達襯底表面的比率。生長率在 較高溫度時將被供給所限制,在較低溫度下則會被將堵塞位置的烷基解吸 所限制。
該化學束外延方法使得在納米晶須內(nèi)形成異質(zhì)結,它是突變的,即存 在著在幾個原子層上從一種材料向另一種材料的快速過渡。
為便于說明,"原子尺度的突變異質(zhì)結"的含義是指在兩個或更少原 子單層上從一種材料到另一種材料的過渡,其中,在該兩個單層一側的一 種材料至少為90%的純度,在該兩個單層另一側的另一種材料至少為90% 的純度。這種"原子尺度的突變異質(zhì)結"是充分突變或不連續(xù)的,從而使 得在具有一系列異質(zhì)結和相關量子阱的電學器件中可構成定義量子阱的異 質(zhì)結。
為便于說明,"尖銳異質(zhì)結"的含義是指在五個或更少原子單層上從
19一種材料到另一種材料的過渡,其中,在該五個單層一側的一種材料至少
為90%的純度,在該五個單層另一側的另一種材料至少為90%的純度。這 種"尖銳異質(zhì)結"是充分尖銳的,從而允許制造在一納米元件中具有一個 或一系列異質(zhì)結的電子器件,其中該異質(zhì)結需要準確定義。這種"尖銳異 質(zhì)結"對于依賴量子效應的許多器件也是充分尖銳的。
作為說明,在用于本發(fā)明的納米晶須中的化合物AB中,其中A代表 第一族的一個或多個選定元素,B代表第二族的一個或多個選定元素,預 先確定第一族選定元素和第二族選定元素的總比例,從而組成能夠提供所 需特性的半導體化合物。當各族選定元素的總比例至少為其預定比例的 卯%時,便認為該化合物AB具有卯。/。的純度。
例1
圖1和圖3顯示了從幾個III-V族材料生長的預定尺寸的晶須,具體而 言,即寬度在10和50nm之間的GaAs晶須。早期報道的外延生長的納米 晶須傾向于為錐形,其從底部到頂部逐漸變細,與此相對照,這些GaAs 晶須可生長成具有均勻直徑的棒狀。采用選定尺寸的金氣溶膠顆粒作為催 化劑,因此,表面覆蓋度可以獨立于晶須尺寸而變化。
晶須寬度通常略微大于籽晶顆粒的直徑。這主要源于兩個因素第一, 金顆粒與來自襯底的Ga也可能還有As相結合,這使得顆粒成長;第二, 當顆粒熔化時,液帽的底部直徑將由合金與襯底表面之間的潤濕角確定。 簡單假設給出高達50%的依賴于溫度和顆粒直徑的展寬,并引入顆粒直徑 與晶須寬度之間的可逆關系。
采用GaAs〈lll〉B襯底10,在l:10的HCL:H2O中蝕刻,以在氣溶膠 沉積之前除去任何自然氧化層和表面雜質(zhì)。在位于具有高純度N2氣氛的手 套式操作箱14之內(nèi)的本地構造的氣溶膠設備中制成選定尺寸的金顆粒12。 利用蒸發(fā)/濃縮方法,在管爐16中約1750°C的溫度下生成這些顆粒,并由 附圖標記18處的紫外光進行充電。通過微分型遷移率分析儀DMA 20選擇 這些顆粒的尺寸。通過平衡它們的空氣阻力與它們在電場中的遷移率,該 DMA對這些充電的氣溶膠顆粒的尺寸進行分類。在尺寸分類以后,為了使 顆粒致密并呈球形,將顆粒加熱到600°C。該設置使得氣溶膠流動具有窄的尺寸分布,其標準偏差小于平均顆粒直徑的5%。通過電場E,將仍然處 于充電狀態(tài)的顆粒沉積到襯底10上。采用在10和50nm范圍內(nèi)的選定尺 寸的氣溶膠顆粒生長晶須。
在氣溶膠沉積以后,將一些樣品轉移到AFM Topometrix探測器24, 該探測器也位于手套式操作箱之內(nèi),并連接至氣溶膠制備裝置。因此,在 沉積和處理階段,這些樣品暴露在僅僅為sub-ppm量級的H20和O2中。通 過AFM針尖,選擇特殊的顆粒12并按預定的形態(tài)或排列方式放置,從而 完全控制對各個籽晶顆粒的定位。
然后,將GaAs襯底10與布置或沉積的Au氣溶膠顆粒12 —起轉移到 化學束外延(CBE)室。在CBE結構中,在真空/分子束條件下開始GaAs 的生長,在此情況中,有機金屬源為三乙基鎵TEG和叔丁基砷TBA。將 TBA熱預裂成主要為As2分子,而TEG通常在碰撞到襯底表面上以后分裂。 該生長一般在輕微的As2過壓下進行,這意味著Ga的流動決定了生長率。 在即將生長之前,襯底被加熱器加熱至600°C保持5分鐘,并暴露在As2 束下。在此步驟中,Au滴可與GaAs成分形成合金,因此,Au顆粒從襯底 吸收一些Ga。 Au/Ga合金在339。C形成。然而,此步驟也用作去氧化步驟, 其將任何新的自然氧化物層除去,該氧化層源于向手套式操作箱系統(tǒng)的輸 送和來自手套式操作箱系統(tǒng)的輸送。通常預期該氧化物在5卯。C時蒸發(fā), 盡管不一定絕對如此??赏ㄟ^反射高能電子衍射RHEED分析該氧化物的 揮發(fā)性。隨著遷移的成功,在低于500。C的溫度下已經(jīng)可以看到指示出結 晶、重組表面的條紋衍射花樣。然而,通常,該氧化物在直至590°C、有 時高達630°C還保持穩(wěn)定。晶須在襯底溫度介于500和560°C之間、TEG 壓力為0.5mbar以及TBA壓力為2.0mbar的情況下進行生長。生長以后, 通過掃描電鏡SEM和透射電鏡TEM研究樣品。
所得到的晶須為棒狀,盡管它們的長度略有不同,但在尺寸上還是相 當一致的。尺寸均一性明顯依賴于表面氧化物的揮發(fā)性。利用RHEED可 以看出,對于具有硬氧化物的樣品,其尺寸均一性下降。因此,為了得到 可重復結果,優(yōu)選采用無氧環(huán)境。在所述生長溫度下,不管顆粒的尺寸如 何,均沒有觀察到晶須逐漸變細的現(xiàn)象。但是,對于低于500°C生長的晶 須,很明顯具有逐漸變細的跡象。依賴于溫度,棒狀或錐形晶須的生長可由在平行于晶須長軸的表面上沒有或者具有未催化生長來解釋。此取向的
