CN113328018B - 半导体发光元件及其制备方法 - Google Patents

半导体发光元件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种半导体发光元件及其制备方法，其中所述半导体发光元件从下至上依次包括：衬底、n型半导体层、量子阱层以及p型半导体层，所述半导体发光元件还包括表面等离激元受激层以及表面等离激元激发层，所述表面等离激元激发层设置在所述p型半导体层上，所述表面等离激元受激层设置在所述量子阱层和p型半导体层之间，和/或，所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间。本发明通过表面等离激元激发层可以诱发增强表面等离激元受激层的二维空穴气的纵向空穴注入效率和横向空穴扩展能力，提升半导体发光元件的量子效率以及增强半导体发光元件的发光均匀性和抗ESD能力。

Description

半导体发光元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，特别涉及一种半导体发光元件及其制备方法。
背景技术
氮化物半导体作为第三代化合物半导体，使用该材料制作的发光元件因具有节能环保、发光效率高、颜色波长易调控、体积小、使用寿命长等优点，已成为市场主流的照明光源。由于氮化物半导体的波长可调，可涵盖黄光、绿光、蓝光、紫光和深紫外波段，因此，广泛应用于激光显示、Mini-LED(Mini Light Emitting Diode，次毫米发光二极管)背光、Micro-LED(Micro Light Emitting Diode，微型发光二极管)背光、家庭照明、户外路灯照明、舞台灯照明、交通信号灯、电视背光、手机电脑背光、室内显示屏、车灯、植物照明、医疗、固化、杀菌消毒等各种领域。当前，本领域的技术人员主要关注LED(Light EmittingDiodes，发光二极管)的亮度提升、ESD(Electro-Static discharge，静电释放)和老化等性能改善方面。但是对发光二极管中表面等离激元效应的研究和应用较少。
因此，有必要对发光二极管中表面等离激元效应进行研究来提高发光二极管的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体发光元件及其制备方法，利用表面等离激元效应来提升空穴的横向扩展能力和纵向注入效率，进而提升半导体发光元件的量子效率、发光均匀性以及抗ESD能力。
为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明提供一种半导体发光元件，从下至上依次包括：衬底、n型半导体层、量子阱层以及p型半导体层，
所述半导体发光元件还包括表面等离激元受激层以及表面等离激元激发层，其中所述表面等离激元激发层设置在所述p型半导体层上，所述表面等离激元受激层设置在所述量子阱层与所述p型半导体层之间，和/或，所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述表面等离激元受激层形成有二维空穴气，且所述二维空穴气的载流子浓度为1E16cm-3～1E19cm-3。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述表面等离激元受激层包括超晶格结构(A/B)n，其中n为所述超晶格结构的周期数目，结构A和结构B分别为GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN以及AlInN中的至少一种，且所述结构A和所述结构B不同。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述超晶格结构的周期数目n的范围为：5～30。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述超晶格结构中的每一周期结构的结构A的厚度为5nm≥A≥0.3nm，所述超晶格结构中的每一周期结构的结构B的厚度为5nm≥B≥0.3nm。
可选的，在所述的半导体发光元件中，通过控制所述超晶格结构的周期数目以及结构A和结构B的组分差异来调整所述二维空穴气的浓度。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述表面等离激元受激层的结构为GaN与AlN组成的超晶格结构、GaN与AlGaN组成的超晶格结构、GaN与AlInN组成的超晶格结构、GaN与AlInGaN组成的超晶格结构、InGaN与AlGaN组成的超晶格结构、InGaN与AlInN组成的超晶格结构、InGaN与AlInGaN组成的超晶格结构、AlGaN与AlInN组成的超晶格结构以及AlGaN与AlInGaN组成的超晶格结构中的任意一种结构或多种结构的组合。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述表面等离激元激发层的厚度为：10nm～50nm。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述表面等离激元激发层包括金属材质。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述金属材质包括金属薄膜、金属纳米颗粒以及金属量子点中的任意一种或多种组合。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述表面等离激元激发层的金属材质包括Ag镜、Al镜、Ag纳米颗粒、Al纳米颗粒、Au纳米颗粒、Ag量子点以及Al量子点中的任意一种或多种组合。