CN109599467B - 一种半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种半导体发光元件，依次包括衬底、n型氮化物半导体，多量子阱，V‑pits，PbSe/InPAs核壳量子点，Cd3P2/InP核壳量子点以及p型氮化物半导体，其特征在于所述PbSe/InPAs核壳量子点发出红光；所述Cd3P2/InP核壳量子点发出绿光，所述多量子阱发出蓝光，从而在同一外延片内形成发出红光、蓝光和绿光的半导体发光元件。

Description

一种半导体发光元件
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，特别是一种半导体发光元件。
背景技术
半导体发光元件具有可调范围广泛的波长范围，发光效率高，节能环保，可使用超过10万小时的长寿命、尺寸小、可设计性强等因素，已逐渐取代白炽灯和荧光灯，成长普通家庭照明的光源，并广泛应用新的场景，如户内高分辨率显示屏、户外显屏、手机电视背光照明、路灯、车灯、手电筒等应用领域。但是，高In组分氮化物的材料生长质量差，导致发光效率低，难以形成红光氮化物发光元件。通常白光发光元件采用氮化物半导体蓝光二极管激光荧光粉获得白光。一般红绿蓝RGB的白光采用GaAs红光芯片结合氮化物半导体的蓝光与绿光芯片形成RGB的白光，但该方法的成本较高，RGB的亮度均匀性不易控制匹配等。
鉴于以上的困难与不足，有必要提出一种在外延片上直接形成红绿蓝光混合的白光发光元件。
发明内容
本发明公开一种半导体发光元件，依次包括衬底、n型氮化物半导体，多量子阱，V-pits，PbSe/InPAs核壳量子点，Cd3P2/InP核壳量子点以及p型氮化物半导体，其特征在于所述PbSe/InPAs核壳量子点发出红光；所述Cd3P2/InP核壳量子点发出绿光，所述多量子阱发出蓝光，从而在同一外延片内形成发出红光、蓝光和绿光的半导体发光元件。
进一步地，所述V-pits由第一V-pits和第二V-pits组成，所述PbSe/InPAs核壳量子点和Cd3P2/InP核壳量子点位于V-pits内部；所述第一V-pits内具有PbSe/InPAs核壳量子点发出红光；所述第二V-pits内具有Cd3P2/InP核壳量子点发出绿光；所述第一V-pits和第二V-pits之间的多量子阱发出蓝光，从而在同一外延片内形成红光、绿光和蓝光三基色的发光元件。
进一步地，所述PbSe/InPAs核壳量子点还可掺杂Mn、Fe元素进行波长调控，通过控制Mn和Fe元素的浓度控制PbSe/InPAs核壳量子点的发光波长；所述Mn和Fe掺杂元素在PbSe/InPAs核壳量子点的掺杂浓度为1.0 E6cm-3~1.0 E21cm-3。所述PbSe/InPAs核壳量子点包括以下掺杂组合形式PbSe:Mn/InPAs核壳量子点，PbSe/InPAs:Mn核壳量子点，PbSe:Fe/InPAs核壳量子点，PbSe/InPAs:Fe核壳量子点，PbSe:Mn/InPAs:Mn核壳量子点，PbSe:Mn/InPAs:Fe核壳量子点，PbSe:Fe/InPAs:Fe核壳量子点，PbSe:Fe/InPAs:Mn核壳量子点。
进一步地，所述Cd3P2/InP核壳量子点还可掺杂Mn和Fe元素进行波长调控，通过控制Mn和Fe元素的浓度控制Cd3P2/InP核壳量子点的发光波长；所述Er或Eu掺杂元素在Cd3P2/InP核壳量子点的掺杂浓度为1.0 E6cm-3~1.0 E21cm-3。所述Cd3P2/InP核壳量子点包括以下掺杂组合形式：Cd3P2:Mn/InP核壳量子点，Cd3P2/InP:Mn核壳量子点，Cd3P2:Fe/InP核壳量子点，Cd3P2/InP:Fe核壳量子点，Cd3P2:Mn/InP:Mn核壳量子点，Cd3P2:Mn/InP:Fe核壳量子点，Cd3P2:Fe/InP:Fe核壳量子点，Cd3P2:Fe/InP:Mn核壳量子点。
进一步地，所述第一V-pits内具有PbSe/InPAs核壳量子点，PbSe为核层，直径为t1，InPAs为壳层，厚度为t2，壳层包覆住核层，所述5 nm≤t1, t2≤100 nm，调控t1和t2的厚度及其比例可调控量子点发光波长为600~750 nm。
进一步地，所述Cd3P2/InP核壳量子点，Cd3P2为核层，直径为t3，InP为壳层，厚度为t4，所述5 nm≤t3, t4≤100 nm，调控t3和t4的厚度及其比例可调控量子点发光波长为500~600 nm。
