(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のバンドギャップを有する活性層、及び前記活性層の少なくとも１つの面に配置される１つ又は複数の障壁層を備える発光層であって、前記障壁層が第２のバンドギャップを有する発光層と、
前記発光層に接触する少なくとも１つの表面プラズモン金属層と、
前記発光層の第１の面に配置された第１のドープ層であって、第１の電極に接触する第１のドープ層と、
前記発光層の第２の面に配置された第２のドープ層であって、第２の電極に接触する第２のドープ層と、を備え、
前記第１のバンドギャップが前記第２のバンドギャップよりも小さく、
前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層が前記発光層の第３の面に配置されており、
前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層と前記発光層との間に生成される表面プラズモン共鳴により、前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層の誘電率の絶対値は、前記発光層の誘電率の絶対値より大きくなり、
前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層と前記発光層との間の誘電率の絶対値の相違により、前記発光層内に分布する光場の量は、前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層内に分布する光場の量より多く、
前記第１の面及び前記第２の面は互いに対向し、前記第３の面が前記第１の面及び前記第２の面の間にあり、
前記活性層の少なくとも１つの面は、前記第１の面及び前記第２の面の間にある、ナノフォトニック半導体デバイス。
【請求項２】
前記活性層及び前記１つ又は複数の障壁層のそれぞれがＩＶ族半導体材料、ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体材料、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料、又はＩ−ＶＩＩ族化合物半導体材料から構成される、請求項１に記載のナノフォトニック半導体デバイス。
【請求項３】
前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、又はその合金を備える、請求項１に記載のナノフォトニック半導体デバイス。
【請求項４】
前記発光層の前記第３の面に配置され、前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層から離間され、前記発光層の中の内部分極電界を補償する又は打ち消すために、前記発光層に電界を印加するゲート電極を更に備える、請求項１に記載のナノフォトニック半導体デバイス。
【請求項５】
前記ゲート電極が透明導電材料から構成される、請求項４に記載のナノフォトニック半導体デバイス。
【請求項６】
前記第１のドープ層がｎ型ドープ層であり、
前記第２のドープ層がｐ型ドープ層である、請求項１に記載のナノフォトニック半導体デバイス。
【請求項７】
前記活性層が、量子細線、量子ドット、及びナノロッドのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のナノフォトニック半導体デバイス。
【請求項８】
第１のバンドギャップを有する活性層、及び前記活性層の少なくとも１つの面に配置される１つ又は複数の障壁層を備える発光層であって、前記障壁層が第２のバンドギャップを有する発光層と、
前記発光層の第１の面に配置されたｎ型ドープ層であって、第１の電極に接触するｎ型ドープ層と、
前記発光層の第２の面に配置されたｐ型ドープ層であって、第２の電極に接触するｐ型ドープ層と、
前記発光層の第３の面と接触する少なくとも１つの表面プラズモン金属層と、を備え、
前記第１のバンドギャップが前記第２のバンドギャップよりも小さく、
前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層と前記発光層との間に生成される表面プラズモン共鳴により、前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層の誘電率の絶対値は、前記発光層の誘電率の絶対値より大きくなり、
前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層と前記発光層との間の誘電率の絶対値の相違により、前記発光層内に分布する光場の量は、前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層内に分布する光場の量より多く、
前記第１の面及び前記第２の面は互いに対向し、前記第３の面が前記第１の面及び前記第２の面の間にあり、
前記活性層の少なくとも１つの面は、前記第１の面及び前記第２の面の間にある、ナノフォトニック短波長発光体。
【請求項９】
前記発光層の前記第３の面に配置され、前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層から離間され、前記発光層の中の内部分極電界を補償する又は打ち消すために、前記発光層に電界を印加するゲート電極を更に備える、請求項８に記載のナノフォトニック短波長発光体。
【請求項１０】
基板上に第１のバンドギャップを有する活性層を形成することと、
前記活性層の少なくとも１つの面に第２のバンドギャップを有する１つ又は複数の障壁層を形成することであって、前記活性層及び前記１つ又は複数の障壁層が発光層を構成することと、
前記発光層に接触する少なくとも１つの表面プラズモン金属層を形成することと、
前記発光層の第１の面にｎ型ドープ層を形成することであって、前記ｎ型ドープ層は、第１の電極に接触する、ことと、
前記発光層の第２の面にｐ型ドープ層を形成することであって、前記ｐ型ドープ層は、第２の電極に接触する、ことと、を含み、
前記第１のバンドギャップが前記第２のバンドギャップよりも小さく、
前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層が、前記発光層の第３の面に配置されており、
前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層と前記発光層との間に生成される表面プラズモン共鳴により、前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層の誘電率の絶対値は、前記発光層の誘電率の絶対値より大きくなり、
前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層と前記発光層との間の誘電率の絶対値の相違により、前記発光層内に分布する光場の量は、前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層内に分布する光場の量より多く、
前記第１の面及び前記第２の面は互いに対向し、前記第３の面が前記第１の面及び前記第２の面の間にあり、
前記活性層の少なくとも１つの面は、前記第１の面及び前記第２の面の間にある、ナノフォトニック半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記活性層及び前記少なくとも１つの障壁層のそれぞれがＩＶ族半導体材料、ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体材料、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料、又はＩ−ＶＩＩ族化合物半導体材料から構成され、
前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、又はその合金を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記活性層を形成すること及び前記少なくとも１つの障壁層を形成することの少なくとも１つが、無線周波数（ＲＦ）マグネトロンスパッタリング、パルスレーザ堆積、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ、又は無線周波数プラズマ励起分子線エピタキシを使用することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
