半导体层叠结构以及使用半导体层叠结构分离氮化物半导体层的方法和装置与流程

本公开涉及一种氮化镓(GaN)或镓和其它金属的混合氮化物的半导体层及其形成方法。此外，本公开涉及一种包括该层、氮化物半导体衬底的电子器件或光电器件及其制造方法。本公开的技术领域在广义上可以被定义为用于在衬底上形成具有很少晶体缺陷和高质量的氮化物半导体层的半导体层叠结构及其形成方法。

背景技术：

元素周期表中III族或V族的元素的氮化物半导体在电子器件和光电子器件领域中占据重要地位，并且该领域在未来将更加重要。实际上，氮化物半导体具有广泛的应用范围，从激光二极管(LD)到能够在高频和高温下操作的晶体管。此外，应用范围包括紫外光检测器、弹性表面波(SAW)器件和发光二极管(LED)。

例如，已知氮化镓是用于蓝色LED或高温晶体管的应用的合适材料，但是被广泛研究用于微波电子器件，但不限于此。此外，如本文所述，氮化镓具有广泛的应用范围，包括例如氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)和氮化铝铟镓(AlInGaN)的氮化镓类合金。

在使用例如氮化镓的氮化物半导体的器件中，用于生长氮化物半导体层的最常用的衬底是“异质”衬底，例如蓝宝石、碳化硅(SiC)和硅。然而，由于这些异质衬底材料与氮化物存在晶格常数的不匹配和热膨胀系数的差异，所以在异质衬底上生长的氮化物半导体层包括许多晶体缺陷，例如位错。该缺陷成为降低氮化物半导体器件(例如LED)的性能的关键因素。

因为蓝宝石衬底具有比氮化镓更高的热膨胀系数，所以当氮化镓在高温下生长然后冷却时，压缩应力施加到氮化镓外延层。因为硅衬底具有比氮化镓更低的热膨胀系数，所以当氮化镓在高温下生长然后冷却时，拉伸应力施加到氮化镓外延层。为此，发生衬底翘曲现象，而为了防止衬底翘曲，衬底厚度增加。使用厚衬底仅有助于减少表面现象，而不是减小薄膜本身的应力的技术。如果薄膜本身的应力减小，则优点在于能够使用薄的衬底。此外，为了从制造的LED分离芯片，需要磨削衬底，同时留下约100μm，而在这种情况下，如果能够使用薄衬底，则在LED制造方面将获得极大的益处。

在一些情况下，根据需要，在异质衬底上形成的氮化物半导体层应当与异质衬底分离，并且现有技术提出激光剥离。然而，即使使用激光剥离工艺，由于蓝宝石衬底和氮化物半导体之间的热膨胀系数的差异也会发生衬底翘曲，或者使用激光熔化氮化物半导体层并剥离，如此副作用是在工艺期间由于局部区域的高温热会产生热应力。激光剥离工艺涉及氮化物半导体的热变形和机械变形以及分解。由于激光束冲击，氮化物半导体层易受缺陷(例如裂纹)的影响，并且氮化物半导体层可能被损坏，此外，氮化物半导体层易于断裂，因此，工艺不稳定。

因此，需要具有高可靠性的衬底分离方法，或者用于获得高质量氮化物半导体衬底或氮化物半导体器件的方法。

技术实现要素：

技术问题

本公开要解决的问题是提供一种半导体层叠结构以及使用其分离氮化物半导体层的方法和装置，所述半导体层叠结构在生长氮化物半导体层时以减小的施加到氮化物半导体层的应力形成高质量氮化物半导体层，并且容易将氮化物半导体层与衬底分离而不需要激光剥离。

技术方案

为了解决上述问题，根据本公开的半导体层叠结构包括于氮化物半导体异质材料的单晶衬底；无机薄膜，其包括与所述衬底接触以在所述无机薄膜和所述衬底之间限定空腔的腿部和从所述腿部平行于所述衬底延伸的上表面部，其中，至少一部分所述无机薄膜结晶为与所述衬底相同的晶体结构；以及从在所述空腔上的所述结晶化无机薄膜生长的氮化物半导体层。

特别地，空腔可以由彼此分离的多个空腔组成，并且可以是沿垂直于氮化物半导体层的横向生长速度快的方向的方向延伸的线型图案。氮化物半导体层可以是组合形式或非组合形式。氮化物半导体层在水平方向上可以是连续的或不连续的。氮化物半导体层可以由至少两个膜构成。可以在所述至少两个膜之间进一步形成限定如上所述的空腔的无机薄膜。

根据本公开，提供了一种用于分离氮化物半导体层的方法。在与氮化物半导体异质材料的单晶衬底上形成牺牲层图案之后，在牺牲层图案上形成无机薄膜。从具有无机薄膜的衬底去除牺牲层图案，以形成由衬底和无机薄膜限定的空腔。随后，使至少一部分无机薄膜结晶为与衬底相同的晶体结构，并且从空腔上的结晶化无机薄膜生长氮化物半导体层。随后，将氮化物半导体层与衬底机械地分离。

生长氮化物半导体层可以包括将氮化物半导体层形成为彼此分离的多个氮化物半导体层。

牺牲层图案可以通过各种方法形成。牺牲层图案可以在将光致抗蚀剂膜涂布到衬底上之后通过光刻形成，或者可以在将纳米压印用树脂涂布到衬底上之后通过纳米压印形成。或者，牺牲层图案可以通过将有机纳米颗粒附着到衬底上来形成。

优选地，在牺牲层图案不会变形的温度范围内进行无机薄膜的形成。空腔是去除掉牺牲层图案之处。因此，空腔符合牺牲层图案的形状和尺寸以及二维阵列。因此，对于具有可控形状和尺寸以及二维阵列的空腔，需要设置牺牲层图案的形状和尺寸以及二维阵列。

