專利名稱：氮化鎵發(fā)光二極管的快速熱退火的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及一種發(fā)光二極管，特別是涉及一種氮化鎵發(fā)光二極管及其快速熱退火方法。
現(xiàn)有技術(shù)發(fā)光二極管(特別是氮化鎵發(fā)光二極管)，已被證明對各種照明應(yīng)用(例如全彩顯示器、交通號志燈等等)有用，且如果可使這樣的LED更有效率，則可用于更多應(yīng)用(例如背照光LCD面板、固態(tài)照明以取代傳統(tǒng)白熾燈及熒光燈等等)。為實現(xiàn)更高效率的氮化鎵發(fā)光二極管，它們需要具有增強的輸出功率、更低的接通電壓及減小的串聯(lián)電阻。氮化鎵發(fā)光二極管中的串聯(lián)電阻是與摻雜物激活的效率、電流散布的均勻性及歐姆接觸形成密切相關(guān)。·
對于氮化鎵而言，可容易地使用Si而使η型摻雜物具有高達I X IO21CnT3的激活濃度。P型氮化鎵可借助使用Mg作為摻雜物而獲得。然而，Mg摻雜的效率由于其高熱激活能而相當?shù)?。在室溫下，僅數(shù)個百分比的并入的Mg對自由空穴濃度的有貢獻。由于在生長處理期間的氫鈍化，在MOCVD生長期間使Mg摻雜進一步復(fù)雜化。氫鈍化需要熱退火步驟以破壞Mg-H鍵并激活摻雜物。典型的熱退火是在約7001的隊環(huán)境中執(zhí)行。到目前為止，P型氮化鎵中的實際空穴濃度仍限于約5Χ 1017cnT3。該低激活水平導(dǎo)致弱歐姆接觸及大散布電阻，此限制氮化鎵發(fā)光二極管的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面是一種氮化鎵發(fā)光二極管的形成方法。該方法包含在基板頂部形成具有夾著激活層的η型氮化鎵層與P型氮化鎵層的氮化鎵多層結(jié)構(gòu)。該方法亦包含對該P型氮化鎵層執(zhí)行持續(xù)時間為10秒或者更短的快速熱退火。所述快速熱退火可以是激光尖峰退火(laser spike annealing, LSA),其包含對該p型氮化鎵層掃描激光束；或者是閃光燈退火(flash lamp annealing),其包含使整個晶片暴露在來自閃光燈的閃光或福射下。本方法亦包含在該氮化鎵多層結(jié)構(gòu)上形成透明導(dǎo)電層。本方法還包括將P型接觸添加至透明導(dǎo)電層及將η型接觸添加至η型氮化鎵層。本方法較佳地還包括對所述透明導(dǎo)電層執(zhí)行快速熱退火。本方法較佳地還包括對所述P型接觸執(zhí)行快速熱退火。本方法中，P型接觸較佳地具有P型接觸電阻，該對P型接觸執(zhí)行該快速熱退火導(dǎo)致該P型接觸電阻在從約4xl(T4ohm-cm2至約lxl(T6ohm-cm2的范圍中。本方法較佳地還包括對所述η型接觸執(zhí)行快速熱退火。本方法較佳地還包括形成凸緣在所述氮化鎵多層結(jié)構(gòu)及所述透明導(dǎo)電層中，以暴露η型氮化鎵層。本方法較佳地還包括形成η型接觸在暴露的η型氮化鎵層上。本方法中，快速熱退火較佳地具有最大退火溫度ΤΜ，它是在從約700° C至約1500° C的范圍中。
本方法中，所述快速熱退火較佳地是借助激光器或閃光燈來執(zhí)行。本方法中，所述快速熱退火較佳地是借助閃光燈來執(zhí)行，該閃光燈對整個該p型氮化鎵層照射單一道閃光。本方法中，所述p型氮化鎵層被執(zhí)行該快速熱退火后，較佳地具有從約5X1017cm_3至約5xl019cm_3范圍中的被激活的摻雜物濃度。本方法較佳地還包括形成所述激活層以包括多重量子阱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一方面是形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法。所述方法包含形成氮化鎵多層結(jié)構(gòu)，所述氮化鎵多層結(jié)構(gòu)具有n型氮化鎵層與p型氮化鎵層，所述n型氮化鎵層與p型氮化鎵層之間夾入激活層。本方法也包含形成P型接觸層，鄰接于該P型氮化鎵層。本方法也包含形成n型接觸在該n型氮化鎵層上。本方法還包括對該n型接觸執(zhí)行快速熱退火。所述快速熱退火的持續(xù)時間是10秒或者更短，其可使用激光器或閃光燈來執(zhí)行。
