CN101924322A - 表面等离子体激元产生装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了表面等离子体激元产生装置及其制造方法。表面等离子体激元产生装置包括：有源层，包括形成在一侧的n型区域和形成在另一侧的p型区域，n型区域和p型区域彼此接触以在其间形成pn结；第一阻挡层，与有源层的第一表面接触；第二阻挡层，与有源层的第二表面接触，第二表面与第一表面相反；以及金属体，设置在有源层的pn结的上方，在金属体和有源层之间具有第二阻挡层和绝缘层。

Description

表面等离子体激元产生装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及采用SPASER(surface plasmon amplification by stimulatedemission of radiation，受激放大的表面等离子体激元辐射)二极管的表面等离子体激元产生装置及制造该表面等离子体激元产生装置的方法。

背景技术

金属表面中产生的表面等离子体激元(SP：surface plasmon)比空气中传播的光具有更高的波数，因此目前在近场光应用和纳米光子学方面被广泛采用，尤其是在生物传感方面。金属体可以具有由平面构成的一维结构、由条等构成的二维结构或者诸如微小颗粒的三维结构。在所有的情况下，表面等离子体激元的波数能够通过将至少一个轴的长度调整到几纳米至五十纳米而增加。换言之，这样的金属体提供了高的空间分辨率。

在纳米尺寸的三维金属体(在下文，称为″纳米金属体″)中产生表面等离子体激元的工艺之一是散射从外部进入的入射光。

然而，在非谐振状态下，散射截面的面积相当小，从而入射光与表面等离子体激元的耦合效率低。

已经有报道，当纳米金属体相对于表面等离子体激元经历几何谐振(空腔)时，将获得高Q值(增益)。经历几何谐振的结构的示例包括微小的球、棒、条和槽。当Q值高时，具有由表面等离子体激元产生的强电磁场的渐逝光与入射光的耦合引起聚光，由此散射截面的面积增加(例如，参考C.F.Bohren，D.R.Huffman″Absorption and Scattering of Light by Small Particles″WILEY SCIENCE PAPERBACK SERIES，pp.340-341)。还是在该情况下，散射截面面积的增加约为光的波长。为了实现高的耦合效率，希望将入射光聚集达到衍射限度，或者希望增加位置精度。然而，这涉及复杂的系统。

通常，激光束因谐振频率宽度窄而用作入射光。目前，即使提供最高电-光功率转换效率(EO效率)的半导体激光器在可见光区域在激光输出单元处也仅显示出约40％的EO效率。在通过各种光学系统后EO效率将降低到百分之几。因此可见，电-表面等离子体激元(E-SP)的转换效率也是非常低的。

已经有这样的报道，当由表面等离子体激元产生的亚波长局部电磁场接近具有能带隙的增益介质时，能带隙中的电子-空穴对的能量转移到表面等离子体激元。

例如，当介质为半导体量子阱时，发生″量子阱-表面等离子体激元耦合″(参考K.Okamoto，I.Nimi，A.Shvartser，Y.Narukawa，T.Mukaiand，A.Scherer，″Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells.″Nature Mat.3，601(2004))。半导体量子阱通过光激发产生电子-空穴对，并且电子-空穴对的能量被转移到表面等离子体激元。因此，表面等离子体激元的能量hv等于或者小于激发光的能量。在此状态下，表面等离子体激元是非相干的。

当纳米金属体经历几何谐振时，与谐振器中的光一样，发生表面等离子体激元的受激发射，并且可以产生相干的表面等离子体激元。该现象称为SPASER，即受激放大的表面等离子体激元辐射。例如，已经提出了具有半导体纳米点的金属壳结构(例如，参考M.I.Stockman，″Spasers explained″Nature Photonics 2，327(2008))。增益介质通过光激发产生电子-空穴对，并且电子-空穴对的能量转移到表面等离子体激元。因此，表面等离子体激元的能量hv等于或小于激发光的能量。在任何情况下，与上述的谐振散射的情况一样，希望有用于聚集入射光的高精度系统，以光学激发增益介质。而且，不是所有的入射光都被增益介质吸收。可见，即使在半导体激光束用作入射光源的情况下，E-SP效率也非常低。

表面等离子体激元的利用可以粗略地分成远场系统和近场系统。具体到近场系统中，表面等离子体激元可以用在采用高强度局部光的应用中，诸如各种传感、微小颗粒和DNA的捕获、信息记录装置以及近场曝光装置。然而，从工业应用的观点看却存在缺点，如E-SP效率低，系统部件(特别是光学部件)的数量多，并且要求光学系统的高精度位置控制。而且，因为不是所有的入射光都被增益介质吸收，所以入射光本身成为了局部光的背景噪声，导致S/N比低。

发明内容

所希望的是，提高E-SP效率并且减少系统部件(尤其是光学部件)的数量。

因此，希望提供电流注入型SPASER二极管结构，该电流注入型SPASER二极管结构不需要光学部件，能够提高E-SP效率并产生高强度的纳米级表面等离子体激元。

根据本发明的一个实施例，表面等离子体激元产生装置包括：有源层，包括形成在一侧的n型区域和形成在另一侧的p型区域，n型区域和p型区域彼此接触以在其间形成pn结；第一阻挡层，与有源层的第一表面接触；第二阻挡层，与有源层的第二表面接触，第二表面与第一表面相反；以及金属体，设置在有源层的pn结上方，在该金属体与该有源层之间具有第二阻挡层和绝缘层。

根据上述的表面等离子体激元产生装置，当电流注入到有源层的pn结时，在金属体下方的pn结及其附近区域，注入的电子和空穴有效地形成电子-空穴对。在垂直方向上靠近有源层形成的金属体从电子-空穴对获取能量并产生表面等离子体激元。而且，当金属体的结构在与pn结的发射光谱对应的波长处能够经历几何谐振时，可以产生相干的表面等离子体激元。因此，可以形成电流注入型SPASER二极管。

根据本发明的另一个实施例，制造表面等离子体激元产生装置的方法包括如下步骤：在第一导电类型的半导体基板上依次层叠第一导电类型的第一阻挡层、第一导电类型的有源层和第一导电类型的第二阻挡层；在包括第二阻挡层、有源层和第一阻挡层的第一导电类型的多层结构中形成与第一导电类型相反的第二导电类型的区域；通过将多层结构图案化为脊形状而形成脊，使多层结构的第一导电类型区域和第二导电类型区域之间的pn结包含在脊中；形成覆盖脊的绝缘膜；以及形成延伸跨过pn结的金属体，该金属体形成在脊中的pn结上方的绝缘膜上。

根据该方法，在有源层的pn结上方且在绝缘膜上的金属体形成为延伸跨过pn结。因此，当电流注入到有源层的pn结时，在金属体下方的pn结及其附近区域，注入的电子和空穴有效地形成电子-空穴对。在垂直方向上靠近有源层形成的金属体从电子-空穴对获取能量并产生表面等离子体激元。

