本公開涉及由氮化鎵(GaN)或鎵和另一金屬的混合氮化物制成的半導(dǎo)體層及形成其的方法。本公開還涉及包括這種層的電子器件或光電器件、氮化物半導(dǎo)體襯底及制造其的方法。本公開的技術(shù)領(lǐng)域可以廣泛地定義為用于形成具有小的晶體缺陷的高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體層的襯底結(jié)構(gòu)及形成其的方法。

背景技術(shù)：

由氮化鎵等制成的氮化物半導(dǎo)體器件通常包括LED。基于用于小型家用電器或便攜式通信裝置(例如移動(dòng)電話)的鍵盤或液晶顯示器(LCD)的背光單元的低輸出LED，LED市場已經(jīng)增大。近來，隨著對用于內(nèi)部照明、外部照明、車輛內(nèi)部或外部照明以及大型LCD的背光單元的高輸出高效光源的需求增加，LED也向高輸出產(chǎn)品轉(zhuǎn)變。

在使用氮化物半導(dǎo)體的器件中，最常使用例如藍(lán)寶石襯底、碳化硅(SiC)襯底和硅襯底的“異質(zhì)”襯底用于氮化物半導(dǎo)體層的生長。然而，由于這些異質(zhì)襯底材料與氮化物相比具有不匹配的晶格常數(shù)和不同的熱膨脹系數(shù)，所以生長在異質(zhì)襯底上的氮化物半導(dǎo)體層包含大量的晶體缺陷，例如位錯(cuò)。這種缺陷成為使LED性能劣化的主要因素。

藍(lán)寶石襯底具有比氮化物半導(dǎo)體層更大的熱膨脹系數(shù)，因此，如果氮化物半導(dǎo)體層在高溫下生長并然后冷卻，則壓縮應(yīng)力施加到氮化物半導(dǎo)體層。硅襯底具有比氮化物半導(dǎo)體層更小的熱膨脹系數(shù)，因此如果氮化物半導(dǎo)體層在高溫下生長并然后冷卻，則拉伸應(yīng)力施加到氮化物半導(dǎo)體層。因此，襯底被彎曲，而為了防止襯底彎曲，襯底應(yīng)當(dāng)具有大的厚度。使用厚的襯底只會(huì)減少表面現(xiàn)象，但不會(huì)降低薄膜的應(yīng)力。如果可以減小薄膜的應(yīng)力，則可以有利地使用薄的襯底。此外，為了在制成LED之后分離芯片，應(yīng)該以大約100μm的余量磨削襯底。在這種配置中，如果可以使用薄襯底，則在LED生產(chǎn)方面將具有巨大的利潤。

如果需要，生長在異質(zhì)襯底上的氮化物半導(dǎo)體層應(yīng)當(dāng)與異質(zhì)襯底分離。為此，已經(jīng)提出了激光剝離作為現(xiàn)有技術(shù)。然而，即使使用激光剝離方法，由于藍(lán)寶石襯底和氮化物半導(dǎo)體之間的熱膨脹系數(shù)的差異，襯底可能彎曲并且半導(dǎo)體層可能被損壞。此外，由于由激光束引起的沖擊，在外延層可能容易產(chǎn)生例如裂紋的缺陷，此外，外延層易碎，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定的工藝。激光剝離方法伴隨有氮化物半導(dǎo)體的熱變形或機(jī)械變形和分解。這導(dǎo)致生長的薄膜的損失，并且在能量方面也是低效的。

此外，LED最嚴(yán)重的問題是發(fā)光效率低。通常，發(fā)光效率由光產(chǎn)生效率(內(nèi)部量子效率)、器件外的發(fā)光效率(外部光提取效率)和磷光體的光放大效率決定。為了提高LED的輸出，考慮到內(nèi)部量子效率來提高有源層的特性是重要的，并且提高實(shí)際產(chǎn)生的光的外部光提取效率也是重要的。

通過在藍(lán)寶石襯底上形成圖案而制備的圖案化藍(lán)寶石襯底(PSS)在本領(lǐng)域中已知為通過減少在氮化物半導(dǎo)體層的生長時(shí)產(chǎn)生的缺陷來增加內(nèi)部量子效率，并且還通過減少內(nèi)部全反射來增加外部光提取效率。

圖1圖示出使用現(xiàn)有的PSS生長氮化物半導(dǎo)體層的情況。

參考圖1(a)，在現(xiàn)有的PSS 10中，氮化物半導(dǎo)體層20開始在襯底的底部上生長，并且借助于外延橫向過生長(ELO)生長以覆蓋PSS透鏡15的上部。因此，如圖1(b)所示，可以獲得在位錯(cuò)區(qū)域之間具有低位錯(cuò)密度的最終氮化物半導(dǎo)體層25。

