CN117174796A - 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，包括由下至上依次层叠设置的衬底、n型半导体层、量子阱和p型半导体层，其特征在于，还包括：电子阻挡层；其中，所述电子阻挡层设置在所述量子阱和所述p型半导体层之间。采用本发明实施例，通过在量子阱和p型半导体层设置电子阻挡层，并设计电子阻挡层的电子迁移率小于p型半导体层的电子迁移率，从而通过使电子阻挡层在大电流注入条件下和高温条件下阻挡电子泄漏溢流至p型半导体，提升量子阱的载流子限制效应，实现发光效率的提升。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，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；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元件，以解决现有半导体发光元件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，包括由下至上依次层叠设置的衬底、n型半导体层、量子阱和p型半导体层，还包括：电子阻挡层；
其中，所述电子阻挡层设置在所述量子阱和所述p型半导体层之间；所述电子阻挡层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3和BN中一种或多种组合；所述电子阻挡层的电子迁移率≤所述p型半导体层的电子迁移率。
进一步地，5≤所述电子阻挡层的电子迁移率≤所述p型半导体层的电子迁移率≤所述量子阱的电子迁移率≤4000。
进一步地，所述电子阻挡层的菲利浦电离度≤所述p型半导体层的菲利浦电离度。
进一步地，0.2≤所述电子阻挡层的菲利浦电离度≤所述p型半导体层的菲利浦电离度≤所述量子阱的菲利浦电离度≤0.8。
进一步地，所述p型半导体层的电子亲合能≤所述电子阻挡层的电子亲合能。
进一步地，0.1eV≤所述p型半导体层的电子亲合能≤所述电子阻挡层的电子亲合能≤所述量子阱的电子亲合能≤8eV。
进一步地，所述电子阻挡层的导带有效态密度≤所述p型半导体层的导带有效态密度。
进一步地，5×1017cm-3≤所述量子阱的导带有效态密度≤所述电子阻挡层的导带有效态密度≤所述p型半导体层的导带有效态密度≤8×1018cm-3。
进一步地，所述量子阱具有阱层和垒层组成的周期结构；其中，所述量子阱的周期为1～50；所述量子阱的阱层为InGaN、InN、GaN、AlGaN、AlInGaN和AlInN中的一种或多种组合；所述量子阱的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN和AlN中的一种或多种组合；所述量子阱的阱层的厚度为0.5～10nm；所述量子阱的垒层的厚度为1～60nm。
进一步地，所述n型半导体层和所述p型半导体层均为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3和BN中的一种或多种组合；所述n型半导体层的厚度为0.5～8000nm；所述p型半导体层的厚度为0.5～900nm。
本发明通过在量子阱和p型半导体层设置电子阻挡层，并设计电子阻挡层的电子迁移率小于p型半导体层的电子迁移率，从而通过使电子阻挡层在大电流注入条件下和高温条件下阻挡电子泄漏溢流至p型半导体，提升量子阱的载流子限制效应，实现发光效率的提升；此外，本发明还通过控制电子阻挡层、p型半导体层的菲利浦电离度、电子亲合能和导带有效态密度，以及其与量子阱的菲利浦电离度、电子亲合能和导带有效态密度之间的关系，进一步提升量子阱的载流子限制效应，同时，降低空穴注入量子阱的价带带阶，提升空穴注入量子阱的效率，进而提升内量子效率和热态冷态效率比例，最终实现发光效率的提升。
附图说明
图1为本发明的半导体发光元件的结构示意图；
图2为本发明的半导体发光元件的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：量子阱，103：电子阻挡层，104：p型半导体。
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。
现有半导体发光元件除了因电子溢流、非辐射复合等因素导致发光效率偏低以外，还因具有非中心对称性，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；半导体发光元件的折射率、介电常数等参数大于空气，导致量子阱发出的光出射时的全反射角偏小，光提取效率偏低。为解决以上问题，本发明提供了一种半导体发光元件，具体如下：
请参照图1，为本发明的半导体发光元件的结构示意图，包括由下至上依次层叠设置的衬底100、n型半导体层101、量子阱102和p型半导体层104，还包括：电子阻挡层103；
其中，所述电子阻挡层103设置在所述量子阱102和所述p型半导体层104之间；所述电子阻挡层103为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3和BN中一种或多种组合；所述电子阻挡层103的电子迁移率≤所述p型半导体层104的电子迁移率。
在本实施例中，电子阻挡层103的厚度为0.5～500nm。
在本实施例中，电子阻挡层103可以为多层结构。
进一步地，5≤所述电子阻挡层103的电子迁移率≤所述p型半导体层104的电子迁移率≤所述量子阱102的电子迁移率≤4000。
进一步地，所述电子阻挡层103的菲利浦电离度≤所述p型半导体层104的菲利浦电离度。
进一步地，0.2≤所述电子阻挡层103的菲利浦电离度≤所述p型半导体层104的菲利浦电离度≤所述量子阱102的菲利浦电离度≤0.8。
请参照图2，为本发明的半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图；其中，本发明通过设计电子迁移率和菲利浦电离度，提升电子阻挡层的空穴离化效率和Mg掺溶解度，提升自由空穴浓度，从而提升空穴的注入效率和输运特性。
