KR20110050357A

KR20110050357A - ＧａＮＬＥＤ 및 그 형성 방법

Info

Publication number: KR20110050357A
Application number: KR1020100101732A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 엠. 호리럭; 연 왕
Original assignee: 울트라테크 인크.
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2011-05-13
Also published as: KR20160032081A; JP5969656B2; CN102110748A; TW201143131A; TWI467799B; JP2015167252A; US20110108796A1; CN102110748B; JP5766930B2; KR101704036B1; US8592309B2; KR101706888B1; JP2011101000A

Abstract

LSA(laser spike annealing)를 사용하여 형성되는 GaN(gallium nitride) LED(light-emiting diodes)와 함께 GaN LED형성에서 LSA를 실행하는 방법이 설명된다. 실시예 방법은 활성 레이어를 사이에 끼우는 p-GaN 레이어와 n-GaN 레이어를 구비하는 GaN 멀티 레이어 구조체를 기판 위에 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 p-GaN 레이어 위로 레이저 빔을 스캔하여 LSA(laser spike annealing )를 실행하는 단계 또한 포함한다. 상기 방법은 GaN 멀티레이어 구조체 위에 투명 전도 레이어를 형성하는 단계, 및 투명 전도 레이어에 p-접촉을 부가하고, n-GaN 레이어에 n-접촉을 부가하는 단계를 추가로 포함한다. 최종 GaN LED는 강화된 출력 전력과, 낮아진 턴-온 전압, 및 감소된 직렬 저항을 가진다.

Description

ＧａＮＬＥＤ 및 그 형성 방법{LASER SPIKE ANNEALING FOR GaN LEDs}

본 발명은 일반적으로 LED에 관한 것이고, 특히 GaN LED 형성에서 레이저 스파이크 어닐링(LSA,Laser Spike Annealing)의 사용에 관한 것이다.

GaN LED는 여러 조명 애플리케이션(예를 들어, 풀-컬러 디스플레이, 교통 신호등, 등)에 유용한 것으로 입증되었고, 이들 LED가 좀 더 효율적으로 만들어질 수 있으면 더 많은 용도(예를 들어, LCD 패널의 백라이트, 종래의 백열등 및 형광들을 대체할 고체 상태 조명, 등)에 대하여 잠재력을 가지고 있다. GaN LED에 대하여 더 높은 효율을 달성하기 위하여, 출력 전력을 강화하고, 턴-온 전압 낮추고, 직렬 저항 감소시킬 필요가 있다. GaN LED 내의 직렬 저항은 도펀트 활성화의 효율, 전류 분산의 균일성, 및 오믹 접촉(ohmic contact) 형성과 밀접하게 관련이 있다.

GaN에서, n-타입 도펀트는 1x10²⁰ cm^- ³ 로 높은 활성화 농도를 가지고, Si를 사용하여 빠르게 달성될 수 있다. p-타입 GaN은 도펀트로 Mg을 사용하여 얻어질 수 있다. Mg 도핑의 효율은, 그러나, 높은 열 활성화 에너지 때문에 아주 낮다. 실온에서, 혼합된 Mg의 몇 퍼센트만 자유-홀(free-hole) 농도에 기여한다. Mg 도핑은 성장 프로세스동안 수소 패시베이션 때문에 MOCVD 성장 동안 더욱 복잡하다. 수소 패시베이션은 Mg-H 결합을 깨고 도펀트를 활성화하도록 열 어닐링 단계를 필요로 한다. 일반적인 열 어닐링은 N₂ 환경에서 약 700℃에서 실행된다. 지금까지, p-타입 GaN내의 실제 홀 농도는 약 5x10¹⁷cm^-3으로 여전히 제한된다. 이 낮은 활성화 레벨이 낮은 오믹 접촉과 넓은 분산 저항을 가져오고, 이것이 GaN LED의 성능을 제한한다.

