量子阱紅外探測器襯底完全去除技術研究

孫海燕，劉海龍，胡小燕，謝 珩

(華北光電技術研究所，北京100015)

1 引言

基于量子阱導帶內子能帶間或子能帶到擴展態間的光電子躍遷對紅外輻射的吸收特性，GaAs/Al-GaAs多量子阱紅外探測器具有波長和帶寬可調、熱穩定性好、抗輻射能力強等特點，同時基于成熟的Ⅲ－Ⅴ材料生長和器件制備技術基礎，器件均勻性更好、產量高、成本低，這些特點使得量子阱紅外探測器近年來得到了飛速的發展，成為了紅外探測器產品的一個重要分支［1］。

通常來說，量子阱紅外探測器材料是在GaAs襯底上通過分子束外延(MBE)或者金屬有機氧化物化學氣相沉積法(MOCVD)技術制備。GaAs襯底通常的厚度達到幾百微米，制備成面陣探測器芯片后，與讀出電路互連后由于熱膨脹失配對探測器的互連混成可靠性產生了很大的影響。與此同時，量子阱特有的光柵耦合方式在襯底較厚時會產生較嚴重的像元間光學串擾［2］。因此將GaAs襯底進行減薄甚至完全去除襯底，對于提高探測器的混成可靠性和性能有著十分重要的意義。

本文采用機械研磨、化學拋光與選擇性腐蝕相結合的方法［3］，對量子阱紅外焦平面互連混成探測器的襯底完全去除工藝作了研究。首先對互連混成芯片進行灌膠填充，通過磨拋工藝，對大部分的GaAs襯底層進行了去除，然后再進一步通過選擇性濕法腐蝕進行剩余GaAs襯底層的完全去除。同時為了保證去除襯底的可靠性和減少對外延層的影響，通過掃描電鏡、原子粒顯微鏡等分析手段結合大量的實驗，對背減薄的研磨、拋光、腐蝕的工藝進行了分析研究。

2 實驗

2．1 焦平面探測器的制備

量子阱焦平面探測器制備所用材料為GaAs/AlGaAs多量子阱結構，采用MBE外延系統生長，GaAs襯底厚度～600μm，為了配合襯底完全去除，在襯底上面生長了 ～2000(1 =10－10m)的AlxGa1－xAs阻擋層。分別生長了阻擋層組分x為0．27μm和0．4μm的兩種類型量子阱材料。

將材料制備成640×512探測器陣列［4］，中心間距25μm，并與讀出電路進行互連后，通過底部填充的方法，對器件和讀出電路之間的縫隙進行環氧樹脂膠填充，填好后在80℃下，進行13 h的固化。

2．2 GaAs襯底的初步去除

為實現全部或局部去除GaAs襯底，先將探測器粘接在玻璃襯底上，再用膠保護好焊盤，等膠20 min膠固化好后，將粘接好的探測器用10%的9μm氧化鋁磨料在玻璃盤上進行研磨，約60 min后，測得器件厚度為約60μm后，再通過化學機械拋光的方法去除部分的GaAs襯底，將整個器件的厚度減至厚度約為40μm，然后再用選擇性腐蝕液，對剩余的GaAs襯底進行選擇性腐蝕，達到完全去襯底GaAs的效果，同時也保證了磨拋工藝所帶來的損傷層不會延伸到GaAs/AlGaAs外延層中。

2．3 高選擇比腐蝕液的選取

GaAs濕法腐蝕工藝技術已經非常成熟，要求有較高的選擇比。首先，我們先選擇Al組分為0．27左右的AlxGa1－xAs作為選擇腐蝕對象。在同樣組分的材料下，進行腐蝕液的選取實驗。選擇性腐蝕的基本原理是通過選擇對兩種材料的腐蝕速率相差較大的腐蝕液，在一定條件下，對要腐蝕的材料做到腐蝕速率最大化，同時，盡量降低另一種材料的腐蝕速率。目前，對選擇GaAs腐蝕AlGaAs的選擇性腐蝕液的研究已相對成熟。

這里，先選用了KI∶I腐蝕液對襯底做了腐蝕試驗，在實驗的過程中，發現腐蝕速率過慢，需要較長時間才能實現對GaAs襯底的腐蝕，然而長時間的腐蝕會導致環氧樹脂膠的可靠性變差，會發生環氧樹脂膠脫落的情況，因此使用KI∶I作為選擇性腐蝕液并不合適。

我們又選擇硫酸對襯底做了腐蝕試驗，腐蝕的速率比較快，但是腐蝕后的晶片表面的均勻性差，并隨去層厚度的增加，邊緣塌邊的現象比較明顯，因此認為使用硫酸作為選擇性腐蝕液也不合適。

隨后參考相關文獻［4］，選用檸檬酸作為GaAs/GaAlAs選擇性腐蝕液，將50%的檸檬酸和H2O2進行配比組成腐蝕液。通過多次的腐蝕實驗和測試，我們配置 C6H8O7·H2O(50%)∶H2O2(30%)=2 ∶1比例的腐蝕液，在靜止的狀態下，腐蝕液對GaAs的腐蝕速率為0．2μm/min。為了提高腐蝕速率并且保證腐蝕的均勻性，使用磁力攪拌器，用同樣比例的腐蝕液，腐蝕液對GaAs的腐蝕速率可以達到0．4μm/min，經過60 min左右，完成了對襯底的腐蝕，同時高組分AlGaAs阻擋層沒有變化。從而可以驗證選擇C6H8O7·H2O(50%)∶H2O2(30%)=2∶1 比例的腐蝕液可以達到最佳效果。同時，經過掃描電鏡分析(放大倍數為1000倍)環氧樹脂膠無變化。