ゲート電極が前記少なくとも１つの表面プラズモン金属層から離間するように、前記ゲート電極を前記発光層の前記第３の面に形成することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記ゲート電極が透明導電材料から構成される、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体デバイスに関し、より詳細には、本発明はナノフォトニック半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノフォトニックまたはナノ光学は、ナノメートルスケールでの光の挙動の研究である。近視野走査型光学顕微鏡法（ＮＳＯＭ）、光支援走査型トンネル顕微鏡法（photoassisted scanning tunnelling microscopy）、および表面プラズモン光学は、ナノ光学技術の例である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
最近、デバイスから放出される光の波長よりも小さい寸法を有する、ナノフォトニック半導体デバイスが開発されてきている。ナノフォトニック半導体デバイスは、様々な種類の光電子デバイスに使用することができる。ナノフォトニック半導体デバイスの光閉込め（optical confinement）特性を改善することに、現在は関心が寄せられている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態では、半導体デバイスは、発光層および発光層と接触する少なくとも１つの表面プラズモン金属層を含む。発光層は、第１のバンドギャップを有する活性層、および活性層の少なくとも１つの面に配置された１つまたは複数の障壁層を含む。障壁層は第２のバンドギャップを有する。第１のバンドギャップは第２のバンドギャップよりも小さい。
【０００５】
活性層および１つまたは複数の障壁層のそれぞれは、ＩＶ族半導体材料、ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体材料、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料、またはＩ−ＶＩＩ族化合物半導体材料から構成することができる。
【０００６】
少なくとも１つの表面プラズモン金属層の誘電率は、活性層および１つまたは複数の障壁層の誘電率よりも大きくてよい。この少なくとも１つの表面プラズモン金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、またはその合金を含むことができる。
【０００７】
半導体デバイスは、発光層の一方の側面に配置された第１のドープ層、および発光層の他方の側面に配置された第２のドープ層をさらに含むことができる。少なくとも１つの表面プラズモン金属層を、発光層の上面に配置することができる。半導体デバイスは、第１のドープ層の１つの面に配置された第１の電極、および第２のドープ層の１つの面に配置された第２の電極をさらに含むことができる。
【０００８】
半導体デバイスは、発光層の上面に配置され、少なくとも１つの表面プラズモン金属層から離間したゲート電極をさらに含み、発光層の中の内部分極電界（internal polarization field）を補償するまたは打ち消すために、発光層に電界を印加することができる。ゲート電極は、透明導電材料から構成することができる。
【０００９】
別の実施形態では、少なくとも１つの表面プラズモン金属層を、発光層の少なくとも１つの側面に配置することができる。この実施形態では、半導体デバイスは、第１のドープ層および第２のドープ層をさらに含むことができる。第１のドープ層は、発光層と少なくとも１つの表面プラズモン金属層の両方の下に配置された第１の部分、および第１の部分から水平に延びる第２の部分を含むことができる。第２のドープ層を、発光層の上面に配置することができる。半導体デバイスは、第１のドープ層の第２の部分に部分的に配置された第１の電極、および第２のドープ層の上面に配置された第２の電極をさらに含むことができる。第１のドープ層はｎ型ドープ層とすることができ、第２のドープ層はｐ型ドープ層とすることができる。
【００１０】
活性層は、量子細線、量子ドット、およびナノロッドのうちの少なくとも１つを備える。
【００１１】
さらに別の実施形態では、短波長発光体は、発光層、発光層の第１の面と接触する少なくとも１つの表面プラズモン金属層、発光層の第２の面に配置されたｎ型ドープ層、および発光層の第３の面に配置されたｐ型ドープ層を含む。発光層は、第１のバンドギャップを有する活性層、および活性層の少なくとも１つの面に配置された１つまたは複数の障壁層を含む。障壁層は第２のバンドギャップを有する。第１のバンドギャップは第２のバンドギャップよりも小さい。第２の面と第３の面は互いに対向しており、第１の面は第２の面と第３の面の間にある。
【００１２】
短波長発光体は、発光層の第１の面に配置され、少なくとも１つの表面プラズモン金属層から離間したゲート電極をさらに含み、発光層の中の内部分極電界を補償するまたは打ち消すために、発光層に電界を印加することができる。一実施形態では、第１の面、第２の面および第３の面は、それぞれ、上面、一方の側面および他方の側面である。別の実施形態では、第１の面、第２の面および第３の面は、それぞれ、側面、底面、および上面である。
【００１３】
さらに別の実施形態では、半導体デバイスを製造する方法は、基板上に第１のバンドギャップを有する活性層を形成すること、活性層の少なくとも１つの面に第２のバンドギャップを有する１つまたは複数の障壁層を形成することを含む。活性層および１つまたは複数の障壁層が、発光層を構成する。方法は、発光層と接触する少なくとも１つの表面プラズモン金属層を形成することをさらに含む。第１のバンドギャップは第２のバンドギャップよりも小さい。
【００１４】
活性層および少なくとも１つの障壁層のうちの少なくとも１つは、無線周波数（ＲＦ）マグネトロンスパッタリング、パルスレーザ堆積、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ、または無線周波数プラズマ励起分子線エピタキシを使用して形成することができる。
【００１５】
方法は、発光層の一方の側面にｎ型ドープ層を形成すること、および発光層の他方の側面にｐ型ドープ層を形成することをさらに含むことができる。少なくとも１つの表面プラズモン金属層は、発光層の上面に配置される。方法は、ゲート電極が少なくとも１つの表面プラズモン金属層から離間するように、発光層の上面にゲート電極を形成することをさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００１６】
一実施形態では、半導体デバイスは、発光層および発光層と接触する少なくとも１つの表面プラズモン金属層を含む。発光層は、第１のバンドギャップを有する活性層、および活性層の少なくとも１つの面に配置された１つまたは複数の障壁層を含む。障壁層は第２のバンドギャップを有する。第１のバンドギャップは第２のバンドギャップよりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】半導体デバイスの例示的な実施形態の概略図である。
【図２】図１の半導体デバイスのバンドギャップを示す概略図である。
【図３】図１の半導体デバイス内の光場の分布を示すグラフである。
【図４】半導体デバイスの別の例示的な実施形態の概略図である。
【図５】半導体デバイスのさらに別の例示的な実施形態の概略図である。
【図６】半導体デバイスのさらに別の例示的な実施形態の概略図である。
【図７】半導体デバイスのさらに別の例示的な実施形態の概略図である。
【図８】活性層および障壁層を含む半導体デバイスの例示的な実施形態を示す上面図である。
【図９Ａ】半導体デバイスを製造する方法の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図９Ｂ】半導体デバイスを製造する方法の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図９Ｃ】半導体デバイスを製造する方法の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図９Ｄ】半導体デバイスを製造する方法の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図９Ｅ】半導体デバイスを製造する方法の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図９Ｆ】半導体デバイスを製造する方法の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図１０】方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照する。図面では、文脈が規定する場合を除き、同様の記号は一般に同様の構成要素を同定する。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲で記載の例示的な実施形態は、限定的であることを意図していない。本明細書に提示された主題の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用することができ、かつ、他の変更をすることができる。本明細書に一般的に記載され、図に例示されるように、本開示の態様は、多種多様な異なる構成で、配置され、置換され、組み合わされ、分離され、かつ設計されることができ、それらの全ては本明細書で明示的に企図されることが容易に理解されよう。
