CN114709315A - 一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电器件的技术领域，特别是涉及一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、n型半导体，多量子阱、p型半导体和p型接触层，所述p型接触层的Sp2碳含量达30％以上，形成具有Sp2碳含量p型接触层；通过将p型接触层的Sp2碳含量提升至30％以上，Sp2碳可使p型接触层和电极材料间形成中间势垒，使势垒下降0.6eV以上，降低接触电阻，从而使半导体发光元件的电压下降0.05V以上。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件的技术领域，特别是涉及一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件。
背景技术
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、手机电视背光照明、路灯、车灯、手电筒等应用领域。传统氮化物半导体的p型接触层的Mg溶解度低、Mg离化能高、离化效率低等问题，导致自由空穴浓度普遍低于5E17cm-3；特别是Mg的离化能随着Al组分上升而逐渐上升，导致空穴密度进一步降低。传统的p型接触层的碳元素一般以碳Sp3杂化为主，形成较高的势垒和接触电阻，导致半导体发光元件特别是高Al组分的深紫外半导体发光元件的电压高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，通过将p型接触层的Sp2碳含量提升至30％以上，Sp2碳可使p型接触层和电极材料间形成中间势垒，使势垒下降0.6eV以上，降低接触电阻，从而使半导体发光元件的电压下降0.05V以上。
为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、n型半导体，多量子阱、p型半导体和p型接触层，所述p型接触层的Sp2碳含量达30％以上，形成具有Sp2碳含量p型接触层。
上述技术方案中，所述p型接触层的碳通过XPS测试标定具有Sp2碳和Sp3碳，Sp2碳含量比例定义为Sp2的XPS能谱强度/(Sp2的XPS能谱强度+Sp3的XPS能谱强度)，所述p型接触层的Sp2碳含量达30％以上。
上述技术方案中，所述p型接触层的厚度为0.2nm～500nm。
上述技术方案中，所述p型接触层的掺杂材料为Mg，Mg的掺杂浓度通过SIMS二次离子质谱测试为1E19～1E22 atoms/cm3。
上述技术方案中，通过将p型接触层的Sp2碳含量提升至30％以上，Sp2碳使p型接触层和电极材料间形成中间势垒，使势垒下降0.6eV以上，降低接触电阻，从而使半导体发光元件的电压下降0.05V以上。
上述技术方案中，所述n型半导体、多量子阱、p型半导体、p型接触层包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意多元组合。
上述技术方案中，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。
上述技术方案中，所述半导体发光元件包括半导体发光二极管、半导体激光二极管、半导体激光器、半导体激光元件。
附图说明
图1是本发明实施例一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件的结构示意图；
图2是本发明实施例一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件(激光器)的SIMS二次离子质谱图；
图3是本发明实施例一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件(发光二极管)的SIMS二次离子质谱图；
附图标记：100：衬底；101：n型半导体，102：多量子阱，103：p型半导体，104：p型接触层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明的一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底100、n型半导体101，多量子阱102、p型半导体103和p型接触层104，衬底100是氮化物半导体结晶能够在表面进行外延生长的基板，且能够选择使用满足对于半导体发光元件所发出的光的波长范围透射率较高(例如该光的透射率在50％以上)的基板；n型半导体101、多量子阱102、p型半导体103和p型接触层104依次层叠在衬底100上，层叠半导体层利用有机金属化学气相沉积法(MOCVD法)、有机金属气相外延法(MOVPE法)、分子束外延法(MBE法)以及氢化物气相外延法(HVPE法)等方法进行层叠；多量子阱102是由阱层和势垒层交替层叠而成的层叠构造构成；所述p型接触层的Sp2碳含量达30％以上(Sp2/(Sp2+Sp3))，形成具有Sp2碳含量p型接触层；其中，Sp2碳含量比例定义为Sp2的XPS能谱强度/(Sp2的XPS能谱强度+Sp3的XPS能谱强度)，优选地，p型接触层的碳通过XPS(X射线光电子能谱)测试标定具有Sp2碳和Sp3碳，所述p型接触层的Sp2碳含量达30％以上。