根据本公开的分离氮化物半导体层的另一种方法，在根据本公开的半导体层叠结构中进行衬底和氮化物半导体层的机械分离。

根据本公开的用于分离氮化物半导体层的又一种方法，在其它半导体层叠结构中进行衬底和氮化物半导体层之间的机械分离，所述其它半导体层叠结构包括在衬底和氮化物半导体层之间具有空腔的界面层(尽管该半导体层叠结构不遵循本公开)。

当使用该方法将氮化物半导体层从衬底分离时，氮化物半导体层可以被转移或移动到垂直LED或水平LED或任何类型的衬底，以制造LED或氮化物半导体自支撑衬底。

在根据本公开的用于分离氮化物半导体层的方法中，可以通过对衬底和氮化物半导体层沿竖直方向施加力的分离方法、通过沿水平方向施加力的分离方法、通过以相对圆周运动施加力的分离方法及其组合方法来进行机械分离。

特别地，在通过对衬底和氮化物半导体层沿竖直方向施加力的分离方法的情况下，优选通过感测衬底和氮化物半导体层沿竖直方向被压缩的厚度或压力来进行终点检测。

根据本公开的用于分离氮化物半导体层的方法还可以包括：在将氮化物半导体层从衬底分离之后，将所分离的氮化物半导体层转移到其它衬底或将所分离的氮化物半导体层封装。

根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置在根据本公开的半导体层叠结构或者其它半导体层叠结构中进行氮化物半导体层与衬底之间的机械分离，所述其它半导体层叠结构包括在衬底和氮化物半导体层之间具有空腔的界面层(尽管该半导体层叠结构不遵循本公开)。

所述装置可以包括一对分离构件，作为夹具分别施加到半导体层叠结构的衬底和氮化物半导体层。分离构件和半导体层叠结构可以彼此暂时附着。暂时附着可以通过粘合剂层、粘合剂涂层、胶带、静电力或经由真空的力中的任一种。

所述装置可以包括用于向半导体层叠结构施加外力的驱动单元和用于控制驱动单元的控制单元。驱动单元可以向衬底和氮化物半导体层施加相对压缩、拉神、剪切、扭转及其组合外力。

根据本公开的分离装置可以在一对分离构件中的至少一个暂时附着到半导体层叠结构时施加外力，该对分离构件作为夹具分别施加到半导体层叠结构的衬底和氮化物半导体层。当将任一分离构件固定时，可以将沿垂直方向、沿水平方向的外力或旋转相对于剩余分离构件施加到另一分离构件。

特别地，优选地将任一分离构件固定并且相对于剩余的分离构件沿垂直方向驱动另一个分离构件以提供压缩力，并且在氮化物半导体层和衬底通过破坏无机薄膜或界面层而分离之后立即释放压缩力。在这种情况下，控制单元可以通过用于分离氮化物半导体层和衬底的终点检测来控制驱动单元以停止分离构件的相对移动或者将分离构件彼此移开。还可以提供用于终点检测的分离感测单元。分离感测单元可以通过用于测量分离构件之间的距离或压力监测的方法来进行终点检测。

根据本公开的分离装置还可以包括传送装置，用于将所分离的氮化物半导体层转移到其它衬底或者将所分离的氮化物半导体层封装。

使用根据本公开的半导体层叠结构以及使用其分离氮化物半导体层的方法和装置有助于制造紫外光检测器、弹性表面波器件、LED、LD和微波电子器件，并且能够扩展到使用这些器件的模块和系统。此外，能够制造氮化物半导体自支撑衬底。其它实施方式的细节包括在详细描述和附图中。

有益效果

根据本公开，氮化物半导体层生长在空腔上的无机薄膜上。无机薄膜与在其上生长的氮化物半导体层分担和缓解应力，因此，根据本公开，氮化物半导体层以低缺陷密度和高质量生长。因此，形成低缺陷密度和高质量的氮化物半导体层，并且在氮化物半导体中减小的晶体缺陷密度提高了内部量子效率。

即使由于衬底和氮化物半导体层之间的热膨胀系数的差异而在氮化物半导体层中产生应力，应力也被局部减轻，并且因此，衬底翘曲现象将减少。尽管衬底和氮化物半导体层之间存在热膨胀系数的差异，但是空腔可以被氮化物半导体层压缩或拉伸，使得施加到氮化物半导体层的应力减小。因此，可以在大规模衬底上使用相对薄的衬底。

特别地，因为牺牲层图案通过例如光刻或纳米压印的可控方法形成，所以空腔并非不规则地或随机地形成，而是通过可控的方法形成，致使良好的再现性和优异的器件均匀性。因此，可以生长具有优异性能的氮化物半导体外延层，并且实现具有高效率和高可靠性的光电子器件。

由于在形成氮化物半导体层时能够产生空腔和空隙，衬底和氮化物半导体层容易彼此机械分离。氮化物半导体层和衬底能够在不施加大能量(例如激光)的情况下通过小的机械力或冲击而机械分离。因此，即使不使用激光剥离，也容易将氮化物半导体层与衬底分离，使得易于制造垂直LED或氮化物半导体自支撑衬底。

特别地，因为根据本公开的分离方法和装置通过机械力而不使用激光将氮化物半导体层与衬底分离，所以与使用激光的方法相比，降低了时间和工艺成本，并且提高了生产效率。

本公开提出了一种用于通过机械分离方法将氮化物半导体层与衬底分离的方法和装置的新机制。在衬底和氮化物半导体层之间形成限定空腔的无机薄膜，即，能够容易地破坏的人造纳米结构，由此将氮化物半导体层与衬底分离，而不需要昂贵的激光器件，而且没有由激光引起的劣化现象。

