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CN113394314B - 半导体发光元件 - Google Patents

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CN113394314B CN202110662667.8A CN202110662667A CN113394314B CN 113394314 B CN113394314 B CN 113394314B CN 202110662667 A CN202110662667 A CN 202110662667A CN 113394314 B CN113394314 B CN 113394314B
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范伟宏
曾家明
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Abstract

本发明提供了一种半导体发光元件，所述半导体发光元件从下至上依次包括：衬底、n型半导体层、掺杂量子阱层、老化光衰控制层以及p型半导体层，所述老化光衰控制层从下至上依次包括具有至少一层非掺杂的垒层的非掺杂量子阱层、第一光衰控制层和/或第二光衰控制层。本发明通过在掺杂量子阱层和p型半导体层之间增加老化光衰控制层，可以降低长期老化过程中掺杂量子阱层的Si与p型半导体层的Mg扩散相接触的几率，改善半导体发光元件，尤其是紫外半导体发光元件的老化发光衰减性能，使得1000小时老化光衰由30％以上(甚至50％以上)下降至10％以内。

Description

半导体发光元件
技术领域
本发明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
紫外半导体发光元件，其波长范围为200～300nm，发出的紫外光可打断病毒和细菌的DNA或RNA，直接杀死病毒和细菌，可广泛应用于空气净化、自来水杀菌、家用空调杀菌、汽车空调杀菌等杀菌消毒领域。
现有的紫外半导体发光元件的量子阱层的阱层和垒层的缺陷较多，质量较差，容易引起老化光衰减；同时，量子阱层中的的Si和p型半导体层中的Mg的距离太近，容易导致Mg和Si在高温或长期使用情况下发生元素迁移扩散而混合，从而引起老化光衰减现象，使得1000小时的老化光衰减普遍在30％以上，甚至在50％以上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体发光元件，以改善半导体发光元件，尤其是紫外半导体发光元件的老化光衰性能。
为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明提供了一种半导体发光元件，从下至上依次包括：衬底、n型半导体层、掺杂量子阱层、老化光衰控制层以及p型半导体层，其中，所述老化光衰控制层从下到上依次包括具有至少一层非掺杂的垒层的非掺杂量子阱层、第一光衰控制层和/或第二光衰控制层。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述老化光衰控制层未掺杂Mg和Si。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述非掺杂量子阱层中的所有垒层厚度之和为4nm～12nm。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述非掺杂量子阱层还包括非掺杂的阱层，且所述非掺杂的阱层与所述非掺杂的垒层交替层叠形成所述非掺杂量子阱层。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述掺杂量子阱层由非掺杂的阱层和掺杂的垒层组成，且所述掺杂量子阱层的垒层的Si掺杂浓度为1E17cm-3～5E19cm-3。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述掺杂量子阱层的阱层的材质包括InmGa1-mN和GaN中的至少一种，其中m的范围为0～0.3；所述掺杂量子阱层的垒层的材质包括AlnGa1-nN，其中n的范围为0.1～1。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述第一光衰控制层的材质包括AlN。