Мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних ІЧ-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 р.)

Розроблено чисельну процедуру розрахунків вольт-амперних характеристик, яку застосовано для аналізу InSb-діода з p-n-переходом. Визначено оптимальний профіль легування елекрично активної домішки. Показано, що для досягнення високої ефективності фотодетектування потрібно застосовувати мультиенергети...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2023
1. Verfasser:	Дубіковський, О.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2023
Schriftenreihe:	Вісник НАН України
Schlagworte:	Молоді вчені
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192915
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних ІЧ-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 р.) / О.В. Дубіковський // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 2. — С. 79-84. — Бібліогр.: 7 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-192915
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1929152023-07-20T20:53:22Z Мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних ІЧ-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 р.) Дубіковський, О.В. Молоді вчені Розроблено чисельну процедуру розрахунків вольт-амперних характеристик, яку застосовано для аналізу InSb-діода з p-n-переходом. Визначено оптимальний профіль легування елекрично активної домішки. Показано, що для досягнення високої ефективності фотодетектування потрібно застосовувати мультиенергетичну іонну імплантацію з енергією від 20 до 200 кеВ. Відповідну технологію було реалізовано. На різних етапах процесу використовували методи мас-спектрометрії вторинних іонів, що дало можливість коригувати технологічні параметри, зокрема контролювати профілі розподілу домішок. Встановлено, що оксиди індію та антимоніду, а також сегрегація антимоніду призводять до витоків струму. Знайдено режими додаткової обробки, які знижують такі паразитні ефекти. Досліджено процеси пасивації діодних структур і показано, що оптимальними покриттями є плівки нітриду кремнію. Розроблено технологію та виготовлено експериментальні зразки фотодіодів. A numerical procedure for calculating the current-voltage characteristics was developed, which was applied to the analysis of an InSb diode with a p-n junction, and the optimal doping profile of an electrically active impurity was determined. It has been shown that to achieve a high efficiency of photodetection, it is necessary to use multi-energy ion implantation with energies from 20 to 200 keV. The corresponding technology was implemented, and secondary ion mass spectrometry methods were used at different stages of the process, which made it possible to adjust the technological parameters, in particular, control the impurity distribution profiles. It has been established that oxides of indium and antimonide, as well as segregation of antimonide, lead to current leakages, additional processing modes have been found that lead to a decrease in such parasitic effects. The processes of passivation of diode structures have been studied and it has been shown that silicon nitride films are the optimal coatings. A technology has been developed and experimental models of photodiodes have been manufactured. 2023 Article Мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних ІЧ-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 р.) / О.В. Дубіковський // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 2. — С. 79-84. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. 0372-6436 DOI: doi.org/10.15407/visn2023.02.079 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192915 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Молоді вчені Молоді вчені
spellingShingle	Молоді вчені Молоді вчені Дубіковський, О.В. Мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних ІЧ-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 р.) Вісник НАН України
description	Розроблено чисельну процедуру розрахунків вольт-амперних характеристик, яку застосовано для аналізу InSb-діода з p-n-переходом. Визначено оптимальний профіль легування елекрично активної домішки. Показано, що для досягнення високої ефективності фотодетектування потрібно застосовувати мультиенергетичну іонну імплантацію з енергією від 20 до 200 кеВ. Відповідну технологію було реалізовано. На різних етапах процесу використовували методи мас-спектрометрії вторинних іонів, що дало можливість коригувати технологічні параметри, зокрема контролювати профілі розподілу домішок. Встановлено, що оксиди індію та антимоніду, а також сегрегація антимоніду призводять до витоків струму. Знайдено режими додаткової обробки, які знижують такі паразитні ефекти. Досліджено процеси пасивації діодних структур і показано, що оптимальними покриттями є плівки нітриду кремнію. Розроблено технологію та виготовлено експериментальні зразки фотодіодів.
format	Article
author	Дубіковський, О.В.
author_facet	Дубіковський, О.В.
author_sort	Дубіковський, О.В.
title	Мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних ІЧ-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 р.)
title_short	Мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних ІЧ-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 р.)
title_full	Мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних ІЧ-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 р.)
title_fullStr	Мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних ІЧ-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 р.)
title_full_unstemmed	Мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних ІЧ-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 р.)