最簡單表面是<110>晶面。在接近于這些實驗中所用到的常規(guī)CBE生長條 件下,<110>晶面是遷移表面。然而,在較低溫度下,Ga的擴散系數(shù)減小, 這便激發(fā)了<110>晶面上的生長。在MOCVD生長中,Ga的遷移長度甚至 更小,這便解釋了先前工作者們得到的典型錐形晶須。
在圖2a中,示出了由10nm顆粒生長而成的一束10t2nm寬度的晶須 的TEM圖像。晶須的相對較低的密度由圖2b中的SEM圖像說明,該圖像 為具有從40nm Au氣溶膠顆粒生長而成的GaAs晶須的GaAs<lll>B襯底 的圖像。在圖2c中,高分辨TEM顯微圖像示出了一個單一的40nm寬的 晶須。正如其它組所發(fā)現(xiàn)的,其生長方向垂直于密排面,即立方閃鋅礦結 構的(lll)面。也可觀察到孿晶缺陷和堆垛層錯,其中晶須在立方結構和六 角結構之間交替。除了最靠近Au催化劑的始終是閃鋅礦Z的那部分以外, 晶須的大部分具有反常的纖維鋅礦結構W。 SF-堆垛層錯,丁=孿晶面。 在核心處圖像襯比的變化源于六角橫截面。
在下面根據(jù)圖4-6進行描述的方法中采用了此生長方法,用于形成具 有不同組分晶須部分的晶須。該方法通過含有InP部分的InAs晶須進行解 釋。
例2
晶須的生長條件使得可以形成突變界面和厚度從幾個單層至幾百個納 米的異質(zhì)結構勢壘,從而形成電子沿著其運動的一維形貌。高分辨透射電 鏡圖解了結晶完整性、界面質(zhì)量以及晶格常數(shù)的變化,并從高于InP勢壘 的電子熱激發(fā)所導致的電流推導出0.6eV的導帶移位。
在此方法中,按照上述方式,利用用于催化誘導生長的金納米顆粒以 氣-液-固生長模式生長出III-V族晶須。生長在圖3所示的專門設計用于化 學束外延(CBE)的超高真空室100中進行。組分的迅速轉變通過將激勵 原子(precursor atom)供給到共晶熔融體中進行控制,該激勵原子作為分 子束供給到超高真空室內(nèi)。經(jīng)由一程序得到在不同組分之間(例如InAs和 InP之間)的迅速轉換,在該程序中,關掉銦源(TMIn)而中斷生長,緊 接著改變第III族源。最后,當銦源再次注入生長室時,作為重新開始生長的先決條件的過飽和條件重新建立起來。
對于界面的不連續(xù)或突變,圖4示出了含有幾個InP異質(zhì)結構勢壘的 InAs晶須的TEM分析。圖4a中示出了用400kV HRTEM (點分辨率為 0.16nm)記錄下來的三個最高勢壘的高分辨圖像。圖4b示出了該HRTEM 圖像的非二次功率譜(nonquadratic power spectrum),表明生長方向沿著 立方晶格的
方向。該反射圖顯示出由于InAs與InP之間晶格常數(shù)的差 異而造成的輕微分裂。圖4c示出了反傅立葉變換,其采用了源于InP晶格 的200反射部分的軟邊緣掩膜。將一相應掩膜放置于反射InAs部分上。如 圖4d所示,該兩個圖像被重疊在一起。
圖5a示出了 InAs/InP晶須的TEM圖像。在圖5b中,放大了的5nm 勢壘顯示出原子完整性和異質(zhì)結構界面的突變。與100nm厚的InP勢壘并 排著給出的是對預期被沿著晶須運動的電子所經(jīng)歷的異質(zhì)結構1D能量形 貌的1D泊松模擬(忽略只有約10meV貢獻的邊緣量子化)的結果(圖5c), 其給出了導帶(n型材料中電子進行運動的區(qū)域)中的預期0.6eV的帶移位 (q1/4B)。此類似于障礙賽的勢結構與同質(zhì)InAs晶須中的電子所遇到的情 形極為不同,在該情形中,預期并真正觀察到了歐姆行為(即,電流I對 電壓V的線性依賴關系)(如圖5d所示的曲線)。該線性行為與所示的含 有80nm厚InP勢壘的InAs晶須的I-V測量曲線形成鮮明對比。觀察到了 強烈的非線性行為,且用來誘導電流通過晶須所需的偏壓超過了 IV。隨著 偏壓的增大,由于電子必須隧穿過的有效勢壘變窄,該場致隧道電流急劇 上升。為了測定1D晶須中理想異質(zhì)結構帶圖是否有效,對電子經(jīng)由熱離子 激發(fā)而克服InP勢壘引起的電流對溫度的依賴關系進行測量。該結果如圖 5e所示,其中,將電流(除以T2)的對數(shù)作為以阿列紐斯形式的溫度倒數(shù) 的函數(shù),其是在盡量減小了能帶彎曲效應和上述隧穿過程的小偏壓(V) 10mV處測得的。從與實驗數(shù)據(jù)點相符的線的斜率中可推出有效勢壘高度 q^B為0.57eV,其與模擬符合得很好。
該用于實現(xiàn)1D晶須內(nèi)的異質(zhì)結構的方法的附加優(yōu)點是,作為結合高度 失配材料的有利條件,其由通過鄰近晶須幾何結構中開放側面進行的有效 應力釋放所提供。比較而言,在無論是島狀生長還是失配位錯出現(xiàn)之前, 在如InAs和MP等具有不同晶格常數(shù)的材料之間的轉變中僅會外延生長出很少的幾個原子層,從而防止了理想異質(zhì)界面的形成。 共振隧穿二極管和異質(zhì)雙極晶體管
至少在優(yōu)選實施例中,本發(fā)明還包括功能性ID (—維)共振隧穿二極 管(RTD),其通過將設定的不同半導體材料部分自底而上組合在III/V族 納米線(納米絲)中的方式得到。按照順序,這種RTD包括發(fā)射極部分、 第一勢壘部分、量子阱部分、第二勢壘部分以及集電極部分。正如本領域 的技術人員所熟知的,將RTD中的勢壘部分做得足夠薄,從而使得在滿足 隧穿的條件下電荷載流子可進行大量的量子隧穿。在根據(jù)本發(fā)明的RTD中, 被制成納米線形式的納米晶須可以做得足夠薄,從而使得其中央量子阱在 有效意義上為量子點。在一具體例子中,發(fā)射極、集電極和中央量子點可 由InAs制成,勢壘材料可由InP制成。在一例子中,觀察到了峰谷比高達 50:1的優(yōu)異共振隧穿行為。