본 발명의 일 측면은 GaN LED를 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 활성 레이어를 사이에 끼우는 p-GaN 레이어와 n-GaN 레이어를 구비하는 GaN 멀티 레이어 구조체를 기판 위에 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 p-GaN 레이어 위로 레이저 빔을 스캔하여 LSA(laser spike annealing )를 실행하는 단계 또한 포함한다. 상기 방법은 상기 GaN 멀티레이어 구조체 위에 투명 전도 레이어를 형성하는 단계 또한 포함한다. 상기 방법은 상기 투명 전도 레이어에 p-접촉을 부가하고 상기 n-GaN 레이어에 n-접촉을 부가하는 단계를 추가로 포함한다.

본 발명의 다른 측면은 GaN LED를 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 기판 위에 p-접촉 레이어를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 활성 레이어를 사이에 끼우는 p-GaN 레이어와 n-GaN 레이어를 구비한 GaN 멀티 레이어 구조체를 상기 p-접촉 위에 형성하는 단계 또한 포함하고, 상기 p-GaN 레이어는 상기 p-접촉 레이어에 인접하는 것을 특징으로 한다. 상기 방법은 상기 n-GaN 레이어 위에 n-접촉을 형성하는 단계 또한 포함한다. 상기 방법은 상기 n-접촉 위로 레이저 빔을 스캐닝하여 상기 n-접촉의 LSA(laser spike annealing)를 실행하는 단계를 추가로 포함한다.

본 발명의 다른 측면은 기판, 및 기판 위에 형성되는 GaN 멀티 레이어 구조체를 포함하는 GaN LED에 관한 것이다. GaN 멀티레이어 구조체는 활성 레이어를 사이에 끼우는 p-GaN 레이어 및 n-GaN 레이어를 구비한다. p-GaN 레이어는 약 5x10¹⁷ cm^-3 이상 약 5x10¹⁸ cm^-3이하인 활성 도펀트 농도를 가지도록 LSA된다. GaN LED는 GaN 멀티레이어 구조체 위의 투명 전도 레이어, 투명 전도 레이어 위에 형성된 p-접촉, 및 n-GaN 레이어의 노출된 부분 위에 형성된 n-접촉을 포함한다.

본 발명의 다른 측면은 기판, 및 기판 위에 형성되는 p-접촉을 포함하는 GaN LED에 관한 것이다. GaN LED는 p-접촉 레이어 위에 형성된 GaN 멀티레이어 구조체 또한 포함한다. GaN 멀티 레이어 구조체는 활성 레이어를 사이에 끼우는 p-GaN 레이어와 n-GaN 레이어를 구비하고, p-GaN 레이어는 상기 p-접촉 레이어에 인접한다. n-GaN 레이어는 약 3x10¹⁹cm^-3에서 약 3x10²⁰cm^-3까지의 활성 도펀트 농도를 달성하도록 LSA 된다. n-접촉은 n-GaN 레이어 위에 형성된다.

본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 다음 상세한 설명에서 제시되고, 부분적으로 다음 상세한 설명, 청구범위, 첨부된 도면을 포함하는 본 명세서에 설명된 바와 같은 발명을 실행하는 것에 의해 인식되거나 또는 설명으로부터 당업자에게 용이하게 명백할 것이다.

전술한 일반적인 설명과 다음 상세한 설명은 본 발명의 일 실시예를 제시하고 청구되는 바와 같은 본 발명의 성질과 특성을 이해하기 위한 개관 또는 구조를 제공하고자 한다. 첨부 도면은 본 발명이 더욱 이해될 수 있도록 포함되고 본 상세한 설명의 일부에 포함되고 통합된다. 도면은 본 발명의 여러 실시예를 도시하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 동작과 원리를 설명하도록 제공한다.

