CN116666509A - 一种半导体发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光二极管，该二极管包括从下到上一次层叠设置的衬底、n型半导体、浅量子阱、量子阱、电子阻挡层和p型半导体；量子阱由阱层和垒层组成周期结构，量子阱具有若干个周期；量子阱的Si掺杂浓度从浅量子阱向电子阻挡层方向的第一预设周期内逐渐下降；量子阱的Mg掺杂浓度从电子阻挡层向浅量子阱方向的第二预设周期内逐渐下降；量子阱中具有Si掺杂和Mg掺杂的交叉区域。采用本发明实施例，通过浅量子阱、量子阱和电子阻挡层形成狄拉克量子隧穿结构，使得电子和空穴在该狄拉克量子隧穿结构中无法通过扩散和漂移在量子阱中跃迁，进而使得电子和空穴仅通过狄拉克量子隧穿进行跃迁和辐射。
Description
技术领域
本发明涉及及半导体光电器件技术领域，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果，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。
发明内容
本发明提供了一种半导体发光二极管，以解决现有半导体发光二极管因大量电子从多量子阱溢出导致空穴注入多量子阱的效率低以至于多量子阱发光效率低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种半导体发光二极管，包括从下到上一次层叠设置的衬底、n型半导体、浅量子阱、量子阱、电子阻挡层和p型半导体，所述量子阱由阱层和垒层组成周期结构，所述量子阱具有若干个周期；
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述浅量子阱向所述电子阻挡层方向的第一预设周期内逐渐下降；
所述量子阱的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层向所述浅量子阱方向的第二预设周期内逐渐下降；
所述量子阱中具有Si掺杂和Mg掺杂的交叉区域。
本发明通过浅量子阱、量子阱和电子阻挡层，以及量子阱中的Si掺杂浓度从浅量子阱向电子阻挡层、Mg掺杂浓度从电子阻挡层向浅量子阱逐渐降低，从而形成狄拉克量子隧穿结构，使得电子和空穴在该狄拉克量子隧穿结构中无法通过扩散和漂移在量子阱中跃迁，进而使得电子和空穴仅通过狄拉克量子隧穿进行跃迁和辐射，避免了电子从量子阱溢出和空穴注入量子阱效率低的问题，提高了量子阱的发光效率。
进一步地，所述若干个周期大于等于8个周期；所述第一预设周期为3～4个周期；所述第二预设周期为4～6个周期；
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述浅量子阱向所述电子阻挡层方向的第一预设周期内逐渐下降，具体为：
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述浅量子阱向所述电子阻挡层方向的3～4个周期内由1018～1019cm-3呈指数下降至1014～5×1016cm-3；
所述量子阱的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层向所述浅量子阱方向的第二预设周期内逐渐下降，具体为：
所述量子阱的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层向所述浅量子阱方向的4～6个周期内由5×1018～1020cm-3呈指数下降至1014～5×1016cm-3。
本发明还对Si掺杂浓度和Mg掺杂浓度变化趋势的调节进一步对狄拉克量子隧穿结构进行控制，从而进一步控制电子和空穴的跃迁和辐射以提高量子阱的发光效率。
进一步地，所述交叉区域在所述量子阱中具有4～10个周期；所述交叉区域的Mg掺杂的浓度和所述交叉区域的Si掺杂浓度均为1014～5×1016cm-3；所述交叉区域的厚度为20～100nm。
本发明还通过交叉区域的掺杂浓度和厚度的调节，进一步通过狄拉克量子隧穿结构对电子在量子阱的跃迁和漂移进行控制。
进一步地，所述浅量子阱由阱层和垒层组成周期结构，所述浅量子阱具有5～30个周期；所述浅量子阱的禁带宽度大于所述量子阱的禁带宽度；所述浅量子阱的Si掺杂浓度为5×1017～1019cm-3。
本发明还通过对浅量子阱的厚度、周期以及禁带宽度进行调节，从而进一步将电子和空穴限制在量子阱中，降低非辐射符合几率，提高量子阱发光效率。
进一步地，所述浅量子阱的Si掺杂浓度为1018～1019cm-3，Si掺杂浓度随所述浅量子阱的厚度变化呈倒U型分布。
