TWI467799B - 應用於氮化鎵發光二極體之雷射尖峰退火 - Google Patents

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Description

應用於氮化鎵發光二極體之雷射尖峰退火
本發明大體係關於發光二極體(LED)，且特定言之，本發明係關於在形成GaN LED時雷射尖峰退火之使用。
氮化鎵(GaN)LED已證明對各種照明應用(例如全彩顯示器、交通號誌燈等等)有用，且若可使此等LED更有效率，則可用於更多應用(例如背光LCD面板、固態照明以取代習知白熾燈及螢光燈等等)。為實現更高效率之GaN LED，其等需要具有增強之輸出功率、更低之接通電壓及減小之串聯電阻。GaN LED中之串聯電阻係與摻雜物活化之效率、電流散佈之均勻性及歐姆接觸形成密切相關。
在GaN中，可容易地使用Si來實現一n型摻雜物且一活化濃度高達1×1020 公分-3 。可藉由使用Mg作為摻雜物而獲得p型GaN。然而，Mg摻雜之效率由於其高熱活化能而相當低。在室溫下，僅幾個百分點之併入Mg促成自由電洞濃度。由於在生長處理期間之氫鈍化，在MOCVD生長期間使Mg摻雜進一步複雜化。氫鈍化需要一熱退火步驟以破壞Mg-H鍵並活化摻雜劑。在約700℃之一N2 環境中執行典型熱退火。到目前為止，p型GaN中之實際電洞濃度仍限於約5×1017 公分-3 。此低活化水準導致弱歐姆接觸及一大散佈電阻，此限制GaN LED之效能。
本發明之一態樣係一種形成GaN LED之方法。該方法包含在一基板頂部形成具有夾著一作用層之一n型GaN層與一p型GaN層的一GaN多層結構。該方法亦包含藉由用一雷射束掃描在該p型GaN層上方而執行雷射尖峰退火(LSA)。該方法亦包含在該GaN多層結構之頂部形成一透明導電層。該方法進一步包含將一p型接點添加至該透明導電層及將一n型接點添加至該n型GaN層。
本發明之另一態樣係形成GaN LED之方法。該方法包含在一基板頂部形成一p型接觸層。該方法亦包含在該p型接點之頂部形成具有夾著一作用層之一n型GaN層與一p型GaN層的一GaN多層結構，且該p型GaN層鄰接該p型接觸層。該方法亦包含在該n型GaN層之頂部形成一n型接點。該方法進一步包含藉由用一雷射束掃描在該n型接點上方而執行該n型接點之LSA。
本發明之另一態樣係一種GaN LED，其包含一基板及形成於該基板頂部之一GaN多層結構。該GaN多層結構具有夾著一作用層之一n型GaN層與一p型GaN層。該p型GaN層已經受LSA以具有大於約5×1017 公分-3 及高達約5×1018 公分-3 之一活化摻雜物濃度。該GaN LED包含在該GaN多層結構頂部之一透明導電層、形成於該透明導電層頂部之一p型接點及形成於該n型GaN層之一曝露部分頂部之一n型接點。
本發明之另一態樣係一種GaN LED，其包含一基板及形成於該基板頂部之一p型接觸層。該GaN LED亦包含形成於該p型接觸層頂部之一GaN多層結構。該GaN多層結構具有夾著一作用層之一n型GaN層與一p型GaN層，且該p型GaN層鄰接該p型接觸層。該n型GaN層已經受LSA以達成約3×1019 公分-3 至約3×1020 公分-3 之一活性摻雜物濃度。一n型接點係形成於該n型GaN層之頂部。
在以下詳細描述中將闡述本發明之另外特徵及優點，且熟習此項技術者將自該描述而易於部分明白或藉由實踐如本文中所述之發明(包含以下詳細描述、技術方案以及附圖)而認識到本發明之另外特徵及優點。
應瞭解先前一般描述與以下詳細描述兩者呈現本發明之若干實施例，且意欲提供一概述或架構用於理解本發明所主張之本質及特性。附圖被包含以提供本發明之一進一步理解，並被併入至此說明書中且構成此說明書之一部分。圖式繪示本發明之各種實施例，且與描述一起用來解釋本發明之原理及操作。
