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Dokumentenidentifikation DE60020270T2 12.01.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001264202
Titel VORRICHTUNGEN ZUR STIMULIERTEN EMISSION AUS SILIZIUM-NANOPARTIKELN
Anmelder The Board of Trustees for the University of Illinois, Urbana, Ill., US
Erfinder NAYFEH, H., Munir, Urbana, US;
AKCAKIR, Osman, Urbana, US;
BARRY, Nicholas, Urbana, US
Vertreter Fiener, J., Pat.-Anw., 87719 Mindelheim
DE-Aktenzeichen 60020270
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 20.10.2000
EP-Aktenzeichen 009918772
WO-Anmeldetag 20.10.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/US00/41421
WO-Veröffentlichungsnummer 0001031374
WO-Veröffentlichungsdatum 03.05.2001
EP-Offenlegungsdatum 11.12.2002
EP date of grant 18.05.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse G02B 6/10(2000.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse H04B 14/04(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H01S 3/06(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H01S 5/34(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optoelektronik. Insbesondere betrifft die Erfindung Vorrichtungen, die sich zur stimulierten Emission auf elementares Silizium stützen. Gemäß der Erfindung wird eine wirksame optische Emission aus elementarem Silizium als Reaktion auf elektrische oder optische Anregung erhalten. Keine derartige von elementarem Silizium ausgehende Fähigkeit ist vorher aufgezeigt worden, und sie wird in der Erfindung durch eine neue Materialklasse erzeugt, auf die hierin als Siliziumnanopartikel Bezug genommen wird.

STAND DER TECHNIK

Eine große Gruppe optoelektronischer Vorrichtungen benötigt stimulierte Emissionen von Licht. Stimulierte Emissionen sind verstärkte und gesteuerte Lichtemissionen. Ein Trend geht dahin, optoelektronische Signalgabe anstelle der Signalgabe zu verwenden, die sich auf die Leitung von Elektrizität stützt. Eine derartige optoelektronische Signalgabe hängt von den Vorrichtungen ab, die stimulierte Emission erzeugen, wie z. B. Laser und optische Verstärker. Im Allgemeinen ist die optoelektronische Signalgabe wegen ihrer Geschwindigkeit und Unempfindlichkeit vielen Arten von Überlagerung überlegen, welche die elektrische Signalgabe beeinflussen. Es wird erwartet, dass beispielsweise bei der Perfektion von Rechnern, die optische Signale anstelle elektrischer Signale verwenden, ein signifikanter Sprung verwirklicht werden wird.

Viele gängige Kommunikationssysteme bauen bereits auf optische Signale, die durch optische Fasern übertragen werden. Solche Systeme bedürfen der Erzeugung stimulierter Emission, die moduliert werden kann, um Informationen zu übertragen. Die Systeme können sich ferner auf die Verstärkung optischer Signale stützen, auch als Pumpen bekannt, um der Abschwächung von ferngeleiteten Signalen Rechnung zu tragen. Computer und Kommunikationssysteme sind nur zwei Beispiele für Vorrichtungen, die vom Gebrauch optischer Signalgabe profitieren können. Allgemein kann jede elektronische Vorrichtung, die elektrische Signalgabe verwendet, stattdessen vom Gebrauch optischer Signalgabe profitieren.

Es gibt auch Vorrichtungsklassen, die einzigartig für optische Emission sind. Laserlicht hat viele Anwendungsformen, die von chirurgischen Geräten über Fertigungswerkzeuge bis hin zu Prüfvorrichtungen reichen. Wie die Signalgabevorrichtungen bedürfen diese verschiedenartigen Vorrichtungen einer Quelle stimulierter Emissionen.

III-V Halbleiter waren bisher die Primärquelle zum Erhalt stimulierter Emission aus einer kompakten, halbleiterskalierten Vorrichtung. Stoffe der Gruppe III-V sind als direkte Halbleiter bekannt. Direkte Halbleiter sind Bauelemente, in denen der Wirkungsgrad immerhin 30% beträgt. Die III-V Halbleiter können demgemäß mit der Erzeugung signifikanter stimulierter Emissionen auf elektrische Anregung antworten. Eine III-V Schicht bildet typischerweise den Kernbestandteil von Halbleiterbauelementen, die einer stimulierten Emission bedürfen.

Die Herstellung der III-V Halbleiter ist relativ schwierig und teuer. Bei der Herstellung sind allgemein Reaktanden und Nebenprodukte involviert, die gefährlich sind. Oft sind separate Schritte und Reaktionskammern erforderlich, um die Stoffe der Gruppe III-V herzustellen, was zum Aufwand der Verfahren beiträgt, mit denen die Stoffe erzeugt werden. Wegen der Gitterungleichheit integrieren sich Stoffe der Gruppe III-V nicht gut in Siliziumvorrichtungen. Folglich wird die Integrierung von Optik und Siliziumelektronik bei III-V Halbleitern allgemein nicht für möglich gehalten.

