CN219677771U - 一种半导体紫光紫外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种半导体紫光紫外发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体、超晶格层、量子阱层和p型半导体，n型半导体、超晶格层、量子阱层和p型半导体之间具有电子有效质量梯度、热膨胀系数梯度和弹性系数梯度。热膨胀系数梯度和弹性系数梯度能够抑制量子限制Stark效应，降低空穴注入带阶，提升空穴注入效率，提升量子阱中电子空穴复合效率和紫光紫外发光二极管的外量子效率。电子有效质量梯度和热膨胀系数梯度组合能够进一步提升电子空穴的量子局域效应，抑制电子空穴被缺陷俘获几率，并降低量子阱中的电子空穴浓度差异和不匹配问题，从而降低紫光紫外发光二极管的老化漏电并进一步提升紫光紫外发光二极管的外量子效率。
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。
紫光紫外发光二极管(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。半导体紫光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；半导体紫光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，半导体紫光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。
实用新型内容
为解决上述技术问题之一，本实用新型提供了一种半导体紫光紫外发光二极管。
本实用新型实施例提供了一种半导体紫光紫外发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体、超晶格层、量子阱层和p型半导体，所述n型半导体、超晶格层、量子阱层和p型半导体之间具有电子有效质量梯度、热膨胀系数梯度和弹性系数梯度。
优选地，所述超晶格层包括第一子超晶格层和第二子超晶格层，所述第一子超晶格层设置在所述第二子超晶格层的底部，所述n型半导体、第一子超晶格层、第二子超晶格层、量子阱层和p型半导体之间具有电子有效质量梯度、热膨胀系数梯度和弹性系数梯度。
优选地，所述n型半导体、第一子超晶格层、第二子超晶格层、量子阱层和p型半导体之间电子有效质量梯度为：0.2≤a≤b1≤c≤b2≤d≤0.3，所述n型半导体的电子有效质量为a，第一子超晶格层的电子有效质量为b1，第二子超晶格层的电子有效质量为b2，量子阱的电子有效质量为c，p型半导体的电子有效质量为d。
优选地，所述n型半导体、第一子超晶格层、第二子超晶格层、量子阱层和p型半导体之间热膨胀系数梯度为：3.0(10-6/K)≤e≤f1≤g≤f2≤h≤5.5(10-6/K)，所述n型半导体的热膨胀系数为e，第一子超晶格层的热膨胀系数为f1，第二子超晶格层的热膨胀系数为f2，量子阱的热膨胀系数为g，p型半导体的热膨胀系数为h。
优选地，所述n型半导体、第一子超晶格层、第二子超晶格层、量子阱层和p型半导体之间弹性系数梯度为：450GPa≤n≤l2≤m≤l1≤k≤350GPa，所述n型半导体的弹性系数为k，第一子超晶格层的弹性系数为l1，第二子超晶格层的弹性系数为l2，量子阱的弹性系数为m，p型半导体的弹性系数为n。
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：3≤p≤30；所述超晶格层的阱层为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，所述超晶格层的阱层厚度为10～150埃米；所述超晶格层的垒层为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，所述超晶格层的垒层厚度为5～150埃米。
优选地，所述量子阱层由阱层和垒层组成的周期结构，周期为q:3≤q≤15，所述量子阱层的阱层为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，所述量子阱层的阱层厚度为10埃米至100埃米；所述量子阱层的垒层为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，所述量子阱层的垒层厚度为10埃米至200埃米；所述量子阱层发出的光为200nm至420nm的紫外光。
优选地，所述n型半导体和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n型半导体的厚度为10埃米至90000埃米；所述p型半导体的厚度为10埃米至8000埃米。
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。
本实用新型的有益效果如下：本实用新型设计n型半导体、超晶格层、量子阱层和p型半导体之间的电子有效质量梯度、热膨胀系数梯度和弹性系数梯度。其中，通过设计热膨胀系数梯度和弹性系数梯度，抑制量子限制Stark效应，降低空穴注入带阶，提升空穴注入效率，从而提升量子阱中电子空穴复合效率，进而提升紫光紫外发光二极管的外量子效率。通过设计电子有效质量梯度和热膨胀系数梯度组合，进一步提升电子空穴的量子局域效应，抑制电子空穴被缺陷俘获几率，并降低量子阱中的电子空穴浓度差异和不匹配问题，从而降低紫光紫外发光二极管的老化漏电并进一步提升紫光紫外发光二极管的外量子效率；1000H老化漏电从0.05uA下降至0.01uA以下，发光效率从30％～50％提升至60％～80％。