如果氮化物半導(dǎo)體層由GaN制成，則GaN在1100℃以下生長。在該溫度下，如圖1(a)所示，GaN通常由于具有強(qiáng)的各向異性的生長模式而只在底部上生長，因此，如圖1(b)所示，在發(fā)生ELO的區(qū)域中位錯(cuò)密度減小，從而提高晶體質(zhì)量。

然而，如果氮化物半導(dǎo)體層由AlN制成，則不能獲得上述效果。AlN在1300℃以上(高于GaN的生長溫度)生長。在該溫度下，應(yīng)用具有強(qiáng)各向同性性質(zhì)的生長模式。因此，參考1(c)，AlN 30不僅在PSS 10的底部上而且在透鏡15的表面上積極生長。因此，AlN外延層很可能在底部完全填充之前融合，因此，如圖1(d)所示，在AlN外延層35中產(chǎn)生空隙40?？障?0使晶體質(zhì)量劣化。

由于上述問題，不容易應(yīng)用PSS以生長AlN外延層，因此晶體質(zhì)量劣化。此外，由于AlN的生長溫度比GaN的生長溫度高100℃以上，因此AlN更加嚴(yán)重地受到由熱膨脹系數(shù)、襯底彎曲等引起的應(yīng)力的影響。

因此，需要一種具有高可靠性的分離襯底的方法，或者能夠獲得氮化物半導(dǎo)體(例如高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體襯底、氮化物半導(dǎo)體器件和氮化物半導(dǎo)體層)的方法，而與材料的種類無關(guān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

本公開設(shè)計(jì)用于解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，因此本公開旨在提供一種襯底結(jié)構(gòu)及形成襯底結(jié)構(gòu)的方法、使用襯底結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)及形成半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)的方法、以及使用其制造氮化物半導(dǎo)體的方法，其中高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體層可以通過在氮化物半導(dǎo)體層的生長時(shí)以降低的應(yīng)力施加到氮化物半導(dǎo)體層來形成，并且還容易與襯底分離。

技術(shù)方案

在本公開的一個(gè)方面，提供了一種襯底結(jié)構(gòu)，包括：與氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)的單晶襯底；以及結(jié)晶化無機(jī)薄膜，其具有腿部，所述腿部構(gòu)造用于接觸所述襯底以在所述腿部與所述襯底之間限定集成空腔，以及從所述腿部平行于所述襯底延伸的上表面，所述結(jié)晶化無機(jī)薄膜具有與襯底相同的晶體結(jié)構(gòu)。

腿部可以具有中空管形狀。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以設(shè)置多個(gè)腿部，并且上表面可以連續(xù)地形成為從多個(gè)腿部延伸。空腔所占面積可以大于腿部所占面積。

在本公開的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)，除了襯底結(jié)構(gòu)的構(gòu)造之外，還包括在無機(jī)薄膜上形成的氮化物半導(dǎo)體層。氮化物半導(dǎo)體層可以是具有兩層或更多層的膜。即使襯底和氮化物半導(dǎo)體層具有不同的熱膨脹系數(shù)，由于借助于氮化物半導(dǎo)體層壓縮或拉長集成空腔，所以施加到氮化物半導(dǎo)體層的應(yīng)力也會(huì)減小。

在本公開的另一方面，提供了一種用于形成襯底結(jié)構(gòu)的方法，包括：在與氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)的單晶襯底上形成孔型犧牲層圖案；以及在所述犧牲層圖案上形成無機(jī)薄膜。從其上形成有無機(jī)薄膜的襯底去除犧牲層圖案，從而形成由襯底和無機(jī)薄膜限定的集成空腔。之后，使無機(jī)薄膜結(jié)晶成與襯底相同的晶體結(jié)構(gòu)。

犧牲層圖案可以以多種方式形成。在將光致抗蝕劑涂覆在襯底上之后，可以通過光刻法形成犧牲層。在其它情況下，在將納米壓印樹脂涂覆在襯底上之后，可以通過納米壓印方法形成犧牲層。

無機(jī)薄膜可以在犧牲層圖案不會(huì)變形的溫度范圍內(nèi)形成。無機(jī)薄膜可以通過ALD形成。此外，犧牲層圖案可以通過在氧氣環(huán)境下的熱處理或使用有機(jī)溶劑的濕去除法來去除?？涨皇侨コ隣奚鼘訄D案并因此不存在的空間。

