CN114420805A - 一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电器件的技术领域，特别是涉及一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、第一导电型半导体，多量子阱和第二导电型半导体，所述多量子阱具有三维极性畴，形成三维极性畴量子阱；所述三维极性畴多量子阱通过In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层形成具有金属极性和氮极性的复合三维极性畴量子阱，通过调控金属极性和氮极性的极性畴比例，控制三维空间内的载流子跃迁、迁移和辐射复合，消除量子限制Stark效应，提升电子空穴在三维极性畴界面的辐射复合效率，实现从二维空间的电子空穴辐射复合转换为三维空间的电子空穴辐射复合，提升半导体发光元件的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件的技术领域，特别是涉及一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件。
背景技术
半导体元件特别是半导体发光元件具有可调范围广泛200～1200nm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。传统氮化物半导体大多使用蓝宝石衬底生长，氮化物半导体与衬底间的晶格失配和热失配大，导致较高的缺陷密度和极化效应，降低半导体发光元件的发光效率；同时，氮化物半导体结构具有非中心对称性，沿c轴方向会产生较强的自发极化，叠加晶格失配产生的压电极化效应，使多量子阱层产生较强的量子限制Stark效应，引起能带倾斜和电子空穴波函数空间分离，降低电子空穴的辐射复合效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、第一导电型半导体，多量子阱和第二导电型半导体，多量子阱具有三维极性畴，形成三维极性畴量子阱；三维极性畴多量子阱通过In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层形成具有金属极性和氮极性形成的复合三维极性畴量子阱，通过调控金属极性和氮极性的极性畴比例，控制三维空间内的载流子跃迁、迁移和辐射复合，消除量子限制Stark效应，提升电子空穴在三维极性畴界面的辐射复合效率，实现从二维空间的电子空穴辐射复合转换为三维空间的电子空穴辐射复合，提升半导体发光元件的发光效率。
为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、第一导电型半导体，多量子阱和第二导电型半导体，所述多量子阱具有三维极性畴，形成三维极性畴量子阱。
上述技术方案中，所述三维极性畴多量子阱包括In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层的任意一个或任意组合，通过In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层的交替生长，形成金属极性和氮极性的复合三维极性畴多量子阱。
上述技术方案中，所述三维极性畴多量子阱通过In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层形成具有金属极性和氮极性形成的复合三维极性畴量子阱，通过调控金属极性和氮极性的极性畴比例，控制三维空间内的载流子跃迁、迁移和辐射复合，消除量子限制Stark效应，提升电子空穴在三维极性畴界面的辐射复合效率，实现从二维空间的电子空穴辐射复合转换为三维空间的电子空穴辐射复合，提升半导体发光元件的发光效率。
上述技术方案中，所述三维极性畴多量子阱的In和Al元素震荡由SIMS测试标定，In/Al元素同步震荡层的In元素在1E3～1E6 c/s范围震荡，Al元素在1E3～1E6 c/s范围震荡；In/Al元素不同步震荡层的In元素在1E2～1E5 c/s范围震荡，Al元素在1E1～5E4 c/s范围渐变上升或下降或恒定不变且不发生震荡。
上述技术方案中，所述三维极性畴多量子阱的C、O、Si元素浓度由SIMS(二次离子质谱仪)测试标定(单位：atoms/cm3)，C元素浓度为1E16～5E17 atoms/cm3，O元素浓度为1E16～1E18 atoms/cm3，Si元素浓度为1E17～1E19 atoms/cm3。
上述技术方案中，所述三维极性畴多量子阱的In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层与特定范围的C、O、Si元素浓度相搭配，可实现极性畴多量子阱的费米能级梯度变化，形成横向的空间电荷区，提升三维极性畴多量子阱内的电子空穴载流子的量子局域效应，降低量子限制Stark效应，实现三维空间内电子空穴复合，进一步提升电子空穴辐射复合效率。
上述技术方案中，所述三维极性畴多量子阱包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意多元组合。
上述技术方案中，所述三维极性畴多量子阱的周期数为1～50周期。
上述技术方案中，所述第一导电型半导体、第二导电型半导体包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意多元组合。