因为上述表面等离子体激元产生装置可以通过电流注入直接产生表面等离子体激元，所以可以提高电-表面等离子体激元的转换效率(E-SP效率)。

因为上述制造表面等离子体激元产生装置的方法可以通过电流注入直接产生表面等离子体激元，所以可以提高电-表面等离子体激元的转换效率(E-SP效率)。

附图说明

图1是根据第一实施例的表面等离子体激元产生装置的结构示例的示意性立体截面图；

图2是图1的一部分的放大立体截面图；

图3是图1的金属体沿通过该金属体的x-z平面剖取的截面图；

图4A至4K是图解纳米金属体的修改示例的平面图；

图5A至5D是图解纳米金属体的修改示例的立体图；

图6A至6J是图解纳米金属体的修改示例的平面图；

图7A至7G是图解纳米金属体的修改示例的平面图；

图8A至8D是图解纳米金属体的修改示例的截面图；

图9A至9G是图解纳米金属体的修改示例的平面图；

图10A至10E是图解纳米金属体的修改示例的截面图；

图11A和11B是图解纳米金属体的修改示例的截面图；

图12A至12G是图解纳米金属体的修改示例的平面图；

图13是示出表面等离子体激元产生装置的应用示例的平面图；

图14A和14B是图解表面等离子体激元产生装置的应用示例的平面图，而图14C是其立体图；

图15A和15B分别为图解表面等离子体激元产生装置的应用示例的主视图和立体图；以及

图16是图解表面等离子体激元产生装置的应用示例的立体平面图。

具体实施方式

现在将描述本发明的各实施例。

1.第一实施例

表面等离子体激元产生装置的示例结构

参考图1的示意性立体截面图和图2的部分放大立体截面图，描述根据第一实施例的表面等离子体激元产生装置的结构示例。在图1中，示出了表面等离子体激元产生装置的基本结构。

参考图1和2，该表面等离子体激元产生装置包括基板11。基板11例如为n型砷化镓(n-GaAs)基板。第一阻挡层12、有源层13和第二阻挡层14依次层叠在基板11的一个表面上。

第一阻挡层12形成在有源层13的第一表面侧，并且由带隙能大于有源层13的带隙能的半导体构成。这样的半导体的示例为磷化铝镓铟(AlGaInP)。

有源层13是具有pn结的磷化镓铟(GaInP)层。换言之，p型有源层13p形成在一侧，n型有源层13n形成在另一侧，从而形成pn结。该pn结为同质结。

第二阻挡层14形成在有源层13的第二表面侧(与第一表面侧相反)，并且由带隙能大于有源层13的带隙能的半导体组成。这样的半导体的示例为磷化铝镓铟(AlGaInP)。

第二阻挡层14、有源层13和第一阻挡层12的上部形成脊20。包括pn结及其附近区域的部分的宽度减小以形成限制结构。

夹设p型有源层13p的部分第一阻挡层12和部分第二阻挡层14是p型区域。换言之，p型有源层13p(例如，p-GaInP层)夹设在p型第一阻挡层12p(例如，p-AlGaInP层)和p型第二阻挡层14p(例如，p-AlGaInP层)之间。

同样，夹设n型有源层13n的部分第一阻挡层12和部分第二阻挡层14为n型区域。换言之，n型有源层13n(例如，n-GaInP层)夹设在n型第一阻挡层12n(例如，n-AlGaInP层)和n型第二阻挡层14n(例如，n-AlGaInP层)之间。

p型区域通过将p型杂质锌扩散入上述n型区域来形成。当然，可以采用锌之外的任何p型杂质。例如，可以采用镁。

或者，第一阻挡层12、有源层13和第二阻挡层14可以具有下面的特征。

例如，砷化铝镓(AlGaAs)层可以用作第一阻挡层12，砷化镓(GaAs)层可以用作有源层13，并且磷化镓铟(GaInP)层可以用作第二阻挡层14。

由GaAs组成的有源层13具有pn结。换言之，p-GaAs层在一侧形成为的p型有源层13p，而n-GaAs层在另一侧形成为n型有源层13n，从而形成pn结。该pn结为同质结。

夹设p型有源层13p的部分第一阻挡层12和部分第二阻挡层14为p型区域。换言之，p型有源层13p(p-GaAs层)夹设在p型第一阻挡层12p(p-AlGaAs层)和p型第二阻挡层14p(p-GaInP层)之间。

同样，夹设n型有源层13n的部分第一阻挡层12和部分第二阻挡层14为n型区域。换言之，n型有源层13n(n-GaAs层)夹设在n型第一阻挡层12n(n-AlGaAs层)和n型第二阻挡层14n(n-GaInP层)之间。

P型区域(p型第一阻挡层12p、p型有源层13p和p型第二阻挡层14p)例如通过将p型杂质锌扩散入上述n型区域来形成。

P型第一阻挡层12p设置在脊20侧旁(n型第一阻挡层12n横向侧)的第一阻挡层12中。n型第一阻挡层12n设置在p型第一阻挡层12p的深度方向上。换言之，p型第一阻挡层12p形成在n型第一阻挡层12n上部的一部分中。

从而，p型有源层13p和n型有源层13n之间的pn结、p型第一阻挡层12p和n型第一阻挡层12n之间的pn结以及p型第二阻挡层14p和n型第二阻挡层14n之间的pn结在平面图中位于相同的位置上。

P型盖层15形成在p型第二阻挡层14p上。

绝缘膜16形成在第一阻挡层12和包括p型盖层15、第二阻挡层14、有源层13和第一阻挡层12的多层结构上。绝缘膜16例如为氧化硅膜。绝缘膜16可以是复合折射系数的虚部为0.1以下的任何绝缘膜。例如，可以采用氧化钛(TiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化锌(ZnO)、氧化铪(HfO₂)、氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)、氧化镁(MgO)和氧化钽(Ta₂O₅)。

在p型盖层15上的绝缘膜16中形成开口17。p电极18形成在绝缘膜16上，p电极18通过开口17连接到用作p型接触层的p型盖层15。换言之，p型盖层15用作第二阻挡层14和p电极18之间的p型接触层。p电极18具有多层结构，例如从底部开始依次包括钛膜、铂膜和金属膜。

n电极19形成在基板11的另一个表面上。换言之，基板11用作第一阻挡层12和n电极19之间的n型接触层。n电极19具有多层结构，从基板11侧开始依次包括金锗膜、镍膜、金膜、钛膜、铂膜和金膜。该结构仅为示例，并且可以采用任何其它结构。

金属体21形成在有源层13的pn结上方的绝缘膜16上。金属体21是具有纳米级尺寸的三维金属体。下面，金属体21称为纳米金属体(nanometallayer)21。

纳米金属体21和有源层13之间的距离优选为波长以下，并且更优选为20nm以下。因此，绝缘膜16的厚度优选为波长以下，并且更优选为20nm以下。纳米金属体21位于与p型盖层15、p电极18和n电极19隔离的位置。

纳米金属体21可以由单一金属或合金组成，单一金属例如为金(Au)、银(Ag)或铝(Al)等，合金包含选自金(Au)、银(Ag)和铝(Al)的至少一种金属作为主要成分。纳米金属体21可以包含选自铂(Pt)、镍(Ni)和钯(Pd)的至少一种金属。

尽管图中未示出，表面等离子体激元产生装置1可以包括位于基板11和第一阻挡层12之间的缓冲层，例如该缓冲层包括砷化镓(GaAs)层、砷化铝镓(AlGaAs)层和磷化镓铟(GaInP)层。还可以形成带隙大于第一阻挡层12的带隙的磷化铝镓铟(AlGaInP)层或磷化铝铟(AlInP)层。

P型第一阻挡层12p的杂质扩散区域的边缘可以设置在脊20的侧旁的第一阻挡层12内。

由磷化镓铟(GaInP)或砷化铝镓(AlGaAs)组成的居间层(未示出)可以形成在p型第二阻挡层14p和p型盖层15之间。

由p型磷化铝铟(p-AlInP)层或p型磷化铝镓铟(p-AlGaInP)形成的电子阻挡层(未示出)可以形成在p型第二阻挡层14p和p型盖层15之间。当第二阻挡层14由AlGaInP组成时，p-AlInP层用作电子阻挡层。当第二阻挡层14由GaInP组成时，p-AlGaInP层用作电子阻挡层。

