CN116230819A - 一种半导体发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种半导体发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、超晶格层、浅量子阱层、量子阱层、第一p型半导体层和第二p型半导体层；所述第一p型半导体层的Mg掺杂浓度、Al含量、H杂质浓度、C杂质浓度和O杂质浓度均向量子阱层方向呈下降趋势，所述量子阱层的Si掺杂浓度向第一p型半导体层方向呈下降趋势，所述量子阱层的Al含量向浅量子阱层方向呈下降趋势，所述浅量子阱层的Al含量向超晶格层方向呈下降趋势，形成空穴注入与量子限制结构。本发明降低量子阱层的极化效应，提升量子阱层的空穴注入效率和量子限制效果，提升电子空穴波函数的交叠几率和电子空穴辐射复合效率，提升半导体发光二极管的内量子效率和发光效率。
Description
技术领域
本申请涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种半导体发光二极管。
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、应用场景多、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、Mini-LED、Micro-LED、手机电视背光、背光照明、路灯、汽车大灯、车日行灯、车内氛围灯、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2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；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，进而影响半导体发光元件的发光效率。
发明内容
为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种半导体发光二极管。
本发明实施例提供了一种半导体发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、超晶格层、浅量子阱层、量子阱层、第一p型半导体层和第二p型半导体层；
所述第一p型半导体层的Mg掺杂浓度、Al含量、H杂质浓度、C杂质浓度和O杂质浓度均向量子阱层方向呈下降趋势，所述量子阱层的Si掺杂浓度向第一p型半导体层方向呈下降趋势，所述量子阱层的Al含量向浅量子阱层方向呈下降趋势，所述浅量子阱层的Al含量向超晶格层方向呈下降趋势；
所述第一p型半导体层、量子阱层、浅量子阱层和超晶格层形成空穴注入与量子限制结构。
优选地，浅量子阱层向超晶格层方向的Al含量下降角度γ≤第一p型半导体层向量子阱层方向的Al含量下降角度α≤量子阱层向浅量子阱层方向的Al含量下降角度β。
优选地，第一p型半导体层向量子阱层方向的Al含量下降角度α：30°≤α≤85°，量子阱层向浅量子阱层方向的Al含量下降角度β：30°≤β≤85°，浅量子阱层向超晶格层方向的Al含量下降角度γ：15°≤γ≤85°。
优选地，O杂质浓度下降角度ψ≤C杂质浓度下降角度δ≤H杂质浓度下降角度ε。
优选地，O杂质浓度下降角度ψ：15°≤ψ≤85°，C杂质浓度下降角度为δ：15°≤δ≤85°，H杂质浓度下降角度为ε：15°≤ε≤85°。
优选地，所述第一p型半导体层和第二p型半导体层包含GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合；所述第一p型半导体层的厚度为a：5埃米≤a≤1000埃米；所述第二p型半导体层的厚度为b：50埃米≤b≤1000埃米。
优选地，所述n型半导体层、浅量子阱层、量子阱层包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
优选地，所述量子阱层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述量子阱层的周期数为x：3≤x≤30，所述量子阱层的阱层厚度为c：10埃米≤a≤60埃米，所述量子阱层的垒层厚度d：10埃米≤b≤150埃米。
优选地，所述浅量子阱层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述浅量子阱层的周期数为y：1≤y≤30，所述浅量子阱层的阱层厚度为e：5埃米≤c≤40埃米，所述浅量子阱层的垒层厚度f：10埃米≤d≤200埃米。
优选地，所述超晶格层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述超晶格层的周期数为z：1≤z≤30，所述超晶格层的阱层厚度为g：5埃米≤c≤40埃米，所述超晶格层的垒层厚度h：10埃米≤d≤500埃米。
本发明的有益效果如下：本发明通过设计量子阱层和第一p型半导体层界面的Mg掺杂浓度、Si掺杂浓度、H杂质浓度、C杂质浓度、O杂质浓度变化，以及第一p型半导体层、量子阱层、浅量子阱层、超晶格层的Al含量变化，形成空穴注入与量子限制结构，降低量子阱层的极化效应，提升量子阱层的空穴注入效率和量子限制效果，提升电子空穴波函数的交叠几率和电子空穴辐射复合效率，提升半导体发光二极管的内量子效率和发光效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的半导体发光二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的半导体发光二极管的SIMS二次离子质谱图；
图3为图2的局部放大图；
图4为本发明实施例所述的半导体发光二极管的TEM透射电镜图。
附图标记：
100、衬底，101、n型半导体层，102、超晶格层，103、浅量子阱层，104、量子阱层，105、第一p型半导体层，106、第二p型半导体层，107、空穴注入与量子限制结构。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1至图4所示，本实施例提出一种半导体发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底100、n型半导体层101、超晶格层102、浅量子阱层103、量子阱层104、第一p型半导体层105和第二p型半导体层106。
具体的，如图2和图3所示，本实施例中，第一p型半导体层105的Mg掺杂浓度、Al含量、H杂质浓度、C杂质浓度和O杂质浓度均向量子阱层104方向呈下降趋势，量子阱层104的Si掺杂浓度向第一p型半导体层105方向呈下降趋势，量子阱层104的Al含量向浅量子阱层103方向呈下降趋势，浅量子阱层103的Al含量向超晶格层102方向呈下降趋势。
本实施例中，超晶格层102、浅量子阱层103、量子阱层104和第一p型半导体层105组成空穴注入与量子限制结构107。通过设定空穴注入与量子限制结构107中量子阱层104和第一p型半导体层105界面的Mg掺杂浓度、Si掺杂浓度、H杂质浓度、C杂质浓度、O杂质浓度变化，以及第一p型半导体层105、量子阱层104、浅量子阱层103、超晶格层102的Al含量变化，降低量子阱层104的极化效应，提升量子阱层104的空穴注入效率和量子限制效果，提升电子空穴波函数的交叠几率和电子空穴辐射复合效率，提升半导体发光二极管的内量子效率和发光效率。
