一种表面量子点湿度传感器芯片制造技术

本发明专利技术之目的是提供一种表面量子点湿度传感器芯片，包括由下而上的GaAs（砷化镓）衬底层、n型GaAs缓冲层、掩埋InGaAs量子点层和InGaAs表面量子点层，掩埋InGaAs量子点层左端台阶上淀积有第一二氧化硅钝化层，掩埋InGaAs量子点层右端台阶上淀积有第二二氧化硅钝化层，第二二氧化硅钝化层的右侧下部在n型GaAs缓冲层上淀积有第三二氧化硅钝化层，第三二氧化硅钝化层的上面淀积有Au/Ge/Ni合金下电极，InGaAs表面量子点层左边上面有第四二氧化硅钝化层，第四二氧化硅钝化层上沉积有Au/Ge/Ni合金上电极；本发明专利技术结构简单，生产制备方便，成本低，效果好，经济和社会效益显著。

Surface quantum dot humidity sensor chip

The purpose of the invention is to provide a quantum dot surface humidity sensor chip, including from GaAs (Shen Huajia) n type GaAs substrate layer, buffer layer, InGaAs layer and InGaAs buried quantum dots QDs surface layer deposition, buried InGaAs quantum dot layer on the first two steps left silicon oxide passivation layer, buried InGaAs quantum dots the right end of the steps layer deposited with second SiO2 passivation layer, on the right side of the lower second silica passivation layer in n GaAs buffer layer deposited on the SiO2 passivation layer third, above third SiO2 passivation layer is deposited Au/Ge/ Ni alloy electrode, the surface of InGaAs quantum dot layer left above fourth SiO2 passivation layer fourth deposited SiO2 passivation a layer of Au/Ge/Ni alloy electrode; the invention has the advantages of simple structure, convenient production, low cost, good effect, economy and society Remarkable benefit.

