CN219873570U - 半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种半导体发光元件，其从下到上依次包括：衬底、缓冲层、第一型导电层、多量子阱层以及第二型导电层，多量子阱层包括黄光量子阱层和蓝光量子阱层，且黄光量子阱层位于蓝光量子阱层中间。本实用新型中的多量子阱层具有黄光量子阱层和蓝光量子阱层，可以直接产生两种发光波长，以形成混合白光，相对于蓝光激发荧光粉产生的混合白光，发光效率得到了提高。

Description

半导体发光元件

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体发光元件。

背景技术

半导体发光元件具有节能环保、尺寸小、寿命长以及发光效率高等优点，而且其波长范围涵盖紫外到红外范围，具有广泛的应用场景。例如紫外波段的半导体发光元件在消毒杀菌、固化以及医疗方面的应用；红外波段的半导体发光元件在安防监控、光耦以及植物照明等领域的应用；可见光波段的半导体发光元件在显示屏、背光源、路灯以及车灯等领域的应用。在传统照明领域，半导体发光元件已经完全替代白炽灯和荧光灯，成为家庭照明光源的首选。

目前，主流的白光源是利用蓝光半导体发光元件激发黄色荧光，然后蓝光和激发的黄光按比例混合从而产生白光。但是利用激发荧光的方式获得白光的发光效率低且存在一定的环境问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种半导体发光元件，以直接产生两种发光波长的光，且可以提高半导体发光元件的发光效率。

为了实现上述目的以及其他相关目的，本实用新型提供了一种半导体发光元件，从下至上依次包括：衬底、缓冲层、第一型导电层、多量子阱层以及第二型导电层，所述多量子阱层包括黄光量子阱层和蓝光量子阱层，且所述黄光量子阱层位于所述蓝光量子阱层中间。

可选的，在所述的半导体发光元件中，所述蓝光量子阱层为蓝光势阱层与势垒层交替生长形成的周期性结构，其周期数为4～10。

可选的，在所述的半导体发光元件中，所述蓝光势阱层发出的光的峰值波长为440nm～480nm。

可选的，在所述的半导体发光元件中，所述黄光量子阱层与所述第二型导电层之间的蓝光量子阱层的周期数为2～6。

可选的，在所述的半导体发光元件中，所述黄光量子阱层与所述第一型导电层之间的蓝光量子阱层的周期数为2～6。

可选的，在所述的半导体发光元件中，所述黄光量子阱层为黄光势阱层与势垒层交替生长形成的周期性结构，其周期数为1～3。

可选的，在所述的半导体发光元件中，所述黄光势阱层发出的光的峰值波长为560nm～610nm。

可选的，在所述的半导体发光元件中，单层所述蓝光势阱层的厚度为n，单层所述黄光势阱层的厚度为m，且1nm≤m<n≤4nm。

可选的，在所述的半导体发光元件中，单层所述势垒层的厚度为8nm～14nm。

可选的，在所述的半导体发光元件中，所述第一型导电层的厚度≥1μm，所述第二型导电层的厚度为40nm～100nm。

在本实用新型提供的半导体发光元件中，多量子阱层包括蓝光量子阱层和黄光量子阱层，而且所述黄光量子阱层位于蓝光量子阱层中间，即本实用新型的多量子阱层具有两种发光波长的量子阱层，可以直接产生两种发光波长的光。进一步地，本实用新型的蓝光势阱层发出的光的峰值波长为440nm～480nm，此为蓝光波长，而黄光势阱层发出的光的峰值波长为560nm～610nm，此为黄光波长，因此本实用新型可以直接产生合成白光的黄光和蓝光，进而得到混合白光。相对于现有的蓝光激发荧光粉产生的混合白光，本实用新型提供的半导体发光元件的发光效率得到了提高。

而且，本实用新型可以通过调整两种发光波长的势阱层(蓝光势阱层和黄光势阱层)的位置和厚度等来改变两种势阱层发光的强度，从而调试混合光的色坐标。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的半导体发光元件的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例的半导体发光元件的多量子阱层的结构示意图；

图3本实用新型一实施例的半导体发光元件的多量子阱层的能带示意图；

图1～图3中：

10-衬底，11-缓冲层，12-第一型导电层，13-多量子阱层，131a-蓝光势阱层，131b-黄光势阱层，132-势垒层，13A₁-第一蓝光量子阱层，13B-黄光量子阱层，13A₂-第二蓝光量子阱层，14-第二型导电层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的半导体发光元件作进一步详细说明。根据下面说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

