CN117525228A - 一种半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体、超晶格层、量子阱和p型半导体，所述量子阱具有In元素分布、Al元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性，所述超晶格层具有Al元素分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性。本发明能够有效降低紫外发光二极管的极化效率和量子限制stark效应，减少量子阱能带倾斜，提升量子阱中电子空穴复合效率；同时，改善量子阱的晶体质量，降低量子阱的非辐射复合中心，将波长360‑375nm的紫外发光二极管的老化光衰从1000H光衰10～30％降低至10％以内，改善紫外发光二极管的可靠性。
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紫光、紫外、深紫外发光二极管。
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，蓝光(发光波长440-460nm)和绿光(发光波长520-540nm)搭配荧光粉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。
紫外发光二极管(发光波长350-420nm)UVA波段可应用于3D固化、美甲固化、光疗、皮肤治疗、植物照明等应用领域。半导体紫外发光二极管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；半导体紫外发光二极管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。与传统半导体蓝光发光二极管不同，半导体紫外发光二极管因波长较短，量子阱的In含量较低，无法在量子阱区域形成In组分涨落的量子限制效应，导致量子阱的电子空穴局域效应较弱，进一步加剧电子空穴不匹配。
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紫光、紫外、深紫外发光二极管。
本发明实施例提供了一种半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体、超晶格层、量子阱和p型半导体，所述量子阱具有In元素分布、Al元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性，所述超晶格层具有Al元素分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性。
优选地，所述量子阱的In元素分布具有正弦函数y＝Asin(Bx+C)+D的曲线分布；
所述量子阱的Al元素分布具有余弦函数y＝Ecosn(Fx+G)+H的曲线分布；
所述量子阱的C元素分布和O元素分布具有正弦函数y＝Isin(Jx+K)+L的曲线分布；
其中：I≤E≤A，L≤D≤H。
优选地，所述p型半导体和量子阱的Mg掺杂浓度分布结合具有函数y＝x2-ex曲线分布；
所述量子阱的Si掺杂浓度小于5E16cm-3；
所述量子阱的H元素分布具有函数y＝(ex+e-x)/(ex-e-x)第一象限曲线分布。
优选地，所述量子阱由阱层和垒层组成的周期结构，量子阱周期为q:3≤q≤15，阱层为InGaN、AlInGaN、AlInN、GaN、AlGaN的任意一种或任意组合，阱层厚度为50埃米至150埃米，垒层为GaN、AlInGaN、AlGaN、AlN的任意一种或任意组合，厚度为50埃米至200埃米，且所述量子阱的垒层厚度大于等于量子阱的阱层厚度。
优选地，所述量子阱发出的紫外光波长为360nm至375nm。
优选地，所述超晶格层的Si掺杂元素分布具有y＝ex+e-x曲线分布；
所述超晶格层的Al元素分布具有函数y＝(ax-1)/(ax+1)(0<a<1)曲线分布。
优选地，所述超晶格层的C元素分布、H元素分布和O元素分布为常数函数分布，C元素分布和O元素分布在5E15cm-3至1E17cm-3之间，H元素分布在1E17cm-3至1E18cm-3之间。
优选地，所述超晶格层为阱层和垒层组成的周期结构，周期为p：5≤p≤30；所述超晶格层阱层为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或任意组合，超晶格层阱层厚度为20埃米至100埃米；超晶格层垒层为AlGaN、AlN、AlInGaN、GaN的任意一种或任意组合，超晶格层垒层厚度为5埃米至60埃米；所述超晶格的阱层厚度大于等于超晶格的垒层厚度。
优选地，所述n型半导体、p型半导体包括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。
本发明的有益效果如下：本发明通过对量子阱的In元素分布、Al元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性以及超晶格层的Al元素分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性进行设计，能够有效降低紫外发光二极管的极化效率和量子限制stark效应，减少量子阱能带倾斜，提升量子阱中电子空穴复合效率；同时，改善量子阱的晶体质量，降低量子阱的非辐射复合中心，将波长360-375nm的紫外发光二极管的老化光衰从1000H光衰10～30％降低至10％以内，改善紫外发光二极管的可靠性。
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紫光、紫外、深紫外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紫光、紫外、深紫外发光二极管的SIMS二次离子质谱图；
图3为本发明实施例所述的半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管的超晶格层TEM透射电镜图；
图4为本发明实施例所述的半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管的量子阱TEM透射电镜图。
附图标记：
100、衬底，101、n型半导体，102、超晶格层，103、量子阱，104、p型半导体。
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紫光、紫外、深紫外发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底100、n型半导体101、超晶格层102、量子阱103和p型半导体104，其中，在该量子阱103和超晶格层102中具有特定的多种元素的分布特性。
具体的，本实施例中，半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管从下至上依次设置衬底100、n型半导体101、超晶格层102、量子阱103和p型半导体104。其中，超晶格层102和量子阱103均为阱层和垒层组成的周期结构。量子阱103发出的紫外光波长为360nm至375nm。在该量子阱103中具有In元素分布、Al元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性。在该超晶格层102中具有Al元素分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性。
更具体的，本实施例中，量子阱103中的In元素分布、Al元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性具体为：