title_sort	мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних іч-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні президії нан україни 28 грудня 2022 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2023
topic_facet	Молоді вчені
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192915
citation_txt	Мас-спектрометричні дослідження в технології виготовлення багатоелементних ІЧ-фотоприймачів на основі антимоніду індію (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 р.) / О.В. Дубіковський // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 2. — С. 79-84. — Бібліогр.: 7 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT dubíkovsʹkijov masspektrometričnídoslídžennâvtehnologíívigotovlennâbagatoelementnihíčfotoprijmačívnaosnovíantimoníduíndíûzamateríalaminaukovogopovídomlennânazasídanníprezidíínanukraíni28grudnâ2022r
first_indexed	2025-07-16T18:45:11Z
last_indexed	2025-07-16T18:45:11Z
_version_	1837830259870793728
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 2 79 МАС-СПЕКТРОМЕТРИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ В ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ БАГАТОЕЛЕМЕНТНИХ ІЧ-ФОТОПРИЙМАЧІВ НА ОСНОВІ АНТИМОНІДУ ІНДІЮ За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 28 грудня 2022 року Розроблено чисельну процедуру розрахунків вольт-амперних характерис- тик, яку застосовано для аналізу InSb-діода з p-n-переходом. Визначено оптимальний профіль легування елекрично активної домішки. Показано, що для досягнення високої ефективності фотодетектування потрібно за- стосовувати мультиенергетичну іонну імплантацію з енергією від 20 до 200 кеВ. Відповідну технологію було реалізовано. На різних етапах проце- су використовували методи мас-спектрометрії вторинних іонів, що дало можливість коригувати технологічні параметри, зокрема контролювати профілі розподілу домішок. Встановлено, що оксиди індію та антимоніду, а також сегрегація антимоніду призводять до витоків струму. Знайдено режими додаткової обробки, які знижують такі паразитні ефекти. Дослі- джено процеси пасивації діодних структур і показано, що оптимальними покриттями є плівки нітриду кремнію. Розроблено технологію та виго- товлено експериментальні зразки фотодіодів. Ключові слова: ІЧ-фотоприймач, мас-спектрометрія вторинних іонів, іонне легування, багатошарові наноструктури. Напівпровідники з вузькою забороненою зоною, такі як анти- монід індію (InSb), і досі залишаються актуальними ключови- ми елементами сучасних інфрачервоних технологій. Ці техно- логії орієнтовано на розроблення ефективних фотоприймачів для різних галузей застосування. У межах ІЧ-діапазону є дві важливі смуги: 3—5 мкм і 8—12 мкм, які називають середньо- хвильовим (middle wavelength infrared — MWIR) і довгохви- льовим (long wavelength infrared — LWIR) діапазонами [1] і які відповідають мінімумам абсорбції в атмосфері. Моно- кристалічний InSb є найбільш використовуваним матеріалом для зображень MWIR, маючи відсічку довжини хвилі на рівні ДУБІКОВСЬКИЙ Олександр Володимирович — доктор філософії (PhD), науковий співробітник відділу іонно-променевої інженерії і структурного аналізу Інституту фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2023.02.079МОЛОДІ МОЛОДІ ВЧЕНІВЧЕНІ 80 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (2) МОЛОДІ ВЧЕНІ 5,5 мкм за температури 77 К, що є сприятли- вою умовою для виготовлення ефективних ІЧ- фотодетекторів. Метою нашої роботи було розроблення тех- нології виготовлення багатоелементних інф- рачервоних фотоприймачів на основі моно- кристалів антимоніду індію для оптико-елек- тронних приладів і пристроїв. Її актуальність пов’язана переважно із застосуванням таких інфрачервоних систем у військовій галузі — приціли, головки самонаведення ракет, систе- ми теплопеленгації, пошуку і супроводу цілі [2, 3]. Процес виготовлення ІЧ-фотоприймачів складається з таких основних технологічних операцій: іонне легування, термічна оброб- ка, фотолітографія, нанесення пасивуючих діелектричних шарів, травлення, нанесення контактів. Реалізація цього процесу потребує використання різних методів контролю пара- метрів після кожної технологічної операції. Найбільш важливим є контроль глибини за- лягання і концентрації домішок на кожному етапі технологічного процесу виготовлення шаруватої багатофазної структури фотоприй- мача. Для досліджень було обрано методи мас- спектрометрії вторинних іонів (secondary ion mass spectrometry — SIMS) у різних модифі- каціях — динамічний метод (dynamic SIMS) та часопролітний (ToF-SIMS), що дає змогу отримувати інформацію про глибинний та латеральний розподіл домішок і домішкових комплексів. Цей вибір стає зрозумілим у результаті ана- лізу діаграми (рис. 1), на якій показано мож- ливості основних аналітичних методів. По осі ординат наведено значення чутливості мето- дів, а по осі абсцис — показники латеральної роздільної здатності. Максимальну чутливість має динамічний метод (dynamic SIMS) — на