CN115485940A - 胶体量子点光发射器和检测器 - Google Patents

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L·埃尔辛格
Z·汉斯
D·范托尔豪特
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Abstract

一种集成光电器件(100，200，300)包括基板(30)，该基板支撑无源波导(31)，该无源波导用于在两个横向方向上限制折射率，并沿纵向方向引导至少一个光学模式。该器件还包括用于传输第一导电类型的载流子的第一电荷传输层(11)、用于传输与第一导电类型相反的第二导电类型的载流子的第二电荷传输层(12)、以及包括可溶液加工的半导体纳米晶体的颗粒膜的有源层(20)。该有源层相对于所述电荷传输层来被布置以形成二极管结。有源层以及第一和第二电荷传输层被进一步形成在基板上，使得它们各自在垂直于纵向方向的截面中与波导的至少一部分交叠。有源层被倏逝地耦合到波导。

Description

胶体量子点光发射器和检测器
技术领域
本发明涉及光发射和光检测器件的领域，并且尤其涉及基于可溶液加工的半导体材料(诸如胶体量子点)的光子集成电路的光发射器和光检测器。
背景技术
由于制造简单且成本较低，基于诸如胶体量子点(QD)等可溶液加工的活性材料的光电器件有取代目前普遍使用的外延生长的器件的潜力。虽然使用胶体量子点层作为增益材料的电泵浦激光二极管的可行性长期以来一直受到质疑，但最近的研究工作带来了专门设计的胶体量子点(QD)的发展，这些胶体量子点提供了降低的Auger重新组合(recombination)率，并且因此是实现长期寻求的QD激光二极管的有希望的候选者。
Lim，J.等人的“Optical gain in colloidal quantum dots achieved withdirect-current electrical pumping(用直流电泵浦实现的胶体量子点的光学增益)”，Nature Mater(自然材料)，17，42–49(2018)提出，化学合成的半导体QD可以实现可溶液加工的激光二极管。连续梯度QD被用在具有p-i-n架构的电致发光器件中，以通过直流电泵浦实现粒子数反转和光学增益。薄的有源QD层被夹在电子传输层和空穴传输层之间，并且特殊形状的电介质LiF间隔物被提供作为用于制造锥形空穴注入层的模板。采用这种电流聚焦架构，获得了与QD发射层的窄(70-100μm宽)接触区域。已测得了高达约18A cm-2的电流密度而没有损坏QD层或注入层。
对于这种办法，缺点是缺少适合电泵浦激光发射的光学腔。此外，为了将空穴注入层的接触部分成形为小的接触区域，需要附加的间隔物。
在Roh，J.等人的“Optically pumped colloidal-quantum-dot lasing in LED-like devices with an integrated optical cavity(具有集成光学腔的LED类器件中的光泵浦胶体量子点激光发射)”，Nat.Commun.(国家通讯)，11，271(2020)，这些特别设计的QD被用于实现具有双重功能性的多层p-i-n结构：如果在p-i-n层结构的顶部提供了附加的p型接触电极，则用作发光二极管(LED)；如果移除了p型接触电极，则用作光学泵浦激光器。他们提出了一种光学腔，其中分布式反馈谐振器被直接集成到多层堆叠的底部低折射率ITO(L-ITO)阴极中。光学模式受到包含有源层的超薄量子点的微弱限制。
这种办法的缺点是，需要仔细设计跨该器件的折射率分布，以获得QD介质中波导模式的弱光学限制。ITO和二氧化硅的非标准混合物是必要的，以保证在非常薄的有源层(这对于电泵浦激光发射是强制性的)中足够稳定的模式引导。在这些器件中展示的最大电流密度被限制在0.2A cm-2，太小而无法通过电注入来达到激光发射阈值。
因此，仍然需要高效的光电器件，尤其是用可溶液加工的活性材料制成的激光二极管。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供高效的光电器件结构，其支持在包括可溶液加工的半导体纳米晶体材料的有源层中的高注入电流密度并且还支持低损耗光学模式引导。
本发明的实施例的另一目的是提供光电器件结构，其以稳健和可靠的方式引导和限制(confine)光学模式，而不依赖于包括可溶液加工的半导体纳米晶体材料的有源层(尤其是在DC偏置电流下可反转的薄膜有源层)的厚度。
上述目的通过根据本发明的方法和设备来实现。
本发明涉及一种集成光电器件，包括：基板，用于传输第一导电类型的载流子的第一电荷传输层，用于传输与第一导电类型相反的第二导电类型的载流子的第二电荷传输层，以及包括可溶液加工的半导体纳米晶体的薄颗粒膜(例如胶体量子点的颗粒膜(单层、双层、多层))的有源层。该基板支撑无源波导，无源波导用于沿器件的纵向方向(光轴)引导光，并在器件的每一横向方向上将经引导光折射率限制为至少一个光学模式。有源层相对于所述电荷传输层来被布置以形成二极管结。有源层与第一和第二电荷传输层被形成在基板上，且每一者在与所述波导中的至少一个光学模式的传播方向相垂直的截面中与所述波导的至少一部分交叠。有源层在光学上耦合到波导。波导通常是非平面波导，例如非平板波导，这意味着该波导可获得的横向折射率限制是二维的并允许波导的光轴弯曲，即波导的纵向方向可相对于支撑波导的基板而变化。在任一情形中，波导的两个横向方向都对应于波导的两个较小维度，通常具有亚微米长度尺度，而波导的纵向方向对应于波导的光轴并且延伸的距离远大于波导的两个横向维度。换言之，波导实现所述至少一个光学模式在与电荷传输层和有源层相平行的第一横向方向和与电荷传输层和有源层相垂直的第二横向方向上的折射率限制，其中所述第一和第二横向两者都垂直于纵向方向。
与传统的III/V半导体器件(如激光二极管，其中较低的带隙材料具有较高的折射率以允许有源区中的光学模式限制并且其中带隙和折射率通常通过改变组成来被调节)相比，基于溶液加工的半导体纳米晶体材料的有源层与这些既定的设计原则不兼容。主要原因是，对于普遍可用的不同有机和无机电荷传输层，注入到有源层的可用电流密度是受限的并且因此反转基于溶液加工的半导体纳米晶体材料的厚有源层(这将允许充分的模式限制)是不可能的。本发明通过使光学模式折射率受限于波导并且使模式与有源层交叠来提供这些问题的解决方案。
在本发明的实施例中，有源层颗粒膜的相邻颗粒之间的平均粒间距离可小于10nm，例如小于或等于5nm，从而得到有源层颗粒薄膜中颗粒的密集组装(例如紧密堆积)。有源层颗粒膜通常是不连续的，即不包含其中嵌入有半导体纳米晶体颗粒的连续相基质材料。优选地，相对于有源层颗粒膜的纳米颗粒表面密度大于1.0*1011cm-2，例如大于1.0*1012cm-2，如5.0*1012cm-2或更大。
在本发明的实施例中，光电器件可被配置成充当发光器件(例如，激光二极管、LED或半导体光学放大器)、光检测器件(例如光电检测器)或调光器件(例如电光调制器)。
在本发明的实施例中，光电器件可以作为光子集成电路(PIC)提供。因此，它们具有小型化器件、大规模生产、晶圆级和低成本的优点。溶液加工的半导体纳米晶体材料与多种无源波导平台兼容。与常规III/V半导体有源器件相比，有源层的溶液加工的材料不依赖于昂贵且复杂的外延生长环境，并且可以在较低温度下获得。
在本发明的实施例中，有源层的可溶液加工的半导体纳米晶体材料包括胶体量子点、纳米钙钛矿基材料、块状半导体晶体和纳米片状物的组中的一者或多者。半导体纳米晶体材料(如胶体量子点)因其大的材料增益和波长可调性而具有吸引力。
