具有纳米结构和纳米金属光学腔和天线的发光二极管,快光子-电子源和光电探测器,以 ...的制作方法
【专利摘要】一种非常薄且高效率的光电器件，这种光电器件利用了具有亚波长孔阵的表面等离子体激元模腔，并且实现了多种实际应用，包括发光二极管(LED)，新光电子源，和新的光电探测器。它们都包含了一个光子谐振腔，这个腔有顶部透光的金属层，底部金属层和一个夹在这两层中间的半导体层。
【专利说明】具有纳米结构和纳米金属光学腔和天线的发光二极管，快光子-电子源和光电探测器，以及其制造方法
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求美国临时申请号61/555995，申请日为2011年11月4日的利益。上述申请的公开内容通过引用并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及电子器件和他们的制造方法，更具体地说，涉及一种具有纳米结构的光电器件。
【背景技术】
[0004]本节中的陈述仅提供涉及本专利的背景信息，并且可能不构成现有技术。
[0005]整个专利涉及高性能的新的发光二极管(LED)，光电子源和光检测器(例如，太阳能电池)及其制造方法。这三个类型的设备都有其独特的设计和制造，同时它们共同使用一个纳米级的金属光学共振腔和某些纳米加工方法的一般架构。然而，应该指出的是，对于每个设备类型，光子腔已针对具有特殊的性质和/或功能进行设计，并且具备了其他类型的器件不具备的性能，并且针对每个特定的设备类型，相同或相似的纳米加工方法已被改进成为不同的形式和/或特殊的工艺步骤。示例，对于发光二极管，该光子腔被用作天线，用于增强所述腔的内部产生的光的辐射；而对于光电子源和光检测器，光子空腔用作良好的光吸收和捕集器用于提高光从腔体的外侧到内侧的透射，腔内部的光捕获，以及总的由空腔内的半导体的光吸收。对于光电子源，光子腔内的半导体进一步被配置为具有薄的厚度和短载流子寿命用以缩短光电子脉冲宽度和减小的光电子能量和发射度分布(即波动)。每个设备的特定背景下文单独讨论。
[0006](I)发光二极管(LED)
[0007]在一个实施方案中，本发明涉及一种新的高性能的光发射方法，以及相关的制造。所描述的发明的各种实例可以解决在常规的发光二极管的挑战，这包括如何(一)提高发光材料的光辐射效率，(二)有效地从发光材料的内部提取光到材料之外；(三)代替铟锡氧化物(ITO)透明电极；(四)当使用一个光源而不是通过电流泵送时，(i)提高来自LED外部到达内部的透光率(ii)提高到非常薄的光生成材料的高光俘获和吸收，用以最大化LED量子效率(入射光转换成由材料发射的光的效率)，以及(五)更好的冷却。
[0008]为了克服这些问题，所述的发光二极管(LED)采用的是金属光子谐振腔天线，用以极大地增强光从空腔的内部的发光材料到天线腔体的外部的自由空间中的提取，并使用亚波长金属网来代替铟锡氧化物透明电极。
[0009](2)光电子源
[0010]在另一个实施方案中，本发明涉及高性能的新型半导体光电子源及其制造方法。一种半导体光电子源使用半导体把入射的光子转换为电子，并且具有提供自由电子到半导体外提供进一步利用的可能。进一步利用包括电子显微镜，电子光刻，并且生成X射线。通常在自由空间中的电子会被进一步提取，聚焦，加速。
[0011]本发明的当前公开的实施例是为了解决在现有的半导体光电子源的挑战，单独或一起，这包括如何(一)缩短光电子脉冲，(二)减少光电子能散，(三)降低发射率，(四)提高量子效率(入射光子转换为光电子的效率。高量子效率可以减少泵激光/灯提供入射光子的需求能量)，(五)更好的冷却，(六)长光电子源的寿命，及(七)降低激光抖动。
[0012]举例来说，传统的半导体光电子源的设计，受限于固有的原则，有几个缺点。传统的半导体光电子源使用厚的半导体层(或体)，用于光电子的发射材料，并且通过由常规衍射受限的光学器件，而且没有任何光谐振腔聚焦和改变形状的脉冲激光的激励。这样的方法的主要缺点包括:(一)材料内部长电子云长度OlOps) ; (二)大纵发射率；(三)低于5%的量子效率；(四)强镜像电荷效应；(五)砷化镓表面散热不佳，因此有限的生命时间；
(六)最小激光光斑尺寸(因而电子束的横向尺寸)，由光的衍射极限设定为约I微米；及
(七)激光束的抖动(由于振动)，进一步阻止了光束线的小直径。
[0013]要克服挑战，本发明的一些实例中使用了不同的物理原理，和从常规方法的范式转变设计。如本文中所描述的光电子源的实施例中有七个常规的光电子源所不仅具备的特点来克服这些挑战。它们包括一种或多种方法:(I)光电子发射半导体(砷化镓)的层(小于或等于约100纳米)是超薄的，并且比光吸收长度小得多，(2)光电子发射半导体层也具有超短载流子寿命(例如，小于约0.2ps)，(3)共振腔(由金属透镜，砷化镓和一个金属背板形成)，以提高到砷化镓的光透射和大多数传入的、被砷化镓吸收的飞秒激光脉冲(约大于80% )_因此大大提高了量子效率，(4)等离子体激元亚波长透镜(由金制成)在砷化镓的顶端集中和改变光的形状，并且进入一组或者数组亚波长尺寸的孔，(5)薄的金属背板，用以减少镜像电荷效应，提高冷却和捕光，(6)在顶部的金属和背面金属背板之间施加一个额外的电压用以形成在砷化镓内的附加电场用来实现更好的电子提取，以及(7) —个分段的孔径阵列分割入射光进入亚波长口袋。
[0014](3)光探测器(太阳能电池)
[0015]在本文所描述的本发明的另一个实例是高性能的新光电检测器及其制造方法。新的光检测器也可以是一个高性能的太阳能电池，因此，措词"光电检测器"和"太阳能电池〃在说明书中是可互换的。
[0016]这些实施方式可以解决在常规的光电探测器的挑战，单独或一起，这包括如何(一)实现从光电检测器的外到内高的光透射，(二)实现一个光电检测器的高的光捕获和吸收，其中，在光检测器的材料的厚度只有光吸收长度一小部分，(三)代替铟锡氧化物(ITO)透明电极，以及(四)提供更好的冷却。改善(一)和(二)，可大大提高量子效率(光子转换为电子)，因此功率转换效率，导致更便宜和更经济可行的光电检测器/太阳能电池。(三)中的改善可以延长光检测器的寿命(即，使用的长度)以及提高光子到电子的转换性能，这取决于温度。
[0017]因此，本发明人发明并展示了新的超薄的高效率光检测器(即太阳能电池单元)，被称为〃表面等离子体激元模腔具有亚波长孔阵列太阳能电池"(PlaCSH-SC)，即提供了针对所有三个问题的解决方案，并且达成了前所未有的性能。PlaCSH-SC包含一个金属光子谐振腔包括:，30纳米厚具有亚波长孔阵列的金属网状电极替换ΙΤ0，金属背电极，并在两者之间的85纳米厚的聚合物光伏有源层(1/3的平均吸收长度)。实验上，PlaCSH-SC实现光耦合/吸收高达96%，平均90%，宽带，全方位接受(光耦合几乎独立于光入射角和偏振)；和69%的，只有27%的单通有源层吸收的外部量子效率；实现了比参考的ITO-SC(相同的结构和制造，除了用ITO代替以PlaCSH-SC的纳米网状结构)高出52%的太阳能照射功率转换效率(PCE)。PlaCSH的全方位接受的能力在大角度时是硅亚波长表面结构抗反射的2倍，但PlaCSH的厚度10倍更薄，并且可以在收获散射光时，可以额外81%的增加照射功率转换效率，相比于IT0-SC，导致共增加了 175%。此外，我们还发现，亚波长孔阵列的金属网状电极(MESH)的光反射和吸收通过形成PlaCSH后减少了 2到6倍的值；同时MESH的薄层电阻为2.2欧姆/平方或更小-比ITO薄膜好超过4.5倍，给出了最低的反射率-电阻乘积。PlaCSH的制造中使用的纳米压印4〃晶片，并且是可伸缩的，以卷到卷的制造。这些设计，制造，和发现适用于薄太阳能电池其他材料。
【发明内容】
[0018]本发明人已经成功地设计新的发光二极管，快速光-电子源和光检测器使用可缩放的纳米结构和纳米金属光子腔和天线，以及相应的制造方法。
[0019](I)发光二极管(LED)
[0020]本文描述的一些实施例涉及的高性能新的光发射方法，以及制造方法。发光二极管(LED)的实例采用的是金属光子谐振腔天线，从而实现了大大增强从发光材料的光辐射，和光从所述腔的内部到外部自由空间的光童趣，并使用亚波长金属网电极来代替ΙΤ0。
[0021](2)光电子源
[0022]本文描述的一些实例涉及到高性能的新型半导体光电子源及其制造方法。如本文中所描述的光电子源的实施例中有七个常规的光电子源所不仅具备的特点来克服这些挑战。它们包括一种或多种方法:(I)光电子发射半导体(砷化镓)的层(小于或等于约100纳米)是超薄的，并且比光吸收长度小得多，(2)光电子发射半导体层也具有超短载流子寿命(例如，小于约0.2ps), (3)共振腔(由金属透镜，砷化镓和一个金属背板形成)，以提高到砷化镓的光透射和大多数传入的、被砷化镓吸收的飞秒激光脉冲(约大于80% )-因此大大提高了量子效率，(4)等离子体激元亚波长透镜(由金制成)在砷化镓的顶端集中和改变光的形状，并且进入一组或者数组亚波长尺寸的孔，(5)薄的金属背板，用以减少镜像电荷效应，提高冷却和捕光，(6)在顶部的金属和背面金属背板之间施加一个额外的电压用以形成在砷化镓内的附加电场用来实现更好的电子提取，以及(7) —个分段的孔径阵列分割入射光进入亚波长口袋。
[0023](3)光探测器(太阳能电池)
[0024]本文描述的一些实施例涉及的高性能的新光电检测器及其制造方法。新的光检测器也可以是一个高性能的太阳能电池，因此，措词"光电检测器"和"太阳能电池"是在说明书中可互换的。
[0025]本发明人发明并展示了新的超薄的高效率光检测器(即太阳能电池单元)，被称为〃表面等离子体激元模腔具有亚波长孔阵列太阳能电池"(PlaCSH-SC)，即提供了针对所有三个问题的解决方案，并且达成了前所未有的性能。PlaCSH-SC包含一个金属光子谐振腔包括:，30纳米厚具有亚波长孔阵列的金属网状电极替换ΙΤ0，金属背电极，并在两者之间的85纳米厚的聚合物光伏有源层(1/3的平均吸收长度)。实验上，PlaCSH-SC实现光耦合/吸收高达96%，平均90%，宽带，全方位接受(光耦合几乎独立于光入射角和偏振)；和69%的，只有27%的单通有源层吸收的外部量子效率；实现了比参考的ITO-SC(相同的结构和制造，除了用ITO代替以PlaCSH-SC的纳米网状结构)高出52%的太阳能照射功率转换效率(PCE)。PlaCSH的全方位接受的能力在大角度时是硅亚波长表面结构抗反射的2倍，但PlaCSH的厚度10倍更薄，并且可以在收获散射光时，可以额外81%的增加照射功率转换效率，相比于IT0-SC，导致共增加了 175%。此外，我们还发现，亚波长孔阵列的金属网状电极(MESH)的光反射和吸收通过形成PlaCSH后减少了 2到6倍的值；同时MESH的薄层电阻为2.2欧姆/平方或更小-比ITO薄膜好超过4.5倍，给出了最低的反射率-电阻乘积。PlaCSH的制造中使用的纳米压印4〃晶片，并且是可伸缩的，以卷到卷的制造。这些设计，制造，和发现适用于薄太阳能电池其他材料。
[0026]根据一个方面，一种发光二极管(LED)，其包括一个光子谐振腔天线，其组件有顶部金属层，具有透光性，底部金属层和半导体发光材料层位于所述顶部金属层和底部的金属层之间，用于产生光。
[0027]在另一个方面中，一种制造发光二极管(LED)的方法，其具有一个光子的谐振腔天线包括顶部金属层，有透光性，底部金属层和半导体发光材料层位于所述顶部金属层和底部的金属层之间，其中，生长方法包括采用低温分子束外延生长和薄膜沉积中的一个。
[0028]根据另一个方面，提供一种光电子源组件，其具有一个光子的谐振腔天线包括顶部金属层，有透光性，底部金属层和半导体光电子发射材料层位于所述顶部金属层和底部的金属层之间，用于产生光电子。
