CN105428479B - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及半导体发光元件，该半导体发光元件，包括一基板，及依次形成于所述基板上的氮化物缓冲层、n型层、浅量子阱层、多量子阱层和p型层，其特征在于：于所述浅量子阱层与多量子阱层之间还插入一复合结构层，所述复合结构层至少包括一p型掺杂GaN层、一n型掺杂GaN层、及位于p型掺杂GaN层与n型掺杂GaN层之间的隔离层。利用复合结构层中p型杂质向所述浅量子阱层和多量子阱层迁移的特性，增加多量子阱层发光强度的同时促使浅量子阱层和复合结构层发光，增加半导体元件出光面积，继而提升其发光强度。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种具有复合结构层的半导体元件。
背景技术
发光二极管（Light-emitting diodes，简称LED）以其高效率、长寿命、全固态、自发光和绿色环保等优点，已经被广泛应用于照明和显示两大领域，尤其当前白光照明领域的开发，使得市场对LED外延片及芯片的需求量骤增。
目前，发光二极管结构中，由于p型杂质的活化效率较低，使得p型层内活化空穴的浓度远远低于n型层内电子浓度，且由于空穴的迁移率较小，为480cm2/Vs（仅为电子迁移率的1/3~1/2)，如此，导致活化空穴主要集中在靠近P型层附近的量子阱内，而电子的迁移速率（1350 cm2/Vs）远远高于空穴，从而导致发光层主要集中在靠近P型层附近的量子阱内，造成发光效率低，发光均匀性差，故当该发光二极管结构应用于贴片产品时，其侧面发光亦偏低，难以满足实际应用的需要。
发明内容
针对传统量子阱设计中电子和空穴的不对称分布的问题，本发明提出一种具有复合结构的半导体发光元件，提高电子与空穴的复合效率及出光面积。
本发明提供的半导体发光元件，包括一基板，及依次形成于所述基板上的氮化物缓冲层、n型层、浅量子阱层、多量子阱层和p型层，其特征在于：于所述浅量子阱层与所述多量子阱层之间插入一复合结构层，所述复合结构层至少包括一p型掺杂GaN层、一n型掺杂GaN层及位于所述p型掺杂GaN层与n型掺杂GaN层之间的隔离层。
优选的，当注入电时，所述浅量子阱层、复合结构层和多量子阱层发光。
优选的，所述隔离层的材料为AlxInyGa1-x-yN，其中，0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.35。
优选的，调整所述隔离层中Al和In的组分浓度，使所述浅量子阱层、复合结构层和多量子阱层发光波长范围一致。
优选的，所述p型掺杂层中的p型杂质分别向所述多量子阱层和浅量子阱层迁移，促进所述浅量子阱层与多量子阱层中电子与空穴复合。
优选的，所述隔离层的禁带宽度大于所述p型掺杂GaN层与n型掺杂GaN层的禁带宽度。
优选的，所述复合结构层还包括位于其下端的第一电子阻挡层和位于其上端的第二电子阻挡层。
优选的，所述第一电子阻挡层、第二电子阻挡层用于控制所述p型掺杂GaN层中p型杂质向所述多量子阱层和浅量子阱层的迁移量。
优选的，所述第一电子阻挡层、第二电子阻挡层用于限制所述n型层的电子向所述多量子阱层迁移的速率，提高电子和空穴的有效复合机率。
优选的，所述第一电子阻挡层与第二电子阻挡层均为AlGaN材料层。
优选的，所述第一电子阻挡层与第二电子阻挡层的厚度为400埃~600埃
优选的，所述n型掺杂GaN层的厚度为800埃~950埃。
优选的，所述p型掺杂GaN层的厚度为800埃~950埃。
优选的，所述p型掺杂GaN层中，p型杂质浓度为0.8×1018/cm3~1.2×1019/cm3。
优选的，所述n型掺杂GaN层中，n型杂质浓度为0.8×1017/cm3~1.2×1018/cm3。
本发明至少具有以下有益效果：
1）p型掺杂GaN层内p型杂质向两边迁移，改善现有技术中空穴因迁移速率较慢而主要集中在靠近p型层的部分多量子阱中的现象，使浅量子阱层、电子收集层均有空穴注入，实现浅量子阱层与多量子阱层均有电子与空穴进行复合辐射发光，进而增加LED出光面积。
2）复合结构层中的双端电子阻挡层，减缓n型层电子的迁移速率，增强浅量子阱层、电子收集层富集电子的能力；增加p型层中空穴向远离p型层端量子阱迁移浓度，改善多量子阱层的发光效率，增加发光强度。同时，双端电子阻挡层也起到均衡p型杂质迁移至浅量子阱层与多量子阱层的浓度，避免破坏晶格质量。
3）在浅量子阱层与多量子阱层之间插入复合结构层，有效减少电子在外电场偏压下的溢流，改善大电流产品的Droop效应，并提高半导体元件的ESD耐受能力。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1 本发明实施例一之半导体元件结构示意图；
图2 本发明实施例二之半导体元件结构示意图；
图3 本发明实施例二之半导体元件能带结构示意图；
图4 本发明实施例三之复合结构层示意图；
附图标注：10:基板；20：氮化物缓冲层；30：n型层；40：浅量子阱层；41：阱层；50：复合结构层；50′：周期性结构；51：第一电子阻挡层；51′：第二电子阻挡层；52：n型掺杂GaN层；53：隔离层；54：p型掺杂GaN层；60：多量子阱层；61：电子收集层；611：势垒层；612：阱层；62：发光层；621：势垒层；622：阱层；70：p型层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。