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述表面等离激元受激层设置在所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间时，所述表面等离激元受激层与所述表面等离激元激发层之间还插入一隔离层。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述隔离层的材质包括GaN、InGaN、AlGaN以及AlInGaN中的任意一种或多种组合。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述表面等离激元受激层设置在所述量子阱层和所述p型半导体层之间时，所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间还插入一金属层。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述金属层的材质包括Ti。
可选的，在所述的半导体发光元件中，所述p型半导体层的厚度为40nm～100nm。
为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明还提供了一种半导体发光元件的制备方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成n型半导体层；
在所述n型半导体层上形成量子阱层；
在所述量子阱层上形成p型半导体层；
所述制备方法还包括在所述p型半导体层上形成表面等离激元激发层；
在所述量子阱层与所述p型半导体层之间，和/或，所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间形成表面等离激元受激层。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述表面等离激元受激层形成有二维空穴气，且所述二维空穴气的载流子浓度为1E16cm-3～1E19cm-3。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述表面等离激元受激层包括超晶格结构(A/B)n，其中n为所述超晶格结构的周期数目，结构A和结构B分别为GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN以及AlInN中的至少一种，且所述结构A和所述结构B不同。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述超晶格结构的周期数目n的范围为：5～30。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述超晶格结构中的每一周期结构的结构A的厚度为5nm≥A≥0.3nm，所述超晶格结构中的每一周期结构的结构B的厚度为5nm≥B≥0.3nm。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，通过控制所述超晶格结构的周期数目以及结构A和结构B的组分差异来调整所述二维空穴气的浓度。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述表面等离激元受激层的结构为GaN与AlN组成的超晶格结构、GaN与AlGaN组成的超晶格结构、GaN与AlInN组成的超晶格结构、GaN与AlInGaN组成的超晶格结构、InGaN与AlGaN组成的超晶格结构、InGaN与AlInN组成的超晶格结构、InGaN与AlInGaN组成的超晶格结构、AlGaN与AlInN组成的超晶格结构以及AlGaN与AlInGaN组成的超晶格结构中的任意一种结构或多种结构的组合。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述表面等离激元激发层的厚度为：10nm～50nm。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述表面等离激元激发层包括金属材质。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述金属材质包括金属薄膜、金属纳米颗粒以及金属量子点中的任意一种或多种组合。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述表面等离激元激发层的金属材质包括Ag镜、Al镜、Ag纳米颗粒、Al纳米颗粒、Au纳米颗粒、Ag量子点以及Al量子点中的任意一种或多种组合。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述表面等离激元受激层设置在所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间时，所述表面等离激元受激层与所述表面等离激元激发层之间还形成隔离层。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述隔离层的材质包括GaN、InGaN、AlGaN以及AlInGaN中的任意一种或多种组合。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述表面等离激元受激层设置在所述量子阱层和所述p型半导体层之间时，所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间还形成金属层。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述金属层的材质包括Ti。