[0029]根据又一个方面，一种制造光电子源组件的方法，其具有一个光子的谐振腔天线包括顶部金属层，有透光性，底部金属层和半导体光电子发射材料层位于所述顶部金属层和底部的金属层之间，所述方法包括使用低温分子束外延生长的光电子发射层。
[0030]根据另一个方面，一光检测器，其具有一个光子的谐振腔天线包括顶部金属层，有透光性，底部金属层和半导体光检测材料层位于所述顶部金属层和底部的金属层之间，所述半导体将在入射光子的照射下产生电荷。
[0031]在又一个方面，一种制造一光检测器的方法，其具有一个光子的谐振腔天线包括顶部金属层，有透光性，底部金属层和半导体光检测材料层位于所述顶部金属层和底部的金属层之间，所述半导体将在入射光子的照射下产生电荷，这种方法包括使用低温分子束外延生长和薄膜沉积中的至少一种生长光检测层。
[0032]在另一个方面，一种导电金属层组件，其具有限定波长的光透射。该导电金属层组件，其包括一薄的连续的金属层与上面的孔阵列，相邻孔与孔之间的距离小于定义的光的波长。
[0033]在又一个方面，一种导电金属层的制造方法，其具有限定波长的光透射，它包括一个薄的连续的金属层具有多个孔，相邻孔与孔之间的距离小于定义的光的波长。用于制造该导电金属层的方法选自以下的制造方法:纳米压印，电子束光刻，离子束光刻，光刻和自组装。
[0034]本专利的其它方面部分地示意如上，部分地指出如下。但应当理解，本专利的各个方面可以单独使用或相互组合使用来实现。还应当理解，详细描述和附图中，虽然表示的是特定的实例，仅用于提供举例说明，不应被解释为限制本公开的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是发光二极管的示意图。表面等离子体激元模腔与有源层，亚波长纳米结构的顶部金属层，其至少部分地透射光，和一个底部金属层。
[0036]图2是一个金属表面等离子体激元谐振腔的顶部金属层的示意图。
[0037]图3是用于光子发射层，该光电子射出层，该电荷产生层的材料组成和结构的结构形式的示意图。
[0038]图4是光电子源的示意图。
[0039]图5是一个光检测器的不意图。
[0040]图6是金属表面等离子体激元谐振腔亚波长孔阵列(PlaCSH)发光二极管(LED)的示意图。PlaCSH-LED是由金金属电极具有亚波长孔阵列(MESH)和铝底板，在两个电极之间夹层MEH-PPV，PEDOT =PSS和氟化锂层。
[0041]图7是PlaCSH-LED的能带图。
[0042]图8是PlaCSH-LED具有175nm的孔大小和200nm的周期结构的横截面扫描电子显微照片。
[0043]图9给出了 PlaCSH-LED的三种MESH(200纳米周期，具有3种孔尺寸，75纳米，125纳米和180纳米)和ITO的典型测量的电流密度-电压(JV)的曲线，显示PlaCSH-LED具有一个较小的阈值电压 2.5V 为 75H-MESH, 2.4V 为 125H_MESH，3.0V 为 180H-MESH 与 3.4V为ITO (在10毫安/厘米2)。
[0044]图10的图表表示MESH与ITO的电学和光学性质。测得的面电阻以及透视率(a) 15纳米厚的金MESH(200nm的孔间距和不同的孔直径(180，125，和75纳米))上的玻璃的光谱透射率，以及退火的100纳米厚的ITOJP (b)金MESH(200nm的孔间距和180nm的孔直径与4厚度为15nm, 25纳米，37纳米和48纳米)。
[0045]图11的图表表示PlaCSH-LED的正方向的亮度和总的外量子效率(EQE)的增强。测定PlaCSH-LED以及IT0-LED具有15纳米厚的MESH的3种不同的孔直径(180，125，和75nm)和在200毫安/平方厘米相同电流密度的法线方向荧光(a)和增强(b)频谱。法线方向的亮度，总EQE和电流密度之间的关系示于(c)和⑷。该PlaCSH-LEDs (10nm厚的有源层和在180毫微米直径孔15纳米厚的MESH)已经实现了 10200坎德拉/平方米和2.35%得总EQE最高法线方向的亮度，分别63%和93%比ITO-LED更高(6270坎德拉/平方米和
1.35% )。
[0046]图12的四个图表说明由于PlaCSH结构导致的角度发光增强和分布的改变。测量远场强度分布图案(a)和增强(b)示出在正方向大约174%和总的大约190%—个清晰的增强(PlaCSH-LED与ITO-LED相比)。在O度，30度，60度和80度的角度，PlaCSH-LED的增强是分别为174%，184%，190%和249%。
[0047]图13是一个示意图，制造，测量和模拟一个发明光电子来源的实施方案中，被称为"表面等离子体激元模腔增强型纳米电子源(PNE)"，
[0048]图14是表面等离子体激元模腔亚波长孔阵列(PlaCSH)太阳能电池(SC)的示意图。PlaCSH-SC由具有亚波长孔阵列(MESH)和铝底板，夹层P3HT/PCBM，T1x,以及PEDOT: PSS在两个电极之间。
[0049]图15是PlaCSH-SC的能带图。
[0050]图16的4图示出了 PlaCSH-SC包括MESH通过纳米压印在熔融石英衬底，甩胶的方法生成PED0T:PSS和P3HT/PCBM有源层，以及缓冲的T1x层和Al电极的热沉积。
[0051]图17是金MESH(175nm的直径和200nm的间距孔阵列)的倾斜视图的扫描电子显微照片(SEM)和PlaCSH太阳能电池的横截面SEM图。
[0052]图18两个图表说明PlaCSH-SC和参考ITO-SC的光电流。在100毫瓦/厘米(AM1.5G)的太阳光下测量的典型JV特性(a)和在黑暗中(b)所示。PlaCSH-SC具有0.62V时的开路电压(Voc)，短路电流密度(Jsc)为10.4毫安/厘米2，67%的填充因子(FF)和转换效率(neff)4.4% ;而ITO-SCS具有的Voc = 0.62伏，JSC = 7.4毫安/厘米2，FF=63%,并且η eff = 2.9%。PlaCSH-SCS增强了电源的转换效率52%，以及SC和FF分别41%和6%0
[0053]图19四个图表说明垂直入射反射率，吸收比和PlaCSH-SC的EQE光谱，ITO-SC和P3HT/PCBM(85纳米厚的玻璃)。测定垂直入射的光反射光谱(a)和测量吸收光谱(1-反射-透射率)(b)。PlaCSH-SC具有正常入射反射最低5 %和平均10 %，吸收率最高96 %和平均90%在很宽的波段(400至900nm)。ITO-SC拥有反射率最低20%和平均56%，而吸收最大80%和44%的平均水平。测得的外部量子效率(EQE)PlaCSH-SC和ITO-SC的频谱，以及在玻璃上85纳米厚的P3HT/PCBM薄膜测得的吸收光谱，和EQE增强(PlaCSH-SC比IT0-SC)(c)和测得的吸收长度在P3HT/PCBM(d)。PlaCSH-SC在575nm的波长下达到69%的最大外量子效率，而85nm厚的有源层的单次通过的吸收率只有27%。PlaCSH-SC在整个测量的光谱范围具有EQE增强因子总是大于1，并能在650nm处可高达2.2倍(220% )。
[0054]图20的两个图表说明PlaCSH-SC宽波段全向接收(角度和偏振无关)。测白色光的入射光角度和光的偏振依赖关系(a)，反射率对于PlaCSH-SC和IT0-SC500毫微米和750毫微米波长(b)。表明，PlaCSH角度和光的偏振相关性显著低于ITO-SC由3_6倍的s_波和4-7倍的P-波的。观察到的光电流的变化与所测量的反射率的变化是一致的。
[0055]图21四个图表说明PlaCSH-SC宽波段全接受。白色的光下的PlaCSH-SC和ITO-SC反射光谱色彩图。PlaSCH-SC的光耦合到太阳能电池几乎是独立的光的偏振和入射角在整个可能的角度的性能，被称为〃全接纳〃。所实现的高，宽带，全接纳光的PlaCSH的性能比硅的亚波长抗反射好2-3倍，但PlaCSH的厚度更薄10倍。
[0056]图22四个图表说明与亚波长孔阵列(MESH)金属电极的光学和电学性能。面电阻(a)，反射率(b)，透射率(c)和吸收率(d)样品暴扣30纳米厚的AuMESHs (75纳米，125纳米和175纳米的孔的大小，200nm的周期)和10nm厚的退火的ITO膜。测得的面电阻为10欧姆/平方的ΙΤ0，但MESH是2.2欧姆/平方，至少好4.5倍。更小的孔的直径给出了更小的网格的面电阻，但较高的光反射率和吸收率。与图4相比较，PlaCSH-SC形成后，MESH在500nm波长的反射率和吸收率显著由2_5倍，以及6_7倍。相反，对于ITO反射率，ITO-SC的形成后，显着增加2-5.8倍。
[0057]图23是一个图表，说明MM的测量吸收光谱，并与MAM比较。PlaCSH-SC (MESH/吸收有源层/金属)与相同PlaCSH-SC和ITO-SC除了由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)代替相同的光学厚度的吸收有源层(P3HT/PCBM)的结构。它们显示了吸收层显著改变了表面等离子体激元谐振腔的光学特性。采用吸收层将改变窄带到宽带，并大大增加吸收。
[0058]图24两个图表说明PlaCSH-SC的腔长对效率，光电流和吸收的影响。电源转换效率的实验数据(a)和吸收光谱(13)，包括50，82，100，130纳米4种不同的？3!11^^81层的厚度，可见约85nm的厚度提供了最好的性能。
[0059]但应当理解，在整个附图中，相应的附图标记指示相同或相应的部件和特征。
【具体实施方式】
[0060]下面的描述在本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本专利内容或专利的应用或用途。
[0061](I)发光二极管(LED)
[0062]如图1所示。发光二极管(LED) 10的本发明的实例中，也称为〃表面等离子体激元腔亚波长孔阵列的发光二极管(PlaCSH)-LED"，包括一金属光子谐振腔天线12包括:一薄的上部金属层(透光)14, 一个底部金属层16,和发光材料层18被定位在顶层和底层之间，以及在光子发射体层18，可以在电流流入或照射光子传入的情况下发射光子。除了被用作光子腔天线12中，最上方的金属层14和底金属层16，同事具有作为LED的电极10，通过连接到电引线26和28的一部分，电极可以提供电流给在LEDlO发光。显然，顶部金属层14也可作为一个透光电极，使光或发射到腔体的外面，或从外面传送到腔体的内部。光子腔天线12,顶部金属层14和底金属层16还可以提供LED良好的散热10。
[0063]任选地，所述发光材料层18可以具有在其顶面上的顶界面层22，并在其底面上的底部界面层24。顶部和底部界面层22和24是用于提供良好的粘连层(用作粘接层)之间，阻塞/输送的特定电荷的载流子类型(作为电荷载体阻塞/输送层)，或增强空腔的天线性能(用作间隔物)。在一个金属光子腔一些空间间隔可能被需要，用以减少光靠近金属的某些猝灭效应。
[0064]LEDlO运行方式。(a)在电流泵送模式时，电压施加在顶部金属层14和底金属层16之间，通过引线26和28，使电流流过发光层18产生的光子(也就是说，光)。金属光子谐振腔天线12增强从光发射材料的辐射，以及光从空腔内的发光材料18到腔天线12的外侧的自由空间的光的提取。光提取的提高意味着，对于一个给定的发光材料(和相同的几何形状)，并在给定的偏置电压的状态下，与所述腔体天线辐射的LED，能提取更多的光到自由空间，相比于没有空腔天线的LED。不能被提取出来的光将成为热量，这将显著降低LED的操作寿命和性能(因为性能是随温度变化)。
[0065](b)在该光学泵送模式中，光从LEDlO的外侧照射到内部以产生光的发光材料18(电流是不必要的)。在这种操作模式中，除了提高在发射波长的光提取，腔天线12还增强了于从所述腔体的外部通过透光电极到空腔的光传输(表示MESH组成腔以后的光透射要高于只有独立MESH的时候)，并且显著提高在腔内的光吸收和搜集(因为在腔内的多次光反射).