根據(jù)本發(fā)明,1D異質(zhì)結構裝置利用半導體納米晶須制成。如在上述例 子1和例子2中詳細描述,該晶須通過氣-液-固生長模式生長,由Au氣溶 膠顆粒控制其尺寸并作為其籽晶。生長在超高真空條件下的化學束外延室 中進行,其中,Au顆粒與反應物之間的共晶熔融體的過飽和起著作為晶須 生長的驅(qū)動力的作用。
經(jīng)由下列轉換次序可實現(xiàn)將異質(zhì)結構部分結合到晶須中(已在前面作了 充分說明)關閉第III族源束,以停止生長,緊接著改變第V族源。 一旦 將第m族源再引入室內(nèi),過飽和重新建立起來且生長繼續(xù)進行。在下面描 述的例子中,使用的材料系統(tǒng)為InAs用作發(fā)射極、集電極和量子點,InP 用作勢壘材料。選擇氣溶膠顆粒,以使最終的晶須直徑為40-50nm。為了 制作以單個納米晶須作為活性元件的接觸電子裝置,將晶須從生長襯底轉 移到覆蓋有Si02的硅晶片(硅晶圓)上,在該晶片上,通過透射電鏡(TEM) 格柵掩膜利用Au金屬蒸發(fā)限定出大焊盤。圖6B中示出了納米線裝置的掃 描電鏡(SEM)圖像,其展示出電子束蝕刻系統(tǒng)中的對準能力,從而允許 以優(yōu)于100nm的精度將金屬電極定位在納米線上。圖6D示出了一組單勢 壘裝置的電流-電壓(I-V)特性,其中InP勢壘的厚度從80nm變小直至為 零。較厚的InP部分可作為電子輸運的理想隧穿勢壘,其只允許高于此勢壘的熱激發(fā)(測量為約0.6eV(23))或者隧穿,當向樣品施加一大的偏壓時 勢壘有效地變薄,從而使得該隧穿成為可能。從圖6D中可以看出,幾乎沒 有電流流過厚的InP勢壘。在含有較薄的單勢壘的樣品(圖2c)中,可發(fā) 生量子隧穿,且電子可穿透厚度小于約10nm的勢壘。在零勢壘厚度的極 端情況下, 一直降溫到至少4.2&,其I-V特性均呈極好的線性。為了檢驗 結晶質(zhì)量并評估異質(zhì)界面的突變性,進行高分辨TEM研究。圖7A中示出 放大了的<11 l>InAs納米晶須中的5.5nm厚的InP勢壘,其中可以清晰地看 到(lll)晶面。根據(jù)圖7A中的區(qū)域的合成圖,可確定界面的銳度為1-3個晶 格間距。較亮的帶中的晶格邊緣之間的平均間距為0.344nm,很好地對應 于lnP的dm-0.338nm。圖7B是圖7A中框定區(qū)域的一維合成圖。從圖像 襯比的跳躍判斷,勢壘的寬度約為5.5nm (16個晶格間距),界面銳度為 l-3個晶格間距的量級。由于界面周圍的彎曲和應力對比,導致背底不是線 性的。InP與InAs之間晶格間距的差為3.4%,這與晶格失配的理論值(3.3%) 符合得很好。
由于異質(zhì)界面必須足夠突變以制作高質(zhì)量的量子裝置,因此,可構想 雙勢壘共振隧穿裝置。選擇約為5nm的勢壘厚度。在圖8A中可看到,形 成于40nm寬的納米晶須中的這種雙勢壘裝置結構的TEM圖像。在15nm 厚的InAs量子點的任一側上,勢壘厚度大約為5nm。在該TEM圖像下面 (圖8B)示出了該裝置的預期能帶圖,其縱向限制(z方向)由量子點的 長度決定,橫向限制(垂直方向)則依賴于晶須的直徑。對于此裝置,只 有最低的橫向量子化能級被占據(jù)(5meV量級的分裂),具有所示出的費米 能,并決定了最高被占據(jù)并填滿了電子的縱向能態(tài)。在兩個InP勢壘之間 示出了中央量子點的完全量子化能級,其在橫向量子化能級上與發(fā)射極區(qū) 域中示意性給出的次序相同,但是在量子點中的縱向量子化能態(tài)與基態(tài)的 近似量子化能量Elz-40meV之間具有較大的分裂(為100meV的量級)。 在施加零偏壓時,由于點與發(fā)射極之間的能量量子化差別導致發(fā)射極中沒 有電子態(tài)與中央點中的任何態(tài)相互并列,因此電流應該為零。隨著偏壓的 增大,點中的態(tài)會移向較低能量,只要最低的點-態(tài)與費米能級并列,電流 便立即開始增大(這里,假定費米能級位于發(fā)射極中兩個最低態(tài)之間)。 當點-態(tài)降到第一發(fā)射極能態(tài)的能級以下時,電流又降為零,從而導致特征性的負微分電阻。
該一維DBRT裝置的電學性質(zhì)如圖8C所示,正如對此裝置所預期的, 其顯示了幾乎理想的I-V特征。該I-V跡線表明在約70mV的偏壓以下沒 有電流,對應于電子一定能穿透兩個勢壘加中央的InAs部分從而從發(fā)射極 運動至集電極的偏壓條件。在I-V特征中可以看出,在約80mV偏壓處具 有一尖銳的峰,其半高寬偏壓約為5mV (該值可轉化為約l-2meV的共振 能量銳度)。該80mV峰的峰-谷比極高,約為50:1,并且在所研究的不同 樣品中均能看到。在該深谷以后,對于約100mV的偏壓,電流再次增加, 在其上升斜線上觀察到一些未決的肩狀特征。注意,增加偏壓的I-V跡線 與減小偏壓的I-V跡線是一致的,這表明該裝置的特征是高度可逆的并表 現(xiàn)出可忽略的回滯效應。此外,在反偏壓極性中類似地出現(xiàn)該80mV現(xiàn)象。 在這種情況下,該峰只有輕微移動(5mV),表明該裝置結構具有高對稱 性。因此,這些結果報道了對半導體納米線中的單異質(zhì)結構勢壘的材料和 勢壘性質(zhì)的研究,該研究上至厚勢壘(其中只有高于勢壘的熱激發(fā)是可能 的)、下至單勢壘厚度(其中隧穿過勢壘占有主要地位)。
