JP2013038417A - FAST ANNEALING FOR GaN LED - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of forming GaN light-emitting diodes which realizes enhanced output power, lower starting voltage, and reduced series resistance.SOLUTION: A method of forming GaN light-emitting diodes includes forming a GaN multilayer structure having an n-GaN layer 40 and a p-GaN layer 50 between which an active layer 60 is interposed. The method also includes performing fast annealing of the p-GaN layer 50 using either a laser or a flash lamp. The method further includes forming a transparent conductive layer 70 on the GaN multilayer structure, and adding a p-contact 90p to the transparent conductive layer 70 and an n-contact 90n to the n-GaN layer 40.

Description

(関連出願の相互参照)
本出願は、2009年11月6日に出願された米国出願12/590,360(発明の名称:レーザースパイクアニール)の一部継続出願であり、原出願の内容は本出願に援用される。
(Cross-reference of related applications)
This application is a continuation-in-part of US Application 12 / 590,360 (Title of Invention: Laser Spike Annealing) filed on November 6, 2009, the contents of which are incorporated herein by reference.

本発明は、一般に発光ダイオード(LED)に関し、特に、GaN LED形成時の高速アニールの使用に関する。   The present invention relates generally to light emitting diodes (LEDs) and, more particularly, to the use of rapid annealing when forming GaN LEDs.

LED(とりわけ、窒化ガリウム(GaN)LED)は、様々な照明アプリケーション(フルカラーディスプレイ、交通信号機等)に有用であることが証明されており、効率化がさらに進めば、より多くのアプリケーション(バックライト方式のLCDパネル、従来の白熱灯や蛍光灯に代わる半導体照明等)への使用が見込まれている。GaN LEDをさらに効率化するためには、出力の改善、低起動電圧、直列抵抗の低減が必要となる。GaN LEDの直列抵抗は、ドーパント(不純物)の活性化効率、電流波及の均一化、抵抗接点の形成と密接に関係している。   LEDs (especially gallium nitride (GaN) LEDs) have proven useful for a variety of lighting applications (full color displays, traffic lights, etc.), and more applications (backlights) as efficiency increases further. LCD panels, semiconductor lighting to replace conventional incandescent lamps and fluorescent lamps) are expected. In order to further improve the efficiency of the GaN LED, it is necessary to improve the output, lower the starting voltage, and reduce the series resistance. The series resistance of a GaN LED is closely related to the activation efficiency of dopants (impurities), uniform current spreading, and formation of resistive contacts.

米国特許第6,455,877号US Pat. No. 6,455,877 米国特許第7,259,399号US Pat. No. 7,259,399 米国特許第7,436,001号US Pat. No. 7,436,001 米国特許第6,747,245号US Pat. No. 6,747,245 米国特許第7,154,066号US Pat. No. 7,154,066 米国特許第7,399,945号US Pat. No. 7,399,945

GaNにおいて、n型ドーパントは、1x1021cm−3程度の高活性化濃度でシリコン(Si)を使用することにより、容易に得ることができる。p型GaNは、マグネシウム(Mg)をドーパントとして使用することにより得られる。しかし、マグネシウムは、熱活性化エネルギーが高いため、ドーピング(不純物添加)効率は極めて低い。室温では、導入されたマグネシウムの数パーセントしか自由正孔濃度に寄与しない。有機金属気相成長法(MOCVD)による成長過程では、水素パッシベーションが生じるため、マグネシウムのドーピングはさらに複雑になる。水素パッシベーションが生じる場合、マグネシウムと水素間の結合を切断しドーパントを活性化させる熱アニール工程が必要となる。典型的な熱アニールは、約700℃の窒素雰囲気下で行われる。今日まで、p型GaN中の実際の正孔濃度は約5x1017cm−3程度しか実現されていない。このように活性化レベルが低いと、抵抗接点が脆弱になると共に拡散抵抗が大きくなり、延いてはGaN LEDの性能が制限されることになる。 In GaN, the n-type dopant can be easily obtained by using silicon (Si) at a high activation concentration of about 1 × 10 21 cm −3 . The p-type GaN is obtained by using magnesium (Mg) as a dopant. However, since magnesium has a high thermal activation energy, the doping (impurity addition) efficiency is extremely low. At room temperature, only a few percent of the introduced magnesium contributes to the free hole concentration. In the growth process by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), hydrogen passivation occurs, and magnesium doping becomes more complicated. When hydrogen passivation occurs, a thermal annealing step is necessary to break the bond between magnesium and hydrogen and activate the dopant. A typical thermal anneal is performed in a nitrogen atmosphere at about 700 ° C. To date, the actual hole concentration in p-type GaN has only been achieved on the order of about 5 × 10 17 cm −3 . Thus, when the activation level is low, the resistance contact becomes brittle and the diffusion resistance becomes large, which in turn limits the performance of the GaN LED.

本発明の一態様は、GaN LEDの形成方法である。この方法は、活性層を挟むn型GaN層とp型GaN層とを有するGaN多層構造を基板上に形成する工程を備える。また、この方法は、p型GaN層の高速アニール(すなわち、100ミリ秒およびそれよりも速いアニール)を実行する。この高速アニールは、p型GaN層に対してレーザー光を走査させるレーザスパイクアニール(LSA)、あるいは、フラッシュランプからの閃光によるウエハ全体の露光に包含されるフラッシュランプ・ミリ秒アニールのいずれかにより実行することができる。また、この方法は、GaN多層構造上に透明導電層を形成する工程を備える。さらに、この方法は、p型コンタクトを透明導電層に加えると共にn型コンタクトをn型GaN層に加える工程を備える。   One aspect of the present invention is a method for forming a GaN LED. This method includes a step of forming a GaN multilayer structure having an n-type GaN layer and a p-type GaN layer sandwiching an active layer on a substrate. This method also performs a fast anneal of the p-type GaN layer (ie, 100 milliseconds and faster). This high-speed annealing is performed either by laser spike annealing (LSA) in which laser light is scanned with respect to the p-type GaN layer, or by flash lamp millisecond annealing included in exposure of the entire wafer by flash light from a flash lamp. Can be executed. The method also includes the step of forming a transparent conductive layer on the GaN multilayer structure. The method further includes adding a p-type contact to the transparent conductive layer and adding an n-type contact to the n-type GaN layer.

この方法では、さらに、透明導電層を通して高速アニールを実行するのが好適である。   In this method, it is further preferable to perform rapid annealing through the transparent conductive layer.

この方法では、さらに、p型コンタクトの高速アニールを実行するのが好適である。   In this method, it is further preferable to perform rapid annealing of the p-type contact.

この方法において、p型コンタクトは、p型コンタクト抵抗を有するのが好適である。p型コンタクトに高速アニールを実行することにより、約4x10−4Ω-cmから約1x10−6Ω-cmの範囲のp型コンタクト抵抗が形成される。 In this method, the p-type contact preferably has a p-type contact resistance. By performing rapid annealing on the p-type contact, a p-type contact resistance in the range of about 4 × 10 −4 Ω-cm 2 to about 1 × 10 −6 Ω-cm 2 is formed.

この方法では、さらに、n型コンタクトに高速アニールを実施するのが好適である。   In this method, it is further preferable to perform rapid annealing on the n-type contact.

この方法では、さらに、n−GaN層を露光するために、GaN多層構造および透明導電層にレッジ(窪み)を形成するのが好適である。また、この方法では、さらに、露光されたGaN層の表面にn型コンタクトを形成するのが好適である。   In this method, it is further preferable to form a ledge in the GaN multilayer structure and the transparent conductive layer in order to expose the n-GaN layer. In this method, it is further preferable to form an n-type contact on the surface of the exposed GaN layer.

この方法において、高速アニールの最大アニール温度TAMは、約700℃から約1,500℃の範囲にあることが好適である。 In this method, the maximum annealing temperature T AM of fast annealing, it is preferable in the range of about 700 ° C. to about 1,500 ° C..

この方法において、高速アニールは、レーザーあるいはフラッシュランプを使用して実行するのが好適である。   In this method, the rapid annealing is preferably performed using a laser or a flash lamp.

この方法において、高速アニールは、1回のフラッシュで全てのp型GaN層を照射するフラッシュランプを用いて実行されるのが好適である。   In this method, the fast annealing is preferably performed using a flash lamp that irradiates all p-type GaN layers with a single flash.