[0066]底部金属层16包括金属材料,金属材料的混合物,或金属材料的多层膜。底部的金属层可以是平的或结构化的。金属材料的特性对实现光子谐振腔天线所期望的性质是关键(例如，增强的光提取，传输和捕获)的。由一个作为"金属"材料，这意味着该材料不仅传导电流，也在光辐射的条件下表现的就像一个金属，当光的波长(频率)比金属的等离子激元波长(频率)是较长的(低)，从而使自由电子的金属可以响应入射光的振荡，强光反射。然而，如果传入的光的波长(频率)比金属的等离子激元波长(频率)是短的(高于)，从而使自由电子的金属不能对入射光的振荡响应，它的行为就像一个电介质并对入射光透明。作为例子，体金，具有等离子体波长在约540纳米，对于与波长大于约540nm的光是〃金属〃和光会强烈地反射回来；但是，如果用波长的光为540nm以下的，将变成透明的。其他的例子是铟锡氧化物(ITO)具有等离子体波长在约1.8微米，因此，在可见光的波长(400-700纳米)的ITO层，虽然导电，是透明的，并且不是金属的。(注光子和光是可互换的描述)。
[0067]根据不同的工作波长，该金属材料为底部金属层16是由那些在工作波长表现为金属的材料中选择。举例，金属材料可以从(在可见光范围)金，铜，银，铝，它们的混合物，合金，多层以及(较长的波长范围内)ΙΤ0，(接近或中红外线波长或更长的波长)某些金属氧化物。硅也能在一定波长范围成为金属。对于腔的光子属性，底部金属层的厚度是无关紧要的，因为在底部金属层的光子的作用是反射光子。但厚度对制造，灵活性和冷却有重要性。为便于制造或灵活性，底部金属层的厚度为5纳米至5微米。另外，金属材料的选择要考虑的材料之间的金属层和有源层的能带匹配。
[0068]顶部金属层14使用从该底部金属层(也考虑到材料的功函数匹配)的材料列表中选择〃金属〃的材料。如图2所示，顶部金属层14的结构包括金属材料网30至少包括:薄金属材料膜32，孔(或孔口)的阵列34，同时孔之间的距离和所述孔的大小小于所发射的光子(即光)或泵的光子的波长(如果光泵被使用)。当一个结构的大小小于感兴趣的光子的波长，因此被称为〃次波长〃。金属网格的网眼30的亚波长性质是必不可少的所需的光子特性。孔(小孔)34可以具有任何形状，包括圆形孔，多边形，三角形，用随机的边缘或一个或多个它们的叠加和组合。这些孔可以是周期性和非周期性。每个孔的尺寸和形状可以是相同的或与其它的孔不同，只要他们大多是亚波长。
[0069]顶部金属层14的结构也可以是在金属材料的盘40的阵列的形式，每个盘42是亚波长并具有选自圆洞，多边形，三角形，用随机的边缘或组中选择的形状叠加的一种或多种的混合物。盘44之间的距离也是亚波长。这些孔可以是周期性和非周期性。每个盘的尺寸和形状可以是相同的或从其它的盘不同，只要他们大多是亚波长。盘可以是周期性和非周期性。每个盘的大小和形状可以是相同的或从其它的盘不同，只要他们大多是亚波长。光学上，金属材料的盘阵列可以起到类似的作为金属材料网格(即，孔阵列)在发射光以及工作在光子腔起到类似效果，但盘阵列不能传导电流，(作为电极)。为了克服这一问题，一个薄的导电层，这将不影响光子腔的光学特性可以被沉积在磁盘阵列上。一个例子是在可见光范围内在ITO上沉积的盘阵列。在某些情况下，超薄金属膜可以用于磁盘阵列。顶部金属层14的厚度，无论是使用中的孔阵列或磁盘阵列中，为约I纳米至约150纳米，在一个实施方案中，优选厚度大约15-40纳米。
[0070]发光层18是由单一的材料52，多个材料的混合物54，多个材料的多个层的混合物56的一种或多种。实例包括单一材料经常用于光学泵浦发光二极管，混合不同的聚合物结构域(所以称为"体相异质结层")的聚合物发光二极管，半导体的PN结。
[0071]该发光层18的材料是在以下发光材料中选择，可以是例如无机和有机发光材料，是晶体，多晶，非晶质，或杂混合物，以及一种或更多种的组合。异质混合物意味着，多种不同的材料以小颗粒的方式混合在一起。无机发光材料的实例包括=II1-V材料(如砷化镓，磷化铟，砷化铝镓，氮化镓，(铝镓)铟磷)，I1-VI族材料(如CdZnSe-的CdMgZnSe,硒化锌)，纳米尺度材料(如量子点的硒化镉，硫化镉，砷化铟和磷化铟)，和一种或更多种的组入口 ο
[0072]有机发光材料的例子包括小分子，染料(如荧光染料)，P-型共轭分子(如并四苯，并五苯)中，η-型共轭分子(如富勒烯衍生物(如[6，6]-苯基C61-丁酸甲酯(PCBM)，以及聚合物:聚(1，4_亚苯基亚乙烯基)(PPV)(如MEH-PPV，MDMO-PPV,BCHA-PPV)，聚(1，4_亚苯基)(PPP)，聚芴(PFO)(如聚(9，9- 二辛基芴))，聚(噻吩)(如reg1random聚(3-辛基噻吩))，含氮聚合物(如1，3，4-恶二唑)，水可溶性的LEPS (如磺化PPV)。
[0073]金属光子谐振腔天线12可以是，对某些光的波长范围(所谓的〃工作频带〃)，增强辐射和光从空腔的内部的发光材料18，到腔体的外侧自由空间的提取，以及提高光泵浦光(如果需要的话)，以从外面进入空腔12里面。增强和中心波长和工作的带宽取决于几个因素，包括材料和发光材料的几何形状，顶部金属层，顶界面层和底部界面层，以及在底部的材料金属层。上述的几何形状是指这些层的厚度，并在顶部金属层中的孔或盘的周期以及尺寸。这些因素应该针对辐射到自由空间的光的最大化(对于特定的光发射层和特定辐射波长)进行优化。
[0074]对于LED10，实例是用于在空腔12作为天线来辐射所产生的光从空腔12内向外，而不是强吸收从腔体的外侧来的光。因此，空腔12的LEDlO的长度长于(B卩，较厚)比光电子源60和光电检测器100。空腔12的典型长度为高分子发光材料是从约50nm到约300nm的。这些参数是提高性能和工作频段的关键。不正确的设计(错配工作波长设备的工作频段)会大大降低性能和工作频段。
[0075]通常情况下，发光层18的厚度在约20nm到约300nm的范围内。顶部金属层14孔阵列的周期为约50nm到400nm的(对于可见光发射)，以及大约1nm到约80nm之间的厚度。底部金属层的厚度大约50到500nm，并且平均反射率大于约90%。
[0076]顶界面层22的例子包括电荷载流子传输/阻挡层为聚(3，4-亚乙基)聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)的基团，富勒烯衍生物(如C60)，铝三(8-羟基喹啉)(的Alq3)，氟化锂(LIF)，钙(Ca)和钛氧化物(的T1x);光学隔离层作为过渡金属氧化物的氧化锌(ZnO)的基团，氧化钛(的T1x)，钥氧化物(的Mo02);粘合层的组作为钛(Ti)，铝(Al)，铬(Cr),钼(Pt)和聚酰亚胺。
[0077]对于底部界面层24的例子包括电荷载流子传输/阻挡层的基团的聚(3，4-亚乙基)聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)，富勒烯衍生物(如C60)，铝三(8-羟基喹啉)(的Alq3)，氟化锂(LIF)，钙(Ca)和钛氧化物(的T1x);光学隔离层作为过渡金属氧化物的氧化锌(ZnO)的基团，氧化钛(的T1x)，钥氧化物(的Mo02);粘合层的组作为钛(Ti)，铝(Al)，铬(Cr)，钼(Pt)和聚酰亚胺。
[0078]这些参数提高性能和工作频段，而不正确的设计，将大大降低性能和工作频段。
[0079]在本发明中所描述的所有材料可在晶体，多晶，非晶质，或杂混合物。异质混合物意味着，不同材料以小颗粒方式混合在一起。
[0080]发光二极管的其他规格与实例在实例I中给出。
[0081](2)光电子源
[0082]完全不同于传统的设计原理，如图4所示，光电子源60，也被称为〃表面等离子体激元增强的纳米结构的电子源(PNE) 〃，包括一金属光子共振腔62，其还包括:一个薄的上部金属层64是透光的,底部金属层66,并在顶部和底部金属层64和66之间的光电子发射层68,并且光电子发射层68包括光电子发射材料,入射光子的照射时,产生的电子(称为"光电子〃)会发射到光电子发射层68以外的自由空间，除了被用作一部分光子腔62，任选的顶部金属层64和底金属层66，每个作为一个电极，通过连接到电引线72和74，利用电场可施加在光电子发射层68,这有助于提取从光电子发射层68产生的电子到外部的自由空间中。
[0083]任选地，所述光电子发射层68可以具有在其顶面上的顶界面层72，以及在其底表面上的底部界面层74。的顶部和底部界面层72和74是用于提供层与层的良好连接(用作粘结层)或电气隔离。
[0084]还任选地，用于帮助光电子逃逸和改变状态，第三电极80被放置在顶部的金属层64的附近，和/或有一层薄的材料涂层在光电子发射层68的表面上的位于顶部的金属层64的开口区域。涂层的一个例子是无机材料如铯(Cs)和它的化合物，或有机材料作为磷光染料和类似物。另一种选择是，该光电子源60是在一个真空室88，该真空室包含上面的描述的所有光电子源的其他部件60。
[0085]光电子源60工作方式。一定波长的入射光穿过顶部金属层64发送和进入光电子发射层68 ;入射光由光电子发射层68吸收和产生光电子，另一部分的光电子会到光电子发射层68之外的自由空间，这是由于光电子自身的能量提取或电场的辅助或者这两者之和。金属光子共振腔62，其工作波长与入射光波长范围匹配，以提高光透射并通过光电子发射层68内的多次反射提闻光俘获，从而提闻量子效率。
[0086]光电子源60的顶部金属层64和底金属层66的的规格包括(或相似)，用于LEDlO的顶部金属层14和底金属层16的规格，但是，一个为光电子源60选择特定组的规格不同于为LEDlO或光电检测器100，有以下几个原因:(1)为了形成有效的金属光子谐振腔，顶部金属层和底部金属层设计和调整的根据为(i )光电子源的工作波长显著不同于LEDlO和光电检测器100，以及(ii)该工作的光波长为光电子源，它也可以是从非常不同的LEDlO和光电检测器100(2)顶部的金属层64和底金属层66的材料的功函数必须匹配光电子发射层68，顶界面层72和底部界面层74以及(3)光电子源与LED和光电检测器的主要功能差异，需要不同的设计。
[0087]在光电子发射层68还包括一个可选的顶部界面层，中间功能层，以及一个可选的底部界面层。在一些实施方案中，任选的层是没有必要的。中间功能层包括半导体，如砷化镓，氮化镓，硅，和其它半导体(有机和无机元素或化合物)，它们在光子照射时产生电子。光生电子称为光电子。一些在半导体表面附近产生的光电子的可以从半导体逸出并穿过在顶部金属层的开口到自由空间之外。半导体层非常薄，以减少光电子脉冲宽度，因为有一个有限的速度(约或低于1E7厘米/秒以下)的电子行径在较厚的半导体将在相距甚远不同的位置有电子产生，这意味着他们将采取不同的(较长的)时间从半导体表面逸出，从而延长电子脉冲宽度。此外，在半导体中载流子寿命可缩短，因此任何光电子(也称为载流子)将被复合，使其无法逸出半导体的表面，从而减少光电子到自由空间的脉冲宽度和能量分布的(所谓的〃自由空间光电子")。
[0088]金属光子谐振腔被适当的设计，可以增加从外到所述腔的光的透射和腔的内部的光捕集。这两种效应可显著提高外部量子效率(定义为光电子的数目与传入的光子的比率)。这对一个薄的半导体的厚度小于光吸收长度时非常重要，如果没有一个这个光学腔，入射光将只是通过半导体二无显著吸收(因此无显著光电子产生)。腔体可以实现比裸的半导体小得多的光线反射。
[0089]光电子源60的各种实例中可以有一个七(7)个要素是一个传统的光电子源所不具有的。它们是:(1)中间层的功能是一种超薄型光电子发射半导体(GaAs)的层(小于或等于约10nm)，它比光吸收长度小得多，⑵中间的功能层还具有超短载流子寿命(例如，小于约0.2ps)，(3)，等离激元亚波长透镜(由Au制成)在GaAs的顶端集中和改变光的形状进入孔(阵列)(次亚波长尺寸的)，并大大地提高光透射到砷化镓，(4)薄层GaAs背后的金属底板来减少镜像电荷的效应，提高冷却和捕光，(5) 一个共振腔(由表面等离子体激元透镜构成，GaAs和背板)来吸收大部分进入的飞秒激光脉冲在砷化镓(大于约80% )-因此大大提高了量子效率，(6)顶部金属和背面金属背板之间施加一个额外的电压，以建立额外的在GaAs内部电场为更好地提取电子，和(7)的分段孔径阵列分割入射光进入亚波长口袋。这些创新，无论是单独使用或共同是得创建新的电子源比上述传统的设计有更好的表现。一些基本的操作原则，对现有技术的优点，以及其他规格如下。
[0090](I)超薄中间层的功能(光电子半导体)。
[0091]极薄的中间功能层(光电子半导体)提供，通过截断半导体(如GaAs)的厚度远小于在块状半导体光吸收长度，短光电子逸出深度，从而在较短的电子口袋的长度和更小的纵向发射率，以及更好的散热。半导体厚度也需要小于等于所需的光电子脉冲宽度时间乘以光电子的行驶速度。光电子射出半导体的具体厚度也由光子腔由半导体和顶部和底部的金属层而形成的要求来确定。例如，砷化镓(作为半导体的中间功能层)激发SOOnm的波长的光子的吸收长度为约600nm和在GaAs中电子的最大速度为1E7厘米/秒，因此对于小于Ips的脉冲光电子宽度，在GaAs的厚度应小于100纳米。但有光子腔谐振波长800nm的入射光(需要定义谐振)时，最终的GaAs的厚度为约40nm至约50nm之间。
[0092](2)在半导体超短光电子寿命(中间的功能层)。
[0093]即使有一个薄半导体层，逸出光电子(需要定义)有长长的尾巴，即长脉冲宽度，因为不是所有的光电子从半导体逃脱时以最大漂移速度，实际上，许多有较慢的速度。为了克服这个问题，实现短脉冲宽度，本发明采用半导体用很短的光电子寿命(也称为载流子寿命)，使无法早于设计的时间逃脱的光电子都被复合。例如，在GaAs中，我们可以通过生长的GaAs在低温下(约200°C至约250°C )，以限制逸出光电子脉冲宽度为约0.5ps的，因为我们已经证明，在我们的实验中降低了载流子寿命约0.2ps。在半导体的载流子寿命可以通过高能粒子如离子，α粒子和电子，辐射或通过添加外来物质进入半导体来控制。