【００１９】
図１は、半導体デバイスの例示的な実施形態の概略図である。半導体デバイス１００は、発光層１３０および少なくとも１つの表面プラズモン金属層１４０を含む。発光層１３０は、活性層１１０および活性層１１０の１つの面に配置された少なくとも１つの障壁層、例えば障壁層１２０を含む。図１に示すように、障壁層１２０は活性層１１０の底面に配置される。しかし別の実施形態では、障壁層１２０を活性層の上面に配置することができる。
【００２０】
さらに別の実施形態では、発光層１３０は、任意選択で、その上に第１の障壁層１２０が配置される活性層１１０の面に面する、活性層１１０の別の面に配置された追加の障壁層を含むことができる。そのような実施形態は、図４に関して後で記載することとする。さらなる実施形態では、発光層１３０は、活性層１１０および障壁層１２０を２組以上含むことができ、この場合、活性層１１０および障壁層１２０は交互に配置することができる。
【００２１】
活性層１１０および障壁層１２０は、それぞれ数ナノメートルから数マイクロメートルの厚さを有することができる。例として、活性層１１０および障壁層１２０のそれぞれの厚さは、約０．１ｎｍ〜１０μｍ、約１ｎｍ〜５μｍ、または約３ｎｍ〜３００ｎｍであってよい。発光層１３０は、数ナノメートルから数百ナノメートルの幅を有することができる。例として、発光層１３０の幅は、約０．１ｎｍ〜１０μｍ、約１ｎｍ〜１００ｎｍ、または約５ｎｍ〜５０ｎｍであってよい。
【００２２】
表面プラズモン金属層１４０は、表面プラズモン共鳴が発光層１３０と表面プラズモン金属層１４０ａの間の界面１３５で起こることができるように、発光層１３０と接触してよい。例として、図１では、発光層１３０の一方の側面（例えば、左側面）に配置された表面プラズモン金属層１４０を示している。一部の実施形態では、半導体デバイス１００は任意選択で、後に記載され、図４に示すように、発光層１３０の他方の側面（例えば、右側面）に配置される追加の表面プラズモン金属層を含むことができる。別の実施形態では、表面プラズモン金属層は、後に記載され、図５に示すように、発光層１３０の上面および／または底面に配置することができる。
【００２３】
本明細書で使用する用語「表面プラズモン共鳴」は、発光層１３０と表面プラズモン金属層１４０の間の界面に位置する電子の集団振動を意味する。表面プラズモン共鳴によって、表面プラズモン金属層１４０の誘電率が発光層１３０の誘電率よりも大きくなる。表面プラズモン金属層１４０と発光層１３０の間のこの誘電率の違いによって、発光層１３０に生成される光場を不均一に分布させる。発光層１３０内に分布した光場の量は、表面プラズモン金属層１４０に分布した光場の量よりも大きくなる。表面プラズモン共鳴と光場の不均一な分布についてのさらなる詳細は、図３に関して後で記載することとする。
【００２４】
活性層１１０および障壁層１２０のそれぞれは、ＩＶ族半導体材料、ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体材料、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料、またはＩ−ＶＩＩ族化合物半導体材料から構成することができる。例として、ＩＶ族半導体材料としては、Ｓｉ、Ｇａ、Ｉｎ、またはＴｌが挙げられるが、これらに限定されない。ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体材料としては、ＳｉＧａ、ＳｉＩｎ、ＳｉＴｌ、ＧａＩｎ、ＧａＴｌ、またはＩｎＴｌが挙げられるが、これらに限定されない。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料としては、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、またはＡｌＧａＩｎＡｓが挙げられるが、これらに限定されない。ＩＩ−ＶＩ族半導体材料としては、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＺｎＯ、ＣｄＺｎＳ、ＭｇＺｎＯ、ＭｇＺｎＳ、ＣｄＭｇＺｎＯ、またはＣｄＭｇＺｎＳが挙げられるが、これらに限定されない。Ｉ−ＶＩＩ族化合物半導体材料としては、ＣｕＦ、ＣｕＣｌ、ＣｕＢｒ、ＣｕＩ、ＡｇＦ、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、ＡｇＩ、ＡｕＦ、ＡｕＣｌ、ＡｕＢｒ、ＡｕＩ、ＣｕＦＣｌ、ＣｕＢｒＦ、ＣｕＦＩ、ＣｕＣｌＢｒ、ＣｕＣｌＩ、ＣｕＢｒＩ、ＡｇＦＣｌ、ＡｇＦＢｒ、ＡｇＦＩ、ＡｇＣｌＢｒ、ＡｇＣｌＩ、ＡｇＢｒＩ、ＡｕＦＣｌ、ＡｕＦＢｒ、ＡｕＦＩ、ＡｕＣｌＢｒ、ＡｕＣｌＩ、ＡｕＢｒＩ、ＣｕＦＣｌＢｒ、ＣｕＦＣｌＩ、ＣｕＦＢｒＩ、ＣｕＩＢｒＣｌ、ＡｇＦＣｌＢｒ、ＡｇＦＣｌＩ、ＡｇＦＢｒＩ、ＡｇＣｌＢｒＩ、ＡｕＦＣｌＢｒ、ＡｕＦＣｌＩ、ＡｕＦＢｒＩ、またはＡｕＣｌＢｒＩが挙げられるが、これらに限定されない。活性層１１０のバンドギャップは、障壁層１２０のバンドギャップよりも小さくてよく、このことは以降でさらに記載することとする。
【００２５】
一部の実施形態では、活性層１１０および障壁層１２０は同じ半導体材料から構成することができる。活性層１１０および障壁層１２０が同じ半導体材料、例えばＧａＡｓから構成されるとき、活性層１１０および障壁層１２０の構造をホモ構造と呼ぶことがある。
【００２６】
他の実施形態では、活性層１１０は障壁層１２０の半導体材料と異なる半導体材料から構成することができる。活性層１１０および障壁層１２０が異なる半導体材料から構成されるとき（例えば、活性層１１０はＧａＡｓから構成され、障壁層１２０はＡｌＧａＡｓから構成されるとき）、活性層１１０および障壁層１２０の構造をヘテロ構造と呼ぶことがある。
【００２７】
表面プラズモン金属層１４０は、数ナノメートルから数マイクロメートル、例えば約０．３ｎｍ〜３０μｍ、約３ｎｍ〜１５μｍ、または約１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有してよい。表面プラズモン金属層１４０は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、またはその合金を含むことができるが、これらに限定されない。
【００２８】
図２は図１の半導体デバイスのバンドギャップを示す概略図である。一部の実施形態では、障壁層１２０は活性層１１０のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。例として、図２に示すように、活性層１１０のバンドギャップ（Ｅｇ、活性層）２１０は、障壁層１２０のバンドギャップ（Ｅｇ、障壁層）２２０よりも小さい。Ｅｇ、活性層２１０は、活性層１１０でのＥｃとＥｖの間の差のことをいい、Ｅｇ、障壁層２２０は障壁層１２０でのＥｃとＥｖの間の差のことをいう。Ｅｃは半導体材料の伝導帯でのエネルギーレベルであり、Ｅｖは半導体材料の価電子帯でのエネルギーレベルである。
【００２９】
Ｅｇ、活性層２１０とＥｇ、障壁層２２０の間のエネルギーレベルの違いのため、ポテンシャル井戸２３０が活性層１１０に形成される。ポテンシャル井戸２３０は障壁層１２０から拡散したキャリア（例えば、過剰な電子および正孔）を閉じ込めることができる。このポテンシャル井戸２３０は「量子井戸」とも呼ばれる。障壁層１２０に電荷が供給されない平衡状態では、キャリア（例えば、過剰な電子および正孔）は、障壁層１２０と活性層１１０の間の接合の両端間に形成されるポテンシャル障壁によって、障壁層１２０の中に閉じ込められる。電荷が障壁層１２０に供給されると、ポテンシャル障壁は減少し、キャリアが接合を越えて、活性層１１０内の量子井戸２３０の中へ拡散することができる。一度キャリアが量子井戸２３０の中に拡散すると、上で示したように、Ｅｇ、活性層２１０とＥｇ、障壁層２２０の間のバンドギャップの違いのため、キャリアは量子井戸２３０の中に閉じ込められる。その場合、過剰な電子と正孔の再結合が活性層１１０の中で起こることができる。このことにより、より多くのキャリアが量子井戸２３０の中に移動し、再結合した電子と正孔に取って代わることが可能になる。過剰な電子と過剰な正孔が量子井戸２３０の中で再結合すると、エネルギーが解放される。エネルギーは、量子井戸２３０から光子として放出することができる。
