CN114420812B - 一种深紫外半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电器件的技术领域，特别是涉及一种深紫外半导体发光元件，其从下至上依次包括衬底、缓冲层、第一导电型半导体，多量子阱，导电型电子阻挡层和第二导电型半导体，所述导电型电子阻挡层的H浓度为1E17～5E18cm‑3，O浓度为1E17～1E18cm‑3，通过控制导电型电子阻挡层的H/O含量，调控适用于高Al组分AlyGa1‑yN材料的H/O含量和比例，可以有效降低该层Mg的空穴离化能，提升空穴离化效率，提升离化后的自由空穴载流子浓度至1E18cm‑3以上。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件的技术领域，特别是涉及一种深紫外半导体发光元件。
背景技术
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、可设计性强等因素；半导体发光元件通过Al组分的调控，波长可短至200-350nm的紫外波段；高Al组分(Al组分大于40％)AlGaN材料的Al迁移率低，横向生长速率低，且AlGaN与蓝宝石衬底之间具有较大的晶格失配与热失配，导致高Al组分(Al组分大于40％)AlGaN材料的生长难度远远高于GaN材料和低Al组分的AlGaN材料(Al组分小于40％)，容易产生裂纹、未长平、粗糙等表面问题；同时，高Al组分AlGaN的空穴离化能随着Al组分上升而急剧上升，空穴离化率随着Al组分上升而下降，电阻值随Al组分上升则上升，导致常规深紫外半导体发光元件电子阻挡层的离化自由空穴浓度低于1E17cm-3。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种深紫外半导体发光元件，通过设置导电型电子阻挡层并控制C/H/O含量比例，调控适用于高Al组分AlyGa1-yN材料的C/H/O含量和比例，可以有效降低该层的空穴离化能，提升空穴离化效率和Mg杂质溶解度，提升离化后的自由空穴载流子浓度。
为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种深紫外半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、缓冲层、第一导电型半导体，多量子阱，导电型电子阻挡层和第二导电型半导体，所述导电型电子阻挡层的H浓度为1E17～5E18cm-3，C浓度为1E16～1E18cm-3，O为介于1E17～1E18cm-3。
一种可能的技术方案中，所述第一导电型半导体的H浓度为1E17～1E18cm-3，C浓度为1E16～5E16cm-3，O浓度为5E16～5E17cm-3；第一导电型半导体为AlxGa1-xN材料，Al组分x为40％～100％。
一种可能的技术方案中，所述多量子阱为量子阱层与量子垒层AlaInbGa1-a-bN/AlcIndGa1-c-dN组成的周期性量子结构，量子阱层为AlaInbGa1-a-bN，Al组分a为30～50％，量子垒层的Al组分c为50～100％，量子阱层和量子垒层的In组分b和d均为0～20％，发出的光为深紫外波段光介于200～350nm；多量子阱的H浓度为5E17～1E18cm-3，C浓度为1E16～5E16cm-3，O浓度为5E16～5E17cm-3。
一种可能的技术方案中，所述第二导电型半导体的H浓度为1E18～1E22cm-3，C浓度为1E17～1E21cm-3，O浓度为1E17～1E21cm-3。
一种可能的技术方案中，所述导电型电子阻挡层为高Al组分AlyGa1-yN材料，Al组分y为55～100％。
一种可能的技术方案中，所述导电型电子阻挡层的Mg掺杂浓度为5E18～5E20cm-3。
一种可能的技术方案中，所述第二导电型半导体的Mg掺杂浓度为5E19～5E20cm-3。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
第一导电型半导体为AlxGa1-xN材料，Al组分x为40％～100％，通过控制适合于高Al组分的第一导电型半导体C/H/O浓度，调控适合第一导电型半导体的结晶形貌，降低第一导电型半导体与缓冲层间的晶格失配，减少表面裂纹的产生，表面裂纹可降低至边缘1mm以内；同时，提升第一导电型半导体的电子离化效率、降低电子离化能，降低半导体发光元件的接触电阻和电流的横向扩展能力，使得局部电流密度高得到改善，降低局部击穿的发生概率，进而提高抗ESD能力。