在本实施例中，通过对浅量子阱的Si掺杂浓度和浅量子阱Si掺杂浓度的变化趋势的设计，进一步增强狄拉克量子隧穿结构的量子隧穿效果，从而将电子和空穴进一步限制在量子阱中。
进一步地，所述电子阻挡层的Mg掺杂浓度从p型半导体向量子阱方向由1020～1021cm-3呈双梯度线性下降至5×1018～5×1019cm-3；所述电子阻挡层的厚度为5～50nm。
进一步地，所述浅量子阱的阱层厚度为1～2.5nm；所述浅量子阱的垒层厚度为1～2.5nm。
进一步地，所述量子阱的阱层厚度为3.5～7nm；所述量子阱的垒层厚度为2～4nm。
进一步地，所述浅量子阱的C掺杂浓度和所述量子阱的C掺杂浓度处于1016～5×1017cm-3；所述浅量子阱的Si/C浓度比例分布呈倒U型；所述浅量子阱的Si/O浓度比例分布呈倒U型。
进一步地，所述量子阱中的C杂质浓度从电子阻挡层向量子阱方向由1017～1018cm-3呈线性下降至1016～1017cm-3；所述浅量子阱中的C杂质浓度处于1016～1017cm-3。
本发明还通过量子阱和浅量子阱的C掺杂浓度以及Si与C、Si与O之间的浓度比进行控制，进一步增强狄拉克隧穿结构的量子隧穿效果。
附图说明
图1为本发明提供的半导体发光二极管的一种实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的半导体发光二极管的一种实施例的SIMS二次离子质谱图；
其中，说明书附图的附图标记如下：
100、衬底，101、n型半导体，102、浅量子阱，103、量子阱，104、电子阻挡层，105、p型半导体，106、狄拉克量子隧穿结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，为本发明提供的半导体发光二极管的一种实施例的结构示意图，其中，该半导体发光二极管，包括从下到上一次层叠设置的衬底100、n型半导体101、浅量子阱102、量子阱103、电子阻挡层104和p型半导体105，所述量子阱103由阱层和垒层组成周期结构，所述量子阱103具有若干个周期；
所述量子阱103的Si掺杂浓度从所述浅量子阱102向所述电子阻挡层104方向的第一预设周期内逐渐下降；
所述量子阱103的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层104向所述浅量子阱102方向的第二预设周期内逐渐下降；
所述量子阱103中具有Si掺杂和Mg掺杂的交叉区域。
现有技术除了因晶格失配等因素引发的电子溢出量子阱103以及空穴难以有效注入量子阱103的问题外，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果，形成本征极化场；该本征极化场沿(001)方向，使多量子阱103层产生较强的量子限制Stark效果，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。在本实施例中，量子阱103中Si掺杂浓度和Mg掺杂浓度沿特定方向和周期的变化形成交叉区域，结合浅量子阱102和电子阻挡层104共同够成狄拉克量子隧穿结构106，从而利用量子隧穿效果阻止量子阱103中的电子通过扩散和漂移而发生跃迁，使电子和空穴仅通过狄拉克量子隧穿进行跃迁和辐合辐射，减少电子溢流到p型半导体105的非辐射复合几率，提高了半导体发光二极管的发光效率。
请参照图2，为本发明提供的半导体发光二极管的一种实施例的SIMS二次离子质谱图，所述若干个周期大于等于8个周期；所述第一预设周期为3～4个周期；所述第二预设周期为4～6个周期；
所述量子阱103的Si掺杂浓度从所述浅量子阱102向所述电子阻挡层104方向的第一预设周期内逐渐下降，具体为：
所述量子阱103的Si掺杂浓度从所述浅量子阱102向所述电子阻挡层104方向的3～4个周期内由1018～1019cm-3呈指数下降至1014～5×1016cm-3；
所述量子阱103的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层104向所述浅量子阱102方向的第二预设周期内逐渐下降，具体为：
所述量子阱103的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层104向所述浅量子阱102方向的4～6个周期内由5×1018～1020cm-3呈指数下降至1014～5×1016cm-3。
在本实施例中，量子阱103的若干个周期优选为8～20个周期。