【００３０】
量子効率とは、電子−正孔対を生成する光子のパーセンテージとして定義される量であり、以下の式（１）によって表される。
【００３１】
【数１】
0005903383.tif 000002
（１）
【００３２】
式中、
【００３３】
【数２】
0005903383.tif 000003
は２πで割ったプランク定数であり、
【００３４】
【数３】
0005903383.tif 000004
は双極子行列であり、
【００３５】
【数４】
0005903383.tif 000005
は所与の角周波数ωにおける状態の光子密度である。式（１）から、半導体デバイス１００の量子効率は、光子密度
【００３６】
【数５】
0005903383.tif 000006
を制御すること、および／または半導体デバイス１００の双極子行列要素
【００３７】
【数６】
0005903383.tif 000007
を制御することによって改善できることが理解できる。光子密度は、活性層１１０の中に存在する光場の量を増すことによって増加することができる。双極子行列要素は、活性層１１０の中に広がる不均一な電流を防止すること、および活性層１１０の中に存在する内部分極電界を補償することによって増加することができる。
【００３８】
図１に示すように、表面プラズモン金属層１４０は、発光層１３０の側面に配置される。したがって、表面プラズモン金属層１４０は、発光層１３０の活性層１１０および障壁層１２０と接触する。電子は、発光層１３０と表面プラズモン金属層１４０の間の界面に位置しており、集合的に振動され、したがって電子の密度は変動される。この電子の集合的振動は、表面プラズモン共鳴と呼ばれる。表面プラズモン共鳴によって、表面プラズモン金属層１４０が大きな誘電率の絶対値を有することになる。例として、表面プラズモン金属層１４０がＡｕから構成される場合、表面プラズモン金属層１４０の誘電率の絶対値は約１００〜２００であることができる。この誘電率の絶対値は、発光層１３０の誘電率の絶対値よりも大きい。例として、活性層１１０がＧａＮから構成される場合、発光層１３０の誘電率の絶対値は約１０である。
【００３９】
発光層１３０および表面プラズモン金属層１４０の中の電束密度は同じであり、電束密度は誘電率と光場強度の乗算として表されるので、以下の式（２）を導出することができる。
【００４０】
【数７】
0005903383.tif 000008
（２）
【００４１】
式中、
【００４２】
【数８】
0005903383.tif 000009
および
【００４３】
【数９】
0005903383.tif 000010
は、それぞれ、発光層１３０の電束密度および表面プラズモン金属層１４０の電束密度を表し、
【００４４】
【数１０】
0005903383.tif 000011
および
【００４５】
【数１１】
0005903383.tif 000012
は、それぞれ、発光層１３０の誘電率および表面プラズモン金属層１４０の誘電率を表し、
【００４６】
【数１２】
0005903383.tif 000013
および
【００４７】
【数１３】
0005903383.tif 000014
は、それぞれ、発光層１３０の光場強度および表面プラズモン金属層１４０の光場強度を表す。以下の式（３）は、上の式（２）から導出される。
【００４８】
【数１４】
0005903383.tif 000015
（３）
【００４９】
上記のように、表面プラズモン金属層１４０の誘電率
【００５０】
【数１５】
0005903383.tif 000016
が発光層１３０の誘電率
【００５１】
【数１６】
0005903383.tif 000017
よりも絶対値で大きいので、発光層１３０の光場強度
【００５２】
【数１７】
0005903383.tif 000018
は表面プラズモン金属層１４０の光場強度
【００５３】
【数１８】
0005903383.tif 000019
よりも大きい。したがって、発光層１３０の中に生成された光場は、表面プラズモン金属層１４０を発光層１３０と接触させることによって、主として発光層１３０の活性層１１０中に分布することができる。
【００５４】
図３は発光層１３０および表面プラズモン金属層１４０の中の光場の分布を示すグラフである。グラフのｙ軸は表面プラズモン金属層１４０および発光層１３０中に分布した光場の量を表す。グラフのｘ軸は、図１に示すような、表面プラズモン金属層１４０および発光層１３０の横断面構成を表す。（ａ）領域は、表面プラズモン金属層１４０の中に分布した光場の量を示す。（ｂ）領域は、発光層１３０の中に分布した光場の量を示す。上に示したように、電荷が発光層１３０の障壁層１２０に供給されると、キャリア（例えば、過剰な電子および正孔）は表面プラズモン金属層１４０の中へではなく、発光層１３０の活性層１１０に形成された量子井戸の中へと拡散される。というのは、表面プラズモン金属層１４０の誘電率が活性層１１０を有する発光層１３０の誘電率よりも大きいからである。次いで、過剰な電子および正孔の再結合が活性層１１０の中で起こり、活性層１１０の中に光場を生成して、光子を放出する。したがって、図３のグラフに示すように、光場は主として発光層１３０の活性層１１０中に分布される。したがって、半導体デバイス１００の量子効率は、発光層１３０の活性層１１０中の光場の量が増加することにより改善することができる。
【００５５】
図４は、半導体デバイスの別の例示的な実施形態の概略図である。図４に示すように、半導体デバイス４００は、発光層４３５、第１の表面プラズモン金属層４４０、第２の表面プラズモン金属層４４２、およびゲート電極４５０を含む。発光層４３５は、活性層４１０、第１の障壁層４２０、および第２の障壁層４３０を含むことができる。発光層４３５は、発光層４３５が活性層４１０の上面に配置された第２の障壁層４３０を有するという点で、図１の発光層１３０と異なる。活性層４１０、第１の障壁層４２０および第２の障壁層４３０に好適な材料および厚さは、活性層１１０および障壁層１２０用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。
【００５６】
半導体デバイス４００は、発光層４３５の側面（例えば、左側面）に第１の表面プラズモン金属層４４０、および対向する側面（例えば、右側面）に第２の表面プラズモン金属層４４２を含む。第１の表面プラズモン金属層４４０および第２の表面プラズモン金属層４４２に好適な材料および厚さは、表面プラズモン金属層１４０用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。
【００５７】
さらに、半導体デバイス４００は、発光層４３５の１つの面にゲート電極４５０を含む。図４は、ゲート電極４５０が第２の障壁層４３０の上面の一部に配置されていることを示す。別の実施形態では、ゲート電極４５０は、第１の障壁層４２０の底面の一部に配置することができる。さらに別の実施形態では、ゲート電極４５０は第２の障壁層４３０の上面または第１の障壁層４２０の底面に全面的に配置することができる。ゲート電極４５０は、数ナノメートルから数マイクロメートル、例えば、約０．１ｎｍ〜５μｍ、約１ｎｍ〜３μｍ、または約５ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有することができる。ゲート電極４５０は、透明導電材料から構成することができる。透明導電材料は、入射光を透過し、ゲート電極４５０に電気的接続性を与えることができる。透明導電材料としては、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化スズ、酸化亜鉛、またはカーボンナノチューブなどの有機透明電極が挙げられるが、これらに限定されない。
【００５８】
一部の実施形態では、ゲート電極４５０は外部デバイス（例えば、電源）（図示せず）に接続することができる。ゲート電極４５０は、外部デバイスから提供された電界（以下「ゲート電界（gate field）」と呼ぶ）を活性層４１０に印加する。ゲート電界は、活性層４１０中に存在する内部分極電界を補償するまたは打ち消すことができる。本明細書では、内部分極電界は、活性層４１０中で、自発分極および圧電分極によって発生する電界のことをいう。自発分極は、外部電界なしに強誘電体に発生する分極のことをいう。圧電分極は、層の歪みなどの印加された機械的な応力に応じて生成される電気的ポテンシャルによって発生する分極のことをいう。内部分極電界が、キャリア（例えば、過剰な電子および正孔）の励起子結合（excitonic binding）を弱めることにより、半導体デバイス４００の量子効率を低下させる。自発分極および圧電分極ならびに内部分極電界のさらなる詳細については、本明細書に参照により全体が組み込まれる、Ａｈｎら、「Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ａｎｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  ｗｕｒｔｚｉｔｅ  ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ｌａｓｅｒｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、８７巻、２５３５０９ページ（２００５）を参照されたい。この実施形態では、ゲート電極４５０は発光層４３５にゲート電界を印加する。印加されたゲート電界は、活性層４１０中の内部分極電界を補償するまたは打ち消すことができる。