[0094](3)金属光子晶体谐振腔。
[0095]金属光子谐振腔，如本文所述，可显著通过顶部金属层(即，使得光传输在有金属光子谐振腔时比只有顶部金属层单独更好)增加的透光度，并能提高光空腔的内部俘获，因而吸收，如实例中所示意的。高的光透射和由腔体吸收，将大大增加量子效率及减少对泵浦光源的需求(例如，激光或灯)，这反过来又降低了光电子的产生设备的尺寸和成本，从而导致了更广泛的应用这样的光电子源。减光泵浦功率也可延长光电子源的寿命。另外重要的一点是，在顶部和底部层应该是金属的，如前面所定义，它不仅提供更好的光传输和捕获，同时也提供了更广泛的光的波长范围(它被称为带宽或工作带宽)。对于每个光电子源，在额外的带宽外，有一个特定的波长(频率)，是最好的(例如，光透射和吸收是最高的)。这种波长或频率称为谐振波长和谐振频率。带宽和所述腔体的中心的谐振频率可以通过改变有源层的材料，顶部金属层厚度和纳米结构的大小和形状，以及底部金属层的材料的厚度和材料进行调整。它是能够使带宽很宽，例如(实例2)中，覆盖大部分的可见光波长范围。
[0096](4)金属亚波长透镜(也被称为镜片)的顶部金属层。
[0097]在顶部金属层中的孔(或空穴)限制了逃离光电子的区域，从孔光电子中逸出，而不是其中，覆盖有金属的区域。因此，新光子源光电子提取的位置和面积，是固定的，不同于传统的光电子源，它是由照射光来确定。这意味着，新光电子源60,可以有一个光电子提取的尺寸远小于光的衍射极限，即亚波长，而且免疫光源抖动(需要更多的解释)小得多。例如，约50nm的孔。等离激元(例如，金属)的透镜将用于聚焦和改变光的形态进入亚波长尺寸的孔(多孔)(阵列)，并大大地提高光传输到器件内部。用于等离子体激元透镜的材料可以是金属(金，银，铜，铝等)，金属，合金，或具有高的导电性半导体。形状可以是有孔或矩形，或任何其他结构，可以将光线聚焦到器件中。
[0098](5)底部的金属层。
[0099]底部的金属层，不仅可以提供光子空腔反射镜，而且还显著降低镜像电荷效应并提供更好的冷却。
[0100](6)有源层内的提取场。
[0101]任选地，电压可以加在顶部金属层和底部的金属层，以在活性层内建立额外的电场以利于更好的提取光电子到活性层外侧。电压将通过所需要的电场而异，从0.1伏/厘米至100M(兆)伏/厘米。
[0102](7)分段的孔径阵列。
[0103]分段孔径阵列划分入射光进入口袋。口袋大小会有所不同从10纳米到100微米。口袋数量变化从一到数十亿。
[0104]用于产生光电子光源规格。产生光电子的光源可以使窄波长带宽(如激光)或宽的带宽(如灯)或两个(发光二极管)之间，脉冲或连续，和不同的功率密度。波长范围可以从约10纳米至约30微米。砷化镓器件中，波长为约0.5微米至约1.5微米。
[0105]光电子发射材料的表面可以涂覆有一层薄薄的其它材料，以进一步协助光-电子的产生。经涂覆的薄层材料可以是铯(Cs)及其化合物。
[0106]深亚衍射极限激光束光斑。我们的实验和模拟(如上述)已清楚地表明，一个表面等离子镜头单纳米孔能聚焦光线与高透射，使光束具有更小的光斑尺寸和更高的强度。光点尺寸可以比传统的衍射极限小很多，举一个例子低于约50纳米-近一个量级小。因此，PNE可以实现更小的电子袋大小和更小的横向发射度，如果空间电荷是没有被限制。
[0107]在一个实施例中，我们将首先从一个直径孔约100纳米的直径，这已经比衍射极限的光点(通过常规透镜聚焦)的直径小大约10倍，并在面积约100X较小的小。然后，我们将减少孔向下到20nm直径-比衍射极限小50X直径和2500X面积。我们将探讨的最大电荷密度允许的最小光的光斑大小。
[0108]减少镜像电荷效应。镜像电荷效应是器件发射率一个限制因素。在建议PNE设计中，我们将使用一个薄光电子发射材料，等离激元透镜平面的顶部和一个金属背平面在下方，与平面之间的偏压来在砷化镓内部建立一个附加的电场大大降低了镜像电荷效应。使用模拟来计算的GaAs的传统电子源和PNE的电场分布，我们发现，如果没有偏压的PNE有大约10倍以下的镜像电荷效应，以及偏压为IV左右约70X更少(见图9)。在仿真中，GaAs组成的厚度为约150nm，并且电荷的总量为约lpC。
[0109]小发射度(横向和纵向)电子源发射度被定义为束口袋体积在动量空间的标准均方根(RMS)。总发射率可进一步分为横向和纵向发射率。对于一个椭球或圆柱状激光脉冲，横向发射率可以进一步降低至ID空间乘以ID栋梁。较小的发射率意味着更小的总电子束的大小。大多数先前的研究已经集中在横向发射(很少关注纵向发射率)的降低，虽然它已被提出，一个小的横向发射率可以通过较小的纵向发射率以及纵向和横向发射的交换来实现。
[0110]激光激发。各种激光源可以用来激发光电子波长约1nm到约3，OOOnm，且不同的脉冲持续时间为约0.0lps至大约100ns。我们已经用我们现有的钛宝石飞秒激光系统(米拉-900，Coherent公司)作为激发光源。我们的米拉-900可产生小于约0.2ps的脉冲(约每个脉冲1nJ的-超过足以产生IpC充电/脉冲对于量子效率大于10% )的可调谐波长(720nm到SlOnm)与约76兆赫的重复频率。这样的T1-蓝宝石激光器将被用于所提出的阴极中证明型的原理的阶段进行表征。以后我们将切换到脉冲光纤激光器中，由于它们具有便携的尺寸，并且可以耦合到系统，而不使用大体积的自由空间光学元件，适合于集成的系统。我们计划使用一个fs780nm光纤激光器(商业:M_纤维A780，门洛帕克系统公司)有
0.1ps的脉冲宽度，10MHz重复率，平均功率大于约180毫瓦(约2nJ每脉冲)。稍后我们将使用515nm的飞秒光纤激光器(商业:A_515，门洛帕克系统公司)作为激发源，这种光纤激光系统可以在大约一个100兆赫重复率产生约0.15ps的脉冲(每个脉冲约2.5nJ)。
[0111]PNE的晶圆级加工。我们将制造新的电子源，PNE，在晶片级多芯片加工。它开始于分子束外延生长低温-砷化镓，晶片键合，薄膜剥离，金属沉积，纳米压印光刻，蚀刻和氧化的沉积，以形成这些纳米结构。在制造这些设备将使用纳米压印，气垫压接。
[0112]制造开始于外延生长一薄层砷化铝镓(AlGaAs)，随后通过使用分子束外延，生长薄低温砷化镓(光电子发射层)。在分子束外延生长之后，我们将沉积在GaAs薄的粘附层和金膜，然后键合晶片到金属(例如，铜或钥)冷却块。然后，我们将使用选择性蚀刻除去砷化铝镓，同事不会腐蚀砷化镓，因此将顶部薄层GaAs从GaAs衬底中分离。然后，我们将图案的顶面采用纳米压印和金剥离定义表面等离子透镜。压印图案具有非常小的特征尺寸(孔的阵列约200nm间距(粒径大约为20纳米至约75纳米))。要构建集成的电子枪，我们可以通过厚的二氧化硅沉积制造的阳极片上，打开窗户，定义金阳极。
[0113](3)光检测器
[0114]如该图5所示。在本发明的光电检测器100，也称为〃具有亚波长孔阵列的表面等离子体激元谐振腔(PlaCSH)太阳能电池〃，包括一金属光子晶体谐振腔102，其包括:一透光的薄的上部金属层104，底部金属层106和薄光检测层108置在顶层和底层之间，并且光检测层108在入射光照射下产生电荷载流子。除了被用来作为光子腔体102的个部分，顶部金属层104和底部金属层106，每个都作为光电检测器100的电极通过连接到电引线126和128。电极将提供的电荷载流子从光电检测器100(电子或空穴)到外面，提供电信号和能量。显然，顶部金属层104也可作为使入射的光从外透射到腔体内部的光透射电极。
[0115]可选地，所述光检测层108可以在其顶面上有一层顶界面层122，并在其底面上有底部界面层124。顶部和底部界面层122和124是用于提供良好的各层间的粘连(用作粘接层)，阻挡特定的电荷载流子类型(作为电荷载流子阻挡层)，或提高谐振腔天线的性能(作为间隔)。在一个金属光子晶体谐振腔间隔层可能会被需要，以用来减少光的淬灭效应。
[0116]光电检测器100以光流动模式工作。一定波长的入射光穿过顶部金属层104并进入光检测层108，并且光由光检测层108吸收，从而产生电荷载流子。在一些布置中，光检测层108可以通过电荷类型分离载流子。金属光子谐振腔102，它具有一个工作波长范围匹配该输入光，提高了光的透射并且通过光检测层108的内部多重反射的光捕获增强吸收。透射和吸收的增强意味着对于给定的发光材料(相同的几何形状)，使用金属光子谐振腔102的光检测器有更多的光透射入腔102和更强的光吸收光检测层108相比于比没有空腔中的光检测器。如图所示，由实施例3，该空腔可以吸收90%以上的总入射光。此外，该空腔可以大大提高量子效率和光检测器的功率效率，即使光检测层108的厚度只有光在该材料吸收长度的几分之一。在入射光下，光检测层108产生的电荷载流子，并根据电荷载体类型将它们分开，通过顶部的金属层104和底部金属层106分别，分别驱向电极126和128。
[0117]光电检测器100的顶部金属层104和底部的金属层106的具体规格包括(或相似)，用于LEDlO的顶部金属层14和底金属层16的规格。但是，在一组特定的光电检测器100的规格大多与LEDlO不同，由于以下几个原因:(I)为了形成有效的金属光子谐振腔，顶部金属层和底部金属层必须根据(i )在活性层的选择上，光电探测器和光电子源是截然不同的(ii)工作的波长，在光检测器和光电子源之间有很大不同。(2)顶部金属层104和底部金属层106的材料的功函数必须匹配于光检测层108，顶界面层122和底部界面层124。(3)、光检测器和光电子源的功能差异需要不同的设计。
[0118]该金属光子谐振腔天线102，它可以被设计成工作波长匹配入射光，提高了光的传输和通过光检测层108的内部多重反射的光捕获增强吸收。增强系数和中心波长和工作的带宽取决于几个因素，包括光检测层108的材料和几何参数，顶部金属层104，顶界面层122和底部界面层124，以及底层金属106的材料。以上的几何形状是指这些层的厚度，以及顶部金属层中的孔或盘的大小和周期。与LEDlO和光电子源60不同，各种因子应被优化以最大化提高光穿过顶部金属层104的光透射，并提高光检测层108的内部多重反射的光捕获吸收。对于光检测器100的优化是在一个给定的光照射下，在电极处产生最强电信号(电荷载流子)，而LEDlO是用于向外辐射大部分在光子腔体102内产生的光子进入自由空间。因此该光子腔102的长度(即，厚度)比LEDlO短得多-有时，几乎一半的长度。使用聚合物材料的光检测的光子腔102的典型长度(即厚度)为约40纳米到约130纳米。
[0119]受光层108的结构可以从以下组中的单一材料52中选择一个或多个，多个材料54的混合，多个光检测材料56的多层混合物。例子包括的单一材料半导体，不同的聚合物结(因此称之为〃体相异质结层")，半导体PN结。
[0120]光检测层108的材料是选自包括无机材料:娃(如结晶，无定形，多晶硅)II1-V材料(如砷化镓，磷化铟，砷化铝镓)，I1-VI族材料(如铜-铟:二硒化物(CIS)和铜铟镓二硒(CIGS))，染料敏化太阳能电池材料(如的T1x)，纳米级材料(如硒化镉，硫化镉量子点砷化铟，磷化铟)；以及包括小分子有机材料:染料(如感光钌多吡啶染料)，P型共轭分子(如并四苯，并五苯)中，η-型共轭分子(如富勒烯衍生物(如[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)))，以及聚合物:聚(I, 4-亚苯基亚乙烯基)(PPV)(如MEH-PPV, MDMO-PPV,BCHA-PPV)，聚(I, 4-亚苯基)(PPP)，聚芴(PFO)(如聚(9，9- 二辛基芴))，聚(噻吩)(如reg1random聚(3-辛基噻吩))，含氮聚合物(如1，3, 4-恶二唑)，水可溶性的LEPS (如磺化 PPV)。
[0121]典型地，光检测层108的厚度在约20至约200nm的范围内。顶部金属层的规则或不规则的孔阵列周期约50nm到大约500纳米和厚度大约1nm到约50nm。底部金属层的厚度为50nm打牌500nm且大于约90%的平均反射率。这些参数是提高性能和工作频段的关键。不正确的设计(错误的匹配期间工作波长以及工作频段)会大大降低的性能和影响工作频段。
[0122]实例的底部界面层124包括的电荷载流子输运/阻挡层为聚(3，4-亚乙基)聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)，富勒烯衍生物(如C60)，铝三(8-羟基喹啉)(的Alq3)，氟化锂(LIF)和氧化钛(的T1x);光学隔离层包括过渡金属氧化物的氧化锌(ZnO)的基团，氧化钛(的T1x)，钥氧化物(的Mo02);粘合层包括钛(Ti)，铝(Al)，铬(Cr)，钼(Pt)和聚酰亚胺。
[0123](4) MESH的透明导电电极
[0124]一种透光的导电金属层包括薄的连续的金属层与通孔，通孔的分离是小于所发射的光的波长。该金属层作为透光性电极，以允许光透射同事供给电压或电流。孔包括任何形状，包括圆形，多边形，三角形等，以及它们的叠加，周期性和非周期性。孔和距离小于光的波长。
[0125]基板。在本文所述的各种实例中，器件将通过基片被支持或不需要任何支持。衬底可以从一个或多个基团柔韧薄膜或厚和相对刚性的基底的，并从一个或多个聚合物，无定形，晶体，多晶和粒状材料的材料组中选择。
[0126]本专利中描述的器件的制备方法包括至少下列的一种或多种。材料的沉积是用分子束外延(常规或者温度分子束外延)，蒸发(热或电子束)，溅射，化学气相沉积，原子层沉积，旋转甩胶，以及铸造。纳米结构的图案化是通过纳米压印法，电子束和离子束光刻，光学光刻，自组装，以及剥离和腐蚀。纳米压印可以使用板到板的形式，板到卷，或卷到卷。制造也将涉及器件与器件和，器件到衬底的键合。
[0127]实例1.使用金属亚波长孔洞阵列光子晶体谐振腔天线的超薄和高光萃取率的有机发光二极管。
