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；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；半导体发光元件的折射率、介电常数等参数大于空气，导致量子阱发出的光出射时的全反射角偏小，光提取效率偏低。

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、n型半导体层、量子阱层和p型半导体层，所述量子阱层与n性半导体层之间设置有V-pits尺寸控制层，所述V-pits尺寸控制层包括第一子V-pits尺寸控制层和第二子V-pits尺寸控制层，所述第一子V-pits尺寸控制层位于第二子V-pits尺寸控制层下方，所述第一子V-pits尺寸控制层和第二子V-pits尺寸控制层为阱层和垒层组成的超晶格结构，所述第一子V-pits尺寸控制层和第二子V-pits尺寸控制层均具有辐射复合系数分布特性。

优选地，所述第一子V-pits尺寸控制层的辐射复合系数分布具有函数y＝Asin(Bx+C)曲线分布；所述第二子V-pits尺寸控制层的辐射复合系数分布具有函数y＝Dsin(Ex+F)曲线分布；其中：A≤D。

优选地，所述第一子V-pits尺寸控制层的阱层的辐射复合系数大于等于垒层的辐射复合系数；所述第二子V-pits尺寸控制层的阱层的辐射复合系数大于等于垒层的辐射复合系数。

优选地，所述第一子V-pits尺寸控制层的阱层的辐射复合系数小于等于第二子V-pits尺寸控制层的阱层的辐射复合系数。

优选地，所述第一子V-pits尺寸控制层和第二子V-pits尺寸控制层还具有价带有效态密度分布、光子能量吸收系数分布和空穴迁移率分布特性。

优选地，所述第一子V-pits尺寸控制层的阱层的价带有效态密度≤第二子V-pits尺寸控制层的阱层的价带有效态密度≤第二子V-pits尺寸控制层的垒层的价带有效态密度≤第一子V-pits尺寸控制层的垒层的价带有效态密度；所述第一子V-pits尺寸控制层的价带有效态密度分布具有函数y＝Gsin(Hx+I)曲线分布；所述第二子V-pits尺寸控制层的价带有效态密度分布具有函数y＝Jsin(Kx+L)曲线分布；其中：G≤J。

优选地，所述第一子V-pits尺寸控制层的阱层的光子能量吸收系数≥第二子V-pits尺寸控制层的阱层的光子能量吸收系数≥第二子V-pits尺寸控制层的垒层的光子能量吸收系数≥第一子V-pits尺寸控制层的垒层的光子能量吸收系数；所述第一子V-pits尺寸控制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝Mcos(Nx+O)曲线分布；所述第二子V-pits尺寸控制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝Pcos(Qx+R)曲线分布；其中：M≤P。

优选地，所述第一子V-pits尺寸控制层的阱层的空穴迁移率≤第二子V-pits尺寸控制层的阱层的空穴迁移率≤第二子V-pits尺寸控制层的垒层的的空穴迁移率≤第一子V-pits尺寸控制层的垒层的的空穴迁移率；所述第一子V-pits尺寸控制层的的空穴迁移率分布具有函数y＝Tsin(Sx+U)曲线分布；所述第二子V-pits尺寸控制层的的空穴迁移率分布具有函数y＝Vsin(Wx+Z)曲线分布；其中：T≤V。

优选地，所述第一子V-pits尺寸控制层、第二子V-pits尺寸控制层的阱层和垒层的辐射复合系数分布、价带有效态密度分布、光子能量吸收系数分布、空穴迁移率分布具有如下关系：A≤G≤M≤T≤D≤J≤P≤V。

优选地，所述第一子V-pits尺寸控制层和第二子V-pits尺寸控制层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN的任意一种或任意组合，所述第一子V-pits尺寸控制层的周期数小于等于第二子V-pits尺寸控制层的周期数；

所述量子阱层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为1～50；所述量子阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga

所述n型半导体层为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga

所述p型半导体层为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga

所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、Mo、金刚石、Cu、TiW、InP、蓝宝石/SiO

本发明的有益效果如下：本发明通过在量子阱层与n性半导体层之间设置有V-pits尺寸控制层，并将该V-pits尺寸控制层设置为多层结构，同时，对该V-pits尺寸控制层中的辐射复合系数分布进行特定设计，从而调控V-pits的尺寸控制在50～500nm，使V-pits的侧壁形成高势垒，阻止载流子被V-pits处的缺陷俘获，提升量子阱的量子局域效应，增强量子阱的载流子限域，增强量子阱区域的空穴电子输运、注入与复合效率，提升半导体发光元件的发光效率和改善老化光衰，光电转换效率WPE从40～60％提升至60～90％，1000H老化光衰从10％～20％下降至2～10％。

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为本发明实施例所述的半导体发光二极管的局部放大SIMS二次离子质谱图；

图4为本发明实施例所述的半导体发光二极管的第一子V-pits尺寸控制层TEM透射电镜图；

图5为本发明实施例所述的半导体发光二极管的第二子V-pits尺寸控制层TEM透射电镜图；

图6为本发明实施例所述的半导体发光二极管的量子阱层TEM透射电镜图；

图7为本发明实施例所述的半导体发光二极管的p型半导体层TEM透射电镜图。

附图标记：

100、衬底，101、n型半导体层，102、V-pits尺寸控制层，103、量子阱层，104、p型半导体层；

102a、第一子V-pits尺寸控制层，102b、第二子V-pits尺寸控制层。

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7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、n型半导体层101、量子阱层103和p型半导体层104。其中，在量子阱层103与n性半导体层之间设置有V-pits尺寸控制层102。

具体的，本实施例中，半导体发光二极管从下至上依次设置有衬底100、n型半导体层101、量子阱层103和p型半导体层104。V-pits尺寸控制层102设置在量子阱层103与n性半导体层之间。该V-pits尺寸控制层102为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN的任意一种或任意组合。

本实施例中，V-pits尺寸控制层102为多层结构，由第一子V-pits尺寸控制层102a和第二子V-pits尺寸控制层102b组成，第一子V-pits尺寸控制层102a位于第二子V-pits尺寸控制层102b下方。第一子V-pits尺寸控制层102a和第二子V-pits尺寸控制层102b为阱层和垒层组成的超晶格结构。第一子V-pits尺寸控制层102a的周期数小于等于第二子V-pits尺寸控制层102b的周期数。在该第一子V-pits尺寸控制层102a和第二子V-pits尺寸控制层102b中具有辐射复合系数分布特性。

辐射复合系数，根据能量守恒原则，电子和空穴复合时应释放一定的能量，可以用来衡量辐射传输的效率。如果能量以光子的形式放出，这种复合称为辐射复合。辐射复合可以是导带电子与价带的空穴直接复合，这种复合又称为直接辐射复合，是辐射复合中的主要形式，此外辐射复合也可以通过复合中心进行。

基于此，本实施例对第一子V-pits尺寸控制层102a和第二子V-pits尺寸控制层102b的辐射复合系数分布进行特定设计，具体如下：

第一子V-pits尺寸控制层102a的辐射复合系数分布具有函数y＝Asin(Bx+C)曲线分布；

第二子V-pits尺寸控制层102b的辐射复合系数分布具有函数y＝Dsin(Ex+F)曲线分布；其中：A≤D；

第一子V-pits尺寸控制层102a的阱层的辐射复合系数大于等于垒层的辐射复合系数；

第二子V-pits尺寸控制层102b的阱层的辐射复合系数大于等于垒层的辐射复合系数；

第一子V-pits尺寸控制层102a的阱层的辐射复合系数小于等于第二子V-pits尺寸控制层102b的阱层的辐射复合系数。

本实施例通过在量子阱层103与n性半导体层之间设置有V-pits尺寸控制层102，并将该V-pits尺寸控制层102设置为多层结构，同时，对该V-pits尺寸控制层102中的辐射复合系数分布进行特定设计，从而调控V-pits的尺寸控制在50～500nm，使V-pits的侧壁形成高势垒，阻止载流子被V-pits处的缺陷俘获，提升量子阱的量子局域效应，增强量子阱的载流子限域，增强量子阱区域的空穴电子输运、注入与复合效率，提升半导体发光元件的发光效率和改善老化光衰，光电转换效率WPE从40～60％提升至60～90％，1000H老化光衰从10％～20％下降至2～10％。