도 1 은 GaN LED의 실시예 구조체의 개략적 단면도이고;
도 2 는 어닐링 온도 T_A(℃) 대 시간(ms,milliseconds)의 도면이고 LSA를 실행할 때 스캐닝된 레이저 빔의 세 개의 상이한 휴지 시간에 대하여 실시예 어닐링 온도 프로파일을 도시하고;
도 3 은 스캐닝된 레이저 빔을 사용하는 LSA 프로세스를 나타내는 p-GaN 레이어의 근접 측면도이고,
도 4 는 라인-타입 스캐닝 레이저 빔 형상의 예를 나타낸 개략도이고;
도 5 는 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 GaN LED를 생성하는 프로세스에서 형성된 GaN LED 구조체에 부가되는 바와 같은 LSA 방법의 제 1 실시예의 개략도이고;
도 6 은 도 5와 유사하고 투명 전도 레이어를 추가로 포함하는 GaN LED 멀티레이어 구조체를 도시하고;
도 7 은 도 1과 유사하고 투명 전도 레이어 표면 위와 함께 그 위에 형성된 p-접촉 위로 레이저 빔을 스캐닝하는 것에 의해 LSA 되는 GaN LED를 도시하고;
도 8 은 도 5와 유사하고 n-GaN 레이어가 탑 상에 있고 n-접촉을 포함하도록 GaN LED 멀티레이어 구조체가 역전되는 경우의, n-GaN 레이어의 표면 위로 레이저 빔을 스캐닝하는 것에 의해 LSA되는 GaN LED의 실시예를 도시하고,
도 9 는 동작 전압 상의 직렬 저항을 감소시키도록 LSA를 사용하여 달성되는 이전 기술(◆)의 성능과 비교되는 본 발명(■)의 GaN LED의 성능 게인을 도시하는 모델링된 전류(mA) 대 전압(V) 커브의 도면이다.

참조는 첨부 도면에 설명되는 발명의 바람직한 실시예로 상세하게 설명된다. 가능한, 동일한 또는 유사한 참조 번호와 기호가 동일하거나 유사한 부분을 나타내도록 도면 전체에서 사용된다. 단어 “위” 및 “아래” 는 설명을 용이하게 하기 위해 사용되는 비례적인 단어이고 엄격하게 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 1 은 GaN LED의 실시예 구조체의 개략적 단면도이다. 실시예 GaN LED는 본 명세서에서 참조로서 인용되는 미국 특허 제6,455,877, 7,259,399 및 7,436,001호에서도 설명된다. GaN LED(10)는 사파이어, SiC, GaN Si,등과 같은 기판(20)을 포함한다. 표면(52)을 구비한 p-도핑된 GaN 레이어(“p-GaN 레이어”) 및 n-도핑된 GaN 레이어(“n-GaN 레이어”)를 포함하는 GaN 멀티 레이어 구조체(30)가 기판(20) 위에 배치된다. n-GaN 레이어(40) 및 p-GaN 레이어(50)는 활성 레이어(60)가 사이에 끼워지고, n-GaN 레이어는 기판(20)에 인접한다. 활성 레이어(60)는 예를 들어 도핑되지 않은 GaInN/GaN 초격자(superlattice)와 같은 MQW(multiple quantum well) 구조체를 포함한다. GaN 멀티레이어 구조체(30)는 그러므로 p-n 접합을 구획한다. 표면(72)을 구비한 투명 접촉 레이어(TCL)은 GaN 멀티레이어 구조체(30) 위에 존재한다. 예를 들어 TCL(70)은 ITO(indium tin oxide)를 포함한다. TCL(70)은 전류를 분산시키고, 광 출력을 최적화하는 반사 방지 코팅으로 작용한다.

GaN LED(10)는 n-접촉(90n)을 지지하는 선반으로 작용하는 n-GaN 레이어(40)의 부분(42)을 노출하는 노치(80)를 추가로 포함한다. 실시예 n-접촉 물질은 Ti/Au, Ni/Au, Ti/Al, 또는 그 조합을 포함한다. p-접촉(90p)은 TCL 표면(72)의 부분 위에 배열된다. 실시예 p-접촉 물질은 Ni/Au 및 Cr/Au를 포함한다.

GaN LED(10)는 다음 방식 중 하나 이상에서 기존의 GaN LED와 상이하다: a) p-GaN 레이어(50) 내의 도펀트 활성화가 더 큼, b) n-접촉(90n)이 레이저 스파이크 어닐링(LSA)을 사용하여 합금됨, 및 c) p-접촉(90p)이 LSA를 사용하여 합금됨. 이들 차이를 달성하도록 GaN LED(10)를 처리하는 방법이 이하에서 상세히 설명된다.