通过调整限定空腔的无机薄膜结构、二维阵列和氮化物半导体层生长条件，可以连续地或不连续地生长氮化物半导体层，从而提高LED的性能并降低生产成本。

附图说明

图1图示出根据本公开的半导体层叠结构及其形成方法。

图2图示出根据本公开的半导体层叠结构中的牺牲层图案的二维阵列及其形成方法。

图3示出根据本公开的半导体堆叠结构中的空腔的各种横截面。

图4图示出根据本公开的用于形成半导体层叠结构的方法中的各种牺牲层图案，以及所得到的无机薄膜的上表面的形状。

图5示出在根据本公开的半导体层叠结构中的界面层部分中包括一部分氮化物半导体层。

图6图示出根据本公开的半导体层叠结构中的氮化物半导体层的上表面的形状。

图7示出在根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置中包括的一对板状分离构件。

图8示出在根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置中包括的分离构件的另一示例。

图9是根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置的示意图。

图10示出使用根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置在压缩下从衬底分离氮化物半导体层。

图11示出使用根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置在拉伸下从衬底分离氮化物半导体层。

图12示出使用根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置在剪切下从衬底分离氮化物半导体层。

图13示出使用根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置在扭转下从衬底分离氮化物半导体层。

图14和图15示出根据本公开的实验例的SEM图像。

具体实施方式

在下文中，将参考附图更详细地描述本公开。下文中描述的实施方式可以以许多不同的形式修改，并且本公开的范围不限于以下实施方式。提供本公开的实施方式是为了帮助本领域的普通技术人员完全地和彻底地理解本公开。因此，为了清楚起见，夸大了附图中的元件的形状，并且在附图中由相同符号表示的元件代表相同的元件。

本发明人已经提出了各种研究结果，用于通过在异质材料的衬底上形成空腔、生长氮化物半导体层并使空腔变形来缓解氮化物半导体层的应力。本申请基于制造LED或氮化物半导体自支撑层或氮化物半导体衬底的方法以及用于进行该方法的用于从衬底分离氮化物半导体层的方法和装置的研究结果，其中，在通过本发明人提出的方法形成的半导体层叠结构中，将氮化物半导体层与衬底分离，并且转移或移动到垂直LED或水平LED或任何类型的衬底。

图1图示出根据本公开的半导体层叠结构及其形成方法。

参考图1(a)，首先，在衬底10上形成牺牲层图案20。牺牲层图案20的厚度d可以为0.01μm～10μm，牺牲层图案20的宽度w可以为0.01μm～10μm。考虑最终形成的空腔来确定牺牲层图案20的厚度d和宽度w。参考图1(a)，牺牲层图案20在整个衬底10上以相同图案均匀地形成。然而，牺牲层图案20可以以其它图案部分地形成在衬底10上。

图2是牺牲层图案20的二维阵列的平面图，示出形成芯片的衬底的一部分。

在衬底10上形成的牺牲层图案20是线型和空间型的，并且可以在衬底10上沿y轴或x轴方向延伸，图2示出牺牲层图案20沿y轴方向延伸。

当假定500nm的线型图案和空间型图案时，尺寸为1mm×1mm的芯片容纳约1000个牺牲层图案20。当使牺牲层图案20沿一个方向延伸时，使用其形成的LED在任何一个方向上具有可控的光学性质，例如，使得可以调节偏振取向。

特别地，牺牲层图案20优选地形成为沿与将后续形成的氮化物半导体层的横向生长速度快的方向垂直的方向延伸的线型图案。例如，在图2中，沿x轴方向的氮化物横向生长速度快。在衬底10是蓝宝石的情况下，氮化物的横向生长速度快的方向为<1-100>，因此牺牲层图案20形成为在沿着垂直于其的<11-20>方向延伸的线型图案。这是为了生长氮化物半导体层，同时尽可能最大地促进始于衬底10的外延横向过生长(ELO)。

线型的牺牲层图案20可以形成在整个衬底10上，但是也可以形成为岛型(其中图案间隔开)。在防止弯曲的方面，岛型优选地形成在整个衬底10上。由于牺牲层图案20之间的间隔越窄，横向生长的长度越短，因此不需要垂直于横向生长快的方向布置线型图案。

牺牲层图案20可以通过各种方法形成，例如光刻、纳米压印和无机纳米颗粒附着。根据本公开，用于形成牺牲层图案20的方法相对简单，并且与例如图案化蓝宝石衬底(PSS)的早期技术中的衬底蚀刻相比，衬底较少受损且工艺能够得以简化。

如上所述形成有各种牺牲层图案20的衬底10包括用于生长氮化物半导体层的异质外延层的异质材料的所有单晶衬底，例如蓝宝石衬底、硅衬底、SiC衬底和GaAs衬底，在本实施方式中，优选为蓝宝石衬底。

在如图1(a)所示形成牺牲层图案20之后，参考图1(b)，在牺牲层图案20上形成无机薄膜30。无机薄膜30随后在无机薄膜30和衬底10之间限定空腔，并且优选地，无机薄膜30在牺牲层图案20不会变形的温度范围内形成。无机薄膜30具有足够的厚度，以在去除牺牲层图案20之后稳定地保持结构的原始形状。用于形成无机薄膜30的工艺使用各种方法，例如原子层沉积(ALD)、湿法合成、金属沉积和氧化、以及溅射。为了在衬底10上形成结构上稳定的空腔，当形成无机薄膜30时，使一部分无机薄膜30与衬底10直接接触是有利的。无机薄膜30可以为包括二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、二氧化钛(TiO₂)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钇(Y₂O₃)-氧化锆、铜氧化物(CuO，Cu₂O)、氧化钽(Ta₂O₅)、氮化铝(AlN)、和氮化硅(Si₃N₄)的至少一种氧化物或氮化物，在该实施方式中，优选为氧化铝。通过调整无机薄膜30的组成、强度和厚度中的至少一个，可以调节施加到后续在衬底上形成的氮化物半导体层的应力。如所示，无机薄膜30形成在整个衬底10上，覆盖牺牲层图案20。