参阅图1，本实用新型提供了一种半导体发光元件，从下至上依次包括：衬底10、缓冲层11、第一型导电层12、多量子阱层13以及第二型导电层14。所述多量子阱层13包括黄光量子阱层和蓝光量子阱层，且所述黄光量子阱层位于所述蓝光量子阱层中间。

在本实施例中，所述衬底10优选为透明绝缘的衬底，进一步优选为蓝宝石衬底，但不限于此。所述蓝宝石衬底的表面可以是图像化结构，也可以是抛光面，而本实施例的所述衬底10优选为具有图形化结构的蓝宝石衬底，以提高半导体发光元件的发光效率。

所述缓冲层11位于所述衬底10上。在本实施例中，所述的缓冲层11一般包括溅射工艺生长的AlON层(厚度为10nm～50nm)以及MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相淀积)工艺生长的AlGaN层和GaN层(厚度≥1μm)中的至少一种结构层，但不限于此。

所述第一型导电层12位于所述缓冲层11上。所述第一型导电层12优选为n型半导体层，主要用于提供电子。所述第一型导电层12的材料可以为氮化物材料，例如GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等材料或者其中至少两种材料的组合。在本实施例中，所述第一型导电层12的厚度优选≥1μm。所述第一型导电层12中掺入n型掺杂元素，例如Si，但不限于此。所述第一型导电层12中的n型掺杂元素的掺杂浓度优选大于2E18cm^-3，但不限于此。

本实施例可以通过MOCVD、MBE(MolecularBeamEpitaxy，分子束外延)、溅射法和PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积法)等其中的任意一种工艺方法在所述缓冲层11上外延生长所述第一型导电层12。

参阅图1和图2，所述多量子阱层13位于所述第一型导电层12上，且所述多量子阱层13包括黄光量子阱层13B和蓝光量子阱层。所述多量子阱层13为势阱层和势垒层交替生长形成的周期性结构，且一个势阱层与一个势垒层形成一个量子阱层。具体的，所述蓝光量子阱层为蓝光势阱层131a与势垒层132交替生长形成的周期性结构，所述黄光量子阱层13B为黄光势阱层131b与势垒层132交替生长形成的周期性结构。因此，本实施例中的所述势阱层包括蓝光势阱层131a和黄光势阱层131b两种，且每个周期中的所述势阱层为蓝光势阱层131a和黄光势阱层131b中的一种。在本实施例中，部分周期中的所述势阱层为黄光势阱层131b，其余周期中的所述势阱层为蓝光势阱层131a，即在所述多量子阱层13中同时具有蓝光势阱层131a和黄光势阱层131b，以使所述半导体发光元件的多量子阱层13能够产生两种发光波长的光。

在本实施例中，所述蓝光势阱层131a的材料优选为In_xGa_(1-x)N，所述黄光势阱层131b的材料优选为In_yGa_(1-y)N，且1>y>x>0。参阅图3，由于y>x，所述蓝光势阱层131a的In组分小于所述黄光势阱层131b的In组分，使得所述蓝光势阱层131a的禁带宽度大于所述黄光势阱层131b的禁带宽度，进而使得所述蓝光势阱层131a发出的光的峰值波长小于所述黄光势阱层131b发出的光的峰值波长。在本实施例中，所述蓝光势阱层131a发出的光的峰值波长优选为440nm～480nm，此发光波长范围为蓝光波长；所述黄光势阱层131b发出的光的峰值波长优选为560nm～610nm，此发光波长范围为黄光波长。因此，本实施例的多量子阱层13同时具有蓝光势阱层131a和黄光势阱层131b，可以使多量子阱层13直接产生可以合成白光的黄光和蓝光，并不需要蓝光激发荧光粉来产生混合白光。而且本实施例可以通过调整蓝光势阱层131a和所述黄光势阱层131b的位置、厚度、周期数来改变两种波长发光的强度，从而调试混合光的色坐标。此外，InGaN材料中的In组分越多，势阱层发出的光的波长越长，因此本实施例可以通过调整势阱层中的In组分来调整发出的光的波长。换言之，本实施例具体的x和y的值可以根据势阱层发射的波长要求进行调整。

