CN107394019A - 一种半导体发光元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种半导体发光元件及其制备方法，本发明通过在最终势垒层与电子阻挡层之间低温生长高能级的第一盖层和第二盖层，第一盖层为相对低温生长的未掺杂层，用于降低P型杂质扩散至多量子阱结构层导致发光效率降低，第二盖层为电洞注入层，其掺杂有高浓度的P型杂质以提升电洞注入效应，同时，利用第一盖层和第二盖层较高的能级，有效降低了电子溢流，提升半导体元件的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种半导体发光元件及其制备方法。
背景技术
GaN基发光二极管包括具有将电能转换为光能的P-N结，以及用于提供电子的N型半导体层和用于提供空穴的P型半导体层，当对发光二极管施加正向电压时，N型半导体层的电子与P型半导体层的空穴结合，使得可以释放与导带和价带之间的能隙对应的能量。改能量主要表现为热或者光，并且发光二极管将能量作为光发出。
但在生长P型半导体层时，因其成长温度与条件易导致P型半导体的掺杂材料Mg由P型半导体层扩散至量子阱结构层中，影响量子阱结构层中势阱层的材料质量，导致半导体组件发光效率减低，因此，我们亟需寻找一种制备方法及一种半导体结构来抑制Mg的扩散，防止半导体组件的发光效率下降。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明半导体发光元件，其至少包括衬底，及依次位于所述衬底上的N型层、多量子阱结构层、最终势垒层、电子阻挡层、P型层和P型接触层，所述多量子阱结构层包括交替层叠的势垒层和势阱层，其特征在于：所述最终势垒层和电子阻挡层之间还包括第一盖层及位于第一盖层上的第二盖层，所述第一盖层为未掺杂层，所述第二盖层为高浓度P型掺杂层，所述第一盖层与所述第二盖层的能级均高于所述势垒层所述势垒层及电子阻挡层的能级。
优选的，所述第一盖层为u-AlN层，所述第二盖层为p-AlN层。
优选的，所述第二盖层的厚度小于所述势阱层的厚度。
优选的，所述第二盖层中P型掺杂浓度高于P型层中P型掺杂浓度低于P型接触层中的P型掺杂浓度。
优选的，所述第二盖层中P型掺杂杂质的浓度为1×1019~1×1020cm-3。
优选的，所述第二盖层的厚度小于20Å。
优选的，所述电子阻挡层为含铝氮化物层，其铝组份含量为2%~25%。
一种半导体发光元件的制备方法，至少包括如下步骤：
S1、提供一衬底；
S2、于所述衬底上生长N型层；
S3、于所述N型层上生长多量子阱结构层，所述多量子阱结构层包括交替层叠的势垒层和势阱层；
S4、所述多量子阱结构层生长结构后，继续生长最终势垒层；
S5、于最终势垒层上生长第一盖层和第二盖层，所述第一盖层为未掺杂层，其生长温度介于所述势阱层与所述势垒层的生长温度之间，所述第二盖层为高浓度P型掺杂层，其生长温度低于所述势阱层的生长温度，所述第一盖层与所述第二盖层的能级均高于所述势垒层及电子阻挡层的能级；
S6、于所述第二盖层上继续生长电子阻挡层、P型层和P型接触层。
优选的，所述最终势垒层为未掺杂结构层，其生长温度与所述势垒层的生长温度相同。
优选的，所述第一盖层为u-AlN层，所述第二盖层为p-AlN层。
本发明至少具有以下有益效果：第一盖层为相对低温生长的未掺杂，用于降低P型杂质扩散至多量子阱结构层导致的发光效率降低，第二盖层为电洞注入层，其理由高浓度的P型杂质提升电洞注入效应，同时，利用第一盖层和第二盖层较高的能级，有效降低了电子溢流，因此除了降低电子溢流与提升电洞注入效应，还能有效提升半导体元件的发光效率。
附图说明
图1 本发明之具体实施方式之半导体发光元件结构示意图。
图2 本发明之具体实施方式之半导体发光元件的制备方法流程示意图。
附图标注：100：衬底；200：N型层；300：多量子阱结构层；310：最终势垒层；410：第一盖层；420：第二盖层；500：电子阻挡层；600：P型层；700：P型接触层。
具体实施方式
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参看附图1，本发提供的明半导体发光元件，其包括衬底100及依次位于衬底100上的N型层200、多量子阱结构层300、最终势垒层310、电子阻挡层500 、P型层600和P型接触层700。多量子阱结构层300包括交替层叠的势垒层和势阱层，其中衬底100可以为蓝宝石衬底100、氮化镓、硅中的至少一种，但实施方案不限于此，为了减小N型层200与衬底100之间的晶格失配产生的应力，本实施例于衬底100和N型层200之间设置有缓冲层，缓冲层的材料为Al1-x-yGaxInyN，其中0≦X＜1，0≦Y＜1，调节缓冲层中Al、In组分，使得缓冲层具体可以为AlN层、GaN层、AlGaN层、AlInGaN层、InN层和InGaN层。多量子阱结构层300的周期数为3~20，且势垒层的能级高于势阱层的能级，最终势垒层310为未掺杂层，其为单层结构或者为多层结构，优选的，最终势垒层310为未掺杂GaN层或者未掺杂的AlGaN层或者未掺杂的AlInGaN层，或者u-GaN/u-AlGaN多层结构，或者u-InGaN/u-AlInGaN/u-AlGaN多层结构或者u-GaN/AlN多层结构，势垒层为N型掺杂或者未掺杂层。