在优选实施方式中，可以通过例如ALD的沉积方法形成符合衬底10和牺牲层图案20的形状的具有均匀厚度的氧化铝。代替沉积方法，能够使用利用湿溶液的湿合成法。在符合衬底10和牺牲层图案20的形状均匀地涂覆湿溶液之后，可以通过加热、干燥或化学反应合成氧化铝。例如，将铝前体粉末(例如氯化铝(AlCl₃))与溶剂(例如四氯乙烯(C₂Cl₄))混合，然后将其涂布并涂覆在具有牺牲层图案20的衬底10上，随后通过在氧气气氛中加热引起反应，生成氧化铝薄膜涂层。或者，在通过例如溅射的方法沉积金属Al薄膜之后，可以进行氧化工艺以形成氧化铝。氧化铝以非晶形态或多晶形态的细晶粒形成。

在形成无机薄膜30之后，从衬底10选择性地去除牺牲层图案20，如图1(c)所示。由于牺牲层图案20是例如光致抗蚀剂膜、用于纳米压印的树脂或有机纳米颗粒的聚合物，所以易于去除的方法是加热。具有大约600℃的自燃温度的光致抗蚀剂膜能够通过加热容易地去除。此外，为了使用氧化工艺的燃烧更容易地去除，可以加以利用含氧气体的化学反应。如果在高温下在氧气气氛中加热，聚合物组分将通过热分解过程容易地去除，通常称为灰化。例如，通过在氧气气氛中的热处理来去除牺牲层图案20。在氧气气氛中的热处理不适当的情况下，例如，在衬底100是硅衬底并且担心氧化物生成的情况下，可以使用利用有机溶剂的湿法去除。在去除牺牲层图案20之后，可以形成由衬底10和无机薄膜30限定的空腔C，如图1(c)所示。尽管在该实施方式中形成彼此分离的多个空腔C，但空腔的形状可以根据在初始时刻形成的牺牲层图案20的形状而改变。空腔具有牺牲层图案的相反形状。

处于沉积状态的无机薄膜30通常是非晶的或具有多晶的细晶粒。在通过去除牺牲层图案20形成空腔C之后，优选地进行热处理以使非晶或多晶无机薄膜30致密化和结晶化。

去除牺牲层图案20的热处理和无机薄膜30的热处理可以利用逐渐升高的温度或通过连续工艺进行。在无机薄膜30与衬底10是相同组成的材料的情况下，如同衬底10是蓝宝石衬底并且无机薄膜30是氧化铝的情况，如果将其加热至例如大约1000℃，无机薄膜30通过热处理变成与衬底10相同的晶体结构的结晶化无机薄膜30'，如图1(d)所示。因此，结晶化无机薄膜30'和衬底10之间的界面(如图中的虚线所示)消失。原因是在高温热处理期间与衬底10直接接触并且在无机薄膜30部分发生固相外延生长，并且沿着衬底10的晶体方向发生结晶。固相外延从在衬底10与无机薄膜30之间的界面开始，在无机薄膜30为非晶的情况下，最终结晶化的无机薄膜30'成为多晶，或纳米多晶体增加尺寸，或者在最优选的情况下，变为如同衬底10的单晶。结晶优选地发生在至少一部分无机薄膜30上，特别是在整个无机薄膜30上，并且空腔C上的结晶化无机薄膜30'部分作为氮化物半导体外延层的后续生长的晶种，因此需要使空腔C上的无机薄膜30'结晶。

随后，如图1(e)所示，在结晶化无机薄膜30'上进一步形成氮化物半导体层50。氮化物半导体层50可以形成为包括最佳缓冲层的多层结构。氮化物半导体层50包括例如GaN、InN、AlN或它们的组合Ga_xAl_yIn_zN(0<x，y，z<1)的所有氮化物半导体材料。可以基于氮化物半导体层50的材料类型来调节带隙以发射紫外范围、可见范围和红外范围的光。在这种情况下，对于氮化物半导体层50，晶种不在衬底10上生长，而是从空腔C上的结晶化无机薄膜30'部分生长(图1(e)中的左侧图片)。可以调节沉积温度和气体的压力和流速，以从空腔C上的结晶化无机薄膜30'生长氮化物半导体层50。

在生长条件下从其生长的部分被组合以形成薄膜，并且可以在空腔C之间的区域(图1(e)中的右侧图片)形成空隙V。根据实施方式，在组合氮化物半导体层50之前，可以终止生长。也就是说，通过调整外延层生长时间，氮化物半导体层50形成为彼此分离的多个氮化物半导体层。根据实施方式，可以不形成空隙V。

即使氮化物半导体层被组合，但是如果通过调整空腔C之间的距离来将一些部分组合并且将一些部分不组合，则氮化物半导体层可以在水平方向上连续地或不连续地形成。在本说明书中，包括无机薄膜30'、空腔C和可选的空隙V的部分被称为“界面层”。通过调整界面层的构造，氮化物半导体层50也可以形成为彼此分离的多个氮化物半导体层。

如果氮化物半导体层50在空腔C之间的衬底10上生长，在这种情况下，通过ELO方法在衬底10上形成膜，并且在空腔C上沿水平方向过度生长并将被组合。然而，在本公开中，氮化物半导体层50不在衬底10上生长，而是从空腔C上的结晶化无机薄膜30'部分生长，因此氮化物半导体层50以完全不同于ELO方法的方法形成。

由于根据本公开的结晶化无机薄膜30'与在其上生长的氮化物半导体层50分担和缓解应力，无机薄膜30'用作柔性层并且在缓解可能产生位错的应力的同时生长，从而实现低缺陷密度和高质量生长。