2．4 組分對選擇性腐蝕的影響

選擇性腐蝕源于金屬表面上組分的差異，而在腐蝕介質的作用下行為各異。與介質反應時活性較大的組分將被優先氧化或溶解，而較穩定的組分則殘留下來。

基于這樣的原理，通過改變Al的組分來達到選擇性腐蝕的效果。組分選擇的不同，帶來腐蝕后的阻擋效果不同，分別對組分為 0．27，0．4，0．7 的不同組分的AlxGa1－xAs進行組分選擇實驗，在同樣比例的腐蝕液，同樣的腐蝕條件下，完成了對襯底的腐蝕，并對腐蝕后的器件表面通過掃描電鏡進行了觀察，圖1～圖3分別為阻擋層Al組分為0．27、0．4和0．7選擇性腐蝕后的掃描電鏡圖形。

圖1 組分為0．27的AlGaAs腐蝕后的掃描電鏡圖

圖2 組分為0．4的AlGaAs腐蝕后的掃描電鏡圖

圖3 組分為0．7的AlGaAs腐蝕后的掃描電鏡圖

三幅掃描電鏡圖采用相同條件下拍攝(放大倍數均為1250倍)。從圖1中可以看出阻擋層Al組分為0．27的材料對腐蝕液阻擋效果不好，雖然GaAs襯底已經完全腐蝕掉了，但是相應的AlGaAs阻擋層也被腐蝕掉了，已經露出了器件面陣單元間的樹脂膠，器件已經被破壞，這說明阻擋層Al組分為0．27的 AlxGa1－xAs層沒有起到應有的阻擋效果;再觀察圖2，阻擋層Al組分為0．4的材料的腐蝕效果，發現AlGaAs阻擋層有很好的阻擋效果，器件GaAs襯底已經完全腐蝕掉，但是AlxGa1－xAs層保持很好，器件面陣單元完好，同時表面狀態也保持很好，由此可見Al組分越高阻擋層的阻擋效果越好;最后觀察圖3，發現對于組分為0．7的材料對腐蝕液阻擋效果很好，相應的Ga1－xAlxAs層沒有問題，但是最后腐蝕的表面態不好，表面顯的不均勻，有很多的顆粒狀現象;通過多次的實驗總結，認為組分在0．4左右比較合適。圖4所示為采用這種背面減薄工藝后的640×512量子阱焦平面探測器照片。通過測試可知，在77 K條件下，器件的平均黑體響應率 Rv為1．4 ×107V/W，峰值探測率 D*λ為6．2 ×109cm Hz1/2W－1，器件盲元率為0．87%，響應率不均勻性5．8%，均勻性非常好，盲元點也很少，這表明進行背減薄工藝后的器件質量完好，完全可以適用于GaAs/AlGaAs多量子阱紅外探測器工藝。

圖4 背面完全減薄后的長波640×512量子阱焦平面探測器

3 結論

通過本次實驗，有效地對GaAs/AlGaAs器件進行了襯底減薄，根據數據分析并結合實驗的綜合效果來看，可以得出以下結論:

對互連完的GaAs/AlGaAs器件，首先使用磨拋工藝對其襯底層先進行較大厚度的減薄，將整個器件的厚度減至厚度約為40μm，再用選擇性腐蝕液，選用 C6H8O7·H2O(50%)∶H2O2(30%)=2 ∶1 的腐蝕液，并使用磁力攪拌器，腐蝕的時間約60 min，即可完成去襯底的GaAs選擇性腐蝕，重復性較好。

對于腐蝕液的選擇而言，使用KI∶I腐蝕速率過慢，并導致環氧樹脂膠的可靠性變差，會發生環氧樹脂膠脫落的情況;而使用硫酸腐蝕則腐蝕后表面的均勻性不好，并且容易導致邊緣塌邊;因此選擇了檸檬酸作為GaAs/GaAlAs選擇性腐蝕液，即完成了襯底去除，也保證了器件質量和表面狀態的良好。

對于選擇性濕法腐蝕完全去除襯底來說，阻擋層的Al組分越高，阻擋效果越好，但是組分過高，在腐蝕后表面態有時候不好，認為組分在0．4左右的阻擋層是合適的選擇。因此結合材料生長工藝，生長出符合要求的高Al組分的阻擋層是實現襯底完全去除的重要前提。

致 謝:在本次實驗過程中，張鵬同志參與了測試工作，在此表示衷心的感謝。

［1］ Arnold Goldberg，Kwong － Kit Choi．Recent progress in the application of large format and multispectral QWIP IRFPAs［J］．SPIE，2004，5406:624．

［2］ Arnold Goldberg．Laboratory and field performance of a megapixel QWIP focal plane array［C］．SPIE，2005，5783:755．

［3］ Y H Lo．et al．Semiconductor lasers on Si substrates using the technology of bonding by atomic rearrangement［J］．Appl．Phys．Lett．，1993，62(10):1038．

［4］ Chin － I．Liao，Mau － Phon Houng，et．al，Highly selective etching of GaAs on Al0．2Ga0．8As using citric acid/H2O2/H2O etching system［J］．Electrochemical and Solid － State Letters，2004，7(11):C129．