通過這種方法制備了一維雙勢壘共振隧穿裝置,其具有高質(zhì)量的裝置 性能,能量銳度約為lmeV,峰-谷電流比為50:l。
下面參照圖9,示出了共振隧穿二極管的一優(yōu)選實施例,其具有伸展在 相隔2微米的集電極接點42與發(fā)射極接點44之間的納米晶須40。該晶須 的第一 InAs部分46和第二 InAs部分48分別與接點42、 44電接觸。InP 勢壘部分50, 52將InAs中央量子點或量子阱部54與發(fā)射極和集電極部隔 開。該部54的長度約為30nm。為了得到適當?shù)牧孔泳窒?,將根?jù)帶隙勢
壘高度等選擇精確尺寸。
該二極管以RTD的傳統(tǒng)方式工作;至于對工作原理的解釋,例如見參 考文獻Ferry and Goldnick, Transport in Nanostructures, CUP 1999, pp 94以
及下列說明。
在圖9的RTD中,部分50, 52可按圖10所示的方式用寬帶隙絕緣材 料代替。圖IO顯示出了具有絕緣部分的實施例。通過上述工藝生長出鍺晶 須IOO,其具有短的硅部分102。通過晶須沿徑向向外膨脹調(diào)適晶格失配。 通過加熱氧化該硅點,從而在鍺晶須內(nèi)提供大的二氧化硅隔片104。這具有極穩(wěn)定的大帶隙偏移??刹捎娩X來代替硅。此實施例可用于圖9中的實施 例所示的隧穿效應的例子。
關于制作圖9中實施例的與集電極部分和發(fā)射極部分相接觸的電接點, 其可由不同的方式完成。如圖9所示,晶須可跨過大的金屬化焊盤放置。 此外,納米晶須也可放置在襯底上,其位置由適當?shù)膾呙璺椒ù_認,然后, 通過金屬處理工藝在該晶須的端部形成焊盤。另外,還可使納米晶須維持 從襯底延伸出去的狀態(tài),其底部在襯底處與電接點接觸,以將晶須封裝入 樹脂或玻璃態(tài)物質(zhì)中,然后在該封裝上形成電極,以與晶須的頂端電接觸。 該后一種方法更適合于與其它電學器件和電路的結合。
下面參照圖11-14給出了本發(fā)明的一實施例,其包括異質(zhì)結雙極性晶 體管(異質(zhì)雙極性晶體管;HBT),它與常規(guī)的雙極性晶體管的區(qū)別在于, 在該晶體管中使用了不同帶隙的材料。例如,納米晶須110可具有一GaP 發(fā)射極部分112,其連接至p型摻雜Si基極部分114,該p型摻雜Si再連 接至n型摻雜Si集電極部分116。金屬電極118分別接觸部分112、 114和 116。圖12示出了該HBT的帶隙圖。由于發(fā)射極的相對較寬的帶隙,從基 極流向發(fā)射極的少量電流被抑制?;鶚O與集電極之間的損耗區(qū)的特征在于, 摻雜逐漸從p型轉變?yōu)閚型?;蛘?,基極和集電極也可由三重或四重材料 制成,作為化學計量組分,該組分在大量晶面(例如100至1000個晶面) 上逐漸變化,以提供所需的損耗區(qū)域。圖13示出了三重混合物AlxGa^As 的能量帶隙隨組分的變化。
圖14示出了多種m-v族材料的帶隙能和晶格參數(shù)的變化??梢岳斫?,
利用根據(jù)本發(fā)明的形成納米晶須的方法能夠形成具有很大不同晶格參數(shù)的 材料的異質(zhì)外延結,例如GaN/AlP,其晶格失配通過晶須沿徑向的膨脹(凸 出)調(diào)適。
光子器件
圖15示意性地示出了能夠進行單光子發(fā)射的極小LED。單光子發(fā)射對 于例如量子照相或檢測分子核素的獨立分子是十分重要的。晶須150具有 位于由砷化銦制成的內(nèi)部區(qū)域156的任一側的陽極和陰極外部區(qū)域152,該 陽極和陰極外部區(qū)域152由磷化銦制成,從而限定出一量子阱。區(qū)域152分別連接至形成為金屬區(qū)158的陽極和陰極電接點。對于平面型裝置而言, 由于對晶格匹配和釋放失配應力的要求,只有某些波長是可能的;與之對 照,本實施例很重要的一點在于,由于晶格失配通過晶須沿徑向向外膨脹 得以調(diào)適,用于制成二極管的材料可以是任何所需的組分,以得到所需波 長的發(fā)射(見上面所討論的圖14)。因此,LED的波長是充分可變的。由 于該材料可以是化學計量組分,其波長可在從1.5eV至0.35eV的范圍中連 續(xù)變化。 一維結構比現(xiàn)有技術的層狀結構需要更少的處理,并且由自組工 藝制成,其整個結構位于電接點之間。如果需要激光結構,F(xiàn)abry Perot (FP) 解理面159形成為以適當?shù)拈g距隔開?;蛘?,區(qū)域159形成為包括超晶格 的鏡面。該超晶格可形成為交替排列的InP/InAs序列,正如本領域的技術 人員所熟知的,該序列僅在幾個晶面的部分上交替。
LED、激光器和其它微腔結構通常用氮化鎵(GaN)制成。氮化物具 有一些特別是光學方面的優(yōu)點,同時,氮化物也具有缺點首先,它們中 充滿位錯;其次,缺少合適的襯底(藍寶石是一種普遍使用的襯底)。晶 須可由無缺陷的氮化物制成,并且沒有與襯底的晶格匹配問題。常規(guī)的FP 激光器可用尺寸小于300nm、優(yōu)選為100nm量級的圖15所示的結構制成。 該結構為自下而上結構(bottomup structure),非常適合于讀取和寫入DVD。 氮化物體系非常適合于晶須生長。
