KR20130011933A

KR20130011933A - ＧａＮＬＥＤ 및 이것의 고속 어닐링 방법

Info

Publication number: KR20130011933A
Application number: KR1020120077678A
Authority: KR
Inventors: 연 왕; 앤드류 엠. 하우리루크
Original assignee: 울트라테크 인크.
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2013-01-30
Also published as: JP2013038417A; CN102891225A; TW201306309A; TWI453953B

Abstract

고속 열 어닐링을 사용하여 형성된 GaN LED와, GaN LED를 형성하기 위해 고고속 열 어닐링을 수행하는 방법을 제공한다. 실시예는 활성층을 사이에 끼운 n-GaN 레이어 및 p-GaN 레이어를 갖는 GaN 멀티레이어 구조체를 형성하는 것을 포함한다. 상기 방법은 레이저 또는 섬광 램프 중 어느 하나를 사용하여 p-GaN 레이어의 고속 열 어닐리을 수행하는 것을 포함한다. 또한 GaN 멀티레이어 구조체 위에 투명 전도 레이어를 형성하는 것과, 투명 전도 레이어 위에 p-콘택을 부가하고 n-GaN 레이어 위에 n-콘택을 부가하는 것을 포함한다. 최종 생성된 GaN LED는 향상된 출력 파워, 낮은 턴-온 전압 및 감소된 직렬 저항을 갖는다.

Description

ＧａＮＬＥＤ 및 이것의 고속 어닐링 방법{FAST ANNEALING OF GaN LEDs}

본 발명은 일반적으로 LED에 관한 것이고, 특히 GaN LED 형성에서 고속 열 어닐링(fast thermal annealing)의 사용에 관한 것이다.

관련 출원의 상호 참조

본 발명은 2009년 11월 6일자 미국 특허출원 제12/590,360호(발명의 명칭: "GaN LED의 레이저 스파이크 어닐링")의 부분계속출원으로서, 상기 출원의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

LED(특히, GaN LED)는 다양한 조명 응용(예를 들어, 풀-컬러 디스플레이, 교통 신호등 등)에 유용한 것으로 입증되었고, 이들 LED가 좀 더 효율적으로 만들어질 수 있다면 더 많은 응용(예를 들어, LCD 패널의 백라이트, 종래의 백열등 및 형광들을 대체할 고체 상태 조명 등)의 가능성을 갖는다. GaN LED에 대하여 더 높은 효율을 달성하기 위하여, 출력 전력을 강화하고, 턴-온 전압 낮추고, 직렬 저항을 감소시킬 필요가 있다. GaN LED 내의 직렬 저항은 도펀트 활성화의 효율, 전류 확산의 균일성, 및 오믹 콘택(ohmic contact) 형성과 밀접하게 관련이 있다.

GaN에서, n-형 도펀트는 1x10²¹ cm^- ³ 의 높은 활성화 농도에서 Si를 사용하여 용이하게 달성될 수 있다. p-형 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 프로세스 동안 수소 패시베이션(passivation) 때문에 MOCVD 성장 동안 더욱 복잡해진다. 수소 패시베이션은 Mg-H 결합을 깨고 도펀트를 활성화하기 위해 열 어닐링 단계를 필요로 한다. 일반적인 열 어닐링은 N₂ 환경에서 약 700℃에서 실행된다. 지금까지, p-형 GaN 내의 실제 홀 농도는 약 5x10¹⁷cm^-3으로 여전히 제한된다. 이 낮은 활성화 레벨이 낮은 오믹 콘택과 넓은 확산 저항을 가져오고, 이것이 GaN LED의 성능을 제한한다.

본 발명의 일 형태는 GaN LED를 형성하는 방법이다. 상기 방법은 활성 레이어를 사이에 끼운 p-GaN 레이어와 n-GaN 레이어를 구비하는 GaN 멀티레이어 구조체를 기판 위에 형성하는 것을 포함한다. 상기 방법은 또한 p-GaN 레이어에 고속(즉, 100 ms 이하) 열 어닐링을 실행하는 단계를 포함한다. 고속 열 어닐링은 p-GaN 레이어에 대해 레이저 빔을 주사하는 것을 포함하는 레이저 스파이크 어닐링(LSA)이거나, 섬광 램프에서 방출되는 섬광으로 전체 웨이퍼를 노출하는 것을 포함하는 섬광 램프 밀리 초 어닐링이 될 수 있다. 상기 방법은 또한 GaN 멀티레이어 구조체 위에 투명 전도 레이어를 형성하는 것을 포함한다. 상기 방법은 추가로 투명 전도 레이어에 p-콘택을 부가하고 n-GaN 레이어에 n-콘택을 부가하는 것을 포함한다.

상기 방법은 바람직하게는 상기 투명 전도 레이어를 통해 고속 열 어닐링을 실행하는 것을 추가로 포함한다.

상기 방법은 바람직하게는 상기 p-콘택의 고속 열 어닐링을 실행하는 것을 추가로 포함한다.

상기 방법에서, 상기 p-콘택은 p-콘택 저항을 갖는다. 그리고 상기 p-콘택의 고속 열 어닐링 실행의 결과 약 4x10^-4 ohm-cm² 내지 약 1x10^-6 ohm-cm² 범위의 p-콘택 저항이 얻어진다.