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为本实用新型实施例所述的半导体紫光紫外发光二极管的结构示意图；
图2为本实用新型实施例所述的半导体紫光紫外发光二极管的另一种结构示意图；
图3为本实用新型实施例所述的半导体紫光紫外发光二极管的SIMS二次离子质谱图；
图4为本实用新型实施例所述的半导体紫光紫外发光二极管的超晶格层的TEM透射电镜图；
图5为本实用新型实施例所述的半导体紫光紫外发光二极管的量子阱层的TEM透射电镜图；
图6为本实用新型实施例所述的半导体紫光紫外发光二极管的p型半导体的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、量子阱层，104、p型半导体；
102a、第一子超晶格层，102b、第二子超晶格层。
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所示，本实施例提出一种半导体紫光紫外发光二极管，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、量子阱层103和p型半导体104。
具体的，本实施例中，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、量子阱层103和p型半导体104均具有电子有效质量、热膨胀系数和弹性系数参数特性。并且，电子有效质量、热膨胀系数和弹性系数能够影响激光器的老化漏电和发光效率等重要性能。
电子有效质量即为电子的有效质量，在描述半导体中电子在外力作用时，一方面受到外力的作用，一方面还和半导体内部原子、电子相互作用，使得求解力与速度的关系变得困难。引入有效质量可以概括半导体内部势场的作用，使得求解半导体在外力作用下的规律时，可以不涉及内部势场作用。
热膨胀系数，是指物体由于温度改变而发生胀缩现象，具体表现为在压力一定的条件下，单位温度变化所导致的体积变化。
弹性系数是物体所受的应力与应变的比值。
本实施例基于电子有效质量、热膨胀系数和弹性系数的特点，对n型半导体101、超晶格层102、量子阱层103和p型半导体104之间的电子有效质量梯度、热膨胀系数梯度和弹性系数梯度进行设计，以实现降低紫光紫外发光二极管老化漏电以及提升发光效率的目的。
具体的，如图2至图6所示，本实施例中，超晶格层102包括第一子超晶格层102a和第二子超晶格层102b。其中，第一子超晶格层102a设置在所述第二子超晶格层102b的底部。n型半导体101、第一子超晶格层102a、第二子超晶格层102b、量子阱层103和p型半导体104之间具有电子有效质量梯度、热膨胀系数梯度和弹性系数梯度。具体的电子有效质量梯度、热膨胀系数梯度和弹性系数梯度表示如下：
n型半导体101、第一子超晶格层102a、第二子超晶格层102b、量子阱层103和p型半导体104之间电子有效质量梯度为：0.2≤a≤b1≤c≤b2≤d≤0.3。其中，n型半导体101的电子有效质量为a，第一子超晶格层102a的电子有效质量为b1，第二子超晶格层102b的电子有效质量为b2，量子阱的电子有效质量为c，p型半导体104的电子有效质量为d。
n型半导体101、第一子超晶格层102a、第二子超晶格层102b、量子阱层103和p型半导体104之间热膨胀系数梯度为：3.0(10-6/K)≤e≤f1≤g≤f2≤h≤5.5(10-6/K)。其中，n型半导体101的热膨胀系数为e，第一子超晶格层102a的热膨胀系数为f1，第二子超晶格层102b的热膨胀系数为f2，量子阱的热膨胀系数为g，p型半导体104的热膨胀系数为h。
n型半导体101、第一子超晶格层102a、第二子超晶格层102b、量子阱层103和p型半导体104之间弹性系数梯度为：450GPa≤n≤l2≤m≤l1≤k≤350GPa。其中，n型半导体101的弹性系数为k，第一子超晶格层102a的弹性系数为l1，第二子超晶格层102b的弹性系数为l2，量子阱的弹性系数为m，p型半导体104的弹性系数为n。
本实施例将超晶格层102设计为两层超晶格结构，能够有效缓解超晶格层102与n型半导体101的晶格失配，降低失配应力。同时，结合n型半导体101、量子阱层103和p型半导体104设计电子有效质量梯度、热膨胀系数梯度和弹性系数梯度。其中，通过设计热膨胀系数梯度和弹性系数梯度，抑制量子限制Stark效应，降低空穴注入带阶，提升空穴注入效率，从而提升量子阱中电子空穴复合效率，进而提升紫光紫外发光二极管的外量子效率。通过设计电子有效质量梯度和热膨胀系数梯度组合，进一步提升电子空穴的量子局域效应，抑制电子空穴被缺陷俘获几率，并降低量子阱中的电子空穴浓度差异和不匹配问题，从而降低紫光紫外发光二极管的老化漏电并进一步提升紫光紫外发光二极管的外量子效率；1000H老化漏电从0.05uA下降至0.01uA以下，发光效率从30％～50％提升至60％～80％。
进一步的，本实施例中，超晶格层102为阱层和垒层组成的周期结构，周期为p：3≤p≤30；所述超晶格层102的阱层为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，所述超晶格层102的阱层厚度为10～150埃米；所述超晶格层102的垒层为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，所述超晶格层102的垒层厚度为5～150埃米。
