一种具有载流子浓度匹配层的半导体发光元件的制作方法

1.本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其涉及一种具有载流子浓度匹配层的半导体发光元件。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种具有载流子浓度匹配层的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、第一型半导体，第二型半导体，第三型半导体，第一量子阱，第二量子阱，电子阻挡层和型半导体，所述第一型半导体和第二型半导体之间具有第一载流子浓度匹配层，第二型半导体和第三型半导体层之间具有第二载流子浓度匹配层，第一量子阱和第二量子阱之间具有第三载流子浓度匹配层，第二量子阱和电子阻挡层之间具有第四载流子浓度匹配层；所述第一载流子浓度匹配层、第二载流子浓度匹配层、第三载流子浓度匹配层和第四载流子浓度匹配层共同构成载流子浓度匹配层。
4.进一步的，所述第一载流子浓度匹配层为algan或alingan或alin材料的任意一种或任意组合，厚度为5～100nm；第一载流子浓度匹配层的si掺杂浓度呈v型分布，第一载流子浓度匹配层往第一n型半导体方向的si掺杂浓度先下降再上升，si掺杂浓度下降角度为δ：80
°
≥δ≥35
°
，si掺杂浓度上升角度为φ：60
°
≥φ≥15
°
，其中δ≥φ。
5.进一步的，所述第二载流子浓度匹配层为algan或alingan或alin材料的任意一种或任意组合，厚度为5～100nm；第二载流子浓度匹配层的si掺杂浓度往第三n型半导体方向呈双台阶下降趋势，包含第一下降台阶和第二下降台阶；所述第一下降台阶的si掺杂浓度下降角度为γ：80
°
≥γ≥20
°
，第二下降台阶的si掺杂浓度下降角度为θ：80
°
≥θ≥30
°
，其中θ≥γ。
6.进一步的，第三载流子浓度匹配层为gan或ingan的任意一种或任意组合，厚度为2～50nm；第三载流子浓度匹配层往第一量子阱方向的si掺杂浓度呈下降趋势，si掺杂浓度下降角度为β：80
°
≥β≥20
°
，且si掺杂浓度呈现倒v型，且倒v型的si掺杂浓度峰值位置与in组分谷位置在相近位置，位置偏差 /-5nm。
7.进一步的，第四载流子浓度匹配层102d为algan或alingan或gan或alinn的任意一种或任意组合，厚度为1～30nm；第四载流子浓度匹配层102d往第二量子阱方向的mg掺杂浓度呈下降趋势，mg掺杂浓度下降角度为α：80
°
≥α≥30
°
。
8.进一步的，所述载流子浓度匹配层的α≥θ≥γ≥β≥δ≥φ，控制注入第一量子阱和第二量子阱的电子浓度和空穴浓度的匹配度，使第二量子阱的电子和空穴的匹配度从约70％提升至90％以上，提升第二量子阱的电子和空穴复合效率。
9.进一步的，第一载流子浓度匹配层往第一n型半导体方向的si掺杂浓度从1e19～1e20cm-3
下降至1e18～1e19cm-3
再上升至5e18～5e19cm-3
；第二载流子浓度匹配层往第三n型半导体的si掺杂浓度先从1e19～1e20cm-3
下降至5e18～5e19cm-3
，再下降至5e17～5e18cm-3
；第三载流子浓度匹配层往第一量子阱105方向的si掺杂浓度从118～1e9cm-3
下降至5e17～5e18cm-3
；第四载流子浓度匹配层往第二量子阱方向的mg掺杂浓度从1e19～5e20cm-3
下降至1e15～5e18cm-3
。
10.进一步的，所述第一量子阱和第二量子阱均由阱层和垒层组成的周期结构，周期数分别为a:3≤a≤15和b:5≤a≤15；所述第一量子阱的阱层厚度为c:10≤c≤50埃米,垒层厚度为d：10≤c≤200埃米；所述第二量子阱的阱层厚度为e:15≤e≤60埃米,垒层厚度为f：20≤f≤120埃米。
11.进一步的，所述第一n型半导体、第二n型半导体，第三n型半导体，第一量子阱、第二量子阱电子阻挡层、p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。
12.进一步的，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/sin
x
、镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2复合衬底的任意一种。
13.相比于现有技术：第一n型半导体和第二n型半导体之间具有第一载流子浓度匹配层，第二n型半导体和第三n型半导体层之间具有第二载流子浓度匹配层，第一量子阱和第二量子阱之间具有第三载流子浓度匹配层，第二量子阱和电子阻挡层之间具有第四载流子浓度匹配层；第一、第二、第三和第四载流子浓度匹配层共同构成载流子浓度匹配层；载流子浓度匹配层的α≥θ≥γ≥β≥δ≥φ，控制注入第一量子阱和第二量子阱的电子浓度和空穴浓度的匹配度，使第二量子阱的电子和空穴的匹配度从约70％提升至90％以上，提升第二量子阱的电子和空穴复合效率，从而使半导体发光元件的外量子效率eqe从约60％提升至约75％。
附图说明
14.图1是本发明实施例的半导体发光元件的结构示意图；
15.图2是本发明实施例的半导体发光元件的结构sims二次离子质谱图；
16.图3是本发明实施例的半导体发光元件的局部结构sims二次离子质谱图；
17.图4是本发明实施例的半导体发光元件的局部结构tem透射电镜测试图；
18.图5是本发明实施例的半导体发光元件的局部结构tem透射电镜测试图；
19.其中，说明书附图的附图标记如下：
