プラズモン強化型発光ダイオード
本発明の実施形態は発光ダイオードに向けられている。本発明の１実施形態では、発光ダイオードは、第１の真性半導体層と第２の半導体層の間に挟まれた少なくとも１つの量子井戸を備える。ｎ型ヘテロ構造が第１の真性半導体層の表面に配置され、ｐ型ヘテロ構造が、ｎ型半導体ヘテロ構造に対向して第２の真性半導体層の表面に配置される。該ダイオードはまた、該発光ダイオードの表面に配置された金属構造を備える。金属構造と発光ダイオード表面との間の境界面に沿って形成された表面プラズモンポラリトンは、該少なくとも１つの量子井戸中へと延びて、該少なくとも１つの量子井戸から放出される電磁放射の横磁界成分の自然放出率を高める。いくつかの実施形態では、該電磁放射を約１０Gb/s以上のレートで変調することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光電子デバイス、特に、表面プラズモンポラリトンを介して強化された発光ダイオードに向けられている。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロニクス産業は、小型、高性能、低消費電力マイクロエレクトロニクスデバイスに対する絶え間なく高まる要求によって発展してきた。マイクロエレクトロニクスのメーカは、たとえば、５０ｎｍのオーダーの寸法のマイクロプロセッサトランジスタを製作することができる。しかしながら、これらのマイクロプロセッサ間のデジタル情報の伝送、一般的には、同じ回路基板に配置された計算デバイスと記憶デバイス間でのデジタル情報の伝送には比較的大きな遅延が存在する。デジタル情報を伝送するために銅及びアルミ線による相互接続が伝統的に使用されてきたが、数が指数関数的に増加するナノスケール電子デバイスによって必要とされる接続の数に対応するには、電子的相互接続の数を増加させることでは追いつかなくなってきた。性能がスケーリングとともに向上するトランジスタとは異なり、電子的相互接続の数の対応する増加によって引き起こされる遅延は大きくなるとともに、デジタル回路の速度の重大なボトルネックとなっている。
【０００３】
光ファイバーやポリマー導波路を使用する光学的相互接続が、電子的相互接続の代替として提案されている。たとえば、単一光ファイバーケーブルは、チャンネルすなわち光の異なる波長に符号化された数テラビット／秒のデジタル情報を伝送することができるが、これは、電気ケーブルを用いて同じデジタル情報を伝送する場合の約１０００倍の能力である。「光」という用語は、電磁スペクトルの可視部にある波長を有する電磁放射に限定されず、赤外部や紫外部などの可視部以外の波長を有する電磁放射を指すためにも用いられ、及び、古典電磁放射及び量子電磁放射の両方を指すために用いられることもできる。半導体レーザ及び発光ダイオード（「LED」）は、光通信用に一般的に使用される２つの光源である。しかしながら、これらの光源の構成及び動作は基本的に異なっており、性能及びコストの違いが、どの光源を使用するかを決定する際の重要な要因になりうる。一般に、半導体レーザ及びLEDは半導体材料を使用するが、動作の態様、及び、それらの動作を制御する内部構造に主な違いがある。以下に、LEDと半導体レーザの構造及び動作上の類似点及び相違点の概要を簡単に説明する。
【０００４】
LEDは、順方向に電気的にバイアスされたときに非コヒーレンスの狭いスペクトル光を放射する半導体p-i-n接合ダイオードである。この効果は、エレクトロルミネセンスの形態をとる。図１は、LED１００の概略を表す断面図である。LED１００は、ｐ型半導体領域１０４とｎ型半導体領域１０６の間に挟まれた真性領域すなわちドープされていない領域１０２を有する。電極１０８と１００が領域１０４と１０６にそれぞれ接続されている。領域１０４と１０６は、より幅広の（直接遷移型または間接遷移型）電子バンドギャップ半導体であることができ、一方、領域１０２はそれより幅の狭い直接遷移型バンドギャップ半導体であることができ、それゆえ、二重ヘテロ構造p-i-n接合を形成することができる。ｐ形領域１０４は、不純物すなわち、電子受容体原子をドープされており、これらの電子受容体原子は、これらが半導体化合物において置き換わる原子よりも少ない電子を有し、これによって、ｐ型領域１０４の価電子帯（valance band）にホール（正孔）または空電子エネルギー状態を生成する。一方、ｎ型領域１０６は、不純物、すなわち、半導体に電子を与える電子供与体（電子ドナー）原子をドープされており、これによって、ｎ型領域１０６の伝導帯の電子エネルギー状態に余分の電子を残す。空乏領域が、ｐ型半導体領域１０４とｎ型半導体領域１０６の間の化学ポテンシャルの差の結果として領域１０２に形成される。この組み込まれたポテンシャルの差は、ｐ型領域１０４とｎ型領域１０６の間の電子及びホールの流れを妨げる平衡条件である。このポテンシャルの差は、電流がダイオードを通って流れることができるようになるまでに克服されなければならない。
【０００５】
図２のＡ及び図２のＢは、領域１０２、１０４、１０６の電子エネルギーバンド図である。図２のＡ及びＢにおいて、領域２０２などの濃く網掛けされている領域は、ほとんどが充填された電子エネルギー状態を表しており、領域２０４などの薄く網掛けされた領域は、正電荷キャリアのように作用する「ホール」と呼ばれるほとんど空の電子エネルギー状態を表している。電子及びホールは「電荷キャリア（電荷担体）」と呼ばれる。電子供与体不純物は、伝導帯に近い電子状態を生成し、電子受容体は価電子帯に近い電子状態を生成する。したがって、図２のＡに示すように、ｐドープ領域（ｐ型がドープされた領域）１０４に関連する価電子帯及び伝導帯は、ｎドープ領域（ｎ型がドープされた領域）１０６に関連する価電子帯及び伝導帯よりも電子エネルギーが高い。領域１０２、１０４、１０６に関連するバンドギャップエネルギーの大きさに依存して、領域２０６及び２０８によって示すように、いくつかの電子をほとんどが空の伝導帯へと熱的に励起することができる。０のバイアスでは、領域１０２は、伝導帯において比較的低い濃度の電子を有し、それと同じ数のホールを価電子帯に有する。図２のＡは、また、領域１０２に関連する急勾配の伝導帯及び価電子帯を明らかにしており、該領域１０２は、ホール及び電子が、近傍にあるｐドープ領域１０４及びｎドープ領域１０６からそれぞれ移動するのを阻止する。しかしながら、順方向バイアスがLED１００に印加されると、電子はｎドープ領域１０６に注入され、ホールはｐドープ領域１０４に注入される。したがって、電子エネルギーバンド図は、これに応じて、図２のＢに示すように変化する。領域１０２に関連する急勾配のポテンシャルは平坦になる。電子はｎ型領域１０６から領域１０２の伝導帯へと注入され、ホールはｐ型領域１０４から領域１０２の価電子帯へと注入される。電子とホールの数は同じに維持されることに留意されたい。領域１０４及び１０６の比較的高い電子バンドギャップエネルギーは、流入されたキャリアを真性領域１０２に閉じこめる働きをする。「電子−ホール再結合」または「再結合」と呼ばれる放射プロセスにおいて、電子は、伝導帯２１０の一番下から、価電子帯２１２の一番上にあるホールと自発的に再結合して、
Ｅ＝ｈν≧Ｅｇ
で表されるエネルギーＥの光のフォトン（光子）を放出する。ここで、ｈはプランク定数であり、νは放出される光の周波数である。適切な電圧が同じバイアス方向である順方向に印加される限り、反転分布が維持され、電子及びホールはダイオードを通って流れ、接合部１０２で自発的に再結合し、LED１００からほぼ全ての方向に周波数νの光が放出される。
【０００６】
一方、半導体レーザは、利得媒質、ポンプ、及び、レーザキャビティに利得媒質を配置することによって生成可能なフィードバックを備える。図３は、半導体ダイオードレーザ３００の概略を表す断面図である。レーザ３００の利得媒質は、LED１００を参照して上述したように、ｐ型領域３０４とｎ型領域３０６の間に挟まれた１つ以上の量子井戸３０２を有する真性領域から構成される。レーザ３００はまた、完全反射ミラー３０８及び部分反射ミラー３１０によって形成されたキャビティを備える。ミラー３０８及び３１０は、光のコヒーレントビームを生成するのに必要なフィードバックを提供する。利得媒質をポンピングすることによって、「反転分布」と呼ばれるプロセスにおいて、キャリアが伝導帯に注入され、ホールが価電子帯に注入される。しかしながら、LEDとは異なり、周波数νの光の自然放出は、ミラー３０８及び３１０によって反射されて利得媒質へと戻される。自然放出によって生成された光は、周波数がνのより多くの光の放出を促進（または刺激）し、促進された放出は、周波数がνのさらに多くの光の放出を促進（または刺激）する。これらの光は吸収されず、実質的に同じ方向、波長及び位相で、ミラー３０８と３１０の間を往復することによって増大し続け、強め合うように干渉して、接合部３０２にほぼ平行な部分反射ミラー３１０から漏れ出る周波数νの光の増幅されたコヒーレントビームを生成する。半導体レーザは、面発光レーザ（「VCSEL」）のような、接合部に垂直な光を放出するブラッグ反射器を形成するように異なる屈折率を有する層で構成することができる。
【０００７】
一般に、LEDは、自発的な電子−ホール再結合を介して光を放出する。これとは対照的に、半導体レーザは、主に誘導された電子−ホール再結合を介して光を放出するが、これは、光を利得媒質中に伝搬させることによって達成される。その結果、レーザを、典型的なLEDよりもはるかに速い速度で変調することができる。なぜなら、電子−ホールの再結合率（または電子−ホールの再結合レートまたは電子−ホールの再結合の速さ。以下同じ）は誘導放出によって促進されるが、LEDにおける自発的（自然発生的な）電子−ホール再結合はそれよりはるかに遅いプロセスだからである。一方、レーザキャビティ（レーザ空胴）にフォトンを予め送り込むことは、レーザ閾値の観点から測定されるあるエネルギーコストがかかる。LEDは、閾値を持っておらず、より低い入力電力及びより単純な駆動回路で動作することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、光電子デバイスで使用される半導体レーザの比較的高いコストは、該半導体レーザが普及するのを制限する要因である。たとえば、多くの高速光通信システムにおいて、最もコストの高い要素はレーザである。VCSELは、約３００ｍよりも短い光通信リンクで使用されることができるレーザの１例である。VCSELは信頼性が高くて効率がよく、さらに、１０Ｇｂ／ｓを超える変調速度が可能であるが、計算及び通信装置にVCSELを実装するコストは法外に高くなりうる。
【０００９】
典型的なLEDは、高速のVCSELよりも約１０００倍安いので、LEDは、信頼性の高い安価なものとしてレーザの代替物となりうる。しかしながら、LEDの性能をレーザと比較すると、LEDには、８００Ｍｂ／ｓより遅い変調速度、半値全幅の約３０ｎｍという広いスペクトル線幅、効率の悪さ、ランバート放射パターン（lambertianradiation pattern）を含むいくつかの重大な制限がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】発光ダイオードの概略を表す断面図である。
【図２】半導体ダイオードの接合部に関する電子エネルギーバンド図を示す。
【図３】半導体ダイオードレーザの概略を表す断面図である。
【図４】直接遷移型半導体に関する価電子帯及び伝導帯のプロットを示す。
【図５】ひずみが与えられていない直接遷移型半導体の価電子帯構造のプロットを示す。
【図６】２つのより厚い半導体層の間に挟まれた量子井戸の等角図である。
【図７】量子井戸に関連する２つの価電子帯サブバンド及び伝導帯サブバンドのプロットを示す。
【図８】歪みを受けていない状態と伸張歪みを受けた状態で直接遷移型半導体の電子エネルギー準位がどのように変わるかを示す。
【図９】伸張歪みを受けた量子井戸に関する価電子帯構造を示す。
【図１０】本発明の実施形態にしたがって構成された第１の発光ダイオードの概略を表す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態にしたがって電圧源に接続された、図１０に示す発光ダイオードの等角図である。
【図１２】本発明の実施形態にしたがって動作する、図１０に示す発光ダイオードの断面図である。
【図１３】本発明の実施形態にしたがって構成された第２の発光ダイオードの等角図である。
【図１４Ａ】本発明の実施形態にしたがって構成された第３の発光ダイオードの概略を表す断面図である。
【図１４Ｂ】本発明の実施形態にしたがう、図１４Ａに示す発光ダイオードに関連するフォトルミネセンススペクトルのプロットを示す。
【図１５】本発明の実施形態にしたがって構成された第４の発光ダイオードの概略を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明
本発明の種々の実施形態は、表面プラズモンポラリトン（「SPP」）強化型LEDに向けられている。これらのLEDは、光源として、少なくとも１つの伸張歪み（引っ張り歪みともいう）が与えられた量子井戸（「QW」）を含む。QWの自然放出（「SE」）レートは、QW固有の特性ではないが、QWの電磁環境に依存する。本発明のLEDの実施形態は、LED表面に配置された金属構造に近接してQWを配置することによってこの現象を利用する。この金属−LED境界面（インターフェース）は、QW中に入り込む（延びる）電子−プラズマ振動によってSPPの形成をサポートする。これらの電子−プラズマ振動は、パーセル効果（Purcell effect）によってQW内の電子−ホール対の再結合率（すなわち、SEレート）を高める。いくつかのSPP強化型LEDの実施形態は、金属−LED境界面から約２０〜３０ｎｍ離れたところに配置された伸張歪みを与えられたQWを用いて８００ｎｍ近辺の波長範囲にわたって光を放出する。これらのSPP強化型LEDは、約１０Gb/s以上の変調速度で光を放出できる一方で、約２０％を超える放射効率を維持でき、これらは、VCSELや他の半導体レーザの変調速度及び効率と比較しても遜色ないものである。典型的なSPP強化形LEDとは異なり、本発明のLEDの実施形態によって作製されたSPPは、より寿命が長く、金属−LED境界面に沿っていくつかの波長の距離にわたって伝搬することができ、自由空間中へ再放出されることができる。