在本方法中，快速熱退火較佳地是使用激光器或閃光燈來執(zhí)行。在本方法中，n型接觸較佳地具有n型接觸電阻。該對n型接觸執(zhí)行快速熱退火導(dǎo)致該n型接觸電阻在從約lxl0_4ohm_cm2至約lxl0_6ohm_cm2的范圍中。本方法較佳地還包括使該快速熱退火具有最大退火溫度Tam，它是在從約700° C至約1500。C的范圍中。本發(fā)明的另一方面是氮化鎵ニ極管，它包含基板、氮化鎵多層結(jié)構(gòu)、透明導(dǎo)電層、p型接觸及n型接觸。氮化鎵多層結(jié)構(gòu)是形成在基板上。氮化鎵多層結(jié)構(gòu)具有n型氮化鎵層與P型氮化鎵層，所述n型氮化鎵層與所述p型氮化鎵層之間夾入激活層。P型氮化鎵層被施以快速熱退火，以便使該層具有大于約5xl017cm_3并且直至約5xl019cm_3的被激活的摻雜物濃度。透明導(dǎo)電層位在氮化鎵多層結(jié)構(gòu)的頂部。P型接觸是形成在透明導(dǎo)電層的頂部。n型接觸被形成在n型氮化鎵層的暴露部分上?？焖贌嵬嘶鹁哂?0毫秒或更短的持續(xù)時間，并且可以使用激光器或閃光燈來執(zhí)行。在所述氮化鎵發(fā)光二極管中，P型接觸較佳地具有從約4xl0_4ohm-cm2至約Ixl(r6ohm-cm2范圍中的歐姆接觸電阻。 在所述氮化鎵發(fā)光二極管中，n型接觸較佳地具有從約lxl0_4ohm-cm2至約lxl0_6ohm-cm2范圍中的n型接觸電阻。本發(fā)明的另一方面是氮化鎵發(fā)光二極管，它包含基板、p型接觸層、氮化鎵多層結(jié)構(gòu)及n型接觸。p型接觸層是形成在基板上。氮化鎵多層結(jié)構(gòu)是形成在p型接觸層的頂部。所述氮化鎵多層結(jié)構(gòu)具有n型氮化鎵層與p型氮化鎵層，n型氮化鎵層與p型氮化鎵層之間夾入激活層，P型氮化鎵層鄰接于P型接觸層。n型氮化鎵層被施以快速熱退火，以得到具有約3X IO19CnT3至約3X IO21CnT3的激活摻雜物濃度的層。n型接觸是形成在n型氮化鎵層的頂部。所述快速熱退火具有10秒或更短的持續(xù)時間，且可使用激光或閃光燈來執(zhí)行。在氮化鎵發(fā)光二極管中，被快速熱退火層較佳地是閃光燈快速熱退火層與激光器快速熱退火層之一。在氮化鎵發(fā)光二極管中，n型接觸較佳地具有從約lxl0_4ohm-cm2至約lxl0_6ohm-cm2范圍間的n型接觸電阻。在以下詳細描述中將闡述本發(fā)明的另外特征及優(yōu)點，且熟悉此項技術(shù)者將自該描述而易于部分明白或借助實踐如本文中所述的發(fā)明(包含以下詳細描述、技術(shù)方案以及附圖)而認識到本發(fā)明的另外特征及優(yōu)點。應(yīng)了解先前一般描述與以下詳細描述兩者呈現(xiàn)本發(fā)明的若干實施例，且意欲提供一概述或架構(gòu)用于理解本發(fā)明所主張的本質(zhì)及特性。附圖被包含以提供本發(fā)明的進一步理解，并被并入至此說明書中且構(gòu)成此說明書的一部分。附圖示出本發(fā)明的各種實施例，且與描述一起用來解釋本發(fā)明的原理及操作。


圖I是用于GaN LED的一例示結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；圖2是退火溫度TA(° C)對時間(毫秒(ms))的曲線圖并示出當執(zhí)行激光尖峰退火(LSA)時對于用激光束掃描的三個不同駐留時間的例示性退火溫度分布曲線；
圖3是示出使用掃描激光束的LSA處理的P型氮化鎵層的特寫側(cè)視圖；圖4是例示線型掃描激光束形狀的示意圖；圖5是應(yīng)用于在本發(fā)明的GaN LED (例如圖I所示)的產(chǎn)生過程中所形成的GaNLED結(jié)構(gòu)的第一例示性LSA方法的示意圖；圖6是類似于圖5并展示進一步包含透明導(dǎo)電層的GaN LED多層結(jié)構(gòu)；圖7是類似于圖I并展示經(jīng)由用激光束掃描在透明導(dǎo)電層表面上方以及在形成在該透明導(dǎo)電層上的P型接觸上方而經(jīng)受LSA的GaNLED ；圖8是類似于圖5并展示一例示GaN LED,其中該GaN LED多層結(jié)構(gòu)是被顛倒以使η型氮化鎵層在頂部并包含η型接觸，且經(jīng)由用激光束掃描η型氮化鎵層的表面上方而使該GaN