CN117613160A - 一种氮化镓基半导体发光元件 - Google Patents

一种氮化镓基半导体发光元件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓基半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、n型半导体、量子阱、p型半导体和二维空穴气层；其中，所述二维空穴气层位于所述量子阱与所述p型半导体层之间；所述二维空穴气层的电子有效质量分布符合预设的第一三元二次函数曲线分布；所述二维空穴气层的禁带宽度分布符合预设的第二三元二次函数曲线分布；其中，第一三元二次函数曲线的形状与第二三元二次函数曲线的形状不同。本发明通过设置二维空穴气层，在电子有效质量分布和禁带宽度符合预设的三元二次函数曲线分布后，形成二维空穴气，提升空穴浓度和空穴注入量子阱的效率，提升半导体发光元件的发光效率，外量子效率EQE从40～60％提升至60～90％。

Description

一种氮化镓基半导体发光元件
技术领域
本发明涉及半导体光电器件的技术领域，尤其涉及一种氮化镓基半导体发光元件。
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，从而导致传统氮化物半导体相关元件的发光效率低。
因此，亟需一种氮化镓基半导体发光元件，从而解决传统氮化物半导体相关元件的发光效率低的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种氮化镓基半导体发光元件，以提高氮化物半导体相关元件的发光效率。
为了解决上述问题，本发明一实施例提供一种氮化镓基半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、n型半导体、量子阱、p型半导体和二维空穴气层；其中，所述二维空穴气层位于所述量子阱与所述p型半导体层之间；
所述二维空穴气层的电子有效质量分布符合预设的第一三元二次函数曲线分布；所述二维空穴气层的禁带宽度分布符合预设的第二三元二次函数曲线分布；其中，第一三元二次函数曲线的形状与第二三元二次函数曲线的形状不同。
作为上述方案的改进，所述第一三元二次函数曲线分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，a、b、c和d为项系数，通过a和△1确定第一三元二次函数曲线的形状。
作为上述方案的改进，所述第一三元二次函数曲线分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，e、f、g和h为项系数，通过e和△2确定第二三元二次函数曲线的形状。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层包括：GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的其中一种或多种。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的元素包括：Al、In、Mg和O。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的Al与O元素比例分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，k、l、m和n为项系数，通过k和△3确定的Al与O元素比例分布曲线的形状。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的In与O元素比例分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，r、s和t为项系数，通过r确定的In与O元素比例分布曲线的形状。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的Mg与O元素比例分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，u、v和w为项系数，通过u确定的Mg与O元素比例分布曲线的形状。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的Al和O元素比例的峰值位置往量子阱方向的下降角度为第一角度，所述二维空穴气层的In和O元素比例的峰值位置往量子阱方向的下降角度为第二角度，所述二维空穴气层的Mg和O元素比例的峰值位置往量子阱方向的下降角度为第三角度；其中，满足以下关系：15°≤第一角度≤第二角度≤第三角度≤90°。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的Al和O元素比例的峰值位置往p型半导体方向的下降角度为第四角度，所述二维空穴气层的In和O元素比例的峰值位置往p型半导体的下降角度为第五角度，所述二维空穴气层的Mg和O元素比例的峰值位置往p型半导体的下降角度为第六角度；其中，满足以下关系：15°≤第四角度≤第五角度≤第六角度≤90°
由上可见，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种氮化镓基半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、n型半导体、量子阱、p型半导体和二维空穴气层；其中，所述二维空穴气层位于所述量子阱与所述p型半导体层之间；所述二维空穴气层的电子有效质量分布符合预设的第一三元二次函数曲线分布；所述二维空穴气层的禁带宽度分布符合预设的第二三元二次函数曲线分布；其中，第一三元二次函数曲线的形状与第二三元二次函数曲线的形状不同。本发明通过设置二维空穴气层，在电子有效质量分布和禁带宽度符合预设的三元二次函数曲线分布后，形成二维空穴气，提升空穴浓度和空穴注入量子阱的效率，提升半导体发光元件的发光效率，外量子效率EQE从40～60％提升至60～90％。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的氮化镓基半导体发光元件的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的氮化镓基半导体发光元件的结构SIMS二次离子质谱图。
附图标记：
100：衬底，101：n型半导体，102：量子阱，103：二维空穴注入层，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。
实施例一
参见图1，图1是本发明一实施例提供的一种氮化镓基半导体发光元件的结构示意图，如图1所示，从下至上依次包括衬底、n型半导体、量子阱、p型半导体和二维空穴气层；其中，所述二维空穴气层位于所述量子阱与所述p型半导体层之间；
所述二维空穴气层的电子有效质量分布符合预设的第一三元二次函数曲线分布；所述二维空穴气层的禁带宽度分布符合预设的第二三元二次函数曲线分布；其中，第一三元二次函数曲线的形状与第二三元二次函数曲线的形状不同。
作为上述方案的改进，所述第一三元二次函数曲线分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，a、b、c和d为项系数，通过a和△1确定第一三元二次函数曲线的形状。
作为上述方案的改进，所述第一三元二次函数曲线分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，e、f、g和h为项系数，通过e和△2确定第二三元二次函数曲线的形状。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层包括：GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的其中一种或多种。
作为优选地，所述二维空穴气层的厚度为5埃米～800埃米；通过设计电子有效质量分布或禁带宽度分布，使二维空穴气层形成二维空穴气界面，提升二维空穴气，提升空穴浓度和空穴注入量子阱的效率；取值只限定a和△，来限定曲线的形状。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的元素包括：Al、In、Mg和O。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的Al与O元素比例分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，k、l、m和n为项系数，通过k和△3确定的Al与O元素比例分布曲线的形状。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的In与O元素比例分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，r、s和t为项系数，通过r确定的In与O元素比例分布曲线的形状。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的Mg与O元素比例分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，u、v和w为项系数，通过u确定的Mg与O元素比例分布曲线的形状。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的Al和O元素比例的峰值位置往量子阱方向的下降角度为第一角度，所述二维空穴气层的In和O元素比例的峰值位置往量子阱方向的下降角度为第二角度，所述二维空穴气层的Mg和O元素比例的峰值位置往量子阱方向的下降角度为第三角度；其中，满足以下关系：15°≤第一角度≤第二角度≤第三角度≤90°。
作为上述方案的改进，所述二维空穴气层的Al和O元素比例的峰值位置往p型半导体方向的下降角度为第四角度，所述二维空穴气层的In和O元素比例的峰值位置往p型半导体的下降角度为第五角度，所述二维空穴气层的Mg和O元素比例的峰值位置往p型半导体的下降角度为第六角度；其中，满足以下关系：15°≤第四角度≤第五角度≤第六角度≤90°。
在一具体的实施例中，所述量子阱为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为1～50；所述量子阱为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合；所述量子阱的阱层厚度为5～200埃米，垒层厚度为10～500埃米。
在一具体的实施例中，所述n型半导体为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；所述n型半导体的厚度为50～90000埃米。
在一具体的实施例中，所述p型半导体为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；所述p型半导体的厚度为10～80000埃米。
在一具体的实施例中，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。
为更好地说明，参见图2，图2为氮化镓基半导体发光元件的结构SIMS二次离子质谱图。
可以理解的是，本实施例通过设计电子有效质量分布或禁带宽度分布，使二维空穴气层形成二维空穴气界面，提升二维空穴气，提升注入有源层的空穴浓度，从而提升空穴浓度和空穴注入量子阱的效率，提升量子阱的电子空穴复合效率，改善大电流注入条件下空穴不足问题，提升发光元件的外量子效率。
本实施例从下至上依次包括衬底、n型半导体、量子阱、p型半导体和二维空穴气层；其中，所述二维空穴气层位于所述量子阱与所述p型半导体层之间；所述二维空穴气层的电子有效质量分布符合预设的第一三元二次函数曲线分布；所述二维空穴气层的禁带宽度分布符合预设的第二三元二次函数曲线分布；其中，第一三元二次函数曲线的形状与第二三元二次函数曲线的形状不同。本发明通过设置二维空穴气层，在电子有效质量分布和禁带宽度符合预设的三元二次函数曲线分布后，形成二维空穴气，提升空穴浓度和空穴注入量子阱的效率，提升半导体发光元件的发光效率，外量子效率EQE从40～60％提升至60～90％。
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)

