具有载流子浓度匹配层的III族氮化物半导体发光元件的制作方法

本技术涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种具有载流子浓度匹配层的iii族氮化物半导体发光元件。

背景技术：

1、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。

2、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，过量的电子会从多有源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有源层中，空穴注入多有源层的效率低，导致多有源层的发光效率低；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，使多有源层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；半导体发光元件的折射率、介电常数等参数大于空气，导致有源层发出的光出射时的全反射角偏小，光提取效率偏低。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种具有载流子浓度匹配层的iii族氮化物半导体发光元件。

2、本发明实施例提供了一种具有载流子浓度匹配层的iii族氮化物半导体发光元件，包括从下至上依次设置的衬底、n型半导体、有源层和p型半导体，所述n型半导体和有源层之间设置有载流子浓度匹配层，所述载流子浓度匹配层包括第一子载流子浓度匹配层和第二子载流子浓度匹配层，所述第一子载流子浓度匹配层位于第二子载流子浓度匹配层下方，所述第一子载流子浓度匹配层和第二子载流子浓度匹配层均具有价带有效态密度特性、形变势特性、体积弹性模量特性和光子能量吸收系数特性，且所述第一子载流子浓度匹配层与有源层之间、第二子载流子浓度匹配层与有源层之间、第二子载流子浓度匹配层与n型半导体之间均存在价带有效态密度、形变势、体积弹性模量和光子能量吸收系数的角度变化。

3、优选地，所述第一子载流子浓度匹配层的价带有效态密度的谷值位置往有源层方向的上升角度为α，所述第二子载流子浓度匹配层的价带有效态密度的峰值位置往有源层方向的下降角度为β，所述第二子载流子浓度匹配层的价带有效态密度的峰值位置往n型半导体方向的下降角度为γ，其中：3°≤α≤β≤γ≤90°。

4、优选地，所述第一子载流子浓度匹配层的形变势的峰值位置往有源层方向的下降角度为θ，所述第二子载流子浓度匹配层的形变势的谷值位置往有源层方向的上升角度为δ，所述第二子载流子浓度匹配层的形变势的谷值位置往n型半导体方向的上升角度为σ，其中：5°≤θ≤δ≤σ≤90°。

5、优选地，所述第一子载流子浓度匹配层的体积弹性模量的峰值位置往有源层方向的下降角度为所述第二子载流子浓度匹配层的体积弹性模量的谷值位置往有源层方向的上升角度为ψ，所述第二子载流子浓度匹配层的体积弹性模量的谷值位置往n型半导体方向的上升角度为μ，其中：

6、优选地，所述第一子载流子浓度匹配层的光子能量吸收系数的峰值位置往有源层方向的下降角度为ρ，所述第二子载流子浓度匹配层的光子能量吸收系数的谷值位置往有源层方向的上升角度为ω，所述第二子载流子浓度匹配层的光子能量吸收系数的谷值位置往n型半导体方向的上升角度为ε，其中：1°≤ρ≤ω≤ε≤90°。

7、优选地，所述第一子载流子浓度匹配层的价带有效态密度的谷值位置往有源层方向的上升角度α、所述第一子载流子浓度匹配层的形变势的峰值位置往有源层方向的下降角度θ、所述第一子载流子浓度匹配层的体积弹性模量的峰值位置往有源层方向的下降角度以及所述第一子载流子浓度匹配层的光子能量吸收系数的峰值位置往有源层方向的下降角度ρ之间的关系为：

8、所述第二子载流子浓度匹配层的价带有效态密度的峰值位置往有源层方向的下降角度β、所述第二子载流子浓度匹配层的形变势的谷值位置往有源层方向的上升角度δ、所述第二子载流子浓度匹配层的体积弹性模量的谷值位置往有源层方向的上升角度ψ以及所述第二子载流子浓度匹配层的光子能量吸收系数的谷值位置往有源层方向的上升角度ω之间的关系为：1°≤ω≤β≤δ≤ψ≤90°；

