一种半导体发光元件及其制作方法与流程

本发明涉及发光二极管，更为具体地说，涉及一种半导体发光元件及其制作方法。

背景技术：

1、发光二极管(英文：light emitting diode，简称：led)是一种能发光的半导体电子元件。外延片是led制备过程中的初级成品。现有的led外延片包括衬底、n型半导体层、有源层和p型半导体层。衬底用于为外延材料提供生长表面，n型半导体层用于提供进行复合发光的电子，p型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，有源区用于进行电子和空穴的辐射复合发光。

2、iii-v族gan基材料由于其优异的物理和化学特性(禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和迁移率高等)，在电学、光学领域受到广泛的关注与应用，比如目前市场上流行的micro、min led等。实际led生长中绝大部分利用是ga极性面gan，晶体质量较好，化学性质稳定，但ga极性gan由于较强的极化效应，限制器件发光效率进一步提升。而氮极性gan，由于其削弱极化电场，增加辐射复合，减少效率骤降等优势，受到越来越多的关注，因此如何生长高质量的氮极性gan成为目前亟待解决的问题，本案由此产生。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种半导体发光元件及其制作方法，能够生长高质量的氮极性gan。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种半导体发光元件，其特征在于，包括衬底及设于衬底一侧表面的外延结构；

4、所述外延结构至少包括沿第一方向依次设置的n型半导体层、有源层和p型半导体层；其中，所述p型半导体层为呈氮极性的复合膜层，所述p型半导体层包括沿所述第一方向依次设置的第一膜层和第二膜层；对所述有源层背离所述n型半导体层的表面，进行表面氮化处理形成所述第一膜层；所述第二膜层包括至少一个第二子膜层，各所述第二子膜层包括沿所述第一方向依次设置的gan层和ingan层，所述gan层采用3d生长模式生长，所述ingan层采用2d生长模式生长；所述第一方向垂直于所述衬底且由所述衬底指向所述n型半导体层。

5、进一步地，各所述第二子膜层中，生长所述gan层的v/iii比为a，生长所述ingan层的v/iii比为b，a＞b以使得所述gan层呈3d生长模式生长，所述ingan层呈2d生长模式生长。

6、进一步地，在各所述第二子膜层中，通过保持反应室中n源流量恒定，改变ga源流量的方式改变生长gan层和ingan层的v/iii比，1000≤a≤3000，300≤b≤500，并且2≤a/b≤10。

7、进一步地，各所述第二子膜层中，所述gan层中掺入mg形成低阻层；低v/iii比生长的所述ingan层，使得所述ingan层的c杂质增加形成高阻层。

8、进一步地，各所述第二子膜层在所述gan层和所述ingan层之间采用in作为表面活性剂，以衔接生长模式从3d生长模式转换至2d生长模式。

9、进一步地，各所述第二子膜层还包括位于所述ingan层背离所述gan层一侧表面上的混合极性层，所述混合极性层通过反向晶界，促使极性反转为氮极性，以维持所述p型半导体层的氮极性。

10、进一步地，所述混合极性层包括mg3n2。

11、进一步地，所述外延结构还包括位于所述p型半导体层背离所述有源层一侧的p型接触层；

12、所述p型半导体层还包括位于所述第二膜层背离所述第一膜层一侧的衔接层；所述衔接层为呈3d生长模式生长的gan，使得所述衔接层背离所述衬底的表面粗糙。

13、本发明还提供一种半导体发光元件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

14、提供一衬底；

15、在所述衬底一侧的表面生长外延结构；所述外延结构至少包括沿第一方向依次生长n型半导体层、有源层和p型半导体层；其中，所述p型半导体层为呈氮极性的复合膜层，生长所述p型半导体层包括沿所述第一方向依次生长第一膜层和第二膜层；对所述有源层背离所述n型半导体层的表面，进行表面氮化处理形成所述第一膜层；所述第二膜层包括至少一个第二子膜层，所述第二子膜层包括沿所述第一方向依次设置的gan层和ingan层，所述gan层采用3d生长模式生长，所述ingan层采用2d生长模式生长；所述第一方向垂直于所述衬底且由所述衬底指向所述n型半导体层。

16、进一步地，各所述第二子膜层中，生长所述gan层的v/iii比为a，生长所述ingan层的v/iii比为b，a＞b以使得所述gan层呈3d生长模式生长，所述ingan层呈2d生长模式生长；具体在生长各所述第二子膜层时，通过保持反应室中n源流量恒定，改变ga源流量的方式改变生长gan层和ingan层的v/iii比，1000≤a≤3000，300≤b≤500，并且2≤a/b≤10；生长各所述第二子膜层时，所述gan层掺入mg形成低阻层；低v/iii比生长的所述ingan层，使得所述ingan层的c杂质增加形成高阻层。