进一步地，所述第一V-pits和第二V-pits的开口尺寸为50~500 nm，所述PbSe/InPAs核壳量子点和Cd3P2/InP核壳量子点的直径约30~300 nm。
进一步地，所述多量子阱为InxGa1-xN/GaN量子阱，In组分0.15<x<0.35，所述多量子阱发出蓝光，波长为400~500 nm。
进一步地，所述Cd3P2/InP核壳量子点还包括InP/Cd3P2量子点，核层为InP，壳层为Cd3P2；所述PbSe/InPAs核壳量子点还包括InPAs/PbSe，核层为InPAs，壳层为PbSe。
进一步地，所述PbSe/InPAs核壳量子点和Cd3P2/InP核壳量子点还可生长于无V-pits区域的多量子阱上方（即不位于V-pits内部），PbSe/InPAs核壳量子点、Cd3P2/InP核壳量子点和多量子阱分别发出红、绿、蓝光，从而在同一外延片内形成红绿蓝混合的白光。
进一步地，所述PbSe/InPAs核壳量子点和Cd3P2/InP核壳量子点还包括周期性核壳结构，(PbSe/InPAs)m，（Cd3P2/InP）n，所述周期m≥1，n≥1。
进一步地，所述PbSe/InPAs核壳量子点和Cd3P2/InP核壳量子点可生长于V-pits区域，亦可生长于无V-pits区域的多量子阱上方（即不位于V-pits内部），PbSe/InPAs核壳量子点、Cd3P2/InP核壳量子点和多量子阱分别发出红、绿、蓝光，从而在同一外延片内形成红绿蓝的发光元件。然后，剥离衬底，光刻出微米级或纳米级的隔离沟道，并键合入控制电路板，独立控制外延片上的微米或纳米发光元件（Micro/Nano-LED），制作成微米或纳米LED（Micro/Nano-LED）。该技术无需进行传统Micro/Nano-LED的芯片拾取和巨量转移，提升Micro/Nano-LED的良率并降低成本，且可将LED从Mini-LED/ Micro-LED的尺寸进一步提升至Nano-LED的纳米级别分辨率。
附图说明
图1为传统具有V-pits的半导体发光元件的结构示意图。
图2为本发明一种半导体发光元件的结构示意图。
图3为本发明一种半导体发光元件PbSe/InPAs核壳量子点和Cd3P2/InP核壳量子点生长于多量子阱的V-pits内产生红光、绿光和蓝光混合成白光的效果示意图。
图4为本发明一种半导体发光元件PbSe/InPAs核壳量子点和Cd3P2/InP核壳量子点生长于无V-pits区域的多量子阱上方产生红光、绿光和蓝光混合成白光的效果示意图。
图5为本发明一种半导体发光元件PbSe/InPAs核壳量子点、Cd3P2/InP核壳量子点、多量子阱上方产生红光、绿光和蓝光，制作成微米或纳米LED（Micro/Nano-LED）效果示意图。
图示说明：100：衬底；101：n型氮化物半导体，102：位错线，103：多量子阱，104：V-pits，104a：第一V-pits，104b:第二V-pits，105：PbSe核层，106：InPAs壳层，107：Cd3P2核层，108：InP壳层，109：p型氮化物半导体，110：微米级或纳米级的隔离沟道，111：控制电路板，105/106：PbSe/InPAs核壳量子点，107/108：Cd3P2/InP核壳量子点。
具体实施方式
实施例1
传统多量子阱103具有V-pits 104的氮化物发光元件如图1所示，包括衬底100、n型氮化物半导体101，位错线102，多量子阱103，V-pits 104，p型氮化物半导体109，其中位错线穿过V-pits和多量子阱区。本发明公开一种半导体发光元件，如图2所示，依次包括衬底100、n型氮化物半导体101，多量子阱103，V-pits 104，PbSe 105/InPAs 106核壳量子点，Cd3P2 107/InP108核壳量子点以及p型氮化物半导体，其特征在于所述PbSe 105/InPAs 106核壳量子点发出红光；所述Cd3P2 107/InP108核壳量子点发出绿光，所述多量子阱发出蓝光，从而在同一外延片内形成发出红光、蓝光和绿光的半导体发光元件，如图3所示。
所述V-pits由第一V-pits 104a和第二V-pits 104b组成，所述PbSe 105/InPAs106核壳量子点和Cd3P2 107/InP108核壳量子点位于V-pits内部；所述第一V-pits内具有PbSe 105/InPAs 106核壳量子点发出红光；所述第二V-pits内具有Cd3P2 107/InP108核壳量子点发出绿光；所述第一V-pits和第二V-pits之间的多量子阱发出蓝光，从而在同一外延片内形成红光、绿光和蓝光三基色的发光元件，如图3所示。
