CN113410345B - 紫外半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种紫外半导体发光元件，从下至上依次包括：衬底、n型半导体层、老化漏电控制层、量子阱层以及p型半导体层，其中所述老化漏电控制层为第一结构层与第二结构层组成的超晶格结构。本发明通过在n型半导体层和量子阱层之间增加具有超晶格结构的老化漏电控制层，能够改善紫外半导体发光元件的老化漏电性能。

Description

紫外半导体发光元件
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种紫外半导体发光元件。
背景技术
紫外半导体发光元件，其波长范围为200～300nm，发出的紫外光可打断病毒和细菌的DNA或RNA，直接杀死病毒和细菌，可广泛应用于空气净化、自来水杀菌、家用空调杀菌、汽车空调杀菌等杀菌消毒领域。
现有的紫外半导体发光元件使用低In组分的量子阱层，由于In组分过低，量子阱层无法形成类似蓝光半导体发光元件中的In组分涨落和V-pits结构对载流子进行量子限制作用，从而无法有效地将载流子限制在漏电通道外，在老化过程中电子会跃迁到漏电通道中，引起老化后漏电流大于2μA。现有的紫外半导体发光元件使用InGaN与GaN组成的超晶格结构或InGaN与AlGaN组成的超晶格结构或GaN与AlGaN组成的超晶格结构作为量子阱层和n型半导体层之间的插入层，该结构可进行应力释放和电流扩展的作用，但无法有效的控制和改善老化漏电现象，使得老化漏电1000小时后的漏电流普遍在5μA以上，引起老化漏电失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紫外半导体发光元件，以改善紫外半导体发光元件的老化漏电性能。
为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明提供了一种紫外半导体发光元件，从下至上依次包括：衬底、n型半导体层、老化漏电控制层、量子阱层以及p型半导体层，其中所述老化漏电控制层为第一结构层与第二结构层组成的超晶格结构。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述第二结构层的材质包括AlN。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述第一结构层的材质包括GaN和InzGa1-zN中的至少一种，其中z的范围为0～0.2。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述第一结构层的材质包括InzGa1-zN时，所述第一结构层的In组分含量低于所述量子阱层的In组分含量。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述量子阱层的In组分含量为0～0.3。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述第一结构层的厚度是所述第二结构层的厚度的至少2倍。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述第一结构层的厚度为3nm～8nm。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述第二结构层的厚度为0.5nm～3nm。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述老化漏电控制层具有极小的Si掺杂浓度，且所述老化漏电控制层的Si掺杂浓度小于1E17cm-3。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述老化漏电控制层的超晶格结构的周期为m，且5≤m≤40。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述p型半导体层包括p型电子阻挡层和位于所述p型电子阻挡层上的p型接触层。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述p型电子阻挡层的材质包括AlyGa1-yN，其中y的范围为0.2～1；所述p型接触层的材质包括GaN和AlkGa1-kN中的至少一种，其中k的范围为0～0.45。
