专利名称：氮化镓发光二极管的快速热退火的制作方法
技术领域：
本发明是涉及一种发光二极管，特别是涉及一种氮化镓发光二极管及其快速热退火方法。
现有技术发光二极管(特别是氮化镓发光二极管)，已被证明对各种照明应用(例如全彩显示器、交通号志灯等等)有用，且如果可使这样的LED更有效率，则可用于更多应用(例如背照光LCD面板、固态照明以取代传统白炽灯及荧光灯等等)。为实现更高效率的氮化镓发光二极管，它们需要具有增强的输出功率、更低的接通电压及减小的串联电阻。氮化镓发光二极管中的串联电阻是与掺杂物激活的效率、电流散布的均匀性及欧姆接触形成密切相关。·
对于氮化镓而言，可容易地使用Si而使η型掺杂物具有高达I X IO21CnT3的激活浓度。P型氮化镓可借助使用Mg作为掺杂物而获得。然而，Mg掺杂的效率由于其高热激活能而相当低。在室温下，仅数个百分比的并入的Mg对自由空穴浓度的有贡献。由于在生长处理期间的氢钝化，在MOCVD生长期间使Mg掺杂进一步复杂化。氢钝化需要热退火步骤以破坏Mg-H键并激活掺杂物。典型的热退火是在约7001的队环境中执行。到目前为止，P型氮化镓中的实际空穴浓度仍限于约5Χ 1017cnT3。该低激活水平导致弱欧姆接触及大散布电阻，此限制氮化镓发光二极管的性能。
发明内容
本发明的一方面是一种氮化镓发光二极管的形成方法。该方法包含在基板顶部形成具有夹着激活层的η型氮化镓层与P型氮化镓层的氮化镓多层结构。该方法亦包含对该P型氮化镓层执行持续时间为10秒或者更短的快速热退火。所述快速热退火可以是激光尖峰退火(laser spike annealing, LSA),其包含对该p型氮化镓层扫描激光束；或者是闪光灯退火(flash lamp annealing),其包含使整个晶片暴露在来自闪光灯的闪光或福射下。本方法亦包含在该氮化镓多层结构上形成透明导电层。本方法还包括将P型接触添加至透明导电层及将η型接触添加至η型氮化镓层。本方法较佳地还包括对所述透明导电层执行快速热退火。本方法较佳地还包括对所述P型接触执行快速热退火。本方法中，P型接触较佳地具有P型接触电阻，该对P型接触执行该快速热退火导致该P型接触电阻在从约4xl(T4ohm-cm2至约lxl(T6ohm-cm2的范围中。本方法较佳地还包括对所述η型接触执行快速热退火。本方法较佳地还包括形成凸缘在所述氮化镓多层结构及所述透明导电层中，以暴露η型氮化镓层。本方法较佳地还包括形成η型接触在暴露的η型氮化镓层上。本方法中，快速热退火较佳地具有最大退火温度ΤΜ，它是在从约700° C至约1500° C的范围中。
本方法中，所述快速热退火较佳地是借助激光器或闪光灯来执行。本方法中，所述快速热退火较佳地是借助闪光灯来执行，该闪光灯对整个该p型氮化镓层照射单一道闪光。本方法中，所述p型氮化镓层被执行该快速热退火后，较佳地具有从约5X1017cm_3至约5xl019cm_3范围中的被激活的掺杂物浓度。本方法较佳地还包括形成所述激活层以包括多重量子阱结构。本发明的另一方面是形成氮化镓发光二极管的方法。所述方法包含形成氮化镓多层结构，所述氮化镓多层结构具有n型氮化镓层与p型氮化镓层，所述n型氮化镓层与p型氮化镓层之间夹入激活层。本方法也包含形成P型接触层，邻接于该P型氮化镓层。本方法也包含形成n型接触在该n型氮化镓层上。本方法还包括对该n型接触执行快速热退火。所述快速热退火的持续时间是10秒或者更短，其可使用激光器或闪光灯来执行。
在本方法中，快速热退火较佳地是使用激光器或闪光灯来执行。在本方法中，n型接触较佳地具有n型接触电阻。该对n型接触执行快速热退火导致该n型接触电阻在从约lxl0_4ohm_cm2至约lxl0_6ohm_cm2的范围中。本方法较佳地还包括使该快速热退火具有最大退火温度Tam，它是在从约700° C至约1500。C的范围中。本发明的另一方面是氮化镓ニ极管，它包含基板、氮化镓多层结构、透明导电层、p型接触及n型接触。氮化镓多层结构是形成在基板上。氮化镓多层结构具有n型氮化镓层与P型氮化镓层，所述n型氮化镓层与所述p型氮化镓层之间夹入激活层。P型氮化镓层被施以快速热退火，以便使该层具有大于约5xl017cm_3并且直至约5xl019cm_3的被激活的掺杂物浓度。透明导电层位在氮化镓多层结构的顶部。P型接触是形成在透明导电层的顶部。