[发明专利]表面等离激元辅助的波长可调的光发射器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种光发射器件，尤其是表面等离激元辅助的波长可调的光发射器件的原理及结构。

背景技术

1974年，K.X.Drexhage发现处于金属膜附近的Eu³⁺离子的荧光寿命会受到很大的影响。自此，由表面等离激元引起的辐射效率的增强获得了广大研究人员的注意，特别是在发光器件的应用上，比如发光二极管等。表面等离激元源于的电子的集体震荡行为。它所诱导的辐射效率的增强源于电磁场在金属与介质材料界面获得的局域场强增强效果。通过一系列的研究，人们发现可以利用表面等离激元为中介把各种元激发的能量从发光器件内部结构中耦合出来，转化为有效辐射，来提高整体器件的发光效率。

表面等离激元辅助的辐射效率增强首先是被利用到半导体发光器件上。

1988年，A.Kck等人通过研究Ag/n-GaAs肖特基(Schottky)二极管，首次发现可以利用银膜提供的表面等离激元模式来提高器件的发光量子效率(Surface plasmon polariton enhanced light emission from Schottky diodes，Appl.Phys.Lett.52，1164(1988))。其中，Ag/n-GaAs肖特基二极管的发射波长约为862nm。1990年，A.Kck等人继续前续的工作，首次实现了通过在结构表面镀含微结构的金属银膜，在普通AlGaAs/GaAs双异质结发光二极管中观测到867nm波长自发辐射效率的提高。(Strongly directional emission from AlGaAs/GaAslight-emitting diode.Appl.Phys.Lett.57，2327(1990))。其中出射光束的弥散角度小于4度。

1999年，N.E.Hecker等人发现如果在结构的表面镀上一层金膜，那么一个半导体单量子阱GaAs/Al_0.3Ga_0.7As里由电子空穴对跃迁导致的785nm光致发光强度可以增强3到6个量级(Surface plasmon-enhanced photoluminescence from asingle quantum well，Appl.Phys.Lett.75，1577(1999))。他们还验证了这个增强效果可以通过改变量子阱和金膜的距离、量子阱的尺寸及利用其它金属材料来得到抑制。

2004年，美国加州理工大学K.Okamoto等人在<<自然材料>>上发表文章(Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells，NatureMaterials 3，601(2004))，报道了他们利用表面等离激元来增强基于InGaN半导体量子阱的发光二级管自发辐射效率。发光波长为470nm左右。这项工作表明表面等离激元将推动高亮度固体蓝色光源的发展。

表面等离激元辅助的辐射效率增强还被用于有机材料发光二极管(OrganicLED，OLED)上。通常有机材料发光二极管中含有金属制成的电极，以便有效的注入电流到有机材料中去。但电极引起的强吸收效果会逸制元激发的辐射跃迁。2002年，英国Exeter大学的P.A.Hobson等人研究了表面等离激元在有机材料发光二极管中对元激发辐射跃迁的影响(Surface Plasmon Mediated Emission fromOrganic Light-Emitting Diodes，Adv.Mater.14，1393(2002))。他们考虑的共轭有机聚合体及有机分子为Alq₃和PPV。2004年，英国Exeter大学S.Wedge等人在镀有55nm厚银膜的顶端发射有机材料发光二极管上观测到在600nm左右光致发光的效率被极大提高(Coupled surface plasmon-polariton mediated photoluminescencefrom a top-emitting organic light-emitting structure，Appl.Phys.Lett.85，182(2004))。研究还表明在金属电极上附加的介电层可以继续增大发光效率。

综上所述的研究，表面等离激元辅助的辐射效率增强体现了很大的应用潜力。由于这种增强效果和表面等离激元的态密度紧密相关，而在一般结构中表面等离激元共振频率仅和金属及发光材料层的介电函数有关，这就严重限制了器件发光波长的范围。