可选的，在所述的半导体发光元件的制备方法中，所述p型半导体层的厚度为40nm～100nm。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的半导体发光元件及其制备方法，通过表面等离激元激发层诱发增强表面等离激元受激层的二维空穴气的纵向空穴注入效率和横向空穴扩展能力，提升空穴的迁移率和分布几率，提升半导体发光元件的量子效率；同时，表面等离激元激发层诱导增强表面等离激元受激层的二维空穴气形成横向扩展和输运，提升空穴扩展能力，增强半导体发光元件的发光均匀性和抗ESD能力。
附图说明
图1是本发明一实施例中的一种半导体发光元件的结构示意图；
图2是本发明一实施例中的另一种半导体发光元件的结构示意图；
图3是图1中的一种半导体发光元件的制备方法的流程图；
图4是图2中的另一种半导体发光元件的制备方法的流程图；
图1～4中，
100-衬底，101-n型半导体层，102-量子阱层，103-p型半导体层，104-表面等离激元受激层，105-表面等离激元激发层。
具体实施方式
当前，业内主要关注发光二极管的亮度提升、ESD和老化等性能改善方面，而对发光二极管中的表面等离激元效应的研究和应用较少。
因此，有必要对发光二极管中表面等离激元效应进行研究来提高发光二极管的性能。
本发明提供了一种半导体发光元件，利用表面等离激元效应来提升空穴的横向扩展能力和纵向注入效率，进而提升半导体发光元件的量子效率、发光均匀性以及抗ESD能力。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的半导体发光元件及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明书，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。
参阅图1和图2，本发明提供的半导体发光元件从下至上依次包括衬底100、n型半导体层101、量子阱层102以及p型半导体层103，所述半导体发光元件还包括设置在所述p型半导体层103上方的表面等离激元激发层105以及设置在所述量子阱层102和所述p型半导体层103之间，和/或，所述p型半导体层103与所述表面等离激元激发层105之间的表面等离激元受激层104。
作为所述衬底100，例如能够利用由蓝宝石、GaN、SiC、Si、Ge或ZnO等构成的衬底，但不限于此。所述衬底100的厚度并不特别限定。在所述衬底100的上表面可以形成衬底图形，所述衬底图形可以为具有凸部和凹部的凹凸形状。凸部以及凹部的各形状并不特别限定，上表面上的凸部以及凹部的各配置并不特别限定。例如，凸部优选在上表面上设置于成为大致等边三角形的顶点的位置。
在所述衬底100上生长n型半导体层101，所述n型半导体层101为氮化物材料构成的层中掺入n型掺杂元素，主要用于提供电子。例如，GaN(氮化镓)层中掺入Si。所述n型半导体层为现有结构，在此不再赘述。
在所述衬底100和所述n型半导体层101之间还可以形成缓冲层，所述缓冲层用于减少衬底与外延层之间的晶格失配，以减少生长的外延层出现缺陷与位错的可能，提高晶体质量。所述缓冲层不局限于一种材料，也可以是多种材料以及不同掺杂物和不同掺杂含量的组合等，目前已公开的所有缓冲层的材质均在本发明的保护范围之内。优选的，所述缓冲层的材质为氮化物，例如，所述的缓冲层可以为GaN层或者AlON层。当缓冲层为AlON层时，在构成缓冲层的AlON层中，优选N的极少一部分(0.5％以上且2％以下)被置换为氧。在此情况下，由于缓冲层沿着所述衬底100的生长面的法线方向上生长，因此能够获得由晶粒一致的柱状结晶的集合体构成的缓冲层。优选利用公知的溅射法形成AlON层。而当缓冲层为GaN层时，可以在低温下(例如500℃)通过MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化学气相沉积)法形成GaN层。当然在所述衬底100和所述n型半导体层101之间还可以包括成核层、应力释放层等等，在此不做赘述。
在所述n型半导体层101上生长量子阱层102，所述量子阱层102包括阱层和势垒层。所述量子阱层102可以为单量子阱结构，也可以为多量子阱结构。所述量子阱层102优选为多量子阱结构，例如InGaN与AlGaN组成的周期结构，其中，阱层为InGaN，势垒层为AlGaN，周期为k，且k≥1。
在量子阱层102中能够通过变更阱层的In的组成来变更阱层的带隙能量。优选地，所述阱层的厚度彼此相同。在量子阱层102中，如果阱层的厚度彼此相同，则阱层的量子能级变得相同，因此由于阱层中的电子和空穴的再结合而产生的光的波长变得相同。由此，半导体发光元件的发光光谱呈现的峰值的宽度变窄。