n型接触被形成在n型氮化镓层的暴露部分上。快速热退火具有10毫秒或更短的持续时间，并且可以使用激光器或闪光灯来执行。在所述氮化镓发光二极管中，P型接触较佳地具有从约4xl0_4ohm-cm2至约Ixl(r6ohm-cm2范围中的欧姆接触电阻。 在所述氮化镓发光二极管中，n型接触较佳地具有从约lxl0_4ohm-cm2至约lxl0_6ohm-cm2范围中的n型接触电阻。本发明的另一方面是氮化镓发光二极管，它包含基板、p型接触层、氮化镓多层结构及n型接触。p型接触层是形成在基板上。氮化镓多层结构是形成在p型接触层的顶部。所述氮化镓多层结构具有n型氮化镓层与p型氮化镓层，n型氮化镓层与p型氮化镓层之间夹入激活层，P型氮化镓层邻接于P型接触层。n型氮化镓层被施以快速热退火，以得到具有约3X IO19CnT3至约3X IO21CnT3的激活掺杂物浓度的层。n型接触是形成在n型氮化镓层的顶部。所述快速热退火具有10秒或更短的持续时间，且可使用激光或闪光灯来执行。在氮化镓发光二极管中，被快速热退火层较佳地是闪光灯快速热退火层与激光器快速热退火层之一。在氮化镓发光二极管中，n型接触较佳地具有从约lxl0_4ohm-cm2至约lxl0_6ohm-cm2范围间的n型接触电阻。在以下详细描述中将阐述本发明的另外特征及优点，且熟悉此项技术者将自该描述而易于部分明白或借助实践如本文中所述的发明(包含以下详细描述、技术方案以及附图)而认识到本发明的另外特征及优点。应了解先前一般描述与以下详细描述两者呈现本发明的若干实施例，且意欲提供一概述或架构用于理解本发明所主张的本质及特性。附图被包含以提供本发明的进一步理解，并被并入至此说明书中且构成此说明书的一部分。附图示出本发明的各种实施例，且与描述一起用来解释本发明的原理及操作。
图I是用于GaN LED的一例示结构的剖面示意图；图2是退火温度TA(° C)对时间(毫秒(ms))的曲线图并示出当执行激光尖峰退火(LSA)时对于用激光束扫描的三个不同驻留时间的例示性退火温度分布曲线；
图3是示出使用扫描激光束的LSA处理的P型氮化镓层的特写侧视图；图4是例示线型扫描激光束形状的示意图；图5是应用于在本发明的GaN LED (例如图I所示)的产生过程中所形成的GaNLED结构的第一例示性LSA方法的示意图；图6是类似于图5并展示进一步包含透明导电层的GaN LED多层结构；图7是类似于图I并展示经由用激光束扫描在透明导电层表面上方以及在形成在该透明导电层上的P型接触上方而经受LSA的GaNLED ；图8是类似于图5并展示一例示GaN LED,其中该GaN LED多层结构是被颠倒以使η型氮化镓层在顶部并包含η型接触，且经由用激光束扫描η型氮化镓层的表面上方而使该GaN LED被施以LSA ；图9是模拟的电流(毫安(mA))对电压(V)曲线的图，它们示出本发明的GaN LED性能(■)相较于现有技术性能( )的增益(如使用LSA所实现)以降低操作电压上的串联电阻；图10是为一例示LED晶片被闪光灯退火系统照射以实现快速热退火的示意图；图11是类似于图7，示出一例示实施例中的GaN LED是被闪光灯的闪光所照射而被施以快速热退火；图12是类似于图8，示出一例示实施例中的GaN LED是被闪光灯的闪光所照射而被施以快速热退火；图13是类似于图5，示出一例示实施例中的GaN LED结构在制造GaN LED的过程中是被一闪光灯的闪光所照射而被施以快速热退火；图14是类似于图6，示出一例示实施例中的GaN LED结构在制造GaN LED的过程中是被一闪光灯的闪光所照射而被施以快速热退火。
具体实施例方式现详细参考本发明的目前较佳实施例，在附图中示出本发明的实例。无论何时，在所有附图中相同或相似组件符号及标记是用以意指相同或相似部件。术语“上”及“下”为用以促进描述的相对术语而非意为严格限制。许多所想要的LED特性(较高的掺杂物浓度、较低的接触电阻等)可透过下述实施方式的快速热退火来得到已经被确认了。在此处所定义的退火是指持续时间约10秒或者更短。快速热退火可以借助使用激光器(例如激光尖峰退火)或闪光灯(闪光灯退火)来实现。以下诸多讨论是以激光尖峰退火为例，但所改良之处以及权利要求是可扩展至各种形式的毫秒退火。图I是用于氮化镓(GaN)发光二极管(LED) 10的一例示性结构的示意横截面图。