【００５９】
図５は、半導体デバイスのさらに別の例示的な実施形態の概略図である。半導体デバイス５００は、活性層５１０とそれぞれ活性層５１０の底面および上面に配置される第１の障壁層５２０および第２の障壁層５３０を有する発光層５３５、発光層５３５の一方の側面（例えば、左側面）に配置される第１の表面プラズモン金属層５４０、ならびに発光層５３５の対向する側面（右側面）に配置される第２の表面プラズモン金属層５４２を含む。発光層５３５ならびに第１の表面プラズモン金属層５４０および第２の表面プラズモン金属層５４２は、発光層４３５ならびに第１の表面プラズモン金属層４４０および第２の表面プラズモン金属層４４２と実質的に同じである。したがって、説明を簡潔にするために、本明細書では冗長な説明を省略することとする。
【００６０】
半導体デバイス５００は、発光層５３５の活性層５１０に不純物を提供するためにドープ層を含む。一実施形態では、半導体デバイス５００は、第１のドープ層５２５を含むことができる。第１のドープ層５２５は、発光層５３５と第１の表面プラズモン金属層５４０および第２の表面プラズモン金属層５４２の両方の下に配置される第１の部分５２５−１、ならびに第１の部分５２５−１から水平に延びる第２の部分５２５−２を含む。別の実施形態では、半導体デバイス５００は、発光層５３５の第２の障壁層５３０に配置され、第１の表面プラズモン金属層５４０と第２の表面プラズモン金属層５４２の間にある第２のドープ層５２６をさらに含むことができる。さらに別の実施形態では、半導体デバイス５００は、発光層５３５と第１の表面プラズモン金属層５４０および第２の表面プラズモン金属層５４２の両方の下に第３のドープ層５２７をさらにまた含むことができ、その結果、第３のドープ層５２７を第１のドープ層５２５と発光層５３５ならびに第１の表面プラズモン金属層および第２の表面プラズモン金属層の間に挿置して、第１のドープ層５２５と第１の表面プラズモン金属層５４０および第２の表面プラズモン金属層５４２の間に絶縁体を提供することができる。
【００６１】
第１のドープ層５２５および第２のドープ層５２６はドーパントをドープされ、不純物元素を活性層５１０ならびに第１の障壁層５２０および第２の障壁層５３０の中の半導体材料の結晶格子に添加することができる。一部の実施形態では、第１のドープ層５２５にはｎ型ドーパントをドープし、第２のドープ層５２６にはｐ型ドーパントをドープしてよい。ｎ型ドーパントとしては、周期表のＶ族から少なくとも１つの元素、例えばＮ、Ｐ、Ａｓ、およびＳｂが挙げられるが、これらに限定されない。ｎ型ドーパントをドープした層は、過剰な電子と呼ばれる豊富な電子を有する。ｐ型ドーパントとしては、周期表のＩＩＩ族から少なくとも１つの元素、例えばＢ、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎが挙げられるが、これらに限定されない。ｐ型ドーパントをドープした層は、過剰な正孔と呼ばれる豊富な正孔を有する。
【００６２】
図５に示すように、第１のドープ層５２５は、その上に第３のドープ層５２７が配置される第１の部分５２５−１、およびその上に第１の電極５２２（後で記載される）が部分的に配置される第２の部分５２５−２を含む。第２の部分５２５−２は、その上に第１の電極５２２を配置するのに十分な幅を有する。例として、第２の部分５２５−２は、約１ｎｍ〜５００ｎｍ、約１０ｎｍ〜３００ｎｍ、または約５０ｎｍ〜１００ｎｍの幅を有することができる。発光層５３５の幅は数ナノメートル〜数百ナノメートルの範囲にわたる。例として、発光層５３５の幅は、約１ｎｍ〜３００ｎｍ、約１０ｎｍ〜１００ｎｍ、または約３０ｎｍ〜５０ｎｍであってよい。
【００６３】
半導体デバイス５００は、第１のドープ層５２５と接触する第１の電極５２２および第２のドープ層５２６と接触する第２の電極５３２を含む。例として、第１の電極５２２は、第１のドープ層５２５の第２の部分５２５−２の１つの面（例えば、上面）に部分的に配置してよく、第２の電極５３２は、第２のドープ層５２６の上面に配置してよい。第１の電極５２２および第２の電極５３２は、それぞれ第１のドープ層５２５および第２のドープ層５２６に電荷を供給する。第１のドープ層５２５および第２のドープ層５２６の中の過剰な電子および正孔は、供給された電荷に応答して励起することができる。第１の電極５２２および第２の電極５３２のそれぞれは、数ナノメートルから数マイクロメートルの厚さを有することができる。例として、第１の電極５２２および第２の電極５３２のそれぞれの厚さは、約０．１ｎｍ〜１０μｍ、約１ｎｍ〜５μｍ、または約３ｎｍ〜５００ｎｍであってよい。第１の電極５２２および第２の電極５３２のそれぞれは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕまたはその合金から構成することができるが、これらに限定されない。
【００６４】
さらに、半導体デバイス５００は、基板５６０、および基板５６０に配置されるバッファ層５５５を含む。図５は、第１のドープ層５２５の底面に配置されたバッファ層５５５、およびバッファ層５５５の底面に配置された基板５６０を示す。バッファ層５５５は、ＩＶ族半導体材料、ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体材料、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料から製造することができる。バッファ層５５５の材料は上述のグループに限定されず、構成上良好な品質を確立する任意の材料も含むことができる。バッファ層５５５は、数ナノメートル〜数百マイクロメートル、例えば、約１ｎｍ〜３００μｍの厚さを有することができる。基板５６０としては、ケイ素（Ｓｉ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、または窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）が挙げられるが、これらに限定されない。基板５６０は、数ナノメートル〜数百マイクロメートル、例えば、約１ｎｍ〜５００μｍ、約３ｎｍ〜３００μｍ、または約５ｎｍ〜５０μｍの厚さを有することができる。
【００６５】
一部の実施形態では、半導体デバイス５００は、第２のドープ層５２６の上面の一部に配置され、第２の電極５３２から数ナノメートルから数百ナノメートル、例えば、１ｎｍ〜３００ｎｍ、約１０ｎｍ〜５０ｎｍ、または約２０ｎｍ〜３０ｎｍ離間したゲート電極５５０を含む。ゲート電極５５０に好適な材料および厚さは、ゲート電極４５０用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。
【００６６】
図５に示すように、第１の表面プラズモン金属層５４０および第２の表面プラズモン金属層５４２は発光層５３５と接触しているので、活性層５１０に生成される光場は活性層５１０から漏れ出ず、したがって、半導体デバイス５００の量子効率が改善される。加えて、ゲート電極５５０によって発光層５３５に印加されるゲート電界は、活性層５１０の中の内部分極電界を補償するまたは打ち消すことができ、したがって、半導体デバイス５００の量子効率をさらに高めることができる。
【００６７】
図６は、半導体デバイスの別の例示的な実施形態の概略図である。半導体デバイス６００は、活性層６１０ならびにそれぞれ活性層６１０の底面および上面に配置される第１の障壁層６２０および第２の障壁層６３０を有する発光層６３５を含む。活性層６１０ならびに第１の障壁層６２０および第２の障壁層６３０に好適な材料および厚さは、それぞれ、活性層１１０および障壁層１２０用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。表面プラズモン金属層６４０は、発光層６３５の第２の障壁層６３０の上面の一部に配置される。表面プラズモン金属層６４０は、約０．１ｎｍ〜１０μｍ、約１ｎｍ〜５μｍ、または約５ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。表面プラズモン金属層６４０に好適な材料は、表面プラズモン金属層１４０用に上で記載した材料と実質的に同じである。