Elementares Silizium, die weit verbreitete Basis für elektronische Vorrichtungen, ist offensichtlich zur Integrierung in bestehende elektronische Strukturen geeignet. Elementsilizium ist jedoch ein indirekter Halbleiter und liefert daher keine Basis für stimulierte Emission. Aufgrund der Tatsache, dass es ein indirekter Lückenstoff ist, besitzt es einen extrem schlechten Emissionswirkungsgrad. Bei indirekten Lückenstoffen erfordert die Emission von Licht die gleichzeitige Freisetzung eines Photons und Mitwirkung von Kristallschwingungen in Form von Phononenemission. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass Durchschnittsfachleute auf die Stoffe der Gruppe III-V geschaut haben, um stimulierte Emission in elektronischen Vorrichtungen bereitzustellen. Die Erzeugung von Emissionen von Silizium hätte Vorteile von seiner Häufigkeit als Quelle her gesehen und seiner relativ benignen Natur, verglichen mit den Bestandteilen und Nebenprodukten von Verfahren, die zur Bildung der Stoffe der Gruppe III-V verwendet werden, und ganz wichtig, seinem Potential zur optoelektronischen Integrierung.

In jüngster Zeit haben einige Durchschnittsfachleute poröses Silizium dazu gebracht, Licht zu erzeugen. Dies wurde zuerst 1990 von Canham entdeckt. Trotz reichlichen Experimentierens und einer Fülle von Schriften, die zu dem Thema veröffentlicht wurden, sind jedoch keine stimulierten Emissionen von porösem Silizium aufgezeigt worden. Ferner ist poröses Silizium gewöhnlich nur zu 1–5% wirksam. Dies ist z. T. auf die Tatsache zurückzuführen, dass der elementare Siliziumunterbau nicht klein genug ist und es typischerweise von Verunreinigungen und elektronischen Störstellen heimgesucht wird, die sehr stark mit dem Strahlungsprozess konkurrieren.

Ein Artikel mit dem Titel "Excitation of size selected nanocrystallites in porous silicon" von Yamani et al, Appl. Phys. Lett. Vol. 72, S. 2558 (1998) offenbart, dass Siliziumpartikel mit einer Größe unter einer kritischen Größe von 1,4 nm für Resonanzanregung zugänglich werden.

Ferner offenbart ein Artikel mit dem Titel "Tailoring the optical properties of Si nanocrystals in SiO2:materials issues and nanocrystal laser perspectives" von Brongersma et al in Material and Devices for Silicon-based Optoelectronics, Symposium, Materials and Devices for Silicon-based Optoelectronics, Symposium, Boston, Ma, USA, 1.–3. Dezember 1997, S. 213–218, XP001106204, 1998, Warrendale, PA, USA, Mater. Res. Soc., USA ISBN: 1-55899-391-6, Si-Nanokristalle, die einen Durchmesser von 2–5 nm aufweisen und ein breites Photolumineszenzspektrum zeigen. Der Artikel behandelt, dass Verstärkung durch stimulierte Emission durch Verwenden von Siliziumnanokristallen mit einem Durchmesser kleiner als ungefähr 1,5 nm mit gleichmäßiger Größenverteilung erreicht werden kann.

Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bis jetzt unbekannte Quelle zur stimulierten Emission in elektronischen Vorrichtungen bereitzustellen, elementare Siliziumnanopartikel.

Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Vorrichtungen, die stimulierte Emission von elementaren Siliziumnanopartikeln erzeugen.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung, wie in den Ansprüchen 1 und 2 definiert, stützt sich auf einen zuvor unbekannten Stoff als Emissionsquelle oder Verstärkungsmedium, Siliziumnanopartikel. Diese Nanopartikel mit Abmessungen in der Größenordnung von einem Nanometer und nicht über ungefähr zwei Nanometer zeigen Qualitäten, die heterogenem oder atomarem Silizium unähnlich sind. Die Siliziumnanopartikel können als zufällige geometrische Strukturen ausgeformt sein. Die Siliziumnanopartikel können auch in Fluid suspendiert, in Feststoffe eingebunden, als Kristalle ausgeformt und als Qualitätsdünnfilme der Vorrichtung ausgeformt sein. Die Nanopartikel bilden somit die Basis für eine große Gruppe neuartiger Vorrichtungen.