在本发明的实施例中，通过第一电荷传输层、有源层和第二电荷传输层的电流路径可以不延伸到波导中。这具有可以降低自由载流子引起的吸收模态损耗的优点。在本发明的实施例中，通过在波导中限定的至少一个导光模式与有源层之间的模式交叠，有源层可被倏逝地(evanescently)光学耦合到波导。有源层中的至少一个引导模式的限制因子可以根据波导几何形状和材料以及有源层距离来被设计。这具有可以控制光电器件的饱和功率的优点。在本发明的实施例中，波导可被配置成独立于有源层来限制和引导所述至少一个光学模式。至少一个光学模式的限制是由波导管控的折射率限制。因此，有源层相对于波导的厚度变化和/或距离变化不会导致器件中光学限制和波导的损失。通常，光学波导是非平面波导，例如肋波导或脊波导。此外，支持仅单个引导模式或仅少数引导光学模式(例如，三个引导光学模式或更少)的光学波导是优选的。在本发明的实施例中，在所述截面中，有源层的接触部分可以与波导交叠。这是进一步的优点，因为电限制和电荷载流子重新组合可以在被引导的至少一个光学模式的峰值强度的位置附近发生，这提高了器件的内部量子效率。
在本发明的实施例中，第一电荷传输可以是有机半导体空穴传输层，而第二电荷传输层可以是无机半导体电子传输层。在所述截面中，第一和第二电荷传输层、有源层和波导可以垂直堆叠。这具有第二电荷传输层也可以充当二极管结的底部接触的优点。因此不需要进一步的底部接触层(阴极)，这允许降低载流子引起的模态损耗。此外，在波导和有源层之间的垂直堆叠中不需要附加的层，诸如粘合层或接合层。这具有如下优点：可以降低模态损耗和/或获得与有源层的经改进模态交叠，这降低了使用根据这些实施例的光电器件的激光二极管中的激光阈值电流密度。
在本发明的实施例中，第二电荷传输层可以是设置在有源层和波导之间的半导体电子传输层。半导体电子传输层可以被优化为良好的电子迁移率、良好的导电性和降低的光学损耗。这具有的优点是，在波导附近出现的至少一个引导模式的模态损耗被进一步降低。这可以通过提供更厚的第一电荷传输层来进一步改善，使得顶部接触电极距波导以及在其中引导的光学模式更远。
在本发明的实施例中，第二电荷传输层可符合波导的轮廓，波导从基板的表面升起。这具有载流子重新组合或产生发生在波导和至少一个导光模式的峰值强度附近的优点。因此，可以提高器件的内部量子效率。此外，在这些实施例中，在有源层处获得良好的电流聚焦，从而允许向有源层注入或从中提取更大的电流密度，并通过DC电流偏置来进一步实现包括溶液加工的半导体纳米晶体材料的薄膜有源层的反转。
在本发明的实施例中，第一电荷传输层和第二电荷传输层可以是共面的，并且被布置成在所述截面中与波导的不同部分交叠，使得第一和第二电荷传输层的相邻边缘由间隙分隔开，并且有源层在第一和第二电荷传输层的至少一部分上延伸并进入所述间隙。波导可以是开槽波导，使得间隙在开槽波导的两个波导轨道之间延伸。这样的实施例的优点是，可以获得与有源层的增加的模态交叠，并且与该至少一个导光模式相关联的电场在间隙内是相对均匀的。
在另一方面，本发明涉及一种包括根据前一方面的实施例的集成光电器件的集成发光器件，尤其是集成发光二极管(LED)或集成激光二极管(LD)。在本方面的实施例中，光学波导被倏逝地耦合到集成发光器件的发光层堆叠(其包含有源层和电荷传输层)，例如LED或LD的发光层堆叠。该发光层堆叠通常相对于承载波导的基板是垂直地取向的，即垂直于波导的顶表面，并且发光层堆叠的各层与包含波导的平面(例如基板层)共面。
在又一方面，本发明还可涉及一种包括根据第一方面的实施例的集成光电器件的集成光电检测器(PD)。光电检测器还包括与第一电荷传输层电接触的第一电极和与第二电荷传输层电接触以跨二极管结感生出反向偏置条件的第二电极，其中所述有源层被适配成在所述反向偏置条件下产生具有相反导电性电荷的载流子，并且其中所述二极管结被适配成在所述反向偏置条件下将所产生的载流子分离并收集到对应的电荷传输层中。在本方面的实施例中，光学波导被倏逝地耦合到集成PD的光吸收层堆叠，其包含有源层和电荷传输层。该光吸收层堆叠通常相对于承载波导的基板是垂直地取向的，即垂直于波导的顶表面，并且发光层堆叠的各层与包含波导的平面(例如基板层)共面。
在又一方面，本发明涉及一种用于在集成光电器件的有源层中将电荷电流注入和导光模式的折射率限制进行解耦的方法。集成光电器件包括用于传输第一导电类型的载流子的第一电荷传输层、用于传输与第一导电类型相反的第二导电类型的载流子的第二电荷传输层、以及包括溶液加工的半导体纳米晶体材料的有源层。有源层相对于所述电荷传输层布置以形成二极管结。该方法包括提供支撑无源波导的基板的步骤，该无源波导用于在被光学耦合到有源层的同时在至少一个光学模式中对光进行折射率限制并引导。折射率限制是针对细长波导体的两个横向方向(例如波导的宽度和高度方向)获得的，而至少一个光学模式中的受限光在纵向方向(对应于波导的优选延伸方向)上被引导。该方法还包括将有源层、第一电荷传输层和第二电荷传输层中的每一者布置在基板上，以在与受限光沿波导传播的纵向方向相垂直的截面中与所述波导的至少一部分交叠的步骤。
这些解耦方法的优点是，低损耗无源波导可以与高材料增益、薄膜有源层相组合，而不会损害波导中的可靠光学引导。此外，这提供了一种更灵活的设计办法，有助于减少与有损接触层的模式交叠或模式泄漏到有损接触层。这与基于可溶液加工的半导体纳米材料的现有技术激光器件(其中在器件堆叠的单个有源层中实现了组合的折射率限制和载流子注入)形成对比。在这些现有技术器件中，存在对有源层厚度的相互矛盾的要求。一方面，相对薄的有源层对于以能够实现粒子数反转和激光发射的速率获得高效的载流子注入是必要的。另一方面，鉴于更好的折射率限制和导光模式(特别是具有高光学损耗的金属接触层和电荷传输层)的模态增益特性，相对厚的有源层是优选的，例如光被更可靠地引导，而不会在很大程度上泄漏到周围层中，由此激光发射阈值增加得太大，以至于仍然不能通过纯电泵浦获得。
本发明的最后一个方面涉及一种根据与第一方面相关的实施例中的任何一个实施例的集成光电器件的制造方法。该方法包括提供具有无源波导的基板并通过按以下次序在所述基板上顺序沉积来形成层堆叠：
(i)用于传输第二导电类型的载流子的第二电荷传输层，
(ii)有源层，包括半导体纳米晶体的颗粒膜，其中所述半导体纳米晶体是从溶液中沉积的，以及
(iii)第一电荷传输层，用于传输与所述第二导电类型相反的第一导电类型的载流子。
根据本发明方法，波导被配置成沿纵向方向引导光并在至少一个导光模式中在每一横向方向上限制经引导光的折射率。此外，所沉积的有源层和所沉积的第一和第二电荷传输层中的每一者在与纵向方向(即光在波导中的传播方向)相垂直的截面中与波导的至少一部分交叠。有源层相对于这两个电荷传输层布置以形成二极管结，并且有源层被倏逝地光学耦合到波导。
根据优选实施例，所沉积的第一电荷传输层是有机层，而所沉积的第二电荷传输层是无机层。沉积第一电荷传输层可包括真空热蒸发或有机气相沉积，而沉积第二电荷传输层可以包括热控制原子层沉积(ALD)，有或没有反应等离子体的辅助(等离子体辅助ALD)。在特别优选的实施例中，沉积所述第二电荷传输层包括沉积多晶氧化锌(ZnO)纳米层，在基板温度介于60℃和300℃之间使用原子层沉积，并可选地在约400℃后续退火步骤。退火可以在氮气或氢气气氛中进行。等离子体或自由基辅助的原子层沉积工艺可被使用而尤其具有以下优点：降低的温度加工、更大的工艺灵活性(例如，关于前体及其反应性的选择)、减少的净化时间、前体配体去除、改进的膜特性和每沉积周期的增加的膜生长。
根据优选实施例，从溶液中沉积有源层的半导体纳米晶体包括使预成型半导体纳米晶体的分散体(例如预合成的胶体核-壳量子点)经受湿法加工技术，诸如旋涂、浸涂、喷涂、Langmuir-Blodgett或Langmuir Schaeffer沉积或喷墨印刷。
