一种具有二维空穴气注入层的半导体元件的制作方法

本申请涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种具有二维空穴气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，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，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；半导体发光元件的折射率、介电常数等参数大于空气，导致量子阱发出的光出射时的全反射角偏小，光提取效率偏低。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种具有二维空穴气注入层的半导体元件。

2、本发明实施例提供了一种具有二维空穴气注入层的半导体元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱层、电子阻挡层和p型半导体层，所述电子阻挡层与p型半导体层之间设置有二维空穴气注入层，所述二维空穴气注入层具有电子迁移率分布、菲利普电离度分布、空穴迁移率分布和形变势分布特性。

3、优选地，所述二维空穴气注入层的电子迁移率具有倒v型分布；

4、所述二维空穴气注入层的菲利普电离度具有倒v型分布；

5、所述二维空穴气注入层的空穴迁移率具有倒v型分布；

6、所述二维空穴气注入层的形变势具有v型分布。

7、优选地，所述二维空穴气注入层的电子迁移率具有函数y＝x+1/2x第三象限曲线分布；

8、所述二维空穴气注入层的菲利普电离度分布具有函数y＝x+1/2x第三象限曲线分布；

9、所述二维空穴气注入层的空穴迁移率分布具有函数y＝x+1/2x第三象限曲线分布；

10、所述二维空穴气注入层的形变势分布具有函数y＝ex-x-1曲线分布。

11、优选地，所述二维空穴气注入层的掺杂元素为mg、sb、li、na、ga、rb、cs、be、ca、sr、ba、zn的任意一种或任意组合，厚度为5埃米至5000埃米。

12、优选地，所述二维空穴气注入层为gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合。

13、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1～50。

14、优选地，所述量子阱层的阱层为gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，阱层厚度为5埃米至200埃米；

15、所述量子阱层的垒层为gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，垒层厚度为10埃米至400埃米。

16、优选地，所述n型半导体层包括gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合。

17、优选地，所述p型半导体层包括gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合。

18、优选地，所述衬底包括蓝宝石、硅、ge、sic、aln、gan、gaas、inp、inas、gasb、蓝宝石/sio2复合衬底、蓝宝石/aln复合衬底、蓝宝石/sinx、蓝宝石/sio2/aln复合衬底，蓝宝石/sio2/sinx/aln复合衬底，蓝宝石/sinx/sio2/aln复合衬底，镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2复合衬底的任意一种。

19、本发明的有益效果如下：本发明在半导体元件的电子阻挡层与p型半导体层之间设置有二维空穴气注入层，并对该二维空穴气注入层中的电子迁移率分布、菲利普电离度分布、空穴迁移率分布和形变势分布进行设计，从而电子阻挡层与p型半导体之间形成二维空穴气，提升注入量子阱的空穴浓度，调控量子阱中电子和空穴波函数的交叠几率，提升内量子效率，内量子效率从60～80％提升至80～98％。

技术特征：

1.一种具有二维空穴气注入层的半导体元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱层、电子阻挡层和p型半导体层，其特征在于，所述电子阻挡层与p型半导体层之间设置有二维空穴气注入层，所述二维空穴气注入层具有电子迁移率分布、菲利普电离度分布、空穴迁移率分布和形变势分布特性。

2.根据权利要求1所述的具有二维空穴气注入层的半导体元件，其特征在于，所述二维空穴气注入层的电子迁移率具有倒v型分布；

3.根据权利要求1所述的具有二维空穴气注入层的半导体元件，其特征在于，所述二维空穴气注入层的电子迁移率具有函数y＝x+1/2x第三象限曲线分布；

4.根据权利要求1所述的具有二维空穴气注入层的半导体元件，其特征在于，所述二维空穴气注入层的掺杂元素为mg、sb、li、na、ga、rb、cs、be、ca、sr、ba、zn的任意一种或任意组合，厚度为5埃米至5000埃米。

5.根据权利要求1所述的具有二维空穴气注入层的半导体元件，其特征在于，所述二维空穴气注入层为gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合。

6.根据权利要求1所述的具有二维空穴气注入层的半导体元件，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1～50。

7.根据权利要求6所述的具有二维空穴气注入层的半导体元件，其特征在于，所述量子阱层的阱层为gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，阱层厚度为5埃米至200埃米；

8.根据权利要求1所述的具有二维空穴气注入层的半导体元件，其特征在于，所述n型半导体层包括gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合。

9.根据权利要求1所述的具有二维空穴气注入层的半导体元件，其特征在于，所述p型半导体层包括gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合。

10.根据权利要求1所述的具有二维空穴气注入层的半导体元件，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石、硅、ge、sic、aln、gan、gaas、inp、inas、gasb、蓝宝石/sio2复合衬底、蓝宝石/aln复合衬底、蓝宝石/sinx、蓝宝石/sio2/aln复合衬底，蓝宝石/sio2/sinx/aln复合衬底，蓝宝石/sinx/sio2/aln复合衬底，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
本发明提出了一种具有二维空穴气注入层的半导体元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体层、量子阱层、电子阻挡层和p型半导体层，所述电子阻挡层与p型半导体层之间设置有二维空穴气注入层，所述二维空穴气注入层具有电子迁移率分布、菲利普电离度分布、空穴迁移率分布和形变势分布特性。本发明在具有二维空穴气注入层的半导体元件的电子阻挡层与p型半导体层之间设置有二维空穴气注入层，并对该二维空穴气注入层中的电子迁移率分布、菲利普电离度分布、空穴迁移率分布和形变势分布进行设计，从而电子阻挡层与p型半导体之间形成二维空穴气，提升注入量子阱的空穴浓度，调控量子阱中电子和空穴波函数的交叠几率，提升内量子效率，内量子效率从60～80％提升至80～98％。

技术研发人员：郑锦坚,蓝家彬,蔡鑫,张钰,陈婉君,胡志勇,李晓琴,张江勇,李水清
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：2024/5/6