等离激元发光二极管制造技术

发光二极管（１００或１５０）包括包含量子势阱（１２０）的二极管结构、增强层（１４２）以及位于该增强层（１４２）和该量子势阱（１２０）之间的阻挡层（１４４或１４８）。该增强层（１４２）支持在与由该量子势阱（１２０）中电子和空穴的组合产生的光子耦合的频率上的等离激元振荡。该阻挡层用于阻挡该增强层（１４２）和该二极管结构之间的扩散。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】等离激元发光二极管
技术介绍
发光二极管(LED)能够将电能转换为光能用于照明和光学信号发送。通常，LED为半导体二极管，典型地包含p-i-n结。当LED被正偏时，来自该二极管的η型材料的电子电流与来自该二极管的P型材料的空穴组合。LED通常使用在电子导带和空穴价带之间创建合适的能量差的材料，因此电子和空穴的组合能够自发地发射光子。该能量差通常受限于可用的材料，但是除此之外可以进行调整或选择以产生期望频率的光。此外，LED可以使用具有不同能量导带的多层材料以创建量子势阱，这倾向于限制电子或空穴以及增强自发射率，从而改善光产生能量效率。LED中量子势阱的自发发射率不是该量子势阱的内在特性，而是取决于该量子势阱的电磁环境。等离激元(Plasmonic)LED可以通过将量子势阱靠近金属来利用这种现象， 该金属支持具有扩展到量子势阱中的电子-等离子体振荡的表面等离激元极化声子的形成。这些电子-等离子体振荡或等离激元经由珀塞尔效应(Purcell Effect)增加了量子势阱中电子-空穴对的复合率并且减少了驱动LED的电流中的改变和从LED发射的光中的相应改变之间的延迟。等离激元LED能够发射具有大约IOGHz或更快调制速度的光，而保持大约20%以上的辐射效率，其比VCSEL和其它半导体激光器的调制速度和效率要好。题为 “PLASMON enhanced light-emitting DIODES(等离激元增强发光二极管)，，的国际申请号为US/2008/001319描述了一些在先的等离激元LED，其足够快以用于高数据率信号发送。在等离激元LED的制造中的一个问题在于可用的材料，其能够支持用于等离激元 LED的合适频率的表面等离激元。考虑到适合于LED的可用材料对发射光的频率上的限制， 银和金被发现具有与用于改善LED响应所需要的耦合的表面等离激元。不幸的是，银和金 (其必须靠近量子势阱以提供所需的增强)具有迁移或扩散到LED中所使用的半导体材料中的趋势，并且这种扩散会引起LED的迅速退化和短路。附图说明图IA和IB示意性地图示使用可替换的阻挡结构来防止不需要的扩散但是允许与量子势阱进行等离激元相互作用的根据本专利技术的实施例的等离激元LED的横截面图；图2示出了根据本专利技术的另一个实施例的等离激元LED的更详细的横截面图；图3示出了根据本专利技术的另一个实施例的等离激元LED的横截面图；在不同的图中使用的相同附图标记代表类似或相同部件。具体实施例方式根据本专利技术的一方面，等离激元LED可以包括在半导体结构和金属层(例如，银或金层)之间的阻挡物，该金属层支持在一定频率下的等离激元振荡，这增强LED性能。在一个实施例中，该阻挡物可以很薄(例如大约IOnm或更小)并且包括诸如氧化物的绝缘材料和诸如非扩散金属(例如钼)的导电材料的接触结构。相对薄并且大部分由介电材料制成的该阻挡物允许金属层的表面等离激元振荡以与LED中的量子势阱相互作用，但是该阻挡物仍能够阻挡诸如银或金等金属从增强层向半导体层进行扩散或穿刺。图案化的接触为欧姆接触用于将电流注入到LED中并且可以由诸如钼的非扩散金属制成。进一步地，可以图案化接触以改进光提取，并且接触区域可以被最小化以确保量子势阱和增强层之间的光-等离激元相互作用，而仍然保证良好的电流注入。在可替换的实施例中，该阻挡物可以甚至薄一些(例如大约2nm)并且由诸如钼的非扩散导电材料制成，其阻挡来自金属层的诸如银或金的金属的扩散或穿刺。尽管该阻挡金属可能对量子势阱中自发发射的增强具有弱的等离激元特性，但是足够薄的该阻挡物仍然允许金属层中所要求的表面等离激元与量子势阱的相互作用。