CN117613157A - 一种半导体发光芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体发光芯片，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱和p型半导体层，所述量子阱由InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN和AlN中任意的至少两种组成；所述量子阱包括第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱，所述第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱的In/H元素比例分布呈正弦函数的曲线分布或余弦函数的曲线分布。本发明提供的一种半导体发光芯片，其将量子阱区分为第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱三个部分，通过对每个量子阱的元素比例分布设置，可以有效降低半导体发光芯片中量子阱的InN相分离，提升量子阱的晶体质量和界面质量，降低量子阱的量子限制stark效应，从而提升量子阱的内量子效率，提高半导体发光芯片的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其是涉及一种半导体发光芯片。
背景技术
半导体元件特别是半导体发光芯片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10万小时的长寿命的特点，其尺寸小，应用场景多，可设计性强，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、手电筒等领域。
传统氮化物半导体使用蓝宝石衬底生长，存在晶格失配和热失配大的问题，导致较高的缺陷密度和极化效应，进而产生非辐射复合中心，降低半导体发光芯片的发光效率；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芯片的发光效率。
发明内容
本发明旨在提供一种半导体发光芯片，以解决上述技术问题，通过对量子阱的元素比例分布的设置，以提升量子阱的晶体质量和界面质量，降低量子阱的量子限制stark效应，从而提升量子阱的内量子效率，提高半导体发光芯片的发光效率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体发光芯片，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱和p型半导体层，所述量子阱由InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN和AlN中任意的至少两种组成；所述量子阱包括第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱，所述第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱的In/H元素比例分布呈正弦函数的曲线分布或余弦函数的曲线分布。
上述方案中，将量子阱区分为第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱三个部分，通过对每个量子阱的元素比例分布设置，可以有效降低半导体发光芯片中量子阱的InN相分离，提升量子阱的晶体质量和界面质量，降低量子阱的量子限制stark效应，从而提升量子阱的内量子效率，提高半导体发光芯片的发光效率。
进一步地，所述第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱的In/H元素比例分布呈正弦函数的曲线分布，具体为：所述第一量子阱的In/H元素比例分布满足y＝Asin(Bx+C)+D的曲线分布，所述第二量子阱的In/H元素比例分布满足y＝Esin(Fx+G)+H的曲线分布，所述第三量子阱的In/H元素比例分布满足y＝Isin(Jx+K)+L的曲线分布，其中：A≤E≤I，B≤F≤J，D≤H≤L。
进一步地，所述第一量子阱的Si掺杂浓度分布呈y＝sinx/x函数的曲线分布；所述第二量子阱的Si/O元素比例分布呈y＝x*ex函数的曲线分布；所述第三量子阱的Si/O元素比例分布呈y＝x/ex函数的曲线分布。
进一步地，所述第一量子阱的C/O元素比例分布呈y＝x*ex函数的曲线分布；所述第二量子阱的C/O元素比例分布呈指数函数y＝bx函数的曲线分布，其中b>1；所述第三量子阱的C/O元素比例分布呈指数函数y＝cx函数的曲线分布，其中0<c<1。
进一步地，所述第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱的Mg/H元素比例分布均呈一次函数分布。
进一步地，第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱均为阱层和垒层组成的周期结构，所述第一量子阱周期数为k：1≤k≤6，其Al/O元素比例分布呈y＝sin(x)+sin(2x)+…+sin(k*x)函数的曲线分布；所述第二量子阱周期数为t：3≤t≤10，其Al/O元素比例分布呈一次函数分布；所述第三量子阱周期数为l：3≤l≤10，其Al/O元素比例分布呈y＝sin(x)+sin(2x)+…+sin(l*x)函数的曲线分布。
进一步地，所述第一量子阱的阱层为InGaN和GaN的任意一种或组合，其阱层厚度为10～100埃米；所述第一量子阱的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN或AlN的任意一种或任意组合，其垒层厚度为60～500埃米。
进一步地，所述第二量子阱的阱层为InGaN和GaN的任意一种或组合，其阱层厚度为10～100埃米；所述第二量子阱的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN或AlN的任意一种或任意组合，其垒层厚度为60～200埃米。