进一步地，所述p型半导体层104的电子亲合能≤所述电子阻挡层103的电子亲合能。
进一步地，0.1eV≤所述p型半导体层104的电子亲合能≤所述电子阻挡层103的电子亲合能≤所述量子阱102的电子亲合能≤8eV。
进一步地，所述电子阻挡层103的导带有效态密度≤所述p型半导体层104的导带有效态密度。
进一步地，5×1017cm-3≤所述量子阱102的导带有效态密度≤所述电子阻挡层103的导带有效态密度≤所述p型半导体层104的导带有效态密度≤8×1018cm-3。
本发明还通过设计电子亲和能和导带有效态密度，提升该层的电子阻挡势垒，特别是高温条件下的电子溢流，阻挡电子溢流导致的非辐射复合，从而提升内量子效率和热态冷态效率比例。
进一步地，所述量子阱102具有阱层和垒层组成的周期结构；其中，所述量子阱102的周期为1～50；所述量子阱102的阱层为InGaN、InN、GaN、AlGaN、AlInGaN和AlInN中的一种或多种组合；所述量子阱102的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN和AlN中的一种或多种组合；所述量子阱102的阱层的厚度为0.5～10nm；所述量子阱102的垒层的厚度为1～60nm。
进一步地，所述n型半导体层101和所述p型半导体层104均为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3和BN中的一种或多种组合；所述n型半导体层101的厚度为0.5～8000nm；所述p型半导体层104的厚度为0.5～900nm。
在本实施例中，衬底100为蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、GaSb、InSb、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、MgO、尖晶石、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底中的一种。
本发明通过在量子阱和p型半导体层设置电子阻挡层，并设计电子阻挡层的电子迁移率小于p型半导体层的电子迁移率，从而通过使电子阻挡层在大电流注入条件下和高温条件下阻挡电子泄漏溢流至p型半导体，提升量子阱的载流子限制效应，实现发光效率的提升；此外，本发明还通过控制电子阻挡层、p型半导体层的菲利浦电离度、电子亲合能和导带有效态密度，以及其与量子阱的菲利浦电离度、电子亲合能和导带有效态密度之间的关系，进一步提升量子阱的载流子限制效应，同时，降低空穴注入量子阱的价带带阶，提升空穴注入量子阱的效率，进而提升内量子效率和热态冷态效率比例，最终实现发光效率的提升。
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，包括由下至上依次层叠设置的衬底、n型半导体层、量子阱和p型半导体层，其特征在于，还包括：电子阻挡层；
其中，所述电子阻挡层设置在所述量子阱和所述p型半导体层之间；所述电子阻挡层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3和BN中一种或多种组合；所述电子阻挡层的电子迁移率≤所述p型半导体层的电子迁移率。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，5≤所述电子阻挡层的电子迁移率≤所述p型半导体层的电子迁移率≤所述量子阱的电子迁移率≤4000。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述电子阻挡层的菲利浦电离度≤所述p型半导体层的菲利浦电离度。
4.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，0.2≤所述电子阻挡层的菲利浦电离度≤所述p型半导体层的菲利浦电离度≤所述量子阱的菲利浦电离度≤0.8。
5.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述p型半导体层的电子亲合能≤所述电子阻挡层的电子亲合能。
6.如权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于，0.1eV≤所述p型半导体层的电子亲合能≤所述电子阻挡层的电子亲合能≤所述量子阱的电子亲合能≤8eV。
7.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述电子阻挡层的导带有效态密度≤所述p型半导体层的导带有效态密度。
8.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，5×1017cm-3≤所述量子阱的导带有效态密度≤所述电子阻挡层的导带有效态密度≤所述p型半导体层的导带有效态密度≤8×1018cm-3。
9.如权利要求1-8任意一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述量子阱具有阱层和垒层组成的周期结构；其中，所述量子阱的周期为1～50；所述量子阱的阱层为InGaN、InN、GaN、AlGaN、AlInGaN和AlInN中的一种或多种组合；所述量子阱的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN和AlN中的一种或多种组合；所述量子阱的阱层的厚度为0.5～10nm；所述量子阱的垒层的厚度为1～60nm。
10.如权利要求1-8任意一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述n型半导体层和所述p型半导体层均为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3和BN中的一种或多种组合；所述n型半导体层的厚度为0.5～8000nm；所述p型半导体层的厚度为0.5～900nm。
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