由于所述黄光势阱层131b的In含量多，更容易捕获载流子，为了防止空穴完全被其捕获，导致所述蓝光势阱层131a因载流子较少而不发光或发光少，本实施例优选将具有所述黄光势阱层131b的黄光量子阱层13B设置在所述多量子阱层13相对中间的位置，而具有所述蓝光势阱层131a的蓝光量子阱层设置在所述黄光量子阱层13B的两侧。例如图2中，所述黄光量子阱层13B位于所述多量子阱层13的中间位置，所述蓝光量子阱层包括第一蓝光量子阱层13A₁和第二蓝光量子阱层13A₂，分别位于所述黄光量子阱层13B的两侧，即所述黄光量子阱层13B位于第一蓝光量子阱层13A₁和第二蓝光量子阱层13A₂中间。在本实施例中，所述多量子阱层13的发光主要集中在所述黄光量子阱层13B和靠近所述第二型导电层14的所述第二蓝光量子阱层13A₂，而所述第一蓝光量子阱层13A₁发光很少。

本实施例优选所有的具有所述黄光势阱层131b的周期连续排列在一起，且两侧均设置有具有所述蓝光势阱层131a的周期。为了进一步限制黄光势阱层131b的载流子的捕获能力，具有所述黄光势阱层131b的黄光量子阱层13B的周期数z₃优选比具有所述蓝光势阱层131a的蓝光量子阱层的周期数少。进一步的，在所述多量子阱层13的所有周期中，所述蓝光量子阱层的周期数优选为4～10，所述黄光量子阱层13B的周期数z₃优选为1～3。例如，所述蓝光量子阱层的周期数为4，所述黄光量子阱层13B的周期数z₃为2，第三个周期和第四个周期为黄光量子阱层13B，第一个周期、第二个周期、第五个周期和第六个周期均为蓝光量子阱层，所述蓝光量子阱层位于所述多量子阱层13的两端，而所述黄光量子阱层13B位于所述多量子阱层13的中间位置，即所述黄光量子阱层13B的两侧均设置了所述蓝光量子阱层。

在本实施例中，所述第一蓝光量子阱层13A₁的势阱层的In组分与所述第二蓝光量子阱层13A₂的势阱层的In组分可以相同，也可以不相同，且所述第一蓝光量子阱层13A₁的周期数z₁与第二蓝光量子阱层13A₂的周期数z₂可以相同，也可以不同。

所述黄光量子阱层13B与所述第一型导电层12之间的蓝光量子阱层(第一蓝光量子阱层13A₁)的周期数z₁优选为2～6。由于所述黄光势阱层131b的In组分高，与第一型导电层12的晶格差距大，会产生较大应力，而所述第一蓝光量子阱层13A₁主要用于缓冲该应力。而且通过In组分较低的所述第一蓝光量子阱层13A₁逐渐过渡，不仅可以减少应力，同时也有限制电子的作用。在本实施例中，所述第一蓝光量子阱层13A₁的周期数z₁过少，电子容易溢流到第二型导电层14与空穴复合，导致多量子阱层13中空穴浓度较低，发光效率低；而所述第一蓝光量子阱层13A₁的周期数z₁过多，电子无法有效进入后面的势阱层(黄光势阱层131b和第二蓝光量子阱层13A₂的蓝光势阱层131a)中，影响发光效率。

所述黄光量子阱层13B与所述第二型导电层14之间的蓝光量子阱层(即第二蓝光量子阱层13A₂)的周期数z₂优选≥2。进一步的，所述第二蓝光量子阱层13A₂的周期数z₂优选为2～6。例如，所述黄光量子阱层13B的周期数z₃为2，处于所述多量子阱层13的中间位置；所述蓝光量子阱层的周期数为4，其中所述第一蓝光量子阱层13A₁设置两个周期，所述第二蓝光量子阱层13A₂设置两个周期。再例如，所述黄光量子阱层13B的周期数z₃为2，处于所述多量子阱层13的中间位置；所述蓝光量子阱层的周期数为6，其中所述第一蓝光量子阱层13A₁的周期数z₁为2，所述第二蓝光量子阱层13A₂的周期数z₂为4。因此，本实施例可以通过调整靠近所述第二型导电层14一侧的蓝光量子阱层的周期数z₂来调整在两种势阱层结构中的载流子浓度，从而调整两种势阱层的发光波长的强度，进而调试混合光的色坐标。在本实施例中，如果所述第二蓝光量子阱层13A₂的周期数z₂太少，则大部分载流子会留在所述黄光势阱层131b中，导致短波波段(蓝光波段)的光强太弱或不发光。相反，如果所述第二蓝光量子阱层13A₂的周期数z₂太多，则导致所述黄光势阱层131b中载流子太少，长波波段(黄光波段)的光强太弱。