光源發(fā)射區(qū)156可制成小至約20nm3。這代表了點光源的極端例子, 并且,正如圖16示意性指出的,可用來局部激發(fā)獨立生物細胞160。由于 光源與物體之間的物理間距是波長的分數(shù),光源156提供近場162(以指數(shù) 形式衰減),該近場激發(fā)細胞160。其可用于DNA排序中,而且,如圖所 示,源156可安裝在玻璃毛細管166的凹槽164中。該細胞作為流體混合 物的一部分沿著毛細管流動,并流過源156。
參照圖17,其示出了適用于納米壓印蝕刻技術(NIL)的本發(fā)明的實 施例,其中,用于提供點光源的晶須156的陣列170可分別由電壓源172 尋址。該陣列安裝于可在抗蝕材料176表面上方運動的托架174上。該托 架以20nm的步幅運動,在每一步幅中,為了用近場光照亮材料176并在 抗蝕材料176中產(chǎn)生所需的可顯影圖案,選擇性地向晶須156施加電壓。
參照圖18A,示出了根據(jù)本發(fā)明的一光電探測器。例如,納米晶須180可在金屬接觸墊182之間延伸。通常具有IOKQ至100KQ的高接觸電阻,其源于墊182與晶須180之間的很小接觸面積。該晶須可包括n型摻雜的磷化銦部分184、 p型摻雜的磷化銦部分186以及它們之間的p-n結188,該結可以是不連續(xù)的或延伸越過多個晶面。這種布置適于探測1.3微米或L55微米波長的光。如圖14所示,可采用任何所需的成分"匹配",因此,可改變材料,以探測從1.55微米或更小的任何波長?;蛘撸墒褂肞IN或肖特基二極管結構。如圖18B所示,PIN結構具有位于兩個半導體部184和186之間的本征半導體材料部分188。晶須以參照圖IO所述方式構造。如圖18C所示,肖特基二極管結構具有形成為金屬接點的基極部分189,晶須從該接點處延伸出去;該接點與晶須之間的界面形成肖特基二極管。輻射探測的頻率下限處于電磁頻譜的太赫區(qū)。
參照圖19A,其示出了圖18的光電探測器結構的太陽能電池應用。在p型摻雜襯底193上形成了數(shù)百萬晶須190,它們各具有p型摻雜部191和n型摻雜部192。晶須通過利用例如由氣溶膠沉積在襯底193上的金或其它納米顆粒的生長形成。晶須可封裝入塑料194中,并在其上表面上具有透明的氧化錫電極196,該電極接觸晶須的自由端,從而使電流能沿著晶須的長度流動。由于每個晶須都是100%可靠的,此結構在捕獲光的方面極其高效??傂试?5與50%之間,并且可用于多帶隙太陽能電池。相比之下,在300。C下生長的多孔硅的效率約為10%,結晶硅的效率約為15%,適于空間應用的特殊用途m-V族太陽能電池在400°C下生長并具有高達25%的效率。適于空間應用的Gratzel太陽能電池具有與適當?shù)娜玖弦黄饑娡吭谔柲馨l(fā)電板上的二氧化鈦納米顆粒,此種太陽能電池具有高達8%的效率。
參照圖19B所示的變型,將太陽能電池陣列的每個晶須修改為附圖標記197所示的形式,沿著其長度具有不同材料的不同部分198。選擇這些材料,從而使p-n結吸收不同波長的光。沿著晶須在其位置處晶須對特殊波長的光更敏感的點依賴于太陽能電池的精確結構和該結構內(nèi)的諸如反射和折射等因素。
由于生長條件很便宜,而且只需要非常少量的昂貴材料,因此圖19A-B的實施例很便宜。在另一替換結構中,晶須可以是硅(它最便宜)或鍺。晶須的長度為1或2微米。通過沿著其部分長度對該該晶須進行摻雜,或者如圖18C所示在晶須的底部形成肖特基勢壘,從而得到PN結。
參照圖20,其示出了一實施例,它是很長波長的紅外輻射源,例如處于太赫頻率的輻射源。磷化銦納米晶須200具有一系列非常薄的、被磷化銦隔離條紋204分隔開的砷化銦條紋202。這些條紋通過上述過程生長而成。每個條紋202, 204為幾個晶面寬,且這些條紋形成超晶格206。通過向電極接點208施加電壓,電子運動穿過超晶格。該超晶格產(chǎn)生一系列量子阱帶隙(勢阱),該勢阱按照布洛赫理論給出導帶,其具有電子波數(shù)或動量k的允許區(qū)域一即對應于太赫頻率的允許區(qū)域,從而產(chǎn)生太赫發(fā)射。
圖21A-21D給出了作為光子晶體實施的本發(fā)明的一實施例。光子晶體是眾所周知的一例如見待審申請WO 01/77726。在形成光子晶體的主要現(xiàn)有技術的方法中,涉及到按照預定的點陣圖案在襯底上蝕刻氣孔。此實施例的構思是使用布圖技術在襯底上定義點陣圖案,但不是蝕刻孔,而是生長納米晶須,以定義該晶體。這具有許多優(yōu)點,其中一個優(yōu)點在于蝕刻技術不如生長晶須的自下而上技術那樣可靠(蝕刻會損害襯底表面)。因此,晶須技術更精確,其質(zhì)量更高并且簡單,也由于需要更少的工藝步驟因而很經(jīng)濟。
如圖21A所示,襯底210具有相距300nm、約為300nn^的正方形金片212的三角形點陣圖案,這些片通過電子束蝕刻、UV蝕刻或納米印刷蝕刻(NIL)工藝形成。該襯底在金沉積之前被初始制備為一無氧化物污染的清潔襯底。加熱該襯底,以熔化金矩形,從而使它們形成直徑約為100nm的球214,如圖21B所示,然后進行退火。然后,通過例子1所述的工藝生長約100nm寬的晶須216,從而形成光子晶體,如圖21C所示。
根據(jù)本發(fā)明,可以通過晶須的形成來定義三維光子晶體。這可按照圖21D所示通過用一系列不同材料部分217, 218制成每個晶須來完成,例如,根據(jù)例子2的方法,通過諸如InAs/GaAs等III-V族材料或諸如Ge/Si等第IV材料的交替序列,從而在沿著每個晶須的間隔處提供具有適宜折射率的部分,以形成光子帶隙。