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述第一光衰控制层的厚度为0.5nm～3nm。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述第二光衰控制层的厚度0.5nm～5nm。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述第二光衰控制层的材质包括AlzGa1-zN，其中z的范围为0.2～1。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述p型半导体层包括p型电子阻挡层和位于所述p型电子阻挡层上的p型接触层，其中所述p型电子阻挡层的材质包括AlyGa1-yN，其中y的范围为0.2～1；所述p型接触层的材料包括GaN和AlkGa1-kN中的至少一种，其中k<0.45。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述p型电子阻挡层的厚度为15nm～50nm；所述p型电子阻挡层的Mg掺杂浓度为1E19cm-3～1E21cm-3。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述p型接触层的厚度为50nm～500nm。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述第二光衰控制层的Al组分含量不低于所述p型电子阻挡层的Al组分含量。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述n型半导体层的材质包括AlxGa1-xN，且x的范围为0.1～1；所述n型半导体层的厚度为1μm～3.5μm；所述n型半导体层的Si掺杂浓度为5E18cm-3～5E19cm-3。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明通过在掺杂量子阱层和P型半导体层之间增加老化光衰控制层，可以降低长期老化过程中掺杂量子阱层中的Si与p型半导体层中的Mg扩散相接触的几率，从而改善半导体发光元件，尤其是紫外半导体发光元件的老化发光衰减性能，使得1000小时老化光衰由30％以上(甚至50％以上)下降至10％以内，进而改善半导体发光元件长期的稳定性和发光效率。
附图说明
图1是本发明一实施例的半导体发光元件的结构示意图；
图1中：
100-衬底，101-缓冲层，102-n型半导体层，103-掺杂量子阱层，104-老化光衰控制层，104a-非掺杂量子阱层，104b-第一光衰控制层，104c-第二光衰控制层，105-p型电子阻挡层，106-p型接触层。
具体实施方式
现有的紫外半导体发光元件的量子阱层的阱层和垒层的缺陷较多，质量较差，容易引起老化光衰；同时，量子阱层中的Si和p型半导体层(例如AlyGa1-yN层)中的Mg的距离太近，容易导致Mg和Si在高温或长期使用情况下发生元素迁移扩散而混合，从而引起老化光衰减现象，使得1000小时的老化光衰减普遍在30％以上，甚至在50％以上。
为了改善半导体发光元件，尤其是紫外半导体发光元件的老化发光衰减性能，本发明提供了一种半导体发光元件，在掺杂量子阱层和P型半导体层之间增加非掺杂的老化光衰控制层，可以降低长期老化过程中掺杂量子阱层中的Si与p型半导体层中的Mg扩散相接触的几率，从而改善半导体发光元件，尤其是紫外半导体发光元件的老化发光衰减性能，使得1000小时老化光衰由30％以上(甚至50％以上)下降至10％以内，进而改善半导体发光元件长期的稳定性和发光效率。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的半导体发光元件作进一步详细说明。根据下面说明书，本发明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、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参阅图1，本实施例提供的半导体发光元件，从下至上依次包括：衬底100、n型半导体层102、掺杂量子阱层103、老化光衰控制层104以及P型半导体层，其中所述老化光衰控制层104从下到上依次包括具有至少一层非掺杂的垒层的非掺杂量子阱层104a、第一光衰控制层104b，和/或，第二光衰控制层104c。