进一步地，所述第三量子阱的阱层为InGaN和GaN的任意一种或组合，其阱层厚度为20～60埃米；所述第三量子阱的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN或AlN的任意一种或任意组合，其垒层厚度为60～200埃米。
进一步地，所述n型半导体层和p型半导体层均为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN或AlInN的任意一种或任意组合，所述n型半导体的厚度为50nm～50000nm，所述p型半导体的厚度为10nm～500nm；所述衬底由蓝宝石、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或LiGaO2复合衬底的任意一种组成
上述方案提供的一种半导体发光芯片，其量子阱具有特定设置的In/H比例分布、Al/O比例分布、Si/O比例分布、Mg/H比例分布和C/O比例分布，可进一步降低半导体发光芯片量子阱的InN相分离，提升量子阱的晶体质量和界面质量，降低量子阱的量子限制stark效应，从而提升量子阱的内量子效率IQE，IQE从80～90％提升至90％～99％。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种半导体发光芯片结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种半导体发光芯片的SIMS二次离子质谱图；
图3为本发明一实施例提供的一种半导体发光芯片的量子阱的第一量子阱透射电镜TEM图；
图4为本发明一实施例提供的一种半导体发光芯片的量子阱的第二量子阱透射电镜TEM图；
图5为本发明一实施例提供的一种半导体发光芯片的量子阱的第三量子阱透射电镜TEM图；
其中：100：衬底；101、n型半导体层；102、量子阱；102a：第一量子阱；102b：第二量子阱；102c：第三量子阱；103、p型半导体层。
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、完整的描述，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。
请参见图1，本实施例提供一种半导体发光芯片，包括从下至上依次设置的衬底100、n型半导体层101、量子阱102和p型半导体层103，所述量子阱102由InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN和AlN中任意的至少两种组成；所述量子阱102包括第一量子阱102a、第二量子阱102b和第三量子阱102c，所述第一量子阱102a、第二量子阱102b和第三量子阱102c的In/H元素比例分布呈正弦函数的曲线分布或余弦函数的曲线分布。
在本实施例中，将量子阱102区分为第一量子阱102a、第二量子阱102b和第三量子阱102c三个部分，通过对每个量子阱102的元素比例分布设置，可以有效降低半导体发光芯片中量子阱102的InN相分离，提升量子阱102的晶体质量和界面质量，降低量子阱102的量子限制stark效应，从而提升量子阱102的内量子效率，提高半导体发光芯片的发光效率。
进一步地，可参见图2，所述第一量子阱102a、第二量子阱102b和第三量子阱102c的In/H元素比例分布呈正弦函数的曲线分布，具体为：所述第一量子阱102a的In/H元素比例分布满足y＝Asin(Bx+C)+D的曲线分布，所述第二量子阱102b的In/H元素比例分布满足y＝Esin(Fx+G)+H的曲线分布，所述第三量子阱102c的In/H元素比例分布满足y＝Isin(Jx+K)+L的曲线分布，其中：A≤E≤I，B≤F≤J，D≤H≤L。
进一步地，所述第一量子阱102a的Si掺杂浓度分布呈y＝sinx/x函数的曲线分布；所述第二量子阱102b的Si/O元素比例分布呈y＝x*ex函数的曲线分布；所述第三量子阱102c的Si/O元素比例分布呈y＝x/ex函数的曲线分布。
进一步地，所述第一量子阱102a的C/O元素比例分布呈y＝x*ex函数的曲线分布；所述第二量子阱102b的C/O元素比例分布呈指数函数y＝bx函数的曲线分布，其中b>1；所述第三量子阱102c的C/O元素比例分布呈指数函数y＝cx函数的曲线分布，其中0<c<1。
进一步地，所述第一量子阱102a、第二量子阱102b和第三量子阱102c的Mg/H元素比例分布均呈一次函数分布。
进一步地，可参见图3-图5，第一量子阱102a、第二量子阱102b和第三量子阱102c均为阱层和垒层组成的周期结构，所述第一量子阱102a周期数为k：1≤k≤6，其Al/O元素比例分布呈y＝sin(x)+sin(2x)+…+sin(k*x)函数的曲线分布；所述第二量子阱102b周期数为t：3≤t≤10，其Al/O元素比例分布呈一次函数分布；所述第三量子阱102c周期数为l：3≤l≤10，其Al/O元素比例分布呈y＝sin(x)+sin(2x)+…+sin(l*x)函数的曲线分布。
进一步地，所述第一量子阱102a的阱层为InGaN和GaN的任意一种或组合，其阱层厚度为10～100埃米；所述第一量子阱102a的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN或AlN的任意一种或任意组合，其垒层厚度为60～500埃米。
进一步地，所述第二量子阱102b的阱层为InGaN和GaN的任意一种或组合，其阱层厚度为10～100埃米；所述第二量子阱102b的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN或AlN的任意一种或任意组合，其垒层厚度为60～200埃米。
进一步地，所述第三量子阱102c的阱层为InGaN和GaN的任意一种或组合，其阱层厚度为20～60埃米；所述第三量子阱102c的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN或AlN的任意一种或任意组合，其垒层厚度为60～200埃米。
