量子阱紅外探測(cè)器襯底完全去除技術(shù)研究

孫海燕，劉海龍，胡小燕，謝 珩

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

基于量子阱導(dǎo)帶內(nèi)子能帶間或子能帶到擴(kuò)展態(tài)間的光電子躍遷對(duì)紅外輻射的吸收特性，GaAs/Al-GaAs多量子阱紅外探測(cè)器具有波長(zhǎng)和帶寬可調(diào)、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)基于成熟的Ⅲ－Ⅴ材料生長(zhǎng)和器件制備技術(shù)基礎(chǔ)，器件均勻性更好、產(chǎn)量高、成本低，這些特點(diǎn)使得量子阱紅外探測(cè)器近年來(lái)得到了飛速的發(fā)展，成為了紅外探測(cè)器產(chǎn)品的一個(gè)重要分支［1］。

通常來(lái)說(shuō)，量子阱紅外探測(cè)器材料是在GaAs襯底上通過(guò)分子束外延(MBE)或者金屬有機(jī)氧化物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)技術(shù)制備。GaAs襯底通常的厚度達(dá)到幾百微米，制備成面陣探測(cè)器芯片后，與讀出電路互連后由于熱膨脹失配對(duì)探測(cè)器的互連混成可靠性產(chǎn)生了很大的影響。與此同時(shí)，量子阱特有的光柵耦合方式在襯底較厚時(shí)會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的像元間光學(xué)串?dāng)_［2］。因此將GaAs襯底進(jìn)行減薄甚至完全去除襯底，對(duì)于提高探測(cè)器的混成可靠性和性能有著十分重要的意義。

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

2 實(shí)驗(yàn)

2．1 焦平面探測(cè)器的制備

量子阱焦平面探測(cè)器制備所用材料為GaAs/AlGaAs多量子阱結(jié)構(gòu)，采用MBE外延系統(tǒng)生長(zhǎng)，GaAs襯底厚度～600μm，為了配合襯底完全去除，在襯底上面生長(zhǎng)了 ～2000(1 =10－10m)的AlxGa1－xAs阻擋層。分別生長(zhǎng)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(cè)器陣列［4］，中心間距25μm，并與讀出電路進(jìn)行互連后，通過(guò)底部填充的方法，對(duì)器件和讀出電路之間的縫隙進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂膠填充，填好后在80℃下，進(jìn)行13 h的固化。

2．2 GaAs襯底的初步去除

為實(shí)現(xiàn)全部或局部去除GaAs襯底，先將探測(cè)器粘接在玻璃襯底上，再用膠保護(hù)好焊盤，等膠20 min膠固化好后，將粘接好的探測(cè)器用10%的9μm氧化鋁磨料在玻璃盤上進(jìn)行研磨，約60 min后，測(cè)得器件厚度為約60μm后，再通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光的方法去除部分的GaAs襯底，將整個(gè)器件的厚度減至厚度約為40μm，然后再用選擇性腐蝕液，對(duì)剩余的GaAs襯底進(jìn)行選擇性腐蝕，達(dá)到完全去襯底GaAs的效果，同時(shí)也保證了磨拋工藝所帶來(lái)的損傷層不會(huì)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(shù)已經(jīng)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(duì)象。在同樣組分的材料下，進(jìn)行腐蝕液的選取實(shí)驗(yàn)。選擇性腐蝕的基本原理是通過(guò)選擇對(duì)兩種材料的腐蝕速率相差較大的腐蝕液，在一定條件下，對(duì)要腐蝕的材料做到腐蝕速率最大化，同時(shí)，盡量降低另一種材料的腐蝕速率。目前，對(duì)選擇GaAs腐蝕AlGaAs的選擇性腐蝕液的研究已相對(duì)成熟。

這里，先選用了KI∶I腐蝕液對(duì)襯底做了腐蝕試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)腐蝕速率過(guò)慢，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)對(duì)GaAs襯底的腐蝕，然而長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂膠的可靠性變差，會(huì)發(fā)生環(huán)氧樹(shù)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(duì)襯底做了腐蝕試驗(yàn)，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(xiàn)象比較明顯，因此認(rèn)為使用硫酸作為選擇性腐蝕液也不合適。