現詳細參考本發明之目前較佳實施例，在附圖中繪示本發明之實例。無論何時，在所有圖式中相同或相似元件符號及標記係用以意指相同或相似部件。術語「上」及「下」為用以促進描述之相對術語而非意為嚴格限制。
圖1係用於氮化鎵(GaN)發光二極體(LED)10之一例示性結構之一示意橫截面圖。在美國專利案第6,455,877號、第7,259,399號及第7,436,001號中亦描述例示性GaN LED，該等專利案以引用方式併入本文中。GaN LED 10包含一基板20，諸如藍寶石、SiC、GaN Si等等。一GaN多層結構30係安置在基板20之頂部，該GaN多層結構包含一n型摻雜GaN層(「n型GaN層」) 40及具有一表面52之一p型摻雜GaN層(「p型GaN層」) 50。該n型GaN層40與該p型GaN層50夾著一作用層60，且n型GaN層係鄰接基板20。作用層60包括(例如)一多量子井(MQW)結構，諸如未經摻雜之GaInN/GaN超晶格。GaN多層結構30因此界定一p-n接面。具有一表面72之一透明接觸層(TCL)70駐留在GaN多層結構30之頂部。一例示性TCL 70包含氧化銦錫(ITO)。TCL 70用來散佈電流並充當一抗反射塗層以使光學輸出最佳化。
GaN LED 10進一步包含一凹口80，其曝露充當用於支撐一n型接點90n之一凸緣的n型GaN層40之一部分42。例示性n型接觸材料包含Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al或其等之組合。一p型接點90p係配置在TCL表面72之一部分上。例示性p型接觸材料包含Ni/Au及Cr/Au。
GaN LED 10與先前技術之GaN LED之不同點在於以下方式之至少一者：a) p型GaN層50中之摻雜物活化更大；b)使用雷射尖峰退火(LSA)來使n型接點90n成合金；及c)使用LSA來使p型接點90p成合金。以下詳細描述處理GaN LED 10以實現此等不同點之方法。
雷射尖峰退火(LSA)
可期望在一短持續時間內之一高退火溫度以增加p型GaN層50中之活化。使用習知快速熱退火(RTA)，可施加之最大溫度係受限於GaN材料之降解性。一降解機制為在一MOCVD生長處理期間(例如用Mg)摻雜之p型GaN層50之分解。Mg需要一較高退火溫度以有效率地活化，但在高溫下之一長持續時間使GaN分解出向外擴散氮並減小p型GaN中自由電洞之濃度。典型RTP型退火處理使基板在700℃之氮環境中保持幾十秒至幾分鐘。
另一降解機制為在p型GaN層50中之應變鬆弛及差排產生。由於晶格失配，異質磊晶結構係處於具有內建應變之一亞穩狀態。習知RTA由於熱膨脹係數之失配而引入額外應變，且因此加速差排擴散及倍增。
本發明採用雷射尖峰退火(LSA)，其使用比習知熱退火(諸如RTA)高之溫度及短之退火時間。美國專利案第6,747,245號、第7,154,066號及第7,399,945號中描述適於實施本發明之該等方法的例示性LSA系統，該等專利案以引用方式併入本文中。在本發明之該等方法中，LSA之例示性應用相較於習知RTA使退火時間減少3至4個數量級，從而實現更高退火溫度TA (例如TA >1,100℃)且無有害之氮向外擴散及差排產生效應。
使用LSA來增強經摻雜GaN層中之摻雜物活化改良接觸電阻，因為在高摻雜物濃度下穿隧電流更高且障壁高度更低。在高活性摻雜物濃度下，特定接觸電阻ρc 按以下比例確定：
其中障壁高度變化ΔφB 由以下方程式給出：