在美国专利案第6，455，877号、第7，259，399号及第7，436，001号中亦描述例示性GaNLED，该等专利案以引用方式并入本文中。氮化镓发光二极管10包含基板20，诸如蓝宝石、SiC、GaN Si等等。氮化镓多层结构30是安置在基板20的顶部，该氮化镓多层结构包含n型掺杂GaN层(“n型氮化镓层”)40及具有表面52的p型掺杂GaN层(“p型氮化镓层”)50。该n型氮化镓层40与该p型氮化镓层50夹着激活层60，且n型氮化镓层40是邻接基板20。激活层60包括(例如)多重量子井(MQW)结构，诸如未经掺杂的GalnN/GaN超晶格。氮化镓多层结构30因此界定p-n结。具有表面72的透明接触层(TCL) 70驻留在氮化镓多层结构30的顶部。例示性TCL 70包含氧化铟锡(ITO)。TCL 70用来散布电流并充当抗反 射涂层以使光学输出最佳化。氮化镓发光二极管10进ー步包含凹ロ 80，其暴露充当用于支撑n型接触90n的凸缘的n型氮化镓层40的表面部分42。例示性n型接触材料包含Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al或其等的组合。P型接触90p是配置在TCL表面72的一部分上。例示性p型接触材料包含Ni/Au 及 Cr/Au。氮化镓发光二极管10与现有技术的氮化镓发光二极管的不同点在于以下方式的至少之ー a)p型氮化镓层50中的掺杂物激活更大；b)使用激光尖峰退火(LSA)来使n型接触90n成合金 '及c)使用LSA来使p型接触90p成合金。以下详细描述处理氮化镓发光ニ极管10以实现此等不同点的方法。激光尖峰退火(LSA)为了增加p型氮化镓层50中的激活，短持续时间的高退火温度是需要的。使用传统退火时，可施加的最大温度是受限于GaN材料性质的降解。降解机制为在MOCVD生长处理期间(例如用Mg)掺杂的p型氮化镓层50的分解。Mg需要较高退火温度以有效率地激活，但在高温下的长持续时间使GaN分解出向外扩散氮并减小p型GaN中自由空穴的浓度。传统非快速热退火处理使基板在700° C的氮环境中保持几十秒至几分钟。另ー降解机制为在p型氮化镓层50中的应变松弛及位错产生。由于晶格失配，异质外延结构是处于具有内建应变的亚稳态。传统热退火由于热膨胀系数的失配而引入额外应变，且因此加速位错扩散及倍増。本发明采用激光尖峰退火(LSA)，其使用比传统非快速热退火较为高的温度以及较为短的退火时间。美国专利第6，747，245号、第7，154，066号及第7，399，945号中描述适于实施本发明的该方法的例示性LSA系统，该专利以引用方式并入本文中。在本发明的该方法中，LSA的例示性应用相较于传统RTA使退火时间減少3至4个数量级，从而实现更高退火温度Ta(例如Ta>1100° C)且无有害的氮向外扩散及位错产生效应。使用LSA来增强经掺杂GaN层中的掺杂物激活改良接触电阻，因为在高掺杂物浓度下隧道效应电流更高且势垒高度更低。在高激活掺杂物浓度下，特定接触电阻P。按以下比例确定
权利要求
1.ー种形成氮化镓发光二极管的方法，包括 形成氮化镓多层结构在基板上，该氮化镓多层结构具有n型氮化镓层与p型氮化镓层，该n型氮化镓层与该p型氮化镓层之间夹入激活层； 对该P型氮化镓层执行快速热退火，其中该快速热退火具有约10秒或更短的持续时间； 在该氮化镓多层结构上形成透明导电层；及 添加P型接触至该透明导电层，且添加n型接触至该n型氮化镓层。
2.如权利要求I的形成氮化镓发光二极管的方法，还包括对该透明导电层执行该快速热退火。
3.如权利要求I或2的形成氮化镓发光二极管的方法，还包括对该p型接触执行该快速热退火。
4.如权利要求3的形成氮化镓发光二极管的方法，其中该p型接触具有p型接触电阻，而所述对该P型接触执行快速热退火导致P型接触电阻在从约4X10_4Ohm-cm2至约IxlCT6Ohm-Cm2 的范围中。
5.如权利要求3的形成氮化镓发光二极管的方法，还包括对该n型接触执行快速热退火。
6.如权利要求5的形成氮化镓发光二极管的方法，还包括 形成凸缘在该氮化镓多层结构及该透明导电层中，以暴露该n型氮化镓层 '及 形成该n型接触在该暴露的n型氮化镓层上。
