CN102110748A - 用于GaN发光二极管的激光尖脉冲退火 - Google Patents

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Abstract

公开了在形成氮化镓(GaN)发光二极管(LED)中进行激光尖脉冲退火(LSA)的方法以及用LSA形成的GaN LED。示例性方法包含在基底顶上形成有当中夹入激活层的n-GaN层和p-GaN层的GaN多层结构。该方法还包含通过令激光束在该p-GaN层上扫描进行LSA。该方法还包含在该GaN多层结构顶上形成透明导电层，并添加p-接触到透明导电层和n-接触到n-GaN层。得到的GaN LED有增强的输出功率、较低的导通电压和降低的串联电阻。

Description

用于GaN发光二极管的激光尖脉冲退火
技术领域
本发明一般涉及发光二极管(LED)，并且尤其涉及在形成GaNLED中激光尖脉冲退火的使用。
背景技术
氮化镓(GaN)LED已经被证明对各种照明应用(如全色显示、交通灯等等)是有用的，且如果这些LED能被制成有更高效率的话，则有潜力用于甚至更多的应用(如背光照明LCD板、取代惯用白炽灯的固态照明和荧光灯等等)。为实现GaN LED的更高效率，它们必须有增强的输出功率、较低的导通电压和降低的串联电阻。GaNLED中的串联电阻与掺杂物激活的效率、电流分布的均匀性和欧姆接触形成密切相关。
在GaN中，n型掺杂物容易用Si获得并有高达1×1020cm-3的激活浓度。p型GaN能够用Mg作掺杂物获得。然而，由于Mg的高的热激活能量，Mg掺杂的效率十分低。在室温下，只有被引入的Mg的小的百分比对自由空穴浓度有贡献。Mg掺杂在MOCVD生长期间进一步变复杂，因为氢在生长过程期间钝化。氢钝化要求热退火步骤断开Mg-H键并激活掺杂物。典型的热退火是在约700℃的N2环境中被进行的。到目前为止，p型GaN的实际空穴浓度仍然被限制在约5×1017cm-3。这样低的激活水平导致限制GaN LED性能的不良的欧姆接触和大的分布电阻。
发明内容
本发明的一方面是形成GaN LED的方法。该方法包含在基底顶上形成有当中夹入激活层的n-GaN层和p-GaN层的GaN多层结构。该方法还包含通过令激光束在p-GaN层上扫描进行激光尖脉冲退火。该方法还包含在GaN多层结构顶上形成透明导电层。该方法还包含添加p-接触(p-contact)到透明导电层和n-接触(n-contact)到n-GaN层。
本发明的另一方面是形成GaN LED的方法。该方法包含在基底顶上形成p-接触层。该方法还包含在该p-接触顶上形成有当中夹入激活层的n-GaN层和p-GaN层的GaN多层结构，以该p-GaN层邻接该p-接触层。该方法还包含在n-GaN层顶上形成n-接触。该方法还包含通过令激光束在该n-接触上扫描进行该n-接触的LSA。
本发明的另一方面是一种包含基底和在该基底顶上形成的GaN多层结构的GaN LED。该GaN多层结构有当中夹入激活层的n-GaN层和p-GaN层。该p-GaN层已经经受LSA以便有大于约5×1017cm-3和直到约5×1018cm-3的被激活掺杂物浓度。该GaN LED包含在GaN多层结构顶上的透明导电层、在该透明导电层顶上形成的p-接触和在n-GaN层的露出部分顶上形成的n-接触。
本发明的另一方面是一种包含基底和在该基底顶上形成p-接触层的GaN LED。该GaN LED还包含在p-接触层顶上形成的GaN多层结构。该GaN多层结构有当中夹入激活层的n-GaN层和p-GaN层，以该p-GaN层邻接该p-接触层。该n-GaN层已经经受LSA以获得约3×1019cm-3到约3×1020cm-3的激活掺杂物浓度。n-接触被形成在该n-GaN层顶上。
本发明另外的特性和优点，将在下面的详细描述中被陈述，且部分地容易被本领域熟练技术人员从该描述了解或通过实践本文描述的本发明而认识，本文描述的本发明包含下面的详细描述、权利要求书，以及附图。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述两者给出本发明的实施例，并且都是力图提供概况或框架，以便理解如权利要求所要求的本发明的性质和特征。附图被包含在内以提供本发明的进一步理解，且被合并进并构成说明书的一部分。这些图示出本发明的各种实施例，并与该描述一道起解释本发明的原理及操作的作用。
