CN116918080A - 半导体发光元件和发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及半导体发光元件和发光装置，包括半导体叠层，该半导体叠层包括：第一半导体层，具有n型掺杂；第二半导体层，位于所述第一半导体层上，具有p型掺杂，所述第二半导体层包括靠近第一半导体层的第一表面和远离第一半导体层的第二表面；有源层，位于所述第一半导体层和第二半导体层之间，所述有源层包括靠近第一半导体层的第三表面和靠近第二半导体层的第四表面；其特征在于：该半导体叠层还包括氢杂质，该氢杂质的浓度至少包括靠近有源层的第一峰值和远离有源层的第二峰值，所述第二峰值大于第一峰值。本发明的发光元件具有高亮度的性能。
Description
本发明属于半导体领域，尤其涉及半导体发光元件和包括该发光元件的发光装置。
近些年来，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)半导体技术的发展由于技术的提升，使得芯片发光效率大幅提升，也因此增加在各方面的应用性，例如从投影笔到照明应用等，大幅增加了应用的范围。此外，LED也具有体积小、寿命长、低污染以及低成本等优点，在光学特性上更具有色彩饱和度佳以及动态色彩控制等特点，因此使得LED相关技术成为目前最受瞩目的技术。
本发明的目的在于提供一种具有高发光效率的半导体发光元件和包括该发光元件的发光装置。
根据本发明的第一方面，半导体发光元件，包括半导体叠层，该半导体叠层包括：第一半导体层，具有n型掺杂；第二半导体层，位于所述第一半导体层上，具有p型掺杂，所述第二半导体层包括靠近第一半导体层的第三表面和远离第一半导体层的第四表面；有源层，位于所述第一半导体层和第二半导体层之间，所述有源层包括靠近第一半导体层的第一表面和靠近第二半导体层的第二表面；其特征在于： 该半导体叠层还包括氢杂质，该氢杂质的浓度至少包括靠近有源层的第一峰值和远离有源层的第二峰值，所述第二峰值大于第一峰值。
其中，所述第一峰值与第二表面的距离介于3nm~55nm之间，所述第一峰值和第二峰值之间的距离介于50nm~150nm之间，所述第二峰值与第二表面之间的距离小于150nm。所述第一峰值介于5E19
cm
-3~1E20cm
-3之间，所述第二峰值大于
1E20cm
-3。
进一步地，所述氢杂质浓度在所述第一峰值和第一表面之间具有第一低值，在第一峰值和第二峰值之间具有第二低值，所述第一低值小于第二低值。所述第二低值与第一峰值之间的距离大于第二低值与第二峰值之间的距离，所述第二低值与第一峰值之间的距离大于第一峰值与第二表面的距离。所述第二低值小于1E19cm
-3，所述第一低值小于5E18cm
-3。
本发明同时提供发光装置，其包括上述的半导体发光元件。
本发明设计的半导体发光元件，可以提高发光元件的发光效率、降低电压。
本发明的其他特征和有点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地在说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
图1为本发明的其一实施例的半导体发光元件截面结构示意图。
图2为图1中半导体元件的部分范围的元素的浓度或离子强度与深度的关系放大图。
图3为本发明的另一实施例中的半导体发光元件截面结构示意图。
以下实施例将伴随着附图说明本发明的概念，在附图或说明中，相似或相同的部分是使用相同的标号，并且在附图中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或说明书未描述的元件，可以是熟悉此技术的人士所知的形式。
本发明的半导体元件包含的每一层的组成以及掺杂物可用任何适合的方式分析，例如二次离子质谱仪(secondary ion
mass spectrometer，SIMS)。
本发明的半导体元件包含的每一层的厚度可用任何适合的方式分析，例如穿透式电子显微镜(transmission
electron microscopy，TEM)或是穿透式电子显微镜 (scanningelectron microscope，SEM)，用于配合例如于SIMS图谱上的各层深度位置。
在本发明中，如果没有特别的说明，用语【峰值】是指两段具有彼此相反符号的斜率的线段的相交点的最大值；用语【低值】是指两段具有彼此相反符号的斜率的线段的相交点的最小值。
图1是本发明其一实施例的半导体发光元件的截面结构示意图。图2示出了图1中半导体元件的部分范围的元素的浓度或离子强度与深度的关系放大图。
半导体发光元件包括半导体叠层20，该半导体叠层包括第一半导体层21、有源层22和第二半导体层23，其中有源层22位于第一半导体层21和第二半导体层23之间。第一半导体层21具有n型掺杂，用于提供电子；第二半导体层23具有p型掺杂，用于提供空穴；电子和空穴在有源层22内通过复合辐射发光。