根据纳米金属体21的尺寸和结构，纳米金属体21的谐振频率范围为从可见光范围到红外光范围。就是说，具有各种波长的表面等离子体激元可以通过选择有源层13的材料来产生，从而纳米金属体21的谐振频率在没有设置纳米金属体21的有源层13的自发射谱内。

除了GaInP和GaAs外，这样的半导体材料系统的示例包括13-15(III-V)族系统如GaN、InGaN、AlGaN、GaP、GaAsP、AlGaAs、GaInAs、GaInPAs、InP、InAs和AlAs，以及2-12-16及12-16(II-VI)族系统如ZnSe、ZnSSe、BeMgZnSe、BeZnSe、ZnCdSe、ZnO和ZnMgO。

接下来，将详细描述纳米金属体21的形状、布置等。

参考图3的截面图，其沿着通过图1的纳米金属体21的x-z平面剖取，脊20的宽度优选与纳米金属体21的宽度大致相同。例如，纳米金属体21的一端与脊20的侧面上端之间的距离优选为10μm以下。当该距离为10μm以下时，纳米金属体21的下部外侧的同质结中的电子和空穴由于表面等离子体激元激发而具有短的寿命，从而横向扩散进入纳米金属体21下面的同质结中。因此，很少发生不贡献于表面等离子体激元激发的无效发射(deademission)。

在与绝缘膜16接触的平面处在纳米金属体21中产生的表面等离子体激元SP的波数取决于纳米金属体21的尺寸。因此，纳米金属体21的尺寸不唯一确定，并且优选根据用途来选择。

例如，为了获得高分辨率，纳米金属体21的金属膜厚度优选为3nm以上且20nm以下。

由于波数几倍于空气中光的表面等离子体激元SP具有约1μm的传播长度，所以当纳米金属体21在脊20的纵向方向上的长度充分大于1μm时，不贡献于在纳米金属体21的端面处产生的局部电磁场的表面等离子体激元存在于纳米金属体21内。

当纳米金属体21是厚度例如约为100nm的金属膜时，相对于在与绝缘膜16接触的平面中产生的表面等离子体激元SP，该金属膜用作具有半无限(semi-infinite)厚度的块，并且传播长度将超过10μm。

当纳米金属体21短于表面等离子体激元SP的传播长度时，表面等离子体激元SP可以通过谐振放大。纳米金属体21的形式并不限于图1至3所示的长方六面体，而是可以为微小的球、椭圆或组件等。当纳米金属体21诱导表面等离子体激元SP的几何谐振时，表面等离子体激元SP的Q值上升，E-SP效率提高。

下面将描述实现这样高Q值的纳米金属体21的结构。

修改(纳米金属体的示例结构)

现在将描述纳米金属体的具体示例结构。

修改示例1(由单点板(single dot plate)构成的纳米金属体)

如图4A至4k所示，纳米金属体21可以是单点板，例如从上方观察时该单点板具有圆形、椭圆形或多边形形状。

图4A所示的纳米金属体21是在平面图中具有圆形形状的单点板。

图4B至4D所示的每个纳米金属体21是在平面图中具有椭圆形状的单点板。椭圆的主轴方向可以相对于脊20的宽度方向(双箭头所示的方向)平行、垂直或成任何角度(例如，45°)。

图4E和4F所示的每个纳米金属体21是在平面图中具有卵状形状(ovalshape)的单点板。卵的主轴方向可以相对于脊20的宽度方向(双箭头所示的方向)平行、垂直或成任何角度(例如，45°)。

图4G所示的纳米金属体21是在平面图中具有三角形形状的单点板。在如图所示的状态下，一个顶点面向脊20的端面侧，但是三角形的方向不限于此。

图4H所示的纳米金属体21是在平面图中具有平行四边形形状的单点板。平行四边形的长对角线的方向可以相对于脊20的宽度方向(双箭头所示的方向)平行、垂直或成任何角度(例如，45°)。

纳米金属体21可以是图4I所示的在平面图中具有交叉形状的单点板、图4J所示的在平面图中具有字母Y形状的单点板或者图4K所示的在平面图中具有方括号形状的单点板。

纳米金属体21的厚度例如可以是几纳米(例如3nm)，从而纳米金属体21形成为薄膜；或者几微米(例如5μm)，从而纳米金属体21形成为厚膜。当纳米金属体21为薄膜时，纳米金属体21上方和下方产生的表面等离子体激元耦合，而当纳米金属体21为厚膜时，纳米金属体21的下表面中产生的表面等离子体激元在周围传播，从而表面等离子体激元也产生在纳米金属体21的上表面中。

图4A至4k所示的每个纳米金属体21的短部分(当纳米金属体21为圆形时，该短部分是直径；当纳米金属体21为椭圆形时，该短部分是短轴；并且当纳米金属体21为多边形时，该短部分是可容纳该多边形的最小矩形的短边)等于或小于波长。

当纳米金属体21为如图4B至4D所示的椭圆形时，解理面附近产生的近场光的频率和场矢量根据解理面和主轴限定的角度而变化。如图4G和4H所示的纳米金属体21，当纳米金属体21的尖端位于解理面附近时，近场光的强度由于表面等离子体激元集中而得到增强。

图4A至4K所示的结构也可以用在利用来自晶片表面的近场光的应用中。因为在这些纳米金属体21中产生的表面等离子体激元几乎不转换成传播光，所以该实施例的表面等离子体激元产生装置1(SPASER二极管)适合于在近区域中使用。

修改示例2(三维形状纳米金属体的示例)

现在，将参考图5A至5D描述三维形状的纳米金属体21的示例。如图5A至5D所示，纳米金属体21例如为球形、圆柱形或圆锥形的单个的微小物体。

如图5A所示，纳米金属体21可以是短圆柱体，形成在脊20的绝缘膜16的表面上。

如图5B所示，纳米金属体21可以是长圆柱体，垂直地设置在脊20的绝缘膜16的表面上。

如图5C所示，纳米金属体21可以是长圆柱体，其侧部设置在脊20的绝缘膜16的表面上。

如图5D所示，纳米金属体21可以是圆锥体，形成在脊20的绝缘膜16的表面上。

每个纳米金属体21的高度为几纳米至几百纳米，例如，大约为3nm以上且大约300nm以下。每个纳米金属体21的短部分的长度等于或小于波长。

如图5B和5C所示，当改变圆柱体的布置时，解理面附近产生的近场光的频率和场矢量也改变。

图5C和5D所示的结构尤其适合于利用来自晶片表面的近场光的应用。因为在这些纳米金属体21中产生的表面等离子体激元几乎不转换成传播光，所以表面等离子体激元产生装置1(SPASER二极管)适合于在近区域中使用。

修改示例3(由微小部件的组合构成的金属体的示例)

纳米金属体21可以通过组合小量的点板或者微小的体来构成。现在，将参考图6A至6J描述其示例。

如图6A所示，纳米金属体21可以由彼此靠近设置的不同尺寸的圆形板构成。根据该结构，表面等离子体激元强度增强的频率存在于小圆形板中，因此能够产生强的近场。

可实现相同效果的其它结构的示例包括图6B至6E所示的蝴蝶结状结构，其中两个三角形设置为顶点彼此靠近。尽管图中未示出，但是三个或更多个三角形可以设置为顶点彼此靠近。