LSA( Laser spike annealing )

p-GaN 레이어(50) 내의 활성도를 증가시키기 위하여, 짧은 구간 높은 어닐링 온도가 요구된다. 종래의 RTA(rapid thermal annealing)를 이용하면, 적용될 수 있는 최대 온도는 GaN 물질 특성의 열화(degradation)에 의해 제한된다. 하나의 열화 메커니즘은 MOCVD 성장 프로세스 동안 도핑된(예를 들어 Mg로) p-GaN 레이어(50)의 분해이다. Mg는 효율적인 활성화를 위해 비교적 높은 어닐링 온도를 필요로 하지만, 긴 구간 높은 온도는 질소 방출 확산에 의해 GaN을 분해하고 p-GaN에서 자유-홀의 농도를 감소시킨다. 일반적인 RTP 타입 어닐링 프로세스는 몇십초에서 몇분 사이 동안 질소 환경에서 기판을 700℃에서 유지한다.

다른 열화 메커니즘은 p-GaN 레이어(50) 내의 전위 생성(dislocation generation)과 스트레인 이완(strain relaxation)이다. 격자 미스매치 때문에, 헤테로-에피택셜 구조체는 빌트-인 스트레인을 가지고 준 안정성 상태에 있다. 종래의 RTA는 열 팽창 계수에서 미스매치 때문에 추가 스트레인을 도입하고, 그리하여 전위 전파와 증가가 가속화된다.

본 발명은 RTA와 같은 종래의 열 어닐링에 비해 더 높은 온도와 더 짧은 어닐링 시간을 사용하는 LSA(laser spike annealing)를 채용한다. 본 발명의 방법을 수행하는 데 적절한 실시예 LSA 시스템이 본 명세서에서 참조로서 인용되는 미국 특허 제6,747,245호, 제7,154,066호 및 제7,399,945호에 설명된다. 본 발명의 방법에서 LSA의 실시예 애플리케이션은 종래의 RTA와 비교하여 어닐링 시간을 3~4 자리수 감소시키고, 유해한 질소 방출 확산과 전위 생성 결과 없이 더 높은 어닐링 온도T_A (예를 들어, T_A > 1,100℃)를 가능하게 한다.

LSA를 사용하여 도핑된 GaN 레이어에서 도펀트 활성화를 강화하는 것은 높은 도펀트 농도에서 배리어 높이가 더 낮고 터널링 전류가 더 높기 때문에 접촉 저항을 개선한다. 높은 활성 도펀트 농도에서, 특정 접촉 저항 ρ_c 은 다음과 같이 계측한다:

여기서 배리어 높이 변화 Δφ_B 는 다음과 같이 주어진다:

상기 수학식에서, h는 플랑크 상수이고, m* 은 전자 또는 홀의 유효 질량이고, ε 은 질화물의 유전 상수이고, N 은 활성 도펀트 농도이고, q 는 기본 전하(elementary charge), k_B 는 볼쯔만 상수, T는 절대 온도, 그리고, V₀ 는 접촉 전위이다.

활성 도펀트 농도 N의 증가는 수학식 1의 지수에서 분자를 감소시키는 것에 의해, N을 증가시키는 것은 수학식 1의 지수에서 분모를 증가시키는 것에 의해 ρ_c 를 감소시킨다. 결과적으로, 접촉 저항 ρ_c 은 도펀트 활성화의 증가로 감소한다. 실시예에서, 본 발명의 방법은 p-GaN에서 활성화된 도펀트 농도를 약 2.5X(예를 들어 약 5x10¹⁷cm^-3에서 약 1.25x10¹⁸cm^-3까지)까지의 계수로 증가시켜, 전체 접촉 저항(분산 저항 포함)에서 약 60%의 감소를 제공한다.