상기 방법은 바람직하게는 상기 n-콘택의 고속 열 어닐링을 실행하는 것을 추가로 포함한다.

상기 방법은 바람직하게는 상기 n-GaN 레이어를 노출시키기 위해 상기 GaN 멀티레이어 구조체와 투명 전도 레이어 내에 레지(ledge)를 형성하는 것을 추가로 포함한다. 상기 방법은 또한 바람직하게는 상기 노출된 GaN 레이어 위에 상기 n-콘택을 형성하는 것을 추가로 포함한다.

상기 방법에서, 상기 고속 열 어닐링은 바람직하게는 약 700℃ 내지 약 1,500℃ 범위에서 최대 어닐링 온도(T_AM )를 갖는다.

상기 방법에서, 상기 고속 열 어닐링은 바람직하게는 레이저 또는 섬광 램프 중 어느 하나를 이용한다.

상기 방법에서, 상기 고속 열 어닐링은 바람직하게는 단일 섬광으로 전체 p-GaN 레이어를 조사하는 섬광으로 수행된다.

상기 방법에서, 상기 p-GaN 레이어는 바람직하게는 고속 열 어닐링 후에 약 5x10¹⁷cm^-3내지 약 5x10¹⁹cm^-3 범위의 활성 도펀트 농도를 갖는다.

상기 방법은 바람직하게는 다중 양자 웰(multiple quantum well) 구조체를 포함하도록 상기 활성 레이어를 형성하는 것을 추가로 포함한다.

본 발명의 또 다른 형태는 GaN LED를 형성하는 방법이다. 상기 방법은 활성 레이어를 사이에 끼운 p-GaN 레이어 및 n-GaN 레이어를 구비한 GaN 멀티레이어 구조체를 형성하는 것을 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 p-GaN 레이어에 인접하여 p-콘택을 형성하는 것을 추가로 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 n-GaN 레이어 위에 n-콘택을 형성하는 것을 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 n-콘택에 대해 레이저를 주사하여 상기 n-콘택의 고속 열 어닐링(즉, 100 ms 이하)을 실행하는 것을 추가로 포함한다. 상기 고속 열 어닐링은 레이저 또는 섬광 램프를 이용하여 실행될 수 있다.

상기 방법에서, 상기 고속 열 어닐링은 바람직하게는 레이저 또는 섬광 램프를 사용하여 실행된다.

상기 방법에서, 상기 n-콘택은 바람직하게는 n-콘택 저항을 갖는다. 그리고 상기 n-콘택의 고속 열 어닐링의 실행 결과 약 1x10^-4 ohm-cm² 내지 약 1x10^-6 ohm-cm² 범위의 n-콘택 저항이 얻어진다.

상기 방법은 바람직하게는 약 700℃ 내지 약 1,500℃ 범위에서 최대 어닐 온도(T_AM)를 갖도록 고속 열 어닐링을 수행하는 것을 추가로 포함한다.

본 발명의 또 다른 형태는 기판, GaN 멀티레이어 구조체, 투명 전도 레이어, p-콘택 및 n-콘택을 포함하는 GaN LED이다. 상기 GaN 멀티레이어 구조체는 상기 기판 위에 형성된다. 상기 GaN 멀티레이어 구조체는 활성 레이어를 사이에 끼운 p-GaN 레이어 및 n-GaN 레이어를 포함한다. 상기 p-GaN 레이어는 약 5x10¹⁷cm^-3보다 크고 약 5x10¹⁹cm^-3 이하의 활성 도펀트 농도를 갖는 레이어를 갖도록 고속 열 어닐링이 적용된다. 상기 투명 전도 레이어는 상기 GaN 멀티레이어 구조체 위에 있다. 상기 p-콘택은 상기 투명 전도 레이저 위에 형성된다. 상기 n-콘택은 n-GaN 레이어의 노출된 부분 위에 형성된다. 상기 고속 열 어닐링은 섬광 램프 또는 레이저어느 하나에 의해 실행된다.

상기 GaN LED에서, 고속 어닐링된 레이어는 바람직하게는 섬광 램프 고속 열 어닐링된 레이어 또는 레이저 고속 열 어닐링된 레이어이다.

상기 GaN LED에서, 상기 p-콘택은 바람직하게는 약 4x10^-4 ohm-cm² 내지 약 1x10^-6ohm-cm²범위의 오믹(ohmic) 콘택 저항을 갖는다.

상기 GaN LED에서, 상기 n-콘택은 바람직하게는 약 1x10^-4ohm-cm² 내지 약 1x10^-6ohm-cm² 범위의 n-콘택 저항을 갖는다.

