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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind auf elektromagnetische Strahlung emittierende Vorrichtungen und insbesondere auf plasmonverstärkte, elektromagnetische Strahlung emittierende Vorrichtungen gerichtet, die in Photonenvorrichtungen implementiert sein können.
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In den vergangenen Jahren hat die steigende Dichte mikroelektronischer Vorrichtungen an integrierten Schaltungen zu einem technologischen Engpass bei der Dichte metallischer Signalleitungen geführt, die verwendet werden können, um diese Vorrichtungen zu verbinden. Zusätzlich ergibt die Verwendung metallischer Signalleitungen eine erhebliche Erhöhung eines Leistungsverbrauchs sowie Schwierigkeiten bei einem Synchronisieren der längsten Verbindungen, die auf den meisten Schaltungen positioniert sind. Anstatt Informationen als elektrische Signale über Signalleitungen zu übertragen, können die gleichen Informationen in elektromagnetischer Strahlung („ER”, electromagnetic radiation) codiert und über Wellenleiter, wie beispielsweise Optikfasern, Stegwellenleiter und Photonenkristallwellenleiter, übertragen werden. Das Übertragen von Informationen, die in ER codiert sind, über Wellenleiter weist eine Anzahl von Vorteilen gegenüber dem Übertragen elektrischer Signale über Signalleitungen auf. Erstens ist eine Verschlechterung oder ein Verlust für ER, die über Wellenleiter übertragen wird, viel geringer als für elektrische Signale, die über Signalleitungen übertragen werden. Zweitens können Wellenleiter gefertigt sein, um eine viel höhere Bandbreite als Signalleitungen zu unterstützen. Beispielsweise kann ein einziger Cu- oder Al-Draht lediglich ein einziges elektrisches Signal übertragen, während eine einzige Optikfaser konfiguriert sein kann, um etwa 100 oder mehr unterschiedlich codierte ER zu übertragen.
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In jüngerer Zeit haben es Fortschritte bei Werkstoffwissenschaft und Halbleiterfertigungstechniken ermöglicht, Photonenvorrichtungen zu entwickeln, die mit elektronischen Vorrichtungen integriert sein können, wie beispielsweise CMOS-Schaltungen, um integrierte Photonenschaltungen („PICs”, photonic integrated circuits) zu bilden. Der Begriff „Photonen-” bezieht sich auf Vorrichtungen, die entweder mit einer klassisch gekennzeichneten elektromagnetischen Strahlung oder einer quantisierten elektromagnetischen Strahlung mit Frequenzen, die das elektromagnetische Spektrum überspannen, wirksam sein können. PICs sind das Photonenäquivalent von elektronischen integrierten Schaltungen und können an einem Wafer aus Halbleitermaterial implementiert sein. Um PICs wirksam zu implementieren, werden passive und aktive Photonenkomponenten benötigt. Wellenleiter und Dämpfer sind Beispiele von passiven Photonenkomponenten, die typischerweise unter Verwendung herkömmlicher Epitaxie- und Lithographieverfahren gefertigt werden können und verwendet werden können, um die Ausbreitung von ER zwischen mikroelektronischen Vorrichtungen zu lenken. Physiker und Ingenieure haben einen Bedarf nach aktiven Photonenkomponenten erkannt, wie beispielsweise ER emittierenden Vorrichtungen und Modulatoren, die in PICs und anderen Photonenvorrichtungen implementiert sein können.
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Beispiele für elektromagnetische Strahlung emittierende Vorrichtungen sind z. B. in der
DE 690 11 834 T2 , der
US 2002/0 285 128 A1 , der
WO 2006/093 749 A2 oder der
US 6 873 417 B2 angegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oberflächenplasmonverstärkte, elektromagnetische Strahlung emittierende Vorrichtung und ein Verfahren zum Fertigen dieser Vorrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind auf oberflächenplasmonverstärkte, elektromagnetische Strahlung emittierende Vorrichtungen und auf Verfahren zum Fertigen dieser Vorrichtungen gerichtet. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine elektromagnetische Strahlung emittierende Vorrichtung einen Mehrschichtkern, eine Metallvorrichtungsschicht und ein Substrat auf. Der Mehrschichtkern weist eine innere Schicht und eine äußere Schicht auf, wobei die äußere Schicht konfiguriert ist, um zumindest einen Abschnitt der inneren Schicht zu umgeben. Die Metallvorrichtungsschicht ist konfiguriert, um zumindest einen Abschnitt der äußeren Schicht zu umgeben. Das Substrat weist eine untere leitende Schicht in elektrischer Kommunikation mit der inneren Schicht und eine obere leitende Schicht in elektrischer Kommunikation mit der Metallvorrichtungsschicht auf, derart, dass der freiliegende Abschnitt oberflächenplasmonverstärkte elektromagnetische Strahlung emittiert, wenn eine geeignete Spannung zwischen die untere leitende Schicht und die obere leitende Schicht angelegt ist.