第二半导体层23具有相对的两个表面，包括靠近第一半导体层21的第三表面S3和远离第一半导体层21的第四表面S4。同样地，有源层22具有相对的两个表面，包括靠近第一半导体层21的第一表面S1和靠近第二半导体层23的第二表面S2。当第二半导体层23与有源层22直接接触时，第二表面S2和第三表面S3重叠；然而当第二半导体层23和有源层22之间还插入其他半导体层时，第二表面S2和第三表面S3则不同。本实施例中，第二表面S2和第三表面S3直接接触，两者重叠。
参看附图2，进一步地，半导体叠层20还包括氢杂质H，氢杂质H位于第一表面S1和第四表面S4之间，更进一步地，氢杂质H的信号从靠近第二表面S2的几对量子阱/量子垒中开始出现。此时，位于有源层22上的其中一层或者多层材料层均包含氢杂质H，例如第二半导体层23中均可以检测出氢杂质H的信号。
用SIMS检测发光元件的元素组成，可检测到发光元件具有氢杂质H以及三族元素I，并且氢杂质H的浓度在SIMS检测图谱中呈现波形。本实施例中，三族元素I为铟。除了三族元素之外，半导体发光元件内的其他元素未在图2中显示，例如氮、稼、铝以及硅。
氢杂质H的波形至少包括靠近有源层22的第一峰值V1和远离有源层22的第二峰值V2，具体地，第一峰值V1靠近有源层22的第二表面S2，第二峰值V2远离有源层22的第二表面S2。并且第二峰值V2大于第一峰值V1，具体的是指，第二峰值V2所对应的氢浓度大于第一峰值V1所对应的氢浓度。氢杂质H在靠近第二表面S2的位置达到第一峰值V1，较高浓度的氢杂质H可以使第二半导体层23在该位置产生较大量的空穴，并且促进空穴向有源层22移动，使得在有源层22内与电子复合的空穴浓度增加，提高发光效率。同时，氢杂质H在远离第二表面S2的位置达到第二峰值V2，并且第二峰值V2大于第一峰值V1，本实施例中，氢杂质H在靠近第四表面S4的位置达到第二峰值V2，较高浓度的氢杂质H可以使第二半导体层23在该位置达到较低的电阻值，降低第二半导体层23与后续材料层之间的接触电阻，降低发光元件的启动电压，从而可以实现提供一种高亮度、低电压的发光元件的设计目的。
第一峰值V1与第二表面S2的距离d1介于3nm~55nm之间。第一峰值V1与第二表面S2的距离d1如果较大，例如大于55nm，则无法促进第二半导体层23内的空穴高效进入有源层22内，也即无法有效提高空穴和电子的复合效率，最终无法提高发光效率。
第一峰值V1和第二峰值V2之间的距离d2介于50nm~150nm之间，第二峰值V2与第二表面S2之间的距离d小于150nm。当第二峰值V2与第二表面S2之间的距离d较大时，例如大于150nm，第二半导体层23整体较厚，会产生材料层的吸光问题，在一定程度上降低出光效率。
第一峰值V1介于5E19cm
-3~1E20cm
-3之间，第二峰值V2大于1E20cm
-3。其中，第一峰值V1和第二峰值V2指的是氢杂质波形的峰顶处所对应的氢浓度。
进一步地，氢杂质浓度在第一峰值V1和第一表面S1之间具有第一低值L1，在第一峰值V1和第二峰值V2之间具有第二低值L2。其中，第一低值L1和第二低值L2指的是氢杂质波形的波谷处所对应的氢浓度,并且第一低值L1小于第二低值L2。
第二低值L2与第一峰值V1之间的距离d3大于第二低值L2与第二峰值V2之间的d4距离，第二低值L2与第一峰值d3之间的距离大于第一峰值V1与第二表面S2的距离d1。第二低值L2小于1E19cm
-3，第一低值L1小于5E18cm
-3。
采用以上所述的发光元件具有高光效、低电压性能。
图3示出了本发明另一实施例的半导体发光元件截面结构示意图。
参看附图3，半导体发光元件包括发光二极管。发光二极管包括基板10、位于基板10上的半导体叠层20以及与半导体叠层20电性连接的第一电极51和第二电极52。
基板10具有一足够厚的厚度用于支撑位于其上的半导体叠层20以及其他结构，基板10可以由导电材料或者绝缘材料制成，导电材料例如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)、磷化镓(GaP)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、锗(Ge)或硅(Si)等；绝缘材料例如蓝宝石(Sapphire)、碳化硅（SiC）、氮化硅（SiN）、玻璃等透明材料。本实施例优选透明的蓝宝石衬底。在一实施例中，半导体叠层20可以通过MOCVD生长的方式形成在基板10上，在另一实施例中，基板10为接合基板而非成长基板，半导体叠层20通过转移工艺转移至基板10上。为了提高基板10的出光效率，还可以对其进行图形化处理，在其表面形成一系列凹凸结构。
