(57)【要約】  ナノワイヤ層を含むナノワイヤに基づく光電子デバイス１００、２００、３００、４００、５００、光検出器、及び半導体光増幅器を開示する。デバイスは、単結晶の表面、及び／又は非単結晶の表面から成長されたナノワイヤ１１４、２１４、３２４、４３４、４３６、５６０、５６２を含む。半導体光増幅器は、バラストレーザとして機能する複数のナノワイヤアレイを含み、信号導波路により搬送される信号を増幅する。ナノワイヤレーザ、及び光検出器の実施形態は、異なる偏光を提供することが可能な水平ナノワイヤ、及び垂直ナノワイヤ４３４、４３６、５６２、５６０を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノワイヤに基づく光電子デバイス（２００）であって、
単結晶材料、又は非単結晶材料から成る少なくとも１つの第１の表面（２１０）と、
単結晶材料、又は非単結晶材料から成る少なくとも１つの第２の表面（２１２）であって、各第２の表面が、対応する第１の表面から電気的に絶縁されるように構成される、第２の表面（２１２）と、
少なくとも１つの対向する第１対の前記第１の表面、及び前記第２の表面をブリッジ構成を成して接続する少なくとも１つの第１のナノワイヤ（２１４）と
を含み、
前記第１のナノワイヤが、前記第１の表面、及び前記第２の表面から成長され、前記第１対の前記第１の表面、及び前記第２の表面の、前記第１の表面と前記第２の表面の間を相互接続するように構成される、ナノワイヤに基づく光電子デバイス。
【請求項２】
少なくとも１つの第１の表面（１１０）上に、又は該第１の表面（１１０）に隣接して形成される、第１のブラッグミラー（１２４）と、
前記少なくとも１つの第１の表面に対向する少なくとも１つの第２の表面（１１２）上に、又は該第２の表面（１１２）に隣接して形成される、第２のブラッグミラー（１２６）と、
少なくとも１つの対向する第２対の前記第１の表面、及び前記第２の表面の、前記第１の表面、又は前記第２の表面から成長された少なくとも１つの第２のナノワイヤ（１１４）とをさらに含み、
前記第１のブラッグミラーと前記第２のブラッグミラーの対向する各対が、少なくとも１つの第２のナノワイヤを含む光共振器を規定し、
前記第１のナノワイヤ、及び前記第２のナノワイヤが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなる、請求項１に記載のナノワイヤに基づく光電子デバイス。
【請求項３】
前記第１のナノワイヤ、及び／又は前記第２のナノワイヤは、量子ドット、又はヘテロ接合を含む活性領域を有する、請求項２に記載のナノワイヤに基づく光電子デバイス。
【請求項４】
前記光電子デバイスは、少なくとも前記第１対の前記第１の表面（２１０）と前記第２の表面（２１２）の間をブリッジ構成を成して接続する複数の前記第１のナノワイヤ（２１４）を含み、
前記第１のナノワイヤは、前記第１対の前記第１の表面、及び前記第２の表面の、前記第１の表面、及び前記第２の表面から成長され、それらの間を相互接続し、
前記第１のナノワイヤは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含む、請求項１に記載のナノワイヤに基づく光電子デバイス。
【請求項５】
前記第１の表面はそれぞれ、第１の突出部（２０２）の表面であり、
前記第２の表面はそれぞれ、第２の突出部（２０４）の表面であり、
前記第１の突出部、及び前記第２の突出部のそれぞれの上、又は中に、電気的接触部が形成される、請求項１に記載のナノワイヤに基づく光電子デバイス。
【請求項６】
前記第１の表面はそれぞれ、第１の突出部の表面であり、
前記第２の表面はそれぞれ、第２の突出部の表面であり、
前記第１の表面、及び前記第２の表面は、多結晶シリコン、非晶質シリコン、微結晶シリコン、ダイヤモンド、及びダイヤモンドライクカーボンから成る一群の中から選択された非単結晶材料を含み、
前記第１の突出部、及び前記第２の突出部は、（ｉ）それぞれ単結晶材料を含み、（ｉｉ）前記単結晶材料からなる基板（２０８）上に形成され、又は、
前記第１の突出部、及び前記第２の突出部は、微結晶シリコン、非晶質シリコン、ガラス、石英、ポリマー、及び金属から成る一群の中から選択された非単結晶材料からなる基板（２０８）上に形成される、請求項１に記載のナノワイヤに基づく光電子デバイス。
【請求項７】
利得固定半導体光増幅器（３００）であって、
少なくとも１つの第１の表面（３１０）と、
少なくとも１つの第２の表面（３１２）であって、各第２の表面（３１２）が、対応する第１の表面に対向し、且つ対応する第１の表面から電気的に絶縁されるように構成される、少なくとも１つの第２の表面（３１２）と、
対向する各対の前記第１の表面と前記第２の表面の間をブリッジ構成を成して接続する複数のナノワイヤ（３１４）と、
前記ナノワイヤを覆うように構成された信号導波路（３３０）であって、当該信号導波路（３３０）に沿って進行する光信号が、前記ナノワイヤの電気的な励起によって与えられるエネルギーによって増幅されるように構成される、信号導波路（３３０）と
を含む利得固定半導体光増幅器。
【請求項８】
ナノワイヤに基づく光電子デバイス（４００、５００）であって、
第１の水平面（５４２）と、
前記第１の水平面から電気的に絶縁され、且つ前記第１の水平面に対向する第２の水平面（５５２）と、
前記第１の水平面と前記第２の水平面の間をブリッジ構成を成して接続する少なくとも１つの垂直ナノワイヤ（５６０）であって、（ｉ）前記第１の水平面、及び前記第２の水平面の一方から成長され、又は（ｉｉ）前記第１の水平面、及び前記第２の水平面から成長され、前記第１の水平面と前記第２の水平面の間を相互接続する、少なくとも１つの垂直ナノワイヤ（５６０）と、
第１の垂直面（５５４）と、
前記第１の垂直面から電気的に絶縁され、且つ前記第１の垂直面に対向する第２の垂直面（５５６）と、
前記第１の垂直面、及び前記第２の垂直面の間をブリッジ構成を成して接続する少なくとも１つの水平ナノワイヤ（５６２）であって、（ｉ）前記第１の垂直面、及び前記第２の垂直面の一方から成長され、又は（ｉｉ）前記第１の垂直面、及び前記第２の垂直面から成長され、前記第１の垂直面と前記第２の垂直面の間を相互接続する、少なくとも１つの水平ナノワイヤ（５６２）と
を含み、
前記水平ナノワイヤ、及び前記垂直ナノワイヤが、選択的に電気的に励起され、水平偏光、及び垂直偏光をそれぞれ提供する、ナノワイヤに基づく光電子デバイス。
【請求項９】
前記第１の水平面、及び前記第２の水平面に配置され、又は前記第１の水平面、及び前記第２の水平面に隣接して配置された第１のブラッグミラーと、
前記第１の垂直面、及び前記第２の垂直面に配置され、又は前記第１の垂直面、及び前記第２の垂直面に隣接して配置された第２のブラッグミラーと
をさらに含み、前記第１の水平面、前記第２の水平面、前記第１の垂直面、及び前記第２の垂直面によって、共振器（５５８）が規定され、
前記共振器の両端に配置された第３のブラッグミラー（５６８、５７０）をさらに含み、
前記水平ナノワイヤ、及び前記垂直ナノワイヤは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含む、請求項８に記載のナノワイヤに基づく光電子デバイス。
【請求項１０】
前記第１の水平面を有する基板（５４０）と、
前記第１の水平面に配置された第１の絶縁体層（５４４）と、
前記第１の絶縁体層の上に配置された第１の半導体層（５４６）と、
前記第１の半導体層の上に配置された第２の絶縁体層（５４８）と、
前記第２の絶縁体層の上に配置された、第２の水平面を有する第２の半導体層（５５０）と
をさらに含み、
前記第１の水平面、前記第２の水平面、前記第１の垂直面、及び前記第２の垂直面によって、共振器（５５８）が規定され、前記共振器（５５８）は、前記第１の絶縁体層、前記第１の半導体層、及び前記第２の絶縁体層に形成され、それらの層は、前記第１の垂直面、及び前記第２の垂直面を有する、請求項８に記載のナノワイヤに基づく光電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【背景技術】