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1A zeigt eine isometrische Ansicht einer elektromagnetische Strahlung emittierenden Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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1B zeigt eine obere Ansicht der elektromagnetische Strahlung emittierenden Vorrichtung, die in 1A gezeigt ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht der elektromagnetische Strahlung emittierenden Vorrichtung entlang einer Linie 2-2, die in 1 gezeigt ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Mehrschichtkerns und einer Metallvorrichtungsschicht gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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4A–4I zeigen isometrische und Querschnittsansichten, die Schritten eines Verfahrens zum Fertigen der elektromagnetische Strahlung emittierenden Vorrichtung, die in 1–2 gezeigt ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung entsprechen.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind auf oberflächenplasmonverstärkte, elektromagnetische Strahlung emittierende („SPE-ERE”, surface-plasmon-enhanced electromagnetic-radiation-emitting) Vorrichtungen und auf Verfahren zum Fertigen der SPE-ERE-Vorrichtungen gerichtet. Eine SPE-ERE-Vorrichtung umfasst eine ER-Quelle, die modulierte ER mit größerer Geschwindigkeit und Effizienz als typische ER emittierende Quellen, wie beispielsweise lichtemittierende Dioden, erzeugen kann. SPE-ERE-Vorrichtungen können als Quellen modulierter ER bei einer Vielfalt unterschiedlicher PICs verwendet werden. Bei den verschiedenen Vorrichtungs- und Fertigungsausführungsbeispielen, die unten beschrieben sind, wurde eine Anzahl von strukturell ähnlichen Komponenten, die die gleichen Materialien aufweisen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und wird der Kürze halber eine Erläuterung der Struktur und Funktion derselben nicht wiederholt.
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1A zeigt eine isometrische Ansicht einer SPE-ERE-Vorrichtung 100 jeweils gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die SPE-ERE-Vorrichtung 100 weist eine Mehrschicht-ER-Quelle 102 auf, die durch ein geschichtetes Substrat 104 getragen ist und sich mit demselben in elektrischer Kommunikation befindet. Die ER-Quelle 102 umfasst einen Mehrschichtkern 106 und eine Metallvorrichtungsschicht 108, die konfiguriert ist, um zumindest einen Abschnitt des Mehrschichtkerns 106 zu umgeben. Der Mehrschichtkern 106 umfasst eine innere Schicht 110 und eine äußere Schicht 112, die zumindest einen Abschnitt der inneren Schicht 110 umgibt. Der Mehrschichtkern 106 kann auch eine Zwischenschicht 114 umfassen, die zwischen der inneren Schicht 110 und der äußeren Schicht 112 positioniert ist, und eine optionale äußere Schicht 116, die zumindest einen Abschnitt der Metallvorrichtungsschicht 108 umgibt. Das geschichtete Substrat 104 kann eine untere leitende Schicht 118, eine mittlere dielektrische Schicht 120 und eine obere leitende Schicht 122 umfassen. Die mittlere dielektrische Schicht 120 dient als eine Isolationsschicht zwischen der oberen leitenden Schicht 122 und der unteren leitenden Schicht 118. Die obere leitende Schicht 122 kann ein erweiterter Abschnitt der Metallvorrichtungsschicht 108 sein oder die obere leitende Schicht 122 kann aus einem Halbleiter oder Leiter gebildet sein, der sich in elektrischer Kommunikation mit der Metallvorrichtungsschicht 108 befindet. Die untere leitende Schicht 118 kann die Si-Schicht eines Silizium-auf-Isolator-Substrats sein, wobei sich die Si-Schicht in elektrischer Kommunikation mit der inneren Schicht 110 befindet, wie es unten mit Bezug auf 2 beschrieben ist.