隨后參考相關(guān)文獻(xiàn)［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(jìn)行配比組成腐蝕液。通過(guò)多次的腐蝕實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，我們配置 C6H8O7·H2O(50%)∶H2O2(30%)=2 ∶1比例的腐蝕液，在靜止的狀態(tài)下，腐蝕液對(duì)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(duì)GaAs的腐蝕速率可以達(dá)到0．4μm/min，經(jīng)過(guò)60 min左右，完成了對(duì)襯底的腐蝕，同時(shí)高組分AlGaAs阻擋層沒(méi)有變化。從而可以驗(yàn)證選擇C6H8O7·H2O(50%)∶H2O2(30%)=2∶1 比例的腐蝕液可以達(dá)到最佳效果。同時(shí)，經(jīng)過(guò)掃描電鏡分析(放大倍數(shù)為1000倍)環(huán)氧樹(shù)脂膠無(wú)變化。

2．4 組分對(duì)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(zhì)的作用下行為各異。與介質(zhì)反應(yīng)時(shí)活性較大的組分將被優(yōu)先氧化或溶解，而較穩(wěn)定的組分則殘留下來(lái)。

基于這樣的原理，通過(guò)改變Al的組分來(lái)達(dá)到選擇性腐蝕的效果。組分選擇的不同，帶來(lái)腐蝕后的阻擋效果不同，分別對(duì)組分為 0．27，0．4，0．7 的不同組分的AlxGa1－xAs進(jìn)行組分選擇實(shí)驗(yàn)，在同樣比例的腐蝕液，同樣的腐蝕條件下，完成了對(duì)襯底的腐蝕，并對(duì)腐蝕后的器件表面通過(guò)掃描電鏡進(jìn)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(shù)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(duì)腐蝕液阻擋效果不好，雖然GaAs襯底已經(jīng)完全腐蝕掉了，但是相應(yīng)的AlGaAs阻擋層也被腐蝕掉了，已經(jīng)露出了器件面陣單元間的樹(shù)脂膠，器件已經(jīng)被破壞，這說(shuō)明阻擋層Al組分為0．27的 AlxGa1－xAs層沒(méi)有起到應(yīng)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(fā)現(xiàn)AlGaAs阻擋層有很好的阻擋效果，器件GaAs襯底已經(jīng)完全腐蝕掉，但是AlxGa1－xAs層保持很好，器件面陣單元完好，同時(shí)表面狀態(tài)也保持很好，由此可見(jiàn)Al組分越高阻擋層的阻擋效果越好;最后觀察圖3，發(fā)現(xiàn)對(duì)于組分為0．7的材料對(duì)腐蝕液阻擋效果很好，相應(yīng)的Ga1－xAlxAs層沒(méi)有問(wèn)題，但是最后腐蝕的表面態(tài)不好，表面顯的不均勻，有很多的顆粒狀現(xiàn)象;通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)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(cè)器照片。通過(guò)測(cè)試可知，在77 K條件下，器件的平均黑體響應(yīng)率 Rv為1．4 ×107V/W，峰值探測(cè)率 D*λ為6．2 ×109cm Hz1/2W－1，器件盲元率為0．87%，響應(yīng)率不均勻性5．8%，均勻性非常好，盲元點(diǎn)也很少，這表明進(jìn)行背減薄工藝后的器件質(zhì)量完好，完全可以適用于GaAs/AlGaAs多量子阱紅外探測(cè)器工藝。

圖4 背面完全減薄后的長(zhǎng)波640×512量子阱焦平面探測(cè)器

3 結(jié)論

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，有效地對(duì)GaAs/AlGaAs器件進(jìn)行了襯底減薄，根據(jù)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)的綜合效果來(lái)看，可以得出以下結(jié)論:

對(duì)互連完的GaAs/AlGaAs器件，首先使用磨拋工藝對(duì)其襯底層先進(jìn)行較大厚度的減薄，將整個(gè)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(shí)間約60 min，即可完成去襯底的GaAs選擇性腐蝕，重復(fù)性較好。

對(duì)于腐蝕液的選擇而言，使用KI∶I腐蝕速率過(guò)慢，并導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂膠的可靠性變差，會(huì)發(fā)生環(huán)氧樹(shù)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(dǎo)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(zhì)量和表面狀態(tài)的良好。

對(duì)于選擇性濕法腐蝕完全去除襯底來(lái)說(shuō)，阻擋層的Al組分越高，阻擋效果越好，但是組分過(guò)高，在腐蝕后表面態(tài)有時(shí)候不好，認(rèn)為組分在0．4左右的阻擋層是合適的選擇。因此結(jié)合材料生長(zhǎng)工藝，生長(zhǎng)出符合要求的高Al組分的阻擋層是實(shí)現(xiàn)襯底完全去除的重要前提。

致 謝:在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，張鵬同志參與了測(cè)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．a(chǎn)l，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．