进一步地，所述n型半导体层101和p型半导体层103均为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN或AlInN的任意一种或任意组合，所述n型半导体的厚度为50nm～50000nm，所述p型半导体的厚度为10nm～500nm；所述衬底100由蓝宝石、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或LiGaO2复合衬底100的任意一种组成。
本实施例提供的一种半导体发光芯片，其量子阱102具有特定设置的In/H比例分布、Al/O比例分布、Si/O比例分布、Mg/H比例分布和C/O比例分布，可进一步降低半导体发光芯片量子阱102的InN相分离，提升量子阱102的晶体质量和界面质量，降低量子阱102的量子限制stark效应，从而提升量子阱102的内量子效率IQE，IQE从80～90％提升至90％～99％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种半导体发光芯片，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱和p型半导体层，其特征在于，所述量子阱由InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN和AlN中任意的至少两种组成；所述量子阱包括第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱，所述第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱的In/H元素比例分布呈正弦函数的曲线分布或余弦函数的曲线分布。
2.根据权利要求1所述的一种半导体发光芯片，其特征在于，所述第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱的In/H元素比例分布呈正弦函数的曲线分布，具体为：所述第一量子阱的In/H元素比例分布满足y＝Asin(Bx+C)+D的曲线分布，所述第二量子阱的In/H元素比例分布满足y＝Esin(Fx+G)+H的曲线分布，所述第三量子阱的In/H元素比例分布满足y＝Isin(Jx+K)+L的曲线分布，其中：A≤E≤I，B≤F≤J，D≤H≤L。
3.根据权利要求1所述的一种半导体发光芯片，其特征在于，所述第一量子阱的Si掺杂浓度分布呈y＝sinx/x函数的曲线分布；所述第二量子阱的Si/O元素比例分布呈y＝x*ex函数的曲线分布；所述第三量子阱的Si/O元素比例分布呈y＝x/ex函数的曲线分布。
4.根据权利要求1所述的一种半导体发光芯片，其特征在于，所述第一量子阱的C/O元素比例分布呈y＝x*ex函数的曲线分布；所述第二量子阱的C/O元素比例分布呈指数函数y＝bx函数的曲线分布，其中b>1；所述第三量子阱的C/O元素比例分布呈指数函数y＝cx函数的曲线分布，其中0<c<1。
5.根据权利要求1所述的一种半导体发光芯片，其特征在于，所述第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱的Mg/H元素比例分布均呈一次函数分布。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种半导体发光芯片，其特征在于，所述第一量子阱、第二量子阱和第三量子阱均为阱层和垒层组成的周期结构，所述第一量子阱周期数为k：1≤k≤6，其Al/O元素比例分布呈y＝sin(x)+sin(2x)+…+sin(k*x)函数的曲线分布；所述第二量子阱周期数为t：3≤t≤10，其Al/O元素比例分布呈一次函数分布；所述第三量子阱周期数为l：3≤l≤10，其Al/O元素比例分布呈y＝sin(x)+sin(2x)+…+sin(l*x)函数的曲线分布。
7.根据权利要求6所述的一种半导体发光芯片，其特征在于，所述第一量子阱的阱层为InGaN和GaN的任意一种或组合，其阱层厚度为10～100埃米；所述第一量子阱的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN或AlN的任意一种或任意组合，其垒层厚度为60～500埃米。
8.根据权利要求6所述的一种半导体发光芯片，其特征在于，所述第二量子阱的阱层为InGaN和GaN的任意一种或组合，其阱层厚度为10～100埃米；所述第二量子阱的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN或AlN的任意一种或任意组合，其垒层厚度为60～200埃米。
9.根据权利要求6所述的一种半导体发光芯片，其特征在于，所述第三量子阱的阱层为InGaN和GaN的任意一种或组合，其阱层厚度为20～60埃米；所述第三量子阱的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN或AlN的任意一种或任意组合，其垒层厚度为60～200埃米。
10.根据权利要求1所述的一种半导体发光芯片，其特征在于，所述n型半导体层和p型半导体层均为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN或AlInN的任意一种或任意组合，所述n型半导体的厚度为50nm～50000nm，所述p型半导体的厚度为10nm～500nm；所述衬底由蓝宝石、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或LiGaO2复合衬底的任意一种组成。
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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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