CN105679890A - 一种半导体薄膜型器件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体薄膜型器件的制备方法。通过在器件功能结构的表面涂覆树脂材料，固化后的树脂材料对薄膜器件起到支撑和保护，经化学机械抛光将预先制备的器件电极引出树脂之外，供器件工作连接。经物理或化学手段剥离掉器件的原始衬底材料，留下器件的功能结构，制备成薄膜器件。本发明提供了一种导热性能好，制造成本低的薄膜型器件制备方法，可实现水平和垂直两种导通模式薄膜型器件的制备，其在光电子器件及电子器件制造领域具有广泛的应用前景。

Description

一种半导体薄膜型器件的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件及电子器件领域，提供了一种导热性能好，制造成本低的薄膜型器件制备方法，其在半导体器件制造领域具有广泛的应用前景。
背景技术
三族氮化物发光器件有着相当光明的应用前景。因其材料具有直接带隙、宽禁带、高导热率的特点，目前，越来越多的研究组对其有着深入广泛的研究。在发光器件的制作过程中，硅作为最受欢迎的衬底材料被广泛采用。其高导电率、高导热率、晶体质量好、大尺寸、制备工艺成熟、价格便宜、光电器件集成等特点，是其作为发光器件衬底材料的巨大优势。然而，硅衬底存在的问题也比较突出。于发光器件而言，硅衬底吸光特性极大地影响器件的发光效率。而于电子器件而言，硅衬底散热性能差，存在漏电通道等问题，极大地影响了电子器件的电学特性，并对后续电子器件的研究产生不良的影响。于是，剥离硅衬底并进行衬底转移，便成为解决问题的重要工艺手段。然而在工艺实现过程当中出现多种问题。如在采用化学方法剥离硅衬底时，因化学腐蚀液的腐蚀性强，难以对器件实现很好的保护，严重影响器件的成品率。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种新的半导体薄膜型器件的制备方法。其在多种结构的器件中均可实现。本发明通过树脂层的保护，巧妙地解决了腐蚀过程中器件的保护问题，器件成品率得以提升，并且通过该技术能制备出多种颜色的发光器件。本方法对其他衬底上生长的器件同样适用，且不只用于发光器件的制备，还可以用于其他半导体器件的制备。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种半导体薄膜型器件的制备方法，通过在器件功能结构的表面涂覆树脂材料，固化后的树脂材料对薄膜器件起到支撑和保护作用，经化学机械抛光将预先制备的器件电极引出树脂之外，供器件工作连接，剥离掉器件的原始衬底材料，留下器件功能结构，形成薄膜器件。
优选的，上述制备方法的具体步骤为：
步骤1：在半导体器件功能结构表面划分功能区，在各功能区制备电极结构，并在相应的区域加厚电极；
步骤2：在器件表面涂覆树脂材料，并进行固化；
步骤3：经研磨方法将预先制备的器件加厚电极引出树脂之外；
步骤4：经物理或化学方法剥离掉器件的原始衬底材料，留下器件功能结构，固化后的树脂材料对薄膜器件起到支撑和保护作用；
步骤5：衬底剥离后制备金属层。
优选的，所述原始衬底材料为半导体材料，该半导体材料为硅、蓝宝石、碳化硅或氧化锌，针对不同的原始衬底材料通过相应的物理或化学手段进行剥离。
本发明还提出一种采用所述方法的器件，所述器件为水平和垂直两种导通结构薄膜型器件。
本发明还提出一种采用所述方法的器件，所述器件为薄膜型光电子器件及电子器件。
优选的，制备的光电子器件及电子器件，是通过在树脂中添加荧光粉，制备双色或多色薄膜型发光器件。该金属层对不同的薄膜器件分别起到支撑、导热、导电、光反射等作用。
与现有技术相比，采用本发明制备的半导体薄膜型器件具有以下优点：
1、在衬底剥离过程中，因在器件表面涂覆了具有保护和支撑作用的树脂材料，可大大增加衬底剥离后的成品率。
2、本方法制备的半导体薄膜型器件具有更好的散热特性。
附图说明
图1为本发明制备的带有通孔结构的薄膜型准垂直导通薄膜型发光器件剖面结构示意图。
图2-10为本发明制备带有通孔结构的薄膜型准垂直导通发光器件的工艺实现流程图。其中：
图2为外延生长后发光器件的结构示意图，其包括原始衬底（11），缓冲层（2）及n/p型层（3），发光器件的有源层（5），p/n型层（6）。
图3为经过刻蚀到n/p层并形成通孔到衬底后的器件结构示意图。
图4为在刻蚀后露出的n/p型半导体表面及通孔内沉积电极（4）后的器件结构示意图。
图5为在p/n型表面透明电极层（7）及金属电极（8）后的器件结构示意图。
图6为在金属电极（8）制备厚金属（9）后的器件结构示意图。
图7为在器件整体表面均匀涂覆树脂（10）作为保护层后的器件结构示意图。
图8为研磨涂覆的树脂（10）至露出厚金属（9）后的器件结构示意图。