其中的半导体叠层20为上述的半导体叠层。本实施方式的半导体叠层包括缓冲层24、第一半导体层21、应力释放层25、有源层22和第二半导体层23，第一电极51和第二电极52分别与第一半导体层21和第二半导体层23电性连接。第一半导体层21和第二半导体层23具有相反的导电形态，第一半导体层21具有n型掺杂提供电子，第二半导体层具有p型掺杂提供空穴，电子和空穴在有源层22中复合发光。n型杂质例如硅，P型杂质例如镁，但本发明对杂质种类并不作限制。
缓冲层24，用于减小基板10和第一半导体层21两者之间的晶格失配，因此缓冲层24的晶格常数介于基板10和第一半导体层21之间，可以由包括AlpInqGa1-p-qN的材料制成，其中0≤p≤1，0≤q≤1，具体可以为AlN层、GaN层、AlGaN层、AlInGaN层、InN层和InGaN层。缓冲层24的形成方式可以为MOCVD法或者PVD法。
生长应力释放层25，以释放第一半导体层21生长过程中产生的应力，还可以调节V型坑的大小，提高发光亮度。应力释放层25可以是超晶格结构，例如由InGaN和GaN交替层叠形成的超晶格结构，也可以是单层结构。
有源层22设置在第一半导体层21和第二半导体层23之间，可以包括同质结、异质结、单一量子阱、多重量子阱或其他类似的结构。本实施例中，有源层22包括交替层叠的量子阱层221和量子垒层222，量子阱层221的作用是使电子和空穴能够复合发光，量子垒层222的能级大于阱层221的能级，量子垒层222的作用是将电子和空穴限制在量子阱层221内复合发光。最靠近第一半导体层21一侧的有源层22可以是量子阱层221或者量子垒层222，最靠近第二半导体层23一侧的有源层22可以是量子垒层222或者量子阱层221。量子垒层222可以是含铝或者不含铝的氮化物层，具有较高的能级，例如AlGaN或者GaN,量子垒层222可以是n型掺杂层或者实质上不含任何杂质的非掺杂层。量子阱层221通常为含铟的氮化物层，具有较低的能级，例如InGaN。
在本实施例中，所有量子垒层222的厚度大致相同,所有量子阱层221的厚度大致相同，在其他实施例中，量子垒层222的厚度可以变化，量子阱层221的厚度也可以根据量子垒层222的厚度相应地调整使其进行匹配。最后一个量子垒层222可以为未掺杂层，可以是单层结构或者为多层结构，例如可以是未掺杂单层结构的AlN、AlGaN或者AlInGaN，或者未掺杂多层结构的u-GaN/u-AlGaN，u-InGaN/u-AlInGaN/u-AlGaN或者u-GaN/AlN。
第一半导体层21、有源层22和第二半导体层23的生长方式包含但不限于金属有机化学气相沉积(meta
l-orga nicchemical va por d eposition，MOCVD)
、氢化物气相外延法(hyd rid e va por phaseepitaxial，HVPE)、液相晶体外延生长(liquid-phase
epitaxy，LPE)、分子束外延（molecular
beam epitaxy，MBE）、或者离子镀，例如溅镀或蒸镀等方式形成。
本实施例中，第二半导体层23向第一半导体层21延伸形成凹陷A，第一电极51位于凹陷A的表面，第二电极52位于第二半导体层23的表面。如此，第一电极51和第二电极52位于基板10的同一侧。在另一实施例中，第一电极51和第二电极52也可以位于基板10的相对的两侧。
第二电极52和第二半导体层23之间还可以包括透明导电层30，透明导电层30可以促使由第二电极52注入的电流横向扩散并传递至半导体层，使得第一半导体层21和第二半导体层53产生电子以及空穴。透明导电层30覆盖在第二半导体层23的上表面。在其他实施例中，透明导电层23还可以同时覆盖凹陷A底部的第一半导体层21的上表面，进一步促进电流的扩展。
透明导电层30的材料为透明导电材料，例如选自铟锡氧化物（ITO）、氧化锡（TO）、氧化锌（ZnO）、氧化铟锌（IZO）、氧化铟稼锌（IGZO）、氧化铟锡锌（ITZO）、氧化锑锡（ATO）、氧化锑锌（AZO）、石墨烯（Graphene）中的一种或者至少两种的组合，以及其他适合的透明导电氧化物材料。
透明导电层30在第二半导体层23的上表面的覆盖面积占比至少80%以上，更佳的是覆盖面积占比至少90%以上。透明导电层30可以通过镀膜工艺形成，例如溅镀，也可以根据需要通过蚀刻工艺形成不同图案。并且，在镀膜后，进行高温退火处理以实现透明导电层30与第二半导体层23之间具有良好的欧姆接触。
第一电极51和/或第二电极52分别与第二半导体层23之间还设有局部电流阻挡层40，电流阻挡层40由透明绝缘材料形成，例如氧化硅、碳化硅、氮化硅、三氧化二铝中的一种或者几种的组合，可以为分别布拉格结构。电流阻挡层40局部阻挡电流从第二电极52和/或第一电极51与第二半导体层23之间形成纵向的电流传输。电流阻挡层40的形状可以是环形、圆形或者方形，为一块或者多块，可以根据电流阻挡的需求而选择设计。