在以上方程式中，h 係浦朗克常數，m * 係電子或電洞之有效質量，ε係氮化物之介電常數，N 係活性摻雜物濃度，q 係基本電荷，k B 係波茲曼常數，T 係絕對溫度，及V 0 係接觸電位。
ΔΦ B 隨活性摻雜物濃度N 之增大而增大，此減小方程式1之指數中之分子，且增大N 藉由增大方程式1之指數中之分母而減小ρ c 。因此，接觸電阻ρ c 隨摻雜物活化之增加而減小。本發明之該等方法之例示性實施例增大p型GaN中之活化摻雜物濃度，乘以高達約2.5倍之一因數(例如自約5×1017 公分-3 至約1.25×1018 公分-3 )，由此提供總接觸電阻(包含散佈電阻)約60%之一減小。
圖2係一退火溫度TA (℃)對時間(毫秒)標繪圖並繪示對於一掃描雷射束120(諸如圖3及圖4中所示)之三個不同停留時間的例示性退火溫度量變曲線(曲線)。圖2中之曲線表示當雷射束120接近並經過點上方時在一給定層之一表面(諸如p型GaN層50之表面52，如所示)上之一點P之退火溫度量變曲線。在計算中，雷射束120在表面52處具有一細長形狀(如在一選擇強度臨限值處所取得)，例如具有約10毫米之一長度L 及約100微米之一寬度W ，或約100:1之一縱橫比。雷射束120以一速度V S 掃描整個表面52。停留時間t d 係取決於波束寬度W 及掃描速度V S 。對於較長停留時間，熱傳導隨雷射束120接近而預熱該點P，直至雷射束照射該點，由此使退火溫度達到其最大值TAM 。對於較短停留時間，熱傳導不足以預熱矽且點P經歷最大退火溫度TAM 之持續時間更短很多。此允許調整退火溫度量變曲線。
用於GaN LED結構之例示性LSA方法
圖5係應用於在產生GaN LED 10之過程中所形成之一GaN LED結構100的一第一例示性LSA方法之一示意圖。GaN LED結構100包含基板20及GaN多層結構30。使掃描束120入射在p型GaN層50之表面52上。藉由用雷射束掃描或藉由掃描GaN LED結構100(例如藉由掃描用在形成GaN LED 10過程中之晶圓(圖中未展示))而實現雷射束120之掃描。停留時間t d =W/V S 之一例示性範圍係自約10微米(μs)至10毫秒(ms)。最大退火溫度TAM 之一例示性範圍係自約900℃至約1,500℃。最大退火溫度TAM 係取決於GaN離解之數量及GaN LED結構100中之晶格失配應變鬆弛及差排。退火之深度取決於停留時間及雷射束強度。一例示性雷射束強度為400瓦/毫米2 。例示性GaN多層結構30具有幾微米至約10微米之一厚度，且退火通常到達自10微米至100微米，即：大體穿過GaN多層結構且在某些情況下一直向下至基板20。因此，即使繼續增加p型GaN層50之摻雜物活化，在一例示性實施例中亦存在增加下伏n型GaN層40中摻雜物活化之額外益處。
在執行GaN LED結構100之退火之後，接著將TCL 70施加於p型GaN層表面52之頂部。接著形成凹口80，且施加(例如沈積)n型接點90n及p型接點90p以形成如圖1中所示之GaN LED 10。
圖6係類似於圖5並展示進一步包含TCL 70之GaN LED多層結構100。在TCL 70之沈積後執行LSA之一優點在於TCL可充當一罩蓋層以防止氮在退火期間除氣，由此實現更高退火溫度TA 且材料不降解。
圖7係類似於圖1並展示經由用雷射束120掃描在TCL表面72上方(包含在p型接點90p上方)之而經受LSA之GaN LED 10。比習知退火技術(諸如RTA)低之LSA熱預算允許使用前面所提及之高退火溫度且無接觸墊90p中之金屬擊穿p-n接面之風險。
