一种具有p型三维空穴注入层的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p型三维空穴注入层的半导体元件。

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，其发光效率高、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，蓝光(发光波长440-460nm)和绿光(发光波长520-540nm)搭配荧光粉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。紫外发光二极管(发光波长350-420nm)uva波段可应用于3d固化、美甲固化、光疗、皮肤治疗、植物照明等应用领域。半导体紫外发光二极管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，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；半导体紫外发光二极管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。与传统半导体蓝光发光二极管不同，半导体紫外发光二极管因波长较短，量子阱的in含量较低，无法在量子阱区域形成in组分涨落的量子限制效应，导致量子阱的电子空穴局域效应较弱，进一步加剧电子空穴不匹配。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种具有p型三维空穴注入层的半导体元件，以解决上述技术问题，通过设置p型三维空穴注入层中in元素分布和al元素分布，以提升紫外发光二极管的发光效率。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有p型三维空穴注入层的半导体元件，从下至上依次包括衬底、n型半导体、超晶格层、量子阱和p型三维空穴注入层，所述p型三维空穴注入层的in元素分布具有函数y＝ex/x2第一象限曲线分布，al元素分布具有函数y＝snix/x曲线分布。

3、上述方案通过设置p型三维空穴注入层中in元素分布和al元素分布，以增强p型三维空穴注入层的空穴注入渠道，使空穴注入从二维平面注入变为三维立体注入，从而提升紫外发光二极管的空穴离化效率和空穴注入量子阱的效率，提升量子阱的电子空穴复合效率和电子空穴匹配度与对称性，提升量子阱的电子空穴波函数的交叠几率，进而提升紫外发光二极管的发光效率。

4、进一步地，所述p型三维空穴注入层的mg掺杂浓度分布具有所述in元素分布呈三次函数y＝e*x3+f*x2+g*x+h分布，三次函数的判别式△＝4(f2-3e*g)大于0且e<0；o元素分布具有函数y＝x2-ex曲线分布；si掺杂浓度分布具有函数y＝cosx/x曲线分布。

5、上述方案可以增强p型三维空穴注入层的空穴注入渠道，使空穴注入从二维平面注入变为三维立体注入。

6、进一步地，所述p型三维空穴注入层的c元素分布具有函数y＝sinx/x2曲线分布；h元素分布具有y＝x2/ex曲线分布。

7、上述方案可以提升紫外发光二极管的空穴离化效率和空穴注入量子阱的效率，提升紫外发光二极管的发光效率，提升内量子效率。

8、进一步地，所述p型三维空穴注入层为gan、alingan、algan、aln、ingan、alinn的任意一种或任意组合，其厚度为10～3000埃米。

9、进一步地，所述p型三维空穴注入层为的in元素分布峰值位置往所述量子阱方向呈下降趋势，下降角度为φ：45≤φ≤90°；所述p型三维空穴注入层的h元素分布峰值位置往所述量子阱呈下降趋势，下降角度为ρ：45≤ρ≤90°；所述p型三维空穴注入层的mg掺杂浓度分布峰值位置往所述量子阱呈下降趋势，下降角度为ψ：40≤ψ≤85°；所述p型三维空穴注入层的si掺杂浓度分布峰值位置往所述量子阱方向呈下降趋势，下降角度为δ：30≤δ≤75°；所述p型三维空穴注入层的c元素分布峰值位置往所述量子阱方向呈下降趋势，下降角度为ω：30≤ω≤75°。

10、上述方案可以提升量子阱的电子空穴复合效率和电子空穴匹配度与对称性，提升量子阱的电子空穴波函数的交叠几率，提升紫外发光二极管的发光效率。

11、进一步地，所述p型三维空穴注入层的in元素分布、h元素分布、c元素分布、o元素分布、si掺杂浓度分布、mg掺杂浓度分布的变化角度关系为：δ≤ω≤ψ≤ρ≤φ。

12、上述方案可以提升量子阱的电子空穴复合效率和电子空穴匹配度与对称性，提升量子阱的电子空穴波函数的交叠几率，提升紫外发光二极管的发光效率。

13、进一步地，所述量子阱为第一阱层和第一垒层组成的周期结构，量子阱周期为q：3≤q≤15；第一阱层为ingan、alingan、gan、alinn的任意一种或任意组合，厚度为10～50埃米；第一垒层为gan、alingan、algan、aln的任意一种或任意组合，厚度为60～200埃米；所述量子阱发出波长为375～420nm的紫外光。

14、进一步地，所述量子阱的mg掺杂浓度分布峰值位置往所述超晶格层方向呈下降趋势，下降角度为α：40≤α≤85°；所述量子阱的h元素分布往所述超晶格层方向呈下降趋势，下降角度为β：45≤β≤90°；所述量子阱的si掺杂浓度分布的峰值位置往所述超晶格层方向呈下降趋势，下降角度为θ：45≤θ≤90°；所述量子阱的si掺杂浓度峰值位置往所述p型三维空穴注入层方向呈下降趋势，下降角度为γ：35≤γ≤80°；所述量子阱的mg掺杂浓度分布、h元素分布、si掺杂浓度分布的变化角度关系为：γ≤α≤β≤θ。

15、进一步地，所述超晶格层为第二阱层和第二垒层组成的周期结构，周期为p：5≤p≤30；所述第二阱层为gan、ingan的任意一种或任意组合，厚度为10～100埃米；所述第二垒层为algan、aln、alingan、gan的任意一种或任意组合，厚度为5～60埃米。

16、进一步地，所述超晶格层的si掺杂浓度分布的峰值位置往所述量子阱方向呈下降趋势，下降角度为σ：30≤σ≤75°；所述超晶格层的c元素分布峰值位置往所述量子阱方向呈下降趋势，下降角度为υ：35≤υ≤80°；所述超晶格层的si掺杂浓度分布和c元素分布的变化角度关系为：σ≤υ。

17、进一步地，所述n型半导体、p型三维空穴注入层包括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、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。

18、上述方案通过设置p型三维空穴注入层与量子阱、超晶格层的in元素分布、al元素分布、mg掺杂浓度分布、si掺杂浓度分布、c元素分布、h元素分布和o元素分布的分布曲线和变化角度，增强p型三维空穴注入层的空穴注入渠道，使空穴注入从二维平面注入变为三维立体注入，从而提升紫外发光二极管的空穴离化效率和空穴注入量子阱的效率，提升量子阱的电子空穴复合效率和电子空穴匹配度与对称性，提升量子阱的电子空穴波函数的交叠几率，进而提升紫外发光二极管的发光效率。