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CN116130564B - 一种半导体发光二极管 - Google Patents

一种半导体发光二极管 Download PDF

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CN116130564B CN202310221371.1A CN202310221371A CN116130564B CN 116130564 B CN116130564 B CN 116130564B CN 202310221371 A CN202310221371 A CN 202310221371A CN 116130564 B CN116130564 B CN 116130564B
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Abstract

本发明提出了一种半导体发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底、第一n型半导体层、第二n型半导体层、第三n型半导体层、超晶格层、浅量子阱层、量子阱层和p型半导体层；所述第一n型半导体层、第二n型半导体层和第三n型半导体层之间的Si/O浓度比例呈U型分布，所述第二n型半导体层、第三n型半导体层和超晶格层之间的Si/O浓度比例呈U型分布；所述P型半导体层的Mg浓度呈尖峰状分布，且所述P型半导体层中的Mg/H浓度比例向所述量子阱方向变化，所述Mg/H浓度比例的变化趋势由小于或等于1变为大于或等于1。本发明使量子阱层中扩散漂移跃迁的电子与空穴载流子的浓度差异变为小于等于2个数量级，以提升半导体发光二极管的发光效率。

Description

一种半导体发光二极管
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，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元件的发光效率。
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发光二极管。
本发明实施例提供了一种半导体发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底、第一n型半导体层、第二n型半导体层、第三n型半导体层、超晶格层、浅量子阱层、量子阱层和p型半导体层；
所述第一n型半导体层、第二n型半导体层和第三n型半导体层之间的Si/O浓度比例呈U型分布，所述第二n型半导体层、第三n型半导体层和超晶格层之间的Si/O浓度比例呈U型分布；
所述P型半导体层的Mg浓度呈尖峰状分布，且所述P型半导体层中的Mg/H浓度比例向所述量子阱方向变化，所述Mg/H浓度比例的变化趋势由小于或等于1变为大于或等于1。
优选地，所述量子阱层中电子扩散漂移载流子浓度与空穴扩散漂移载流子浓度比例为x：5≤x≤50。
优选地，所述量子阱层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述量子阱层的周期数为y：5≤y≤20，所述量子阱层的阱层厚度为a：30埃米≤a≤40埃米，所述量子阱层的垒层厚度b：80埃米≤b≤120埃米。
优选地，所述浅量子阱层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述浅量子阱层的周期数为z：1≤z≤30，所述浅量子阱层的阱层厚度为c：10埃米≤c≤40埃米，所述浅量子阱层的垒层厚度d：60埃米≤d≤120埃米。
优选地，所述超晶格层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述超晶格层的周期数为k：1≤k≤6，所述超晶格层的阱层厚度为c：10埃米≤c≤40埃米，所述超晶格层的垒层厚度d：80埃米≤d≤300埃米。
优选地，所述第一n型半导体层、第二n型半导体层、第三n型半导体层和超晶格层的Si/O浓度比例均大于或等于1。
优选地，所述第三n型半导体层、超晶格层和p型半导体层的C/O浓度比例大于或等于1，所述第一n型半导体层、第二n型半导体层、浅量子阱层和量子阱层的C/O浓度比例小于或等于1。
优选地，所述第三n型半导体层、超晶格层、浅量子阱层、量子阱层和p型半导体层之间的C/O浓度比例呈U型分布。
优选地，所述p型半导体层的Al含量呈V型分布，且所述Al含量的V型最低点在所述Mg浓度的尖峰状最高点附近，所述量子阱层、浅量子阱层和超晶格层的Al含量依次呈梯度下降趋势。
优选地，所述量子阱层、浅量子阱层和超晶格层的In含量依次呈梯度下降趋势。
本发明的有益效果如下：本发明通过设计第一n型半导体层、第二n型半导体层、第三n型半导体层和超晶格层之间的Si/O浓度比例分布以及P型半导体层中的Mg/H浓度比例变化，使得第一n型半导体层、第二n型半导体层、第三n型半导体层、超晶格层和量子阱层构成扩散漂移载流子平衡结构。该结构的量子阱层中扩散漂移跃迁的电子与空穴载流子的浓度差异从常规发光二极管的大于2个数量级变为小于等于2个数量级，从而提升量子阱层的电子和空穴波函数交叠几率和分布均匀性，以及提升量子阱层中电子和空穴的辐射复合几率和发光效率，进而提升半导体发光二极管的发光效率。
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发光二极管的SIMS二次离子质谱图；
图3为图2的局部放大图。
附图标记：
100、衬底，101、第一n型半导体层，102、第二n型半导体层，103、第三n型半导体层，104、超晶格层，105、浅量子阱层，106、量子阱层，107、p型半导体层。
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至图3所示，本实施例提出一种半导体发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底100、第一n型半导体层101、第二n型半导体层102、第三n型半导体层103、超晶格层104、浅量子阱层105、量子阱层106和p型半导体层107。
具体的，如图2和图3所示，本实施例中，第一n型半导体层101、第二n型半导体层102和第三n型半导体层103之间的Si/O浓度比例呈U型分布，第二n型半导体层102、第三n型半导体层103和超晶格层104之间的Si/O浓度比例呈U型分布，两组Si/O浓度比例构成双U型分布结构；p型半导体层107的Mg浓度呈尖峰状分布，且p型半导体层107中的Mg/H浓度比例向量子阱方向变化，Mg/H浓度比例的变化趋势由小于或等于1变为大于或等于1。
本实施例通过对第一n型半导体层101、第二n型半导体层102、第三n型半导体层103和超晶格层104之间的Si/O浓度比例分布以及p型半导体层107中的Mg/H浓度比例变化进行设计，使得第一n型半导体层101、第二n型半导体层102、第三n型半导体层103、超晶格层104和量子阱层106构成扩散漂移载流子平衡结构。该结构的量子阱层106中扩散漂移跃迁的电子与空穴载流子的浓度差异从常规发光二极管的大于2个数量级变为小于等于2个数量级，量子阱层106中电子扩散漂移载流子浓度与空穴扩散漂移载流子浓度比例为x：5≤x≤50，从而提升量子阱层106的电子和空穴波函数交叠几率和分布均匀性，以及提升量子阱层106中电子和空穴的辐射复合几率和发光效率，进而提升半导体发光二极管的发光效率。
进一步的，本实施例中，量子阱层106、浅量子阱层105和超晶格层104均是由阱层和垒层组成的周期结构。其中，量子阱层106的周期数为y：5≤y≤20，量子阱层106的阱层厚度为a：30埃米≤a≤40埃米，量子阱层106的垒层厚度b：80埃米≤b≤120埃米。浅量子阱层105的周期数为z：1≤z≤30，浅量子阱层105的阱层厚度为c：10埃米≤c≤40埃米，浅量子阱层105的垒层厚度d：60埃米≤d≤120埃米。超晶格层104的周期数为k：1≤k≤6，超晶格层104的阱层厚度为c：10埃米≤c≤40埃米，超晶格层104的垒层厚度d：80埃米≤d≤300埃米。
更进一步的，第一n型半导体层101、第二n型半导体层102、第三n型半导体层103和超晶格层104的Si/O浓度比例均大于或等于1。第三n型半导体层103、超晶格层104和p型半导体层107的C/O浓度比例大于或等于1，第一n型半导体层101、第二n型半导体层102、浅量子阱层105和量子阱层106的C/O浓度比例小于或等于1。并且，第三n型半导体层103、超晶格层104、浅量子阱层105、量子阱层106和p型半导体层107之间的C/O浓度比例呈U型分布。第三n型半导体层103、第二n型半导体层102和第一n型半导体层101之间的C/O浓度比例呈单Z型分布。
同时，本实施例中，p型半导体层107的Al含量呈V型分布，且Al含量的V型最低点在Mg浓度的尖峰状最高点附近，量子阱层106、浅量子阱层105和超晶格层104的Al含量依次呈梯度下降趋势。量子阱层106、浅量子阱层105和超晶格层104的In含量依次呈梯度下降趋势。
此外，本实施例中，第一n型半导体层101、第二n型半导体层102、第三n型半导体层103、浅量子阱层105、量子阱层106和p型半导体层107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。
衬底100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。
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)