传统氮化物半导体的p型接触层的Mg溶解度低、Mg离化能高、离化效率低等问题，导致自由空穴浓度普遍低于5E17cm-3；特别是Mg的离化能随着Al组分上升而逐渐上升，导致空穴密度进一步降低。传统的p型接触层的碳元素一般以碳Sp3杂化为主，形成较高的势垒和接触电阻，导致半导体发光元件特别是高Al组分的深紫外半导体发光元件的电压高；本发明设置p型接触层，用于将电流直接注入到p型区域中，通过将p型接触层的Sp2碳含量提升至30％以上，Sp2碳可使p型接触层和电极材料间形成中间势垒，使势垒下降0.6eV以上，降低接触电阻，从而使半导体发光元件的电压下降0.05V以上；具体地，制作p型接触层可以使用MOCVD金属有机化学气相沉积设备，生长温度为700-1100摄氏度，压强为100-500Torr，转速为500-1200转，通入TEGa或TMGa、N2、H2、NH3，调控温度、压强、MO源、N2/H2/NH3的比例和组合，实现p型接触层的Sp2碳含量达30％以上；优选地，采用生长温度为870摄氏度，压强200Torr，转速1200转，使用TEGa源，N2:H2:NH3比例为1.28:2.4:1的生长条件组合实现p型接触层的Sp2碳含量达30％以上。
作为本发明的一种优选的技术方案，p型接触层的厚度为0.2nm～500nm，厚度优选2nm，超薄的p型接触层可以降低接触电阻和器件的电压。
作为本发明的一种优选的技术方案，p型接触层的掺杂材料为Mg，Mg的掺杂浓度通过SIMS二次离子质谱测试为1E19～1E22 atoms/cm3，高浓度掺杂的Mg元素，可以提升离化空穴数量和浓度，降低接触电阻和器件的电压。
所述n型半导体、多量子阱、p型半导体、p型接触层包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意多元组合。
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。
本发明的半导体发光元件包括半导体发光二极管、半导体激光二极管、半导体激光器、半导体激光元件，如图2所示，是本发明技术应用于半导体激光器的SIMS二次离子质谱图，从图中可以看出，该p型接触层为高Mg掺杂浓度的GaN层，Mg的掺杂浓度通过SIMS二次离子质谱测试为1E19～1E22 atoms/cm3；Sp2碳可使p型接触层和电极材料间形成中间势垒，使势垒下降0.6eV以上，降低接触电阻，从而使半导体发光元件的电压下降0.05V以上；如图3所示，是本发明技术应用于半导体发光二极管的SIMS二次离子质谱图，从图中可以看出，该p型接触层为高Mg掺杂浓度的GaN层，Mg的掺杂浓度通过SIMS二次离子质谱测试为1E19～1E22atoms/cm3；Sp2碳可使p型接触层和电极材料间形成中间势垒，使势垒下降0.6eV以上，降低接触电阻，从而使半导体发光元件的电压下降0.05V以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、n型半导体，多量子阱、p型半导体和p型接触层，其特征在于，所述p型接触层的Sp2碳含量达30％以上，形成具有Sp2碳含量p型接触层。
2.如权利要求1所述的一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，其特征在于，所述p型接触层的碳通过XPS测试标定具有Sp2碳和Sp3碳，所述p型接触层的Sp2碳含量达30％以上。
3.如权利要求1所述的一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，其特征在于，所述p型接触层的厚度为0.2nm～500nm。
4.如权利要求1所述的一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，其特征在于，所述p型接触层的掺杂材料为Mg，Mg的掺杂浓度通过SIMS二次离子质谱测试为1E19～1E22atoms/cm3。
5.如权利要求1所述的一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，其特征在于，通过将p型接触层的Sp2碳含量提升至30％以上，Sp2碳使p型接触层和电极材料间形成中间势垒，使势垒下降0.6eV以上，降低接触电阻，从而使半导体发光元件的电压下降0.05V以上。
6.如权利要求1所述的一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，其特征在于，所述n型半导体、多量子阱、p型半导体、p型接触层包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意多元组合。
7.如权利要求1所述的一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，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。
8.如权利要求1所述的一种具有Sp2碳含量p型接触层的半导体发光元件，其特征在于，所述半导体发光元件包括半导体发光二极管、半导体激光二极管、半导体激光器、半导体激光元件。
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