【０００２】
ナノテクノロジ、及び量子情報技術は、分子レベルで構築される極めて小さな電子回路、及び光学回路の設計を必要とする。「トップダウン」製造技法によって形成される従来の光電子回路とは対照的に、ナノテクノロジは、材料を追加することによって上に向かってデバイスを構築する「ボトムアップ」技法を利用する。たとえば、ナノワイヤを用いて、電気信号、及び光信号を搬送することができる。量子情報技術は、光粒子、すなわち光子を利用して、情報を伝達することができる。量子情報技術に利用するためのナノワイヤを含み、製造環境において低コストの製造技法によって製造することができるナノメートルスケールの光電子デバイスを提供することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【０００３】
ナノワイヤに基づく光電子デバイスの例示的な一実施形態は、単結晶材料、又は非単結晶材料から成る少なくとも１つの第１の表面と、第１の表面からそれぞれ電気的に絶縁された単結晶材料、又は非単結晶材料から成る少なくとも１つの第２の表面と、少なくとも第１対の対向する第１の表面と第２の表面の間をブリッジ構成を成して接続する少なくとも１つの第１のナノワイヤとを含み、第１のナノワイヤは、第１の表面と第２の表面の一方から成長し、第１対の第１の表面と第２の表面の、第１の表面と第２の表面の間を相互接続する。
【０００４】
利得固定半導体光増幅器の例示的な一実施形態は、少なくとも１つの第１の表面と、第１の表面に対向して配置され、第１の表面からそれぞれ電気的に絶縁された第２の表面と、各対の対向する第１の表面と第２の表面の間をブリッジ構成を成してそれぞれ接続する複数のナノワイヤと、ナノワイヤを覆う信号導波路であって、信号導波路に沿って進む光信号が、ナノワイヤの電気的な励起によって与えられるエネルギーによって増幅されるようにする信号導波路とを含む。
【０００５】
ナノワイヤに基づく光電子デバイスの他の例示的実施形態は、第１の水平面と、第１の水平面から電気的に絶縁され、第１の水平面に対向する第２の水平面と、第１の水平面と第２の水平面の間をブリッジ構成を成して接続する少なくとも１つの垂直ナノワイヤであって、（ｉ）第１の水平面と第２の水平面の一方から成長され、又は（ｉｉ）第１の水平面、及び第２の水平面から成長され、それらの間を相互接続する少なくとも１つの垂直ナノワイヤと、第１の垂直面と、第１の垂直面から電気的に絶縁され、第１の垂直面に対向する第２の垂直面と、第１の垂直面、及び第２の垂直面の間をブリッジ構成を成して接続する少なくとも１つの水平ナノワイヤであって、（ｉ）第１の垂直面と第２の垂直面の一方から成長され、又は（ｉｉ）第１の垂直面、及び第２の垂直面から成長され、それらの間を相互接続する少なくとも１つの水平ナノワイヤとを含み、水平ナノワイヤ、及び垂直ナノワイヤが、選択的に電気的に励起され、水平偏光、及び垂直偏光をそれぞれ提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】対向する表面の間をブリッジ構成を成して接続するナノワイヤを含むナノワイヤレーザの例示的な一実施形態を示す図である。
【図２】対向する表面の間をブリッジ構成を成して接続するナノワイヤを含み、ナノワイヤによってそれらの表面の間を相互接続する、ナノワイヤ光検出器の例示的な一実施形態を示す図である。
【図３】ナノワイヤに基づく半導体光増幅器の例示的な一実施形態を示す図である。
【図４】ナノワイヤに基づく光電子デバイスの他の実施形態の基本構造、及び動作原理を示す図である。
【図５Ａ】ナノワイヤに基づく光電子デバイスの別の例示的な実施形態を示す斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示すナノワイヤに基づく光電子デバイスの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
レーザ、光検出器、及び半導体光増幅器（ＳＯＡ）を含む、ナノワイヤに基づく種々の光電子デバイスを開示する。偏光依存レーザ、及び偏光検知光検出器も開示される。レーザの例示的な実施形態は、約３００ｎｍ〜１５００ｎｍを超える広い範囲にわたって光を放射することができる。
【０００８】
例示的な一実施形態による電気駆動式ナノワイヤレーザ１００を図１に示す。ナノワイヤレーザ１００は、基板１０８の表面１０６に配置された第１の突出部１０２と、対向する第２の突出部１０４とを備える。第１の突出部１０２はそれぞれ第１の表面１１０を含み、第２の突出部１０４はそれぞれ、第１の表面１１０のそれぞれに対向する第２の表面１１２を含む。一実施形態として、第１の表面１１０、及び第２の表面１１２は、垂直な表面であり、互いに平行に配置される。１又は複数のナノワイヤ１１４（たとえば、ナノワイヤのアレイ）が、対向する第１の突出部１０２、及び第２の突出部１０４の間に水平に延在し、第１の表面１１０と第２の表面１１２の間をブリッジ構成を成して接続する。この実施形態では、個々のナノワイヤ１１４が、第１の表面１１０と第２の表面１１２の一方から成長し、対向する第１の表面１１０と第２の表面１１２の間に連続的に延在する。図示のナノワイヤレーザ１００は、３対の第１の突出部１０２、及び第２の突出部１０４を含む。他の実施形態として、ナノワイヤレーザ１００は、２対以下、又は４対以上の第１の突出部１０２、及び第２の突出部１０４を含む場合があり、たとえば、１０〜数百対以上の突出部を含む場合がある。
【０００９】
図１に示すように、第１の突出部１０２は、基板１０８の表面１０６に成長された第１の層１１６と、第１の層１１６の上に成長された第２の層１１８とを含む。第２の突出部１０４は、基板１０８の表面１０６に成長された第１の層１１６と、第１の層１１６の上に成長された第２の層１１８とを含む。
【００１０】
この実施形態では、基板１０６は、単結晶材料、又は非単結晶材料から構成される。単結晶材料は、たとえばシリコンウェハのような単結晶シリコンであってもよい。非単結晶材料は、導電体、又は微結晶シリコン若しくは非晶質シリコン、又はガラス、石英、ポリマー（たとえば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような熱可塑性物質）のような絶縁体、又は金属（たとえば、ステンレス鋼、アルミニウム又はアルミニウム合金）、又はこれらの材料若しくは他の材料の組み合わせであってもよい。これらの例示的な非単結晶材料によれば、ナノワイヤレーザ１００を製造するコストを削減することができる。実施形態によっては、非単結晶材料は、ロールで提供される場合もあり、それによって、ロール製造工程を用いて複数のナノワイヤレーザを製造することが可能になる。
【００１１】
ナノワイヤレーザ１００の第１の層１１６は、酸化物（たとえば、ＳｉＯ２）、及び窒化物のような絶縁性材料を含む。たとえば、シリコン基板（たとえば、（１１１）シリコン）上に、ＳｉＯ２を成長させる場合がある。他の実施形態として、ＧａＡｓ基板上に、絶縁層として機能する非ドープのＡｌＡｓ、又はＩｎＡｓのようなＩＩＩ−Ｖ族材料を成長させる場合がある。さらに他の実施形態として、ＩｎＰ基板上に、類似の格子整合した半導体材料を成長させる場合がある。たとえば、ドープされたＩｎＰウェハ（すなわち、基板）上に、半絶縁性ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ層（すなわち、第１の層）を成長させ、その後、その半絶縁層の上に、さらに別のドープされたＩｎＰ層（すなわち、第２の層）を成長させる場合がある。これらの層は全て格子整合される。
【００１２】
この実施形態では、第１の層１１６が、第１の突出部１０２を互いに電気的に絶縁し、第２の突出部１０４を互いに電気的に絶縁し、さらに、第１の突出部１０２を第２の突出部１０４から電気的に絶縁する。
【００１３】