1.一种半导体发光二极管，其特征在于，包括从下至上依次设置的衬底、第一n型半导体层、第二n型半导体层、第三n型半导体层、超晶格层、浅量子阱层、量子阱层和p型半导体层；
所述第一n型半导体层、第二n型半导体层和第三n型半导体层之间的Si/O浓度比例呈U型分布，所述第二n型半导体层、第三n型半导体层和超晶格层之间的Si/O浓度比例呈U型分布；
所述p型半导体层的Mg浓度呈尖峰状分布，且所述p型半导体层中的Mg/H浓度比例向所述量子阱方向变化，所述Mg/H浓度比例的变化趋势由小于或等于1变为大于或等于1。
2.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述量子阱层中电子扩散漂移载流子浓度与空穴扩散漂移载流子浓度比例为x，5≤x≤50。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述量子阱层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述量子阱层的周期数为y，5≤y≤20，所述量子阱层的阱层厚度为a，30埃米≤a≤40埃米，所述量子阱层的垒层厚度b，80埃米≤b≤120埃米。
4.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述浅量子阱层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述浅量子阱层的周期数为z，1≤z≤30，所述浅量子阱层的阱层厚度为c，10埃米≤c≤40埃米，所述浅量子阱层的垒层厚度d，60埃米≤d≤120埃米。
5.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述超晶格层为由阱层和垒层组成的周期结构，所述超晶格层的周期数为k，1≤k≤6，所述超晶格层的阱层厚度为c，10埃米≤c≤40埃米，所述超晶格层的垒层厚度d，80埃米≤d≤300埃米。
6.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述第一n型半导体层、第二n型半导体层、第三n型半导体层和超晶格层的Si/O浓度比例均大于或等于1。
7.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述第三n型半导体层、超晶格层和p型半导体层的C/O浓度比例大于或等于1，所述第一n型半导体层、第二n型半导体层、浅量子阱层和量子阱层的C/O浓度比例小于或等于1。
8.根据权利要求1或7所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述第三n型半导体层、超晶格层、浅量子阱层、量子阱层和p型半导体层之间的C/O浓度比例呈U型分布。
9.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述p型半导体层的Al含量呈V型分布，且所述Al含量的V型最低点在所述Mg浓度的尖峰状最高点附近，所述量子阱层、浅量子阱层和超晶格层的Al含量依次呈梯度下降趋势。
10.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述量子阱层、浅量子阱层和超晶格层的In含量依次呈梯度下降趋势。
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