DE10048129A1

DE10048129A1 - Verfahren und Anordnung zur Detektion von Degradationsprozessen an Halbleiterbauelementen wie Laserdioden

Info

Publication number: DE10048129A1
Application number: DE10048129A
Authority: DE
Inventors: Ruediger Grunwald; Stefan Nerreter; Artur Baerwolff; Jens Wolfgang Tomm
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: DE10048129B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Detektion von Degradationsprozessen an Messobjekten wie Halbleiterbauelementen wie Laserdioden mit hoher Orts- und Signalauflösung. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, mit denen die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen eine wesentlich verbesserte Degradationsbestimmung bei Halbleiterbauelementen wie Laserdioden bei gleichzeitig verhältnismäßig geringem apparativen Aufwand gewährleistet ist, wird durch ein Verfahren gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Oberfläche des Bauelementes mittels einer fokussierten Strahlungsquelle wie Laser bestrahlt wird und die ortsaufgelöste Reflektivität der Oberfläche zur Verwendung als Kriterium des Degradationszustandes des Bauelementes bestimmt wird, wobei zur Positionierung eines Strahlungsspots auf der Oberfläche der von der Strahlungsquelle induzierte Photostrom im Halbleitermaterial verwendet und die von der Oberfläche reflektierte Strahlung auf einen mit einem Verstärker wie Lock-in-Verstärker verbundenen Messdetektor geführt wird und wobei die aufgenommenen Messdaten des Lock-in-Verstärkers und eines Photostrommessgerätes derart korreliert werden, dass nur Reflexionssignale ausgewertet werden, die einem maximalen Photostrom entsprechen, und dass über releavante mathematische Prozeduren wie Kovarianz, Korrelationsfunktionen eine Bewertung der Korrelation der ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Detektion von Degradationsprozessen an Halbleiterbauele menten wie Laserdioden mit hoher Orts- und Signalauflösung gemäß den Ansprüchen 1 und 11.

Lichtemittierende Halbleiterbauelemente, insbesondere Hoch leistungslaserdioden, besitzen zunehmende Bedeutung für industrielle Anwendungen wie beispielsweise Material bearbeitung, Biomedizin und Kommunikation. Für die Optimie rung von Fertigungs- und Systemparametern müssen derartige Komponenten hinsichtlich Lebensdauer und Langzeitverhalten charakterisiert werden.

Da bei Hochleistungslaserdioden die als Laserspiegel fungierenden Facetten im Betrieb besonderen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, kann davon ausgegangen werden, daß die Lebensdauer der Dioden zumindest teilweise vom Zustand der Verspiegelungsschichten abhängig ist und somit Veränderungen der Schichten die Lebensdauer limitieren.

Die bekannten optischen Meßverfahren zur ortsaufgelösten Erfassung von Degradationen basieren auf der Erzeugung ei nes Photostromes mittels eines fokussierten Lichtstrahls bzw. der Bestimmung der Facettentemperatur (DE 196 36 229 A1; C. J. R. Sheppard: "Scanning optical microscopy of semi conductor materials and devices", in "Scanning Microscopy", Vol. 3, No. 1, Pages 15-24, 1989).

Da eine Modifikation der Verspiegelungsschicht sich auch in einer Änderung der Fresnelreflektivität der Facette widerspiegeln muß, kann die Bestimmung der Reflektivität der aktiven Zone der Laserdiodenfacette zur Analyse von Degradationsprozessen genutzt werden. Dazu ist eine Bestimmung der Reflektivität mit einer Ortsauflösung typischerweise < 2 µm nötig. Ferner müssen bei der Positio nierung des Lichtspots auf der Facette Abweichungen vom ideal linearen Verlauf des Schichtensystems berücksichtigt werden.

Bekannt ist die ortsaufgelöste Messung der Fresnel- Reflektivität zur Charakterisierung von optischen Bauelementen. Die Abtastung mit fokussiertem Licht wird in kommerziellen Geräten zur Aufnahme von Gradientenindex profilen von GRIN-Linsen und Wellenleitern eingesetzt (A. Girard: "Reliable, acurate and costeffective optical fiber characterisation", TNOTE004.1AN, Exfo Canada; Patent US 1981000302150). Die Verwendung von Immersionsflüssigkeiten erlaubt es, Reflektivitätsunterschiede von < 0,0001 zu detektieren.

Bei den bekannten Verfahren auf der Basis von fokussiertem Licht gehen infolge der Winkelverteilung des Fokus Meßfeh ler in das integrierte reflektierte Signal ein. Diese hängen außerdem vom Polarisationszustand der Lichtquelle ab. Handelt es sich bei den zu vermessenden Proben um Mehrschichtsysteme, dann kommen Mehrfachinterferenzen hinzu, die berücksichtigt werden müssen.