由衬底和薄膜之间的物理差异引起的应力在界面处被转换为弹性能量，并且成为产生位错的驱动力。在正常情况下，由于衬底的厚度比薄膜厚很多，变形是困难的，相反地，在薄膜中产生位错，并且应力得到缓解。在这种情况下，当生长大于或等于预定厚度或临界厚度的薄膜时，界面处的弹性能量大于位错的产生能量，从而开始产生位错。然而，在本公开的情况下，因为当无机薄膜30'比氮化物半导体层50薄时临界厚度更大，所以减少了氮化物半导体层50的位错产生。如果无机薄膜30'比上述氮化物半导体层50足够更薄，则可以说衬底和薄膜在正常情况下的作用改变，而氮化物半导体层50在位错发生较少的状态下生长。因此，氮化物半导体层50能够以低缺陷密度和高质量形成，并且由于氮化物半导体晶体缺陷密度降低，因此能够提高LED制造中的内部量子效率。

通过上述方法形成的根据本公开的半导体层叠结构100包括与氮化物半导体的异质材料的单晶衬底10和结晶化无机薄膜30'，如图1(e)中的右图所示。在衬底10和无机薄膜30'之间彼此分离的多个空腔C被限定为具有可控的形状和尺寸以及二维阵列。半导体层叠结构100包括在空腔C上结晶的无机薄膜30'上生长并且组合以在空腔C之间的区域处形成空隙V的氮化物半导体层50。

无机薄膜30'包括与衬底10接触的腿部30a和从腿部30a平行于衬底10延伸的上表面部30b。空腔C是牺牲层图案20在形成方法中被去除之处。因此，空腔C符合牺牲层图案20的形状和尺寸以及二维阵列。因此，为了使空腔C具有可控的形状和尺寸以及二维阵列，需要设置牺牲层图案20的形状和尺寸以及二维阵列。在该实施方式中，根据牺牲层图案20的设计，在整个衬底10上以相同图案均匀地限定空腔C。然而，根据牺牲层图案的设计，可以以局部不同的图案限定空腔。

因为存在空腔C，所以如果衬底10和在其上形成的氮化物半导体层50之间的热膨胀系数不同，则空腔C在表面方向上被拉伸或压缩，引起局部变形，因此消耗应力能量。因此，能够减小施加到氮化物半导体层50的热应力，从而可以减小衬底10的翘曲现象。因此，即使在大规模上也可以使用具有相对薄厚度的衬底10。

特别地，因为能够通过调整牺牲层图案的形状、尺寸和二维阵列来控制空腔C，所以可以调整光学特性，例如，由半导体层叠结构100制造的LED的发射图案。此外，因为在形成牺牲层图案20时，通过例如光刻或纳米压印的可控方法形成牺牲层图案20，所以空腔C并非不规则地或随机地形成，而是通过可控的方法形成，致使具有良好的再现性和优异的器件均匀性。

结果，能够外延生长具有优异性能的氮化物半导体层50，因此，能够实现具有高效率和高可靠性的光电器件。此外，随着光提取效率的增加，能够实现高输出LD和LED。

根据本公开的半导体层叠结构包括衬底10和氮化物半导体层50，与插入其间的界面层连接。界面层是衬底10和氮化物半导体层50在一定程度上被空腔C和可选的空隙V机械隔开之处，因此处于其中进一步抑制应力发生的状态，并且在生长氮化物半导体层50之后，则可以通过根据本公开的分离方法和装置分离氮化物半导体层50和衬底10，如图1(f)所示。

如果根据一般常规技术在衬底上生长氮化物半导体层，则氮化物半导体层和衬底在原子水平上接合，并且为了将氮化物半导体层与衬底分离，需要例如激光剥离的特殊工艺。然而，在本公开中，例如膜或桥接部的无机薄膜30'存在于界面层中，使得通过破坏无机薄膜30'容易地分离氮化物半导体层50与衬底10，或者在不使用激光剥离的情况下以小的机械力分离无机薄膜30'和衬底10之间的界面。因为以例如拉伸或压缩的小机械力实现分离，所以实现分离而不会使得氮化物半导体层50翘曲或破裂或碎裂。

因此，在需要将衬底10与氮化物半导体层50分离的应用领域中非常有利，例如，垂直LED或水平LED、转移到特定衬底的LED的制造，并且衬底10的再循环是容易的。此外，如果氮化物半导体层50形成为厚膜并且与衬底10分离，则其能够用作氮化物半导体自支撑衬底，并且使得容易制造氮化物半导体衬底，作为均匀材料的衬底用于良好的氮化物半导体生长。

界面层的形状可以根据牺牲层图案20的形状进行各种设计。在图1所示的示例中，当形成的牺牲层图案20所具有的垂直于衬底10的横截面为矩形时，由无机薄膜30'限定的空腔C也具有矩形的横截面。如图3中的各种示例所示，空腔C的横截面可以具有，(a)正方形，或(b)下表面比上表面宽的梯形，或者相反，(c)下表面比上表面窄的梯形。在这些示例中，无机薄膜30'具有与衬底接触的腿部和从腿部延伸并平行于衬底的上表面部，并且腿部垂直于衬底或具有预定倾斜度。然而，上表面部不必平行于衬底。上表面部可以具有例如凸起或凹陷的弯曲表面，并且例如空腔的横截面为三角形的情况，上表面部可以不存在。此外，腿部不必具有直线形状，而是腿部也可以具有例如凸起或凹陷的弯曲表面，并且尽管其为直线形状，但是与衬底的倾斜度可以改变。