рівні 1012 атомів на 1 см3, а часопролітний ме- тод (ToF-SIMS) характеризується високою латеральною роздільною здатністю і дає ін- формацію про тип хімічного зв’язку. Всі інші методи мають на кілька порядків нижчу чут- ливість, недостатню для контролю технологіч- них процесів. У центрі колективного користування, ство- реному в Інституті фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, для мас- спектрометричних досліджень динамічним ме- Рис. 1. Діаграма можливостей різних аналітичних методів. EAG Laboratories. https://www.eag. com/techniques/ ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 2 81 МОЛОДІ ВЧЕНІ Рис. 3. Профілі розподілу берилію: а — розрахований; б — реалізований в ІЧ-фотоприймачі тодом використовують прилад Atomika 4000, а для досліджень часопролітним методом — ана- лізатор TOF-SIMS IV. Перевагами методу часопролітної мас- спектрометрії є висока роздільна здатність по глибині (менш як 1 нм) та можливість реєстра- ції всього спектра мас і його реконструкції за допомогою програмного забезпечення. Роз- глянемо, як це реалізовано в експериментах. Короткий малопотужний імпульс тривалістю 2 нс і величиною струму 1,5 пкА збуджує ге- нерацію вторинних іонів з 1—2 поверхневих шарів, після чого вторинні іони потрапляють в аналізатор системи, де реєструється час про- льоту іона, який залежить від його маси. Це дозволяє досліджувати практично непоруше- ну структуру, отримуючи достовірну інформа- цію про склад і хімічні зв’язки досліджуваного об’єкта. Ще однією важливою перевагою методу є можливість отримувати тривимірні зобра- ження профілю розподілу елементів і мати вичерпну інформацію про його елементний склад у кожній точці досліджуваного про- стору. Це дуже актуально для аналізу причин відмов пристроїв. На рис. 2 наведено приклад зображення шаруватої структури [4], де кож- ний шар відповідає розподілу певної домішки в тривимірному просторі. Для формування р-області в InSb прово- дять імплантацію акцепторної домішки, якою Рис. 2. Три- вимірне зо- браження періодичної шаруватої мо- лібден-кремні- євої структури, відтворене з профілю розпо- ділу можуть бути атоми берилію або магнію [5, 6]. Використання імплантації берилію має істотні переваги, оскільки легкий іон утворює значно менше дефектів і проникає на більшу глиби- ну за малих енергій імплантації. Ми виконали розрахунки профілів розподілу берилію і пока- зали, що оптимальною є імплантація з різними енергіями та дозами. Малі енергії імплантації дозволяють забезпечити високу якість контак- ту, а великі енергії — отримати необхідну гли- бину залягання p-n-переходу. На рис. 3 наведено профілі розподілу атомів берилію, імплантованих з різними дозами та енергіями 45 і 150 кеВ, один з яких було отри- мано за допомогою теоретичних розрахунків (рис. 3а), а другий — експериментально у ви- готовлених фотодіодах (рис. 3б). Як можна бачити, розрахований профіль максимально наближений до реального [7]. Для досліджень L ay er μm Be Dose 82 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (2) МОЛОДІ ВЧЕНІ профілів розподілу берилію було використано динамічний метод SIMS, оскільки з усіх мас- спектрометричних методів він має найбільшу чутливість. Було також проведено аналіз формування пасивуючих діелектричних оксинітридних плівок. На рис. 4 зображено профілі розподі- лу елементів, які є складовими оксинітридної плівки. Основною проблемою під час нане- сення плівок є формування однорідної плівки з низьким вмістом кисню. Розподіл компо- ненти SiN (рис. 4а, крива 2) по глибині плів- ки показав, що плівка є досить неоднорідною і містить значну кількість кисню (рис. 4а, кри- ва 4). Оптимізація режимів нанесення плівки (швидкість нанесення, склад газової суміші, температура, вакуумні умови) дозволила отри- мати однорідні плівки зі значно меншою кон- Рис. 4. Профілі розподілу елементів в оксинітридній плівці до (а) та після (б) оптимізації технологічного про- цесу: 1 — Si; 2 — SiN; 3 — SiO2; 4 — O2 Рис. 5. Профілі розподілу домішок на межі поділу оксинітридної плівки та антимоніду індію до (а) та після (б) оптимізації технологічного процесу ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 2 83 МОЛОДІ ВЧЕНІ центрацією кисню (рис. 4б). Отже, дані мас- спектрометричного аналізу щодо розподілу компонентного складу плівок дали змогу ско- ригувати співвідношення компонентів газової суміші, з якої відбувається нанесення плівки, і в такий спосіб забезпечити однорідність паси- вуючих покриттів (рис. 4б, крива 2). У дослідженнях межі поділу плівки оксині- триду та антимоніду індію було виявлено, що на початковій стадії нанесення плівки на межі поділу формуються оксиди індію та антимо- ніду (рис. 5а), які набувають провідних влас- тивостей при подальших температурних об- робках. На рис. 5б наведено профіль розподілу іонів у пасивуючому покритті, яке було нане- сено після оптимізації технологічного режиму. Як видно, запропонована технологія дозволяє уникнути формування оксидів індію та