CN117133842A - 一种氮化物半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化物半导体发光元件，该氮化物半导体发光元件包括由下至上依次层叠设置的衬底、第一n型半导体、第二n型半导体、量子阱、p型半导体，还包括：效率衰减抑制层；效率衰减抑制层设置在第二n型半导体与量子阱之间，以及量子阱与p型半导体之间；效率衰减抑制层的C含量浓度向量子阱方向下降。采用本发明实施例，可降低俄歇复合效率和SRH非辐射复合效率，抑制大电流注入下的电子溢流，降低大电流和大偏压条件下的价带带阶，提升空穴注入效率，实现发光效率的提升。

Description

一种氮化物半导体发光元件
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种氮化物半导体发光元件。
背景技术
半导体元件特别是氮化物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、Mini-LED、Micro-LED、手机电视背光、背光照明、路灯、汽车大灯、车日行灯、车内氛围灯、手电筒等应用领域。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，降低氮化物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。
发明内容
本发明提供了一种氮化物半导体发光元件，以解决现有氮化物半导体发光元件因非辐射复合及电子溢流导致的发光效率较低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种氮化物半导体发光元件，包括由下至上依次层叠设置的衬底、第一n型半导体、第二n型半导体、量子阱、p型半导体，还包括：效率衰减抑制层；
所述效率衰减抑制层设置在所述第二n型半导体与所述量子阱之间，以及所述量子阱与p型半导体之间；
所述效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向下降。
进一步地，所述效率衰减抑制层包括：第一效率衰减抑制层；
所述第一效率衰减抑制层设置在所述第二n型半导体和所述量子阱之间；其中，所述第一效率衰减抑制层为InGaN和GaN中的一种或组合；所述第一效率衰减抑制层的厚度为5～100nm；所述第一效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向按双台阶从5×1017～5×1018cm-3下降至1016～1017cm。
进一步地，所述第一效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向按双台阶从5×1017～5×1018cm-3下降至1016～1017cm-3，包括：
所述第一效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向按第一下降台阶从5×1017～5×1018cm-3下降至1017～5×1017cm-3，再按第二下降台阶从1017～5×1017cm-3下降至1016～1017cm；其中，所述第一下降台阶的下降角度为15～60°，所述第二下降台阶的下降角度为30～90°，所述第一下降台阶的下降角度≤所述第二下降台阶的下降角度。
进一步地，所述效率衰减抑制层，还包括：第二效率衰减抑制层；
所述第二效率衰减抑制层设置在所述第一效率衰减抑制层和所述量子阱之间；所述第二效率衰减抑制层的C含量浓度保持恒定，为1017～2×1018cm-3。
进一步地，所述效率衰减抑制层，还包括：第三效率衰减抑制层；
所述第三效率衰减抑制层设置在第二效率衰减抑制层和所述量子阱之间；所述第三效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向呈V形分布；其中，所述V形分布的下降角度为30～90°，所述V形分布的上升角度为15～60°，所述V形分布的下降角度≥所述V形分布的上升角度。
进一步地，所述V形分布的上升角度≤所述第一下降台阶的下降角度≤所述V形分布的下降角度≤所述第二下降台阶的下降角度。
进一步地，所述效率衰减抑制层，还包括：第四效率衰减抑制层；
所述第四效率衰减抑制层设置在所述量子阱和所述p型半导体之间；其中，所述第四效率衰减抑制层为AlGaN、GaN、AlInGaN、AlInN、AlN和InGaN中的一种或多种组合；所述第四效率衰减抑制层的厚度为2～80nm；所述第四效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向下降。
进一步地，所述第一效率衰减抑制层的Si掺杂浓度满足二次项系数小于0的二次函数分布；所述第三效率衰减抑制层的Si掺杂浓度满足二次项系数小于0的二次函数分布；所述第四效率衰减抑制层的Mg掺杂浓度满足二次项系数小于0的二次函数分布。
进一步地，所述第一效率衰减抑制层的H含量浓度和O含量浓度保持恒定，所述第一效率衰减抑制层的H含量浓度为1017～1018cm-3，所述第一效率衰减抑制层的O含量浓度为1016～1017cm-3；所述第三效率衰减抑制层的H含量浓度和O含量浓度保持恒定，所述第三效率衰减抑制层的H含量浓度为1017～1018cm-3，所述第三效率衰减抑制层的O含量浓度为1016～1017cm-3。
进一步地，所述第一n型半导体、第二n型半导体、量子阱和p型半导体均为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP和InGaP中的一种或多种组合。
本发明通过在第二n型半导体和量子阱之间，以及量子阱和p型半导体之间设置效率衰减抑制层，并控制效率衰减抑制层的C含量浓度向量子阱方向下降，从而降低俄歇复合效率和SRH非辐射复合效率，抑制大电流注入下的电子溢流，降低大电流和大偏压条件下的价带带阶，提升空穴注入效率，实现发光效率的提升。