在所述量子阱层102上形成p型半导体层103，所述p型半导体层103为氮化物材料构成的层中掺入p型掺杂元素，主要用于提供空穴。例如，GaN(氮化镓)层中掺入Mg或者Zn等。而在本实施例中，当所述表面等离激元受激层104位于所述量子阱层102和所述p型半导体层103之间，所述表面等离激元激发层105位于所述p型半导体层103上时，即所述表面等离激元受激层104和所述表面等离激元激发层105位于所述p型半导体层103两侧时，所述p型半导体层103的厚度还可以用于调整所述表面等离激元受激层104和所述表面等离激元激发层105之间的耦合距离，即调整所述表面等离激元激发层105诱发增强表面等离激元受激层104的二维空穴气的能力。因此，p型半导体层103的厚度需要给与限制，所述p型半导体层103的厚度优选为40nm～100nm。所述p型半导体层103的厚度太薄，提供的空穴会减少，影响半导体发光元件的性能；而所述p型半导体层103的太厚会减弱耦合作用。
在所述p型半导体层103上方形成表面等离激元激发层105，所述表面等离激元激发层105包括金属材质，不能为SiO2、SiNx或DBR等绝缘材料。且所述金属材质可以包括金属薄膜、金属纳米颗粒以及金属量子点中的任意一种或多种组合。进一步，所述金属可以为Ag镜、Al镜、Ag纳米颗粒、Al纳米颗粒、Au纳米颗粒、Ag量子点以及Al量子点中的任意一种或多种组合，但不限于此。表面等离激元激发层105的厚度优选为10nm～50nm。
所述表面等离激元激发层105位于所述p型半导体层103的上方，可以通过增大光逃逸锥的角度以及光的反射率增加多量子阱结构的发光强度。例如在倒装LED结构中，当所述表面等离激元激发层105的金属材质为Ag镜时，一方面由于Ag的折射率大于空气，所以会使得光逃逸锥的角度变大；另一方面Ag镜可以起到反射镜的作用增强光的反射。二者均会使得多量子阱结构的发光强度增加。
所述表面等离激元激发层105包括金属材质，因此会在表面等离激元激发层105的界面形成表面离子体激元。金属表面存在的价电子由于库仑作用的长程性导致电子系统存在着集体激发，其密度起伏相对于原子核的正电荷背景而言，形成一个正负离子的集体的振荡，称为表面离子体激元。所述表面等离激元激发层105还可能与量子阱层102中的电子-空穴对耦合，提升量子阱层102内电子空穴对的自发辐射效率，进一步提高发光效率。
所述半导体发光元件还包括表面等离激元受激层104，所述表面等离激元受激层104位于所述量子阱层102与所述p型半导体层103之间，或者位于所述p型半导体层103与所述表面等离激元激发层105之间。
所述表面等离激元受激层104的结构优选为超晶格结构(A/B)n，其中n为所述表面等离激元的超晶格结构的周期数目，且n的范围为5～30，结构A和结构B分别为GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN中的至少一种，但不限于此，并且所述结构A和所述结构B不同。例如，所述表面等离激元受激层104的结构为GaN与AlN组成的超晶格结构、GaN与AlGaN组成的超晶格结构、GaN与AlInN组成的超晶格结构、GaN与AlInGaN组成的超晶格结构、InGaN与AlGaN组成的超晶格结构、InGaN与AlInN组成的超晶格结构、InGaN与AlInGaN组成的超晶格结构、AlGaN与AlInN组成的超晶格结构以及AlGaN与AlInGaN组成的超晶格结构等其中的任意一种结构或多种结构的组合，但不限于此。所述表面等离激元受激104的超晶格结构中的每一周期结构的结构A的厚度为5nm≥A≥0.3nm，所述超晶格结构中的每一周期结构的结构B的厚度为5nm≥B≥0.3nm。
由于所述表面等离激元受激层104中结构A和结构B具有不同的晶格常数，即所述表面等离激元受激层104是晶格常数不同的超晶格结构，因此，在结构A和结构B的界面处能够激发出极化空穴，产生二维空穴气。通过控制超晶格结构的周期数目以及结构A和结构B的组分差异能够调整二维空穴气的浓度，所述二维空穴气的载流子浓度优选为1E16cm-3～1E19cm-3。
所述表面等离激元激发层105的自由电子与所述表面等离激元受激层104产生的二维空穴气形成表面等离激元效应。由于所述表面等离激元受激层104的超晶格结构中的两个子层(结构A和结构B)的结构不同，晶格常数不一致，在通电后，在两个子层的界面处会产生极化空穴，空穴可以隧穿过p型半导体层103，与表面等离激元激发层105的金属界面处的自由电子发生等离子激元共振现象，促进空穴的传输和扩展，即表面等离激元激发层105能够诱发增强表面等离激元受激层的二维空穴气的纵向空穴注入效率和横向空穴扩展能力，由于空穴的扩展能力提升进而提高发光均匀性。而且由于超晶格结构的存在提高了电流扩展能力，并且超晶格结构厚度的增加也进一步增强电流扩展，使得局部电流密度高得到改善，降低局部击穿的发生概率，进而提高抗ESD能力。
参阅图1，所述表面等离激元受激层104设置在所述量子阱层102和所述p型半导体层103之间，所述表面等离激元激发层105设置在所述p型半导体层103上时，所述p型半导体层103与所述表面等离激元激发层105之间的粘附性较差，因此，所述p型半导体层103与所述表面等离激元激发层105之间还插入一金属层(图中未示出)，以增加所述p型半导体层103与所述表面等离激元激发层105之间粘附性。所述金属层的材质包括Ti等，但不限于此。
在本实施例中，所述表面等离激元受激层104还可以作为电子阻拦层，以防止电子过溢，使得更多的电子空穴在量子阱层102中进行复合发光，进一步提高发光效率。