实施例1
参看附图1，一种具有复合结构层50的半导体元件，包括一基板10，及依次形成于基板10上的氮化物缓冲层20、n型层30、浅量子阱层40、多量子阱层60和p型层70，及位于浅量子阱层40与多量子阱层60之间的复合结构层50，其中，基板10为蓝宝石平片衬底、蓝宝石图形化衬底、氮化硅衬底、GaN衬底、硅衬底、玻璃衬底或者金属衬底中的任意一种，氮化物缓冲层20为单层结构或超晶格结构，其为由Ga、N、In、Al组成的二元、三元或四元结构；p型层70为掺杂Mg的GaN层。
继续参看附图1，本实施例中，复合结构层50至少包括一p型掺杂GaN层54、一n型掺杂GaN层52及位于p型掺杂GaN层54与n型掺杂GaN层52之间的隔离层53。其中，隔离层53的材料为AlxInyGa1-x-yN，优选0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.35，调整隔离层53中Al和In的组分浓度，使浅量子阱层40、复合结构层50、多量子阱层60发光波长范围一致，因此，当对半导体元件注入电时，浅量子阱层、复合结构层和多量子阱层均发光。
具体地，进一步调整Al、In组分浓度，使隔离层53的禁带宽度大于p型掺杂GaN层54与n型掺杂GaN层52禁带宽度，并使浅量子阱层40和隔离层53的发光波长与多量子阱层60的发光波长相同，避免发光元件中波长不一致的现象产生。本发明结构使浅量子阱层40、复合结构层50、多量子阱层60均能有效发光，增加半导体元件出光面积。本实施例优选p型掺杂GaN层54的厚度为800埃~950埃，其掺杂杂质为Ⅱ族元素，包括Mg、Zn，其杂质浓度为0.8×1018/cm3~1.2×1019/cm3，利用p型杂质具有向复合结构层50两侧的浅量子阱层40与多量子阱层60迁移的特性，改善现有技术中空穴因迁移速率较慢而主要集中在靠近p型层70的部分多量子阱层60中的现象，使浅量子阱层40、多量子阱层60从下至上均有空穴注入，实现电子与空穴在浅量子阱层40与多量子阱层60中有效复合辐射发光；n型掺杂GaN层52的厚度为800埃~950埃，其掺杂杂质为Ⅳ族元素，包括Si、Ge、Sn，其杂质浓度为0.8×1017/cm3~1.2×1018/cm3，其一方面为复合结构层50发光提供电子，另一方面作为过渡层，改善高温条件下生长的InGaN/GaN浅量子阱层40In掺杂对晶格的破坏，提高半导体元件的ESD耐受能力。
实施例2
参看附图2，本实施例与实施例1相比，区别在于，复合结构层50还包括位于其下端的第一电子阻挡层51和位于其上端的第二电子阻挡层51’。，其中，第一电子阻挡层51与第二电子阻挡层51′的材料均为AlGaN，其厚度相同或不同，本实施例优选电子阻挡层51与第二电子阻挡层51′的厚度相同，优选的厚度范围均为400埃~600埃。
具体地，参看附图3，复合结构层50从下至上依次为第一电子阻挡层51、n型掺杂GaN层52、AlxInyGa1-x-yN隔离层53、p型掺杂GaN层54和第二电子阻挡层51′；其中，隔离层53的禁带宽度大于p型GaN层54和n型GaN层52，且小于第一电子阻挡层51与第二电子阻挡层51′的禁带宽度；多量子阱层60包括电子收集层61和发光层62。
现有技术中，因电子的迁移速度较快，本实施例为避免当p型掺杂GaN层54中的p型杂质未迁移至浅量子阱层40与电子收集层61时，而n型层30的电子已迁移至电子收集层61中，使浅量子阱层40与电子收集层61不能进行有效的电子-空穴复合辐射发光的现象；因此，在复合结构层50上、下两端分别设置第二电子阻挡层51′与第一电子阻挡层51，一方面降低所述n型层30的电子向所述p型层70迁移的速率，为p型掺杂GaN层54的空穴迁移提供时间，增加浅量子阱层40与电子收集层61内电子与空穴的有效复合机率；且也为p型层70中空穴向远离P型层的多量子阱内迁移提供时间，增加多量子阱的发光效率。另一方面用于控制所述p型掺杂GaN层54中p型杂质向电子收集层61和浅量子阱层40的迁移量，以防止较高浓度的p型杂质降低晶体质量；同时，复合结构层50中因第一电子阻挡层51与第二电子阻挡层51′的作用，改善电流的横向扩展能力，提高电流扩展的均匀性，有效减少电子在外电场偏压下的溢流，同时改善大电流产品的Droop效应。
此外，浅量子阱层40由2~20个周期的Iny1Ga1-y1N/GaN阱垒结构组成，其主要起到应力缓冲作用，减少多量子阱层60与n型层30的晶格差异；电子收集层61由2~30个周期的Iny2Ga1-y2N/GaN阱垒结构组成，发光层62由2~25个周期的Iny3Ga1-y3N/GaN阱垒结构组成，其中，y1＜y2，y1＜y3，y1＜y，阱层41的禁带宽度大于多量子阱层60中阱层（612、622）的禁带宽度；电子集层61的势垒层611厚度与发光层62的势垒层621厚度相同，电子收集层61的阱层612的厚度为发光层62阱层厚度的0.5~0.9倍，电子收集层61一方面起到应力释放的作用，另一面位于继复合结构层50后，进一步收集电子，减缓电子迁移速率。