Die vorliegende Erfindung stellt daher elementares Silizium in Form von Siliziumnanopartikeln bereit, die zu einer stimulierten Emission als Basis für Vorrichtungen imstande sind, welche die Erzeugung stimulierter Emissionen oder ein Verstärkungsmedium erfordern. Die Siliziumpartikel der Erfindung erzeugen stimulierte Emissionen als Basis für stimulierte Emissionen in elektronischen Vorrichtungen. Aus Nanopartikeln gebildete Kristalle erzeugen gerichtete Emissionen, was andeutet, dass die Nanopartikel eine Eignung zum Lasern besitzen. Durchschnittsfachleute werden die weitreichende Verwendbarkeit der Erfindung als Basis für viele Vorrichtungen, bei denen stimulierte Emission eingesetzt wird, ohne Weiteres anerkennen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden mit Bezug auf die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen deutlich werden, von denen:

1A und 1B Vorrichtungen zur mikrokristallitstimulierten Emission gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;

2 eine Laservorrichtung mit flüssigem Siliziumnanopartikelkolloid gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

3 eine Laservorrichtung mit festem Siliziumnanopartikelkolloid gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

4 eine Laser/Transistor-Dualvorrichtung zeigt, in der ein Mikrokristallit aus Nanopartikeln, das stimulierte Emission erzeugt, in den Gatebereich eines Si-Feldeffekttransistors (MOSFET) eingebettet ist;

5 eine Blaulicht-Verstärkervorrichtung zeigt, in der ein Medium aus Nanopartikeln, das stimulierte Emission erzeugt, durch eine Laserquelle gepumpt wird; und

6 ein Verfahren zum Formen von Siliziumnanopartikeln darstellt.

BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur stimulierten Emission, die sich zur stimulierten Emission auf elementare Siliziumnanopartikel stützen. Halbleiter-Laser, optische Pumpen und optische Quellen sind beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtungen, aber Durchschnittsfachleute werden verstehen, dass auch andere Vorrichtungen durch die mit elementarem Silizium stimulierte Emission der Erfindung aktiviert werden. Erfindungsgemäße Vorrichtungen schließen Siliziumnanopartikel in Verbindung mit einer Anregungsquelle ein, die elektrisch oder optisch sein kann. Die erfindungsgemäßen Siliziumnanopartikel erzeugen stimulierte Emission.

Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wo es mehrere Arten von beispielhaften Vorrichtungen zur stimulierten Emission gibt, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Siliziumnanopartikels als Verstärkungsmedium gebaut werden können. Die Art der Vorrichtung hängt dabei von der Art und Weise ab, wie die Verstärkungsmedien (Siliziumnanopartikel) eingeteilt sind, nämlich in Kristallit-, flüssige oder feste Form. Verschiedene Arten von Lasern werden nachstehend erörtert.

Siliziummikrokristallit-Laser. In 1A und 1B sind auf einer Qualitätssiliziumschicht der Vorrichtung durch leichtes Ausdampfen aus einem flüchtigen Acetonkolloid Kolloidmikrokristallite 10 der Siliziumnanopartikel ausgeformt. Die Mikrokristalle werden beispielsweise an einem Anregungsfleck 12 durch femtosekundengepulste oder kontinuierliche Wellenstrahlung mit 780 nm gepumpt. Es wurde blaue Laserwirkung in einem Kolloidkristallit-Mikrohohlraum beobachtet, wobei die Seiten des Kristallits als Reflektoren wirkten. 1A stellt einen Fall dar, wo der Anregungsfleck 12 weit weg von der gegenüberliegenden Fläche ist oder die Kristallflächen unzureichend parallel sind. Ein Strahl 14 schwindet, bevor er die gegenüberliegende Seite erreicht. In 1B mit nahen parallelen Flächen tritt ein hinlänglicher Parallelstrahl 14 an einem Austrittsstrahlungsfleck 16 aus. Die Vorrichtung kann optisch oder elektrisch stimuliert werden.

Silizium-Flüssigkolloid-Laser. Das Partikelverstärkungsmedium ist ein flüssiges Kolloid 18 der Siliziumnanopartikel, wie aus 2 ersichtlich. Dies ist analog zum hinlänglich bekannten Konzept von Farbstofflasern. Bei der flüssigen Form erbringt die Anreicherung der Partikel möglicherweise kein hoch verstärkendes Medium. In diesem Fall stellt ein aus einem langen Kanal 20 mit kleinem Durchmesser bestehender Hohlraum "kapillar" einen langen Durchgang des Verstärkungsmediums bereit, um die geringe Partikeldichte auszugleichen. Reflektoren 22 sorgen für Rückführungs-, Fokus- und Direktemission von den Enden des engen Kanals. Die Vorrichtung wird durch einen Pumpstrahl 24 optisch stimuliert.

Silizium-Festkolloid-Laser. Das Partikelverstärkungsmedium ist ein verfestigtes Kolloid 26. Die Vorrichtungsstruktur und Arbeitsweise ist ansonsten dieselbe wie in 2. Das Siliziumkolloid kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das ungeordnete Fluid verfestigt werden. Die Partikel brauchen nur Millisekunden zum Bilden langer "Perlen"-Ketten. Wenige Sekunden später aggregieren die Ketten zu Säulen. Zum Erreichen der Verfestigung wird eine Feldstärke von 1 kV/cm benötigt. Eine derartige Verfestigung erhöht die lineare Dichte, reduziert folglich die einzelne Durchgangslänge und erlaubt einen kompakteren Hohlraum als die Vorrichtung nach 2.

Laser/Transistor-Vorrichtung. Dies ist eine duale Vorrichtung, wo ein Mikrokristallit von Siliziumnanopartikeln 28 in den Gatebereich 30 eines Si-Feldeffekttransistors (MOSFET) 32 eingebettet ist, wie in 4 gezeigt. Der Mikrokristallit kann photo- oder elektrostimuliert sein, um blaue Laserstrahlen innerhalb des Körpers des Transistors zu erzeugen. Zugleich wirkt er als Einzelelektronikvorrichtung, d. h. ein einzelner Elektronenfluss sollte den Betrieb des Transistors bewirken. Die Vorrichtung kann optisch sowie elektrisch stimuliert werden.

Blaulichtverstärker. In dieser Anwendungsform, wie in 5 gezeigt, wird das erfindungsgemäße Siliziumnanopartikelmaterial als Verstärkungsmedium 34 zur Verstärkung eines von außen eingespeisten schwachen Blaulichtsignals 36 verwendet. Das eingespeiste Licht 36 kann ein durch eine der obigen Lasergestaltungen generierter oder durch jede andere Art von Lasersystem oder Lichtquelle erzeugter Laserstrahl sein. Der Verstärker 38 ist prinzipiell durch ein Siliziumnanopartikelkolloid wie in einer der 2 oder 3 verwirklicht. Es sind jedoch keine Reflektoren darin eingebaut, so dass er Laserstrahlen nicht eigenständig erzeugen kann. Stattdessen durchquert das zu verstärkende Signal 36 das stimulierte Verstärkungsmedium 34, wobei es durch stimulierte Emission zusätzliche Intensität aufnimmt, und tritt als verstärkter Strahl 40 aus. Die Vorrichtung wird durch einen Pumpstrahl 42 optisch stimuliert, der wie der eingespeiste Strahl 36 durch eine Linse 44 gerichtet werden kann.

Es gibt mehrere potentielle Pumpschemata für die Vorrichtungen gemäß 15. Beispiele dafür sind:

  • (i) gepulste Einzelphotonen-UV-Anregung
  • (ii) gepulste Zweiphotonen-Infrarotanregung
  • (iii) kontinuierliche Wellen-(CW-)Anregung
  • (iv) Elektroneninjektion oder elektrische Anregung.

Das Emissionsgrundprinzip der Erfindung bildet einen Baustein, aus dem unzählige komplexere Vorrichtungen gebaut werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dazu geeignet, jede als stimulierte Emissionsquelle im Blaubereich verwendete Vorrichtung zu ersetzen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat jedoch ferner aus mehreren Gründen noch eine breitere Verwendbarkeit.

Zunächst ist das Siliziumnanopartikel-Verstärkungsmedium der Erfindung eine wesentlich effizientere Quelle stimulierter Emission als herkömmliche Quellen der Gruppe III-V. Während die III-V Quellen stimulierte Emissionen mit einem Wirkungsgrad von ungefähr 30% erzeugen, werden von den erfindungsgemäßen Vorrichtungen stimulierte Emissionen mit einem Wirkungsgrad nahe 60% erwartet.

Das erfindungsgemäße Verstärkungsmedium bietet ferner das Potential zur Integrierung in der Industrie für Siliziumelektronikvorrichtungen. Es besteht großer Bedarf für einen Multifunktionschip, in dem mehr als eine Funktion auf demselben elektronischen Chip durchgeführt wird, wie z. B. Radarübertragung/-empfang oder Infraroterfassung gekoppelt mit digitaler Verarbeitung oder digitale Hochgeschwindigkeitsverarbeitung mit elektrooptischem Senden/Empfangen zur Zusammenschaltung. Diese unterschiedlichen Funktionen erfordern unterschiedliche Halbleitermaterialien, die oft eine signifikante Gitterungleichheit untereinander und mit dem gemeinsamen Substrat aufweisen. Die Züchtung optisch aktiver Stoffe wie III-V auf Siliziumschichten, dem Rückgrat der Elektronik, ist aufgrund der Gitterungleichheit zumindest mit herkömmlichen Mitteln nicht möglich. Daher wird die Integration von Vorrichtungen aus III-V- oder anderen Direktlückenmaterialien auf einer Siliziumscheibe nicht allgemein für machbar gehalten.

Obwohl heterogenes Silizium ein schlechtes optisches Material ist, haben die Vorherrschaft und stetig geringer werdenden Kosten von Si in der Elektronikindustrie Gruppen auf der ganzen Welt motiviert, an der Herstellung neuartiger Strukturen auf Siliziumbasis zu arbeiten, die Licht wirksam emittieren könnten. Die erfindungsgemäßen Siliziumnanopartikel bieten das Potential integrierter Optoelektronik auf Siliziumbasis, d. h. eine Vereinigung optischer und elektronischer Schaltungen, zur Herstellung neuer Generationen von schnelleren Schaltern mit niedrigerer Leistung und anderer Komponenten für Telekommunikation und Computer.

Elektronische Rechner verwenden Elektronen in elektrischen Stromkreisen, aber das Konzept optischer Rechner basiert auf der Verwendung von Licht anstelle von Elektronen. Obwohl elektronische Rechner in Geschwindigkeit und Speicher mit einer Exponentialrate weiter fortschreiten, indem sie ihre Taktrate alle paar Jahre oder so verdoppeln, sind in allen elektronischen Vorrichtungen Eigenbeschränkungen vorhanden. Erstens können Elektronen sich nicht durch einander hindurch bewegen, noch können dies elektrische Ströme, und sie müssen immer durch Leitungen irgendwelcher Art gerichtet werden. Dies bedeutet z. B., dass dreidimensionale Zusammenschaltungen und dreidimensionale Rechner immer schwierig zu implementieren gewesen sind, und es gäbe einfach zu viele Verzweigungsleitungen und Schalter. Und doch haben dreidimensionale Strukturen innewohnende Vorteile in der Verarbeitungsdichte, und eine 1 cm kubische Anordnung von 1 pm-Transistoren könnte theoretisch eine Billion Transistoren oder das Äquivalent davon enthalten. Außerdem erzeugen Elektronen bei ihrer Bewegung durch Leiter und Halbleiter zwangsläufig Wärme. Diese Wärme muss abgeleitet werden und setzt der Dichte und Geschwindigkeit von Chips und Multiprozessorrechnern potentielle Grenzen. Ferner operieren elektronische Vorrichtungen mit Geschwindigkeiten weit weniger als die Geschwindigkeit von Licht. Ein typischer Taktschritt dauert heute wenige Nanosekunden, aber die Zeit, die Licht braucht, um von einem Ende eines Chip zum anderen zu kommen, ist hundertmal kürzer.

Licht kann sich auch durch freien Raum fortbewegen, ohne dass es Leitungen oder Fasern bedarf, und Photonen können sich ohne Veränderung durch einander hindurch fortbewegen. Des Weiteren sind Energieverluste von freien Raum durchquerendem Licht vernachlässigbar, was Vorrichtungen mit hohem energetischem Wirkungsgrad erlaubt. Und obgleich elektrooptische Schalter optische Rechner verlangsamen können, können manche optischen Berechnungen, wieder unter Verwendung der Überlagerungswirkungen, buchstäblich mit Lichtgeschwindigkeit durchgeführt werden. So können optische Rechner entworfen werden, die von Hause aus dreidimensional und hochparallel sind.

Optisches Rechnen weist jedoch weitere schwerwiegende Hindernisse auf. Es ist schwierig, optische Elemente zu fertigen, die sehr klein sind, so dass die meisten Versuchssysteme die Größe von Tischgeräten, nicht die Größe von Chips haben. In Anbetracht der Stärken und Schwächen von optischem Rechnen liegt die ursprüngliche Hauptverwendung des erfindungsgemäßen Siliziumnanopartikel-Verstärkungsmediums in Rechnervorrichtungen nicht im Ersetzen von elektronischen Allzweckrechnern, sondern in engeren Nischen, in denen die optischen Vorteile am größten sind. Und obgleich optisches Rechnen in manchen Fällen das tun kann, was elektronisches Rechnen tut, aber besser und schneller, sind die wirklich einzigartigen, rein optischen Fähigkeiten für Rechenanwendungen erst jetzt dabei, entwickelt zu werden.

Die augenscheinlichste Anwendung für optische Rechentechnologie ist die Zusammenschaltung herkömmlicher elektronischer Computerchips oder -platinen. Optische Zusammenschaltungen können potentiell die Vernetzung immens erhöhen und die Kommunikationszeiten für Maschinen mit multiplen Prozessoren reduzieren. Zum Beispiel liegt ein Potential in den Verbindungen von Platine zu Platine in Parallelgroßprozessoren. In derartigen Zusammenschaltungen werden intelligente Bildpunktanordnungen durch elektronische Steuerbefehle von dem Parallelprozessor gesteuert, setzen jedoch optisches Schalten im freien Raum ein, um die Zusammenschaltung zu tätigen. Viele der frühen Versionen derartiger Zusammenschaltungen verwendeten ein einfaches System mit fünf Elementen. Eine Rechteckanordnung von Lichtquellen wie LEDs oder Laser wird durch eine einzelne Linse auf eine intelligente Bildpunktanordnung fokussiert, die mit dem Ausgangswert einer Platine moduliert wird. Eine zweite Linse bildet den Ausgangswert der ersten Anordnung auf einer Detektoranordnung ab, die an der zweiten Platine angebracht ist. Dies ist das optische Äquivalent festverdrahteter Verbindungen.

Siliziumpartikellaser könnten nicht nur als Lichtemissionsvorrichtungen um ihrer selbst willen Bedeutung erlangen, sondern auch für die optische Zusammenschaltung. Da die Vorrichtungen kleiner und schneller werden, wird die Schaltgeschwindigkeit am Ende durch die Geschwindigkeit der Signale über die Verbindungsdrähte begrenzt sein. Man hofft, dass Lichtwellen die Leitungen ersetzen können, um die Prozesse zu beschleunigen. Demzufolge besteht die Hoffnung, dass von den Nanokristallen emittiertes Licht die Leitungsdrähte in der herkömmlichen Siliziumelektronik ersetzen kann. Diese neu entdeckte Eigenschaft von Silizium kann zur Vereinigung optischer und elektronischer Schaltungen führen, die zwischen Berechnung und Nachweis neue Generationen schnellerer Schalter und Schalter mit niedrigerer Leistung sowie andere Komponenten für Telekommunikation und Computer hervorbringen.

Die hierin erörterten beispielhaften Vorrichtungen zur stimulierten Emission verwenden optische Anregungsquellen. Von der elektrischen Anregung werden ähnliche Ergebnisse erwartet. Wenn ein Elektron mit ausreichender Energie ein Siliziumnanopartikel trifft, kann ein Elektron-Loch-Paar angeregt werden. Ist die Anregung erst einmal zustande gebracht, ist der übrige Teil des Verfahrens, nämlich Fixieren und Strahlungsrekombination, derselbe wie bei der lichtelektrischen Anregung und führt zu dem, was Elektrolumineszenz genannt wird. Eine andere potentielle Anregungsquelle ist ein Elektronenstrahl aus einem optischen Nahfeldmikroskop.

Die Erfindung schließt ein Verfahren zur Umwandlung heterogener Siliziumkristalle in einzelne Siliziumnanopartikel ein. Die Siliziumnanopartikel können ferner zu Kristallen, Feststoffen, Filmen etc. kombiniert oder rekonstituiert werden. Das Verfahren zur Schaffung des erfindungsgemäßen Nanopartikels ist eine elektrochemische Behandlung, die das langsam fortschreitende Verbringen von heterogenem Silizium, z. B. einem Wafer, mit einer geringen Geschwindigkeit in Anwesenheit eines externen Stroms in ein chemisches Ätzbad bei gleichzeitig stattfindendem Ätzvorgang einbezieht. Ein Meniskus bildet sich als ganz dünne Scheibe des Siliziums an der Grenzfläche von Ätzmittellösung und Luft aus. Das langsame Einbringen des Siliziums erzeugt einen ausgedehnten Abschnitt, der meniskusähnlich ist. Tatsächlich wird beim langsam fortschreitenden Einbringen des Siliziummaterials in das Ätzmittelbad bei gleichzeitigem Anlegen von elektrischem Strom ein Wandermeniskus erzeugt. Das Verfahren reichert den ultrakleinen Unterbau des Materials an. Ferner macht es die Oberhaut des Siliziummaterials extrem fragil. Die ultrakleinen Strukturen, bei denen es sich um Siliziumnanopartikel handelt, können dann aus dem Material separiert und wiedergewonnen werden.

Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens ist in 6 dargestellt. Die bevorzugte Ausführung verwendet einen Silizium-Einkristallwafer 100, eine Platinkathode 120 in Form einer dünnen Platte oder eines Drahtes, HF-Säure, H2O2-Flüssigkeit und andere Chemikalien, die Methanol oder Wasser für ein Ätzmittelbad 140 einschließen könnten. Die bevorzugten Siliziumscheiben sind (100)- oder (111)-orientiertes bordotiertes P-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 1–10 &OHgr;/cm.

Der Wafer 100 und die Kathode 120 sind an eine Konstantstromquelle 160 angeschlossen, die durch eine Energiequelle 180 gespeist ist. Die Kathode 120 ist vertikal oder horizontal in dem Ätzmittel versenkt. Die Siliziumscheibe 100 wird langsam fortschreitend eingebracht. Zum Beispiel hat sich herausgestellt, dass eine Geschwindigkeit von ungefähr 1 mm pro Stunde gute Ergebnisse erzeugt. Während die Siliziumscheibe 100 langsam fortschreitend mit Abstand von der Kathode 120 in der Lösung versenkt wird, bildet sich an der Stelle, wo die Siliziumscheibe 100 in die Grenzfläche einer Oberfläche 200 des Ätzmittelbads 140 eintaucht, ein Meniskus. Während des Einbringens des Wafers wird der Strom aufrechterhalten. Zum Beispiel hat sich herausgestellt, dass 15 mA gute Ergebnisse hervorbringen. Ein Magnetrührer 220 stellt sicher, dass die Chemikalien des Ätzmittels gleichmäßig vermischt bleiben. Der Meniskus wandert aufgrund des langsam fortschreitenden Eintauchens die Siliziumscheibe 100 entlang und ätzt, um Siliziumnanopartikelstrukturen auf der Oberhaut des Siliziummaterials zu erzeugen. Durch Verwenden von H2O2 (als Katalysator) und eines signifikanten Stroms wird eine hohe Ätzrate verwirklicht, die Filme mit verbundener Unterstruktur von ziemlich verringerter Größe nahe am Größenlimit produziert. Ferner schafft die seitliche Anodisierung eine hohe Stromkonzentration in der Oberhaut der Siliziumscheibe 100, wodurch die hohe Ätzrate zu den ultrakleinen Nanopartikelstrukturen führt, besonders am Meniskus (Grenzfläche Luft – Flüssigkeit). Das langsame und gleichmäßige Einbringen des Versuchsstücks in das Ätzmittel ergibt eine große, meniskusähnliche Fläche des Versuchsstücks, was folglich die ultrakleine Nano-Unterstruktur anreichert.

Durch Trennen der Siliziumscheibe 100 von dem Ätzmittelbad 140 und Separieren der Siliziumnanopartikel von der Oberfläche der Siliziumscheibe 100 werden dann Nanopartikel erhalten. In dem bevorzugten Verfahren wird die Siliziumscheibe 100 zuerst aus dem Ätzmittelbad 140 entfernt und mit Methanol gespült. Bei der großtechnischen Produktion von Nanopartikeln kann es vorzuziehen sein, das Ätzmittelbad als Vorgehensweise zum Trennen von Ätzmittelbad 140 und Siliziumscheibe 100 zu entleeren oder zu verschieben. Die Siliziumscheibe 100 wird dann vorzugsweise für eine kurze Zeitspanne in ein Ultraschall-Aceton-(-Ethanol-, -Methanol- oder jedes andere Lösungsmittel-)Bad getaucht. Unter der Ultraschallbehandlung zerfällt die alleroberste Schicht des Siliziumfilms auf dem Wafer 100, ein schwach untereinander verbundenes lumineszentes Nanostrukturnetz, in ultrakleine Siliziumnanopartikel und hinterlässt als untere Schicht einen tiefroten lumineszenten Siliziumnanopartikelstoff. Dieses Kolloid wird sich absetzen gelassen. In wenigen Stunden präzipitieren größere gelblich-orangefarbene lumineszente Partikel und hinterlassen ein bläuliches lumineszentes Kolloid. Größere Rest-Cluster mit ganz geringer Häufigkeit (1 Teilchen von eintausend) können in dem Kolloid übrig bleiben. Diese können durch Filtern des Kolloids unter Verwendung eines handelsüblichen 200-nm-Filters separiert werden, was eine äußerst gleichmäßige Größenverteilung ergibt. Das Kolloid ist stabil, was die Tatsache zeigt, dass es die charakteristische Emission über Wochen behält, was anzeigt, dass die Siliziumnanopartikel klein genug sind, um in der Schwebe zu bleiben. Allgemein ist jedes Verfahren geeignet, das die Siliziumnanopartikel von der geätzten Anode trennt, aber das Lösungsmittel mit durch Ultraschallwellen gelieferter Brechkraft wird bevorzugt. Schütteln, Kratzen oder Schlagen sind beispielhafte, nicht erschöpfende alternative Verfahrenstechniken, die verwendet werden können, um die Partikel abzubrechen. Ultraschall scheint jedoch am besten zu funktionieren.

Was von der Siliziumscheibe 100 übrig bleibt, kann abhängig von ihrer Dicke zwei- bis dreimal oder noch mehr wiederverwendet werden (Verwendung als Quelle zum Erzeugen weiterer Nanopartikel). Dies ermäßigt die Kosten des Rohstoffs.

Die Siliziumnanopartikel der Erfindung weisen gute elektronische, chemische und strukturelle Qualitäten auf. Die bevorzugte Verwendung von H2O2 als Teil der Ätzmittellösung zur Herstellung der Siliziumnanopartikel stellt eine Wasserstoffbeschichtung von hoher Qualität bereit (Termination oder Passivierung), die beherrscht wird durch einen idealen Streckschwingungsfreiheitsgrad, ohne dass Di- oder Trihydride als nichtstrahlende Elektronenfallen wirken. Die Beschichtung hoher Güte schützt die Siliziumpartikel rundum vor unkontrollierbaren Nachreaktionen niedriger Güte in der umgebenden Atmosphäre, die nichtstrahlende Fangstellen erzeugen würden. Darüber hinaus hinterlässt das bevorzugte Ätzmittel keinen Sauerstoff auf den Partikeln. Nach Abschluss des elektrochemischen Ätzverfahrens kann die Wasserstoffbeschichtung jedoch durch nachträgliches Eintauchen in H2O2 durch eine Oxidbeschichtung hoher Güte ersetzt werden. Dies ist der Tatsache zu verdanken, dass die qualitativ hochwertige Natur der Wasserstofftermination die Substitution von Wasserstoff mit einer ultradünnen Oxidtermination von hoher Qualität ermöglicht. Dies ist ein selbstlimitierender Prozess, der 4A dicke Oxidschichten mit einer Haftstellendichte von weniger als 1/1014 auf heterogenem Si hervorbringt. Die Oxidbeschichtung stellt zusätzlichen Schutz und Härtung gegen Laserschädigung bereit. Die optischen Eigenschaften der Siliziumnanopartikel sind durch eine solche Oxidtermination (Passivierung) hoher Güte nicht gefährdet. Was die chemische Qualität betrifft, ist H2O2 ein Oxidans, das nahezu jede Art Verunreinigung (organisches Material, Metalle, Alkalien und Metallhydroxide) von Siliziumflächen durch oxidative Auflösung und Komplexbildung beseitigt.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Modifikationen und Anwendungsformen werden für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein. Demgemäß soll der Schutzbereich der Erfindung durch die folgenden Ansprüche bestimmt sein.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur stimulierten Emission, eine stimulierte Emissionsquelle umfassend, die eine Anregungsquelle aufweist, welche Siliziumnanopartikel (10) aufweist mit Abmessungen in der Größenordnung von einem Nanometer und nicht über ungefähr zwei Nanometer; und ein Teilchen pro tausend, oder weniger, größere Partikel aufweist; wobei die genannten Siliziumnanopartikel (10) in Verbindung mit der Anregungsquelle stehen und stimulierte Emission erzeugen.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die genannten Siliziumnanopartikel als ein Film ausgeformt sind.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die genannten Siliziumnanopartikel als Kristalle ausgeformt sind.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die genannten Siliziumnanopartikel als verfestigtes Kolloid ausgeformt sind.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die genannten Siliziumnanopartikel als flüssiges Kolloid ausgeformt sind.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Verstärkungsmedium der genannten Siliziumnanopartikel (10); wobei die genannte Anregungsquelle eine Quelle, wie beispielsweise Strahl (24), ist, welche das Verstärkungsmedium anregt; und Mittel zur Injektion von Licht in das genannte Medium, um stimulierte Emission vom genannten Verstärkungsmedium zu erhalten.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das genannte Verstärkungsmedium ein Siliziumnanopartikelkristallit umfasst, und die Richtmittel sich gegenüberstehende parallele Flächen aus dem genannten Siliziumnanopartikelkristallit umfassen.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das genannte Verstärkungsmedium ein festes Siliziumnanopartikelkolloid umfasst und wobei die Richtmittel Spiegel umfassen.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das genannte Verstärkungsmedium ein flüssiges Siliziumnanopartikelkolloid umfasst und wobei die Richtmittel Spiegel umfassen.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das genannte Verstärkungsmedium ein Siliziumnanopartikelkristallit umfasst, und die Anregungsquelle einen FET Transistor umfasst, welcher das Siliziumnanopartikelkristallit in einem Gatebereich des FET Transistors deponiert aufweist.
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein optischer Verstärker ist, gekennzeichnet durch ein Verstärkungsmedium aus den genannten Siliziumnanopartikeln (10); wobei die genannte stimulierte Emissionsquelle eine Anregungsquelle (24) für das genannte Verstärkungsmedium ist; und Mittel zum Richten eines Eingangsstrahles in das Verstärkungsmedium.
  12. Material zum Erzeugen von stimulierter Emission, elementare Siliziumnanopartikel umfassend, wobei die genannten Siliziumnanopartikel (10) Abmessungen in der Größenordnung von einem Nanometer und nicht über ungefähr zwei Nanometer aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilchen pro tausend, oder weniger, der genannten Siliziumnanopartikel größere Partikel sind.
  13. Anwendung des Materials gemäß Anspruch 12 in einer stimulierten Emissionsvorrichtung als eine stimulierte Emissionsquelle.
  14. Anwendung des Materials gemäß Anspruch 12 in einem optischen Verstärker als Verstärkungsmedium.
  15. Anwendung des Materials gemäß Anspruch 12 in einem FET Transistor als Verstärkungsmedium.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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