7.如权利要求I的形成氮化镓发光二极管的方法，其中该快速热退火具有最大退火温度Tam，它是在约700° C至约1500° C的范围中。
8.如权利要求7的形成氮化镓发光二极管的方法，其中该快速热退火利用激光器或闪光灯。
9.如权利要求8的形成氮化镓发光二极管的方法，其中该快速热退火是利用闪光灯来执行，该闪光灯对整个该P型氮化镓层照射单一道闪光。
10.如权利要求I的形成氮化镓发光二极管的方法，其中该p型氮化镓层被执行该快速热退火后，具有从约5xl017Cm_3至约5xl019Cm_3范围中的被激活的掺杂物浓度。
11.如权利要求I的形成氮化镓发光二极管的方法，还包括形成该激活层以包括多重量子阱结构。
12.—种形成氮化镓发光二极管的方法，包括 形成氮化镓多层结构，该氮化镓多层结构具有n型氮化镓层与p型氮化镓层，该n型氮化镓层与该P型氮化镓层之间夹入激活层； 形成P型接触层，邻接于该P型氮化镓层； 形成n型接触在该n型氮化镓层上 '及 对该n型接触执行快速热退火，其中该快速热退火具有约10秒或更短的持续时间。
13.如权利要求12的形成氮化镓发光二极管的方法，其中该快速激光退火的执行是使用激光器或闪光灯。
14.如权利要求13的形成氮化镓发光二极管的方法，其中该n型接触具有n型接触电阻，并且所述对该n型接触执行快速热退火导致该n型接触电阻在从约lX10_4ohm-Cm2至约IxlCT6Ohm-Cm2 的范围中。
15.如权利要求12的形成氮化镓发光二极管的方法，还包括进行该快速热退火，该快速热退火具有最大退火温度Tam，它是在从约700° C至约1500° C的范围中。
16.ー种氮化镓发光二极管，包括 基板； 氮化镓多层结构，形成在该基板上，并具有n型氮化镓层与p型氮化镓层，该n型氮化镓层与该P型氮化镓层之间夹入激活层，其中该P型氮化镓层包括快速热退火层，该快速热退火层具有大于约5X1017cm_3并且直到约5X1019cm_3的被激活的掺杂物浓度； 透明导电层，在该氮化镓多层结构的顶部； P型接触，形成在该透明导电层上 '及 n型接触，形成在该n型氮化镓层的暴露部分上； 其中该快速热退火层被以10秒或更短的持续时间进行快速热退火。
17.如权利要求16的氮化镓发光二极管,其中该p型接触具有从约4xl0_4ohm-cm2至约Ixl(r6ohm-cm2范围中的欧姆接触电阻。
18.如权利要求15或16的氮化镓发光二极管，其中该n型接触具有从约4xl0-4ohm-cm2至约Ixl0_6ohm-cm2范围中的n型接触电阻。
19.ー种氮化镓发光二极管，包括 基板； P型接触层，形成在该基板上； 氮化镓多层结构，形成在该P型接触层上，并具有n型氮化镓层与p型氮化镓层，该n型氮化镓层与该P型氮化镓层之间夹入激活层，该P型氮化镓层邻接于该P型接触层，且该n型氮化镓层包括快速热退火层，该快速热退火层具有约3 X IO19CnT3至约3 X IO21CnT3的激活掺杂物浓度；及 n型接触，形成在该n型氮化镓层上； 其中该快速热退火层被以10秒或更短的持续时间进行快速热退火。
20.如权利要求19的氮化镓发光二极管，其中该快速热退火层是闪光灯快速热退火层和激光器快速热退火层之ー。
21.如权利要求19或20的氮化镓发光二极管，其中该n型接触具有从约I X ICT4Ohm-Cm2至约I X lCT6ohm-cm2的范围内的n型接触电阻。
全文摘要
氮化镓发光二极管的快速热退火。本发明公开一种在形成氮化镓(GaN)发光二极管(LED)时所执行的快速热退火的方法，以及使用所述快速热退火方法所形成的氮化镓发光二极管。一种例示性方法包含形成氮化镓多层结构，其具有n型氮化镓层与p型氮化镓层，且所述n型氮化镓层与p型氮化镓层之间夹入激活层。该方法还包含使用激光器或闪光灯对p型氮化镓层执行快速热退火。该方法还包含在氮化镓多层结构上形成透明导电层，且将p型接触添加至透明导电层上及将n型接触添加至n型氮化镓层上。所得氮化镓发光二极管具有增强的输出功率、更低的接通电压及减低的串联电阻。
文档编号H01L33/02GK102956476SQ201210300599
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月22日 优先权日2011年8月24日
发明者王耘, A·M·霍利鲁克 申请人:超科技公司