继续参看附图1，本发明提供的半导体发光元件还包括位于最终势垒层310和电子阻挡层500之间的第一盖层410和第二盖层420，其中，第一盖层410位于最终势垒层310，第二盖层420位于第一盖层410之上，并且第一盖层410和第二盖层420的能级均高于势垒层的能级，同时第一盖层410和第二盖层420的能级也均高于电子阻挡层500的能级，本发明中的电子阻挡层500为含铝氮化物层，其铝组分含量为2%~25%，第一盖层410与第二盖层420的高能级有效降低了电子溢流提高空穴注入效率。电子阻挡层500为AlxInyGa（1-x-y）N基层，其中0.02<x<0.25，其可以通过离子注入方式掺杂P型杂质。
具体地，第一盖层410为未掺杂层，用于降低P型杂质扩散至多量子阱结构层300导致的发光效率降低的问题；第二盖层420为高浓度P型掺杂层，其P型掺杂浓度高于P型层600中P型掺杂浓度低于P型接触层700中的P型掺杂浓度，作为电洞注入层，高浓度的P型杂质用于提高电洞注入效应，优选的第一盖层410为u-AlN层所述第二盖层420为p-AlN层，p-AlN层中P型杂质的浓度为1×1019~1×1020cm-3，第二盖层420的厚度小于20Å。
参看附图2，本发明还提供一种半导体发光元件的制备方法，至少包括如下步骤：
S1、提供一衬底100；
S2、于衬底100上生长N型层200；
S3、于N型层200上生长多量子阱结构层300，多量子阱结构层300包括交替层叠的势垒层和势阱层；
S4、于多量子阱结构层300生长结构后，继续生长最终势垒层310；
S5、于最终势垒层310上生长第一盖层410和第二盖层420，第一盖层410为未掺杂层，其生长温度介于势阱层与势垒层的生长温度之间，第二盖层420为高浓度P型掺杂层，其生长温度低于势阱层的生长温度，第一盖层410与第二盖层420的能级均高于势垒层及电子阻挡层500的能级；
S6、于第二盖层420上继续生长电子阻挡层500、P型层600和P型接触层700。
第一盖层410和第二盖层420的能级均高于势垒层的能级，同时第一盖层410和第二盖层420的能级也均高于电子阻挡层500的能级，第二盖层420中P型杂质的浓度高于P型层600中P型杂质的浓度低于P型接触层700中P型杂质的浓度，因此，第二盖层420作为电洞注入层，利用较高的P型杂质浓度提高电洞注入效应，同时第一盖层410为u-AlN层，第二盖层420为p-AlN层，利用AlN材料的高禁带宽度来提高电带高度，有效降低电子溢流，提高半导体元件的出光效率。
低温生长的第一盖层410和第二盖层420可以防止多量子阱结构层300的晶体质量被破坏以及防止P型杂质的扩散，但利用低温生长的第一盖层410和第二盖层420，尤其是生长温度低于势阱层的第二盖层420，其材料质量会较差，因此第二盖层420的厚度要小于20Å，优选的第二盖层420的厚度为2 Å ~10 Å。P型杂质为铍、钙、镁、钡中的任意一种，本实施例优选P型杂质为镁。
应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一半导体发光元件，其至少包括衬底，及依次位于所述衬底上的N型层、多量子阱结构层、最终势垒层、电子阻挡层、P型层和P型接触层，所述多量子阱结构层包括交替层叠的势垒层和势阱层，其特征在于：所述最终势垒层和电子阻挡层之间还包括第一盖层及位于第一盖层上的第二盖层，所述第一盖层为未掺杂层，所述第二盖层为高浓度的P型掺杂层，所述第一盖层与所述第二盖层的能级均高于所述势垒层及电子阻挡层的能级。
2.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述第一盖层为u-AlN层，所述第二盖层为p-AlN层。
3.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述第二盖层的厚度小于所述势阱层的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述第二盖层中P型掺杂浓度高于P型层中P型掺杂浓度，但低于P型接触层中的P型掺杂浓度。
5.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述第二盖层中P型掺杂杂质的浓度为1×1019 cm-3~1×1020cm-3。
6.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述第二盖层的厚度小于20Å。
7.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于：所述电子阻挡层为含铝氮化物层，其铝组份含量为2%~25%。
8.一种半导体发光元件的制备方法，至少包括如下步骤：
S1、提供一衬底；
S2、于所述衬底上生长N型层；
S3、于所述N型层上生长多量子阱结构层，所述多量子阱结构层包括交替层叠的势垒层和势阱层；
S4、所述多量子阱结构层生长结构后，继续生长最终势垒层；
S5、于最终势垒层上生长第一盖层和第二盖层，所述第一盖层为未掺杂层，其生长温度介于所述势阱层与所述势垒层的生长温度之间，所述第二盖层为高浓度P型掺杂层，其生长温度低于所述势阱层的生长温度，所述第一盖层与所述第二盖层的能级均高于所述势垒层及电子阻挡层的能级；
S6、于所述第二盖层上继续生长电子阻挡层、P型层和P型接触层。
9.根据权利要求8所述的一种半导体发光元件的制备方法，其特征在于：所述最终势垒层为未掺杂结构层，其生长温度与所述势垒层的生长温度相同。
10.根据权利要求8所述的一种半导体发光元件的制备方法，其特征在于：所述第一盖层为u-AlN层，所述第二盖层为p-AlN层。
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