参阅图2，所述表面等离激元受激层104设置在所述p型半导体层103与所述表面等离激元激发层105之间时，所述表面等离激元受激层104与所述表面等离激元激发层105之间还插入一隔离层(图中未示出)，以增加所述表面等离激元受激层104与所述表面等离激元激发层105之间的欧姆接触性能。同时，所述隔离层还可以用于调控等离激元受激层104与所述表面等离激元激发层105之间的耦合距离。优选的，所述隔离层的厚度为：10nm～50nm。所述隔离层的厚度太大，所述表面等离激元受激层104与所述表面等离激元激发层105之间的耦合作用太小；而所述隔离层的太薄，会影响所述表面等离激元受激层104与所述表面等离激元激发层105之间的欧姆接触性能。所述隔离层的材质包括GaN、InGaN、AlGaN以及AlInGaN中的任意一种或多种组合，但不限于此，但凡能够增加所述表面等离激元受激层104与所述表面等离激元激发层105之间的欧姆接触性能的材料均在本实施例的保护范围之内。
所述表面等离激元受激层104也可以设置为两层，一层设置在所述p型半导体层103与所述表面等离激元激发层105之间，另一层设置在所述量子阱层102与所述p型半导体层103之间。因此，所述表面等离激元受激层104既可以作为电子阻挡层，防止电子过溢，又可以受到所述表面等离激元激发层105诱发增强二维空穴气的纵向空穴注入效率和横向空穴扩展能力。
本发明提供的半导体发光元件，通过表面等离激元激发层诱发增强表面等离激元受激层的二维空穴气的纵向空穴注入效率和横向空穴扩展能力，提升空穴的迁移率和分布几率，提升半导体发光元件的量子效率；同时，表面等离激元激发层诱导增强表面等离激元受激层的二维空穴气形成横向扩展和输运，提升空穴扩展能力，增强半导体发光元件的发光均匀性和抗ESD能力。
与传统的表面等离激元共振耦合提升量子阱层内电子空穴对的自发辐射效率不同，本发明使用表面等离激元激发层诱发表面等离激元受激层的二维空穴气，增加二维空穴气的空穴注入效率，提升空穴的迁移率和分布几率，提升半导体发光元件的量子效率。
除此之外，本发明还提供了一种上述所述的半导体发光元件的制备方法，具体包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成n型半导体层；
在所述n型半导体层上形成量子阱层；
在所述量子阱层上形成p型半导体层；
所述制备方法还包括形成表面等离激元激发层和表面等离激元受激层，且所述表面等离激元激发层形成于所述p型半导体层上，所述表面等离激元受激层形成于所述量子阱层与所述p型半导体层之间，和/或，所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间。
具体的，所述的半导体发光元件的制备方法包括两种过程，其中一种过程请参阅图3，具体包括：
步骤S11：提供一衬底；
步骤S12：在所述衬底上形成n型半导体层；
步骤S13：在所述n型半导体层上形成量子阱层；
步骤S14：在所述量子阱层上形成表面等离激元受激层；
步骤S15：在所述表面等离激元受激层上形成p型半导体层；
步骤S16：在所述p型半导体层上形成表面等离激元激发层。
上述制备方法制备出的半导体发光元件中，所述表面等离激元受激层和所述表面等离激元激发层位于所述p型半导体层两侧。在上述制备过程中，在步骤S16中还可以包括：在所述p型半导体层和所述表面等离激元激发层之间形成一金属层。所述金属层用于增加所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间粘附性。所述金属层的材质包括Ti等，但不限于此。
在步骤S12中还可以包括：在所述衬底和n型半导体层之间形成缓冲层。所述缓冲层用于减少衬底与外延层之间的晶格失配，以减少生长的外延层出现缺陷与位错的可能，提高晶体质量。
所述的半导体发光元件的制备方法的另一过程请参阅图4，具体如下：
步骤S21：提供一衬底；
步骤S22：在所述衬底上形成n型半导体层；
步骤S23：在所述n型半导体层上形成量子阱层；
步骤S24：在所述量子阱层上形成p型半导体层；
步骤S25：在所述p型半导体层上形成表面等离激元受激层；
步骤S26：在所述表面等离激元受激层上形成表面等离激元激发层。
上述制备方法制备出的半导体发光元件中，所述表面等离激元受激层和所述表面等离激元激发层均位于所述p型半导体层上方。在上述制备方法中，在步骤S26中还可以包括：在所述表面等离激元受激层和表面等离激元激发层之间形成一隔离层。所述隔离层可以增加所述表面等离激元受激层与所述表面等离激元激发层之间的欧姆接触性能。同时，所述隔离层还可以用于调控等离激元受激层与所述表面等离激元激发层之间的耦合距离。优选的，所述隔离层的厚度为：10nm～50nm。所述隔离层的厚度太大，所述表面等离激元受激层与所述表面等离激元激发层之间的耦合作用太小；而所述隔离层的太薄，会影响所述表面等离激元受激层与所述表面等离激元激发层之间的欧姆接触性能。所述隔离层的材质包括GaN、InGaN、AlGaN以及AlInGaN中的至少一种，但不限于此。
在步骤S22中还可以包括：在所述衬底和n型半导体层之间形成缓冲层。所述缓冲层用于减少衬底与外延层之间的晶格失配，以减少生长的外延层出现缺陷与位错的可能，提高晶体质量。
在步骤S24中还可以包括：在所述量子阱层和p型半导体层之间形成一表面等离激元受激层。此时，制备的半导体发光元件包括两层表面等离激元受激层，分别位于所述p型半导体层两侧。
所述半导体发光元件的制备方法中所述n型半导体层、p型半导体层、量子阱层、表面等离激元受激层以及隔离层的形成工艺可以为金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延、等离子体辅助化学气相沉积以及激光溅射中的任意一种，但不限于此。例如，采用MOCVD工艺在所述衬底上形成掺杂Si的n型半导体层。