上述技术方案中，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明针对传统多量子阱层产生较强的量子限制Stark效应问题，基于量子阱中极化电场与组分的关系，通过设计组分的震荡频率控制量子阱中极化电场，通过In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层形成具有金属极性和氮极性形成的复合三维极性畴量子阱，如图3所示，优选地，通过调控金属极性和氮极性的极性畴比例，控制三维空间内的载流子跃迁、迁移和辐射复合，消除量子限制Stark效应，提升电子空穴在三维极性畴界面的辐射复合效率，实现从二维空间的电子空穴辐射复合转换为三维空间的电子空穴辐射复合，提升半导体发光元件的发光效率。
附图说明
图1是本发明实施例的一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件的结构示意图；
图2是本发明实施例一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图；
图3是本发明实施例一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件的TEM透射电镜图；
附图标记：100：衬底；101：第一导电型半导体，102：三维极性畴多量子阱，102a：In/Al元素不同步震荡层，102b:In/Al元素同步震荡层,103：第二导电型半导体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例1的一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件,从下至上依次包括衬底100、第一导电型半导体101，多量子阱102和第二导电型半导体103，衬底100是氮化物半导体结晶能够在表面进行外延生长的基板，且能够选择使用满足对于半导体发光元件所发出的光的波长范围透射率较高(例如该光的透射率在50％以上)的基板；第一导电型半导体101和第二导电型半导体103可以为n型半导体层，导电类型为n型；或者p型半导体层，导电类型为p型；第一导电型半导体101、多量子阱102和第二导电型半导体103依次层叠在衬底100上，层叠半导体层利用有机金属化学气相沉积法(MOCVD法)、有机金属气相外延法(MOVPE法)、分子束外延法(MBE法)以及氢化物气相外延法(HVPE法)等方法进行层叠；其中多量子阱具有三维极性畴，形成三维极性畴量子阱。
进一步地，三维极性畴多量子阱包括In/Al元素同步震荡层102b和/或In/Al元素不同步震荡层102a的任意一个或任意组合，通过In/Al元素同步震荡层102b和/或In/Al元素不同步震荡层102a的交替生长，形成金属极性和氮极性的复合三维极性畴多量子阱。
传统氮化物半导体使用蓝宝石衬底生长，晶格失配和热失配大，导致较高的缺陷密度和极化效应，降低半导体发光元件的发光效率；同时，氮化物半导体结构具有非中心对称性，沿c轴方向会产生较强的自发极化，叠加晶格失配的压电极化效应，使多量子阱层产生较强的量子限制Stark效应，引起能带倾斜和电子空穴波函数空间分离，降低电子空穴的辐射复合效率；本发明针对传统多量子阱层产生较强的量子限制Stark效应问题，基于量子阱中极化电场与组分的关系，通过设计组分的震荡频率控制量子阱中极化电场，通过In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层形成具有金属极性和氮极性形成的复合三维极性畴量子阱，如图3所示，优选地，通过调控金属极性和氮极性的极性畴比例，控制三维空间内的载流子跃迁、迁移和辐射复合，消除量子限制Stark效应，提升电子空穴在三维极性畴界面的辐射复合效率，实现从二维空间的电子空穴辐射复合转换为三维空间的电子空穴辐射复合，提升半导体发光元件的发光效率。
图2是本发明实施例一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图，三维极性畴多量子阱的In和Al元素震荡由SIMS(二次离子质谱仪)测试标定(元素测试强度单位为c/s)，优选地，In/Al元素同步震荡层的In元素在1E3～1E6 c/s范围震荡，Al元素在1E3～1E6 c/s范围震荡；In/Al元素不同步震荡层的In元素在1E2～1E5 c/s范围震荡，Al元素在1E1～5E4 c/s范围渐变上升或下降或恒定不变且不发生震荡。
作为本发明技术方案的一种改进，多量子阱的C元素浓度为1E 16～5E17atoms/cm3，O元素浓度为1E 16～1E18 atoms/cm3，Si元素浓度为1E 17～1E19atoms/cm3，三维极性畴多量子阱的C、O、Si元素浓度由SIMS(二次离子质谱仪)测试标定(单位：atoms/cm3)，三维极性畴多量子阱的In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层与特定范围的C、O、Si元素浓度相搭配，可实现极性畴多量子阱的费米能级梯度变化，形成横向的空间电荷区，提升三维极性畴多量子阱内的电子空穴载流子的量子局域效应，降低量子限制Stark效应，实现三维空间内电子空穴复合，进一步提升电子空穴辐射复合效率。