此外，尽管在图2所示的示例中牺牲层图案20是线型和空间型的，但是牺牲层图案可以具有如图4中的各种示例所示的各种形状。

图4图示出根据本公开的用于形成半导体层叠结构的方法中的各种牺牲层图案，以及所得到的无机薄膜的上表面部的形状。首先，参考(a)，当从衬底的顶部观察时，以x和y间距“b”均匀地形成在宽度和长度上具有相同尺寸“a”的矩形图案。在(b)中，以x和y间距“b”形成在宽度和长度上具有相同尺寸“a”的正方形图案，以形成组G1，并且以x和y间距“c”均匀地形成组G1。在(c)中，以x间距“b'”和y间距“d”形成在宽度和长度上具有不同尺寸“a”和“a'”的矩形图案。b'和d可以相同或不同。在(d)中，以x间距“b'”和y间距“d”形成在宽度和长度上具有不同尺寸“a”和“a'”的矩形图案，以形成组G2，并且以x和y间距“c'”均匀地形成组G2。b'和d可以相同或不同。

图5示出在根据本公开的半导体层叠结构中的界面层部分中包括一部分氮化物半导体层的情况。根据实施方式，在参考图1描述的步骤(e)中，在形成氮化物半导体层50期间，氮化物半导体层50'可以形成在空腔C之间的无机薄膜30'上。在氮化物半导体层50'生长并越过无机薄膜30'的上表面之前，当在无机薄膜30'的上表面上生长的氮化物半导体层50组合时，一部分氮化物半导体层50'填充在空腔C之间，并且在上部和氮化物半导体层50之间形成空隙V，如图5所示。

图6图示出在根据本公开的半导体层叠结构中的氮化物半导体层的上表面的形状。

根据实施方式，在氮化物半导体层50组合之前，可以在参考图1所述的步骤(e)中终止生长。然后，氮化物半导体层50形成为彼此分离的多个氮化物半导体层。

图6(a)示出例如使用图4(a)所示的牺牲层图案20，并且在氮化物半导体层50组合之前终止生长的情况。能够获得正方形的多个氮化物半导体层。图6(b)示出例如使用图4(c)所示的牺牲层图案20，并且在氮化物半导体层50组合之前终止生长的情况。能够获得多个矩形氮化物半导体层。根据所使用的器件的期望目的，例如，在需要例如LCD BLU(背光单元)的矩形LED芯片的情况下，空腔C的形状根据牺牲层图案20的形状而改变，并且其上用作晶种层的无机薄膜30'的形状改变，所以在其上形成的氮化物半导体层50的形状改变。

如上所述，氮化物半导体层50可以形成为彼此分离的多个氮化物半导体层，并且如果在氮化物半导体层50的制造中，氮化物半导体层50形成为包括LED构造所需的有源层的多层结构，则彼此分离的多个氮化物半导体层50已经以芯片为单元制造，并因此彼此分离，因此当通过根据本公开的用于分离氮化物半导体层50的方法从衬底10分离时，优点在于可以在不进行常规器件个体化工序(例如制造芯片单元所必需的切割)的情况下立即将其引入封装工序。

随后，更详细地描述根据本公开的用于分离氮化物半导体层的方法和装置。

根据本公开的用于分离氮化物半导体层的方法包括通过对根据本公开的半导体层叠结构100或不同的半导体层叠结构(具有如本公开中的在衬底和氮化物半导体层之间形成有空腔的界面层)的上表面和下表面沿竖直方向施加力来分离的第一方法，通过沿水平方向施加力来分离的第二方法，以及通过以相对圆周运动施加力来分离的第三方法。

第一种方法包括两种条件，压缩和拉伸。首先，压缩条件是通过对上表面和下表面施压以破坏无机薄膜或界面层而进行的方法。拉伸条件是通过将上表面和下表面彼此分离以破坏无机薄膜或界面层而进行的方法。第二种方法是通过使上表面和下表面沿水平方向相对于彼此运动的剪切力以破坏无机薄膜或界面层而进行的剪切条件的方法。第三种方法是通过将上表面和下表面绕彼此扭转成相对水平的圆周运动以破坏无机薄膜或界面层而进行的扭转条件的方法。

第一方法至第三方法可以组合进行。通过机械力而不使用例如激光辐射的方法来分离是由于在根据本公开的半导体层叠结构100或其它半导体堆叠结构中包括空腔C和可选的空隙V的界面层。

根据本公开的用于分离氮化物半导体层的方法适合于实施该分离方法。

虽然基于使用根据本公开的半导体层叠结构100将氮化物半导体层50与衬底10分离的情况来提供以下描述，但如果与半导体层叠结构100不同的结构是包括在衬底和氮化物半导体层之间形成有空腔的界面层的半导体层叠结构，也可以使用根据本公开的分离方法和装置进行机械分离。

如图7所示，根据本公开的分离装置包括一对板状分离构件210、220，分别作为夹具应用到半导体堆叠结构100的上表面和下表面。

第一分离构件210设置在半导体层叠结构的下表面，即衬底10侧。第二分离构件220设置在半导体层叠结构的上表面，即氮化物半导体层50侧。第一分离构件210和衬底10可以暂时彼此附着。同样地，第二分离构件220和氮化物半导体层50可以暂时彼此附着。可以进行无附着的简单接触。本文所用的术语“暂时”是指其在进行分离步骤时存在，然后随后消除。暂时附着可以通过各种方法，例如粘合剂层、粘合剂涂层、胶带、静电力和经由真空的力。该对分离构件210、220可以大于半导体层叠结构100以覆盖半导体层叠结构100，或者可以小于半导体层叠结构100而不覆盖半导体层叠结构100。

图8示出在根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置中包括的分离构件210、220的另一示例。