【００１２】
読者がQW及び伸張歪みが与えられたQWを理解するのを支援するために、QW及び伸張歪みが与えられたQWの概要を第１のサブセクションで提供する。本発明の種々のシステムの実施形態は第２のサブセクションで説明される。
【００１３】
量子井戸及び伸張歪みが与えられた量子井戸
半導体原子の外側の電子は、半導体結晶全体にわたって非局在化しており、該外側電子に対応する波動関数を以下のように書くことができる。
【数１】
ここで、
【数２】
は、結晶格子の周期性を表しており、
【数３】
は波数ベクトルであり、ｋは、波数
【数４】
であり、
【数５】
は、半導体の座標ベクトルである。対応する電子エネルギーＥは、
【数６】
の関数であり、これらのエネルギー値は、許容されたエネルギー帯内にある。簡単にするために、最も高位の充満帯（filled band）、価電子帯、２番目に高い帯（バンド）、及び伝導帯のみが記述される。放物型バンド（パラボリックバンド。または放物形伝導帯）近似においては、価電子帯及び伝導帯を放物線によって近似することができる。
【００１４】
図４は、直接遷移型半導体の価電子帯及び伝導帯のプロットを示す。図４において、水平軸４０２は波数ｋを表しており、垂直軸４０４はエネルギーＥを表しており、放物線４０６は伝導帯を表しており、放物線４０８は価電子帯を表している。伝導帯４０６のエネルギーを次の放物型方程式によって表すことができる。
【数７】
ここで、
【数８】
は、伝導帯４０６の一番下にある電子の有効質量であり、
【数９】
は、プランク定数ｈを２πで除したものであり、Ｅｇはバンドギャップエネルギーである。価電子帯４０８におけるエネルギーは、価電子帯の一番上から下方に向かって測定され、次の放物型方程式によって表すことができる。
【数１０】
ここで、
【数１１】
は、価電子帯４０８の一番上における電子の有効質量である。
【００１５】
直接遷移型半導体は、伝導帯の底の位置に対する価電子帯の最上部の位置によって間接遷移型半導体と区別される。直接遷移型半導体の場合、価電子帯の最上部と伝導帯の底は同じ波数において生じ、この波数ｋは、図４に示す価電子帯及び伝導帯では０である。これとは対照的に、間接遷移型半導体の場合は、価電子帯の最上部と伝導帯の底は異なる波数で生じる。直接遷移型半導体を、Al、Ga、Inなどの周期表のIIIA群の元素と、Ｎ、Ｐ、As、Sbなどの周期表のＶＡ群の元素との組み合わせから形成することができ、それらの組み合わせは、III-V化合物半導体と呼ばれる。そのような直接遷移型半導体の例には、GaAs、三元半導体AlGaAs、InGaP、InGaAs、四元半導体InGaAsPなどがある。SiやGeは間接遷移型半導体の例である。
【００１６】
価電子帯４０８及び伝導帯４０６の一次元モデルを、ｋｘ、ｋｙ、ｋｚを電子の波数ベクトル
【数１２】
の成分とし、及び、有効質量（すなわちバンド曲率）がｘ、ｙ、ｚ座標方向に沿って同じであると仮定することによって３次元に一般化することができる。有限寸法Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚを有する有限サイズの矩形の平行６面体の半導体結晶は、該結晶全体における全位相シフト
【数１３】
に対する境界条件を与える。したがって、波数ベクトルの成分は、
【数１４】
として量子化することができる。
ここで、ｉ＝ｘ、ｙ、ｚであり、lｉは整数である。換言すれば、電子エネルギー状態は、量子化されて、価電子帯４０８では、円４１０などの円によって、及び、伝導帯４０６では、円４１２などの円によって表される。充填された（黒い）円は、電子または充填された電子エネルギー状態を表し、空いている（白い）円は、ホールまたは空の電子エネルギー状態を表している。
【００１７】
電子エネルギー状態が同じ波数ｋを有し、電子スピンが変化しない放射電子遷移だけが、伝導帯４０６と価電子帯４０８の間で許された遷移である。換言すれば、伝導帯４０６における電子エネルギー状態と価電子帯４０８における電子エネルギー状態の間の許容された電子遷移の場合、波数ｋ及び電子スピン状態は変化しない。たとえば、図４に示すように、方向を示す矢印４１４は、伝導帯４０６における電子エネルギー状態４１２と、価電子帯４０８における電子エネルギー状態４１０との間の許容された電子エネルギー状態遷移を表しており、エネルギー差は、
【数１５】
によって与えられる。ここで、ｍｒは、ｍ−１ｒ＝ｍ−１ｃ＋ｍ−１νによって与えられる減少した質量である。電子エネルギー状態４１０にある電子が電子エネルギー状態４１２に遷移するために、該電子を周波数ν０を有するフォトンでポンピング（励起）することができる。電子エネルギー状態４１２から電子エネルギー状態４１０に、電子が自発的に遷移するとき、または、電子が誘導（刺激）されて遷移するときには、フォトンが周波数ν０で放出される。
【００１８】
直接遷移型半導体の場合は、実際には、価電子帯４０８に関連する３つの異なるタイプの帯（バンド）が存在する。これらの３つのバンドは、重いホール（「HH」）バンド（heavy hole band）、軽いホール（「LH」）バンド（light hole band）、スプリットオフ（「SO」）バンド（split-off band）と呼ばれる。図５は、歪みが与えられていない直接遷移型半導体の価電子帯構造を示す。スプリットオフバンド５０２は、０に等しいｋにおいてΔだけエネルギーが低いところにあって、常に電子で充填されており、伝導帯４０６から生じる放射遷移及び非放射遷移に関与しない。価電子帯４０８の有効質量ｍνは、HHバンド５０４の有効質量ｍＨＨに等しい。その結果、伝導帯４０６から価電子帯４０８におけるホールへの電子遷移に関しては、価電子帯４０８を、HHバンド５０４に対応するものと見なすことができる。たとえば、伝導帯４０６の電子エネルギー状態４１２にある電子は、、HHバンド５０４におけるホール４１０に遷移する（５０６）。LHバンド５０８は、０に等しいｋにおいてHHバンド５０４と同じエネルギーを共有する。しかしながら、LHバンド５０８の有効質量ｍＬＨ（すなわち、０に等しいｋにおける曲率）は、HHバンド５０４の有効質量ｍＨＨよりもずっと小さいので、LHバンド５０８における軽いホールの状態密度は、HHバンド５０４における重いホールの状態密度の何分の一かにすぎない。その結果、LHバンド５０８は、伝導帯４０６から遷移する電子を受け入れず、HHバンド５０４に比較すると典型的には無視される。
【００１９】
QW半導体では、約５ｎｍ〜約２０ｎｍの厚さの比較的小さな電子バンドギャップエネルギー半導体材料Ｅｇ１の比較的薄い層が、比較的大きな電子バンドギャップエネルギー半導体材料Ｅｇ２の２つの比較的厚い層の間に挟まれている。図６は、２つの比較的厚い半導体層６０４と６０６の間に挟まれたQW６０２の等角図である。Ｅｇ２はＥｇ１より大きいので、電子については、QW６０２の価電子帯の一番上の電子についてポテンシャル井戸が確立され、ホールについては、QW６０２の伝導帯の底にあるホールについてポテンシャル井戸が確立される。これらのポテンシャル井戸に電子及びホールが閉じこめられることによって、電子及びホールのエネルギー準位は量子効果を示す。対応する価電子帯及び伝導帯の電子波動関数を次のように書くことができる。
【００２０】
【数１６】
ここで、
【数１７】
は、ｘ、ｙ面においてQW結晶格子の周期性を有し、
【数１８】
は、ｘ、ｙ面波数ベクトルであり、
【数１９】
は、ｘ、ｙ面におけるQW座標ベクトルである。波動関数
【数２０】
は、
【数２１】
が、ｚが０に等しい場合及びｚがＬｚに等しい場合には０である、という境界条件を満たす。ｘ、ｙ面における有限サイズのQWは、結晶全体における全位相シフト
【数２２】
が２πの整数倍であり、波数ベクトル
【数２３】
の成分が、
【数２４】
として量子化されるように境界条件を与える。ここで、ｉ＝ｘ、ｙであり、ｌｉは整数である。
【００２１】
放物型バンド近似において、エネルギー状態は今や、伝導帯については、
【数２５】
と書くことができ、価電子帯については、
【数２６】
と書くことができるサブバンドエネルギー状態を含んでいる。ここで、ｎは、サブバンドエネルギー状態に対応する正の整数または量子数であり、
【数２７】
は、波数
【数２８】
であり、
【数２９】
は、第１のQW状態のエネルギーである。
【００２２】
図７は、QWに関連する価電子帯及び伝導帯の２つのサブバンドのプロットを示す。図７において、水平軸７０２は波数
【数３０】
を表し、垂直軸７０４は電子エネルギーＥを表し、放物線７０６及び７０８は、ｎ＝１、ｎ＝２のそれぞれの場合の伝導帯サブバンドを表し、放物線７１０及び７１２は、ｎ＝１、ｎ＝２のそれぞれの場合の価電子帯サブバンドを表している。QWのサイズが有限であるために、サブバンドの電子エネルギー状態が量子化される。利用可能な電子状態は円によって表されており、価電子帯７１０及び７１２において充填されている（黒い）円は電子を表し、伝導帯７０６及び７０８において空いている（白い）円はホールを表している。
【００２３】
同じｎ、同じ
【数３１】
、及び、同じ電子スピン状態を有する伝導帯と価電子帯間の遷移のみが許容される。たとえば、図７に示すように、方向を示す矢印７１４は、伝導帯７０６における電子エネルギー状態７１６と価電子帯７１０における電子エネルギー状態７１８との間の第１の許容された電子エネルギー状態遷移を表し、方向を示す矢印７２０は、伝導帯７０８における電子エネルギー状態７２２と価電子帯７１２における電子エネルギー状態７２４との間の第２の許容された電子エネルギー状態遷移を表している。これとは対照的に、方向を示す破線の矢印７２６は許容されない電子エネルギー状態遷移を表しているが、これは、伝導帯７０６と価電子帯７１２に関連する量子数ｎが異なるからである。
【００２４】
図６に示すようにQW６０２の厚みが比較的小さいために、QW６０２の格子定数は、層６０４及び６０６の格子定数と大きく異なる場合がある。量子井戸への歪みの導入は、障壁層（または空乏層）とは異なる格子定数を有する材料の外部に量子井戸を成長させることによって達成することができる。障壁層よりも大きな格子定数を有するQWは、圧縮歪みが与えられたQWとなり、障壁層よりも小さな格子定数を有するQWは伸張歪みが与えられたQWとなる。半導体の電子バンドギャップエネルギーはそれの格子間隔に関連するので、QW結晶格子に導入された歪みは、その歪みが与えられたQWの電子バンドギャップエネルギーを変える。一般的に、歪みは、QWの伝導帯及び価電子帯の両方の構造を変更する。たとえば、QW６０２の伸張ひずみ（たとえば、ｘ、ｙ面内で方向付けられたひずみ）は、QW６０２の量子特性を変え、伝導帯構造及び価電子帯構造に関連する有効質量を変える。伸張歪みが与えられたQWの場合は、量子サイズ効果及び有効質量における変化が、同じ歪みを受けたQW６０２の光学的特性とは著しく異なるQW６０２の光学的特性を生ぜしめる。
【００２５】
図８は、
【数３２】
が０に等しい場合に、歪みが与えられていない状態と伸張歪みが与えられている状態の下で、直接遷移型半導体の電子エネルギー準位がどのように変わるかを示している。図８に示すように、伸張歪みは、LHバンドをHHバンドから分離して、LHバンドのエネルギーをHHバンドのエネルギーよりも大きくすることによってQW６０２の価電子帯構造を変更する。図８はまた、伸張歪みを受けた状態にあるQWの伝導帯と価電子帯の間のエネルギー差が、歪みを受けていない状態の同じQWのそれらのエネルギー差とは異なることを明らかにしている。換言すれば、
【数３３】
が０に等しい場合には、伸張歪みを受けているQWから放出された光（Ｅｇｔｓ＝ｈνｇｔｓ）の周波数νｇｔｓは、同じ半導体材料から構成されている歪みを受けていないQWから放出された光（Ｅｇ＝ｈνｇ）の周波数νｇとは異なる。
【００２６】
図９は、伸張歪みが与えられたQWの価電子帯構造を示す。伸張歪みは、LHバンド９０２をHHバンド９０４よりも高くし、LHバンド９０２の有効質量ｍＬＨ（すなわち、曲率）を、図５に示す歪みが与えられていない場合に比べて大きくする。これは、伝導帯９０６からLHバンド９０２への遷移を促進して、主としてTM（横磁界）成分偏光を生成する。TM偏光は、QW６０２のｘ、ｙ面にほぼ垂直に放出され、TE（横電界）成分は、QW６０２のｘ、ｙ面においてほぼ吸収される。
【００２７】
本発明の実施形態
図１０は、本発明の実施形態にしたがって構成されたLED１０００の概略を表す断面図である。LED１０００は、第１の半導体層１００４と第２の半導体層１００６との間に挟まれたQW１００２を備えている。第１及び第２の半導体層１００４及び１００６を、真性の直接遷移型バンドギャップ半導体材料から構成することができる。層１００４及び１００６は、QW１００２を囲む障壁層よりも広い電子バンドギャップを有する。これらの障壁層は、QW１００２内に電子及びホールを閉じこめる作用をする。LED１０００は、第１の半導体層１００４の表面に配置されたｎ型ヘテロ構造１００８と、第２の半導体層１００６の表面に配置されたｐ型ヘテロ構造１０１０を備える。LED１０００はまた、ｎ型ヘテロ構造１００８の表面に配置された金属構造１０１２を備える。QW１００２は、QW１００２内に伸張歪みを生成するために、第１及び第２の半導体層１００４及び１００６の格子に対して格子不整合状態にある直接遷移型バンドギャップ半導体層である。