所述衬底100可以是同质或异质衬底中的一种，包括GaN、AlN、Ga2O3、SiC、Si、蓝宝石、ZnO单晶衬底，以及带有预沉积AlN膜的耐高温金属衬底。优选使用能够透射由掺杂量子阱层103发出的光并从衬底侧发出出射光的衬底，例如蓝宝石衬底等。为了提高光提取效率，衬底100的出光侧或其相反侧的表面可以为凹凸形状。
在所述衬底100上可以形成缓冲层(Buffer)101。所述缓冲层101用于减少衬底100与外延层之间的晶格失配，以减少生长的外延层出现缺陷与位错的可能，提高晶体质量。所述缓冲层101不局限于一种材料，也可以是多种材料以及不同掺杂物和不同掺杂含量的组合等，目前已公开的所有缓冲层的材质均在本发明的保护范围之内。优选的，所述缓冲层101的材质为氮化物，例如所述缓冲层101的材质为AlN。
所述n型半导体层102根据需要借由所述缓冲层101设置于所述衬底100上，也可以将所述n型半导体层102直接设置在所述衬底100上。所述n型半导体层102可以采用常规的n型层，例如可以由AlxGa1-xN构成，其中x的范围为0.1～1。所述n型半导体层102通过掺杂n型的掺杂剂，从而作为n型层发挥作用，作为n型掺杂剂的具体例子，可以列举出硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、硫(S)、氧(O)、钛(Ti)、锆(Zr)等，但不限于此。所述n型掺杂剂的掺杂剂浓度只要为所述n型半导体层102能够作为n型层发挥作用的掺杂剂浓度即可。进一步的，所述n型半导体层102中的n型的掺杂剂优选为Si，且所述Si的掺杂浓度优选为5E18cm-3～5E19cm-3。所述n型半导体层102的厚度优选为1μm～3.5μm。另外，所述n型半导体层102的带隙优选比掺杂量子阱层103的阱层的带隙更宽，相对于发出的深紫外光具有透射性。另外，所述n型半导体层102除了可以为单层结构、由多层构成的结构外，也可以采用超晶格结构。
所述掺杂量子阱层103形成在所述n型半导体层102上。所述掺杂量子阱层103可以为InmGa1-mN与AlnGa1-nN组成的超晶格结构，其中m的范围为0～0.3，n的范围为0.1～1，除此之外，所述掺杂量子阱层103也可以为GaN与AlnGa1-nN组成的超晶格结构，但不限于此。例如，所述掺杂量子阱层103可以为In0.2Ga0.7N与Al0.4Ga0.6N组成的超晶格结构。所述掺杂量子阱层103由非掺杂的阱层和掺杂的垒层组成，即所述掺杂量子阱层103一般包括阱层和垒层，例如，所述掺杂量子阱层103为InmGa1-mN与AlnGa1-nN组成的超晶格结构时，所述阱层为InmGa1-mN层，所述垒层为AlnGa1-nN层。所述掺杂量子阱层103的超晶格结构的周期数优选为3～15，每一周期内的所述阱层和垒层组成一对量子阱。每一对所述量子阱的厚度优选为6nm～20nm。所述掺杂量子阱层103的阱层中的In组分含量优选为0～0.3。在所述掺杂量子阱层103的垒层中，即AlnGa1-nN中掺杂有n型的掺杂剂，优选为Si，且Si掺杂浓度优选为1E17cm-3～5E19cm-3。
所述老化光衰控制层104形成在所述掺杂量子阱层103上，且所述老化光衰控制层104从下到上依次包括具有至少一层非掺杂的垒层的非掺杂量子阱层104a、第一光衰控制层104b和/或第二光衰控制层104c。
所述非掺杂量子阱层104a和掺杂的量子阱层103组成量子阱层。与现有技术相比，本实施例中的量子阱层中的最后一对或多对的量子阱的垒层为非掺杂的垒层。在所述非掺杂量子阱层104a包括一层非掺杂的垒层时，量子阱层中最后一对量子阱的垒层(即最靠近所述第一光衰控制层104b的一对量子阱的垒层)不掺杂任何n型的掺杂剂即可。在所述非掺杂量子阱层104a包括至少两层非掺杂的垒层时，量子阱层中至少最后两对的量子阱的垒层(即最靠近所述第一光衰控制层104b的至少两对量子阱的垒层)不掺杂任何n型的掺杂剂即可，此时，所述非掺杂量子阱层104a还包括非掺杂的阱层，即所述非掺杂的阱层和非掺杂的垒层交替层叠形成所述非掺杂量子阱层104a。
所述非掺杂量子阱层104a中的垒层与所述掺杂量子阱层103的垒层相比，除掺杂不同之外，优选其他参数相同，例如，所述非掺杂量子阱层104a的垒层与所述掺杂量子阱层103的垒层的厚度相同。所述非掺杂量子阱层104a的阱层优选与所述掺杂量子阱层103相同。例如，所述非掺杂量子阱层104a的阱层和垒层的材质优选与所述掺杂量子阱层103相同，即所述非掺杂量子阱层104a可以为InmGa1-mN与AlnGa1-nN组成的超晶格结构，或者为GaN与AlnGa1-nN组成的超晶格结构。所述非掺杂量子阱层104a的超晶格结构的周期数优选为1～5。
