Mìkrosistemi, Elektronìka ta Akustika (Dec 2023)
Дослідження динамічного діапазону кремнієвих фотодіодів для застосування в оптичній пірометрії
Abstract
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.
Keywords