本发明中，三维极性畴多量子阱包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意两种及以上的组合,包括但不仅限于以下结构：InGaN/AlGaN、InGaN/AlInGaN、InAlGaN/GaN、InGaN/GaN、InGaN/InAlN、AlGaN/AlGaN、AlGaN/AlInGaN、AlInGaN/AlInGaN、AlInGaN/AlGaN、GaN/AlGaN、GaN/AlInGaN、AlInN/GaN、AlInN/AlGaN、AlInN/AlInGaN、InGaN/AlGaN/GaN/AlGaN/GaN、InGaN/GaN/AlGaN/GaN、InGaN/AlInGaN/GaN/AlInGaN的任意一种或任意两种及以上组合。
三维极性畴多量子阱的周期数为1～50周期，即In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层的按照任意顺序组合交替生长，总周期数为1～50个。
第一导电型半导体、第二导电型半导体包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意多元组合。
衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、第一导电型半导体，多量子阱和第二导电型半导体，其特征在于，所述多量子阱具有三维极性畴，形成三维极性畴量子阱。
2.如权利要求1所述的一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，其特征在于，所述三维极性畴多量子阱包括In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层的任意一个或任意组合，通过In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层的交替生长，形成金属极性和氮极性的复合三维极性畴多量子阱。
3.如权利要求1所述的一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，其特征在于，所述三维极性畴多量子阱通过In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层形成具有金属极性和氮极性形成的复合三维极性畴量子阱，通过调控金属极性和氮极性的极性畴比例，控制三维空间内的载流子跃迁、迁移和辐射复合，消除量子限制Stark效应，提升电子空穴在三维极性畴界面的辐射复合效率，实现从二维空间的电子空穴辐射复合转换为三维空间的电子空穴辐射复合，提升半导体发光元件的发光效率。
4.如权利要求2所述的一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，其特征在于，所述三维极性畴多量子阱的In和Al元素震荡由SIMS测试标定，In/Al元素同步震荡层的In元素在1E3～1E6 c/s范围震荡，Al元素在1E3～1E6c/s范围震荡；In/Al元素不同步震荡层的In元素在1E2～1E5 c/s范围震荡，Al元素在1E1～5E4 c/s范围上升或下降或保持恒定且不发生震荡。
5.如权利要求4所述的一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，其特征在于，所述三维极性畴多量子阱的C、O、Si元素浓度由SIMS测试标定，C元素浓度为1E 16～5E17atoms/cm3，O元素浓度为1E16～1E18 atoms/cm3，Si元素浓度为1E17～1E19 atoms/cm3。
6.如权利要求5所述的一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，其特征在于，所述三维极性畴多量子阱的In/Al元素同步震荡层和/或In/Al元素不同步震荡层与特定范围的C、O、Si元素浓度相搭配，实现极性畴多量子阱的费米能级梯度变化，形成横向的空间电荷区，提升三维极性畴多量子阱内的电子空穴载流子的量子局域效应，降低量子限制Stark效应，实现三维空间内电子空穴复合，进一步提升电子空穴辐射复合效率。
7.如权利要求1所述的一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，其特征在于，所述三维极性畴多量子阱包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意多元组合。
8.如权利要求1所述的一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，其特征在于，所述三维极性畴多量子阱的周期数为1～50周期。
9.如权利要求1所述的一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，其特征在于，所述第一导电型半导体、第二导电型半导体包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意多元组合。
10.如权利要求1所述的一种具有三维极性畴多量子阱的半导体发光元件，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
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