[实用新型]金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED

说明书

技术领域

本实用新型涉及微电子与光电子技术领域，特别涉及一种高光电转换效率的硅基LED。本实用新型利用优化的器件结构和二维金属光子晶体的等离子体激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)模式耦合增强硅基发光二极管发光效率。 

背景技术

近年来，利用金属介质纳米粒子结构在器件中的等离子体激元耦合实现发光增强，是目前国内外非常重视的一种增强发光器件性能的有效方法。 

2006年，澳大利亚的Pillai研究小组在具有银纳米粒子层的Silicon-on-insulator(SOI)LED上，通过激发银纳米粒子的SPP，可使发光峰为900nm的电致发光效率提高8倍。 

2010年，R.J.Walters等人在Nature Material发表了硅基电驱动表面等离子体源，该器件采用金属-绝缘物-金属(MIM)波导结构。可以验证硅基光辐射和金属SPP模式有效耦合。该结构中金属既作为电极又可作为包层传导SPP模式，该器件制作工艺与CMOS后端工艺兼容。金属包层采用具有一定光学厚度的金薄膜，绝缘层采用含有硅量子点的半绝缘铝。当足够大的电压加在金属间的绝缘层上时，隧穿电子通过碰撞电离激发半绝缘体中的量子点。MIM波导中的绝缘介质很薄以至于不能承载光模式，受激量子点通过近场耦合进入SPP模式。 

另外，Joseh等人计算了发光体的量子效率与荧光增强的关系，得出SPP耦合发光的量子效率和增强倍数与材料自身发光量子效率的关系，研究结果表明，对于自身发光较弱的材料，SPP增强的效果更加明显，这有利于SPP耦合在硅材料发光增强领域的应用。其次，影响SPP增强荧光强度的因素还包括金属的等离子共振带与发光中心荧光峰的光谱位置关系，激发光频率与金属等离子共振频率间的关系等。再次，自发辐射的增强或减弱还受耦合结构和耦合方式的影响。SPP中常见的结构为具有纳米结构的金属薄膜或是金属岛膜，但是由于金属膜的精细结构(如金属颗粒尺寸、颗粒分布、颗粒形状、颗粒体积分数、颗粒组成和颗粒结构等因素)的不同，其等离子共振频率、SPP的吸收和散射等性质差别较大，与发光中心作用后结果也不尽相同。 

综合所述，SPP用于增强硅基发光器件的发光效率受许多因素的影响，这些因素相互影响和制约。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种基于CMOS工艺的硅基高效电致发光二极管及其制作方法。本实用新型利用金属光子晶体的SPP泄露模式近场局域耦合增强器件发光效率，提高了硅基CMOS器件发光强度，且器件发光面积集中，具有较高的光功率密度，有利于器件集成。本实用新型的技术方案如下： 

一种金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED，采用标准CMOS工艺制成，包括集成在P型硅衬底上的P⁺N阱发光结及P电极和N电极，P⁺和N⁺均为尖端角度在75°至90°之间的楔形结构，在P⁺N阱发光结的上方，先覆盖有一层SiO₂，再在SiO₂表面制作有金属Ag光子晶体结构。 

作为优选实施方式，把Ag层蚀刻成周期为700nm，直径为500nm的正方形晶格金属光子晶体。 

本实用新型具有下面优点： 

(1)制备楔形电极，利用尖端电极强电场产生热载流子提高器件注入效率。 

(2)利用微纳加工手段制作金属光子晶体，调制金属SPP波，金属光子晶体SPP耦合结构可以避免以往研究工作中金属膜颗粒结构的尺寸、分布、形状等不规则情况对SPP波有效激发的影响，具有更好的SPP波长激发一致性和可控性。 

(3)利用金属光子晶体SPP泄露模式与硅基光辐射模式耦合，利用SPP泄露模式提高硅基发光器件外量子光效率。 

(4)利用光子晶体倒格矢降低金属等离子体激元频率，实现与硅基发光器件光辐射波长的匹配，提高金属SPP波近场耦合效率，进而提高器件内量子效率。 

(5)利用CMOS栅氧化工艺，在PN结和金属光子晶体之间制备SiO₂薄膜，隔离金属光子晶体和发光区域，避免了SPP波金属淬灭。 

(6)利用二维光子晶体倒格矢，调制金属SPP与硅基光辐射波长匹配。 

附图说明

附图1为金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED切面示意图。