【００２８】
図１０に示すように、ｎ型及びｐ型ヘテロ構造１００８及び１０１０は複数の層からなる。これらの層の各々を、各層が、同じヘテロ構造内の隣接する層とは異なる電子バンドギャップエネルギーを有するように、別様にドープされているかまたはドープされていない直接遷移型または間接遷移型バンドギャップ半導体材料から構成することができる。また、異なる材料が選択されるが、それらの材料は、量子井戸１００２に生成されたフォトンに対して透明であるように選択される。たとえば、各層を、バンドキャップがより広い異なるIII-V化合物半導体から構成することができる。具体的には、ｎ型ヘテロ構造１００８は、第１の半導体層１００４の表面に配置された第１のｎ型半導体層１０１４、及び、該第１のｎ型半導体層１０１４と金属構造１０１２との間に挟まれた第２のｎ型半導体層１０１６から構成される。ｎ型半導体は、電子供与体不純物をドープされた半導体である。第１のｎ型半導体層１０１４を、第２のｎ型半導体層１０１６の電子バンドギャップエネルギーより大きいかまたはそれと同じ電子バンドギャップエネルギーを有する半導体及びドーパントから構成することができる。ｐ型ヘテロ構造１０１０は以下の層から構成されている。すなわち、第２の半導体層１００６の表面に配置された第１の組成的に傾斜した半導体層１０１８、該第１の傾斜した半導体層１０１８の表面に配置された第１のｐ型半導体層１０２０、第１のｐ型半導体層１０２０の表面に配置された第２の組成的に傾斜した半導体層１０２２、該第２の傾斜した半導体層１０２２の表面に配置された第２のｐ型半導体層１０２４、及び、該第２のｐ型半導体層１０２４の表面に配置された第３のｐ型半導体層から構成されている。ｐ型半導体は、電子受容体不純物をドープされている半導体である。組織的に傾斜した半導体は、電子バンドギャップが位置と共に変わる半導体である。これは、半導体の組成を変化させることによって達成される。傾斜した領域はヘテロ接合不連続性を最小化するために導入されるが、これは、半導体層間の直列抵抗を小さくして電流の流れを改善する。第１及び第２の傾斜した半導体層１０１８及び１０２２を、隣接する第１及び第２のｐ型半導体層１０２０及び１０２４よりも電子バンドギャップエネルギーが大きなｐ型半導体材料から構成することができる。
【００２９】
本発明のLEDの実施形態は、図１０を参照して説明したヘテロ構造の金属構造／n-i-p配列に限定されない。換言すれば、LEDの実施形態は、ｎ型ヘテロ構造１００８を構成する２つのｎ型半導体層、及び、該ヘテロ構造１０１０を構成する５つのｐ型半導体層には限定されない。他の実施形態では、第１の半導体層１００４と金属構造１０１２の間に配置された層１０１６及び１０１４に、ｐ型ヘテロ構造１００８を与えるｐ型不純物をドープすることができ、層１０１８〜１０２６に、ｎ型ヘテロ構造１０１０を与えるｎ型不純物をドープすることができる。換言すれば、ＬＥＤ１０００は、ヘテロ構造をなす金属構造／p-i-n配列を有することができる。
【００３０】
異なる実施形態では、LED１０００を構成する個々の層の厚みを大きく変えることができる。たとえば、LED層の厚みは、以下の表１に示す範囲をとることができる。
【００３１】
【表１】
【００３２】
順方向バイアス方向に適切な電圧を印加することによってLED１０００を動作させることができる。図１１は、LED１０００の等角図であって、本発明の実施形態にしたがって電圧源に接続されたLED１０００の略図である。図１１に示すように、層１１０２が、LED１０００の第３のｐ型半導体層１０２６の外面に配置されており、電圧源１１０４が、金属構造１０１２及び層１１０２に接続されている。層１１０２を、導電性で光学的に透明な材料から構成することができる。たとえば、層１１０２を、インジウムスズ酸化物（「ITO」）または別の適切な導電性の透明材料とすることができる。電圧源１１０４は、ｎ型ヘテロ構造１００８に負電圧を供給し、ｐ型ヘテロ構造１０１０に正電圧を供給するように構成されている。負電圧は、電子をＱＷ１００２に向かって駆動するものと考えることができ、正電圧は、ホールをQW１００２に向かって駆動するものと考えることができる。QW１００２は、LED１０００の残りの層よりも電子バンドギャップエネルギーＥｇが小さい直接遷移型バンドギャップ半導体材料から構成されている。電圧源１１０４を、ｎ型ヘテロ構造とｐ型ヘテロ構造からQW１００２へとそれぞれ電子とホールを注入するのに十分大きな電圧レベルを供給するように構成することができる。QW１００２によって生成された光は、QW１００２から放出されて、層１１０２を通ってLED１０００から出力される。
【００３３】
本発明のLEDの実施形態は、図１１に示す矩形の箱状の構成に限定されないことに留意されたい。LEDの実施形態を、多くの異なる３次元形状に形成することができるが、それらには、直平行六面体、円柱形、ｎ角柱、不規則な形状の角柱、多面体、あるいは、任意の他の適切な３次元形状が含まれる。さらに、LEDの表面は、半導体と空気の境界面における全反射（「TIR」）を回避するために粗くすることができる。
【００３４】
QW１００２において電子−ホール対を再結合することは、双極子を崩壊することであると考えることができる。本発明の実施形態の動作を説明するために、「電子−ホール対」という用語と「双極子」という用語は同じ意味で用いられる。一般的に、崩壊する双極子のSEレートは、双極子強度だけでなく、その電磁（「EM」）環境にも依存する。双極子近辺のEM環境を変えることによって、双極子のSEレートを、完全に抑圧された放射から大きく増強された放射へと調整することができ、これは「パーセル効果」と呼ばれている。パーセル効果を理解する１つの方法は、双極子遷移周波数に対応する所与の周波数νにおいて振動する光学「モード」の集合としてのEM環境を考えることである。バルク材では、これらのモードは、周波数νの全ての平面EM波の単なる集合である。双極子が、該双極子の位置において電界
【数３４】
を有する特定のモードに結合する放射パワーの量は、
【数３５】
に比例する。ここで、
【数３６】
は、双極子モーメントの配向（向き）または双極子ベクトルである。したがって、双極子の放射パワーは、双極子が電界
【数３７】
に整列したときに最大になり、整列していないときに０になる。さらに、双極子によって放出される全パワーは、
【数３８】
の周波数νのすべてのモードにわたる合計に単純に比例する。光学キャビティや他の共振要素を導入するなどによって、双極子近辺のEM環境を変えることにより、周波数ν１の第１の周波数領域のモードを周波数ν２の第２の周波数領域に変換して、該第１の周波数領域におけるモードの数（または密度）を激減させて、該第２の周波数領域におけるモードの数を多くすることができる。これが行われると、周波数ν１で振動する双極子は、該双極子が崩壊して移行するのに利用可能なモードの数が少なくされているためにより遅く崩壊する。これとは対照的に、周波数ν２で振動する双極子は、該双極子が崩壊して移行するのに利用可能なモードの数が多くされているためにより速く崩壊する。
【００３５】
Ｆｐ＝（複合環境における双極子のSEレート）／（バルク材における双極子のSEレート）
によって与えられるパーセル係数（またはパーセル因子）を用いて、SEレートを測定することができる。尚、複合環境はQWを指し、バルク材は、ｎ型及びｐ型ヘテロ構造などの周りを囲んでいる材料を指す。パーセル係数が大きくなるほどSEレートは速くなる。
【００３６】
図１２は、本発明の実施形態にしたがって動作するLED１０００の断面図である。QW１００２における電子−ホール対（すなわち、双極子）の再結合のSEレートは、QW１００２の半導体材料だけの固有の特性ではない。上述したように、電子−ホール対の再結合のSEレートは、QW１００２の電磁環境に依存する。具体的には、QW１００２のSEレートは、QW１００２の位置における電磁真空場の状態の局所密度に依存し、これは、QW１００２が結合することができる伝搬する光学モードの数及び強度の測度である。再結合する電子−ホール対の電磁環境を変えて、QW１００２のSEレートを高めるために、SPPが、金属構造１０１２と第２のｎ型半導体層１０１６との間の境界面１２１２に沿って形成される。図１１を参照して説明したように、電圧がLED１０００に印加され、電子−ホール再結合の結果として光が放出される。この光によって、境界面１２１２に沿ってSPPが形成される。SPPは、電子−ホール対の再結合率を高め、これによって、LED１０００から光が放出され、SPPの形成が促進される。境界面１２０２はSPPモードを支援する。該SPPモードは、金属の表面に存在する電子励起の量子化された状態であり、縦方向と横方向の電磁界成分の両方を有する電子−プラズマ振動として現れる。磁界成分は、境界面１２０２にほぼ平行で、かつ、伝搬方向にほぼ垂直であり、一方、電界成分は、境界面１２０２に垂直で、かつ、対象とする波長におけるSPP伝搬方向に平行である。
【００３７】
本発明では、QW１００２の再結合する双極子（すなわち、電子−ホール対）近辺に金属−誘電体境界面１２１２が存在するために、そのSEレートを少なくとも１０倍高めることができるように、QW周波数におけるモード密度を変更することができる。境界面１２１２は、次の有効（複素）屈折率によって記述される分散を有する光学SPPモードを支援する。
【数３９】
ここで、εｍ及びεは、それぞれ、金属と誘電体材料の（複素）誘電率であり、該金属のプラズマ周波数のすぐ上の周波数範囲におけるものである。εｍの実部は実質的に負である。SPPは、境界面１２１２から数十ナノメートル内において非常に強い電界
【数４０】
を有する。実際、この電界は非常に強いために、SPPモードだけが双極子SE崩壊の大部分を収集して、その大きなSEレートの増加をSPPモードによって占めることができる場合がある。LED１０００は、QW１００２が境界面１２０２の近くにあり、これによって、SPPの電子−プラズマ振動がQW１００２に及ぶように（またはQW１００２中に入り込むように）構成される。たとえば、QW１００２は、境界面１２１２から約２０〜３０ｎｍのところにあるものとすることができる。図１２において、曲線１２０４は、電子−プラズマ振動の電界
【数４１】
成分が金属構造１０１２中に入り込む範囲を表しており、曲線１２０６は、電子−プラズマ振動の電界成分が、ｎ型ヘテロ構造１００８を貫通してQW１００２中へと入り込む範囲を表している。曲線６０４及び６０６は、電界成分が境界面１２０２から離れるにしたがって、どのように指数関数的に減衰するかを示している。SPPは、QW１００２における電子−ホール対の再結合率の大幅な増加を導く高密度電界を有している。QW１００２は伸張歪みを受けているので、図８及び図９を参照して上述したように、対応する価電子帯構造は、LHサブバンドの電子エネルギーがHHサブバンドよりも高くなるように変更される。その結果、QW１００２の伝導帯からLHバンドへの電子遷移のレートは、主としてTM（横磁界）成分偏光放射を放出し、一方で、TE（横電界）成分を抑圧することによって高められる。量子井戸１００２は、QW１００２からの放射波長が金属のSPP共振よりも長くなるように選択される。これによって、SPPの吸収損失が低減され、SPPは、金属−半導体境界面に沿ってより長い距離を伝搬できるようになる。プラズモン強化型LED１０００は、表面プラズモン共鳴から十分に離れた状況において動作し、依然として、再結合率を高めることを可能にする。
【００３８】
SPPの主共振は、εｍの実部がεとは正反対である場合の周波数である。主共振では、ｎｅｆｆの実部と虚部の両方が非常に大きくなり、金属または誘電体における残留吸収によってのみ制限される値を有する。一定の（微小な）周波数範囲内のSPPモードの数を記述するモードの密度もまた非常に大きくなる。銀や金などの低損失の貴金属を金属構造１０１２に使用することによって、QW双極子モーメントの全ての配向について、約１０００の大きなパーセル係数が得られる。しかしながら、ｎｅｆｆの虚部もまた大きいので、SPPは、ホスト金属において急速に吸収されて、該ホスト金属において熱として消散され、したがって、QWからSE光を効率的に収集することができない。本発明の実施形態は、この問題に２つの方法で対処するように構成されている。第１は、SPPは、その構成（または状況乃至システム）において約１０の中程度のパーセル係数を生成するためにその主共振から離れて使用される。その結果、SPPは、消散する前に数個の光波長について金属表面を実際に伝搬する。これは、また、図１３を参照して後述するように、格子及び表面粗さなどを用いて、適切なやり方で金属構造１０１２の表面をパターン形成することによって達成することができる、自由空間モードへのSPPの再放射を可能にする。さらに、SPPがその主共振から離れて使用されるときには、SPPは、ほとんどQW１００２のTM双極子だけに結合し、該双極子は、金属表面及びQW１００２に垂直に配向している。これは、本来専らTEであるところの伝導帯からHH価電子帯への遷移を用いた標準的なQWの使用を排除する。第２に、伸張歪みが与えられたQW１００２を上述のように使用する。伸張歪みが与えられたQW１００２は、優先的にTMである双極子モーメントを有し、SPPモードと良好に結合する。主共振から離れたSPPを使用する結合、及び、伸張歪みが与えられたQW１００２によって、LED１０００のSEレートを１０倍だけ高めると共に、大きな外部効率を維持するための手段が提供される。
