本发明专利技术涉及一种在有源光电子器件、光电集成等领域应用的掺杂层中按设定图形嵌入金属层的半导体电致发光器件，属于集成光电子技术领域。其特征在于，在掺杂层中嵌入了外包裹有绝缘介质的金属层，分布位置由设定图形确定，而掺杂层的半导体介质则贯穿设定图形区域外的其余部分。这种设计在保证载流子通过掺杂层注入有源区的同时，有效的利用了金属表面等离子体对发光效率的增强效应。这有利于进一步提高基于在氮化镓材料的电致发光器件的效率，同时为基于氧化锌、纳米晶硅等材料的电致发光器件的实际应用提供了可能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种在有源光电子器件、光电集成等领域应用的掺杂层中按设定图形嵌入 金属的半导体电致发光器件，属于集成光电子
技术介绍
表面等离子体波是一种电磁场和金属表面电子的 相互耦合振动，在介质中它的振幅随着离开界面的距离指数衰减。SPP是一种表面波，可以 将光波横向限制在亚波长的尺度内；并且在近谐振频率附近其色散曲线平坦、光子态密度 大，与有源介质相互作用时可以增强其自发辐射，这在有源光电子器件、光子集成等领域 将有广泛的应用前景。虽然利用光致发光的方法，在氮化镓、氧化锌、纳米晶硅等发光材料系中，均己观察 到了近谐振频率附近自发辐射显著增强的现象，但是对应的电致发光器件却没有进展。已 有的电致发光器件，金属实际上只是作为传统电极材料，并而未有效的利用其表面等离子 体特性以实现对发光效率的显著增强。这是因为在实际电致发光器件中，掺杂层作为电注 入结构的一部分，是必不可少的。与此同时，表面等离子体波的振幅随着离开界面的距离 指数衰减，实际上只有在贴近金属表面的区域才能获得较显著的增强。这样，由于金属层 和有源区之间存在数百nm厚的掺杂层，表面等离子波对有源区发光的增强效果相当的微弱， 内量子效率几乎无法得到提升。基于氮化镓、氧化锌发光材料的电致发光器件在固态照明、半导体紫外光源等领域有 着重要应用；基于纳米晶硅的硅基电致发光器件，则可能成为实现芯片间、芯片内光互联 的核心部件。因此，如何有效的提高这些器件的电致发光效率，有着很强的实际意义。
技术实现思路
本专利技术是提供了一种可以在半导体电致发光器件中有效的发挥表面等离子增强效果的器件结构设计思路掺杂层中嵌入设定图形的金属层。本专利技术的特征在于1、 该器件含有下掺杂层(011)，位于下掺杂层(011)上的有源区(012)，以及位于有源区(012)上的上掺杂层(013)，其特征在于，在上掺杂层(013)内部嵌有设定图 形的绝缘介质(015)，在绝缘介质(015)的内部包裹着金属层(014),其中金属为金、银、 铝、铜、钛、镍、铬的一种、或是各自的合金、或是不同金属的复合多层构造，金属微观 形态为颗粒、薄层、或颗粒与薄层的组合，厚度限定为l-50nm，金属层(014)到有源区(012) 的距离限定为0-50nm。2、 该器件含有金属薄层(021)，位于金属薄层(021)上的有源区(012)，以及位 于有源区(012)上的上掺杂层(013)，其特征在于，在上掺杂层(013)内部嵌有设定图 形的绝缘介质(015)，在绝缘介质(015)的内部包裹着金属层(014)，其中金属为金、银、 铝、铜、钛、镍、铬的一种、或是各自的合金、或是不同金属的复合多层构造，金属微观 形态为颗粒、薄层、或颗粒与薄层的组合，厚度限定为l-50nm，金属层(014)到有源区(012) 的距离限定为0-50皿。3、 该器件含有下掺杂层(011)，位于下掺杂层(011)上的有源区(012)，以及位 于有源区(012)上的上掺杂层(013)，其特征在于，在下掺杂层(011)、上掺杂层(013) 各自的内部嵌有设定图形的绝缘介质(015)，在绝缘介质(015)的内部包裹着金属层(014)， 其中金属为金、银、铝、铜、钛、镍、铬的一种、或是各自的合金、或是不同金属的复合 多层构造，金属微观形态为颗粒、薄层、或颗粒与薄层的组合，厚度限定为1-50nm，金属 层(014)到有源区(012)的距离限定为0-50nm。4、 所述的设定图形为含有通孔的平板，孔的直径大小限定为50nm-l口m，平板的厚度 限定为3-200nm。5、 所述的设定图形为盘状，盘的直径大小限定直径为10nm-l口m，盘的厚度限定为 3-200皿。6、 所述的设定图形为条状，条宽度的大小限定为10nni-l口m，条的厚度限定为3-200nm。