CN114497334A - 一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件 - 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热载流子冷却层的半导体元件，从下至上依次包括衬底、第一导电型半导体、多量子阱、快速热载流子冷却层和第二导电型半导体，第二导电型半导体和多量子阱之间具有快速热载流子冷却层；快速热载流子冷却层中的第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层通过Al元素强度梯度变化和Mg元素浓度的梯度变化及其组合变化效应形成电子与声子耦合界面，抑制热声子效应，调控热载流子弛豫，热载流子寿命提升1个数量级以上，延缓光学纵模声子的衰减，实现热载流子的快速冷却，减少热载流子被缺陷及深能级俘获和带间转换，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热载流子冷却层的半导体发光元件。
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，传统氮化物半导体的空穴离化效率远低于电子离化效率，导致空穴浓度低于电子浓度1个数量级以上，过量的电子会从多量子阱溢出至第二导电型半导体产生非辐射复合，空穴离化效率低会导致第二导电型半导体的空穴难以有效注入多量子阱中，空穴注入多量子阱的效率低，导致多量子阱的发光效率低。热载流子冷却在半导体光电器件中具有重要作用，光伏器件需要缓慢的热载流子冷却，而发光二极管、激光器等则需要快速热载流子冷却。缓慢的热载流子冷却可导致载流子被缺陷等俘获并使载流子的带间跃迁增强，非辐射复合比例上升从而影响光电转换效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有热载流子冷却层的半导体元件，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，所述第二导电型半导体和多量子阱之间具有快速热载流子冷却层；所述快速热载流子冷却层中的第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层，通过Al元素强度梯度变化形成电子与声子耦合界面，抑制热声子效应，调控热载流子弛豫，热载流子寿命提升1个数量级以上，延缓光学纵模声子的衰减，实现热载流子的快速冷却，减少热载流子被缺陷及深能级俘获和带间转换，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：
一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，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，所述第二导电型半导体和多量子阱之间具有快速热载流子冷却层。
上述技术方案中，所述快速热载流子冷却层由第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层的任意一种或任意组合构成，其中Al元素强度：第三高Al元素强度层≥第一高Al元素强度层≥第二低Al元素强度。
上述技术方案中，所述第一高Al元素强度层的Al元素强度为1E5～1E6c/s,第二低Al元素强度层的Al元素强度为1E5～5E5c/s，第三高Al元素强度层的Al元素强度为1E5～1E6c/s。
上述技术方案中，所述第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层的Mg元素浓度呈梯度变化，Mg元素浓度为：第二低Al元素强度层≥第一高Al元素强度层≥第三高Al元素强度层。
上述技术方案中，所述第一高Al元素强度层的Mg元素浓度为1E19atoms/cm3～1E20atoms/cm3,第二低Al元素强度层的Mg元素浓度为2E19atoms/cm3～1E21atom/cm3,第三高Al元素强度层的Mg元素浓度为1E18atoms/cm3～1E20atoms/cm3。
上述技术方案中，所述第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层的In元素强度由SIMS测试标定，其In元素强度为1E1～1E4c/s。
上述技术方案中，所述快速热载流子冷却层中的第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层通过Al元素强度梯度变化和Mg元素浓度的梯度变化及其组合变化效应形成电子与声子耦合界面，抑制热声子效应，调控热载流子弛豫，热载流子寿命提升1个数量级以上，延缓光学纵模声子的衰减，实现热载流子的快速冷却，减少热载流子被缺陷及深能级俘获和带间转换，提升半导体发光元件的发光效率。
上述技术方案中，所述快速热载流子冷却层还可由CsPbBr3、Cs4PbBr6、AlInGaN、AlGaN、InGaN、GaN、AlInN、AlN的任意一种或任意组合制作成超晶格、量子点、核壳量子点、核壳纳米结构，包括但不限定于以下结构：CsPbBr3/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlInGaN、CsPbBr3/AlN、CsPbBr3/AlGaN、CsPbBr3/InGaN、CsPbBr3/GaN、CsPbBr3/AlInN、Cs4PbBr6/AlInGaN、Cs4PbBr6/AlN、Cs4PbBr6/AlGaN、Cs4PbBr6/InGaN、Cs4PbBr6/GaN、Cs4PbBr6/AlInN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/InGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/GaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInN、CsPbBr3/AlInGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/InGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/GaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlInN/Cs4PbBr6、AlInGaN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、AlN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、AlGaN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、InGaN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、GaN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、AlInN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN/AlInGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN/AlGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN/InGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN/GaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN/AlInN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN/AlInGaN/AlInGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN/AlInGaN/AlGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN/AlInGaN/InGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN/AlInGaN/GaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN/AlInGaN/AlInN、CsPbBr3/AlN/AlInGaN/AlInGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlN/AlInGaN/AlGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlN/AlInGaN/InGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlN/AlInGaN/GaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlN/AlInGaN/AlInN/Cs4PbBr6、AlN/AlInGaN/AlInGaN、AlGaN/AlInGaN/AlInGaN、AlGaN/AlGaN/AlGaN、AlGaN/AlInGaN/AlInGaN、AlInGaN/AlInGaN/AlInGaN、AlN/AlInGaN/AlGaN、AlN/AlInGaN/InGaN、AlN/AlInGaN/GaN、AlN/AlInGaN/AlInN,AlN/AlInGaN/AlInGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、AlN/AlInGaN/AlGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、AlN/AlInGaN/InGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、AlN/AlInGaN/GaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、AlN/AlInGaN/AlInN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、GaN/AlN/AlInGaN/AlInGaN、GaN/AlN/AlInGaN/AlGaN、GaN/AlN/AlInGaN/InGaN、GaN/AlN/AlInGaN/GaN、GaN/AlN/AlInGaN/AlInN,GaN/AlN/AlInGaN/AlInGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、GaN/AlN/AlInGaN/AlGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、GaN/AlN/AlInGaN/InGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、GaN/AlN/AlInGaN/GaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、GaN/AlN/AlInGaN/AlInN/Cs4PbBr6/CsPbBr3，形成电子与声子耦合界面，抑制热声子效应，调控热载流子弛豫，热载流子寿命提升1个数量级以上，延缓光学纵模声子的衰减，实现热载流子的快速冷却，减少热载流子被缺陷及深能级俘获和带间转换，提升半导体发光元件的发光效率。
上述技术方案中，所述第一导电型半导体、多量子阱、快速热载流子冷却层、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。
附图说明
图1是本发明实施例的一种具有热载流子冷却层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热载流子冷却层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热载流子冷却层的半导体发光元件中热载流子冷却层的SIMS二次离子质谱图；
附图标记：100：衬底，101：第一导电型半导体，102：多量子阱，103：快速热载流子冷却层，103a：第一高Al元素强度层,103b：第二低Al元素强度层,103c：第三高Al元素强度层,104：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，本发明实施例的一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，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104，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104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104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；多量子阱102是由阱层和势垒层交替层叠而成的层叠构造构成；所述第二导电型半导体104和多量子阱102之间具有快速热载流子冷却层103，所述快速热载流子冷却层103由第一高Al元素强度层103a、第二低Al元素强度层103b、第三高Al元素强度层103c的任意一种或任意组合构成，本实施例的半导体发光元件的快速热载流子冷却层103包括自下而上布置的第一高Al元素强度层103a、第二低Al元素强度层103b、第三高Al元素强度层103c，Al元素强度由SIMS(二次离子质谱仪)测试标定(单位：c/s)，如图2所示，其中Al元素强度：第三高Al元素强度层≥第一高Al元素强度层≥第二低Al元素强度；通过Al元素强度梯度变化形成电子与声子耦合界面，抑制热声子效应，调控热载流子弛豫，提升热载流子寿命，延缓光学纵模声子的衰减，实现热载流子的快速冷却，减少热载流子被缺陷及深能级俘获和带间转换，提升半导体发光元件的发光效率。
作为上述技术方案的一种改进，所述第一高Al元素强度层的Al元素强度为1E5～1E6c/s,第二低Al元素强度层的Al元素强度为1E5～5E5c/s，第三高Al元素强度层的Al元素强度为1E5～1E6c/s。
作为上述技术方案的一种改进，所述第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层的Mg元素浓度由SIMS(二次离子质谱仪)测试标定(单位：atoms/cm3)呈梯度变化，如图3所示，Mg元素浓度为：第二低Al元素强度层≥第一高Al元素强度层≥第三高Al元素强度层；通过Al元素强度梯度变化和Mg元素浓度的梯度变化及其组合变化效应形成电子与声子耦合界面，进一步地抑制热声子效应，调控热载流子弛豫，热载流子寿命提升1个数量级以上，延缓光学纵模声子的衰减，实现热载流子的快速冷却，减少热载流子被缺陷及深能级俘获和带间转换，提升半导体发光元件的发光效率。
优选地，所述第一高Al元素强度层的Mg元素浓度为1E19atoms/cm3～1E20atoms/cm3,第二低Al元素强度层的Mg元素浓度为2E19atoms/cm3～1E21 atom/cm3,第三高Al元素强度层的Mg元素浓度为1E18atoms/cm3～1E20atoms/cm3。
所述快速热载流子冷却层可以由CsPbBr3、Cs4PbBr6、AlInGaN、AlGaN、InGaN、GaN、AlInN、AlN的任意一种或任意组合制作成超晶格、量子点、核壳量子点、核壳纳米结构，包括但不限定于以下结构：CsPbBr3/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlInGaN、CsPbBr3/AlN、CsPbBr3/AlGaN、CsPbBr3/InGaN、CsPbBr3/GaN、CsPbBr3/AlInN、Cs4PbBr6/AlInGaN、Cs4PbBr6/AlN、Cs4PbBr6/AlGaN、Cs4PbBr6/InGaN、Cs4PbBr6/GaN、Cs4PbBr6/AlInN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/InGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/GaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInN、CsPbBr3/AlInGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/InGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/GaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlInN/Cs4PbBr6、AlInGaN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、AlN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、AlGaN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、InGaN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、GaN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、AlInN/CsPbBr3/Cs4PbBr6、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN/AlInGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN/AlGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN/InGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN/GaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlInGaN/AlInN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN/AlInGaN/AlInGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN/AlInGaN/AlGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN/AlInGaN/InGaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN/AlInGaN/GaN、CsPbBr3/Cs4PbBr6/AlN/AlInGaN/AlInN、CsPbBr3/AlN/AlInGaN/AlInGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlN/AlInGaN/AlGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlN/AlInGaN/InGaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlN/AlInGaN/GaN/Cs4PbBr6、CsPbBr3/AlN/AlInGaN/AlInN/Cs4PbBr6、AlN/AlInGaN/AlInGaN、AlGaN/AlInGaN/AlInGaN、AlGaN/AlGaN/AlGaN、AlGaN/AlInGaN/AlInGaN、AlInGaN/AlInGaN/AlInGaN、AlN/AlInGaN/AlGaN、AlN/AlInGaN/InGaN、AlN/AlInGaN/GaN、AlN/AlInGaN/AlInN,AlN/AlInGaN/AlInGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、AlN/AlInGaN/AlGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、AlN/AlInGaN/InGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、AlN/AlInGaN/GaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、AlN/AlInGaN/AlInN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、GaN/AlN/AlInGaN/AlInGaN、GaN/AlN/AlInGaN/AlGaN、GaN/AlN/AlInGaN/InGaN、GaN/AlN/AlInGaN/GaN、GaN/AlN/AlInGaN/AlInN,GaN/AlN/AlInGaN/AlInGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、GaN/AlN/AlInGaN/AlGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、GaN/AlN/AlInGaN/InGaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、GaN/AlN/AlInGaN/GaN/Cs4PbBr6/CsPbBr3、GaN/AlN/AlInGaN/AlInN/Cs4PbBr6/CsPbBr3，形成电子与声子耦合界面，抑制热声子效应，调控热载流子弛豫，热载流子寿命提升1个数量级以上，延缓光学纵模声子的衰减，实现热载流子的快速冷却，减少热载流子被缺陷及深能级俘获和带间转换，提升半导体发光元件的发光效率。
作为上述技术方案的一种改进，所述第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层的In元素强度由SIMS(二次离子质谱仪)测试标定(单位：c/s)，其In元素强度为1E1～1E4c/s。
本发明中，所述第一导电型半导体、多量子阱、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的任意一种或任意组合。
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。
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)
1.一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，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，所述第二导电型半导体和多量子阱之间具有快速热载流子冷却层。
2.如权利要求1所述的一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，其特征在于，所述快速热载流子冷却层由第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层的任意一种或任意组合构成，其中Al元素强度：第三高Al元素强度层≥第一高Al元素强度层≥第二低Al元素强度。
3.如权利要求3所述的一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，其特征在于，所述第一高Al元素强度层的Al元素强度为1E5～1E6c/s,第二低Al元素强度层的Al元素强度为1E5～5E5c/s，第三高Al元素强度层的Al元素强度为1E5～1E6c/s。
4.如权利要求2所述的一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，其特征在于，所述第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层的Mg元素浓度呈梯度变化，Mg元素浓度为：第二低Al元素强度层≥第一高Al元素强度层≥第三高Al元素强度层。
5.如权利要求4所述的一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，其特征在于，所述第一高Al元素强度层的Mg元素浓度为1E19atoms/cm3～1E20atoms/cm3,第二低Al元素强度层的Mg元素浓度为2E19atoms/cm3～1E21atom/cm3,第三高Al元素强度层的Mg元素浓度为1E18atoms/cm3～1E20atoms/cm3。
6.如权利要求2所述的一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，其特征在于，所述第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层的In元素强度为1E1～1E4c/s。
7.如权利要求2所述的一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，其特征在于，所述快速热载流子冷却层中的第一高Al元素强度层、第二低Al元素强度层、第三高Al元素强度层通过Al元素强度梯度变化和Mg元素浓度的梯度变化及其组合变化效应形成电子与声子耦合界面，抑制热声子效应，调控热载流子弛豫，热载流子寿命提升1个数量级以上，延缓光学纵模声子的衰减，实现热载流子的快速冷却，减少热载流子被缺陷及深能级俘获和带间转换，提升半导体发光元件的发光效率。
8.如权利要求1所述的一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，其特征在于，所述快速热载流子冷却层由CsPbBr3、Cs4PbBr6、AlInGaN、AlGaN、InGaN、GaN、AlInN、AlN的任意一种或任意组合制作成超晶格、量子点、核壳量子点、核壳纳米结构。
9.如权利要求1所述的一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，其特征在于，所述第一导电型半导体、多量子阱、快速热载流子冷却层、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的任意一种或任意组合。
10.如权利要求1所述的一种具有热载流子冷却层的半导体发光元件，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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| CN116565079A (zh) * | 2023-03-24 | 2023-08-08 | 淮安澳洋顺昌光电技术有限公司 | 外延结构及其制备方法 |
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