20.100：衬底；101：第一n型半导体；102：载流子浓度匹配层，102a:第一载流子浓度匹配层，102b：第二载流子浓度匹配层，102c：第三载流子浓度匹配层，102d：第四载流子浓度匹配层，103：第二n型半导体，104：第三n型半导体，105：第一量子阱，106：第二量子阱，107：电子阻挡层，108：p型半导体。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.请参照图1-图5，为本发明提供的半导体激光器的一种实施例的结构示意图，一种具有载流子浓度匹配层的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底100、第一n型半导体101，第二n型半导体103，第三n型半导体104，第一量子阱105，第二量子阱106，电子阻挡层107和p型半导体108，所述第一n型半导体101和第二n型半导体103之间具有第一载流子浓度匹配层102a，第二n型半导体103和第三n型半导体层104之间具有第二载流子浓度匹配层102b，第一量子阱105和第二量子阱106之间具有第三载流子浓度匹配层102c，第二量子阱106和电子阻挡层107之间具有第四载流子浓度匹配层102d；所述第一载流子浓度匹配层102a、第二载流子浓度匹配层102b、第三载流子浓度匹配层102c和第四载流子浓度匹配层102d共同构成载流子浓度匹配层。
23.本实施例中，所述第一载流子浓度匹配层102a为algan或alingan或alin材料的任意一种或任意组合，厚度为5～100nm；第一载流子浓度匹配层102a的si掺杂浓度呈v型分布，第一载流子浓度匹配层102a往第一n型半导体101方向的si掺杂浓度先下降再上升，si掺杂浓度下降角度为δ：80
°
≥δ≥35
°
，si掺杂浓度上升角度为φ：60
°
≥φ≥15
°
，其中δ≥φ。
24.本实施例中，所述第二载流子浓度匹配层102b为algan或alingan或alin材料的任意一种或任意组合，厚度为5～100nm；第二载流子浓度匹配层102b的si掺杂浓度往第三n型半导体104方向呈双台阶下降趋势，包含第一下降台阶和第二下降台阶；所述第一下降台阶的si掺杂浓度下降角度为γ：80
°
≥γ≥20
°
，第二下降台阶的si掺杂浓度下降角度为θ：80
°
≥θ≥30
°
，其中θ≥γ。
25.本实施例中，第三载流子浓度匹配层102c为gan或ingan的任意一种或任意组合，厚度为2～50nm；第三载流子浓度匹配层102c往第一量子阱105方向的si掺杂浓度呈下降趋势，si掺杂浓度下降角度为β：80
°
≥β≥20
°
，且si掺杂浓度呈现倒v型，且倒v型的si掺杂浓度峰值位置与in组分谷位置在相近位置，位置偏差 /-5nm。
26.本实施例中，第四载流子浓度匹配层102d为algan或alingan或gan或alinn的任意一种或任意组合，厚度为1～30nm；第四载流子浓度匹配层102d往第二量子阱106方向的mg
掺杂浓度呈下降趋势，mg掺杂浓度下降角度为α：80
°
≥α≥30
°
。
27.本实施例中，所述载流子浓度匹配层的α≥θ≥γ≥β≥δ≥φ，控制注入第一量子阱105和第二量子阱106的电子浓度和空穴浓度的匹配度，使第二量子阱106的电子和空穴的匹配度从约70％提升至90％以上，提升第二量子阱106的电子和空穴复合效率。
28.本实施例中，第一载流子浓度匹配层102a往第一n型半导体101方向的si掺杂浓度从1e19～1e20cm-3
下降至1e18～1e19cm-3
再上升至5e18～5e19cm-3
；第二载流子浓度匹配层102b往第三n型半导体104的si掺杂浓度先从1e19～1e20cm-3
下降至5e18～5e19cm-3
，再下降至5e17～5e18cm-3
；第三载流子浓度匹配层102b往第一量子阱105方向的si掺杂浓度从118～1e9cm-3
下降至5e17～5e18cm-3
；第四载流子浓度匹配层102d往第二量子阱方106向的mg掺杂浓度从1e19～5e20cm-3
下降至1e15～5e18cm-3
。
29.本实施例中，所述第一量子阱105和第二量子阱106均由阱层和垒层组成的周期结构，周期数分别为a:3≤a≤15和b:5≤a≤15；所述第一量子阱105的阱层厚度为c:10≤c≤50埃米,垒层厚度为d：10≤c≤200埃米；所述第二量子阱106的阱层厚度为e:15≤e≤60埃米,垒层厚度为f：20≤f≤120埃米。
30.本实施例中，所述第一n型半导体101、第二n型半导体103，第三n型半导体104，第一量子阱105、第二量子阱106、电子阻挡层107、p型半导体108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。
31.本实施例中，，所述衬底100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/sin
x
、镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2复合衬底的任意一种。
32.项目传统半导体发光元件本发明半导体发光元件变化幅度电子空穴匹配度70.693.532％eqe(外量子效率)61.30％79.40％30％
33.第一n型半导体和第二n型半导体之间具有第一载流子浓度匹配层，第二n型半导体和第三n型半导体层之间具有第二载流子浓度匹配层，第一量子阱和第二量子阱之间具有第三载流子浓度匹配层，第二量子阱和电子阻挡层之间具有第四载流子浓度匹配层；第一、第二、第三和第四载流子浓度匹配层共同构成载流子浓度匹配层；载流子浓度匹配层的α≥θ≥γ≥β≥δ≥φ，控制注入第一量子阱和第二量子阱的电子浓度和空穴浓度的匹配度，使第二量子阱的电子和空穴的匹配度从约70％提升至90％以上，提升第二量子阱的电子和空穴复合效率，从而使半导体发光元件的外量子效率eqe从约60％提升至约75％。
34.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。