Позиційно-чутливий фотодетектор для оптичної дефлектометрії поверхні напівпровідникових шарів в процесі епітаксії
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Вербіцький Д. О. Позиційно-чутливий фотодетектор для оптичної дефлектометрії поверхні напівпровідникових шарів в процесі епітаксії. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 153 – Мікро- та наносистемна техніка (галузь знань 15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертаційна робота присвячена дослідженню фотоелектричних та механічних властивостей кремнієвих і арсенід галієвих моно- і легованих структур з метою удосконалення технології їх виготовлення, а також розробці оригінальної методики діагностики механічного стану конденсату під час його епітаксійного осадження з допомогою оптичної дефлектометрії. Дисертацiя складається iз вступу, чотирьох роздiлiв, висновкiв, перелiку використаних джерел. У вступі обґрунтовано актуальність роботи; сформульовано мету, основні завдання, об’єкт та предмет дослідження; вказано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів; наведено інформацію про особистий внесок здобувача, апробацію роботи, її структуру. У першому розділі дисертації описано загальні властивості тринітридних сполук та приладів на їх основі, детально проаналізовано принцип роботи світлодіодів, транзисторів та інших нанорозмірних елементів на основі високоомних кремнієвих структур, арсенід галієвих сполук та особливо приділено увагу питанням технологічних можливостей прецизійного формування механічно не напружених конденсатів. Нітрид галію та арсенід галію – це широкосмугові напівпровідникові матеріали. Вони є найпопулярнішими матеріалами після кремнію у промисловості напівпровідників. Унікальне поєднання фізико-хімічних властивостей нітриду галію і арсеніду галію дає змогу використовувати їх як рішення у широкому діапазоні технологічних задач створення електронної техніки. Завдяки високій температурній стабільності та хімічній стійкості, вони можуть бути використані також для створення високотемпературних і потужнострумових напівпровідникових приладів. Ці напівпровідники широко використовується в оптоелектроніці й, маючи ширину забороненої зони 1,56 та 3,4 еВ при використанні твердих розчинів на їх основі дають змогу перекрити діапазон електромагнітного випромінювання у видимому діапазоні. Основними рушійними силами цього напрямку є світлодіоди, лазери, мікрохвильова електроніка, спінтроніка та, останнім часом, силова електроніка. Технологічні можливості створення перелічених приладів і пристроїв не завжди відповідають вимогам досконалості отриманих характеристик функціональних елементів, особливо плівок з вмістом азоту. Тому актуальними і вкрай необхідними є дослідження механічного стану конденсату особливо під час його осадження. Для цього нами запропоновано оптоелектронний метод вимірювання вигину структури підкладка-тонка плівка в реакторах МОС гідридної епітаксії при високій температурі. Представлено літературний огляд, який свідчить про значну зацікавленість науковців з усього світу в розробці надійних фотоприймачів (ФП) з максимальною чутливістю при мінімальних темнових струмах. Також наведено перелік передових виробництв фотоприймачів та позиційно чутливих фотодетекторів (ПЧФ). Аналіз властивостей легованих елементів показав, що для забезпечення високих порогових характеристик та низьких темнових струмів створюваних фотоприймачів потрібно забезпечувати саме структурну досконалість не тільки високоомної р-області, а і всіх інших функціональних шарів з метою прогнозування і відтворення необхідних характеристик майбутніх приладів. У другому розділі дисертації проведено аналіз оптичних властивостей тринітридних сполук різними методами та показано, що спектри поглинання, спектри випромінювання та частотні характеристики сформованих структур в значній мірі залежать від хімічного складу компонент, спорідненості матеріалів, технології формування конденсатів і, звичайно, як наслідок, механічного стану функціональних шарів. Показано, що довжини хвиль випромінювання і відповідно поглинання в значній мірі визначаються не тільки структурою і складовими матеріалами, а і технологією їх отримання, що відповідає задачам і науковим надбанням даної роботи. Саме контроль механічного стану наноконденсату в процесі його формування є ключовим фактором, який є пігрунтям для управління технологічними процесами з метою запобігання надлишкових напруженостей і, як наслідок, зміни електрофізичних властивостей від їх номінальних значень. В роботі розглянуто також механізми релаксація напружень в гетероепітаксійних системах. Показано, що дефектний стан підкладки, неузгодженість коефіцієнтів теплового розширення спричиняють складні процеси релаксаціцйних напружень, які ще в загальному випадку є функцією товщини епітаксійної структури. Іншими словами, із збільшенням товщини чи неспівпадіння параметрів тонких плівок з підкладкою зростатиме релаксація системи. Основні механізми релаксації умовно можна поділити на три групи, які з фізичної точки зору не повязані між собою і в реальних кристалах всі вони можуть бути присутні у більшій чи меншій мірі. Це тим більше призводить до труднощів передбачення релаксаційних процесів і, як наслідок, вимагає досконалого розуміння та можливих методів управління структурою конденсатів під час їх епітаксійного осадження. У третьому розділі дисертації основна увага приділена розробці позиційно чутливих фотодетекторів, розглянуті конструкції, визначені переваги та недоліки експлуатаційних характеристик кожного і запропонованих позиційно чутливих фотодетекторів з метою їх використання для діагностики механічного стану осаджуваного конденсату при високій температурі в реакторах МОС гідридної епітаксіїї. Один із запропонованих варіантів створення системи вимірювання вигину пластин під час осадження полягає в спільному використанні випромінювача і позиційно чутливого фотодетектора. Необхідність у позиційно-чутливому аналізаторі зумовлена тим, що звичайні фотоприймачі не володіють можливістю відслідковувати переміщення падаючого на них світлового променя. Додаткові пристрої значно ускладнюють конструкцію оптичних датчиків, зменшують їх надійність і утруднюють мікромініатюризацію. Тому вельми перспективним являється суміщення аналізатора та фотоприймача в одному приладі тобто позиційно-чутливому дефлектометрі. Позиційно-чутливим фотоприймачам (ПЧФ) присвячено багато робіт зарубіжних та вітчизняних авторів. В основу конструкції як правило закладено використання поздовжнього та поперечного фотоефекту, що зазвичай дає можливість отримувати необхідну інформацію про переміщення у нашому випадку відбитого променя у двох координатах. Одним із широко використовуваних варіантів, запропонованих низкою авторів є фотодіоди спеціальної конструкції у яких за їх локального освітлення вихідний сигнал залежить від положення освітлювальної зони. Але, як показує детальний аналіз існуючих конструкцій ПЧФ, вони не позбавлені суттєвих недоліків, тому в даній роботі приділено особливу увагу удосконаленню як конструкціям, так і технологіям виготовлення ПЧФ на поздовжньому і поперечному фотоефекті, досліджені їх інтегральні і спектральні характеристики, а також деградацію параметрів за умов роботи в різних температурних режимах. Особливу увагу приділено використанню запропонованій комбінації випромінювач–фотоприймач для забезпечення стабільної роботи цієї системи і отримання інформації в реальному часі. Для цього всебічне дослідження спектрального діапазону роботи кожного із складових дефлектометра явилось ключовим в гарантуванні відповідності і відтворюваності отриманих результатів. У четвертому розділі дисертації розглянуто основні результати практичного втілення запропонованої методики аналізу вигину пластин під час осадження тринітридів в реакторах МОС гідридної епітаксії при високій температурі. Для ідентифікації реального стану структури підкладкаконденсат запропоновано оригінальну комбіновану позиційну характеристику з допомогою якої вдається в реальному часі відслідковувати механічний стан формування наноструктур. Важливим науковим і практичним результатом явилось вимірювання вигину пластин після процесу осадження плівок. Завдяки вимірюванню стріли вигину вдалось розрахувати величину механічних напруженостей в сформованих плівках та надати рекомендації по отриманню механічно стабільних тринітридних сполук для оптоелектронних приладів і пристроїв. Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень, проведених у рамках цієї дисертаційної роботи, мають велике практичне значення для виготовлення надійних високочутливих фотопримачів на основі високоомних кремнієвих і арсенід галієвих структур. Результати дисертації впроваджені у науководослідному інституті електроніки та мікросистемної техніки КПІ ім. Ігоря Сікорського при виконанні дослідних і прикладних завдань по формуванню оптоелектронних приладів. Назва НДР: «Експериментальні методи оптичної пірометрії з компенсацією випромінювання та дефлектометрії для вимірювання параметрів епітаксійних напівпровідникових шарів». Реєстраційна картка НДДКР: Державний реєстраційний номер 0125U001384. Відкрита. Дата реєстрації: 27.02.2025.
Опис
Ключові слова
кремній, арсенід галію, фоточутливий елемент, дифузія, йонне легування, позиційно-чутливий фотодетектор, механічно напружена тонка плівка, вольт-амперна характеристика, крутість ПЧФ, довжина вільного пробігу, час життя неосновних носіїв, діод, транзистор, наноструктурний елемент, silicon, gallium arsenide, photosensitive element, diffusion, ion doping, position-sensitive photodetector, mechanically stressed thin film, voltampere characteristic, PSF steepness, free path length, minority carrier lifetime, diode, transistor, nanostructured element
Бібліографічний опис
Вербіцький, Д. О. Позиційно-чутливий фотодетектор для оптичної дефлектометрії поверхні напівпровідникових шарів в процесі епітаксії : дис. … д-ра філософії : 153 Мікро- та наносистемна техніка / Вербіцький Дмитро Олегович. – Київ, 2026. – 151 с.