附图说明
图1是GaN LED的示范性结构的示意断面图；
图2是退火温度TA(℃)对时间(毫秒，ms)的曲线图，并示出当进行激光尖脉冲退火(LSA)时扫描的激光束的三种不同停留时间的示范性退火温度分布；
图3是p-GaN层的近视侧视图，示出使用扫描的激光束的LSA过程；
图4是示范性线型扫描的激光束形状的示意图；
图5是被应用于GaN LED结构的第一示范性LSA方法的示意图，该GaN LED结构是在产生如图1所示本发明的GaN LED过程中被形成的；
图6类似于图5并表明进一步包含透明导电层的GaN LED多层结构；
图7类似于图1并表明经由激光束在透明导电层表面上以及在其上形成的p-接触上的扫描而经受LSA的GaN LED；
图8类似于图5并表明，以GaN LED通过激光束在n-GaN层表面上的扫描而经受LSA，使该GaN LED多层结构颠倒的示范性GaNLED，因此n-GaN层在顶部并包含n-接触；和
图9是被模型化的电流(毫安，ma)对电压(V)曲线的曲线图，这些曲线示出本发明用LSA降低工作电压上的串联电阻的GaN LED(■)与现有技术(◆)的性能比较所获得的性能增益。
具体实施方式
现在详细参考本发明的优选实施例，实施例所举例子已在附图中被示出。只要可能，全部图中相同或类似的参考数字和符号被用于指相同或类似的零件。用语“在...之上”和“在...之下”是便于描述的相对的用语，并不企图作为严格的限制。
图1是氮化镓(GaN)发光二极管(LED)10的示范性结构的示意断面图。示范性GaN LED在美国专利No.6,455,877、7,259,399和7,436,001中也有描述，这些专利被本文引用以供参考。GaN LED 10包含基底20，诸如蓝宝石、SiC、GaN Si等等。被放置在基底20顶上的是GaN多层结构30，该GaN多层结构30包含n掺杂GaN层(“n-GaN层”)40和有表面52的p掺杂GaN层(“p-GaN层”)50。n-GaN层40和p-GaN层50当中夹入激活层60，以n-GaN层邻接基底20。激活层60例如包括多量子阱(MQW)结构，诸如无掺杂的GaInN/GaN超晶格。GaN多层结构30因而定义p-n结。有表面72的透明接触层(TCL)70驻留在GaN多层结构30顶上。示范性TCL70包含氧化铟锡(ITO)。TCL 70的作用是使电流分布并起优化光学输出的防反射涂层作用。
GaN LED 10还包含露出n-GaN层40一部分42的凹口80，该部分42起支承n-接触90n的凸缘的作用。示范性n-接触材料包含Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al或它们的组合。p-接触90p被布置在TCL表面72的一部分上。示范性p-接触材料包含Ni/Au和Cr/Au。
GaN LED 10至少以如下方式之一不同于现有技术的GaN LED：a)p-GaN层50中的掺杂物激活更多；b)n-接触90n被用激光尖脉冲退火(LSA)熔成合金和c)p-接触90p被用LSA熔成合金。处理GaN LED 10以获得这些差别的方法在下面详细描述。
激光尖脉冲退火(LSA)
要增加p-GaN层50中的激活，有短持续时间的高退火温度是必要的。使用惯用的快速热退火(RTA)，能够被应用的最高温度受GaN材料性质的退化的限制。一种退化机理是被掺杂(如用Mg)的p-GaN层50在MOCVD生长过程期间的分解。Mg需要相对高的退火温度以便有效激活，但在高温下的长持续时间使GaN通过氮的外扩散分解并降低p-GaN中自由空穴的浓度。典型的RTP型退火过程在氮环境中使基底保持在700℃上数十秒到数分钟之间。
另一种退化机理是应变弛豫和p-GaN层50中位错的产生。由于晶格失配，异质外延结构处于有内在应变的亚稳状态。惯用的RTA由于热膨胀系数中的失配而引进额外的应变，从而加速位错的传播和倍增。
本发明采用激光尖脉冲退火(LSA)，它使用比惯用的诸如RTA热退火更高的温度和更短的退火时间。适合实施本发明方法的示范性LSA系统在美国专利No.6,747,245、7,154,066和7,399,945中描述，这些专利被本文引用以供参考。在本发明的方法中LSA的示范性应用与惯用的RTA比较，降低退火时间三到四个量级，能实现更高的退火温度TA(如TA＞1,100℃)，没有有害的氮外扩散和位错产生效应。