在根據(jù)本公開的形成襯底層疊結(jié)構(gòu)的方法中，可以通過使用本公開的襯底結(jié)構(gòu)或在形成根據(jù)上述方法的襯底結(jié)構(gòu)之后，在結(jié)晶化無機(jī)薄膜上形成氮化物半導(dǎo)體層。

在用于制造高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體層或包括其的器件或襯底的實(shí)施方式中，可以通過在根據(jù)本公開的半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)制造方法所得的產(chǎn)品或根據(jù)本公開的半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)中將襯底和氮化物半導(dǎo)體層彼此分離，來制造的氮化物半導(dǎo)體(例如垂直型或水平型LED轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)送到任何襯底的LED)或氮化物半導(dǎo)體(例如自支撐氮化物半導(dǎo)體襯底)。

如果使用根據(jù)本公開襯底結(jié)構(gòu)、制造襯底結(jié)構(gòu)的方法、使用其制造氮化物半導(dǎo)體的方法，則可以制造紫外光檢測器、彈性表面波(SAW)器件、LED、LD、微波電子設(shè)備等，其可以擴(kuò)展到使用這些器件的模塊、系統(tǒng)等。此外，可以制造自支撐氮化物半導(dǎo)體襯底。其它實(shí)施方式的細(xì)節(jié)包括在詳細(xì)說明書和附圖中。

有益效果

根據(jù)本公開，襯底結(jié)構(gòu)包括限定集成空腔的無機(jī)薄膜，并且無機(jī)薄膜可以在與襯底的接觸表面最小化的同時(shí)被包括。如果在襯底結(jié)構(gòu)上形成氮化物半導(dǎo)體層，則由于空腔，氮化物半導(dǎo)體層的整體應(yīng)力減小。因此，即使由于襯底和氮化物半導(dǎo)體層之間的熱膨脹系數(shù)的差異而在氮化物半導(dǎo)體層處產(chǎn)生應(yīng)力，局部應(yīng)力也會(huì)被緩解，因此可以減小造成的襯底彎曲。因此，即使在大尺寸的襯底中，也可以使用相對薄的襯底。

在根據(jù)本公開的半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)中，氮化物半導(dǎo)體層形成在集成空腔上方的結(jié)晶化無機(jī)薄膜上。結(jié)晶化無機(jī)薄膜可以與其上生長的氮化物半導(dǎo)體層一起化解應(yīng)力，因此在本公開中，氮化物半導(dǎo)體層生長為具有小缺陷密度的高質(zhì)量。因此，可以形成具有小缺陷密度的高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體層，并且由于氮化物半導(dǎo)體晶體缺陷密度降低，可以提高內(nèi)部量子效率。即使具有優(yōu)異的各向同性生長模式的AlN也可以以高質(zhì)量形成而沒有任何不規(guī)則的空隙。

特別地，在根據(jù)本公開的用于形成襯底結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)的方法中，使用例如光刻或納米壓印的可控方法形成孔型犧牲層圖案，使得集成空腔不是以不規(guī)則或隨機(jī)的方式形成，而以可控的方式形成，由此確保良好的再現(xiàn)性和優(yōu)異的器件均勻性。

因此，可以生長具有優(yōu)異性能的氮化物半導(dǎo)體外延層，從而實(shí)現(xiàn)具有高效率和高可靠性的光電器件。

特別地，根據(jù)本公開的襯底結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)包括集成空腔，因此襯底和氮化物半導(dǎo)體層不會(huì)接觸太多，而是在一定程度上彼此物理分離。因此，在氮化物半導(dǎo)體層生長然后被冷卻時(shí)，氮化物半導(dǎo)體層和襯底可以僅僅利用小的物理力或沖擊力而彼此自然分離，而無需對其施加大能量(例如激光)。因此，氮化物半導(dǎo)體層可以容易地從襯底分離，而不需要激光剝離方法，因此可以制造垂直型或水平型LED、轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)送到任何襯底的LED、或者自支撐氮化物半導(dǎo)體襯底，從而允許制造高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體。

附圖說明

圖1圖示出使用現(xiàn)有PSS生長氮化物半導(dǎo)體層的情況。

圖2是示出用于說明根據(jù)本公開的襯底結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)、形成其的方法和制造氮化物半導(dǎo)體的方法的每個(gè)工序的立體圖。

圖3是示出沿圖2的III-III'線截取的每個(gè)工序的橫截面圖。

圖4和圖5圖示出根據(jù)本公開的用于形成孔型犧牲層圖案的各種方法。

圖6是以更好的方式圖示出根據(jù)本公開的結(jié)晶化無機(jī)薄膜。

圖7圖示出根據(jù)本公開的氮化物半導(dǎo)體層和襯底可以以更小的力分離。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述本公開的優(yōu)選實(shí)施方式。然而，本公開的實(shí)施方式可以以各種方式修改，并且本公開的范圍不應(yīng)限于以下實(shí)施方式。提供本公開的實(shí)施方式是為了向本領(lǐng)域技術(shù)人員完整地解釋本公開。因此，為了更清楚地說明，夸大了附圖中的元件的形狀等，并且在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。