본 발명의 또 다른 형태는 기판, p-콘택 레이어, GaN 멀티레이어 구조체 및 n-콘택을 포함하는 GaN LED이다. 상기 p-콘택 레이어는 상기 기판 위에 형성된다. 상기 GaN 멀티레이어 구조체는 활성 레이어를 사이에 끼운 p-GaN 레이어 및 n-GaN 레이어를 구비하고, 상기 p-GaN 레이어는 상기 p-콘택 레이어에 인접한다. 상기 n-GaN 레이어는 약 3x10¹⁹cm^-3내지 약 3x10²¹cm^-3의 활성 도펀트 농도를 갖는 레이어를 얻기 위해 고속 열 어닐링된다. 상기 n-콘택은 n-GaN 레이어 위에 형성된다. 상기 고속 열 어닐링은 섬광 램프 또는 레이저 어느 하나에 의해 실행될 수 있다.

본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 다음 상세한 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로는 다음의 상세한 설명, 청구범위, 첨부된 도면을 포함하여 본 명세서에 설명된 바와 같은 발명을 실행하는 것에 의해 인식되거나 또는 설명으로부터 당업자에게 용이하게 인식될 것이다.

전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 본 발명의 실시예를 제시하고 청구되는 바와 같은 본 발명의 성질과 특성을 이해하기 위한 개관 또는 골격을 제공하기 위한 것이다. 첨부 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 여러 실시예를 도시하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 동작과 원리를 설명한다.

본 발명에 의하면, 출력 파워를 향상시키고, 턴-온 전압 낮추고, 직렬 저항을 감소시키는 것에 의해, 더욱 높은 효율을 달성하는 GaN LED, 및 GaN LED의 고속 열 어닐링을 수행하는 방법을 제공하는 것이 가능하다.

도 1은 GaN LED의 실시예 구조체의 개략적 단면도이고;
도 2는 시간(ms: milliseconds)과 어닐링 온도 T_A(℃)의 도면이고 LSA를 실행할 때 주사된 레이저 빔의 세 개의 상이한 체류시간(dwell times)에 대하여 어닐링 온도 프로파일의 예를 도시하고;
도 3은 주사된 레이저 빔을 사용하는 LSA 프로세스를 나타내는 p-GaN 레이어의 확대 측면도이고,
도 4는 주사된 선형의 레이저 빔 형상의 예를 나타낸 개략도이고;
도 5는 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 GaN LED를 생성하는 프로세스에서 형성된 GaN LED 구조체에 적용된 바와 같은 LSA 방법의 제 1 실시예의 개략도이고;
도 6은 도 5와 유사한 도면으로서 투명 전도 레이어를 추가로 포함하는 GaN LED 멀티레이어 구조체를 도시하고;
도 7은 도 1과 유사한 도면으로서 투명 전도 레이어 표면과 그 위에 형성된 p-콘택에 대해 레이저 빔을 주사하는 것에 의해 GaN LED에 LSA가 실행되는 것을 도시하고;
도 8은 도 5와 유사한 도면으로서 n-GaN 레이어가 상부에 있고 n-콘택을 포함하도록 GaN LED 멀티레이어 구조체가 역전된 경우이며, n-GaN 레이어의 표면에 대해 레이저 빔을 주사하는 것에 의해 GaN LED에 LSA가 실행되는 예를 도시하고,
도 9는 LSA를 사용하여 동작 전압에서 직렬 저항을 감소시켜 달성된, 종래 기술의 성능(◆)에 비해 본 발명의 GaN LED의 성능 이득(■)을 도시하는, 전류(mA)와 전압(V)의 관계를 나타내는 곡선을 모델화한 그래프이고,
도 10은 섬광 램프 어닐링 시스템으로 고속 열 어닐링을 수행되는 LED 웨이퍼의 예를 개략적으로 도시하고,
도 11은 도 7과 유사한 도면으로서, p-콘택(90p) 포함하는 TCL 표면(72) 위에 섬광(260)을 쬐어 GaN LED(10)를 고속 열 어닐링 처리하는 실시예를 도시하고,
도 12는 도 8과 유사한 도면으로서 GaN LED가 섬광 램프의 섬광을 사용하여 고속 열 어닐링되는 실시예를 도시하고
도 13은 도 5의 도면과 유사하며 GaN LED를 제조하는 프로세스에서 형성된 GaN LED 구조체에 섬광 램프의 섬광을 사용하여 고속 열 어닐링되는 실시예를 도시하고,
도 14는 도 6과 유사한 도면으로서 GaN LED를 제조하는 프로세스에서 형성된 GaN LED 구조체에 섬광 램프의 섬광을 사용하여 고속 열 어닐링되는 실시예를 도시한다.

이제 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 가능한, 동일한 또는 유사한 참조 번호와 기호가 동일하거나 유사한 부분을 나타내도록 도면 전체에서 사용된다. 단어 “위” 및 “아래” 는 설명을 용이하게 하기 위해 사용되는 상대적인 단어이고 엄격하게 한정하고자 하는 것은 아니다.

다수의 바람직한 LED 속성(더 높은 도펀트 농도, 더 낮은 콘택 저항 등)이 고속 열 어닐링을 통해 얻어질 수 있으며, 고속 어닐링은 본 명세서에서 약 100 ms 이하의 시간, 예컨대 0.1 내지 100 ms 동안 일어나는 어닐링으로 정의된다. 고속 어닐링은 레이저(예컨대, 레이어 스파이크 어닐링(laser spike annealing) 또는 섬광 램프(flash lamp)(플래시 램프 어닐링)을 사용하여 수행될 수 있다.