用LSA增强被掺杂的GaN层中的掺杂物激活，因为在高掺杂物浓度上隧穿电流更高和势垒的高度下降而改进接触电阻。在高的激活掺杂物浓度上，具体的接触电阻ρc约略估计为：
ρ c ∝ exp [ 4 π ϵ m * h φ B - Δ φ B N ] 方程式1
这里势垒高度变化
Figure BDA0000030958710000052
由下式给出：
Δ φ B = [ q 3 N 8 π 2 ϵ 3 ( V 0 - k B T q ) ] 1 / 4 方程式2
在上面的方程式中，h是普朗克常数，m＊是电子或空穴的有效质量，ε是氮化物的介电常数，N是激活的掺杂物浓度，q是基本电荷，kB是玻尔兹曼常数，T是绝对温度和V0是接触电势。
增加的激活掺杂物浓度N使
Figure BDA0000030958710000054
增加，它使方程式1指数中的分子降低，而N的增加通过增加方程式1指数中的分母使ρc下降。结果，接触电阻ρc随掺杂物激活的增加而下降。本发明的方法的示范性实施例使p-GaN中被激活掺杂物浓度增加高达约2.5倍的因子(如从约5×1017cm-3到约1.25×1018cm-3)，从而给出约60％的总接触电阻(包含分布电阻)的下降。
图2是退火温度TA(℃)对时间(ms)的曲线图，并示出如图3和图4所示扫描的激光束120的三种不同停留时间的示范性退火温度分布(曲线)。图2中的曲线代表给定层的表面上，诸如如图所示的p-GaN层50的表面52上的点P，随着激光束120接近并在该点上通过时的退火温度分布。在计算中，激光束120在表面52上有长而细的形状(当按选定的强度阈值选取时)，例如有约10mm的长度L和约100μm的宽度W，或约100∶1的长宽比。激光束120以速度VS横跨表面52扫描。停留时间td由光束宽度W和扫描速度VS确定。对更长的停留时间，随着激光束120的接近，热传导使点P预热，直到激光束照在该点上，由此使退火温度升到它的最大值TAM。对较短的停留时间，热传导不足以预热硅，而点P经历最大退火温度TAM的持续时间短得多。这样允许调节退火温度分布。
用于GaN LED结构的示范性LSA方法
图5是作为被应用于GaN LED结构100的第一示范性LSA方法的示意图，该GaN LED结构100是在产生GaN LED 10的过程中被形成的。GaN LED结构100包含基底20和GaN多层结构30。扫描的激光束120被设计成入射到p-GaN层50的表面52上。激光束120的扫描或者通过令激光束扫描或者通过令GaN LED结构100扫描，例如通过令形成GaN LED 10过程中使用的晶片(未画出)扫描而获得。停留时间td＝W/VS的示范性范围从约10微秒(μs)到10毫秒(ms)。最大退火温度TAM的示范性范围从约900℃到约1500℃。最大退火温度TAM由GaN LED结构100中GaN离解的量和晶格失配应变弛豫及位错确定。退火的深度依赖于停留时间和激光束强度。示范性激光束强度是400W/mm2。示范性GaN多层结构30的厚度为数μm到约10μm，且退火典型地到达从10μm到100μm，就是说，一般透过GaN多层结构并在一些情形中一直到达基底20。因此，即使增加p-GaN层50的掺杂物激活是被追求的，但在示范性实施例中，增加垫底的n-GaN层40中的掺杂物激活有额外的好处。
一旦GaN LED结构100的退火已被完成，那么TCL 70被施加到p-GaN层的表面52顶上。之后凹口80被形成，以及n-接触90n和p-接触90p被施加(如淀积)以形成如图1所示的GaN LED 10。
图6类似于图5并表明进一步包含TCL 70的GaN LED多层结构100。在TCL 70的淀积之后进行LSA的优点是，该TCL能够在退火期间起防止氮释气的封顶层作用，从而能实现更高退火温度TA而没有材料退化。
图7类似于图1并表明经由激光束120在TCL表面72上、包含在p-接触90p上的扫描而经受LSA的GaN LED 10。与惯用退火技术诸如RTA相比，LSA的相对低的热聚积允许前述高退火温度被使用而没有使接触垫90p中的金属形成透过p-n结的尖刺的风险。
