[发明专利]半导体薄膜结构以及其形成方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种半导体薄膜，且特别在于一种氮化镓（GaN）或氮化物与镓（Ga）以外的金属混合所形成的半导体薄膜以及其形成方法。本发明亦是关于一种具有所述半导体薄膜的电子或光电子元件以及其形成方法。本发明的技术领域，广义来说，可定义为用于将高品质的氮化物半导体薄膜形成在基底上方的半导体薄膜结构以及其形成方法。

背景技术

具有周期表中III至V族元素的氮化物半导体，早在电子或光电元件的领域中占有一席之地，未来将更具有举足轻重的地位。氮化物半导体的应用领域实际涵盖相当广的范围，举凡激光二极管一直到可在高温与高频率下操作的晶体管。另外，其应用领域还包括紫外线光检测器、弹性表面波装置以及发光二极管（LED）。

举例来说，氮化镓（GaN）是广为人知适用在蓝光LED或高温晶体管上的材料，然而其应用不仅限于此。对于氮化镓在微电子元件上的应用，亦有过广泛的研讨。当氮化镓内含于氮化镓合金（例如氮化铝镓（AlGaN）、氮化铟镓（InGaN）以及氮化铝铟镓（AlInGaN）等）时，氮化镓亦被广泛采用，对此下文将另有说明。

在使用氮化物半导体（例如氮化镓）的元件中，异质基底（例如蓝宝石、碳化硅（SiC）或硅）常用于生长氮化物半导体薄膜的基底。然而，由于异质基底与氮化物的晶格常数不符且热膨胀系数不同，因而在异质基底上生长的氮化物半导体薄膜会有少数错位，进而造成如裂开或翘曲等问题。

生长具有低缺陷密度的氮化镓薄膜，是制作氮化镓光电元件与微电子元件的主要技术。为此，「两段式生长法」，其包括在低温下形成氮化镓缓冲膜以及在高温下形成氮化镓外延膜，主要用于解决蓝宝石基底与氮化镓间晶格常数不符的问题，以生长高品质氮化镓结晶。这时，低温的氮化镓缓冲膜可将因晶格常数不符所产生的穿透错位数量降低至109/cm²的范围。然而，因氮化镓外延膜与蓝宝石基底间热膨胀系数不同，所造成的应力（stress）以及翘曲（warpage）问题，仍有待解决。

近来，各界积极研发氮化镓在白光LED照明上的应用。为了能使照明用白光LED打进一般市场，首先要能够大幅度降低白光LED晶片的价格。 目前对白光LED的拓展竞争早已遍及全球。要实现对白光LED的拓展，可朝着扩大以大直径蓝宝石基底的LED的产能来着手。然而，随着蓝宝石基底的直径逐渐加大，蓝宝石基底的厚度也需要渐渐加厚，以防止蓝宝石基底在后续制造过程中弯曲。如上所述，氮化镓与异质基底间热膨胀系数不同，可能造成蓝宝石基底出现翘曲的现象。而随着蓝宝石的厚度变得愈来愈大，其弯曲的程度将变得愈来愈小。按照目前的预期，蓝宝石基底在直径为6英寸时，同时需具有1mm至1.3mm的厚度。

由于蓝宝石基底的热膨胀系数较大于氮化镓的热膨胀系数，因此当氮化镓在高温下生长而后在低温下冷却时，氮化镓外延膜内可能出现压缩应力。而因为硅基底的热膨胀系数比氮化镓的热膨胀系数小，所以当氮化镓在高温下生长而后在低温下冷却时，氮化镓外延膜内可能出现拉伸应力。若能适当降低前述的应力，则基底的翘曲亦可相对减少。意即，若能减轻施加至氮化镓膜的应力，则在基底直径维持不变的条件下，基底的厚度将可望减少。举例而言，当直径同为6英寸时，可使用厚度为500μm而非1mm的蓝宝石基底。在制造LED后，为了分离LED晶片，估计基底的厚度在约100μm的范围，且基底的剩余厚度会被移除。随着基底变得愈来愈薄，薄化后的基底可为LED产能面带来相当大的助益。

发明内容

如上所述，本发明提供一种半导体薄膜结构以及其形成方法，能在氮化物半导体薄膜生长时降低施加在氮化物半导体薄膜上方的应力，并减少错位的数量，以形成高品质的氮化物半导体薄膜。

本发明提供一种形成半导体薄膜的方法，其中在基底上方形成牺牲层，而后借由各种方法使其图案化；在牺牲层上方形成无机薄膜，而后选择性移除牺牲层，以形成由基底与基底上的无机薄膜所定义的空腔，进而控制因基底与氮化物半导体薄膜间晶格常数与热膨胀系数的关系而产生的应力，以及基底因为应力所造成的翘曲。本发明还提供一种使用前述方法所形成的半导体薄膜结构。

本发明的一个观点中提供一种半导体薄膜结构。半导体薄膜结构包括基底以及形成在基底上的无机薄膜，用以在基底与无机薄膜间定义多个空腔，以使各自分离的空腔具有受控的形状、大小以及二维配置。