LED被施以LSA ；圖9是模擬的電流(毫安(mA))對電壓(V)曲線的圖，它們示出本發(fā)明的GaN LED性能(■)相較于現(xiàn)有技術(shù)性能( )的增益(如使用LSA所實現(xiàn))以降低操作電壓上的串聯(lián)電阻；圖10是為一例示LED晶片被閃光燈退火系統(tǒng)照射以實現(xiàn)快速熱退火的示意圖；圖11是類似于圖7，示出一例示實施例中的GaN LED是被閃光燈的閃光所照射而被施以快速熱退火；圖12是類似于圖8，示出一例示實施例中的GaN LED是被閃光燈的閃光所照射而被施以快速熱退火；圖13是類似于圖5，示出一例示實施例中的GaN LED結(jié)構(gòu)在制造GaN LED的過程中是被一閃光燈的閃光所照射而被施以快速熱退火；圖14是類似于圖6，示出一例示實施例中的GaN LED結(jié)構(gòu)在制造GaN LED的過程中是被一閃光燈的閃光所照射而被施以快速熱退火。
具體實施例方式現(xiàn)詳細參考本發(fā)明的目前較佳實施例，在附圖中示出本發(fā)明的實例。無論何時，在所有附圖中相同或相似組件符號及標記是用以意指相同或相似部件。術(shù)語“上”及“下”為用以促進描述的相對術(shù)語而非意為嚴格限制。許多所想要的LED特性(較高的摻雜物濃度、較低的接觸電阻等)可透過下述實施方式的快速熱退火來得到已經(jīng)被確認了。在此處所定義的退火是指持續(xù)時間約10秒或者更短?？焖贌嵬嘶鹂梢越柚褂眉す馄?例如激光尖峰退火)或閃光燈(閃光燈退火)來實現(xiàn)。以下諸多討論是以激光尖峰退火為例，但所改良之處以及權(quán)利要求是可擴展至各種形式的毫秒退火。圖I是用于氮化鎵(GaN)發(fā)光二極管(LED) 10的一例示性結(jié)構(gòu)的示意橫截面圖。在美國專利案第6，455，877號、第7，259，399號及第7，436，001號中亦描述例示性GaNLED，該等專利案以引用方式并入本文中。氮化鎵發(fā)光二極管10包含基板20，諸如藍寶石、SiC、GaN Si等等。氮化鎵多層結(jié)構(gòu)30是安置在基板20的頂部，該氮化鎵多層結(jié)構(gòu)包含n型摻雜GaN層(“n型氮化鎵層”)40及具有表面52的p型摻雜GaN層(“p型氮化鎵層”)50。該n型氮化鎵層40與該p型氮化鎵層50夾著激活層60，且n型氮化鎵層40是鄰接基板20。激活層60包括(例如)多重量子井(MQW)結(jié)構(gòu)，諸如未經(jīng)摻雜的GalnN/GaN超晶格。氮化鎵多層結(jié)構(gòu)30因此界定p-n結(jié)。具有表面72的透明接觸層(TCL) 70駐留在氮化鎵多層結(jié)構(gòu)30的頂部。例示性TCL 70包含氧化銦錫(ITO)。TCL 70用來散布電流并充當抗反 射涂層以使光學(xué)輸出最佳化。氮化鎵發(fā)光二極管10進ー步包含凹ロ 80，其暴露充當用于支撐n型接觸90n的凸緣的n型氮化鎵層40的表面部分42。例示性n型接觸材料包含Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al或其等的組合。P型接觸90p是配置在TCL表面72的一部分上。例示性p型接觸材料包含Ni/Au 及 Cr/Au。氮化鎵發(fā)光二極管10與現(xiàn)有技術(shù)的氮化鎵發(fā)光二極管的不同點在于以下方式的至少之ー a)p型氮化鎵層50中的摻雜物激活更大；b)使用激光尖峰退火(LSA)來使n型接觸90n成合金 '及c)使用LSA來使p型接觸90p成合金。以下詳細描述處理氮化鎵發(fā)光ニ極管10以實現(xiàn)此等不同點的方法。激光尖峰退火(LSA)為了增加p型氮化鎵層50中的激活，短持續(xù)時間的高退火溫度是需要的。使用傳統(tǒng)退火時，可施加的最大溫度是受限于GaN材料性質(zhì)的降解。降解機制為在MOCVD生長處理期間(例如用Mg)摻雜的p型氮化鎵層50的分解。Mg需要較高退火溫度以有效率地激活，但在高溫下的長持續(xù)時間使GaN分解出向外擴散氮并減小p型GaN中自由空穴的濃度。傳統(tǒng)非快速熱退火處理使基板在700° C的氮環(huán)境中保持幾十秒至幾分鐘。另ー降解機制為在p型氮化鎵層50中的應(yīng)變松弛及位錯產(chǎn)生。