III-V族材料的單晶層參照圖22A-22G,其示出了用于在襯底上生長所需材料的外延層的本發(fā)明的一實施例。如圖22A和B所示,硅或砷化鎵襯底220在其上表面形成金、銦或鎵矩形222,這些矩形在NIL工藝中或按照例子1所述通過壓印223定位在襯底上。外延覆蓋沉積物224 (幾個納米寬的介電材料,例如二氧化硅或氮化硅)形成在襯底220上并圍繞在矩形222的周圍。施加熱量,以對矩形進行退火,從而將其變成球226,如圖22C所示。如圖22D所示,生長成以InP或GaAs作為例子的晶須228?;蛘撸捎锰蓟牧献鳛槌练e物224 (當通過退火形成球時,介電材料進行解吸,該碳基材料將顆粒穩(wěn)定)。將球作為用于體生長、即一層所需材料生長的籽晶開端。該介電層防止了襯底與晶體層之間的原子結合和晶格失配效應。如圖22E所示,晶須與InP或GaAs的體層229 —起生長。從晶須至層的生長條件存在著逐漸的變化。因此,晶須上會有成核而不產(chǎn)生缺陷。有一些小的成核臺階且
未出現(xiàn)應力效應而導致位錯。其中,襯底是ni-v族材料,很重要的優(yōu)點是。
在襯底上形成晶格失配層而不產(chǎn)生失配位錯。
如圖22F所示,在一種變型中,根據(jù)例子l的方法,從氣溶膠將金球226沉積到襯底表面上。在球上形成外延覆蓋沉積物224。然后,如圖22D所示,生長得到晶須。
在根據(jù)本發(fā)明的進一步發(fā)展中可以得知,如圖23A所示,由于對于砷化鎵(閃鋅礦晶格)而言,砷原子位于棱錐的頂點,鎵離子位于棱錐的底部,因此晶須傾向于優(yōu)先沿著<111>8方向生長。圖23B給出了本發(fā)明的一優(yōu)選實施例,其中,硅襯底230具有鋸齒狀表面,該表面上具有蝕刻成暴露出<111>面的顯微尺寸的V形凹槽232。金顆粒234沉積在V形凹槽的表面上。根據(jù)實施例1生長而成并如圖23C以幻象形式示出的GaAs晶須236將垂直于鋸齒的壁延伸。這些晶須為GaAs層238的體生長提供成核點。從晶須至層的生長條件存在著逐漸的變化。因此,在砷化鎵上存在著成核而不產(chǎn)生缺陷。沒有出現(xiàn)導致產(chǎn)生位錯的任何小的成核臺階和應力效應。沿與襯底成一角度的<111>方向的晶須方向迫使外延生長沿著特定的方向進行,并消除了一度很困擾的反相疇問題。因此,提供了一種將m-v族化合物結合到硅(或其它第IV族)襯底上的方式,并且比現(xiàn)有方法更便宜一見例如已公開的PCT專利申請WO 02/01648。與圖19的太陽能電池應用相關,帶有V形凹槽的襯底的另一優(yōu)點在于該鋸齒狀襯底提供對入射光的多次反射,因此增加了光子捕獲的概率。
下面參照圖24描述用于控制晶須取向的優(yōu)選實施例。通常,如上所述,III-V族化合物的晶須沿著〈111〉B方向生長。其中的問題是,該晶須或多或少地在六角(纖維鋅礦)(圖24A)與立方(閃鋅礦)(圖23A)結構之間隨機改變。這便導致許多堆垛層錯。堆垛層錯特別是對于光學性質(zhì)、而且對于電學特性來說始終是一問題。通過改變生長條件向晶須施加應力,可將晶須的生長方向改為<100>方向,其形成立方晶格結構(閃鋅礦),而
不會具有堆垛層錯。
在圖24B中,具有<100>表面的硅襯底240具有生長于其上的例如InP的晶須242。該晶須開始在244處沿著<111>方向生長,而在初始生長后不久,通過提高生長速率并升高CBE裝置內(nèi)的溫度和壓力而迅速改變工作條件,因此該晶須在246處沿著<100>方向繼續(xù)生長。方向發(fā)生改變的點248是<110>晶面。轉變處的晶須保持其外延結晶本質(zhì)。部分246中的晶體結構是六角密排結構,這顯著地減少了堆垛層錯的問題。
在另一種生長方法中,例如InAs等寬帶隙材料的矮的勢壘部分在點248處生長,這與改變晶須的后續(xù)取向具有相同的效果。
因此,本實施例特別適用于氮化物、例如GaN的生長,其優(yōu)選生長為六角晶格并特別易于產(chǎn)生堆垛層錯。通過"迫使"氮化物晶體以立方結構生長,從而減少了堆垛層錯。而且,在根據(jù)例子2制成的具有沿著晶須的不同材料部分的結構中,可發(fā)展出用于氮化鎵激光器的多腔結構。氮化物系統(tǒng)非常適合于晶須生長。氮化物的問題是它們充滿位錯而且缺少合適的襯底。晶須可由無缺陷的氮化物制成,且不存在晶格匹配問題。常規(guī)的FP激光器可用長度小于300nm、處于100nm量級的納米晶須制成。其為自底而上結構,非常適合于讀取和寫入DVD。
現(xiàn)在參照圖25中示出的實施例,該實施例涉及場致發(fā)射尖端或Spindt陰極。它們用于場致發(fā)射顯示器(FED)中,且已經(jīng)提出了許多方法來制作這種顯示器。圖25a所示的一種現(xiàn)有技術的方案包括具有表面252的硅襯底250,該表面利用激光燒蝕等形成圖案,從而形成微型或納米尖端253。熒光屏254設置成鄰近尖端,該尖端與屏之間的電壓在該尖端處產(chǎn)生極高的場強,其使得電流流入屏中,從而導致從該屏發(fā)出可見光輻射。
圖25B中示出了包括FED的本發(fā)明的一實施例,其中,顯示器的元件是可獨立尋址的。蝕刻的接觸金屬區(qū)256形成在硅襯底250上。通過例子1所述的方法,將金籽晶顆粒258置于每個金屬區(qū)上。為了生長Si晶須259、其中每個晶須從相應的金屬區(qū)延伸出去,釆用這些金顆粒作為晶須生長的籽晶。如圖所示,形成一個顯示器元件的單個晶須或一組納米晶須可從相應的金屬區(qū)延伸出去。除了可以獨立尋址以外,本實施例還具有一優(yōu)點,即對比于現(xiàn)有技術的方法,例如碳納米管(CNT),該FED是100°/??煽康?。