この方法において、p型GaN層は、高速アニールを実施した後に約5x1017cm−3から約5x1019cm−3の範囲で活性化ドーパント濃度を有しているのが好適である。 In this method, the p-type GaN layer preferably has an activated dopant concentration in the range of about 5 × 10 17 cm −3 to about 5 × 10 19 cm −3 after performing rapid annealing.

この方法では、多量子井戸構造を得るために活性層を形成するのが好適である。   In this method, it is preferable to form an active layer in order to obtain a multi-quantum well structure.

本発明の他の態様は、GaN LEDの形成方法である。この方法は、活性層を挟むn型GaN層とp型GaN層とを有するGaN多層構造を形成する工程を備える。この方法は、さらに、p型GaN層に隣接するようにして、p型コンタクト層を形成する工程を備える。この方法は、さらに、n型GaN層上にn型コンタクトを形成する工程を備える。この方法は、さらに、n型コンタクトに対してレーザー光を走査させることにより、n型コンタクトの高速アニール(すなわち、100ミリ秒およびそれよりも速いアニール)を実行する工程を備えている。高速アニールは、レーザーあるいはフラッシュランプを用いて実行してもよい。   Another aspect of the present invention is a method of forming a GaN LED. This method includes a step of forming a GaN multilayer structure having an n-type GaN layer and a p-type GaN layer sandwiching an active layer. The method further includes the step of forming a p-type contact layer adjacent to the p-type GaN layer. The method further includes forming an n-type contact on the n-type GaN layer. The method further includes performing a fast anneal of the n-type contact (ie, 100 milliseconds and faster) by scanning the n-type contact with laser light. The rapid annealing may be performed using a laser or a flash lamp.

この方法において、高速アニールは、レーザーあるいはフラッシュランプを用いて実行されるのが好適である。   In this method, the rapid annealing is preferably performed using a laser or a flash lamp.

この方法において、n型コンタクトは、n型コンタクト抵抗を有するのが好適である。n型コンタクトに高速アニールを実行することにより、約1x10−4Ω-cmから約1x10−6Ω-cmの範囲のn型コンタクト抵抗が形成される。 In this method, the n-type contact preferably has an n-type contact resistance. By performing rapid annealing on the n-type contact, an n-type contact resistance in the range of about 1 × 10 −4 Ω-cm 2 to about 1 × 10 −6 Ω-cm 2 is formed.

この方法において、さらに、高速アニールの最大アニール温度TAMは、約700℃から約1,500℃の範囲にあることが好適である。 In this method, furthermore, the maximum annealing temperature T AM of fast annealing, it is preferable in the range of about 700 ° C. to about 1,500 ° C..

本発明の他の態様は、基板と、GaN多層構造と、透明導電層と、p型コンタクトと、n型コンタクトとを備えるGaN LEDである。GaN多層構造は、基板の表面上に形成されている。また、GaN多層構造は、活性層を挟むn型GaN層とp型GaN層とを有する。GaN多層構造は、高速アニールによって、活性化ドーパント濃度が約5x1017cm−3よりも大きく、かつ約5x1019cm−3以下である層を有している。透明導電層は、GaN多層構造の表面上に形成されている。p型コンタクトは、透明導電層の表面上に形成されている。n型コンタクトは、n型GaN層の露出部分上に形成されている。高速アニールは、レーザーあるいはフラッシュランプを用いて実行することができる。 Another aspect of the present invention is a GaN LED comprising a substrate, a GaN multilayer structure, a transparent conductive layer, a p-type contact, and an n-type contact. The GaN multilayer structure is formed on the surface of the substrate. The GaN multilayer structure has an n-type GaN layer and a p-type GaN layer sandwiching the active layer. The GaN multilayer structure has a layer whose activated dopant concentration is greater than about 5 × 10 17 cm −3 and less than or equal to about 5 × 10 19 cm −3 by rapid annealing. The transparent conductive layer is formed on the surface of the GaN multilayer structure. The p-type contact is formed on the surface of the transparent conductive layer. The n-type contact is formed on the exposed portion of the n-type GaN layer. Fast annealing can be performed using a laser or a flash lamp.

このGaN LEDにおいて、高速熱アニールを受けた層は、フラッシュランプによる高速熱アニールを受けた層、および、レーザーによる高速熱アニールを受けた層の内のひとつであることが好適である。   In this GaN LED, the layer subjected to rapid thermal annealing is preferably one of a layer subjected to rapid thermal annealing using a flash lamp and a layer subjected to rapid thermal annealing using a laser.

このGaN LEDにおいて、p型コンタクトは、約4x10−4Ω-cmから約1x10−6Ω-cmの範囲のオームコンタクト抵抗であることが好適である。 In this GaN LED, the p-type contact preferably has an ohmic contact resistance in the range of about 4 × 10 −4 Ω-cm 2 to about 1 × 10 −6 Ω-cm 2 .

このGaN LEDにおいて、n型コンタクトは、約1x10−4Ω-cmから約1x10−6Ω-cmの範囲のn型コンタクト抵抗であることが好適である。 In this GaN LED, the n-type contact preferably has an n-type contact resistance in the range of about 1 × 10 −4 Ω-cm 2 to about 1 × 10 −6 Ω-cm 2 .

本発明の他の態様は、基板と、GaN多層構造と、p型コンタクト層と、GaN多層構造と、n型コンタクトとを備えるGaN LEDである。p型コンタクト層は、基板の表面上に形成されている。GaN多層構造は、p型コンタクト層の表面上に形成されている。GaN多層構造は、活性層を挟むn型GaN層およびp型GaN層を備えており、p型GaN層は、p型コンタクト層に隣接している。n型GaN層は、高速アニールによって、活性化ドーパント濃度が約3x1019cm−3よりも大きく、かつ約3x1021cm−3以下である層を有している。n型コンタクトは、n型GaN層の表面上に形成されている。高速アニールは、レーザーあるいはフラッシュランプを用いて実行することができる。 Another aspect of the present invention is a GaN LED comprising a substrate, a GaN multilayer structure, a p-type contact layer, a GaN multilayer structure, and an n-type contact. The p-type contact layer is formed on the surface of the substrate. The GaN multilayer structure is formed on the surface of the p-type contact layer. The GaN multilayer structure includes an n-type GaN layer and a p-type GaN layer sandwiching the active layer, and the p-type GaN layer is adjacent to the p-type contact layer. The n-type GaN layer has a layer whose activated dopant concentration is higher than about 3 × 10 19 cm −3 and about 3 × 10 21 cm −3 or less by high-speed annealing. The n-type contact is formed on the surface of the n-type GaN layer. Fast annealing can be performed using a laser or a flash lamp.

このGaN LEDにおいて、高速熱アニールを受けた層は、フラッシュランプによる高速熱アニールを受けた層、および、レーザーによる高速熱アニールを受けた層の内のひとつであることが好適である。   In this GaN LED, the layer subjected to rapid thermal annealing is preferably one of a layer subjected to rapid thermal annealing using a flash lamp and a layer subjected to rapid thermal annealing using a laser.

このGaN LEDにおいて、n型コンタクトは、約1x10−4Ω-cmから約1x10−6Ω-cmの範囲のn型コンタクト抵抗であることが好適である。 In this GaN LED, the n-type contact preferably has an n-type contact resistance in the range of about 1 × 10 −4 Ω-cm 2 to about 1 × 10 −6 Ω-cm 2 .

本発明のさらなる特徴及び利点は、下記の詳細な説明(発明を実施するための形態)に明記されている。また、それらの一部は詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、下記の詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識される。   Additional features and advantages of the invention will be set forth in the detailed description which follows. Some of them will be readily apparent to those skilled in the art from the detailed description, or by practicing the invention described herein, including the following detailed description, the claims, and the accompanying drawings. Be recognized.

上記の背景技術に関する記載と下記の本発明の詳細な説明に関する記載とは、本発明の実施形態を提供するものであり、特許請求の範囲に記載されているように、本発明の本質および特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の様々な実施形態を図示するものであり、本明細書の記載とともに、本発明の原則及び実施を説明する一助となる。   The above description of the background art and the following detailed description of the present invention provide embodiments of the present invention, and as described in the claims, the essence and features of the present invention. It should be understood that it provides an outline or framework for understanding. The accompanying drawings are included to provide a further understanding of the invention, and are incorporated in and constitute a part of this specification. The drawings illustrate various embodiments of the invention and together with the description serve to explain the principles and practice of the invention.