도 2 는 어닐링 온도 T_A(℃) 대 시간(ms)의 도면이고 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 스캐닝된 레이저 빔(120)의 세 개의 상이한 휴지 시간에 대한 실시예 어닐링 온도 프로파일을 도시한다. 도 2의 커브는, 도시된 바와 같이 레이저 빔(120)이 포인트 위를 지나가고 접근하는 바에 따라 p-GaN 레이어(50)의 표면(52)과 같은, 주어진 레이어의 표면상의 포인트 P의 어닐링 온도 프로파일을 나타낸다. 계산 시, 레이저 빔(120)은 표면(52)에서 예를 들어 약 10mm의 길이L와 약 100μm의 폭W 또는 약 100:1의 가로 세로 비를 가지는, 길고 얇은 형상을 가진다. 레이저 빔(120)은 속도 V_S로 표면(52)을 가로질러 스캔한다. 휴지 시간 t_d은 빔 폭 W과 스캔 속도 V_S로 결정된다. 더 긴 휴지 시간 동안, 레이저 빔이 포인트를 가격할 때까지 레이저 빔(120)이 접근함에 따라, 열 전도가 포인트 P를 예열하여, 어닐링 온도를 최대값 T_AM까지 올린다. 더 짧은 휴지 시간 동안, 열 전도는 실리콘을 예열하기에 불충분하고, 포인트 P는 더 짧은 구간 동안 최대 어닐링 온도 T_AM를 겪게 된다. 이는 어닐링 온도 프로파일을 조절하는 것을 가능하게 한다.

GaN LED 구조체를 위한 실시예 LSA 방법

도 5 는 GaN LED(10)를 생성하는 프로세스에서 형성된 GaN LED 구조체(100)에 적용된 것과 같은 LSA 방법의 제 1 실시예의 개략도이다. GaN LED 구조체(100)는 기판(20)과 GaN 멀티레이어 구조체(30)를 포함한다. 레이저 빔(120) 스캐닝은 p-GaN 레이어(50)의 표면(52) 위로 입사하게 된다. 레이저 빔(120)의 스캐닝은 레이저빔을 스캐닝하거나 예를 들어 GaN LED(10)를 형성하는 프로세스에서 사용되는 웨이퍼(미도시)를 스캐닝하는 것과 같이 GaN LED 구조체(100)를 스캐닝하는 것에 의해 달성된다. 휴지 시간 t_d =W/V_s에 대한 실시예 범위는 약10μs에서 10ms까지이다. 최대 어닐링 온도 T_AM에 대한 실시예 범위는 약 900℃에서 약 1,500℃ 까지 이다. 최대 어닐링 온도 T_AM는 GaN 분해량과 GaN LED 구조체(100)에서의 전위 및 격자 미스매치 스트레인 완화에 의해 결정된다. 어닐링의 깊이는 휴지 시간과 레이저 빔 세기에 좌우된다. 실시예 레이저 빔 세기는 400 W/mm²이다. 실시예 GaN 멀티레이어 구조체(30)는 약간에서 약 10μm까지의 두께를 가지고, 어닐링은 일반적으로 10μm에서 100μm까지, 즉 일반적으로 GaN 멀티레이어 구조체를 통과하고 몇몇 경우 기판(20)까지 모두 도달한다. 그러므로, p-GaN 레이어(50)의 증가된 도펀트 활성이 수행되더라도, 일 실시예에서, 아래 놓인 n-GaN 레이어(40) 내의 도펀트 활성화 증가의 추가적인 이익이 있다.

GaN LED 구조체(100)의 어닐링이 실행되면, TCL(70)이 p-GaN 레이어 표면(52) 위에 도포된다. 노치(70)가 그 다음 형성되고, n-접촉(90n) 및 p-접촉(90p)이 도 1에 도시된 바와 같은 GaN LED(10)를 형성하도록 도포된다(예를 들어 피착됨).

도 6 은 도 5와 유사하고 투명 전도 레이어(70)를 추가로 포함하는 GaN LED 멀티레이어 구조체를 도시한다. TCL(70) 피착 후 LSA 실행의 이점은 TCL이 어닐링 동안 방출 가스로부터 질소를 막아 레이어를 꼭대기를 덮도록 할 수 있다는 것이고, 그에 의해 물질 열화 없이 더 높은 어닐링 온도 T_A를 가능하게 한다.

도 7 은 도 1과 유사하고 p-접촉(90p)을 포함하는 TCL 표면(72) 위로 레이저 빔(120)의 스캐닝을 통해 LSA되는 GaN LED(10)를 도시한다. RTA와 같은 종래 기술과 비교하여 LSA의 비교적 낮은 열 수지(thermal budget)는 p-n접합을 통해 접촉 패드(90p) 내의 금속의 스파이크의 위험 없이 사용되는 전술한 높은 어닐링 온도를 허용한다.

