CN109755358A - 垂直结构器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垂直结构器件及其制备方法，涉及半导体器件技术领域。通过在低温氮化铝层通过形成三维岛状结构，三维岛状结构之间具有间隙，制作高温氮化铝层时，氮化铝材料没有将三维岛状结构之间的间隙填充满的情况下，氮化铝材料就会快速合拢形成将三维岛状结构封闭的高温氮化铝层，没有被氮化铝材料填充满的三维岛状结构之间的间隙就可以在低温氮化铝层和高温氮化铝层的界面处形成大量的空洞，这些空洞可以使得低温氮化铝层和高温氮化铝容易分离。同时通过将高温氮化铝层刻蚀去除后形成粗糙的表面，在发光器件中，粗糙的表面有利于减少全反射，提高发光器件的光提取效率。

Description

垂直结构器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种垂直结构器件及其制备方法。

背景技术

近年来，第三代半导体材料铝铟镓氮(AlInGaN)因其耐高温、抗辐射、耐化学腐蚀、高发光效率等优良特性而受到广泛关注，已在蓝光和白光发光二极管和激光器等领域实现了商业化应用。然而基于高铝组分铝镓氮(AlGaN)材料的光电器件和电子器件进展仍然缓慢，较差的材料质量和芯片性能是造成这一现象的重要原因。首先，由于AlN单晶衬底存在尺寸小、质量差、价格高、存在禁运问题等，目前商业化的AlN基板主要是生长在蓝宝石、硅、碳化硅、金属衬底等异质衬底上，由于AlN和异质衬底之间较大的热失配和晶格失配，同时Al原子的迁移能力较弱，这导致AlN外延层中存在较大的应变和高密度的位错；其次，对于大功率器件来说，出光效率和散热性能要求比较高，较厚的衬底材料会严重影响器件的光提取效率和散热性能，降低器件的效率和可靠性。

为改善大功率器件的光提取效率和散热性能，人们发展了制备垂直结构器件的方法。SiC和金属衬底导电和导热性能较好，制备垂直结构电力电子器件等通常不需剥离，但是对短波长光电器件存在严重的光吸收问题。Si衬底可通过化学腐蚀的方法剥离，但是Si基AlInGaN器件应变问题更加严重、晶体质量更差，器件性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种垂直接结构器件及其制备方法，可以得到性能更好的垂直结构器件。

本发明提供的技术方案如下：

一种垂直结构器件的制备方法，包括：

提供第一衬底；

基于所述第一衬底生长氮化铝缓冲层，所述氮化铝缓冲层包括多个缓冲岛结构；

在第一温度范围内，基于所述氮化铝缓冲层生长低温氮化铝层，所述低温氮化铝层包括多个三维岛状结构，所述三维岛状结构之间形成空隙；

在第二温度范围内，基于所述低温氮化铝层生长高温氮化铝层，所述三维岛状结构之间的空隙在所述低温氮化铝层和高温氮化铝层之间形成空洞；

基于所述高温氮化铝层生长外延层；

基于所述外延层制作芯片结构，并在所述外延层远离所述高温氮化铝层一侧固定第二衬底，所述芯片结构包括第一电极；将所述第一衬底、氮化铝缓冲层和低温氮化铝层剥离，保留高温氮化铝层、外延层、芯片结构和第二衬底；

将保留下的高温氮化铝层刻蚀去除，在所述外延层远离所述第二衬底的一侧制作第二电极，形成垂直结构器件。

进一步地，所述氮化铝缓冲层的厚度为5-50nm。

进一步地，所述缓冲岛的横截面尺寸为5-30nm。

进一步地，所述低温氮化铝层的生长温度为800-1100摄氏度。

进一步地，所述低温氮化铝层的厚度为20-500nm。

进一步地，所述高温氮化铝层的生长速度大于0.5μm/h。

进一步地，所述低温氮化铝层和高温氮化铝层的厚度之和大于1μ m。

进一步地，所述氮化铝缓冲层通过金属有机物化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、脉冲激光沉积、分子束外延方法中的任意一种制作。

进一步地，所述三维岛状结构为锥台、圆台或梯形台。

本发明还提供了一种垂直结构器件，该垂直结构器件通过上述制备方法制作得到。

本申请实施例中的垂直结构器件及其制作方法，通过在制作过程中，低温氮化铝层通过形成三维岛状结构，且三维岛状结构之间具有间隙，在制作高温氮化铝层时，在氮化铝材料没有将三维岛状结构之间的间隙填充满的情况下，氮化铝材料就会快速合拢形成将三维岛状结构封闭的高温氮化铝层，没有被氮化铝材料填充满的三维岛状结构之间的间隙就可以在低温氮化铝层和高温氮化铝层的界面处形成大量的空洞，这些空洞就可以减少高温氮化铝层和低温氮化铝层之间的接触面积，使得高温氮化铝层和氮化铝厚膜可以同其他层实现自分离。高温氮化铝层与低温氮化铝层之间的高密度、小尺寸的空洞有利于释放应变防止表面开裂，同时提供了位错中止的自由面来降低贯穿位错密度。这些空洞可以使得低温氮化铝层和高温氮化铝层容易分离。同时通过将高温氮化铝层刻蚀去除后形成粗糙的表面，在发光器件中，粗糙的表面有利于减少全反射，提高发光器件的光提取效率。在发光器件中，粗糙的表面有利于减少全反射，提高发光器件的光提取效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种垂直结构器件的制备方法的流程示意图。

图2为本发明实施例提供的一种垂直结构器件的制备方法中步骤 S101对应的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的一种垂直结构器件的制备方法中步骤 S102对应的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的一种垂直结构器件的制备方法中步骤 S103对应的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的一种垂直结构器件的制备方法中步骤 S104对应的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的一种垂直结构器件的制备方法中步骤 S105对应的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的一种垂直结构器件的制备方法中步骤S106对应的结构示意图。

图8为本发明实施例提供的一种垂直结构器件的制备方法中步骤 S106对应的另一结构示意图。

图9为本发明实施例提供的一种垂直结构器件的制备方法中步骤 S107对应的另一结构示意图。

图10为本发明实施例提供的一种垂直结构器件的制备方法中步骤 S108对应的另一结构示意图。

图11为本发明实施例提供的一种垂直结构器件的制备方法中步骤 S108对应的另一结构示意图。

图标：101-第一衬底；102-氮化铝缓冲层；103-低温氮化铝层；104- 高温氮化铝层；105-外延层；106-芯片结构；107-第二衬底；108-第二电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

发明人在研究过程中发现，蓝宝石衬底上的AlInGaN基材料质量可以更好，利用大功率激光剥离蓝宝石衬底得到的垂直结构电力电子器件和光电器件等有着非常好的前景，剥离下来的蓝宝石衬底可以反复利用以降低成本。现阶段，该技术仍存在以下问题：一是蓝宝石衬底上的 AlInGaN材料质量需要进一步提高来满足更高性能器件的需求。二是受激光器功率和波长等的限制，剥离蓝宝石衬底得到大面积完整AlN及上层结构的成品率较低。

为解决上述问题，本申请实施例提供了一种垂直结构器件10的制备方法，如图1所示，包括以下步骤。

步骤S101，如图2所示，提供第一衬底101。

第一衬底101作为制作前期结构的载体，第一衬底101可以选择硅衬底等材质，本申请实施例对其材质并不做出限制。

步骤S102，如图3所示，基于所述第一衬底101生长氮化铝缓冲层 102，所述氮化铝缓冲层102包括多个缓冲岛结构。

氮化铝缓冲层102可以采用金属有机物化学气相沉积方法、磁控溅射、原子层沉积、脉冲激光沉积或分子束外延等方法进行制作。氮化铝缓冲层102的生长厚度可以为5-50nm。氮化铝缓冲层102可以包括多个缓冲岛结构，每个缓冲岛结构的横截面的直径可以为5-30nm，缓冲岛结构的密度可以根据实际需要生长，优选的，缓冲岛结构形成密度较高的排布形式，同时氮化铝缓冲层102102要求单一Al极性。

步骤S103，如图4所示，在第一温度范围内，基于所述氮化铝缓冲层102生长低温氮化铝层103，所述低温氮化铝层103包括多个三维岛状结构，所述三维岛状结构之间形成空隙。

低温氮化铝层103可以是在800-1100摄氏度的生长环境下生长的，跌完氮化铝层的厚度可以为20-500nm。低温氮化铝层103在生长过程中可以形成大量的三维岛状结构。相邻的三维岛状结构之间是具有间隙的。三维岛状结构可以形成圆锥状、圆台状、棱锥状等形状。

步骤S104，如图5所示，在第二温度范围内，基于所述低温氮化铝层103生长高温氮化铝层104，所述三维岛状结构之间的空隙在所述低温氮化铝层103和高温氮化铝层104之间形成空洞。

在制作完成低温氮化铝层103后，可以继续制作高温氮化铝层104，该高温氮化铝层104是在高速生长条件下制作的。在高速生长条件下，该高温氮化铝层104的生长速度可以大于0.5μm/h，在这样的较快的生长速度下，氮化铝材料就会在三维岛状结构的表面快速合拢形成封闭的表面，由于氮化铝材料的生长速度很快，三维岛状结构之间的间隙还没有被氮化铝材料填充满，氮化铝材料就会在三维岛状结构表面上完全合拢，从而使得三维岛状结构之间的间隙形成空洞。由于三维岛状结构之间的间隙是纳米级别的，形成的空洞的尺寸也是纳米尺度的，同时，低温氮化铝层103 中的三维岛状结构的密度很大，器件中形成的空洞的密度也就很大。这些高密度、小尺寸的空洞位于高温氮化铝层104和低温氮化铝层103之间，就可以释放应变防止表面开裂，同时提供了位错中止的自由面来降低贯穿位错密度。

步骤S105，如图6所示，基于所述高温氮化铝层104生长外延层105。

步骤S106，如图7和图8所示，基于所述外延层105制作芯片结构 106，并在所述外延层105远离所述高温氮化铝层104一侧固定第二衬底 107，所述芯片结构106包括第一电极。

完成外延层105和芯片结构106的制作后，可以使用第二衬底107将已经制作好的结构倒装在第二衬底107上，第二衬底107作为后续工艺的支撑。

步骤S107，如图9所示，将所述第一衬底101、氮化铝缓冲层102 和低温氮化铝层103剥离，保留高温氮化铝层104、外延层105、芯片结构106和第二衬底107。

步骤S108，如图10和图11所示，将保留下的高温氮化铝层104刻蚀去除，在所述外延层105远离所述第二衬底107的一侧制作第二电极 108，形成垂直结构器件。

完成第二衬底107的固定，就可以使用大功率激光将第一衬底101、氮化铝缓冲层102和低温氮化铝层103剥离，由于前期制作过程中，在低温氮化铝层103之间和高温氮化铝层104之间形成了大量的纳米尺度的空洞，使得高温氮化铝层104和低温氮化铝层103之间的接触面积较小，在进行激光剥离时，就可以很容易的将第一衬底101、氮化铝缓冲层102和低温氮化铝层103剥离。使得高温氮化铝层104、外延层105及所述第二衬底107被保留下，由于空洞的存在，低温氮化铝层103被剥离后，空洞的侧壁的一部分就随低温氮化铝层103的剥离而被去除。

进一步的，可以再将高温氮化铝层104刻蚀去除，并在高温氮化铝层 104表面制作第二电极108等结构，形成完整的垂直结构器件。该垂直结构器件可以为发光器件，刻蚀去除高温氮化铝层104的表面是粗糙的，在发光器件中，粗糙的表面有利于减少全反射，提高发光器件的光提取效率。

综上所述，本申请实施例中的垂直结构器件及其制作方法，通过在制作过程中，低温氮化铝层103通过形成三维岛状结构，且三维岛状结构之间具有间隙，在制作高温氮化铝层104时，在氮化铝材料没有将三维岛状结构之间的间隙填充满的情况下，氮化铝材料就会快速合拢形成将三维岛状结构封闭的高温氮化铝层104，没有被氮化铝材料填充满的三维岛状结构之间的间隙就可以在低温氮化铝层103和高温氮化铝层 104的界面处形成大量的空洞，这些空洞就可以减少高温氮化铝层104 和低温氮化铝层103之间的接触面积，使得高温氮化铝层104和氮化铝厚膜可以同其他层实现自分离。高温氮化铝层104与低温氮化铝层103 之间的高密度、小尺寸的空洞有利于释放应变防止表面开裂，同时提供了位错中止的自由面来降低贯穿位错密度。此外，这些空洞可以使得低温氮化铝层103和高温氮化铝容易分离。同时通过将高温氮化铝层104 刻蚀去除后形成粗糙的表面，在发光器件中，粗糙的表面有利于减少全反射，提高发光器件的光提取效率。在发光器件中，粗糙的表面有利于减少全反射，提高发光器件的光提取效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种垂直结构器件的制备方法，其特征在于，包括：

提供第一衬底；

基于所述第一衬底生长氮化铝缓冲层，所述氮化铝缓冲层包括多个缓冲岛结构；

在第一温度范围内，基于所述氮化铝缓冲层生长低温氮化铝层，所述低温氮化铝层包括多个三维岛状结构，所述三维岛状结构之间形成空隙；

在第二温度范围内，基于所述低温氮化铝层生长高温氮化铝层，所述三维岛状结构之间的空隙在所述低温氮化铝层和高温氮化铝层之间形成空洞；

基于所述高温氮化铝层生长外延层；

基于所述外延层制作芯片结构，并在所述外延层远离所述高温氮化铝层一侧固定第二衬底，所述芯片结构包括第一电极；

将所述第一衬底、氮化铝缓冲层和低温氮化铝层剥离，保留高温氮化铝层、外延层、芯片结构和第二衬底；

将保留下的高温氮化铝层刻蚀去除，在所述外延层远离所述第二衬底的一侧制作第二电极，形成垂直结构器件。

2.根据权利要求1所述的垂直结构器件的制备方法，其特征在于，所述氮化铝缓冲层的厚度为5-50nm。

3.根据权利要求1所述的垂直结构器件的制备方法，其特征在于，所述缓冲岛的横截面尺寸为5-30nm。

4.根据权利要求1所述的垂直结构器件的制备方法，其特征在于，所述低温氮化铝层的生长温度为800-1100摄氏度。

5.根据权利要求1所述的垂直结构器件的制备方法，其特征在于，所述低温氮化铝层的厚度为20-500nm。

6.根据权利要求1所述的垂直结构器件的制备方法，其特征在于，所述高温氮化铝层的生长速度大于0.5μm/h。

7.根据权利要求1所述的垂直结构器件的制备方法，其特征在于，所述低温氮化铝层和高温氮化铝层的厚度之和大于1μm。

8.根据权利要求1所述的垂直结构器件的制备方法，其特征在于，所述氮化铝缓冲层通过金属有机物化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、脉冲激光沉积、分子束外延方法中的任意一种制作。

9.根据权利要求1所述的垂直结构器件的制备方法，其特征在于，所述三维岛状结构为锥台、圆台或梯形台。

10.一种垂直结构器件，其特征在于，该垂直结构器件通过权利要求1至9任意一项权利要求所述的制备方法制作得到。