JP2013048236A - ＧａＮＬＥＤ用高速熱アニール - Google Patents

Abstract

【課題】出力の増大、起動電圧の低下、直列抵抗の低減を実現するＧａＮ発光ダイオードの製造方法を提供する。
【解決手段】活性層６０を挟むｎ型ＧａＮ層４０とｐ型ＧａＮ層５０とを有するＧａＮ多層構造３０を形成する工程を備える。また、レーザーあるいはフラッシュランプを用いてｐ型ＧａＮ層５０への１０秒あるいはそれよりも短い時間の高速熱アニールを実行する工程を備える。さらに、ＧａＮ多層構造３０上に透明導電層７０を形成する工程と、透明導電層７０にｐ型コンタクト９０ｐを追加するとともにｎ型ＧａＮ層４０にｎ型コンタクト９０ｎを追加する工程とを備える。
【選択図】図１

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：ＧａＮ ＬＥＤ用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。

本発明は、一般に発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に、ＧａＮ ＬＥＤ形成時の高速熱アニールの使用に関する。

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。

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 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

ＧａＮにおいて、ｎ型ドーパントは、１ｘ１０^２１ｃｍ^−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５ｘ１０^１７ｃｍ^−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。

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、約１０秒あるいはそれよりも短い時間の、ＧａＮ層の高速熱アニールを実行する。この高速熱アニールは、ｐ型ＧａＮ層に対してレーザー光を走査させるレーザースパイクアニール（ＬＳＡ）、あるいは、フラッシュランプからの放射線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。

この方法では、さらに、透明導電層を通して高速熱アニールを実行するのが好適である。

この方法では、さらに、ｐ型コンタクトの高速熱アニールを実行するのが好適である。

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熱アニールを実行することにより、約４ｘ１０^−４Ω-ｃｍ^２から約１ｘ１０^−６Ω-ｃｍ^２の範囲のｐ型コンタクト抵抗が形成される。

この方法では、さらに、ｎ型コンタクトに高速熱アニールを実施するのが好適である。

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。

この方法において、高速熱アニールの最大アニール温度Ｔ_ＡＭは、約７００℃から約１，５００℃の範囲にあることが好適である。

この方法において、高速熱アニールは、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。

この方法において、高速熱アニールは、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。

この方法において、ｐ型ＧａＮ層は、高速熱アニールを実施した後に約５ｘ１０^１７ｃｍ^−３から約５ｘ１０^１９ｃｍ^−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。

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。

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型コンタクトの高速熱アニールを実行する工程を備えている。高速熱アニールは、約１０秒あるいはそれよりも短い時間で、また、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。

この方法において、高速熱アニールは、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。

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熱アニールを実行することにより、約１ｘ１０^−４Ω-ｃｍ^２から約１ｘ１０^−６Ω-ｃｍ^２の範囲のｎ型コンタクト抵抗が形成される。

この方法において、さらに、高速熱アニールの最大アニール温度Ｔ_ＡＭは、約７００℃から約１，５００℃の範囲にあることが好適である。

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。ｐ型ＧａＮ層は、高速熱アニールによって、活性化ドーパント濃度が約５ｘ１０^１７ｃｍ^−３よりも大きく、かつ約５ｘ１０^１９ｃｍ^−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。高速熱アニールは、約１０秒あるいはそれよりも短い時間で、また、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。

このＧａＮ ＬＥＤにおいて、ｐ型コンタクトは、約４ｘ１０^−４Ω-ｃｍ^２から約１ｘ１０^−６Ω-ｃｍ^２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。

このＧａＮ ＬＥＤにおいて、ｎ型コンタクトは、約１ｘ１０^−４Ω-ｃｍ^２から約１ｘ１０^−６Ω-ｃｍ^２の範囲のｎ型コンタクト抵抗であることが好適である。

本発明の他の態様は、基板と、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、高速熱アニールによって、活性化ドーパント濃度が約３ｘ１０^１９ｃｍ^−３よりも大きく、かつ約３ｘ１０^２１ｃｍ^−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。高速熱アニールは、約１０秒あるいはそれよりも短い時間で、また、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。

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。

このＧａＮ ＬＥＤにおいて、ｎ型コンタクトは、約１ｘ１０^−４Ω-ｃｍ^２から約１ｘ１０^−６Ω-ｃｍ^２の範囲のｎ型コンタクト抵抗であることが好適である。

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。

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。

ＧａＮ ＬＥＤの一構造例の概略断面図である。 時間（ミリ秒，ｍｓ）に対するアニール温度Ｔ_Ａ（℃）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。 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。 ライン型走査レーザ光の一形状例を示す模式図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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１０秒あるいはそれよりも短い時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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_Ａ（例えば、Ｔ_Ａ＞１１００℃）でアニール処理を行うことができる。

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_ｃが求められる。
ここで、障壁高さ変化量Δφ_Ｂは下記の数式により求められる。

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_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、Ｖ_０は接触電位である。

