專利名稱：用于GaN發(fā)光二極管的激光尖脈沖退火的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及發(fā)光二極管(LED)，并且尤其涉及在形成GaNLED中激光尖脈沖退 火的使用。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)LED已經(jīng)被證明對各種照明應(yīng)用(如全色顯示、交通燈等等)是有用 的，且如果這些LED能被制成有更高效率的話，則有潛力用于甚至更多的應(yīng)用(如背光照明 LCD板、取代慣用白熾燈的固態(tài)照明和熒光燈等等)。為實現(xiàn)GaN LED的更高效率，它們必 須有增強的輸出功率、較低的導(dǎo)通電壓和降低的串聯(lián)電阻。GaNLED中的串聯(lián)電阻與摻雜物 激活的效率、電流分布的均勻性和歐姆接觸形成密切相關(guān)。在GaN中，η型摻雜物容易用Si獲得并有高達1 X 102°cm_3的激活濃度。ρ型GaN 能夠用Mg作摻雜物獲得。然而，由于Mg的高的熱激活能量，Mg摻雜的效率十分低。在室 溫下，只有被引入的Mg的小的百分比對自由空穴濃度有貢獻。Mg摻雜在MOCVD生長期間進 一步變復(fù)雜，因為氫在生長過程期間鈍化。氫鈍化要求熱退火步驟斷開Mg-H鍵并激活摻雜 物。典型的熱退火是在約7001的N2環(huán)境中被進行的。到目前為止，ρ型GaN的實際空穴 濃度仍然被限制在約5X1017cm_3。這樣低的激活水平導(dǎo)致限制GaN LED性能的不良的歐姆 接觸和大的分布電阻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面是形成GaN LED的方法。該方法包含在基底頂上形成有當中夾入 激活層的n-GaN層和ρ-GaN層的GaN多層結(jié)構(gòu)。該方法還包含通過令激光束在p_GaN層上 掃描進行激光尖脈沖退火。該方法還包含在GaN多層結(jié)構(gòu)頂上形成透明導(dǎo)電層。該方法還 包含添加P-接觸(p-contact)到透明導(dǎo)電層和η-接觸(n-contact)到n_GaN層。本發(fā)明的另一方面是形成GaN LED的方法。該方法包含在基底頂上形成p_接觸 層。該方法還包含在該P-接觸頂上形成有當中夾入激活層的n-GaN層和ρ-GaN層的GaN多 層結(jié)構(gòu)，以該P-GaN層鄰接該ρ-接觸層。該方法還包含在n-GaN層頂上形成η-接觸。該 方法還包含通過令激光束在該η-接觸上掃描進行該η-接觸的LSA。本發(fā)明的另一方面是一種包含基底和在該基底頂上形成的GaN多層結(jié)構(gòu)的GaN LED。該GaN多層結(jié)構(gòu)有當中夾入激活層的n-GaN層和p-GaN層。該ρ-GaN層已經(jīng)經(jīng)受LSA 以便有大于約5X IO17CnT3和直到約5X IO18CnT3的被激活摻雜物濃度。該GaN LED包含在 GaN多層結(jié)構(gòu)頂上的透明導(dǎo)電層、在該透明導(dǎo)電層頂上形成的ρ-接觸和在n-GaN層的露出 部分頂上形成的η-接觸。本發(fā)明的另一方面是一種包含基底和在該基底頂上形成ρ-接觸層的GaN LED。該 GaN LED還包含在ρ-接觸層頂上形成的GaN多層結(jié)構(gòu)。該GaN多層結(jié)構(gòu)有當中夾入激活層 的n-GaN層和ρ-GaN層，以該ρ-GaN層鄰接該ρ-接觸層。該n-GaN層已經(jīng)經(jīng)受LSA以獲得 約3 X IO19CnT3到約3X 102°cm_3的激活摻雜物濃度。n_接觸被形成在該n-GaN層頂上。
