CN114824019A - 一种半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体光电器件的技术领域，特别是涉及一种半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、第一导电型半导体、多量子阱、第二导电型半导体和透明导电层，第二导电型半导体和透明导电层组成接触层结构，透明导电层的C、O浓度沿(001)方向从高C、O浓度>3E18cm‑3迅速下降至低C、O浓度<5E17cm‑3，第二导电型半导体的C、O浓度沿(001)方向则从低C、O浓度<5E17cm‑3迅速上升至高C、O浓度>3E18cm‑3；透明导电层形成低浓度CO杂质<5E17cm‑3，减少CO杂质的电子补偿机制，减少其向第二导电型半导体提供电子与第二导电型半导体的空穴形成非辐射复合，从而降低费米能级偏移，使透明导电层兼具高的负偏置温度应力稳定性，高迁移率40cm2(Vs)‑1以上和高透光率98％以上的特性。

Description

一种半导体发光元件
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、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。但是，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；传统透明导电层的C、O含量较高(一般大于1E18cm-3)，C、O形成CO杂质会产生电子补偿机制，导致吸光问题、稳定性和迁移率较差等问题，导致透明导电层的透光率低于98％。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体发光元件，具有高透过率和低电阻率的接触层结构，该接触层结构由第二导电型半导体和透明导电层组成，透明导电层形成低浓度CO杂质<5E17cm-3，使透明导电层兼具高的负偏置温度应力稳定性，高迁移率40cm2(Vs)-1以上和高透光率98％以上的特性。
为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、第一导电型半导体、多量子阱、第二导电型半导体和透明导电层，所述半导体发光结构具有高透过率和低电阻率的接触层结构，该接触层结构由第二导电型半导体和透明导电层组成，所述透明导电层的C、O浓度沿001方向从高C、O浓度>3E18cm-3迅速下降至低C、O浓度<5E17cm-3，所述第二导电型半导体的C、O浓度沿001方向则从低C、O浓度<5E17cm-3迅速上升至高C、O浓度>3E18cm-3。
上述技术方案中，所述高透过率和低电阻率的接触层结构的透明导电层和第二导电型半导体在界面处形成高C、O浓度的交界面，该C、O浓度>3E18cm-3。
上述技术方案中，所述透明导电层为ITO、IGZO、ITZO、掺铝的氧化锌，掺氟的氧化锡，掺锑的氧化锡、CdO、In2O3、SnO2和ZnO的任意一种或任意组合。
上述技术方案中，所述透明导电层的C、O浓度沿(001)方向从第二导电型半导体与透明导电层交界面的高C、O浓度>3E18cm-3迅速下降至低C、O浓度<5E17cm-3，所述透明导电层的低C、O浓度形成低浓度CO杂质，所述低浓度CO杂质的浓度<5E17cm-3。
上述技术方案中，所述透明导电层的低浓度CO杂质<5E17cm-3减少CO杂质的电子补偿机制，减少其向第二导电型半导体提供电子与第二导电型半导体的空穴形成非辐射复合，从而降低费米能级偏移，使透明导电层兼具高的负偏置温度应力稳定性，高迁移率40cm2(Vs)-1以上和高透光率98％以上的特性。
上述技术方案中，所述第二导电型半导体与透明导电层交界面具有高C、O浓度，所述高C、O浓度>3E18cm-3(通过SIMS二次离子质谱仪测试)；第二导电型半导体的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度大于1E18cm-3(通过SIMS二次离子质谱仪测试)。
上述技术方案中，所述第二导电型半导体与透明导电层交界面处的高C、O元素在第二导电型半导体中形成>3E18cm-3的高浓度CO杂质，所述高浓度CO杂质可降低第二导电型半导体中Mg的受主激活能和空穴离化能，提升空穴离化率和交界面的空穴浓度，降低交界面欧姆接触电阻，从而降低半导体发光元件的电压。
上述技术方案中，所述第一导电型半导体、多量子阱和第二导电型半导体包括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LED、半导体激光二极管LD、半导体激光器LD、半导体激光元件LD的任意一种。
附图说明
图1是本发明的半导体发光元件的结构示意图；
图2是本发明实施例的蓝绿光半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图；
图3是本发明另一实施例深紫外半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图；
附图标记：100：衬底；101：第一导电型半导体；102：多量子阱；103：第二导电型半导体；104：透明导电层。