【００３９】
図１２の方向を示す矢印１２０８及び１２１０によって示すように、TM偏光放射を、QW１００２の面にほぼ垂直に放出することができる。正確な放射パターンは、金属−誘電体境界面の粗さや他の要因に依存する。金属構造１０１２に向かって送られるTM偏光放射は、反射して戻されて、方向を示す矢印１２１４〜１２１６によって示すように、ｐ型ヘテロ構造１０１０を通って出力される。
【００４０】
図１１に示すように、同じ順方向バイアスの方向に適切な電圧が印加されている限り、電子は、ｎ型ヘテロ構造１００８を通ってＱＷ１００２に向かって流れ、ホールは、ｐ型ヘテロ構造１０１０を通ってQW１００２に向かって流れ、この場合、電子はQW１００２において自発的に（すなわち、自然発生的に）再結合して、TM偏光放射が放出される。電子がホールと再結合する率（レート）は、境界面１２１２に沿って生成されたSPPの存在によって大きく高められる。その結果、LED１０００は、約１０Ｇｂ／ｓまたはこれより速い変調速度で光を放出するとともに、約２０％を超える放射効率を維持することができる。
【００４１】
金属構造１０１２を、金、銀、アルミニウム、プラチナ（白金）、銅、または、他の適切な金属、または、対象とする周波数におけるプラズモンモードをサポートすることができるそれらの合金から構成することができる。金属構造１０１２を、図１０〜図１２に示すように上面が平坦な表面であるように構成することもでき、または、金属構造１０１２を、境界面１２０２において生成されたSPPを自由空間中へ放射するように設計された格子を有するように構成することができ、金属構造１０１２は、LED１０００の放射効率を高めることができる。図１３は、本発明の実施形態にしたがって構成された第２のLED１３００の等角図である。図１３に示すように、金属構造１３０２は、一定間隔で隔置された矩形の孔の配列からなる格子を備えている。本発明の別の実施形態では、これらの孔を円形や楕円形や矩形や、他の任意の適切な形状にすることができ、これらの孔を、規則的なパターンをなすように配列したり、図１３に示すように、TM偏光放射が格子を通って放出されることを可能にする任意の適切なパターンをなすように配列することができる。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態では、LEDを、約８００ｎｍの波長を有するTM偏光放射を放出するように構成することができる。図１４Ａは、本発明の実施形態にしたがって、約８００ｎｍの波長を有するTM偏光放射を放出するように構成されたLED１４００の断面図である。LED１４００は、Ag金属構造１４０２、２つの層からなるｎ型ヘテロ構造１４０４、及び、５つの層からなるｐ型ヘテロ構造１４０６を備える。LED１４００は、また、約１０ｎｍの厚みを有する第１の真性Al３５Ga６５As層１４１０と約８０ｎｍの厚みを有する第２の真性Al３５Ga６５As層１４１２との間に挟まれた約１０ｎｍの厚みを有する真性GaAs８８５P１１５QW１４０８を備える。図１４Ａは、組成、おおよそのドーパント濃度、及び、ｎ型及びｐ型ヘテロ構造１４０４と１４０６を構成する層のおおよその厚みを明らかにしている。たとえば、層１４１４は、約１０ｎｍの厚みであって、約２×１０１８のSi原子／ｃｍ３をドープされたAl２５Ga７５Asから構成され、層１４１６は、約５００ｎｍの厚みであって、約５×１０１７のＣ原子／ｃｍ３がドープされたAl６５Ga３５Asから構成されている。LEDを、該LEDが成長した基板、たとえば、GaAsを除去することによって形成することができる。なぜなら、該基板は、損失を付加して、LEDの効率を低下させるからである。このために、基板を別の基板に結合した後に、LED層を（該別の基板に結合した）該基板から除去できるように、AlAsなどのエッチストップ層をエピタキシャルに成長させることができる。したがって、シリコン（ケイ素）やシリコンカーバイド（炭化ケイ素）などのキャリア基板（carrier substrate）への金属−金属結合を実施し、その後、基板を除去して、LED中へと処理されることができる薄いエピタキシャル層を生成することによってLEDが作製される。
【００４３】
図１４Ｂは、本発明の実施形態にしたがう（Ag金属構造１４０２のない）LED１４００に関連するフォトルミネセンススペクトルのプロットを示す。図１４Ｂに示すように、水平軸１４２０はナノメートル単位の波長を表し、垂直軸１４２２は電圧単位のフォトルミネセンスを表し、曲線１４０６はＬＥＤ１４００のフォトルミネセンスを表している。曲線１４０６は、L. Li, JOSA A, 14, 2758 (1997)を出典とする厳密結合波解析（RigorousCoupled-Wave Analysis）シミュレーションを用いて決定された。曲線１４０６のピークは、LED１４００にしたがって構成されたLEDが、約８００ｎｍの波長で約２４ｎｍの狭線幅のTM偏光放射を放出することを示している。SPP強化型LED１４００は、約１０Ｇｂ／ｓ以上の変調速度で光を放出するとともに、約２０％を超える放射効率を維持することができる。
【００４４】
本発明の実施形態は単一のQWに限定されない。本発明の他の実施形態では、任意の数のQWを使用することができ、それらのQWが金属構造境界面に沿って形成されたSPPの電子-プラズマ振動に結合するように、それらのQWを該金属の近くに設けることができる。図１５は、本発明の実施形態にしたがって構成されたLED１５００の概略を表す断面図である。LED１５００は、該LED１５００が、境界面１２０２に沿って形成されたSPPの電子−プラズマ振動内に配置されている３つのQW１５０１〜１５０３を含んでいることを除いてLED１０００とほぼ同じである。これらのQW１５０１〜１５０３は、層１５０５及び１５０６によって分離されており、これらの層の厚みは約５ｎｍとすることができ、これらの層を、層１００４及び１００６を構成する材料と同じ真性半導体材料から、または、異なる半導体材料から構成することができる。
【００４５】
説明のための以上の記述において、本発明を完全に理解できるようにするために特定の用語を使用した。しかしながら、本発明を実施するために特定の細部は必要ではないことは当業者には明らかであろう。本発明の特定の実施形態についての上記記述は、例示及び説明のために提示されたものである。それらは、本発明を網羅することも、開示した形態そのものに本発明を限定することも意図するものではない。上記の教示に照らして多くの修正及び変形が可能であることは明らかである。本発明の原理及びその実用的応用を最良に説明し、これによって、当業者が、意図している特定の用途に適するように種々の変更を行って本発明及び種々の実施形態を最良に利用できるように、それらの実施形態は図示し説明された。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物によって画定されることが意図されている。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光電子デバイス、特に、表面プラズモンポラリトンを介して強化された発光ダイオードに向けられている。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロニクス産業は、小型、高性能、低消費電力マイクロエレクトロニクスデバイスに対する絶え間なく高まる要求によって発展してきた。マイクロエレクトロニクスのメーカは、たとえば、５０ｎｍのオーダーの寸法のマイクロプロセッサトランジスタを製作することができる。しかしながら、これらのマイクロプロセッサ間のデジタル情報の伝送、一般的には、同じ回路基板に配置された計算デバイスと記憶デバイス間でのデジタル情報の伝送には比較的大きな遅延が存在する。デジタル情報を伝送するために銅及びアルミ線による相互接続が伝統的に使用されてきたが、数が指数関数的に増加するナノスケール電子デバイスによって必要とされる接続の数に対応するには、電子的相互接続の数を増加させることでは追いつかなくなってきた。性能がスケーリングとともに向上するトランジスタとは異なり、電子的相互接続の数の対応する増加によって引き起こされる遅延は大きくなるとともに、デジタル回路の速度の重大なボトルネックとなっている。
【０００３】
光ファイバーやポリマー導波路を使用する光学的相互接続が、電子的相互接続の代替として提案されている。たとえば、単一光ファイバーケーブルは、チャンネルすなわち光の異なる波長に符号化された数テラビット／秒のデジタル情報を伝送することができるが、これは、電気ケーブルを用いて同じデジタル情報を伝送する場合の約１０００倍の能力である。「光」という用語は、電磁スペクトルの可視部にある波長を有する電磁放射に限定されず、赤外部や紫外部などの可視部以外の波長を有する電磁放射を指すためにも用いられ、及び、古典電磁放射及び量子電磁放射の両方を指すために用いられることもできる。半導体レーザ及び発光ダイオード（「LED」）は、光通信用に一般的に使用される２つの光源である。しかしながら、これらの光源の構成及び動作は基本的に異なっており、性能及びコストの違いが、どの光源を使用するかを決定する際の重要な要因になりうる。一般に、半導体レーザ及びLEDは半導体材料を使用するが、動作の態様、及び、それらの動作を制御する内部構造に主な違いがある。以下に、LEDと半導体レーザの構造及び動作上の類似点及び相違点の概要を簡単に説明する。
【０００４】
LEDは、順方向に電気的にバイアスされたときに非コヒーレンスの狭いスペクトル光を放射する半導体p-i-n接合ダイオードである。この効果は、エレクトロルミネセンスの形態をとる。図１は、LED１００の概略を表す断面図である。LED１００は、ｐ型半導体領域１０４とｎ型半導体領域１０６の間に挟まれた真性領域すなわちドープされていない領域１０２を有する。電極１０８と１００が領域１０４と１０６にそれぞれ接続されている。領域１０４と１０６は、より幅広の（直接遷移型または間接遷移型）電子バンドギャップ半導体であることができ、一方、領域１０２はそれより幅の狭い直接遷移型バンドギャップ半導体であることができ、それゆえ、二重ヘテロ構造p-i-n接合を形成することができる。ｐ形領域１０４は、不純物すなわち、電子受容体原子をドープされており、これらの電子受容体原子は、これらが半導体化合物において置き換わる原子よりも少ない電子を有し、これによって、ｐ型領域１０４の価電子帯（valance band）にホール（正孔）または空電子エネルギー状態を生成する。一方、ｎ型領域１０６は、不純物、すなわち、半導体に電子を与える電子供与体（電子ドナー）原子をドープされており、これによって、ｎ型領域１０６の伝導帯の電子エネルギー状態に余分の電子を残す。空乏領域が、ｐ型半導体領域１０４とｎ型半導体領域１０６の間の化学ポテンシャルの差の結果として領域１０２に形成される。この組み込まれたポテンシャルの差は、ｐ型領域１０４とｎ型領域１０６の間の電子及びホールの流れを妨げる平衡条件である。このポテンシャルの差は、電流がダイオードを通って流れることができるようになるまでに克服されなければならない。
【０００５】
図２のＡ及び図２のＢは、領域１０２、１０４、１０６の電子エネルギーバンド図である。図２のＡ及びＢにおいて、領域２０２などの濃く網掛けされている領域は、ほとんどが充填された電子エネルギー状態を表しており、領域２０４などの薄く網掛けされた領域は、正電荷キャリアのように作用する「ホール」と呼ばれるほとんど空の電子エネルギー状態を表している。電子及びホールは「電荷キャリア（電荷担体）」と呼ばれる。電子供与体不純物は、伝導帯に近い電子状態を生成し、電子受容体は価電子帯に近い電子状態を生成する。したがって、図２のＡに示すように、ｐドープ領域（ｐ型がドープされた領域）１０４に関連する価電子帯及び伝導帯は、ｎドープ領域（ｎ型がドープされた領域）１０６に関連する価電子帯及び伝導帯よりも電子エネルギーが高い。領域１０２、１０４、１０６に関連するバンドギャップエネルギーの大きさに依存して、領域２０６及び２０８によって示すように、いくつかの電子をほとんどが空の伝導帯へと熱的に励起することができる。０のバイアスでは、領域１０２は、伝導帯において比較的低い濃度の電子を有し、それと同じ数のホールを価電子帯に有する。図２のＡは、また、領域１０２に関連する急勾配の伝導帯及び価電子帯を明らかにしており、該領域１０２は、ホール及び電子が、近傍にあるｐドープ領域１０４及びｎドープ領域１０６からそれぞれ移動するのを阻止する。しかしながら、順方向バイアスがLED１００に印加されると、電子はｎドープ領域１０６に注入され、ホールはｐドープ領域１０４に注入される。したがって、電子エネルギーバンド図は、これに応じて、図２のＢに示すように変化する。領域１０２に関連する急勾配のポテンシャルは平坦になる。電子はｎ型領域１０６から領域１０２の伝導帯へと注入され、ホールはｐ型領域１０４から領域１０２の価電子帯へと注入される。電子とホールの数は同じに維持されることに留意されたい。領域１０４及び１０６の比較的高い電子バンドギャップエネルギーは、流入されたキャリアを真性領域１０２に閉じこめる働きをする。「電子−ホール再結合」または「再結合」と呼ばれる放射プロセスにおいて、電子は、伝導帯２１０の一番下から、価電子帯２１２の一番上にあるホールと自発的に再結合して、
Ｅ＝ｈν≧Ｅｇ
で表されるエネルギーＥの光のフォトン（光子）を放出する。ここで、ｈはプランク定数であり、νは放出される光の周波数である。適切な電圧が同じバイアス方向である順方向に印加される限り、反転分布が維持され、電子及びホールはダイオードを通って流れ、接合部１０２で自発的に再結合し、LED１００からほぼ全ての方向に周波数νの光が放出される。