GaN LEDの一構造例の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of one structural example of GaN LED. 時間(ミリ秒,ms)に対するアニール温度T(℃)のプロット図であり、レーザスパイクアニール(LSA)実行時に走査されたレーザ光の3つの異なる滞留時間に対する各アニール温度プロファイルの一例が示されている。Time (ms, ms) is a plot of annealing temperature T A (° C.) for an example of the annealing temperature profile for a laser spike annealing (LSA) 3 different residence times of the scanned laser beam at runtime shown ing. 走査レーザ光を使用したLSA過程を示すp型GaN層の拡大側面図である。It is an enlarged side view of a p-type GaN layer showing an LSA process using scanning laser light. ライン型走査レーザ光の一形状例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one example of a shape of a line type scanning laser beam. 図1に示す本発明のGaN LEDの形成過程において形成されるGaN LED構造に適用される第1のLSA方法例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 1st LSA method example applied to the GaN LED structure formed in the formation process of GaN LED of this invention shown in FIG. 図5と同様の図であり、透明導電層をさらに備えたGaN LED多層構造を示す図である。FIG. 6 is a view similar to FIG. 5 and showing a GaN LED multilayer structure further comprising a transparent conductive layer. 図1と同様の図であり、透明導電層の表面及びその表面上に形成されたp型コンタクトに対するレーザ光の走査によりLSAが実行されるGaN LEDを示す図である。It is a figure similar to FIG. 1, and is a figure which shows GaN LED by which LSA is performed by the scanning of the laser beam with respect to the surface of a transparent conductive layer, and the p-type contact formed on the surface. 図5と同様の図であって、n型GaN層が最上層に配置され、且つ、n型コンタクトを有するように、GaN LED多層構造を構成する層が入れ替わったGaN LEDの一例であり、n型GaN層の表面に対するレーザ光の走査によりLSAが実行されるGaN LEDを示す図である。FIG. 6 is a diagram similar to FIG. 5, and is an example of a GaN LED in which the layers constituting the GaN LED multilayer structure are replaced such that the n-type GaN layer is arranged in the uppermost layer and has an n-type contact; It is a figure which shows GaN LED by which LSA is performed by the scanning of the laser beam with respect to the surface of a type | mold GaN layer. 従来技術の性能(◆)に比べて本発明のGaN LEDの性能(■)が向上したことを示す、電流(ミリアンペア:mA)と電圧(V)の関係を示す曲線をモデル化したグラフであり、LSAを使用して作動電圧での直列抵抗が低減されている。It is the graph which modeled the curve which shows the relationship between an electric current (milliampere: mA) and a voltage (V) which shows that the performance (■) of the GaN LED of this invention improved compared with the performance (◆) of a prior art. , LSA is used to reduce the series resistance at the operating voltage. 高速熱アニールの際にフラッシュランプアニールシステムからの照射を受けているLEDウエハの例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of the LED wafer which has received irradiation from the flash lamp annealing system in the case of rapid thermal annealing. フラッシュランプからの閃光を用いて高速熱アニールを受けているGaN LEDの例を示す、図7と同様の図である。FIG. 8 is a view similar to FIG. 7 showing an example of a GaN LED that has undergone rapid thermal annealing using flash light from a flash lamp. フラッシュランプからの閃光を用いて高速熱アニールを受けているGaN LEDの例を示す、図8と同様の図である。FIG. 9 is a view similar to FIG. 8 showing an example of a GaN LED that has undergone rapid thermal annealing using flash from a flash lamp. フラッシュランプからの閃光を用いて高速熱アニールを受けている、GaN LEDの製造プロセス中に形成されるGaN LED構造の例を示す、図5と同様の図である。FIG. 6 is a view similar to FIG. 5 illustrating an example of a GaN LED structure formed during a GaN LED manufacturing process that has undergone rapid thermal annealing using flash from a flash lamp. フラッシュランプからの閃光を用いて高速熱アニールを受けている、GaN LEDの製造プロセス中に形成されるGaN LED構造の例を示す、図6同様の図である。FIG. 7 is a view similar to FIG. 6 illustrating an example of a GaN LED structure formed during a GaN LED manufacturing process that has undergone rapid thermal annealing using flash from a flash lamp.

ここで、本発明の好ましい実施形態を詳細に参照する。なお、実施形態の各例については、添付図面に図示されている。図中、同一または類似箇所を参照する場合、可能な限り同一または類似の番号及び記号を使用する。「上」、「下」等の用語は、本記載を容易にするために使用された相対的用語であり、本記載を厳密に限定することを意図するものではない。   Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention. Each example of the embodiment is illustrated in the accompanying drawings. When referring to the same or similar parts in the drawings, the same or similar numbers and symbols are used as much as possible. Terms such as “above” and “below” are relative terms used to facilitate the present description and are not intended to limit the present description strictly.

多くの望ましいLEDの性質(高いドーパント濃度、低いコンタクト抵抗等)は、高速熱アニールによって得られることが確認されている。本書では、高速熱アニールは、約100ミリ秒あるいはそれよりも短い持続時間(例えば、0.1ミリ秒から100ミリ秒の間)で実行されるアニールと定義される。高速熱アニールは、レーザー(例えば、レーザースパイクアニール)あるいはフラッシュランプを用いて(フラッシュランプアニール)実行することができる。   Many desirable LED properties (high dopant concentration, low contact resistance, etc.) have been found to be obtained by rapid thermal annealing. As used herein, rapid thermal annealing is defined as annealing performed at a duration of about 100 milliseconds or less (eg, between 0.1 and 100 milliseconds). The rapid thermal annealing can be performed using a laser (eg, laser spike annealing) or a flash lamp (flash lamp annealing).

下記の内容のほとんどは、レーザースパイクアニールに関するものである。しかし、改善点および特許請求の範囲は、ミリ秒アニールに関するすべての態様にまで及んでいる。   Most of the following is related to laser spike annealing. However, the improvements and claims extend to all aspects related to millisecond annealing.

図1は、GaN発光ダイオード(LED)10の一構造例を示す概略断面図である。また、GaN LEDの一例は、米国特許第6,455,877号、米国特許第7,259,399号、米国特許第7,436,001号に記載されており、これらの特許は参照することにより本発明に援用される。GaN LED10は、例えばサファイア、SiC、GaN Si等で形成された基板20を有する。基板20上にはGaN多層構造30が配置されている。GaN多層構造30には、n型ドープGaN層(以下、「n型GaN層」と称す)40と、表面52を有するp型ドープGaN層(以下「p型GaN層」と称す)50とが設けられている。n型GaN層40とp型GaN層50とは、活性層60を挟んでいる。また、n型GaN層40は、基板20と隣接している。活性層60は、例えば、未ドープGaInN/GaN超格子等の多重量子井戸(MQW)構造を有する。このように、GaN多層構造30ではpn接合が形成されている。GaN多層構造30上には、表面72を有する透明コンタクト層(TCL)70が配置されている。TCL70の一例としては、インジウム錫酸化物(ITO)が挙げられる。TCL70は、電流を拡散させる役割を果たし、光出力を最適化する反射防止膜として機能する。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one structural example of a GaN light emitting diode (LED) 10. Examples of GaN LEDs are described in US Pat. No. 6,455,877, US Pat. No. 7,259,399, US Pat. No. 7,436,001, which are referred to. Is incorporated herein by reference. The GaN LED 10 has a substrate 20 made of, for example, sapphire, SiC, GaN Si, or the like. A GaN multilayer structure 30 is disposed on the substrate 20. The GaN multilayer structure 30 includes an n-type doped GaN layer (hereinafter referred to as “n-type GaN layer”) 40 and a p-type doped GaN layer (hereinafter referred to as “p-type GaN layer”) 50 having a surface 52. Is provided. The n-type GaN layer 40 and the p-type GaN layer 50 sandwich the active layer 60. The n-type GaN layer 40 is adjacent to the substrate 20. The active layer 60 has, for example, a multiple quantum well (MQW) structure such as an undoped GaInN / GaN superlattice. Thus, a pn junction is formed in the GaN multilayer structure 30. A transparent contact layer (TCL) 70 having a surface 72 is disposed on the GaN multilayer structure 30. An example of TCL 70 is indium tin oxide (ITO). The TCL 70 serves to diffuse current and functions as an antireflection film that optimizes light output.