分离构件210、220通常是板状的，但是可以具有安装凹槽S，在其中安装半导体堆叠结构100。此外，分离构件210、220还可以具有真空供给孔，以提供用于通过安装凹槽S吸附半导体堆叠结构100的真空力。安装凹槽S的尺寸可以与半导体堆叠结构100的尺寸相同，但是也可以相对大于半导体堆叠结构100的尺寸。在这种情况下，安装凹槽S能够安装各种半导体堆叠结构，而不管半导体堆叠结构的尺寸和形状如何。真空供给孔形成为穿过安装凹槽，并且通过通孔提供真空。因此，安装凹槽S吸附安装在其中的半导体堆叠结构100，使得半导体堆叠结构100不会移动而是静止的。为此，真空供给孔与连接到真空泵的真空供应管线连接，以从真空泵供给真空。此外，真空供给孔可以以各种图案形成，但是为了均匀地吸附半导体堆叠结构100的整个表面或吸附各种尺寸的半导体堆叠结构(不管半导体堆叠结构100的尺寸如何)，真空供给孔可以以径向图案形成。安装凹槽S可以仅形成在分离构件210、220中的任意一个中。

该对分离构件210、220可以被引入到分离装置200(包括施加外力的驱动单元230和控制单元240)，同时将半导体堆叠结构100支撑在其间，如图9所示。在这种情况下，分离构件210、220可以具有插入其间的暂时粘合层，以良好地支撑半导体堆叠结构100。另一种方法是按照首先将第一分离构件210引入分离装置200、在其上放置半导体堆叠结构100、以及引入第二分离构件220的顺序来进行的连续引入。为了支撑或保持被引入的分离构件210、220，分离装置200还可以包括适当的基座构件和保持构件。

替代地，该对分离构件210、220可以被配置作为分离装置200的一部分。在这种情况下，以以下方式为分离步骤做好准备：将半导体堆叠结构100放置在第一分离构件210上，并且将第二分离构件220移至半导体堆叠结构100侧，以使得分离构件210、220支撑半导体堆叠结构100，或者将第二分离构件220移离半导体堆叠结构100，以使得第一分离构件210支撑半导体堆叠结构100。

为了促进响应于电流通/断的吸收/解吸，静电力和经由真空的力可以优选用于分离构件210、220以支撑半导体堆叠结构100，为此，分离装置200可以还包括各种部件，例如静电发生装置和真空泵。

为了将衬底10和氮化物半导体层50机械分离，分离装置200可以向分离构件210、220施加相对压缩、拉伸、剪切和扭转或它们的组合中的至少一种。由于通过分离构件210、220的相对运动产生这些条件，任一分离构件210、220可以是静止的，并且驱动单元230的外力可以施加到另一个。优选地，考虑到稳定性，优选位于下侧的分离构件是静止的。尽管该实施方式示出了位于下侧的分离构件是与衬底10接触的第一分离构件210，但是与氮化物半导体层50接触的第二分离构件220也可以位于下侧。

首先，为了应用第一种方法，驱动单元230配备有驱动装置，以沿竖直方向驱动在朝向彼此的分离构件210、220当中位于上侧的第二分离构件220。驱动装置例如是气缸、气动马达、电动机或液压马达，并且沿竖直方向(向上和向下)驱动第二分离构件220，直到将衬底10和氮化物半导体层50分离。

在第一种方法中，为了产生压缩条件，驱动单元230向下驱动第二分离构件220以提供压缩力。图10(a)示出氮化物半导体层50和衬底10在压缩下分离的情况。图10(b)示出通过破坏无机薄膜30'来分离氮化物半导体层50和衬底10的情况。在这种情况下，在通过破坏无机薄膜30'使氮化物半导体层50和衬底10分离之后，通过释放向下压第二分离构件220的力能够防止破坏氮化物半导体层50。无机薄膜30'的破坏部分可能会粘附到氮化物半导体层50。

因此，在生成压缩条件的情况下，需要终点检测，并且在终点检测中，控制单元240控制驱动单元230以停止第二分离构件220在该状态下的运动，或者向上移动第二分离构件220。端点检测能够通过以下方法和装置实施。

在分离装置200中还可以包括的分离感测单元250可以通过许多方法来感测氮化物半导体层50和衬底10分离的程度。特别地，可以通过测量分离构件210、220之间的距离(可以转换为压缩厚度)来感测氮化物半导体层50和衬底10分离的程度。分离感测单元250可以附接在任何能够测量分离构件210、220之间的距离的位置。分离感测单元250不限于特定类型，只要能够实时测量彼此间隔开的物体之间的距离即可，例如激光传感器、电容传感器和编码器。

如果将半导体层叠结构100插入在分离构件210、220之间的初始状态定义为起始点，并且如果第二分离构件220向下移动到小于形成无机薄膜30'的部分(即界面层)的厚度时，将氮化物半导体层50的下表面和衬底10确定为分离的时间定义为分离点，控制单元240将预定压力施加到第二分离构件220或者逐渐增加施加的压力直到分离构件210、220移至分离点位置，并且在到达分离点位置之后，通过控制驱动单元230来调节第二分离构件220的操作，以完全释放所施加的压力或提升第二分离构件220。

如此，使用分离感测单元250和控制单元240，可以基于氮化物半导体层50和衬底10分离的程度来调节所施加的压力，从而防止由于在压缩状态下施加过度压力而引起的氮化物半导体层50的损坏。

分离感测单元250还可以通过压力监测方法来实施。这使用了如下原理：当无机薄膜30'承受压缩力时，感测到缓慢增加的压力，但是当无机薄膜30'被压缩力破坏时，此刻发生快速的压力变化。为了实现该方法，分离感测单元250被配置用于监测施加到无机薄膜30'的压力。优选地，在这种情况下，分离感测单元250采用测力传感器的构造。测力传感器可以安装在分离构件210、220中的任何一个上，或者分离构件210、220中的任何一个可以实现为测力传感器本身。测力传感器是用于监测响应于所施加的压缩力的压力变化的装置，并且压力被释放或快速变化的时刻通过测力传感器被确定为氮化物半导体层50和衬底10的分离点，并且在到达分离点位置之后，通过控制驱动单元230来调节第二分离构件220的操作，以完全释放所施加的压力或提升第二分离构件220。

