[發明專利]摻雜層中按設定圖形嵌入金屬層的半導體電致發光器件

有效

• 申請號: 200710178492.3
• 申請日: 2007-11-30
• 公開（公告）號: CN101170156A
• 公開（公告）日: 2008-04-30
• 發明（設計）人: 黃翊東;唐選;張巍;彭江得
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種在有源光電子器件、光電集成等領域應用的摻雜層中按設定圖形嵌入金屬的半導體電致發光器件，屬于集成光電子技術領域。

背景技術

表面等離子體波[Surface?Plasmon?Polariton(SPP)]是一種電磁場和金屬表面電子的相互耦合振動，在介質中它的振幅隨著離開界面的距離指數衰減。SPP是一種表面波，可以將光波橫向限制在亞波長的尺度內；并且在近諧振頻率附近其色散曲線平坦、光子態密度大，與有源介質相互作用時可以增強其自發輻射，這在有源光電子器件、光子集成等領域將有廣泛的應用前景。

雖然利用光致發光的方法，在氮化鎵、氧化鋅、納米晶硅等發光材料系中，均已觀察到了近諧振頻率附近自發輻射顯著增強的現象，但是對應的電致發光器件卻沒有進展。已有的電致發光器件，金屬實際上只是作為傳統電極材料，并而未有效的利用其表面等離子體特性以實現對發光效率的顯著增強。這是因為在實際電致發光器件中，摻雜層作為電注入結構的一部分，是必不可少的。與此同時，表面等離子體波的振幅隨著離開界面的距離指數衰減，實際上只有在貼近金屬表面的區域才能獲得較顯著的增強。這樣，由于金屬層和有源區之間存在數百nm厚的摻雜層，表面等離子波對有源區發光的增強效果相當的微弱，內量子效率幾乎無法得到提升。

基于氮化鎵、氧化鋅發光材料的電致發光器件在固態照明、半導體紫外光源等領域有著重要應用；基于納米晶硅的硅基電致發光器件，則可能成為實現芯片間、芯片內光互聯的核心部件。因此，如何有效的提高這些器件的電致發光效率，有著很強的實際意義。

發明內容

本發明是提供了一種可以在半導體電致發光器件中有效的發揮表面等離子增強效果的器件結構設計思路：摻雜層中嵌入設定圖形的金屬層。本發明的特征在于：

1、該器件含有：下摻雜層(011)，位于下摻雜層(011)上的有源區(012)，以及位于有源區(012)上的上摻雜層(013)，其特征在于，在上摻雜層(013)內部嵌有設定圖形的絕緣介質(015)，在絕緣介質(015)的內部包裹著金屬層(014)，其中金屬為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻的一種、或是各自的合金、或是不同金屬的復合多層構造，金屬微觀形態為顆粒、薄層、或顆粒與薄層的組合，厚度限定為1-50nm，金屬層(014)到有源區(012)的距離限定為0-50nm。

2、該器件含有：金屬薄層(021)，位于金屬薄層(021)上的有源區(012)，以及位于有源區(012)上的上摻雜層(013)，其特征在于，在上摻雜層(013)內部嵌有設定圖形的絕緣介質(015)，在絕緣介質(015)的內部包裹著金屬層(014)，其中金屬為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻的一種、或是各自的合金、或是不同金屬的復合多層構造，金屬微觀形態為顆粒、薄層、或顆粒與薄層的組合，厚度限定為1-50nm，金屬層(014)到有源區(012)的距離限定為0-50nm。

3、該器件含有：下摻雜層(011)，位于下摻雜層(011)上的有源區(012)，以及位于有源區(012)上的上摻雜層(013)，其特征在于，在下摻雜層(011)、上摻雜層(013)各自的內部嵌有設定圖形的絕緣介質(015)，在絕緣介質(015)的內部包裹著金屬層(014)，其中金屬為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻的一種、或是各自的合金、或是不同金屬的復合多層構造，金屬微觀形態為顆粒、薄層、或顆粒與薄層的組合，厚度限定為1-50nm，金屬層(014)到有源區(012)的距離限定為0-50nm。

4、所述的設定圖形為含有通孔的平板，孔的直徑大小限定為50nm-1□m，平板的厚度限定為3-200nm。

5、所述的設定圖形為盤狀，盤的直徑大小限定直徑為10nm-1□m，盤的厚度限定為3-200nm。

6、所述的設定圖形為條狀，條寬度的大小限定為10nm-1□m，條的厚度限定為3-200nm。

7、所述的絕緣介質為，SiO₂、Si₃N₄、SiON、Al₂O₃、Y₂O₃、TiO₂、Ta₂O₅或HfO₂的一種，在絕緣的同時起到防止金屬擴散的作用。

8、所述的有源區為納米晶硅，摻雜層為Si、SiC、ZnO或SnO₂。所述的有源區為InGaN，摻雜層為GaN。所述的有源區為ZnO，摻雜層為ZnO。