第１の突出部１０２、及び第２の突出部１０４の第２の層１１８は、単結晶材料、又は非単結晶材料から構成される。実施形態によっては、第２の層１１８の材料は、第１の層１１６の材料とそれぞれ格子整合する場合がある。他の実施形態として、第２の層１１８は、２以上の材料を含む場合があり、例えば、２以上の単結晶材料、２以上の非単結晶材料、又は少なくとも１つの単結晶材料と少なくとも１つの非単結晶材料の組み合わせを含む場合がある。一実施形態として、第２の層１１８の第１の表面１１０、及び第２の表面１１２は、非単結晶材料（たとえば、多結晶シリコン、微結晶シリコン又は非晶質シリコン）の上に形成された単結晶材料（たとえば、単結晶シリコン）からなる場合がある。
【００１４】
ナノワイヤレーザ１００の第２の層１１８の形成に適した単結晶材料としては、たとえば、Ｓｉ、Ｇｅ；たとえば、ＳｉＣ及びＳｉＧｅのようなＩＶ族化合物半導体；二元合金、たとえば、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、ヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）及びヒ化ホウ素（ＢＡｓ）のようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体；酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び酸化インジウム（ＩｎＯ）のようなＩＩ−ＶＩ族半導体、並びにこれらの半導体材料又は他の半導体材料の組み合わせが挙げられる。たとえば、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）層を形成する方法を使用して、ＳｉＯ２の第１の層の上に、Ｓｉのエピタキシャル層を形成することができる。他の実施形態として、非ドープのＡｌＡｓ又はＩｎＡｓのような絶縁層として機能する材料上の上に、ＧａＡｓのようなＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を成長させる場合がある。
【００１５】
他の実施形態として、金属、誘電体又は非結晶半導体のような結晶材料、又は他の非結晶材料の上に、微結晶シリコン又は非晶質シリコンのような非結晶材料を堆積させる場合がある。ナノワイヤは、それらの表面から成長させることもできる。
【００１６】
単結晶材料、又は非単結晶材料の第１の表面１１０、及び第２の表面１１２を含むナノワイヤレーザ１００の実施形態において、単結晶材料、及び非単結晶材料は、第１の表面１１０、及び／又は第２の表面１１２からナノワイヤを成長させるのに適した物理的特性を有するものであれば、いかなる材料であってもよい。非単結晶材料としては、たとえば、多結晶シリコン、非晶質シリコン、微結晶シリコン、サファイア、又はダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのような炭素系無機材料が使用される。これらの非単結晶材料は、よりコストがかかる単結晶材料、又は化合物半導体材料を使用する場合に比べて、ナノワイヤレーザを製造するコストを削減することができる。さらに、非単結晶表面から成長する単結晶ナノワイヤは、単結晶半導体材料の全ての特性を示すことができる。
【００１７】
一実施形態として、第１の層（複数の場合もあり）１１６、及び第２の層（複数の場合もあり）１１８はいずれも、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、及びＣＶＤのような任意の適当な技法を使用して、エピタキシャル成長される場合がある。
【００１８】
分離された第１の層１１６、及び第２の層１１８を含む図１に示す構造は、成長された第２の層の材料を、その上に重ねたマスキング層を使用してパターニングし、ギャップにより分離された対向する第２の層１１８を形成することにより形成することができる。その下の第１の層の絶縁体材料は、第２の層の材料に形成された開口部を通じて絶縁体材料の一部を除去し、基板１０８の表面１０６を露出させることによってパターニングされ、ギャップにより分離された対向する第１の層１１６を形成する。たとえば、第１の層の材料、及び第２の層の材料は、リソグラフィ技法、ドライエッチング技法（たとえば、ＲＩＥ）、又はウエット化学エッチング技法のうちの１つ又は複数を使用してエッチングされる場合がある。たとえば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）は、シリコンの異方性エッチングに使用可能なウエット化学エッチャントであり、ＳｉＯ２は、フッ化水素酸（ＨＦ）を使用してウエット化学エッチングすることも、反応性イオンエッチングを使用して異方性ドライ化学エッチングすることも、イオンミリングを使用して異方性エッチングすることもでき、ＧａＡｓは、Ｈ２ＳＯ４を使用してウエット化学エッチングすることができる。
【００１９】
第１の突出部１０２、及び第２の突出部１０４の第２の層１１８は、ナノワイヤを成長させるのに十分なだけの表面積を有するものであれば、いかなる寸法のものであってもよい。たとえば、第２の表面１１２は通常、約１０ｎｍ〜約５０００ｎｍの高さ、及び約１００ｎｍ〜約１００００ｎｍの幅を有する。第１の表面１１０、及び第２の表面１１２は、たとえば、約１０ｎｍ〜約１０μｍの距離だけ互いに離隔される場合がある。
【００２０】
この実施形態では、ナノワイヤレーザ１００は、第１の突出部１０２と第２の突出部１０４の各対に関連するナノワイヤアレイ、及びブラッグミラーによって形成されるレーザ共振器を電流又は電気パルスでポンピングするための電気ポンプを含む。たとえば、第１の突出部１０２、及び第２の突出部１０４の第２の層１１８はそれぞれ、ナノワイヤの端部に隣接する位置に、高濃度にドープされた電極領域１２０、１２２を有し、それらの領域に、電気的接触部を形成するのに十分なだけの所望の大きさの導電率を達成するｐ型ドーパント、又はｎ型ドーパントを含有する場合がある。例えば、第１の突出部１０２の電極領域１２０はｐ型にドープされ、第２の突出部１０４の電極領域１２２はｎ型にドープされる場合がある。ただし、その逆も可能である。他の実施形態として、電極（又はコンタクトパッド）は、第２の層１１８の上面にそれぞれ形成される場合がある。電極領域１２０、１２２（又は電極）は、第１の層１１６によって互いに電気的に絶縁される。電極領域１２０、１２２（又は電極）は、ナノワイヤから光放射を生成するために、ナノワイヤ１１４のアレイにキャリアを注入する働きをする電源に接続される場合がある。この実施形態では、光放射は水平偏光される。
【００２１】
この実施形態では、ナノワイヤレーザ１００は、第１の突出部１０２、及び第２の突出部１０４のそれぞれの中、又は上に配置され、光共振器の両端を規定するブラッグミラーを含む。たとえば、図１に示すように、第１の突出部１０２、及び第２の突出部１０４の第２の層１１８の中、又は上に、ブラッグミラー１２４、１２６をそれぞれ形成する場合がある。ブラッグミラー１２４、１２６の各組は、ナノワイヤ光共振器の両端を規定する。一部の実施形態において、ブラッグミラー１２４、１２６は、第２の層１１８に交互に配置されたブラッグ反射器層、及びギャップを含む場合がある。他の実施形態として、ブラッグミラー１２４、１２６は、互いに異なる屈折率を有し、及び／又は、ブラッグミラーが組み込まれる第２の層のそれぞれの半導体材料とは異なる屈折率を有する半導体材料の層を交互に含む場合がある。ブラッグミラーは、たとえば、ＩＶ族、ＩＩＩ−Ｖ族、及びＩＩ−ＶＩ族の半導体材料、又は他の半導体材料のような半導体材料の層を交互に含む場合がある。ブラッグミラー１２４、１２６の層を形成する材料は、格子整合され、ナノワイヤ１１４に電流バイアスをかけることを可能にするために、ｐ型、又はｎ型にドープされる場合がある。半導体構造にブラッグミラーの反射器層を形成する技術は、米国特許出願公開第２００６／００９８７０５号に記載され、この特許出願は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【００２２】
