一种GaN基半导体发光元件

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种GaN基半导体发光元件。

背景技术

半导体元件特别是GaN基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，产生非辐射复合中心，降低GaN基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2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GaN基半导体发光元件，以解决现有GaN基半导体发光元件发光效率不足的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种GaN基半导体发光元件，包括由下至上依次层叠设置的衬底、n型半导体层、量子阱、p型半导体层，还包括：电子阻挡层；

所述电子阻挡层设置在所述量子阱和所述p型半导体层之间；所述电子阻挡层为GaN、InGaN、AlInGaN、AlInN、InGaN和AlN中的一种或多种组合；所述电子阻挡层的Al组分按三次函数分布；所述电子阻挡层的In组分按三次函数分布。

进一步地，所述Al组分的分布的表达式为：Y1＝aX

其中，Y1为所述Al组分，a为三次项系数，b为二次项系数，c为一次项系数，d为零次项系数，Y1的判别式＝4(b

所述In组分的分布的表达式为：Y2＝eX

其中，Y2为所述In组分，e为三次项系数，f为二次项系数，g为一次项系数，h为零次项系数，Y2的判别式＝4(f

进一步地，所述Al组分从所述Al组分的峰值位置向所述量子阱方向下降，所述Al组分的下降角度为15～70°；所述In组分从所述In组分的峰值位置向所述量子阱方向下降，所述In组分的下降角度为30～90°。

进一步地，所述电子阻挡层的Mg掺杂浓度呈二次项系数小于0的二次函数分布；所述电子阻挡层的Si掺杂浓度呈W形分布；所述电子阻挡层的H含量浓度呈双折点非线性的折线函数分布；所述电子阻挡层的C含量浓度呈双折点非线性的折线函数分布；所述电子阻挡层的O含量浓度呈一次函数分布。

进一步地，所述Mg掺杂浓度向所述量子阱方向下降，所述Mg掺杂浓度的下降角度为30～90°；所述H含量浓度向所述量子阱方向下降，所述H含量浓度的下降角度为10～60°；所述C含量浓度从所述C含量浓度的峰值位置向所述量子阱方向下降，所述C含量浓度的下降角度为5～60°；所述O含量浓度从所述O含量浓度的峰值位置向所述量子阱方向下降，所述O含量浓度的下降角度为5～60°；所述Si掺杂浓度从所述Si掺杂浓度的峰值位置向所述量子阱方向下降，所述Si掺杂浓度的下降角度为25～85°。

进一步地，所述O含量浓度的下降角度≤所述C含量浓度的下降角度≤所述H含量浓度的下降角度≤所述Al组分的下降角度≤所述Si掺杂浓度的下降角度≤所述In组分的下降角度≤所述Mg掺杂浓度的下降角度。

进一步地，所述Mg掺杂浓度向所述量子阱方向从10

进一步地，所述量子阱具有阱层和垒层组成的周期结构。

进一步地，所述量子阱的周期数为3～20；其中，所述量子阱的阱层为InGaN和GaN中的一种或组合；所述量子阱的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN和AlN中的一种或多种组合；所述量子阱的阱层的厚度为2～6nm；所述量子阱的垒层为厚垒结构，所述量子阱的垒层的厚度为2～15nm。

进一步地，所述n型半导体层和所述p型半导体层均为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN和AlInN中的一种或多种组合。

本发明通过在量子阱和p型半导体层设置电子阻挡层，并涉及电子阻挡层的Al组分和In组分呈三次函数分布，从而在提升空穴注入效率的同时，保持高的电子阻挡效率，降低电子溢流效率，降低因电子溢流和空穴注入不足导致的效率下降，从而提升内量子效率，实现发光效率的提升。

附图说明

图1为本发明的GaN基半导体发光元件的结构示意图；

图2为本发明的GaN基半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图；

图3为本发明的GaN基半导体发光元件局部结构的SIMS二次离子质谱图；

图4为本发明的GaN基半导体发光元件的量子阱的透射电镜TEM图；

其中，说明书附图的附图标记如下：

100、衬底，101、n型半导体层，102、量子阱层，103、电子阻挡层，104、p型半导体层。

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，为本发明实施例提供的一种为本发明的GaN基半导体发光元件的结构示意图，该元件包括由下至上依次层叠设置的衬底100、n型半导体层101、量子阱102、p型半导体层104，还包括：电子阻挡层103；