根据本发明的一些实施例，第二电荷传输层可直接沉积在波导上以获得经外涂覆的波导。此外，该方法可包括在经外涂覆的波导的两侧沉积包覆材料，由此钝化第二电荷传输层，并使所沉积的包覆材料平坦化，使得所沉积的包覆层材料的顶表面与经外涂覆的波导的顶表面齐平。此外，可以执行以下步骤中的一个或多个：使第一电荷传输层与第一金属电极接触，使第二电荷传输层与第二金属电极接触，以及封装该集成光电器件。
本发明的实施例具有的优点是，有源层颗粒膜的半导体纳米晶体可从溶液中获得，与外延生长方法(例如分子束外延)相比，这更通用且更便宜。例如，半导体纳米晶体的溶液加工允许单层或多层沉积，甚至在不规则或图案化表面上，以及在非晶表面上。此外，与常规外延生长方法相比，可以获得更致密的颗粒膜，并且不需要基质材料。
本发明的实施例还具有如下优点：可以更容易地制造集成光电器件，而不需要在两个晶片之间或在晶片与管芯之间进行附加的中间层接合步骤。因此，可以避免相对于波导维度(特别是高度)相对厚的中间接合层(例如粘合层)，从而提高波导光学模式和有源层之间的模式交叠和倏逝耦合效率。在导电中间接合层的情况下，消除中间接合层会造成沿电流路径的较低串联电阻并增加注入有源层后载流子的可达到的电流密度。
从对准和总体器件紧凑性的角度来看，无接合的集成光电器件制造也是优选的，因为接合不是自对准的并且通常需要宽泛的设计公差。图案化台面的接合通常也会导致更大的总体器件，从而阻碍芯片上紧凑光电器件的密集集成。此外，与本发明的溶液加工的半导体纳米晶体相比，待接合台面的外延生长的材料通常涉及更高的成本。
在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的那样。
出于对本发明以及相对于现有技术所实现的优点加以总结的目的，以上在本文中已描述了本发明的某些目的和优点。当然，应当理解，不必所有此类目的或优点都可根据本发明的任何特定实施例来实现。由此，例如，本领域技术人员将认识到，本发明能以实现或优化如本文中所教导的一个优点或一组优点的方式来具体化或执行，而不必实现如本文中可能教导或建议的其他目的或优点。
从本文以下描述的(诸)实施例，本发明的以上和其他方面将是显而易见的，并且参考本文以下描述的(诸)实施例对本发明的以上和其他方面进行阐明。
附图说明
现在将参照附图通过示例的方式来进一步描述本发明，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的集成光电器件的截面图，包括垂直二极管结和与基板齐平的条型波导。
图2是根据本发明的第二实施例的集成光电器件的截面图，包括水平二极管结和开槽波导。
图3是根据本发明的第三实施例的集成光电器件的截面图，包括水平二极管结和条型波导。
图4是根据本发明的第四实施例的集成光电器件的截面图，包括垂直二极管结和从基板升起的脊型波导。
图5是图4所示实施例的透视图。
图6至图11示出了可被用在根据本发明实施例的集成光电器件中的光学反馈装置的示例。
图12示出了根据图4的实施例的集成光电器件的截面中的基本波导模式的空间模式分布。
图13示出了通过去除有源层从图12获得的基本波导模式的空间模式分布。
各附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。尺度和相对尺度并不必然对应于对本发明实践的实际简化。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。
具体实施方式
将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。
说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等用于在类似的要素之间进行区分，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或以任何其他方式的顺序。将理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的不同的顺序来进行操作。
此外，在说明书和权利要求书中的诸如顶部、底部、前部、后部、下方、上方等方向性术语被用于参考正被描述的附图的取向的描述性目的，而不一定是用于描述相对位置。因为可以以数个不同的取向来放置本发明的各实施例的各组件，所以仅出于说明的目的使用方向性术语且决不作为限制，除非另有说明。因此，应当理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文所描述的本发明的各实施例能够以不同于本文所描述或解说的其他取向来操作。
要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应当限于仅由组件A和B构成的设备。它意味着对于本发明，该设备的仅有的相关组件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时一起被编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映要求保护的发明要求比每一项权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征中。因此，具体实施方式所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，如将由本领域技术人员所理解，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征而不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在处于本发明的范围内，并且形成不同实施例。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而，要理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。
定义
当提及溶液加工的材料时，所指的是通过形成现有技术一部分的任何沉积技术从湿化学环境(例如溶液)中获得的材料。已知的溶液沉积技术包括旋涂、蒸发、离心、溶胶-凝胶工艺、喷墨印刷、丝网印刷、喷涂、以及淀析，但不限于此。与外延生长的材料相比，可溶液加工的材料的明显优势是它们可以沉积在非晶固态界面上。
当提到纳米晶体材料时，所指的是该材料由三个维度均不超过100纳米的颗粒组成。具体而言，量子点是指在每一空间方向上通常不大于20纳米的粒子。更一般而言，量子点是指在至少一种导电类型的载流子的所有三个空间维度上显示出量子限制效应的纳米尺寸晶体。
在本发明的上下文中，当一层被称为在给定截面中与波导的一部分交叠或重叠时，该层在垂直于该层的方向上的投影表面包括波导的该部分沿相同方向的投影表面，该部分也包含截面平面。
在第一方面，本发明涉及一种集成光电器件。根据本发明的实施例，光电器件结构可被适配成主要用作发光器件(例如半导体激光二极管(LD)或半导体发光二极管(LED))、光放大器件(例如半导体光学放大器(SOA))、光检测器件(例如光电二极管或波长分辨光电检测器)、或调光器件(例如基于电吸收效应(例如量子受限Stark效应)或电折射效应(例如Pockels效应)的电光调制器)。根据本发明实施例的光电器件是可制造成晶片级光子集成电路的集成器件。因此，本发明的实施例的优点是提供具有不同功能性的低成本、大规模生产和紧凑型光电器件，包括发光、激光发射、光放大和光检测。根据各实施例的集成光电器件可以被组合在同一集成光子芯片上以提供更通用的电路，例如耦合到调制器的激光器件或包括前置放大级的光电二极管。
图1是根据第一实施例的集成光电器件的截面图。光电器件100包括基板30并在其中形成有光波导31，使得波导的顶面与基板的顶表面齐平。波导被配置成在垂直于截面的方向上引导至少一个光学模式。垂直层堆叠形成在基板的包含波导的区域上，该区域按从堆叠的顶部到底部的顺序包括形成第一电极40的接触层、第一电荷传输层11、包含溶液加工的半导体纳米晶体材料的有源层20和第二电荷传输层12。第二电荷传输层12和基板30至少在基板30中形成有波导31的位置处被毗连地布置，即第二电荷传输层与波导的顶面物理接触。第二电极50被提供为与第二电荷传输层12电接触的一对电极。