所述PbSe 105/InPAs 106核壳量子点还可掺杂Mn、Fe元素进行波长调控，通过控制Mn和Fe元素的浓度调控PbSe 105/InPAs 106核壳量子点，发光波长为600~750 nm；所述Mn和Fe掺杂元素在PbSe 105/InPAs 106核壳量子点的掺杂浓度为1.0 E6cm-3~1.0 E21cm-3。所述PbSe 105/InPAs 106核壳量子点包括以下掺杂组合形式PbSe:Mn/InPAs核壳量子点，PbSe/InPAs:Mn核壳量子点，PbSe:Fe/InPAs核壳量子点，PbSe/InPAs:Fe核壳量子点，PbSe:Mn/InPAs:Mn核壳量子点，PbSe:Mn/InPAs:Fe核壳量子点，PbSe:Fe/InPAs:Fe核壳量子点，PbSe:Fe/InPAs:Mn核壳量子点。
所述Cd3P2 107/InP108核壳量子点还可掺杂Er、Eu元素进行波长调控，通过控制Mn和Fe元素的浓度调控Cd3P2 107/InP108核壳量子点的发光波长，发光波长为500~600 nm；所述Mn和Fe掺杂元素在Cd3P2 107/InP108核壳量子点的掺杂浓度为1.0 E6cm-3~1.0 E21cm-3。所述Cd3P2 107/InP108核壳量子点包括以下掺杂组合形式：Cd3P2:Mn/InP核壳量子点，Cd3P2/InP:Mn核壳量子点，Cd3P2:Fe/InP核壳量子点，Cd3P2/InP:Fe核壳量子点，Cd3P2:Mn/InP:Mn核壳量子点，Cd3P2:Mn/InP:Fe核壳量子点，Cd3P2:Fe/InP:Fe核壳量子点，Cd3P2:Fe/InP:Mn核壳量子点。
所述第一V-pits内具有PbSe 105/InPAs 106核壳量子点，PbSe 105为核层，直径为t1，InPAs 106为壳层，厚度为t2，壳层包覆住核层，所述5 nm≤t1, t2≤100 nm，调控t1和t2的厚度及其比例可调控量子点发光波长为600~750 nm。
所述Cd3P2 107/InP108核壳量子点，Cd3P2 107为核层，直径为t3，InP108为壳层，厚度为t4，所述5 nm≤t3, t4≤100 nm，调控t3和t4的厚度及其比例可调控量子点发光波长为500~600 nm。
所述第一V-pits 104a和第二V-pits 104b的开口尺寸为50~500 nm，所述PbSe105/InPAs 106核壳量子点和Cd3P2 107/InP108核壳量子点的直径约30~300 nm。
所述多量子阱103为InxGa1-xN/GaN量子阱，In组分0.15<x<0.35，所述多量子阱103发出蓝光，波长为400~500 nm。
所述Cd3P2 107/InP108核壳量子点还包括InP/Cd3P2量子点，核层为InP，壳层为Cd3P2；所述PbSe 105/InPAs 106核壳量子点还包括InPAs/PbSe，核层为InPAs，壳层为PbSe。
进一步地，所述PbSe 105/InPAs 106核壳量子点和Cd3P2 107/InP108核壳量子点还包括周期性核壳结构，(PbSe 105/InPAs 106)m，（Cd3P2 107/InP108）n，所述周期m≥1，n≥1。
实施例2
与实施1的区别在于，所述PbSe 105/InPAs 106核壳量子点和Cd3P2 107/InP108核壳量子点还可生长于无V-pits区域的多量子阱上方（即不位于V-pits内部），PbSe 105/InPAs 106核壳量子点、Cd3P2 107/InP108核壳量子点和多量子阱分别发出红、绿、蓝光，，从而在同一外延片内形成红绿蓝混合的白光，如图4所示。
实施例3
与实施1的区别在于，所述PbSe 105/InPAs 106核壳量子点和Cd3P2 107/InP108核壳量子点可生长于V-pits 104区域，亦可生长于无V-pits区域的多量子阱上方（即不位于V-pits内部），PbSe 105/InPAs 106、Cd3P2 107/InP108核壳量子点和多量子阱分别发出红、绿、蓝光，从而在同一外延片内形成红绿蓝的发光元件。然后，剥离衬底100，光刻出微米级或纳米级的隔离沟道110，并键合入控制电路板111，独立控制外延片上的微米或纳米发光元件（Micro/Nano-LED），制作成微米或纳米LED（Micro/Nano-LED），如图5所示。该技术无需进行传统Micro/Nano-LED的芯片拾取和巨量转移，提升Micro/Nano-LED的良率并降低成本，且可将LED从Mini-LED/Micro-LED的尺寸进一步提升至Nano-LED的纳米级别分辨率。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。

