[发明专利]具有纳米结构和纳米金属光学腔和天线的发光二极管，快光子-电子源和光电探测器，以及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时申请号61/555995，申请日为2011年11月4日的利益。上述申请的公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及电子器件和他们的制造方法，更具体地说，涉及一种具有纳米结构的光电器件。

背景技术

本节中的陈述仅提供涉及本专利的背景信息，并且可能不构成现有技术。

整个专利涉及高性能的新的发光二极管(LED)，光电子源和光检测器(例如，太阳能电池)及其制造方法。这三个类型的设备都有其独特的设计和制造，同时它们共同使用一个纳米级的金属光学共振腔和某些纳米加工方法的一般架构。然而，应该指出的是，对于每个设备类型，光子腔已针对具有特殊的性质和/或功能进行设计，并且具备了其他类型的器件不具备的性能，并且针对每个特定的设备类型，相同或相似的纳米加工方法已被改进成为不同的形式和/或特殊的工艺步骤。示例，对于发光二极管，该光子腔被用作天线，用于增强所述腔的内部产生的光的辐射；而对于光电子源和光检测器，光子空腔用作良好的光吸收和捕集器用于提高光从腔体的外侧到内侧的透射，腔内部的光捕获，以及总的由空腔内的半导体的光吸收。对于光电子源，光子腔内的半导体进一步被配置为具有薄的厚度和短载流子寿命用以缩短光电子脉冲宽度和减小的光电子能量和发射度分布(即波动)。每个设备的特定背景下文单独讨论。

(1)发光二极管(LED)

在一个实施方案中，本发明涉及一种新的高性能的光发射方法，以及相关的制造。所描述的发明的各种实例可以解决在常规的发光二极管的挑战，这包括如何(一)提高发光材料的光辐射效率，(二)有效地从发光材料的内部提取光到材料之外；(三)代替铟锡氧化物(ITO)透明电极；(四)当使用一个光源而不是通过电流泵送时，(i)提高来自LED外部到达内部的透光率(ii)提高到非常薄的光生成材料的高光俘获和吸收，用以最大化LED量子效率(入射光转换成由材料发射的光的效率)，以及(五)更好的冷却。

为了克服这些问题，所述的发光二极管(LED)采用的是金属光子谐振腔天线，用以极大地增强光从空腔的内部的发光材料到天线腔体的外部的自由空间中的提取，并使用亚波长金属网来代替铟锡氧化物透明电极。

(2)光电子源

在另一个实施方案中，本发明涉及高性能的新型半导体光电子源及其制造方法。一种半导体光电子源使用半导体把入射的光子转换为电子，并且具有提供自由电子到半导体外提供进一步利用的可能。进一步利用包括电子显微镜，电子光刻，并且生成X射线。通常在自由空间中的电子会被进一步提取，聚焦，加速。

本发明的当前公开的实施例是为了解决在现有的半导体光电子源的挑战，单独或一起，这包括如何(一)缩短光电子脉冲，(二)减少光电子能散，(三)降低发射率，(四)提高量子效率(入射光子转换为光电子的效率。高量子效率可以减少泵激光/灯提供入射光子的需求能量)，(五)更好的冷却，(六)长光电子源的寿命，及(七)降低激光抖动。

举例来说，传统的半导体光电子源的设计，受限于固有的原则，有几个缺点。传统的半导体光电子源使用厚的半导体层(或体)，用于光电子的发射材料，并且通过由常规衍射受限的光学器件，而且没有任何光谐振腔聚焦和改变形状的脉冲激光的激励。这样的方法的主要缺点包括：(一)材料内部长电子云长度(>10ps)；(二)大纵发射率；(三)低于5％的量子效率；(四)强镜像电荷效应；(五)砷化镓表面散热不佳，因此有限的生命时间；(六)最小激光光斑尺寸(因而电子束的横向尺寸)，由光的衍射极限设定为约1微米；及(七)激光束的抖动(由于振动)，进一步阻止了光束线的小直径。