垂直层堆叠具有p-i-n二极管的结构并根据其工作。因此，集成光电器件100可选择性地作为发光器件(例如，激光二极管)或光检测器件来工作，这取决于光电器件所包括的二极管结构的选定偏置状态：正向偏置该二极管结构导致发光，而二极管结构的反向或零偏置导致光的吸收。更具体而言，有源层20被布置在第一电荷传输层11和第二电荷传输层12之间，使得在正向偏置条件下，被泵入并由相应电荷传输层11、12传输的多数载流子被高效地注入到有源层中并在其中重新组合，从而生成光。与此相反，在反向或零偏压条件下，光在有源层20中被吸收，从而产生电子-空穴对，其随后被分离成第一和第二电荷传输层11、12的多数载流子。本领域普通技术人员将理解，有源层20和两个电荷传输层11、12的层厚度和具体材料选择在很大程度上取决于光电器件的预期用途，根据器件功能来选择材料并优化层厚度是本领域技术人员的日常工作范围，例如实现发光或光放大器件(LD、LED、SOA)、光电检测器或调光器。由于波导的存在排除了与垂直层堆叠形成直接背面接触的可能性，因此优选的是通过横向偏移电极对50来与垂直层堆叠进行侧面接触。这具有以下优点：所有电触点都设置在同一器件侧，并且第二电极50可以靠近垂直堆叠的二极管结构来形成，这降低了电阻性发热损耗。在本实施例中，朝向垂直层堆叠的横向电荷传输也由第二电荷传输层12实现。因此，不需要附加的接触层来电接触垂直层堆叠的底侧。通过限制垂直层堆叠的横向范围可以在有源层中获得高电流密度，这是在包括根据本实施例的光电器件的半导体激光二极管中实现粒子数反转和激光发射的先决条件。此外，使一对导电电极50横向偏移还减少了波导31中自由载流子引起的光学损耗的贡献。尽管垂直层堆叠在图1中示为相对于波导31居中，但它也可以相对于波导不对称地定位。光电器件100因此对于制造阶段期间的未对准(例如光刻期间的未对准)是鲁棒的。作为形成平顶电极层的第一电极40的替换方案，第一电极40也可以被图案化，例如形成两个平行共面条型电极的形状。尽管有附加的图案化步骤，这种电极配置的优点是波导中的导光模式的金属诱导传播损耗被进一步降低。
现在参考图2，示出了根据本发明第二实施例的集成光电器件200的截面图。在本实施例中，波导被布置成由间隙21隔开的两个波导轨道31a、31b组成的开槽波导。第一电荷传输层11仅在波导的一侧(例如，第一波导轨道31b所处的位置)上毗连地形成在基板表面上，并且第二电荷传输层12仅在波导的另一侧(例如第二波导轨道31b所处的位置)上毗连地形成在基板表面上。第一电荷传输层11和第二电荷传输层12两者都延伸到间隙21中，但彼此不接触，使得两个波导轨道31a、31b中的每一者的面向间隙的侧壁被第一电荷传输层和第二充电传输层中的相应一者覆盖。未被电荷传输层填充的剩余间隙部分包含有源层20。第一电极40和第二电极50设置在远离波导的位置，并分别与第一电荷传输层11和第二电荷传输层12电接触。如图2所示，有源层20可具有包含在间隙21中的间隙填充部分和不包含在间隙21中的扩张部分。有源层20的扩张部分和间隙填充部分一起在截面图中具有T形外观。本实施例的优点在于，有源层具有延伸到开槽波导之间的间隙中的间隙填充部分，因为这放大了与有源层的模式交叠。此外，例如，与脊型波导上方强烈减小的渐逝尾相比，由开槽波导支撑的基本模式的电场在间隙区域中相对均匀。扩张部分可以覆盖两个电荷传输层11、12，例如覆盖到对应于波导31a-b的横向尺寸的横向范围。过度生长的扩张部分的厚度(例如高度)可被控制。这具有的优点是，有源层的接触部分也可以存在于间隙外部，由此单位增益或单位吸收系数适度增加，而不会同时增加间隙内有源层的宽度，即不会显著改变间隙区域中二极管结构所支持的电流密度。此外，在本实施例中，两个电荷传输层11、12和夹在其间的有源层20形成水平p-i-n二极管结，例如具有垂直于基板来取向的结平面的二极管结，解说了层堆叠不限于垂直堆叠配置。经集中的电荷载流子重新组合的良好电约束是借助于间隙自动实现的，间隙相对于光电器件的纵向范围而言可以是浅的。因此，在有源层的窄间隙填充部分中可获得高电流密度，这是在包括根据本实施例的光电器件的半导体激光二极管中实现粒子数反转和激光发射的先决条件。
图3是根据本发明第三实施例的集成光电器件300的截面图，其类似于图2的第二实施例，但其中波导31设置成条型波导。因此，间隙21不是由波导结构本身以自然方式提供的。对于本实施例，间隙21被定义成在第一和第二电荷传输层11、12之间延伸的分隔空间(例如，细长孔、狭缝)，每一电荷传输层仅在波导31的一侧上被毗连地形成在基板表面上。间隙21被有源层20填充，有源层20在间隙21的每一侧上的第一和第二电荷传输层11、12的一部分上延伸，例如在覆盖波导31的第一电荷传输层11和第二电荷传输层12的一部分上。因此，有源层20可具有包含在间隙21中的间隙填充部分和不包含在间隙21中的扩张部分。有源层20的扩张部分和间隙填充部分一起在截面图中具有T形外观。优选地，间隙21相对于波导31居中，以将来自波导31的光对称地耦合到有源层20中，或反之亦然，例如从有源层20耦合到波导31中。
图4示出了根据本发明第四实施例的集成光电器件400的截面图。它与图1的第一实施例的不同之处在于，波导31形成在基板30的表面上。收到波导的顶面从基板表面凸出。波导的顶面因此不在与基板的表面的相同高度处。与波导31的轮廓一致，第二电荷传输层12以基本上恒定的层厚度覆盖波导31的顶面和侧面，例如第二电荷传输层12在波导31从基板表面上升的位置保形地覆盖波导31。包覆材料32可以被设置在波导31的两侧并与其经涂覆的顶面齐平。包覆材料32可以用作相对于垂直层堆叠的附加支撑构件，该垂直层堆叠设置在从基板升起的经涂覆波导的顶部上。本实施例的另一优点是包覆层32用作第二电荷传输层12的钝化层。孔可以被设置在包覆层32中在第二电极50电接触第二电荷传输层12的位置处，或者包覆层32可以具有有限的横向范围以实现第二电极50和第二电荷传输层12之间的电接触。本实施例尤其适于实现有源层20中的良好电流聚焦和高电流密度，因为有源层20与第二电荷传输层12的接触部分受限于波导31的横向尺寸(宽度)。又一优点是，波导31与有源层的电流注入和重新组合区相邻，由此在有源层中生成或吸收的光可以分别被高效地耦合到波导中或从波导耦合出来。作为形成平顶电极层的第一电极40的替换方案，第一电极40也可以被图案化，例如形成两个平行共面条型电极的形状。尽管有附加的图案化步骤，这种电极配置的优点是波导中的导光模式的金属诱导传播损耗被进一步降低。
图5是图4中的集成光电器件400的透视图。波导31被设置成直波导，但也可以具有不同的形状和/或在纵向方向(例如波导中的光传播方向)上变化的形状。例如，波导可以是弯曲的、s形的或以其他方式沿波导的光传播方向弯曲。电极40、50可以是纵向延伸的，以允许全部沿垂直层堆叠来递送或提取电流。
图12示出了图4和图5的实施例中的波导31的基本引导横向电(TE)模式的光强度分布(模式分布(profile))。这将与图13所示的相同波导和几乎相同的垂直层堆叠的光模式分布进行比较，其中仅省略了有源层。从这个比较中可以看出，与包括有源层的情况相比，在没有有源层的情况下与波导相关联的光学模式分布基本不变。换言之，波导及其相关联的光学模式的一般形状和光学特性(例如1/e空间范围和限制因子)不会受到有源层的存在的显著影响。图13中的基本波导模式与有源层的交叠实现了某种程度的倏逝波耦合，例如模式交叠部分可以在有效模式面积的0.1％和10％之间。