Claims (10)

1.一种半导体发光元件，其特征在于依次包括衬底、n型氮化物半导体，多量子阱，V-pits，PbSe/InPAs核壳量子点，Cd3P2/InP核壳量子点以及p型氮化物半导体，其特征在于所述PbSe/InPAs核壳量子点发出红光；所述Cd3P2/InP核壳量子点发出绿光，所述多量子阱发出蓝光，从而在同一外延片内形成发出红光、蓝光和绿光的半导体发光元件;所述PbSe/InPAs核壳量子点通过控制Mn和Fe元素的浓度和PbSe/InPAs核壳量子点核层和壳层的厚度及其比例可调控量子点发光波长为600~750 nm；所述Cd3P2/InP核壳量子点通过控制Mn和Fe元素的浓度和Cd3P2/InP核壳量子点核层和壳层的厚度及其比例可调控量子点发光波长为500~600 nm。
2.根据权利要求1所述一种半导体发光元件，其特征在于：所述V-pits由第一V-pits和第二V-pits组成，所述PbSe/InPAs核壳量子点和Cd3P2/InP核壳量子点位于V-pits内部；所述第一V-pits内具有PbSe/InPAs核壳量子点发出红光；所述第二V-pits内具有Cd3P2/InP核壳量子点发出绿光；所述第一V-pits和第二V-pits之间的多量子阱发出蓝光，从而在同一外延片内形成红光、绿光和蓝光三基色的发光元件。
3.根据权利要求1所述一种半导体发光元件，其特征在于：所述PbSe/InPAs核壳量子点还可掺杂Mn、Fe元素进行波长调控，通过控制Mn和Fe元素的浓度控制PbSe/InPAs核壳量子点的发光波长；所述Mn和Fe掺杂元素在PbSe/InPAs核壳量子点的掺杂浓度为1.0 E6cm-3~1.0 E21cm-3。
4.根据权利要求1所述一种半导体发光元件，其特征在于：所述Cd3P2/InP核壳量子点还可掺杂Mn和Fe元素进行波长调控，通过控制Mn和Fe元素的浓度控制Cd3P2/InP核壳量子点的发光波长。
5.根据权利要求2所述一种半导体发光元件，其特征在于：所述第一V-pits内具有PbSe/InPAs核壳量子点，PbSe为核层，直径为t1，InPAs为壳层，厚度为t2，壳层包覆住核层，其中5 nm≤t1, t2≤100 nm，调控t1和t2的厚度及其比例可调控量子点发光波长为600~750 nm。
6.根据权利要求1所述一种半导体发光元件，其特征在于：Cd3P2/InP核壳量子点，Cd3P2为核层，直径为t3，InP为壳层，厚度为t4，5 nm≤t3, t4≤100 nm，调控t3和t4的厚度及其比例可调控量子点发光波长为500~600 nm。
7.根据权利要求2所述一种半导体发光元件，其特征在于：所述第一V-pits和第二V-pits的开口尺寸为50~500 nm，所述PbSe/InPAs核壳量子点和Cd3P2/InP核壳量子点的直径30~300 nm。
8.根据权利要求1所述一种半导体发光元件，其特征在于：所述多量子阱为InxGa1-xN/GaN量子阱，In组分0.15<x<0.35，所述多量子阱发出蓝光，波长为400~500 nm。
9.根据权利要求1所述一种半导体发光元件，其特征在于：所述Cd3P2/InP核壳量子点还包括InP/Cd3P2量子点，核层为InP，壳层为Cd3P2；所述PbSe/InPAs核壳量子点还包括InPAs/PbSe，核层为InPAs，壳层为PbSe。
10.根据权利要求1所述一种半导体发光元件，其特征在于：所述PbSe/InPAs核壳量子点和Cd3P2/InP核壳量子点可生长于V-pits区域，亦可生长于无V-pits区域的多量子阱上方即不位于V-pits内部，PbSe/InPAs核壳量子点、Cd3P2/InP核壳量子点和多量子阱分别发出红、绿、蓝光，从而在同一外延片内形成红绿蓝的发光元件；所述PbSe/InPAs核壳量子点和Cd3P2/InP核壳量子点还包括周期性核壳结构，(PbSe/InPAs)m，（Cd3P2/InP）n，其中m≥1，n≥1。
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