Die Nutzung aktiver Detektion schwacher Signale mit Lasern oder optischen Verstärkern ist ebenfalls bekannt (CLEO/Europe 2000, Nizza 2000, Paper CFC4, Conference Digest, 370).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemässes Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, mit denen die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen eine wesentlich verbesserte Degra dationsbestimmung bei Halbleiterbauelementen wie Laser dioden bei gleichzeitig verhältnismäßig geringem appara tiven Aufwand gewährleistet ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Detektion von Degradationsprozessen an Meßobjekten wie Halbleiter bauelementen wie Laserdioden mit hoher Orts- und Signal auflösung durch eine Bestrahlung der Oberfläche des Bauelementes mit einer fokussierbaren Strahlungsquelle wie Laserstrahl und Bestimmung der ortsaufgelösten Reflekti vität der Oberfläche zur Verwendung als Kriterium des Degradationszustandes des Bauelementes durchgeführt, wobei zur Positionierung eines Strahlungsspots auf der Ober fläche der von der Strahlungsquelle induzierte Photostrom im Halbleitermaterial verwendet wird und wobei die von der Oberfläche reflektierte Strahlung auf einen mit einem Verstärker wie Lock-in-Verstärker verbundenen Meßdetektor geführt wird und wobei die aufgenommenen Meßdaten des Lock- in-Verstärkers und eines Photostrommeßgerätes derart korreliert werden, daß nur Reflexionssignale ausgewertet werden, die einem maximalen Photostrom entsprechen, und daß über relevante mathematische Prozeduren eine Bewertung der Korrelation der Datensätze von Photostrom und Reflektivität vorgenommen wird.

Die Anordnung nach der Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquelle wie Laserstrahl über eine Blende und eine Fokussiereinrichtung wie Mikroskopobjektiv mit der Halbleiterlaserdiode optisch verbunden ist, wobei die Halbleiterlaserdiode mit einer Meßeinrichtung zur Messung des durch die Strah lungsquelle induzierten Photostroms verbunden ist und wobei zur Erfassung der von der Halbleiterlaserdiode reflek tierten Strahlung zwischen der Blende und der Fokussierein richtung ein Strahlteiler vorgesehen ist, der optisch mit einem Meßdetektor und einem Verstärker wie Lock-in- Verstärker verbunden ist, und daß der Lock-in-Verstärker und die Meßeinrichtung mit einer Datenverarbeitungs einrichtung zur Korrelation der Meßwerte verbunden sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung stellen Kriterien zur Abschätzung der Lebensdauer von Halbleiterbauelementen wie Laserdioden und auch prognostische Aussagen zur Lebenserwartung bereit, nach denen Laserdioden mit geringer Lebenserwartung ausgesondert werden können. Es wird eine Qualitätskontrolle und eine Einschätzung der Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen möglich.

Es ist neben der Bestimmung des Degradationsverhaltens von Laserdioden auch die ortsaufgelöste Messung von Rest reflektivitäten an Mikrolinsen und die Bestimmung von Reflexionsprofilen an Mikrospiegel-Arrays sowie die Erfassung von Brechzahlen von vorzugsweise inhomogenen optischen Bauelementen wie GRIN-Linsen ohne aufwendige Änderungen möglich.

Zweckmässige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels der Reflektivitätsmessung der aktiven Zone einer Laserdiodenfacette näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Anordnung zur Messung der Degrada tion an einer Laserdiode,

Fig. 2 die Darstellung der vergleichenden Messung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für eine neue und eine gealterte Laserdiode,

Fig. 3 die Darstellung der vergleichenden Messung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für Reflektivität und Photostrom einer gealterten Laser diode zur Bewertung der Korrelation am selben Ort und

Fig. 4 den schematischen Aufbau der Front facette einer Hochleistungslaser diode mit 20 Einzelemittern.

Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 besteht die An ordnung zur ortsaufgelösten Messung der Reflektivität der aktiven Zone einer Laserdiodenfacette einer Laserdiode 5 aus einer Laserstrahlquelle 1, einer rotierenden Blende 2, einem Mikroskopobjektiv 4 sowie aus einem Strahlteiler 3, einem Meßdetektor 6 mit einem Lock-in-Verstärker 7, einem Meßgerät 9 zur Photostrommessung und einer Rechnereinheit 8.