本发明还对Si掺杂浓度和Mg掺杂浓度变化趋势的调节进一步对狄拉克量子隧穿结构进行控制，从而进一步控制电子和空穴的跃迁和辐射以提高量子阱的发光效率。
进一步地，所述交叉区域在所述量子阱103中具有4～10个周期；所述交叉区域的Mg掺杂的浓度和所述交叉区域的Si掺杂浓度均为1014～5×1016cm-3；所述交叉区域的厚度为20～100nm。
本发明还通过交叉区域的掺杂浓度和厚度的调节，进一步通过狄拉克量子隧穿结构对电子在量子阱的跃迁和漂移进行控制。
进一步地，所述浅量子阱102由阱层和垒层组成周期结构，所述浅量子阱102具有5～30个周期；所述浅量子阱102的禁带宽度大于所述量子阱103的禁带宽度；所述浅量子阱102的Si掺杂浓度为5×1017～1019cm-3。
在本实施例中，浅量子阱102的电子迁移率小于量子阱103的电子迁移率；浅量子阱102的导带有效态密度大于量子阱103的导带有效态密度；浅量子阱102的电子亲和能小于量子阱103的电子亲和能。进一步通过实现狄拉克量子隧穿结构106控制量子隧穿效果，使电子和空穴均无法通过扩散和漂移在量子阱103中跃迁，只能通过狄拉克量子隧穿进行跃迁和辐射复合，有利于将大多数电子空穴限制在量子阱103中，并减少电子溢流到p型半导体105的非辐射复合几率。
本发明还通过对浅量子阱的厚度、周期以及禁带宽度进行调节，从而进一步将电子和空穴限制在量子阱中，降低非辐射符合几率，提高量子阱发光效率。
进一步地，所述浅量子阱102的Si掺杂浓度为1018～1019cm-3，Si掺杂浓度随所述浅量子阱102的厚度变化呈倒U型分布。
在本实施例中，所述量子阱103、浅量子阱102和电子阻挡层104通过设计量子阱103中的Mg掺杂指数下降、Si掺杂指数下降以及Mg掺杂与Si掺杂的交叉区域为1014～5×1016cm-3构成狄拉克量子隧穿结构106，该区域的电子和空穴均无法通过扩散和漂移在量子阱103中跃迁，只能通过狄拉克量子隧穿进行跃迁和辐射复合，有利于将大多数电子空穴限制在量子阱103中，并减少电子溢流到p型半导体105的非辐射复合几率，提升半导体发光二极管的发光效率。
进一步地，所述电子阻挡层104的Mg掺杂浓度从p型半导体105向量子阱103方向由1020～1021cm-3呈双梯度线性下降至5×1018～5×1019cm-3；所述电子阻挡层104的厚度为5～50nm。
在本实施例中，通过设计电子阻挡层104中的Mg掺杂浓度和变化趋势，进一步增强狄拉克量子隧穿结构106的量子隧穿效果。
进一步地，所述浅量子阱102的阱层厚度为1～2.5nm；所述浅量子阱102的垒层厚度为1～2.5nm。
进一步地，所述量子阱103的阱层厚度为3.5～7nm；所述量子阱103的垒层厚度为2～4nm。
在本实施例中，量子阱103的阱层厚度≥量子阱103的垒层厚度，从而进一步加强狄拉克量子隧穿结构106的量子隧穿效果。
进一步地，所述浅量子阱102的C掺杂浓度和所述量子阱103的C掺杂浓度处于1016～5×1017cm-3；所述浅量子阱102的Si/C浓度比例分布呈倒U型；所述浅量子阱102的Si/O浓度比例分布呈倒U型。
在本实施例中，浅量子阱102中的C杂质浓度保持基本不变。
进一步地，所述量子阱103中的C杂质浓度从电子阻挡层104向量子阱103方向由1017～1018cm-3呈线性下降至1016～1017cm-3；所述浅量子阱102中的C杂质浓度处于1016～1017cm-3。
在本实施例中，量子阱103中的C杂质浓度保持基本不变。
在实施例中，通过设计浅量子阱102的Si掺杂浓度分布、Si/C浓度比例分布、Si/O浓度比例分布，进一步增强狄拉克量子隧穿结构106的量子隧穿效果。
在本实施例中，n型半导体101、浅量子阱102、电子尖峰层、量子阱103、电子阻挡层104和p型半导体105，包括：GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP和InGaP中的一种或多种组合。
在本实施例中，所述衬底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/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2中的一种或多种组合。
本发明通过浅量子阱、量子阱和电子阻挡层，以及量子阱中的Si掺杂浓度从浅量子阱向电子阻挡层、Mg掺杂浓度从电子阻挡层向浅量子阱逐渐降低，从而形成狄拉克量子隧穿结构，使得电子和空穴在该狄拉克量子隧穿结构中无法通过扩散和漂移在量子阱中跃迁，进而使得电子和空穴仅通过狄拉克量子隧穿进行跃迁和辐射，避免了电子从量子阱溢出和空穴注入量子阱效率低的问题，提高了量子阱的发光效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体发光二极管，包括从下到上一次层叠设置的衬底、n型半导体、浅量子阱、量子阱、电子阻挡层和p型半导体，其特征在于，所述量子阱由阱层和垒层组成周期结构，所述量子阱具有若干个周期；
