CN114709305A - 一种具有电子散射与空穴加速量子垒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电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、n型半导体，多量子阱、p型半导体，所述多量子阱为量子阱层和量子垒层组成的周期结构，量子垒层为具有电子散射与空穴加速量子垒层，形成与本征极化场方向相反的第二极化场；电子散射与空穴加速量子垒层形成第二极化场增强电子散射，降低电子的动能和漂移速度，使电子减速，提升量子阱对电子的捕获和限制效率，降低电子泄漏，并将空穴势垒拆分为2个以上的较低势垒，势垒高度低约10meV以上，极化场加速空穴往多量子阱跃迁，提升空穴注入效率，从而提升多量子阱的电子空穴辐射复合效率，进而提升发光效率。
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电子散射与空穴加速量子垒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，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，形成本征极化场；该本征极化场沿(001)方向，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电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件，所述多量子阱为量子阱层和量子垒层组成的周期结构，量子垒层为具有电子散射与空穴加速量子垒层，形成与本征极化场方向相反的第二极化场；电子散射与空穴加速量子垒层形成第二极化场增强电子散射，提升量子阱对电子的捕获和限制效率，降低电子泄漏，极化场加速空穴往多量子阱跃迁，提升空穴注入效率，从而提升多量子阱的电子空穴辐射复合效率，进而提升发光效率。
为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种具有电子散射与空穴加速量子垒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、第二导电型半导体，所述多量子阱为量子阱层和量子垒层组成的周期结构，量子垒层为具有电子散射与空穴加速量子垒层，并形成与本征极化场方向相反的第二极化场。
上述技术方案中，所述电子散射与空穴加速量子垒层分为3段以上，其中每段量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度不等于相邻段的量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度，形成非对称结构量子垒层。
上述技术方案中，所述电子散射与空穴加速量子垒层分为3段，分别为第一量子垒层，第二量子垒层和第三量子垒层，所述第二量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度不等于第一量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度,第二量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度不等于第三量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度，第二量子垒层与第一量子垒层、第二量子垒层与第三量子垒层之间产生极化场强差异和极化场势差形成第二极化场，该极化场方向沿(00-1)方向，与本征极化场方向相反，从而抵消本征极化场的作用。
上述技术方案中，所述电子散射与空穴加速量子垒层形成第二极化场增强电子散射，降低电子的动能和漂移速度，使电子减速，提升量子阱对电子的捕获和限制效率，降低电子泄漏，并将空穴势垒拆分为2个以上的较低势垒，势垒高度低约10meV以上，极化场加速空穴往多量子阱跃迁，提升空穴注入效率，从而提升多量子阱的电子空穴辐射复合效率，进而提升发光效率。
上述技术方案中，所述第一量子垒层的禁带宽度和厚度分别为x和a，第二量子垒层的禁带宽度和厚度分别为y和b，第三量子垒层的禁带宽度和厚度分别为z和c，其中0.5≤x、y、z≤8eV，0.5nm≤a、b、c≤20nm，且y≠x,y≠z。
上述技术方案中，所述n型半导体、多量子阱、p型半导体、p型接触层包括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。
上述技术方案中，所述半导体发光元件包括半导体发光二极管、半导体激光二极管、半导体激光器、半导体激光元件。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明设计量子垒层为具有电子散射与空穴加速量子垒层，并形成与本征极化场方向相反的第二极化场，从而抵消本征极化场的作用，能够增强电子散射，降低电子的动能和漂移速度，使电子减速，提升量子阱对电子的捕获和限制效率，降低电子泄漏，加速空穴往多量子阱跃迁，提升空穴注入效率，从而提升多量子阱的电子空穴辐射复合效率，进而提升发光效率。
附图说明
图1是本发明实施例的一种具有电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件的结构示意图；
图2是本发明实施例的电子散射与空穴加速量子垒层的结构示意图。
附图标记：100：衬底；101：第一导电型半导体；102：多量子阱；102a：量子阱层；102b：具有电子散射与空穴加速量子垒层；102b-1：第一量子垒层；102b-2：第二量子垒层；102b-3：第三量子垒层；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，本发明实施例的一种具有电子散射与空穴加速量子垒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；多量子阱102为量子阱层102a和具有电子散射与空穴加速量子垒层102b组成的周期结构，并形成与本征极化场方向相反的第二极化场。
半导体发光元件形成的结构中，n型半导体具有自发极化，且n型半导体与衬底间具有晶格失配形成压电极化，自发极化和压电极化形成沿(001)方向的本征极化场，使n型半导体、多量子阱、p型半导体受到沿(001)方向的本征极化场作用，导致多量子阱的能带倾斜和电子空穴波函数空间分离，形成量子限制Strak效应，降低电子空穴的辐射复合效率。本发明设计量子垒层为具有电子散射与空穴加速量子垒层，并形成与本征极化场方向相反的第二极化场，从而抵消本征极化场的作用，能够增强电子散射，降低电子的动能和漂移速度，使电子减速，提升量子阱对电子的捕获和限制效率，降低电子泄漏，加速空穴往多量子阱跃迁，提升空穴注入效率，从而提升多量子阱的电子空穴辐射复合效率，进而提升发光效率。