GaN LED10は切り欠き80を有する。切り欠き80が形成されることにより、n型GaN層40の表面部42が露出される。この露出部分は、n型コンタクト90nを支持するレッジ(窪み)として機能する。n型コンタクトの材料としては、例えば、Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al、またはこれらの組み合せが挙げられる。p型コンタクト90pは、TCL表面72上の一部分に配置される。p型コンタクトの材料としては、例えば、Ni/AuおよびCr/Auが挙げられる。   The GaN LED 10 has a notch 80. By forming the notch 80, the surface portion 42 of the n-type GaN layer 40 is exposed. This exposed portion functions as a ledge (indentation) that supports the n-type contact 90n. Examples of the material for the n-type contact include Ti / Au, Ni / Au, Ti / Al, or a combination thereof. A p-type contact 90p is disposed on a portion of the TCL surface 72. Examples of the material for the p-type contact include Ni / Au and Cr / Au.

GaN LED10は、下記(a)から(c)のうち少なくとも一つの点で従来の窒化ガリウムLEDと異なる。
(a)p型GaN層50におけるドーパント活性化の程度が高い。
(b)n型コンタクト90nがレーザスパイクアニール(LSA)の使用により合金化されている。
(c)p型コンタクト90pがLSAの使用により合金化されている。
以下、上記相違点を実現するためのGaN LED10の処理方法を詳細に説明する。
The GaN LED 10 differs from the conventional gallium nitride LED in at least one of the following (a) to (c).
(A) The degree of dopant activation in the p-type GaN layer 50 is high.
(B) The n-type contact 90n is alloyed by using laser spike annealing (LSA).
(C) The p-type contact 90p is alloyed by using LSA.
Hereinafter, a processing method of the GaN LED 10 for realizing the above differences will be described in detail.

レーザスパイクアニール(LSA)
p型GaN層50における活性化を高めるためには、アニールを高温で短期間実施することが望ましい。従来のアニールを採用した場合、適用可能な最高温度は、GaN材料の特性劣化により制限される。MOCVD成長過程において(例えば、Mgの使用により)ドープされたp型GaN層50が分解されることが、そのような劣化のメカニズムの一つとして挙げられる。Mgを効果的に活性化させるためには比較的高いアニール温度が必要となるが、高温で長期間アニールを実行した場合、窒素の外方拡散によりGaNが分解されると共に、p型GaN中の自由正孔濃度が減少する。従来の非高速熱アニール過程では、基板が窒素雰囲気下700℃で数十秒から数分の間保持される。
Laser spike annealing (LSA)
In order to increase the activation in the p-type GaN layer 50, it is desirable to perform annealing at a high temperature for a short period of time. When conventional annealing is employed, the maximum temperature that can be applied is limited by the degradation of the properties of the GaN material. One of the degradation mechanisms is that the doped p-type GaN layer 50 is decomposed (for example, by using Mg) during the MOCVD growth process. In order to effectively activate Mg, a relatively high annealing temperature is required. However, when annealing is performed at a high temperature for a long time, GaN is decomposed by outdiffusion of nitrogen, and in p-type GaN, Free hole concentration decreases. In the conventional non-rapid thermal annealing process, the substrate is held at 700 ° C. for several tens of seconds to several minutes in a nitrogen atmosphere.

他の劣化のメカニズムとしては、p型GaN層50における歪み緩和及び転位の発生が挙げられる。格子不整合により、ヘテロエピタキシャル構造が、歪みを内包した準安定状態となっている。従来の熱アニールでは、熱膨張係数の不一致により過度の歪みが発生し、これにより転位の伝播及び増殖が促進する。   Other degradation mechanisms include strain relaxation and dislocation generation in the p-type GaN layer 50. Due to lattice mismatch, the heteroepitaxial structure is in a metastable state including strain. In conventional thermal annealing, excessive distortion occurs due to mismatch of thermal expansion coefficients, which promotes dislocation propagation and growth.

本発明ではレーザスパイクアニール(LSA)が採用されており、当該LSAは、従来の非高速熱アニールと比較して高温且つ短時間で実施される。本発明に係る各方法の実行に適したLSAシステムの一例は、米国特許第6,747,245号、米国特許第7,154,066号、米国特許第7,399,945号に記載されており、当該特許は参照することにより本出願に援用される。本発明に係る各方法におけるLSAの応用例では、従来のRTAと比較してアニール処理時間が1,000〜10,000倍短縮されている。このため、問題のある窒素の外方拡散及び転位発生の影響無しに、より高いアニール温度T(例えば、T>1100℃)でアニール処理を行うことができる。 In the present invention, laser spike annealing (LSA) is adopted, and the LSA is performed at a higher temperature and in a shorter time than conventional non-rapid thermal annealing. An example of an LSA system suitable for performing each method according to the present invention is described in US Pat. No. 6,747,245, US Pat. No. 7,154,066, US Pat. No. 7,399,945. Which is hereby incorporated by reference into the present application. In the application example of LSA in each method according to the present invention, the annealing time is shortened by 1,000 to 10,000 times as compared with the conventional RTA. Therefore, the annealing process can be performed at a higher annealing temperature T A (for example, T A > 1100 ° C.) without the influence of problematic nitrogen outdiffusion and dislocation generation.

LSAを使用してドープGaN層におけるドーパント活性化を高めることにより、接触抵抗が改善される。これは、高ドーパント濃度では、トンネル電流が大きくなり、障壁高さが低くなるからである。高ドーパント活性化濃度では、下記のように特定の接触抵抗ρが求められる。
ここで、障壁高さ変化量Δφは下記の数式により求められる。
Contact resistance is improved by using LSA to enhance dopant activation in the doped GaN layer. This is because at a high dopant concentration, the tunnel current increases and the barrier height decreases. At a high dopant activation concentration, a specific contact resistance ρ c is determined as follows.
Here, the barrier height change amount Δφ B is obtained by the following equation.

上記数式において、hはプランク定数であり、mは電子または正孔の有効質量であり、εは窒化物の誘電定数であり、Nは活性化ドーパント濃度であり、qは電気素量であり、kはボルツマン定数であり、Tは絶対温度であり、Vは接触電位である。 In the above formula, h is the Planck constant, m * is the effective mass of electrons or holes, ε is the dielectric constant of nitride, N is the activation dopant concentration, and q is the elementary charge. , K B is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, and V 0 is the contact potential.

活性化ドーパント濃度Nが高くなるとΔΦが大きくなり、数1の指数中の分子が小さくなる。Nが大きくなると、数1の指数中の分母が大きくなり、ρが小さくなる。その結果、ドーパント活性化が高くなるに従って、接触抵抗ρが低下する。本発明に係る各方法に関する実施形態の一例では、p型GaN中の活性化ドーパント濃度が約2.5倍(例えば、約5x1017cm−3から約1.25x1018cm−3)まで高められる。このため、全体の接触抵抗(拡がり抵抗を含む)を約60%小さくさせることになる。 .DELTA..PHI B is increased when activating the dopant concentration N is increased, the molecules in the index number 1 is reduced. As N increases, the denominator in the exponent of Equation 1 increases and ρ c decreases. As a result, according to the dopant activation is increased, the contact resistance [rho c is reduced. In one example embodiment for each method according to the present invention, the activated dopant concentration in p-type GaN is increased by about 2.5 times (eg, from about 5 × 10 17 cm −3 to about 1.25 × 10 18 cm −3 ). . For this reason, the entire contact resistance (including spreading resistance) is reduced by about 60%.