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1B zeigt eine obere Ansicht der ER-Quelle 102 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Wie es in 1A–1B gezeigt ist, sind die Schichten 108, 110, 112 und 114 des Mehrschichtkerns 106 freiliegend, um elektromagnetische Strahlung zu emittieren, die innerhalb der ER-Quelle 102 erzeugt wird, wie es unten mit Bezug auf 3 beschrieben ist. Es ist zu beachten, dass die ER-Quelle 102, die in 1 gezeigt ist, nicht auf eine zylindrische Konfiguration beschränkt ist. Beispielsweise kann die ER-Quelle 102 eine elliptische, eine quadratische, eine rechteckige, eine hexagonale, eine unregelmäßige oder irgendeine andere geeignete Querschnittsform aufweisen.
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Die optionale äußere Schicht 116 kann aus einem Metall oder Halbleiter gebildet sein und sowohl die optionale äußere Schicht 116 als auch die mittlere Schicht 120 können aus SiO2, Si3N4 oder einem anderen geeigneten dielektrischen Material gebildet sein. Die Metallvorrichtungsschicht 108 kann aus Gold, Titan, Nickel, Chrom, Platin, Palladium, Aluminium oder einem anderen geeigneten Metallleiter oder einer Metalllegierung gebildet sein. Der Mehrschichtkern 106 und die untere leitende Schicht 118 können aus einem Indirekt-Bandlücke-Elementhalbleiter oder einem Direkt- oder Indirekt-Bandlücke-Verbindungshalbleiter gebildet sein. Elementhalbleiter umfassen Si und Ge. Verbindungshalbleiter sind typischerweise III-V-Materialien, wobei die römischen Zahlzeichen III und V Elemente in der dritten und der fünften Spalte des Periodensystems der Elemente darstellen. Verbindungshalbleiter können gemäß den Mengen an III- und V-Elementen klassifiziert sein, die den Halbleiter aufweisen. Beispielsweise umfassen binäre Halbleiterverbindungen GaAs, InP, InAs und GaP; ternäre Halbleiterverbindungen umfassen GaAsyP1-y, wobei y zwischen 0 und 1 liegt; und quaternäre Halbleiterverbindungen umfassen InxGa1_xAsyP1-y, wobei sowohl x als auch y zwischen 0 und 1 liegen.
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Eine Elementzusammensetzung eines Verbindungshalbleiters kann verändert werden, um elektromagnetische Strahlung mit einer speziellen Wellenlänge zu emittieren. Beispielsweise ist GaAs ein Direkt-Bandlücke-III-IV-Halbleiter, der elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen in dem infraroten Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums emittiert, während GaP ein Indirekt-Bandlücke-Halbleiter ist, der elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen in einem unterschiedlichen Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Quaternäre Halbleiter können verwendet werden, um elektromagnetische Strahlung über andere Abschnitte des elektromagnetischen Spektrums zu emittieren. Beispielsweise können die Elementmengen bei InAlGaP-Halbleitern verändert werden, um elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen in dem roten, dem gelben und dem orangefarbenen sichtbaren Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums zu emittieren, und die Elementmengen von AlGaInN-Halbleitern können verändert werden, um elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen in dem blauen und dem grünen sichtbaren Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums zu emittieren.