Оптоелектронна пірометрична система діагностики параметрів епітаксійних шарів зі змінною емісійною здатністю
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Новіков Д. О. Оптоелектронна пірометрична система діагностики параметрів епітаксійних шарів зі змінною емісійною здатністю. – 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 розробці та дослідженню оптоелектронної пірометричної системи для діагностики температури, товщини шару та динаміки зародження кластерів епітаксійних шарів на основі твердих сполук AIIIB V в процесі росту методом газофазної епітаксії з металоорганічних сполук (ГФЕ МОС). Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків до них, загального висновку, переліку використаних джерел та одного додатку. У вступі розкрито актуальність теми дослідження, визначено мету, ключові завдання, об’єкт і предмет дослідження. Охарактеризовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. Представлено відомості про особистий внесок автора, апробацію результатів, а також структуру й обсяг дисертації. У першому розділі дисертації проведено аналіз параметрів росту сполук AIIIB V , функціональних можливостей та обмежень методів епітаксії. Показано, що при проведенні епітаксійного нарощування шарів одним з важливих параметрів діагностики є значення температури підкладки. Для отримання якісних гетероструктур з відтворюваними параметрами важливо мати систему діагностики параметрів поверхні підкладки безпосередньо в області осадження, оскільки хімічна кінетика процесу епітаксійного росту для багатьох складних напівпровідникових приладів дуже чутлива до змін температури, особливо при формуванні квантово-розмірних структур, активних шарів лазерів та світлодіодів. Обґрунтовано вибір технології ГФЕ МОС як найбільш комерційно масштабованого методу отримання епітаксійних шарів, який дозволяє осаджувати широкий спектр матеріалів AIIIB V , забезпечуючи стабільну відтворюваність процесу та високу однорідністю параметрів отриманих приладових гетероструктур. Проведено аналіз існуючих типів реакторів та показано, що конструкція реакторів ГФЕ МОС визначається насамперед гідро- та термодинамікою процесу. Встановлено, що рівномірність осадження епітаксійних шарів у реакторах досягається швидким обертанням тримача підкладок, або мінімізацією відстані між тримачем та верхньою стінкою камери реактора. Висвітлено відмінності між методами діагностики параметрів епітаксійних шарів. Показано, що застосування in-situ методів, заснованих на взаємодії електронів чи іонів з поверхнею, є неможливим для ГФЕ МОС через відсутність вакууму в ростовій камері та наявності потоку газу-носія. До таких методів можна віднести, наприклад, дифракцію відбитих швидких електронів (ДВШЕ) у методі молекулярно-променевої епітаксії (МПЕ), що не є комерційно поширеною через низьку швидкість росту. Натомість, показано, що контроль параметрів епітаксійних шарів (температури, товщини зростаючого шару та динаміки формування нанокластерів) можна ефективно здійснювати лише безконтактними оптичними пірометричними методами, що враховують зміну емісійної здатності зростаючих епітаксійних шарів. У другому розділі дисертації досліджено та проаналізовано особливості практичного застосування методу пірометрії з компенсацією зміни випромінювальної здатності. Встановлено, що для досягнення необхідної точності, вимірювання необхідно проводити у вузькому діапазоні довжин хвиль ∆λ, кутів падіння ∆θ та у вузькому діапазоні станів поляризації ∆σ. Встановлено аналітичні залежності похибки визначення параметрів епітаксійних шарів від характеристик оптоелектронних компонент пірометричної оптоелектронної системи. Досліджено оптичні характеристики напівпровідникових сполук AIIIB V та підкладок для їх росту в залежності від температури росту. Проаналізовано температурну залежність ширини забороненої зони Eg, яка спричиняє зсув краю поглинання λкр. Цей зсув безпосередньо впливає на величину коефіцієнта поглинання α, що визначає емісійну здатність ε матеріалів. Встановлено, що значення спектральної яскравості епітаксійних шарів у межах температурного діапазону росту є достатніми для використання напівпровідникових фотодетекторів. Як наслідок, в якості фотодетектора обрано кремнієвий p-n фотодіод, а в якості джерела ІЧ випромінювання – AlGaAs/GaAs світлодіодну гетероструктуру. Обгрунтовано робочу спектральну область довжин хвиль λроб = 920–940 нм. Використання даного діапазону забезпечує достатню яскравість пірометричного сигналу, високу ампер-ватну чутливість кремнієвих фотодетекторів (ФД) ( 0,5 А/Вт) та її мінімальний температурний коефіцієнт (~0,2 %/°C). Встановлено взаємозв’язок між шириною смуги пропускання фільтра на рівні половини максимальної інтенсивності (англ. Full Width at Half Maximum – FWHM), коефіцієнтами форми, пропускання смугових інтерференційних фільтрів та точністю визначення параметрів епітаксійних шарів. Показано, що для діапазону 920–940 нм