CN116682906A - 一种半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光元件，该半导体发光元件包括从下到上依次层叠设置的衬底、n型半导体、浅量子阱、电子尖峰层、量子阱、电子阻挡层和p型半导体，其特征在于，浅量子阱的禁带宽度大于量子阱的禁带宽度；电子尖峰层的Si掺杂浓度大于量子阱的Si掺杂浓度；电子尖峰层的Si掺杂浓度呈倒V型曲线或倒U型曲线分布。采用本发明实施例，通过对浅量子阱与量子阱之间的禁带宽度、电子尖峰层的Si掺杂浓度及其分布趋势的设计，使浅量子阱、电子尖峰层和量子阱形成量子自旋轨道光耦合结构，从而降低量子阱的极化效应和Stark效应，提升空穴注入效率、增强量子阱中电子空穴辐合效率、提升量子阱的光提取效率和半导体发光元件的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光半导体技术领域，尤其涉及一种半导体发光元件。
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、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；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
本发明提供了一种半导体发光元件，以解决现有发光半导体因量子阱的极化效应和量子限制Stark效应导致的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元件，包括从下到上依次层叠设置的衬底、n型半导体、浅量子阱、电子尖峰层、量子阱、电子阻挡层和p型半导体，所述浅量子阱的禁带宽度大于所述量子阱的禁带宽度；
所述电子尖峰层的Si掺杂浓度大于所述量子阱的Si掺杂浓度；
所述电子尖峰层的Si掺杂浓度呈倒V型曲线或倒U型曲线分布。
本发明通过对浅量子阱与量子阱之间的禁带宽度、电子尖峰层的Si掺杂浓度及其分布趋势的设计，使浅量子阱、电子尖峰层和量子阱三者形成量子自旋轨道光耦合结构，从而降低量子阱的极化效应和Stark效应，提升空穴注入效率，进而增强量子阱中电子空穴辐合效率；通过量子自旋轨道光耦合提升量子阱的光提取效率和半导体发光元件的发光效率。
进一步地，所述电子尖峰层的Si/H浓度比例呈倒V型曲线或倒U型曲线分布。
本发明通过对电子尖峰层的Si与H的浓度比例进行设计，从而进一步通过量子自旋轨道光耦合对量子阱的极化效应和Stark效应进行抑制，从而提升了半导体发光元件的发光效率。
进一步地，所述浅量子阱的菲利浦电离度小于所述量子阱的菲利浦电离度；
所述浅量子阱的击穿场强小于所述量子阱的击穿场强；
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5～10个周期。
进一步地，所述量子阱由阱层和垒层组成周期结构，所述量子阱具有5～15个周期；
所述量子阱的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层向所述电子尖峰层线性下降；
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述电子尖峰层向所述电子阻挡层线性下降；其中，所述量子阱的Si掺杂浓度为5×1017～5×1018cm-3；
所述量子阱的Mg掺杂浓度和所述量子阱的Si掺杂浓度的交叉点处于所述量子阱沿所述p型半导体向所述n型半导体方向上的第2～5个周期中。
本发明对量子阱的Mg掺杂浓度、Si掺杂浓度，以及Si掺杂浓度的变化趋势进行控制，进一步增强量子自旋轨道光耦合效果，提升量子阱的光提取效率以及半导体发光元件的发光效率。
进一步地，所述量子阱的Mg掺杂浓度和所述量子阱的Si掺杂浓度在所述交叉点处于1016～2×1017cm-3；
所述量子阱的Mg掺杂浓度和所述量子阱的Si掺杂浓度的交叉点为不具有交叉区域的单点。
本发明通过对Mg掺杂浓度与Si掺杂浓度的交叉点在量子阱层的位置进行控制，进一步增强量子自旋轨道光耦合效果，提升量子阱的光提取效率以及半导体发光元件的发光效率。
进一步地，所述浅量子阱的Si掺杂浓度为5×1017～5×1018cm-3，所述浅量子阱的Si掺杂浓度随所述浅量子阱的厚度变化维持不变；
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述电子尖峰层向所述电子阻挡层线性下降，具体为：
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述电子尖峰层向所述电子阻挡层由2×1018～1019cm-3下降到1016～1017cm-3。
本发明还通过对浅量子阱的Si掺杂浓度及其变化趋势以及量子阱的Si掺杂浓度的变化趋势进行控制，进一步增强量子自旋轨道光耦合效果，提升量子阱的光提取效率以及半导体发光元件的发光效率。
进一步地，所述浅量子阱的C杂质浓度≤5×1016cm-3；
所述电子尖峰层的C杂质浓度≤5×1016cm-3；
所述量子阱的C杂质浓度≤5×1016cm-3。
进一步地，所述浅量子阱的阱层厚度为2.5～4nm；所述浅量子阱的垒层厚度为2.5～4nm。
进一步地，所述量子阱的阱层厚度为3.5～6nm；所述量子阱的垒层厚度为2～4nm；其中，所述量子阱的阱层厚度大于所述量子阱的垒层厚度。
进一步地，所述电子尖峰层的厚度为5～10nm；所述电子尖峰层的Si掺杂浓度为2×1018～1019cm-3。