如图6F所示，两个细长的平行四边形可以设置为端部彼此靠近。如图6G和6H所示，两个细长的矩形可以设置为短边彼此靠近。如图6I和6J所示，两个圆形板可以设置为彼此靠近。

根据图6D、6E以及6G至6J所示的结构，纳米金属体21的布置方向可以相对于脊20的宽度方向(双头箭头所示的方向)平行、垂直或成任何角度。

修改示例4(由其中具有孔的单点板构成的纳米金属体的示例)

在采用晶片表面处的近场光的应用中，纳米金属体21可以是具有一个或多个开口21h的金属薄膜21p，如图7A至7G所示。

例如，图7A所示的开口21h在平面图中具有圆形形状。图7B所示的开口21h在平面图中具有正方形形状。图7C所示的开口21h在平面图中具有矩形形状。

图7D所示的开口21h形成为单脊开口(single ridge opening)，使平面图中的矩形形状具有从该矩形的长边向内延伸的矩形突起。

图7E所示的开口21h形成为双脊开口，使平面图中的矩形形状具有从该矩形的两个长边分别向内延伸的两个矩形凸起。

例如，图7F所示的每个开口21h在平面图中具有矩形形状，并且彼此隔开。布置矩形开口的方向可以相对于脊20的宽度方向(双头箭头所示的方向)平行、垂直或成任何角度。

图7G所示的每个开口21h在平面图中具有圆形形状，并且彼此隔开。圆形开口的布置方向可以相对于脊20的宽度方向(双头箭头所示的方向)平行、垂直或成任何角度。

根据图7D至7G所示的结构，在脊20处或两个开口之间可以产生强的近场光。

修改示例5(构成纳米金属体的金属芯波导的示例)

纳米金属体21可以由金属芯波导形成。如图8A至8D所示，金属芯的截面形状例如可以是圆形、椭圆形或者多边形。

构成图8A所示的纳米金属体21的金属芯的截面形状为矩形。构成图8B所示的纳米金属体21的金属芯的截面形状为圆形。构成图8C所示纳米金属体21的金属芯的截面形状为三角形。构成图8D所示的纳米金属体21的金属芯的截面形状为倒三角形。

当构成纳米金属体21的金属芯的截面的短部分充分小于波长时，表面等离子体激元的波数显著增加。然而，通常，这样的金属波导具有两个或更多的表面等离子体激元模式。上述具有有限长度的波导倾向于以波数较小的模式实现高Q。这是因为该模式的传播长度大。每种模式都具有自己的谐振频率。

在谐振频率与从有源层(参考图1和2)自发射的光重叠的范围中，将电子-空穴对转换为表面等离子体激元的效率高。

因此，倾向于激发考虑Q值和转换效率二者的模式。

因为可以通过金属芯材料、周围电介质材料和半导体的复合介电常数来调整谐振频率，所以谐振频率可以设计为适合于所希望的应用。

修改示例6(构成纳米金属体的金属芯的二维形状示例)

现在，将参考图9A至9G的平面图描述当从上方观察时由上述金属芯构成的纳米金属体21的状态。

例如，图9A所示的纳米金属体21具有直线形状。图9B和9C所示的每个纳米金属体21具有弯曲形状。图9D所示的纳米金属体21具有交叉的形状。图9E所示的纳米金属体21具有环形形状。图9F所示的纳米金属体21具有平行四边形形状。图9G所示的纳米金属体21具有有角的U形形状。

传播表面等离子体激元的反射发生在图9B和9C所示的纳米金属体21的弯曲部分处。因此，改善了位于有源层上方的点列的Q值，并且提高了SPASER二极管的效率。

图9C示出了构成纳米金属体21的金属芯弯曲两次的状态，但是金属芯弯曲的次数可以大于两次。弯曲角度不限于90°，而是可以大于或小于90°。然而，随着弯曲角度变钝，弯曲带来的效果减弱。此外，当弯曲角度变锐时，可以产生更强的近场光。特别是，当弯曲部分设置为靠近解理面时，可以产生更强的近场光。

如图9D所示，波导可以彼此交叉，例如，纳米金属体21可以具有交叉的形状。当纳米金属体21在平面图中具有交叉的形状并且利用来自解理面的近场光时，可以成形谐振光谱。

如图9E和9F所示，构成纳米金属体21的金属芯波导可以具有封闭的结构，例如，环形。因为环形谐振器由这样的结构形成，所以提高了Q值。

如图9F所示，当封闭的谐振器具有棱角时，有时产生强的近场光。特别是，纳米金属体21的边角优选设置为靠近脊20的解理面。

如图9F所示，构成纳米金属体21的金属芯波导的前端和后端可以设置在脊20的解理面中。当前端和后端之间的间隔d等于或小于波长时，因模式耦合在波导的各部分之间产生强的近场光。

修改示例7(由采用非金属芯的金属膜波导构成的纳米金属体的示例)

现在，将参考图10A至10E描述由金属膜波导构成的纳米金属体21的结构。

例如，如图10A至10E所示，非金属芯21c是形成在金属膜中的缺口。非金属芯21c的截面形状例如可以是圆形、椭圆形、半圆形、三角形、矩形或多边形。

例如，如图10A所示，具有均匀厚度的各金属膜21L形成在脊20上的绝缘膜16上，在各金属膜21L之间具有特定的间隔。该间隔形成为缺口并用作非金属芯21c。换言之，在该示例中非金属芯21c是一间隔。

大部分基本的表面等离子体激元产生在均匀金属膜和电介质体之间的界面处。因此，即使对于图10A所示的结构，也可以建立波导模式。

不仅在金属膜21L的截面相对于非金属芯21c靠近时，而且在金属膜21L的侧端面彼此靠近并形成缺口时，波导模式也可以形成在缺口中。

缺口截面不被金属膜21L封闭的金属膜结构是容易制造的。例如，金属膜21L可以形成在绝缘膜16上，然后蚀刻金属膜21L以形成由缺口构成的非金属芯21c，该缺口的宽度为几纳米到小于一微米。

如图10B至10E所示，纳米金属体21可以通过以金属膜21L覆盖绝缘膜16上的非金属芯21c来形成，金属芯21由电介质材料组成，并且具有圆形、三角形、半圆形或矩形截面等。

图10B至10E所示的结构可以通过在形成在绝缘膜16上的非金属芯21c的上形成金属膜21L而简单地形成。

这样的波导通常与参考图8A至8D描述的金属芯波导具有相同的功能和特性，因此设计为适合于上述的应用。波导从上方观察(平面图中)的形状类似于图9A至9G的平面图所示的形状。

修改示例8(由金属膜波导构成的纳米金属体的示例)

接下来，参考图11A和11B描述用金属膜21L填充形成在绝缘膜16中的凹槽以形成纳米金属体21的波导结构。

例如，如图11A和11B所示，具有矩形或倒三角形截面形状的凹槽16h形成在绝缘膜16的表面侧。金属膜21L形成在绝缘膜16上，以掩埋凹槽16h。换言之，具有矩形或倒三角形截面形状且形成在金属膜21L的下表面上的突起21d突出并进入到绝缘膜16的上部。

该结构可以通过在形成在绝缘膜16中的凹槽16h上形成金属膜21L来制作。

这样的波导通常与参考图8A至8D描述的金属芯波导具有相同的功能和特性，因此设计为适应于上述的应用。该波导从上方观看(平面图中)的形状与图9A至9G的平面图所示的形状类似。