9、所述第二子载流子浓度匹配层的价带有效态密度的峰值位置往n型半导体方向的下降角度γ、所述第二子载流子浓度匹配层的形变势的谷值位置往n型半导体方向的上升角度σ、所述第二子载流子浓度匹配层的体积弹性模量的谷值位置往n型半导体方向的上升角度μ以及所述第二子载流子浓度匹配层的光子能量吸收系数的谷值位置往n型半导体方向的上升角度ε之间的关系为：1°≤ε≤γ≤σ≤μ≤90°。

10、优选地，

11、优选地，所述第一子载流子浓度匹配层的价带有效态密度具有函数y1＝(ex1+e-x1)/(ex1-e-x1)第一象限曲线分布；

12、所述第一子载流子浓度匹配层的形变势具有函数y2＝lnx1/x1曲线分布；

13、所述第一子载流子浓度匹配层的体积弹性模量具有函数y3＝lnx1/x1曲线分布；

14、所述第一子载流子浓度匹配层的光子能量吸收系数具有函数y4＝lnx1/x1曲线分布；

15、所述第二子载流子浓度匹配层的价带有效态密度具有函数y5＝asin(bx2+c)曲线分布；

16、所述第二子载流子浓度匹配层的形变势具有函数y6＝dcos(ex2+f)曲线分布；

17、所述第二子载流子浓度匹配层的体积弹性模量具有函数y7＝gcos(hx2+i)曲线分布；

18、所述第二子载流子浓度匹配层的光子能量吸收系数具有函数y8＝jcos(kx2+l)曲线分布；

19、其中：x1为第一子载流子浓度匹配层往第二子载流子浓度匹配层方向的深度，x2为第二子载流子浓度匹配层往有源层方向的深度，j≤a≤d≤g。

20、优选地，所述第一子载流子浓度匹配层为gan、algan、alinn、alingan、aln的任意一种或任意组合；

21、所述第二子载流子浓度匹配层为阱层和垒层组成的超晶格结构，所述第二子载流子浓度匹配层的阱层为ingan、gan、alinn、alingan、inn的任意一种或任意组合，所述第二子载流子浓度匹配层的垒层为gan、algan、alingan、aln的任意一种或任意组合。

22、优选地，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，所述有源层的阱层为gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，阱层厚度为5埃米至200埃米；

23、所述有源层的垒层为gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，垒层厚度为10埃米至400埃米。

24、优选地，所述n型半导体和p型半导体包括gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，所述n型半导体的厚度为5埃米至60000埃米，所述p型半导体的厚度为10埃米至9000埃米。

25、优选地，所述衬底包括蓝宝石、硅、ge、sic、aln、gan、gaas、inp、inas、gasb、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复合衬底的任意一种。

26、本发明的有益效果如下：本发明在氮化物半导体发光元件的n型半导体和有源层之间设置载流子浓度匹配层，该载流子浓度匹配层包括第一子载流子浓度匹配层和第二子载流子浓度匹配层。该第一子载流子浓度匹配层和第二子载流子浓度匹配层均具有价带有效态密度特性、形变势特性、体积弹性模量特性和光子能量吸收系数特性，且第一子载流子浓度匹配层与有源层之间、第二子载流子浓度匹配层与有源层之间、第二子载流子浓度匹配层与n型半导体之间均存在价带有效态密度、形变势、体积弹性模量和光子能量吸收系数的角度变化，从而利用载流子浓度匹配层调控有源层的有效态密度和光子能量吸收系数分布均匀性和一致性，提升注入有源层的电子空穴的分布均匀性和匹配度，使有源层的电子空穴匹配度从40～60％提升至60～95％，提升有源层的电子空穴辐射复合效率，内量子效率iqe从50～70％提升至70～98％，同时，控制形变势和体积弹性模量的分布均匀性和一致性，提升片内有源层的应变分布均匀性和量子限制stark效应的一致性，进一步增强电子空穴的辐射复合效率。