一种氮化镓基半导体发光元件的制作方法

本申请涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种氮化镓基半导体发光元件。

背景技术：

1、半导体元件特别是氮化镓基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，降低氮化镓基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层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层中，空穴注入多量子阱层的效率低，导致多量子阱层的发光效率低；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，进而影响氮化镓基半导体发光元件的发光效率。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种氮化镓基半导体发光元件。

2、本发明实施例提供了一种氮化镓基半导体发光元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱层和p型半导体层，所述量子阱层包括第一子量子阱层和第二子量子阱层，且所述第一子量子阱层位于所述第二子量子阱层下方，所述第一子量子阱层和第二子量子阱层之间设置有第一电子空穴隧穿层，所述第二子量子阱层与p型半导体层之间设置有第二电子空穴隧穿层。

3、优选地，所述第一电子空穴隧穿层具有si/mg元素比例分布、h/o元素比例分布和c/o元素比例分布特性；

4、所述第一电子空穴隧穿层的si/mg元素比例具有函数y＝lnx-x曲线分布；

5、所述第一电子空穴隧穿层的h/o元素比例具有常数函数或线性函数曲线分布；

6、所述第一电子空穴隧穿层的c/o元素比例具有常数函数或线性函数曲线分布。

7、优选地，所述第一电子空穴隧穿层的si/mg元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为α，所述第一电子空穴隧穿层的si/mg元素比例的峰值位置往p型半导体层的下降角度为β，所述第一电子空穴隧穿层的in/mg元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为γ，其中：10°≤β≤α≤γ≤90°。

8、优选地，所述第二电子空穴隧穿层具有mg/si元素比例分布、h/si元素比例分布和c/si元素比例分布特性；

9、所述第二电子空穴隧穿层的mg/si元素比例具有函数y＝ex/x第三象限曲线分布；

10、所述第二电子空穴隧穿层的h/si元素比例具有函数y＝(ex+e-x)/(ex-e-x)第三象限曲线分布；

11、所述第二电子空穴隧穿层c/si元素比例具有函数y＝sinx/x2第三象限曲线分布。

12、优选地，所述第二电子空穴隧穿层的mg/si元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为θ，所述第二电子空穴隧穿层的h/si元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为δ，所述第二电子空穴隧穿层的c/si元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为σ，所述第二电子空穴隧穿层的al/si元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为其中：

13、优选地，所述第一电子空穴隧穿层和第二电子空穴隧穿层为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，所述第一电子空穴隧穿层和第二电子空穴隧穿层的厚度为5埃米至5000埃米。

14、优选地，所述量子阱层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3～30；

15、所述量子阱层为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；

16、所述量子阱层的阱层的厚度为5埃米至150埃米；

17、所述量子阱层的垒层的厚度为5埃米至500埃米。

18、优选地，所述n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至50000nm。

19、优选地，所述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p型半导体层的厚度为10nm至500nm。

20、优选地，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。

21、本发明的有益效果如下：本发明在氮化镓基半导体发光元件的量子阱层内部设置第一电子空穴隧穿层，并在量子阱层与p型半导体层之间设置第二电子空穴隧穿层，以此调控量子阱层的电子隧穿和空穴隧穿几率，增强量子阱层中电子空穴隧穿跃迁辐射复合效率，提升氮化镓基半导体发光元件的内量子效率，内量子效率从70～80％提升至80～98％。

技术特征：

1.一种氮化镓基半导体发光元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱层和p型半导体层，其特征在于，所述量子阱层包括第一子量子阱层和第二子量子阱层，且所述第一子量子阱层位于所述第二子量子阱层下方，所述第一子量子阱层和第二子量子阱层之间设置有第一电子空穴隧穿层，所述第二子量子阱层与p型半导体层之间设置有第二电子空穴隧穿层。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述第一电子空穴隧穿层具有si/mg元素比例分布、h/o元素比例分布和c/o元素比例分布特性；

3.根据权利要求2所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述第一电子空穴隧穿层的si/mg元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为α，所述第一电子空穴隧穿层的si/mg元素比例的峰值位置往p型半导体层的下降角度为β，所述第一电子空穴隧穿层的in/mg元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为γ，其中：10°≤β≤α≤γ≤90°。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述第二电子空穴隧穿层具有mg/si元素比例分布、h/si元素比例分布和c/si元素比例分布特性；

5.根据权利要求4所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述第二电子空穴隧穿层的mg/si元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为θ，所述第二电子空穴隧穿层的h/si元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为δ，所述第二电子空穴隧穿层的c/si元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为σ，所述第二电子空穴隧穿层的al/si元素比例的峰值位置往n型半导体层的下降角度为其中：

6.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述第一电子空穴隧穿层和第二电子空穴隧穿层为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，所述第一电子空穴隧穿层和第二电子空穴隧穿层的厚度为5埃米至5000埃米。

7.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述量子阱层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3～30；

8.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述n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至50000nm。

9.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体发光元件，其特征在于，所述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p型半导体层的厚度为10nm至500nm。

10.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体发光元件，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
本发明提出了一种氮化镓基半导体发光元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱层和p型半导体层，量子阱层包括第一子量子阱层和第二子量子阱层，且第一子量子阱层位于所述第二子量子阱层下方，第一子量子阱层和第二子量子阱层之间设置有第一电子空穴隧穿层，第二子量子阱层与p型半导体层之间设置有第二电子空穴隧穿层。本发明在氮化镓基半导体发光元件的量子阱层内部设置第一电子空穴隧穿层，并在量子阱层与p型半导体层之间设置第二电子空穴隧穿层，以此调控量子阱层的电子隧穿和空穴隧穿几率，增强量子阱层中电子空穴隧穿跃迁辐射复合效率，提升氮化镓基半导体发光元件的内量子效率，内量子效率从70～80％提升至80～98％。

技术研发人员：郑锦坚,张江勇,蓝家彬,蒙磊,陈三喜,蔡鑫,黄军,刘紫涵
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：2024/5/8