Der Laserstrahl aus der Strahlquelle 1 wird mit der rotie renden Blende 2 moduliert und durch das Mikroskopobjektiv 4 auf die aktive Zone der Laserdiode 5 fokussiert, wobei der über den jeweiligen Abfall der Intensität auf das 1/e²- fache der Maximalintensität in der jeweiligen Ebene definierte Vollwinkel der Fokussierung 2α beträgt.

Die numerische Apertur des Objektivs 4 ist so zu wählen, daß die von der Probe (Laserdiode) 5 reflektierte Strahlung möglichst vollständig erfaßt wird.

Die Probe (Laserdiode 5) kann beim Meßvorgang mit Hilfe motorisch angetriebener Koordinatenachsen definiert verschoben werden. Die Motorsteuerung erfolgt dabei über die Recheneinheit 8, so daß eine ortsabhängige Messung des Reflexionssignals erfolgen kann.

Das angewendete Scan-Verfahren mißt parallel den induzierten Photostrom und das Reflexionssignal.

Aus der Abrasterung der Frontfacette der Diode 5 in vertikaler und horizontaler Richtung werden zwei Matrizen mit den positionsabhängigen Werten für die Reflexion und den Photostrom gewonnen. In einer anschließenden Prozedur wird die Matrix mit den Photostromdaten spaltenweise ausgelesen und der Index für den Maximalwert jeder Spalte ausgegeben. Mit diesem Index wird anschließend der Wert für die Reflektivität aus der Matrix mit den Reflexionsdaten extrahiert. Somit korreliert jeder ausgelesene Wert mit dem maximalen Photostrom an dieser Stelle. Als Resultat erhält man ein Array aus Reflexionsdaten, welche die Reflektivität der aktiven Zone über der Breite der Laserdiodenfacette darstellen.

Die Laserdiode 5 wird zunächst in y-Richtung verschoben, und synchron wird der generierte Photostrom mit dem Meßgerät 9 erfaßt. Der Betrag des Photostroms ist kenn zeichnend für die Position des Spots auf dem aktiven Bereich der Laserdiodenfacette. Das von der Facette reflek tierte Licht gelangt über den Strahlteiler 3 auf den Meßdetektor 6, welcher an den Lock-in-Verstärker 7 gekop pelt ist. Die Meßdaten des Lock-in-Verstärkers 7 und des Photostrommeßgerätes 9 werden mittels der Rechnereinheit 8 derart korreliert, daß nur Reflexionssignale ausgewertet werden, die einem maximalen Photostrom entsprechen. Damit ist gewährleistet, daß die entsprechenden Meßdaten von der aktiven Zone der Laserdiodenfacette stammen. Durch Verschieben der Laserdiode 5 in x-Richtung kann eine Topo graphie der Reflektivität des aktiven Bereiches der Facette erstellt werden.

Parallel zur Erfassung der Reflektivitätsdaten werden die Photostromdaten in einem weiteren Datenarray abgelegt. Aus den Reflektivitäts- und aus den Photostromdaten werden geeignete mathematische Funktionen, in der Fig. 1 mit Corr (x, y, t) bezeichnet, als Maß für die Korrelation beider ermittelt.

In der Fig. 2 ist eine vergleichende Messung nach der Erfindung an einer neuen und einer gealterten Laserdiode gezeigt.

Die Größe des Spots auf der Probenoberfläche (Laserdiode 5) beträgt ca. 1,5 µm. Die Auflösung in x-Richtung beträgt ebenfalls ca. 1,5 µm. Die Größe des Fokus kann durch entsprechende bekannte Techniken weiter verringert werden.

Die deutlichen Einbrüche der Reflektivität bei der gealterten Laserdiode lassen auf Degradationserscheinungen der Verspiegelungsschicht schließen. Durch die Beobachtung der Reflektivitätsänderungen der Laserdiodenfacette während der Betriebszeit kann eine Degradationsanalyse an alternden Laserdioden erfolgen.

Bei der Messung muß durch die geeignete Wahl der Leistungs parameter eine Beeinflussung der Degradationsprozesse durch die fokussierende Beleuchtung vermieden werden.

In der Fig. 3 sind aus den Meßdatensätzen für Reflektivität und Photostrom zwei entsprechende Kurven dargestellt, aus denen Informationen über die Korrelation der beiden Größen mit geeigneten mathematischen Prozeduren gewonnen werden. Solche mathematischen Prozeduren sind zum Beispiel Pearson Product-Moment Correlation Coefficient, Covarianz, Stan dard-Abweichungs-Methode.

Die Fig. 4 zeigt stark vereinfacht den Aufbau einer Hochleistungslaserdiode mit zwanzig Einzelemittern, welche auf einer Länge von 200 µm angeordnet sind.