1.一种氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，从下至上依次包括衬底、n型半导体、量子阱、p型半导体和二维空穴气层；其中，所述二维空穴气层位于所述量子阱与所述p型半导体层之间；
所述二维空穴气层的电子有效质量分布符合预设的第一三元二次函数曲线分布；所述二维空穴气层的禁带宽度分布符合预设的第二三元二次函数曲线分布；其中，第一三元二次函数曲线的形状与第二三元二次函数曲线的形状不同。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述第一三元二次函数曲线分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，a、b、c和d为项系数，通过a和△1确定第一三元二次函数曲线的形状。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述第一三元二次函数曲线分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，e、f、g和h为项系数，通过e和△2确定第二三元二次函数曲线的形状。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述二维空穴气层包括：GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的其中一种或多种。
5.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述二维空穴气层的元素包括：Al、In、Mg和O。
6.根据权利要求5所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述二维空穴气层的Al与O元素比例分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，k、l、m和n为项系数，通过k和△3确定的Al与O元素比例分布曲线的形状。
7.根据权利要求5所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述二维空穴气层的In与O元素比例分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，r、s和t为项系数，通过r确定的In与O元素比例分布曲线的形状。
8.根据权利要求5所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述二维空穴气层的Mg与O元素比例分布满足以下条件：
式中，y为元素含量，x为位置参数，u、v和w为项系数，通过u确定的Mg与O元素比例分布曲线的形状。
9.根据权利要求5所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述二维空穴气层的Al和O元素比例的峰值位置往量子阱方向的下降角度为第一角度，所述二维空穴气层的In和O元素比例的峰值位置往量子阱方向的下降角度为第二角度，所述二维空穴气层的Mg和O元素比例的峰值位置往量子阱方向的下降角度为第三角度；其中，满足以下关系：15°≤第一角度≤第二角度≤第三角度≤90°。
10.根据权利要求5所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述二维空穴气层的Al和O元素比例的峰值位置往p型半导体方向的下降角度为第四角度，所述二维空穴气层的In和O元素比例的峰值位置往p型半导体的下降角度为第五角度，所述二维空穴气层的Mg和O元素比例的峰值位置往p型半导体的下降角度为第六角度；其中，满足以下关系：15°≤第四角度≤第五角度≤第六角度≤90°。
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