圖26示出了紅外至可見光的上轉換的實施例。波長為1.55或2.5nm的紅外輻射的圖像260照射在砷化鎵襯底262的底面上-該襯底是具有相對較大帶隙的材料,其不會與該輻射相互作用。襯底的另一側具有砷化銦突起晶須264,該晶須按照例子1所述方式生長,并具有相對較小的帶隙,這將導致對輻射的光子的吸收。然而,與圖25相比,晶須264不是可獨立尋址的。在該晶須端部與鄰近的熒光屏266之間施加大約20-50V的電壓,并從砷化銦晶須產(chǎn)生電子。砷化銦具有相當于3微米的帶隙,因此會響應波長短于3微米的輻射而產(chǎn)生電子。作為替換,也可釆用磷化鎵,但是它具有可見光帶隙。所發(fā)射的電子導致熒光從熒光屏發(fā)射出可見光268,并且將所述圖像上轉換至可見光波長的圖像。可增加所施加的電壓,以使其足以引發(fā)雪崩效應。
圖27示出了本發(fā)明的一實施例,其中,400nm長的GaAs晶須270(根據(jù)例子1制成)從硅襯底274上的金屬接點區(qū)272延伸出去。該尺寸為1.55微米輻射的四分之一波長,因此該晶須為1.55微米輻射提供V4共振天線。接點區(qū)272提供一接地面。該天線可設置成能接收自由空間中的輻射276;或者,其還可設置成鄰近石英纖維聯(lián)接件278的端部,以探測第三光學窗口中的輻射。
圖28示出了用于自旋電子學領域中的本發(fā)明的一實施例。自旋電子學為這樣一技術領域,其中,電子裝置的特性依賴于電子自旋在該裝置中的輸運-例如,見Scientific American, June 2002, pp 52-59, " Spintronics ", DavidD. Awschalom, et al.。在圖28中,通過例子1中的工藝制成的諸如砷化鎵錳(半磁性)或砷化錳(鐵磁性)等磁性或半磁性材料的晶須280形成于Si襯底281上。在施加的電壓V下,自旋極化電子283從晶須的頂端發(fā)射出來,該晶須與位于襯底286上的電接點284電接觸。該自旋極化電子283被用于讀寫安裝在襯底286上的磁存儲裝置288。
在本發(fā)明的進一步發(fā)展中,克服了這樣一問題,即對于鐵磁性,通常存在著約為10-15nm的鐵磁疇寬度下限,在該下限以下,鐵磁性轉變成超-順磁性。然而,根據(jù)例子l中的方法,當結合在一晶須中時,由于一維體系中對稱性排列的可能性減小,使得材料的離子更難于具有一種以上的取向,因此可減小疇直徑。該晶須的材料可以是鐵、鈷、錳或它們的合金。
現(xiàn)在參照圖29,示出了本發(fā)明的另一實施例,其包括具有電極陣列的襯底,該電極陣列用于植于神經(jīng)中,以修復神經(jīng)功能,例如眼睛的視網(wǎng)膜。這些電極是可獨立尋址的。蝕刻的接觸金屬區(qū)350形成在硅襯底352上。通過上述方法,將金籽晶顆粒354定位在每個金屬區(qū)上。采用這些金顆粒作為晶須生長的籽晶,以為了生長硅晶須358,其中每個晶須都從相應的金屬區(qū)延伸出去。如圖所示,形成一個電極元件的單個晶須或一組納米晶須從相應的金屬區(qū)延伸出去。除了可獨立尋址以外,本實施例還具有一優(yōu)點,即該電極是100%可靠的。
現(xiàn)在參照圖30,其示出了包括通過上述方法形成的納米晶須360的另一實施例。該晶須由硅制成,并在其一端處具有金顆粒熔融體362。在形成晶須以后,將該晶須暴露在適當溫度的大氣中,以使得硅氧化。這便形成了圍繞著晶須并沿著其長度延伸的二氧化硅外殼364。金顆粒熔融體362保持未氧化狀態(tài)。因此,這提供了非常適合于圖29所示的電極組合的結構,其中,電極具有非常精確的電特性。所述硅材料可用任何其它可被氧化的材料代替。
作為替換,晶須360也可暴露在合適材料的氛圍中,以形成可替代氧化層364的高帶隙材料。
現(xiàn)在參照圖31,其示出了包括硅基底件370的本發(fā)明的另一實施例。該基底件可以是平面襯底或者僅僅是棒。無論在哪種情況下,從棒或襯底的一個邊緣表面形成一排納米晶須372。這些納米晶須被規(guī)則地隔開并凸出到空間中。這些納米晶須可具有形成于其上的涂層,以吸引特定的分子結構。無論在哪種情況下,可采用該懸臂梁排列,以作為用于測量分子種類等的懸臂排列的任一眾所周知的應用。
參照圖32,其示出了包括分子檢測裝置的本發(fā)明的另一實施例。例如氮化硅的襯底380具有形成于其上的絕緣層382,并具有導電表面384,例如金???86形成于層382, 384之內(nèi),納米晶須388形成于該孔內(nèi)。
由于孔形成在絕緣層382中而且隨后沉積金層384,這基本上由自組工藝完成。因此,導致金沉積在孔的底部,如389處所示,而且通過加熱形成金顆粒熔融體,該熔融體使得能夠在適當?shù)臈l件下形成納米晶須。在已完成的納米晶須中,該金顆粒熔融體389位于該納米晶須的頂部。該納米晶須的高度使顆粒熔融體389與金表面層384至少基本上處于同一平面上。
納米晶須的自然彈性意味著其具有在垂直于其長度方向上從一側到另一側的振動的特征頻率。顆粒熔融體389的振動可通過產(chǎn)生于導電層384中的電壓或電流信號檢測。因此,這提供了一種檢測納米晶須388的振動頻率的方式。
通過利用所施加的電壓對導電材料進行適當激活,可使得晶須以一定的本征頻率在孔內(nèi)進行機械振動,例如該本征頻率在千兆赫范圍內(nèi)。這是