由于晶格失配，異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)是處于具有內(nèi)建應(yīng)變的亞穩(wěn)態(tài)。傳統(tǒng)熱退火由于熱膨脹系數(shù)的失配而引入額外應(yīng)變，且因此加速位錯擴散及倍増。本發(fā)明采用激光尖峰退火(LSA)，其使用比傳統(tǒng)非快速熱退火較為高的溫度以及較為短的退火時間。美國專利第6，747，245號、第7，154，066號及第7，399，945號中描述適于實施本發(fā)明的該方法的例示性LSA系統(tǒng)，該專利以引用方式并入本文中。在本發(fā)明的該方法中，LSA的例示性應(yīng)用相較于傳統(tǒng)RTA使退火時間減少3至4個數(shù)量級，從而實現(xiàn)更高退火溫度Ta(例如Ta>1100° C)且無有害的氮向外擴散及位錯產(chǎn)生效應(yīng)。使用LSA來增強經(jīng)摻雜GaN層中的摻雜物激活改良接觸電阻，因為在高摻雜物濃度下隧道效應(yīng)電流更高且勢壘高度更低。在高激活摻雜物濃度下，特定接觸電阻P。按以下比例確定
權(quán)利要求
1.ー種形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，包括 形成氮化鎵多層結(jié)構(gòu)在基板上，該氮化鎵多層結(jié)構(gòu)具有n型氮化鎵層與p型氮化鎵層，該n型氮化鎵層與該p型氮化鎵層之間夾入激活層； 對該P型氮化鎵層執(zhí)行快速熱退火，其中該快速熱退火具有約10秒或更短的持續(xù)時間； 在該氮化鎵多層結(jié)構(gòu)上形成透明導(dǎo)電層；及 添加P型接觸至該透明導(dǎo)電層，且添加n型接觸至該n型氮化鎵層。
2.如權(quán)利要求I的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，還包括對該透明導(dǎo)電層執(zhí)行該快速熱退火。
3.如權(quán)利要求I或2的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，還包括對該p型接觸執(zhí)行該快速熱退火。
4.如權(quán)利要求3的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其中該p型接觸具有p型接觸電阻，而所述對該P型接觸執(zhí)行快速熱退火導(dǎo)致P型接觸電阻在從約4X10_4Ohm-cm2至約IxlCT6Ohm-Cm2 的范圍中。
5.如權(quán)利要求3的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，還包括對該n型接觸執(zhí)行快速熱退火。
6.如權(quán)利要求5的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，還包括 形成凸緣在該氮化鎵多層結(jié)構(gòu)及該透明導(dǎo)電層中，以暴露該n型氮化鎵層 '及 形成該n型接觸在該暴露的n型氮化鎵層上。
7.如權(quán)利要求I的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其中該快速熱退火具有最大退火溫度Tam，它是在約700° C至約1500° C的范圍中。
8.如權(quán)利要求7的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其中該快速熱退火利用激光器或閃光燈。
9.如權(quán)利要求8的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其中該快速熱退火是利用閃光燈來執(zhí)行，該閃光燈對整個該P型氮化鎵層照射單一道閃光。
10.如權(quán)利要求I的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其中該p型氮化鎵層被執(zhí)行該快速熱退火后，具有從約5xl017Cm_3至約5xl019Cm_3范圍中的被激活的摻雜物濃度。
11.如權(quán)利要求I的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，還包括形成該激活層以包括多重量子阱結(jié)構(gòu)。
