一种半导体发光元件的制作方法

1.本技术涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种半导体发光元件。


背景技术：

2.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、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。
3.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层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层中，空穴注入多量子阱层的效率低，导致多量子阱层的发光效率低；氮化物半导体结构具有非中心对称性，沿c轴方向会产生较强的自发极化，叠加晶格失配的压电极化效应，形成本征极化场；该本征极化场沿(001)方向，使多量子阱层产生较强的量子限制stark效应，引起能带倾斜和电子空穴波函数空间分离，降低电子空穴的辐射复合效率。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种半导体发光元件。
5.本发明实施例提供了一种半导体发光元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体、量子阱层和p型半导体，所述半导体发光元件还包括载流子扩展层，所述载流子扩展层包括电子扩展层和空穴扩展层，所述电子扩展层设置在所述n型半导体和量子阱层之间，所述空穴扩展层设置在所述量子阱层和p型半导体之间。
6.优选地，所述电子扩展层包括从下至上依次设置的第一子电子扩展层、第二子电子扩展层、第三子电子扩展层和第四子电子扩展层，所述第一子电子扩展层、第二子电子扩展层和第三子电子扩展层均为gan，所述第四子电子扩展层为ingan和gan组成的超晶格，所述超晶格周期数为p:30≥p≥1。
7.优选地，所述第一子电子扩展层厚度e≥第三子电子扩展层厚度g≥第二子电子扩展层厚度f≥第四子电子扩展层厚度h，所述第一子电子扩展层厚度e:20000埃米≥e≥100埃米，所述第二子电子扩展层厚度f:5000埃米≥f≥20埃米，所述第三子电子扩展层厚度g:9000埃米≥g≥50埃米，所述第四子电子扩展层厚度g:9000埃米≥g≥50埃米。
8.优选地，所述第一子电子扩展层的si元素分布为u型曲线，所述第二子电子扩展层的si元素分布为倒u型曲线，所述第三子电子扩展层的si元素分布为直线，所述第四子电子扩展层的si元素分布为倒u型曲线；
9.所述第一子电子扩展层的si元素峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为x：90
°
≥x≥45
°
，所述第二子电子扩展层的si元素峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为y：85
°
≥y≥40
°
，所述第四子电子扩展层的si元素峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为z：85
°
≥z≥40
°
。
10.优选地，所述第一子电子扩展层的si/h元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为δ：90
°
≥δ≥45
°
；所述第二子电子扩展层的si/h元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为α：85
°
≥α≥40
°
；所述第四子电子扩展层的si/h元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为γ：85
°
≥γ≥40
°
。
11.优选地，所述空穴扩展层为ingan、gan、algan、alingan、alinn、aln的任意一种或任意组合，厚度为j:1000埃米≥j≥5埃米。
12.优选地，所述空穴扩展层的mg元素分布为倒u型曲线，al元素分布为v型曲线，in元素分布为倒v型曲线。
13.优选地，所述空穴扩展层的al/o元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为θ：80
°
≥θ≥35
°
；所述空穴扩展层的mg/o元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为β：90
°
≥β≥45
°
；所述空穴扩展层的in/o元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为φ：85
°
≥φ≥40
°
。
14.优选地，第一子电子扩展层的si/h元素比例下降角度δ≥空穴扩展层的mg/o元素比例下降角度β≥空穴扩展层的in/o元素比例下降角度φ≥第二子电子扩展层的si/h元素比例下降角度α≥第四子电子扩展层的si/h元素比例下降角度γ≥空穴扩展层的al/o元素比例下降角度θ。
15.优选地，所述量子阱层包括第一子量子阱层和第二子量子阱层；所述第一子量子阱层为阱层和垒层的周期结构，周期数为m:15≥m≥3；所述第一子量子阱层的阱层为ingan，第一子量子阱层的阱层厚度为a:50≥a≥10埃米；所述第一子量子阱层的垒层为ingan、gan、algan、alingan、alinn、aln的任意一种或任意组合，第一子量子阱层的垒层厚度b:200≥b≥50埃米；