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，本发明实施例的半导体发光元件，从下至上依次包括衬底100、第一导电型半导体101，多量子阱102，第二导电型半导体103和透明导电层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；例如，作为衬底100的材料，可列举出氮化铝、蓝宝石、GaN等；第一导电型半导体101和第二导电型半导体103可以为n型半导体层，导电类型为n型；或者p型半导体层，导电类型为p型；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；透明导电层104能够使电流能够均匀的注入发光层，提高半导体材料的电流扩展性能；第一导电型半导体101，多量子阱102，第二导电型半导体103和透明导电层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；第二导电型半导体103和透明导电层104组成接触层结构，其中，透明导电层104的C、O浓度沿(001)方向从高C、O浓度>3E18cm-3迅速下降至低C、O浓度<5E17cm-3，所述第二导电型半导体103的C、O浓度沿(001)方向则从低C、O浓度<5E17cm-3迅速上升至高C、O浓度>3E18cm-3，需要说明的是，本申请中，(001)方向是指自衬底100至透明导电层104的层叠方向，透明导电层104和第二导电型半导体103在界面处形成高C、O浓度的交界面，该C、O浓度>3E18cm-3，透明导电层104的C、O浓度沿(001)方向从第二导电型半导体103与透明导电层104交界面的高C、O浓度>3E18cm-3迅速下降至低C、O浓度<5E17cm-3(通过SIMS二次离子质谱仪测试)，透明导电层104的低C、O浓度形成低浓度CO杂质，从而减少CO杂质的电子补偿机制，减少其向第二导电型半导体103提供电子与第二导电型半导体103的空穴形成非辐射复合，从而降低费米能级偏移，使透明导电层104兼具高的负偏置温度应力稳定性，高迁移率40cm2(Vs)-1以上和高透光率98％以上的特性。
透明导电层104为ITO(氧化铟锡)、IGZO(氧化铟镓锌)、ITZO(氧化铟锡锌)、掺铝的氧化锌(AZO,ZnO:Al)，掺氟的氧化锡(FTO,SnO2:F)，掺锑的氧化锡(ATO,SnO2:Sb)、CdO、In2O3、SnO2和ZnO的任意一种或任意组合。
本发明的一种优选实施方式中，第二导电型半导体103与透明导电层104交界面具有高C、O浓度，所述高C、O浓度>3E18cm-3(通过SIMS二次离子质谱仪测试)；第二导电型半导体103的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度大于1E18cm-3(通过SIMS二次离子质谱仪测试)，第二导电型半导体103与透明导电层104交界面处的高C、O元素在第二导电型半导体中103形成>3E18cm-3的高浓度CO杂质，所述高浓度CO杂质可降低第二导电型半导体103中Mg的受主激活能和空穴离化能，提升空穴离化率和交界面的空穴浓度，降低交界面欧姆接触电阻，从而降低半导体发光元件的电压，从而可以增加电流的横向扩展效率，在保证电压需求的基础上，降低透明导电层104的吸光程度，提高LED芯片的亮度。
本发明中，第一导电型半导体101、多量子阱102和第二导电型半导体103包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
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。
半导体发光元件包括半导体发光二极管LED、半导体激光二极管LD、半导体激光器LD、半导体激光元件LD的任意一种，例如，如图2所示，是蓝绿光半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图，其透明导电层104的C、O浓度沿(001)方向从高C、O浓度>3E18cm-3迅速下降至低C、O浓度<5E17cm-3，第二导电型半导体103的C、O浓度沿(001)方向则从低C、O浓度<5E17cm-3迅速上升至高C、O浓度>3E18cm-3，透明导电层104和第二导电型半导体103在界面处形成高C、O浓度的交界面，该C、O浓度>3E18cm-3，透明导电层104的C、O浓度沿(001)方向从第二导电型半导体103与透明导电层104交界面的高C、O浓度>3E18cm-3迅速下降至低C、O浓度<5E17cm-3(通过SIMS二次离子质谱仪测试)，透明导电层104的低C、O浓度形成低浓度CO杂质，从而减少CO杂质的电子补偿机制，减少其向第二导电型半导体103提供电子与第二导电型半导体103的空穴形成非辐射复合，从而降低费米能级偏移，使透明导电层104兼具高的负偏置温度应力稳定性，高迁移率40cm2(Vs)-1以上和高透光率98％以上的特性；第二导电型半导体103与透明导电层104交界面具有高C、O浓度，高C、O浓度>3E18cm-3(通过SIMS二次离子质谱仪测试)；第二导电型半导体103的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度大于1E18cm-3(通过SIMS二次离子质谱仪测试)，第二导电型半导体103与透明导电层104交界面处的高C、O元素在第二导电型半导体中103形成>3E18cm-3的高浓度CO杂质，高浓度CO杂质可降低第二导电型半导体103中Mg的受主激活能和空穴离化能，提升空穴离化率和交界面的空穴浓度，降低交界面欧姆接触电阻，从而降低半导体发光元件的电压，从而可以增加电流的横向扩展效率，在保证电压需求的基础上，降低透明导电层104的吸光程度，提高LED芯片的亮度。
