[发明专利]衬底结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明的示例性实施方式涉及衬底结构及其制造方法，更具体而言，涉及包括氮化物半导体薄膜的衬底结构及其制造方法，该氮化物半导体薄膜以减小的位错密度生长并且其中的裂纹得到减少和/或防止。

背景技术

发光二极管(LED)可分为GaN基LED和基于磷光体制造的白光LED。GaN基LED主要在2英寸蓝宝石衬底上制造。在4英寸衬底上制造GaN基LED的方法还处于初始阶段。相反，大多数基于半导体的器件可以在12英寸(300mm)或更大的硅晶片上以大批量生产的方式制造。

为了提高LED晶片产率以及降低LED制造成本，需要大直径的衬底。然而，使用更大直径的衬底用于LED制造受到材料兼容性问题的限制。例如，当半导体层生长在大直径蓝宝石衬底上时，由于蓝宝石的低热导率，衬底会在高温下弯曲。因此，难以保持一致的薄膜特性。

为了减小或消除衬底弯曲，已经提出了在硅衬底上外延生长GaN LED的方法。硅衬底具有比蓝宝石衬底更高的热导率。因此，暴露于高的GaN薄膜生长温度的硅衬底的弯曲程度可减小，可以观测到具有一致的薄膜特性的8英寸衬底。因此，如果可以在硅上GaN LED结构中生长高质量LED薄膜，则可以克服蓝宝石衬底的限制并可以降低制造成本。

然而，硅衬底的使用提出了不同的问题。由于大的晶格失配和热膨胀系数的不一致，在硅上生长的LED半导体薄膜会具有高的位错密度和裂纹。为了使用当前的硅衬底作为LED生长衬底，需要针对这些问题的解决方案。

发明内容

示例性实施方式可提供支承氮化物半导体薄膜(例如GaN薄膜)的衬底结构，其中可以减小线位错密度并且可以减少和/或防止裂纹。示例性实施方式可提供制造衬底结构的方法。

根据示例性实施方式，一种衬底结构包括：衬底；以及以预定图案形成在该衬底上的缓冲层，其中该缓冲层被衬底突出部支承，该衬底突出部通过蚀刻该衬底的表面而形成，该缓冲层的不与该衬底突出部接触的下表面暴露到空气。

根据示例性实施方式，一种衬底结构包括：衬底，包括衬底突出部；以及缓冲层，在该衬底突出部上，该衬底突出部将该缓冲层与该衬底的一部分分开。

该衬底结构还可包括与所述缓冲层相同的多个缓冲层，该衬底结构还可包括氮化物半导体层，该氮化物半导体层通过比垂直生长更快的横向生长形成在所述多个缓冲层上。该衬底结构还可包括形成在该缓冲层上以对应于该缓冲层的图案的氮化物半导体层。该缓冲层可具有诸如三角形或正方形的多边形形状、椭圆形状或者直板形状。该衬底可包括Si、GaN、蓝宝石、SiC、LiGaO₂、ZrB₂、ZnO或(Mn，Zn)FeO₄。

该缓冲层可具有由选自由AlN、SiC、Al₂O₃、AlGaN、AlInGaN、AlInBGaN、AlBGaN、GaN和XY组成的组中的一种形成的单层结构，或者具有包括这些的组合的多层结构，其中X是Ti、Cr、Zr、Hf、Nb或Ta，Y是氮(N)或硼(B，B₂)。缓冲层的厚度可以为从约5nm至约5μm。包括该衬底结构的芯片的宽度L可以在1μm≤L≤1.5mm的范围，衬底和缓冲层分开的部分的宽度m在0.01L≤m≤0.49L的范围，图案的宽度在从约0.02L至约0.98L的范围。衬底结构还可以包括多个缓冲层，其中多个缓冲层之间的宽度n在10nm≤n≤10μm的范围。

根据另一示例性实施方式，一种形成衬底结构的方法包括：在衬底上形成缓冲层；图案化该缓冲层从而暴露衬底表面；通过蚀刻缓冲层之间的衬底的暴露表面而形成孔；通过蚀刻缓冲层之下的部分衬底以形成衬底突出部，由此通过经由所述孔对衬底的暴露表面执行蚀刻工艺以露出缓冲层的下部；以及在缓冲层上形成半导体层。

根据另一示例性实施方式，一种制造衬底结构的方法包括：在衬底上形成缓冲层；将图案蚀刻到缓冲层中；通过该图案化的缓冲层蚀刻所述衬底从而形成至少一个衬底突出部，所述衬底突出部将部分所述图案化的缓冲层与部分所述衬底分开；以及在所述缓冲层上形成半导体层。

衬底和缓冲层彼此接触的部分的宽度可小于缓冲层的宽度。通过图案化可形成多个缓冲层，半导体层可形成为多个缓冲层上的单个层。半导体层可通过外延横向过生长(ELOG)工艺在多个缓冲层上形成为单个层。半导体层可通过生长而分别形成在缓冲层上。该方法还可包括：在蚀刻衬底之后氧化或氮化衬底表面或者在衬底表面上形成AlN层。