等离子体激元增强的发光二极管制造技术

本发明专利技术的实施方式涉及发光二极管。在本发明专利技术的一个实施方式中，发光二极管包括夹在第一本征半导体层和第二半导体层之间的至少一个量子阱。ｎ型异质结构设置在第一本征半导体层的表面上，且ｐ型异质结构设置在第二本征半导体层的与ｎ型半导体异质结构相对的表面上。二极管还包含设置在发光二极管的表面上的金属结构。沿着金属结构和发光二极管表面之间的界面形成的表面等离子体激元偏振扩展到该至少一个量子阱，这增加了从该至少一个量子阱发射的电磁辐射的横向磁场分量的自发发射率。在某些实施方式中，可以以约１０Ｇｂ／ｓ或更快的速率调制该电磁辐射。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施方式涉及光电子器件，且具体地涉及经由表面等离子体激元偏振 (surface ρlasmon polariton)增强的发光二极管。
技术介绍
微电子产业已经由对小型、高性能、低功耗的微电子器件的不断增加的需求所驱 动。例如，微电子器件制造商可以制造具有大约50nm的尺寸的微处理器晶体管。然而，跨 越这些微处理器传输数字信息，且一般地，在位于相同电路板上的计算装置和存储装置之 间传输数字信息时，存在相对大的延时。尽管铜和铝线互连按惯例已经被用于携带数字信 息，但增加电子互连的数目来满足指数型增长的纳米尺度的电子器件的数目所需要的连接 数目已经不能胜任。不像性能随着尺度增加而改善的晶体管，由电子互连的数目的相应增 加所引起的延时已经增加，且已经成为数字电路的速度的实质瓶颈。已经建议将使用光纤和聚合物波导的光学互连作为电子互连的替代物。例如，单 纤维光缆可以携带被编码在光的信道或不同波长中的万亿比特每秒的数字信息，具有比使 用电缆传输相同信息高出约1000倍的能力。术语“光”不限于具有位于电磁谱的可见部分 中的波长的电磁辐射，而且还被用来指代具有在可见部分之外例如红外部分和紫外部分的 波长的电磁辐射，且可以被用来指代经典电磁辐射和量子电磁辐射两者。半导体激光器和 发光二极管(“LED”)是两种常用的用于光通信的光源。然而，这些源的构造和操作从根本 上不同，且在性能和成本方面的差异会是确定使用哪一种源的重要因素。一般地，半导体激 光器和LED使用半导体材料，但主要差异在于操作的方式和控制其操作的内部结构。以下 是LED和半导体激光器之间的结构相似性和操作相似性以及结构差异和操作差异的一般 且简要的描述。LED是半导体p-i-n结二极管，当被正向电偏置时，其发射非相干窄谱光。这一效 应是一种形式的电致发光。图1示出LED 100的示意图和横截面图。LED100包括被夹在ρ 型半导体区104和η型半导体区106之间的本征区或无掺杂区102。电极108和电极110 分别被连接到区104和区106。区104和区106可以是较宽的(直接的或间接的)电子带 隙半导体，而区102可以是较窄的直接带隙半导体，从而形成双异质结构p-i-n结。ρ型区 104被掺杂有杂质或电子受主原子，该杂质或电子受主原子具有比它们在半导体化合物中 所置换的原子更少的电子，这在P型区104的价带(valence band)中产生空穴或空的电子 能态。另一方面，η型区106被掺杂有向半导体贡献电子的杂质或电子施主原子，这在η型 区106的导带的电子能态中留下了额外的电子。作为ρ型半导体区104和η型半导体区 106之间的化学势的差异的结果，在区102中形成耗尽区。这种内建势差是阻碍ρ型区104 和η型区106之间的电子流和空穴流的平衡条件。在电流可以流过二极管之前，必须克服 这种势差。图2Α-图2Β示出区102、区104和区106的电子能带图。在图2Α-图2Β中，诸如 区202的重阴影区表示大部分已填充的电子能状态，且诸如区204轻阴影区表示被称为“空4穴”的大部分空的电子能状态，空穴的作用就像正电荷载流子那样。电子和空穴被称为“电 荷载流子”。电子施主杂质在导带附近产生电子态，而电子受主在价带附近产生电子态。因 而，如图2A中所示出，与ρ掺杂区104相关联的价带和导带比与η掺杂区106相关联的价 带和导带具有更高的电子能。取决于与区102、区104和区106相关联的带隙能的大小，一 些电子可以被热激发到由区206和区208指示的大部分空的导带中。在零偏置时，区102 在导带中具有相对低浓度的电子且在价带中具有相同数量的空穴。图2Α还揭示了与区102 相关联的陡峭的导带和价带，这阻止了空穴和电子分别从邻近的P掺杂区104和η掺杂区 106迁移。