襯底結構、其形成方法以及使用其製造氮化物半導體的方法與流程

2023-05-25 15:10:02 3

本公開涉及由氮化鎵(GaN)或鎵和另一金屬的混合氮化物製成的半導體層及形成其的方法。本公開還涉及包括這種層的電子器件或光電器件、氮化物半導體襯底及製造其的方法。本公開的技術領域可以廣泛地定義為用於形成具有小的晶體缺陷的高質量氮化物半導體層的襯底結構及形成其的方法。

背景技術：

由氮化鎵等製成的氮化物半導體器件通常包括LED。基於用於小型家用電器或可攜式通信裝置(例如行動電話)的鍵盤或液晶顯示器(LCD)的背光單元的低輸出LED，LED市場已經增大。近來，隨著對用於內部照明、外部照明、車輛內部或外部照明以及大型LCD的背光單元的高輸出高效光源的需求增加，LED也向高輸出產品轉變。

在使用氮化物半導體的器件中，最常使用例如藍寶石襯底、碳化矽(SiC)襯底和矽襯底的「異質」襯底用於氮化物半導體層的生長。然而，由於這些異質襯底材料與氮化物相比具有不匹配的晶格常數和不同的熱膨脹係數，所以生長在異質襯底上的氮化物半導體層包含大量的晶體缺陷，例如位錯。這種缺陷成為使LED性能劣化的主要因素。

藍寶石襯底具有比氮化物半導體層更大的熱膨脹係數，因此，如果氮化物半導體層在高溫下生長並然後冷卻，則壓縮應力施加到氮化物半導體層。矽襯底具有比氮化物半導體層更小的熱膨脹係數，因此如果氮化物半導體層在高溫下生長並然後冷卻，則拉伸應力施加到氮化物半導體層。因此，襯底被彎曲，而為了防止襯底彎曲，襯底應當具有大的厚度。使用厚的襯底只會減少表面現象，但不會降低薄膜的應力。如果可以減小薄膜的應力，則可以有利地使用薄的襯底。此外，為了在製成LED之後分離晶片，應該以大約100μm的餘量磨削襯底。在這種配置中，如果可以使用薄襯底，則在LED生產方面將具有巨大的利潤。

如果需要，生長在異質襯底上的氮化物半導體層應當與異質襯底分離。為此，已經提出了雷射剝離作為現有技術。然而，即使使用雷射剝離方法，由於藍寶石襯底和氮化物半導體之間的熱膨脹係數的差異，襯底可能彎曲並且半導體層可能被損壞。此外，由於由雷射束引起的衝擊，在外延層可能容易產生例如裂紋的缺陷，此外，外延層易碎，從而導致不穩定的工藝。雷射剝離方法伴隨有氮化物半導體的熱變形或機械變形和分解。這導致生長的薄膜的損失，並且在能量方面也是低效的。

此外，LED最嚴重的問題是發光效率低。通常，發光效率由光產生效率(內部量子效率)、器件外的發光效率(外部光提取效率)和磷光體的光放大效率決定。為了提高LED的輸出，考慮到內部量子效率來提高有源層的特性是重要的，並且提高實際產生的光的外部光提取效率也是重要的。

通過在藍寶石襯底上形成圖案而製備的圖案化藍寶石襯底(PSS)在本領域中已知為通過減少在氮化物半導體層的生長時產生的缺陷來增加內部量子效率，並且還通過減少內部全反射來增加外部光提取效率。

圖1圖示出使用現有的PSS生長氮化物半導體層的情況。

參考圖1(a)，在現有的PSS 10中，氮化物半導體層20開始在襯底的底部上生長，並且藉助於外延橫向過生長(ELO)生長以覆蓋PSS透鏡15的上部。因此，如圖1(b)所示，可以獲得在位錯區域之間具有低位錯密度的最終氮化物半導體層25。

如果氮化物半導體層由GaN製成，則GaN在1100℃以下生長。在該溫度下，如圖1(a)所示，GaN通常由於具有強的各向異性的生長模式而只在底部上生長，因此，如圖1(b)所示，在發生ELO的區域中位錯密度減小，從而提高晶體質量。

然而，如果氮化物半導體層由AlN製成，則不能獲得上述效果。AlN在1300℃以上(高於GaN的生長溫度)生長。在該溫度下，應用具有強各向同性性質的生長模式。因此，參考1(c)，AlN 30不僅在PSS 10的底部上而且在透鏡15的表面上積極生長。因此，AlN外延層很可能在底部完全填充之前融合，因此，如圖1(d)所示，在AlN外延層35中產生空隙40。空隙40使晶體質量劣化。