图IA示出了根据本专利技术的实施例的等离激元LED100的横截面的示意表示。 LED100具有p-i-n结构，其大体上包括ρ型结构110、本征结构(intrinsic structure) 120 以及η型结构130。本征结构120通常是包括量子势阱的多层结构，其是当从η型结构130 注入的电子与从P型结构110注入的空穴相结合时由自发发射产生的光(例如，光子)的源。增强结构140包含材料层142，其支持具有增强来自量子势阱的自发发射率的一定频率的表面等离激元振荡。层142可以是覆盖层或者如果需要可以被图案化或粗糙化以改变层 142中的等离激元特性。通常，将增强结构140(尤其是层142，因为接触146可能具有弱的等离激元特性)放置得离量子势阱越近能获得更大的增强，使得等离激元振荡效应延伸到量子势阱。增强层142典型地需要离量子势阱小于大约50nm以在SOOnm左右的光子波长下的自发发射的显著增强。在产生更长波长的光的LED中这个间隔可能更大。在图IA中， 增强结构140与η型结构相邻，但是其中在ρ型结构110比η型结构130要薄的实施例中最好将其置于与P型结构110相邻。增强结构140中的层142可以由诸如纯的或合金化的银或金的金属制成，但是其它金属可能是合适的。金属原子从层142向半导体结构的扩散或穿刺是一个问题，尤其是因为层142需要靠近量子势阱来增强自发发射。例如，已经发现GaAs很容易溶解到金和金基合金中。这种溶解导致等量的镓(Ga)和砷(As)进入到金晶格中。砷已经被示出能够很容易地穿过金晶格并且能够从金的自由表面上蒸发。可能是这种材料的原子沿着晶界或其它这种瑕疵进入到金属化，但是扩散可以作为非常低浓度的高迁移间隙原子进入是可能的。这种现象在其它LED中使用的InGaP接触层也观察到了。为了防止从层142向邻近的半导体层中的扩散，LED100包括绝缘阻挡层144，其包含将层142和η型结构130电连接的图案化导电接触146。阻挡层144和图案化接触146 可以小于大约IOnm厚并且优选大约5nm。通常，阻挡层144和接触146可以尽可能薄，假若阻挡层144和接触146足以阻挡从层142中的扩散。LED100可以通过在跨越LED100的正偏方向上施加合适的电压进行工作。例如，对于图IA的p-i-n构造，具有正极性的电信号可以施加到LED100的层142上，而层110连接至基准电压或接地。电信号通常通过接触结构(图IA中未示出)施加到LED100上。在η 型结构110上的相对负电压可以认为是在本征结构120中朝向量子势阱驱动电子，而层142 上的相对正电压可以认为朝向量子势阱驱动空穴。量子势阱可以是由直接带隙的半导体材料制造，其具有比LED100的保留层的电子带隙小的电子带隙能。当所施加的电压差足够大使得将来自η型结构130的电子并且来自ρ型结构110的空穴注入到量子势阱中，量子势阱中的电子和空穴的组合导致的自发发射产生从LED100穿过ρ型结构110输出的光，该ρ型结构110与增强结构140相对。结构140所达到的增强可以通过将电子和空穴的组合处理为电子-空穴偶极子的衰变来理解。通常，衰变的偶极子的自发发射率不仅取决于偶极子的强度，而且也取决于偶极子的电磁环境。通过改变偶极子附近的电磁环境，可以调节(即，抑制或增强)偶极子的自发衰变率，其被称为“珀塞尔效应”。在本情况中，引入增强结构140(其支持与所需光频率耦合的等离激元振荡)增强电子-空穴偶极子衰变到所需的电磁模式或频率的速率。珀塞尔因子Fp量化增强并且由下式本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．发光二极管，包括：包含量子势阱的二极管结构；增强层，其支持在与由该量子势阱中的电子和空穴的组合产生的光子耦合的频率上的等离激元振荡；以及位于该增强层和该量子势阱之间的阻挡层，其中该阻挡层阻挡在该增强层和该二极管结构之间的扩散。

【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：M·R·T·谭，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：US