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die innere Schicht 110 ein p-Typ-Halbleiter sein und kann die äußere Schicht 112 ein n-Typ-Halbleiter sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die innere Schicht 110 ein n-Typ-Halbleiter sein und kann die äußere Schicht 112 ein p-Typ-Halbleiter sein. Anders ausgedrückt bilden die innere Schicht 110 und die äußere Schicht 112 zwei Schichten einer pn-Diode. Die Begriffe „p-Typ-Halbleiter” beziehen sich auf intrinsische Halbleiter, die mit einer Elektronenakzeptorverunreinigung dotiert wurden, wie beispielsweise Bor in Silizium, um die Anzahl freier positiver Träger, genannt „Löcher”, zu erhöhen, und die Begriffe „n-Typ-Halbleiter” beziehen sich auf intrinsische Halbleiter, die mit einer Elektronendonatorenverunreinigung dotiert wurden, wie beispielsweise Arsen in Silizium, um die Anzahl freier Elektronen zu erhöhen. Löcher und Elektronen sind zwei Arten von Ladungsträgern. Die Zwischenschicht 114 kann eine Verarmungsregion sein, die den Übergang oder die Grenzfläche eines p-Typ-Halbleiters und eines n-Typ-Halbleiters bildet. Die Trägerkonzentrationsdifferenz zwischen der inneren Schicht 110 und der äußeren Schicht 112 erzeugt ein elektrisches Feld über die Verarmungsregion, wie es unten beschrieben ist. Träger diffundieren aus Regionen hoher Konzentration zu Regionen niedriger Konzentration. Insbesondere diffundieren Löcher, die von einem p-Typ-Halbleiter des Mehrschichtkerns 106 stammen, einen Teil des Weges in den n-Typ-Halbleiter des Mehrschichtkerns 106, der eine niedrigere Konzentration von Löchern als der p-Typ-Halbleiter aufweist. Auf ähnliche Weise diffundieren Elektronen aus dem n-Typ-Halbleiter des Mehrschichtkerns 106 einen Teil des Weges in den p-Typ-Halbleiter des Mehrschichtkerns 106, der eine höhere Konzentration von Elektronen als der p-Typ-Halbleiter aufweist. Wenn Ladungsträger diffundieren, lassen dieselben die ionisierten Dotiermittel zurück, die dieselben erzeugten. Diese Ladungsträgermigration endet, wenn das elektrische Feld, das zwischen den n-Typ- und p-Typ-Halbleiterschichten des Mehrschichtkerns 106 erzeugt ist, erzwingt, dass eine Anzahl von Ladungsträgern mit der gleichen Rate, mit der Ladungsträger diffundieren, zurückdriftet, was wiederum eine Verarmungsregion zurücklässt, die durch die Zwischenschicht 114 dargestellt ist. Die Dicke der Zwischenschicht 114 hängt von den Dotiermittelkonzentrationen in der inneren Schicht 110 und der äußeren Schicht 112 ab. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Zwischenschicht 114 aus einem intrinsischen Halbleiter gebildet sein, in welchem Fall die innere Schicht 110, die Zwischenschicht 114 und die äußere Schicht 112 die drei Schichten einer p-i-n-Diode bilden.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht der SPE-ERE-Vorrichtung 100 entlang einer Linie 2-2, die in 1 gezeigt ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Wie es in 2 gezeigt ist, ist die ER-Quelle 102 durch das Substrat 104 getragen. Die innere Oberfläche der Metallvorrichtungsschicht 108 befindet sich in Kontakt mit der äußeren Oberfläche der äußeren Schicht 112 und die Metallvorrichtungsschicht 108 erstreckt sich horizontal nach außen an dem unteren Ende, um die obere leitende Schicht 122 des Substrats 104 zu bilden. Die obere leitende Schicht 122 und die Metallvorrichtungsschicht 108 können aus einem einzigen Metallstück gebildet sein, wie es in 2 gezeigt ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung jedoch kann die obere leitende Schicht 122 aus einer getrennten Metallschicht oder Halbleiterschicht gebildet sein. Bei diesen Ausführungsbeispielen befinden sich die Metallvorrichtungsschicht 108 und die obere leitende Schicht 122 in elektrischer Kommunikation miteinander. Ein Abschnitt der inneren Schicht 110 durchläuft eine Öffnung 202 in der mittleren dielektrischen Schicht 120 und die untere Oberfläche der inneren Schicht 110 befindet sich in Kontakt mit der