基板可以是绝缘或半绝缘基板，例如硅基板，其包括块体硅和用于光子集成电路形成和功能性的材料层之间的掩埋氧化物，例如氮化硅层(可见光和红外光)或硅层(红外光)。
第一电荷传输层11可以是空穴传输层并且优选地实现成有机空穴输送层，但也可以使用无机空穴传输层。用于第一电荷传输层的典型材料可包括半导体OLED材料，例如具有大HUMO-LUMO能隙的有机分子半导体，例如三苯胺，诸如N,N′-二(1-萘基)-N,N′-二苯基-(1,1′-联苯)-4,4′-二胺(NPD)(N,N′-Di(1-naphthyl)-N,N′-diphenyl-(1,1′-biphenyl)-4,4′-diamine(NPD))，四苯基萘(Rubrene)或咔唑衍生物，诸如三(4-咔唑基-9-基苯基)胺(TCTA)(Tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine(TCTA))。此外，第一电荷传输层可以是多层的，包括传输层(例如空穴传输层)和注入层(例如，空穴注入层)和/或用于带对准或电荷生成的层。多层第一电荷传输层还可以包括至少一个电子阻挡层。第一电荷传输层11的层厚度可以在几十纳米至几百纳米之间变化，例如最高达2μm。第一电荷传输层的非限制性示例包括三层电荷传输层，其由电荷生成层(例如，1,4,5,8,9,11-六氮杂三苯六腈(HATCN)(1,4,5,8,9,11-Hexaazatriphenylenehexacarbonitrile(HATCN))层)、空穴传输层(例如NPD层)和空穴注入层(例如TCTA层)组成。
第二电荷传输层12可以是电子传输层。它可以设置成有机或无机半导体材料的薄层，例如多晶氧化锌的薄层或氧化锌纳米晶体的薄层。然而，也可以使用导电聚合物或缺电子分子半导体。如果在本发明的一些实施例中，第一电荷传输层11布置得更靠近光学波导31，则该层优选地由结合了良好载流子迁移率(例如，低电阻)和低光学衰减的半导体材料形成。这具有降低激光阈值电流和功耗的优点。本发明的实施例不限于指向空穴的第一电荷传输层和指向电子的第二电荷传输层。例如，第一电荷传输层可以是电子传输层，而第二电荷传输层可以是空穴传输层。
尽管在前述实施例中，第二电荷传输层已被描述为至少在波导形成于基板中的位置处相对于基板毗连地布置，即第二电荷输送层与波导的顶面物理接触，但这不是本发明的限制性特征。在替换实施例中，与波导相比具有较低折射率的低折射率中间层可被插入在波导和第二电荷传输层之间，从而避免直接物理接触。中间层可被用在(例如)具有晶种层以在器件制造期间发起第二电荷传输层的均匀生长是有益的实施例中。优选地，这样的中间层保持薄以保持与有源层的良好模式交叠。此外，在本发明的实施例中，波导可纵向延伸超过包括有源层的有源器件区域。这可以是有利的，因为它允许具有非常粗糙的覆盖准确度的有机空穴传输层11和p金属接触电极40的荫罩(shadow mask)蒸发。
包含有源层20的半导体纳米材料被布置在第一电荷传输层11和第二电荷传输层12之间，以形成二极管结，例如，平行于基板30的平面p-i-n结。当该二极管结被正向偏置(例如，正向偏置条件)时，所传输的多数载流子(例如，空穴和电子)从每一侧注入到有源层20中并随后重新组合，从而生成电致发光。如果二极管结被负偏置(例如，反向偏置条件)或保持无偏置(如，零偏置条件)，则源自有源层20的多数载流子(例如，通过光吸收和电子-空穴对产生)在二极管结上存在的内置电场的作用下被分离到相应的电荷传输层中。半导体纳米晶体材料可包括胶体量子点、片状纳米颗粒、纳米棒、纳米片或钙钛矿结构材料，诸如卤化钙铅钙钛矿纳米晶体，其可被填充成单层、双层或多层薄膜。胶体QD可以是核-壳型，具有经工程设计的核和壳直径，例如根据材料增益和增益阈值，如Bisschop,S.等人的“Theimpact of Core/Shell Sizes on the Optical Gain Characteristics of CdSe/CdSQuantum Dots(核/壳尺寸对CdSe/CdS量子点的光学增益特性的影响)”，ACS Nano 12(9)，9011-9021(2018)中所述。可用于本发明实施例中的另一类型的胶体QD是如Lim等人的参考文献中所述的连续分级核-壳QD。半导体纳米晶体材料(如胶体QD)可被填充到薄膜活性层中，填充因子达50％，或者如果至少部分去除QD壳上的有机配体，则填充因子甚至更高。未被半导体纳米晶体材料(如胶体QD)填充的薄膜活性层的间隙通常包括有机配体和空气。然而，在特定实施例中，胶体QD也可嵌入在无机或聚合物基体(matrix)中。包含溶液加工的半导体纳米晶体材料的有源层的光学特性通过有效介质办法得到了很好的描述，这说明了它们的亚波长不均匀性。作为结果，与用于集成波导的致密块状材料(例如氮化硅)相比，包含溶液加工的半导体纳米晶体材料的有源层的有效折射率相对较低，这也是为什么在此类薄膜有源层中的稳健折射率限制是一项艰巨的任务。与此相反，包含溶液加工的半导体纳米晶体材料的较厚有源层通常不可借助于DC偏置电流反转，并且不能用作电泵浦增益介质。
在另一方面，本发明涉及一种包括或基于根据前述方面的实施例的集成光电器件的集成发光器件。发光器件可以是发光二极管(LED)。与激光二极管相反，LED发出非相干且光谱宽的光束。LED的输出光谱由有源层的半导体纳米晶体材料的电致发光光谱决定。自发发射的光子的一部分被耦合到光电器件的波导(例如多模波导)中以获得更好的光子收集效率。对于用作LED，从波导的高光提取效率是合乎需要的，以实现良好的亮度水平。这可以通过在波导的两个端面上进一步提供抗反射涂层，或者通过在波导的一个端部处提供高反射元件(例如，宽带反射镜或反射涂层)并在波导的另一个端部处提供抗反射涂层来实现。如果有源层的自发发射被耦合到波导中并且随后在从器件发射之前被有源层放大，则发光器件还可以是超发光发光二极管(SLED)。此外，基于根据特定实施例的集成光电器件的发光器件可以配置成白色LED。为此，可沿同一无源波导提供并耦合到同一无源波导的多个有源器件区，每一有源器件区根据上文所述光电器件的实施例来布置并且每一有源器件区包括有源层，有源层包括不同的溶液加工的半导体纳米晶体材料(例如，在不同波长下发射的不同直径的QD)。
集成发光器件也可以是半导体激光二极管。为了能够发射激光，根据本发明实施例的光电器件还包括光学反馈装置，例如反射器，其相对于有源层来被布置以形成包括有源层作为增益介质的高质量光学腔。光学反馈装置确保由受激发射产生和重复放大的腔内光的大量腔往返，最终导致激光二极管输出具有高光谱强度的高相干辐射。在其最简单的形式中，光学反馈装置可以通过切割波导端面来实现。虽然由经切割波导形成的光学腔的可达到的质量是有限的，但在某些应用中这可以是足够的。各种其他光学反馈装置可被用于构想高质量光学腔，如参考图6-11进一步描述的。通常，光学反馈装置包括位于光学腔一侧的高反射第一构件和位于另一侧(即，光耦合出该腔的那一侧)的略低反射第二构件。这些附图的目的是解说不同光学反馈装置和由此得到的相关联的光学腔。因此，并非光电器件的所有元件都在这些附图中示出，而是只有用作激光二极管(LD)的增益介质的有源层20、作为光学腔的一部分的波导31以及光学耦合到波导以用于将腔变成高质量光学腔的反馈装置(例如具有良好精细度F>>1和/或良好品质因数(Q-factor)(例如，Q>>1，例如Q>1000)的光学腔)。可沿波导31提供移相器(例如加热器、空间模式滤波器和/或转换器)，以调谐、选择和稳定LD的输出波长和/或空间模式分布。为了实现锁模激光二极管的锁模，可沿波导31提供可饱和吸收器。该可饱和吸收器可包括与光电器件的有源层相同的溶液加工的半导体纳米晶体材料，但不限于此。
在图6中，半导体LD 600包括环形波导31，例如微环形谐振器波导，其用作LD的光学腔并且还提供相关于有源层20的光学反馈。沿环形波导31提供耦合段601(例如定向耦合器)，以将来自光学腔的光耦合到LD的输出波导602中。输出波导602可以在其端面上设置有防反射涂层，以防止残余反射重新进入光学腔。
