Оптоелектронна пірометрична система діагностики параметрів епітаксійних шарів зі змінною емісійною здатністю
| dc.contributor.advisor | Воронько, Андрій Олександрович | |
| dc.contributor.author | Новіков, Денис Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2026-06-01T07:51:46Z | |
| dc.date.available | 2026-06-01T07:51:46Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Novikov D. O. Optoelectronic pyrometric system for diagnostic of epitaxial layer parameters with variable emissivity. – Qualifying scientific work on the rights of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Specialty 153 – Micro- and Nanosystem Engineering (Field of Study 15 – Automation and Instrumentation). – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to the research of an optoelectronic pyrometric system for diagnosting the temperature, layer thickness, and cluster nucleation dynamics of AIIIB V solid compound epitaxial layers during the the Metal-Organic Chemical Vapor-Phase Deposition (MOCVD) process. The dissertation consists of an introduction, four chapters, conclusions to each chapter, general conclusions, a list of references, and one appendix. The introduction discloses the relevance of the research topic, defines the goal, key tasks, object and subject of the research. Describes the scientific novelty and practical significance of the obtained results. Provides information on the author's personal contribution, approbation, as well as the structure and scope of the dissertation. The first section of the dissertation analyzes the growth parameters of AIIIB V compounds, the functional capabilities and limitations of epitaxy methods. It is shown that when performing epitaxial layer growth, one of the important diagnostic parameters is the substrate temperature. To obtain high-quality heterostructures with reproducible parameters, the implementation of an optoelectronic system for the precise real-time diagnostics of substrate surface parameters in the deposition area becomes an essential requirement, since the chemical kinetics of the epitaxial growth process for many complex semiconductor devices is very sensitive to temperature changes, especially when forming quantum-scale structures and active layers of lasers and LEDs. The choice of the MOCVD technology as the most commercially scalable method for obtaining epitaxial layers is justified, which allows depositing a wide range of AIIIB V materials, ensuring stable process reproducibility and high uniformity of the parameters of the obtained device heterostructures. The analysis of existing types of reactors is carried out and it is shown that the design of MOCVD reactors is determined primarily by the hydro- and thermodynamics of the process. It is established that the uniformity of epitaxial layer deposition in vertical reactors is achieved by fast rotation of the substrate holder, or by minimizing the distance between the holder and the upper wall of the reactor chamber. The differences between the methods for diagnosing the parameters of epitaxial layers are highlighted. It is shown that the use of in-situ methods based on the interaction of electrons or ions with the surface is impossible for MOCVD due to the absence of vacuum in the growth chamber and the presence of a carrier gas flow. Such methods include, for example, Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) in the molecular beam epitaxy (MBE) method, which is not commercially widespread due to the low growth rate. Instead, it is shown that the control of the parameters of epitaxial layers (temperature, thickness of the growing layer, and dynamics of nanocluster formation) can be effectively carried out only by contactless optical pyrometric methods that take into account the change in the emissivity of the growing epitaxial layers. The second section of the dissertation investigates and analyzes the features of the practical application of the pyrometry method with compensation for changes in emissivity. It is established that to achieve the required accuracy, measurements must be carried out in a narrow range of wavelengths ∆λ, angles of incidence ∆θ and in a narrow range of polarization states ∆σ. Analytical dependences of the error in determining the parameters of epitaxial layers on the characteristics of optoelectronic components of the pyrometric optoelectronic system are established. The optical characteristics of semiconductor compounds AIIIB V and substrates for their growth depending on the growth temperature are investigated. The temperature dependence of the band gap width Eg, which causes a shift in the absorption edge λcr, is analyzed. This shift directly affects the value of the absorption coefficient α, which determines the emissivity ε of materials. It is established that the values of the spectral brightness of epitaxial layers within the growth temperature range are sufficient for the use of semiconductor photodetectors. As a result, a silicon p-n photodiode was chosen as the photodetector, and an AlGaAs/GaAs LED heterostructure was chosen as the IR radiation source. The working spectral range of wavelengths λ = 920–940 nm was justified. The use of this range ensures sufficient brightness of the pyrometric signal, high ampere-watt sensitivity of silicon photodetectors (PD) (~0.5 A/W) and its minimum temperature coefficient (~0.2 %/°C). A relationship has been established between the Full Width at Half Maximum (FWHM), the shape and transmittance coefficients of bandpass interference filters, and the accuracy of determining epitaxial layer parameters. It is shown that for the range of 920–940 nm, the values of FWHM = 7–15 nm provide the smallest error in determining the parameters in the entire temperature range of growth. It is determined that for high-temperature epitaxy (above 750 °C), taking into account the dependence of the temperature sensitivity coefficient of spectral brightness and the high level of the pyrometric signal, the use of FWHM = 7 nm leads to the minimum measurement error in the temperature range