量子阱层103由阱层和垒层组成的周期结构，周期为q:3≤q≤15，所述量子阱层103的阱层为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，所述量子阱层103的阱层厚度为10埃米至100埃米；所述量子阱层103的垒层为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，所述量子阱层103的垒层厚度为10埃米至200埃米；所述量子阱层103发出的光为200nm至420nm的紫外光。
n型半导体101和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。n型半导体101的厚度为10埃米至90000埃米；所述p型半导体104的厚度为10埃米至8000埃米。
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发光二极管，其特征在于，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体、超晶格层、量子阱层和p型半导体，所述n型半导体、超晶格层、量子阱层和p型半导体之间具有电子有效质量梯度、热膨胀系数梯度和弹性系数梯度。
2.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外发光二极管，其特征在于，所述超晶格层包括第一子超晶格层和第二子超晶格层，所述第一子超晶格层设置在所述第二子超晶格层的底部，所述n型半导体、第一子超晶格层、第二子超晶格层、量子阱层和p型半导体之间具有电子有效质量梯度、热膨胀系数梯度和弹性系数梯度。
3.根据权利要求2所述的半导体紫光紫外发光二极管，其特征在于，所述n型半导体、第一子超晶格层、第二子超晶格层、量子阱层和p型半导体之间电子有效质量梯度为：0.2≤a≤b1≤c≤b2≤d≤0.3，所述n型半导体的电子有效质量为a，第一子超晶格层的电子有效质量为b1，第二子超晶格层的电子有效质量为b2，量子阱的电子有效质量为c，p型半导体的电子有效质量为d。
4.根据权利要求2所述的半导体紫光紫外发光二极管，其特征在于，所述n型半导体、第一子超晶格层、第二子超晶格层、量子阱层和p型半导体之间热膨胀系数梯度为：3.0(10-6/K)≤e≤f1≤g≤f2≤h≤5.5(10-6/K)，所述n型半导体的热膨胀系数为e，第一子超晶格层的热膨胀系数为f1，第二子超晶格层的热膨胀系数为f2，量子阱的热膨胀系数为g，p型半导体的热膨胀系数为h。
5.根据权利要求2所述的半导体紫光紫外发光二极管，其特征在于，所述n型半导体、第一子超晶格层、第二子超晶格层、量子阱层和p型半导体之间弹性系数梯度为：450GPa≤n≤l2≤m≤l1≤k≤350GPa，所述n型半导体的弹性系数为k，第一子超晶格层的弹性系数为l1，第二子超晶格层的弹性系数为l2，量子阱的弹性系数为m，p型半导体的弹性系数为n。
6.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外发光二极管，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：3≤p≤30；所述超晶格层的阱层为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，所述超晶格层的阱层厚度为10～150埃米；所述超晶格层的垒层为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，所述超晶格层的垒层厚度为5～150埃米。
7.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外发光二极管，其特征在于，所述量子阱层由阱层和垒层组成的周期结构，周期为q:3≤q≤15，所述量子阱层的阱层为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，所述量子阱层的阱层厚度为10埃米至100埃米；所述量子阱层的垒层为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，所述量子阱层的垒层厚度为10埃米至200埃米；所述量子阱层发出的光为200nm至420nm的紫外光。
8.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外发光二极管，其特征在于，所述n型半导体和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。
9.根据权利要求1或8所述的半导体紫光紫外发光二极管，其特征在于，所述n型半导体的厚度为10埃米至90000埃米；所述p型半导体的厚度为10埃米至8000埃米。
10.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外发光二极管，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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