更具体的，本实施例中，Mg掺杂浓度下降角度为φ：30°≤φ≤85°。Si掺杂浓度下降角度为θ：30°≤θ≤85°。浅量子阱层103向超晶格层102方向的Al含量下降角度γ≤第一p型半导体层105向量子阱层104方向的Al含量下降角度α≤量子阱层104向浅量子阱层103方向的Al含量下降角度β。其中，第一p型半导体层105向量子阱层104方向的Al含量下降角度α：30°≤α≤85°，量子阱层104向浅量子阱层103方向的Al含量下降角度β：30°≤β≤85°，浅量子阱层103向超晶格层102方向的Al含量下降角度γ：15°≤γ≤85°。O杂质浓度下降角度ψ≤C杂质浓度下降角度δ≤H杂质浓度下降角度ε。其中，O杂质浓度下降角度ψ：15°≤ψ≤85°，C杂质浓度下降角度为δ：15°≤δ≤85°，H杂质浓度下降角度为ε：15°≤ε≤85°。通过进一步限定Mg掺杂浓度下降角度、Si掺杂浓度下降角度、H杂质浓度下降角度、C杂质浓度下降角度、O杂质浓度下降角度以及第一p型半导体层105、量子阱层104、浅量子阱层103和超晶格层102的Al含量下降角度，进一步降低量子阱层104的极化效应。
进一步的，本实施例中，第一p型半导体层105的厚度为a：5埃米≤a≤1000埃米。第二p型半导体层106的厚度为b：50埃米≤b≤1000埃米。该第一p型半导体层105和第二p型半导体层106包含GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合。
量子阱层104为由阱层和垒层组成的周期结构，量子阱层104的周期数为x：3≤x≤30，量子阱层104的阱层厚度为c：10埃米≤a≤60埃米，量子阱层104的垒层厚度d：10埃米≤b≤150埃米。
浅量子阱层103为由阱层和垒层组成的周期结构，浅量子阱层103的周期数为y：1≤y≤30，浅量子阱层103的阱层厚度为e：5埃米≤c≤40埃米，浅量子阱层103的垒层厚度f：10埃米≤d≤200埃米。
超晶格层102为由阱层和垒层组成的周期结构，超晶格层102的周期数为z：1≤z≤30，超晶格层102的阱层厚度为g：5埃米≤c≤40埃米，超晶格层102的垒层厚度h：10埃米≤d≤500埃米。
其中，n型半导体、浅量子阱、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的任意一种或任意组合。
衬底100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/SiO2复合衬底/SiNx、蓝宝石/AlN复合衬底/SiO2复合衬底/SiNx、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。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种半导体发光二极管，其特征在于，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、超晶格层、浅量子阱层、量子阱层、第一p型半导体层和第二p型半导体层；
所述第一p型半导体层的Mg掺杂浓度、Al含量、H杂质浓度、C杂质浓度和O杂质浓度均向量子阱层方向呈下降趋势，所述量子阱层的Si掺杂浓度向第一p型半导体层方向呈下降趋势，所述量子阱层的Al含量向浅量子阱层方向呈下降趋势，所述浅量子阱层的Al含量向超晶格层方向呈下降趋势；
所述第一p型半导体层、量子阱层、浅量子阱层和超晶格层形成空穴注入与量子限制结构。
2.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，浅量子阱层向超晶格层方向的Al含量下降角度γ≤第一p型半导体层向量子阱层方向的Al含量下降角度α≤量子阱层向浅量子阱层方向的Al含量下降角度β。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光二极管，其特征在于，第一p型半导体层向量子阱层方向的Al含量下降角度α：30°≤α≤85°，量子阱层向浅量子阱层方向的Al含量下降角度β：30°≤β≤85°，浅量子阱层向超晶格层方向的Al含量下降角度γ：15°≤γ≤85°。
4.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，O杂质浓度下降角度ψ≤C杂质浓度下降角度δ≤H杂质浓度下降角度ε。
5.根据权利要求1或4所述的半导体发光二极管，其特征在于，O杂质浓度下降角度ψ：15°≤ψ≤85°，C杂质浓度下降角度为δ：15°≤δ≤85°，H杂质浓度下降角度为ε：15°≤ε≤85°。
6.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述第一p型半导体层和第二p型半导体层包含GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合；所述第一p型半导体层的厚度为a：5埃米≤a≤1000埃米；所述第二p型半导体层的厚度为b：50埃米≤b≤1000埃米。
7.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述n型半导体层、浅量子阱层、量子阱层包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
8.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述量子阱层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述量子阱层的周期数为x：3≤x≤30，所述量子阱层的阱层厚度为c：10埃米≤a≤60埃米，所述量子阱层的垒层厚度d：10埃米≤b≤150埃米。
9.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述浅量子阱层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述浅量子阱层的周期数为y：1≤y≤30，所述浅量子阱层的阱层厚度为e：5埃米≤c≤40埃米，所述浅量子阱层的垒层厚度f：10埃米≤d≤200埃米。
10.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述超晶格层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述超晶格层的周期数为z：1≤z≤30，所述超晶格层的阱层厚度为g：5埃米≤c≤40埃米，所述超晶格层的垒层厚度h：10埃米≤d≤500埃米。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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