可选的，在所述的紫外半导体发光元件中，所述n型半导体层的材质包括AlxGa1- xN，且x的范围为0～0.6。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明通过在n型半导体层和量子阱层之间增加具有超晶格结构的老化漏电控制层，能够阻挡位错和缺陷，减少漏电通道；同时老化漏电控制层的超晶格结构的组成材质之一为AlN，而AlN的高势垒能够起到有效阻止老化漏电的功能。因此，所述老化漏电控制层能够有效抑制老化过程中的电子泄漏至漏电通道中，使老化1000小时后的漏电流控制在0.2μA以内。
附图说明
图1是本发明一实施例的紫外半导体发光元件的结构示意图；
图1中：
100-衬底，101-缓冲层，102-n型半导体层，103-老化漏电控制层，104-量子阱层，105-p型电子阻挡层，106-p型接触层。
具体实施方式
现有的紫外半导体发光元件使用低In组分的量子阱层，由于In组分过低，量子阱层无法形成类似蓝光半导体发光元件中的In组分涨落和V-pits结构对载流子进行量子限制作用，从而无法有效地将载流子限制在漏电通道外，而在老化过程中电子会跃迁到漏电通道中，引起老化漏电流大于2μA。现有的紫外半导体发光元件使用InGaN与GaN组成的超晶格结构或InGaN与AlGaN组成的超晶格结构或GaN与AlGaN组成的超晶格结构作为量子阱和n型半导体之间的插入层，该结构可进行应力释放和电流扩展的作用，但无法有效的控制和改善老化漏电，使得老化漏电1000小时后的漏电流普遍在5μA以上，引起老化漏电失效。
为了改善紫外半导体发光元件的老化漏电性能，本发明提供了一种紫外半导体发光元件，在n型半导体层和量子阱层间插入具有超晶格结构的老化漏电控制层，通过低的Si掺杂浓度的老化漏电控制层，能够有效抑制老化过程中的电子泄漏至漏电通道中，使得老化1000小时后的漏电流控制在0.2μA以内。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的紫外半导体发光元件作进一步详细说明。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，本实施例提供的紫外半导体发光元件，从下至上依次包括：衬底100、n型半导体层102、老化漏电控制层103、量子阱层104以及p型半导体层，其中所述老化漏电控制层103为第一结构层与第二结构层组成的超晶格结构。
所述衬底100可以是同质或异质衬底中的一种，可以包括GaN、AlN、Ga2O3、SiC、Si、蓝宝石、ZnO单晶衬底，以及带有预沉积AlN膜的耐高温金属衬底。优选使用能够透射由量子阱层104发出的光并从衬底侧发出出射光的衬底，例如蓝宝石衬底等。为了提高光提取效率，衬底100的出光侧或其相反侧的表面可以为凹凸形状。
在所述衬底100上可以形成有缓冲层(Buffer)101。所述缓冲层101用于减少衬底100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101不局限于一种材质，也可以是多种材质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101的材质为氮化物，例如所述缓冲层101的材质为AlN。
所述n型半导体层102根据需要借由所述缓冲层101设置于所述衬底100上，也可以将所述n型半导体层102直接设置在所述衬底100上。所述n型半导体层102可以采用常规的n型层，例如可以由AlxGa1-xN构成，其中x的范围为0～0.6。所述n型半导体层102通过掺杂n型的掺杂剂，从而作为n型层发挥作用，作为n型掺杂剂的具体例子，可以列举出硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、硫(S)、氧(O)、钛(Ti)、锆(Zr)等，但不限于此。所述n型掺杂剂的掺杂剂浓度只要为所述n型半导体层102能够作为n型层发挥作用的掺杂剂浓度即可。进一步的，所述n型半导体层102中的n型的掺杂剂优选为Si，且所述Si的掺杂浓度优选为5E18cm-3～5E19cm-3。而所述n型半导体层102的厚度优选为1μm～3.5μm。另外，所述n型半导体层102的带隙优选比量子阱层104(采用多量子阱结构时为阱层)的带隙更宽，相对于发出的紫外光具有透射性。另外，所述n型半导体层102除了可以为单层结构、由多层构成的结构外，也可以采用超晶格结构。
