CN114497304A - 一种半导体元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电器件的技术领域，特别是涉及一种半导体元件，从下至上依次包括衬底、第一导电型半导体，多量子阱，电子阻挡层和第二导电型半导体，本发明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第二导电型半导体和电子阻挡层的C、O浓度，使得第二导电型半导体和电子阻挡层的C、O浓度呈渐变下降，且电子阻挡层的C、O浓度低于第二导电型半导体的C、O浓度，两者往多量子阱方向形成C、O浓度梯度下降趋势；形成往多量子阱方向的空穴加速势场，提升空穴的输运能力与空穴注入多量子阱的效率，从而提升半导体发光元件的辐射复合效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件的技术领域，特别是涉及一种半导体元件。
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、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、手机电视背光照明、路灯、车灯、手电筒等应用领域。但是，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。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体元件，第二导电型半导体和电子阻挡层的C、O浓度呈渐变下降，且电子阻挡层的C、O浓度低于第二导电型半导体的C、O浓度，两者往多量子阱方向形成C、O浓度梯度下降趋势；形成往多量子阱方向的空穴加速势场，提升空穴的输运能力与空穴注入多量子阱的效率。
为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种半导体元件，从下至上依次包括衬底、第一导电型半导体，多量子阱，电子阻挡层和第二导电型半导体，所述第二导电型半导体和电子阻挡层的C、O浓度呈渐变下降，且电子阻挡层的C、O浓度低于第二导电型半导体的C、O浓度，两者往多量子阱方向形成C、O浓度梯度下降趋势。
上述技术方案中，所述第二导电型半导体的C浓度在5E19cm-3至1E17cm-3之间渐变下降，O浓度在5E19cm-3至5E16cm-3之间渐变下降；所述电子阻挡层的C浓度在5E18cm-3至1E16cm-3之间渐变下降，O浓度在1E18cm-3至1E16cm-3之间渐变下降。
上述技术方案中，所述第二导电型半导体与电子阻挡层形成往多量子阱方向形成C、O浓度梯度下降趋势，且电子阻挡层的平均C、O浓度较第二导电型半导体的平均C、O浓度至少低1倍，从而形成往多量子阱方向的空穴加速势场，提升空穴的输运能力与空穴注入多量子阱的效率。
上述技术方案中，所述第二导电型半导体的上表面C、O浓度大于5E18cm-3，较高的上表面C、O浓度可降低第二导电型半导体与金属电极间的界面电阻和空穴输运能力，实现良好的欧姆接触特性。
上述技术方案中，所述电子阻挡层与多量子阱界面的C、O浓度小于1E18cm-3，减轻C、O原子对多量子阱产生非辐射复合中心、深能级杂质的负面效应，以及降低多量子阱的反向漏电流。
上述技术方案中，所述电子阻挡层的C浓度小于5E18cm-3，O浓度小于1E18cm-3，较低的C、O浓度可减少C、O的受主补偿效应，提升电子阻挡层的空穴离化效应。
上述技术方案中，所述第二导电型空半导体的Mg掺杂浓度大于1E18cm-3，所述电子阻挡层的Mg掺杂浓度大于1E18cm-3。
上述技术方案中，所述第一导电型半导体的Si掺杂浓度大于1E17cm-3。
上述技术方案中，所述第一导电型半导体、多量子阱、电子阻挡层、第二导电型半导体包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
上述技术方案中，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明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第二导电型半导体和电子阻挡层的C、O浓度，使得第二导电型半导体和电子阻挡层的C、O浓度呈渐变下降，且电子阻挡层的C、O浓度低于第二导电型半导体的C、O浓度，两者往多量子阱方向形成C、O浓度梯度下降趋势，形成往多量子阱方向的空穴加速势场，提升空穴的输运能力与空穴注入多量子阱的效率，由于空穴的扩展能力提升进而提高发光均匀性，从而提升半导体发光元件的辐射复合效率。
附图说明
图1是本发明实施例的半导体元件的结构示意图；
图2是本发明实施例蓝绿光半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图；
图3是本发明实施例深紫外半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图；
附图标记：100：衬底；101：第一导电型半导体；102：多量子阱；103：电子阻挡层；104：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，本发明实施例的一种半导体元件，从下至上依次包括衬底100、第一导电型半导体101，多量子阱102，电子阻挡层103和第二导电型半导体104，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；第一导电型半导体101和第二导电型半导体104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；第一导电型半导体101、多量子阱102、电子阻挡层103和第二导电型半导体104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；多量子阱102是由阱层和势垒层交替层叠而成的层叠构造构成；电子阻挡层103能够有效地阻止N型半导体层产生的电子进入到P型半导体层中，从而避免了电子与空穴在P型半导体层中发生非辐射复合，从而避免了因电子的跃迁导致的空穴浓度的降低，改善了发光二极管的发光效率；其中第二导电型半导体104和电子阻挡层103的C、O浓度呈渐变下降，且电子阻挡层103的C、O浓度低于第二导电型半导体104的C、O浓度，两者往多量子阱102方向形成C、O浓度梯度下降趋势。