在本文所揭示之退火方法之一例示性實施例中，LSA係用於圖7之GaN LED之p型接點90p中之歐姆合金形成。通常，藉由在500℃至800℃之間之溫度下使Ni/Au成合金10分鐘至20分鐘而實現p型歐姆接點。由於穿過p-n接面之合金金屬之過度擴散，高使成合金溫度導致形態降解及洩漏。由於低p型濃度，所以接觸電阻為高，例如約1×10-3 歐姆-公分2 。此不僅導致一大電壓降，且產生在高電流位準下可使GaN LED之使用期限降級之局部加熱。藉由使用LSA，可施加更高退火溫度且不凝聚。此提供一新機會用於形成p型接點90p及改良GaN LED 10之總可靠性。在一例示性實施例中，p型接點之接觸電阻係在自約4×10-4 歐姆-公分2 至約1×10-5 歐姆-公分2 之範圍內。因此，在本發明之方法之一例示性實施例中，使p型GaN層50中之p型接點成合金與增加摻雜物活化之組合提供一組合益處，其提供所得GaN LED 10之效能之一額外增加。
圖8係類似於圖5並展示一例示性垂直GaN LED 10，其中基板20係金屬(例如一銅合金)，且GaN多層結構30具有與圖5中所示顛倒之n型GaN層40及p型GaN層50，即：具有一表面42之n型GaN層40係在作用層60上方且p型GaN層50係在該作用層下方。一n型接點90n駐留在n型GaN層表面42之頂部且一p型接點90p駐留在p型GaN層下方並亦充當一反射層。亦可在該p型接點90p之鄰近處添加一單獨反射層(圖中未展示)。圖8之GaN LED 10經由用雷射束120掃描在n型GaN層表面42上方(包含在n型接點90n上方)之而經受LSA。金屬基板20係黏合至GaN多層結構30並具有用來有效率散熱之良好導熱性。此外應注意因為退火向下到達p型GaN層位，所以在一例示性實施例中此層亦經歷進一步增強所得GaN LED 10之效能的一增加摻雜物活化。
由於此層中之大體高摻雜物濃度，建立n型接點90n至n型GaN層40之歐姆接觸通常不是問題。可實現在1×10-6 歐姆-公分2 以下之特定接觸電阻ρ c 。然而，在進階覆晶LED中，在黏合至一不同基板之後執行n型接點形成。在此情況下，需要限制熱預算(定義為熱活化exp{-Ea /k B TA }與退火持續時間之乘積，其中Ea 係熱活化能，k B 係波茲曼常數，及TA 係退火溫度)以避免由GaN多層結構30與(金屬)基板20之間之熱膨脹係數之失配產生之應力及差排。在此情況下，在300℃下之低溫RTA已用以形成歐姆接點並已導致一接觸電阻ρ c =7×10-4 歐姆-公分2 ，其比可使用與LSA相關聯之更高退火溫度及超低熱預算而實現之接觸電阻高很多。在一例示性實施例中，使用LSA退火來在n型GaN中實現低至1×10-6 歐姆-公分2 之一接觸電阻ρ c ，從而導致相較於無雷射退火之LED的在350 mA驅動電流下高達8%之GaN LED效能改良。
減小GaN LED之接觸電阻導致改良之效能。隨著二極體電流增大，由(nk B T/q I)給出之固有電阻(其中n係理想因數，k B 係波茲曼常數，T係接面溫度，q 係基本電荷，及I係二極體電流)減至串聯電阻RS 控制GaN LED之效率的點位。
圖9繪製模型化電流I(毫安培(mA))對電壓(V)之曲線，其等繪示藉由使用LSA之GaN LED 10之效能增益以降低操作電壓上之串聯電阻。該等標繪圖係用於具有不同串聯電阻RS 之GaN LED，且「菱形」曲線(◆)使習知GaN LED模型化及「方形」曲線(■)使使用本發明之基於LSA之方法在p型GaN中具有2.5倍高之摻雜物活化的一GaN LED模型化。應注意電壓變化ΔV係經由關係式ΔV=IΔRS 而與串聯電阻之變化相關。
在一電流I=350 mA時，串聯電阻RS 之一40%減小(接觸電阻之60%下降)導致操作電壓V之約10%下降且因此導致以流明/瓦表示之LED效率之一約10%增大。串聯電阻之主要部分係由於接觸電阻。