16.所述第二子量子阱层为阱层和垒层的周期结构，周期数为n:20≥n≥5；所述第二子量子阱层的阱层为ingan，所述第二子量子阱层的阱层厚度为c:50≥c≥20埃米；所述第二子量子阱层的垒层为ingan、gan、algan、alingan、alinn、aln的任意一种或任意组合，所述第二子量子阱层的垒层厚度d:200≥d≥50埃米；
17.第二子量子阱层的周期数n≥第一子量子阱层的周期数m；
18.第二子量子阱层的垒层厚度d≥第一子量子阱层的垒层厚度b≥第二子量子阱层的阱层厚度c≥第一子量子阱层的阱层厚度a。
19.本发明的有益效果如下：本发明通过在传统半导体发光元件的基础上设计载流子扩展层，并将量子阱层设置在载流子扩展层的电子扩展层和空穴扩展层之间，从而使得电子扩展层与量子阱层之间形成二维、三维复合电子气，空穴扩展层与量子阱层之间形成二维、三维复合空穴气，以提升电子和空穴的横向扩展和纵向扩展，降低导电电阻和电压，电压从3.05v下降至2.9v以下，同时，提升抗esd能力，8kvesd通过率从60％以下提升至90％以上。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
21.图1为本发明实施例所述的半导体发光元件的结构示意图；
22.图2为本发明实施例所述的半导体发光元件的sims二次离子质谱图；
23.图3为本发明实施例所述的半导体发光元件的局部sims二次离子质谱图；
24.图4为本发明实施例所述的半导体发光元件的第一子量子阱层透射电镜tem图；
25.图5为本发明实施例所述的半导体发光元件的第二子量子阱层透射电镜tem图。
26.附图标记：
27.100、衬底，101、n型半导体，102、载流子扩展层，103、量子阱层，104、p型半导体；
28.102a、第一子电子扩展层，102b、第二子电子扩展层，102c、第三子电子扩展层，102d、第四子电子扩展层，102e、空穴扩展层；
29.103a、第一子量子阱层，103b、第二子量子阱层。
具体实施方式
30.为了使本技术实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本技术的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.如图1至图5所示，本实施例提出一种半导体发光元件，包括从下至上依次设置的衬底100、n型半导体101、量子阱层103和p型半导体104。在量子阱层103的底部和顶部分别设置有电子扩展层和空穴扩展层102e，该电子扩展层和空穴扩展层102e组成载流子扩展层102。
32.具体的，本实施例中，在传统的半导体发光元件中设置载流子扩展层102。该载流子扩展层102由电子扩展层和空穴扩展层102e组成。其中，电子扩展层设置在n型半导体101和量子阱层103之间，空穴扩展层102e设置在量子阱层103和p型半导体104之间。通过在量子阱层103上下两侧分别设置电子扩展层和空穴扩展层102e，可以使电子扩展层与量子阱层103之间形成二维复合电子气和三维复合电子气，空穴扩展层102e与量子阱层103之间形成二维复合空穴气和三维复合空穴气。在复合电子气和复合空穴气的作用下，可以提升电子和空穴的横向扩展和纵向扩展，降低导电电阻和电压，同时提升抗esd能力。
33.更具体的，本实施例的电子扩展层包括从下至上依次设置的第一子电子扩展层102a、第二子电子扩展层102b、第三子电子扩展层102c和第四子电子扩展层102d。其中，第一子电子扩展层102a、第二子电子扩展层102b和第三子电子扩展层102c均为gan。第四子电子扩展层102d为ingan和gan组成的超晶格，且该超晶格周期数为p:30≥p≥1。该第一子电子扩展层102a、第二子电子扩展层102b、第三子电子扩展层102c和第四子电子扩展层102d的厚度具有如下关系：第一子电子扩展层102a厚度e≥第三子电子扩展层102c厚度g≥第二子电子扩展层102b厚度f≥第四子电子扩展层102d厚度h。其中，第一子电子扩展层102a厚度e:20000埃米≥e≥100埃米，第二子电子扩展层102b厚度f:5000埃米≥f≥20埃米，第三子电子扩展层102c厚度g:9000埃米≥g≥50埃米，第四子电子扩展层102d厚度g:9000埃米
≥g≥50埃米。
34.本实施例中，电子扩展层具有一定的si元素分布曲线，具体为：第一子电子扩展层102a的si元素分布为u型曲线，第二子电子扩展层102b的si元素分布为倒u型曲线，第三子电子扩展层102c的si元素分布为直线，第四子电子扩展层102d的si元素分布为倒u型曲线。如图2和图3所示，第一子电子扩展层102a的si元素峰值位置向量子阱层103方向呈下降趋势，所述第二子电子扩展层102b的si元素峰值位置向量子阱层103方向呈下降趋势，所述第四子电子扩展层102d的si元素峰值位置向量子阱层103方向呈下降趋势。其中，第一子电子扩展层102a的si元素下降角度x：90
°
≥x≥45
°
，第二子电子扩展层102b的si元素下降角度y：85
°
≥y≥40
°
，第四子电子扩展层102d的si元素下降角度z：85
°
≥z≥40
°
。