由於上述問題，不容易應用PSS以生長AlN外延層，因此晶體質量劣化。此外，由於AlN的生長溫度比GaN的生長溫度高100℃以上，因此AlN更加嚴重地受到由熱膨脹係數、襯底彎曲等引起的應力的影響。

因此，需要一種具有高可靠性的分離襯底的方法，或者能夠獲得氮化物半導體(例如高質量氮化物半導體襯底、氮化物半導體器件和氮化物半導體層)的方法，而與材料的種類無關。

技術實現要素：

技術問題

本公開設計用於解決現有技術的問題，因此本公開旨在提供一種襯底結構及形成襯底結構的方法、使用襯底結構的半導體層疊結構及形成半導體層疊結構的方法、以及使用其製造氮化物半導體的方法，其中高質量氮化物半導體層可以通過在氮化物半導體層的生長時以降低的應力施加到氮化物半導體層來形成，並且還容易與襯底分離。

技術方案

在本公開的一個方面，提供了一種襯底結構，包括：與氮化物半導體異質的單晶襯底；以及結晶化無機薄膜，其具有腿部，所述腿部構造用於接觸所述襯底以在所述腿部與所述襯底之間限定集成空腔，以及從所述腿部平行於所述襯底延伸的上表面，所述結晶化無機薄膜具有與襯底相同的晶體結構。

腿部可以具有中空管形狀。在一個實施方式中，可以設置多個腿部，並且上表面可以連續地形成為從多個腿部延伸。空腔所佔面積可以大於腿部所佔面積。

在本公開的另一方面，提供了一種半導體層疊結構，除了襯底結構的構造之外，還包括在無機薄膜上形成的氮化物半導體層。氮化物半導體層可以是具有兩層或更多層的膜。即使襯底和氮化物半導體層具有不同的熱膨脹係數，由於藉助於氮化物半導體層壓縮或拉長集成空腔，所以施加到氮化物半導體層的應力也會減小。

在本公開的另一方面，提供了一種用於形成襯底結構的方法，包括：在與氮化物半導體異質的單晶襯底上形成孔型犧牲層圖案；以及在所述犧牲層圖案上形成無機薄膜。從其上形成有無機薄膜的襯底去除犧牲層圖案，從而形成由襯底和無機薄膜限定的集成空腔。之後，使無機薄膜結晶成與襯底相同的晶體結構。

犧牲層圖案可以以多種方式形成。在將光致抗蝕劑塗覆在襯底上之後，可以通過光刻法形成犧牲層。在其它情況下，在將納米壓印樹脂塗覆在襯底上之後，可以通過納米壓印方法形成犧牲層。

無機薄膜可以在犧牲層圖案不會變形的溫度範圍內形成。無機薄膜可以通過ALD形成。此外，犧牲層圖案可以通過在氧氣環境下的熱處理或使用有機溶劑的溼去除法來去除。空腔是去除犧牲層圖案並因此不存在的空間。

在根據本公開的形成襯底層疊結構的方法中，可以通過使用本公開的襯底結構或在形成根據上述方法的襯底結構之後，在結晶化無機薄膜上形成氮化物半導體層。

在用於製造高質量氮化物半導體層或包括其的器件或襯底的實施方式中，可以通過在根據本公開的半導體層疊結構製造方法所得的產品或根據本公開的半導體層疊結構中將襯底和氮化物半導體層彼此分離，來製造的氮化物半導體(例如垂直型或水平型LED轉移或轉送到任何襯底的LED)或氮化物半導體(例如自支撐氮化物半導體襯底)。

如果使用根據本公開襯底結構、製造襯底結構的方法、使用其製造氮化物半導體的方法，則可以製造紫外光檢測器、彈性表面波(SAW)器件、LED、LD、微波電子設備等，其可以擴展到使用這些器件的模塊、系統等。此外，可以製造自支撐氮化物半導體襯底。其它實施方式的細節包括在詳細說明書和附圖中。