図2は、時間(ms)に対するアニール温度T(℃)のプロット図であり、例えば、図3及び図4に示すように、走査レーザ光120の3つの異なる滞留時間に対する各アニール温度プロファイル(曲線)の一例を示している。図2の曲線は、任意の層の表面上(例えば、p型GaN層50の表面52上)の地点Pにおけるアニール温度プロファイルを示しており、図示しているように、レーザ光120がこの地点に接近し、通過する際のアニール温度プロファイルを示している。計算上、レーザ光120は、(選択した強度閾値で得られるように)表面52において長細い形状を有し、例えば、約10mmの長さL及び約100μmの幅W、若しくは、約100:1のアスペクト比を有する。レーザ光120は、速度Vで表面52上を走査する。滞留時間tは、ビーム幅Wと走査速度Vにより決定される。滞留時間が長い場合、地点Pは、レーザ光120の接近に伴い、接触するまで熱伝導により予熱される。このため、アニール温度は最大値TAMとなる。滞留時間が短い場合、熱伝導によるシリコンの予熱が不十分となり、地点Pは非常に短時間だけ最大アニール温度TAMとなる。このようにしてアニール温度プロファイルを調整することができる。 FIG. 2 is a plot of the annealing temperature T A (° C.) versus time (ms). For example, as shown in FIG. 3 and FIG. An example of a curve) is shown. The curve in FIG. 2 shows the annealing temperature profile at a point P on the surface of an arbitrary layer (for example, on the surface 52 of the p-type GaN layer 50), and as shown, the laser beam 120 is at this point. The annealing temperature profile when approaching and passing is shown. In calculation, the laser light 120 has a long and narrow shape at the surface 52 (as obtained at a selected intensity threshold), for example, a length L of about 10 mm and a width W of about 100 μm, or about 100: 1. Having an aspect ratio of The laser beam 120 scans the surface 52 at a speed V S. The residence time t d is determined by the scanning speed V S and the beam width W. When the residence time is long, the point P is preheated by heat conduction until it comes into contact with the approach of the laser beam 120. Therefore, the annealing temperature becomes the maximum value TAM . If the residence time is short, insufficient preheating of silicon by thermal conduction, the point P is a maximum annealing temperature T AM only a very short time. In this way, the annealing temperature profile can be adjusted.

窒化ガリウムLED構造に対するLSAの一方法例
図5は、GaN LED10の形成過程において形成されるGaN LED構造100に適用されるLSAの第1の方法例に関する模式図である。GaN LED構造100は、基板20及びGaN多層構造30を備えている。走査レーザ光120は、p型GaN層50の表面52上に入射される。レーザ光120の走査は、レーザ光120の走査または窒化ガリウムLED構造100の走査、例えば、GaN LED10の形成過程で使用されるウエハ(図示せず)の走査により実現される。滞留時間t=W/Vは、例えば、約10マイクロ秒(μs)から約10ミリ秒(ms)の範囲である。最大アニール温度TAMは、例えば、約700℃から約1500℃の範囲である。最大アニール温度TAMは、GaN LED構造100におけるGaN解離量、格子不整合による歪み緩和及び転位によって決定される。アニールの深さは、滞留時間とレーザ光の強度とに依存する。レーザ光の強度は、例えば、400W/mmである。GaN多層構造30は、例えば、数μmから約10μmの厚みを有し、アニールは、典型的には10μmから100μmに達する(つまり、アニールは、一般的には、GaN多層構造100の全厚みに施され、場合によっては基板20まで達する)。このようにしてp型GaN層50のドーパント活性化が高められるが、実施形態の一例では、下層のn型GaN層40のドーパント活性化も高められるという点でさらに有利である。
FIG. 5 is a schematic diagram relating to a first method example of LSA applied to the GaN LED structure 100 formed in the process of forming the GaN LED 10. The GaN LED structure 100 includes a substrate 20 and a GaN multilayer structure 30. The scanning laser beam 120 is incident on the surface 52 of the p-type GaN layer 50. The scanning of the laser beam 120 is realized by scanning the laser beam 120 or scanning the gallium nitride LED structure 100, for example, scanning a wafer (not shown) used in the process of forming the GaN LED 10. The residence time t d = W / V S is, for example, in the range of about 10 microseconds (μs) to about 10 milliseconds (ms). The maximum annealing temperature TAM is, for example, in the range of about 700 ° C. to about 1500 ° C. The maximum annealing temperature T AM is determined by the amount of GaN dissociation in the GaN LED structure 100, strain relaxation due to lattice mismatch, and dislocations. The depth of annealing depends on the residence time and the intensity of the laser beam. The intensity of the laser light is, for example, 400 W / mm 2 . The GaN multilayer structure 30 has a thickness of, for example, several μm to about 10 μm, and the annealing typically reaches 10 μm to 100 μm (ie, the annealing generally reaches the full thickness of the GaN multilayer structure 100). Applied to reach the substrate 20 in some cases). In this way, the dopant activation of the p-type GaN layer 50 is enhanced, but in an example of the embodiment, it is further advantageous in that the dopant activation of the lower n-type GaN layer 40 is also enhanced.

GaN LED構造100のアニールが一旦実行されると、p型GaN層の表面52にTCL70が形成される。そして、図1に示されるように、切り欠き80が形成され、n型コンタクト90n及びp型コンタクト90pが形成(例えば、蒸着)され、その結果、GaN LED10が形成される。   Once the GaN LED structure 100 is annealed, a TCL 70 is formed on the surface 52 of the p-type GaN layer. Then, as shown in FIG. 1, a notch 80 is formed, an n-type contact 90n and a p-type contact 90p are formed (for example, vapor deposition), and as a result, the GaN LED 10 is formed.

図6は、図5と同様であり、さらにTCL70を有するGaN LED構造100を図示している。TCL70の蒸着後にLSAを実行すれば、TCL70がキャップ層として機能してアニール中に窒素のガス抜けが生じないようになり、その結果、アニール温度Tをより高めても材料の分解を防ぐことができる。 FIG. 6 is similar to FIG. 5 and further illustrates a GaN LED structure 100 having a TCL 70. If you run LSA after deposition of TCL70, TCL70 is now nitrogen gas release during annealing functions as a cap layer does not occur, preventing a result, the degradation of the more enhanced even material annealing temperature T A Can do.

図7は、図1と同様であり、TCL表面72(p型コンタクト90pを含む)に対してレーザ光120を走査することによりLSAが実行されるGaN LED10を図示している。従来の非高速アニール技術と比較してLSAでは熱量が比較的低いため、p型コンタクト90p中の金属がpn接合に過渡するリスクを伴うことなく、上述のようにアニール温度を高めることができる。   FIG. 7 is similar to FIG. 1 and illustrates a GaN LED 10 in which LSA is performed by scanning laser light 120 against a TCL surface 72 (including p-type contact 90p). Since the amount of heat in LSA is relatively low compared to conventional non-fast annealing techniques, the annealing temperature can be raised as described above without the risk of the metal in the p-type contact 90p transitioning to a pn junction.

ここで開示されるアニール方法に関する実施形態の一例では、図7のGaN LEDのp型コンタクト90pにおいてオーム抵抗合金を形成するためにLSAが使用される。典型的には、p型抵抗接点は、500℃から800℃で10から20分間、Ni/Auを合金化することにより実現される。合金化温度が高められると、合金化金属がpn接合を介して過拡散するため、形態の劣化や漏洩が生じる。p型濃度が低くなるので、接触抵抗は高い値(例えば、約1x10−3Ωcm)になる。このため、電圧低下が大きくなるだけでなく、局所的加熱も生じ、結果として、高電流レベルでのGaN LED10の寿命が短くなるおそれがある。LSAを使用すれば、凝集を生じさせることなく、アニール温度をより高くすることができる。このため、p型コンタクト90pを形成したり、GaN LED10全体の信頼性を改善したりする新たな契機となる。一実施形態において、p型コンタクトの接触抵抗は、約4x10−4Ωcmから約1x10−6Ωcmの範囲にある。このように、本発明に係る方法に関する実施形態の一例では、p型コンタクトを合金化すると共にp型GaN層50におけるドーパント活性化を高めることにより、結果として得られるGaN LED10の性能をさらに向上させるという相乗効果が得られる。 In one example of an embodiment relating to the annealing method disclosed herein, LSA is used to form an ohmic resistance alloy in the p-type contact 90p of the GaN LED of FIG. Typically, p-type resistive contacts are realized by alloying Ni / Au at 500 ° C. to 800 ° C. for 10 to 20 minutes. When the alloying temperature is increased, the alloyed metal is excessively diffused through the pn junction, resulting in deterioration of form and leakage. Since the p-type concentration becomes low, the contact resistance becomes a high value (for example, about 1 × 10 −3 Ωcm 2 ). For this reason, not only the voltage drop becomes large, but also local heating occurs, and as a result, the lifetime of the GaN LED 10 at a high current level may be shortened. If LSA is used, the annealing temperature can be increased without causing aggregation. For this reason, it becomes a new opportunity to form the p-type contact 90p or to improve the reliability of the GaN LED 10 as a whole. In one embodiment, the contact resistance of the p-type contact is in the range of about 4 × 10 −4 Ωcm 2 to about 1 × 10 −6 Ωcm 2 . Thus, in one example of an embodiment relating to a method according to the present invention, the performance of the resulting GaN LED 10 is further improved by alloying the p-type contact and increasing dopant activation in the p-type GaN layer 50. A synergistic effect is obtained.