【０００６】
一方、半導体レーザは、利得媒質、ポンプ、及び、レーザキャビティに利得媒質を配置することによって生成可能なフィードバックを備える。図３は、半導体ダイオードレーザ３００の概略を表す断面図である。レーザ３００の利得媒質は、LED１００を参照して上述したように、ｐ型領域３０４とｎ型領域３０６の間に挟まれた１つ以上の量子井戸３０２を有する真性領域から構成される。レーザ３００はまた、完全反射ミラー３０８及び部分反射ミラー３１０によって形成されたキャビティを備える。ミラー３０８及び３１０は、光のコヒーレントビームを生成するのに必要なフィードバックを提供する。利得媒質をポンピングすることによって、「反転分布」と呼ばれるプロセスにおいて、キャリアが伝導帯に注入され、ホールが価電子帯に注入される。しかしながら、LEDとは異なり、周波数νの光の自然放出は、ミラー３０８及び３１０によって反射されて利得媒質へと戻される。自然放出によって生成された光は、周波数がνのより多くの光の放出を促進（または刺激）し、促進された放出は、周波数がνのさらに多くの光の放出を促進（または刺激）する。これらの光は吸収されず、実質的に同じ方向、波長及び位相で、ミラー３０８と３１０の間を往復することによって増大し続け、強め合うように干渉して、接合部３０２にほぼ平行な部分反射ミラー３１０から漏れ出る周波数νの光の増幅されたコヒーレントビームを生成する。半導体レーザは、面発光レーザ（「VCSEL」）のような、接合部に垂直な光を放出するブラッグ反射器を形成するように異なる屈折率を有する層で構成することができる。
【０００７】
一般に、LEDは、自発的な電子−ホール再結合を介して光を放出する。これとは対照的に、半導体レーザは、主に誘導された電子−ホール再結合を介して光を放出するが、これは、光を利得媒質中に伝搬させることによって達成される。その結果、レーザを、典型的なLEDよりもはるかに速い速度で変調することができる。なぜなら、電子−ホールの再結合率（または電子−ホールの再結合レートまたは電子−ホールの再結合の速さ。以下同じ）は誘導放出によって促進されるが、LEDにおける自発的（自然発生的な）電子−ホール再結合はそれよりはるかに遅いプロセスだからである。一方、レーザキャビティ（レーザ空胴）にフォトンを予め送り込むことは、レーザ閾値の観点から測定されるあるエネルギーコストがかかる。LEDは、閾値を持っておらず、より低い入力電力及びより単純な駆動回路で動作することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、光電子デバイスで使用される半導体レーザの比較的高いコストは、該半導体レーザが普及するのを制限する要因である。たとえば、多くの高速光通信システムにおいて、最もコストの高い要素はレーザである。VCSELは、約３００ｍよりも短い光通信リンクで使用されることができるレーザの１例である。VCSELは信頼性が高くて効率がよく、さらに、１０Ｇｂ／ｓを超える変調速度が可能であるが、計算及び通信装置にVCSELを実装するコストは法外に高くなりうる。
【０００９】
典型的なLEDは、高速のVCSELよりも約１０００倍安いので、LEDは、信頼性の高い安価なものとしてレーザの代替物となりうる。しかしながら、LEDの性能をレーザと比較すると、LEDには、８００Ｍｂ／ｓより遅い変調速度、半値全幅の約３０ｎｍという広いスペクトル線幅、効率の悪さ、ランバート放射パターン（lambertianradiation pattern）を含むいくつかの重大な制限がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】発光ダイオードの概略を表す断面図である。
【図２】半導体ダイオードの接合部に関する電子エネルギーバンド図を示す。
【図３】半導体ダイオードレーザの概略を表す断面図である。
【図４】直接遷移型半導体に関する価電子帯及び伝導帯のプロットを示す。
【図５】ひずみが与えられていない直接遷移型半導体の価電子帯構造のプロットを示す。
【図６】２つのより厚い半導体層の間に挟まれた量子井戸の等角図である。
【図７】量子井戸に関連する２つの価電子帯サブバンド及び伝導帯サブバンドのプロットを示す。
【図８】歪みを受けていない状態と伸張歪みを受けた状態で直接遷移型半導体の電子エネルギー準位がどのように変わるかを示す。
【図９】伸張歪みを受けた量子井戸に関する価電子帯構造を示す。
【図１０】本発明の実施形態にしたがって構成された第１の発光ダイオードの概略を表す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態にしたがって電圧源に接続された、図１０に示す発光ダイオードの等角図である。
【図１２】本発明の実施形態にしたがって動作する、図１０に示す発光ダイオードの断面図である。
【図１３】本発明の実施形態にしたがって構成された第２の発光ダイオードの等角図である。
【図１４Ａ】本発明の実施形態にしたがって構成された第３の発光ダイオードの概略を表す断面図である。
【図１４Ｂ】本発明の実施形態にしたがう、図１４Ａに示す発光ダイオードに関連するフォトルミネセンススペクトルのプロットを示す。
【図１５】本発明の実施形態にしたがって構成された第４の発光ダイオードの概略を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明
本発明の種々の実施形態は、表面プラズモンポラリトン（「SPP」）強化型LEDに向けられている。これらのLEDは、光源として、少なくとも１つの伸張歪み（引っ張り歪みともいう）が与えられた量子井戸（「QW」）を含む。QWの自然放出（「SE」）レートは、QW固有の特性ではないが、QWの電磁環境に依存する。本発明のLEDの実施形態は、LED表面に配置された金属構造に近接してQWを配置することによってこの現象を利用する。この金属−LED境界面（インターフェース）は、QW中に入り込む（延びる）電子−プラズマ振動によってSPPの形成をサポートする。これらの電子−プラズマ振動は、パーセル効果（Purcell effect）によってQW内の電子−ホール対の再結合率（すなわち、SEレート）を高める。いくつかのSPP強化型LEDの実施形態は、金属−LED境界面から約２０〜３０ｎｍ離れたところに配置された伸張歪みを与えられたQWを用いて８００ｎｍ近辺の波長範囲にわたって光を放出する。これらのSPP強化型LEDは、約１０Gb/s以上の変調速度で光を放出できる一方で、約２０％を超える放射効率を維持でき、これらは、VCSELや他の半導体レーザの変調速度及び効率と比較しても遜色ないものである。典型的なSPP強化形LEDとは異なり、本発明のLEDの実施形態によって作製されたSPPは、より寿命が長く、金属−LED境界面に沿っていくつかの波長の距離にわたって伝搬することができ、自由空間中へ再放出されることができる。
【００１２】
読者がQW及び伸張歪みが与えられたQWを理解するのを支援するために、QW及び伸張歪みが与えられたQWの概要を第１のサブセクションで提供する。本発明の種々のシステムの実施形態は第２のサブセクションで説明される。
【００１３】
量子井戸及び伸張歪みが与えられた量子井戸
半導体原子の外側の電子は、半導体結晶全体にわたって非局在化しており、該外側電子に対応する波動関数を以下のように書くことができる。
【数１】
ここで、
【数２】
は、結晶格子の周期性を表しており、
【数３】
は波数ベクトルであり、ｋは、波数
【数４】
であり、
【数５】
は、半導体の座標ベクトルである。対応する電子エネルギーＥは、
【数６】
の関数であり、これらのエネルギー値は、許容されたエネルギー帯内にある。簡単にするために、最も高位の充満帯（filled band）、価電子帯、２番目に高い帯（バンド）、及び伝導帯のみが記述される。放物型バンド（パラボリックバンド。または放物形伝導帯）近似においては、価電子帯及び伝導帯を放物線によって近似することができる。
【００１４】
図４は、直接遷移型半導体の価電子帯及び伝導帯のプロットを示す。図４において、水平軸４０２は波数ｋを表しており、垂直軸４０４はエネルギーＥを表しており、放物線４０６は伝導帯を表しており、放物線４０８は価電子帯を表している。伝導帯４０６のエネルギーを次の放物型方程式によって表すことができる。
【数７】
ここで、
【数８】
は、伝導帯４０６の一番下にある電子の有効質量であり、
【数９】
は、プランク定数ｈを２πで除したものであり、Ｅｇはバンドギャップエネルギーである。価電子帯４０８におけるエネルギーは、価電子帯の一番上から下方に向かって測定され、次の放物型方程式によって表すことができる。
【数１０】
ここで、
【数１１】
は、価電子帯４０８の一番上における電子の有効質量である。
【００１５】
直接遷移型半導体は、伝導帯の底の位置に対する価電子帯の最上部の位置によって間接遷移型半導体と区別される。直接遷移型半導体の場合、価電子帯の最上部と伝導帯の底は同じ波数において生じ、この波数ｋは、図４に示す価電子帯及び伝導帯では０である。これとは対照的に、間接遷移型半導体の場合は、価電子帯の最上部と伝導帯の底は異なる波数で生じる。直接遷移型半導体を、Al、Ga、Inなどの周期表のIIIA群の元素と、Ｎ、Ｐ、As、Sbなどの周期表のＶＡ群の元素との組み合わせから形成することができ、それらの組み合わせは、III-V化合物半導体と呼ばれる。そのような直接遷移型半導体の例には、GaAs、三元半導体AlGaAs、InGaP、InGaAs、四元半導体InGaAsPなどがある。SiやGeは間接遷移型半導体の例である。
【００１６】
価電子帯４０８及び伝導帯４０６の一次元モデルを、ｋｘ、ｋｙ、ｋｚを電子の波数ベクトル
【数１２】
の成分とし、及び、有効質量（すなわちバンド曲率）がｘ、ｙ、ｚ座標方向に沿って同じであると仮定することによって３次元に一般化することができる。有限寸法Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚを有する有限サイズの矩形の平行６面体の半導体結晶は、該結晶全体における全位相シフト
【数１３】
に対する境界条件を与える。したがって、波数ベクトルの成分は、
【数１４】
として量子化することができる。
ここで、ｉ＝ｘ、ｙ、ｚであり、lｉは整数である。換言すれば、電子エネルギー状態は、量子化されて、価電子帯４０８では、円４１０などの円によって、及び、伝導帯４０６では、円４１２などの円によって表される。充填された（黒い）円は、電子または充填された電子エネルギー状態を表し、空いている（白い）円は、ホールまたは空の電子エネルギー状態を表している。
【００１７】
電子エネルギー状態が同じ波数ｋを有し、電子スピンが変化しない放射電子遷移だけが、伝導帯４０６と価電子帯４０８の間で許された遷移である。換言すれば、伝導帯４０６における電子エネルギー状態と価電子帯４０８における電子エネルギー状態の間の許容された電子遷移の場合、波数ｋ及び電子スピン状態は変化しない。たとえば、図４に示すように、方向を示す矢印４１４は、伝導帯４０６における電子エネルギー状態４１２と、価電子帯４０８における電子エネルギー状態４１０との間の許容された電子エネルギー状態遷移を表しており、エネルギー差は、
【数１５】
によって与えられる。ここで、ｍｒは、ｍ−１ｒ＝ｍ−１ｃ＋ｍ−１νによって与えられる減少した質量である。電子エネルギー状態４１０にある電子が電子エネルギー状態４１２に遷移するために、該電子を周波数ν０を有するフォトンでポンピング（励起）することができる。電子エネルギー状態４１２から電子エネルギー状態４１０に、電子が自発的に遷移するとき、または、電子が誘導（刺激）されて遷移するときには、フォトンが周波数ν０で放出される。
【００１８】
直接遷移型半導体の場合は、実際には、価電子帯４０８に関連する３つの異なるタイプの帯（バンド）が存在する。これらの３つのバンドは、重いホール（「HH」）バンド（heavy hole band）、軽いホール（「LH」）バンド（light hole band）、スプリットオフ（「SO」）バンド（split-off band）と呼ばれる。図５は、歪みが与えられていない直接遷移型半導体の価電子帯構造を示す。スプリットオフバンド５０２は、０に等しいｋにおいてΔだけエネルギーが低いところにあって、常に電子で充填されており、伝導帯４０６から生じる放射遷移及び非放射遷移に関与しない。価電子帯４０８の有効質量ｍνは、HHバンド５０４の有効質量ｍＨＨに等しい。その結果、伝導帯４０６から価電子帯４０８におけるホールへの電子遷移に関しては、価電子帯４０８を、HHバンド５０４に対応するものと見なすことができる。たとえば、伝導帯４０６の電子エネルギー状態４１２にある電子は、、HHバンド５０４におけるホール４１０に遷移する（５０６）。LHバンド５０８は、０に等しいｋにおいてHHバンド５０４と同じエネルギーを共有する。しかしながら、LHバンド５０８の有効質量ｍＬＨ（すなわち、０に等しいｋにおける曲率）は、HHバンド５０４の有効質量ｍＨＨよりもずっと小さいので、LHバンド５０８における軽いホールの状態密度は、HHバンド５０４における重いホールの状態密度の何分の一かにすぎない。その結果、LHバンド５０８は、伝導帯４０６から遷移する電子を受け入れず、HHバンド５０４に比較すると典型的には無視される。
【００１９】
