Дослідження динамічного діапазону кремнієвих фотодіодів для застосування в оптичній пірометрії
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
Оптична пірометрія є одним з основних безконтактних методів для прецизійного вимірювання температури напівпровідникових підкладок для технології газофазної епітаксії з металоорганічних сполук (ГФЕ МОС). Вимоги до фотоелементу пірометра обумовлені особливістю процесу. У пірометрі кремнієвий фотодіод функціонує в режимі, який характеризується невеликим значенням напруги зміщення, високою чутливістю до слабкого світлового випромінювання та низьким рівнем шумів. Основні температури, які використовуються в технології газофазної епітаксії, залежать від матеріалу напівпровідника, який вирощується, та від параметрів процесу. Зазвичай, температури процесу знаходяться в діапазоні від 500 до 1200 °C.
В даній статті розглянуто кремнієвий p-n фотодіод, який використовується як чутливий елемент в пірометричній системі контролю. Вимогами до фотодетектора є достатній час наростання і спаду для роботи з модульованим світлом з частотою до 10 кГц, що обумовлено обертанням тримача пластин в реакторі, висока монохроматична ампер-ватна чутливість в області вимірювання і мінімальне значення темнового струму. Показано, що спектральна струмова чутливість кремнієвого фотодіода визначається коефіцієнтом відбиття випромінювання від поверхні Rλ і внутрішнім квантовим виходом ηλ, який визначається конструкцією переходу.
Значення темнового струму і ампер-ватної спектральної чутливості фотодіоду залежать від конструктивно-технологічних факторів. Для досягнення мінімального значення темнового струму та максимальної спектральної чутливості в діапазоні понад 900 нм, для планарно-дифузійної технології необхідні високоякісні кремнієві пластини з великою дифузійною довжиною. Це призводить до підвищення спектральної чутливості та зменшення шумової складової генерації струму.
В ході роботи були отримані фотодіоди, серед яких для подальших досліджень були відібрані ті, що мають найменше значенням темнового струму і максимальною ампер-ватною чутливістю на робочій довжині хвилі вимірювання. Дослідження показали, що температурний поріг для кремнієвого фотодіода з робочою довжиною хвилі 930 нм становить 450 °C. Аналітичні та емпіричні дослідження дозволяють покращити характеристики систем контролю температури для технології газофазної епітаксії. Також отримані результати сприяють розробці технології отримання фотоприймачів з покращеними характеристиками. У цьому випадку це дає змогу підвищити точність вимірювання температури поверхні пластин і контролю параметрів в процесі газофазної епітаксії, що в свою чергу призводить до підвищення ефективності самого процесу MOCVD.
Блок інформації про статтю
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
Посилання
S. I. Krukovskyi, V. Arikov, A. O. Voronko and V. S. Antonyuk, “Features of Low-Temperature GaAs Formation for Epitaxy Device Structures,” Journal of Nano- and Electronic Physics, 14 No 2, 02016, 2022, DOI: https;//doi.org/10.21272/jnep.14(2).02016
S. Xu, S. Zhang, J. D. Kirch, H. Gao, Y. Wang, M. L. Lee, S. R. Tatavarti, D. Botez, L. J. Mawst, “8.1 μm-emitting InP-based quantum cascade laser grown on Si by metalorganic chemical vapor deposition.” Appl. Phys. Lett. 17 July 2023; 123 (3): 031110. DOI: https://doi.rog/10.1063/5.0155202
A. R. Boyd, S. Degroote, M. Leys, F. Schulte, O. Rockenfeller, M. Luenenbuerger, and M. Heuken” Growth of GaN/AlGaN on 200 mm diameter silicon (111) wafers by MOCVD,” Physica Status Solidi (c), 6(S2), S1045–S1048. June 2009. DOI: https://doi.org/10.1002/pssc.200880925
B. McEwen, M. A. Reshchikov, E. Rocco, V. Meyers, K. Hogan, O. Andrieiev, M. Vorobiov, Denis O. Demchenko, and F. Shahedipour-Sandvik, “MOCVD Growth and Characterization of Be-Doped GaN”, ACS Applied Electronic Materials, 2022 4 (8), 3780-3785 DOI: https://doi.rog/10.1021/acsaelm.1c01276
A. O. Voronko and D. O. Novikov, “Dependence of temperature determination accuracy on the bandwidth of the interference filter in optical pyrometry systems”, Bull. Kyiv Polytech. Inst. Ser. Instrum. Mak., no. 65(1), pp. 52–57, Jun. 2023, DOI: https;//doi.org/10.20535/1970.65(1).2023.283332
V. G. Verbitskiy, V. S. Antonyuk, A. O. Voronko, L. M. Korolevych, D. V. Verbitskiy and D. O. Novikov, “Matrix of Photo-sensitive Elements for Determining the Coordinates of the Source of Optical Radiation,” Journal of Nano- and Electronic Phys-ics, vol. 13, no. 4, article 04029, Aug 2021, DOI: https://doi.org/10.21272/jnep.13(4).04029
T. Igo, and K. Sato, “Noise Characteristics in Silicon Photodiodes,” Japanese Journal of Applied Physics, 8(12), 1481–1491. 1969. DOI: https://doi.org/10.1143/jjap.8.1481
L.-F. Mao, ”Physical Model of the Effects of Drift Velocity on Current Transport in PN Junctions under the Forward Electric Field,”. Silicon. 2019. DOI: https;//doi.org/10.1007/s12633-019-00249-8
N. Margalit, C. Xiang, S. M. Bowers, A. Bjorlin, R. Blum & J. E. Bowers, "Perspective on the future of silicon photonics and electronics", Applied Physics Letters, 118(22), 220501. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0050117
Z. Djuríc, and B. Radjenović, “Rise time of silicon p-n-p photodiodes,” Solid-State Electronics, 26(12), 1143–1149. 1983. DOI: https;//doi.org/10.1016/0038-1101(83)90141-7
Park Myunghwan, Choi Kwangsik, S. Singh, S. Aslam, and M. Peckerar “Low leakage current technology in P+N silicon photodiode detector,” 2009 International Semiconductor Device Research Symposium.2009. DOI: https;//doi.org/10.1109/isdrs.2009.5378119
J. Geist, A. J. D. Farmer, P. J. Martin, F. J. Wilkinson and S. J. Collocott, “Elimination of interface recombination in oxide passivated silicon p^+n photodiodes by storage of negative charge on the oxide surface,” Applied Optics, 21(6), 1130.1982. DOI: https;//doi.org/10.1364/ao.21.001130
E. F. Zalewski and J. Geist, “Silicon photodiode absolute spectral response self-calibration,” Applied Optics, 19(8), 1214. 1989. DOI: https://doi.org/10.1364/ao.19.001214
R. Korde, R. And J. Geist, “Quantum efficiency stability of silicon photodiodes,” Applied Optics, 26(24), 5284. 1987. DOI: https://doi.org/10.1364/ao.26.005284
P. Dalapati, N. B. Manik, and A. N. Basu, “Effect of Temperature on Electro-Optical Characteristics of Silicon Based p-n Photodiode (VTB8440BH)”. Silicon. 2018. DOI: https://doi.org/10.1007/s12633-018-9789-0
H. Ouchi, T. Mukai, T. Kamei, and M. Okamura, “Silicon p-n junction photodiodes sensitive to ultraviolet radiation,” IEEE Transactions on Electron Devices, 26(12), 1965–1969. DOI: https://doi.org/10.1109/t-ed.1979.19803