所述电子阻挡层103设置在所述量子阱102和所述p型半导体层104之间；所述电子阻挡层103为GaN、InGaN、AlInGaN、AlInN、InGaN和AlN中的一种或多种组合；所述电子阻挡层103的Al组分按三次函数分布；所述电子阻挡层103的In组分按三次函数分布。

在本实施例中，所述电子阻挡层103的厚度为1～100nm。

本发明通过设计空穴注入与电子阻挡层的特定设计的Al组分分布、In组分分布以提升量子阱的内量子效率。

请参照图2，为本发明的GaN基半导体发光元件的SIMS二次离子质谱图，所述Al组分的分布的表达式为：Y1＝aX

其中，Y1为所述Al组分，a为三次项系数，b为二次项系数，c为一次项系数，d为零次项系数，Y1的判别式＝4(b

所述In组分的分布的表达式为：Y2＝eX

其中，Y2为所述In组分，e为三次项系数，f为二次项系数，g为一次项系数，h为零次项系数，Y2的判别式＝4(f

进一步地，所述Al组分从所述Al组分的峰值位置向所述量子阱102方向下降，所述Al组分的下降角度为15～70°；所述In组分从所述In组分的峰值位置向所述量子阱102方向下降，所述In组分的下降角度为30～90°。

进一步地，所述电子阻挡层103的Mg掺杂浓度呈二次项系数小于0的二次函数分布；所述电子阻挡层103的Si掺杂浓度呈W形分布；所述电子阻挡层103的H含量浓度呈双折点非线性的折线函数分布；所述电子阻挡层103的C含量浓度呈双折点非线性的折线函数分布；所述电子阻挡层103的O含量浓度呈一次函数分布。

进一步地，所述Mg掺杂浓度向所述量子阱102方向下降，所述Mg掺杂浓度的下降角度为30～90°；所述H含量浓度向所述量子阱102方向下降，所述H含量浓度的下降角度为10～60°；所述C含量浓度从所述C含量浓度的峰值位置向所述量子阱102方向下降，所述C含量浓度的下降角度为5～60°；所述O含量浓度从所述O含量浓度的峰值位置向所述量子阱102方向下降，所述O含量浓度的下降角度为5～60°；所述Si掺杂浓度从所述Si掺杂浓度的峰值位置向所述量子阱102方向下降，所述Si掺杂浓度的下降角度为25～85°。

请参照图3，为本发明的GaN基半导体发光元件局部结构的SIMS二次离子质谱图，所述O含量浓度的下降角度≤所述C含量浓度的下降角度≤所述H含量浓度的下降角度≤所述Al组分的下降角度≤所述Si掺杂浓度的下降角度≤所述In组分的下降角度≤所述Mg掺杂浓度的下降角度。

进一步地，所述Mg掺杂浓度向所述量子阱102方向从10

本发明还通过设计Mg掺杂浓度变化角度、H含量变化角度、Si掺杂浓度变化角度、C含量浓度和O含量变化角度及其关系进一步提升空穴注入效率并阻挡电子溢流，从而进一步减小因电子溢流和空穴注入不足导致的发光效率下降的问题。

请参照图4，为本发明的GaN基半导体发光元件的量子阱的透射电镜TEM图，所述量子阱102具有阱层和垒层组成的周期结构。

进一步地，所述量子阱102的周期数为3～20；其中，所述量子阱102的阱层为InGaN和GaN中的一种或组合；所述量子阱102的垒层为InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、AlInN和AlN中的一种或多种组合；所述量子阱102的阱层的厚度为2～6nm；所述量子阱102的垒层为厚垒结构，所述量子阱102的垒层的厚度为2～15nm。

本发明通过电子阻挡层的特定设计的Al组分分布、In组分分布、Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布、C含量浓度分布、H含量浓度分布和O含量浓度分布，搭配量子阱的厚垒结构，达到最优量子阱的内量子效率。

进一步地，所述n型半导体层101和所述p型半导体层104均为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN和AlInN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复合衬底中的任意一种。

本发明通过在量子阱和p型半导体层设置电子阻挡层，并涉及电子阻挡层的Al组分和In组分呈三次函数分布，从而在提升空穴注入效率的同时，保持高的电子阻挡效率，降低电子溢流效率，降低因电子溢流和空穴注入不足导致的效率下降，从而提升内量子效率，实现发光效率的提升。

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。