在本实施例中，单层所述黄光势阱层131b的厚度小于单层所述蓝光势阱层131a的厚度，薄的所述黄光势阱层131b能进一步限制所述黄光势阱层131b的载流子捕获能力，从而调整两种势阱层的发光波长的发光强度，进而调试混合光的色坐标。进一步的，单层所述蓝光势阱层131a的厚度为n，单层所述黄光势阱层131b的厚度为m，且1nm≤m<n≤4nm。

在所述多量子阱层13中，所述势垒层132的材料优选为Al_jGa_(1-j)N，0≤j<0.1，但不限于此。在所述多量子阱层13的每个周期中，单层所述势垒层132的厚度优选为8nm～14nm，例如10nm。可以理解的是，各个周期中的所述势垒层132的Al组分可以相同或不同，厚度可以相同或不同。

本实施例可以通过MOCVD、MBE、溅射法和PECVD中的任意一种工艺方法在所述第一型导电层12生长所述多量子阱层13。

所述第二型导电层14位于所述多量子阱层13上。所述第二型导电层14优选为p型半导体层，主要用于提供空穴。所述第二型导电层14可以为氮化物材料，例如GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等材料或者其中至少两种材料的组合。在本实施例中，所述第二型导电层14的厚度优选为40nm～100nm，例如80nm。所述第二型导电层14中掺杂p型掺杂元素，例如Mg，且所述第二型导电层14中的p型掺杂元素的掺杂浓度优选大于5E18cm^-3。

本实施例可以通过MOCVD、MBE、溅射法和PECVD中的任意一种工艺方法在所述多量子阱层13上生长所述第二型导电层14。

综上可见，在本实用新型提供的半导体发光元件中，多量子阱层包括蓝光量子阱层和黄光量子阱层，且所述黄光量子阱层的In组分大于所述蓝光量子阱层。即本实用新型的多量子阱层具有两种发光波长的量子阱层，可以直接产生两种发光波长，且发光效率比较高。

其次，本实用新型的蓝光势阱层的峰值波长为440nm～480nm，此为蓝光波长，而黄光势阱层的峰值波长为560nm～610nm，此为黄光波长，因此本实用新型可以直接产生合成白光的黄光和蓝光，进而得到混合白光。相对于现有的蓝光激发荧光粉产生的混合白光，本实用新型提供的半导体发光元件的发光效率得到了提高。

而且，本实用新型可以通过调整两种发光波长的势阱层(蓝光势阱层和黄光势阱层)的位置和厚度等来改变两种势阱层发光的强度，从而调试混合光的色坐标。

此外，可以理解的是，虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本实用新型。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

而且还应该理解的是，本实用新型并不限于此处描述的特定的方法、化合物、材料、制造技术、用法和应用，它们可以变化。还应该理解的是，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本实用新型的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。因此，例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。因此，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此处描述的结构将被理解为还引述该结构的功能等效物。可被解释为近似的语言应该被那样理解，除非上下文明确表示相反意思。

Claims (10)

1.一种半导体发光元件，其特征在于，从下至上依次包括：衬底、缓冲层、第一型导电层、多量子阱层以及第二型导电层，所述多量子阱层包括黄光量子阱层和蓝光量子阱层，且所述黄光量子阱层位于所述蓝光量子阱层中间。

2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述蓝光量子阱层为蓝光势阱层与势垒层交替生长形成的周期性结构，其周期数为4～10。

3.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，所述蓝光势阱层发出的光的峰值波长为440nm～480nm。

4.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，所述黄光量子阱层与所述第二型导电层之间的蓝光量子阱层的周期数为2～6。

5.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，所述黄光量子阱层与所述第一型导电层之间的蓝光量子阱层的周期数为2～6。

6.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，所述黄光量子阱层为黄光势阱层与势垒层交替生长形成的周期性结构，其周期数为1～3。

7.如权利要求6所述的半导体发光元件，其特征在于，所述黄光势阱层发出的光的峰值波长为560nm～610nm。

8.如权利要求6所述的半导体发光元件，其特征在于，单层所述蓝光势阱层的厚度为n，单层所述黄光势阱层的厚度为m，且1nm≤m<n≤4nm。

9.如权利要求2或6所述的半导体发光元件，其特征在于，单层所述势垒层的厚度为8nm～14nm。

10.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第一型导电层的厚度≥1μm，所述第二型导电层的厚度为40nm～100nm。