ナノワイヤ１１４の一端に配置されるブラッグミラーは、ナノワイヤ１１４の反対側の端部に配置されるブラッグミラーよりも高い反射率を有する。たとえば、第１の突出部１０２にあるブラッグミラー１２４は、第２の突出部１０４にあるブラッグミラー１２６よりも少なくとも１つだけ多くの周期を有し、それにより、生成された光子が、第２の突出部１０４にあるナノワイヤ１１４の端部から光共振器を出る確率を高めることができる。第１の突出部１０２、及び第２の突出部１０４の第２の層１１８は、光子の周波数において透過性である。ブラッグミラー１２４、１２６によれば、ナノワイヤ１１４において生成された光信号の増幅が可能になる。
【００２３】
図１に示すナノワイヤレーザ１００において、ナノワイヤ１１４は、第１の突出部１０２の第１の表面１１０と、第２の突出部１０４の第２の表面１１２のうちの、いずれか一方から成長させることができる。たとえば、ナノワイヤ１１４は、第１の表面１１０と第２の表面１１２の間に連続的に延在するように第１の表面１１０から成長され、第２の表面１１２に突き当たると、第２の表面１１２に機械的、及び電気的に接続され、第１の突出部１０２と第２の突出部１０４の間を真っ直ぐに架橋する。各ナノワイヤ１１４の端部は、対向する第１の表面１１０と第２の表面１１２の間に、自己組織化されたナノワイヤ接続を形成する。
【００２４】
図２は、他の例示的実施形態による、電気駆動式ナノワイヤ光検出器２００を示す。ナノワイヤ光検出器２００は、基板２０８の表面２０６に配置される第１の突出部２０２と、対向する第２の突出部２０４とを含む。第１の突出部２０２は、第１の表面２１０を有し、第２の突出部２０４は、第１の表面２１０に対向する第２の表面２１２を有する。一実施形態として、第１の表面２１０、及び第２の表面２１２は、垂直な表面として形成される。一部の実施形態において、第１の表面２１０、及び第２の表面２１２は、水平な表面として形成される。垂直な表面、又は水平な表面は、図示のように互いに平行に形成される場合がある。この実施形態では、第１の表面２１０と第２の表面２１２は、互いに向かい合う。他の例示的実施形態として、第１の表面２１０と第２の表面２１２は、互いに向かい合わない場合がある。１又は複数のナノワイヤ２１４（たとえば、図示のような複数のナノワイヤ２１４）は、第１の突出部２０２と第２の突出部２０４の間に延在し、第１の表面２１０と第２の表面２１２の間をブリッジ構成を成して接続する。この実施形態では、各ナノワイヤ２１４は、第１の表面２１０、及び第２の表面２１２から成長され、第１の表面２１０と第２の表面２１２の間を相互接続し（「融合」し）、相互接続するナノワイヤ２１４の端部により電気的接触が形成され、ナノワイヤ２１４上の電気的キャリアの操作が可能になる。図は、相互接続されたナノワイヤ２１４間に形成される例示的な接合部２１３を示している。このような接合部は、ナノワイヤ２１４の長手方向に沿って形成することができ、及び／又はナノワイヤ２１４の成長表面とは反対側の端部に形成することができる。ナノワイヤ２１４はランダムな向きに形成される。複数のナノワイヤ２１４が、一つに融合される場合もある。
【００２５】
ナノワイヤ光検出器２００において、基板２０８は、ＳｉＯ２のような絶縁体から構成される。基板２０８は、シリコン、たとえば、シリコンウェハ上に成長させることができる。第１の突出部２０２は第１の層２１６から構成され、第２の突出部２０４は第１の層２１６から構成される。第１の層２１６は電極である。第１の層２１６は、たとえば、Ｐｔ／Ｔｉ薄膜構造を含む。Ｔｉ薄膜は接着を可能にし、Ｐｔ薄膜はシリサイドの形成を可能にする。Ｐｔ／Ｔｉ薄膜構造は、たとえば、周囲温度において真空熱蒸着によって、ＳｉＯ２の表面２０６に堆積させることができる。Ｔｉ薄膜、及びＰｔ薄膜は、電極を形成するようにパターニングされる。第１の突出部２０２は、第２の層２１８をさらに含み、第２の突出部２０４は、第２の層２１８をさらに含む。第２の層２１８は、少なくとも１つの半導体材料、たとえば、ｎ型水素化微結晶シリコンから構成され、ｎ型水素化微結晶シリコンは、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）により、パターニングされた第１の層２１６の上に堆積させることができる。第２の層２１８は、基板２０８によって電気的に絶縁される。
【００２６】
図示のナノワイヤ光検出器２００は、１つの第１の突出部２０２、及び第２の突出部２０４を含む。他の実施形態として、ナノワイヤ光検出器２００は、数十対、数百対又は数千対のような、２対以上の第１の突出部２０２及び第２の突出部２０４を含む場合がある。そのような実施形態では、ナノワイヤ２１４の各アレイは、同じ波長の光を検出することができ、又はナノワイヤ２１４の少なくとも１つのアレイは、他のアレイとは異なる波長の光を検出することができる。たとえば、そのような少なくとも１つのアレイは、他のアレイのナノワイヤとは異なる組成を有するナノワイヤ２１４を含む場合がある。
【００２７】
ナノワイヤに基づく光電子デバイスの一部の実施形態は、少なくとも１つの連続して成長されたナノワイヤ（たとえば、図１に示され、任意選択で、ブラッグミラーをさらに含むこともあるナノワイヤ１１４）と、少なくとも１つの相互接続するナノワイヤ（たとえば、図２に示すナノワイヤ１１４）との組み合わせを含む場合がある。そのような実施形態によれば、光検出と光放射のような２以上の機能が得られる。
【００２８】
ナノワイヤレーザ１００、及びナノワイヤ光検出器２００のナノワイヤ１１４、２１４は、少なくとも１つの化合物半導体材料を含む場合がある。化合物半導体材料によっては、直接バンドギャップを有し、電気エネルギーを光エネルギーに効率的に変換することが可能なものがある。格子整合問題（及び、材料によって問題になる「逆位相領域境界」問題）を緩和するためには、そのような化合物半導体材料を含むナノワイヤ１１４、２１４を、別の単結晶材料、又は非単結晶材料の表面のごくわずかな面積に成長させる。例示的実施形態として、化合物半導体材料を含むナノワイヤ１１４、２１４を、元素半導体材料、たとえばシリコンの上に成長させ、１つの化合物半導体材料を含むナノワイヤ１１４、２１４を、格子不整合な別の化合物半導体材料の上に成長させ、あるいは、化合物半導体材料のナノワイヤ１１４、２１４を、非単結晶材料表面、たとえばポリシリコンの上に成長させる場合がある。
【００２９】
ナノワイヤレーザ１００、及びナノワイヤ光検出器２００のナノワイヤ１１４、２１４の形成に使用可能な化合物半導体材料の例として、例えば、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ等から選択される少なくとも１つの二元合金のような少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ族材料；ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰＡｓ等のようなより高次の少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ族合金；及びこれらの化合物半導体材料若しくは他の化合物半導体材料の組み合わせが挙げられる。たとえば、ＧａＡｓナノワイヤは、ＧａＡｓ又はＳｉの表面のような、結晶格子の（１１１）面に対して概ね垂直に成長するであろう。ナノワイヤ１１４、２１４は、ＺｎＯ、又はＩｎＯをさらに含む場合がある。
【００３０】
化合物半導体材料を成長させる技術の例は、B. J. Ohlsson、M. T. Bjork、M. H. Magnusson、K. Deppert及びL. Samuelson著「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基板上のＧａＡｓナノウイスカの成長）；M. H. Huang、S. Mao、H. Feick、H. Yan、Y. Wu、H. Kind、E. Weber、R. Russo及びP. Yang著「Room-Temperature Ultraviolet Nanowire Nanolasers」（Sceience, vol. 292, pp. 1897-1899 (2001)）（サファイア基板上の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著「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著「Dendritic Nanowire Ultraviolet Laser Array」（J. Am. Chem. Soc., vol. 125, no. 16, 4729 (2003)）（ＺｎＯの樹状突起ナノワイヤアレイの形成）に記載され、これらはそれぞれ参照によりその全体が本明細書に援用される。