图9为剥离原始衬底（11）后的器件结构示意图
图10为剥离原始衬底（11）后制作金属（1）后的器件结构示意图。为本发明制备的带有通孔结构的薄膜型准垂直导通发光器件的最终器件结构示意图。
图11为该发明的水平导通薄膜型发光器件结构图。
图12为该发明的垂直导通薄膜型发光器件结构图。
图13为该发明的树脂中添加荧光粉的带有通孔结构的薄膜型准垂直导通薄膜型发光器件结构图。
图14为该发明的树脂中添加荧光粉的水平导通薄膜型发光器件结构图。
图15为该发明的树脂中添加荧光粉的垂直导通薄膜型发光器件结构图。
图16为薄膜型横向导通二极管电子器件结构图。
图17为薄膜型准垂直导通二极管电子器件结构图。
图18为薄膜型垂直导通二极管电子器件结构图。
图19为薄膜型肖特基栅场效应晶体管器件结构图。
图20为薄膜型MOS/MIS栅场效应晶体管器件结构图。
图21为带有通孔结构的薄膜型肖特基栅场效应晶体管器件结构图。
图22为带有通孔结构的薄膜型MOS/MIS栅场效应晶体管器件结构图。
图23为薄膜型正面入射的肖特基二极管结构光电探测器结构图。
图24为薄膜型准垂直导通正面入射的肖特基二极管结构光电探测器结构图。
图25为薄膜型背面入射的肖特基二极管结构光电探测器结构图。
图26为薄膜型垂直导通正面入射的肖特基二极管结构光电探测器结构图。
具体实施方式
本发明在具体实际应用中有如下具体实施方式。
1-金属层、2-高阻缓冲层及中间层、3-n型半导体层、4-n型金属电极、5-有源层、6-p型半导体层、7-透明电极层、8-p型金属电极、9-厚金属电极、10-树脂层、11-原始衬底、12-带有荧光粉的树脂层、13-半导体层、14-欧姆接触电极、15-肖特基金属电极、16-填有金属的通孔、17-下半导体层、18-上半导体层、19-源/漏电极、20-肖特基金属栅电极、21-MOS/MIS栅的栅介质层、22-源/漏电极下方的通孔、23-低阻的缓冲层及中间层。
实施例1
如图1-10，本发明实现准垂直导通薄膜型发光器件的制备，其器件结构示意图如图10所示。本结构自下而上包括金属层1，高阻缓冲层及中间层2，n型半导体层3，n型金属电极4，有源层5，p型半导体层6，透明电极层7，p型金属电极8，厚金属电极9，树脂层10。该结构缓冲层为高阻层，不导通电流。电流通过有源层后，通过n型金属电极4经通孔中金属与最下层金属层1连接流出。树脂层10既起到保护作用，又具有支撑作用。
该准垂直导通薄膜型发光器件的具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在初始发光器件表面，刻蚀到n型半导体层3，部分区域刻蚀到原始衬底11形成通孔。
步骤2：在刻蚀后的n型半导体层3表面制备n型金属电极4，金属也填充入通孔中。
步骤3：在p型半导体层6表面制备透明电极7及p型金属电极8。
步骤4：在p型金属电极8上制备厚金属9。
步骤5：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤6：树脂10固化后，研磨树脂10至露出厚金属电极9。
步骤7：剥离原始衬底11，制备金属层1。对于发光器件，金属层1可保含具有反射作用的金属层。完成准垂直导通薄膜型发光器件的制备。
实施例2
本发明可实现水平导通薄膜型发光器件的制备，器件结构示意图如图11所示。本结构自下而上包括金属层1，高阻缓冲层及中间层2，n型半导体层3，n型金属电4，有源层5，p型半导体层6，透明电极层7，p型金属电极8，厚金属电极9，树脂层10。该结构缓冲层为高阻层，不导通电流。树脂层10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该准垂直导通薄膜型发光器件的具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在初始发光器件表面，刻蚀到n型半导体层3。
步骤2：在刻蚀后的n型半导体层3表面制备n型金属电极4。
步骤3：在p型半导体层6表面制备透明电极7及p型金属电极8。
步骤4：在n型金属电极4及p型金属电极8上制备厚金属电极9。
步骤5：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤6：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤7：剥离原始衬底11后制备金属层1。对于发光器件，金属层1可保含具有反射作用的金属层。完成水平导通薄膜型发光器件的制备。
实施例3
本发明可实现垂直导通薄膜型发光器件的制备，器件结构示意图如图12所示。本结构自下而上包括金属层1，n型半导体层3，有源层5，p型半导体层6，透明电极层7，p型金属电极8，厚金属电极9，树脂层10。该结构适用于缓冲层及中间层为低阻材料，当其为高阻时可刻蚀到高阻层。树脂层10即起到保护作用，又具有支撑作用。该结构能有效改善器件电流拥挤效应，且有非常良好的导热性能。
该结构发光器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在p型半导体层6表面制备透明电极层7及p型金属电极8。
步骤2：在p型金属电极8上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤4：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底11后制备金属层1。如该结构中有高阻的缓冲层及中间层材料，可刻蚀到高阻层，再制备金属层1。对于发光器件，金属层1可保含具有反射作用的金属层。完成垂直导通薄膜型发光器件的制备。
实施例4
本发明可实现薄膜型白光发光器件多色薄膜型发光器件的制备。本发明实施例可采用与前面所有实施例相同的实施步骤。只是在涂覆树脂中添加荧光粉，可制得薄膜型白光发光器件，还可以制备多色薄膜型发光器件。器件结构示意图如图13、14、15所示。
实施例5
本发明可实现薄膜型横向导通二极管电子器件的制备。器件结构示意图如图16所示。本结构自下而上包括金属层1，高阻的缓冲层及中间层2，半导体层13，欧姆接触电极14，肖特基金属电极15，厚金属电极9，树脂层10。树脂层10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该结构器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在半导体层13表面制备欧姆接触电极14及肖特基金属电极15。
步骤2：在欧姆接触电极14和肖特基金属电极15上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤4：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底11后制备金属层1。完成薄膜型横向导通二极管电子器件的制备。
实施例6
本发明可实现薄膜型准垂直导通二极管电子器件的制备。器件结构示意图如图17所示。本结构自下而上包括金属层1，高阻的缓冲层及中间层2，半导体层13，欧姆接触电极14，肖特基金属电极15，厚金属电极9，树脂层10，填有金属的通孔16。树脂层10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该结构器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：刻蚀通孔至原始衬底11，通孔上方的半导体层13表面制备欧姆接触电极14，填金属至通孔中。
步骤2：制备肖特基金属电极15，在肖特基金属电极15上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤4：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底后制备金属层1。完成薄膜型横向导通二极管电子器件的制备。
实施例7
本发明可实现薄膜型垂直导通二极管电子器件的制备。器件结构示意图如图18所示。本结构自下而上包括金属层1，低阻的缓冲层及中间层2，半导体层13，肖特基金属电极15，厚金属电极9，树脂层10。树脂层10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该结构器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在半导体层表面制备肖特基金属电极15。
步骤2：在肖特基金属电极15上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂10作为保护层。
步骤4：树脂10固化后，研磨树脂10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底后制备金属层1。完成薄膜型垂直导通二极管电子器件的制备。
实施例8
本发明可实现薄膜型肖特基栅场效应晶体管器件的制备。器件结构示意图如图19所示。本结构自下而上包括金属层1，高阻的缓冲层及中间层2，下半导体层17，上半导体层18，下半导体层17与上半导体层18界面处可形成二维电子气，源/漏电极19，肖特基金属栅电极20，厚金属电极9，树脂层10。树脂层10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该结构器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在半导体层18表面制备源/漏电极19及肖特基金属栅电极20。