所述老化漏电控制层103为第一结构层与第二结构层组成的超晶格结构，且所述老化漏电控制层103的超晶格结构的周期为m，且5≤m≤40。所述第一结构层的材质包括GaN和InzGa1-zN中的至少一种，其中z的范围为0～0.2。所述第二结构层的材质包括AlN，但不限于此。因此，所述老化漏电控制层103可以为GaN与AlN组成的超晶格结构或InzGa1-zN与AlN组成的超晶格结构。所述老化漏电控制层103采用GaN与AlN组成的超晶格结构或InzGa1-zN与AlN组成的超晶格结构，不仅可以起到应力释放和电流扩展的作用，还可以使得外延在生长的过程中位错和缺陷得到阻挡，尤其是穿透位错极大的减小，能够减小漏电通道，进而可以减小电子泄漏至漏电通道的几率，即能够有效抑制老化过程中的电子泄漏至漏电通道中，进而改善紫外半导体发光元件的老化漏电性能。
所述第一结构层的材质包括InzGa1-zN时，所述第一结构层的In组分含量低于所述量子阱层104的In组分含量。所述量子阱层104的In组分含量优选为0～0.3。所述老化漏电控制层103掺杂有n型掺杂剂，优选为掺杂Si。所述老化漏电控制层103的必须具有极低掺Si，方能起到老化漏电控制效果，还可以使n型半导体层起到有效的电流横向扩展作用。可以在第一结构层中掺杂Si，和/或，在第二结构层中掺杂Si，即可以仅在第一结构层中掺杂Si，也可以仅在第二结构层中掺杂Si，也可以同时在第一结构层和第二结构层掺杂Si。所述老化漏电控制层103的Si掺浓度小于1E17cm-3。所述老化漏电控制层103的Si掺杂浓度不能大于1E17cm-3，否则会引起电子泄漏至漏电通道中，引起老化漏电失效。
所述第一结构层的厚度是所述第二结构层的厚度的至少2倍，以达到老化漏电改善的作用。即所述老化漏电控制层103必须满足GaN厚度为AlN厚度的2倍及以上，或InzGa1- zN的厚度为AlN的厚度2倍及以上。优选的，所述第一结构层的厚度为3nm～8nm，所述第二结构层的厚度为0.5nm～3nm。所述第二结构层的厚度，即AlN的厚度必须满足大于0.5nm，否则无法起到有效阻止老化漏电的功能；而第二结构层的厚度，即AlN的厚度不能大于3nm，由于AlN势垒很高，厚度太厚电子很难隧穿跃迁注入量子阱，而且AlN阻值很大，因此，第二结构层的厚度太厚会导致紫外半导体发光元件的电压异常高且亮度严重下降。
本实施例中的紫外半导体发光元件通过低掺Si的所述老化漏电控制层103，能够有效抑制老化过程中的电子泄漏至漏电通道中，使得老化1000小时后的漏电流控制在0.2μA以内。
所述老化漏电控制层103亦可适用于其他所有波段的半导体发光元件，波长范围为200nm～550nm，例如，可以适用于深紫外半导体发光元件、紫光半导体发光元件、蓝光半导体发光元件、绿光半导体发光元件以及黄光半导体发光元件。
所述量子阱层104形成在所述老化漏电控制层103上。所述量子阱层104可以为InGaN与AlGaN组成的超晶格结构，或者，GaN与AlGaN组成的超晶格结构，但不限于此。优选的，所述量子阱层104可以为InGaN与AlGaN组成的超晶格结构。所述量子阱层104一般包括阱层和垒层，例如，所述量子阱层104为InGaN与AlGaN组成的超晶格结构时，所述阱层为InGaN层，所述垒层为AlGaN层。所述量子阱层104中的InGaN的In组分的含量大于所述老化漏电控制层103中的InGaN的In组分含量，所述量子阱层104中的In组分含量优选为0～0.3。在所述量子阱层104的垒层中，即量子阱层104中的AlGaN中掺杂有n型的掺杂剂，优选为Si，且Si掺浓度优选为1E17cm-3～5E19cm-3。
设置于所述量子阱层104上的p型半导体层，所述p型半导体层可以包括p型电子阻挡层105和p型接触层106。所述p型电子阻挡层105用于阻挡电子，防止电子过溢到p型接触层106，进而将电子注入至量子阱层104内，以减少非辐射复合的发生，进一步提高紫外半导体发光元件的发光效率。