將來若主要LED製造商採用預期更高之驅動電流，則改良甚至可更大。圖9中之兩條曲線分岔使得驅動電流越高，電壓降越大。因此，在一驅動電流為700 mA時，預期使用本發明之方法所形成之GaN LED比一習知經摻雜之GaN LED更高效15%至20%。此使具有100流明/瓦GaN LED之一習知輸出的一GaN LED改良以具有約120流明/瓦之一輸出。
熟習此項技術者將明白可在不背離本發明之精神及範圍之情況下對本發明作出各種修改及變動。因此，意欲本發明涵蓋本發明之該等修改及變動，只要其等在隨附申請專利範圍及其等之等效物之範圍內。
10．．．氮化鎵(GaN)發光二極體(LED)
20．．．基板
30．．．GaN多層結構
40．．．n型GaN層
42．．．表面
50．．．p型GaN層
52．．．表面
60．．．作用層
70．．．透明導電層
72．．．表面
80．．．凹口
90n．．．n型接點
90p．．．p型接點
100．．．GaN LED結構
120．．．雷射束
圖1係用於GaN LED之一例示性結構之一示意橫截面圖；
圖2係一退火溫度TA (℃)對時間(毫秒(ms))標繪圖並繪示當執行雷射尖峰退火(LSA)時對於一用雷射束掃描之三個不同停留時間的例示性退火溫度量變曲線；
圖3係繪示使用一掃描雷射束之LSA處理的一p型GaN層之一特寫側視圖；
圖4係一例示性線型掃描雷射束形狀之一示意圖；
圖5係應用於在本發明之GaN LED(諸如圖1中所示)之產生過程中所形成之一GaN LED結構的一第一例示性LSA方法之一示意圖；
圖6係類似於圖5並展示進一步包含一透明導電層之GaN LED多層結構；
圖7係類似於圖1並展示經由用一雷射束掃描在透明導電層表面上方以及在形成於該透明導電層上之p型接點上方而經受LSA之GaN LED；
圖8係類似於圖5並展示一例示性GaN LED，其中使該GaN LED多層結構顛倒使得n型GaN層係在頂部並包含一n型接點，且經由用一雷射束掃描在n型GaN層之表面上方而使該GaN LED經受LSA；及
圖9係模型化電流(毫安培(mA))對電壓(V)之曲線標繪圖，其等繪示本發明之GaN LED效能(■)相較於先前技術效能(◆)之增益(如使用LSA所實現)以降低操作電壓上之串聯電阻。
10．．．氮化鎵(GaN)發光二極體(LED)
20．．．基板
30．．．GaN多層結構
40．．．n型GaN層
42．．．表面
50．．．p型GaN層
52．．．表面
60．．．作用層
70．．．透明導電層
72．．．表面
80．．．凹口
90n．．．n型接點
90p．．．p型接點

Claims (21)

  1. 一種形成氮化鎵(GaN)發光二極體(LED)之方法，其包括：在一基板頂部形成具有夾著一作用層之一n型GaN層與一p型GaN層的一GaN多層結構，其中該p型GaN層包括鍵結氫的複數摻質；藉由用一雷射束掃描在該p型GaN層上方而於至少該p型GaN層執行雷射尖峰退火(LSA)以打斷氫鍵以及激活位於該p型GaN層中的該些摻質；在該GaN多層結構之頂部形成一透明導電層；及將一p型接點添加至該透明導電層與將一n型接點添加至該n型GaN層。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包括執行該LSA穿過該透明導電層。
  3. 如請求項2之方法，其進一步包括執行該p型接點之LSA。
  4. 如請求項3之方法，其進一步包括執行該n型接點之LSA。
  5. 如請求項3之方法，其中該p型接點具有一p型接觸電阻，且該p型接點之LSA之該執行導致在自約4×10-4 歐姆-公分2 至約1×10-5 歐姆-公分2 之範圍內之一p型接觸電阻。