第一电极51和第二电极52的主要作用是提供外部电源连接，并且从外部电源注入电流至发光元件。第一电极51和第二电极52可以包括依次层叠的多个金属层，多个金属层的材料可以依次包括欧姆接触层、反射层、阻挡层以及打线层，金属材料选自铬、钨、铝、铜、铂、金、钯、钛、铑、其他适合的材料，或者上述材料的组合。第一电极51和第二电极52可以通过物理气相沉积法、化学气相沉积法、原子层沉积法、涂布、溅镀或者其他适合的技术形成。第一电极51和/或第二电极52包括焊盘部和延伸部，延伸部利于电流的横向扩展，使电流能够尽可能地注入第二半导体层23内的所有区域，提高发光二极管的发光效率和发光均匀性。
绝缘保护层60作为发光元件的最外层，覆盖在发光元件的出光面上。本实施例中，绝缘保护层60覆盖在第二电极52的外周以及透明导电层30的表面，在其他实施例中，还可以覆盖第一电极51周围的凹陷的内侧壁上以及发光元件的外围侧壁。绝缘保护层60的折射率低于透明导电层30和发光元件的折射率，可以促进从半导体有源层22发出的光透过透明导电层30或者发光元件的外围侧壁之后能尽量通过绝缘透光层30，反射比例降低，由此提升出光效率。绝缘保护层60还可以对发光元件的侧壁以及电极周围的透明导电层30进行水汽隔离以及绝缘保护。绝缘保护层60的材料选自氧化硅、碳化硅、氮化硅、三氧化二铝中的一种或者几种的组合，可以为分布布拉格结构。
本发明的另一实施例中，提供包括上述发光元件的发光装置。
需注意的是，本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作显而易见的修饰或变更都不脱离本发明的精神与范围。不同实施例中相同或相似的构件，或者不同实施例中具相同标号的构件都具有相同的物理或化学特性。此外，本发明中上述的实施例在适当的情况下，是可互相组合或替换，而非仅限于所描述的特定实施例。在一实施例中详细描述的特定构件与其他构件的连接关系也可以应用于其他实施例中，且均落于所附的本发明的权利要求保护范围的范畴中。
Claims (12)
- 半导体发光元件，包括半导体叠层，该半导体叠层包括：第一半导体层，具有n型掺杂；第二半导体层，位于所述第一半导体层上，具有p型掺杂，所述第二半导体层包括靠近第一半导体层的第三表面和远离第一半导体层的第四表面；有源层，位于所述第一半导体层和第二半导体层之间，所述有源层包括靠近第一半导体层的第一表面和靠近第二半导体层的第二表面；其特征在于： 该半导体叠层还包括氢杂质，该氢杂质的浓度至少包括靠近有源层的第一峰值和远离有源层的第二峰值，所述第二峰值大于第一峰值。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一峰值与第二表面的距离介于3nm~55nm之间。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一峰值和第二峰值之间的距离介于50nm~150nm之间。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第二峰值与第二表面之间的距离小于150nm。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一峰值介于5E19cm -3~1E20cm -3之间。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第二峰值大于1E20cm -3。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述氢杂质浓度在所述第一峰值和第一表面之间具有第一低值，在第一峰值和第二峰值之间具有第二低值，所述第一低值小于第二低值。
- 根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第二低值与第一峰值之间的距离大于第二低值与第二峰值之间的距离。
- 根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第二低值与第一峰值之间的距离大于第一峰值与第二表面的距离。
- 根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第二低值小于1E19cm -3。
- 根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一低值小于5E18cm -3。
- 发光装置，其特征在于：包括权利要求1~11任意一项的半导体发光元件。
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