of 750–1200 °C. It is established that the diameter of the measurement spot Dp = 3–6 mm provides sufficient values of the optical signal power and spatial resolution for high-precision diagnostics and control of the parameters of growing epitaxial layers. For the registration of pyrometric and surface-reflected signals, various photodiode circuit configurations were analyzed. A transimpedance amplifier (TIA) based circuit was selected, as it provides the necessary response speed and high sensitivity. The third section presents an analysis of the absorption of optical radiation in a silicon photostructure. The analytical dependence of the profile of the charge carrier collection coefficient P(x) and the internal quantum efficiency ηi on the physical and geometric parameters of the silicon photodiode (PD) is investigated. It was found that the greatest contribution to the near-IR spectral region of ampere-watt sensitivity is determined by the structure thickness h, the lifetime of minority charge carriers τ and the reflection coefficient of the back side rback. This allowed to establish theoretical limitations and determine ways to optimize the photosensitive silicon structure. To quantitatively evaluate the analytical model of the internal quantum efficiency ηi, a silicon photodiode was developed, and its manufacturing process was modeled using planar diffusion technology. Primary focus was placed on high-temperature operations, specifically silicon oxidation and the diffusion of boron and phosphorus dopants A narrow-band interference filter was developed, and its optical characteristics were modeled. Through the optimization of layer count, thicknesses, and sequence, an interference structure with a reduced number of layers was proposed. This modification enhanced the reliability and stability of the optical parameters, ensuring a transmittance of T ~ 0.9 at the center wavelength λc = 940 nm with FWHM values ranging from 7 to 15 nm. The theoretical design of an AlGaAs/GaAs LED heterostructure was conducted. The geometry of the active region was justified based on the required radiation pattern, alongside an analysis of methods for stabilizing optical output power within a narrow spectral range. This design is intended for use in a collimated IR radiation source, ensuring minimal optical beam divergence. The fourth chapter provides an presentation and a detailed analysis of the measurement results obtained from the characterization of various fabricated batches of optoelectronic components designed for the optoelectronic pyrometric system, specifically focusing on silicon photodiodes, interference filters, and light-emitting diodes (LEDs). The design and technological parameters of the fabricated silicon p + -n structures were investigated, and their geometric layer parameters were determined experimentally. Having compared the empirical data with the results derived from numerical simulations performed within the TCAD (Technology Computer-Aided Design) environment, a high degree of correlation was observed. This alignment serves as a validation, confirming the accuracy of the physical calculation model selected for this study. Furthermore, an extensive experimental study was carried out to evaluate the optoelectronic parameters of the silicon p + -n photodiodes, as well as the performance of the developed photodetector module based on a transimpedance amplifier. The presented experimental dependencies regarding dark current, responsivity (ampere-watt sensitivity), and its temperature coefficient demonstrated that the parameters of the fabricated photodiodes are sufficient for use in precision photo- and radiometry. The spectral selectivity results of the fabricated narrow-band interference filter samples are presented. The transmittance spectra were analyzed using spectrophotometric methods under both normal and oblique radiation incidence, while a specialized assessment was performed to determine the extent to which the physicochemical degradation of the interference layers impacts the long-term stability of the optical parameters. Additionally, the emission and electrical characteristics of the LED structures were investigated for their application in a collimated IR radiation source. Experimental measurement results of the optoelectronic pyrometric system are presented. Through the establishment of precise approximation dependencies between the optical signal power and the process temperature, it has become possible to extend the lower threshold of the temperature measurement range, thereby widening the effective dynamic range of the pyrometric measurements. | |
| dc.format.extent | 171 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81377 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | наночастинки | |
| dc.subject | нанорозмірні шари | |
| dc.subject | наноструктури | |
| dc.subject | гетероперехід | |
| dc.subject | ГФЕ МОС | |
| dc.subject | AIIIB V | |
| dc.subject | тонка плівка | |
| dc.subject | сенсори | |
| dc.subject | провідність | |
| dc.subject | вольт-амперні характеристики | |
| dc.subject | легування | |
| dc.subject | кремній | |
| dc.subject | діоксид кремнію | |
| dc.subject | діод | |
| dc.subject | пірометрія | |
| dc.subject | nanoparticles | |
| dc.subject | nanoscale layers | |
| dc.subject | nanostructures | |
| dc.subject | heterojunction | |
| dc.subject | MOCVD | |
| dc.subject | A IIIB V | |
| dc.subject | thin film | |
| dc.subject | sensors | |
| dc.subject | conductivity | |
| dc.subject | I-V characteristics | |
| dc.subject | doping | |
| dc.subject | silicon | |
| dc.subject | silicon dioxide | |
| dc.subject | diode | |
| dc.subject | pyrometry | |
| dc.subject.udc | 621.382, 621.384:536.52, 621.793.16 | |
| dc.title | Оптоелектронна пірометрична система діагностики параметрів епітаксійних шарів зі змінною емісійною здатністю | |
| dc.title.alternative | Optoelectronic pyrometric system for diagnostic of epitaxial layer parameters with variable emissivity | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: