專利名稱：等離子體激元增強(qiáng)的發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方式涉及光電子器件，且具體地涉及經(jīng)由表面等離子體激元偏振 (surface ρlasmon polariton)增強(qiáng)的發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
微電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)由對(duì)小型、高性能、低功耗的微電子器件的不斷增加的需求所驅(qū) 動(dòng)。例如，微電子器件制造商可以制造具有大約50nm的尺寸的微處理器晶體管。然而，跨 越這些微處理器傳輸數(shù)字信息，且一般地，在位于相同電路板上的計(jì)算裝置和存儲(chǔ)裝置之 間傳輸數(shù)字信息時(shí)，存在相對(duì)大的延時(shí)。盡管銅和鋁線互連按慣例已經(jīng)被用于攜帶數(shù)字信 息，但增加電子互連的數(shù)目來(lái)滿足指數(shù)型增長(zhǎng)的納米尺度的電子器件的數(shù)目所需要的連接 數(shù)目已經(jīng)不能勝任。不像性能隨著尺度增加而改善的晶體管，由電子互連的數(shù)目的相應(yīng)增 加所引起的延時(shí)已經(jīng)增加，且已經(jīng)成為數(shù)字電路的速度的實(shí)質(zhì)瓶頸。已經(jīng)建議將使用光纖和聚合物波導(dǎo)的光學(xué)互連作為電子互連的替代物。例如，單 纖維光纜可以攜帶被編碼在光的信道或不同波長(zhǎng)中的萬(wàn)億比特每秒的數(shù)字信息，具有比使 用電纜傳輸相同信息高出約1000倍的能力。術(shù)語(yǔ)“光”不限于具有位于電磁譜的可見(jiàn)部分 中的波長(zhǎng)的電磁輻射，而且還被用來(lái)指代具有在可見(jiàn)部分之外例如紅外部分和紫外部分的 波長(zhǎng)的電磁輻射，且可以被用來(lái)指代經(jīng)典電磁輻射和量子電磁輻射兩者。半導(dǎo)體激光器和 發(fā)光二極管(“LED”)是兩種常用的用于光通信的光源。然而，這些源的構(gòu)造和操作從根本 上不同，且在性能和成本方面的差異會(huì)是確定使用哪一種源的重要因素。一般地，半導(dǎo)體激 光器和LED使用半導(dǎo)體材料，但主要差異在于操作的方式和控制其操作的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。以下 是LED和半導(dǎo)體激光器之間的結(jié)構(gòu)相似性和操作相似性以及結(jié)構(gòu)差異和操作差異的一般 且簡(jiǎn)要的描述。LED是半導(dǎo)體p-i-n結(jié)二極管，當(dāng)被正向電偏置時(shí)，其發(fā)射非相干窄譜光。這一效 應(yīng)是一種形式的電致發(fā)光。圖1示出LED 100的示意圖和橫截面圖。LED100包括被夾在ρ 型半導(dǎo)體區(qū)104和η型半導(dǎo)體區(qū)106之間的本征區(qū)或無(wú)摻雜區(qū)102。電極108和電極110 分別被連接到區(qū)104和區(qū)106。區(qū)104和區(qū)106可以是較寬的(直接的或間接的)電子帶 隙半導(dǎo)體，而區(qū)102可以是較窄的直接帶隙半導(dǎo)體，從而形成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)p-i-n結(jié)。ρ型區(qū) 104被摻雜有雜質(zhì)或電子受主原子，該雜質(zhì)或電子受主原子具有比它們?cè)诎雽?dǎo)體化合物中 所置換的原子更少的電子，這在P型區(qū)104的價(jià)帶(valence band)中產(chǎn)生空穴或空的電子 能態(tài)。另一方面，η型區(qū)106被摻雜有向半導(dǎo)體貢獻(xiàn)電子的雜質(zhì)或電子施主原子，這在η型 區(qū)106的導(dǎo)帶的電子能態(tài)中留下了額外的電子。作為ρ型半導(dǎo)體區(qū)104和η型半導(dǎo)體區(qū) 106之間的化學(xué)勢(shì)的差異的結(jié)果，在區(qū)102中形成耗盡區(qū)。這種內(nèi)建勢(shì)差是阻礙ρ型區(qū)104 和η型區(qū)106之間的電子流和空穴流的平衡條件。在電流可以流過(guò)二極管之前，必須克服 這種勢(shì)差。圖2Α-圖2Β示出區(qū)102、區(qū)104和區(qū)106的電子能帶圖。在圖2Α-圖2Β中，諸如 區(qū)202的重陰影區(qū)表示大部分已填充的電子能狀態(tài)，且諸如區(qū)204輕陰影區(qū)表示被稱為“空
4穴”的大部分空的電子能狀態(tài)，空穴的作用就像正電荷載流子那樣。電子和空穴被稱為“電 荷載流子”。電子施主雜質(zhì)在導(dǎo)帶附近產(chǎn)生電子態(tài)，而電子受主在價(jià)帶附近產(chǎn)生電子態(tài)。因 而，如圖2A中所示出，與ρ摻雜區(qū)104相關(guān)聯(lián)的價(jià)帶和導(dǎo)帶比與η摻雜區(qū)106相關(guān)聯(lián)的價(jià) 帶和導(dǎo)帶具有更高的電子能。取決于與區(qū)102、區(qū)104和區(qū)106相關(guān)聯(lián)的帶隙能的大小，一 些電子可以被熱激發(fā)到由區(qū)206和區(qū)208指示的大部分空的導(dǎo)帶中。在零偏置時(shí)，區(qū)102 在導(dǎo)帶中具有相對(duì)低濃度的電子且在價(jià)帶中具有相同數(shù)量的空穴。圖2Α還揭示了與區(qū)102 相關(guān)聯(lián)的陡峭的導(dǎo)帶和價(jià)帶，這阻止了空穴和電子分別從鄰近的P摻雜區(qū)104和η摻雜區(qū) 106遷移。然而，當(dāng)正向偏置被施加于LED 100時(shí)，電子被注入到η摻雜區(qū)106且空穴被注 入到P摻雜區(qū)104。因而，電子能帶圖相應(yīng)地改變，如圖2Β所示出。與區(qū)102關(guān)聯(lián)的陡峭的 勢(shì)變得平坦。電子從η型區(qū)106注入到區(qū)102的導(dǎo)帶，而空穴從ρ型區(qū)104注入到區(qū)102 的價(jià)帶。注意，電子和空穴的數(shù)量保持一致。區(qū)104和區(qū)106的相對(duì)較高的電子帶隙能用 來(lái)將所注入的載流子限制在本征區(qū)102。在被稱為“電子-空穴復(fù)合”或“復(fù)合”的輻射過(guò) 程中，來(lái)自導(dǎo)帶210底部的電子與在價(jià)帶212的頂部的空穴自發(fā)地復(fù)合，發(fā)射具有以下能量 的光子E = hv ^ Eg其中h是普朗克常數(shù)(Plank's constant)，且ν是所發(fā)射的光的頻率。只要沿正 向偏置方向施加合適的電壓，粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)(population inversion)就被維持，電子和空穴 流過(guò)二極管并在結(jié)102處自發(fā)地復(fù)合，且從LED 100向幾乎所有方向發(fā)射具有頻率ν的光。另一方面，半導(dǎo)體激光器包括增益介質(zhì)、泵和可以通過(guò)將增益介質(zhì)置于激光腔內(nèi) 而產(chǎn)生的反饋。圖3示出半導(dǎo)體二極管激光器300的示意圖和橫截面圖。激光器300的增 益介質(zhì)包含具有被夾在P型區(qū)304和η型區(qū)306之間的一個(gè)或多個(gè)量子阱302的本征區(qū)， 如以上參考LED 100所描述。激光器300還包含由全反射鏡308和部分反射鏡310形成的 腔。鏡308和鏡310提供產(chǎn)生相干光束所需要的反饋。在被稱為“粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)”的過(guò)程中， 泵浦(Pumping)增益介質(zhì)引起載流子被注入到導(dǎo)帶且空穴被注入到價(jià)帶。然而，不像LED， 具有頻率ν的光的自發(fā)發(fā)射被鏡308和鏡310反射回增益介質(zhì)中。由自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的光激 勵(lì)更多具有頻率ν的光的發(fā)射，且所激勵(lì)的發(fā)射激勵(lì)甚至更多具有頻率ν的光的發(fā)射。光不 被吸收，并通過(guò)以基本上相同的方向、波長(zhǎng)和相位在鏡308和鏡310之間來(lái)回彈跳而繼續(xù)堆 積，且相長(zhǎng)干涉以產(chǎn)生具有頻率ν的經(jīng)放大的相干光束，該相干光束從基本上平行于結(jié)302 的部分反射鏡310泄露出去?？梢杂镁哂胁煌凵渎实膶觼?lái)構(gòu)造半導(dǎo)體激光器，以產(chǎn)生垂 直于結(jié)發(fā)射光的布拉格反射器，例如垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。一般地，LED經(jīng)由自發(fā)的電子_空穴復(fù)合來(lái)發(fā)射光。相反，半導(dǎo)體激光器主要經(jīng)由 經(jīng)激勵(lì)的電子-空穴復(fù)合來(lái)發(fā)射光，這通過(guò)使得光已經(jīng)穿過(guò)增益介質(zhì)傳播來(lái)完成。結(jié)果，因 為電子_空穴復(fù)合率被所激勵(lì)的發(fā)射增強(qiáng)了，可以以比典型LED高得多的速度來(lái)調(diào)制激光 器，而在LED中，自發(fā)的電子-空穴復(fù)合是慢得多的過(guò)程。另一方面，用光子預(yù)先占據(jù)激光 腔具有按照激光器閾值衡量的能量成本。LED不具有閾值，且可以在較低的輸入功率和較簡(jiǎn) 單的驅(qū)動(dòng)電路下操作。然而，用于光電子裝置的半導(dǎo)體激光器的較高成本是限制其廣泛使用的因素。例 如，在許多高速光學(xué)通信系統(tǒng)中，成本最高的原件是激光器。VCSEL是可以用于小于約300m 的光學(xué)通信鏈路的激光器的示例。盡管VCSEL是可靠的和有效的且可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)lOGb/s的調(diào)制速率，但在計(jì)算裝置和通信裝置中實(shí)現(xiàn)VCSEL的成本會(huì)成為阻礙。LED可以提供激光器的可靠、廉價(jià)的替代物，這是因?yàn)榈湫偷腖ED成本比高速 VCSEL低約1000倍。然而，當(dāng)比較LED與激光器的性能時(shí)，LED具有許多嚴(yán)重限制，這些限 制包括小于800Mb/s的調(diào)制速度、約30nm的半最大值全寬的寬的譜線寬度、低的效率以及 朗伯福身寸圖(lambertian radiation pattern)。


圖1示出發(fā)光二極管的示意圖和橫截面圖。圖2A-圖2B示出半導(dǎo)體二極管的結(jié)的電子能帶圖。圖3示出半導(dǎo)體二極管激光器的示意圖和橫截面圖。圖4示出直接半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶的曲線。圖5示出無(wú)應(yīng)變的直接半導(dǎo)體的價(jià)帶結(jié)構(gòu)的曲線。圖6示出夾在兩個(gè)較厚半導(dǎo)體層之間的量子阱的立體圖。圖7示出與量子阱相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)子價(jià)帶和子導(dǎo)帶的曲線。圖8示出在無(wú)應(yīng)變的條件下和拉伸應(yīng)變的條件下直接半導(dǎo)體的電子能級(jí)如何改 變。圖9示出拉伸應(yīng)變的量子阱的價(jià)帶結(jié)構(gòu)。圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式構(gòu)造的第一發(fā)光二極管的示意圖和橫截面圖。圖11示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式被連接到電壓源的在圖10中示出的發(fā)光二極管 的立體圖。圖12示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式操作的圖10中示出的發(fā)光二極管的橫截面圖。圖13示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式構(gòu)造的第二發(fā)光二極管的立體圖。圖14A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式構(gòu)造的第三發(fā)光二極管的示意圖和橫截面圖。圖14B示出與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的在圖14A中示出的發(fā)光二極管相關(guān)聯(lián)的光 致發(fā)光譜的曲線。圖15示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式構(gòu)造的第四發(fā)光二極管的示意圖和橫截面圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的各種實(shí)施方式涉及表面等離子體激元偏振(“SPP”)增強(qiáng)的LED。該LED 包含作為光源的至少一個(gè)拉伸應(yīng)變的量子阱(“QW”)。QW的自發(fā)發(fā)射(“SE”)率不是QW 本征性質(zhì)，而是取決于QW的電磁環(huán)境。本發(fā)明的LED實(shí)施方式通過(guò)將QW定位為與被設(shè)置 在LED的表面上的金屬結(jié)構(gòu)靠得很近來(lái)利用這一現(xiàn)象。金屬-LED界面用擴(kuò)展到QW的電 子-等離子體振蕩來(lái)支持SPP的形成。這些電子-等離子體振蕩經(jīng)由珀塞爾效應(yīng)(Purcell effect)增加了 QW內(nèi)的電子-空穴對(duì)復(fù)合率(也就是，SE率)。使用被設(shè)置為離開(kāi)金屬-LED 界面約20-30nm的拉伸應(yīng)變的QW，某些SPP增強(qiáng)的LED實(shí)施方式發(fā)射接近800nm的波長(zhǎng)范 圍的光。這些SPP增強(qiáng)的LED能夠以約lOGb/s或更快的調(diào)制速度發(fā)射光，同時(shí)維持高于約 20%的輻射效率，這比得上VCSEL和其他半導(dǎo)體激光器的調(diào)制速度和效率。不像典型的SPP 增強(qiáng)的LED，由本發(fā)明的LED實(shí)施方式產(chǎn)生的SPP具有更長(zhǎng)的壽命，可以沿著金屬-LED界面 傳播超過(guò)若干個(gè)波長(zhǎng)的距離，且可以被再輻射到自由空間中。
為了幫助讀者理解QW和拉伸應(yīng)變的QW，在第一小節(jié)中提供QW和拉伸應(yīng)變的QW的 概述。在第二小節(jié)中描述本發(fā)明的各種系統(tǒng)實(shí)施方式。量子阱和拉伸應(yīng)變的量子眺 在整個(gè)半導(dǎo)體晶體上移位半導(dǎo)體原子的外部電子，且對(duì)應(yīng)于外部電子的波函數(shù)可 以被寫成 其中uk (r)表示晶格的周期性，k是波矢量，k是波數(shù)(k2 = k · k)，且r是半導(dǎo)體 中的坐標(biāo)矢量。相應(yīng)的電子能E是k的函數(shù)，且這些能值落在容許能帶內(nèi)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只 描述最高滿帶即價(jià)帶和其次較高的帶即導(dǎo)帶。在拋物線的帶逼近中，價(jià)帶和導(dǎo)帶可以由拋 物線逼近。圖4示出直接半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶的曲線。在圖4中，水平軸402表示波數(shù)k，垂 直軸404表示能量E，拋物線406表示導(dǎo)帶，且拋物線408表示價(jià)帶。導(dǎo)帶406導(dǎo)帶能量可
以由以下的拋物線方程表示 其中乂 =/ 2/( /2盡/汲2)是在導(dǎo)帶406底部的電子的有效質(zhì)量，力是普朗克常數(shù)h
除以2 π，且Eg是帶隙能量。價(jià)帶408中的能量從價(jià)帶的頂部向下來(lái)測(cè)量，且可以由以下的
拋物線方程表示 其中mv =力2/&2民/汲2)是在價(jià)帶408頂部的原子的有效質(zhì)量。注意，由相對(duì)于導(dǎo)帶最小值的位置的價(jià)帶最大值的位置將直接半導(dǎo)體和間接半導(dǎo) 體區(qū)分開(kāi)來(lái)。對(duì)于直接半導(dǎo)體，價(jià)帶最大值和導(dǎo)帶最小值發(fā)生在相同的波數(shù)處，對(duì)于圖4中 所示出的價(jià)帶和導(dǎo)帶，該波數(shù)為k等于0。相反，對(duì)于間接半導(dǎo)體，價(jià)帶最大值和導(dǎo)帶最小值 發(fā)生在不同的波數(shù)處?？梢杂芍芷诒淼牡贗IIA族元素和周期表的第VA族元素的結(jié)合形成 直接半導(dǎo)體，第IIIA族元素例如Al、Ga和In，第VA族元素例如N、P、As和Sb，這種直接半 導(dǎo)體被稱為III-V化合物半導(dǎo)體。此類直接半導(dǎo)體的示例包含GaAs，三元半導(dǎo)體AlGaAs、 InGaP和InGaAs以及四元半導(dǎo)體InGaAsP。Si和Ge是間接半導(dǎo)體的示例。通過(guò)令kx、ky和kz為電子的波矢量k的分量并假設(shè)沿著χ-、y-和ζ-坐標(biāo)方向的 有效質(zhì)量(也就是，帶曲率)相同，價(jià)帶408和導(dǎo)帶406的一維模型可以被推廣為三維模型。 有限尺寸的、具有有限尺度Lx、Ly和Lz的長(zhǎng)方體半導(dǎo)體晶體將邊界條件施加于跨越晶體的 總相移。因而，波矢量的分量被量化為如下 其中i = x，y，z，且Ii是整數(shù)。換句話說(shuō)，電子能態(tài)由價(jià)帶408中的圓例如圓410 和導(dǎo)帶406中的圓例如圓412量化和表示。已填充的圓表示電子填充的電子能態(tài)，且開(kāi)放的圓表示空穴或空的電子能態(tài)。在導(dǎo)帶406和價(jià)帶408之間所容許的唯一的輻射電子躍遷是其中電子能態(tài)具有相 同波數(shù)k且電子自旋不變的那些輻射電子躍遷。換句話說(shuō)，對(duì)于導(dǎo)帶406中的電子能態(tài)和 價(jià)帶408中的電子能態(tài)之間所容許的電子躍遷，波數(shù)k和電子自旋態(tài)不變。例如，如圖4中 所示出，定向箭頭414表示導(dǎo)帶406中的電子能態(tài)412和價(jià)帶408中的電子能態(tài)410之間 的容許的電子能態(tài)躍遷，且能差由以下給出 其中m,是由巧―1 =A^1+Wv-1給出的約化質(zhì)量。為了使電子能態(tài)410中的電子躍遷 到電子能態(tài)412，可以用具有頻率Vtl的光子泵浦電子。當(dāng)電子從電子能態(tài)412自發(fā)地躍遷 或者被激勵(lì)而躍遷到電子能態(tài)410時(shí)，發(fā)射具有頻率Vtl的光子。對(duì)于直接半導(dǎo)體，實(shí)際上存在與價(jià)帶408相關(guān)聯(lián)的三種不同類型的帶。這三種帶 被稱為重空穴(“HH”)帶、輕空穴(“LH”)帶以及分裂(“SO”)帶。圖5示出無(wú)應(yīng)變直接 半導(dǎo)體的價(jià)帶結(jié)構(gòu)。在k等于0，分裂帶502在能量上低△，其總是充滿電子，且并不參與 起源于導(dǎo)帶406的輻射躍遷和非輻射躍遷。價(jià)帶408的有效質(zhì)量mv等于HH帶504的有效 質(zhì)量mHH。結(jié)果，對(duì)于從導(dǎo)帶406到價(jià)帶408內(nèi)的空穴的電子躍遷，價(jià)帶408可以被看作是 對(duì)應(yīng)于HH帶504。例如，在導(dǎo)帶406的電子能態(tài)412中的電子躍遷506到在HH帶504中 的空穴410。在k等于0處，LH帶508具有與HH帶504相同的能量。然而，由于LH帶508 的有效質(zhì)量％Η(也就是，在k等于0處的曲率)比HH帶504的有效質(zhì)量mHH小得多，LH帶 508中的輕空穴的態(tài)密度是HH帶504中的重空穴的態(tài)密度的一部分。結(jié)果，LH帶508并不 接受從導(dǎo)帶406躍遷的電子，且與HH帶504相比較，LH帶508通常被忽略。在QW半導(dǎo)體中，較小的電子帶隙能半導(dǎo)體材料￡§1的相對(duì)較薄的層的范圍為從約 5nm到約20nm厚，其被夾在相對(duì)較大的電子帶隙能半導(dǎo)體材料￡&的兩個(gè)相對(duì)較厚的層之 間。圖6示出被夾在兩個(gè)相對(duì)較厚的半導(dǎo)體層604和606之間的QW 602的立體圖。因?yàn)?^2大于，建立了在QW 602的價(jià)帶的頂部的電子的勢(shì)阱，且建立了在QW 602的導(dǎo)帶的底 部的空穴的勢(shì)阱。由于電子空穴被約束在這些勢(shì)阱中，電子和空穴的能級(jí)呈現(xiàn)量子效應(yīng)。相 應(yīng)的價(jià)帶電子波函數(shù)和導(dǎo)帶電子波函數(shù)可以被寫成 其中uk(r±)具有在x，y平面內(nèi)的QW晶格的周期性，k±是x，y平面波矢量，且r± 是在x，y平面內(nèi)的QW坐標(biāo)矢量。波函數(shù)V。,v(r±)滿足以下邊界條件對(duì)于ζ等于0和對(duì) 于ζ等于Lz，Ψ。,ν等于0。在x，y平面內(nèi)的有限尺寸的QW施加邊界條件，使得跨越晶體的 總相移k± · r ±是2 π的整數(shù)倍且波矢量k±分量被量化為如下
‘πι、 其中i =x，y，且^是整數(shù)。在拋物線帶逼近中，能態(tài)現(xiàn)在包含子帶能態(tài)，子帶能態(tài)可以被寫成 對(duì)于導(dǎo)帶，為 對(duì)于價(jià)帶，其中η是對(duì)應(yīng)于子帶能態(tài)的正整數(shù)或量子數(shù)，k±是波數(shù)= A1 kL), 且方2;r2/2me，vg是第一 QW態(tài)的能量。圖7示出與QW相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)子價(jià)帶和子導(dǎo)帶的曲線。在圖7中，水平軸702表示 波數(shù)k±，垂直軸704表示電子能E，拋物線706和拋物線708分別表示對(duì)于η = 1和η = 2 的子導(dǎo)帶，且拋物線710和712分別表示對(duì)于η = 1和η = 2的子價(jià)帶。因?yàn)镼W的有限尺 度，諸子帶的電子能態(tài)被量化?？色@得的電子態(tài)由圓來(lái)表示，其中價(jià)帶710和價(jià)帶712中的 已填充的圓表示電子，且導(dǎo)帶706和導(dǎo)帶708中的開(kāi)放的圓表示空穴。在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間，只有具有相同的n、k±和電子自旋態(tài)的躍遷才被容許。例如， 如圖7中所示出，定向箭頭714表示在導(dǎo)帶706中的電子能態(tài)716和價(jià)帶710中的電子能 態(tài)718之間的第一容許的電子能態(tài)躍遷，且定向箭頭720表示在導(dǎo)帶708中的電子能態(tài)722 和價(jià)帶712中的電子能態(tài)724之間的第二容許的電子能態(tài)躍遷。相反，虛線定向箭頭726 表示因?yàn)榕c導(dǎo)帶706和價(jià)帶712相關(guān)聯(lián)的量子數(shù)η不相同而不被容許的電子能態(tài)躍遷。由于QW 602的相對(duì)小的厚度，如圖6中所示出，QW 602的晶格常數(shù)可以顯著地不 同于層604和層606的晶格常數(shù)。把應(yīng)變引入到量子阱中可以通過(guò)從具有不同于阻擋層的 晶格常數(shù)的材料生長(zhǎng)量子阱來(lái)完成。具有比阻擋層大的晶格常數(shù)的QW產(chǎn)生壓縮應(yīng)變的QW， 而具有比阻擋層小的晶格常數(shù)的QW產(chǎn)生拉伸應(yīng)變的QW。由于半導(dǎo)體的電子帶隙能與其晶 格間距有關(guān)，引入到QW晶格的應(yīng)變改變應(yīng)變的QW的電子帶隙能。一般地，應(yīng)變修改QW的 導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)和價(jià)帶結(jié)構(gòu)兩者。例如，QW 602拉伸應(yīng)變(也就是，被定向在x，y平面內(nèi)的應(yīng)變) 改變QW 602的量子性質(zhì)并改變與導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)和價(jià)帶結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的有效質(zhì)量。對(duì)于拉伸應(yīng)變的 QW，量子大小效應(yīng)和有效質(zhì)量的改變產(chǎn)生的QW 602的光學(xué)性質(zhì)顯著不同于相同的無(wú)應(yīng)變 的QW 602的那些光學(xué)性質(zhì)。圖8示出對(duì)于k±等于0的無(wú)應(yīng)變的條件和被拉伸應(yīng)變的條件下直接半導(dǎo)體的電 子能級(jí)如何改變。如圖8中所示出，通過(guò)把LH帶和HH帶分裂開(kāi)來(lái)并將LH帶的能量提升為 高于HH帶，拉伸應(yīng)變修改QW 602的價(jià)帶結(jié)構(gòu)。圖8還揭示在被拉伸應(yīng)變的條件下QW的導(dǎo) 帶和價(jià)帶之間的能差不同于在無(wú)應(yīng)變的條件下相同QW的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能差。換句話 說(shuō)，對(duì)于k±等于0，從拉伸應(yīng)變的QW發(fā)射的光(Egts = hvgts)的頻率Vgts不同于從包括相同 半導(dǎo)體材料的無(wú)應(yīng)變的QW發(fā)射的光(Eg = hvg)的頻率vg。圖9示出拉伸應(yīng)變的QW的價(jià)帶結(jié)構(gòu)。相對(duì)于圖5中所示出的無(wú)應(yīng)變的情況，拉伸 應(yīng)變把LH帶902提升為高于HH帶904并使得LH帶902的有效質(zhì)量mm (也就是，曲率)增 加。這增強(qiáng)了導(dǎo)帶906向LH帶902的躍遷，并產(chǎn)生了占優(yōu)勢(shì)的橫向磁(“TM”)分量偏振 光。TM偏振光以大約垂直于QW 602的X，y平面被發(fā)射，而橫向電(“TE”)分量基本上被 吸收在QW 602的X，y平面內(nèi)。
本發(fā)明的實(shí)施方式圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式構(gòu)造的LED 1000的示意圖和橫截面圖。LED 1000包含夾在第一半導(dǎo)體層1004和第二半導(dǎo)體層1006之間的QW 1002。第一半導(dǎo)體層 1004和第二半導(dǎo)體層1006可以由本征的直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成。層1004和層1006具 有比QW 1002周圍的阻擋層相對(duì)較寬的電子帶隙。這些阻擋層用來(lái)將電子和空穴約束在QW 1002內(nèi)。LED 1000包含被設(shè)置在第一半導(dǎo)體層1004的表面上的η型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1008和被 設(shè)置在第二半導(dǎo)體層1006的表面上的ρ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1010。LED 1000還包含被設(shè)置在η型 異質(zhì)結(jié)構(gòu)1008的表面上的金屬結(jié)構(gòu)1012。QW 1002是直接帶隙半導(dǎo)體層，其與第一半導(dǎo)體 層1004和第二半導(dǎo)體層1006的晶格晶格失配，以便在QW 1002內(nèi)產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。如圖10中所示出，η型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1008和ρ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1010由多個(gè)層構(gòu)成。這些 層中的每一個(gè)都可以由不同地?fù)诫s的或非摻雜的直接或間接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成，以使得 每個(gè)層都具有與相同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的相鄰層不同的電子帶隙能。而且，選擇不同材料，以 使得它們對(duì)在量子阱1002中所產(chǎn)生的光子來(lái)說(shuō)是透明的。例如，每個(gè)層可以由不同的較 寬帶隙的III-V化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。具體地，η型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1008包括被設(shè)置在第一半導(dǎo)體 層1004的表面上的第一 η型半導(dǎo)體層1014和被夾在第一 η型半導(dǎo)體層1014和金屬結(jié)構(gòu) 1012之間的第二 η型半導(dǎo)體層1016。η型半導(dǎo)體是摻雜有電子施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體。第一 η 型半導(dǎo)體層1014可以由具有比第二 η型半導(dǎo)體層1016的電子帶隙能相對(duì)較大或等于第二 η型半導(dǎo)體層1016的電子帶隙能的電子帶隙能的半導(dǎo)體和摻雜劑構(gòu)成。ρ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1010 包括以下層第一組成遞變半導(dǎo)體層1018，其被設(shè)置在第二半導(dǎo)體層1006的表面上；第一 P型半導(dǎo)體層1020，其被設(shè)置在第一遞變半導(dǎo)體層1018的表面上；第二組成遞變半導(dǎo)體層 1022，其被設(shè)置在第一 ρ型半導(dǎo)體層1020的表面上；第二 ρ型半導(dǎo)體層1024，其被設(shè)置在 第二遞變半導(dǎo)體層1022的表面上；以及第三ρ型半導(dǎo)體層，其被設(shè)置在第二 ρ型半導(dǎo)體層 1024的表面上。ρ型半導(dǎo)體是已經(jīng)摻雜有電子受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體。組成遞變半導(dǎo)體是其中 電子帶隙隨位置而變化的半導(dǎo)體。這通過(guò)改變半導(dǎo)體的組成來(lái)實(shí)現(xiàn)。包含遞變區(qū)是為了最 小化異質(zhì)結(jié)不連續(xù)性，這減少了各半導(dǎo)體層之間的串聯(lián)阻抗并提高了電流。第一遞變半導(dǎo) 體層1018和第二遞變半導(dǎo)體層1022可以由具有比鄰近的第一 ρ型半導(dǎo)體層1020和第二 P型半導(dǎo)體層1024相對(duì)較大的電子帶隙能的ρ型半導(dǎo)體材料構(gòu)成。本發(fā)明的LED實(shí)施方式不限于上述參考圖10所描述的金屬結(jié)構(gòu)/異質(zhì)結(jié)構(gòu)的 n-i-p配置。換句話說(shuō)，LED實(shí)施方式不限于構(gòu)成η型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1008的兩個(gè)η型半導(dǎo)體層和 構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)1010的五個(gè)ρ型半導(dǎo)體層。在其他實(shí)施方式中，被設(shè)置在第一半導(dǎo)體層1004 和金屬結(jié)構(gòu)1012之間的層1016和層1014可以摻雜有ρ型雜質(zhì)，得到ρ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1008， 且層1018-層1026可以摻雜有η型雜質(zhì)，得到η型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1010。換句話說(shuō)，LED 1000可 以具有金屬結(jié)構(gòu)/異質(zhì)結(jié)構(gòu)的p-i-n配置。在不同的實(shí)施方式中，構(gòu)成LED 1000的各個(gè)層的厚度可以顯著地改變。例如，LED 層的厚度的范圍可以如下表1中所顯示表 1
10
可以通過(guò)沿正向偏置方向施加適當(dāng)?shù)碾妷簛?lái)操作LED 1000。圖11示出根據(jù)本發(fā) 明的實(shí)施方式被連接到電壓源的LED 1000的立體圖和LED 1000的示意圖。如圖11中所 示出，層1102被設(shè)置在LED 1000的第三ρ型半導(dǎo)體層1026外表面上，且電壓源1104被連 接到金屬結(jié)構(gòu)1012和層1102。層1102可以由導(dǎo)電且透光的材料構(gòu)成。例如，層1102可以 是銦錫氧化物(“ΙΤ0”)或另一種合適的導(dǎo)電、透明的材料。電壓源1104被構(gòu)造為向η型 異質(zhì)結(jié)構(gòu)1008提供負(fù)電壓并向ρ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1010提供正電壓。負(fù)電壓可以被認(rèn)為是將電 子向QW1002驅(qū)動(dòng)，且正電壓可以被認(rèn)為是將空穴向QW 1002驅(qū)動(dòng)。QW 1002由具有比LED 1000的剩余層相對(duì)較小的電子帶隙能Eg的直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成。電壓源1104可以被 構(gòu)造為提供大到足以從η型異質(zhì)結(jié)構(gòu)將電子注入到QW1002中并從ρ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)將空穴注 入到QW 1002中的電壓電平。從QW 1002發(fā)射由QW 1002產(chǎn)生的光，并將其通過(guò)層1102從 LED 1000 輸出。注意，本發(fā)明的LED實(shí)施方式不限于圖11中所示出的矩形盒構(gòu)造。LED實(shí)施方式 可以被形成許多不同的三維形狀，包括立方體、圓柱體、η邊棱柱、不規(guī)則形狀的棱柱、多面 體或任何其他合適的三維形狀。此外，LED的表面可以是粗糙的，以便消除在半導(dǎo)體_空氣 界面的全內(nèi)反射(“TIR”)。Qff 1002內(nèi)復(fù)合的電子-空穴對(duì)可以被認(rèn)為是衰減偶極子(decaying dipole)。為 了描述本發(fā)明的實(shí)施方式的操作，術(shù)語(yǔ)“電子_空穴對(duì)”和“偶極子”是可互換的。一般地， 衰減偶極子的SE率不僅取決于偶極子強(qiáng)度，而且還取決于其電磁(“EM”)環(huán)境。通過(guò)改變 偶極子附近的EM環(huán)境，偶極子的SE率可以從完全受抑制的發(fā)射調(diào)諧到極大增強(qiáng)的發(fā)射，這 被稱為“珀塞爾效應(yīng)”。理解珀塞爾效應(yīng)的一種途徑是把EM環(huán)境看作是以對(duì)應(yīng)于偶極子躍 遷頻率的給定頻率ν振動(dòng)的光學(xué)“模式”的集合。在塊狀材料(bulk material)中，這些模 式只是頻率ν的所有平面EM波的集合。偶極子耦合到在偶極子的位置具有電場(chǎng)E的特定 模式的輻射功率的量與Id ·Ε|2成比例，其中d是偶極矩的定向或偶極子矢量。因而，當(dāng)偶極子與場(chǎng)E成直線時(shí)，偶極子的輻射功率最大，且當(dāng)偶極子與場(chǎng)E不成直線時(shí)的，偶極子的 輻射功率為“0”。另外，由偶極子輻射的總功率簡(jiǎn)單地與|d*E|2的頻率ν的所有模式的總 和成比例。通過(guò)改變偶極子附近的EM環(huán)境，例如引入光學(xué)腔體或其他諧振元件，頻率V1的 第一頻域的模式可以被轉(zhuǎn)移到頻率V2的第二頻域，這耗盡了第一頻域中的模式的數(shù)目(確 切地說(shuō)，密度)并增加了第二頻域的模式的數(shù)目。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，由于減少的可用來(lái)供 偶極子衰減到其中的模式數(shù)目，以頻率V1振蕩的偶極子衰減得較慢。相反，由于增加的可 用來(lái)供偶極子衰減到其中的模式數(shù)目，以頻率V2振蕩的偶極子衰減得較快。珀塞爾因子(Purcell factor)由下式給出
_復(fù)雜環(huán)境中偶極子的SE速率 P —塊狀材料中偶極子的SE速率其中復(fù)雜環(huán)境是指QW，且塊狀材料是指可以被用來(lái)測(cè)量SE率的周圍的材料，例如 η型異質(zhì)結(jié)構(gòu)和ρ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)。珀塞爾因子越大，SE率越快。圖12示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式操作的LED 1000的橫截面圖。QW 1002中復(fù)合 的電子-空穴對(duì)(也就是，偶極子)的SE率不是QW 1002半導(dǎo)體材料獨(dú)自的本征性質(zhì)。相 反，如上所述，復(fù)合的電子-空穴對(duì)的SE率取決于QW 1002的電磁環(huán)境。具體地，QW 1002 的SE率取決于在QW 1002的位置的電磁真空?qǐng)龅臓顟B(tài)的局部密度，該局部密度是傳播QW 1002可以與之耦合的光學(xué)模式的數(shù)目和強(qiáng)度的度量。為了改變復(fù)合的電子-空穴對(duì)的電 磁環(huán)境并增加QW 1002的SE率，沿著金屬結(jié)構(gòu)1012和第二 η型半導(dǎo)體層1016之間的界面 1212形成SPP。如參考圖11所描述，將電壓施加到LED 1000，且作為電子-空穴復(fù)合的結(jié) 果，光被發(fā)射。這種光致使沿著界面1212形成SPP。SPP增加電子-空穴復(fù)合率，這使得從 LED 1000發(fā)射光，并增加了 SPP的形成。界面1202支持SPP模式，SPP模式是存在于金屬 的表面上的電子激發(fā)的經(jīng)量化的狀態(tài)，并且被表示為具有縱向電磁場(chǎng)分量和橫向電磁場(chǎng)分 量?jī)烧叩碾娮?等離子體振蕩。磁場(chǎng)分量大約平行于界面1202且大約垂直于傳播方向，而 電場(chǎng)分量以感興趣的波長(zhǎng)垂直于界面1202且平行于SPP傳播方向的方向。在本發(fā)明中，在QW 1002的復(fù)合偶極子(也就是，電子-空穴對(duì))附近存在的金 屬-電介質(zhì)界面1212，能夠以其SE率可以增加至少10倍的方式來(lái)變更QW頻率處的模式密
度。界面1212支持具有由有效(復(fù)數(shù))折射率描述的色散的光學(xué)SPP模式，該色散為
}_n 二 _￡-￡_ 2其中￡0]和ε分別指金屬和電介質(zhì)材料的(復(fù)數(shù))介電常數(shù)，且是在這樣的頻率 范圍內(nèi)該頻率范圍正好高于其中ε m的實(shí)部基本上為負(fù)的金屬的等離子體頻率。在離開(kāi)界 面1212幾十納米內(nèi)，SPP具有非常強(qiáng)電場(chǎng)E。事實(shí)上，這一場(chǎng)可以強(qiáng)到SPP模獨(dú)自能夠收集 偶極子SE衰減的主要部分，這單獨(dú)地是大的SE率增加的原因。LED 1000被構(gòu)造為使得QW 1002足夠靠近界面1202，以使得SPP的電子-等離子體振蕩擴(kuò)展到QW 1002中。例如，Qff 1002可以離開(kāi)界面1212約20-30nm。在圖12中，曲線1204表示電子-等離子體振蕩的電 場(chǎng)E分量滲入金屬結(jié)構(gòu)1012的程度，且曲線1206表示電子-等離子體振蕩的電場(chǎng)分量穿 透η型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1008并滲入QW 1002的程度。曲線604和曲線606示出離開(kāi)界面1202后 電場(chǎng)分量如何按指數(shù)規(guī)律衰減。SPP具有引起QW 1002內(nèi)電子-空穴對(duì)的復(fù)合率的顯著增
12加的高密度電場(chǎng)。因?yàn)镼W 1002是被拉伸應(yīng)變的，相應(yīng)的價(jià)帶結(jié)構(gòu)被修改，以使得LH子帶 在電子能方面高于HH子帶，如以上參考圖8和圖9所描述。結(jié)果，通過(guò)發(fā)射占優(yōu)勢(shì)的橫向 磁場(chǎng)(“TM”)分量偏振輻射同時(shí)抑制橫向電場(chǎng)(“TE”)分量，來(lái)增強(qiáng)從QW 1002的導(dǎo)帶到 LH帶的電子躍遷率。選擇量子阱1002，使得來(lái)自QW 1002的發(fā)射波長(zhǎng)比金屬的SPP諧振更 長(zhǎng)。這減少了 SPP的吸收損耗，允許其沿著金屬-半導(dǎo)體界面?zhèn)鞑ジL(zhǎng)的距離。在離開(kāi)表 面等離子體激元諧振足夠遠(yuǎn)但仍可以產(chǎn)生復(fù)合率的增強(qiáng)的狀況中操作等離子體激元增強(qiáng) 的 LED 1000。SPP的主諧振是ε m的實(shí)部正好與ε相反的頻率。在主諧振，neff的實(shí)部和虛部 兩者都變得非常大，具有只受金屬或電介質(zhì)中殘留的吸收限制的值。描述固定(無(wú)窮小的) 頻率范圍內(nèi)的SPP模的數(shù)目的模密度也變得非常大。對(duì)于QW偶極矩的所有定向，將低損耗 貴金屬例如銀或金用于金屬結(jié)構(gòu)1012，得到約1000的大的珀塞爾因子。然而，因?yàn)镮ieff的 虛部也是大的，SPP被迅速吸收到宿主金屬中，在宿主金屬中SPP被作為熱而耗散，從而不 容許從QW有效收集SE光。本發(fā)明的實(shí)施方式被構(gòu)造為以兩種方式解決這一問(wèn)題。第一種 方式，總是離開(kāi)SPP的主諧振來(lái)使用SPP，以便產(chǎn)生約為10的狀況的適中的珀塞爾因子。結(jié) 果，SPP在耗散之前實(shí)際上在金屬表面上傳播了幾個(gè)光波長(zhǎng)。這還容許SPP再輻射到自由 空間模式中，這可以通過(guò)以適當(dāng)?shù)姆绞嚼缡褂脰鸥窕虼植诙葋?lái)將金屬結(jié)構(gòu)1012的表面 圖案化來(lái)完成，如以下參考圖13所描述。另外，當(dāng)離開(kāi)SPP的主諧振來(lái)使用SPP時(shí)，SPP幾 乎排他地耦合到QW 1002的TM偶極子，QW1002的TM偶極子被定向?yàn)榇怪庇诮饘俦砻婧蚎W 1002。這排除了標(biāo)準(zhǔn)QW的使用，標(biāo)準(zhǔn)QW使用導(dǎo)帶到HH價(jià)帶躍遷，該躍遷本質(zhì)上是排他性 TE。第二種方式，如上所述使用拉伸應(yīng)變的QW 1002。拉伸應(yīng)變的QW 1002具有擇優(yōu)地是 TM的偶極矩，且與SPP模耦合良好。使用離開(kāi)SPP主諧振的SPP和拉伸應(yīng)變的QW 1002的 組合提供把LED 1000的SE率增強(qiáng)10倍同時(shí)保持大的外在效率的方式。如圖12中所示出，可以大約垂直于QW 1002的平面來(lái)發(fā)射TM偏振輻射，如定向箭 頭1208和定向箭頭1210所指示的。確切的輻射圖取決于金屬-電介質(zhì)界面的粗糙度和其 他因素。指向金屬結(jié)構(gòu)1012的TM偏振輻射被反射回來(lái)并通過(guò)ρ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1010被輸出， 如定向箭頭1214-定向箭頭1216所指示。只要以相同的正向偏置方向施加適當(dāng)?shù)碾妷?，如圖11中所示出，電子就流過(guò)η型 異質(zhì)結(jié)構(gòu)1008并流向QW 1002，且空穴就流過(guò)ρ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1010并流向QW 1002，其中電 子在QW 1002自發(fā)地復(fù)合，且TM偏振輻射被發(fā)射。沿著界面1212產(chǎn)生的SPP的存在顯著 增加電子與空穴復(fù)合率。結(jié)果，LED 1000可以發(fā)射具有約lOGb/s或更快的調(diào)制速度的光， 同時(shí)維持超過(guò)約20%的輻射效率。金屬結(jié)構(gòu)1012可以由能夠在感興趣的頻率支持等離子體激元模的金、銀、鋁、鉬、 銅或另一種合適的金屬或其合金構(gòu)成。金屬結(jié)構(gòu)1012還可以構(gòu)造成具有平頂表面，如圖 10"圖12中示出，或者金屬結(jié)構(gòu)1012可以被構(gòu)造成具有被設(shè)計(jì)為將在界面1202處產(chǎn)生的 SPP輻射到自由空間中的柵格，且該金屬結(jié)構(gòu)1012可以增加LED 1000的輻射效率。圖13 示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式構(gòu)造的第二 LED 1300的立體圖。如圖13中所示出，金屬結(jié)構(gòu) 1302包含柵格，該柵格包括有規(guī)則地隔開(kāi)的矩形孔的陣列。在本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，孔 可以是圓形的、橢圓形的、矩形的或任何其他合適的形狀，且可以以規(guī)則圖案來(lái)排列孔或者 以如圖13所示出的使得可以通過(guò)柵格發(fā)射TM偏振輻射的任何合適的圖案來(lái)排列孔。
在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，LED可以被構(gòu)造為發(fā)射具有約SOOnm的波長(zhǎng)的TM偏 振輻射。圖14A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式被構(gòu)造為發(fā)射具有約SOOnm的波長(zhǎng)的TM偏振輻 射的LED 1400的橫截面圖。LED 1400包含Ag金屬結(jié)構(gòu)1402、兩層η型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1404以 及五層P型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1406。LED 1400還包含具有約IOnm厚度的本征GaAs 885P. 115QW 1408， 該本征GaAs 885P.115QW1408被夾在具有約IOnm厚度的第一本征Al.35Ga 65As層1410和具有 約80nm厚度的第二本征Al.35Ga 65As層1412之間。圖14A揭示包括η型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1404和 P型異質(zhì)結(jié)構(gòu)1406在內(nèi)的諸層的組成、大致的摻雜劑濃度和大致的厚度。例如，層1414約 為IOnm厚并包括大約摻雜有2X IO18Si原子/cm3的Al.25Ga75As,且層1416約為500nm厚 并包括大約摻雜有5X IO17C原子/cm3的Al.65Ga 35As?？梢酝ㄟ^(guò)移除在其上生長(zhǎng)LED的襯 底來(lái)形成LED——襯底例如GaAs，這是因?yàn)橐r底增加了損耗并減少了 LED的效率。為此，可 以外延地生長(zhǎng)腐蝕停止層例如AlAs，以使得在襯底被接合到另一襯底之后可以從襯底移除 LED層。因而，通過(guò)以下方式來(lái)制造LED 執(zhí)行到載體襯底例如硅或碳化硅的金屬至金屬接 合，然后執(zhí)行襯底移除，得到可以被加工成LED的薄的外延層。圖14B示出與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的LED 1400 (不帶有Ag金屬結(jié)構(gòu)1402)相 關(guān)聯(lián)的光致發(fā)光譜的曲線。如圖14B中所示出，水平軸1420表示以納米為單位的光的波 長(zhǎng)，垂直軸1422表示以伏特為單位的光致發(fā)光，且曲線1406表示LED1400的光致發(fā)光。使 用根據(jù)L. Li，JOSA A，14，2758 (1997)改編的嚴(yán)格耦合波分析仿真來(lái)確定曲線1406。曲線 1406的峰指示，根據(jù)LED 1400的構(gòu)造的LED發(fā)射具有約800nm的波長(zhǎng)以及約24nm的窄的 線寬的TM偏振輻射。SPP增強(qiáng)的LED 1400能夠以約lOGb/s或更快的調(diào)制速度發(fā)射光，同 時(shí)保持高于約20%的輻射效率。本發(fā)明的實(shí)施方式限于單個(gè)QW。在本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，可以使用任何數(shù) 量的QW，只要這些QW足夠靠近金屬以使得它們耦合到沿著金屬結(jié)構(gòu)界面形成的SPP的電 子-等離子體振蕩。圖15示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式構(gòu)造的LED 1500的示意圖和橫截面 圖。除了 LED 1500包含位于沿著界面1202形成的SPP的電子-等離子體振蕩的三個(gè)QW 1501-Qff 1503 之外，LED 1500 幾乎與 LED 1000 相同。QW 1501-Qff 1503 被層 1505 和層 1506隔開(kāi)，層1505和層1506可以是約5nm厚，且可以由包括層1004和層1006在內(nèi)的相同 的本征半導(dǎo)體材料或不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。出于解釋的目的，以上描述使用具體的命名法來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的徹底理解。然而， 本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明顯看出，實(shí)踐本發(fā)明不需要具體細(xì)節(jié)。出于闡釋和描述的目的呈現(xiàn) 本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的以上描述。以上描述并不旨在窮舉所公開(kāi)的精確形式或者將本發(fā) 明限制在所公開(kāi)的精確形式。明顯地，考慮到以上教導(dǎo)之后，許多修改和變種是可能的。示 出和描述實(shí)施方式以便最好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)踐應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域的其他技 術(shù)人員最好地與適于預(yù)期的特定使用的各種修改一起利用本發(fā)明和各種實(shí)施方式。所旨在 的是，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等價(jià)物來(lái)界定。
1權(quán)利要求
一種發(fā)光二極管，其包括至少一個(gè)量子阱，所述至少一個(gè)量子阱夾在第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層之間；第一異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述第一異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體層的表面上；第二異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述第二異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述第二半導(dǎo)體層的表面上，其中所述第二異質(zhì)結(jié)構(gòu)被定位在所述第一異質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)面；以及金屬結(jié)構(gòu)，所述金屬結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述發(fā)光二極管的表面上，其中沿著所述金屬結(jié)構(gòu)和所述發(fā)光二極管的表面之間的界面形成的表面等離子體激元偏振的電子 等離子體振蕩擴(kuò)展到所述至少一個(gè)量子阱，這經(jīng)由珀塞爾效應(yīng)增加從所述至少一個(gè)量子阱發(fā)射的電磁輻射的橫向磁場(chǎng)分量的自發(fā)發(fā)射率。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述至少一個(gè)量子阱進(jìn)一步包括拉 伸應(yīng)變的本征半導(dǎo)體。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述至少一個(gè)量子阱進(jìn)一步包括約 IOnm的厚度。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述至少一個(gè)量子阱進(jìn)一步包括 GaASl_xPx，其中Χ的范圍為從0到1。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo) 體層進(jìn)一步包括本征AlxGai_xAs，其中χ的范圍為從0到1。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括 第一半導(dǎo)體層，所述第一半導(dǎo)體層設(shè)置在所述第一本征半導(dǎo)體層的表面上；以及第二半導(dǎo)體層，所述第二半導(dǎo)體層夾在所述金屬結(jié)構(gòu)和所述第一半導(dǎo)體層之間，其中 所述第一半導(dǎo)體層具有比第二 η型半導(dǎo)體層相對(duì)較低的電子能帶隙。
7.如權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體層進(jìn)一步包括具有 約IO18的η型摻雜劑濃度的η型AlxGai_xAs層且χ的范圍為從約0到約1，并且所述第二半 導(dǎo)體層進(jìn)一步包括具有約2Χ IO18的η型摻雜劑濃度的η型InGaP層。
8.如權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體層進(jìn)一步包括具有 約IO18的ρ型摻雜劑濃度的ρ型AlxGai_xAs層且χ的范圍為從約0到約1，并且所述第二半 導(dǎo)體層進(jìn)一步包括具有約2Χ IO18的ρ型摻雜劑濃度的ρ型InGaP層。
9.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第二異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括第一組成遞變半導(dǎo)體層，所述第一組成遞變半導(dǎo)體層設(shè)置在第二本征半導(dǎo)體層的表面上；第一中間半導(dǎo)體層，所述第一中間半導(dǎo)體層設(shè)置在所述第一組成遞變半導(dǎo)體層的表面上；第二組成遞變半導(dǎo)體層，所述第二組成遞變半導(dǎo)體層設(shè)置在所述第一中間半導(dǎo)體層的 表面上；第二中間半導(dǎo)體層，所述第二中間半導(dǎo)體層設(shè)置在所述第二組成遞變半導(dǎo)體層的表面 上；以及第三半導(dǎo)體層，所述第三半導(dǎo)體層設(shè)置在所述第二中間半導(dǎo)體層的表面上。
10.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一組成遞變半導(dǎo)體層和所述 第二組成遞變半導(dǎo)體層進(jìn)一步包括AlxGai_xAs，其中χ的范圍為從約0到1。
11.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一中間半導(dǎo)體層進(jìn)一步包括具有約5×lo”的p型摻雜劑濃度的Al。Gal一XAS且X的范圍為從約。到約l，所述第二中間半導(dǎo)體層進(jìn)一步包括具有約2×lo“的p型摻雜劑濃度的Al。GaCAS且X的范圍為從約。到約l，并且所述第三半導(dǎo)體層進(jìn)一步包括具有約2×lo“的p型摻雜劑濃度的工nGaP。
12.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一中間半導(dǎo)體層進(jìn)一步包括具有約5×lo”的n型摻雜劑濃度的Al。Gal一XAS且X的范圍為從約。到約l，所述第二中間半導(dǎo)體層進(jìn)一步包括具有約2×lo“的n型摻雜劑濃度的Al。GaCAS且X的范圍為從約。到約l，并且所述第三半導(dǎo)體層進(jìn)一步包括具有約2×lo“的n型摻雜劑濃度的工nGaP。
13.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一遞變半導(dǎo)體層和所述第二遞變半導(dǎo)體層具有比所述第一中間半導(dǎo)體層和所述第二中間半導(dǎo)體層相對(duì)較大的電子能帶隙。
14.如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管，其進(jìn)一步包括設(shè)置在所述發(fā)光二極管的與所述金屬結(jié)構(gòu)相對(duì)的表面上的銦錫氧化物層。
15.如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括支持表面等離子體激元的金屬，所述金屬選自由以下組成的組金銀鋁鉑銅；以及其合金。
16.如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括柵格。
17.如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括外部粗糙表面。
18.如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管，進(jìn)一步包括約loGb／S或更快的調(diào)制速度以及約lo左右的珀塞爾因子。
19.如權(quán)利要求l所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述至少一個(gè)量子阱離開(kāi)所述界面約20一30門m。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施方式涉及發(fā)光二極管。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，發(fā)光二極管包括夾在第一本征半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層之間的至少一個(gè)量子阱。n型異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)置在第一本征半導(dǎo)體層的表面上，且p型異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)置在第二本征半導(dǎo)體層的與n型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)的表面上。二極管還包含設(shè)置在發(fā)光二極管的表面上的金屬結(jié)構(gòu)。沿著金屬結(jié)構(gòu)和發(fā)光二極管表面之間的界面形成的表面等離子體激元偏振擴(kuò)展到該至少一個(gè)量子阱，這增加了從該至少一個(gè)量子阱發(fā)射的電磁輻射的橫向磁場(chǎng)分量的自發(fā)發(fā)射率。在某些實(shí)施方式中，可以以約10Gb/s或更快的速率調(diào)制該電磁輻射。
文檔編號(hào)H01L33/06GK101933168SQ200880126069
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2008年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者D·A·法塔勒, M·R·T·譚 申請(qǐng)人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)