一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件的制作方法

本发明涉及半导体光电，尤其是涉及一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件。

背景技术：

1、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。

2、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，产生非辐射复合中心，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2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，进而影响半导体发光元件的发光效率。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，以解决上述技术问题，通过在n型半导体层中设置至少一个空穴阻挡层，以阻挡空穴逃逸至n型半导体层，从而抑制非辐射复合比例，实现热态冷态效率比例的提升。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱和p型半导体层，所述n型半导体层中设置有至少一个空穴阻挡层。

3、上述方案中，通过在n型半导体层中设置至少一个空穴阻挡层，可以阻挡空穴逃逸至n型半导体层，调控量子阱中的空穴波函数的分布，提升量子阱中电子空穴复合效率，抑制空穴跃迁至n型半导体层导致的非辐射复合比例，实现热态冷态效率比例的提升。

4、进一步地，所述空穴阻挡层为gan、ingan、inn、alinn、aln、alingan、algan、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，其厚度为5埃米～50000埃米。

5、进一步地，所述空穴阻挡层包括第一阻挡层和第二阻挡层，所述第一阻挡层的al/mg元素比例分布具有函数y＝ax2+bx+c曲线分布，其中a＜0；所述第二阻挡层的al/mg元素比例分布具有函数y＝jx2+kx+l曲线分布，其中j＜0。

6、上述方案中，通过设置第一阻挡层和第二阻挡层，可以调控量子阱中的空穴波函数的分布，提升量子阱中电子空穴复合效率，抑制空穴跃迁至n型半导体层导致的非辐射复合比例，实现热态冷态效率比例的提升；而对于al/mg元素比例分布的设置，则可以提升空穴阻挡层的势垒高度，进一步抑制空穴跃迁至n型半导体。

7、进一步地，所述第一阻挡层的si/mg元素比例分布具有函数y＝sinx/ex曲线分布；所述第二阻挡层的si/mg元素比例分布具有函数y＝rx3+sx2+tx+u曲线分布，其中r＞0，其第一判别式△1＝4(s2-3rt)≤0。

8、上述方案中，si/mg元素比例分布的设置可以进一步提升空穴阻挡层的势垒高度，抑制空穴跃迁至n型半导体，从而提升热态冷态效率比例。

9、进一步地，所述第一阻挡层的c/mg元素比例分布具有函数y＝cosx/x第二三象限曲线分布；所述第二阻挡层的c/mg元素比例分布具有函数y＝vx3+wx2+mx+n曲线分布，其中v＞0，其第二判别式△2＝4(w2-3vm)＞0。

10、进一步地，所述第一阻挡层的h/mg元素比例分布具有函数y＝dx2+ex+f的曲线分布，其中d＜0；所述第二阻挡层的h/mg元素比例分布具有函数y＝px2+qx+o的曲线分布，其中p＜0。

11、进一步地，所述第一阻挡层的o/mg元素比例分布具有函数y＝gx2+hx+i的曲线分布，其中g＜0；所述第二阻挡层的o/mg元素比例分布具有函数y＝px2+qx+o的曲线分布，其中p＜0。

12、上述方案中，通过c/mg元素比例分布、h/mg元素比例分布和o/mg元素比例分布的设置，可以减少空穴阻挡层的深能级杂质，降低掺杂元素的施主补偿和受主补偿，调控量子阱中的空穴波函数的分布，提升量子阱中电子空穴复合效率。

13、进一步地，所述量子阱为阱层和垒层组成的周期结构，其周期数为3～30；所述量子阱为gan、ingan、inn、alinn、aln、alingan、algan、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合；所述阱层厚度为5埃米～150埃米；所述垒层的厚度为5埃米～500埃米。

14、进一步地，所述n型半导体层和p型半导体层为gan、ingan、inn、alinn、aln、alingan、algan、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合；所述n型半导体层的厚度为50nm～50000nm；所述p型半导体层的厚度为10nm～500nm。

15、进一步地，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。

16、上述方案提供的一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，通过在n型半导体层中设置第一阻挡层和第二阻挡层，同时调整各元素比例分布，可以阻挡空穴逃逸至n型半导体层，调控量子阱中的空穴波函数的分布，提升量子阱中电子空穴复合效率，抑制空穴跃迁至n型半导体层导致的非辐射复合比例，提升热态冷态的效率比例。

技术特征：

1.一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱和p型半导体层，其特征在于，所述n型半导体层中设置有至少一个空穴阻挡层。

2.根据权利要求1所述的一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，其特征在于，所述空穴阻挡层为gan、ingan、inn、alinn、aln、alingan、algan、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，其厚度为5埃米～50000埃米。

3.根据权利要求1所述的一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，其特征在于，所述空穴阻挡层包括第一阻挡层和第二阻挡层，所述第一阻挡层的al/mg元素比例分布具有函数y＝ax2+bx+c曲线分布，其中a＜0；所述第二阻挡层的al/mg元素比例分布具有函数y＝jx2+kx+l曲线分布，其中j＜0。

4.根据权利要求3所述的一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，其特征在于，所述第一阻挡层的si/mg元素比例分布具有函数y＝sinx/ex曲线分布；所述第二阻挡层的si/mg元素比例分布具有函数y＝rx3+sx2+tx+u曲线分布，其中r＞0，其第一判别式△1＝4(s2-3rt)≤0。

5.根据权利要求3所述的一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，其特征在于，所述第一阻挡层的c/mg元素比例分布具有函数y＝cosx/x第二三象限曲线分布；所述第二阻挡层的c/mg元素比例分布具有函数y＝vx3+wx2+mx+n曲线分布，其中v＞0，其第二判别式△2＝4(w2-3vm)＞0。

6.根据权利要求3所述的一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，其特征在于，所述第一阻挡层的h/mg元素比例分布具有函数y＝dx2+ex+f的曲线分布，其中d＜0；所述第二阻挡层的h/mg元素比例分布具有函数y＝px2+qx+o的曲线分布，其中p＜0。

7.根据权利要求3所述的一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，其特征在于，所述第一阻挡层的o/mg元素比例分布具有函数y＝gx2+hx+i的曲线分布，其中g＜0；所述第二阻挡层的o/mg元素比例分布具有函数y＝px2+qx+o的曲线分布，其中p＜0。

8.根据权利要求1～7任一项所述的一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，其特征在于，所述量子阱为阱层和垒层组成的周期结构，其周期数为3～30；所述量子阱为gan、ingan、inn、alinn、aln、alingan、algan、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合；所述阱层厚度为5埃米～150埃米；所述垒层的厚度为5埃米～500埃米。

9.根据权利要求8所述的一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，其特征在于，所述n型半导体层和p型半导体层为gan、ingan、inn、alinn、aln、alingan、algan、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合；所述n型半导体层的厚度为50nm～50000nm；所述p型半导体层的厚度为10nm～500nm。

10.根据权利要求9所述的一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，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。

技术总结
本发明提供了一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱和p型半导体层，所述n型半导体层中设置有至少一个空穴阻挡层。本发明提供的一种具有空穴阻挡层的氮化物半导体元件，通过在n型半导体层中设置至少一个空穴阻挡层，可以阻挡空穴逃逸至n型半导体层，调控量子阱中的空穴波函数的分布，提升量子阱中电子空穴复合效率，抑制空穴跃迁至n型半导体层导致的非辐射复合比例，实现热态冷态效率比例的提升。

技术研发人员：郑锦坚,张江勇,陈婉君,李晓琴,黄军,蒙磊
受保护的技术使用者：安徽格恩半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10