所述p型电子阻挡层105的材质优选为AlyGa1-yN，y的范围为0.2～1，但不限于此。所述p型电子阻挡层105的厚度没有特别限制。另外，作为掺杂至p型电子阻挡层105中的p型掺杂剂，可以列举出镁(Mg)、锌(Zn)、钙(Ca)、铍(Be)、锰(Mn)等，但不限于此。所述p型掺杂剂优选为Mg。所述p型电子阻挡层105的掺杂剂浓度只要为能够作为p型的半导体层发挥作用的掺杂剂浓度即可，没有特别限定。
所述p型接触层106设置于p型电子阻挡层105上。p型接触层106是用于减少设置于其正上方的p侧电极与p型电子阻挡层105之间的接触电阻的层。所述p型接触层106的材质包括GaN和AlkGa1-kN中的至少一种，但不限于此，k的范围为0～0.45。而作为紫外发光元件的p型接触层106，一般使用易于增加空穴浓度的p型GaN层，也可以使用p型AlkGa1-kN层，虽然AlkGa1-kN层与GaN层相比可能空穴浓度会有稍许降低，但由于从发光层发出的紫外光能够透过p型AlkGa1-kN层，因此紫外发光元件整体的光提取效率得以提高，能够提高紫外发光元件的发光输出。
需要说明的是，可以通过有机金属气相沉积(MOCVD：Metal Organic ChemicalVapor Deposition)法、分子束外延(MBE：MolecularBeam Epitaxy)法、HVPE(HydrideVaporPhase Epitaxy，氢化物气相外延)法、等离子体辅助化学气相沉积(Plasma ChemicalVapor Deposition，PECVD)、溅射法等公知的薄膜形成方法形成所述紫外半导体层，例如可以通过MOCVD法形成所述n型半导体层、老化漏电控制层、量子阱层以及p型半导体层。
本实施例中提供的紫外半导体发光元件，在n型半导体层和量子阱层之间增加具有超晶格结构的老化漏电控制层，能够阻挡位错和缺陷，减少漏电通道；同时老化漏电控制层的超晶格结构的组成材质之一为AlN，而AlN的高势垒能够起到有效阻止老化漏电的功能。因此，所述老化漏电控制层能够有效抑制老化过程中的电子泄漏至漏电通道中，使老化1000小时后的漏电流控制在0.2μA以内。
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。
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”引述意味着对一个或多个步骤的引述，并且可能包括次级步骤。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 (8)

1.一种紫外半导体发光元件，其特征在于，从下至上依次包括：衬底、n型半导体层、老化漏电控制层、量子阱层以及p型半导体层，其中所述老化漏电控制层为第一结构层与第二结构层组成的超晶格结构，所述第一结构层的厚度是所述第二结构层的厚度的至少2倍，所述第一结构层的厚度为3nm~8nm，所述第二结构层的厚度为0.5nm~3nm，所述第二结构层的材质包括AlN，所述老化漏电控制层中掺杂Si，且所述老化漏电控制层的Si掺杂浓度小于1E17cm-3。
2.如权利要求1所述的紫外半导体发光元件，其特征在于，所述第一结构层的材质包括GaN和InzGa1-zN中的至少一种，其中z的范围为0~0.2。
3.如权利要求2所述的紫外半导体发光元件，其特征在于，所述第一结构层的材质包括InzGa1-zN时，所述第一结构层的In组分含量低于所述量子阱层的In组分含量。
4.如权利要求3所述的紫外半导体发光元件，其特征在于，所述量子阱层的In组分含量为0~0.3。
5.如权利要求1所述的紫外半导体发光元件，其特征在于，所述老化漏电控制层的超晶格结构的周期为m，且5≤m≤40。
6.如权利要求1所述的紫外半导体发光元件，其特征在于，所述p型半导体层包括p型电子阻挡层和位于所述p型电子阻挡层上的p型接触层。
7.如权利要求6所述的紫外半导体发光元件，其特征在于，所述p型电子阻挡层的材质包括AlyGa1-yN，其中y的范围为0.2~1；所述p型接触层的材质包括GaN和AlkGa1-kN中的至少一种，其中k的范围为0~0.45。
8.如权利要求1所述的紫外半导体发光元件，其特征在于，所述n型半导体层的材质包括AlxGa1-xN，且x的范围为0~0.6。
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