図8は、図5と同様であり、垂直方向のGaN LED10の一例を示す。ここで、基板20は金属(例えば、銅合金)であり、GaN多層構造30はn型GaN層40及びp型GaN層50を有する。ただし、n型GaN層40及びp型GaN層50は、図5に示す状態とは逆の配置になっている。即ち、表面42を有するn型GaN層40が活性層60上に配置され、p型GaN層50が活性層60下に配置されている。n型コンタクト90nは、n型GaN層の表面42上に配置される。また、p型コンタクト90pは、p型GaN層50下に配置され、反射層として機能する。また、p型コンタクト90pに隣接して反射層(図示せず)を別途追加してもよい。図8のGaN LED10では、n型GaN層の表面42上(n型コンタクト90n上を含む)に対してレーザ光120が走査され、LSAが実行されている。金属基板20は、GaN多層構造30に接合され、良好な熱伝導性を有し、熱放散を効率的に行う。上述を繰り返すが、アニールはp型GaN層の全厚みに施される。このため、一実施形態では、この層でもドーパント活性が高められ、結果として得られるGaN LED10の性能がさらに高められる。図8における、垂直方向のGaN LED10は、フリップチップ・プロセスによって形成される。   FIG. 8 is similar to FIG. 5 and shows an example of a GaN LED 10 in the vertical direction. Here, the substrate 20 is a metal (for example, copper alloy), and the GaN multilayer structure 30 has an n-type GaN layer 40 and a p-type GaN layer 50. However, the n-type GaN layer 40 and the p-type GaN layer 50 are arranged opposite to the state shown in FIG. That is, the n-type GaN layer 40 having the surface 42 is disposed on the active layer 60, and the p-type GaN layer 50 is disposed under the active layer 60. The n-type contact 90n is disposed on the surface 42 of the n-type GaN layer. The p-type contact 90p is disposed under the p-type GaN layer 50 and functions as a reflective layer. Further, a reflective layer (not shown) may be added separately adjacent to the p-type contact 90p. In the GaN LED 10 of FIG. 8, the laser beam 120 is scanned on the surface 42 (including the n-type contact 90n) of the n-type GaN layer, and LSA is performed. The metal substrate 20 is bonded to the GaN multilayer structure 30, has good thermal conductivity, and efficiently dissipates heat. Although the above is repeated, annealing is performed on the entire thickness of the p-type GaN layer. Thus, in one embodiment, this layer also increases dopant activity and further enhances the performance of the resulting GaN LED 10. The vertical GaN LED 10 in FIG. 8 is formed by a flip chip process.

一般的にこの層のドーパント濃度は高いので、通常、n型GaN層40にn型コンタクト90nの抵抗接点が形成されても問題とはならない。特定の接触抵抗ρを1x10−6Ωcm以下にすることができる。しかし、先進のフリップチップLEDでは、n型コンタクトは、他の基板への結合後に形成される。この場合、GaN多層構造30と(金属)基板20との熱膨張係数の不一致により生じるストレス及び転位を回避するため、熱量を制限する必要がある。なお、熱量は、Eを熱活性化エネルギーとし、kをボルツマン定数とし、Tをアニール温度とした場合、熱活性exp{−E/k}とアニール持続時間との積として定義される。この場合、抵抗接点の形成には300℃の低温アニールが採用され、その結果、接触抵抗ρは7x10−4Ωcmとなった。なお、この接触抵抗ρは、LSAにおいてアニール温度を高くし熱量を極めて低くすることにより達成される接触抵抗と比較しても随分高くなっている。一実施形態では、LSAアニールを使用することによりn型GaNにおいて1x10−6Ωcm程度低い接触抵抗ρが達成された。このため、350mAの駆動電流において、レーザアニールを採用しないLEDに比べ、窒化ガリウムLEDの性能が8%まで改善される。 In general, since the dopant concentration of this layer is high, even if a resistance contact of the n-type contact 90n is normally formed in the n-type GaN layer 40, there is no problem. The specific contact resistance ρ c can be set to 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less. However, in advanced flip chip LEDs, n-type contacts are formed after bonding to other substrates. In this case, it is necessary to limit the amount of heat in order to avoid stress and dislocation caused by the mismatch of thermal expansion coefficients between the GaN multilayer structure 30 and the (metal) substrate 20. Incidentally, heat is the E a a thermal activation energy, the k B the Boltzmann constant, when the T A and the annealing temperature, the product of the thermal activation exp {-E a / k B T A} and annealing duration Is defined as In this case, low-temperature annealing at 300 ° C. was adopted for forming the resistance contact, and as a result, the contact resistance ρ c was 7 × 10 −4 Ωcm 2 . Incidentally, the contact resistance [rho c is made much higher compared contact resistance to be achieved by a very low raised heat annealing temperature in the LSA. In one embodiment, a contact resistance ρ c as low as 1 × 10 −6 Ωcm 2 has been achieved in n-type GaN by using LSA annealing. For this reason, the performance of the gallium nitride LED is improved to 8% as compared with an LED that does not employ laser annealing at a drive current of 350 mA.

GaN LED10の接触抵抗を低下させることによって性能が改善される。ダイオード電流が大きくなるに伴い、(nkT/qI)(ここで、nは理想因子であり、kはボルツマン定数であり、Tは接合部温度であり、qは素電荷であり、Iはダイオード電流である)で与えられる固有抵抗は、直流抵抗RがGaN LED10の効率に対して支配的になる点まで低下する。 By reducing the contact resistance of the GaN LED 10, performance is improved. As the diode current increases, (nk B T / qI) (where n is the ideal factor, k B is the Boltzmann constant, T is the junction temperature, q is the elementary charge, I Is a diode current), and the resistivity decreases to a point where the DC resistance R S becomes dominant with respect to the efficiency of the GaN LED 10.

図9は、モデルとなる電流I(ミリアンペア,mA)と電圧(V)の関係を示す曲線を示しており、LSAを使用して窒化ガリウムLED10の性能を向上させ、作動電圧での直列抵抗を低減したことを示す。このグラフは、異なる直列抵抗Rを有するGaN LED10に対するものであり、「ダイヤモンド(◆)」の曲線は従来のGaN LED10をモデル化しており、「正方形(■)」の曲線は、本発明に係るLSAに基づく方法を使用してp型GaNのドーパント活性化を2.5倍高くしたGaN LED10をモデル化している。なお、電圧変化ΔVは、ΔV=IΔRの関係により、直列抵抗における変化と関連性がある。 FIG. 9 shows a curve showing the relationship between the model current I (mA, mA) and the voltage (V). Using LSA, the performance of the gallium nitride LED 10 is improved, and the series resistance at the operating voltage is increased. Indicates reduced. This graph is for GaN LEDs 10 having different series resistances R S , where the “diamond (♦)” curve models a conventional GaN LED 10, and the “square (■)” curve represents the present invention. A GaN LED 10 with 2.5 times higher dopant activation of p-type GaN is modeled using such an LSA-based method. Incidentally, the voltage change [Delta] V, the relationship ΔV = IΔR S, are relevant with the change in the series resistance.

電流I=350mAにおいて、直列抵抗Rが40%低下すると(接触抵抗は60%の低下)、作動電圧Vが10%低下する。このため、LED効率は、ルーメン/ワット換算で10%増加することになる。直列抵抗は主に接触抵抗に起因している。 At a current I = 350 mA, when the series resistance RS decreases by 40% (contact resistance decreases by 60%), the operating voltage V decreases by 10%. For this reason, the LED efficiency is increased by 10% in terms of lumen / watt. Series resistance is mainly due to contact resistance.