圖2是示出用于說明根據(jù)本公開的襯底結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)、形成其的方法和制造氮化物半導(dǎo)體的方法的每個(gè)工序的立體圖。圖3是示出沿圖2的III-III'線截取的每個(gè)工序的橫截面圖。

首先，如圖2(a)和圖3(a)所示，在與氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)的單晶襯底100上形成孔型犧牲層圖案110。犧牲層圖案110形成為具有孔H。孔H為暴露襯底100的底部的開口。

犧牲層圖案110可以以各種方式形成。圖4和圖5圖示出根據(jù)本公開的用于形成孔型犧牲層圖案的各種方法。

首先，犧牲層圖案110可以借助于光刻法形成。例如，如圖4(a)所示，在襯底100上涂布光致抗蝕劑PR。可以通過選自由旋涂、浸涂、噴涂、滴涂和點(diǎn)涂所組成的組中的任何方法將光致抗蝕劑PR涂覆在襯底100上，其中旋涂對于涂膜的均勻性是優(yōu)選的。

之后，如圖4(b)所示，使用具有適當(dāng)?shù)恼诠鈭D案111的光掩模112將光致抗蝕劑PR曝光(E)。通過除了遮光圖案111之外的區(qū)域的光將一部分光致抗蝕劑PR曝光，從而產(chǎn)生經(jīng)曝光區(qū)域EA。之后，如果經(jīng)曝光區(qū)域EA被顯影和去除，則可以留下具有孔H的光致抗蝕劑圖案PR'，如圖4(c)所示。在此，盡管作為示例，光致抗蝕劑PR是其中去除了經(jīng)曝光區(qū)域的正型，但也可以使用未去除經(jīng)曝光區(qū)域的負(fù)型光致抗蝕劑。在這種情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，應(yīng)當(dāng)改變光掩模的遮光圖案的位置。

根據(jù)半導(dǎo)體制造工藝的設(shè)計(jì)技術(shù)，可以通過控制來形成具有規(guī)則的開口形狀、尺寸或間隔等的遮光圖案111，因此光致抗蝕劑圖案PR'也可以被控制為具有調(diào)整后的形狀、尺寸和二維排列的孔。該光致抗蝕劑圖案PR'可以用作孔型犧牲層圖案110。如果需要，還可以進(jìn)行例如回流工藝的附加工藝以改變光致抗蝕劑圖案PR'的形狀。

在另一種情況下，孔型犧牲層圖案110可以通過納米壓印方法形成。參考圖5(a)，納米壓印樹脂R涂覆在襯底100上。納米壓印樹脂R也可以通過選自由旋涂、浸涂、噴涂、滴涂和點(diǎn)涂所組成的組中的任何方法涂覆在襯底100上，其中旋涂對于涂膜的均勻性是優(yōu)選的。制備具有合適的不均勻結(jié)構(gòu)的圖案113的納米壓印印模(stamp)114。納米壓印印模114可以是通過常規(guī)方法由硅或石英制成的主模具，或者是通過復(fù)制主模具而制備的有機(jī)模具。

之后，將納米壓印印模114壓印到納米壓印樹脂R上，如圖5(b)所示。通過這樣做，納米壓印樹脂R填充在納米壓印印模114的圖案113之間。納米壓印樹脂R通過加熱連同壓縮、照射紫外線或照射紫外線連同加熱而固化。之后，如果將納米壓印壓模114分離，如圖5(c)所示，則經(jīng)固化的納米壓印樹脂R'保留在襯底100上，其可以用作孔型犧牲層圖案110。

為了形成孔，根據(jù)納米壓印方法的設(shè)計(jì)，具有不均勻結(jié)構(gòu)的圖案113可以通過控制形成為具有規(guī)則的形狀、尺寸或間隔等的柱狀，因此，也可以調(diào)整由其形成的經(jīng)固化的納米壓印樹脂R'的孔形狀、尺寸和二維排列。如果需要，經(jīng)固化的納米壓印樹脂R'的形狀也可以通過另外加熱或照射紫外線來改變。

此外，具有不均勻結(jié)構(gòu)的圖案也可以借助于激光干涉光刻法等來制備。激光干涉光刻法使用通過兩個(gè)或更多個(gè)激光源獲得的二維或三維干涉現(xiàn)象，并且是用于形成周期性圖案的方法，其可以有利地容易實(shí)現(xiàn)1μm以下的精細(xì)圖案。