更进一步地，在调节Al、In组分浓度使隔离层53与浅量子阱层40、电子收集层61、发光层62的波长一致的同时，还包括调节隔离层53、阱层（41、612、622）的厚度及生长温度的过程，例如，本实施例中，因浅量子阱层40的In组分浓度低于多量子阱层61与发光层62，则优选通过增加阱层41的厚度来调节其波长，使其与隔离层53、电子收集层61、发光层62的发光波长一致。
实施例3
参看附图4，本实施例与实施例1的区别在于，复合结构层50包括一p型掺杂GaN层54、一n型掺杂GaN层52、位于p型掺杂GaN层54与n型掺杂GaN层52之间的材料为AlxInyGa1-x- yN的隔离层53交替组成的周期性结构50′及位于复合结构层50下端的第一电子阻挡层51、位于复合结构层50上端的第二电子阻挡层51′，其中周期性结构50′的周期数大于等于2，每一周期均包括n型掺杂GaN层52、隔离层53、p型掺杂GaN层54和隔离层53，第一电子阻挡层51与第二电子阻挡层51′在富集复合结构层50中电子的同时，控制p型掺杂GaN层54中p型杂质向所述多量子阱层60和浅量子阱层40的迁移量，以防止较高浓度的p型杂质使晶体质量降低，调整隔离层53中Al、In组分浓度，使浅量子阱层40和复合结构层50的发光波长与所述多量子阱层60的发光波长一致，增加半导体元件出光面积，继而提升其发光强度。
需要说明的是，在本发明中，向上的方向是指从基板10到p型层70的方向，从下至上也是指从基板10到p型层70的方向；p型杂质用于提供空穴、n型杂质用于提供电子。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (14)
1.半导体发光元件，包括一基板，及依次形成于所述基板上的氮化物缓冲层、n型层、浅量子阱层、多量子阱层和p型层，其特征在于：于所述浅量子阱层和多量子阱层之间插入一复合结构层，所述复合结构层至少包括一p型掺杂GaN层、一n型掺杂GaN层及位于所述p型掺杂GaN层与n型掺杂GaN层之间的隔离层。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：当注入电时，所述浅量子阱层、复合结构层和多量子阱层发光。
3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述隔离层的材料为AlxInyGa1-x-yN，0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.35。
4.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于：调整所述隔离层中Al和In的组分浓度，使所述浅量子阱层、复合结构层、多量子阱层发光波长范围一致。
5.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述隔离层的禁带宽度大于所述p型掺杂GaN层与n型掺杂GaN层的禁带宽度。
6.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述p型掺杂层中的p型杂质分别向所述多量子阱层和浅量子阱层迁移，促进所述浅量子阱层与多量子阱层中电子与空穴复合。
7.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述复合结构层还包位于其下端的第一电子阻挡层和位于其上端的第二电子阻挡层。
8.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一电子阻挡层、第二电子阻挡层用于控制所述p型掺杂GaN层中p型杂质向所述多量子阱层和浅量子阱层的迁移量。
9.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一电子阻挡层、第二电子阻挡层用于限制所述n型层的电子向所述多量子阱层的迁移速率，提高电子和空穴的有效复合机率。
10.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一电子阻挡层与第二电子阻挡层均为AlGaN材料层。
11.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述n型掺杂GaN层的厚度为800埃~950埃。
12.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述p型掺杂GaN层的厚度为800埃~950埃。
13.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述p型掺杂GaN层中，p型杂质浓度为0.8×1018/cm3~1.2×1019/cm3。
14.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述n型掺杂GaN层中，n型杂质浓度为0.8×1017/cm3~1.2×1018/cm3。
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