通过控制高Al组分的多量子阱C/H/O浓度的降低多量子阱的非辐射复合中心，提升多量子阱的量子局域限制效应，提升电子空穴波函数的限域效应，提升多量子阱的辐射复合效率和半导体发光元件的量子效率。
导电型电子阻挡层为高Al组分AlyGa1-yN材料，Al组分的y为55～100％，高Al组分AlGaN的空穴离化能随着Al组分上升而急剧下降，导致常规深紫外半导体发光元件的电子阻挡层的离化自由空穴浓度低于1E17cm-3；通过控制导电型电子阻挡层的C/H/O含量，调控适用于高Al组分AlyGa1-yN材料的C/H/O含量和比例，可以有效降低该层的空穴离化能，提升空穴离化效率，提升离化后的自由空穴载流子浓度至1E18cm-3以上；导电型电子阻挡层的Mg掺杂浓度为5E18～5E20cm-3，使C/H/O与Mg浓度互相搭配，能够进一步提升空穴离化效率和Mg杂质溶解度。
通过控制第二导电型半导体的C/H/O浓度，可提升第二导电型半导体的空穴离化效率、降低空穴离化能，降低接触界面的电阻，改善欧姆接触和电流的横向扩展能力；第二导电型半导体的Mg掺杂浓度为5E19～5E20cm-3。
附图说明
图1是本发明实施例的半导体发光元件的结构示意图；
图2是本发明实施例的半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图；
附图标记：100：衬底；101：缓冲层；102：第一导电型半导体；103：多量子阱；104：导电型电子阻挡层；105：第二导电型半导体。
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作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例1的深紫外半导体发光元件，从下至上依次包括衬底100、缓冲层101、第一导电型半导体102，多量子阱103，导电型电子阻挡层104和第二导电型半导体105，衬底100是氮化物半导体结晶能够在表面进行外延生长的基板，且能够选择使用满足对于半导体发光元件所发出的光的波长范围透射率较高(例如该光的透射率在50％以上)的基板；例如，作为衬底100的材料，可列举出氮化铝、蓝宝石、GaN等；缓冲层101：缓冲层101发挥缓冲功能，从缓冲功能方面出发，优选地，缓冲层101为单晶结构，优选含有Al，特别优选含有作为III族氮化物的AlN，作为构成缓冲层101的材料，只要是由通式AlGaInN表示的III族氮化物化合物半导体均可适用于本发明，优选为GaAlN，优选Al组分为50％以上；第一导电型半导体102和第二导电型半导体105可以为n型半导体层，导电类型为n型；或者p型半导体层，导电类型为p型；缓冲层、第一导电型半导体，多量子阱，第二导电型空穴注入层和第二导电型半导体依次层叠在衬底100上，层叠半导体层利用有机金属化学气相沉积法(MOCVD法)、有机金属气相外延法(MOVPE法)、分子束外延法(MBE法)以及氢化物气相外延法(HVPE法)等方法进行层叠；所述导电型电子阻挡层的H浓度为1E17～5E18cm-3，C浓度为1E16～1E18cm-3，O浓度为1E17～1E18cm-3，导电型电子阻挡层为高Al组分AlyGa1-yN材料，Al组分的y为55～100％，高Al组分AlGaN的空穴离化能随着Al组分上升而急剧下降，导致常规深紫外半导体发光元件的电子阻挡层的离化自由空穴浓度低于1E17cm-3；可以通过控制层叠过程中N2/H2/NH3的压强、温度、MO源、流量及比例等方法调控H/O含量，控制导电型电子阻挡层的C/H/O含量，调控适用于高Al组分AlyGa1-yN材料的C/H/O含量和比例，可以有效降低该层的空穴离化能，提升空穴离化效率，提升离化后的自由空穴载流子浓度至1E18cm-3以上；优选地，导电型电子阻挡层的Mg掺杂浓度为5E18～5E20cm-3，使C/H/O与Mg浓度互相搭配，能够进一步提升空穴离化效率和Mg杂质溶解度；该层Mg掺杂不宜过高或过低，掺杂过高的Mg无法离化成为自补偿中心反而会降低自由空穴浓度，减少注入多量子的空穴浓度；而Mg掺杂浓度太低，则会导致自由空穴浓度太低，同样导致注入多量子阱的空穴浓度偏低。
作为上述技术方案的一种改进方式，第一导电型半导体的H浓度为1E17～1E18cm-3，C浓度为1E16～5E16cm-3，O浓度为5E16～5E17cm-3，第一导电型半导体为AlxGa1-xN材料，Al组分x为40％～100％，通过控制适合于高Al组分的第一导电型半导体C/H/O浓度，调控适合第一导电型半导体的结晶形貌，降低第一导电型半导体与缓冲层间的晶格失配，减少表面裂纹的产生，表面裂纹可降低至边缘1mm以内；同时，提升第一导电型半导体的电子离化效率、降低电子离化能，降低半导体发光元件的接触电阻和电流的横向扩展能力，使得局部电流密度高得到改善，降低局部击穿的发生概率，进而提高抗ESD能力。