35.此外，该电子扩展层的si/h元素比例同样具有一定的曲线趋势。具体的，第一子电子扩展层102a的si/h元素比例峰值位置向量子阱层103方向呈下降趋势，第二子电子扩展层102b的si/h元素比例峰值位置向量子阱层103方向呈下降趋势，第四子电子扩展层102d的si/h元素比例峰值位置向量子阱层103方向呈下降趋势。其中，第一子电子扩展层102a的si/h元素比例下降角度δ：90
°
≥δ≥45
°
，第二子电子扩展层102b的si/h元素比例下降角度α：85
°
≥α≥40
°
，第四子电子扩展层102d的si/h元素比例下降角度γ：85
°
≥γ≥40
°
。
36.本实施例中，空穴扩展层102e为ingan、gan、algan、alingan、alinn、aln的任意一种或任意组合，厚度为j:1000埃米≥j≥5埃米。
37.该空穴扩展层102e与量子阱层103之间形成二维复合空穴气和三维复合空穴气。在该空穴扩展层102e中具有一定的mg元素分布、al元素分布以及in元素分布，具体的，如图2和图3所示，该空穴扩展层102e的mg元素分布为倒u型曲线，al元素分布为v型曲线，in元素分布为倒v型曲线。
38.与此同时，空穴扩展层102e的al/o元素比例、mg/o元素比例以及in/o元素比例均具有一定的曲线趋势。具体的，空穴扩展层102e的al/o元素比例峰值位置向量子阱层103方向呈下降趋势，空穴扩展层102e的mg/o元素比例峰值位置向量子阱层103方向呈下降趋势，空穴扩展层102e的in/o元素比例峰值位置向量子阱层103方向呈下降趋势。其中，空穴扩展层102e的al/o元素比例下降角度θ：80
°
≥θ≥35
°
，空穴扩展层102e的mg/o元素比例下降角度β：90
°
≥β≥45
°
，空穴扩展层102e的in/o元素比例下降角度φ：85
°
≥φ≥40
°
。
39.此外，为了保证电子扩展层和空穴扩展层102e与量子阱层103之间形成更为稳定且良好的二维、三维复合电子气以及二维、三维复合空穴气，本实施例中载流子扩展层102的si/h元素比例、al/o元素比例、mg/o元素比例、in/o元素比例的变化角度具有如下关系：第一子电子扩展层102a的si/h元素比例下降角度δ≥空穴扩展层102e的mg/o元素比例下降角度β≥空穴扩展层102e的in/o元素比例下降角度φ≥第二子电子扩展层102b的si/h元素比例下降角度α≥第四子电子扩展层102d的si/h元素比例下降角度γ≥空穴扩展层102e的al/o元素比例下降角度θ。
40.进一步的，本实施例中，量子阱层103包括第一子量子阱层103a和第二子量子阱层103b。如图4和图5所示，该第一子量子阱层103a和第二子量子阱层103b均为由阱层和垒层组成的周期结构。其中，第一子量子阱层103a的周期数为m:15≥m≥3，第一子量子阱层103a的阱层为ingan，第一子量子阱层103a的阱层厚度为a:50≥a≥10埃米，第一子量子阱层103a的垒层为ingan、gan、algan、alingan、alinn、aln的任意一种或任意组合，第一子量子
阱层103a的垒层厚度b:200≥b≥50埃米；第二子量子阱层103b的周期数为n:20≥n≥5，第二子量子阱层103b的阱层为ingan，第二子量子阱层103b的阱层厚度为c:50≥c≥20埃米，第二子量子阱层103b的垒层为ingan、gan、algan、alingan、alinn、aln的任意一种或任意组合，第二子量子阱层103b的垒层厚度d:200≥d≥50埃米。
41.该第一子量子阱层103a和第二子量子阱层103b的阱层厚度、垒层厚度和周期数具有如下关系：
42.第二子量子阱层103b的周期数n≥第一子量子阱层103a的周期数m；
43.第二子量子阱层103b的垒层厚度d≥第一子量子阱层103a的垒层厚度b≥第二子量子阱层103b的阱层厚度c≥第一子量子阱层103a的阱层厚度a。
44.进一步的，n型半导体101和p型半导体104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。
45.衬底100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/sin
x
、镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2复合衬底的任意一种。
46.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种半导体发光元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体、量子阱层和p型半导体，其特征在于，所述半导体发光元件还包括载流子扩展层，所述载流子扩展层包括电子扩展层和空穴扩展层，所述电子扩展层设置在所述n型半导体和量子阱层之间，所述空穴扩展层设置在所述量子阱层和p型半导体之间。2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述电子扩展层包括从下至上依次设置的第一子电子扩展层、第二子电子扩展层、第三子电子扩展层和第四子电子扩展层，所述第一子电子扩展层、第二子电子扩展层和第三子电子扩展层均为gan，所述第四子电子扩展层为ingan和gan组成的超晶格，所述超晶格周期数为p:30≥p≥1。3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第一子电子扩展层厚度e≥第三子电子扩展层厚度g≥第二子电子扩展层厚度f≥第四子电子扩展层厚度h，所述第一子电子扩展层厚度e:20000埃米≥e≥100埃米，所述第二子电子扩展层厚度f:5000埃米≥f≥20埃米，所述第三子电子扩展层厚度g:9000埃米≥g≥50埃米，所述第四子电子扩展层厚度g:9000埃米≥g≥50埃米。4.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第一子电子扩展层的si元素分布为u型曲线，所述第二子电子扩展层的si元素分布为倒u型曲线，所述第三子电子扩展层的si元素分布为直线，所述第四子电子扩展层的si元素分布为倒u型曲线；所述第一子电子扩展层的si元素峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为x：90