12.—種形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，包括 形成氮化鎵多層結(jié)構(gòu)，該氮化鎵多層結(jié)構(gòu)具有n型氮化鎵層與p型氮化鎵層，該n型氮化鎵層與該P型氮化鎵層之間夾入激活層； 形成P型接觸層，鄰接于該P型氮化鎵層； 形成n型接觸在該n型氮化鎵層上 '及 對該n型接觸執(zhí)行快速熱退火，其中該快速熱退火具有約10秒或更短的持續(xù)時間。
13.如權(quán)利要求12的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其中該快速激光退火的執(zhí)行是使用激光器或閃光燈。
14.如權(quán)利要求13的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其中該n型接觸具有n型接觸電阻，并且所述對該n型接觸執(zhí)行快速熱退火導(dǎo)致該n型接觸電阻在從約lX10_4ohm-Cm2至約IxlCT6Ohm-Cm2 的范圍中。
15.如權(quán)利要求12的形成氮化鎵發(fā)光二極管的方法，還包括進行該快速熱退火，該快速熱退火具有最大退火溫度Tam，它是在從約700° C至約1500° C的范圍中。
16.ー種氮化鎵發(fā)光二極管，包括 基板； 氮化鎵多層結(jié)構(gòu)，形成在該基板上，并具有n型氮化鎵層與p型氮化鎵層，該n型氮化鎵層與該P型氮化鎵層之間夾入激活層，其中該P型氮化鎵層包括快速熱退火層，該快速熱退火層具有大于約5X1017cm_3并且直到約5X1019cm_3的被激活的摻雜物濃度； 透明導(dǎo)電層，在該氮化鎵多層結(jié)構(gòu)的頂部； P型接觸，形成在該透明導(dǎo)電層上 '及 n型接觸，形成在該n型氮化鎵層的暴露部分上； 其中該快速熱退火層被以10秒或更短的持續(xù)時間進行快速熱退火。
17.如權(quán)利要求16的氮化鎵發(fā)光二極管,其中該p型接觸具有從約4xl0_4ohm-cm2至約Ixl(r6ohm-cm2范圍中的歐姆接觸電阻。
18.如權(quán)利要求15或16的氮化鎵發(fā)光二極管，其中該n型接觸具有從約4xl0-4ohm-cm2至約Ixl0_6ohm-cm2范圍中的n型接觸電阻。
19.ー種氮化鎵發(fā)光二極管，包括 基板； P型接觸層，形成在該基板上； 氮化鎵多層結(jié)構(gòu)，形成在該P型接觸層上，并具有n型氮化鎵層與p型氮化鎵層，該n型氮化鎵層與該P型氮化鎵層之間夾入激活層，該P型氮化鎵層鄰接于該P型接觸層，且該n型氮化鎵層包括快速熱退火層，該快速熱退火層具有約3 X IO19CnT3至約3 X IO21CnT3的激活摻雜物濃度；及 n型接觸，形成在該n型氮化鎵層上； 其中該快速熱退火層被以10秒或更短的持續(xù)時間進行快速熱退火。
20.如權(quán)利要求19的氮化鎵發(fā)光二極管，其中該快速熱退火層是閃光燈快速熱退火層和激光器快速熱退火層之ー。
21.如權(quán)利要求19或20的氮化鎵發(fā)光二極管，其中該n型接觸具有從約I X ICT4Ohm-Cm2至約I X lCT6ohm-cm2的范圍內(nèi)的n型接觸電阻。
全文摘要
氮化鎵發(fā)光二極管的快速熱退火。本發(fā)明公開一種在形成氮化鎵(GaN)發(fā)光二極管(LED)時所執(zhí)行的快速熱退火的方法，以及使用所述快速熱退火方法所形成的氮化鎵發(fā)光二極管。一種例示性方法包含形成氮化鎵多層結(jié)構(gòu)，其具有n型氮化鎵層與p型氮化鎵層，且所述n型氮化鎵層與p型氮化鎵層之間夾入激活層。該方法還包含使用激光器或閃光燈對p型氮化鎵層執(zhí)行快速熱退火。該方法還包含在氮化鎵多層結(jié)構(gòu)上形成透明導(dǎo)電層，且將p型接觸添加至透明導(dǎo)電層上及將n型接觸添加至n型氮化鎵層上。所得氮化鎵發(fā)光二極管具有增強的輸出功率、更低的接通電壓及減低的串聯(lián)電阻。
文檔編號H01L33/02GK102956476SQ201210300599
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者王耘, A·M·霍利魯克 申請人:超科技公司