unteren leitenden Schicht 118, so dass die innere Schicht 110 sich in elektrischer Kommunikation mit der oberen leitenden Schicht 118 befinden kann. Wie es oben unter Bezugnahme auf 1 erwähnt ist, kann die untere leitende Schicht 118 die Si-Schicht eines Silizium-auf-Isolator-Substrats sein. Die mittlere dielektrische Schicht 120 liefert eine Schicht elektrischer Isolation zwischen der oberen leitenden Schicht 122 und der unteren leitenden Schicht 118. Die obere leitende Schicht 122 und die untere leitende Schicht 118 befinden sich in elektrischer Kommunikation mit einer Spannungsquelle 204.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht des Mehrschichtkerns 106 und der Metallvorrichtungsschicht 108 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Anstatt auf die Querschnittsansicht Bezug zu nehmen, die in 2 gezeigt ist, ist der Einfachheit halber bei der Beschreibung des Betriebs der SPE-ERE-Vorrichtung 100 die Spannungsquelle 204 direkt mit der inneren Schicht 110 und der Metallvorrichtungsschicht 108 verbunden. Unter der Annahme, dass die innere Schicht 110 ein p-Typ-Halbleiter ist und die äußere Schicht 112 ein n-Typ-Halbleiter ist, bewirken eine positive Spannung, die an die innere Schicht 110 angelegt ist, und eine negative Spannung, die an die äußere Schicht 112 angelegt ist, dass die Elektronen in der äußeren Schicht 112 zu der Zwischenschicht 114 hin fließen und die Löcher in der inneren Schicht 112 zu der Zwischenschicht 114 hin fließen. Folglich verschmälert sich die Breite der Zwischenschicht 114. Wenn der Pegel der angelegten Spannung groß genug ist, verbinden sich die Elektronen mit den Löchern in oder nahe der Zwischenschicht 114, wobei Energie in einem Prozess freigesetzt wird, der „Rekombination” genannt wird. Solange die Spannung angelegt ist, fließen Elektronen und Löcher weiterhin durch die Schichten 110 und 112 und erfahren in oder nahe der Zwischenschicht 114 eine Rekombination. Bei einem Mehrschichtkern 106, der aus einem indirekten Halbleiter gebildet ist, ist ein Abschnitt der freigesetzten Energie nichtstrahlend und wird der Rest als Photonen emittiert. Im Gegensatz dazu wird bei einem Mehrschichtkern 106, der aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, das meiste der Energie als Photonen freigesetzt. Dies ist der gleiche Prozess, durch den ER typischerweise von einer lichtemittierenden Diode emittiert wird.
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Anstelle eines Bildens von Photonen in dem Mehrschichtkern 106 kann sich ein Elektronen-Loch-Paar zu einem Oberflächenplasmon rekombinieren, das sich entlang einer Grenzfläche 302 zwischen der äußeren Schicht 112 und der Metallvorrichtungsschicht 108 ausbreitet. Plasmons sind Moden von ER, die quantisierten Zuständen von Elektronenplasmaoszillationen in einem Metall entsprechen. Ein Oberflächenplasmon ist ein Mode einer Elektronenanregung, die an der Oberfläche eines Metalls besteht, und weist sowohl Longitudinal- als auch Transversalkomponenten auf. Oberflächenplasmons können ein elektrisches Feld hoher Dichte und langsame Gruppengeschwindigkeiten aufweisen, was zu einer wesentlichen Erhöhung der Strahlungsrekombinationsrate eines Elektronen-Loch-Paars führt. Mit dem richtigen Entwurf wird ein Elektronen-Loch-Paar die meiste Zeit zu einem Oberflächenplasmonmode zerfallen, und nicht in ein Photon oder durch einen Nichtstrahlungskanal. Die Rekombinationsrate und die Strahlungseffizienz der Vorrichtung werden folglich erhöht. Nach dem Ausbreiten entlang des Drahtes wird das Oberflächenplasmon auf ein Erreichen der Kante des Drahtes hin selbst in Freiraumstrahlung zerfallen.