根據(jù)如上所述的本公開，與其中蝕刻襯底的現(xiàn)有PSS技術(shù)相比，可以以相對較少的襯底損壞和簡化的工藝相對簡單地形成孔型犧牲層圖案110。

襯底100(其上形成有這樣各種孔型犧牲層圖案110)可以采用各種異質(zhì)單晶襯底以用于氮化物半導(dǎo)體層的異質(zhì)外延薄膜生長，例如藍(lán)寶石襯底、硅襯底、SiC襯底、GaAs襯底等。將基于藍(lán)寶石襯底作為示例來解釋實(shí)施方式。

如圖2(a)和圖3(a)所示，在形成犧牲層圖案110之后，無機(jī)薄膜130形成在犧牲層圖案110上，如圖2(b)和3(b)所示。無機(jī)薄膜130隨后在無機(jī)薄膜130和襯底100之間限定了集成空腔，并且無機(jī)薄膜130可以在犧牲層圖案110不會(huì)變形的溫度范圍內(nèi)形成。無機(jī)薄膜130具有在去除犧牲層圖案110之后可以穩(wěn)定地保持結(jié)構(gòu)的原始形狀的厚度。無機(jī)薄膜130可以以各種方式形成，例如原子層沉積(ALD)、濕法合成、金屬沉積及氧化、濺射等。此外，在沉積金屬薄膜的同時(shí)，可以以氣體或等離子體狀態(tài)供給氮以形成金屬氮化物。無機(jī)薄膜130可以由選自由二氧化硅(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鈦(TiO₂)、氧化鋯(ZrO₂)、氧化釔(Y₂O₃)-氧化鋯、銅氧化物(CuO，Cu₂O)、氧化鉭(Ta₂O₅)、氮化鋁(AlN)和氮化硅(Si₃N₄)所組成的組中的至少一種氧化物或氮化物來制成。在使用藍(lán)寶石襯底的實(shí)施方式中，無機(jī)薄膜可以由氧化鋁制成。在使用硅襯底的實(shí)施方式中，無機(jī)薄膜可以由AlN制成。如果調(diào)整無機(jī)薄膜130的組成、強(qiáng)度和厚度中的至少一個(gè)，則可以稍后控制施加到氮化物半導(dǎo)體層(使用無機(jī)薄膜130形成在襯底結(jié)構(gòu)上)的應(yīng)力。如圖所示，無機(jī)薄膜130形成在整個(gè)襯底100上以覆蓋犧牲層圖案110。

在一個(gè)實(shí)施方式中，如果無機(jī)薄膜130通過ALD形成，則可以以非常均勻的厚度沉積非常薄的膜。因此，如圖3(b)的橫截面圖所示，無機(jī)薄膜130覆蓋孔H的內(nèi)壁和底部，而不填充孔H，并且覆蓋犧牲層圖案110的上表面。在這種情況下，表示基本上垂直于襯底100的一部分無機(jī)薄膜以用作將襯底100和在后續(xù)工藝中形成的氮化物半導(dǎo)體層連接的支撐結(jié)構(gòu)的腿部，是指堆積在孔H的內(nèi)壁和底部上的一部分無機(jī)薄膜，并具有管狀。即使使用除ALD之外的任何方法，或者即使使用ALD，如果孔H具有非常小的直徑，則孔H可以用無機(jī)薄膜130完全填充。在這種情況下，該腿部具有柱狀。

通常，孔H可以具有2μm以下的直徑，使得當(dāng)通過ELO形成氮化物半導(dǎo)體層時(shí)，可以容易地填充孔H的上部?？譎之間的間距可以為2μm以上。為了使例如管狀或柱狀的腿部的密度最小化，期望使間距最大化。

在一個(gè)實(shí)施方式中，根據(jù)襯底100和犧牲層圖案110的形狀，可以通過例如ALD的沉積方法形成具有均勻厚度的氧化鋁。也可以使用利用濕化學(xué)品的濕組合物法代替沉積法。在根據(jù)襯底100和孔型犧牲層圖案110的形狀均勻地涂覆濕化學(xué)品之后，可以將其加熱、干燥或使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以構(gòu)成氧化鋁。例如，在將例如氯化鋁(AlCl₃)的鋁前體粉末混合在例如四氯乙烯(C₂Cl₄)的溶劑中之后，可以將其涂布并涂覆到襯底100(其上形成有孔型犧牲層圖案110)，并且然后在氧氣環(huán)境下經(jīng)加熱和反應(yīng)以形成氧化鋁薄膜。在其它情況下，在通過濺射等沉積金屬Al薄膜之后，可以進(jìn)行氧化工藝以形成氧化鋁。氧化鋁以非晶形態(tài)或多晶形態(tài)的細(xì)晶粒形成。