[0128]我们在一种新型有机太阳能电池中证明并实现了一种被称为〃具有亚波长孔洞阵列结构的表面等离激元谐振腔(PlaCSH)有机发光二极管(OLED) 〃。这种PlaCSH结构包括一个至少可以部分透光的具有亚波长纳米结构的金属顶层(在本实施例中采用金MESH作为透明正面电极)，一个金属铝背面电极和一个夹在两层电极之间的发光层(在本实施例中采用的发光层由电子输运层MEH-PPVM和空穴输运层PEDOT =PSS组成)。(详细的器件结构如图6所示，器件能带图如图7所示)。这种PlaCSH-LED与另一种除了把亚波长金属孔洞顶层换为ITO薄层之外完全相同的LED相比，几乎增加了一倍的亮度和外量子效率(分别为163%和193% )。这种增强归因于PlaCSH结构提供的更好的辐射和光萃取性能。这种PlaCSH结构可以通过大面积纳米压印技术制备在4英寸的晶圆上，因此并可以进一步扩展到壁纸尺寸和低成本应用。
[0129]PlaCSH-LED的结构和工作原理。这种PlaCSH结构包括一个至少可以部分透光的具有亚波长纳米结构的金属顶层(在本实施例中采用金MESH作为透明正面电极)，一个金属铝背面电极和一个夹在两层电极之间的发光层(在本实施例中采用的发光层由电子输运层[2-甲氧基-5-2-乙基己氧基]-1，4-苯基亚乙烯基)(MEH-PPV)和空穴传输聚苯乙烯磺酸层 PEDOT:PSS)。
[0130]当电子和空穴对发光层复合(发生在PED0T:PSS和MEH-PPV的表面处)，光子(光)将被产生。光可以耦合谐振腔的光模，最后从透明网眼侧透射出去。下面列举增强该器件光发射的至少三个可能的机制:
[0131]由MESH结构在光发射层表面引入的亚波长光子晶体部分的解决了内全反射的问题并提高了活性层的光萃取率。MESH/活性层/铝，组成了一个光学(等离激元)谐振腔，它可以放大与谐振腔共振频率一致的光。金属光子晶体(MESH)诱导的表面等离激元可以增强活性层的荧光效率，从而提高了 LED器件的内量子效率。
[0132]一种优化的PlaCSH LED结构包括一个在石英玻璃衬底上的厚度为15nm的具有周期为200nm的180nm直径的孔洞阵列的金MESH(作为透明电极)，一层40nm厚的PEDOT:PSS薄膜(空穴输运和电子阻挡层)，一层60nm厚的P3HT/PCBM薄膜(电子输运层)，一层
0.3nm厚度的LiF薄膜和一层10nm的铝薄膜(背面电极)。除去铝电极和衬底的厚度，器件的总厚度为115nm。
[0133]PlaCSH-LED的制造。MESH由纳米压印技术通过使用一个4英寸的布满全部面积的亚波长周期和直径的模具并经过沉积和剥离金个程序制造。该模具是通过纳米压印技术从母模复制得到，而该母模则是通过干涉光刻和多次纳米压印技术制造。然后4英寸的MESH晶圆被切割为I英寸xl英寸的正方形；
[0134]金MESH衬底通过在甲醇，丙酮、异丙醇中使用超声波浴的方法清洗15分钟，并用氮气流吹干，然后进行15分钟的紫外臭氧清洗。这一过程也使得MESH获得亲水性。扫描电子显微镜显示制作完成的MESH具有光滑圆角的正方形孔洞，并且MESH在大面积上表现很好的均匀性。
[0135]在此之后，作为空穴输运层的PEDOT:PSS(Sigma Aldrich公司生产)由水溶液通过1000转/分钟的旋涂方法形成大约50nm厚度的薄膜(大约在MESH上有40nm厚度)，然后在氮气手套箱中120摄氏度下干燥30分钟。
[0136]MEH-PPV从Sigma Aldrich公司购买。在氯苯溶液中浓度为7mg/mL的过滤后的(5.0 μ m) MEH-PPV通过1000转/分钟的旋涂方法在PEDOT:PSS导电层上形成60nm厚度的薄膜。然后在室温下超高真空(106Pa)下退火12小时。
[0137]0.3nm的LiF和10nm的铝通过电子束蒸发并用掩膜被沉积在样品上形成顶电极，然后接着70摄氏度下在氮气箱中退火30分钟。器件的功能区域，由掩膜定义，大约9_2。
[0138]为了进行对照，还制作了对照参考的LED，被称为〃IT0-LED〃。这种LED与PlaCSH-LED相比除了 MESH被10nm厚的ITO替换之外具有相同的结构、材料和几何尺寸。因为ITO的等离激元波长为1.2μπι，所以ITO-SC在当下研究的波长范围中不构成等离激元谐振腔。ITO被沉积在石英玻璃衬底上，然后450摄氏度退火I小时，然后ITO-LED和PlaCSH-LED 一起在同一批次中制造。
[0139]超越ITO的MESH的先进的光学和电学性质。MESH是PlaCSH-LED结构中的核心部件。电学性质(如面电阻)和光学性质(如通过率)都需要被考虑。我们测量了下结构的面电阻和投射光谱:(a)在玻璃上的15nm厚的具有200nm孔间距和不同孔直径(180，125，75nm)的金MESH和退火后的10nm厚的ITO(b)具有200nm孔间距，180nm孔直径但不同厚度(15nm，25nm，37nm，48nm)的金MESH。在透射光谱的测量中，入射光进入MESH的情况与LED相同
[0140]MESH具有很好的电学性质。面电阻测量结果显示(a) 10nm厚的退火后的ITO具有lOOohm/sq的面电阻，在被报道的最好的结果之列，表明ITO质量良好；(b)MESH具有比ITO更小的的面电阻:即使在最差情况下(180nm的孔直径)仍然仅有4.2ohm/sq,导电性是ITO的2.5倍；(c)孔洞直径径越小，面电阻越小而透射率越低；(d) MESH越厚，面电阻越小(正比于厚度的倒数)，但是透射率越低。小的面电阻可以提高LED的电效率，因此是非常期望的性能。
[0141]MESH还具有很好的光学性质。透射率测量显示⑴在最佳参数下(15nm厚，200nm孔间距，180nm孔直径)，MESH在全可见光谱段具有平均78%的透射率。(2)考虑到导电性和透光性的综合，MESH(0.78/4.21 = 0.18)的性能是ITO(0.80/10 = 0.08)的两倍。这些性质都意味着MESH将会是传统导电氧化物ITO很好的替代品。
[0142]PlaCSH-LED的载流子输运和降低阈值电压的原理。如PlaCSH-LED器件的能带图(图7)所示，来自铝阴极电子和金MESH的空穴被注入光发射层，然后它们复合通过辐射光子的方式释放能量。MEH-PPV是发光聚合物，并同时具有电子输运层作用。PEDOT:PSS层作为空穴输运层和电子阻挡层，这种材料具有众所周知的高效空穴注入。然而，在阴极一侧，有一个1.5eV的电子注入势垒。0.3nm的LiF可以减小势垒通过将Li掺杂进MEH-PPV层从而提闻电子注入效率。
[0143]典型的测量得到的PlaCSH-LED (三种 MESH:200nm 周期，75nm、125nm、180nm 孔径)和ITO-LED的电流密度随电压变化曲线显示PlaCSH-LED具有更小的阈值电压:75H_MESH为 2.5V, 125H-MESH 为 2.4V, 180H_PlaCSH 为 3.0V,而 ITO 为 3.4V (在 10mA/cm2 情况下)。这是因为采用金MESH，考虑到金的功函数5.1eV,比起ITO的4.6e与PEDOT =PSS的HOMO能级(5.0eV)匹配更好，所以空穴注入势垒会被减小。(图7)
[0144]63%的PlaCSH-LED法线方向亮度的增强。PlaCSH-LED和ITO-LED的法线方向的亮度是用一个分光计和一个5mm孔径的校准的光检测器(位于距离器件40毫米)，只收集在法线方向的±50的光。在相同的200mA/cm2电流密度下，PlaCSH-LED与180H-MESH具有10200流明/m2,比ITO-LED (6270流明/m2)高出63%，如图9。随着电流密度为10mA/cm2 到 300mA/cm2 时，PlaCSH-LED 具有 5.11 坎德拉 /A，这也比 IT0-LED (3.14 坎德拉 /A)高63%以上的均匀亮度的电流效率如图9。
[0145]有三个可能的增强原因。首先，对玻璃/ITO基片和典型折射率为1.9的有机层(MEH-PPV)，计算出的外部耦合效率只有15%的全内反射。从而最内部产生的光被限制在有源层中。由MESH诱导的在PEDOT =PSS表面的200nm周期的亚波长光子晶体(PHC)结构在LED顶部集成了一种散射机制从而将活性层中波导模的光萃取。第二点，如图仿真(另文发表)，PlaCSH有几个等离激元共振和亚波长腔的作用。当发射光波长匹配这些共振，光会被耦合到这些腔体模式，并有机会得到放大。最后，光子态密度和局部电磁场的振幅一起改变辐射复合速率由于Purcell作用，由MESH和PlaCSH诱导的表面等离子体激元增强了活性物质的荧光效率，从而也提高LED器件的内部量子效率。
[0146]从图11所示的3个PlaCSH-LED和ITO的LED的发光光谱显示，PlaCSH-LED具有中心波长红移和半峰宽展宽(中心波长579纳米和半高宽106nm对于PlaCSH_75H，中心波长580nm和半高宽1lnm对于PlaCSH_125H，中心波长578nm和半高宽98nm对于PlaCSH_180H)与ITO-LED (中心波长570nm和半高宽为85nm)相比。这个中央峰的变化和扩大的FWHM可能是由于PlaCSH的腔模和器件内产生的光之间的耦合。
[0147]如图11所示，在前进方向上的增强光谱图。PlaCSH_75H，PlaCSH_125H和PlaCSH-180H有50 %，72 %和181 %倍的增强相比于ITO-LED分别在在579nm, 580nm和578nm三个中心波长。所有这三个PlaCSH器件之间的最高亮度的PlaCSH_H180部分原因是为180H-MESH具有最高的79%透射率如前图所示。即使PlaCSH_H75和PlaCSH_H125具有相似的腔体结构和类似的工作机制，但更多的光被增强并截留在空腔和以热量形式损耗在从腔逸出之前。这是由于MESH-H75和MESH-Hl25的第透射率。
[0148]93%增强的 PlaCSH-LED 总外量子效率(EQE)。PlaCSH-LED 和 IT0-LED 的 EQE 由积分球和校准过的参考器件(Newport.公司)。在相同的电流密度下，PlaCSH-LED具有2.35%的EQE，这比IT0-LED(1.35% )高93%，如图11。这也比以前的基于同样材料系统的最高外量子效率(1.5% -2.0% )高得多。通过计算辐照功率随电功率的关系，PlaCSH-LED具有2.59流明/瓦，这也比IT0-LED(1.38流明/瓦)高87%。这意味着，PlaCSH-LED不仅提高在法线方向的辐照，也提高所有方向的辐照。
[0149]由PlaCSH结构导致的角度发光增强和轮廓的变化。PlaCSH-LED和ITLED远场强度分布图案如图12。与ITO-LED相比，PlaCSH-LED在法线方向的辐射增强约174%，而总的辐射增强约190% (不包括边缘发射)。在O度，30度，60度和80度的角度，PlaCSH-LED的增强是分别为174%，184%，190%和249%。
[0150]PlaCSH结构也具有除了单纯光萃取增强的其他优势。如图12所示图，PlaCSH-LED也改变远场分布图案的形状。在这种情况下，较大的增强是在大的角度观察到的，这意味着与ITO-LED-图案相比PlaCSH-LED-图案更平坦。我们相信，这图案形状可以通过调整PlaCSH结构参数如MESH周期，孔直径或腔长度。因此有可能通过设计PlaCSH结构的参数重塑的LED的发射轮廓。这可能对某些应用如头灯，成像或非成像光学系统有巨大优势。
[0151]实例2.等离激元强型纳米结构电子源(PNE)使用LT-GaAs和金属光子晶体谐振
I
[0152]我们已经制成，测量和模拟一种所发明的光电子源的，被称为"表面等离子体激元增强的纳米结构的电子源(PNE) 〃，它包括一个金属光子振腔，这其中，包括:一个薄的透光的上部金属层，一个底部金属层，并在顶部和底部金属层之间的光电子发射层，并且光电子发射层包括一种光电子发射材料，在光子辐射下可以产生光电子，并且光电子可以进入光电子发射层外的自由空间。
[0153]在制造中，首先是LT-砷化镓样品的生长。50纳米LT-砷化镓薄膜(这是光电子发射层)是在250摄氏度下通过使用分子束外延(MBE)生长在正常的GaAs衬底。在LT-砷化镓薄膜和GaAs衬底之间，有一个50纳米的Al x Ga-XAS (X = 0.85)膜作为牺牲层，用于未来从衬底上剥离LT-砷化镓。首先，金材料的网状图案层由纳米压印技术制作在在生长的LT-砷化镓表面。金网的厚度为约30nm和孔阵列是200nm的周期以140nm的直径。然后，将样品切成I厘米X 0.5厘米。一种特殊类型的蜡涂覆在每片的顶表面上。接着，将小片浸溃在10% w.t.HF溶液在室温下进行24小时。在这个过程中，Al x Ga-XAS(X = 0.85)的牺牲层将被腐蚀掉。最终，蜡连同图案化的LT-砷化镓薄膜就会脱落。同时，一层金膜(约50nm)的由电子束刻蚀沉积在硅晶片上。这将作为PNE的衬底。下一个步骤是将剥离的LT-GaAs膜贴合到该基材。图案化的LT-砷化镓薄膜(蜡在顶部)放置在衬底上，LT-GaAs面朝金薄膜。适度的压力施加在他们持续约5分钟。由于范德华力，LT-砷化镓薄膜将被连接到基板上。溶解掉顶蜡后，PNE准备测量。
[0154]对于具有40nm的LT-砷化镓膜和30nm的金网(140nm的直径的孔)的PNE，其吸收峰值在800nm，其相应的吸收约为85%。
[0155]在仿真中，我们设置金网薄膜的周期为200纳米和黄金背板是50纳米。金网格层的厚度，网状层的孔尺寸，以及LT-砷化镓薄膜的厚度为优化目的而改变。根据仿真，PNE的吸收峰主要受LT-GaAs膜的厚度和孔尺寸影响。当LT-砷化镓薄膜厚度或开孔尺寸的增力口，吸收峰将红移。然而，金网格层的厚度只影响吸收的吸收峰的强度。对于优化的结构，金网格层的厚度为30nm的140nm的直径的孔和LT-砷化镓薄膜的厚度为40纳米。在优化的结构中，吸收峰在800nm左右和相应的吸收率大于98%。在吸收峰，入射光的大部分能量被聚焦在LT-砷化镓薄膜内孔的中心。因此，这意味着大多数的光电子将在孔洞下，而不是下金网的金肋处产生。这将是对光电子的提取有用的。
[0156]实例3.超薄，高效率，宽带，全方位吸收含有亚波长空洞阵列等离子体谐振腔的太阳能电池.