修改示例9(由点构成的纳米金属体的示例)

纳米金属体21可以包括多个点，布置为如图12A至12G所示。

如图12A至12G所示，点22从上方观看(在平面图中)的形状例如为圆形。当点22在平面图中的形状为圆形时，其三维结构可以是圆柱、圆锥、球等。或者，尽管图中未示出，但是平面图中的形状可以为椭圆形或多边形。例如，当点22在平面图中的形状为多边形时，其三维结构可以是多边形柱、多边形锥或者多面体。

每个点22的短部分(当该点为圆形时，该短部分是直径；当该点是椭圆时，该短部分是短轴；并且当该点为多边形时，该短部分是可容纳该多边形的最小矩形的短边)等于或小于波长。各点22之间的距离(相邻点的中心之间的距离)优选等于或小于波长。

例如，如图12A所示，纳米金属体21可以包括以规则的间距线性排列成行的点22。点22设置的方向例如平行于脊20的宽度w的方向。

例如，如图12B所示，纳米金属体21可以包括以规则的间距线性排列成行的点22，但是存在点缺失或不连续的点。点22的设置方向例如平行于脊20的宽度w的方向。当点22设置成直线时，优选在点22的整个行上设置点缺失或不连续的点。以这样的方式，将改善位于有源层13(未示出)上方的点行的Q值，并且改善SPASER二极管的E-SP效率。

例如，如图12C所示，纳米金属体21可以包括以规则的间距线性排列成行的点22，但是该线在特定的点弯曲。根据该布局，线弯曲90°，但是弯曲角度并不特别限定。根据该弯曲点的设置，在线的弯曲部分发生传播表面等离子体激元的反射。因此，将改善位于有源层13(未示出)上方的点行的Q值，并且改善SPASER二极管的E-SP效率。

例如，如图12D所示，纳米金属体21可以包括以规则的间距线性排列成行的点22(点22A和22B)，但是在该线中可以包括点22B，点22B由与其它点(即点22A)不同的材料组成。点22的设置方向例如平行于脊20的宽度w的方向。

当点22设置成直线时，由不同材料组成的点22B优选设置在整个行上。因为在点22的金属材料的不连续点发生传播表面等离子体激元的反射，所以将改善位于有源层13(未示出)上方的点行的Q值，并且改善SPASER二极管的E-SP效率。

例如，如图12E所示，纳米金属体21可以包括以规则的间距线性排列成行的点22。点22的设置方向例如平行于脊20的宽度w的方向。

在点行的下表面、上表面或者上表面和下表面二者上形成的电介质膜的材料可以是不连续的。例如，绝缘膜16可以由不同材料组成的电介质膜A和电介质膜B构成。

因为在不同电介质材料(例如，绝缘膜16)之间的不连续点处发生传播表面等离子体激元的反射，所以将改善位于有源层13(未示出)上方的点行的Q值，并且改善SPASER二极管的E-SP效率。

例如，如图12F所示，纳米金属体21可以包括布置在两个相交的行中的点22。例如，点22的第一行平行于脊20的宽度w方向延伸，并且点22的第二行在垂直于脊20的宽度w方向的方向上延伸。第一行和第二行彼此相交，以形成交叉的形状。当点行彼此相交并且利用来自脊20的解理面的近场光时，可以成形谐振光谱。

例如，如图12G所示，由点构成的波导可以是封闭的。根据附图所示的示例，点22设置成平行四边形(例如，菱形)。这样的封闭布置例如可以是环形。因为封闭的点布置形成环形谐振器，所以提高了Q值。而且，当由封闭的点行构成的封闭谐振器具有角部分(被弯曲的位置)C时，在弯曲部分C可以产生强近场光。因此，弯曲部分C优选设置为靠近脊20的解理面。

纳米金属体的主要材料的示例

纳米金属体21可以由单个金属或者合金组成，单个金属例如为金(Au)、银(Ag)或铝(Al)等，合金包含选自上述的金(Au)、银(Ag)和铝(Al)的至少一种金属以作为主要材料。纳米金属体21可以包含选自铂(Pt)、镍(Ni)和钯(Pd)的至少一种金属。

纳米金属体的表面保护膜的示例

上述纳米金属体21依赖于光的波长。

包含银(Ag)或铝(Al)的纳米金属体21可以用于宽的波长范围，即从紫外至红外及更长波长的范围。包含Ag或Al的纳米金属体21容易氧化。因此，表面保护膜(诸如由氮化硅(SiN)或氮化铝(AlN)等组成的电介质膜)优选形成在纳米金属体21的表面上，以防止氧化。

耐火金属薄膜也可以用作表面保护膜。也可以采用耐火金属薄膜和诸如金(Au)或铂(Pt)的抗氧化金属薄膜的复合膜。

表面保护膜的厚度优选为5nm以下。当表面保护膜的厚度大于5nm时，可能抑制表面等离子体激元的产生。而且，表面保护膜的厚度希望为1nm以上，以防止氧渗透。

纳米金属体的主要材料的示例

也可以给诸如银(Ag)和铝(Al)的主要材料加入微量的其它元素。“主要材料”是指包含在纳米金属体中的总量为90％以上的Ag和Al。

当纳米金属体21由金(Au)组成时，纳米金属体21可以用于约500nm的波长至红外以及更长波长的范围。因为金(Au)是抗氧化的，所以不需要用表面保护膜覆盖表面。然而，通过用适当的电介质膜(例如由氧化硅(SiO₂)氮化硅(SiN)或氧化铝(Al₂O₃)等组成)涂镀纳米金属体21的表面，可以调整谐振频率并且可以改善耐久性。可以给主要材料金(Au)加入微量的其它元素。这里，″主要材料″是指含量为90％以上的金。当主要材料的含量为90％以上时，可以充分显示出主要材料的特性。

或者，选自Au、Ag和Al的至少两种材料可以用作主要材料，并且微量的其它元素可以加到主要材料中。例如，在从近红外至红外以及更长波长的范围中，可以包含选自铂(Pt)、镍(Ni)和钯(Pd)的至少一种元素作为主要材料。可以加入微量的其它元素。

可以包含选自Au、Ag、Al、Pt、Ni和Pd的至少一种元素作为主要材料。可以加入微量的其它元素。

具有上述结构的表面等离子体激元产生装置1的有源层13具有横向结结构(TJS：transverse junction structure)。当沿垂直方向观察时，该TJS包括在半导体多层结构中，该半导体多层结构从底部开始依次包括第一阻挡层12、有源层13和第二阻挡层14。而且，该TJS在水平方向上由pn同质结限制，在长度方向上由脊20的宽度窄的限制结构限制。

因此，根据表面等离子体激元产生装置1，当电流注入到同质结中时，电子-空穴对产生在脊20的限制区域中。换言之，注入的电子和空穴在纳米金属体21下方的同质结及其附近区域中有效地形成电子-空穴对。在垂直方向上靠近有源层13形成的纳米金属体21从电子-空穴对获取能量，并产生表面等离子体激元。