【００３１】
ナノワイヤレーザ１００、及びナノワイヤ光検出器２００の他の例示的実施形態は、少なくとも１つの制御境界を含むナノワイヤ１１４、２１４を含む場合があり、制御境界は、ナノワイヤの電気特性を制御するために、成長中に、ナノワイヤ上の所与の位置に形成される。ナノワイヤ１１４、２１４は、ナノワイヤにおける強い内部電界の形成を助けるために、ナノワイヤ上にｐｎ接合部を規定するｐ領域、及びｎ領域を含む場合がある。たとえば、ナノワイヤ１１４、２１４は、第１の突出部１０２、２０２の第２の層１１８、２１８に形成されるｐドープ領域に隣接するｐ領域と、第２の突出部１０４、２０４の第２の層１１８、２１８に形成されるｎドープ領域に隣接するｎ領域とを含む場合がある。
【００３２】
ナノワイヤ１１４、２１４上に異なる半導体材料を順次堆積させることにより、ナノワイヤヘテロ構造を形成することができる。異なる組成を有するヘテロエピタキシャル層は、ナノワイヤのｐ領域とｎ領域の間に形成される場合がある。たとえば、参照によりその全体が本明細書に援用される、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著「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ウイスカの形成）を参照されたい。他の例示的実施形態として、相対的に高いバンドギャップを有するＩｎＰ間に、ＩｎＧａＡｓを形成する場合がある。両方の半導体材料の堆積が金属ナノ粒子による触媒作用を受ける場合は、ナノワイヤに沿って異なる材料のセグメントを順次成長させることにより、隣接するセグメント間にヘテロ接合を形成することができる。たとえば、比較的低いしきい値電流において十分なレーザ発振動作を発生させるために、多重量子井戸構造をナノワイヤに形成する場合がある。多重量子井戸構造の例としては、ＩｎＰ上にＩｎＡｌＧａＡｓを有する構造、ＩｎＰ上にＩｎＧａＡｓＰを有する構造、及びＧａＡｓ上にＧａＡｓＳｂを有する構造が挙げられる。
【００３３】
実施形態によっては、ナノワイヤ１１４、２１４を成長させるときに、ナノワイヤ１１４、２１４の中に、量子ドット（ＱＤ）を含む活性領域を成長させる場合がある。量子ドットは、成長中のナノワイヤの材料とは異なるバンドギャップを有する材料からなる。量子ドットは電流によって電気的に励起され、単一の光子を放射し、光子はナノワイヤに沿って進み、光共振器を規定するブラッグミラーにより反射される。たとえば、量子ドットは、少量のＩｎＧａＡｓを成長中のＩｎＰナノワイヤの所望の場所に導入する（すなわち、成長させる）ことによって形成することができる。ＩｎＧａＡｓはＩｎＰに比べて低いバンドギャップを有する。その後、ＩｎＰナノワイヤの成長が再開される。いずれも参照によりその全体が本明細書に援用される、米国特許出願公開第２００６／０２８０４１４号及び第２００６／００９８７０５号を参照されたい。
【００３４】
ナノワイヤ１１４、２１４は、任意の適当な成長技法を用いて形成することができる。ナノワイヤを成長させる適当な方法は、たとえば、参照によりその全体が本明細書に援用される、米国特許出願公開第２００６／００９７３８９号に記載されている。たとえば、化学気相成長（ＣＶＤ）技法によって、単結晶又は非単結晶表面からナノワイヤを成長させることができる。触媒成長技法を用いるナノブリッジ形成は、たとえば、いずれも参照によりその全体が本明細書に援用される、T. Kamins著「Beyond CMOS Electronics: Self-Assembled Nanostructures」（The Electrochamical Society Interface, (Spring 2005)）並びにM. Saif Islam、S. Sharma、T. I. Kamins及びR. Stanley Williams著「Ultrahigh-Density Silicon Nanobridges Formed Between Two Vertical Silicon Surfaces」（Nanotechnology 15, L5-L8 (2004)）によって記載されている。これらの技法では、堆積中の材料と、ナノワイヤが成長する表面上に形成される触媒ナノ粒子との相互作用によって、ナノワイヤは成長される。ナノ粒子は、成長表面に直接形成することができ、あるいは成長表面上に触媒材料を堆積し（たとえば、物理気相成長（ＰＶＤ）又は化学気相成長（ＣＶＤ）により）、その後、触媒材料をアニールすることにより、ナノ粒子触媒を形成してもよい。金属触媒ナノ粒子は、たとえば、Ｔｉ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｇａ及びその合金を含む場合がある。金属は、ナノワイヤ組成に基づいて選択される場合がある。触媒ナノ粒子は、ナノワイヤ成長中に液相、又は固相を成して存在することができる。
【００３５】
ナノ粒子触媒、又は触媒材料は、ナノワイヤを成長させたい場所にある特定の表面、及び／又は表面領域に優先的に堆積させることができる。ナノ粒子触媒、又は触媒材料を角度を付けて堆積することにより、ナノ粒子触媒、又は触媒材料を優先的に堆積させることができ、表面におけるナノワイヤの成長の開始位置を制御することが可能になる。
【００３６】
ナノワイヤの形成に使用されるガスの組成は、所望のナノワイヤの組成によって異なる場合がある。一部の実施形態において、ナノワイヤを成長させる土台となる表面は、堆積装置の反応室の中でガスに曝される。ナノワイヤを成長させる間、処理室の状態、及びプロセスガスは制御される。プロセスガスは、単一のガスであっても、ガス混合物であってもよい。ナノワイヤ成長中に気相からｐ型及びｎ型ドーパントを加えることができる。
【００３７】
ナノワイヤ１１４、２１４は、長手方向において概ね一定の直径を有するように形成される場合がある。ナノワイヤは通常、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの直径を有することができる。
【００３８】
ナノワイヤレーザ、又はナノワイヤ光検出器の他の実施形態（図示せず）では、第１の突出部、及び第２の突出部は、基板と同じ単結晶材料、又は非単結晶材料から構成される場合がある。言い換えれば、基板、並びに第１の突出部及び第２の突出部は、単一のバルク材料片から構成され、突出部は、ナノワイヤレーザ１００、又はナノワイヤ光検出器２００のように第１の層、及び第２の層を有しない場合がある。この実施形態では、単結晶材料は、たとえば、シリコンウェハである場合がある。たとえば、参照によりその全体が本明細書に援用される米国特許出願公開第２００５／０１３３４７６号に記載されているように、シリコン基板をエッチングすることにより、ギャップにより分離された平行な（１１１）格子面である、間隔を空けて対向する垂直な表面を含む、長手方向に延在する壁を形成することができる。ナノワイヤは、垂直な表面の少なくとも一方から、ギャップを越えて、対向する垂直な表面に接続するまで成長し、ナノワイヤブリッジを形成する。ナノワイヤを電気的に作動し、光を生成出来るようにするために、垂直な表面は、ｐ型及びｎ型電極の表面であってもよい。
【００３９】
この実施形態では、非単結晶材料は、多結晶シリコン、非晶質シリコン、微結晶シリコン、サファイア、又はダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのような炭素系無機材料から選択することができる。この実施形態では、第１の突出部、及び第２の突出部は、ｐ型電極領域、及びｎ型電極領域を含む場合があり、それらは互いに電気的に絶縁される。基板に電気絶縁体領域を形成することにより、ｐ型材料とｎ型材料を電気的に絶縁することができ、それによって、基板内に電気的な短絡を生じることなく、ナノワイヤを通して電流を流すことが可能になる。