将来的に主要なLED製造業者に採用されるであろう高駆動電流型では、さらなる改良が見込まれる。図9の2つの曲線は、駆動電流が高くなるにつれて、電圧の落ち込みが大きくなるように分岐している。このように、本発明に係る方法を使用して形成されたGaN LEDは、駆動電流が700mAの場合、従来のドープGaN LEDに比べて15〜20%効率的であることが予想される。このため、従来の100ルーメン/ワットの出力を有するGaN LEDは、約120ルーメン/ワットの出力を有するように改善される。   Further improvements are expected in the high drive current type that will be adopted by major LED manufacturers in the future. The two curves in FIG. 9 branch so that the voltage drop increases as the drive current increases. Thus, GaN LEDs formed using the method according to the present invention are expected to be 15-20% more efficient than conventional doped GaN LEDs when the drive current is 700 mA. Thus, a conventional GaN LED with an output of 100 lumens / watt is improved to have an output of about 120 lumens / watt.

フラッシュランプアニール
ここで開示される実施形態の一例では、フラッシュランプからの閃光を用いて高速アニールが実行される。図10は、表面202を有するLEDウエハ200の一例を示す模式図である。LEDウエハ200は、ウエハステージ206に支持されている。LEDウエハ200は、図11および図12に示されるようなGaN LED10、または図13および図14に示されるような、GaN LED10を製造する過程で形成されるGaN LED構造100を有している。LEDウエハ200およびウエハステージ206は、チャンバ220のチャンバ内部空間210に収容されている。フラッシュランプ250は、チャンバ内部空間210において、ウエハ表面202の近くに設けられている。フラッシュランプ250は、1つまたは複数のフラッシュランプエレメント252を含んでいてもよい。フラッシュランプ250は、ミリ秒単位の長さ(例えば、0.1から100ミリ秒の間)の閃光260を発するようになっている。閃光260は、ウエハ表面202全体を露光して、フラッシュランプによるLEDウエハ200の高速アニールを実行する。フラッシュランプによる高速アニールシステムおよび方法の例は、米国特許番号7,015,422および米国特許出願公報US2008/0008460に開示されており、これらに記載された内容は本明細書に援用される。
Flash Lamp Annealing In one example of embodiments disclosed herein, fast annealing is performed using flash from a flash lamp. FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of an LED wafer 200 having a surface 202. The LED wafer 200 is supported on the wafer stage 206. The LED wafer 200 has a GaN LED structure 100 formed in the process of manufacturing the GaN LED 10 as shown in FIGS. 13 and 14 or the GaN LED 10 as shown in FIGS. 11 and 12. The LED wafer 200 and the wafer stage 206 are accommodated in the chamber internal space 210 of the chamber 220. The flash lamp 250 is provided near the wafer surface 202 in the chamber internal space 210. The flash lamp 250 may include one or more flash lamp elements 252. The flash lamp 250 emits a flash 260 having a length in milliseconds (for example, between 0.1 and 100 milliseconds). The flash 260 exposes the entire wafer surface 202 and performs high-speed annealing of the LED wafer 200 with a flash lamp. Examples of flash lamp rapid annealing systems and methods are disclosed in US Pat. No. 7,015,422 and US Patent Application Publication US2008 / 0008460, the contents of which are incorporated herein by reference.

図11は、TCL表面27(p型コンタクト90pを含む)に照射された閃光260を用いて高速熱アニールを受けているGaN LED10の例を示す、図7と同様の図である。図12は、図8と同様の図であり、垂直方向のGaN LED10の一例を示している。このGaN LED10において、基板20は、金属(例えば、銅合金)であり、GaN多層構造30は、図5に示すものとは逆の順に重ねられた、n型GaN層40およびp型GaN層50を有している。すなわち、表面42を有するn型GaN層40は、活性層60の上にあり、p型GaN層50は、活性層60の下にある。n型コンタクト90nは、n型GaN層の表面42の上に設けられている。また、p型コンタクト90pは、p型GaN層50の下に設けられており、反射層としての役割も果たす。分離した反射層(図示しない)をp型コンタクト90pに隣接して追加してもよい。図12のGaN LED10は、閃光260によってn型GaN層の表面42(n型コンタクト90nを含む)が高速アニールされる。   FIG. 11 is a view similar to FIG. 7 showing an example of the GaN LED 10 subjected to rapid thermal annealing using the flash 260 irradiated to the TCL surface 27 (including the p-type contact 90p). FIG. 12 is a view similar to FIG. 8 and shows an example of the GaN LED 10 in the vertical direction. In this GaN LED 10, the substrate 20 is a metal (for example, copper alloy), and the GaN multilayer structure 30 is stacked in the reverse order to that shown in FIG. 5, the n-type GaN layer 40 and the p-type GaN layer 50. have. That is, the n-type GaN layer 40 having the surface 42 is on the active layer 60, and the p-type GaN layer 50 is below the active layer 60. The n-type contact 90n is provided on the surface 42 of the n-type GaN layer. The p-type contact 90p is provided under the p-type GaN layer 50, and also serves as a reflective layer. A separate reflective layer (not shown) may be added adjacent to the p-type contact 90p. In the GaN LED 10 of FIG. 12, the surface 42 (including the n-type contact 90n) of the n-type GaN layer is rapidly annealed by the flash 260.

図13は、閃光260を用いた高速アニールが、GaN LED10の製造プロセス中に形成されるGaN LED構造100に適用される例を示す、図5と同様の図である。   FIG. 13 is a view similar to FIG. 5 showing an example in which fast annealing using flash 260 is applied to a GaN LED structure 100 formed during the manufacturing process of GaN LED 10.

図14は、閃光260を用いた高速アニールが、TCL70を含む一例としてのGaN LED構造100に適用される例を示す、図6同様の図である。   FIG. 14 is a view similar to FIG. 6 showing an example in which rapid annealing using flash 260 is applied to an exemplary GaN LED structure 100 including TCL 70.

当業者には明白であるが、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、本発明に対して種々の改良を施したり変更を加えたりすることができる。したがって、本発明に対する改良や変更が添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲に含まれるのであれば、その改良や変更は、本発明に包含される。   It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, if the improvement and change with respect to this invention are included in the range of an attached claim and its equivalent, the improvement and change are included in this invention.

Claims (22)