图7是图6所示实施例的变型，其中LD 700包括非圆形的弯曲波导31，例如未实现成环形谐振器波导，并且因此其本身不能提供光学反馈。对于本实施例，提供了附加的环形谐振器702，例如微环形谐振器。它通过经由第一耦合段701a接收来自波导31的第一端部的光并且通过经由第二耦合段702b将光反馈回波导31的第二端部来实现光学反馈功能。附加环形谐振器702的优点在于，它可以用作并入光学腔中的波长滤波器，例如它可以被用作波长选择器件，用于从多个纵向腔模式中选择激光波长。
图8示出了配置成分布式反馈激光器(DFB)的LD 800。分布式反射器(例如，一对布拉格反射器801a-b)被布置在LD 800的增益区域之内或附近，例如在有源层20之内或附近。分布式反射器可实现成衍射波导光栅或包覆层波纹、调制掺杂浓度或其他。一对布拉格反射器801a、801b可以包括相移段，例如π/2或四分之一布拉格波长移位段。分布式反射器充当波长选择滤波器，它最大化激光发射的预定波长的光学反馈，但抑制其他波长(例如竞争纵向腔模式)的光学反馈。与此相反，图9的LD 900配置成分布式布拉格反射器激光器(DBR)，其中分布式反射器(例如，一对布拉格反射器901a-b)布置在LD900的增益区域外部，例如有源层20外部。结果，DBR配置不受电流密度或增益的变化的影响。
图10示出了LD 1000，其中波导31在一侧由波导环路镜1003终止，且在另一侧由反射器布置终止，该反射器布置包括微环形谐振器1002、通向微环形谐器1002的两个接入波导以及耦合元件1001。两个接入波导经由各自的耦合段耦合到微环形谐振器1002并且对应于耦合元件1001(例如一对二定向耦合器或多模干涉仪)的两个外出分支。
图11所示的LD 1100包括环形波导31作为光学腔。与图6的LD 600相比，本LD 1100的有源层20与波导31完全交叠。输出波导602例如通过耦合段601与光学腔波导31倏逝耦合，并且可以设置有防反射装置以抑制外部反馈重新进入光学腔。或者，输出波导602可以用作向环形腔提供反馈的外部腔。在这种情况下，输出波导602可以包括其自身的反射器。
在根据本发明实施例的集成发光器件中，可沿波导31布置多个增益段，其中每一增益段具有上文针对本发明实施方式所述的截面。多个段中的每一个段的有源层中的溶液加工的半导体纳米晶体材料可被选择成使得其对应的电致发光光谱与另一段的电致光谱部分地交叠。这可有用于扩展发光器件(例如激光二极管)的可调谐工作波长，或可被用于在同一光学腔中实现独立增益或吸收调制。
如果电偏置低于激光发射阈值，则发光二极管配置或激光二极管配置也可以分别用作行波SOA或Fabry Perot SOA。波导可以相对于切割的端面倾斜以进一步降低多重反射的影响，例如作为在波导端面上提供的防反射涂层的补充。
在另一方面，本发明涉及一种集成光电检测器。光电检测器包括或使用与第一方面的实施例相关的任何集成光电器件。光电器件的各个层的厚度和材料选择优选地针对反向偏置条件下的目标吸收波长区域和检测器响应性进行优化。有可能具有多段光电检测器，其中每一个段包括根据本发明实施例的反向偏置的光电器件。各个段可被设计成例如通过适配每个段的有源层中的量子点直径或组成来吸收不同波长或波段的光。这种多段光电检测器可被用于光谱学应用。
为了将根据前述实施例的集成光电器件作为发光器件操作，电极40、50连接到电源，该电源跨二极管结施加正向偏置。因此，相反电荷极性的多数载流子通过相应的电荷传输层11、12被注入到有源层20中，并在半导体纳米晶体材料(例如溶液加工的量子点)中重新组合，从而产生光。电源可以是恒流源，用于控制注入有源层20的电流密度并从而控制器件的输出光强度。可以在光电器件的操作期间提供电流振幅调制，例如用于在半导体激光二极管中获得增益调制。光电器件可被安装到散热结构(例如散热器)上，以避免器件中的大的温度升高(这通常伴随着器件性能的热漂移)。可提供温度控制器，例如包括控制单元和热电冷却单元，以确保在使用该器件时的稳定温度条件。
为了将根据前述实施例的集成光电器件作为光检测器件操作，电极40、50连接到电源，该电源跨二极管结施加反向偏置。因此，相反电荷极性的多数载流子被相应的电荷传输层11、12从有源层20收集，其中它们作为光生电子-空穴对产生并随后以光电流的形式在电极40、50处从器件中被提取。然后可以在电域中处理(例如放大和/或量化)光电流。
根据本发明实施例的集成光电器件可进一步根据本领域已知的技术进行封装，例如将光电器件安装在器件载体上并将其线接合在密封的、外部可访问的封装中，例如带引脚连接器的蝶形封装。
示例
示例性集成光电器件具有图4所示实施例的截面。氮化硅条型波导31(例如，300nm高和1000nm宽)从硅上绝缘体基板30凸起，并且可以使用PIC的标准SOI技术制造。氮化硅基介电波导通常具有非常低的光学传播损耗，例如低至1dB/m，并且对可见光和红外光谱中的光是透明的。尽管波导31在本示例中被配置成多模波导——它除了基本TE0模式之外还引导另一更高阶TE1模式——其中耦合到有源层的效率和过量损耗被平衡，但本发明的其他实施例可包括单模波导，尤其是在旨在植入激光二极管的实施例中，尽管更宽的多模波导也可能有利于在高功率激光二极管中递送增加的输出功率。第二电荷层12对应于连续半导电氧化锌的薄层，并且是无机电子传输层。该天然n型氧化锌薄层(例如10nm厚)设置在波导31的顶部，并保形地覆盖其轮廓。一对Ti/Au/Ti(20nm/100nm/20nm)金属n触点被形成在氧化锌层上并构成第二电极50。氧化硅被用作侧包覆材料32以对波导进行外涂覆。侧包覆32的顶表面与经外涂覆的波导的顶表面(例如覆盖波导31的第二电荷传输层12的顶表面)齐平，这提供了用于有源层20的均匀沉积的平坦界面。在该示例中，有源层20包括溶液加工的随机取向的量子点(例如，球形胶体CdSe/CdS核-壳量子点或具有各向同性偶极取向的非球形纳米晶体)的20nm厚的薄膜。核和壳直径的适当值可分别是3.5nm和7.5nm，以获得高的固有材料增益(例如高达2800cm-1)和有源层处的净受激发射的合理低的注入电流密度阈值(例如jth≈60A cm-2)。最终，第一电荷传输层11被实现成600nm厚的有机空穴传输层，其上形成300nm厚的铝p触点作为第一电极40。更具体而言，第一电荷传输层11包括70nm TCTA(空穴注入层)、500nm NPD(空穴传输层)和30nm HTA-CN(空穴的带对准层)。
已进行有限元仿真和时域有限差分仿真以优化波导几何形状(例如，宽度和高度)和垂直层堆叠的各个层厚度，目的是实现良好的LED特性。仿真是针对650nm的波长进行的，该波长被假定为电致发光光谱的峰值波长。这些仿真基于从椭圆偏振技术获得的电荷传输层11、12和氮化硅波导31的折射率。发现在第一电极40存在的情况下，基本波导模式(和所有更高阶模式)所经历的金属诱导传播损耗随第一电荷传输层的层厚度呈指数快速衰减。例如，对于500nm厚的第一电荷传输层，通过仿真发现了4dB/cm的金属诱导传播损耗，并且还通过缩减测量(cut-back measurement)进行了验证，而对于本示例的600nm厚的第二电荷传输层而言，估计了2dB/cm金属诱导传播损耗。氧化锌层的复折射率的虚部已借助于缩减测量被确定为k＝2.5*10-4。由于限制在波导中的导光模式的倏逝尾与有损氧化锌层不可避免地交叠，因此会产生附加的传播损耗。氮化硅波导尺寸是仿真结果的一部分，并且构成了一方面总体传播损耗与另一方面有源层20的量子点到波导31中的良好自发偶极发射耦合效率之间的折衷。基于仿真结果，对于与有源层约3.6％的模式交叠，前者估计为12dB/cm，后者估计为0.5％至1.0％(在波导宽度上积分)。克服传播所必需的材料增益约是880cm-1，并且位于经增益优化的核-壳量子点的可行性范围内。此外，已经发现，如果只考虑耦合效率进行优化，单模波导的最佳波导高度将在100nm和150nm之间的范围内。