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；本发明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第二导电型半导体104和电子阻挡层103的C、O浓度，使得第二导电型半导体104和电子阻挡层103的C、O浓度呈渐变下降，且电子阻挡层103的C、O浓度低于第二导电型半导体104的C、O浓度，两者往多量子阱102方向形成C、O浓度梯度下降趋势，形成往多量子阱方向的空穴加速势场，提升空穴的输运能力与空穴注入多量子阱的效率，由于空穴的扩展能力提升进而提高发光均匀性，从而提升半导体发光元件的辐射复合效率。本发明技术方案可适用于包括但不限于蓝绿光、深紫外等各波段外半导体发光元件，如图2、图3所示，分别是蓝绿光、深紫外半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图。
作为上述技术方案的一种改进，所述第二导电型半导体104的C浓度在5E19cm-3至1E17cm-3之间渐变下降，O浓度在5E19cm-3至5E16cm-3之间渐变下降；所述电子阻挡层103的C浓度在5E18cm-3至1E16cm-3之间渐变下降，O浓度在1E18cm-3至1E16cm-3之间渐变下降；电子阻挡层的C浓度小于5E18cm-3，O浓度小于1E18cm-3，较低的C、O浓度可减少C、O的受主补偿效应，提升电子阻挡层的空穴离化效应。
优选地，所述第二导电型半导体104与电子阻挡层103形成往多量子阱102方向形成C、O浓度梯度下降趋势，且电子阻挡层103的平均C、O浓度较第二导电型半导体104的平均C、O浓度至少低1倍，从而形成往多量子阱102方向的空穴加速势场，提升空穴的输运能力与空穴注入多量子阱的效率。
进一步地，所述第二导电型半导体104的上表面C、O浓度大于5E18cm-3，较高的上表面C、O浓度可降低第二导电型半导体与金属电极间的界面电阻和空穴输运能力，实现良好的欧姆接触特性。
作为上述技术方案的一种改进，所述电子阻挡层103与多量子阱102界面的C、O浓度小于1E18cm-3，减轻C、O原子对多量子阱102产生非辐射复合中心、深能级杂质的负面效应，以及降低多量子阱的反向漏电流。
作为上述技术方案的一种改进，所述第二导电型半导体104的Mg掺杂浓度大于1E18cm-3，所述电子阻挡层103的Mg掺杂浓度大于1E18cm-3，控制第二导电型半导体C/O浓度并与Mg掺杂浓度相匹配，可以提升空穴离化效率和Mg溶解度，提升横向生长速率使第二导电型半导体的表面生长平整，并提升空穴的横向扩展能力和抗ESD能力。
作为上述技术方案的一种改进，所述第一导电型半导体101的Si掺杂浓度大于1E17cm-3，作为Si原料可应用甲硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)。
本发明中，所述第一导电型半导体101、多量子阱102、电子阻挡层103、第二导电型半导体104包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、IP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
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 (10)
1.一种半导体元件，其特征在于，从下至上依次包括衬底、第一导电型半导体、多量子阱、电子阻挡层和第二导电型半导体，所述第二导电型半导体和电子阻挡层的C、O浓度呈渐变下降，且电子阻挡层的C、O浓度低于第二导电型半导体的C、O浓度，两者往多量子阱方向形成C、O浓度梯度下降趋势。
2.如权利要求1所述的一种半导体元件，其特征在于，所述第二导电型半导体的C浓度在5E19cm-3至1E17cm-3之间渐变下降，O浓度在5E19cm-3至5E16cm-3之间渐变下降；所述电子阻挡层的C浓度在5E18cm-3至1E16cm-3之间渐变下降，O浓度在1E18cm-3至1E16cm-3之间渐变下降。
3.如权利要求1所述的一种半导体元件，其特征在于，所述第二导电型半导体与电子阻挡层形成往多量子阱方向形成C、O浓度梯度下降趋势，且电子阻挡层的平均C、O浓度较第二导电型半导体的平均C、O浓度至少低1倍，从而形成往多量子阱方向的空穴加速势场，提升空穴的输运能力与空穴注入多量子阱的效率。
4.如权利要求1所述的一种半导体元件，其特征在于，所述第二导电型半导体的上表面C、O浓度大于5E18cm-3，降低第二导电型半导体与金属电极间的界面电阻和空穴输运能力，实现良好的欧姆接触特性。
5.如权利要求1所述的一种半导体元件，其特征在于，所述电子阻挡层与多量子阱界面的C、O浓度小于1E18cm-3，减轻C、O原子对多量子阱产生非辐射复合中心、深能级杂质的负面效应，以及降低多量子阱的反向漏电流。
6.如权利要求1所述的一种半导体元件，其特征在于，所述电子阻挡层的C浓度小于5E18cm-3，O浓度小于1E18cm-3。
7.如权利要求1所述的一种半导体元件，其特征在于，所述第二导电型空半导体的Mg掺杂浓度大于1E18cm-3，所述电子阻挡层的Mg掺杂浓度大于1E18cm-3。
8.如权利要求1所述的一种半导体元件，其特征在于，所述第一导电型半导体的Si掺杂浓度大于1E17cm-3。
9.如权利要求1所述的一种半导体元件，其特征在于，所述第一导电型半导体、多量子阱、电子阻挡层、第二导电型半导体包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
10.如权利要求1所述的一种半导体元件，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
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