然而，当正向偏置被施加于LED 100时，电子被注入到η掺杂区106且空穴被注 入到P掺杂区104。因而，电子能带图相应地改变，如图2Β所示出。与区102关联的陡峭的 势变得平坦。电子从η型区106注入到区102的导带，而空穴从ρ型区104注入到区102 的价带。注意，电子和空穴的数量保持一致。区104和区106的相对较高的电子带隙能用 来将所注入的载流子限制在本征区102。在被称为“电子-空穴复合”或“复合”的辐射过 程中，来自导带210底部的电子与在价带212的顶部的空穴自发地复合，发射具有以下能量 的光子E = hv ^ Eg其中h是普朗克常数(Plank's constant)，且ν是所发射的光的频率。只要沿正 向偏置方向施加合适的电压，粒子数翻转(population inversion)就被维持，电子和空穴 流过二极管并在结102处自发地复合，且从LED 100向几乎所有方向发射具有频率ν的光。另一方面，半导体激光器包括增益介质、泵和可以通过将增益介质置于激光腔内 而产生的反馈。图3示出半导体二极管激光器300的示意图和横截面图。激光器300的增 益介质包含具有被夹在P型区304和η型区306之间的一个或多个量子阱302的本征区， 如以上参考LED 100所描述。激光器300还包含由全反射镜308和部分反射镜310形成的 腔。镜308和镜310提供产生相干光束所需要的反馈。在被称为“粒子数翻转”的过程中， 泵浦(Pumping)增益介质引起载流子被注入到导带且空穴被注入到价带。然而，不像LED， 具有频率ν的光的自发发射被镜308和镜310反射回增益介质中。由自发发射产生的光激 励更多具有频率ν的光的发射，且所激励的发射激励甚至更多具有频率ν的光的发射。光不 被吸收，并通过以基本上相同的方向、波长和相位在镜308和镜310之间来回弹跳而继续堆 积，且相长干涉以产生具有频率ν的经放大的相干光束，该相干光束从基本上平行于结302 的部分反射镜310泄露出去。可以用具有不同折射率的层来构造半导体激光器，以产生垂 直于结发射光的布拉格反射器，例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。一般地，LED经由自发的电子_空穴复合来发射光。相反，半导体激光器主要经由 经激励的电子-空穴复合来发射光，这通过使得光已经穿过增益介质传播来完成。结果，因 为电子_空穴复合率被所激励的发射增强了，可以以比典型LED高得多的速度来调制激光 器，而在LED中，自发的电子-空穴复合是慢得多的过程。另一方面，用光子预先占据激光 腔具有按照激光器阈值衡量的能量成本。LED不具有阈值，且可以在较低的输入功率和较简 单的驱动电路下操作。然而，用于光电子装置的半导体激光器的较高成本是限制其广泛使用的因素。例 如，在许多高速光学通信系统中，成本最高的原件是激光器。VCSEL是可以用于小于约300m 的光学通信链路的激光器的示例。尽管VCSEL是可靠的和有效的且可以实现超过lOGb/s的调制速率，但在计算装置和通信装置中实现VCSEL的成本会成为阻碍。LED可以提供激光器的可靠、廉价的替代物，这是因为典型的LED成本比高速 VCSEL低约1000倍。然而，当比较LED与激光器的性能时，LED具有许多严重限制，这些限 制包括小于800Mb/s的调制速度、约30nm的半最大值全宽的宽的谱线宽度、低的效率以及 朗伯福身寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发光二极管，其包括：至少一个量子阱，所述至少一个量子阱夹在第一半导体层和第二半导体层之间；第一异质结构，所述第一异质结构设置在所述第一半导体层的表面上；第二异质结构，所述第二异质结构设置在所述第二半导体层的表面上，其中所述第二异质结构被定位在所述第一异质结构的对面；以及金属结构，所述金属结构设置在所述发光二极管的表面上，其中沿着所述金属结构和所述发光二极管的表面之间的界面形成的表面等离子体激元偏振的电子－等离子体振荡扩展到所述至少一个量子阱，这经由珀塞尔效应增加从所述至少一个量子阱发射的电磁辐射的横向磁场分量的自发发射率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：DA法塔勒，MRT谭，
申请(专利权)人：惠普发展公司，有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：US[美国]