多量子阱102由阱层和势垒层交替层叠而成的层叠构造构成，优选地，多量子阱为量子阱层与量子垒层AlaInbGa1-a-bN/AlcIndGa1-c-dN组成的周期性量子结构，量子阱层为AlaInbGa1-a-bN，Al组分a为30～50％，量子垒层的Al组分c为50～100％，量子阱层和量子垒层的In组分b和d均为0～20％，发出的光为深紫外波段光介于200～350nm；多量子阱的H浓度为5E17～1E18cm-3，C浓度为1E16～5E16cm-3，O浓度为5E16～5E17cm-3；通过控制多量子阱的C/H/O浓度降低多量子阱的非辐射复合中心，提升多量子阱的量子局域限制效应，提升电子空穴波函数的限域效应，提升多量子阱的辐射复合效率和半导体发光元件的量子效率。
作为上述技术方案的一种改进方式，第二导电型半导体的H浓度为1E18～1E22cm-3，C浓度为1E17～1E21cm-3，O浓度为1E17～1E21cm-3，通过控制第二导电型半导体的C/H/O浓度，可提升第二导电型半导体的空穴离化效率、降低空穴离化能，降低接触界面的电阻，改善欧姆接触和电流的横向扩展能力；优选地，第二导电型半导体的Mg掺杂浓度为5E19～5E20cm-3；该层Mg掺不宜过高或过低，Mg掺过高的Mg无法离化成为自补偿中心反而会降低自由空穴浓度，并成为非辐射复合中心吸光；而Mg掺浓度太低，则会导致自由空穴浓度太低，接触电阻大，电流扩展不佳。
图2为本发明其中一种具体实施方式的半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图，图中各层的C/H/O/Mg/Si/Al/Ga等元素含量均在所要求的范围内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种深紫外半导体发光元件，其特征在于，从下至上依次包括衬底、缓冲层、第一导电型半导体，多量子阱，导电型电子阻挡层和第二导电型半导体，所述第一导电型半导体的H浓度为1E17～1E18cm-3，C浓度为1E16～5E16cm-3，O浓度为5E16～5E17cm-3；第一导电型半导体为AlxGa1-xN材料，Al组分x为40%～100%；所述导电型电子阻挡层为高Al组分AlyGa1-yN材料，Al组分y为55～100%， H浓度为1E17～5E18cm-3，C浓度为1E16～1E18cm-3，O浓度为1E17～1E18cm-3。
2.如权利要求1所述的深紫外半导体发光元件，其特征在于，所述多量子阱为量子阱层与量子垒层AlaInbGa1-a-bN/AlcIndGa1-c-dN组成的周期性量子结构，量子阱层为AlaInbGa1-a- bN，Al组分a为30～50%，量子垒层的Al组分c为50～100%，量子阱层和量子垒层的In组分b和d均为0～20%，发出的光为深紫外波段光介于200～350nm；多量子阱的H浓度为5E17～1E18cm-3，C浓度为1E16～5E16cm-3，O浓度为5E16～5E17cm-3。
3.如权利要求1所述的深紫外半导体发光元件，其特征在于，所述第二导电型半导体的H浓度为1E18～1E22cm-3，O浓度为1E17～1E21cm-3。
4.如权利要求1所述的深紫外半导体发光元件，其特征在于，所述导电型电子阻挡层的Mg掺杂浓度为5E18～5E20cm-3。
5.如权利要求1所述的深紫外半导体发光元件，其特征在于，所述第二导电型半导体的Mg掺杂浓度为5E19～5E20cm-3。
6.如权利要求5所述的深紫外半导体发光元件，其特征在于，所述导电型电子阻挡层H/O含量和比例，能够有效降低该层的空穴离化能，提升空穴离化效率，提升离化后的自由空穴载流子浓度至1E18cm-3以上；该层H/O与Mg浓度互相搭配，能够进一步提升空穴离化效率和Mg杂质溶解度。
7.如权利要求2所述的深紫外半导体发光元件，其特征在于，调控所述第一导电型半导体H/O浓度，能够调控第一导电型半导体的结晶形貌，降低第一导电型半导体与缓冲层间的晶格失配，减少表面裂纹的产生，表面裂纹能够降低至边缘1mm以内；同时，提升第一导电型半导体的电子离化效率、降低电子离化能，降低半导体发光元件的接触电阻和电流的横向扩展能力，使得局部电流密度高得到改善，降低局部击穿的发生概率，进而提高抗ESD能力。
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| CN114420812A (zh) | 2022-04-29 |
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