【００６８】
半導体デバイス６００は、第１のドープ層６２５および第２のドープ層６２６をさらに含む。例として、第１のドープ層６２５は、発光層６３５の一方の側面（例えば、左側面）に配置することができ、第２のドープ層６２６は、発光層６３５の他方の側面（例えば、右側面）に配置することができる。一部の実施形態では、第１のドープ層６２５にはｎ型ドーパントをドープし、第２のドープ層６２６にはｐ型ドーパントをドープしてよい。第１のドープ層６２５および第２のドープ層６２６に好適なドーパントは、それぞれ、第１のドープ層５２５および第２のドープ層５２６用に上で記載したドーパントと実質的に同じである。
【００６９】
第１のドープ層６２５および第２のドープ層６２６が、図６に示すように、発光層６３０の側面に配置されるので、第１のドープ層６２５および第２のドープ層６２６からのキャリアを活性層６１０に横方向に注入することができ、したがって、電流は活性層６１０を通って、直線経路６１５の中を横方向に流れることができる。半導体デバイス６００で横方向にキャリアを注入することにより、不均一な電流が広がることを防止する。本明細書では、不均一な電流の広がりとは、電流経路が湾曲し、電流が湾曲した電流経路の一定の点で密集するときに起こる現象のことをいう。不均一な電流の広がりが、局在化した過熱および熱的なホットスポットの形成をもたらす場合があり、このことで半導体デバイスの性能が低下する。しかし、半導体デバイス６００は第２のドープ層６２６から第１のドープ層６２５へ、または第１のドープ層６２５から第２のドープ層６２６へ直線状の電流経路を有しているので、半導体デバイス６００はそのような不均一な電流の広がりを受けず、それにより、上記の式（１）に関して示されたように双極子行列要素が増加する。不均一な電流の広がりおよび横方向の電流注入のさらなる詳細については、本明細書に参照により全体が組み込まれるＤ．Ａｈｎら、「Ａ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ  ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  ｌａｔｅｒａｌ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、６４巻（１）、４４０ページ（１９８８年７月）、Ｓｅｏｎｇ−Ｒａｎ  Ｊｅｏｎら、「ＧａＮ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ａｓ  ａ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｉｎ  ａ  ｂｌｕｅ  ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、８０巻（１１）、１９３３ページ（２００２年３月）、およびＨｙｕｎｓｏｏ  Ｋｉｍら、「Ｌａｔｅｒａｌ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｐａｔｈ，  ａ  ｍｏｄｅｌ  ｆｏｒ  ＧａＮ−ｂａｓｅｄ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｔｏ  ｐｒａｃｔｉｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅ  ｄｅｓｉｇｎｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、８１巻（７）、１３２６ページ（２００２年８月）を参照されたい。
【００７０】
半導体デバイス６００は、それぞれ、第１のドープ層６２５と電気的に接触する第１の電極６２２および第２のドープ層６２６と電気的に接触する第２の電極６３２をさらに含む。例として、第１の電極６２２は、第１のドープ層６２５の上面の一部に配置に配置することができ、第２の電極６３２は、第２のドープ層６２６の上面の一部に配置することができる。第１の電極６２２および第２の電極６３２に好適な材料および厚さは、第１の電極５２２および第２の電極５３２用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。
【００７１】
半導体デバイス６００は、ゲート電極６５０が表面プラズモン金属層６４０から離間するように、発光層６３５の上面の一部に配置されたゲート電極６５０をさらに含む。ゲート電極６５０に好適な材料および厚さは、ゲート電極４５０用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。表面プラズモン金属層６４０とゲート電極６５０との間のギャップサイズは、数ナノメートル〜数マイクロメートル、例えば約１０ｎｍ〜１０μｍ、約５０ｎｍ〜３００ｎｍ、または約１００ｎｍ〜２００ｎｍであってよい。
【００７２】
半導体デバイス６００は、発光層６３５ならびに第１のドープ層６２５および第２のドープ層６２６の上面を覆い、第１の電極６２２と表面プラズモン金属層６４０の間、表面プラズモン金属層６４０とゲート電極６５０の間、およびゲート電極６５０と第２の電極６３２の間のギャップに配置される絶縁層６７０をさらに含む。したがって、第１の電極６２２、表面プラズモン金属層６４０、ゲート電極６５０、第２の電極６３２の間の電気的接触を防止できる。絶縁層６７０は電気的な絶縁を提供する任意の材料から構成することができる。例として、絶縁層６７０の材料としては、酸化ケイ素または窒化ケイ素が挙げられるが、これらに限定されない。絶縁層６７０は、数ナノメートル〜数マイクロメートル、例えば、約０．１ｎｍ〜１００μｍ、約１ｎｍ〜５０μｍ、または約３ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有することができる。
【００７３】
半導体デバイス６００は、バッファ層６５５および基板６６０をさらに含む。図６に示すように、バッファ層６５５は、発光層６３５ならびに第１のドープ層６２５および第２のドープ層６２６の底面を覆うように配置することができ、基板６６０は、バッファ層６５５の底面に配置することができる。バッファ層６５５および基板６６０に好適な材料および厚さは、バッファ層５５５および基板５６０用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。
【００７４】
図７は、半導体デバイスの別の例示的な実施形態の概略図である。半導体デバイス７００は、発光層７３５および第１の表面プラズモン金属層７４０を含む。発光層７３５は、活性層７１０、第１の障壁層７２０、および第２の障壁層７３０を含む。半導体層７００は、第１のドープ層７２５、第２のドープ層７２６、バッファ層７５５、および基板７６０をさらに含む。半導体デバイス７００の上記の要素の好適な材料、厚さ、および配置は、半導体デバイス６００の材料、厚さ、および配置と実質的に同じである。図７に示すように、半導体デバイス７００は、発光層７３５の上面の一部に配置される第２の表面プラズモン金属層７４２をさらに含む。例として、第１の表面プラズモン金属層７４０および第２の表面プラズモン金属層７４２は、発光層７３５の長手方向に（図７に示すように）直列または並列に発光層７３５の上面に形成して、数ナノメートル〜数百マイクロメートル、例えば、１ｎｍ〜１０μｍ、約１０ｎｍ〜５μｍ、または約３０ｎｍ〜５００ｎｍだけ離間することができる。第１の表面プラズモン金属層７４０および第２の表面プラズモン金属層７４２に好適な材料および厚さは、表面プラズモン金属層１４０用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。表面プラズモン金属層の数は、示した例に限定されない。半導体デバイス７００は、発光層７３５と接触する複数の表面プラズモン金属層を有することができる。
【００７５】
本発明は図１および図４〜図７に関して記載されるが、本発明がこれらの示される例に限定されないことは、当業者には明らかであろう。例として、表面プラズモン金属層、ドープ層、および電極の数および配置は示した例に限定されず、ドープ層、電極、バッファ層、および基板は任意選択であり、そのためこれらのいずれかを限定することなく省略できることは明らかであろう。
【００７６】
図８（ａ）〜図８（ｃ）は活性層および障壁層を含む半導体デバイスの例示的な実施形態を示す上面図である。
【００７７】