在形成無機(jī)薄膜130之后，從襯底100選擇性地去除犧牲層圖案110，如圖2(c)和圖3(c)所示。如上所述參考圖4和圖5，犧牲層圖案110由例如光致抗蝕劑或納米壓印樹脂的聚合物制成，因此犧牲層圖案110可以通過加熱容易地去除。具有約600℃的固有燃點(diǎn)的光致抗蝕劑可以通過加熱容易地去除。此外，為了以氧化方式更容易地去除，可以加以與含氧氣體的化學(xué)反應(yīng)。如果將聚合物在高溫下在氧氣環(huán)境下加熱，則聚合物組分可以通過熱解過程容易地去除，這通常稱為灰化。如果在氧氣環(huán)境下的熱處理不可行，例如，如果襯底100是可以生成氧化物的硅襯底，則也可以使用利用有機(jī)溶劑的濕去除法。

如果去除了犧牲層圖案110，如圖2(c)和圖3(c)所示，則可以形成由襯底100和無機(jī)薄膜130限定的集成空腔C。由無機(jī)薄膜130限定的空空腔C具有犧牲層圖案110的相反形狀。換句話說，如果犧牲層圖案110形成為具有彼此間隔開的多個(gè)孔H，則無機(jī)薄膜130通過多個(gè)孔H連接到襯底100?？涨籆表示除了無機(jī)薄膜130和襯底100之間的連接部分之外的部分。此外，如果孔H是彼此間隔開的不連續(xù)空間，則空腔C是整體連通的一體式連續(xù)空間。與其形成有彼此間隔開的多個(gè)不連續(xù)空間的情況相比，當(dāng)空腔C是一體式連續(xù)空間時(shí)，空腔C具有更大的體積。換句話說，通過形成連續(xù)空腔C，襯底100和形成在其上的結(jié)構(gòu)可以具有最小的接觸面積。

處于沉積狀態(tài)的無機(jī)薄膜130通常是無定形的或具有多晶的細(xì)晶粒。熱處理可以在高溫下進(jìn)行，使得無定形或多晶的無機(jī)薄膜130可以被致密化并結(jié)晶。

即使無機(jī)薄膜130和襯底100由相同的材料制成，例如襯底100是藍(lán)寶石襯底并且無機(jī)薄膜130由氧化鋁制成，或者即使無機(jī)薄膜130和襯底100由不同的材料制成，例如，襯底100是硅襯底而無機(jī)薄膜130由AlN制成，如果無機(jī)薄膜130在例如約1000℃加熱，則無機(jī)薄膜130通過熱處理結(jié)晶成為與襯底100相同的晶體結(jié)構(gòu)的無機(jī)薄膜130'，如圖2(d)和3(d)所示。因此，結(jié)晶后無機(jī)薄膜130'和襯底100之間的界面(圖中用虛線表示)消失。原因是由于無機(jī)薄膜130在高溫?zé)崽幚砥陂g直接接觸襯底100，以在無機(jī)薄膜130附近引起固相外延，并且因此沿著襯底100的結(jié)晶方向結(jié)晶。固體外延從襯底100和無機(jī)薄膜130之間的界面開始，并且如果無機(jī)薄膜130由非晶材料制成，則結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'最終變?yōu)槎嗑?，或者?xì)的多晶體變得更大，或者最優(yōu)選地變成與襯底100相同的單晶。該結(jié)晶過程可以在整個(gè)無機(jī)薄膜130上進(jìn)行，特別地，在集成空腔C上方的一部分結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'，即表示基本上平行于襯底100以用于將襯底100和在后續(xù)工藝中形成的氮化物半導(dǎo)體層連接的支撐結(jié)構(gòu)的一部分無機(jī)薄膜130'，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體外延層隨后生長時(shí)用作晶種部分。因此，期望無機(jī)薄膜130基本上結(jié)晶。

圖6以更好的方式圖示出根據(jù)本公開的結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'。參考圖6，結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'包括與襯底100接觸的腿部130a和自腿部130a平行于襯底100延伸的上表面130b。集成空腔C由在結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'和襯底100之間的結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'限定。設(shè)置多個(gè)腿部130a，并且上表面130b連續(xù)地形成為從多個(gè)腿部130a延伸。在一個(gè)實(shí)施方式中，空腔C所占面積大于腿部130a所占面積。無機(jī)薄膜130'在本公開中是非常重要的部件，因?yàn)槠湎薅藷o機(jī)薄膜130'和襯底100之間的集成空腔C，并且隨后還用作晶種層和在其上生長的氮化物半導(dǎo)體層的支撐。