本發(fā)明另外的特性和優(yōu)點，將在下面的詳細描述中被陳述，且部分地容易被本領(lǐng) 域熟練技術(shù)人員從該描述了解或通過實踐本文描述的本發(fā)明而認識，本文描述的本發(fā)明包 含下面的詳細描述、權(quán)利要求書，以及附圖。應(yīng)當理解，前面的一般描述和下面的詳細描述兩者給出本發(fā)明的實施例，并且都 是力圖提供概況或框架，以便理解如權(quán)利要求所要求的本發(fā)明的性質(zhì)和特征。附圖被包含 在內(nèi)以提供本發(fā)明的進一步理解，且被合并進并構(gòu)成說明書的一部分。這些圖示出本發(fā)明 的各種實施例，并與該描述一道起解釋本發(fā)明的原理及操作的作用。


圖1是GaN LED的示范性結(jié)構(gòu)的示意斷面圖；圖2是退火溫度Ta(°C)對時間(毫秒，ms)的曲線圖，并示出當進行激光尖脈沖 退火(LSA)時掃描的激光束的三種不同停留時間的示范性退火溫度分布；圖3是p-GaN層的近視側(cè)視圖，示出使用掃描的激光束的LSA過程；圖4是示范性線型掃描的激光束形狀的示意圖；圖5是被應(yīng)用于GaN LED結(jié)構(gòu)的第一示范性LSA方法的示意圖，該GaN LED結(jié)構(gòu) 是在產(chǎn)生如圖1所示本發(fā)明的GaN LED過程中被形成的；圖6類似于圖5并表明進一步包含透明導(dǎo)電層的GaN LED多層結(jié)構(gòu)；圖7類似于圖1并表明經(jīng)由激光束在透明導(dǎo)電層表面上以及在其上形成的ρ-接 觸上的掃描而經(jīng)受LSA的GaN LED ；圖8類似于圖5并表明，以GaN LED通過激光束在n_GaN層表面上的掃描而經(jīng)受 LSA,使該GaN LED多層結(jié)構(gòu)顛倒的示范性GaNLED，因此n-GaN層在頂部并包含η-接觸；和圖9是被模型化的電流(毫安，ma)對電壓(V)曲線的曲線圖，這些曲線示出本發(fā) 明用LSA降低工作電壓上的串聯(lián)電阻的GaN LED( ■)與現(xiàn)有技術(shù)( )的性能比較所獲 得的性能增益。
具體實施例方式現(xiàn)在詳細參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例，實施例所舉例子已在附圖中被示出。只要可 能，全部圖中相同或類似的參考數(shù)字和符號被用于指相同或類似的零件。用語“在...之 上”和“在...之下”是便于描述的相對的用語，并不企圖作為嚴格的限制。圖1是氮化鎵(GaN)發(fā)光二極管(LED) 10的示范性結(jié)構(gòu)的示意斷面圖。示范性GaN LED在美國專利No. 6，455，877,7, 259，399和7，436，001中也有描述，這些專利被本文引用 以供參考。GaN LED 10包含基底20，諸如藍寶石、SiC、GaN Si等等。被放置在基底20頂 上的是GaN多層結(jié)構(gòu)30，該GaN多層結(jié)構(gòu)30包含η摻雜GaN層(“n-GaN層”)40和有表面 52的ρ摻雜GaN層(“p_GaN層” )50。n_GaN層40和ρ-GaN層50當中夾入激活層60，以 n-GaN層鄰接基底20。激活層60例如包括多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)，諸如無摻雜的fe^nN/GaN 超晶格。GaN多層結(jié)構(gòu)30因而定義p-n結(jié)。有表面72的透明接觸層(TCL) 70駐留在GaN 多層結(jié)構(gòu)30頂上。示范性TCL70包含氧化銦錫(ITO)。TCL 70的作用是使電流分布并起 優(yōu)化光學輸出的防反射涂層作用。GaN LED 10還包含露出n_GaN層40 —部分42的凹口 80，該部分42起支承η-接觸90η的凸緣的作用。示范性η-接觸材料包含Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al或它們的組合。