有益效果

根據本公開，襯底結構包括限定集成空腔的無機薄膜，並且無機薄膜可以在與襯底的接觸表面最小化的同時被包括。如果在襯底結構上形成氮化物半導體層，則由於空腔，氮化物半導體層的整體應力減小。因此，即使由於襯底和氮化物半導體層之間的熱膨脹係數的差異而在氮化物半導體層處產生應力，局部應力也會被緩解，因此可以減小造成的襯底彎曲。因此，即使在大尺寸的襯底中，也可以使用相對薄的襯底。

在根據本公開的半導體層疊結構中，氮化物半導體層形成在集成空腔上方的結晶化無機薄膜上。結晶化無機薄膜可以與其上生長的氮化物半導體層一起化解應力，因此在本公開中，氮化物半導體層生長為具有小缺陷密度的高質量。因此，可以形成具有小缺陷密度的高質量氮化物半導體層，並且由於氮化物半導體晶體缺陷密度降低，可以提高內部量子效率。即使具有優異的各向同性生長模式的AlN也可以以高質量形成而沒有任何不規則的空隙。

特別地，在根據本公開的用於形成襯底結構和半導體層疊結構的方法中，使用例如光刻或納米壓印的可控方法形成孔型犧牲層圖案，使得集成空腔不是以不規則或隨機的方式形成，而以可控的方式形成，由此確保良好的再現性和優異的器件均勻性。

因此，可以生長具有優異性能的氮化物半導體外延層，從而實現具有高效率和高可靠性的光電器件。

特別地，根據本公開的襯底結構和半導體層疊結構包括集成空腔，因此襯底和氮化物半導體層不會接觸太多，而是在一定程度上彼此物理分離。因此，在氮化物半導體層生長然後被冷卻時，氮化物半導體層和襯底可以僅僅利用小的物理力或衝擊力而彼此自然分離，而無需對其施加大能量(例如雷射)。因此，氮化物半導體層可以容易地從襯底分離，而不需要雷射剝離方法，因此可以製造垂直型或水平型LED、轉移或轉送到任何襯底的LED、或者自支撐氮化物半導體襯底，從而允許製造高質量氮化物半導體。

附圖說明

圖1圖示出使用現有PSS生長氮化物半導體層的情況。

圖2是示出用於說明根據本公開的襯底結構、半導體層疊結構、形成其的方法和製造氮化物半導體的方法的每個工序的立體圖。

圖3是示出沿圖2的III-III'線截取的每個工序的橫截面圖。

圖4和圖5圖示出根據本公開的用於形成孔型犧牲層圖案的各種方法。

圖6是以更好的方式圖示出根據本公開的結晶化無機薄膜。

圖7圖示出根據本公開的氮化物半導體層和襯底可以以更小的力分離。

具體實施方式

在下文中，將參考附圖詳細描述本公開的優選實施方式。然而，本公開的實施方式可以以各種方式修改，並且本公開的範圍不應限於以下實施方式。提供本公開的實施方式是為了向本領域技術人員完整地解釋本公開。因此，為了更清楚地說明，誇大了附圖中的元件的形狀等，並且在附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件。

圖2是示出用於說明根據本公開的襯底結構、半導體層疊結構、形成其的方法和製造氮化物半導體的方法的每個工序的立體圖。圖3是示出沿圖2的III-III'線截取的每個工序的橫截面圖。

首先，如圖2(a)和圖3(a)所示，在與氮化物半導體異質的單晶襯底100上形成孔型犧牲層圖案110。犧牲層圖案110形成為具有孔H。孔H為暴露襯底100的底部的開口。

犧牲層圖案110可以以各種方式形成。圖4和圖5圖示出根據本公開的用於形成孔型犧牲層圖案的各種方法。

首先，犧牲層圖案110可以藉助於光刻法形成。例如，如圖4(a)所示，在襯底100上塗布光致抗蝕劑PR。可以通過選自由旋塗、浸塗、噴塗、滴塗和點塗所組成的組中的任何方法將光致抗蝕劑PR塗覆在襯底100上，其中旋塗對於塗膜的均勻性是優選的。

之後，如圖4(b)所示，使用具有適當的遮光圖案111的光掩模112將光致抗蝕劑PR曝光(E)。通過除了遮光圖案111之外的區域的光將一部分光致抗蝕劑PR曝光，從而產生經曝光區域EA。之後，如果經曝光區域EA被顯影和去除，則可以留下具有孔H的光致抗蝕劑圖案PR'，如圖4(c)所示。在此，儘管作為示例，光致抗蝕劑PR是其中去除了經曝光區域的正型，但也可以使用未去除經曝光區域的負型光致抗蝕劑。在這種情況下，本領域技術人員應當理解，應當改變光掩模的遮光圖案的位置。

根據半導體製造工藝的設計技術，可以通過控制來形成具有規則的開口形狀、尺寸或間隔等的遮光圖案111，因此光致抗蝕劑圖案PR'也可以被控制為具有調整後的形狀、尺寸和二維排列的孔。該光致抗蝕劑圖案PR'可以用作孔型犧牲層圖案110。如果需要，還可以進行例如回流工藝的附加工藝以改變光致抗蝕劑圖案PR'的形狀。

在另一種情況下，孔型犧牲層圖案110可以通過納米壓印方法形成。參考圖5(a)，納米壓印樹脂R塗覆在襯底100上。納米壓印樹脂R也可以通過選自由旋塗、浸塗、噴塗、滴塗和點塗所組成的組中的任何方法塗覆在襯底100上，其中旋塗對於塗膜的均勻性是優選的。製備具有合適的不均勻結構的圖案113的納米壓印印模(stamp)114。納米壓印印模114可以是通過常規方法由矽或石英製成的主模具，或者是通過複製主模具而製備的有機模具。

之後，將納米壓印印模114壓印到納米壓印樹脂R上，如圖5(b)所示。通過這樣做，納米壓印樹脂R填充在納米壓印印模114的圖案113之間。納米壓印樹脂R通過加熱連同壓縮、照射紫外線或照射紫外線連同加熱而固化。之後，如果將納米壓印壓模114分離，如圖5(c)所示，則經固化的納米壓印樹脂R'保留在襯底100上，其可以用作孔型犧牲層圖案110。

為了形成孔，根據納米壓印方法的設計，具有不均勻結構的圖案113可以通過控制形成為具有規則的形狀、尺寸或間隔等的柱狀，因此，也可以調整由其形成的經固化的納米壓印樹脂R'的孔形狀、尺寸和二維排列。如果需要，經固化的納米壓印樹脂R'的形狀也可以通過另外加熱或照射紫外線來改變。

此外，具有不均勻結構的圖案也可以藉助於雷射幹涉光刻法等來製備。雷射幹涉光刻法使用通過兩個或更多個雷射源獲得的二維或三維幹涉現象，並且是用於形成周期性圖案的方法，其可以有利地容易實現1μm以下的精細圖案。

根據如上所述的本公開，與其中蝕刻襯底的現有PSS技術相比，可以以相對較少的襯底損壞和簡化的工藝相對簡單地形成孔型犧牲層圖案110。

襯底100(其上形成有這樣各種孔型犧牲層圖案110)可以採用各種異質單晶襯底以用於氮化物半導體層的異質外延薄膜生長，例如藍寶石襯底、矽襯底、SiC襯底、GaAs襯底等。將基於藍寶石襯底作為示例來解釋實施方式。

如圖2(a)和圖3(a)所示，在形成犧牲層圖案110之後，無機薄膜130形成在犧牲層圖案110上，如圖2(b)和3(b)所示。無機薄膜130隨後在無機薄膜130和襯底100之間限定了集成空腔，並且無機薄膜130可以在犧牲層圖案110不會變形的溫度範圍內形成。無機薄膜130具有在去除犧牲層圖案110之後可以穩定地保持結構的原始形狀的厚度。無機薄膜130可以以各種方式形成，例如原子層沉積(ALD)、溼法合成、金屬沉積及氧化、濺射等。此外，在沉積金屬薄膜的同時，可以以氣體或等離子體狀態供給氮以形成金屬氮化物。無機薄膜130可以由選自由二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化釔(Y2O3)-氧化鋯、銅氧化物(CuO，Cu2O)、氧化鉭(Ta2O5)、氮化鋁(AlN)和氮化矽(Si3N4)所組成的組中的至少一種氧化物或氮化物來製成。在使用藍寶石襯底的實施方式中，無機薄膜可以由氧化鋁製成。在使用矽襯底的實施方式中，無機薄膜可以由AlN製成。如果調整無機薄膜130的組成、強度和厚度中的至少一個，則可以稍後控制施加到氮化物半導體層(使用無機薄膜130形成在襯底結構上)的應力。如圖所示，無機薄膜130形成在整個襯底100上以覆蓋犧牲層圖案110。

在一個實施方式中，如果無機薄膜130通過ALD形成，則可以以非常均勻的厚度沉積非常薄的膜。因此，如圖3(b)的橫截面圖所示，無機薄膜130覆蓋孔H的內壁和底部，而不填充孔H，並且覆蓋犧牲層圖案110的上表面。在這種情況下，表示基本上垂直於襯底100的一部分無機薄膜以用作將襯底100和在後續工藝中形成的氮化物半導體層連接的支撐結構的腿部，是指堆積在孔H的內壁和底部上的一部分無機薄膜，並具有管狀。即使使用除ALD之外的任何方法，或者即使使用ALD，如果孔H具有非常小的直徑，則孔H可以用無機薄膜130完全填充。在這種情況下，該腿部具有柱狀。

通常，孔H可以具有2μm以下的直徑，使得當通過ELO形成氮化物半導體層時，可以容易地填充孔H的上部。孔H之間的間距可以為2μm以上。為了使例如管狀或柱狀的腿部的密度最小化，期望使間距最大化。

在一個實施方式中，根據襯底100和犧牲層圖案110的形狀，可以通過例如ALD的沉積方法形成具有均勻厚度的氧化鋁。也可以使用利用溼化學品的溼組合物法代替沉積法。在根據襯底100和孔型犧牲層圖案110的形狀均勻地塗覆溼化學品之後，可以將其加熱、乾燥或使其發生化學反應以構成氧化鋁。例如，在將例如氯化鋁(AlCl3)的鋁前體粉末混合在例如四氯乙烯(C2Cl4)的溶劑中之後，可以將其塗布並塗覆到襯底100(其上形成有孔型犧牲層圖案110)，並且然後在氧氣環境下經加熱和反應以形成氧化鋁薄膜。在其它情況下，在通過濺射等沉積金屬Al薄膜之後，可以進行氧化工藝以形成氧化鋁。氧化鋁以非晶形態或多晶形態的細晶粒形成。

在形成無機薄膜130之後，從襯底100選擇性地去除犧牲層圖案110，如圖2(c)和圖3(c)所示。如上所述參考圖4和圖5，犧牲層圖案110由例如光致抗蝕劑或納米壓印樹脂的聚合物製成，因此犧牲層圖案110可以通過加熱容易地去除。具有約600℃的固有燃點的光致抗蝕劑可以通過加熱容易地去除。此外，為了以氧化方式更容易地去除，可以加以與含氧氣體的化學反應。如果將聚合物在高溫下在氧氣環境下加熱，則聚合物組分可以通過熱解過程容易地去除，這通常稱為灰化。如果在氧氣環境下的熱處理不可行，例如，如果襯底100是可以生成氧化物的矽襯底，則也可以使用利用有機溶劑的溼去除法。

如果去除了犧牲層圖案110，如圖2(c)和圖3(c)所示，則可以形成由襯底100和無機薄膜130限定的集成空腔C。由無機薄膜130限定的空空腔C具有犧牲層圖案110的相反形狀。換句話說，如果犧牲層圖案110形成為具有彼此間隔開的多個孔H，則無機薄膜130通過多個孔H連接到襯底100。空腔C表示除了無機薄膜130和襯底100之間的連接部分之外的部分。此外，如果孔H是彼此間隔開的不連續空間，則空腔C是整體連通的一體式連續空間。與其形成有彼此間隔開的多個不連續空間的情況相比，當空腔C是一體式連續空間時，空腔C具有更大的體積。換句話說，通過形成連續空腔C，襯底100和形成在其上的結構可以具有最小的接觸面積。

處於沉積狀態的無機薄膜130通常是無定形的或具有多晶的細晶粒。熱處理可以在高溫下進行，使得無定形或多晶的無機薄膜130可以被緻密化並結晶。

即使無機薄膜130和襯底100由相同的材料製成，例如襯底100是藍寶石襯底並且無機薄膜130由氧化鋁製成，或者即使無機薄膜130和襯底100由不同的材料製成，例如，襯底100是矽襯底而無機薄膜130由AlN製成，如果無機薄膜130在例如約1000℃加熱，則無機薄膜130通過熱處理結晶成為與襯底100相同的晶體結構的無機薄膜130'，如圖2(d)和3(d)所示。因此，結晶後無機薄膜130'和襯底100之間的界面(圖中用虛線表示)消失。原因是由於無機薄膜130在高溫熱處理期間直接接觸襯底100，以在無機薄膜130附近引起固相外延，並且因此沿著襯底100的結晶方向結晶。固體外延從襯底100和無機薄膜130之間的界面開始，並且如果無機薄膜130由非晶材料製成，則結晶化無機薄膜130'最終變為多晶，或者細的多晶體變得更大，或者最優選地變成與襯底100相同的單晶。該結晶過程可以在整個無機薄膜130上進行，特別地，在集成空腔C上方的一部分結晶化無機薄膜130'，即表示基本上平行於襯底100以用於將襯底100和在後續工藝中形成的氮化物半導體層連接的支撐結構的一部分無機薄膜130'，當氮化物半導體外延層隨後生長時用作晶種部分。因此，期望無機薄膜130基本上結晶。

圖6以更好的方式圖示出根據本公開的結晶化無機薄膜130'。參考圖6，結晶化無機薄膜130'包括與襯底100接觸的腿部130a和自腿部130a平行於襯底100延伸的上表面130b。集成空腔C由在結晶化無機薄膜130'和襯底100之間的結晶化無機薄膜130'限定。設置多個腿部130a，並且上表面130b連續地形成為從多個腿部130a延伸。在一個實施方式中，空腔C所佔面積大於腿部130a所佔面積。無機薄膜130'在本公開中是非常重要的部件，因為其限定了無機薄膜130'和襯底100之間的集成空腔C，並且隨後還用作晶種層和在其上生長的氮化物半導體層的支撐。

如上所述，根據本公開的襯底結構包括襯底100、接觸襯底100以與襯底100限定集成空腔C的腿部130a，以及自腿部130a平行於襯底100延伸的上表面130b，並且還包括與襯底100具有相同晶體結構的結晶化無機薄膜130'。

與現有PSS形成對比，本公開的襯底結構被定義為空腔工程化結構(CES)。現在，將描述使用CES的半導體層疊結構、形成其的方法和使用其製造氮化物半導體的方法。

隨後，如圖2(e)和圖3(e)所示，在結晶化無機薄膜130'上進一步形成氮化物半導體層150。氮化物半導體層150可以形成為包括合適的緩衝層的多層結構。氮化物半導體層150可由例如GaN、InN、AlN或它們的混合物GaxAlyInzN(0<x，y，z<1)的任何氮化物半導體材料製成。根據氮化物半導體層150的材料的種類，可以調整帶隙以發射紫外線、可見光線和紅外線。此時，氮化物半導體層150不在襯底100上生長。而是，晶種在集成空腔C上方的一部分結晶化無機薄膜130'上生長，特別是在上表面130b上生長，並且在各種生長條件下從其生長的部分被融合，以最終形成如圖2(f)和圖3(f)所示的薄膜形狀的氮化物半導體層155。如上所述，在本公開中，氮化物半導體層155不從襯底100生長，而是從在集成空腔C上方的一部分結晶化無機薄膜130'生長。因此，氮化物半導體層155以與現有的ELO方法完全不同的方式形成。

以根據本公開的CES的晶體生長可以參考圖3(e)和3(f)清楚地理解。也就是說，氮化物半導體層150開始在無機薄膜130'的上部平坦表面即上表面130b上生長，並且生長以覆蓋腿部130a，即孔狀上部。在上表面130b上生長的氮化物半導體層150在橫向方向上連接以形成具有較小結晶缺陷的氮化物半導體層155。

在本公開中，結晶化無機薄膜130'可以與在其上生長的氮化物半導體層155一起解決應力，並且因此起到柔性層的作用。此外，由於化解了引起位錯的應力，所以襯底結構可以以較小的缺陷密度高質量生長。

由襯底和薄膜之間的物理差異引起的應力在界面處被轉換成彈性能量，以作為產生位錯的驅動力。在通常情況下，與薄膜相比，由於厚度大，襯底不易變形，而在薄膜處產生位錯以化解應力。此時，如果薄膜生長超過預定厚度，即臨界厚度，則界面處的彈性能量增加超過位錯生成能量，從而開始產生位錯。

然而，在本公開中，如果無機薄膜130'比氮化物半導體層155薄，則臨界厚度大得多，從而降低氮化物半導體層155的位錯的產生。如果無機薄膜130'如上所述比氮化物半導體層155足夠薄，則可以認為其作用被襯底的作用代替，並且氮化物半導體層155在產生較少位錯的狀態下生長。因此，可以形成具有較小缺陷密度的高質量氮化物半導體層155。此外，由於氮化物半導體晶體缺陷密度減小，當高質量氮化物半導體層155用於製造LED時，可以增強內部量子效率。