图3是深紫外半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图；其透明导电层104的C、O浓度沿(001)方向从高C、O浓度>3E18cm-3迅速下降至低C、O浓度<5E17cm-3，第二导电型半导体103的C、O浓度沿(001)方向则从低C、O浓度<5E17cm-3迅速上升至高C、O浓度>3E18cm-3，透明导电层104和第二导电型半导体103在界面处形成高C、O浓度的交界面，该C、O浓度>3E18cm-3，透明导电层104的C、O浓度沿(001)方向从第二导电型半导体103与透明导电层104交界面的高C、O浓度>3E18cm-3迅速下降至低C、O浓度<5E17cm-3(通过SIMS二次离子质谱仪测试)，透明导电层104的低C、O浓度形成低浓度CO杂质，从而减少CO杂质的电子补偿机制，减少其向第二导电型半导体103提供电子与第二导电型半导体103的空穴形成非辐射复合，从而降低费米能级偏移，使透明导电层104兼具高的负偏置温度应力稳定性，高迁移率40cm2(Vs)-1以上和高透光率98％以上的特性；第二导电型半导体103与透明导电层104交界面具有高C、O浓度，高C、O浓度>3E18cm-3(通过SIMS二次离子质谱仪测试)；第二导电型半导体103的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度大于1E18cm-3(通过SIMS二次离子质谱仪测试)，第二导电型半导体103与透明导电层104交界面处的高C、O元素在第二导电型半导体中103形成>3E18cm-3的高浓度CO杂质，高浓度CO杂质可降低第二导电型半导体103中Mg的受主激活能和空穴离化能，提升空穴离化率和交界面的空穴浓度，降低交界面欧姆接触电阻，从而降低半导体发光元件的电压，从而可以增加电流的横向扩展效率，在保证电压需求的基础上，降低透明导电层104的吸光程度，提高LED芯片的亮度。
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 (10)

1.一种半导体发光元件，从下至上依次包括衬底、第一导电型半导体、多量子阱、第二导电型半导体和透明导电层，其特征在于：所述半导体发光结构具有高透过率和低电阻率的接触层结构，该接触层结构由第二导电型半导体和透明导电层组成，所述透明导电层的C、O浓度沿(001)方向从高C、O浓度>3E18cm-3迅速下降至低C、O浓度<5E17cm-3，所述第二导电型半导体的C、O浓度沿001方向则从低C、O浓度<5E17cm-3迅速上升至高C、O浓度>3E18cm-3。
2.如权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述高透过率和低电阻率的接触层结构的透明导电层和第二导电型半导体在界面处形成高C、O浓度的交界面，该C、O浓度>3E18cm-3。
3.如权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述透明导电层为ITO、IGZO、ITZO、掺铝的氧化锌，掺氟的氧化锡，掺锑的氧化锡、CdO、In2O3、SnO2和ZnO的任意一种或任意组合。
4.如权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述透明导电层的C、O浓度沿(001)方向从第二导电型半导体与透明导电层交界面的高C、O浓度>3E18cm-3迅速下降至低C、O浓度<5E17cm-3，所述透明导电层的低C、O浓度形成低浓度CO杂质，所述低浓度CO杂质的浓度<5E17cm-3。
5.如权利要求4所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述透明导电层的低浓度CO杂质<5E17cm-3减少CO杂质的电子补偿机制，减少其向第二导电型半导体提供电子与第二导电型半导体的空穴形成非辐射复合，从而降低费米能级偏移，使透明导电层兼具高的负偏置温度应力稳定性，高迁移率40cm2(Vs)-1以上和高透光率98％以上的特性。
6.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第二导电型半导体与透明导电层交界面具有高C、O浓度，所述高C、O浓度>3E18cm-3；第二导电型半导体的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度大于1E18cm-3。
7.如权利要求6所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述第二导电型半导体与透明导电层交界面处的高C、O元素在第二导电型半导体中形成>3E18cm-3的高浓度CO杂质，所述高浓度CO杂质可降低第二导电型半导体中Mg的受主激活能和空穴离化能，提升空穴离化率和交界面的空穴浓度，降低交界面欧姆接触电阻，从而降低半导体发光元件的电压。
8.如权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述第一导电型半导体、多量子阱和第二导电型半导体包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
9.如权利要求1所述的一种半导体发光元件，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。
10.如权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述半导体发光元件包括半导体发光二极管LED、半导体激光二极管LD、半导体激光器LD、半导体激光元件LD的任意一种。
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