[0157]我们在有机太阳能电池中论证和实现了一个新的光子探测器的发明，该发明被称为〃含有亚波长空洞阵列等离子体谐振腔的太阳能电池〃。一枚PlaCSH太阳能电池含有一个亚波长空洞阵组成的金属网格电极作为透明前端电极金属层，一个金背电极作为背板金属层，以及二者之间的薄层主动光伏吸收材料层。这三层一并形成了一个金属光子谐振腔，被称为〃MESH/有源吸收层/金属-等离子体谐振腔〃。光从MESH —侧进入。仅有MESH的情况下，由于它是亚波长结构，入射光不能产生任何非零阶衍射，而产生的是MESH表面处的衰减波，其导致依赖具体MESH结构的光反射或投射。然而恰当的MESH/A/M电浆腔的形成可以耦合并限制渐逝波，从原本的网格两面到吸收层光电。其结果和后面将要示出，PlaCSH-SC可以非常有效地耦合输入光到有源层(即非常低的反射率)与小反射，而无需使用任何其他的防反射结构(例如，粗糙表面)；并且可以非常有效地在有源层中捕获光，从而利用超薄有源层厚度达到高吸收，该厚度仅为吸收长度的一小部分。
[0158]在此演示中，我们使用亚波长厚度的P3HT/PCBM体异质结作为光伏有源层的PlaCSH-SC (其它亚吸收长度厚度的有机或无机光伏有源材料也可)。我们目前的研究主要集中PlaCSH-SC结构参数对太阳能电池的性能的影响，而不是聚合物材料，组合物或加工条件的影响效果。我们使用的所有聚合物为标准商品并使用常规方法处理，预先用450nm的过滤器进行过滤处理。
[0159]一种PlaCSH太阳能电池优化结构包含有一个石英玻璃衬上的30纳米厚的金MESH与175纳米直径和200nm周期的一个孔阵列(如透明电极)底，1nm厚的poly (3，4-ethyIened1xyIeneth1phene):聚苯乙烯横酸(PEDOT:PSS)电子阻挡层,85 纳米 P3HT/PCBM 活性层，5纳米厚的T1x空穴阻挡层和10nm厚的Al背面电极(图14)。入射光从透明石英衬底一侧透过透明的网眼进入太阳能电池。不含铝电极的厚度和衬底，器件(有源层，透明正面接触，和电荷阻挡层)的总厚度为130纳米。
[0160]制备。PlaCSH太阳能电池上制造在4英寸熔凝石英衬底(折射率1.5)上。首先，MESH是由纳米压印技术使用4英寸模具与亚波长周期和直径的孔在整个模具区域(图16)压印，淀积金属和剥离。模具从一个母模复制而来，其中，母模的制作经过光干涉光刻和多次纳米压印制备。4英寸MESH晶片切成Ixl英寸的正方形；接着在N2环境下旋涂PEDOT:PSS (退火15分钟，120度)和P3HT/PCBM(5:4)然后在有盖玻璃培养皿中进行20分钟干燥。最后的T1x和Al膜是通过蒸发工艺实现背面电极,接着在氮气中150度退火30分钟。每个器件中一个典型的有源区域为3毫米X3毫米，这个由背板电极的大小决定的。(将样品从手套箱像蒸发器之间转运时，其暴露在空气中的时间很短。
[0161]为了进行比较，还制作了参考物太阳能电池"IT0-SCS"，其包含完全相同的】结构/材料/几何形状的PlaCSH-SCS，只是MESH由一个100纳米厚的ITO代替。由于ITO具有大约1.2微米的等离子体谐振波长，ITO-SC不具有适用当前谐振腔的波长范围。淀积ITO的石英玻璃衬底在450°C恒温I小时退火，之后ITO-SCS与PlaCSH-SCS在同一批次进行制备。
[0162]MESH的扫描电子显微镜(SEM)表明孔的形状是带圆角和光滑的边缘的近似正方形，而且在大面积上均匀(图17)。PlaCSH太阳能电池的横截面的扫描电镜进一步证实了所制造的器件具有如预期的正确结构。阳光下的PlaCSH-SC为黑色，而ITO-SC是深品红色，这涉及到每个设备类型的光学吸收光谱。
[0163]PlaCSH-SC的电流密度-电压性能及功率转换效率。在100mW/cm2的大气1.5全球太阳能照射(AM1.5G)太阳模拟器条件下，典型测量的优化PlaCSH太阳能电池电流密度-电压(JV)曲线表现出0.62开路电压(Voc)V(Al电极是接地)，短路电流密度为
10.4mA/cm2，67%的填充因子(FF)，短路电流Jsc为10.4mA/cm2和4.4%的功率转换效率；而典型的 ITO-SCS 拥有的 Voc = 0.62V, JSC = 7.4mA/cm2,FF = 63%, n eff = 2.9% (图18)。相比ITO-SCS, PlaCSH-SCS增强电源转换效率52%, JSC和FF分别41%和6%。即使未优化的聚合物组合物和加工条件，在PlaCSH-SCS所达到的功率转换效率也是最高的P3HT/PCBM材料体系，这在以前是通过使用很厚的有源材料(例如，200至250纳米)或优化聚合物组合物，或两者兼而有之来实现的。
[0164]在黑暗条件下的J-V特性结果显示在PlaCSH-SCS的饱和电流比IT0_SCS(图18)稍小，可能是由于相比于ITO的平坦表面，PlaCSH-SCS更好的分子取向和P3HT/PCBM层的结晶性上的有序纹理表面(例如，网格)。
[0165]PlaCSH-SC的外量子效率(EQE)。既PlaCSH-SCS和IT0-SCS的EQE谱是用氙气灯(150W奥丽尔)，单色仪，校准的光电探测器和准直光学元件(用于形成平行正常入射光束)(图19)进行测定。PlaCSH-SCS在575nm处具有69%的最大外量子效率，这是比ITO-SCS (在500nm52% )高33%并且有红移现象。PlaCSH-SCS在整个测量波长范围(350 ? 800纳米)有较高的EQE，EQE增强因子(定义为PlaCSH-SC的EQE对ITO-SC的比例)在650nm处高达 2.2 倍(220% )(图 19)。
[0166]测得的EQE谱提供了另一种方法来估计JSC，它可以通过将所测量的EQE谱与标准AM1.5G太阳光谱，推导出对应PlaCSH-SC和ITO-SC的10.3和7.4mA/cm2。这与直接测量J-V获得良好的匹配，分别是即10.4和7.4!^/(^2。匹配提供了的太阳模拟器和外量子效率测量的交叉校验。
[0167]Pure-P3HT/PCBM层的吸收比和与EQE的相关性。为了了解高EQE的原因，我们测量(i ) 一个石英玻璃衬底上85纳米厚的P3HT/PCBM薄膜的吸收光谱上(pure-P3HT/PCBM膜)(图19)及(ii)玻璃上42nm, 72nm, 92nmP3HT/PCBM膜的透射光谱。
[0168]相对于所测量的pure_P3HT/PCBM吸收光谱，ITO-SC的EQE光谱具有相同的峰值波长和几乎相同的形状，这表明在ITO-SC的EQE，光伏有源层的吸收为主要和很少有空腔效应。然而，PlaCSH-SC的EQE从频谱峰值的波长就和纯P3HT/PCBM吸收光谱(575nm处，而不是500纳米)，峰值和频谱形状(宽带与窄带)显著不同。这些差异是由于PlaCSH的空腔效果。如下面进一步讨论。
[0169]从光传输测得的吸收长度在pure-P3HT/PCBM膜是138纳米和267纳米分别在500和575纳米波长，250纳米当平均400至650纳米的波长(图19)，这与一个85纳米厚的薄膜在玻璃上的直接吸收谱的测量是一致的。从测得的吸收长度，我们就可以在P3HT/PCBM有源层，对于一个85纳米厚的膜在575纳米波长计算单通吸收仅仅是27%。然而，PlaCSH-SC与该薄有源层的EQE为69%。如此高的EQE在实现的原因是在PlaCSH-SC —个很好的光陷阱效应，腔体使光反弹来回几次。无空腔，如ITO-SC，EQE低得多(图19)。
[0170]PlaCSH太阳能电池宽带宽，到96%的光耦合以及吸收率。我们测量PlaCSH-SCS和ITO-SCS的正常入射的反射光谱(R)的(400至900nm波长)，然后得到的正常入射吸收光谱(A)使用1-R-T，其中，透射率(T)是零(图19)。我们发现，对于优化PlaCSH-SCS，它们有至少4.3%的最低反射率(在750nm的波长)和平均为10%，因此，最高为95.7%和平均90%的高吸收；(b)在宽的带宽(400-900nm)的低反射率和高吸收率-对于测量的整个带宽几乎恒定，(c)反射率可以比纯P3HT/PCBM层在玻璃上还要低，以及(d) —个吸收光谱与玻璃上纯P3HT/PCBM层的显著不同。
[0171]在IT0-SCS，另一方面，在正常入射光的反射率和吸收率比PlaCSH-SCS显著恶化，并具有光谱行为与PlaCSH-SCS不同但类似于(因此由主导)的P3HT/PCBM活性层的吸收率，并且是一个窄频带。在ITO-SC的正入射反射率的最小值为20% (在482纳米波长)和平均为56%，给以最大的80%，平均44%的吸收率。
[0172]在500nm的波长(吸收峰为纯P3HT/PCBM层)575毫微米(EQE峰为PlaCSH-SC)和790纳米(P3HT/PCBM吸收外)，在PlaCSH的吸收率比ITO-SC较高1.13，1.4和18倍，(图19)。具有宽带高吸收和低反射是由于PlaCSH的良好的光耦合和捕捉能力。
[0173]由于入射光从基板尺寸，空气与熔融石英衬底进入有4%的正常入射光的反射率。减去衬底此反射，PlaCSH-SC的垂直入射反射率可低至0.3%。
[0174]MESH的电学和光学性能。为了更好地理解PlaCSH，我们测量了它的每一个组成部分的性质。在有源层(如上文所述)的旁边，我们测量了面电阻，反射率，透射率光谱，吸收率，针对以下样品(a) 30纳米厚的金丝网与200nm的孔间距和不同的孔直径(175，125，和在玻璃上，以及(b)退火的100纳米的玻璃厚度的ΙΤ0。在光学测量中，入射光从玻璃基板入射。
[0175]面电阻测量(图22)表明:(a) 10nm厚的退火的ITO薄膜具有10欧姆/ □面电阻，这表明良好的ITO质量；(b)MESH具有比ITO薄膜小得多面电阻:即使最坏的面电阻(175纳米直径的孔)仍然是2.2欧姆/平方-比IT04.5倍更好；以及(c)较小的内孔直径MESH具有的更小的面电阻，但具有较高的光反射率和吸收率。较小的薄层电阻可以提高填充因子和功率转换效率。
[0176]反射率测量(图22)展示(a)对于给定的200nm的间距，较大的MESH的孔径，较小的光反射 '及(b)为175nm的直径的孔的反射率可以比ITO更小(470_700nm的波长)。
[0177]透射/吸收率的测量(图22)示出了(a) ITO的吸收率是10%并且接近恒定，在整个测量波长范围内；及(b)几乎所有MESH测量具有比ITO更高的吸收，除了 MESH(175nm的直径的孔)，并在波长大于640纳米时。
[0178]PlaCSH-SC形成前后的MESH光学性质的比较。有趣的是，PlaCSH-SC形成后，我们发现，MESH的反射率和吸收率显著下降。该测量结果表明，在700，750和800纳米波长的反射率对于MESH是，分别为14%，20%和28%，它下降到7%，4%和8% PlaCSH形成后，导致减少反射率2至5倍。相反，对于IT0-SC，反射率急剧增加:从ITO只有9%和14%至在500和700nm处，导致反射率增加SC形成后的20%和85%的2至5.8倍。在之后的ITO-SC形成反射率的增加是由于在P3HT/PBCM层和Al接触界面的额外的反射，而在后PlaCSH-SC形成反射率的下降是由于腔效应，导致优异的光耦合和诱捕在PlaCSH-SC的活性层。
[0179]光吸收在MESH PlaCSH形成之后的减小可以通过分析所测量的EQE的，反射率和吸收率中PlaCSH-SC和ITO-SC可以看出。对于在500nm的波长处测定IT0-SC，它具有20%的反射率，52 %的EQE和10 %的ITO层的吸收率，从而导致18 %的总入射能量(S卩，26 %传递到ITO膜后％的能量)成为热在所述有源层和Al背电极。对于在500nm的波长处测定PlaCSH-SC,反射率是9%，而EQE为64.5%，因此在活性层和Al电极的总能量为87%，如果假设PlaCSH-SC和ITO-SC异样具有电能到相同的比例在所述有源层和Al电极。因此，在500nm波长PlaCSH形成后的在MESH的吸收率是4%，这是6.7倍远小于单独MESH的27%的吸收率，并且2.5倍远小于单独ITO的10%的吸收率。
[0180]我们的模拟表明，PlaCSH形成后，MESH的光吸收减少，是由于PlaCSH形成后更好的光耦合到活性聚合物层(将另文发表)。
[0181]此外，相对于ITO透明导电电极，这里报道的MESH具有小得多的面电阻，低反射率和高透射率。我们的模拟表明，它们是由于相关的腔体效应以及亚波长尺寸的丝间距和宽度孔的大小的属性。
[0182]宽带，全方位接受。我们测得的入射光角度(O度到75度与15度的增量)以及偏正，对于PlaCSH-SCS和ITO-SCS (图20)的光电流和反射影响。(注:最大可以测量入射角是由电流SC设备尺寸的限制)。光电流是用一个极化宽频带白光(卤素灯)测量得并以PlaCSH-SC的为正常入射光光电流的相对变化来表示(即O度)(图20)。该结果清楚地表明，PlaCSH-SC具有更小的角度和偏振比依赖性。举例来说，以45度，60度和75度的入射角，测量的光电流变化为PlaCSH-SC是只有1.8%，10%和22%，s波，和1.6%，0.2%和11%，P波；而光电流变化的ITO-SC是11%，34%和85%，s波和1.4%，7%和43%，p波。这意味着，在角度大于或等于45度，PlaCSH-SC的反射率为3-6倍小于(因此优于)IT0-SC(s 波)和4至 7(p波)。