ρ-接 觸90ρ被布置在TCL表面72的一部分上。示范性ρ-接觸材料包含Ni/Au和Cr/Au。GaN LED 10至少以如下方式之一不同于現(xiàn)有技術(shù)的GaN LED :a)p_GaN層50中的 摻雜物激活更多；b)n-接觸90η被用激光尖脈沖退火(LSA)熔成合金和c)p_接觸90p被 用LSA熔成合金。處理GaN LED 10以獲得這些差別的方法在下面詳細描述。激光尖脈沖退火(LSA)要增加ρ-GaN層50中的激活，有短持續(xù)時間的高退火溫度是必要的。使用慣用的 快速熱退火(RTA)，能夠被應(yīng)用的最高溫度受GaN材料性質(zhì)的退化的限制。一種退化機理是 被摻雜(如用Mg)的p-GaN層50在MOCVD生長過程期間的分解。Mg需要相對高的退火溫 度以便有效激活，但在高溫下的長持續(xù)時間使GaN通過氮的外擴散分解并降低ρ-GaN中自 由空穴的濃度。典型的RTP型退火過程在氮環(huán)境中使基底保持在700°C上數(shù)十秒到數(shù)分鐘 之間。另一種退化機理是應(yīng)變弛豫和p-GaN層50中位錯的產(chǎn)生。由于晶格失配，異質(zhì)外 延結(jié)構(gòu)處于有內(nèi)在應(yīng)變的亞穩(wěn)狀態(tài)。慣用的RTA由于熱膨脹系數(shù)中的失配而引進額外的應(yīng) 變，從而加速位錯的傳播和倍增。本發(fā)明采用激光尖脈沖退火(LSA)，它使用比慣用的諸如RTA熱退火更高的溫度 和更短的退火時間。適合實施本發(fā)明方法的示范性LSA系統(tǒng)在美國專利No. 6，747，245, 7，154，066和7，399，945中描述，這些專利被本文引用以供參考。在本發(fā)明的方法中LSA的 示范性應(yīng)用與慣用的RTA比較，降低退火時間三到四個量級，能實現(xiàn)更高的退火溫度TA(如 Ta > 1，IOO0C )，沒有有害的氮外擴散和位錯產(chǎn)生效應(yīng)。用LSA增強被摻雜的GaN層中的摻雜物激活，因為在高摻雜物濃度上隧穿電流更 高和勢壘的高度下降而改進接觸電阻。在高的激活摻雜物濃度上，具體的接觸電阻P。約 略估計為
權(quán)利要求
1.一種形成氮化鎵GaN發(fā)光二極管LED的方法，包括在基底頂上形成有當中夾入激活層的n-GaN層和ρ-GaN層的GaN多層結(jié)構(gòu)； 通過令激光束在該P-GaN層上掃描以進行激光尖脈沖退火LSA ； 在該GaN多層結(jié)構(gòu)頂上形成透明導(dǎo)電層；和 添加P-接觸到該透明導(dǎo)電層和添加η-接觸到該n-GaN層。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括進行透過該透明導(dǎo)電層的LSA。
3.權(quán)利要求2的方法，還包括進行該ρ-接觸的LSA。
4.權(quán)利要求3的方法，還包括進行該η-接觸的LSA。
5.權(quán)利要求3的方法，其中該ρ-接觸有ρ-接觸電阻，且所述進行該ρ-接觸的LSA導(dǎo) 致P-接觸電阻在從約4Χ 10_4ohm-cm2到約1 X 10_5ohm-cm2的范圍內(nèi)。
6.權(quán)利要求4的方法，還包括在該GaN多層結(jié)構(gòu)和透明導(dǎo)電層中形成凸緣以露出n-GaN層；和 在該露出的GaN層上形成η-接觸。
7.權(quán)利要求1的方法，其中該LSA有從約900°C到約1500°C范圍內(nèi)的最大退火溫度ΤΑΜ。
8.權(quán)利要求7的方法，其中，該激光束的掃描被處理以便使該激光束有從約10μs到 IOms的停留時間。
9.權(quán)利要求7的方法，其中該激光束有長寬比約100 1的線型光束形狀。