本发明还通过对浅量子阱、量子阱和电子尖峰层的厚度进行控制，进一步增强量子自旋轨道光耦合效果，提升量子阱的光提取效率以及半导体发光元件的发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的半导体发光元件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元件的一种实施例的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、电子尖峰层，104、量子阱，105、电子阻挡层，106、p型半导体，107、量子自旋轨道光耦合结构。
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元件的一种实施例的结构示意图，其中，该半导体发光元件包括从下到上依次层叠设置的衬底100、n型半导体101、浅量子阱102、电子尖峰层103、量子阱104、电子阻挡层105和p型半导体106，所述浅量子阱102的禁带宽度大于所述量子阱104的禁带宽度；
所述电子尖峰层103的Si掺杂浓度大于所述量子阱104的Si掺杂浓度；
所述电子尖峰层103的Si掺杂浓度呈倒V型曲线或倒U型曲线分布。
现有半导体发光元件除了因量子阱中的极化效应和Stark效应使得发光效率较低外，还因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。而在本实施例中，浅量子阱102、电子尖峰层103和量子阱104组成量子自旋轨道光耦合结构107，其产生的自旋-轨道耦合效应体现为表面波的横向自旋角动量与该表面波的传播方向存在一对一的关联性，可有效降低量子阱104的极化效应和量子限制Strak效应，提升空穴注入效率，增强量子阱104中电子空穴的复合效率。
进一步地，所述电子尖峰层103的Si/H浓度比例呈倒V型曲线或倒U型曲线分布。
本发明通过对电子尖峰层的Si与H的浓度比例进行设计，从而进一步通过量子自旋轨道光耦合对量子阱的极化效应和Stark效应进行抑制，从而提升了半导体发光元件的发光效率。
进一步地，所述浅量子阱102的菲利浦电离度小于所述量子阱104的菲利浦电离度；所述浅量子阱102的击穿场强小于所述量子阱104的击穿场强；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5～10个周期。
在本实施例中，浅量子阱102中的垒层和阱层交替层叠设置，从而浅量子阱102具有多个周期。
进一步地，所述量子阱104由阱层和垒层组成周期结构，所述量子阱104具有5～15个周期；所述量子阱104的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层105向所述电子尖峰层103线性下降；所述量子阱104的Si掺杂浓度从所述电子尖峰层103向所述电子阻挡层105线性下降；其中，所述量子阱104的Si掺杂浓度为5×1017～5×1018cm-3；所述量子阱104的Mg掺杂浓度和所述量子阱104的Si掺杂浓度的交叉点处于所述量子阱104沿所述p型半导体106向所述n型半导体101方向上的第2～5个周期中。
在本实施例中，量子阱104中的垒层和阱层交替层叠设置，从而量子阱104具有多个周期。
本发明对量子阱的Mg掺杂浓度、Si掺杂浓度，以及Si掺杂浓度的变化趋势进行控制，进一步增强量子自旋轨道光耦合效果，提升量子阱的光提取效率以及半导体发光元件的发光效率。
请参照图2，为本发明提供的半导体发光元件的一种实施例的SIMS二次离子质谱图，本发明中的各种掺杂浓度由SIMS二次离子质谱测试得到；其中，所述量子阱104的Mg掺杂浓度和所述量子阱104的Si掺杂浓度在所述交叉点处于1016～2×1017cm-3；所述量子阱104的Mg掺杂浓度和所述量子阱104的Si掺杂浓度的交叉点为不具有交叉区域的单点。
本发明通过对Mg掺杂浓度与Si掺杂浓度的交叉点在量子阱层的位置进行控制，进一步增强量子自旋轨道光耦合效果，提升量子阱的光提取效率以及半导体发光元件的发光效率。
进一步地，所述浅量子阱102的Si掺杂浓度为5×1017～5×1018cm-3，所述浅量子阱102的Si掺杂浓度随所述浅量子阱102的厚度变化维持不变；所述量子阱104的Si掺杂浓度从所述电子尖峰层103向所述电子阻挡层105线性下降，具体为：所述量子阱104的Si掺杂浓度从所述电子尖峰层103向所述电子阻挡层105由2×1018～1019cm-3下降到1016～1017cm-3。
本发明还通过对浅量子阱的Si掺杂浓度及其变化趋势以及量子阱的Si掺杂浓度的变化趋势进行控制，进一步增强量子自旋轨道光耦合效果，提升量子阱的光提取效率以及半导体发光元件的发光效率。
进一步地，所述浅量子阱102的C杂质浓度≤5×1016cm-3；所述电子尖峰层103的C杂质浓度≤5×1016cm-3；所述量子阱104的C杂质浓度≤5×1016cm-3。
进一步地，所述浅量子阱102的阱层厚度为2.5～4nm；所述浅量子阱102的垒层厚度为2.5～4nm。
进一步地，所述量子阱104的阱层厚度为3.5～6nm；所述量子阱104的垒层厚度为2～4nm；其中，所述量子阱104的阱层厚度大于所述量子阱104的垒层厚度。
进一步地，所述电子尖峰层103的厚度为5～10nm；所述电子尖峰层103的Si掺杂浓度为2×1018～1019cm-3。