QW半導体では、約５ｎｍ〜約２０ｎｍの厚さの比較的小さな電子バンドギャップエネルギー半導体材料Ｅｇ１の比較的薄い層が、比較的大きな電子バンドギャップエネルギー半導体材料Ｅｇ２の２つの比較的厚い層の間に挟まれている。図６は、２つの比較的厚い半導体層６０４と６０６の間に挟まれたQW６０２の等角図である。Ｅｇ２はＥｇ１より大きいので、電子については、QW６０２の価電子帯の一番上の電子についてポテンシャル井戸が確立され、ホールについては、QW６０２の伝導帯の底にあるホールについてポテンシャル井戸が確立される。これらのポテンシャル井戸に電子及びホールが閉じこめられることによって、電子及びホールのエネルギー準位は量子効果を示す。対応する価電子帯及び伝導帯の電子波動関数を次のように書くことができる。
【００２０】
【数１６】
ここで、
【数１７】
は、ｘ、ｙ面においてQW結晶格子の周期性を有し、
【数１８】
は、ｘ、ｙ面波数ベクトルであり、
【数１９】
は、ｘ、ｙ面におけるQW座標ベクトルである。波動関数
【数２０】
は、
【数２１】
が、ｚが０に等しい場合及びｚがＬｚに等しい場合には０である、という境界条件を満たす。ｘ、ｙ面における有限サイズのQWは、結晶全体における全位相シフト
【数２２】
が２πの整数倍であり、波数ベクトル
【数２３】
の成分が、
【数２４】
として量子化されるように境界条件を与える。ここで、ｉ＝ｘ、ｙであり、ｌｉは整数である。
【００２１】
放物型バンド近似において、エネルギー状態は今や、伝導帯については、
【数２５】
と書くことができ、価電子帯については、
【数２６】
と書くことができるサブバンドエネルギー状態を含んでいる。ここで、ｎは、サブバンドエネルギー状態に対応する正の整数または量子数であり、
【数２７】
は、波数
【数２８】
であり、
【数２９】
は、第１のQW状態のエネルギーである。
【００２２】
図７は、QWに関連する価電子帯及び伝導帯の２つのサブバンドのプロットを示す。図７において、水平軸７０２は波数
【数３０】
を表し、垂直軸７０４は電子エネルギーＥを表し、放物線７０６及び７０８は、ｎ＝１、ｎ＝２のそれぞれの場合の伝導帯サブバンドを表し、放物線７１０及び７１２は、ｎ＝１、ｎ＝２のそれぞれの場合の価電子帯サブバンドを表している。QWのサイズが有限であるために、サブバンドの電子エネルギー状態が量子化される。利用可能な電子状態は円によって表されており、価電子帯７１０及び７１２において充填されている（黒い）円は電子を表し、伝導帯７０６及び７０８において空いている（白い）円はホールを表している。
【００２３】
同じｎ、同じ
【数３１】
、及び、同じ電子スピン状態を有する伝導帯と価電子帯間の遷移のみが許容される。たとえば、図７に示すように、方向を示す矢印７１４は、伝導帯７０６における電子エネルギー状態７１６と価電子帯７１０における電子エネルギー状態７１８との間の第１の許容された電子エネルギー状態遷移を表し、方向を示す矢印７２０は、伝導帯７０８における電子エネルギー状態７２２と価電子帯７１２における電子エネルギー状態７２４との間の第２の許容された電子エネルギー状態遷移を表している。これとは対照的に、方向を示す破線の矢印７２６は許容されない電子エネルギー状態遷移を表しているが、これは、伝導帯７０６と価電子帯７１２に関連する量子数ｎが異なるからである。
【００２４】
図６に示すようにQW６０２の厚みが比較的小さいために、QW６０２の格子定数は、層６０４及び６０６の格子定数と大きく異なる場合がある。量子井戸への歪みの導入は、障壁層（または空乏層）とは異なる格子定数を有する材料の外部に量子井戸を成長させることによって達成することができる。障壁層よりも大きな格子定数を有するQWは、圧縮歪みが与えられたQWとなり、障壁層よりも小さな格子定数を有するQWは伸張歪みが与えられたQWとなる。半導体の電子バンドギャップエネルギーはそれの格子間隔に関連するので、QW結晶格子に導入された歪みは、その歪みが与えられたQWの電子バンドギャップエネルギーを変える。一般的に、歪みは、QWの伝導帯及び価電子帯の両方の構造を変更する。たとえば、QW６０２の伸張ひずみ（たとえば、ｘ、ｙ面内で方向付けられたひずみ）は、QW６０２の量子特性を変え、伝導帯構造及び価電子帯構造に関連する有効質量を変える。伸張歪みが与えられたQWの場合は、量子サイズ効果及び有効質量における変化が、同じ歪みを受けたQW６０２の光学的特性とは著しく異なるQW６０２の光学的特性を生ぜしめる。
【００２５】
図８は、
【数３２】
が０に等しい場合に、歪みが与えられていない状態と伸張歪みが与えられている状態の下で、直接遷移型半導体の電子エネルギー準位がどのように変わるかを示している。図８に示すように、伸張歪みは、LHバンドをHHバンドから分離して、LHバンドのエネルギーをHHバンドのエネルギーよりも大きくすることによってQW６０２の価電子帯構造を変更する。図８はまた、伸張歪みを受けた状態にあるQWの伝導帯と価電子帯の間のエネルギー差が、歪みを受けていない状態の同じQWのそれらのエネルギー差とは異なることを明らかにしている。換言すれば、
【数３３】
が０に等しい場合には、伸張歪みを受けているQWから放出された光（Ｅｇｔｓ＝ｈνｇｔｓ）の周波数νｇｔｓは、同じ半導体材料から構成されている歪みを受けていないQWから放出された光（Ｅｇ＝ｈνｇ）の周波数νｇとは異なる。
【００２６】
図９は、伸張歪みが与えられたQWの価電子帯構造を示す。伸張歪みは、LHバンド９０２をHHバンド９０４よりも高くし、LHバンド９０２の有効質量ｍＬＨ（すなわち、曲率）を、図５に示す歪みが与えられていない場合に比べて大きくする。これは、伝導帯９０６からLHバンド９０２への遷移を促進して、主としてTM（横磁界）成分偏光を生成する。TM偏光は、QW６０２のｘ、ｙ面にほぼ垂直に放出され、TE（横電界）成分は、QW６０２のｘ、ｙ面においてほぼ吸収される。
【００２７】
本発明の実施形態
図１０は、本発明の実施形態にしたがって構成されたLED１０００の概略を表す断面図である。LED１０００は、第１の半導体層１００４と第２の半導体層１００６との間に挟まれたQW１００２を備えている。第１及び第２の半導体層１００４及び１００６を、真性の直接遷移型バンドギャップ半導体材料から構成することができる。層１００４及び１００６は、QW１００２を囲む障壁層よりも広い電子バンドギャップを有する。これらの障壁層は、QW１００２内に電子及びホールを閉じこめる作用をする。LED１０００は、第１の半導体層１００４の表面に配置されたｎ型ヘテロ構造１００８と、第２の半導体層１００６の表面に配置されたｐ型ヘテロ構造１０１０を備える。LED１０００はまた、ｎ型ヘテロ構造１００８の表面に配置された金属構造１０１２を備える。QW１００２は、QW１００２内に伸張歪みを生成するために、第１及び第２の半導体層１００４及び１００６の格子に対して格子不整合状態にある直接遷移型バンドギャップ半導体層である。
【００２８】
図１０に示すように、ｎ型及びｐ型ヘテロ構造１００８及び１０１０は複数の層からなる。これらの層の各々を、各層が、同じヘテロ構造内の隣接する層とは異なる電子バンドギャップエネルギーを有するように、別様にドープされているかまたはドープされていない直接遷移型または間接遷移型バンドギャップ半導体材料から構成することができる。また、異なる材料が選択されるが、それらの材料は、量子井戸１００２に生成されたフォトンに対して透明であるように選択される。たとえば、各層を、バンドキャップがより広い異なるIII-V化合物半導体から構成することができる。具体的には、ｎ型ヘテロ構造１００８は、第１の半導体層１００４の表面に配置された第１のｎ型半導体層１０１４、及び、該第１のｎ型半導体層１０１４と金属構造１０１２との間に挟まれた第２のｎ型半導体層１０１６から構成される。ｎ型半導体は、電子供与体不純物をドープされた半導体である。第１のｎ型半導体層１０１４を、第２のｎ型半導体層１０１６の電子バンドギャップエネルギーより大きいかまたはそれと同じ電子バンドギャップエネルギーを有する半導体及びドーパントから構成することができる。ｐ型ヘテロ構造１０１０は以下の層から構成されている。すなわち、第２の半導体層１００６の表面に配置された第１の組成的に傾斜した半導体層１０１８、該第１の傾斜した半導体層１０１８の表面に配置された第１のｐ型半導体層１０２０、第１のｐ型半導体層１０２０の表面に配置された第２の組成的に傾斜した半導体層１０２２、該第２の傾斜した半導体層１０２２の表面に配置された第２のｐ型半導体層１０２４、及び、該第２のｐ型半導体層１０２４の表面に配置された第３のｐ型半導体層から構成されている。ｐ型半導体は、電子受容体不純物をドープされている半導体である。組織的に傾斜した半導体は、電子バンドギャップが位置と共に変わる半導体である。これは、半導体の組成を変化させることによって達成される。傾斜した領域はヘテロ接合不連続性を最小化するために導入されるが、これは、半導体層間の直列抵抗を小さくして電流の流れを改善する。第１及び第２の傾斜した半導体層１０１８及び１０２２を、隣接する第１及び第２のｐ型半導体層１０２０及び１０２４よりも電子バンドギャップエネルギーが大きなｐ型半導体材料から構成することができる。
【００２９】
本発明のLEDの実施形態は、図１０を参照して説明したヘテロ構造の金属構造／n-i-p配列に限定されない。換言すれば、LEDの実施形態は、ｎ型ヘテロ構造１００８を構成する２つのｎ型半導体層、及び、該ヘテロ構造１０１０を構成する５つのｐ型半導体層には限定されない。他の実施形態では、第１の半導体層１００４と金属構造１０１２の間に配置された層１０１６及び１０１４に、ｐ型ヘテロ構造１００８を与えるｐ型不純物をドープすることができ、層１０１８〜１０２６に、ｎ型ヘテロ構造１０１０を与えるｎ型不純物をドープすることができる。換言すれば、ＬＥＤ１０００は、ヘテロ構造をなす金属構造／p-i-n配列を有することができる。
【００３０】
異なる実施形態では、LED１０００を構成する個々の層の厚みを大きく変えることができる。たとえば、LED層の厚みは、以下の表１に示す範囲をとることができる。
【００３１】
【表１】
【００３２】
順方向バイアス方向に適切な電圧を印加することによってLED１０００を動作させることができる。図１１は、LED１０００の等角図であって、本発明の実施形態にしたがって電圧源に接続されたLED１０００の略図である。図１１に示すように、層１１０２が、LED１０００の第３のｐ型半導体層１０２６の外面に配置されており、電圧源１１０４が、金属構造１０１２及び層１１０２に接続されている。層１１０２を、導電性で光学的に透明な材料から構成することができる。たとえば、層１１０２を、インジウムスズ酸化物（「ITO」）または別の適切な導電性の透明材料とすることができる。電圧源１１０４は、ｎ型ヘテロ構造１００８に負電圧を供給し、ｐ型ヘテロ構造１０１０に正電圧を供給するように構成されている。負電圧は、電子をＱＷ１００２に向かって駆動するものと考えることができ、正電圧は、ホールをQW１００２に向かって駆動するものと考えることができる。QW１００２は、LED１０００の残りの層よりも電子バンドギャップエネルギーＥｇが小さい直接遷移型バンドギャップ半導体材料から構成されている。電圧源１１０４を、ｎ型ヘテロ構造とｐ型ヘテロ構造からQW１００２へとそれぞれ電子とホールを注入するのに十分大きな電圧レベルを供給するように構成することができる。QW１００２によって生成された光は、QW１００２から放出されて、層１１０２を通ってLED１０００から出力される。
【００３３】
本発明のLEDの実施形態は、図１１に示す矩形の箱状の構成に限定されないことに留意されたい。LEDの実施形態を、多くの異なる３次元形状に形成することができるが、それらには、直平行六面体、円柱形、ｎ角柱、不規則な形状の角柱、多面体、あるいは、任意の他の適切な３次元形状が含まれる。さらに、LEDの表面は、半導体と空気の境界面における全反射（「TIR」）を回避するために粗くすることができる。
【００３４】
QW１００２において電子−ホール対を再結合することは、双極子を崩壊することであると考えることができる。本発明の実施形態の動作を説明するために、「電子−ホール対」という用語と「双極子」という用語は同じ意味で用いられる。一般的に、崩壊する双極子のSEレートは、双極子強度だけでなく、その電磁（「EM」）環境にも依存する。双極子近辺のEM環境を変えることによって、双極子のSEレートを、完全に抑圧された放射から大きく増強された放射へと調整することができ、これは「パーセル効果」と呼ばれている。パーセル効果を理解する１つの方法は、双極子遷移周波数に対応する所与の周波数νにおいて振動する光学「モード」の集合としてのEM環境を考えることである。バルク材では、これらのモードは、周波数νの全ての平面EM波の単なる集合である。双極子が、該双極子の位置において電界
【数３４】
を有する特定のモードに結合する放射パワーの量は、
【数３５】
に比例する。ここで、
【数３６】
は、双極子モーメントの配向（向き）または双極子ベクトルである。したがって、双極子の放射パワーは、双極子が電界
【数３７】
に整列したときに最大になり、整列していないときに０になる。さらに、双極子によって放出される全パワーは、
【数３８】
の周波数νのすべてのモードにわたる合計に単純に比例する。光学キャビティや他の共振要素を導入するなどによって、双極子近辺のEM環境を変えることにより、周波数ν１の第１の周波数領域のモードを周波数ν２の第２の周波数領域に変換して、該第１の周波数領域におけるモードの数（または密度）を激減させて、該第２の周波数領域におけるモードの数を多くすることができる。これが行われると、周波数ν１で振動する双極子は、該双極子が崩壊して移行するのに利用可能なモードの数が少なくされているためにより遅く崩壊する。これとは対照的に、周波数ν２で振動する双極子は、該双極子が崩壊して移行するのに利用可能なモードの数が多くされているためにより速く崩壊する。
【００３５】
Ｆｐ＝（複合環境における双極子のSEレート）／（バルク材における双極子のSEレート）
