量子阱红外探测器衬底完全去除技术研究

孙海燕，刘海龙，胡小燕，谢 珩

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

基于量子阱导带内子能带间或子能带到扩展态间的光电子跃迁对红外辐射的吸收特性，GaAs/Al-GaAs多量子阱红外探测器具有波长和带宽可调、热稳定性好、抗辐射能力强等特点，同时基于成熟的Ⅲ－Ⅴ材料生长和器件制备技术基础，器件均匀性更好、产量高、成本低，这些特点使得量子阱红外探测器近年来得到了飞速的发展，成为了红外探测器产品的一个重要分支［1］。

通常来说，量子阱红外探测器材料是在GaAs衬底上通过分子束外延(MBE)或者金属有机氧化物化学气相沉积法(MOCVD)技术制备。GaAs衬底通常的厚度达到几百微米，制备成面阵探测器芯片后，与读出电路互连后由于热膨胀失配对探测器的互连混成可靠性产生了很大的影响。与此同时，量子阱特有的光栅耦合方式在衬底较厚时会产生较严重的像元间光学串扰［2］。因此将GaAs衬底进行减薄甚至完全去除衬底，对于提高探测器的混成可靠性和性能有着十分重要的意义。

本文采用机械研磨、化学抛光与选择性腐蚀相结合的方法［3］，对量子阱红外焦平面互连混成探测器的衬底完全去除工艺作了研究。首先对互连混成芯片进行灌胶填充，通过磨抛工艺，对大部分的GaAs衬底层进行了去除，然后再进一步通过选择性湿法腐蚀进行剩余GaAs衬底层的完全去除。同时为了保证去除衬底的可靠性和减少对外延层的影响，通过扫描电镜、原子粒显微镜等分析手段结合大量的实验，对背减薄的研磨、抛光、腐蚀的工艺进行了分析研究。

2 实验

2．1 焦平面探测器的制备

量子阱焦平面探测器制备所用材料为GaAs/AlGaAs多量子阱结构，采用MBE外延系统生长，GaAs衬底厚度～600μm，为了配合衬底完全去除，在衬底上面生长了 ～2000(1 =10－10m)的AlxGa1－xAs阻挡层。分别生长了阻挡层组分x为0．27μm和0．4μm的两种类型量子阱材料。

将材料制备成640×512探测器阵列［4］，中心间距25μm，并与读出电路进行互连后，通过底部填充的方法，对器件和读出电路之间的缝隙进行环氧树脂胶填充，填好后在80℃下，进行13 h的固化。

2．2 GaAs衬底的初步去除

为实现全部或局部去除GaAs衬底，先将探测器粘接在玻璃衬底上，再用胶保护好焊盘，等胶20 min胶固化好后，将粘接好的探测器用10%的9μm氧化铝磨料在玻璃盘上进行研磨，约60 min后，测得器件厚度为约60μm后，再通过化学机械抛光的方法去除部分的GaAs衬底，将整个器件的厚度减至厚度约为40μm，然后再用选择性腐蚀液，对剩余的GaAs衬底进行选择性腐蚀，达到完全去衬底GaAs的效果，同时也保证了磨抛工艺所带来的损伤层不会延伸到GaAs/AlGaAs外延层中。

2．3 高选择比腐蚀液的选取

GaAs湿法腐蚀工艺技术已经非常成熟，要求有较高的选择比。首先，我们先选择Al组分为0．27左右的AlxGa1－xAs作为选择腐蚀对象。在同样组分的材料下，进行腐蚀液的选取实验。选择性腐蚀的基本原理是通过选择对两种材料的腐蚀速率相差较大的腐蚀液，在一定条件下，对要腐蚀的材料做到腐蚀速率最大化，同时，尽量降低另一种材料的腐蚀速率。目前，对选择GaAs腐蚀AlGaAs的选择性腐蚀液的研究已相对成熟。

这里，先选用了KI∶I腐蚀液对衬底做了腐蚀试验，在实验的过程中，发现腐蚀速率过慢，需要较长时间才能实现对GaAs衬底的腐蚀，然而长时间的腐蚀会导致环氧树脂胶的可靠性变差，会发生环氧树脂胶脱落的情况，因此使用KI∶I作为选择性腐蚀液并不合适。

我们又选择硫酸对衬底做了腐蚀试验，腐蚀的速率比较快，但是腐蚀后的晶片表面的均匀性差，并随去层厚度的增加，边缘塌边的现象比较明显，因此认为使用硫酸作为选择性腐蚀液也不合适。