所述表面等离激元激发层以及金属层的形成工艺可以为电子束蒸发工艺、真空镀膜以及离子束沉积中的至少一种，但不限于此。在本实施例中所述形成工艺优选为电子束蒸发工艺。例如，在p型半导体层上方，通过电子束蒸发工艺制备Ag层，Ag层厚度在10～50nm之间，由于Ag层和p型半导体层之间的粘附性较差，可以镀一层极薄金属层如Ti层增加其粘附性。
通过上述半导体发光元件的制备工艺形成的半导体发光元件，表面等离激元激发层能够诱发增强表面等离激元受激层的二维空穴气的纵向空穴注入效率和横向空穴扩展能力，提升空穴的迁移率和分布几率，提升半导体发光元件的量子效率；同时，表面等离激元激发层能够诱导增强表面等离激元受激层的二维空穴气形成横向扩展和输运，提升空穴扩展能力，增强半导体发光元件的发光均匀性和抗ESD能力。
此外，可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
而且还应该理解的是，本发明并不限于此处描述的特定的方法、化合物、材料、制造技术、用法和应用，它们可以变化。还应该理解的是，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。因此，例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。因此，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此处描述的结构将被理解为还引述该结构的功能等效物。可被解释为近似的语言应该被那样理解，除非上下文明确表示相反意思。

Claims (32)

1.一种半导体发光元件，从下至上依次包括：衬底、n型半导体层、量子阱层以及p型半导体层，其特征在于，
所述半导体发光元件还包括表面等离激元受激层以及表面等离激元激发层，其中所述表面等离激元激发层设置在所述p型半导体层上，所述表面等离激元受激层设置在所述量子阱层与所述p型半导体层之间，和/或，所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间，所述表面等离激元受激层形成有二维空穴气，所述表面等离激元受激层为结构A和结构B组成的超晶格结构，且所述结构A和所述结构B的晶格常数不同。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述二维空穴气的载流子浓度为1E16cm-3~1E19cm-3。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述表面等离激元受激层包括超晶格结构(A/B)n，其中n为所述超晶格结构的周期数目，结构A和结构B分别为GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN以及AlInN中的至少一种。
4.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，所述超晶格结构的周期数目n的范围为：5~30。
5.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，所述超晶格结构中的每一周期结构的结构A的厚度为5nm≥A≥0.3nm，所述超晶格结构中的每一周期结构的结构B的厚度为5nm≥B≥0.3nm。
6.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，通过控制所述超晶格结构的周期数目以及结构A和结构B的组分差异来调整二维空穴气的浓度。
7.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，所述表面等离激元受激层的结构为GaN与AlN组成的超晶格结构、GaN与AlGaN组成的超晶格结构、GaN与AlInN组成的超晶格结构、GaN与AlInGaN组成的超晶格结构、InGaN与AlGaN组成的超晶格结构、InGaN与AlInN组成的超晶格结构、InGaN与AlInGaN组成的超晶格结构、AlGaN与AlInN组成的超晶格结构以及AlGaN与AlInGaN组成的超晶格结构中的任意一种结构或多种结构的组合。
8.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述表面等离激元激发层的厚度为：10nm~50nm。
9.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述表面等离激元激发层包括金属材质。
10.如权利要求9所述的半导体发光元件，其特征在于，所述金属材质包括金属薄膜、金属纳米颗粒以及金属量子点中的任意一种或多种组合。
11.如权利要求10所述的半导体发光元件，其特征在于，所述表面等离激元激发层的金属材质包括Ag镜、Al镜、Ag纳米颗粒、Al纳米颗粒、Au纳米颗粒、Ag量子点以及Al量子点中的任意一种或多种组合。
12.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述表面等离激元受激层设置在所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间时，所述表面等离激元受激层与所述表面等离激元激发层之间还插入一隔离层。
13.如权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于，所述隔离层的材质包括GaN、InGaN、AlGaN以及AlInGaN中的任意一种或多种组合。
14.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述表面等离激元受激层设置在所述量子阱层和所述p型半导体层之间时，所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间还插入一金属层。