当纳米金属体21的结构能够在与同质结的发光光谱对应的波长处结构谐振时，可以产生相干的表面等离子体激元。因此，可以提供电流注入型SPASER二极管。

而且，根据上述的表面等离子体激元产生装置1，当电压V1施加在p电极18和n电极19之间时，满足关系式(1)，即Eg1＜V1，其中Eg1表示有源层13的带隙能。

优选V1＜Eg2或者Eg3(关系式(2))，其中Eg2表示第一阻挡层12的带隙能，并且Eg3表示第二阻挡层14的带隙能，这是由于电流朝着脊20的同质结变窄。

换言之，优选第一阻挡层12和第二阻挡层14的带隙足够大。

有源层13和纳米金属体21之间的距离优选尽可能的小。从而，第二阻挡层14的厚度为1nm至50nm，并且优选为4nm以上且10nm以下。当第二阻挡层14的厚度小于1nm时，无法实现空穴的量子限制。该厚度优选约为波尔半径，即4nm以上。当该厚度超过10nm时，可能降低产生表面等离子体激元的效率。从而，第二阻挡层14的厚度为1nm至50nm，且优选为4nm以上且10nm以下。

绝缘膜16设置为使半导体多层结构与纳米金属体21电隔离，绝缘膜16的厚度优选为3nm以上且10nm以下。

因此，有源层13和纳米金属体21之间的距离为20nm以下，并且纳米金属体21的表面等离子体激元产生的电磁场与有源层13中的同质结重叠。n型第一阻挡层12n和p型第一阻挡层12p的每一个的厚度为1nm至50nm，且优选为10nm以下。当该厚度小于1nm时，结晶性降低，非辐射复合的可能性增加，从而E-SP效率降低。相反，当该厚度大于50nm时，注入电流增加；换言之，功耗增加。

具体地讲，当第二阻挡层14的厚度为10nm以下时，经由第二阻挡层14(例如，AlGaInP层)在居间层(例如，AlGaAs层)和有源层13(例如，GaInP层)之间发生空穴隧穿。这降低了驱动电压。

2.第二实施例

制造表面等离子体激元产生装置的方法示例

现在，将参考图1描述根据第二实施例的制造表面等离子体激元产生装置的方法示例。

表面等离子体激元产生装置1，即上述的SPASER二极管，可以如下制作。

半导体多层结构的形成

参考图1，例如通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)，在基板11上形成半导体多层结构。例如，砷化镓(GaAs)基板用作基板11。

半导体多层结构例如这样形成：在基板11上依次层叠缓冲层(未示出)、第一导电类型(例如，n型)的第一阻挡层12、n型有源层13、n型第二阻挡层14、居间层(未示出)以及用于形成第二导电类型(p型)的盖层15的盖层形成层。

通过沉积磷化镓铟(GaInP)来形成缓冲层。通过沉积n型磷化铝镓铟(n-AlGaInP)来形成第一阻挡层12。通过沉积n型磷化镓铟(n-GaInP)来形成有源层13。通过沉积n型磷化铝镓铟(n-AlGaInP)来形成第二阻挡层14。

通过沉积砷化铝镓(AlGaAs)来形成居间层。例如，通过沉积砷化镓(p-GaAs)来形成用于形成p型盖层15的盖层形成层。

用于外延生长各层的原材料例如选自三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、磷化氢(PH₃)和砷化氢(AsH₃)。例如，甲硅烷(SiH₄)用作施主杂质的原材料。例如，二茂镁(Cp₂Mg)或二甲基锌(DMZn)等用作受主杂质的原材料。

杂质扩散源的形成

然后，氧化锌(ZnO)膜形成在半导体多层结构中将要形成p型区域的区域上方的盖层形成层上。氧化锌膜形成在盖层形成层上，厚度例如为约50nm至约500nm。

可以采用硬掩模技术、剥离技术和蚀刻技术等作为图案化氧化锌膜的技术。

例如，当采用硬掩模技术时，通过下面的工艺形成锌合金膜。厚度为约50nm至约300nm的氮化硅(SiN)膜形成为盖层形成层上的硬掩模层。然后，采用抗蚀剂掩模通过常用的蚀刻技术图案化硬掩模层，以在要形成p型区域的区域上形成开口(未示出)。在去除抗蚀剂掩模后，在硬掩模层上形成氧化锌膜。氧化锌膜在硬掩模层的开口中与盖层形成层接触。

结果，氧化锌膜与盖层形成层接触的部分可以制作为对应于杂质扩散区。或者，硬掩模层可以是氧化硅(SiO₂)膜。

例如，当采用剥离技术时，通过下面的工艺形成锌合金膜。抗蚀剂可以涂覆在盖层形成层上，以形成抗蚀剂厚膜。然后，去除抗蚀剂厚膜在与杂质扩散区域对应的区域上方的部分，以形成开口。然后，氧化锌膜形成在抗蚀剂膜上，以使氧化锌膜在抗蚀剂膜的开口中接触盖层形成层。氧化锌膜优选各向异性沉积，并且优选比抗蚀剂膜薄。然后，去除抗蚀剂膜，以去除形成在抗蚀剂膜上的氧化锌膜并使氧化锌膜保留在抗蚀剂膜的开口内。

结果，氧化锌膜与盖层形成层接触的部分可以制作为对应于杂质扩散区。

例如，当采用蚀刻技术时，通过下面的工艺形成锌合金膜。氧化锌膜形成在盖层形成层的整个表面上。涂覆抗蚀剂以形成抗蚀剂膜，通过光刻图案化该抗蚀剂膜以在与杂质扩散区对应的区域上形成抗蚀剂掩模。接下来，采用抗蚀剂掩模作为蚀刻掩模蚀刻氧化锌膜。例如，在该蚀刻中，采用盐酸基蚀刻剂。作为蚀刻的结果，氧化锌膜仅保留在与杂质扩散区对应的区域上。

在如上形成用作p型杂质扩散源的氧化锌膜后，例如用氧化硅(SiO₂)膜覆盖氧化锌膜。当氧化锌膜被氧化硅膜覆盖时，可以在后续的退火步骤中防止锌原子逃逸到气相中。

通过杂质扩散形成p型区域

接下来，例如，在诸如氮(N₂)气氛的惰性气氛中，在500℃至600℃的温度下，进行退火约几分钟至三十分钟。结果，包含在氧化锌膜中的锌(Zn)原子经由盖层形成层扩散到第二阻挡层14、有源层13和第一阻挡层12中。扩散的锌(Zn)原子用作受主。

扩散区域是扩散有硅和锌的共掺杂区域，并且由于扩散了足够数量的锌原子而可以用作p型半导体。

优选地，锌扩散区域中的有源层(p型有源层13)包含浓度为1×10¹⁷原子/cm³至5×10¹⁸原子/cm³的锌原子。

接下来，如果需要，例如，在氮(N₂)气氛或砷化氢(AsH₃)气氛中，在约650℃至约750℃的温度下，进行退火约10至120分钟。作为该退火的结果，扩散进入半导体多层结构的锌(Zn)原子可靠地占据13族(III族)位置，并且半导体多层结构的结晶性得到改善。

通过测量光致发光(PL)并且观察在长波范围中广泛分布的深能级发光是否得到抑制，可以确认半导体多层结构的结晶性是否得到改善。

通过上述的扩散工艺，p型第二阻挡层14p形成在n型第二阻挡层14n中，p型有源层13p形成在n型有源层13n中，并且p型第一阻挡层12p形成在n型第一阻挡层12n中。

在半导体多层结构中，锌扩散区域边缘处的锌浓度迅速降低并且导电类型从p型经由i型改变为n型。从而，TJS结构沿半导体多层结构的垂直方向形成在形成有pn结的平面中。

接下来，例如通过采用缓冲氢氟酸的湿法蚀刻去除氧化硅(SiO₂)膜，并且通过采用盐酸基蚀刻剂的湿法蚀刻去除氧化锌膜。当采用硬掩模技术且硬掩模层形成为氮化硅膜时，通过采用热磷酸的湿法蚀刻去除硬掩模层。当硬掩模层形成为氧化硅膜时，硬掩模层与上述的氧化硅层同时去除。