여기 설명된 어닐링 방법의 실시예에서, LSA는 도 7의 GaN LED 내의 p-접촉(90p) 안에 형성된 오믹 합금을 위해 사용된다. 일반적으로, p-타입 오믹 접촉이 10 내지 20분 동안 500℃ 와 800℃ 사이의 온도에서 Ni/Au 합금에 의해 달성된다. 높은 합금 온도는 p-n 접합을 통한 합금 금속의 오버 확산 때문에 누출과 형태 열화를 일으킨다. 낮은 p-타입 농도 때문에, 접촉 저항은 예를 들어 약 1x10^-3 ohm-cm²으로 높다. 이는 큰 전압 강하만 일으키는 것이 아니라 높은 전류 레벨에서 GaN LED의 수명을 감소시킬 수 있는 국지적일 가열을 발생시킬 수도 있다. LSA 사용에 의해, 더 높은 어닐링 온도가 응집 없이 적용될 수 있다. 이는 p-접촉(90p) 형성과 GaN LED(10)의 전체적인 신뢰도 향상을 위한 새로운 기회를 제공한다. 일 실시예에서, p-접촉의 접촉 저항은 약 4x10^-4에서 약 1x10^-5 ohm-cm²까지의 범위에 있다. 그러므로, 본 발명의 방법의 일 실시예에서, p-접촉 합금의 조합과 p-GaN 레이어(50)에서의 도펀트 활성화의 증가는 최종 GaN LED(10)의 성능에 추가적인 향상을 제공하는 결합된 이익을 제공한다.

도 8 은 도 5와 유사하고, 수직 GaN LED(10)의 실시예를 도시하며, 여기서, 기판(20)은 금속(예를 들어 구리 합금)이고, GaN 멀티 레이어 구조체(30)는 도 5에 도시된 것과 반대로 n-GaN 레이어(40)와 p-GaN 레이어(50)를 구비하는데, 즉, 표면을 구비한 n-GaN 레이어(40)는 활성 레이어(60) 위에 있고, p-GaN 레이어(50)는 활성 레이어 아래 있다. n-접촉(90n)은 n-GaN 레이어 표면(42) 위에 존재하고, p-접촉(90p)은 p-GaN 레이어 아래에 존재하고 반사 레이어 역할을 한다. 분리 반사 레이어(미도시)가 p-접촉(90p)에 인접하여 부가되어도 좋다. 도 8의 GaN LED(10)는 n-접촉(90n)을 포함하여 n-GaN 레이어 표면(42) 위로 레이저 빔(120)의 스캐닝에 의해 LSA 된다. 금속 기판(20)은 GaN 멀티 레이어 구조체(30)에 접착되고 유효하게 열을 소산시키도록 양호한 열 전도도를 가진다. 어닐링이 p-GaN 레벨까지 도달하기 때문에, 실시예에서, 이 레이어는 최종 GaN LED(10)의 성능을 추가로 강화하는 증가된 도펀트 활성화를 겪게 된다.

n-접촉(90n)의 n-타입 GaN 레이어(40)로의 오믹 접촉의 구축은 이 레이어 안에서 일반적으로 높은 도펀트 농도 때문에 일반적으로 문제가 되지 않는다. 1x10^-6 ohm-cm² 이하의 특정 접촉 저항ρ_c 이 달성될 수 있다. 그러나, 발전된 플립 칩 LED에서, n-접촉 형성은 상이한 기판에 접촉 후 수행된다. 이경우, 열 수지(E_a가 열 활성화 에너지, k_B가 볼쯔만 상수, T_A가 어닐링 온도일 경우, 열 활성화 방정식 {-E_a/k_BT_A} 과 어닐링 기간의 곱으로 정해짐)는 GaN 멀티레이어 구조체(30) 및 (금속)기판(20) 사이의 열팽창 계수의 미스매치로부터 전이 생성과 스트레스를 피하기 위해 제한될 필요가 있다. 이 케이스에서, 300℃의 낮은 온도 RTA는 오믹 접촉을 형성하는 데 사용되어 접촉 저항ρ_c = 7x10^-4 ohm-cm²를 가져오고, 이는 LSA와 연관된 초저(ultra-low) 열수지와 더 높은 어닐링 온도를 사용하여 달성 가능한 것 보다 훨씬 높다. 일 실시예에서, 1x10^-6 ohm-cm² 만큼 낮은 접촉 저항 ρ_c 은 LSA 어닐링을 사용하여 n-GaN에서 달성된다. 레이저 어닐링 없이 LED에 비해 350mA 구동 전류에서 8%까지의 GaN LED 성능 개선을 가져온다.