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3 umfasst eine schematische Darstellung von Abschnitten 304 und 306 eines Oberflächenplasmons, das sich nach oben entlang der Grenzfläche 302 des Mehrschichtkerns 106 und der Metallvorrichtungsschicht 108 ausbreitet. Oberflächenplasmons weisen sowohl transversale als auch longitudinale elektromagnetische Feldkomponenten auf. Die Magnetfeldkomponente ist parallel zu der Grenzfläche 302 und senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung und die elektrische Feldkomponente ist parallel zu der Richtung der Ausbreitung des Oberflächenplasmons und senkrecht zu der Grenzfläche 302. Eine Kurve 308 stellt das Ausmaß dar, bis zu dem sich die elektrische Feldkomponente in die Metallvorrichtungsschicht 108 erstreckt, und eine Kurve 310 stellt das Ausmaß dar, bis zu dem sich die elektrische Feldkomponente in den Mehrschichtkern 106 erstreckt. Die Kurven 308 und 310 zeigen, wie die elektrischen Feldkomponenten weg von der Grenzfläche 302 exponentiell zerfallen. Weil die Dielektrizitätskonstante, die der Metallvorrichtungsschicht 108 zugeordnet ist, größer ist als die Dielektrizitätskonstante, die dem Mehrschichtkern 106 zugeordnet ist, weist die elektrische Feldkomponente eine kürzere Eindringtiefe in die Metallvorrichtungsschicht 108 als in den Mehrschichtkern 106 auf.
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Ausführungsbeispiele der SPE-ERE-Vorrichtung 100 können ER effizienter erzeugen und ER schneller modulieren als typische Licht emittierende Dioden. Das Oberflächenplasmon beschleunigt den Elektronen/Loch-Rekombinationsprozess, der innerhalb des Mehrschichtkerns 106 stattfindet. Folglich kann die ER-Quelle 102 durch Variieren der Spannung, die an die ER-Quelle 102 angelegt ist, als ein Hochgeschwindigkeits-ER-Emissionsmodulator betrieben werden. Durch Variieren der Spannung, die an die ER-Quelle 102 angelegt ist, kann die ER-Ausgabe, anders ausgedrückt, derart moduliert werden, dass analoge oder digitale Informationen in der emittierten ER erscheinen, die auf einen Detektor gerichtet werden kann. Zusätzlich kann die ER-Quelle 102 mit einer viel höheren Rate als eine typische elektromagnetische Strahlung emittierende Diode, wie beispielsweise eine lichtemittierende Diode, moduliert werden. Zusätzlich kann die ER-Quelle 102 bei einem Emittieren von ER effizienter sein als eine typische ER-emittierende Diode, wie beispielsweise eine Licht emittierende Diode, da das Verhältnis von Strahlungs- zu Nichtstrahlungsrekombinationsrate wesentlich erhöht sein kann. Anders ausgedrückt kann durch ein Bilden von Oberflächenplasmons entlang der Grenzfläche 302 die ER-Quelle 102 ER mit höherer Intensität emittieren, die schneller als ER moduliert werden kann, die von einer typischen ER-emittierenden Diode erzeugt wird.
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4A–4I zeigen isometrische und Querschnittsansichten, die Schritten eines Verfahrens zum Fertigen der in 1 gezeigten SPE-ERE-Vorrichtung 100 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung entsprechen. Anfänglich, wie es in einer isometrischen Ansicht von 4A und einer Querschnittsansicht von 4B gezeigt ist, kann die mittlere dielektrische Schicht 120 an der unteren leitenden Schicht 118 unter Verwendung chemischer Dampfaufbringung („CVD”, chemical vapor deposition), physikalischer Dampfaufbringung, thermischer Oxidation oder Aufschleudern auf Glas gebildet werden.
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Als Nächstes, wie es in einer isometrischen Ansicht von 4C und in einer Querschnittsansicht von 4D gezeigt ist, kann eine Öffnung 202 in der mittleren dielektrischen Schicht 102 durch zuerst Definieren der Öffnung 202 beispielsweise unter Verwendung von Blockcopolymer-Lithographie, Nanoaufdrucklithographie oder Elektronenstrahllithographie, gefolgt von einem Entfernen des dielektrischen Materials von der Region, die die Öffnung 202 definiert, unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen, chemisch unterstütztem Ionenstrahlätzen oder Nassätzen gebildet werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Öffnung 202 durch fokussiertes Ionenstrahlfräsen gebildet werden. Die Öffnung 202 legt einen Abschnitt der oberen Oberfläche der unteren leitenden Schicht 118 frei.