이하의 설명의 대부분은 레이저 스파이크 어닐링에 대한 것이지만, 본 발명은 모든 형태의 밀리 초 어닐링에 대해서도 적용된다.

도 1은 GaN LED(10) 구조체의 일 예의 개략적 단면도이다. GaN LED는 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 미국 특허 제6,455,877호, 제7,259,399호 및 제7,436,001호에서도 설명되어 있다. GaN LED(10)는 사파이어, SiC, GaNSi 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 멀티레이어 구조체(30)가 기판(20) 위에 배치된다. n-GaN 레이어(40)와 p-GaN 레이어(50) 사이에는 활성 레이어(60) 있고, n-GaN 레이어(40)는 기판(20)에 인접한다. 활성 레이어(60)는 예를 들어 도핑되지 않은 GaInN/GaN 초격자(superlattice)와 같은 복수 양자 웰(MQW: multiple quantum well) 구조체를 포함한다. GaN 멀티레이어 구조체(30)는 그러므로 p-n 접합을 구획한다. 표면(72)을 구비한 투명 전도 콘택(TCL: transparent contact layer)는 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-콘택(90n)을 지지하는 선반으로 작용하는 n-GaN 레이어(40)의 표면 부분(42)을 노출하는 노치(notch)(80)를 추가로 포함한다. 실시예 n-콘택 물질은 Ti/Au, Ni/Au, Ti/Al, 또는 그 조합을 포함한다. p-콘택(90p)은 TCL 표면(72)의 부분 위에 배열된다. p-콘택 물질의 예는 Ni/Au 및 Cr/Au를 포함한다.

GaN LED(10)는, a) p-GaN 레이어(50) 내의 도펀트 활성이 더 크고, b) n-콘택(90n)이 레이저 스파이크 어닐링(LSA)을 사용하여 합금되고, 및 c) p-콘택(90p)이 LSA를 사용하여 합금되는 세 개의 방법 중 하나 이상에서 기존의 GaN LED와 상이하다. 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 기간 높은 어닐링 온도가 요구된다. 종래의 RTA(rapid thermal annealing)를 이용할 때, 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 기간 높은 온도는 질소 방출 확산에 의해 GaN을 분해하고 p-GaN에서 자유-홀의 농도를 감소시킨다. 종래의 RTP 타입 어닐링 프로세스는 수십 초에서 수 분 사이 동안 질소 환경에서 기판을 700℃에서 유지한다.

다른 열화 메커니즘은 p-GaN 레이어(50) 내의 전위 생성(dislocation generation)과 긴장 이완이다. 격자 불일치 때문에, 헤테로-에피택셜 구조체는 빌트-인 스트레인을 가지고 준 안정성 상태에 있다. 종래의 RTA는 열 팽창 계수에서 불일치 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 LSA 시스템은 본 명세서에 참조에 의해 포함되는 미국 특허 제6,747,245호, 제7,154,066호 및 제7,399,945호에 설명되어 있다. 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 콘택 저항을 개선한다. 높은 활성 도펀트 농도에서, 비콘택저항 ρ_c 은 다음과 같다:

여기서 배리어 높이 변화 Δφ_B 는 다음과 같이 주어진다:

상기 수학식에서, h는 플랑크 상수이고, m*은 전자 또는 홀의 유효 질량이고, ε은 질화물의 유전상수이고, N은 활성 도펀트 농도이고, q는 기본 전하(elementary charge), k_B는 볼쯔만 상수, T는 절대 온도, 그리고, V₀는 콘택 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, 콘택 저항 ρ_c은 도펀트 활성화의 증가로 감소한다. 실시예에서, 본 발명의 방법은 p-GaN에서 활성화된 도펀트 농도를 약 2.5배(예를 들어 약 5x10¹⁷cm^-3에서 약 1.25x10¹⁸cm^-3까지)로 증가시켜, 전체 콘택 저항(확산 저항 포함)에서 약 60%의 감소를 제공한다.

도 2는 어닐링 온도 T_A(℃)와 시간(ms)의 도면이고 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 주사된 레이저 빔(120)의 세 개의 상이한 체류시간에 대한 어닐링 온도 프로파일의 예를 도시한다. 도 2의 곡선은, 도시된 바와 같이 레이저 빔(120)이 p-GaN 레이어(50)의 표면(52)과 같은 주어진 레이어의 표면 위의 포인트(P)에 접근하여 지나갈 때, 그 포인트의 어닐링 온도 프로파일을 나타낸다. 계산 시, 레이저 빔(120)은 표면(52)에서 예를 들어 약 10mm의 길이(L)와 약 100μm의 폭(W)을 갖거나 또는 약 100:1의 가로세로 비를 갖는, (선택된 세기 임계값에서 얻어진) 길고 얇은 형상을 가진다. 레이저 빔(120)은 속도(V_S)로 표면(52)을 가로질러 주사한다. 체류시간(t_d)은 빔 폭(W)과 주사 속도(V_S)로 결정된다. 체류시간이 더 길면, 레이저 빔(120)이 포인트(P)를 타격할 때까지 레이저 빔(120)이 접근함에 따라, 열 전도가 포인트(P)를 예열하고, 그에 의해 어닐링 온도를 최대값 T_AM까지 올린다. 체류시간이 더 짧아지면, 열 전도는 실리콘을 예열하기에 불충분하고, 포인트(P)는 더 짧은 기간 동안 최대 어닐링 온도 T_AM를 겪게 된다. 이는 어닐링 온도 프로파일을 조절하는 것을 가능하게 한다.