附图说明
图1为本发明的氮化物半导体发光元件的结构示意图；
图2为本发明的氮化物半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图；
图3为本发明的氮化物半导体发光元件局部结构的SIMS二次离子质谱图；
其中，说明书附图的附图标记如下：
100、衬底，101、第一n型半导体，102、第二n型半导体，103、效率衰减抑制层，103a、第一效率衰减抑制层，103b、第二效率衰减抑制层，103c、第三效率衰减抑制层，103d、第四效率衰减抑制层，104、量子阱，105、p型半导体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，为本发明的氮化物半导体发光元件的结构示意图，该氮化物半导体发光元件包括由下至上依次层叠设置的衬底100、第一n型半导体101、第二n型半导体102、量子阱104、p型半导体105，还包括：效率衰减抑制层103；
所述效率衰减抑制层103设置在所述第二n型半导体102与所述量子阱104之间，以及所述量子阱104与p型半导体105之间；
所述效率衰减抑制层103的C含量浓度向所述量子阱104方向下降。
进一步地，所述效率衰减抑制层103包括：第一效率衰减抑制层103a；
所述第一效率衰减抑制层103a设置在所述第二n型半导体102和所述量子阱104之间；其中，所述第一效率衰减抑制层103a为InGaN和GaN中的一种或组合；所述第一效率衰减抑制层103a的厚度为5～100nm；所述第一效率衰减抑制层103a的C含量浓度向所述量子阱104方向按双台阶从5×1017～5×1018cm-3下降至1016～1017cm。
进一步地，所述第一效率衰减抑制层103a的C含量浓度向所述量子阱104方向按双台阶从5×1017～5×1018cm-3下降至1016～1017cm-3，包括：
所述第一效率衰减抑制层103a的C含量浓度向所述量子阱104方向按第一下降台阶从5×1017～5×1018cm-3下降至1017～5×1017cm-3，再按第二下降台阶从1017～5×1017cm-3下降至1016～1017cm；其中，所述第一下降台阶的下降角度为15～60°，所述第二下降台阶的下降角度为30～90°，所述第一下降台阶的下降角度≤所述第二下降台阶的下降角度。
进一步地，所述效率衰减抑制层103，还包括：第二效率衰减抑制层103b；
所述第二效率衰减抑制层103b设置在所述第一效率衰减抑制层103a和所述量子阱104之间；所述第二效率衰减抑制层103b的C含量浓度保持恒定，为1017～2×1018cm-3。
请参照图2，为本发明的氮化物半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图，第二效率衰减抑制层103b的Si掺杂浓度、H含量浓度和O含量浓度保持基本恒定；第二效率衰减抑制层103b的Si掺杂浓度为2×1017～5×1018cm-3；第二效率衰减抑制层103b的H含量浓度为1017～1018cm-3；第二效率衰减抑制层103b的O含量浓度为1016～1017cm-3。
进一步地，所述效率衰减抑制层103，还包括：第三效率衰减抑制层103c；
所述第三效率衰减抑制层103c设置在第二效率衰减抑制层103b和所述量子阱104之间；所述第三效率衰减抑制层103c的C含量浓度向所述量子阱104方向呈V形分布；其中，所述V形分布的下降角度为30～90°，所述V形分布的上升角度为15～60°，所述V形分布的下降角度≥所述V形分布的上升角度。
请参照图3，为本发明的氮化物半导体发光元件局部结构的SIMS二次离子质谱图，其中，α为第一下降台阶的下降角度，β为第二下降台阶的下降角度，γ为V形分布的下降角度，θ为V形分布的上升角度；所述V形分布的上升角度≤所述第一下降台阶的下降角度≤所述V形分布的下降角度≤所述第二下降台阶的下降角度。
进一步地，所述效率衰减抑制层103，还包括：第四效率衰减抑制层103d；
所述第四效率衰减抑制层103d设置在所述量子阱104和所述p型半导体105之间；其中，所述第四效率衰减抑制层103d为AlGaN、GaN、AlInGaN、AlInN、AlN和InGaN中的一种或多种组合；所述第四效率衰减抑制层103d的厚度为2～80nm；所述第四效率衰减抑制层103d的C含量浓度向所述量子阱104方向下降。
在本实施例中，第一、第二、第三、第四效率衰减抑制层103d共同组成效率衰减抑制层103；第四效率衰减抑制层103d的H含量浓度向所述量子阱104方向下降；第四效率衰减抑制层103d的H含量向量子阱104方向呈N形分布；第四效率衰减抑制层103d的Al组分呈M形分布；第四效率衰减抑制层103d的In组分呈倒V形分布；第四效率衰减抑制层103d的Si掺杂浓度呈V形分布。
进一步地，所述第一效率衰减抑制层103a的Si掺杂浓度满足二次项系数小于0的二次函数分布；所述第三效率衰减抑制层103c的Si掺杂浓度满足二次项系数小于0的二次函数分布；所述第四效率衰减抑制层103d的Mg掺杂浓度满足二次项系数小于0的二次函数分布。
进一步地，所述第一效率衰减抑制层103a的H含量浓度和O含量浓度保持恒定，所述第一效率衰减抑制层103a的H含量浓度为1017～1018cm-3，所述第一效率衰减抑制层103a的O含量浓度为1016～1017cm-3；所述第三效率衰减抑制层103c的H含量浓度和O含量浓度保持恒定，所述第三效率衰减抑制层103c的H含量浓度为1017～1018cm-3，所述第三效率衰减抑制层103c的O含量浓度为1016～1017cm-3。
进一步地，所述第一n型半导体101、第二n型半导体102、量子阱104和p型半导体105均为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP和InGaP中的一种或多种组合。