  6. 如請求項4之方法，其進一步包括：在該GaN多層結構及透明導電層中形成一凸緣以曝露該n型GaN層；及 在該曝露GaN層上形成該n型接觸。
  7. 如請求項1之方法，其中該LSA具有在自約900℃至約1,500℃之範圍內之一最大退火溫度TAM 。
  8. 如請求項7之方法，其中進行用該雷射束掃描使得該雷射束具有自約10微秒至約10毫秒之一停留時間。
  9. 如請求項7之方法，其中該雷射束具有一縱橫比約為100：1之一線型束形狀。
  10. 如請求項1之方法，其中該p型GaN層在LSA之後具有在自約5×1017 公分-3 至約5×1018 公分-3 之範圍內之一活化摻雜物濃度。
  11. 如請求項1之方法，其進一步包括形成該作用層以包括一多量子井結構。
  12. 一種形成氮化鎵(GaN)發光二極體(LED)之方法，其包括：在一基板頂部形成一p型接觸層；在該p型接點之頂部形成具有夾著一作用層之一n型GaN層與一p型GaN層的一GaN多層結構，且該p型GaN層鄰接該p型接觸層；在該n型GaN層之頂部形成一n型接點；及藉由用一雷射束掃描在該n型接點上方而執行該n型接點之雷射尖峰退火(LSA)。
  13. 如請求項12之方法，其包括掃描該n型GaN層。
  14. 如請求項13之方法，其中該n型接點具有一n型接觸電阻，且該n型接點之LSA之該執行導致在自約1×10-4 歐姆- 公分2 至約1×10-6 歐姆-公分2 之範圍內之該n型接觸電阻。
  15. 如請求項12之方法，其進一步包括進行該LSA以具有在自約900℃至約1,500℃之範圍內之最大退火溫度TAM ，及進行用該雷射束掃描以具有自約10微秒至約10毫秒之一停留時間。
  16. 如請求項12之方法，其中該雷射束具有一縱橫比約為100：1之一線型束形狀。
  17. 一種氮化鎵(GaN)發光二極體(LED)，其包括：一基板；一GaN多層結構，其形成於該基板頂部並具有夾著一作用層之一n型GaN層與一p型GaN層，其中該p型GaN層包括鍵結氫的複數摻質，其中該p型GaN層已經雷射尖峰退火以打斷氫鍵以及激活位於該p型GaN層中的該些摻質而具有大於約5×1017 公分-3 及高達約5×1018 公分-3 之一活化摻雜物濃度；一透明導電層，其在該GaN多層結構之頂部；一p型接點，其形成於該透明導電層之頂部；及一n型接點，其形成於該n型GaN層之一曝露部分頂部。
  18. 如請求項17之GaN LED，其中該p型接點由於經雷射尖峰退火而具有在自約4×10-4 歐姆-公分2 至約1×10-5 歐姆-公分2 之範圍內之一歐姆接觸電阻。
  19. 如請求項17之GaN LED，其中該n型接點由於經雷射尖峰退火而具有在自約1×10-4 歐姆-公分2 至約1×10-6 歐姆- 公分2 之範圍內之一n型接觸電阻。
  20. 一種氮化鎵(GaN)發光二極體(LED)，其包括：一基板；一p型接觸層，其形成於該基板之頂部；一GaN多層結構，其形成於該p型接觸層之頂部並具有夾著一作用層之一n型GaN層與一p型GaN層，且該p型GaN層鄰接該p型接觸層，且該n型GaN層已經雷射尖峰退火以達成約3×1019 公分-3 至約3×1020 公分-3 之一活性摻雜物濃度；及一n型接點，其形成於該n型GaN層之頂部。
  21. 如請求項20之GaN LED，其中該n型接點由於經雷射尖峰退火而具有在自約1×10-4 歐姆-公分2 至約1×10-6 歐姆-公分2 之範圍內之一n型接觸電阻。
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