脊的形成

接下来，在通过抗蚀剂涂覆技术在盖层形成层的整个表面上形成抗蚀剂膜后，采用常用的光刻技术曝光并显影抗蚀剂膜，以在杂质扩散区域内留下抗蚀剂膜。该抗蚀剂膜用作形成p型盖层的蚀刻掩模。采用抗蚀剂膜作为蚀刻掩模，蚀刻盖层形成层和居间层。结果，由盖层形成层形成p型盖层15，并且其下方形成居间层。

例如，采用磷酸基蚀刻剂进行蚀刻，以蚀刻盖层形成层和AlGaAs居间层。由于居间层的基底为AlGaInP层，所以对磷酸基蚀刻剂的蚀刻速率非常低。因此，蚀刻部分的最外层表面形成AlGaInP层的第二阻挡层14。然后，去除抗蚀剂掩模。

接下来，通过抗蚀剂涂覆技术在第二阻挡层14的整个表面上形成抗蚀剂膜，以覆盖p型盖层15。然后，通过常用的光刻技术曝光并显影抗蚀剂膜，以在要形成脊的区域上留下抗蚀剂掩模。在此阶段，p型盖层15被抗蚀剂掩模覆盖。

接下来，通过采用抗蚀剂掩模为蚀刻掩模依次蚀刻第二阻挡层14、有源层13和第一阻挡层12，以形成包括第二阻挡层14、有源层13和第一阻挡层12的上部的脊20。例如，在该蚀刻中，采用盐酸基蚀刻剂。

然后，去除在该蚀刻中采用的抗蚀剂掩模。

绝缘膜的形成

接下来，绝缘膜16形成为由氧化硅(SiO₂)等组成的电介质膜，以覆盖p型盖层15和脊20等的整个表面。绝缘膜16的厚度例如优选为3nm以上且10nm以下。常用的绝缘膜可以用作绝缘膜16。

纳米金属体的形成

然后，纳米金属体21形成在脊20的绝缘膜16上，以延伸跨过形成在有源层13中的pn结。

当纳米金属体21与周围的结构隔离时，纳米金属体21可以通过采用用于电子束光刻的薄膜抗蚀剂并进行剥离工艺来制作。

也可以采用诸如纳米印刷的常用纳米工艺。

或者，金属膜可以形成在图案化的UV硬化树脂或者热固树脂上并通过剥离工艺图案化，从而形成纳米金属体21。

或者，通过蚀刻可以形成尺寸为几纳米至几百纳米的纳米图案，例如，尺寸为3nm至300nm的图案。

例如，在金属薄膜形成在绝缘膜16上后，用聚焦离子束(FIB)处理金属薄膜以形成纳米金属体21。

或者，纳米金属体21可以这样形成：通过涂覆技术在金属薄膜上形成抗蚀剂膜，图案化抗蚀剂膜以形成抗蚀剂掩模，并且采用抗蚀剂掩模作为蚀刻掩模来湿法蚀刻或干法蚀刻金属薄膜。

结果，形成了尺寸为几纳米至几百纳米的纳米金属体21。

金属薄膜可以是板状薄膜或由纳米点构成的膜。可以进行适当的选择。

p电极的形成

电介质膜(未示出)形成在纳米金属体21、脊20等的整个表面上。电介质膜优选形成为具有约50nm以上且约250nm以下的厚度。

接下来，采用抗蚀剂掩模通过常规蚀刻去除p型盖层15上的电介质膜，以形成开口。然后，去除抗蚀剂掩模。

电极形成膜形成在电介质膜上，以使电极形成膜在电介质膜的开口中接触p型盖层15。这里的电极形成膜优选为各向异性沉积，并且优选比电介质膜薄。

通过从底部开始依次沉积钛(Ti)膜、铂(Pt)膜和金(Au)膜来形成电极形成膜。电极形成膜并不局限于上述多层结构，并且可以具有任何其它的多层结构。

随后，通过剥离技术去除电介质膜，以同时去除电介质膜上的电极形成膜。电极形成膜保留在开口中，并且形成p电极18。

n电极的形成

接下来，在基板11(n-GaAs基板)的背侧形成n电极19。n电极19例如由从基板11侧开始的金锗(AuGe)层/镍(Ni)层/金(Au)层/钛(Ti)层/铂(Pt)层/金(Au)层构成。然后，在250℃以上的背景温度下进行合金化。

n电极19的多层结构并不限于上述结构，而是可以为包括其它金属膜的多层结构。而且，n电极19可以为单层。

芯片的形成

例如，解理基板11以平行于y-z平面切割纳米金属体21。通过解理形成的解理面可以通过干法蚀刻或湿法蚀刻形成。其它表面也可以通过解理或切块来切割，以形成包括SPASER二极管的表面等离子体激元产生装置1。

或者，晶片可以切割为形成彼此连接的SPASER二极管阵列。

表面等离子体激元产生装置1可以通过MOCVD方法之外的薄膜形成方法形成。例如，薄膜可以取决于半导体材料而通过分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)、电子束沉积、溅射、等离子体激元体增强CVD和激光熔融形成。

对于半导体层的掺杂剂，硅(Si)和硒(Se)可以用作n型掺杂剂，并且锌可以主要用作p型杂质扩散源。如上所述，p型区域可以通过上述的固态扩散技术、气相扩散技术或离子注入技术等形成。在上述制造方法中，对形成膜的技术不作特别限定。

因为通过上述制造方法形成的纳米金属体21具有微小的结构，所以制造加工中会产生加工误差，并且不可能严格限定纳米金属体21的棱角而是有时可能形成圆角。然而，这不会有问题。

具有上述结构的表面等离子体激元产生装置1的有源层13具有横向结结构(TJS)。当沿垂直方向观察时，TJS包括在半导体多层结构中，该半导体多层结构从底部开始依次包括第一阻挡层12、有源层13和第二阻挡层14。而且，TJS在水平方向上由pn同质结的限制，在长度方向上由脊20的宽度窄的限制结构限制。

因此，根据表面等离子体激元产生装置1，当电流注入到同质结中时，电子-空穴对产生在脊20的限制区域中。换言之，注入的电子和空穴在纳米金属体21下方的同质结及其附近区域中有效地形成电子-空穴对。在垂直方向上靠近有源层13形成的纳米金属体21获取来自电子-空穴对的能量并产生表面等离子体激元。

当纳米金属体21的结构在与同质结的发光光谱对应的波长处可以结构谐振时，可以产生相干的表面等离子体激元。因此，可以实现电流注入型的SPASER二极管。

根据上述制造表面等离子体激元产生装置的方法，纳米金属体21形成在有源层13的pn结上方的绝缘膜16上，以延伸跨过有源层13中形成的pn结。因此，当电流注入到有源层13的pn结中时，注入的电子和空穴在纳米金属体21下方的pn结及其附近区域中有效地形成电子-空穴对。在垂直方向上靠近有源层13形成的纳米金属体21获取来自电子-空穴对的能量并产生表面等离子体激元。