図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、活性層は、図１、４、５、６、および７を参照して記載したように、量子細線、量子ドット、またはナノロッドなどのナノ構造の形態で整合することができる。例として、図８（ａ）に示すように、活性層８１０は量子細線の形態で整合することができる。量子細線は、その励起子が１つの空間次元の中に閉じ込められる、電気的に導電性の半導体ワイヤのことをいう。障壁層８２０が活性層８１０を囲繞する。別の例として、図８（ｂ）に示すように、活性層８１２は量子ドットの形態で整合することができる。ここで、障壁層８２２が活性層８１２を囲繞する。量子ドットは、その励起子が３つの空間次元全ての中に閉じ込められる、半導体構造のことをいう。さらに別の例として、図８（ｃ）に示すように、活性層８１４はナノロッドの形態で整合することができ、障壁層８２４が活性層８１４を囲繞する。ナノロッドは、棒の形態であるナノスケールの半導体構造のことをいう。量子細線、量子ドット、およびナノロッドの数は、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す数に限定されない。他の実施形態では、活性層は、少なくとも１つの量子細線、少なくとも１つの量子ドット、および少なくとも１つのナノロッドの任意の組合せとして整合することができる。
【００７８】
図９Ａ〜図９Ｆは半導体デバイス９００を製造する方法の例示的な実施形態を示す概略図である。図１０は方法を示す流れ図である。
【００７９】
基板９６０を用意する（Ｓ１０１０）。次に、バッファ層９５５を基板９６０の１つの面（例えば、上面）に形成することができる（Ｓ１０２０）。バッファ層９５５は、無線周波数（ＲＦ）マグネトロンスパッタリング、パルスレーザ堆積、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ、および無線周波数プラズマ励起分子線エピタキシなど様々なよく知られている堆積技法またはエピタキシ技法のいずれかを使用して、基板９６０の面に形成することができる。基板９６０およびバッファ層９５５に好適な材料および厚さは、それぞれ、基板５６０およびバッファ層５５５用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。
【００８０】
発光層９３５をバッファ層９５５の１つの面に形成することができる（Ｓ１０３０）。発光層９３５は、バッファ層９５５の上面に第１の障壁層９２０を形成すること、第１の障壁層９２０の上面に活性層９１０を形成すること、および活性層９１０の上面に第２の障壁層９３０を形成することによって形成することができる。第１の障壁層９３０、活性層９４０、および第２の障壁層９５０が発光層９３５を構成する。第１の障壁層９２０、活性層９１０、および第２の障壁層９３０は、上述の堆積技法またはエピタキシ技法を使用して形成することができる。第１の障壁層９２０、活性層９１０、および第２の障壁層９３０に好適な材料および厚さは、それぞれ、第１の障壁層５２０、活性層５１０、および第２の障壁層５３０用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。次に、発光層９３５の両方の端部が、ドライエッチング、ウェットエッチング、またはプラズマエッチングなど、任意の様々なエッチング技法を使用してエッチングされる。エッチングの結果として、露出部分９１１および露出部分９１２が、バッファ層９５５の上面の両端に形成される。
【００８１】
第１のドープ層９２５および第２のドープ層９２６を、発光層９３５の面（例えば、左側面および右側面）に形成することができる（Ｓ１０４０）。一部の実施形態では、非ドープの半導体の層（図示せず）を、バッファ層９５５の上面の露出部分９１１および露出部分９１２に、上述の堆積技法およびエピタキシ技法を使用して形成することができる。次に、Ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントを非ドープの半導体の層に注入して、第１のドープ層９２５および第２のドープ層９２６をそれぞれ形成することができる。この場合、第１のドープ層９２５はｎ型ドープ層であり、第２のドープ層９２７はｐ型ドープ層である。第１のドープ層９２５および第２のドープ層９２６に好適な材料および厚さは、第１のドープ層５２５および第２のドープ層５２６用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。
【００８２】
少なくとも１つの表面プラズモン金属層９４０を発光層９３５の１つの面（例えば、上面）に形成することができる（Ｓ１０５０）。一部の実施形態では、表面プラズモン金属層９４０を発光層９３５の任意の面（例えば、底面または左側面もしくは右側面）に形成することができる。他の実施形態では、複数の表面プラズモン金属層を発光層９３５に形成することができる。具体的には、表面プラズモン金属層９４０は、その中で表面プラズモンが発生することができる金属材料（例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、またはこれらの合金）を堆積すること、および図９Ｄに示すように堆積された金属材料の両端をエッチングすることによって形成することができる。金属材料の堆積は、スパッタリング、電気めっき、電子ビーム蒸着（e-beam evaporation）、熱蒸着（thermal evaporation）、レーザ誘起蒸着、およびイオンビーム誘起蒸着など様々なよく知られている金属堆積技法のいずれかによって行うことができる。堆積した金属材料の端部のエッチングは、ウェットエッチング、ドライエッチング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング、集束イオンビームリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ（e-beam lithography）、近接プローブパターニング、Ｘ線リソグラフィ、または極ＵＶリソグラフィなど、様々なよく知られている金属エッチング技法およびリソグラフィ技法のいずれかによって行うことができる。表面プラズモン金属層９４０に好適な金属材料および厚さは、表面プラズモン金属層１４０用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。
【００８３】
ゲート電極９５０を発光層９３５の上面に形成することができる（Ｓ１０６０）。図９Ｅに示すように、表面プラズモン金属層９４０およびゲート電極９５０が発光層９３５の同じ面（例えば、上面）に形成される実施形態では、ゲート電極９５０は表面プラズモン金属層９４０から離間されており、表面プラズモン金属層９４０と電気的に接続されることを回避する。ゲート電極９５０は、様々なよく知られている堆積技法およびリソグラフィ技法のいずれかを使用して形成することができる。例として、ゲート電極９５０の基材は、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）、マグネトロンスパッタリング、または反応性蒸着を使用して堆積することができる。次に、基材は、例えば、ウェットエッチング、ドライエッチング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング、集束イオンビームリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、近接プローブパターニング、Ｘ線リソグラフィ、または極ＵＶリソグラフィを使用して、ゲート電極９５０を形成するためにエッチングすることができる。ゲート電極９５０に好適な材料および厚さは、ゲート電極４５０用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。
【００８４】
第１の電極９２２および第２の電極９３２は、それぞれ、第１のドープ層９２５および第２のドープ層９２６の面（例えば、上面）に形成することができる（Ｓ１０７０）。上述のよく知られている金属堆積技法ならびにエッチング技法およびリソグラフィ技法のいずれかを使用して、第１の電極９２２および第２の電極９３２を形成することができる。第１の電極９２２および第２の電極９３２に好適な材料および厚さは、それぞれ、第１の電極５２２および第２の電極５３２用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。絶縁層９７０を形成し、発光層９３５、ならびに第１のドープ層９２５および第２のドープ層９２６を覆うことができる（Ｓ１０８０）。絶縁層９７０は、表面プラズモン金属層９４０、ゲート電極９５０、ならびに第１の電極９２２および第２の電極９３２を分離して、これらが互いに接続されることを防止する。絶縁層９７０は、化学気相堆積（ＣＶＤ）などの様々なよく知られている堆積技法のいずれかを使用して形成することができる。絶縁層９７０に好適な材料および厚さは、絶縁層６７０用に上で記載した材料および厚さと実質的に同じである。
【００８５】