GaN LED 구조체에 대한 LSA 방법의 예

도 5는 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. 주사되는 레이저 빔(120)은 p-GaN 레이어(50)의 표면(52) 위로 입사하게 된다. 레이저 빔(120)의 주사는 레이저빔(120)을 주사하거나, 예를 들어 GaN LED(10)를 형성하는 프로세스에서 사용되는 웨이퍼(미도시)를 주사하는 것과 같이 GaN LED 구조체(100)를 주사하는 것에 의해 달성된다. 체류시간(t_d)=W/V_s에 대한 범위는 예를 들면 약 10μs에서 10ms까지이다. 최대 어닐 온도 T_AM에 대한 범위는 예를 들면 약 700℃에서 약 1,500℃ 까지 이다. 최대 어닐 온도 T_AM는 GaN LED 구조체(100)에서 GaN 해리(disassociation)d의 양, 격자 불일치에 의한 긴장 이완(strain relaxation) 및 전위(dislocation)에 의해 결정된다. 어닐링의 깊이는 체류시간과 레이저 빔 세기에 좌우된다. 실시예 레이저 빔 세기는 400W/mm²이다. 실시예 GaN 멀티레이어 구조체(30)는 수 μm에서 약 10μm까지의 두께를 갖고, 어닐링은 일반적으로 10μm에서 100μm까지, 즉 일반적으로 GaN 멀티레이어 구조체(100)를 통과하고 어떤 경우에는 기판(20)까지 도달한다. 그러므로, p-GaN 레이어(50)의 도펀트 활성이 증가되더라도, 일 실시예에서 아래 놓인 n-GaN 레이어(40) 내의 도펀트 활성이 증가하는 추가적인 이익이 있다.

GaN LED 구조체(100)의 어닐링이 실행되면, 그 다음에는 TCL(70)이 p-GaN 레이어 표면(52) 위에 도포된다. 노치(80)가 그 다음 형성되고, n-콘택(90n) 및 p-콘택(90p)이 도 1에 도시된 바와 같은 GaN LED(10)를 형성하도록 도포된다(예를 들어 피착됨).

도 6은 도 5와 유사한 도면으로서 투명 TCL(70)를 추가로 포함하는 GaN LED 구조체(100)를 도시한다. TCL(70)의 피착 후 LSA 실행의 이점은, TCL(70)이 어닐링 동안 질소가 방출하는 것을 방지하는 보호 레이어로서 기능을 할 수 있다는 것이고, 그에 의해 재료 열화 없이 더 높은 어닐링 온도 T_A를 가능하게 한다.

도 7은 도 1과 유사한 도면으로서 p-콘택(90p)을 포함하는 TCL 표면(72)에 대해 레이저 빔(120)을 주사하여 GaN LED(10)에 LSA가 실행되는 것을 도시한다. 종래의 고속이 아닌 어닐링 기법과 비교하여 LSA의 비교적 낮은 열 수지(thermal budget)는 p-n접합을 통한 P-콘택(90p) 내 금속의 스파이크의 위험 없이 전술한 높은 어닐링 온도가 사용되는 것을 허용한다.

여기 설명된 어닐링 방법의 실시예에서, LSA는 도 7의 GaN LED 내의 p-콘택(90p) 안에 오믹 합금 형성을 위해 사용된다. 일반적으로, p-형 오믹 콘택은 10 내지 20분 동안 500℃와 800℃ 사이의 온도에서 Ni/Au 합금에 의해 달성된다. 높은 합금 온도는 p-n 접합을 통한 합금 금속의 잉여 확산 때문에 누출과 형태 열화를 일으킨다. 낮은 p-형 농도 때문에, 콘택 저항은 예를 들어 약 1x10^-3 ohm-cm²으로 높다. 이는 큰 전압 강하만 일으키는 것이 아니라 높은 전류 레벨에서 GaN LED(10)의 수명을 감소시킬 수 있는 국지적 가열을 발생시킬 수도 있다. LSA 사용에 의해, 더 높은 어닐링 온도가 응집 없이 적용될 수 있다. 이는 p-콘택(90p) 형성과 GaN LED(10)의 전체적인 신뢰도 향상을 위한 새로운 기회를 제공한다. 일 실시예에서, p-콘택 저항은 약 4x10^-4에서 약 1x10^-6 ohm-cm²까지의 범위에 있다. 그러므로, 본 발명의 방법의 일 실시예에서, p-콘택의 합금과 p-GaN 레이어(50)의 도펀트 활성 증가는 최종 GaN LED(10)의 성능에 추가적인 향상을 제공하는 결합된 이익을 제공한다.