【００４０】
図１に示すナノワイヤレーザ１００の動作を説明する。図２に示すナノワイヤ光検出器２００も、同じように動作することができることは理解されよう。ナノワイヤレーザ１００の動作中に、電極領域１２０及び１２２に電流又は電気パルスを印加して、キャリアを注入し、ナノワイヤ１１４のアレイを含む光共振器を電気的にポンピングする。一実施形態として、複数の光共振器は、同時にポンピングされる。他の実施形態では、ナノワイヤ１１４のアレイから特定の時間的順序で光を放射出来るようにするために、ナノワイヤレーザ１００は、各ナノワイヤアレイを個別に電気的に励起するための電気回路を基板１０８内に有する場合がある。生成された光子は、ナノワイヤ１１４を長手方向に沿って進行し、光共振器の両端において、ブラッグミラー１２４、１２６により反射される。光は、相対的に低い反射率を有するブラッグミラーが配置された方の光共振器の端部から出射する。デバイスの動作（たとえば、オン／オフ状態及び光漏れ）をモニタリングするために、光共振器から出射する光を検出するための光検出器（図示せず）が、任意選択で形成される場合もある。
【００４１】
一実施形態では、ナノワイヤ１１４の各アレイは、同じ波長の光を放射する。他の実施形態では、ナノワイヤ１１４の少なくとも１つのアレイは、他のアレイとは異なる波長の光を放射する場合がある。たとえば、少なくとも１つのアレイは、他のアレイのナノワイヤとは異なる組成を有するナノワイヤ１１４を含む場合がある。たとえば、第１の波長の光を放射するナノワイヤ１１４の第１のアレイと、第２の波長の光を放射するナノワイヤ１１４の第２のアレイとが、ナノワイヤレーザ１００の長手方向に沿って交互に配置される場合がある。
【００４２】
図３は、ナノワイヤに基づく半導体光増幅器（ＳＯＡ）３００の例示的一実施形態を示す。図示のように、半導体光増幅器３００は、基板３０８の表面３０６に、長手方向に間隔を空けて配置された複数の第１の突出部３０２と、長手方向に間隔を空けて配置された対向する第２の突出部３０４とを含む。第１の突出部３０２はそれぞれ、第１の表面３１０を有し、第２の突出部３０４はそれぞれ、第１の表面３１０にそれぞれ対向する第２の表面３１２を有する。図示の第１の表面３１０、及び第２の表面３１２は、平行な垂直表面である。ナノワイヤ３１４のアレイは、対向して対を成す第１の突出部３０２と第２の突出部３０４の間に水平に延在し、第１の表面３１０、及び第２の表面３１２にブリッジ構成を成して接続される。信号経路に沿って光信号を導くために、第１の表面３１０と第２の表面３１２の間に、信号導波路３３０が配置される。図示のように、信号導波路３３０は、長手方向に間隔を空けて配置されたナノワイヤ３１４のアレイを覆うように構成される。信号導波路３３０は、基板３０８の長手方向に延びる隆起した表面３３２の上に形成され、第１の表面３１０、及び第２の表面３１２に対して実質的に平行に、水平方向に延在する。信号導波路３３０の両端には、ブラッグミラー３３４、３３６が設けられる。
【００４３】
図示の半導体光増幅器３００は、３対の第１の突出部３０２、及び第２の突出部３０４を備え、さらに対応するナノワイヤ３１４のアレイを備える。他の実施形態として、半導体光増幅器３００は、２対以下、あるいは１０〜数百対以上のような４対以上の第１の突出部３０２、及び第２の突出部３０４を有する場合がある。
【００４４】
図３に示すように、第１の突出部３０２は、基板３０８の表面３０６上に成長された第１の層３１６と、第１の層３１６上に成長された第２の層３１８とを含む。第２の突出部３０４は、基板３０８の表面３０６に成長された第１の層３１６と、第１の層３１６の上に成長された第２の層３１８とを含む。基板３０８は、単結晶材料、又は非単結晶材料から構成される。第１の突出部３０２、及び第２の突出部３０４の第１の層３１６は、絶縁体材料を含む。この実施形態では、第１の層３１６により、第１の突出部３０２は互いに電気的に絶縁され、第２の突出部３０４は互いに電気的に絶縁され、さらに第１の突出部３０２は第２の突出部３０４から電気的に絶縁される。基板３０８、及び第１の層３１６は、ナノワイヤレーザ１００、２００に関して上で説明した選択された材料から形成することができる。ナノワイヤ３１４のアレイに個別にポンプ電流を供給できるようにするために、ナノワイヤ３１４のアレイは、第１の層３１６によって互いに機能的に分離される場合がある。
【００４５】
この実施形態では、第１の突出部３０２、及び第２の突出部３０４の第２の層３１８は、単結晶材料、又は非単結晶材料から構成される場合がある。実施形態によっては、第２の層３１８の材料はそれぞれ、第１の層３１６の材料と格子整合される場合がある。第２の層３１８は２以上の材料を含むことがあり、例えば、２以上の単結晶材料、２以上の非単結晶材料、又は少なくとも１つの単結晶材料と少なくとも１つの非単結晶材料の組み合わせを含む場合がある。たとえば、第２の層３１８の第１の表面３１０、及び第２の表面３１２は、非単結晶材料の上に形成された単結晶材料を含む場合がある。
【００４６】
半導体光増幅器３００の第２の層３１８を形成するのに適した単結晶材料には、たとえば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＢＡｓ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、及びこれらの半導体材料又は他の半導体材料の組み合わせが挙げられる。第２の層３１８の形成に適した非単結晶材料には、たとえば、多結晶シリコン、非晶質シリコン、微結晶シリコン、サファイア、又はダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのような炭素系無機材料が挙げられる。
【００４７】
半導体光増幅器３００のナノワイヤ３１４は、少なくとも１つの化合物半導体材料を含む。半導体光増幅器３００のナノワイヤの形成に使用可能な化合物半導体材料の例には、たとえば、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ等から選択される少なくとも１つの二元合金のようなＩＩＩ−Ｖ族材料；ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰＡｓ等のようなより高次の少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ族合金；ＺｎＯ、ＩｎＯ又はこれらの化合物半導体材料若しくは他の化合物半導体材料の組み合わせが挙げられる。ナノワイヤ３１４は、上記のような量子ドット、又は多結晶量子井戸を含むヘテロ接合を含む場合がある。
【００４８】
この実施形態では、信号導波路３３０は、ナノワイヤ３１４上にフォトリソグラフィによって形成することが可能なポリマー導波路であってもよい。第１の突出部３０２、及び第２の突出部３０４は、たとえばＳｉＯ２のような誘電体材料によって電気的に絶縁され、当該誘電体材料や空気よりも高い屈折率を有するポリマー導波路を使用して、光を閉じ込めることができる。信号導波路３３０は通常、矩形形状を有し、光波長の約１倍〜１０倍の長さ寸法、並びに約１μｍ〜約１０μｍの幅寸法、及び高さ寸法を有する。
【００４９】
半導体光増幅器３００は、ナノワイヤ３１４のアレイに電流又は電気パルスを印加出来るするために、ナノワイヤ３１４の両端に電気的に接触する手段をさらに備える。たとえば、第１の突出部３０２、及び第２の突出部３０４の第２の層３１８は、上記のように、第２の層３１８の上、又は中に形成された高濃度にドープされたｐ型及びｎ型領域、すなわち電極を含む場合がある。
【００５０】