在这里公开的退火方法的示范性实施例中，LSA被用于在图7的GaN LED的p接触90p中欧姆合金的形成。通常，p型欧姆接触是通过使Ni/Au在500℃和800℃之间的温度经10到20分钟合金化而获得的。高的合金化温度由于合金化金属透过p-n结的超扩散而导致形态退化和漏失。因为低的p型浓度，接触电阻是高的，例如约1×10-3ohm-cm2。这样不仅导致大的电压降而且还产生能使GaN LED在高电流强度上寿命退化的局部发热。通过使用LSA，更高的退火温度能够被施加而不会烧结。这提供形成p-接触90p和改进GaN LED 10的全面可靠性的新机会。在一个示范性实施例中，该p-接触的接触电阻在从约4×10-4ohm-cm2到约1×10-5ohm-cm2的范围内。因此，在本发明的方法的一个示范性实施例中，p-接触合金化和增加p-GaN层50中掺杂物激活的组合提供的组合好处是给出得到的GaN LED 10的性能的额外增加。
图8类似于图5并表明示范性的竖直GaN LED 10，其中基底20是金属的(如铜合金)，而GaN LED多层结构30有把图5所示颠倒的n-GaN层40和p-GaN层50，即有表面42的n-GaN层40在激活层60之上而p-GaN层50在该激活层之下。n-接触90n驻留在n-GaN层表面42顶上而p-接触90p驻留在p-GaN层之下并起反射层作用。独立的反射层(未画出)也可以邻接该p-接触90p被添加。图8的GaN LED 10经由激光束120在n-GaN层表面42上、包含在n-接触90n上的扫描而经受LSA。金属基底20被键接到GaN LED多层结构30并有用以有效地散热的良好的热传导性。再次指出，因为退火直达p-GaN层次(level)，所以在一个示范性实施例中，该层也经历增加的掺杂物激活，它进一步增强得到的GaN LED 10的性能。
由于在n型GaN层40中通常高的掺杂物浓度，建立到该层的n-接触90n的欧姆接触通常没有问题。1×10-6ohm-cm2以下的具体电阻ρc能够被获得。然而，在先进的倒装片LED中，n接触形成是在键接到不同的基底后进行的。在此情形中，热聚积(被定义为热激活exp{-Ea/kBTA}与退火持续时间的乘积，这里Ea是热激活能、kB是玻尔兹曼常数和TA是退火温度)需要被限制以免因GaN多层结构30与(金属)基底20之间热膨胀系数的失配造成应力和位错产生。在此情形中，300℃的低温RTA已经被用于形成欧姆接触并得到接触电阻ρc＝7×10-4ohm-cm2，这比用与LSA关联的更高退火温度和超低热聚积可获得的高得多。在一个示范性实施例中，在用LSA退火的n-GaN中所获得的接触电阻ρc低至1×10-6ohm-cm2，与没有激光退火的LED比较，导致在350mA驱动电流下高达8％改进的GaN LED的性能。
降低GaN LED的接触电阻导致改进的性能。随着二极管电流的增加，由(nkBT/qI)(这里n是理想性因子，kB是玻尔兹曼常数、T是结温度、q是基本电荷和I是二极管电流)给出的本征电阻下降到串联电阻RS支配GaN LED效率的点。
图9描绘出模型化的电流I(毫安，mA)对电压(V)的曲线，这些曲线示出GaN LED 10通过使用LSA降低串联电阻的工作电压上的性能增益。该曲线图是关于有不同串联电阻RS的GaN LED的，以“菱形”曲线(◆)对惯用的GaN LED模型化和“方形”(■)曲线对使用本发明的基于LSA方法在p-GaN中有2.5倍更高掺杂物激活的GaNLED模型化。注意电压变化ΔV经由关系式ΔV＝IΔRS与串联电阻中的变化有关。
在电流I＝350mA时，串联电阻RS中40％的减小(接触电阻中60％的下降)导致在工作电压V中约10％的下降从而在LED效率中以流明/瓦为单位的10％的增加。串联电阻的主要部分归结为接触电阻。
这一改进对更高的驱动电流甚至能够更大，该更高的驱动电流在将来是被主要的LED制造商期待被利用的。图9中两曲线是散开的，这样在更高的驱动电流上，电压降更大。因此，在700mA的驱动电流上，用本发明的方法形成的GaN LED预期比惯用的被掺杂的GaNLED的效率高出15-20％。这样使有惯用输出100流明/瓦的GaN LED改进为有输出约120流明/瓦的GaN LED。