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Als Nächstes, wie es in 4E gezeigt ist, kann unter Verwendung gut bekannter Verfahren, wie beispielsweise galvanischer Verlagerung, ein Keimpartikel 402 (Seed-Partikel) in der Öffnung 202 gebildet werden. Das Keimpartikel 402 kann Gold, Titan, Nickel, Chrom, Platin, Palladium, Aluminium oder ein anderer geeigneter Metallleiter oder eine Metalllegierung sein. Wie es in 4F gezeigt ist, kann als Nächstes unter Verwendung von CVD die innere Schicht 110 gemäß einem gut bekannten Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-Aufwachsmechanismus („VLS”-Aufwachsmechanismus; VLS = vapor-liquid-solid) oder Dampf-Feststoff-Feststoff-Aufwachsmechanismus („VSS”-Aufwachsmechanismus; VSS = vapor-solid-solid) die innere Schicht 110 aufgewachsen werden. Um beispielsweise eine innere Schicht 110 zu bilden, die aus InAs gebildet ist, kann CVD mit Dampfphasenreagenzien In(CH3)3 und AsH3 verwendet werden. Eine fortgesetzte Zufuhr der Dampfphasenreagenzien In(CH3)3 und AsH3 führt zu einer Übersättigung, was schließlich ein Präzipitieren von überschüssigem Flüssigphase-InAs unterhalb des Keimpartikels 402 bewirkt. Das überschüssige InAs-Material präzipitiert von dem übersättigten Keimpartikel 402 auf das Substrat, wobei das Keimpartikel 402 weg von dem Substrat geschoben wird und die Materialsäule gebildet wird, bei der es sich um die innere Schicht 110 handelt. Die Länge der inneren Schicht 110 kann durch ein Variieren der Länge einer Aussetzungszeit gegenüber den Dampfphasenreagenzien gesteuert werden. Während die innere Schicht 110 wächst, kann ein p-Typ- oder ein n-Typ-Dotiermittel zu der CVD-Reaktionskammer hinzugefügt werden, p-Typ-Halbleiterinnenschicht 110 oder eine n-Typ-Halbleiterinnenschicht 110 gebildet wird. Alternativ kann die innere Schicht 110 unter Verwendung von Implantation oder Dotiermitteldiffusion oder Implantation gefolgt von Ausheilen nach der Bildung mit einem p-Typ- oder einem n-Typ-Dotiermittel dotiert werden.
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Wie es in 4G gezeigt ist, kann als Nächstes die äußere Schicht 112, die die äußere Oberfläche der inneren Schicht 110 umgibt, unter Verwendung von CVD gebildet werden. Die äußere Schicht 112 kann während der Bildung durch Einbringen eines p-Typ- oder eines n-Typ-Dotiermittels in die Reaktionskammer dotiert werden, während sich die äußere Schicht 112 bildet. Alternativ kann ein Dotiermittel zu der bereits gebildeten äußeren Schicht 112 unter Verwendung von Dotiermitteldiffusion oder Implantation gefolgt von Ausheilen hinzugefügt werden. Die Zwischenschicht 114 kann infolge einer Verarmung gebildet werden, wie es oben beschrieben ist, oder die Zwischenschicht 114 kann vor dem Bilden der äußeren Schicht 112 durch ein Aufbringen einer intrinsischen Halbleiterschicht 114 (nicht gezeigt) über der inneren Schicht 110 unter Verwendung von CVD gebildet werden, gefolgt von dem Bilden der äußeren Schicht 112.
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Wie es in 4H gezeigt ist, wird als Nächstes eine Metallschicht 404 über im Wesentlichen der gesamten freiliegenden Oberfläche unter Verwendung von CVD oder MBD aufgebracht. Wie es in 4I gezeigt ist, kann eine optionale Schicht 406 über der Metallschicht 404 aufgebracht werden. Die optionale Schicht 406 kann aus einem Metall, Halbleiter oder dielektrischem Material gebildet sein und kann unter Verwendung von CVD, physikalischer Dampfaufbringung, wie beispielsweise Sputtern, Elektronenstrahlverdampfung, MBD oder Aufschleudern auf Glas aufgebracht werden. Es können Planarisierungstechniken verwendet werden, um einen Abschnitt der Metallvorrichtungsschicht 108 freizulegen und Abschnitte der inneren Schicht 110 und der äußeren Schicht 112 freizulegen, um die SPE-ERE-Vorrichtung 100 zu erhalten, die in 1–2 gezeigt ist.