活性化ドーパント濃度Ｎが高くなるとΔΦ_Ｂ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_ｃ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_ｃ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５ｘ１０^１７ｃｍ^−３から約１．２５ｘ１０^１８ｃｍ^−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。

図２は、時間（ｍｓ）に対するアニール温度Ｔ_Ａ（℃）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_Ｓで表面５２上を走査する。滞留時間ｔ_ｄは、ビーム幅Ｗと走査速度Ｖ_Ｓ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Ｔ_ＡＭ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Ｔ_ＡＭ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。

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ＧａＮ 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_ｄ＝Ｗ／Ｖ_Ｓ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Ｔ_ＡＭは、例えば、約７００℃から約１５００℃の範囲である。最大アニール温度Ｔ_ＡＭ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^２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。

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。

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_Ａをより高めても材料の分解を防ぐことができる。

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。従来の非高速熱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。

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^２）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^２から約１ｘ１０^−６Ωｃｍ^２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。

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の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。

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_ｃを１ｘ１０^−６Ωｃｍ^２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_ａを熱活性化エネルギーとし、ｋ_Ｂをボルツマン定数とし、Ｔ_Ａをアニール温度とした場合、熱活性ｅｘｐ｛−Ｅ_ａ／ｋ_ＢＴ_Ａ｝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_ｃは７ｘ１０^−４Ωｃｍ^２となった。なお、この接触抵抗ρ_ｃ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^２程度低い接触抵抗ρ_ｃ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。

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、（ｎｋ_ＢＴ／ｑＩ）（ここで、ｎは理想因子であり、ｋ_Ｂ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_ＳがＧａＮ ＬＥＤ１０の効率に対して支配的になる点まで低下する。

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_Ｓ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_Ｓの関係により、直列抵抗における変化と関連性がある。

電流Ｉ＝３５０ｍＡにおいて、直列抵抗Ｒ_Ｓ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。

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 ＬＥＤ１０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。

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熱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の高速熱アニールを実行する。フラッシュランプによる高速熱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。

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）が高速熱アニールされる。

図１３は、閃光２６０を用いた高速熱アニールが、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。

図１４は、閃光２６０を用いた高速熱アニールが、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。

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。

Claims (21)

1. 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、約１０秒あるいはそれよりも短い時間で高速熱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。
2. 前記透明導電層を介して前記高速熱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。
3. 前記ｐ型コンタクトに対して前記高速熱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。
4. 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熱アニールの実行により約４ｘ１０^−４Ω-ｃｍ^２から約１ｘ１０^−６Ω-ｃｍ^２の範囲となる
   請求項３に記載のＧａＮ ＬＥＤの形成方法。
5. 前記ｎ型コンタクトに対して高速熱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。
6. 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。
7. 前記高速熱アニールは、約７００℃から約１５００℃の範囲の最大アニール温度Ｔ_ＡＭ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。
8. 前記高速熱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。
9. 高速熱アニールは、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。
10. 前記ｐ型ＧａＮ層は、高速熱アニール実行後において約５ｘ１０^１７ｃｍ^−３から約５ｘ１０^１９ｃｍ^−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。
11. 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。
12. 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、約１０秒あるいはそれよりも短い時間で高速熱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。
13. 前記高速熱アニールは、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。
14. 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熱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^２から約１ｘ１０^−６Ω-ｃｍ^２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。
15. 約７００℃から約１５００℃の範囲の最大アニール温度Ｔ_ＡＭを有するように前記高速熱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。
16. 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５ｘ１０^１７ｃｍ^−３超約５ｘ１０^１９ｃｍ^−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
    を備えており、
    前記高速熱アニールが実行された層は、１０秒あるいはそれよりも短い時間で高速熱アニールされている
    ＧａＮ発光ダイオード（ＬＥＤ）。
17. 前記ｐ型コンタクトは、約４ｘ１０^−４Ω-ｃｍ^２から約１ｘ１０^−６Ω-ｃｍ^２の範囲のオーム接点抵抗を有する
    請求項１６に記載のＧａＮ ＬＥＤ。
18. 前記ｎ型コンタクトは、約１ｘ１０^−４Ω-ｃｍ^２から約１ｘ１０^−６Ω-ｃｍ^２の範囲のｎ型コンタクト抵抗を有する
    請求項１５または１６に記載のＧａＮ ＬＥＤ。
19. 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３ｘ１０^１９ｃｍ^−３から約３ｘ１０^２１ｃｍ^−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ており、
    前記高速熱アニールが実行された層は、１０秒あるいはそれよりも短い時間で高速熱アニールされている
    ＧａＮ発光ダイオード（ＬＥＤ）。
20. 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１９に記載のＧａＮ ＬＥＤ。
21. 前記ｎ型コンタクトは、約１ｘ１０^−４Ω-ｃｍ^２から約１ｘ１０^−６Ω-ｃｍ^２の範囲のｎ型コンタクト抵抗を有する
    請求項１９または２０に記載のＧａＮ ＬＥＤ。