7、 所述的绝缘介质为，Si02、 Si3N4、 SiON、 A1203、 Y203、 Ti02、 TaA或Hf02的一种，在 绝缘的同时起到防止金属扩散的作用。8、 所述的有源区为纳米晶硅，掺杂层为Si、 SiC、 Zn0或Sn02。所述的有源区为InGaN， 掺杂层为GaN。所述的有源区为Zn0，掺杂层为Zn0。由于本专利技术在掺杂层中嵌入了设定图形的金属层，在保证载流子通过掺杂层注入有源 区的同时，有效的利用了金属表面等离子体对发光效率的增强效应。通过内量子效率大幅 度的提高，改善了器件的电致发光效率。另外对比单层结构，双层表面等离子波导能获得 更大的光子态密度(图13)，并且有更集中于有源区的光场分布(图14)，从而能获得更大 的Purcell增强效果(图14)，进一步改善器件性能。简单的双层金属薄层的设计，由于惨 杂层分隔了表面等离子波导和有源区，其内量子效率增强的优势在电注入器件结构上亦无 法有效发挥；而现在采用"嵌入金属层+金属薄层"(图2)，或"上嵌入金属层+下嵌入金 属层"的构造(图3)，使得高效提升内量子效率的双层电注入结构的实现成为了可能。附图说明图1单层嵌入金属层的半导体电致发光器件的横截面011.下掺杂层介质，012.有源区，013.上掺杂层介质，014.嵌入掺杂层中的金属层，015.包裹在金属图形外的绝缘介质。 图2 "金属薄层+嵌入金属层"的半导体电致发光器件的横截面-021.金属薄层。 图3双层嵌入金属层的半导体电致发光器件的横截面。 图4单层含有通孔的嵌入金属层的半导体电致发光器件11.下掺杂层介质p-SiC， 12.有源区纳米晶硅，13.上掺杂层介质Sn02，14.含有通孔的Au颗粒层，15.包裹在含有通孔的Au颗粒层外的Si3N4，16.下电极，17.上电极。 图5单层盘状嵌入金属层的半导体电致发光器件24.盘状Au颗粒层，25.包裹在盘状Au颗粒层外的Si美。 图6单层一维光栅状嵌入金属层的半导体电致发光器件34. —维光栅状Au颗粒层，35.包裹在一维光栅状Au颗粒层外的Si3N4。 图7 "金属薄层+含有通孔的嵌入金属层"的半导体电致发光器件21. Au薄层，26. Si02底板。 图8 "金属薄层+盘状嵌入金属层"的半导体电致发光器件。 图9 "金属薄层+—维光栅状嵌入金属层"的电致发光器件。 图io双层含有通孔的嵌入金属层的半导体电致发光器件。图11双层盘状嵌入金属层的半导体电致发光器件。图12双层一维光栅状嵌入金属层的半导体电致发光器件。图13单层和双层等离子体波导光子态密度的比较131.单层等离子体波导光子态密度，132.双层等离子体波导光子态密度。 图14单层和双层等离子体波导光场分布及Purcell系数141.单层等离子体波导的光场分布，142.单层等离子体波导的Purcell系数 143.双层等离子体波导的光场分布，144.双层等离子体波导的Purcell系数。具体实施例方式本专利技术的关键器件结构为掺杂层中嵌入的设定图形的金属层，其中金属外部包裹有绝缘介质。该结构的实现方法之一为首先甩上电子束胶或者光刻胶，通过电子束曝光或者 紫外曝光、显影、定影，得到胶的图形；然后依次沉积上所需厚度的绝缘介质、金属、绝 缘介质；去胶洗净后，得到与原胶图形互补的"绝缘介质-金属-绝缘介质"层图形；将样 品置于退火炉中快速退火，使得金本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种掺杂层中按设定图形嵌入金属层的半导体电致发光器件，含有：下掺杂层（０１１），位于下掺杂层（０１１）上的有源区（０１２），以及位于有源区（０１２）上的上掺杂层（０１３），其特征在于，在上掺杂层（０１３）内部嵌有设定图形的绝缘介质（０１５），在绝缘介质（０１５）的内部包裹着金属层（０１４），其中金属为金、银、铝、铜、钛、镍、铬的一种、或是各自的合金、或是不同金属的复合多层构造，金属微观形态为颗粒、薄层、或颗粒与薄层的组合，厚度限定为１－５０ｎｍ，金属层（０１４）到有源区（０１２）的距离限定为０－５０ｎｍ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄翊东，唐选，张巍，彭江得，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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