도 8은 도 5와 유사한 도면으로서, 수직 GaN LED(10)의 예를 도시하며, 여기서, 기판(20)은 금속(예를 들어 구리 합금)이고, GaN 멀티레이어 구조체(30)는 도 5에 도시된 배열과 역전된 n-GaN 레이어(40)와 p-GaN 레이어(50)를 구비하는데, 즉, 표면(42)을 가진 n-GaN 레이어(40)는 활성 레이어(60) 위에 있고, p-GaN 레이어(50)는 활성 레이어 아래에 있다. n-콘택(90n)은 n-GaN 레이어 표면(42) 위에 있고, p-콘택(90p)은 p-GaN 레이어(50) 아래에 있으며 반사 레이어 역할을 한다. 별도의 반사 레이어(도시되지 않음)가 p-콘택(90p)에 인접하여 부가되어도 좋다. 도 8의 GaN LED(10)는 n-콘택(90n)을 포함하는 n-GaN 레이어 표면(42) 위에 레이저 빔(120)을 주사하는 것에 의해 LSA가 실행된다. 금속 기판(20)은 GaN 멀티레이어 구조체(30)에 접착되고 효율적으로 열을 발산시키도록 양호한 열 전도도를 가진다. 주목할 것은 어닐링이 p-GaN 레벨까지 도달하기 때문에, 일 실시예에서 이 레이어 역시 도펀트 활성이 증가하여 최종 GaN LED(10)의 성능을 더욱 강화하게 된다는 것이다. 도 8의 수직 GaN LED(10)는 플립칩(flip-chip) 공정을 사용하여 형성될 수도 있다.

일반적으로 이 레이어의 도펀트 농도는 높기 때문에, 통상 n-GaN 레이어(40)에 n-콘택(90n)의 오믹 콘택을 형성하는 것은 문제가 되지 않는다. 1x10^-6 ohm-cm² 이하의 비콘택저항(ρ_c)이 달성될 수 있다. 그러나, 발전된 플립 칩 LED에서, n-콘택 형성은 상이한 기판에 접착 후 수행된다. 이 경우, 열 수지(열활성 exp{-E_a/k_BT_A}과 어닐링 기간의 곱으로 정의됨, 여기서 E_a는 열활성화 에너지, k_B는 볼쯔만 상수, T_A는 어닐링 온도)는 GaN 멀티레이어 구조체(30)와 (금속) 기판(20) 사이의 열팽창 계수의 불일치로부터 스트레스와 전위 생성을 회피하기 위해 제한될 필요가 있다. 이 경우에, 오믹 콘택을 형성하기 위해 300℃에서 저온 어닐링이 사용되었고 콘택 저항 ρ_c = 7x10^-4 ohm-cm²를 얻었으며, 이것은 LSA와 연관된 극히 낮은 열수지와 더 높은 어닐링 온도를 사용하여 달성 가능한 것보다 훨씬 높다. 일 실시예에서, 1x10^-6 ohm-cm² 만큼 낮은 콘택 저항(ρ_c)이 LSA 어닐링을 사용하여 n-GaN에서 달성되고, 레이저 어닐링을 채용하지 않은 LED에 비해 350mA 구동 전류에서 GaN LED의 성능이 8%까지 개선되었다.

GaN LED(10)의 콘택 저항의 감소는 성능 개선을 가져온다. 다이오드 전류가 증가함에 따라, (nk _B T/qI)(여기서 n은 이상계수, k_B는 볼쯔만 상수, T는 접합 온도, q는 기본 전하, 및 I는 다이오드 전류인 경우)로 주어진 고유저항은 직렬 저항 R_S이 GaN LED(10)의 효율을 지배하는 점까지 감소한다.

도 9는 LSA를 사용하여 동작 전압에서 직렬 저항을 감소시켜 달성된, 본 발명의 GaN LED(10)의 성능 이득을 도시하는, 전류(mA)와 전압(V)의 관계를 나타내는 곡선을 모델화한 그래프이다. 상기 그래프는 상이한 직렬 저항(R_s)을 가진 GaN LED(10)에 대한 것으로서,“다이아몬드”(◆) 곡선은 종래의 GaN LED(10)를 모델화하고,“사각형”(■) 곡선은 LSA-기반 방법을 사용하여 p-GaN에서 2.5배 더 높은 도펀트 활성을 가진 GaN LED(10)를 모델화한다. 전압 변화량은(ΔV)는 ΔV=IΔR_S 의 관계에 의해 직렬 저항의 변화에 관련된다.

전류 I = 350mA에서, 직렬 저항(Rs)의 40%의 감소(콘택 저항은 60% 저하)는 동작 전압(V)에서 약 10%의 강하를 가져오므로 lumens/watt으로 환산하면 10%의 LED 효율이 증가한다. 직렬 저항의 주요 부분은 콘택 저항에 기인한다.