一部の実施形態では、半導体デバイス１００、４００、５００、６００、７００、および９００は、光電変換デバイス、光電子デバイス、量子化電子デバイス、短波長発光体、光検出器、レーザ、または発光デバイスの中に含まれてよい。例として、短波長発光体は、発光層、発光層の第１の面（例えば、図６および図７に示すように上面または図５に示すように側面）と接触する少なくとも１つの表面プラズモン金属層、発光層の第２の面（例えば、図６および図７に示すように左側面または図５に示すように底面）に配置されるｎ型ドープ層、および発光層の第３の面（例えば、図６および図７に示すように右側面または図５に示すように上面）に配置されるｐ型ドープ層を含むことができる。発光層は、第１のバンドギャップを有する活性層、および活性層の少なくとも１つの面に配置される１つまたは複数の障壁層を含むことができる。障壁層は、第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有する。さらに、光電変換デバイス、光電子デバイス、量子化電子デバイス、光検出器、レーザ、または発光デバイスは、実質的に同様の方法で、発光層および少なくとも１つの表面プラズモン金属層を含むことができる。
【００８６】
本明細書に開示するこの処理および方法ならびに他の処理および方法のため、処理および方法中で実施される機能は、異なる順序で実現できることを当業者なら理解するであろう。さらに、概説したステップおよび操作は例としてのみ提供されており、開示した実施形態の本質を損なうことなく、ステップおよび操作の一部は任意選択であって、より少ないステップおよび操作に組み合わす、または追加のステップおよび操作に拡張することができる。
【００８７】
本開示は、本出願に記載の特定の実施形態に関して限定すべきではなく、本開示は、種々の態様の例示として意図される。当業者には明らかであるように、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態がなされ得る。本明細書に列挙されたものに加えて、本開示の範囲の中で機能的に等価な方法および装置が、上記の説明から当業者には明らかであろう。そのような変更形態および変形形態は、添付の特許請求の範囲に包含されることが意図される。本開示は、そのような特許請求の範囲が権利を与えられる等価物の範囲全体とともに、添付の特許請求の範囲の条項によってのみ限定されるべきである。本開示は、当然変更することが可能な、特定の方法、試薬、化合物組成物または生物学的なシステムに限定されないことを理解するべきである。また、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためのみのものであって、限定を意図しないことも理解するべきである。
【００８８】
本明細書における実質的に全ての複数形および／または単数形の用語の使用に対して、当業者は、状況および／または用途に適切なように、複数形から単数形に、および／または単数形から複数形に変換することができる。様々な単数形／複数形の置き換えは、理解しやすいように、本明細書で明確に説明することができる。
【００８９】
通常、本明細書において、特に添付の特許請求の範囲（例えば、添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、全体を通じて「オープンな（ｏｐｅｎ）」用語として意図されていることが、当業者には理解されよう（例えば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」と解釈されるべきであり、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、「少なくとも有する（ｈａｖｉｎｇ  ａｔ  ｌｅａｓｔ）」と解釈されるべきであり、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｅｓ  ｂｕｔ  ｉｓ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」と解釈されるべきである、など）。導入される請求項で具体的な数の記載が意図される場合、そのような意図は、当該請求項において明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者にはさらに理解されよう。例えば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、導入句「少なくとも１つの（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ）」および「１つまたは複数の（ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ）」を使用して請求項の記載を導くことを含む場合がある。しかし、そのような句の使用は、同一の請求項が、導入句「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の記載の導入が、そのように導入される請求項の記載を含む任意の特定の請求項を、単に１つのそのような記載を含む実施形態に限定する、ということを示唆していると解釈されるべきではない（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味すると解釈されるべきである）。同じことが、請求項の記載を導入するのに使用される定冠詞の使用にも当てはまる。また、導入される請求項の記載で具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、少なくとも記載された数を意味すると解釈されるべきであることが、当業者には理解されよう（例えば、他の修飾語なしでの「２つの記載（ｔｗｏ  ｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」の単なる記載は、少なくとも２つの記載、または２つ以上の記載を意味する）。さらに、「Ａ、ＢおよびＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、そ���に限定されない）。２つ以上の代替用語を提示する事実上いかなる離接する語および／または句も、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、当該用語の一方（ｏｎｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｅｒｍｓ）、当該用語のいずれか（ｅｉｔｈｅｒ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｅｒｍｓ）、または両方の用語（ｂｏｔｈ  ｔｅｒｍｓ）を含む可能性を企図すると理解されるべきであることが、当業者にはさらに理解されよう。例えば、句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」あるいは「ＡおよびＢ」の可能性を含むことが理解されよう。
【００９０】
加えて、本開示の特徴または態様がマーカッシュ群に関して記載される場合、それによって、本開示がマーカッシュ群の任意の個々の要素または要素の部分群に関しても記載されることを当業者なら認識するであろう。
【００９１】
当業者なら理解するように、記述を提供することに関するなど、あらゆる全ての目的のため、本明細書に開示の全範囲は、また、あらゆる全ての可能な部分範囲ならびにその部分範囲の組合せも包含する。任意の列挙された範囲は、十分に記載して、同じ範囲を少なくとも２等分、３等分、４等分、５等分、１０等分などに分解できることが容易に認識できる。非限定の例として、本明細書で論じた各範囲は、下側の３分の１、中央の３分の１、上側の３分の１などに容易に分解できる。また、当業者には理解されるように、「まで（ｕｐ  ｔｏ）」「少なくとも（ａｔ  ｌｅａｓｔ）」などの全ての言葉は、記載した数を含み、上で論じたように、後で部分範囲に分解することができる範囲のことをいう。最後に、当業者には理解されるように、範囲は各個の要素を含む。したがって、例えば、１〜３のセルを有するグループとは、１つのセル、２つのセル、または３つのセルを有するグループのことをいう。同様に、１〜５のセルを有するグループとは、１つのセル、２つのセル、３つのセル、４つのセル、または５つのセルを有するグループのことをいい、以下同様である。
【００９２】
上記から、本開示の様々な実施形態が説明の目的で本明細書に記載され、様々な変更形態が本開示の範囲および精神から逸脱することなくなされ得ることが理解されよう。したがって、本明細書に開示の様々な実施形態は、限定することを意図しておらず、真の範囲および精神は以下の特許請求の範囲によって示される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図１０】
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