анти- моніду і суттєво поліпшити характеристики ІЧ-фотоприймачів. Важливими є також дослідження контак- тних областей фотодіода, які являють собою складну багатошарову структуру, що склада- ється з шарів нікелю, хрому, золота і забезпе- чує адгезію та високу провідність контактної області. З використанням часопролітного методу (ToF-SIMS) було показано, що причиною ве- ликих зворотних струмів є дифузія нікелю та хрому в область p-n-переходу. Для зменшен- ня дифузії ми запропонували змінити темпе- ратурні режими формування контактних об- ластей. Експериментально було виготовлено од- ноелементні, а також 6- і 13-елементні ІЧ- фотоприймачі. Отже, в Інституті фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України розро- блено методики мас-спектрометричного аналі- зу домішкового складу структур на різних ета- пах технологічного виготовлення фотоприй- мачів ІЧ-діапазону спектра на основі InSb. За- пропоновано чисельну процедуру розрахунків вольт-амперних характеристик і застосовано її для аналізу InSb-діода з p-n-переходом. По- казано якісний збіг розрахунків з експеримен- тальними результатами. Визначено оптималь- ний профіль легування InSb іонами Be+, що за- безпечує ефективне детектування. Розроблено технологію та виготовлено експериментальні зразки ІЧ-фотоприймачів для ділянки спектра 3—5 мкм. REFERENCES 1. Karim A., Andersson J.Y. Infrared detectors: Advances, challenges and new technologies. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2013. 51: 012001. https://doi.org/10.1088/1757-899X/51/1/012001 2. Rogalski A. Infrared detectors for the future. Acta Physica Polonica A. 2009. 116(3): 389—405. https://doi. org/10.12693/APhysPolA.116.389 3. Downs C., Vandervelde T.E. Progress in infrared photodetectors since 2000. Sensors (Basel). 2013. 13(4): 5054—5098. https://doi.org/10.3390/s130405054 4. Oberemok O., Sabov T., Dubikovskyi O., Kosulya O., Melnik V., Romanyuk B., Popov V., Liubchenko O., Kladko V., Zubarev E., Pershyn Y. The elemental composition mixing in a Mo/Si multilayer structure under overheating. Materi- als Today: Proceedings. 2021. 35(4): 579—583. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.11.018 5. Liu J. Rapid thermal annealing characteristics of Be implanted into InSb. Appl. Surf. Sci. 1998. 126(3-4): 231—234. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(97)00695-8 6. Goltvyanskyi Yu.V., Gudymenko O.J., Dubikovskyi O.V., Liubchenko O.I., Oberemok O.S., Sabov T.M., Sapon S.V., Chunikhina K.I. Investigation of photodiode formation processes in InSb by using beryllium ion implantation. Opto- electronics and Semiconductor Technique. 2017. 52: 141—150. https://doi.org/10.15407/jopt.2017.52.141 7. Korotyeyev V.V., Kochelap V.O., Sapon S.V., Romaniuk B.M., Melnik V.P., Dubikovskyi O.V., Sabov T.M. Be-ion im- planted p-n InSb diode for infrared applications. Modeling, fabrication and characterization. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2018. 21(3): 294—306. https://doi.org/10.15407/spqeo21.03.294 84 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (2) МОЛОДІ ВЧЕНІ Oleksandr V. Dubikovskyi V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1504-8440 MASS SPECTROMETRIC STUDIES IN THE TECHNOLOGY OF MANUFACTURING MULTI-ELEMENT IR PHOTODETECTORS BASED ON INDIUM ANTIMONIDE According to the materials of report at the meeting of the Presidium of the NAS of Ukraine, December 28, 2022 A numerical procedure for calculating the current-voltage characteristics was developed, which was applied to the anal- ysis of an InSb diode with a p-n junction, and the optimal doping profile of an electrically active impurity was deter- mined. It has been shown that to achieve a high efficiency of photodetection, it is necessary to use multi-energy ion im- plantation with energies from 20 to 200 keV. The corresponding technology was implemented, and secondary ion mass spectrometry methods were used at different stages of the process, which made it possible to adjust the technological parameters, in particular, control the impurity distribution profiles. It has been established that oxides of indium and antimonide, as well as segregation of antimonide, lead to current leakages, additional processing modes have been found that lead to a decrease in such parasitic effects. The processes of passivation of diode structures have been studied and it has been shown that silicon nitride films are the optimal coatings. A technology has been developed and experimental models of photodiodes have been manufactured. Keywords: IR photodetector, secondary ion mass spectrometry, ion doping, multilayer nanostructures. Cite this article: Dubikovskyi O.V. Mass spectrometric studies in the technology of manufacturing multi-element IR photodetectors based on indium antimonide. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2023. (2): 79—84. https://doi.org/10.15407/ visn2023.02.079

Institution

Ähnliche Einträge