значення FWHM = 7–15 нм забезпечують найменшу похибку визначення параметрів в усьому температурному діапазоні росту. Визначено, що для високотемпературної епітаксії (вище за 750 °C), враховуючи залежність коефіцієнту температурної чутливості спектральної яскравості та високий рівень пірометричного сигналу, використання FWHM = 7 нм призводить до мінімальної похибки вимірювань в діапазоні температур 750–1200 °C. Встановлено, що діаметр плями вимірювання Dp = 3–6 мм забезпечує достатні значення потужності оптичного сигналу та просторової роздільної здатності для високоточної діагностики та контролю параметрів зростаючих епітаксійних шарів. Для реєстрації пірометричного та відбитого від поверхні підкладки сигналів проаналізовано схеми включення фотодіодів та обрано схему на базі трансімпедансного підсилювача, що забезпечує необхідну швидкодію та високу чутливість. У третьому розділі наведено аналіз поглинання оптичного випромінювання в кремнієвій фотоструктурі. Досліджено аналітичну залежність профілю коефіцієнта збору носіїв заряду P(x) та внутрішньої квантової ефективності ηi від фізикогеометричних параметрів кремнієвого фотодіода (ФД). Встановлено, що найбільший вклад в ближню спектральну ІЧ-область амперватної чутливості визначають товщина структури h, час життя неосновних носіїв заряду τ та коефіцієнт відбиття зворотної сторони rback. Це дозволило встановити теоретичні обмеження та визначити шляхи оптимізації фоточутливої кремнієвої структури. Для кількісної оцінки аналітичної моделі внутрішньої квантової ефективності ηi було розроблено кремнієвий ФД та промодельовано його технологічний процес виготовлення за дифузійно-планарною технологією. Основну увагу приділено високотемпературним операціям окиснення кремнію та дифузії легуючих домішок бору та фосфору. Розроблено інтерференційний вузькосмуговий фільтр та виконано моделювання його оптичних характеристик. Шляхом оптимізації кількості шарів, їх товщин та послідовності було запропоновано інтерференційну структуру зі зменшеною кількістю шарів, що покращило надійність та стабільність оптичних параметрів, що забезпечують пропускання Т ~ 0,9 на центральній довжині хвилі λс = 940 нм зі значеннями FWHM = 7–15 нм. Проведено теоретичне проектування світлодіодної AlGaAs/GaAs гетероструктури. Обгрунтувано геометрію активної зони з необхідної діаграмою спрямованості випромінювання та аналіз шляхів стабілізації потужності оптичного випромінювання у вузькому спектральному діапазоні для використання у колімованому джерелі ІЧ-випромінювання, що забезпечує мінімальне розходження оптичних променів. У четвертому розділі наведено результати вимірювання параметрів виготовлених партій оптоелектронних компонентів пірометричної системи: фотодіодів, фільтрів та світлодіодів. Досліджено конструктивно-технологічні параметри виготовлених кремнієвих p + - n структур та визначено їх геометричні параметри шарів експериментальним шляхом. Співставлення отриманих даних із результатами чисельного моделювання у середовищі TCAD показало гарну кореляцію, що підтверджує правильність обраної фізичної моделі розрахунку. Проведено експериментальне дослідження оптоелектронних параметрів кремнієвих p + -n ФД та розробленого фотоприймального модуля на базі трансімпедансного підсилювача. Представлені експериментальні залежності темнового струму, ампер-ватної чутливості та її температурного коефіцієнта показали, що параметри виготовлених ФД є достатніми для використання в прецизійній фото- та радіометрії. Показано результати спектральної селективності виготовлених зразків вузькосмугових інтерференційних фільтрів. Проведено дослідження спектрів пропускання за допомогою спектрофотометра при прямому падінні випромінювання та падінні під кутом, оцінено вплив фізико-хімічної деградації шарів інтерференційної структури на її оптичні параметри. Досліджено емісійні та електричні характеристики LED-структур для використання в колімованому джерелі ІЧ-випромінювання. Представлені експериментальні результати вимірювань оптоелектронної пірометричної системи, а також встановлено апроксимаційні залежності потужності оптичного сигналу оптоелектронної пірометричної системи від температури процесу, що дозволяють розширити нижній температурний діапазон вимірювань.
Опис
Ключові слова
наночастинки, нанорозмірні шари, наноструктури, гетероперехід, ГФЕ МОС, AIIIB V, тонка плівка, сенсори, провідність, вольт-амперні характеристики, легування, кремній, діоксид кремнію, діод, пірометрія, nanoparticles, nanoscale layers, nanostructures, heterojunction, MOCVD, A IIIB V, thin film, sensors, conductivity, I-V characteristics, doping, silicon, silicon dioxide, diode, pyrometry
Бібліографічний опис
Новіков, Д. О. Оптоелектронна пірометрична система діагностики параметрів епітаксійних шарів зі змінною емісійною здатністю : дис. … д-ра філософії : 153 Мікро- та наносистемна техніка / Новіков Денис Олександрович. - Київ, 2026. - 171 с.