半導体光増幅器３００の動作中に、信号導波路３３０に沿って長手方向に進行する光信号は、ナノワイヤ３１４の電気的な励起によって生成されるエネルギーによって増幅される。ナノワイヤ３１４のアレイは、バラストレーザとして機能し、光信号を増幅する。バラストレーザを使用することにより、半導体光増幅器３００を利得固定モードで動作させることが可能になる。利得固定モードでは、増幅されることになる信号が、均一な利得を有し、過去のビットパターンの影響を受けにくい。光信号は、複数のバラストレーザのうちの幾つかのレーザ場からのエネルギーを使用して増幅することができる。ナノワイヤ３１４のアレイのレーザ共振器は、しきい値よりも上で動作し、共振器の損失を克服するために、その利得は固定される。すなわち、レーザ共振器は、しきい値電流よりも高いバイアス電流によって励起される。利得は、信号導波路の全長にわたって安定化させることができる。
【００５１】
一実施形態において、ナノワイヤ３１４の各アレイは、同じ波長の光を放射する。他の実施形態として、ナノワイヤ３１４の少なくとも１つのアレイは、他のアレイとは異なる波長の光を放射する場合がある。たとえば、そのような少なくとも１つのアレイは、他のアレイのナノワイヤとは異なる組成を有するナノワイヤ３１４を含む場合がある。たとえば、第１の波長の光を放射するナノワイヤ３１４の第１のアレイと、第２の波長の光を放射するナノワイヤ３１４の第２のアレイとが、半導体光増幅器３００の長手方向に沿って交互に配置されるように形成される場合がある。
【００５２】
図４、図５Ａ及び図５Ｂは、ナノワイヤに基づく光電子デバイスの他の例示的な実施形態を示す。この例示的な光電子デバイスは偏光依存レーザを含み、特有の偏光を有する光を生成することが出来る。光は、種々の状態に偏光される能力を持つ。たとえば、直線偏光は、垂直、又は水平であり得る。この光電子デバイスは、水平偏光された光、及び垂直偏光された光を選択的に放射することができるように構成される。水平偏光、又は垂直偏光された光のパルスを、１パルス当たり１光子の割合で放射することができる。たとえば、水平偏光された光の単一の光子は、「０」のような１つの情報ビットを符号化することができ、垂直偏光された光の単一の光子は、「１」を符号化することができる。このように、単一の光子は、単一の量子情報ビットを表現することができる。また、この光電子デバイスは、光の変更状態を検知するためのナノワイヤに基づく光検出器として使用することもできる。
【００５３】
図４は、水平ナノワイヤ４３４、及び垂直ナノワイヤ４３６を含む光電子デバイス４００の一実施形態の基本構造、及び動作原理を示す。図示のように、ナノワイヤ４３４、４３６は、光電子デバイス４００の長手方向に沿って配置される。光放射の方向は、矢印４３８で示されている。
【００５４】
図５Ａ、及び図５Ｂは、光電子デバイス５００の例示的な一実施形態を示す。図示のように、光電子デバイス５００は、第１の水平面５４２を有する基板５４０と、第１の水平面５４２上に形成される第１の絶縁体層５４４と、第１の絶縁体層５４４の上に形成される第１の半導体層５４６と、第１の半導体層５４６の上に形成される第２の絶縁体層５４８と、第２の絶縁体層５４８の上に形成され、第１の水平面５４２に対向する第２の水平面５５２を有する第２の半導体層５５０とを含む。第１の絶縁体層５４４、第１の半導体層５４６、及び第２の絶縁体層５４８は、第１の垂直面５５４と、該第１の垂直面５５４に対向する第２の垂直面５５６とを規定する。第１の水平面５４２、第２の水平面５５２、第１の垂直面５５４、及び第２の垂直面５５６は、共振器５５８を規定する。共振器５５８は、たとえば、約１μｍ〜約２００μｍの長さを有し、約１００ｎｍ〜約１０μｍの高さ寸法、及び幅寸法を有する場合がある。第１の絶縁体層５４４、及び第２の絶縁体層５４８により、第１の水平面５４２は第２の水平面５５２から電気的に絶縁され、第１の垂直面５５４は第２の垂直面５５６から電気的に絶縁される。
【００５５】
１以上の垂直ナノワイヤ５６０（たとえば、複数の垂直ナノワイヤ５６０）は、第１の水平面５４２と第２の水平面５５２を、ブリッジ構成を成すように接続する。基板５４０、及び第２の半導体層５５０、すなわち、それらの第１の水平面５４２、及び第２の水平面５５２には、ブラッグミラー（図示せず）が設けられ、垂直ナノワイヤ５６０を含む垂直光共振器を規定する。１以上の水平ナノワイヤ５６２（たとえば、複数の水平垂直ナノワイヤ５６２）は、ブリッジ構成を成すように、第２の半導体層領域５６４の第１の垂直面５５４に接続され、かつ第２の半導体層領域５６６の第２の垂直面５５６に接続される。第２の半導体層領域５６４、５６６の第１の垂直面５５４、及び第２の垂直面５５６には、ブラッグミラー（図示せず）が設けられ、水平ナノワイヤ５６２を含む水平光共振器を規定する。光の大半が一端から出射し、他端からは、例えばレーザをモニタリングするために少量の光しか出射されないようにするために、ブラッグミラーは異なる反射率を有する場合がある。
【００５６】
この実施形態では、垂直ナノワイヤ５６０は、第１の水平面５４２と第２の水平面５５２の一方から成長され、水平ナノワイヤ５６２は、第１の垂直面５５４と第２の垂直面５５６の一方から成長される。他の実施形態（図示せず）では、図２に示したナノワイヤ構造のように、垂直ナノワイヤ５６０は、第１の水平面５４２、及び第２の水平面５５２から成長され、それらの間を相互接続し、水平ナノワイヤ５６２は、第１の垂直面５５４、及び第２の垂直面５５６から成長され、それらの間を相互接続する場合がある。
【００５７】
図５Ｂに示すように、ブラッグミラー５６８、５７０は、共振器５５８の両端に配置される。光は、共振器５５８から方向５７２へ向けて放射される。
【００５８】
光電子デバイス５００は、水平ナノワイヤ５６２と、第１の垂直面５５４及び第２の垂直面５５６に一体化されたブラッグミラーとによって形成されるレーザ共振器、並びに、垂直ナノワイヤ５６０と、第１の水平面５４２及び第２の水平面５５２に一体化されたブラッグミラーとによって形成されるレーザ共振器を、電流又は電気パルスでポンピングする電気ポンプをさらに含む。たとえば、基板５４０は、第１の水平面５４２の領域において高濃度にｎ型にドープされ、第２の半導体層５５０は、第２の水平面５５２の領域において高濃度にｐ型にドープされ、第１の半導体層領域５６４は、第１の垂直面５５４の領域において高濃度にｐ型にドープされ、第１の半導体層領域５６６は、第２の垂直面５５６の領域において高濃度にｎ型にドープされる場合がある。図示のように、電源５７０は、コンタクトパッド５７２、５７４を介して第１の半導体層領域５６４、５６６に接続され、もう一つの電源５７６は、コンタクトパッド５７８、５８０を介して基板５４０、及び第２の半導体層５５０に電気的に接続される。光を放射するときは、電源５７０、５７６により、順方向バイアスが印加される。
【００５９】
基板５４０、第１の半導体層５４６、及び第２の半導体層５５０は、種々の半導体材料を使用して形成することができる。たとえば、基板５４０、第１の半導体層５４６、及び第２の半導体層５５０はそれぞれ、シリコンのような同じ半導体材料から構成される場合がある。たとえば、基板５４０はシリコンウェハであってもよい。他の実施形態として、第１の半導体層５４６、及び第２の半導体層５５０は、本明細書に記載するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料のうちの少なくとも１つのような、異なる半導体材料を含む場合がある。
【００６０】
光電子デバイス５００の垂直ナノワイヤ５６０、及び水平ナノワイヤ５６２は、少なくとも１つの半導体材料からなる。光検出器（すなわち、光検出）動作の場合、垂直ナノワイヤ５６０、及び水平ナノワイヤ５６２は、Ｓｉ、Ｇｅ又はＳｉ−Ｇｅ合金、及び化合物半導体材料のような任意の適当な元素半導体材料又は化合物半導体材料を含む場合がある。ナノワイヤの核を形成するために、触媒材料としてＡｕ又はＴｉを用いて、シラン（ＳｉＨ４）及びＨＣｌの混合物、又はジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を用いるＣＶＤシステムにおいて、シリコンナノワイヤを成長させることができる。参照によりその全体が本明細書に援用される、T. I. Kamins、X. Li及びR. Stanley Williams著「Growth and Structure of Chemically Vapor Deposited Ge Nanowires on Substrates」（Nano Letters, Vol. 4, No. 3, pp. 503-06 (2004)）に記載されているように、約３２０℃〜３８０℃の成長温度において、Ａｕを触媒として、ＧｅＨ４及びＨ２のガス混合物を用いてシリコン基板上にエピタキシャル成長させることによって、Ｇｅナノワイヤを形成することができる。