°
≥x≥45
°
，所述第二子电子扩展层的si元素峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为y：85
°
≥y≥40
°
，所述第四子电子扩展层的si元素峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为z：85
°
≥z≥40
°
。5.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第一子电子扩展层的si/h元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为δ：90
°
≥δ≥45
°
；所述第二子电子扩展层的si/h元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为α：85
°
≥α≥40
°
；所述第四子电子扩展层的si/h元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为γ：85
°
≥γ≥40
°
。6.根据权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于，所述空穴扩展层为ingan、gan、algan、alingan、alinn、aln的任意一种或任意组合，厚度为j:1000埃米≥j≥5埃米。7.根据权利要求6所述的半导体发光元件，其特征在于，所述空穴扩展层的mg元素分布为倒u型曲线，al元素分布为v型曲线，in元素分布为倒v型曲线。8.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，所述空穴扩展层的al/o元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为θ：80
°
≥θ≥35
°
；所述空穴扩展层的mg/o元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为β：90
°
≥β≥45
°
；所述空穴扩展层的in/o元素比例峰值位置向量子阱层方向呈下降趋势，下降角度为φ：85
°
≥φ≥40
°
。9.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于，第一子电子扩展层的si/h元素比例下降角度δ≥空穴扩展层的mg/o元素比例下降角度β≥空穴扩展层的in/o元素比例下降角度φ≥第二子电子扩展层的si/h元素比例下降角度α≥第四子电子扩展层的si/h元素比例下降角度γ≥空穴扩展层的al/o元素比例下降角度θ。10.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于，所述量子阱层包括第一子量
子阱层和第二子量子阱层；所述第一子量子阱层为阱层和垒层的周期结构，周期数为m:15≥m≥3；所述第一子量子阱层的阱层为ingan，第一子量子阱层的阱层厚度为a:50≥a≥10埃米；所述第一子量子阱层的垒层为ingan、gan、algan、alingan、alinn、aln的任意一种或任意组合，第一子量子阱层的垒层厚度b:200≥b≥50埃米；所述第二子量子阱层为阱层和垒层的周期结构，周期数为n:20≥n≥5；所述第二子量子阱层的阱层为ingan，所述第二子量子阱层的阱层厚度为c:50≥c≥20埃米；所述第二子量子阱层的垒层为ingan、gan、algan、alingan、alinn、aln的任意一种或任意组合，所述第二子量子阱层的垒层厚度d:200≥d≥50埃米；第二子量子阱层的周期数n≥第一子量子阱层的周期数m；第二子量子阱层的垒层厚度d≥第一子量子阱层的垒层厚度b≥第二子量子阱层的阱层厚度c≥第一子量子阱层的阱层厚度a。

技术总结
本发明提出了一种半导体发光元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体、量子阱层和p型半导体，所述半导体发光元件还包括载流子扩展层，所述载流子扩展层包括电子扩展层和空穴扩展层，所述电子扩展层设置在所述n型半导体和量子阱层之间，所述空穴扩展层设置在所述量子阱层和p型半导体之间，以提升电子和空穴的横向扩展和纵向扩展，降低导电电阻和电压，电压从3.05V下降至2.9V以下，同时，提升抗ESD能力，8KVESD通过率从60％以下提升至90％以上。上。上。


技术研发人员：李水清 王星河 蔡鑫 张江勇 陈婉君 请求不公布姓名
受保护的技术使用者：安徽格恩半导体有限公司
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/13