随后参考相关文献［4］，选用柠檬酸作为GaAs/GaAlAs选择性腐蚀液，将50%的柠檬酸和H2O2进行配比组成腐蚀液。通过多次的腐蚀实验和测试，我们配置 C6H8O7·H2O(50%)∶H2O2(30%)=2 ∶1比例的腐蚀液，在静止的状态下，腐蚀液对GaAs的腐蚀速率为0．2μm/min。为了提高腐蚀速率并且保证腐蚀的均匀性，使用磁力搅拌器，用同样比例的腐蚀液，腐蚀液对GaAs的腐蚀速率可以达到0．4μm/min，经过60 min左右，完成了对衬底的腐蚀，同时高组分AlGaAs阻挡层没有变化。从而可以验证选择C6H8O7·H2O(50%)∶H2O2(30%)=2∶1 比例的腐蚀液可以达到最佳效果。同时，经过扫描电镜分析(放大倍数为1000倍)环氧树脂胶无变化。

2．4 组分对选择性腐蚀的影响

选择性腐蚀源于金属表面上组分的差异，而在腐蚀介质的作用下行为各异。与介质反应时活性较大的组分将被优先氧化或溶解，而较稳定的组分则残留下来。

基于这样的原理，通过改变Al的组分来达到选择性腐蚀的效果。组分选择的不同，带来腐蚀后的阻挡效果不同，分别对组分为 0．27，0．4，0．7 的不同组分的AlxGa1－xAs进行组分选择实验，在同样比例的腐蚀液，同样的腐蚀条件下，完成了对衬底的腐蚀，并对腐蚀后的器件表面通过扫描电镜进行了观察，图1～图3分别为阻挡层Al组分为0．27、0．4和0．7选择性腐蚀后的扫描电镜图形。

图1 组分为0．27的AlGaAs腐蚀后的扫描电镜图

图2 组分为0．4的AlGaAs腐蚀后的扫描电镜图

图3 组分为0．7的AlGaAs腐蚀后的扫描电镜图

三幅扫描电镜图采用相同条件下拍摄(放大倍数均为1250倍)。从图1中可以看出阻挡层Al组分为0．27的材料对腐蚀液阻挡效果不好，虽然GaAs衬底已经完全腐蚀掉了，但是相应的AlGaAs阻挡层也被腐蚀掉了，已经露出了器件面阵单元间的树脂胶，器件已经被破坏，这说明阻挡层Al组分为0．27的 AlxGa1－xAs层没有起到应有的阻挡效果;再观察图2，阻挡层Al组分为0．4的材料的腐蚀效果，发现AlGaAs阻挡层有很好的阻挡效果，器件GaAs衬底已经完全腐蚀掉，但是AlxGa1－xAs层保持很好，器件面阵单元完好，同时表面状态也保持很好，由此可见Al组分越高阻挡层的阻挡效果越好;最后观察图3，发现对于组分为0．7的材料对腐蚀液阻挡效果很好，相应的Ga1－xAlxAs层没有问题，但是最后腐蚀的表面态不好，表面显的不均匀，有很多的颗粒状现象;通过多次的实验总结，认为组分在0．4左右比较合适。图4所示为采用这种背面减薄工艺后的640×512量子阱焦平面探测器照片。通过测试可知，在77 K条件下，器件的平均黑体响应率 Rv为1．4 ×107V/W，峰值探测率 D*λ为6．2 ×109cm Hz1/2W－1，器件盲元率为0．87%，响应率不均匀性5．8%，均匀性非常好，盲元点也很少，这表明进行背减薄工艺后的器件质量完好，完全可以适用于GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测器工艺。

图4 背面完全减薄后的长波640×512量子阱焦平面探测器

3 结论

通过本次实验，有效地对GaAs/AlGaAs器件进行了衬底减薄，根据数据分析并结合实验的综合效果来看，可以得出以下结论:

对互连完的GaAs/AlGaAs器件，首先使用磨抛工艺对其衬底层先进行较大厚度的减薄，将整个器件的厚度减至厚度约为40μm，再用选择性腐蚀液，选用 C6H8O7·H2O(50%)∶H2O2(30%)=2 ∶1 的腐蚀液，并使用磁力搅拌器，腐蚀的时间约60 min，即可完成去衬底的GaAs选择性腐蚀，重复性较好。

对于腐蚀液的选择而言，使用KI∶I腐蚀速率过慢，并导致环氧树脂胶的可靠性变差，会发生环氧树脂胶脱落的情况;而使用硫酸腐蚀则腐蚀后表面的均匀性不好，并且容易导致边缘塌边;因此选择了柠檬酸作为GaAs/GaAlAs选择性腐蚀液，即完成了衬底去除，也保证了器件质量和表面状态的良好。

对于选择性湿法腐蚀完全去除衬底来说，阻挡层的Al组分越高，阻挡效果越好，但是组分过高，在腐蚀后表面态有时候不好，认为组分在0．4左右的阻挡层是合适的选择。因此结合材料生长工艺，生长出符合要求的高Al组分的阻挡层是实现衬底完全去除的重要前提。

致 谢:在本次实验过程中，张鹏同志参与了测试工作，在此表示衷心的感谢。

［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．