장래 주요 LED 제조업자에 의해 채용될 것으로 예상되는 더 높은 구동 전류에서는 더욱 개선될 수 있다. 도 9의 두 곡선은 벌어지므로 구동 전류가 클수록 전압 강하가 더 커지게 된다. 그러므로, 700mA의 구동 전류에서, 본 명세서의 방법을 사용하여 형성된 GaN LED(10)는 종래 방법으로 도핑된 GaN LED보다 15% 내지 20% 더 효율적일 것으로 예상된다. 이는 100 lumens/watt의 종래의 출력을 가진 GaN LED를 약 120 lumens/watt의 출력을 갖는 GaN LED로 개선한다.

섬광 램프 어닐링

본 발명의 실시예는 섬광 램프(flash lamp)의 섬광을 사용하여 고속 열 어닐링을 수행하는 것을 포함한다. 도 10은 표면(202)을 갖는 LED 웨이퍼(200)의 예를 개략적으로 도시한다. LED 웨이퍼(200)는 척(206)에 의해 지지되고 있다. LED 웨이퍼(200)는 도 11 및 도 12에 도시된 것과 같은 GaN LED(10) 또는 도 13 및 도 14에 도시된 것과 같은 GaN LED(10)를 제조하는 과정에서 형성된 GaN LED 구조체(100)를 포함한다. LED 웨이퍼(200) 및 웨이퍼 스테이지(206)는 챔버(220)의 챔버 내부(210)에 수용된다. 섬광 램프(250)는 챔버 내부(210)의 웨이퍼 표면(202) 주위에 배치된다. 섬광 램프(250)는 하나 이상의 섬광 램프 요소(252)를 포함할 수 있다. 섬광 램프(250)는 밀리 초의 기간, 예컨대 0.1ms과 100ms 사이의 섬광(260)을 방출한다. 섬광(260)은 LED 웨이퍼(200)의 고속 열 어닐링(thermal annealing)을 수행하여 전체 웨이퍼 표면(200)을 노출한다. 섬광을 이용한 고속 열 어닐링 시스템 및 방법의 예는 미국 특허 제7,015,422호 및 미국 특허출원 공개 제US2008/0008460호에 개시되어 있으며, 이것들의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

도 11은 도 7과 유사한 도면으로서, p-콘택(90p) 포함하는 TCL 표면(72)에 대해 섬광(260)을 인가하여 GaN LED(10)를 고속 열 어닐링 처리하는 실시예를 도시한다. 도 12는 도 8과 유사한 도면으로서 수직의 GaN LED(10)의 예를 도시하며, 여기서 기판(20)은 금속이고(예컨대, 구리 합금), GaN 멀티레이어 구조체(30)는 n-GaN 레이어(40)와 p-GaN 레이어(50)를 가지며, 그 배열은 도 5의 배열, 즉 표면(42)을 갖는 n-GaN 레이어(40)가 활성 레이어(60) 위에 있고 p-GaN 레이어(50)가 상기 활성 레이어 아래에 있는 것과 역전되어 있다. n-콘택(90n)은 n-GaN 레이어 표면(42) 위에 있고 p-콘택(90p)은 p-GaN 레이어(50) 아래에 있으며 반사 레이어로서 기능을 한다. 또한 별도의 반사 레이어(도시되지 않음)가 p-콘택(90p)에 인접하여 추가될 수 있다. 도 12의 GaN LED(10)는 n-콘택(90n)을 포함하는 n-GaN 레이어 표면(42)에 대해 섬광(260)을 조사하여 고속 열 어닐링이 수행된다.

도 13은 도 5의 도면과 유사하며 GaN LED(10)을 제조하는 프로세스에서 형성된 GaN LED 구조체(100)에 섬광(260)을 사용한 고속 열 어닐링이 적용되는 예를 도시한다.

도 14는 도 6과 유사한 도면으로서 TCL(70)을 포함하는 GaN LED 구조체(100)에 섬광(260)을 사용한 고속 열 어닐링이 적용되는 예를 도시한다.

본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않으면서 본 발명에 대해 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 청구항과 그 균등물의 범위 안에 있는 한 본 발명에 대한 변경과 변형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

10: GaN LED 20: 기판
30: GaN 멀티레이어 구조체 40: n-GaN 레이어
50: p-GaN 레이어 60: 활성 레이어
90p: p-콘택 90n: n-콘택
100: GaN LED 구조체 120: 레이저 빔
200: LED 웨이퍼 206: 웨이퍼 스테이지
220: 챔버 250: 섬광 램프
252: 섬광 램프 요소 260: 섬광