作为本发明的其中一种实现方式，如图2所示，所述电子散射与空穴加速量子垒层102b分为3段，分别为第一量子垒层102b-1，第二量子垒层102b-2和第三量子垒层102b-3，所述第二量子垒层102b-2的禁带宽度、极化场强和厚度不等于第一量子垒层102b-1的禁带宽度、极化场强和厚度，第二量子垒层102b-2的禁带宽度、极化场强和厚度不等于第三量子垒层102b-3的禁带宽度、极化场强和厚度，形成非对称结构量子垒层；电子散射与空穴加速量子垒层的这种结构设计使得第二量子垒层与第一量子垒层、第二量子垒层与第三量子垒层之间产生极化场差异和极化场势差形成第二极化场，该极化场方向沿(00-1)方向，即与本征极化场方向相反，从而抵消本征极化场的作用；如此，电子散射与空穴加速量子垒层形成第二极化场而增强电子散射，降低电子的动能和漂移速度，使电子减速，提升量子阱对电子的捕获和限制效率，降低电子泄漏，并将空穴势垒拆分为2个以上的较低势垒，势垒高度低约10meV以上，极化场加速空穴往多量子阱跃迁，提升空穴注入效率，从而提升多量子阱的电子空穴辐射复合效率，进而提升发光效率。
作为上述实现方式的一种优选方式，所述第一量子垒层102b-1的禁带宽度和厚度分别为x和a，第二量子垒层102b-2的禁带宽度和厚度分别为y和b，第三量子垒层102b-3的禁带宽度和厚度分别为z和c，其中0.5≤x、y、z≤8eV，0.5nm≤a、b、c≤20nm，且y≠x,y≠z。
作为上述实现方式的一种优选方式，多量子阱周期的个数为3-100，多量子阱结构内的层数根据应力和电子空穴的平衡注入进行调制选择；所述多量子阱的厚度在1-7nm之间，多量子阱的厚度主要根据实际材料的应力状况和测试波长蓝移情况进行优化，量子垒的厚度靠近N型一侧相对较厚以降低电子的迁移速率，而靠近P型一侧可以考虑较薄以增加空穴的扩散距离。
本发明中，所述n型半导体、多量子阱、p型半导体、p型接触层包括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。
需要说明的是，本发明的半导体发光元件包括但不限于半导体发光二极管、半导体激光二极管、半导体激光器和半导体激光元件等。
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 (8)
1.一种具有电子散射与空穴加速量子垒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、第二导电型半导体，其特征在于，所述多量子阱为量子阱层和量子垒层组成的周期结构，量子垒层为具有电子散射与空穴加速量子垒层，并形成与本征极化场方向相反的第二极化场。
2.如权利要求1所述的一种具有电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件，其特征在于，所述电子散射与空穴加速量子垒层分为3段以上，其中每段量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度不等于相邻段的量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度，形成非对称结构量子垒层。
3.如权利要求2所述的一种具有电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件，其特征在于，所述电子散射与空穴加速量子垒层分为3段，分别为第一量子垒层，第二量子垒层和第三量子垒层，所述第二量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度不等于第一量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度,第二量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度不等于第三量子垒层的禁带宽度、极化场强和厚度，第二量子垒层与第一量子垒层、第二量子垒层与第三量子垒层之间产生极化场强差异和极化场势差形成第二极化场，该极化场方向沿(00-1)方向，与本征极化场方向相反，从而抵消本征极化场的作用。
4.如权利要求3所述的一种具有电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件，其特征在于，所述电子散射与空穴加速量子垒层形成第二极化场增强电子散射，降低电子的动能和漂移速度，使电子减速，提升量子阱对电子的捕获和限制效率，降低电子泄漏，并将空穴势垒拆分为2个以上的较低势垒，势垒高度低约10meV以上，极化场加速空穴往多量子阱跃迁，提升空穴注入效率，从而提升多量子阱的电子空穴辐射复合效率，进而提升发光效率。
5.如权利要求2所述的一种具有电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件，其特征在于，所述第一量子垒层的禁带宽度和厚度分别为x和a，第二量子垒层的禁带宽度和厚度分别为y和b，第三量子垒层的禁带宽度和厚度分别为z和c，其中0.5≤x、y、z≤8eV，0.5nm≤a、b、c≤20nm，且y≠x,y≠z。
6.如权利要求1所述的一种具有电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件，其特征在于，所述n型半导体、多量子阱、p型半导体、p型接触层包括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。
7.如权利要求1所述的一种具有电子散射与空穴加速量子垒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。
8.如权利要求1所述的一种具有电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件，其特征在于，所述半导体发光元件包括半导体发光二极管、半导体激光二极管、半导体激光器、半导体激光元件。
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| CN202210235397.7A Pending CN114709305A (zh) | 2022-03-11 | 2022-03-11 | 一种具有电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件 |
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| CN (1) | CN114709305A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116031755A (zh) * | 2023-02-15 | 2023-04-28 | 江苏第三代半导体研究院有限公司 | 具有空穴加速结构的激光器外延结构以及激光器 |
| CN116365363A (zh) * | 2023-03-22 | 2023-06-30 | 江苏第三代半导体研究院有限公司 | 激光器外延结构及激光器 |
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2022
- 2022-03-11 CN CN202210235397.7A patent/CN114709305A/zh active Pending
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