如上所述，根據(jù)本公開的襯底結(jié)構(gòu)包括襯底100、接觸襯底100以與襯底100限定集成空腔C的腿部130a，以及自腿部130a平行于襯底100延伸的上表面130b，并且還包括與襯底100具有相同晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'。

與現(xiàn)有PSS形成對比，本公開的襯底結(jié)構(gòu)被定義為空腔工程化結(jié)構(gòu)(CES)。現(xiàn)在，將描述使用CES的半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)、形成其的方法和使用其制造氮化物半導(dǎo)體的方法。

隨后，如圖2(e)和圖3(e)所示，在結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'上進(jìn)一步形成氮化物半導(dǎo)體層150。氮化物半導(dǎo)體層150可以形成為包括合適的緩沖層的多層結(jié)構(gòu)。氮化物半導(dǎo)體層150可由例如GaN、InN、AlN或它們的混合物Ga_xAl_yIn_zN(0<x，y，z<1)的任何氮化物半導(dǎo)體材料制成。根據(jù)氮化物半導(dǎo)體層150的材料的種類，可以調(diào)整帶隙以發(fā)射紫外線、可見光線和紅外線。此時(shí)，氮化物半導(dǎo)體層150不在襯底100上生長。而是，晶種在集成空腔C上方的一部分結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'上生長，特別是在上表面130b上生長，并且在各種生長條件下從其生長的部分被融合，以最終形成如圖2(f)和圖3(f)所示的薄膜形狀的氮化物半導(dǎo)體層155。如上所述，在本公開中，氮化物半導(dǎo)體層155不從襯底100生長，而是從在集成空腔C上方的一部分結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'生長。因此，氮化物半導(dǎo)體層155以與現(xiàn)有的ELO方法完全不同的方式形成。

以根據(jù)本公開的CES的晶體生長可以參考圖3(e)和3(f)清楚地理解。也就是說，氮化物半導(dǎo)體層150開始在無機(jī)薄膜130'的上部平坦表面即上表面130b上生長，并且生長以覆蓋腿部130a，即孔狀上部。在上表面130b上生長的氮化物半導(dǎo)體層150在橫向方向上連接以形成具有較小結(jié)晶缺陷的氮化物半導(dǎo)體層155。

在本公開中，結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'可以與在其上生長的氮化物半導(dǎo)體層155一起解決應(yīng)力，并且因此起到柔性層的作用。此外，由于化解了引起位錯(cuò)的應(yīng)力，所以襯底結(jié)構(gòu)可以以較小的缺陷密度高質(zhì)量生長。

由襯底和薄膜之間的物理差異引起的應(yīng)力在界面處被轉(zhuǎn)換成彈性能量，以作為產(chǎn)生位錯(cuò)的驅(qū)動(dòng)力。在通常情況下，與薄膜相比，由于厚度大，襯底不易變形，而在薄膜處產(chǎn)生位錯(cuò)以化解應(yīng)力。此時(shí)，如果薄膜生長超過預(yù)定厚度，即臨界厚度，則界面處的彈性能量增加超過位錯(cuò)生成能量，從而開始產(chǎn)生位錯(cuò)。

然而，在本公開中，如果無機(jī)薄膜130'比氮化物半導(dǎo)體層155薄，則臨界厚度大得多，從而降低氮化物半導(dǎo)體層155的位錯(cuò)的產(chǎn)生。如果無機(jī)薄膜130'如上所述比氮化物半導(dǎo)體層155足夠薄，則可以認(rèn)為其作用被襯底的作用代替，并且氮化物半導(dǎo)體層155在產(chǎn)生較少位錯(cuò)的狀態(tài)下生長。因此，可以形成具有較小缺陷密度的高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體層155。此外，由于氮化物半導(dǎo)體晶體缺陷密度減小，當(dāng)高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體層155用于制造LED時(shí)，可以增強(qiáng)內(nèi)部量子效率。

如圖2(f)和圖3(f)所示，如上構(gòu)造的根據(jù)本公開的半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)包括與氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)的單晶襯底100和結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'。在襯底100和無機(jī)薄膜130'之間限定了集成空腔C。襯底結(jié)構(gòu)還包括在集成空腔C上方的結(jié)晶化無機(jī)薄膜130'上生長并與其融合的氮化物半導(dǎo)體層155。