17、进一步地，在生长各所述第二子膜层时，在生长所述gan层之后和生长所述ingan层之前预通in源，in作为表面活性剂，以衔接生长模式从3d模式转换至2d模式。

18、进一步地，在生长各所述第二子膜层时，还在所述ingan层背离所述gan层一侧表面上生长混合极性层，所述混合极性层通过反向晶界，促使极性反转为氮极性，以维持所述p型半导体层的氮极性；

19、所述混合极性层包括mg3n2。

20、进一步地，所述外延结构还包括位于所述p型半导体层背离所述有源层一侧的p型接触层；

21、生长所述p型半导体层还包括生长位于所述第二膜层背离所述第一膜层一侧的衔接层；所述衔接层为呈3d生长模式生长的gan，使得所述衔接层背离所述衬底的表面粗糙。

22、相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

23、本发明提供的一种半导体发光元件，包括衬底及设于衬底一侧表面的外延结构；所述外延结构至少包括沿第一方向依次设置的n型半导体层、有源层和p型半导体层；其中，所述p型半导体层为呈氮极性的复合膜层，所述p型半导体层包括沿所述第一方向依次设置的第一膜层和第二膜层；对所述有源层背离所述n型半导体层的表面，进行表面氮化处理形成所述第一膜层；所述第二膜层包括至少一个第二子膜层，各所述第二子膜层包括沿所述第一方向依次设置的gan层和ingan层，所述gan层采用3d生长模式生长，所述ingan层采用2d生长模式生长；所述第一方向垂直于所述衬底且由所述衬底指向所述n型半导体层。

24、表面氮化使得在有源层背离n型半导体层的表面形成反向晶界，促使有源层背离n型半导体层的表面以氮原子终止形成第一膜层，使得p型半导体层呈氮极性，并且在各第二子膜层中gan层采用3d生长模式生长，ingan层采用2d生长模式生长，能够湮灭位错，提高长晶质量，以生长高质量的氮极性gan。

25、此外，氮极性gan极化电场与有源层的极化电场方向相反，能够减少与有源层中最后一层量子垒衔接处的能带弯曲，从而降低价带势垒，有利于空穴传输；第二膜层包括至少一个第二子膜层，其中第二子膜层中gan层和ingan层交替设置，利用带隙差异，形成高低势垒交替，阻挡电子，防止电子从p型半导体层溢流；由于促进了空穴传输和阻挡电子溢流，增加空穴和电子的辐射复合进而提高半导体发光元件的发光效率。

26、进一步地，在各所述第二子膜层中，通过保持反应室中n源流量恒定，改变ga源流量的方式改变生长gan层和ingan层的v/iii比，1000≤a≤3000，300≤b≤500，并且2≤a/b≤10；通过调控ga流量营造高低v/iiii比交替生长，有利于生长模式从3d模式转换至2d模式，湮灭位错，提高长晶质量，以生长高质量的氮极性gan。

27、进一步地，由于各第二子膜层中，gan层初始高v/iii比，且呈3d生长模式生长，表面粗糙，位错较多，形成深受主态，补充氮极性gan中高氧背景杂质浓度，同时在gan层中掺入mg，形成低阻层；低v/iii比生长的所述ingan层，使得所述ingan层的c杂质增加形成高阻层，因此在各第二子膜层中低阻层和高阻层交替设置，增加半导体发光元件的电流扩展能力和抗静电能力。

28、进一步地，各所述第二子膜层在所述gan层和所述ingan层之间采用in作为表面活性剂，以衔接生长模式从3d模式转换至2d模式，有利于晶体质量提升。

29、进一步地，各第二子膜层中还包括位于所述ingan层背离所述gan层一侧表面上的混合极性层，所述混合极性层通过反向晶界，促使极性反转为氮极性，以维持所述p型半导体层的氮极性，确保氮极性的稳定性。其中，混合极性层包括mg3n2。本技术的p型半导体层中mg既衔接了低阻层和高阻层，又用于维持了氮极性的稳定性。

30、进一步地，所述外延结构还包括位于所述p型半导体层背离所述有源层一侧的p型接触层；所述氮极性复合膜层还包括位于所述第二膜层背离所述第一膜层一侧的衔接层；所述衔接层为呈3d生长模式生长的gan，使得衔接层背离衬底的表面粗糙，增加表面粗化程度，提高光提取效率；且衔接层衔接p型接触层。

31、进一步地，本发明提供的一种半导体发光元件的制备方法，用于制作上述任一项所述的半导体发光元件，具备上述任一项所述的有益效果。