活性層を挟むn型GaN層とp型GaN層とを有するGaN多層構造を基板上に形成する工程と、
前記p型GaN層に対して高速アニールを実行する工程と、
前記GaN多層構造上に透明導電層を形成する工程と、
前記透明導電層にp型コンタクトを追加すると共に前記n型GaN層にn型コンタクトを追加する工程と
を備える、GaN発光ダイオード(LED)の形成方法。
Forming a GaN multilayer structure having an n-type GaN layer and a p-type GaN layer sandwiching an active layer on a substrate;
Performing high-speed annealing on the p-type GaN layer;
Forming a transparent conductive layer on the GaN multilayer structure;
And adding a p-type contact to the transparent conductive layer and adding an n-type contact to the n-type GaN layer.
前記透明導電層を介して前記高速アニールを実行する工程をさらに備える
請求項1に記載のGaN LEDの形成方法。
The method for forming a GaN LED according to claim 1, further comprising performing the high-speed annealing through the transparent conductive layer.
前記p型コンタクトに対して前記高速アニールを実行する工程をさらに備える
請求項1または2に記載のGaN LEDの形成方法。
The method for forming a GaN LED according to claim 1, further comprising performing the high-speed annealing on the p-type contact.
前記p型コンタクトは、p型コンタクト抵抗を有し、
前記p型コンタクト抵抗は、前記p型コンタクトに対する高速アニールの実行により約4x10−4Ω-cmから約1x10−6Ω-cmの範囲となる
請求項3に記載のGaN LEDの形成方法。
The p-type contact has a p-type contact resistance;
4. The method of forming a GaN LED according to claim 3, wherein the p-type contact resistance is in a range of about 4 × 10 −4 Ω-cm 2 to about 1 × 10 −6 Ω-cm 2 by performing high-speed annealing on the p-type contact.
前記n型コンタクトに対して高速アニールを実行する工程をさらに備える
請求項1から3のいずれかに記載のGaN LEDの形成方法。
The method for forming a GaN LED according to claim 1, further comprising a step of performing high-speed annealing on the n-type contact.
前記GaN多層構造と前記透明導電層とを切り欠いて前記n型GaN層を露出させる工程と、
前記露出されたGaN層上に前記n型コンタクトを形成する工程と
をさらに備える、請求項1から5のいずれかに記載のGaN LEDの形成方法。
Notching the GaN multilayer structure and the transparent conductive layer to expose the n-type GaN layer;
The method of forming a GaN LED according to claim 1, further comprising: forming the n-type contact on the exposed GaN layer.
前記高速アニールは、約700℃から約1500℃の範囲の最大アニール温度TAMを有する
請求項1から6のいずれかに記載のGaN LEDの形成方法。
The high-speed annealing, GaN LED forming method according to any one of claims 1 to 6 having a maximum annealing temperature T AM in the range of about 700 ° C. to about 1500 ° C..
前記高速アニールにはレーザーまたはフラッシュランプが使用される
請求項1から7のいずれかに記載のGaN LEDの形成方法。
The method for forming a GaN LED according to claim 1, wherein a laser or a flash lamp is used for the high-speed annealing.
高速アニールは、1回で前記p型GaN層の全体を照射するフラッシュランプを用いて実行される
請求項1から8のいずれかに記載のGaN LEDの形成方法。
9. The method of forming a GaN LED according to claim 1, wherein the rapid annealing is performed using a flash lamp that irradiates the entire p-type GaN layer at a time.
前記p型GaN層は、高速アニール実行後において約5x1017cm−3から約5x1019cm−3の範囲の活性化ドーパント濃度を有する
請求項1から9のいずれかに記載のGaN LEDの形成方法。
10. The method of forming a GaN LED according to claim 1, wherein the p-type GaN layer has an activated dopant concentration in a range of about 5 × 10 17 cm −3 to about 5 × 10 19 cm −3 after performing high-speed annealing. .
前記活性層を形成して多量子井戸構造を構成する工程をさらに備える
請求項1からの10のいずれかに記載のGaN LEDの形成方法。
The method for forming a GaN LED according to claim 1, further comprising a step of forming the active layer to form a multi-quantum well structure.
活性層を挟むn型GaN層とp型GaN層とを有するGaN多層構造を形成する工程と、
前記p型GaN層に隣接するようにp型コンタクト層を形成する工程と、
前記n型GaN層上にn型コンタクトを形成する工程と、
前記n型コンタクトに対して高速アニールを実行する工程と
を備える、GaN発光ダイオード(LED)の形成方法。
Forming a GaN multilayer structure having an n-type GaN layer and a p-type GaN layer sandwiching the active layer;
Forming a p-type contact layer adjacent to the p-type GaN layer;
Forming an n-type contact on the n-type GaN layer;
A method of forming a GaN light emitting diode (LED), comprising: performing a rapid annealing on the n-type contact.
前記高速アニールは、レーザーあるいはフラッシュランプを用いて実行される
請求項12に記載のGaN LEDの形成方法。
The method for forming a GaN LED according to claim 12, wherein the rapid annealing is performed using a laser or a flash lamp.
前記n型コンタクトは、n型コンタクト抵抗を有し、
前記n型コンタクトに対する高速アニールの実行により、前記n型コンタクト抵抗は約1x10−4Ω-cmから約1x10−6Ω-cmの範囲となる
請求項12または13に記載のGaN LEDの形成方法。
The n-type contact has an n-type contact resistance;
14. The GaN LED according to claim 12, wherein the n-type contact resistance is in a range of about 1 × 10 −4 Ω-cm 2 to about 1 × 10 −6 Ω-cm 2 by performing high-speed annealing on the n-type contact. Method.
約700℃から約1500℃の範囲の最大アニール温度TAMを有するように前記高速アニールを実行する
請求項12から14のいずれかに記載のGaN LEDの形成方法。
GaN LED forming method according to any one of claims 12 to 14 from about 700 ° C. to perform the high-speed annealing so as to have a maximum annealing temperature T AM in the range of about 1500 ° C..
基板と、
活性層を挟むn型GaN層とp型GaN層とを有しており、前記基板上に形成されるGaN多層構造であって、活性化ドーパント濃度が約5x1017cm−3超約5x1019cm−3以下となるように高速熱アニールが実行された層を有するGaN多層構造と、
前記GaN多層構造上に形成された透明導電層と、
前記透明導電層上に形成されたp型コンタクトと、
前記n型GaN層の露出部分上に形成されたn型コンタクトと
を備える、GaN発光ダイオード(LED)。
A substrate,
It has an n-type GaN layer and a p-type GaN layer sandwiching the active layer, and is a GaN multilayer structure formed on the substrate, wherein the activated dopant concentration is more than about 5 × 10 17 cm −3 and about 5 × 10 19 cm. A GaN multilayer structure having a layer that has been subjected to rapid thermal annealing to be −3 or less,
A transparent conductive layer formed on the GaN multilayer structure;
A p-type contact formed on the transparent conductive layer;
A GaN light emitting diode (LED) comprising an n-type contact formed on an exposed portion of the n-type GaN layer.
前記高速熱アニールが実行された層は、フラッシュランプで高速熱アニールされた層およびレーザーで高速熱アニールされた層の一方である
請求項16に記載のGaN LED。
The GaN LED according to claim 16, wherein the layer subjected to rapid thermal annealing is one of a layer subjected to rapid thermal annealing with a flash lamp and a layer subjected to rapid thermal annealing with a laser.
前記p型コンタクトは、約4x10−4Ω-cmから約1x10−6Ω-cmの範囲のオーム接点抵抗を有する
請求項16または17に記載のGaN LED。
18. The GaN LED according to claim 16, wherein the p-type contact has an ohmic contact resistance in a range of about 4 × 10 −4 Ω-cm 2 to about 1 × 10 −6 Ω-cm 2 .
前記n型コンタクトは、約1x10−4Ω-cmから約1x10−6Ω-cmの範囲のn型コンタクト抵抗を有する
請求項16から18のいずれかに記載のGaN LED。
19. The GaN LED according to claim 16, wherein the n-type contact has an n-type contact resistance in a range of about 1 × 10 −4 Ω-cm 2 to about 1 × 10 −6 Ω-cm 2 .
基板と、
前記基板上に形成されたp型コンタクト層と、
前記p型コンタクト層上に形成され、活性層を挟むn型GaN層とp型GaN層とを有するGaN多層構造とを備え、
前記p型GaN層は、前記p型コンタクト層に隣接し、
前記n型GaN層は、活性化ドーパント濃度が約3x1019cm−3から約3x1021cm−3である高速熱アニールが実行された層を有し、
前記n型GaN層上に形成されたn型コンタクトをさらに備える
GaN発光ダイオード(LED)。
A substrate,
A p-type contact layer formed on the substrate;
A GaN multilayer structure formed on the p-type contact layer and having an n-type GaN layer and a p-type GaN layer sandwiching an active layer;
The p-type GaN layer is adjacent to the p-type contact layer;
The n-type GaN layer has a layer that has been subjected to rapid thermal annealing with an activated dopant concentration of about 3 × 10 19 cm −3 to about 3 × 10 21 cm −3 ,
A GaN light emitting diode (LED) further comprising an n-type contact formed on the n-type GaN layer.
前記高速熱アニールが実行された層は、フラッシュランプで高速熱アニールされた層およびレーザーで高速熱アニールされた層の一方である
請求項20に記載のGaN LED。
21. The GaN LED according to claim 20, wherein the layer subjected to rapid thermal annealing is one of a layer subjected to rapid thermal annealing with a flash lamp and a layer subjected to rapid thermal annealing with a laser.
前記n型コンタクトは、約1x10−4Ω-cmから約1x10−6Ω-cmの範囲のn型コンタクト抵抗を有する
請求項20または21に記載のGaN LED。
22. The GaN LED according to claim 20 or 21, wherein the n-type contact has an n-type contact resistance in a range of about 1 × 10 −4 Ω-cm 2 to about 1 × 10 −6 Ω-cm 2 .
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