本领域的熟练技术人员应当明白，能够对本发明作出各种修改和变更而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明力图涵盖对本发明的这些修改和变更，只要它们落在所附权利要求书及其等效叙述的范围内。

Claims (21)

1.一种形成氮化镓GaN发光二极管LED的方法，包括：
在基底顶上形成有当中夹入激活层的n-GaN层和p-GaN层的GaN多层结构；
通过令激光束在该p-GaN层上扫描以进行激光尖脉冲退火LSA；
在该GaN多层结构顶上形成透明导电层；和
添加p-接触到该透明导电层和添加n-接触到该n-GaN层。
2.权利要求1的方法，还包括进行透过该透明导电层的LSA。
3.权利要求2的方法，还包括进行该p-接触的LSA。
4.权利要求3的方法，还包括进行该n-接触的LSA。
5.权利要求3的方法，其中该p-接触有p-接触电阻，且所述进行该p-接触的LSA导致p-接触电阻在从约4×10-4ohm-cm2到约1×10-5ohm-cm2的范围内。
6.权利要求4的方法，还包括：
在该GaN多层结构和透明导电层中形成凸缘以露出n-GaN层；和
在该露出的GaN层上形成n-接触。
7.权利要求1的方法，其中该LSA有从约900℃到约1500℃范围内的最大退火温度TAM。
8.权利要求7的方法，其中，该激光束的扫描被处理以便使该激光束有从约10μs到10ms的停留时间。
9.权利要求7的方法，其中该激光束有长宽比约100∶1的线型光束形状。
10.权利要求1的方法，其中该p-GaN层在LSA之后有从约5×1017cm-3到约1×1018cm-3范围内的被激活的掺杂物浓度。
11.权利要求1的方法，还包括形成该激活层以包括多量子阱结构。
12.一种形成氮化镓GaN发光二极管LED的方法，包括：
在基底顶上形成p-接触层；
在该p-接触顶上形成有当中夹入激活层的n-GaN层和p-GaN层的GaN多层结构，以该p-GaN层邻接该p-接触层；
在该n-GaN层顶上形成n-接触；和
通过令激光束在该n-接触上扫描进行该n-接触的激光尖脉冲退火LSA。
13.权利要求12的方法，包括令该n-GaN层扫描。
14.权利要求13的方法，其中该n-接触有n-接触电阻，且所述进行该n-接触的LSA导致n-接触电阻在从约1×10-4ohm-cm2到约1×10-6ohm-cm2的范围内。
15.权利要求12的方法，还包括处理该LSA以便有从约900℃到约1500℃范围内的最大退火温度TAM并处理该激光束的所述扫描以便有从约10μs到10ms的停留时间。
16.权利要求12的方法，其中该激光束有长宽比约100∶1的线型光束形状。
17.一种氮化镓GaN发光二极管LED，包括：
基底；
形成在该基底顶上并有当中夹入激活层的n-GaN层和p-GaN层的GaN多层结构，其中该p-GaN层已经被激光尖脉冲退火以便有大于约5×1017cm-3和直到约5×1018cm-3的被激活的掺杂物浓度；
在该GaN多层结构顶上的透明导电层；
在该透明导电层顶上形成的p-接触；和
在该n-GaN层的露出部分顶上形成的n-接触。
18.权利要求17的GaN LED，其中该p-接触由于被激光尖脉冲退火的结果而有从约4×10-4到约1×10-5ohm-cm2范围内的欧姆接触电阻。
19.权利要求17的GaN LED，其中该n-接触由于被激光尖脉冲退火的结果而有从约1×10-4ohm-cm2到约1×10-6ohm-cm2范围内的n-接触电阻。
20.一种氮化镓GaN发光二极管LED，包括：
基底；
在该基底顶上形成的p-接触层；
在该p-接触层顶上形成的并有当中夹入激活层的n-GaN层和p-GaN层的GaN多层结构，以该p-GaN层邻接该p-接触层，且该n-GaN层已经被激光尖脉冲退火以获得约3×1019cm-3到约3×1020cm-3的激活掺杂物浓度；和
在该n-GaN层顶上形成的n-接触。
21.权利要求20的GaN LED，其中该n-接触由于被激光尖脉冲退火的结果而有从约1×10-4ohm-cm2到约1×10-6ohm-cm2范围内的n-接触电阻。
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