一种氮化镓基半导体发光元件

技术领域

本申请涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种氮化镓基半导体发光元件。

背景技术

半导体元件特别是氮化镓基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，产生非辐射复合中心，降低氮化镓基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，进而影响氮化镓基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，本发明提供了一种氮化镓基半导体发光元件。

本发明实施例提供了一种氮化镓基半导体发光元件，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，所述量子阱包括第一子量子阱和第二子量子阱，所述第一子量子阱和第二子量子阱均具有Al元素分布、In元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布、C含量浓度分布、H含量浓度分布和O含量浓度分布特性。

优选地，所述第一子量子阱和第二子量子阱的Al元素分布组合呈函数y＝x

所述第一子量子阱和第二子量子阱的Mg掺杂浓度分布组合呈函数y＝sinx/x

所述第一子量子阱和第二子量子阱的Si掺杂浓度分布组合函数y＝sinx/x的曲线分布。

优选地，所述第一子量子阱和第二子量子阱的In元素分布呈正弦函数或余弦函数曲线分布，其中，第一子量子阱为y＝Asin(Bx+C)+D，第二子量子阱为y＝Esin(Fx+G)+H，且A≤B，D≤H。

优选地，所述第一子量子阱和第二子量子阱的H元素浓度分布组合呈指数函数y＝a

所述第一子量子阱和第二子量子阱的C元素浓度分布组合呈y＝(n

所述第一子量子阱和第二子量子阱的O元素浓度分布组合呈y＝(n

优选地，所述第一子量子阱和第二子量子阱均为阱层和垒层组成的周期结构，所述第一子量子阱和第二子量子阱的垒层均为超薄垒层。

优选地，所述第一子量子阱的周期数为k：3≤k≤20，第一子量子阱的阱层为InGaN和GaN的任意一种或任意组合，阱层厚度为10埃米至100埃米，所述第一子量子阱的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN、AlN的任意一种或任意组合，垒层厚度为10埃米至60埃米。

优选地，所述第二子量子阱的周期数为l：3≤l≤20，第二子量子阱的阱层为InGaN和GaN的任意一种或任意组合，阱层厚度为10埃米至100埃米，所述第二子量子阱的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN、AlN的任意一种或任意组合，垒层厚度为10埃米至60埃米。

优选地，所述n型半导体层为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合，所述n型半导体的厚度为50nm至50000nm。

优选地，所述p型半导体层为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合，所述p型半导体的厚度为10nm至500nm。

优选地，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO

本发明的有益效果如下：本发明通过将量子阱分为第一子量子阱和第二子量子阱，并设计该第一子量子阱和第二子量子阱的Al元素分布、In元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布、C含量浓度分布、H含量浓度分布和O含量浓度分布特性，从而提升量子阱的WPE光电转换效率，WPE光电转换效率从60～70％提升至70％～90％，热态冷态效率比值从75～90％提升至85～95％。

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氮化镓基半导体发光元件的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的氮化镓基半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图；

图3为本发明实施例所述的氮化镓基半导体发光元件的第一子量子阱和第二子量子阱的透射电镜TEM图。

附图标记：

100、衬底，101、n型半导体层，102、量子阱，103、p型半导体层；

102a、第一子量子阱，102b、第二子量子阱。

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，本实施例提出一种氮化镓基半导体发光元件，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。

具体的，本实施例中，量子阱102层为双层结构，分别为第一子量子阱102a和第二子量子阱102b。其中，第一子量子阱102a在第二子量子阱102b下方。在该第一子量子阱102a和第二子量子阱102b中均具有Al元素分布、In元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布、C含量浓度分布、H含量浓度分布和O含量浓度分布特性。

更进一步的，本实施例中，第一子量子阱102a和第二子量子阱102b中Al元素分布、In元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布、C含量浓度分布、H含量浓度分布和O含量浓度分布如下所示：

Al元素分布：

第一子量子阱102a和第二子量子阱102b的Al元素分布组合呈函数y＝x

In元素分布：

第一子量子阱102a的In元素分布呈正弦函数或余弦函数曲线分布；

第二子量子阱102b的In元素分布呈正弦函数或余弦函数曲线分布。

Mg掺杂浓度分布：

第一子量子阱102a和第二子量子阱102b的Mg掺杂浓度分布组合呈函数y＝sinx/x

Si掺杂浓度分布：

第一子量子阱102a和第二子量子阱102b的Si掺杂浓度分布组合函数y＝sinx/x的曲线分布。

H元素浓度分布：

第一子量子阱102a和第二子量子阱102b的H元素浓度分布组合呈指数函数y＝a

C元素浓度分布：

第一子量子阱102a和第二子量子阱102b的C元素浓度分布组合呈y＝(n

O元素浓度分布：

第一子量子阱102a和第二子量子阱102b的O元素浓度分布组合呈y＝(n

其中，第一子量子阱102a的In元素分布为y＝Asin(Bx+C)+D，第二子量子阱102b的In元素分布为y＝Esin(Fx+G)+H，且A≤B，D≤H。

本实施例通过将量子阱102分为第一子量子阱102a和第二子量子阱102b，并设计该第一子量子阱102a和第二子量子阱102b的Al元素分布、In元素分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布、C含量浓度分布、H含量浓度分布和O含量浓度分布特性，从而提升量子阱102的WPE光电转换效率，WPE光电转换效率从60～70％提升至70％～90％，热态冷态效率比值从75～90％提升至85～95％。

进一步的，本实施例中，第一子量子阱102a和第二子量子阱102b均为阱层和垒层组成的周期结构，其中，第一子量子阱102a和第二子量子阱102b的垒层均为超薄垒层。

具体的，第一子量子阱102a的周期数为k：3≤k≤20，第一子量子阱102a的阱层为InGaN和GaN的任意一种或任意组合，阱层厚度为10埃米至100埃米，第一子量子阱102a的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN、AlN的任意一种或任意组合，垒层厚度为10埃米至60埃米。

第二子量子阱102b的周期数为l：3≤l≤20，第二子量子阱102b的阱层为InGaN和GaN的任意一种或任意组合，阱层厚度为10埃米至100埃米，第二子量子阱102b的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN、AlN的任意一种或任意组合，垒层厚度为10埃米至60埃米。

更进一步的，n型半导体层101为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合，n型半导体的厚度为50nm至50000nm。

p型半导体层103为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合，p型半导体的厚度为10nm至500nm。

衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO

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。