Claims

GaN LED를 형성하는 방법에 있어서,
활성 레이어를 사이에 끼운 p-GaN 레이어와 n-GaN 레이어를 구비하는 GaN 멀티레이어 구조체를 기판 위에 형성하는 단계;
상기 p-GaN 레이어의 고속 열 어닐링을 실행하는 단계;
상기 GaN 멀티레이어 구조체 위에 투명 전도 레이어를 형성하는 단계; 및
상기 투명 전도 레이어에 p-콘택을 부가하고 상기 n-GaN 레이어에 n-콘택을 부가하는 단계를 포함하는 GaN LED 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 투명 전도 레이어를 통해 고속 열 어닐링을 실행하는 단계를 추가로 포함하는 GaN LED 형성 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 p-콘택의 고속 열 어닐링을 실행하는 단계를 추가로 포함하는 GaN LED 형성 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 p-콘택은 p-콘택 저항을 갖고,
상기 p-콘택의 고속 열 어닐링 실행의 결과 약 4x10^-4 ohm-cm² 내지 약 1x10^-6 ohm-cm² 범위의 p-콘택 저항이 얻어지는 GaN LED 형성 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 n-콘택의 고속 열 어닐링을 실행하는 단계를 추가로 포함하는 GaN LED 형성 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 n-GaN 레이어를 노출시키기 위해 상기 GaN 멀티레이어 구조체와 투명 전도 레이어 내에 레지(ledge)를 형성하는 단계; 및
상기 노출된 GaN 레이어 위에 상기 n-콘택을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 GaN LED 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 고속 열 어닐링은 약 700℃ 내지 약 1,500℃ 범위 안에 최대 어닐링 온도(T_AM )를 갖는 GaN LED 형성 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 고속 열 어닐링은 레이저 또는 섬광 램프 중 어느 하나를 이용하는 GaN LED 형성 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 고속 열 어닐링은 단일 섬광으로 전체 p-GaN 레이어를 조사하는 섬광으로 수행되는 GaN LED 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 p-GaN 레이어는 고속 열 어닐링 후에 약 5x10¹⁷cm^-3내지 약 5x10¹⁹ cm^-3 범위의 활성 도펀트 농도를 갖는 GaN LED 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
다중 양자 웰 구조체를 포함하도록 상기 활성 레이어를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 GaN LED 형성 방법.
GaN LED를 형성하는 방법에 있어서,
활성 레이어를 사이에 끼운 p-GaN 레이어 및 n-GaN 레이어를 구비한 GaN 멀티레이어 구조체를 형성하는 단계;
상기 p-GaN 레이어에 인접하여 p-콘택을 형성하는 단계;
상기 n-GaN 레이어 위에 n-콘택을 형성하는 단계; 및
상기 n-콘택의 고속 열 어닐링을 실행하는 단계를 포함하는 GaN LED 형성 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 고속 열 어닐링은 레이저 또는 섬광 램프를 이용하여 실행되는 GaN LED 형성 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 n-콘택은 n-콘택 저항을 갖고,
상기 n-콘택의 고속 열 어닐링의 실행 결과 약 1x10^-4 ohm-cm² 내지 약 1x10^-6 ohm-cm² 범위의 n-콘택 저항이 얻어지는 GaN LED 형성 방법.
제 12 항에 있어서,
약 700℃ 내지 약 1,500℃ 범위에서 최대 어닐링 온도(T_AM)를 갖도록 고속 열 어닐링을 수행하는 단계를 추가로 포함하는 GaN LED 형성 방법.
GaN LED에 있어서,
기판;
상기 기판 위에 형성되고, 활성 레이어를 사이에 끼운 p-GaN 레이어 및 n-GaN 레이어를 구비하는 GaN 멀티레이어 구조체;
상기 GaN 멀티레이어 구조체 위의 투명 전도 레이어;
상기 투명 전도 레이어 위에 형성된 p-콘택; 및
상기 n-GaN 레이어의 노출된 부분 위에 형성된 n-콘택을 포함하고,
상기 p-GaN 레이어는 약 5x10¹⁷cm^-3보다 크고 약 5x10¹⁹cm^-3이하의 활성 도펀트 농도를 갖는 고속 열 어닐링된 레이어를 포함하는 GaN LED.
제 16 항에 있어서,
상기 고속 열 어닐링된 레이어는 섬광 램프 고속 열 어닐링된 레이어 또는 레이저 고속 열 어닐링된 레이어인 GaN LED.
제 17 항에 있어서,
상기 p-콘택은 약 4x10^-4 ohm-cm² 내지 약 1x10^-6ohm-cm² 범위의 오믹(ohmic) 콘택 저항을 갖는 GaN LED.
제 17 항에 있어서,
상기 n-콘택은 약 1x10^-4ohm-cm² 내지 약 1x10^-6ohm-cm² 범위의 n-콘택 저항을 갖는 GaN LED.
GaN LED에 있어서,
기판;
상기 기판 위에 형성된 p-콘택 레이어;
상기 p-콘택 레이어 위에 형성되고, 활성 레이어를 사이에 끼운 p-GaN 레이어 및 n-GaN 레이어를 구비하는 GaN 멀티레이어 구조체; 및
상기 n-GaN 레이어 위에 형성된 n-콘택을 포함하고,
상기 p-GaN 레이어는 상기 p-콘택 레이어에 인접하고,
상기 n-GaN 레이어는 약 3x10¹⁹cm^-3내지 약 3x10²¹cm^-3의 활성 도펀트 농도를 갖는 고속 열 어닐링된 레이어를 갖는 GaN LED.
제 20 항에 있어서,
상기 고속 열 어닐링된 레이어는 섬광 램프 고속 열 어닐링된 레이어 또는 레이저 고속 열 어닐링된 레이어인 GaN LED.
제 20 항에 있어서,
상기 n-콘택은 약 1x10^-4ohm-cm² 내지 약 1x10^-6 ohm-cm² 범위의 n-콘택 저항을 갖는 GaN LED.