进一步的，本实施例中，第一子V-pits尺寸控制层102a和第二子V-pits尺寸控制层102b还具有价带有效态密度分布、光子能量吸收系数分布和空穴迁移率分布特性。

价带有效态密度，价带代表了固体中价电子的能量状态。价带相当于固体中所有价电子的能量状态，在零温度下，所有价电子都会填满价带。有效态密度则是描述价带中能够被占据的态的数量。在价带中，有效态密度表示了所有未被占据的能量态的数量。有效态密度与固体的物理性质密切相关，如电导率、热导率等。对于不同的固体，价带有效态密度会有所不同，这也是导致不同固体物理性质差异的主要原因之一。因此，研究价带有效态密度对于深入理解固体物理学具有重要的意义。

光子能量吸收系数，半导体材料的吸收系数是指材料对入射光的吸收程度，是衡量材料吸收性能的重要参数。其中影响因素包括材料本身的特征、光子能量以及入射角度。光子能量与材料的带隙能量相关，当光子能量与带隙能量相等或高于带隙能量时，吸收系数较大，反之，则吸收系数较小。半在光电器件和光通信等领域，合理选择适当吸收系数的材料对于提高器件性能和系统效率具有重要意义。

空穴迁移率，空穴迁移是一种晶体物理现象，是电子从一个原子核迁移到另一个原子核过程中发生的。空穴迁移这一现象在研究半导体中起着重要的作用，成为一种电子能量转移机制。空穴迁移率是描述半导体的一种参数，它表示掺杂的空穴的移动率。空穴的迁移率受到空穴的掺杂、空穴的动力学行为和材料的力学属性等因素的影响。空穴迁移率受到晶体和材料性质的影响，不同材料的空穴迁移率不同。

基于此，本实施例对第一子V-pits尺寸控制层102a和第二子V-pits尺寸控制层102b的价带有效态密度分布、光子能量吸收系数分布和空穴迁移率分布进行特定设计如下：

价带有效态密度分布：

第一子V-pits尺寸控制层102a的阱层的价带有效态密度≤第二子V-pits尺寸控制层102b的阱层的价带有效态密度≤第二子V-pits尺寸控制层102b的垒层的价带有效态密度≤第一子V-pits尺寸控制层102a的垒层的价带有效态密度；

第一子V-pits尺寸控制层102a的价带有效态密度分布具有函数y＝Gsin(Hx+I)曲线分布；

第二子V-pits尺寸控制层102b的价带有效态密度分布具有函数y＝Jsin(Kx+L)曲线分布；其中：G≤J。

光子能量吸收系数分布：

第一子V-pits尺寸控制层102a的阱层的光子能量吸收系数≥第二子V-pits尺寸控制层102b的阱层的光子能量吸收系数≥第二子V-pits尺寸控制层102b的垒层的光子能量吸收系数≥第一子V-pits尺寸控制层102a的垒层的光子能量吸收系数；

第一子V-pits尺寸控制层102a的光子能量吸收系数分布具有函数y＝Mcos(Nx+O)曲线分布；

第二子V-pits尺寸控制层102b的光子能量吸收系数分布具有函数y＝Pcos(Qx+R)曲线分布；其中：M≤P。

空穴迁移率分布：

第一子V-pits尺寸控制层102a的阱层的空穴迁移率≤第二子V-pits尺寸控制层102b的阱层的空穴迁移率≤第二子V-pits尺寸控制层102b的垒层的的空穴迁移率≤第一子V-pits尺寸控制层102a的垒层的的空穴迁移率；

第一子V-pits尺寸控制层102a的的空穴迁移率分布具有函数y＝Tsin(Sx+U)曲线分布；

第二子V-pits尺寸控制层102b的的空穴迁移率分布具有函数y＝Vsin(Wx+Z)曲线分布；其中：T≤V。

其中，第一子V-pits尺寸控制层102a、第二子V-pits尺寸控制层102b的阱层和垒层的辐射复合系数分布、价带有效态密度分布、光子能量吸收系数分布、空穴迁移率分布具有如下关系：A≤G≤M≤T≤D≤J≤P≤V。

更进一步的，量子阱层103为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为1～50；量子阱层103为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga

n型半导体层101为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga

p型半导体层104为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga

衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、Mo、金刚石、Cu、TiW、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。