【００６１】
レーザ（すなわち、光放射）動作の場合、垂直ナノワイヤ５６０、及び水平ナノワイヤ５６２は、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ等から選択される少なくとも１つの二元合金のような少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ族材料；ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰＡｓ等のようなより高次の少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ族合金；ＺｎＯ、ＩｎＯ又はこれらの化合物半導体材料若しくは他の化合物半導体材料の組み合わせのような、１つ又は複数の化合物半導体材料を含む場合がある。垂直ナノワイヤ５６０、及び水平ナノワイヤ５６２は、上記のように、量子ドット又は多重量子井戸を含むヘテロ接合を含む場合がある。
【００６２】
光電子デバイス５００の種々の実施形態において、ナノワイヤの数、空間配置、及び直径といった垂直ナノワイヤ５６０、及び水平ナノワイヤ５６２の特徴は、放射される水平偏光、及び垂直偏光された光の特性を制御するために、選択的に変更されることがある。一実施形態として、各垂直ナノワイヤ５６０、及び水平ナノワイヤ５６２は、同じ波長の光を放射する場合がある。他の実施形態として、垂直ナノワイヤ５６０は、水平ナノワイヤ５６２とは異なる波長の光を放射する場合がある。
【００６３】
例示的な実施形態として、光電子デバイス５００は、基板５４０上に第１の絶縁体層５４４を形成し、第１の絶縁体層５４４の上に第１の半導体層５４６を形成し、第１の半導体層５４６の上に第２の絶縁体層５４８を形成することにより製造される。次に、第２の絶縁体層５４８をパターニングし、第２の絶縁体層５４８、第１の半導体層５４６、及び第１の絶縁体層５４４から材料を除去することにより、基板５４０の第１の水平面５４２を露出させ、第１の垂直面５５４、及び第２の垂直面５５６を形成することができる。この処理の結果、第１の垂直面５５４と第２の垂直面５５６は、互いに平行になることが好ましい。次に、第２の絶縁体層５４８、第１の半導体層５４６、及び第１の絶縁体層５４４に形成された開口部は、たとえば、誘電体材料で充填される。第２の絶縁体層５４８、及び誘電体材料の上に、第２の半導体層５５０が形成される。誘電体材料をエッチングにより除去し、共振器５５８が形成される。
【００６４】
次に、共振器５５８の中に、垂直ナノワイヤ５６０、及び水平ナノワイヤ５６２を成長させる。ナノワイヤは、第１の水平面５４２、第２の水平面５５２、第１の垂直面５５４、及び第２の垂直面５５６のうちの選択された表面に形成することができる。結晶情報を有する表面にＡｕナノ粒子のようなナノ粒子があるときはいつでも、ナノワイヤを形成することができる。表面へのナノワイヤの形成は、窒化シリコン又は二酸化シリコンのような誘電体材料の薄膜をその表面に被着させることにより、防ぐことができる。コロイド系の中にＡｕナノ粒子のようなナノ粒子を懸濁させる液体塗布技法を使用して、第１の水平面５４２、第２の水平面５５２、第１の垂直面５５４、及び第２の垂直面５５６のそれぞれに、ナノ粒子を被着させることができる。光電子デバイス５００の選択された表面（複数の場合もあり）にナノ粒子を被着させた後、ＭＯＣＶＤのような適当な技法を使用して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ナノワイヤのようなナノワイヤを成長させる。共振器５５８内において、垂直ナノワイヤ、及び水平ナノワイヤは、図１に示すように一方の表面（その上にナノ粒子が被着される）から対向する表面まで連続的に成長させてもよく、及び／又は、図２に示すように対向する表面の両方（その上にナノ粒子が被着される）からナノワイヤを連続的に成長させ、相互接続ナノワイヤを形成してもよい。
【００６５】
次に、水平共振器５５８の両端に、ブラッグミラー５６８、５７０を形成することができる。
【００６６】
光電子デバイス５００がレーザモードで動作するとき、垂直ナノワイヤ５６０と水平ナノワイヤ５６２は、選択的に電気的に励起され、垂直偏光された光、及び水平偏光された光をそれぞれ放射する。一実施形態において、垂直ナノワイヤ５６０と水平ナノワイヤ５６２は、所望のレベルの光を放射するように同時に電気的に励起される場合がある。他の実施形態では、水平ナノワイヤ５６２が、利得媒質透明度を得るために十分なだけの低いバイアスレベルで駆動されている間、垂直ナノワイヤ５６０を電気的に励起させ、光を放射することができ、また、その逆も成り立つ。上記のように、たとえば、水平ナノワイヤ５６２によって放射される水平偏光された光の光子は、「０」のような１つの情報ビットを符号化することができ、垂直ナノワイヤ５６０によって放射される垂直偏光された光の光子は、「１」を符号化することができる。このデバイスは、情報帯域幅を２倍にするために、さらにオン／オフ符号化を提供する場合がある。一実施形態では、適当な電気回路を使用して多少の利得を得ながら、垂直ナノワイヤ５６０と水平ナノワイヤ５６２のいずれかに選択的にバイアスをかけることにより、偏光を瞬時に切り替えることができる。
【００６７】
光電子デバイス５００を光検出器として動作させる場合、垂直ナノワイヤ５６０と水平ナノワイヤ５６２は、異なる量の光を吸収することになる。そのような実施形態の場合、ナノワイヤは通常ドープされず、当該デバイスは逆方向バイアスモードで駆動される。第１の水平面５４２又は第２の水平面５５２から１又は複数の垂直ナノワイヤ５６０を成長させ、第１の垂直面５５４又は第２の垂直面５５６から１又は複数の水平ナノワイヤ５６２を成長させることにより、第１の水平面５４２と第２の水平面５５２との間に、及び第１の垂直面５５４と第２の垂直面５５６との間に、ナノワイヤを途切れることなく延在させることができる。あるいは、第１の水平面５４２と第２の水平面５５２の一方から１又は複数の垂直ナノワイヤ５６０を成長させ、第１の垂直面５５４と第２の垂直面５５６の一方から１又は複数の水平ナノワイヤ５６２を成長させることにより、第１の水平面５４２と第２の水平面５５２の間を相互接続し、第１の垂直面５５４と第２の垂直面５５６の間を相互接続してもよい。他の実施形態として、当該デバイスは、１又は複数の相互接続されたナノワイヤ、及び１又は複数の連続的に延在するナノワイヤを含む場合がある。光検出器にブラッグミラーは含まれず、光は、レーザ構成の場合と同じ経路を進むが、反対方向へ進行する。したがって、光電子デバイス５００は、偏光検知光検出器として機能することができる。この光電子デバイスは、たとえば、偏光分割多重化リンクにおいて安全な通信を行うために使用される場合がある。
【００６８】
当業者には分かるように、本発明は、発明の思想又は不可欠な特徴から逸脱することなく他の具体的形態で実施することも可能である。従って、ここで開示した実施形態は、あらゆる意味で例示とみなすべきものであり、制限とみなすべきものではない。本発明の範囲は、上記の説明によって示されるのではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、その意味及び範囲、並びに均等に含まれる変更を全て本発明の範囲に含めることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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