因為,從所涉及的低維度和小電流來看,在一個振動周期內(nèi), 一個單電子經(jīng)由籽晶顆粒熔融體從導電材料的一側遷移到另一側。這便產(chǎn)生了一電流標準發(fā)生器,其中通過導電材料的電流I等于振動頻率f與一個電子的電荷e的乘積I = f*e。因此,產(chǎn)生了已知的參考信號,其可用于適當?shù)沫h(huán)境中。
另外,顆粒熔融體389可被涂覆有受體物質(zhì),從而允許特定的分子種類被吸附到顆粒熔融體389的表面上。這將會導致納米晶須的特征頻率發(fā)生變化。此頻率的變化可以被檢測出來,其還提供了一種用于計算吸附在熔融體389的表面上的分子種類的重量的手段。
圖33示出了掃描隧道電鏡(STM)的尖端,其包括InP納米晶須392,該納米晶須形成于硅的柔性梁394的端部上。梁394通過蝕刻從襯底或棒中形成。
權利要求
1.一種光電裝置,包括設有接點區(qū)(193)的襯底;至少一個從所述接點區(qū)(193)延伸的納米晶須(190),所述納米晶須(190)形成至少部分的用于光吸收的p-n結;在每個晶須的自由端上延伸并與其電接觸的透明電極(196)。
2. 如權利要求l所述的光電裝置,其特征在于,所述襯底在所述接點 區(qū)(193)導電。
3. 如權利要求1或2所述的光電裝置,其特征在于,所述襯底在所述 接點區(qū)(193)中包括摻雜半導體材料。
4. 如權利要求l-3中任一項所述的光電裝置,其特征在于,所述納米 晶須被封裝在透明材料(194)中。
5. 如權利要求1-4中任一項所述的光電裝置,其特征在于,每個納米 晶須(190)包括具有納米尺寸直徑的柱,所述柱包括位于半導體長度部分(191、 192、 198)之間的至少一個異質(zhì)結,所述半導體長度部分具有不同 的組分、具有不同的摻雜、或具有不同的組分和不同的摻雜。
6. 如權利要求5所述的光電裝置,其特征在于,位于所述半導體長度 部分(191、 192、 198)之間的所述異質(zhì)結是突變的。
7. 如權利要求6所述的光電裝置,其特征在于,位于所述半導體長度 部分(191、 192、 198)之間的所述異質(zhì)結是緩變的。
8. 如權利要求5-7中任一項所述的光電裝置,其特征在于,第一半導 體長度部分(191)為p型摻雜的,而第二半導體長度部分(192)為n型 摻雜的,所述第一和第二半導體長度部分(191、 192)之間具有形成p-n 結的界面。
9. 如權利要求8所述的光電裝置,其特征在于,所述柱包括位于所述 第一和第二半導體長度部分之間的第三本征半導體長度部分(188),以形 成PIN二極管。
10. 如權利要求1-9中任一項所述的光電裝置,其特征在于,在所述 光電裝置的基極部分(189)處形成二極管,所述晶須從所述基極部分(189)延伸。
11. 如權利要求IO所述的光電裝置,其特征在于,所述基極部分(189) 被形成為金屬接點,由此位于所述金屬接點與所述晶須之間的界面形成肖 特基二極管。
12. 如權利要求5-11中任一項所述的光電裝置,其特征在于,每個納 米晶須具有多個位于半導體長度部分之間的p-n結,所述半導體長度部分 被選擇,以形成吸收多種不同波長輻射的p-n結。
13. 如權利要求1-12中任一項所述的光電裝置,其特征在于,每個p-n 結借助于隧穿二極管與所述接點區(qū)串聯(lián)地電連接。
14. 如權利要求13所述的光電裝置,其特征在于,至少一個隧穿二極 管由不同半導體材料的長度部分之間的組分突變而形成。
15. 如權利要求1-14中任一項所述的光電裝置,其特征在于,所述納 米晶須(360)包括至少部分地圍繞著所述納米晶須并沿著其長度延伸的外 殼(364)。
16. 如權利要求15所述的光電裝置,其特征在于,所述外殼(364) 包括氧化物材料。
17. 如權利要求15所述的光電裝置,其特征在于,所述外殼(364) 包括高帶隙材料。
18. 如權利要求15所述的光電裝置,其特征在于,所述光電裝置包括 多個從襯底延伸的納米晶須,并且采用所述納米晶須作為生長點,每個納 米晶須的所述外殼(364)被制成為繼續(xù)一起生長,從而形成在所述襯底上 延伸的體層(223)。
19. 如權利要求18所述的光電裝置,其特征在于,所述體層(223) 為外延的。
20. —種包括如權利要求1-19中任一項所述的光電裝置的太陽能電池, 其中所述光電裝置適于將陽光轉變?yōu)殡娏Α?br>
21. 如權利要求20所述的太陽能電池,其特征在于,多個納米晶須相 互平行延伸。
22. —種包括如權利要求1-19中任一項所述的光電裝置的光電探測器, 其中所述光電裝置適于探測輻射。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光電裝置,其包括設有接點區(qū)的襯底;至少一個從所述接點區(qū)延伸的納米晶須,所述納米晶須形成至少部分的用于光吸收的p-n結;在每個晶須的自由端上延伸并與其電接觸的透明電極。本發(fā)明還提出一種包括如上所述的光電裝置的太陽能電池,其中所述光電裝置適于將陽光轉變?yōu)殡娏?。此外,本發(fā)明還提出一種包括如上所述的光電裝置的光電探測器,其中所述光電裝置適于探測輻射。
文檔編號C30B25/18GK101562205SQ20091014108
公開日2009年10月21日 申請日期2003年7月8日 優(yōu)先權日2002年7月8日
發(fā)明者拉爾斯·伊瓦爾·塞繆爾森, 約納斯·比約恩·奧爾松 申請人:庫納諾公司