量子阱103的In元素分布具有正弦函数y＝Asin(Bx+C)+D的曲线分布；
量子阱103的Al元素分布具有余弦函数y＝Ecosn(Fx+G)+H的曲线分布；
量子阱103的C元素分布和O元素分布具有正弦函数y＝Isin(Jx+K)+L的曲线分布，其中：I≤E≤A，L≤D≤H；
p型半导体104和量子阱103的Mg掺杂浓度分布结合具有函数y＝x2-ex曲线分布；
量子阱103的Si掺杂浓度小于5E16cm-3；
量子阱103的H元素分布具有函数y＝(ex+e-x)/(ex-e-x)第一象限曲线分布。
本实施例中，超晶格层102中的Al元素分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性具体为：
超晶格层102的Si掺杂元素分布具有y＝ex+e-x曲线分布；
超晶格层102的Al元素分布具有函数y＝(ax-1)/(ax+1)(0<a<1)曲线分布；
超晶格层102的C元素分布、H元素分布和O元素分布为常数函数分布，C元素分布和O元素分布在5E15cm-3至1E17cm-3之间，H元素分布在1E17cm-3至1E18cm-3之间。
本实施例通过对量子阱103的In元素分布、Al元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性以及超晶格层102的Al元素分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性进行设计，能够有效降低紫外发光二极管的极化效率和量子限制stark效应，减少量子阱103能带倾斜，提升量子阱103中电子空穴复合效率；同时，改善量子阱103的晶体质量，降低量子阱103的非辐射复合中心，将波长360-375nm的紫外发光二极管的老化光衰从1000H光衰10～30％降低至10％以内，改善紫外发光二极管的可靠性。
进一步的，量子阱103由阱层和垒层组成的周期结构，量子阱103周期为q:3≤q≤15，阱层为InGaN、AlInGaN、AlInN、GaN、AlGaN的任意一种或任意组合，阱层厚度为50埃米至150埃米，垒层为GaN、AlInGaN、AlGaN、AlN的任意一种或任意组合，厚度为50埃米至200埃米，且所述量子阱103的垒层厚度大于等于量子阱103的阱层厚度。
超晶格层102为阱层和垒层组成的周期结构，周期为p：5≤p≤30；所述超晶格层102阱层为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或任意组合，超晶格层102阱层厚度为20埃米至100埃米；超晶格层102垒层为AlGaN、AlN、AlInGaN、GaN的任意一种或任意组合，超晶格层102垒层厚度为5埃米至60埃米；所述超晶格的阱层厚度大于等于超晶格的垒层厚度。
n型半导体101、p型半导体104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100、蓝宝石/AlN复合衬底100、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底100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)
1.一种半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体、超晶格层、量子阱和p型半导体，其特征在于，所述量子阱具有In元素分布、Al元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性，所述超晶格层具有Al元素分布、Si掺杂浓度分布，H元素分布、C元素分布和O元素分布特性。
2.根据权利要求1所述的半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，其特征在于，所述量子阱的In元素分布具有正弦函数y＝Asin(Bx+C)+D的曲线分布；
所述量子阱的Al元素分布具有余弦函数y＝Ecosn(Fx+G)+H的曲线分布；
所述量子阱的C元素分布和O元素分布具有正弦函数y＝Isin(Jx+K)+L的曲线分布；
其中：I≤E≤A，L≤D≤H。
3.根据权利要求1所述的半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，其特征在于，所述p型半导体和量子阱的Mg掺杂浓度分布结合具有函数y＝x2-ex曲线分布；
所述量子阱的Si掺杂浓度小于5E16cm-3；
所述量子阱的H元素分布具有函数y＝(ex+e-x)/(ex-e-x)第一象限曲线分布。
4.根据权利要求1所述的半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，其特征在于，所述量子阱由阱层和垒层组成的周期结构，量子阱周期为q:3≤q≤15，阱层为InGaN、AlInGaN、AlInN、GaN、AlGaN的任意一种或任意组合，阱层厚度为50埃米至150埃米，垒层为GaN、AlInGaN、AlGaN、AlN的任意一种或任意组合，厚度为50埃米至200埃米，且所述量子阱的垒层厚度大于等于量子阱的阱层厚度。
5.根据权利要求1所述的半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，其特征在于，所述量子阱发出的紫外光波长为360nm至375nm。
6.根据权利要求1所述的半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，其特征在于，所述超晶格层的Si掺杂元素分布具有y＝ex+e-x曲线分布；
所述超晶格层的Al元素分布具有函数y＝(ax-1)/(ax+1)(0<a<1)曲线分布。
7.根据权利要求1所述的半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，其特征在于，所述超晶格层的C元素分布、H元素分布和O元素分布为常数函数分布，C元素分布和O元素分布在5E15cm-3至1E17cm-3之间，H元素分布在1E17cm-3至1E18cm-3之间。
8.根据权利要求1所述的半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，其特征在于，所述超晶格层为阱层和垒层组成的周期结构，周期为p：5≤p≤30；所述超晶格层阱层为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或任意组合，超晶格层阱层厚度为20埃米至100埃米；超晶格层垒层为AlGaN、AlN、AlInGaN、GaN的任意一种或任意组合，超晶格层垒层厚度为5埃米至60埃米；所述超晶格的阱层厚度大于等于超晶格的垒层厚度。
9.根据权利要求1所述的半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，其特征在于，所述n型半导体、p型半导体包括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。
10.根据权利要求1所述的半导体紫光、紫外、深紫外发光二极管，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。
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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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