步骤2：在源/漏电极19及肖特基金属栅电极20上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤4：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底后制备金属层1。完成薄膜型场效应晶体管器件的制备。
实施例9
本发明可实现薄膜型MOS/MIS栅场效应晶体管器件的制备。器件结构示意图如图20所示。本结构自下而上包括金属层1，高阻的缓冲层及中间层2，下半导体层17，上半导体层18，下半导体层17与上半导体层18界面处可形成二维电子气，源/漏电极19，MOS/MIS栅的栅介质层21，MOS/MIS肖特基金属栅电极20，加厚金属电极9，树脂层10。树脂层10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该结构器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在半导体层18表面制备源/漏电极19及MOS/MIS栅的栅介质21和肖特基金属栅电极20。
步骤2：在源/漏电极19及肖特基金属栅电极20上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤4：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底后制备金属层1。完成薄膜型场效应晶体管器件的制备。
实施例10
本发明可实现带有通孔结构的薄膜型肖特基栅场效应晶体管器件的制备。器件结构示意图如图21所示。本结构自下而上包括金属层1，高阻的缓冲层及中间层2，半导体层17，半导体层18，半导体层17与18界面处可形成二维电子气，源/漏电极19，肖特基金属栅电极20，加厚金属电极9，树脂层10，源/漏电极下方的通孔22。树脂层10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该结构器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在源/漏电极下方刻蚀通孔22至原始衬底，在半导体层18表面制备源/漏电极19，填充金属如通孔22中，制备肖特基金属栅电极20。
步骤2：在源/漏电极19及肖特基金属栅电极20上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤4：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底后制备金属层1。金属层1通过源/漏电极下方的通孔22中的金属与源/漏电极连接，完成带有通孔结构的薄膜型肖特基栅场效应晶体管器件的制备。
实施例11
本发明可实现带有通孔结构的薄膜型MOS/MIS栅场效应晶体管器件的制备。器件结构示意图如图22所示。本结构自下而上包括金属层1，高阻的缓冲层及中间层2，半导体层17，半导体层18，半导体层17与18界面处可形成二维电子气，源/漏电极19，MOS/MIS栅的栅介质层21，MOS/MIS栅的金属电极20，加厚金属电极9，树脂10，源/漏电极下方的通孔22。树脂10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该结构器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在源/漏电极下方刻蚀通孔22至原始衬底，在半导体层18表面制备源/漏电极19及MOS/MIS栅的栅介质21和肖特基金属栅电极20。
步骤2：在源/漏电极19及肖特基金属栅电极20上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤4：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底后制备金属层1，金属层1通过源/漏电极下方的通孔22中的金属与源/漏电极连接，完成带有通孔结构的薄膜型MOS/MIS栅场效应晶体管器件的制备。
实施例12
本发明可实现薄膜型正面入射的肖特基二极管结构光电探测器的制备。器件结构示意图如图23所示。本结构自下而上包括金属层1，高阻的缓冲层及中间层2，半导体层13，欧姆接触电极14，肖特基金属电极15，厚金属电极9，树脂10。树脂10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该结构器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在半导体层13表面制备欧姆接触电极14及肖特基金属电极15。