集成空腔C形成在去除了孔型犧牲層圖案110的區(qū)域中。由于存在集成空腔C，如果在襯底100和形成在其上的氮化物半導(dǎo)體層155之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，則集成空腔C可以伸長或收縮以形成局部變形，從而消耗應(yīng)力能。可以減小因此，施加到氮化物半導(dǎo)體層155的熱應(yīng)力，因此可以減小襯底100的彎曲。因此，即使襯底100具有大面積，其也可以具有相對小的厚度。

具體地，可以通過調(diào)整孔型犧牲層圖案的形狀、尺寸或二維排列等來控制集成空腔C。此外，由于以例如光刻或納米壓印的可控方法形成孔型犧牲層圖案110，所以并非不規(guī)則地或隨機(jī)地形成集成空腔C，而是以可控的方式形成，由此確保良好的再現(xiàn)性和優(yōu)異的器件均勻性。

因此，具有優(yōu)異性能的氮化物半導(dǎo)體層155可以以外延方式生長，因此可以實(shí)現(xiàn)具有高效率和優(yōu)異的可靠性的光電器件。此外，由于提高的光提取效率，可以實(shí)現(xiàn)高輸出LD或LED。

同時(shí)，集成空腔C可以使得形成襯底100和氮化物半導(dǎo)體層155之間的連接最小化的結(jié)構(gòu)。由于襯底100和氮化物半導(dǎo)體層155在一定程度上物理分離，所以進(jìn)一步抑制了應(yīng)力的產(chǎn)生。因此，在氮化物半導(dǎo)體層155生長然后冷卻的時(shí)，氮化物半導(dǎo)體層155和襯底100可以僅僅以小的物理力或沖擊力自然地彼此分離，而不用施加大能量(例如激光)，如圖2(g)和3(g)所示。

特別地，在一個(gè)實(shí)施方式中，空腔C所占面積大于腿部130a所占面積。因此，即使不使用激光剝離方法，氮化物半導(dǎo)體層155也可以容易地與襯底100分離。由于自然地或僅用小的力進(jìn)行分離，所以氮化物半導(dǎo)體層155可以不會(huì)彎曲、破裂或斷裂。因此，本公開對于需要分離襯底100和氮化物半導(dǎo)體層155的應(yīng)用非常有利，例如垂直型LED、水平型LED或轉(zhuǎn)送到任何襯底的LED，并且襯底100還可以得以容易地再利用。此外，如果氮化物半導(dǎo)體層155形成為厚膜并且與襯底100分離，則氮化物半導(dǎo)體層155可以用作自支撐氮化物半導(dǎo)體襯底，因此容易制造與用于優(yōu)異的氮化物半導(dǎo)體生長的襯底相同種類的氮化物半導(dǎo)體襯底。

如上所述，在本公開中，為了使氮化物半導(dǎo)體層155和襯底100之間的連接部分最小化，襯底100和氮化物半導(dǎo)體層155僅通過點(diǎn)而不是線連接。點(diǎn)連接部分是無機(jī)薄膜130'的腿部130a，并且可以具有中空管狀。為了形成管狀的腿部130a，在本公開的實(shí)施方式中，使用通過ALD形成的孔型犧牲層圖案120和無機(jī)薄膜130。通過去除犧牲層圖案120獲得的最終結(jié)構(gòu)具有連續(xù)連接的集成空腔C。

由于集成空腔C，可以容易地進(jìn)行物理剝離工藝而不使用激光。

圖7圖示出連接氮化物半導(dǎo)體層155和襯底100的腿部130a(即柱狀)，從圖7(a)至圖7(d)具有逐漸減小的面積，使得氮化物半導(dǎo)體層155和襯底100可以以更小的力分離。在本公開的一個(gè)實(shí)施方式中，具有柱狀結(jié)構(gòu)的腿部130a具有如圖7(d)所示的中空管狀，從而使氮化物半導(dǎo)體層155和襯底100之間的直接連接最小化。在本公開中，通過使用具有如上所述的具有中空管狀的腿部130a的無機(jī)薄膜130'，氮化物半導(dǎo)體層155被支撐。

根據(jù)本公開，可以將位錯(cuò)引導(dǎo)成僅僅產(chǎn)生在腿部130a(即孔)的上方，并且即使AlN生長，也確保了不同于PSS的優(yōu)異的晶體質(zhì)量。此外，通過使用能夠吸收應(yīng)力的集成空腔C的特性，可以防止由熱膨脹系數(shù)的差異引起的彎曲。

在上文中，盡管已經(jīng)示出和描述了本公開的優(yōu)選實(shí)施方式，但是本公開不限于上述特定的優(yōu)選實(shí)施方式，并且對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以以各種形式進(jìn)行修改而不背離離在權(quán)利要求中闡述的本公開的特征，并且這種修改存在于權(quán)利要求的范圍中。