【技术实现步骤摘要】
一种表面量子点湿度传感器芯片
本专利技术涉及半导体电子器件，特别是一种表面量子点湿度传感器芯片。
技术介绍
量子点又称半导体纳米晶，与块体材料相比，其尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大，当其粒径小于激子玻尔半径时，导致粒子的电子状态发生突变，从而显现出基本的小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应；由于其独特的光电性质，如高的量子产率、长的荧光寿命、大的消光系数、强的光耐受性、窄的发射谱和较宽的激发光谱等，量子点的制备和应用引起了人们广泛的关注；尤其是在传感领域，量子点已经用于构建传感器，如离子传感器、生物传感器、荧光探针、医学成像和气敏传感器等。量子点的制备方法主要包括物理制备法和化学制备法两种，化学制备法主要用来合成CdSe、ZnS、CdS、CdTe、HgS等量子点材料，但是这些量子点材料在与目前的硅基和GaAs基等广泛使用的光电子器件集成方面存在巨大的挑战。相比而言，采用MOCVD、MBE等物理方法制备的III-V族量子点在系统集成方面具有天然的优势，如InGaAs、InP量子点等，已经广泛应用于激光器、红外探测器、太阳能电池等领域。上述量子点器件中，为了提高器件的性能，往往需要在量子点的表面覆盖一层宽禁带半导体材料(盖帽层)，如在InGaAs量子点的表面覆盖一层GaAs，来抑制表面态对量子点器件光学性能和电学性能的影响；如果在量子点表面不覆盖盖帽层，就形成了表面量子点。表面量子点表面存在大量的悬挂键，形成表面态。表面态对H2O分子具有吸附作用，抑制了表面态的非辐射复合，进而影响表面量子点的光学特性和电学特性。因此，采用In(Ga)As表面量子点作为敏感材料，利用表面态对量子点光学性能、电学性能的影响，易于实现对水分子探测的系统集成和片上集成，实现对空气中湿度的感知测量。但是目前的量子点传感器主要是采用单层的量子点，其应用于湿度传感还存在如下困难，（1）CdSe、ZnS、CdS、CdTe、HgS等量子点难于和目前的GaAs基光电子器件集成，不利于片上系统和集成系统的发展；（2）需要有配套的激发光源和光学探测器，这大大增加了传感器的复杂程度和成本；（3）单层量子点的性能还不够优化，如量子点尺寸均匀性较差、发光强度较弱、发光光谱带宽较大等。
技术实现思路
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本专利技术之目的是提供一种表面量子点湿度传感器芯片，可有效解决现有单层量子点湿度传感器量子点尺寸均匀性差、发光强度弱、光谱带宽较大、使用复杂、效果不尽人意的问题。本专利技术解决的技术方案是，本专利技术包括由下而上的GaAs（砷化镓）衬底层、n型GaAs缓冲层、掩埋InGaAs量子点层和InGaAs表面量子点层，掩埋InGaAs量子点层与n型GaAs缓冲层左右两端均成台阶状结构，掩埋InGaAs量子点层左端台阶上淀积有竖向的第一二氧化硅钝化层，且第一二氧化硅钝化层与n型GaAs缓冲层的端面平齐，掩埋InGaAs量子点层右端台阶上淀积有垂直的第二二氧化硅钝化层，第二二氧化硅钝化层的右侧下部在n型GaAs缓冲层上淀积有横向的第三二氧化硅钝化层，第三二氧化硅钝化层的上面淀积有与n型GaAs缓冲层连通的Au/Ge/Ni合金下电极，InGaAs表面量子点层左边上面有与第一二氧化硅钝化层相连在一起的横向的第四二氧化硅钝化层，第四二氧化硅钝化层上沉积有与InGaAs表面量子点层连通的Au/Ge/Ni合金上电极。本专利技术结构简单，生产制备方便，成本低，效果好，该结构中多层掩埋量子点的存在使得湿度传感器的灵敏度更高，经济和社会效益显著。附图说明图1为本专利技术的剖面结构主视图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细说明。如图1所示，本专利技术包括由下而上的GaAs（砷化镓）衬底层1、n型GaAs缓冲层2、掩埋InGaAs量子点层3和InGaAs表面量子点层4，掩埋InGaAs量子点层3上覆盖有一层GaAs，掩埋InGaAs量子点层3与n型GaAs缓冲层2左右两端均成台阶状结构，掩埋InGaAs量子点层3左端台阶上淀积有竖向的第一二氧化硅钝化层5，且第一二氧化硅钝化层5与n型GaAs缓冲层2的端面平齐，掩埋InGaAs量子点层3右端台阶上淀积有垂直的第二二氧化硅钝化层8，第二二氧化硅钝化层8的右侧下部在n型GaAs缓冲层2上淀积有横向的第三二氧化硅钝化层7，第三二氧化硅钝化层7的上面淀积有与n型GaAs缓冲层2连通的Au/Ge/Ni合金下电极10，InGaAs表面量子点层4左边上面有与第一二氧化硅钝化层5相连在一起的横向的第四二氧化硅钝化层6，第四二氧化硅钝化层6上沉积有与InGaAs表面量子点层4连通的Au/Ge/Ni合金上电极9。为了保证使用效果和使用方便，所述掩埋InGaAs量子点层3为1-15层，（图中给出5层）。所述掩埋InGaAs量子点层每层3的厚度不大于20nm。所述的芯片为圆形。本专利技术在具体实施中，1、所述的n型GaAs缓冲层使用分子束外延技术在砷化镓衬底上面生长制成；2、所述的掩埋InGaAs量子点层使用分子束外延技术在n型GaAs缓冲层上面生长制成，每层掩埋InGaAs量子点层的厚度为20nm；3、所述的InGaAs表面量子点层使用分子束外延技术在掩埋InGaAs量子点层上生长制成；4、所述的台阶使用湿法刻蚀工艺在n型GaAs缓冲层与掩埋InGaAs量子点层之间刻蚀而成；5、所述的二氧化硅钝化层在刻蚀后的台阶上淀积而成；6、所述的Au/Ge/Ni合金上电极和Au/Ge/Ni合金下电极是在二氧化硅钝化层上光刻、腐蚀出引线孔，并在引线孔中蒸度Au/Ge/Ni制成；与现有技术相比，本专利技术具有以下有益技术效果：（1）采用InGaAs表面量子点作为敏感材料，易于实现与现有的GaAs基光电子器件的集成，有利于片上系统集成度的提高，可为多功能的片上集成系统的实现奠定基础；（2）采用在多层掩埋量子点上生长一层表面InGaAs量子点，可以分别独立地控制表面量子点的密度和尺寸，并提高量子点的均匀度。例如当掩埋量子点层数为8时，表面量子点的平均高度为6.7±0.7nm,平均直径为46±1.8nm，而当掩埋量子点层数为1时，表面量子点的平均高度为6.7±1.3nm,平均直径为46±6nm。（3）利用多层掩埋量子点与表面量子点之间的强耦合作用，该结构不需要配套的激发光源和光学探测器，只需要直接测量上、下电极间的电阻值，即可实现环境湿度的测量，具有结构简单、成本低的优势。成本低的具体体现为目前市场上的激发光源（如100mW的激发波长为532nm的激光器）的价格在9000元左右，光学探测器（如InGaAs探测器）的价格在15000元左右。该结构不需要配套的激发光源和光学探测器，可节约成本24000元左右。（4）与单层表面量子点相比，该结构中多层掩埋量子点的存在使得湿度传感器的灵敏度更高，且掩埋量子点的层数越多，灵敏度越高。例如，测试结果表明，当环境湿度为30%时，只包含一层掩埋量子点结构的响应电流为2.3微安，包含五层掩埋量子点结构的响应电流为11.6微安，包含十层掩埋量子点结构的响应电流为18.7微安。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面量子点湿度传感器芯片，其特征是：包括由下而上的GaAs（砷化镓）衬底层（1）、n型GaAs缓冲层（2）、掩埋InGaAs量子点层（3）和InGaAs表面量子点层（4），掩埋InGaAs量子点层（3）上覆盖有一层GaAs，掩埋InGaAs量子点层（3）与n型GaAs缓冲层（2）左右两端均成台阶状结构，掩埋InGaAs量子点层（3）左端台阶上淀积有竖向的第一二氧化硅钝化层（5），且第一二氧化硅钝化层（5）与n型GaAs缓冲层（2）的端面平齐，掩埋InGaAs量子点层（3）右端台阶上淀积有垂直的第二二氧化硅钝化层（8），第二二氧化硅钝化层（8）的右侧下部在n型GaAs缓冲层（2）上淀积有横向的第三二氧化硅钝化层（7），第三二氧化硅钝化层（7）的上面淀积有与n型GaAs缓冲层（2）连通的Au/Ge/Ni合金下电极（10），InGaAs表面量子点层（4）左边上面有与第一二氧化硅钝化层（5）相连在一起的横向的第四二氧化硅钝化层（6），第四二氧化硅钝化层（6）上沉积有与InGaAs表面量子点层（4）连通的Au/Ge/Ni合金上电极（9）。

【技术特征摘要】
1.一种表面量子点湿度传感器芯片，其特征是：包括由下而上的GaAs（砷化镓）衬底层（1）、n型GaAs缓冲层（2）、掩埋InGaAs量子点层（3）和InGaAs表面量子点层（4），掩埋InGaAs量子点层（3）上覆盖有一层GaAs，掩埋InGaAs量子点层（3）与n型GaAs缓冲层（2）左右两端均成台阶状结构，掩埋InGaAs量子点层（3）左端台阶上淀积有竖向的第一二氧化硅钝化层（5），且第一二氧化硅钝化层（5）与n型GaAs缓冲层（2）的端面平齐，掩埋InGaAs量子点层（3）右端台阶上淀积有垂直的第二二氧化硅钝化层（8），第二二氧化硅钝化层（8）的右侧下部在n型GaAs缓冲层（2）上淀积有横向的第三二氧化硅钝化层（7...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国东，刘小莲，徐永豪，王昊，杨莹丽，李国政，刘志刚，杨美荣，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41