15.如权利要求14所述的半导体发光元件，其特征在于，所述金属层的材质包括Ti。
16.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述p型半导体层的厚度为40nm~100nm。
17.一种半导体发光元件的制备方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成n型半导体层；
在所述n型半导体层上形成量子阱层；
在所述量子阱层上形成p型半导体层；
其特征在于，所述制备方法还包括在所述p型半导体层上形成表面等离激元激发层；
在所述量子阱层与所述p型半导体层之间，和/或，所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间形成表面等离激元受激层，所述表面等离激元受激层形成有二维空穴气，所述表面等离激元受激层为结构A和结构B组成的超晶格结构，且所述结构A和所述结构B的晶格常数不同。
18.如权利要求17所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述二维空穴气的载流子浓度为1E16cm-3~1E19cm-3。
19.如权利要求17所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述表面等离激元受激层包括超晶格结构(A/B)n，其中n为所述超晶格结构的周期数目，结构A和结构B分别为GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN以及AlInN中的至少一种。
20.如权利要求19所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述超晶格结构的周期数目n的范围为：5~30。
21.如权利要求19所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述超晶格结构中的每一周期结构的结构A的厚度为5nm≥A≥0.3nm，所述超晶格结构中的每一周期结构的结构B的厚度为5nm≥B≥0.3nm。
22.如权利要求19所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，通过控制所述超晶格结构的周期数目以及结构A和结构B的组分差异来调整二维空穴气的浓度。
23.如权利要求19所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述表面等离激元受激层的结构为GaN与AlN组成的超晶格结构、GaN与AlGaN组成的超晶格结构、GaN与AlInN组成的超晶格结构、GaN与AlInGaN组成的超晶格结构、InGaN与AlGaN组成的超晶格结构、InGaN与AlInN组成的超晶格结构、InGaN与AlInGaN组成的超晶格结构、AlGaN与AlInN组成的超晶格结构以及AlGaN与AlInGaN组成的超晶格结构中的任意一种结构或多种结构的组合。
24.如权利要求17所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述表面等离激元激发层的厚度为：10nm~50nm。
25.如权利要求17所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述表面等离激元激发层包括金属材质。
26.如权利要求25所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述金属材质包括金属薄膜、金属纳米颗粒以及金属量子点中的任意一种或多种组合。
27.如权利要求26所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述表面等离激元激发层的金属材质包括Ag镜、Al镜、Ag纳米颗粒、Al纳米颗粒、Au纳米颗粒、Ag量子点以及Al量子点中的任意一种或多种组合。
28.如权利要求17所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述表面等离激元受激层设置在所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间时，所述表面等离激元受激层与所述表面等离激元激发层之间还形成隔离层。
29.如权利要求28所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述隔离层的材质包括GaN、InGaN、AlGaN以及AlInGaN中的任意一种或多种组合。
30.如权利要求17所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述表面等离激元受激层设置在所述量子阱层和所述p型半导体层之间时，所述p型半导体层与所述表面等离激元激发层之间还形成金属层。
31.如权利要求30所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述金属层的材质包括Ti。
32.如权利要求17所述的半导体发光元件的制备方法，其特征在于，所述p型半导体层的厚度为40nm~100nm。
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