[0183]PlaCSH-SC和ITO-SC光电流的角度和光的偏振依赖关系与所测量的反射率相关性是一致的。为了进一步研究在反射角度的依赖，我们测量了使用偏振白光的波长范围从350到850nm(图21)。相比于比IT0-SC，在PlaCSH-SC光反射在整个测量角度范围(因此耦合到太阳能电池)几乎是独立于光的偏振和入射角。我们的术语〃全接纳"。高，宽带，全面吸收的PlaCSH-SC使得它看起来全黑，在大角度比硅的亚波长抗反射图层效果2倍更好(无论是粗糙表面或周期性纳米结构)，但PlaCSH的厚度超过10倍的更薄。
[0184]此外，我们测量基片(即，熔融石英)的入射角和偏振的光的反射率透射率的依赖。我们的数据分析表明，PlaCSH-SCS角度偏振与反射率的依赖性可以更小，如果光直接入射到太阳能电池单元，而无需通过在玻璃基片，这可以通过建立MESH上PlaCSH的顶部来实现-SC (详情将另文发表)。
[0185]与MM腔比较。为了进一步研究PlaCSH，我们制作的结构相同PlaCSH-SC和ITO-SC除了由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)层110纳米厚的(相同的光学厚度为85纳米P3HT/PCBM)替换光伏有源层；并在400-900纳米的波长范围内测量其光谱(R，T和A)(图23)。聚甲基丙烯酸甲酯是一种绝缘体，并具有小的光吸收在测量波长范围。因此，MAM腔变成了 MM腔，而ΙΤ0/Α/Μ腔成为ΙΤ0/Ι/Μ。
[0186]光谱显示出了(a) ITO/聚甲基丙烯酸甲酯/Al的结构具有非常小的吸收率和接近平坦的频谱，这是几乎ITO膜的吸收率。这表明，聚甲基丙烯酸甲酯确实不吸收的光线在测试的波长范围内，且再次ITO-SC的吸收光谱是以活性材料(P3HT/PCBM)为主。以及(b)PlaCSH与聚甲基丙烯酸甲酯(M/I/M腔)有一个吸收谱来自PlaCSH-SC (M/A/M腔)和ITO/聚甲基丙烯酸甲酯/铝(几乎无腔)截然不同。比ITO/聚甲基丙烯酸甲酯/铝，PlaCSH与聚甲基丙烯酸甲酯的吸收率平均为9.4倍。吸收增强是通过光陷阱小勇在MIM表面等离子腔造成的。相比PlaCSH-SC的MM型空腔(PlaCSH与聚甲基丙烯酸甲酯)具有较小的吸收率(除了在540nm处，其中，它们是相等的)和一个窄带宽(而不是宽带)。而相比纯P3HT/PCBM影片，MM腔有一个峰值吸收波长。这些比较表明，一个MM和MAM是截然不同的腔；绝缘体中的MIM腔与吸收材料的更换可以显著提高二者的总腔吸收和吸收带宽。
[0187]PlaCSH腔体长度影响。PlaCSH腔长度也起着影响PlaCSH-SC性能的重要作用。通过制造和测试PlaCSH-SCS为50，82，100和130nm的不同P3HT/PCBM活性层的厚度，发现最高的光电流，最高的功率转换效率和良好的吸收光谱在85纳米P3HT/PCBM厚度达到，而更薄或更厚的厚度提供了更坏的光电流，功率转换效率和吸收光谱(图24)。我们认为这些效应主要与表面等离子体激元模腔，其中，的优化设计可导致(i )一个更好的光耦合到P3HT/PCBM有源层中的PlaCSH及(ii)的光捕获和能量损耗之间的最佳相互作用，虽然在聚合物中的载流子扩散长度也可能发挥作用。
[0188]PlaCSH-SC工作原理和优化。从上述实验数据和分析，很显然，一个PlaCSH-SC使用表面等离子腔(包括MESH，聚合物光伏有源层和背面金属电极)，以大大提高了光耦合，诱捕和吸收在一个亚吸收长度的有源层，同时减少了 MESH本身的光的反射率和吸收率。腔效应取决于MESH，有源层特性，以及腔长的特性，这需要与PlaCSH-SC优化结合起来考虑。目前的工作只优化了一些关键参数。
[0189]宽带全方位的散射捕光效果。这里展示的宽带全方位吸收PlaCSH-SC 了在收集散射光可以显著提高实际功率转换效率(PCE)，在阴雨天，早晨和晚上，散射光显著。我们计算PlaCSH-SC在ITO-SC的额外PCE增强的上限，由于全方位吸收检测s偏振和非偏振散射光以及不同的活性材料的光学折射率，PlaCSH增强了 81% (S波)和41% (非偏振光)的当使用P3HT/PCBM(折射率2.2)和142%和61%当使用硅(折射率3.5)。
[0190]当描述元件或特征和/或实例时，冠词〃 一"，〃 一个"，〃该〃和〃所述〃意在表示存在一个元件或特征的一个或多个。术语〃包括"，〃包含〃和〃具有〃意图为包括性的，且表示可能有超出具体描述的其他元件或特征。
[0191]本领域技术人员将认识到各种变化，可以不脱离本发明的精神和范围，它们是示例性的实例和实现。因此，包含在上述描述或附图中所示的所有内容应解释为说明性的而不是限制性的。
[0192]应进一步理解的是，过程或本文中所描述的步骤不应被解释为必然要求，它们不一定必须要以所讨论或示出的特定顺序来执行。也应当理解，附加的或替代的处理或步骤也可以米用。
【权利要求】
1.一种发光二极管(LED)组件，包括: 光子共振腔天线，其包括 透光顶金属层； 底部的金属层；和 位于所述顶部金属层和底部金属层之间的半导体发光材料层，用于产生光。
2.根据权利要求1所述的发光二极管组件，其中，所述顶部金属层包括金属网，在顶部金属层具有一个或多个孔。
3.权利要求2所述的发光二极管组件，其中，所述一个或多个孔是在顶部金属层中的通孔阵列，通孔具有选自包括圆形、多边形以及三角形或它们之中一种或更多种的叠加的组中的形状。
4.根据权利要求2所述的发光二极管组件，其中，所述的孔具有小于光的波长的孔径大小。
5.根据权利要求4所述的发光二极管组件，其中，顶部金属层中的一个或多个孔包括盘阵列。
6.根据权利要求5所述的发光二极管组件，其中，所述盘的形状选自包括圆形、多边形以及三角形或它们之中一种或更多种的叠加的组。
7.根据权利要求1所述的顶部金属层的发光二极管组件，其中，顶部金属层包括从这样一种组中选择的材料，该组包括单一金属、多种金属的混合物和两种或更多种金属的多层。
8.根据权利要求1所述的所述的发光二极管组件，其中，所述顶部金属层包括一种或多种材料、材料的混合物、合金和/或从包括金，铜，银和铝的组中选择的材料层。
9.根据权利要求1所述的发光二极管组件，其中，所述顶部金属层包括电连接器，用于电耦合到外部能量源，用于由此接收电流，接收电流的顶部金属层形成所述LED组件的一个电极。
10.根据权利要求1所述的发光二极管组件，其中，顶部金属层的厚度为约I纳米至约100纳米。
11.根据权利要求1所述的发光二极管组件，其中，顶部金属层的厚度为约15纳米至约40纳米。
12.根据权利要求1所述的发光二极管组件，其中，底金属层包括选自这样一种组中的材料，该组包括单一金属、多种金属的混合物和两种或更多种金属的多层。
13.根据权利要求1所述的发光二极管组件，其中，所述底部金属层包括一种或多种材料、材料的混合物，合金和/或从包括金，铜，银和铝的组中选择的材料层。
14.根据权利要求1所述的发光二极管组件，其中，所述底部金属层包括电连接器，用于电耦合到外部能量源，用于由此接收电流，接收电流的顶部金属层形成所述LED组件的一个电极。
15.根据权利要求1所述的发光二极管组件，所述发光材料层包括功能层，位于所述顶部金属层与功能层之间的顶界面层，位于所述功能层和底部的金属之间的底部界面层层。
16.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其中，功能层是由在电流下发射光子的半导体组成。
17.权利要求15所述的发光二极管组件，其中，所述功能层包括单一材料、多种材料的混合物、多种材料的多层和Pn结中的一种或多种。
18.权利要求15所述的发光二极管组件，其中，所述功能层是从这样一种组中选择的半导体，该组包括晶体、无定形、多晶、无机、有机、聚合物、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、娃(的Si)、锗(Ge)和发射光子的半导体。
19.权利要求15所述的发光二极管组件，其中，功能层是包括一个空穴材料和电子材料的混合物的体异质结材料。
20.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其中，所述功能层具有对于从腔天线内部到外部的辐射而优化的厚度。
21.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其中，所述功能层的厚度为约2纳米至约700纳米。
22.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其中，所述功能层的厚度为约I纳米至约100纳米。
23.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其中，所述顶界面层具有从这样一种组中选择的一个或多个特征，该组包括:提供顶部金属层和功能层之间良好的粘合性，在顶部金属层和功能层之间为一种类型的电荷载流子提供阻塞而允许不同类型的电荷载流子的流动，以及提供改善腔天线的性能的隔离物。
24.根据权利要求15所述的发光二极管组件，其中，底部界面层具有从这样一种组中选择的一个或多个特征，该组包括:提供底部金属层和功能层之间良好的粘合性，在底部金属层和功能层之间为一种类型的电荷载流子提供阻塞而允许不同类型的电荷载流子的流动，以及提供改善腔天线的性能的隔离物。
25.根据权利要求1所述的发光二极管组件，其特征在于，所述光子谐振腔天线具有以下特征中的一个或多个: a.在发光材料层中产生并从该发光二极管的向外产生的光的提高的产量；和 b.接收电流到从发光二极管向外产生的光子的转变的提高的效率。
26.根据权利要求1所述的发光二极管组件，其中，顶部金属层具有形成在其中的一个或多个孔径，每个孔径具有限定孔径的大小，其中，通过选择顶层金属层的厚度、发光材料层的厚度和所定义的孔径大小中的一个或多个来优化产生的光。
27.根据权利要求1所述的发光二极管组件，其中，所述顶部金属层和底部金属层中的至少一个是用于散热的散热片。
28.—种制造发光二极管(LED)组件的方法，该组件具有一个光子谐振腔天线，其包括顶部透光金属层、底部金属层和位于所述顶部金属层与底部金属层之间的半导体发光材料层，半导体产生光，所述方法包括: 用低温分子束外延和薄膜沉积中的至少一个生长发光材料层。
29.根据权利要求28所述的制造发光二极管组件的方法，其中，首先通过低温分子束外延和薄膜沉积中的至少一个，其次通过从基材剥离，再次通过贴合到另一个衬底上，制造所述发光材料层。
30.根据权利要求28所述的制造发光二极管组件的方法，其中，所述顶部金属层是由选自包括纳米压印，电子束光刻，离子束光刻，光学光刻和自组装的组中的至少一种方法来制造的。
31.根据权利要求28所述的制造发光二极管组件的方法，其中，顶部金属层被制造成包括一个或多个孔。
32.一种光电子源组件，包括: 光子共振腔，其包括: 透光顶金属层； 底部的金属层；和 位于所述顶部金属层和底部金属层之间的半导体光电子发射层，用于制造光电子。
33.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，所述顶部金属层具有外表面和内表面，内表面方向对着光电子发射层，进一步包括: 与顶部金属层的外表面间隔开的电子抽取原件；和 从顶部金属层的外表面间隔开的的电子聚焦元件。
34.根据权利要求33所述的光电子源组件，其中，根据权利要求2的电子抽取原件产生电场以从光电子射出层中提取所生成的光电子。
35.根据权利要求33所述的光电子源组件，其中，所述顶部金属表面具有一个或多个孔，并且其中，所产生的光电子通过一个或多个孔由电子抽取原件提取出。
36.根据权利要求33所述的光电子源组件，其中，所述电子抽取器由DC或AC电源的供电。
37.根据权利要求32所述的光电子源组件，还包括: 壳体，其限定一个腔，所述壳体保持所述空腔内真空，该光子谐振腔定位在所述壳体空腔中。
38.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，所述顶部金属层包括金属网，顶部金属层中具有一个或多个孔。
39.根据权利要求38所述的光电子源组件，其中，一个或多个孔是在顶部金属层中的通孔阵列，通孔具有选自包括圆形、多边形以及三角形或它们之中一种或更多种的叠加的组中的形状。
40.根据权利要求38所述的光电子源组件，其中，顶部金属层中的一个或多个孔包括一个盘阵列。
41.根据权利要求40所述的光电子源组件，其中，所述盘的形状选自包括圆形、多边形以及三角形或它们之中一种或更多种的叠加的组。
42.光电子源根据权利要求32所述的组件，其中，所述顶部金属层具有在外表面和内表面之间被限定为大约I纳米到100纳米的厚度。
43.光电子源根据权利要求32所述的组件，其中，所述顶部金属层具有在外表面和内表面之间被限定为大约15纳米到40纳米的厚度。
44.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，底部金属层包括选自这样一种组的半导体，该组包括单一金属、多种金属的混合物和两种或更多种金属的多层。
45.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，所述光电子射出层包括功能层、位于所述顶部金属层与功能层之间的顶界面层、位于所述功能层和底部金属层之间的底部界面层。
46.根据权利要求45所述的光电子源组件，其中，功能层是由用以在光子照射时产生电子的光电子材料构成的。