步骤2：在欧姆接触电极14和肖特基金属电极15上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤4：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底后制备金属层1。完成薄膜型正面入射的肖特基二极管结构光电探测器的制备。
实施例13
本发明可实现薄膜型准垂直导通正面入射的肖特基二极管结构光电探测器的制备。器件结构示意图如图24所示。本结构自下而上包括金属层1，高阻的缓冲层及中间层2，半导体层13，欧姆接触电极14，肖特基金属电极15，厚金属电极9，树脂10，填有金属的通孔16。树脂10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该结构器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：刻蚀通孔16至原始衬底，通孔上方的半导体层13表面制备欧姆接触电极14，填金属至通孔中。
步骤2：制备肖特基金属电极15，在肖特基金属电极15上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤4：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底后制备金属层1。完成薄膜型正面入射的肖特基二极管结构光电探测器的制备。
实施例14
本发明可实现薄膜型背面入射的肖特基二极管结构光电探测器的制备。器件结构示意图如图25所示。本结构自下而上包括金属层1，高阻的缓冲层及中间层2，半导体层13，欧姆接触电极14，肖特基金属电极15，厚金属电极9，树脂10。树脂10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该结构器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在半导体层13表面制备欧姆接触电极14及肖特基金属金属电极15。
步骤2：在电极欧姆接触电极14和肖特基金属电极15上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤4：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底，完成薄膜型背面入射的肖特基二极管结构光电探测器的制备。
实施例15
本发明可实现薄膜型垂直导通正面入射的肖特基二极管结构光电探测器的制备。器件结构示意图如图26所示。本结构自下而上包括金属层1，低阻的缓冲层及中间层23，半导体层13，肖特基金属电极15，厚金属电极9，树脂10。树脂10即起到保护作用，又具有支撑作用。
该结构器件具体实施的主要步骤如下：
步骤1：在半导体层13表面制备肖特基金属电极15。
步骤2：在肖特基金属电极15上制备厚金属电极9。
步骤3：在器件整体表面均匀涂覆树脂层10作为保护层。
步骤4：树脂层10固化后，研磨树脂层10至露出厚金属电极9。
步骤5：剥离原始衬底后制备金属层1。完成薄膜型垂直导通正面入射的肖特基二极管结构光电探测器的制备。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种半导体薄膜型器件的制备方法，其特征在于，通过在器件功能结构的表面涂覆树脂材料，固化后的树脂材料对薄膜器件起到支撑和保护作用，经化学机械抛光将预先制备的器件电极引出树脂之外，供器件工作连接，剥离掉器件的原始衬底材料，留下器件功能结构，形成薄膜器件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在半导体器件功能结构表面划分功能区，在各功能区制备电极结构，并在相应的区域加厚电极；
步骤2：在器件表面涂覆树脂材料，并进行固化；
步骤3：经研磨方法将预先制备的器件加厚电极引出树脂之外；
步骤4：经物理或化学方法剥离掉器件的原始衬底材料，留下器件功能结构，固化后的树脂材料对薄膜器件起到支撑和保护作用；
步骤5：衬底剥离后制备金属层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述原始衬底材料为半导体材料，该半导体材料为硅、蓝宝石、碳化硅或氧化锌，针对不同的原始衬底材料通过相应的物理或化学手段进行剥离。
4.一种采用权利要求1-3任一项所述方法的器件，其特征在于：所述器件为水平和垂直两种导通结构薄膜型器件。
5.一种采用权利要求1-3任一项所述方法的器件，其特征在于：所述器件为薄膜型光电子器件及电子器件。
6.根据权利要求5所述的器件，其特征在于，制备的光电子器件及电子器件，是通过在树脂中添加荧光粉，制备双色或多色薄膜型发光器件。
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