10.權(quán)利要求1的方法，其中該ρ-GaN層在LSA之后有從約5X 1017cm_3到約1 X 1018cm_3 范圍內(nèi)的被激活的摻雜物濃度。
11.權(quán)利要求1的方法，還包括形成該激活層以包括多量子阱結(jié)構(gòu)。
12.—種形成氮化鎵GaN發(fā)光二極管LED的方法，包括 在基底頂上形成P-接觸層；在該P-接觸頂上形成有當中夾入激活層的n-GaN層和ρ-GaN層的GaN多層結(jié)構(gòu)，以該 P-GaN層鄰接該ρ-接觸層；在該n-GaN層頂上形成η-接觸；和通過令激光束在該η-接觸上掃描進行該η-接觸的激光尖脈沖退火LSA。
13.權(quán)利要求12的方法，包括令該n-GaN層掃描。
14.權(quán)利要求13的方法，其中該η-接觸有η-接觸電阻，且所述進行該η_接觸的LSA 導(dǎo)致η-接觸電阻在從約1 X 10"4ohm-cm2到約1 X 10_6ohm-cm2的范圍內(nèi)。
15.權(quán)利要求12的方法，還包括處理該LSA以便有從約900°C到約1500°C范圍內(nèi)的最 大退火溫度Tam并處理該激光束的所述掃描以便有從約10 μ s到IOms的停留時間。
16.權(quán)利要求12的方法，其中該激光束有長寬比約100 1的線型光束形狀。
17.一種氮化鎵GaN發(fā)光二極管LED，包括 基底；形成在該基底頂上并有當中夾入激活層的n-GaN層和ρ-GaN層的GaN多層結(jié)構(gòu)，其中 該P-GaN層已經(jīng)被激光尖脈沖退火以便有大于約5 X IO17CnT3和直到約5 X 1018cm_3的被激 活的摻雜物濃度；在該GaN多層結(jié)構(gòu)頂上的透明導(dǎo)電層； 在該透明導(dǎo)電層頂上形成的P-接觸；和在該n-GaN層的露出部分頂上形成的η-接觸。
18.權(quán)利要求17的GaNLED，其中該ρ-接觸由于被激光尖脈沖退火的結(jié)果而有從約 4Χ 10_4到約1 X 10_5ohm-cm2范圍內(nèi)的歐姆接觸電阻。
19.權(quán)利要求17的GaNLED，其中該η-接觸由于被激光尖脈沖退火的結(jié)果而有從約 1 X IO-4Ohm-Cm2到約1 X l(T6ohm-cm2范圍內(nèi)的η-接觸電阻。
20.一種氮化鎵GaN發(fā)光二極管LED，包括 基底；在該基底頂上形成的P-接觸層；在該P-接觸層頂上形成的并有當中夾入激活層的n-GaN層和ρ-GaN層的GaN多 層結(jié)構(gòu)，以該P-GaN層鄰接該ρ-接觸層，且該n-GaN層已經(jīng)被激光尖脈沖退火以獲得約 3 X IO19CnT3到約3 X IO2tlCnT3的激活摻雜物濃度；和 在該n-GaN層頂上形成的n_接觸。
21.權(quán)利要求20的GaNLED，其中該η-接觸由于被激光尖脈沖退火的結(jié)果而有從約 1 X IO-4Ohm-Cm2到約1 X l(T6ohm-cm2范圍內(nèi)的η-接觸電阻。
全文摘要
公開了在形成氮化鎵(GaN)發(fā)光二極管(LED)中進行激光尖脈沖退火(LSA)的方法以及用LSA形成的GaN LED。示例性方法包含在基底頂上形成有當中夾入激活層的n-GaN層和p-GaN層的GaN多層結(jié)構(gòu)。該方法還包含通過令激光束在該p-GaN層上掃描進行LSA。該方法還包含在該GaN多層結(jié)構(gòu)頂上形成透明導(dǎo)電層，并添加p-接觸到透明導(dǎo)電層和n-接觸到n-GaN層。得到的GaN LED有增強的輸出功率、較低的導(dǎo)通電壓和降低的串聯(lián)電阻。
文檔編號H01L33/00GK102110748SQ20101053308
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者A·M·霍利魯克, 王耘 申請人:超科技公司