如圖2(f)和圖3(f)所示，如上構造的根據本公開的半導體層疊結構包括與氮化物半導體異質的單晶襯底100和結晶化無機薄膜130'。在襯底100和無機薄膜130'之間限定了集成空腔C。襯底結構還包括在集成空腔C上方的結晶化無機薄膜130'上生長並與其融合的氮化物半導體層155。

集成空腔C形成在去除了孔型犧牲層圖案110的區域中。由於存在集成空腔C，如果在襯底100和形成在其上的氮化物半導體層155之間存在熱膨脹係數的差異，則集成空腔C可以伸長或收縮以形成局部變形，從而消耗應力能。可以減小因此，施加到氮化物半導體層155的熱應力，因此可以減小襯底100的彎曲。因此，即使襯底100具有大面積，其也可以具有相對小的厚度。

具體地，可以通過調整孔型犧牲層圖案的形狀、尺寸或二維排列等來控制集成空腔C。此外，由於以例如光刻或納米壓印的可控方法形成孔型犧牲層圖案110，所以並非不規則地或隨機地形成集成空腔C，而是以可控的方式形成，由此確保良好的再現性和優異的器件均勻性。

因此，具有優異性能的氮化物半導體層155可以以外延方式生長，因此可以實現具有高效率和優異的可靠性的光電器件。此外，由於提高的光提取效率，可以實現高輸出LD或LED。

同時，集成空腔C可以使得形成襯底100和氮化物半導體層155之間的連接最小化的結構。由於襯底100和氮化物半導體層155在一定程度上物理分離，所以進一步抑制了應力的產生。因此，在氮化物半導體層155生長然後冷卻的時，氮化物半導體層155和襯底100可以僅僅以小的物理力或衝擊力自然地彼此分離，而不用施加大能量(例如雷射)，如圖2(g)和3(g)所示。

特別地，在一個實施方式中，空腔C所佔面積大於腿部130a所佔面積。因此，即使不使用雷射剝離方法，氮化物半導體層155也可以容易地與襯底100分離。由於自然地或僅用小的力進行分離，所以氮化物半導體層155可以不會彎曲、破裂或斷裂。因此，本公開對於需要分離襯底100和氮化物半導體層155的應用非常有利，例如垂直型LED、水平型LED或轉送到任何襯底的LED，並且襯底100還可以得以容易地再利用。此外，如果氮化物半導體層155形成為厚膜並且與襯底100分離，則氮化物半導體層155可以用作自支撐氮化物半導體襯底，因此容易製造與用於優異的氮化物半導體生長的襯底相同種類的氮化物半導體襯底。

如上所述，在本公開中，為了使氮化物半導體層155和襯底100之間的連接部分最小化，襯底100和氮化物半導體層155僅通過點而不是線連接。點連接部分是無機薄膜130'的腿部130a，並且可以具有中空管狀。為了形成管狀的腿部130a，在本公開的實施方式中，使用通過ALD形成的孔型犧牲層圖案120和無機薄膜130。通過去除犧牲層圖案120獲得的最終結構具有連續連接的集成空腔C。

由於集成空腔C，可以容易地進行物理剝離工藝而不使用雷射。

圖7圖示出連接氮化物半導體層155和襯底100的腿部130a(即柱狀)，從圖7(a)至圖7(d)具有逐漸減小的面積，使得氮化物半導體層155和襯底100可以以更小的力分離。在本公開的一個實施方式中，具有柱狀結構的腿部130a具有如圖7(d)所示的中空管狀，從而使氮化物半導體層155和襯底100之間的直接連接最小化。在本公開中，通過使用具有如上所述的具有中空管狀的腿部130a的無機薄膜130'，氮化物半導體層155被支撐。

根據本公開，可以將位錯引導成僅僅產生在腿部130a(即孔)的上方，並且即使AlN生長，也確保了不同於PSS的優異的晶體質量。此外，通過使用能夠吸收應力的集成空腔C的特性，可以防止由熱膨脹係數的差異引起的彎曲。

在上文中，儘管已經示出和描述了本公開的優選實施方式，但是本公開不限於上述特定的優選實施方式，並且對於本領域技術人員顯而易見的是，可以以各種形式進行修改而不背離離在權利要求中闡述的本公開的特徵，並且這種修改存在於權利要求的範圍中。