In dieser Ausführung kann die Messung der Reflektivität mit der Wellenlänge des zu untersuchenden Lasers erfolgen, wobei der Laser dabei selbst entweder in cw-Betrieb oder mit einer von der Modulationsfrequenz des Beleuchtungs lasers verschiedenen Frequenz moduliert betrieben werden kann. Damit ist eine Bestimmung der Reflektivität bei laufendem Alterungsprozeß möglich. Durch Pulsen des Diodenstroms kann auch eine schnelle Alterung simuliert werden.

Bezugszeichenaufstellung

1

Strahlquelle

2

Blende

3

Strahlteiler

4

Mikroskopobjektiv

5

Laserdiode

6

Meßdetektor

7

Lock-in-Verstärker

8

Rechnereinheit

9

Meßgerät

Claims

1. Verfahren zur Detektion von Degradationsprozessen an Meßobjekten wie Halbleiterbauelementen wie Laser dioden mit hoher Orts- und Signalauflösung, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Bau elementes mittels einer fokussierten Strahlungs quelle wie Laser bestrahlt wird und die ortsauf gelöste Reflektivität der Oberfläche zur Verwendung als Kriterium des Degradationszustandes des Bauele mentes bestimmt wird, wobei zur Positionierung eines Strahlungsspots auf der Oberfläche der von der Strahlungsquelle induzierte Photostrom im Halblei termaterial verwendet und die von der Oberfläche reflektierte Strahlung auf einen mit einem Verstärker wie Lock-in-Verstärker verbundenen Meß detektor geführt wird und wobei die aufgenommenen Meßdaten des Lock-in-Verstärkers und eines Photo strommeßgerätes derart korreliert werden, daß nur Reflexionssignale ausgewertet werden, die einem maximalen Photostrom entsprechen, und daß über relevante mathematische Prozeduren wie Kovarianz, Korrelationsfunktionen eine Bewertung der Korrelation der Datensätze von Photostrom und Reflektivität vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle ein linear polarisierter Laser in Verbindung mit einem optischen Isolator wie Faraday-Rotator eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsaufgelöste Reflektivitätsmessung von aktiven Zonen von Laserdiodenfacetten vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle eine thermische Lichtquelle in Verbindung mit einem Monochromator eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur räumlichen Positionierung des Spots die ortsabhängige Stromstärke des induzierten Photostroms genutzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion der Reflektivität eine konfokale Anordnung mit Raumfrequenzfilterung verwendet wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung von fokussierenden Optiken mit großer numerischer Apertur der winkel- und polarisationsabhängige Fehler bei der Messung als Korrekturfaktor berücksichtigt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsverteilung der Strahlungsquelle derart hergestellt wird, daß eine Verringerung der Spotgröße des Fokus im Vergleich mit linear polarisiertem oder unpolarisiertem Licht erreicht wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Reflektivität mit der Wellenlänge eines zu untersuchenden Lasers wie Hochleistungslaserdiode vorgenommen wird, wobei der Laser selbst entweder im cw-Betrieb oder mit einer von der Modulationsfrequenz des Beleuchtungslasers verschiedenen Frequenz moduliert betrieben wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Informa tion die Korrelation mit Photolumineszenzdaten verwendet wird, für deren Generierung die gleiche Strahlungsquelle oder weitere Strahlungsquellen auf die Probe fokussiert werden und daß für die Detektion spektral separierte Kanäle verwendet werden.

11. Anordnung zur Degradationsbestimmung von Halbleiter bauelementen wie Halbleiterlaserdioden mit hoher Orts- und Signalauflösung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquelle wie Laser (1) über eine Blende (2) und eine Fokussiereinrichtung wie Mikroskopobjektiv (4) mit der Halbleiterlaserdiode (5) optisch verbunden ist, wobei die Halbleiter laserdiode (5) mit einer Meßeinrichtung (9) zur Messung des durch die Strahlungsquelle (1) induzier ten Photostroms verbunden ist und wobei zur Erfassung der von der Halbleiterlaserdiode (5) reflektierten Strahlung zwischen der Blende (2) und der Fokus siereinrichtung (4) ein Strahlteiler (3) vorgesehen ist, der optisch mit einem Meßdetektor (6) und einem Verstärker wie Lock-in-Verstärker (7) verbunden ist, und daß der Lock-in-Verstärker (7) und die Meßein richtung (9) mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (8) zur Korrelation der Meßwerte verbunden sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fokusjustage eine CCD-Kamera eingesetzt ist und zur Positionierung ein Autofocussystem dient.

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor (6) ein Laser oder ein optischer Verstärker eingesetzt sind.