GaN LED의 접촉 저항의 감소는 성능 개선을 가져온다. 다이오드 전류가 증가함에 따라, (nk_BT/qI)(n 은 이상계수, k_B 는 볼쯔만 상수, T 는 접합 온도, q 는 기본 전하, 및 I 는 다이오드 전류인 경우) 로 주어진 내재 저항은 직렬 저항 R_S이 GaN LED의 효율을 억제하는 포인트로 감소한다.

도 9 는 동작 전압 상의 직렬 저항을 낮추도록 LSA를 사용하여 GaN LED(10)의 성능 게인을 나타내는 모델링된 전류 I(mA) 대 전압(V)을 도시한다. 도면은 상이한 직렬 저항 R_s을 가진 GaN LED에 대한 것이다. “다이아몬드” (◆)커브는 종래의 GaN LED를 모델링하고, “사각형” (■) 커브는 본 발명의 LSA-기반 방법을 사용하여 p-GaN에서 2.5X 더 높은 도펀트 활성화를 가진 GaN LED를 모델링한다. 전압 변화량은 ΔV = IΔR_S 관계에 의해 직렬 저항 내의 변화에 관련된다.

전류 I = 350mA에서, 직렬 저항 Rs의 40%의 감소(접촉 저항 60% 강하)는 동작 전압 V에 약 10%의 강하를 가져오므로 lumens/watt으로 환산하면 10%의 LED 효율이 증가한다. 직렬 저항의 주요 부분은 접촉 저항에 기인한다.

개선은 앞으로 주요 LED 제작자에 의해 적용되는 예기된 더 높은 구동 전압을 위해 한층 더 커질 수 있다. 도 9의 두 커브는 더 높은 구동 전류에서, 전압 강하가 더 크게 발산한다. 그러므로, 700mA의 구동 전류에서, 본 발명의 방법을 사용하여 형성된 GaN LED는 종래 방법으로 도핑된 GaN LED보다 더 15% - 20% 더 효율적일 것으로 예상된다. 이는 100 lumens/watt의 종래의 출력을 가진 GaN LED를 약 120 lumens/watt의 출력을 가지는 GaN LED로 개선한다.

여러 보정과 변형이 발명의 범위와 본질에서 멀어지지 않고 본 발명으로 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 청구항과 그 균등 범위 안에서 본 발명에 제공되는 보정과 변형을 커버하게 된다.