在本实施例中，衬底100为蓝宝石、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复合衬底中的一种。
本发明通过设计效率衰减抑制层的C含量浓度变化角度、Si掺杂浓度分布，以及Al组分、In组分分布等氮化物半导体发光元件的结构，可以阻挡载流子被缺陷俘获，降低俄歇复合效率和SRH等非辐射复合效率，抑制大电流注入下的电子溢流，降低大电流和大偏压条件下的价带带阶，提升空穴注入效率，从而使大电流条件下的效率衰减从40％下降至10％以内。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氮化物半导体发光元件，包括由下至上依次层叠设置的衬底、第一n型半导体、第二n型半导体、量子阱、p型半导体，其特征在于，还包括：效率衰减抑制层；
所述效率衰减抑制层设置在所述第二n型半导体与所述量子阱之间，以及所述量子阱与p型半导体之间；
所述效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向下降。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述效率衰减抑制层包括：第一效率衰减抑制层；
所述第一效率衰减抑制层设置在所述第二n型半导体和所述量子阱之间；其中，所述第一效率衰减抑制层为InGaN和GaN中的一种或组合；所述第一效率衰减抑制层的厚度为5～100nm；所述第一效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向按双台阶从5×1017～5×1018cm-3下降至1016～1017cm。
3.如权利要求2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述第一效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向按双台阶从5×1017～5×1018cm-3下降至1016～1017cm-3，包括：
所述第一效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向按第一下降台阶从5×1017～5×1018cm-3下降至1017～5×1017cm-3，再按第二下降台阶从1017～5×1017cm-3下降至1016～1017cm；其中，所述第一下降台阶的下降角度为15～60°，所述第二下降台阶的下降角度为30～90°，所述第一下降台阶的下降角度≤所述第二下降台阶的下降角度。
4.如权利要求3所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述效率衰减抑制层，还包括：第二效率衰减抑制层；
所述第二效率衰减抑制层设置在所述第一效率衰减抑制层和所述量子阱之间；所述第二效率衰减抑制层的C含量浓度保持恒定，为1017～2×1018cm-3。
5.如权利要求4所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述效率衰减抑制层，还包括：第三效率衰减抑制层；
所述第三效率衰减抑制层设置在第二效率衰减抑制层和所述量子阱之间；所述第三效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向呈V形分布；其中，所述V形分布的下降角度为30～90°，所述V形分布的上升角度为15～60°，所述V形分布的下降角度≥所述V形分布的上升角度。
6.如权利要求5所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述V形分布的上升角度≤所述第一下降台阶的下降角度≤所述V形分布的下降角度≤所述第二下降台阶的下降角度。
7.如权利要求5所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述效率衰减抑制层，还包括：第四效率衰减抑制层；
所述第四效率衰减抑制层设置在所述量子阱和所述p型半导体之间；其中，所述第四效率衰减抑制层为AlGaN、GaN、AlInGaN、AlInN、AlN和InGaN中的一种或多种组合；所述第四效率衰减抑制层的厚度为2～80nm；所述第四效率衰减抑制层的C含量浓度向所述量子阱方向下降。
8.如权利要求7所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述第一效率衰减抑制层的Si掺杂浓度满足二次项系数小于0的二次函数分布；所述第三效率衰减抑制层的Si掺杂浓度满足二次项系数小于0的二次函数分布；所述第四效率衰减抑制层的Mg掺杂浓度满足二次项系数小于0的二次函数分布。
9.如权利要求5-8任意一项所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述第一效率衰减抑制层的H含量浓度和O含量浓度保持恒定，所述第一效率衰减抑制层的H含量浓度为1017～1018cm-3，所述第一效率衰减抑制层的O含量浓度为1016～1017cm-3；所述第三效率衰减抑制层的H含量浓度和O含量浓度保持恒定，所述第三效率衰减抑制层的H含量浓度为1017～1018cm-3，所述第三效率衰减抑制层的O含量浓度为1016～1017cm-3。
10.如权利要求1-8任意一项所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述第一n型半导体、第二n型半导体、量子阱和p型半导体均为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP和InGaP中的一种或多种组合。
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