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述浅量子阱向所述电子阻挡层方向的第一预设周期内逐渐下降；
所述量子阱的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层向所述浅量子阱方向的第二预设周期内逐渐下降；
所述量子阱中具有Si掺杂和Mg掺杂的交叉区域。
2.如权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述若干个周期大于等于8个周期；所述第一预设周期为3～4个周期；所述第二预设周期为4～6个周期；
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述浅量子阱向所述电子阻挡层方向的第一预设周期内逐渐下降，具体为：
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述浅量子阱向所述电子阻挡层方向的3～4个周期内由1018～1019cm-3呈指数下降至1014～5×1016cm-3；
所述量子阱的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层向所述浅量子阱方向的第二预设周期内逐渐下降，具体为：
所述量子阱的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层向所述浅量子阱方向的4～6个周期内由5×1018～1020cm-3呈指数下降至1014～5×1016cm-3。
3.如权利要求2所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述交叉区域在所述量子阱中具有4～10个周期；所述交叉区域的Mg掺杂的浓度和所述交叉区域的Si掺杂浓度均为1014～5×1016cm-3；所述交叉区域的厚度为20～100nm。
4.如权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述浅量子阱由阱层和垒层组成周期结构，所述浅量子阱具有5～30个周期；所述浅量子阱的禁带宽度大于所述量子阱的禁带宽度；所述浅量子阱的Si掺杂浓度为5×1017～1019cm-3。
5.如权利要求4所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述浅量子阱的Si掺杂浓度为1018～1019cm-3，Si掺杂浓度随所述浅量子阱的厚度变化呈倒U型分布。
6.如权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述电子阻挡层的Mg掺杂浓度从p型半导体向量子阱方向由1020～1021cm-3呈双梯度线性下降至5×1018～5×1019cm-3；所述电子阻挡层的厚度为5～50nm。
7.如权利要求1-6任意一项所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述浅量子阱的阱层厚度为1～2.5nm；所述浅量子阱的垒层厚度为1～2.5nm。
8.如权利要求1-6任意一项所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述量子阱的阱层厚度为3.5～7nm；所述量子阱的垒层厚度为2～4nm。
9.如权利要求1-6任意一项所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述浅量子阱的C掺杂浓度和所述量子阱的C掺杂浓度处于1016～5×1017cm-3；所述浅量子阱的Si/C浓度比例分布呈倒U型；所述浅量子阱的Si/O浓度比例分布呈倒U型。
10.如权利要求1-6任意一项所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述量子阱中的C杂质浓度从电子阻挡层向量子阱方向由1017～1018cm-3呈线性下降至1016～1017cm-3；所述浅量子阱中的C杂质浓度处于1016～1017cm-3。
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