によって与えられるパーセル係数（またはパーセル因子）を用いて、SEレートを測定することができる。尚、複合環境はQWを指し、バルク材は、ｎ型及びｐ型ヘテロ構造などの周りを囲んでいる材料を指す。パーセル係数が大きくなるほどSEレートは速くなる。
【００３６】
図１２は、本発明の実施形態にしたがって動作するLED１０００の断面図である。QW１００２における電子−ホール対（すなわち、双極子）の再結合のSEレートは、QW１００２の半導体材料だけの固有の特性ではない。上述したように、電子−ホール対の再結合のSEレートは、QW１００２の電磁環境に依存する。具体的には、QW１００２のSEレートは、QW１００２の位置における電磁真空場の状態の局所密度に依存し、これは、QW１００２が結合することができる伝搬する光学モードの数及び強度の測度である。再結合する電子−ホール対の電磁環境を変えて、QW１００２のSEレートを高めるために、SPPが、金属構造１０１２と第２のｎ型半導体層１０１６との間の境界面１２１２に沿って形成される。図１１を参照して説明したように、電圧がLED１０００に印加され、電子−ホール再結合の結果として光が放出される。この光によって、境界面１２１２に沿ってSPPが形成される。SPPは、電子−ホール対の再結合率を高め、これによって、LED１０００から光が放出され、SPPの形成が促進される。境界面１２０２はSPPモードを支援する。該SPPモードは、金属の表面に存在する電子励起の量子化された状態であり、縦方向と横方向の電磁界成分の両方を有する電子−プラズマ振動として現れる。磁界成分は、境界面１２０２にほぼ平行で、かつ、伝搬方向にほぼ垂直であり、一方、電界成分は、境界面１２０２に垂直で、かつ、対象とする波長におけるSPP伝搬方向に平行である。
【００３７】
本発明では、QW１００２の再結合する双極子（すなわち、電子−ホール対）近辺に金属−誘電体境界面１２１２が存在するために、そのSEレートを少なくとも１０倍高めることができるように、QW周波数におけるモード密度を変更することができる。境界面１２１２は、次の有効（複素）屈折率によって記述される分散を有する光学SPPモードを支援する。
【数３９】
ここで、εｍ及びεは、それぞれ、金属と誘電体材料の（複素）誘電率であり、該金属のプラズマ周波数のすぐ上の周波数範囲におけるものである。εｍの実部は実質的に負である。SPPは、境界面１２１２から数十ナノメートル内において非常に強い電界
【数４０】
を有する。実際、この電界は非常に強いために、SPPモードだけが双極子SE崩壊の大部分を収集して、その大きなSEレートの増加をSPPモードによって占めることができる場合がある。LED１０００は、QW１００２が境界面１２０２の近くにあり、これによって、SPPの電子−プラズマ振動がQW１００２に及ぶように（またはQW１００２中に入り込むように）構成される。たとえば、QW１００２は、境界面１２１２から約２０〜３０ｎｍのところにあるものとすることができる。図１２において、曲線１２０４は、電子−プラズマ振動の電界
【数４１】
成分が金属構造１０１２中に入り込む範囲を表しており、曲線１２０６は、電子−プラズマ振動の電界成分が、ｎ型ヘテロ構造１００８を貫通してQW１００２中へと入り込む範囲を表している。曲線６０４及び６０６は、電界成分が境界面１２０２から離れるにしたがって、どのように指数関数的に減衰するかを示している。SPPは、QW１００２における電子−ホール対の再結合率の大幅な増加を導く高密度電界を有している。QW１００２は伸張歪みを受けているので、図８及び図９を参照して上述したように、対応する価電子帯構造は、LHサブバンドの電子エネルギーがHHサブバンドよりも高くなるように変更される。その結果、QW１００２の伝導帯からLHバンドへの電子遷移のレートは、主としてTM（横磁界）成分偏光放射を放出し、一方で、TE（横電界）成分を抑圧することによって高められる。量子井戸１００２は、QW１００２からの放射波長が金属のSPP共振よりも長くなるように選択される。これによって、SPPの吸収損失が低減され、SPPは、金属−半導体境界面に沿ってより長い距離を伝搬できるようになる。プラズモン強化型LED１０００は、表面プラズモン共鳴から十分に離れた状況において動作し、依然として、再結合率を高めることを可能にする。
【００３８】
SPPの主共振は、εｍの実部がεとは正反対である場合の周波数である。主共振では、ｎｅｆｆの実部と虚部の両方が非常に大きくなり、金属または誘電体における残留吸収によってのみ制限される値を有する。一定の（微小な）周波数範囲内のSPPモードの数を記述するモードの密度もまた非常に大きくなる。銀や金などの低損失の貴金属を金属構造１０１２に使用することによって、QW双極子モーメントの全ての配向について、約１０００の大きなパーセル係数が得られる。しかしながら、ｎｅｆｆの虚部もまた大きいので、SPPは、ホスト金属において急速に吸収されて、該ホスト金属において熱として消散され、したがって、QWからSE光を効率的に収集することができない。本発明の実施形態は、この問題に２つの方法で対処するように構成されている。第１は、SPPは、その構成（または状況乃至システム）において約１０の中程度のパーセル係数を生成するためにその主共振から離れて使用される。その結果、SPPは、消散する前に数個の光波長について金属表面を実際に伝搬する。これは、また、図１３を参照して後述するように、格子及び表面粗さなどを用いて、適切なやり方で金属構造１０１２の表面をパターン形成することによって達成することができる、自由空間モードへのSPPの再放射を可能にする。さらに、SPPがその主共振から離れて使用されるときには、SPPは、ほとんどQW１００２のTM双極子だけに結合し、該双極子は、金属表面及びQW１００２に垂直に配向している。これは、本来専らTEであるところの伝導帯からHH価電子帯への遷移を用いた標準的なQWの使用を排除する。第２に、伸張歪みが与えられたQW１００２を上述のように使用する。伸張歪みが与えられたQW１００２は、優先的にTMである双極子モーメントを有し、SPPモードと良好に結合する。主共振から離れたSPPを使用する結合、及び、伸張歪みが与えられたQW１００２によって、LED１０００のSEレートを１０倍だけ高めると共に、大きな外部効率を維持するための手段が提供される。
【００３９】
図１２の方向を示す矢印１２０８及び１２１０によって示すように、TM偏光放射を、QW１００２の面にほぼ垂直に放出することができる。正確な放射パターンは、金属−誘電体境界面の粗さや他の要因に依存する。金属構造１０１２に向かって送られるTM偏光放射は、反射して戻されて、方向を示す矢印１２１４〜１２１６によって示すように、ｐ型ヘテロ構造１０１０を通って出力される。
【００４０】
図１１に示すように、同じ順方向バイアスの方向に適切な電圧が印加されている限り、電子は、ｎ型ヘテロ構造１００８を通ってＱＷ１００２に向かって流れ、ホールは、ｐ型ヘテロ構造１０１０を通ってQW１００２に向かって流れ、この場合、電子はQW１００２において自発的に（すなわち、自然発生的に）再結合して、TM偏光放射が放出される。電子がホールと再結合する率（レート）は、境界面１２１２に沿って生成されたSPPの存在によって大きく高められる。その結果、LED１０００は、約１０Ｇｂ／ｓまたはこれより速い変調速度で光を放出するとともに、約２０％を超える放射効率を維持することができる。
【００４１】
金属構造１０１２を、金、銀、アルミニウム、プラチナ（白金）、銅、または、他の適切な金属、または、対象とする周波数におけるプラズモンモードをサポートすることができるそれらの合金から構成することができる。金属構造１０１２を、図１０〜図１２に示すように上面が平坦な表面であるように構成することもでき、または、金属構造１０１２を、境界面１２０２において生成されたSPPを自由空間中へ放射するように設計された格子を有するように構成することができ、金属構造１０１２は、LED１０００の放射効率を高めることができる。図１３は、本発明の実施形態にしたがって構成された第２のLED１３００の等角図である。図１３に示すように、金属構造１３０２は、一定間隔で隔置された矩形の孔の配列からなる格子を備えている。本発明の別の実施形態では、これらの孔を円形や楕円形や矩形や、他の任意の適切な形状にすることができ、これらの孔を、規則的なパターンをなすように配列したり、図１３に示すように、TM偏光放射が格子を通って放出されることを可能にする任意の適切なパターンをなすように配列することができる。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態では、LEDを、約８００ｎｍの波長を有するTM偏光放射を放出するように構成することができる。図１４Ａは、本発明の実施形態にしたがって、約８００ｎｍの波長を有するTM偏光放射を放出するように構成されたLED１４００の断面図である。LED１４００は、Ag金属構造１４０２、２つの層からなるｎ型ヘテロ構造１４０４、及び、５つの層からなるｐ型ヘテロ構造１４０６を備える。LED１４００は、また、約１０ｎｍの厚みを有する第１の真性Al３５Ga６５As層１４１０と約８０ｎｍの厚みを有する第２の真性Al３５Ga６５As層１４１２との間に挟まれた約１０ｎｍの厚みを有する真性GaAs８８５P１１５QW１４０８を備える。図１４Ａは、組成、おおよそのドーパント濃度、及び、ｎ型及びｐ型ヘテロ構造１４０４と１４０６を構成する層のおおよその厚みを明らかにしている。たとえば、層１４１４は、約１０ｎｍの厚みであって、約２×１０１８のSi原子／ｃｍ３をドープされたAl２５Ga７５Asから構成され、層１４１６は、約５００ｎｍの厚みであって、約５×１０１７のＣ原子／ｃｍ３がドープされたAl６５Ga３５Asから構成されている。LEDを、該LEDが成長した基板、たとえば、GaAsを除去することによって形成することができる。なぜなら、該基板は、損失を付加して、LEDの効率を低下させるからである。このために、基板を別の基板に結合した後に、LED層を（該別の基板に結合した）該基板から除去できるように、AlAsなどのエッチストップ層をエピタキシャルに成長させることができる。したがって、シリコン（ケイ素）やシリコンカーバイド（炭化ケイ素）などのキャリア基板（carrier substrate）への金属−金属結合を実施し、その後、基板を除去して、LED中へと処理されることができる薄いエピタキシャル層を生成することによってLEDが作製される。
【００４３】
図１４Ｂは、本発明の実施形態にしたがう（Ag金属構造１４０２のない）LED１４００に関連するフォトルミネセンススペクトルのプロットを示す。図１４Ｂに示すように、水平軸１４２０はナノメートル単位の波長を表し、垂直軸１４２２は電圧単位のフォトルミネセンスを表し、曲線１４０６はＬＥＤ１４００のフォトルミネセンスを表している。曲線１４０６は、L. Li, JOSA A, 14, 2758 (1997)を出典とする厳密結合波解析（RigorousCoupled-Wave Analysis）シミュレーションを用いて決定された。曲線１４０６のピークは、LED１４００にしたがって構成されたLEDが、約８００ｎｍの波長で約２４ｎｍの狭線幅のTM偏光放射を放出することを示している。SPP強化型LED１４００は、約１０Ｇｂ／ｓ以上の変調速度で光を放出するとともに、約２０％を超える放射効率を維持することができる。
【００４４】
本発明の実施形態は単一のQWに限定されない。本発明の他の実施形態では、任意の数のQWを使用することができ、それらのQWが金属構造境界面に沿って形成されたSPPの電子-プラズマ振動に結合するように、それらのQWを該金属の近くに設けることができる。図１５は、本発明の実施形態にしたがって構成されたLED１５００の概略を表す断面図である。LED１５００は、該LED１５００が、境界面１２０２に沿って形成されたSPPの電子−プラズマ振動内に配置されている３つのQW１５０１〜１５０３を含んでいることを除いてLED１０００とほぼ同じである。これらのQW１５０１〜１５０３は、層１５０５及び１５０６によって分離されており、これらの層の厚みは約５ｎｍとすることができ、これらの層を、層１００４及び１００６を構成する材料と同じ真性半導体材料から、または、異なる半導体材料から構成することができる。
【００４５】
説明のための以上の記述において、本発明を完全に理解できるようにするために特定の用語を使用した。しかしながら、本発明を実施するために特定の細部は必要ではないことは当業者には明らかであろう。本発明の特定の実施形態についての上記記述は、例示及び説明のために提示されたものである。それらは、本発明を網羅することも、開示した形態そのものに本発明を限定することも意図するものではない。上記の教示に照らして多くの修正及び変形が可能であることは明らかである。本発明の原理及びその実用的応用を最良に説明し、これによって、当業者が、意図している特定の用途に適するように種々の変更を行って本発明及び種々の実施形態を最良に利用できるように、それらの実施形態は図示し説明された。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物によって画定されることが意図されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードであって、
第１の半導体層と第２の半導体層の間に挟まれた少なくとも１つの量子井戸と、
前記第１の半導体層の表面に配置された第１のヘテロ構造と、
前記第２の半導体層の表面に配置された第２のヘテロ構造であって、前記第１のヘテロ構造に対向して配置された第２のヘテロ構造と、
前記発光ダイオードの表面に配置された金属構造
を備え、