Claims

GaN LED를 형성하는 방법에 있어서,
활성 레이어를 사이에 끼우는 p-GaN 레이어와 n-GaN 레이어를 구비하는 GaN 멀티 레이어 구조체를 기판 위에 형성하는 단계;
p-GaN 레이어 위로 레이저 빔을 스캔하여 LSA(laser spike annealing )를 실행하는 단계;
상기 GaN 멀티 레이어 구조체 위에 투명 전도 레이어를 형성하는 단계; 및
상기 투명 전도 레이어에 p-접촉을 부가하고 상기 n-GaN 레이어에 n-접촉을 부가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 투명 전도 레이어를 통해 상기 LSA을 실행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 p-접촉의 LSA를 실행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 n-접촉의 LSA를 실행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 p-접촉은 p-접촉 저항을 가지고, 상기 p-접촉의 LSA를 실행하는 단계의 실행 결과 약4x10^-4 ohm-cm² ~ 약 1x10^-5 ohm-cm² 범위의 p-접촉 저항이 발생하는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 n-GaN 레이어를 노출시키도록 상기 GaN 멀티레이어 구조체와 투명 전도 레이어 안에 선반을 형성하는 단계; 및
상기 노출된 GaN 레이어 위에 상기 n-접촉을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 LSA는 약 900℃에서 약 1,500℃까지 범위 안에 최대 어닐링 온도 T_AM를 가지는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 레이저 빔 스캐닝은 상기 레이저 빔이 약 10 μs에서 약 10 ms까지의 휴지 시간을 가지도록 수행되는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 레이저 빔은 약 100:1의 종횡비를 가지는 라인-타입 빔 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 p-GaN 레이어는 LSA 후 약5x10¹⁷ cm^-3에서 약 5x10¹⁸ cm^-3까지 범위의 활성 도펀트 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
복수의 양자 웰 구조체를 포함하도록 상기 활성 레이어를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
GaN LED를 형성하는 방법에 있어서,
기판 위에 p-접촉 레이어를 형성하는 단계;
활성 레이어를 중간에 끼우는 p-GaN 레이 와 n-GaN 레이어를 구비한 GaN 멀티 레이어 구조체를 상기 p-접촉 위에 형성하는 단계;
상기 n-GaN 레이어 위에 n-접촉을 형성하는 단계; 및
상기 n-접촉 위로 레이저 빔을 스캐닝하여 상기 n-접촉의 LSA(laser spike annealing)를 실행하는 단계를 포함하고,
상기 p-GaN 레이어는 상기 p-접촉 레이어에 인접하는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 n-GaN 레이어를 스캐닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 n-접촉은 n-접촉 저항을 가지고, 상기 n-접촉의 LSA를 실행하는 단계의 실행 결과 약 1x10^-4 ohm-cm² 에서 약 1x10^-6 ohm-cm² 까지 범위의 n-접촉 저항이 발생하는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 12 항에 있어서,
약 900℃에서 약 1,500℃까지 범위의 최대 어닐링 온도 T_AM를 가지도록 상기 LSA를 수행하는 단계, 및
약 10μs에서 약 10ms까지의 휴지 시간을 가지도록 상기 레이저 빔의 상기 스캐닝을 수행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 레이저 빔은 약 100:1의 종횡비를 가지는 라인-타입 빔 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 GaN LED를 형성하는 방법.
GaN LED에 있어서,
기판;
상기 기판 위에 형성되고, 활성 레이어를 사이에 끼우는 p-GaN 레이어와 n-GaN 레이어를 구비하는 GaN 멀티 레이어 구조체;
상기 GaN 멀티 레이어 구조체 위의 투명 전도 레이어;
상기 투명 전도 레이어 위에 형성된 p-접촉 레이어; 및
상기 n-GaN 레이어의 노출된 부분 위에 형성된 n-접촉을 포함하고,
상기 p-GaN 레이어는 약 5x10¹⁷cm^-3 보다 크고 약 5x10¹⁸cm^- ³ 까지의 활성 도펀트 농도를 가지도록 LSA되는 것을 특징으로 하는 GaN LED.
제 17 항에 있어서,
상기 p-접촉은 레이저 스파이크 어닐링 된 결과로, 약 4x10^-4 ohm-cm²에서 약 1x10^-5ohm-cm²까지범위의 오믹 접촉 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 GaN LED.
제 17 항에 있어서,
상기 n-접촉은 LSA의 결과로, 약 1x10^-4ohm-cm²에서 약 1x10^-6ohm-cm²까지 범위의 n-접촉 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 GaN LED.
GaN LED에 있어서,
기판;
상기 기판 위에 형성되는 p-접촉 레이어;
활성 레이어를 사이에 끼운 p-GaN 레이어 및 n-GaN 레이어를 구비하고 상기 p-접촉 레이어 위에 형성되는 GaN 멀티 레이어 구조체; 및
상기 n-GaN 레이어 위에 형성된 n-접촉을 포함하고,
상기 p-GaN 레이어는 상기 p-접촉 레이어에 인접하고, 상기 n-GaN 레이어는 약3x10¹⁹cm^-3에서 약 3x10²⁰cm^-3까지의 활성 도펀트 농도를 달성하도록 LSA되는 것을 특징으로 하는 GaN LED.
제 20 항에 있어서,
상기 n-접촉은 LSA의 결과로, 약 1x10^-4ohm-cm²에서 약 1x10^-6 ohm-cm²까지 범위의 n-접촉 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 GaN LED.