随后，为了在第一种方法中产生拉伸条件，当半导体堆叠结构100确保被地固定到分离构件210、220时，驱动单元230向上驱动第二分离构件220以提供拉力。图11(a)示出使用根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置在拉伸下分离氮化物半导体层50和衬底10的情况。拉伸条件是通过将分离构件210、220彼此分离以破坏无机薄膜30'而进行的方法。可以施加拉力直到氮化物半导体层50和衬底10分离，换句话说，直到分离构件210、220比分离开始之前更远地分开。在这种情况下，终点检测不是必需的。图11(b)示出氮化物半导体层50和衬底10在拉伸下分离的情况。在这种情况下，无机薄膜30'可能部分地附着到氮化物半导体层50或者保留在衬底10上。

接下来，为了实施第二种方法或剪切条件，驱动单元230通过相对于第一分离构件210沿水平方向推动第二分离构件220来提供剪切力。图12(a)示出使用根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置在剪切下分离氮化物半导体层50和衬底10的情况。可以施加剪切力，直到通过破坏无机薄膜30'而使氮化物半导体层50和衬底10分离，换句话说，直到发生分离构件210、220之间的相对水平运动。同样地，在这种情况下，终点检测不是必需的。图12(b)示出氮化物半导体层50和衬底10在剪切下分离的情况。在这种情况下，无机薄膜30'可能部分地附着到氮化物半导体层50或者保留在衬底10上。

接下来，为了实施第三种方法或扭转条件，驱动单元230提供相对于第一分离构件210扭转第二分离构件220的力或绕垂直于第二分离构件220的轴的旋转力。图13(a)示出使用根据本公开的用于分离氮化物半导体层的装置在扭转下分离氮化物半导体层50和衬底10的情况。可施加旋转力，直到通过破坏无机薄膜30'而使氮化物半导体层50和衬底10分离，换句话说，直到能够进行分离构件210、220之间的相对圆周运动。同样地，在这种情况下，终点检测不是必需的。图13(b)示出氮化物半导体层50和衬底10在扭转下分离的情况。在这种情况下，无机薄膜30'可能部分地附着到氮化物半导体层50或者保留在衬底10上。

通过分离方法和装置200分离的氮化物半导体层50可以在经过用于去除附着的无机薄膜30'部分或碎片的预定工序(或者没有这样的工序)之后被转移到其它衬底并被处理成器件类型，并且如参考图6所述，如果氮化物半导体层50已经以芯片单元制造并分离，则氮化物半导体层50可以在不经过例如切割的工序的情况下被直接引入封装工序。为了将从衬底10分离的氮化物半导体层50转移到其它衬底或将氮化物半导体层50引入到其它工序，分离装置200还可以包括用于将分离的氮化物半导体层输送到下一个目的地的装置(未示出)以及用于去除附着到氮化物半导体层50的无机薄膜30'的部分或碎片的装置(未示出)。

在本实施方式中，由于氮化物半导体层50暂时附着到第二分离构件220侧，在朝下的第二分离构件220反转之后，暂时附着被释放，并且为了将氮化物半导体层50传送到下一个目的地，分离装置200可以具有使第二分离构件220反转的装置构造。在氮化物半导体层50暂时附着的第二分离构件220侧形成在分离装置200下侧的情况下，可以不需要该反转装置构造。

分离后留下的衬底10可以被再循环用于其它氮化物半导体层的生长。半导体层叠结构100以及彼此分离的衬底10和氮化物半导体层50的传送可以通过包括传送臂的传送设备来进行。

根据该分离方法和装置，能够通过小的机械力将衬底和氮化物半导体层分离，而不需要使用高密度高输出能量，例如激光器。该方法和设备配置简单，并且处理时间短。该装置不产生真空或特定的气体气氛，消除了对气密腔室空间的需要，从而提供经济效率。因为该方法和设备能够经济地将氮化物半导体层与衬底分离而不会影响所生长的氮化物半导体层，所以在转移到垂直、水平LED的氮化物半导体衬底或任何其它需要分离氮化物半导体层的衬底制造领域中的利用率高。如果氮化物半导体层分离，则能够容易地去除在器件的操作期间产生的热，并且在存在衬底的情况下，优点是使捕获在衬底中的光不会逸出，并且值得用作用于氮化物半导体生长的均质材料的衬底。

在下文中，通过描述根据本公开的实验结果来更详细地描述本公开。

测试过程如下。如参考图1的描述，在蓝宝石衬底上形成线型和空间型PR图案之后，在110℃下通过ALD形成氧化铝薄膜。随后，在空气中进行热处理以除去PR图案，从而形成空腔，并且使氧化铝薄膜结晶。图14(a)是示出通过该方法在蓝宝石衬底上形成的空腔和氧化铝薄膜的SEM照片图像。

随后，在氧化铝薄膜上生长GaN层。通过经调节生长温度、气体流速和压力而从空腔上的氧化铝薄膜选择性地生长GaN层，获得如图14(b)所示的GaN层。从图14(b)能够看到，GaN层在空腔部分(而不是衬底部分)选择性生长，并且部分GaN层和空隙形成在空腔之间，如图5所示。

随后，通过如本公开提出的机械分离来将GaN层和蓝宝石衬底分离。图15(a)是分离后的GaN层的SEM照片图像，并且图15(b)是衬底的SEM照片图像。如图15所示，可以通过机械分离成功地将GaN层和蓝宝石衬底分离。

虽然已在上文中示出和描述了本公开的优选实施方式，但是本公开不限于上述特定优选实施方式，并且，在不脱离所附权利要求的本质的情况下对实施方式进行各种修改对于本领域技术人员的是显而易见的，并且这样的修改落入所附权利要求的范围之内。