所述非掺杂量子阱层104a中所有垒层的厚度之和优选为4nm～12nm，所述非掺杂量子阱层104a的垒层的厚度太厚会影响p型半导体层的空穴注入量子阱，而太薄则无法有效阻挡Si和Mg接触。所述非掺杂量子阱层104a可以增加所述掺杂量子阱层103中的Si与p型半导体层中的Mg的距离，有助于降低长期老化过程中掺杂量子阱层103中的Si与p型半导体层中的Mg扩散相接触的几率，从而改善半导体发光元件，尤其是紫外半导体的老化发光衰减性能。
继续参阅图1，所述老化光衰控制层104还可以包括设置在所述非掺杂量子阱层104a的所述第一光衰控制层104b。所述第一光衰控制层104b的材质优选为AlN，但不限于此。所述第一光衰控制层104b的厚度优选为0.5nm～3nm。所述第一光衰控制层104b具有高的势垒，为了能够有效的阻挡电子泄漏至p型半导体层，阻挡载流子被缺陷俘获，厚度需要大于0.5nm，但该层的厚度不能超过3nm，否则会阻挡空穴注入掺杂量子阱层103，并引起电阻值及电压上升。所述第一光衰控制层104b还可以增加所述掺杂量子阱层103中的Si与p型半导体层中的Mg的距离，有助于降低长期老化过程中量子阱层的Si与p型半导体层的Mg扩散相接触的几率，从而改善半导体发光元件，尤其是紫外半导体的老化发光衰减性能。
所述老化光衰控制层104还包括设置在所述第一光衰控制层104b上的第二光衰控制层104c。所述第二光衰控制层104c的厚度优选为0.5nm～5nm。所述第二光衰控制层104c的材质包括AlzGa1-zN，但不限于此，其中z的范围为0.2～1。所述第二光衰控制层104c的Al组分含量不低于所述p型电子阻挡层105的Al组分含量，即z≥y，且厚度不能超过5nm，否则会阻挡所述p型电子阻挡层105的空穴注入掺杂量子阱层103，引起发光效率下降。所述第二光衰控制层104c除了隔离Mg和Si互相接触，还起到电子阻挡层的作用，阻挡电子泄露至所述p型半导体层。所述第二光衰控制层104c还可以增加掺杂量子阱层103中的Si与p型半导体层中的Mg的距离，有助于降低长期老化过程中量子阱层的Si与p型半导体层的Mg扩散相接触的几率，从而改善半导体发光元件，尤其是紫外半导体的老化发光衰减性能。
所述老化光衰控制层104中未掺杂Si和Mg，即所述老化光衰控制层104为非掺杂结构。但是在实际测试中，通过SIMS测定的所述老化光衰控制层104中具有Si和Mg，且Mg的浓度小于5E19cm-3，Si的浓度小于1E17cm-3，主要是因为掺Mg的p型半导体层中的Mg和掺Si的量子阱层中的Si扩散至所述老化光衰控制层104。
通过所述老化光衰控制层104，可以降低长期老化过程中掺杂量子阱层103中的Si与p型半导体层中的Mg扩散相接触的几率，从而改善紫外半导体的老化发光衰减性能，使1000小时老化光衰减由50％以上降低至10％以内。
所述老化光衰控制层104亦可适用于其他所有波段的半导体发光元件，波长范围为200nm～550nm，例如，适用于深紫外半导体发光元件、紫外半导体发光元件、紫光半导体发光元件、蓝光半导体发光元件、绿光半导体发光元件以及黄光半导体发光元件等。
设置于所述老化光衰控制层104上的p型半导体层，所述p型半导体层可以包括p型电子阻挡层105和p型接触层106。所述p型电子阻挡层105用于阻挡电子，防止电子过溢到p型接触层106，进而将电子注入至掺杂量子阱层103内，以减少非辐射复合的发生，进一步提高半导体发光元件，尤其是紫外半导体发光元件的发光效率。
所述p型电子阻挡层105的材质优选为AlyGa1-yN，但不限于此，其中y的范围为0.2～1。所述p型电子阻挡层105的厚度优选为15nm～50nm。另外，作为掺杂至p型电子阻挡层105中的p型掺杂剂，可以列举出镁(Mg)、锌(Zn)、钙(Ca)、铍(Be)、锰(Mn)等，但不限于此。所述p型掺杂剂优选为Mg。所述p型电子阻挡层105的掺杂剂浓度，例如Mg掺杂浓度优选为1E19cm-3～1E21cm-3。