前記金属構造と前記発光ダイオードの表面との間の境界面に沿って形成された表面プラズモンポラリトンの電子−プラズマ振動が、前記少なくとも１つの量子井戸中へと入り込んで、パーセル効果によって前記少なくとも１つの量子井戸から放出される電磁放射の横磁界成分の自然放出率を高めることからなる、発光ダイオード。
【請求項２】
前記少なくとも１つの量子井戸が、伸張歪みを与えられた真性半導体からさらに構成される、請求項１の発光ダイオード。
【請求項３】
前記少なくとも１つの量子井戸が約１０ｎｍの厚みを有する、請求項１の発光ダイオード。
【請求項４】
前記少なくとも１つの量子井戸がGaAs１−ｘPｘからさらに構成され、ｘが０乃至１の範囲である、請求項１の発光ダイオード。
【請求項５】
前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層が真性AlｘGa１−ｘAsからさらに構成され、ｘが０乃至１の範囲である、請求項１の発光ダイオード。
【請求項６】
前記第１のヘテロ構造がさらに、
前記第１の真性半導体層の表面に配置された第１の半導体層と、
前記金属構造と前記第１の半導体層の間に挟まれた第２の半導体層
を備え、
前記第１の半導体層の電子エネルギーバンドギャップは、前記第２のｎ型半導体層よりも小さいことからなる、請求項１の発光ダイオード。
【請求項７】
前記第１の半導体層がさらに、約１０１８のｎ型ドーパント濃度を有するｎ型AlｘGa１−ｘAs層から構成され、この場合、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第２の半導体層がさらに、約２×１０１８のｎ型ドーパント濃度を有するｎ型InGaP層から構成される、請求項６の発光ダイオード。
【請求項８】
前記第１の半導体層がさらに、約１０１８のｐ型ドーパント濃度を有するｐ型AlｘGa１−ｘAs層から構成され、ここで、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第２の半導体層がさらに、約２×１０１８のｐ型ドーパント濃度を有するｐ型InGaP層から構成される、請求項６の発光ダイオード。
【請求項９】
前記第２のヘテロ構造がさらに、
前記第２の真性半導体層の表面に配置された第１の組成的に傾斜した半導体層と、
前記第１の組成的に傾斜した半導体層の表面に配置された第１の中間半導体層と、
前記第１の中間半導体層の表面に配置された第２の組成的に傾斜した半導体層と、
前記第２の組成的に傾斜した半導体層の表面に配置された第２の中間半導体層と、
前記第２の中間半導体層の表面に配置された第３の半導体層
を備える、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記第１及び第２の組成的に傾斜した半導体層がさらにAlｘGa１−ｘAsから構成され、ここで、ｘは、約０乃至１の範囲である、請求項９の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記第１の中間半導体層がさらに、約５×１０１７のｐ型ドーパント濃度を有するAlｘGa１−ｘAsから構成され、この場合、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第２の中間半導体層がさらに、約２×１０１８のｐ型ドーパント濃度を有するAlｘGa１−ｘAsから構成され、この場合、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第３の半導体層がさらに、約２×１０１８のｐ型ドーパント濃度を有するInGaPから構成される、請求項９の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記第１の中間半導体層がさらに、約５×１０１７のｎ型ドーパント濃度を有するAlｘGa１−ｘAsから構成され、この場合、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第２の中間半導体層がさらに、約２×１０１８のｎ型ドーパント濃度を有するAlｘGa１−ｘAsから構成され、この場合、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第３の半導体層がさらに、約２×１０１８のｎ型ドーパント濃度を有するInGaPから構成される、請求項９の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記第１及び第２の組成的に傾斜した半導体層が、前記第１及び第２の中間半導体層よりも大きな電子エネルギーバンドギャップを有する、請求項９の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記金属構造に対向して、前記発光ダイオードの表面に配置されたインジウムスズ酸化物の層をさらに備える、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記金属構造がさらに、
金、銀、アルミニウム、プラチナ、銅、及び、これらの合金からなるグループから選択された、表面プラズモンを支持する金属から構成される、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１６】
前記金属構造が格子をさらに備える、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１７】
前記金属構造が粗い外面をさらに有する、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１８】
約１０Ｇｂ／ｓ以上の変調速度、及び、約１０のオーダーのパーセル係数を有する、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの量子井戸が、前記境界面から約２０〜３０ｎｍ離れている、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１】
発光ダイオードであって、
第１の半導体層と第２の半導体層の間に挟まれた少なくとも１つの量子井戸と、
前記第１の半導体層の表面に配置された第１のヘテロ構造と、
前記第２の半導体層の表面に配置された第２のヘテロ構造であって、前記第１のヘテロ構造に対向して配置された第２のヘテロ構造と、
前記発光ダイオードの表面に配置された金属構造
を備え、
前記金属構造と前記発光ダイオードの表面との間の境界面に沿って形成された表面プラズモンポラリトンの電子−プラズマ振動が、前記少なくとも１つの量子井戸中へと入り込んで、パーセル効果によって前記少なくとも１つの量子井戸から放出される電磁放射の横磁界成分の自然放出率を高めることからなる、発光ダイオード。
【請求項２】
前記少なくとも１つの量子井戸が、伸張歪みを与えられた真性半導体からさらに構成される、請求項１の発光ダイオード。
【請求項３】
前記少なくとも１つの量子井戸が約１０ｎｍの厚みを有する、請求項１の発光ダイオード。
【請求項４】
前記少なくとも１つの量子井戸がGaAs１−ｘPｘからさらに構成され、ｘが０乃至１の範囲である、請求項１の発光ダイオード。
【請求項５】
前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層が真性AlｘGa１−ｘAsからさらに構成され、ｘが０乃至１の範囲である、請求項１の発光ダイオード。
【請求項６】
前記第１のヘテロ構造がさらに、
前記第１の真性半導体層の表面に配置された第１の半導体層と、
前記金属構造と前記第１の半導体層の間に挟まれた第２の半導体層
を備え、
前記第１の半導体層の電子エネルギーバンドギャップは、前記第２のｎ型半導体層よりも小さいことからなる、請求項１の発光ダイオード。
【請求項７】
前記第１の半導体層がさらに、約１０１８のｎ型ドーパント濃度を有するｎ型AlｘGa１−ｘAs層から構成され、この場合、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第２の半導体層がさらに、約２×１０１８のｎ型ドーパント濃度を有するｎ型InGaP層から構成される、請求項６の発光ダイオード。
【請求項８】
前記第１の半導体層がさらに、約１０１８のｐ型ドーパント濃度を有するｐ型AlｘGa１−ｘAs層から構成され、ここで、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第２の半導体層がさらに、約２×１０１８のｐ型ドーパント濃度を有するｐ型InGaP層から構成される、請求項６の発光ダイオード。
【請求項９】
前記第２のヘテロ構造がさらに、
前記第２の真性半導体層の表面に配置された第１の組成的に傾斜した半導体層と、
前記第１の組成的に傾斜した半導体層の表面に配置された第１の中間半導体層と、
前記第１の中間半導体層の表面に配置された第２の組成的に傾斜した半導体層と、
前記第２の組成的に傾斜した半導体層の表面に配置された第２の中間半導体層と、
前記第２の中間半導体層の表面に配置された第３の半導体層
を備える、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記第１及び第２の組成的に傾斜した半導体層がさらにAlｘGa１−ｘAsから構成され、ここで、ｘは、約０乃至１の範囲である、請求項９の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記第１の中間半導体層がさらに、約５×１０１７のｐ型ドーパント濃度を有するAlｘGa１−ｘAsから構成され、この場合、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第２の中間半導体層がさらに、約２×１０１８のｐ型ドーパント濃度を有するAlｘGa１−ｘAsから構成され、この場合、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第３の半導体層がさらに、約２×１０１８のｐ型ドーパント濃度を有するInGaPから構成される、請求項９の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記第１の中間半導体層がさらに、約５×１０１７のｎ型ドーパント濃度を有するAlｘGa１−ｘAsから構成され、この場合、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第２の中間半導体層がさらに、約２×１０１８のｎ型ドーパント濃度を有するAlｘGa１−ｘAsから構成され、この場合、ｘは、約０乃至約１の範囲であり、前記第３の半導体層がさらに、約２×１０１８のｎ型ドーパント濃度を有するInGaPから構成される、請求項９の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記第１及び第２の組成的に傾斜した半導体層が、前記第１及び第２の中間半導体層よりも大きな電子エネルギーバンドギャップを有する、請求項９の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記金属構造に対向して、前記発光ダイオードの表面に配置されたインジウムスズ酸化物の層をさらに備える、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記金属構造がさらに、
金、銀、アルミニウム、プラチナ、銅、及び、これらの合金からなるグループから選択された、表面プラズモンを支持する金属から構成される、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１６】
前記金属構造が格子をさらに備える、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１７】
前記金属構造が粗い外面をさらに有する、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１８】
約１０Ｇｂ／ｓ以上の変調速度、及び、約１０のオーダーのパーセル係数を有する、請求項１の発光ダイオード。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの量子井戸が、前記境界面から約２０〜３０ｎｍ離れている、請求項１の発光ダイオード。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５】
【公表番号】特表２０１１−５１１４５４（Ｐ２０１１−５１１４５４Ａ）
【公表日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５４４９３０（Ｐ２０１０−５４４９３０）
【出願日】平成２０年１月３０日（２００８．１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００１３１９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０９６９１９
【国際公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３０日（２００８．１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００１３１９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０９６９１９
【国際公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
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