本发明还通过对浅量子阱、量子阱和电子尖峰层的厚度进行控制，进一步增强量子自旋轨道光耦合效果，提升量子阱的光提取效率以及半导体发光元件的发光效率。
在本实施例中，n型半导体101、浅量子阱102、电子尖峰层103、量子阱104、电子阻挡层105和p型半导体106均包括：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，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复合衬底中的一种。
本发明通过对浅量子阱与量子阱之间的禁带宽度、电子尖峰层的Si掺杂浓度及其分布趋势的设计，使浅量子阱、电子尖峰层和量子阱三者形成量子自旋轨道光耦合结构，从而降低量子阱的极化效应和Stark效应，提升空穴注入效率，进而增强量子阱中电子空穴辐合效率；通过量子自旋轨道光耦合提升量子阱的光提取效率和半导体发光元件的发光效率。
采用本发明实施例，浅量子阱102、电子尖峰层103和量子阱104通过设定浅量子阱102和量子阱104的厚度及厚度比例、禁带宽度差异、特定Si掺杂浓度及浓度梯度、Mg掺杂浓度与Si掺杂浓度的交叉点在量子阱104的位置控制，形成量子自旋轨道光耦合结构107，降低量子阱104的极化效应和量子限制Stark效应，增强量子阱104中电子空穴的复合效率，并通过量子自旋轨道光耦合提升量子阱104的光提取效率，提升发光二极管的发光效率。
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)
1.一种半导体发光元件，包括从下到上依次层叠设置的衬底、n型半导体、浅量子阱、电子尖峰层、量子阱、电子阻挡层和p型半导体，其特征在于，所述浅量子阱的禁带宽度大于所述量子阱的禁带宽度；
所述电子尖峰层的Si掺杂浓度大于所述量子阱的Si掺杂浓度；
所述电子尖峰层的Si掺杂浓度呈倒V型曲线或倒U型曲线分布。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述电子尖峰层的Si/H浓度比例呈倒V型曲线或倒U型曲线分布。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述浅量子阱的菲利浦电离度小于所述量子阱的菲利浦电离度；
所述浅量子阱的击穿场强小于所述量子阱的击穿场强；
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5～10个周期。
4.如权利要求1所述的半导体发光元件，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5～15个周期；
所述量子阱的Mg掺杂浓度从所述电子阻挡层向所述电子尖峰层线性下降；
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述电子尖峰层向所述电子阻挡层线性下降；其中，所述量子阱的Si掺杂浓度为5×1017～5×1018cm-3；
所述量子阱的Mg掺杂浓度和所述量子阱的Si掺杂浓度的交叉点处于所述量子阱沿所述p型半导体向所述n型半导体方向上的第2～5个周期中。
5.如权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于，所述量子阱的Mg掺杂浓度和所述量子阱的Si掺杂浓度在所述交叉点处于1016～2×1017cm-3；
所述量子阱的Mg掺杂浓度和所述量子阱的Si掺杂浓度的交叉点为不具有交叉区域的单点。
6.如权利要求4-5任意一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述浅量子阱的Si掺杂浓度为5×1017～5×1018cm-3，所述浅量子阱的Si掺杂浓度随所述浅量子阱的厚度变化维持不变；
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述电子尖峰层向所述电子阻挡层线性下降，具体为：
所述量子阱的Si掺杂浓度从所述电子尖峰层向所述电子阻挡层由2×1018～1019cm-3下降到1016～1017cm-3。
7.如权利要求1-5任意一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述浅量子阱的C杂质浓度≤5×1016cm-3；
所述电子尖峰层的C杂质浓度≤5×1016cm-3；
所述量子阱的C杂质浓度≤5×1016cm-3。
8.如权利要求1-5任意一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述浅量子阱的阱层厚度为2.5～4nm；所述浅量子阱的垒层厚度为2.5～4nm。
9.如权利要求1-5任意一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述量子阱的阱层厚度为3.5～6nm；所述量子阱的垒层厚度为2～4nm；其中，所述量子阱的阱层厚度大于所述量子阱的垒层厚度。
10.如权利要求1-5任意一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述电子尖峰层的厚度为5～10nm；所述电子尖峰层的Si掺杂浓度为2×1018～1019cm-3。
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