在下文中，简要描述本示例的集成光电器件的制造方法。从具有1.0μm厚热氧化层的裸硅样品开始，通过等离子体增强化学气相沉积来沉积300nm厚的氮化硅层。通过使用电子束光刻和反应离子蚀刻对氮化硅层进行图案化来定义波导。或者，可以提供具有预制波导的光子集成电路，例如绝缘体上的铸造图案化氮化硅(例如，硅基板上的氧化硅绝缘层)。
接下来，通过原子层沉积(ALD)来沉积10nm薄氧化锌(ZnO)层(多晶，连续)，它共形地覆盖波导。ZnO的沉积在约5*10-6毫巴的基础压力和60℃至300℃之间的温度下进行，优选地在约150℃下进行，并且可由反应等离子体(例如，氧气和/或富含臭氧的等离子体)辅助。已使用针阀将前体(例如，锌的二乙基锌)和反应物材料(例如，蒸馏水蒸汽)的气流压力调整至5*10-3毫巴。第二电荷传输层(例如ZnO层)的替换沉积技术包括溶胶-凝胶沉积工艺或溅射沉积。也可以例如通过旋涂来沉积ZnO纳米晶体薄层作为替换方案。此后，在进行可选退火步骤(例如，在N2和H2气氛中在400℃最高温度下退火)之前，通过ALD施加包含15nm厚氧化铝的钝化和蚀刻停止层(例如，使用三甲基铝作为前体，蒸馏水蒸气作为反应物)。其结果是，在电阻和光学损耗方面获得了性能良好的氧化锌层，例如(1.2±0.1)kΩ/sq的薄层电阻和约10dB/cm的自由载流子吸收损耗。使用稀释KOH，局部地去除钝化层以允许在波导的每一侧形成第二电极的金属触点(例如，20nm Ti/100nm Au/20nm Ti)；可任选地对该步骤执行光刻和lift-off(揭开-剥离)工艺。在进一步的步骤中，通过在稀释HCl中的湿法蚀刻来去除器件之外的氧化锌层，随后进行氧化硅层的化学气相沉积。重新打开该氧化硅层(例如通过电子束光刻、反应离子蚀刻和KOH湿法蚀刻以去除蚀刻停止层)，以暴露波导所在的以及要在其中形成垂直层堆叠的后续层的区域中的氧化锌层。因此，通过使用从甲苯旋涂的CdSe/CdS量子点层(例如油酸盐封端)的剥离，将20nm厚的有源层沉积到氧化锌层的暴露部分上。在荫罩蒸发步骤中，在样品保持器的持续旋转下获得组成第一电荷传输层的三个有机层(TCTA、NPD、HAT-CN)。作为真空热蒸发的替换方案，可使用具有惰性载气的有机气相沉积来沉积有机电荷传输层。最后，从气相来沉积300nm厚的铝层以形成第一电极。
以上述方式制造并测试了多个原型集成光电器件，每一光电器件包括2mm长的有源器件区域和约1cm长的波导。在观察到最高光学输出功率的第一器件上，在100V正向偏置电压下测得了47A cm-2的电流密度。对于在与第一器件相同的芯片上制造的第二器件，在120V正向偏置电压下获得了高达100A cm-2的电流密度；甚至更高的电压导致器件的故障。所制造的光电器件产生可观察光学输出的测量开启电压约是3V。然而，这些测量受到测试期间使用的光学功率计的噪声基底(noise floor)的限制，并且预计在约2V正向偏置电压下会出现真正的电开启。所获得的电致发光光谱的发射峰位于642nm处。在47A cm-2电流密度下电泵浦的第一被测器件的基本波导模式中，获得了大约2.0nW的光谱积分光学输出功率。这对应于1.5W cm-2的光学功率密度。通过与多模波导31同时定义两个单模波导部分(例如，450nm宽，每个0.4mm长)，可以高效地滤除更高阶模式，使得它们在多模波导的任一端直接连接到多模波导。根据测得的器件输出功率，估计出最大内部量子效率约是11％。
以上述方式制造了另一光电器件原型(0.5mm长)，并对其光电检测性能进行了测试。尽管这些原型是为LED应用开发的，但它们在反向偏置条件下作为光电检测器工作。对于示例性光电器件的光电检测器特性，外部LED的光(λ＝635nm)已被耦合到波导31中。在-7V的反向偏置电压下，测得了1.5μA/cm2的暗电流，并从测量数据中提取了约6％的次优量子效率。通过优化带对准和器件加工，可以进一步提高检测器量子效率。
在另一方面中，本发明涉及一种用于在集成光电器件(例如集成发光器件或光检测器件)中将有源层宽度与光学受限波导模式进行解耦的方法。集成光电器件包括基板，以及形成在基板上的用于传输第一导电类型的载流子的第一电荷传输层、用于传输与第一导电类型相反的第二导电类型的载流子的第二电荷传输层、以及包括溶液加工的半导体纳米晶体材料的有源层。有源层相对于第一和第二电荷传输层来被布置，使得形成二极管结，该二极管结可以在正向偏置条件下或者在零偏置或反向偏置条件下工作。在正向偏置条件下，有源层被配置成在由相应电荷传输层注入有源层中的相反导电类型的载流子重新组合时产生光。在零偏置或反向偏置条件下，有源层被配置成在吸收入射到二极管结上的光时产生相反导电类型的载流子，并且二极管结构还被配置成将所生成的载流子根据它们的导电类型来分离到第一和第二电荷传输层。第一和第二电荷传输层通常被提供为n型或p型半导体层。该解耦方法包括在基板上提供无源波导，使得在与光电器件的纵向方向(例如波导中的光的传播方向)垂直的截面中，第一和第二电荷传输层以及有源层中的每一者与波导的一部分交叠。因此，波导与有源层分开地提供。所述波导被配置成限制和引导至少一个光学波导模式，其中所述限制是相对于截面的方向。此外，波导相对于有源层的位置被适配用于它们之间的光的相互倏逝耦合。例如，如果由波导支持的至少一个导光模式延伸到有源层中并与有源层部分地交叠，则有源层和波导之间发生倏逝耦合。波导可以从基板表面延伸到基板中或者可以从基板表面凸出。波导可以在截面中支持单模或多模。该方法还可包括提供到达和穿过二极管结的电流路径的步骤，二极管结由第一电荷传输层和第二电荷传输层以及有源层形成，它不穿过波导。这可以通过相对于二极管结布置波导来获得，使得波导不形成二极管结的一部分。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地说明并描述了本发明，但是此类说明和描述被认为是说明性或示例性的，而非限制性的。前述描述详细说明了本发明的某些实施例。然而，将会领会，不论前述描述在文本中显得如何详细，本发明都能以许多方式来实施。本发明不限于所公开的实施例。

Claims (26)

1.一种集成光电器件(100，200，300)，包括：
-基板(30)，所述基板支撑无源波导(31)，所述无源波导被配置成沿纵向方向引导光并在至少一个导光模式中在每一横向方向上限制经引导光的折射率，
-第一电荷传输层(11)，用于传输第一导电类型的载流子，
-第二电荷传输层(12)，用于传输与所述第一导电类型相反的第二导电类型的载流子，
-有源层(20)，所述有源层包括可溶液加工的半导体纳米晶体的颗粒膜，所述有源层相对于所述电荷传输层来被布置以形成二极管结，
其中所述有源层与所述第一电荷传输层和第二电荷传输层形成在所述基板上，且每一者在垂直于所述纵向方向的截面中与所述波导的至少一部分交叠，并且其中所述有源层被倏逝地光学耦合到所述波导。
2.根据权利要求1所述的集成光电器件，其特征在于，所述有源层颗粒膜的个体颗粒被密集地填充，由此，所述有源层颗粒膜的相邻颗粒之间的平均粒间距离小于5纳米。