47.根据权利要求45所述的光电子源组件，其中，功能层包括选自砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和硅(Si)的组中的材料。
48.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，光电子射出层包括选自砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、硅(Si)的组中的材料。
49.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，光电子射出层包括从这样一种组选择的一个或多个材料，该组包括单一材料，多种材料的混合物和多种材料的多层。
50.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，所述光电子发射层包括在光电子发射层和顶部金属层之间的光电子发射层的表面上有利于从活性材料生产的光电子的涂覆材料。
51.根据权利要求50所述的光电子源组件，其中，所述涂层材料是铯。
52.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，所述光电子发射层的厚度的尺寸被设置为用于限制产生的光电子的脉冲宽度。
53.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，通过当所述光电子射出层经过透光顶部金属层接收照射时限制产生的光电子的脉冲宽度，降低载流子寿命。
54.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，所述光电子发射层厚度的尺寸被设置为限制在产生的光电子的脉冲宽度，并且通过当所述光电子射出层经过透光顶部金属层接收照射时限制产生的光电子的脉冲宽度，降低载流子寿命。
55.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，光电子发射层的厚度为约2纳米至约300纳米。
56.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，所述光电子射出层具有约0.0lps至约Ins的短电荷载流子的寿命。
57.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，顶界面层通过良好的附着力和电绝缘中的至少一个耦合到所述光电子射出层。
58.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，底界面层通过良好的附着力和电绝缘中的至少一个耦合到所述光电子射出层。
59.根据权利要求32的光的电子源组件，还包括一个光子束定位以照射所述顶部金属层。
60.根据权利要求59所述的光电子源组件，其中，所述光子束选自包括一个或多个激光器、一个或多个LED、一个或多个灯的光子束组。
61.根据权利要求59所述的光电子源组件，其中，光子束具有从这样一种组中选择的特征，该组包括:脉冲式光束、脉冲宽度为约0.0lps至大约Ins和波长从约I纳米至约10um0
62.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，该光子谐振腔具有下列特征中的一个或多个: a.通过顶金属层并进入光电子发射层的提高的光吸收； b.从相对于所述透光顶部金属层的所有入射角的提高的光吸收； c.光电子射出层中提高的接收光俘获；和 d.提高的量子效率。
63.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，顶部金属层具有形成在其中的一个或多个孔径，每个孔径具有限定孔径的大小，其中，通过选择顶层金属层的厚度、发光材料层的厚度和所定义的孔径大小中的一个或多个来优化产生的光。
64.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，所述顶部底部金属层和底部的金属层中的至少一个是用于散热的散热片。
65.根据权利要求32所述的光电子源组件，光电子发射层包括低温分子束外延生长。
66.根据权利要求32所述的光电子源组件，其中，所述光电子源对于从包括电子显微镜、电子计量、X射线的组中选择的系统产生光电子。
67.一种用于制造光电子源组件的方法，该光电子源组件具有光子谐振腔，该光子谐振腔包括透光顶部金属层、底部金属层和位于所述顶部金属层和底部金属层之间用于生产光电子的半导体光电子发射层；该方法包括: 利用低温分子束外延生长光电子发射层。
68.根据权利要求67所述的制造光电子源组件的方法，其中，光电子射出层是通过薄膜沉积制成的。
69.根据权利要求67所述的制造光电子源组件的方法，其中，首先通过低温分子束外延和薄膜沉积中的至少一个，其次通过从基材剥离，再次通过贴合到另一个衬底上，制造所述光电子发射层。
70.根据权利要求67所述的制造光电子源组件的方法，其中，所述顶部金属层是由选自包括纳米压印，电子束光刻，离子束光刻，光学光刻和自组装的组中的至少一种方法来制造的。
71.根据权利要求67所述的制造光电子源组件的方法，其中，顶部金属层被制造成包括一个或多个孔。
72.根据权利要求67所述的制造光电子源组件的方法，其中，光子共振腔被用于优化以下特征中的一个或多个: a.通过顶金属层并进入光电子发射层的提高的光吸收； b.从相对于所述透光顶部金属层的所有入射角的提高的光吸收； c.光电子射出层中提高的接收光俘获；和 d.提高的量子效率。
73.光电探测器组件，包括: 光子共振腔，其包括: 透光顶金属层； 底部的金属层；和 位于所述顶部金属层和底部的金属层之间的半导体的光检测层，，半导体根据入射光子的照射产生电荷。
74.根据权利要求73所述的光电检测器组件，其中，所述顶部金属层包括金属网格，顶部的金属层上有一个或多个孔。
75.根据权利要求74所述的光电检测器组件，其中，在顶部金属层所述一个或多个孔的孔的阵列具有选自包括圆形、多边形以及三角形或它们之中一种或更多种的叠加的组中的形状。
76.根据权利要求74所述的光电检测器组件，其中，所述孔的孔的大小小于光的波长。
77.根据权利要求76所述的光电检测器组件，其中，在顶部金属层中的一个或多个孔包括盘阵列。
78.根据权利要求77所述的光电检测器组件，其中，所述盘的形状选自包括圆形、多边形以及三角形或它们之中一种或更多种的叠加的组。
79.根据权利要求73所述的光电检测器组件，其中，顶部金属层包括从这样一种组中选择的材料，该组包括单一金属、多种金属的混合物和两种或更多种金属的多层。
80.根据权利要求73所述的光电检测器组件，其中，所述顶部金属层包括一种或多种材料、材料的混合物、合金和/或从包括金，铜，银和铝的组中选择的材料层。
81.根据权利要求73所述的光电检测器组件，其中，所述顶部金属层包括电连接器，用于电耦合到外部能量源，用于向其发射产生的电流，顶部金属层形成所述光电检测器组件的一个电极。
82.根据权利要求73所述的光检测器组件，其中，顶部金属层的厚度为约I纳米至约100纳米。
83.根据权利要求73所述的光检测器组件，其中，顶部金属层的厚度为约15纳米至约40纳米。
84.根据权利要求73所述的光电检测器组件，其中，底部金属层包括从这样一种组中选择的材料，该组包括单一金属、多种金属的混合物和两种或更多种金属的多层。
85.根据权利要求73所述的光电检测器组件，其中，底部金属层包括一种或多种材料、材料的混合物、合金和/或从包括金，铜，银和铝的组中选择的材料层。
86.根据权利要求73所述的光电检测器组件，其中，所述底部金属层包括电连接器，用于电耦合到外部能量源，用于向其发射产生的电流，顶部金属层形成所述光电检测器组件的一个电极。
87.根据权利要求73所述的光检测器组件，其中，光检测层包括功能层、位于所述顶部金属层与功能层之间的顶界面层、位于所述功能层和底部金属层之间的底部界面层。
88.根据权利要求87所述的光电检测器组件，其中，功能层由在光子照射下产生下的电荷的半导体的组成。
89.根据权利要求87所述的光电检测器组件，其中，所述功能层包括单一材料、多种材料的混合物、多种材料的多层和pn结中的一种或多种。
90.根据权利要求87所述的光电检测器组件，其中，所述功能层是从这样一种组中选择的半导体材料，该组包括晶体，无定形，多晶，无机，有机，聚合物，砷化镓(GaAs)，氮化镓(GaN)，硅(Si)，锗(Ge)，以及检测光子的材料。
91.根据权利要求87所述的光电检测器组件，其中，功能层是包含空穴电子的材料的混合物的体异质结材料。
92.根据权利要求87所述的光电检测器组件，其中，功能层具有对于接收传入的光子照射而优化的厚度。
93.根据权利要求87所述的光检测器组件，其中，功能层的厚度为约2纳米至约700纳米。
94.根据权利要求87所述的光检测器组件，其中，功能层的厚度为约I纳米至约100纳米。
95.根据权利要求87所述的光电检测器组件，其中，所述顶界面层具有从这样一种组中选择的一个或多个特征，该组包括:提供顶部金属层和功能层之间良好的粘合性，在顶部金属层和功能层之间为一种类型的电荷载流子提供阻塞而允许不同类型的电荷载流子的流动，以及提供改善腔天线的性能的隔离物。
96.根据权利要求87所述的光电检测器组件，其中，底部界面层具有从这样一种组中选择的一个或多个特征，该组包括:提供底部金属层和功能层之间良好的粘合性，在底部金属层和功能层之间为一种类型的电荷载流子提供阻塞而允许不同类型的电荷载流子的流动，以及提供改善腔天线的性能的隔离物。
97.根据权利要求73所述的光电检测器组件，其中，所述光子谐振腔具有下列一个或多个特征: a.通过顶金属层并进入光检测层的改进的光吸收； b.从相对于所述透光顶部金属层的所有入射角的改进的光吸收； c.通过顶部金属层的改进的透光性能； d.光电子射出层中接收到的光的改进的俘获；和 e.从入射光子产生电荷的改进的效率。
98.根据权利要求73所述的光电检测器组件，其中，顶部金属层具有形成在其中的一个或多个孔径，每个孔径具有限定孔径的大小，其中，通过选择顶层金属层的厚度、发光材料层的厚度和所定义的孔径大小中的一个或多个来优化产生的光。
99.根据权利要求73所述的光电检测器组件，其中，所述顶部金属层和底部金属层中的至少一个是用于散热的散热片。
100.一种用于制造光电检测器组件的方法，该光电检测器组件具有光子谐振腔，该光子谐振腔包括透光顶部金属层，底部金属层和位于所述顶部金属层和底部金属层之间的用于生产光电子半导体光电子发射层；该方法包括: 利用低温分子束外延和薄膜沉积中的至少一个生长光检测层。
101.一种制造根据权利要求100的光电检测器组件的方法，其中，所首先通过低温分子束外延和薄膜沉积中的至少一个，其次通过从基材剥离，再次通过贴合到另一个衬底上，制造所述光电检测层。
102.根据权利要求100所述的制造光电检测器组件的方法，其中，所述顶部金属层是由选自包括纳米压印，电子束光刻，离子束光刻，光学光刻和自组装的组中的至少一种方法来制造的。
103.根据权利要求100所述的制造光电检测器组件的方法，其中，顶部金属层被制造成包括一个或多个孔。
104.一种对限定波长透射的导电金属层组件，该导电金属层组件包括: 薄的连续的金属层，其具有多个孔，其中，每个相邻孔之间的距离小于光的限定波长。
105.根据权利要求104所述的导电金属层组件，还包括耦合到所述金属层上的电界面，其中，所述金属层是透光电极，其允许光传输同时是基于该电界面提供电能。
106.根据权利要求105所述的导电金属层组件，其中，通过每个孔的孔径大小来对允许光传输和基于该电界面提供电能进行优化。
107.根据权利要求104所述的导电金属层组件，其中，孔具有选自包括圆形、多边形以及三角形或它们之中一种或更多种的叠加的组中的形状。
108.根据权利要求104所述的导电金属层组件，其中，所述孔具有小于所光的限定波长的孔径大小。
109.根据权利要求104所述的导电金属层组件，其中，金属层包括从这样一种组中选择的材料，该组包括单一金属、多种金属的混合物和两种或更多种金属的多层。
110.根据权利要求104所述的导电金属层组件，其中，所述金属层包括一种或多种材料、材料的混合物、合金和/或从包括金，铜，银和铝的组中选择的材料层。
111.根据权利要求104所述的导电金属层组件，其中，导电金属层组件的金属层的厚度为约2纳米至约200纳米。
112.根据权利要求104所述的导电金属层组件，其中，导电金属层组件的金属层的厚度为约I纳米至约100纳米。
113.根据权利要求104所述的导电金属层组件，其中，导电金属层组件的金属层的厚度为约15纳米至约40纳米。
114.根据权利要求104所述的导电金属层组件，其中，所述金属层是用于散热的散热片。
115.一种制造对限定波长透光的导电金属层组件的方法，该组件具有连续的金属层，金属层上有多个孔，每个孔彼此相距的间距小于光的限定波长，该方法包括: 通过选自包括纳米压印，电子束光刻，离子束光刻，光学光刻和自组装的组中的至少一种方法，制造连续的金属层和限定彼此相距的间距小于光的限定波长的多个孔。
【文档编号】H01L33/04GK104247054SQ201280066178
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年11月5日 优先权日:2011年11月4日
【发明者】斯蒂文·Y·周, 其他发明人请求不公开姓名 申请人:普林斯顿大学