通过上述方法形成的表面等离子体激元产生装置1显示出高的E-SP效率，这是由于表面等离子体激元可以通过电流注入直接产生。

表面等离子体激元产生装置的应用示例

图1所示基板11的前表面以及半导体多层结构通常由解理形成。因此，纳米金属体上产生的表面等离子体激元易于从图3所示的前表面获得。

该SPASER二极管可以用在下面的应用中。

现在，将参考图13以及14A至14C描述应用表面等离子体激元产生装置1的信息记录设备的示例。

图13所示的表面等离子体激元产生装置1具有参考图1等描述的结构。在前表面处由表面等离子体激元产生的高强度近场光可以俘获分子和微小颗粒，表面等离子体激元由纳米金属体21产生。该表面等离子体激元产生装置1可以用于生物传感、光学成型和选择化学反应的加速。

参考图14A，用作参考图1描述的SPASER二极管的表面等离子体激元产生装置1在基板11上布置成一行。在这样的结构中，纳米金属体21的间隔为几十纳米以上。在前表面处通过表面等离子体激元产生高强度的近场光，表面等离子体激元由表面等离子体激元产生装置1产生。分子和微小颗粒可以由该近场光俘获。根据这样的阵列结构，分子和微小颗粒可以以所希望的周期和位置被俘获。

现在参考图14B，用作SPASER二极管的表面等离子体激元产生装置1在基板11上布置成行。由于SPASER二极管的阵列结构，分子和微小颗粒可以在所希望的周期和位置被俘获。根据该构造，纳米金属体21例如形成为在平面图中具有L形状。在平面图中，纳米金属体21和包括p型第一阻挡层、p型有源层和p型第二阻挡层(未示出)的p型区域设置在与排列形成阵列的表面等离子体激元产生装置1的方向垂直的方向上。p型盖层(未示出)和p电极形成在p型区域(图中未示出的p型第二阻挡层)上。因此，纳米金属体21和p型区域设置为经由n型区域而彼此接近，该n型区域包括n型第一阻挡层、n型有源层和n型第二阻挡层(未示出)。

当这样设置纳米金属体21和p电极18时，纳米金属体21可以设置为彼此接近。

平面图中具有L形状的纳米金属体21的结构仅为示例，并且可以采用上述的各种结构。纳米金属体21的小部分位于n型区域上方，纳米金属体21的大部分位于pn结上方。因为n型区域、pn结和p型区域从解理面开始依次设置，所以纳米金属体21之间的间隔在尺寸上可以减少到10μm以下。

图14C是具有公共n型区域的多个(图中八个)脊20在中心部分上连接的结构立体图。纳米金属体21设置在对应脊20的中心部分上。纳米金属体21可以这样局部地二维设置。根据该结构，因为从表面上方获取近场光，所以捕获的分子延伸在晶片表面上方。该结构也可以应用于单元件SPASER二极管。

而且，根据该结构，因为在特定的位置可以指定分子和微小颗粒的取向，所以可以形成分子尺寸的三维人工结构。这就是通常所称的倒置纳米制造(bottom-up nanofabrication)。

而且，不同的分子和微小颗粒可以通过改变各表面等离子体激元产生装置1(SPASER二极管)的纳米金属体21的谐振频率来俘获。

该装置可以用作采用高强度近场光的信息记录设备的光源。

例如，如图15A所示，为了主要或辅助地使用，表面等离子体激元产生装置1(SPASER二极管)的纳米金属体21优选靠近信息记录介质D。然而，因为纳米金属体21位于解理界面上，所以纳米金属体21可以容易地靠近信息记录介质D。

气垫面(ABS)结构可以形成在解理面上。例如，如图15B所示，信息记录介质D可以是光盘，并且表面等离子体激元产生装置1(SPASER二极管)可以结合到硬盘装置(HDD)通常使用的悬置机构S上，从而可以根据需要控制表面等离子体激元产生装置1的位置。

如图14A至14C所示，当表面等离子体激元产生装置1(SPASER二极管)设置成阵列结构时，同时记录和播放成为可能，因此改善了记录密度。

该装置可以用作采用高强度近场光的近场光曝光设备的光源。具体地讲，当表面等离子体激元产生装置1(SPASER二极管)设置成阵列结构时，可以改善产率。

尽管图中未示出，但是表面等离子体激元产生装置1(SPASER二极管)可以直接构建等离子电路(plasmonic circuit)。在这样的应用中，不需要解理，并且在晶片表面中形成许多表面等离子体激元产生装置1。

通常，n电极19由各表面等离子体激元产生装置1共用，并由单独的p电极18驱动每个表面等离子体激元产生装置1。各表面等离子体激元产生装置1的纳米金属体21通过等离子波导(plasmonic waveguide)耦合，并一起用作电路。以这样的方式，该电路可以高效率驱动。而且，因为各表面等离子体激元产生装置1可以设置为彼此靠近并单独驱动，所以可以减小电路尺寸。

如图16所示，当等离子波导形成在n-AlGaInP组成的第二阻挡层14(未示出)上方时，等离子波导可以设置在与表面等离子体激元产生装置的纳米金属体21相同的高度上。在附图中，示出了纳米点的行用于形成等离子波导且将两个路径耦合的示例。

即使如图14C所示当纳米金属体21之间的间隔很小时，不同等离子波导的端部也可以通过上述等离子波导而设置为彼此靠近。

本申请包含2009年6月15日提交至日本专利局的日本优先权专利申请JP 2009-141774中公开的相关主题事项，其全部内容通过引用结合于此。

本领域的技术人员应当理解的是，在所附权利要求或其等同方案的范围内，根据设计需要和其他因素，可以进行各种修改、结合、部分结合和替换。

Claims (6)

1.一种表面等离子体激元产生装置，包括：

有源层，包括形成在一侧的n型区域和形成在另一侧的p型区域，所述n型区域和所述p型区域彼此接触以在其间形成pn结；

第一阻挡层，与所述有源层的第一表面接触；

第二阻挡层，与所述有源层的第二表面接触，所述第二表面与所述第一表面相反；以及

金属体，设置在所述有源层的所述pn结的上方，在所述金属体和所述有源层之间具有所述第二阻挡层和绝缘层。

2.根据权利要求1所述的表面等离子体激元产生装置，其中所述第一阻挡层由带隙能大于所述有源层的带隙能的半导体构成。

3.根据权利要求1所述的表面等离子体激元产生装置，其中所述第二阻挡层由带隙能大于所述有源层的带隙能的半导体构成。

4.根据权利要求1所述的表面等离子体激元产生装置，其中夹设所述有源层的所述p型区域的部分所述第一阻挡层和部分所述第二阻挡层形成为p型，并且

夹设所述有源层的所述n型区域的部分所述第一阻挡层和部分所述第二阻挡层形成为n型。

5.根据权利要求1所述的表面等离子体激元产生装置，其中包括所述第一阻挡层、所述有源层和所述第二阻挡层的多层结构形成为具有脊形状的脊，并且

所述有源层的所述pn结形成在所述脊内。

6.一种表面等离子体激元产生装置的制造方法，包括如下步骤：

在第一导电类型的半导体基板上依次层叠第一导电类型的第一阻挡层、第一导电类型的有源层和第一导电类型的第二阻挡层；

在包括所述第二阻挡层、所述有源层和所述第一阻挡层的第一导电类型的多层结构中形成与所述第一导电类型相反的第二导电类型的区域；

通过将所述多层结构图案化为脊形状而形成脊，使得所述多层结构的所述第一导电类型的区域和所述第二导电类型的区域之间的pn结包含在所述脊中；

形成覆盖所述脊的绝缘膜；以及

形成延伸跨过所述pn结的金属体，所述金属体形成在所述脊中的所述pn结上方的所述绝缘膜上。

Images