3.根据权利要求1或2所述的集成光电器件，其特征在于，通过所述第一电荷传输层、所述有源层和所述第二电荷传输层的电流路径未延伸到所述波导中。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的集成光电器件，其特征在于，所述第二电荷传输层(12)与所述波导(31)直接物理接触。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的集成光电器件，其特征在于，所述波导被配置成独立于所述有源层在所述至少一个导光模式中对光进行折射率限制和引导。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的集成光电器件，其特征在于，在所述截面中，所述有源层的电接触部分与所述波导交叠。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的集成光电器件，其特征在于，所述第一电荷传输层(11)是有机半导体空穴传输层，而所述第二电荷传输层(12)是无机半导体电子传输层。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的集成光电器件，其特征在于，所述第一电荷传输层(11)和第二电荷传输层(12)、所述有源层(20)和所述波导(31)在所述截面中垂直堆叠。
9.根据权利要求8所述的集成光电器件，其特征在于，所述第二电荷传输层(12)是设置在所述有源层(20)和所述波导(31)之间的半导体电子传输层。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的集成光电器件，其特征在于，所述第二电荷传输层(12)符合所述波导(31)的轮廓，从而为所述波导提供保形涂层。
11.根据权利要求10所述的集成光电器件，其特征在于，还包括包覆材料(32)，所述包覆材料被设置在所述共形涂覆波导的两侧，并与其涂覆的顶面齐平。
12.根据权利要求1至7中的任一项所述的集成光电器件，其特征在于，所述第一电荷传输层(11)和第二电荷传输层(12)是共面的并且被布置成在所述截面中与所述波导的不同部分交叠，所述第一电荷传输层和所述第二电荷传输层的相邻边缘被间隙(21)隔开，并且所述有源层(20)至少在所述第一电荷传输层和所述第二电荷传输层的一部分上延伸并进入所述间隙(21)。
13.根据权利要求12所述的集成光电器件，其特征在于，所述波导从所述基板的表面升起并且被配置成开槽波导，所述开槽波导包括由槽分隔开的两个波导轨道，所述第一电荷传输层和第二电荷传输层延伸入所述槽中。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的集成光电器件，其特征在于，所述有源层颗粒膜的颗粒包括包含以下各项的组中的一者或多者：胶体量子点、纳米钙钛矿基材料、块状半导体纳米晶体、纳米片。
15.一种包括根据前述权利要求中的任一项所述的集成光电器件的集成发光二极管，所述二极管还包括第一电极(40)和第二电极(50)，所述第一电极(40)与所述第一电荷传输层(11)电接触，所述第二电极(50)与所述第二电荷传输层(12)电接触以用于在所述二极管结上感生正向偏置条件，其中所述有源层被适配成当在所述正向偏置条件下通过相应的电荷传输层注入到所述有源层中的相反导电类型的载流子重新组合时产生光。
16.一种包括根据权利要求1至14中的任一项所述的集成光电器件的集成激光二极管，所述激光二极管还包括：
-与所述第一电荷传输层(11)电接触的第一电极(40)和与所述第二电荷传输层(12)电接触以用于跨所述二极管结感生正向偏置条件的第二电极(50)，其中所述有源层被适配成当在所述正向偏置条件下通过相应的电荷传输层注入到所述有源层中的相反导电类型的载流子重新组合时产生光，
-光学反馈装置，所述光学反馈装置在光学上耦合到所述波导，从而形成光学腔。
17.根据权利要求16所述的集成激光二极管，其特征在于，所述光学反馈装置包括被布置在所述波导的被所述有源层交叠的相应部分处的一对分布式布拉格反射器，或者被布置在所述波导的相对端部处的一对反射器，所述一对反射器中的至少一个反射器包括包含以下各项的组中的一者：布拉格衍射光栅、波导环路镜、波导端面涂层、波导环形谐振器。
18.根据权利要求15至17中的任一项所述的集成二极管，其特征在于，所述二极管被布置成在平行于所述基板(30)的平面中水平地发光，或在所述基板的、未被所述有源层和所述第一电荷传输层和第二电荷传输层覆盖的非有源区域中以相对于所述基板(30)的一定角度来发光。
19.一种用于在集成光电器件(100，200，300)的有源层中将电荷电流注入和导光模式的折射率限制进行解耦的方法，所述集成光电器件包括用于传输第一导电类型的载流子的第一电荷传输层(11)，用于传输与所述第一导电类型相反的第二导电类型的载流子的第二电荷传输层(12)，以及包括溶液加工的半导体纳米晶体材料的有源层(20)，所述有源层相对于所述电荷传输层来被布置以形成二极管结，所述方法包括：
-提供基板(30)，所述基板支撑无源波导(31)，所述无源波导被配置成在光学上耦合到所述有源层的同时沿纵向方向引导光并在至少一个导光模式中在每一横向方向上限制经引导光的折射率，
-将所述有源层、所述第一电荷传输层和所述第二电荷传输层中的每一者布置在所述基板上，以在与所述纵向方向垂直的截面中与所述波导的至少一部分交叠。
20.一种制造根据权利要求1至14中的任一项所述的集成光电器件的方法，所述方法包括以下步骤：
-向基板(30)提供无源波导(31)，所述波导被配置成沿纵向方向引导光并在至少一个导光模式中在每一横向方向上限制经引导光的折射率，以及
-通过按以下次序在所述基板(30)上顺序地沉积来形成层堆叠：
第一电荷传输层(12)，用于传输第一导电类型的载流子，
有源层(20)，包括半导体纳米晶体的颗粒膜，其中所述半导体纳米晶体是从溶液中沉积的，以及
第一电荷传输层(11)，用于传输与所述第二导电类型相反的第一导电类型的载流子，
其中所沉积的有源层(20)和所沉积的第一和第二电荷传输层(11，12)中的每一者在与所述纵向方向垂直的截面中与所述波导的至少一部分交叠，所述有源层(10)相对于所述电荷传输层(11，12)布置以形成二极管结，并且所述有源层(20)被倏逝地光学耦合到所述波导(31)。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所沉积的第一电荷传输层(11)是有机层，而所沉积的第二电荷传输层(12)是无机层。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，沉积所述第一电荷传输层(11)包括真空热蒸发或有机气相沉积，和/或其中沉积所述第二电荷传输层(12)包括热控制原子层沉积。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，沉积所述第二电荷传输层(12)包括沉积多晶氧化锌(ZnO)纳米层，在基板温度介于60℃℃和300℃之间使用原子层沉积，并可选地在约400℃退火。
24.根据权利要求20至23中的任一项所述的方法，其中从溶液沉积所述有源层(20)的半导体纳米晶体包括对作为起始材料的预制半导体纳米晶体的分散体进行湿法加工技术，诸如旋涂、浸涂、喷涂、Langmuir-Blodgett或Langmuir Schaeffer沉积，或喷墨印刷。
25.根据权利要求20至24中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第二电荷传输层(12)被直接沉积在所述波导(31)上以获得经外涂覆的波导，所述方法还包括：
--在经外涂覆的波导(31)的两侧沉积包覆材料(32)，由此钝化所述第二电荷传输层(12)，以及
-平坦化所沉积的包覆材料(32)，使得所沉积的包覆材料的顶表面与经外涂覆的波导的顶表面齐平。
26.如权利要求20至25中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
-使所述第一电荷传输层(11)与第一金属电极(40)接触，
-使所述第二电荷传输层(12)与第二金属电极(50)接触，
可选地封装所述集成光电器件。
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