所述p型接触层106设置于所述p型电子阻挡层105上。所述p型接触层106是用于减少设置于其正上方的p侧电极与所述p型电子阻挡层105之间的接触电阻的层。所述p型接触层的材料包括GaN和AlkGa1-kN中的至少一种，但不限于此，其中k<0.45。作为半导体发光元件的所述p型接触层，一般使用易于增加空穴浓度的GaN层，也可以使用AlkGa1-kN层(Al组分含量k<45％)，虽然AlkGa1-kN层与GaN层相比可能空穴浓度会有稍许降低，但由于从发光层发出的光，例如紫外光能够透过AlkGa1-kN层，因此半导体发光元件，尤其是紫外半导体发光元件整体的光提取效率得以提高，能够提高半导体发光元件，尤其是紫外半导体发光元件的发光输出。所述p型接触层106的厚度为50nm～500nm。
本实施例的半导体发光元件，在掺杂量子阱层和P型半导体层之间增加未掺杂的老化光衰控制层，可以降低长期老化过程中量子阱层中的Si与p型半导体层中的Mg扩散相接触的几率，从而改善半导体发光元件，尤其是紫外半导体发光元件的老化发光衰减性能，使得1000H小时老化光衰由30％以上(甚至50％以上)下降至10％以内，进而改善半导体发光元件长期的稳定性和发光效率。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

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、n型半导体层、掺杂量子阱层、老化光衰控制层以及p型半导体层，其中，所述老化光衰控制层未掺杂Mg和Si，所述老化光衰控制层从下至上依次包括具有至少一层非掺杂的垒层的非掺杂量子阱层、第一光衰控制层和第二光衰控制层，所述非掺杂量子阱层中的所有垒层的厚度之和为4nm~12nm，所述第一光衰控制层的厚度为0.5nm~3nm，所述第二光衰控制层的厚度0.5nm~5nm。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述非掺杂量子阱层还包括非掺杂的阱层，且所述非掺杂的阱层与所述非掺杂的垒层交替层叠形成所述非掺杂量子阱层。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述掺杂量子阱层由多对非掺杂的阱层和掺杂的垒层组成，且所述掺杂量子阱层的垒层的Si掺杂浓度为1E17cm-3~5E19cm-3。
4.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，所述掺杂量子阱层的阱层的材质包括InmGa1-mN和GaN中的至少一种，其中m的范围为0~0.3；所述掺杂量子阱层的垒层的材质包括AlnGa1-nN，其中n的范围为0.1~1。
5.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第一光衰控制层的材质包括AlN。
6.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第二光衰控制层的材质包括AlzGa1-zN，其中z的范围为0.2~1。
7.如权利要求6所述的半导体发光元件，其特征在于，所述p型半导体层包括p型电子阻挡层和位于所述p型电子阻挡层上的p型接触层，其中所述p型电子阻挡层的材质包括AlyGa1-yN，其中y的范围为0.2~1；所述p型接触层的材料包括GaN和AlkGa1-kN中的至少一种，其中k<0.45。
8.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第二光衰控制层的Al组分含量不低于所述p型电子阻挡层的Al组分含量。
9.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，所述p型电子阻挡层的厚度为15nm~50nm；所述p型电子阻挡层的Mg掺杂浓度为1E19cm-3~1E21cm-3。
10.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，所述p型接触层的厚度为50nm~500nm。
11.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述n型半导体层的材质包括AlxGa1-xN，且x的范围为0.1~1；所述n型半导体层的厚度为1μm~3.5μm；所述n型半导体层的Si掺杂浓度为5E18cm-3~5E19cm-3。
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