DE19526983C2 - Verfahren zur Messung und Überprüfung der elektrischen Stromverteilung in hochintegrierten Bauteilen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung und Überprüfung der elektrischen Stromverteilung in hochintegrierten Bauteilen, die verdeckte und gegenüber der freien Oberfläche dieser Bauteile isoliert verlaufende Strompfade aufweisen, wobei durch die Bauteile ein elektrischer Strom hindurchgeleitet und das von diesem Strom erzeugte Magnetfeld mittels eines Sensors, der mit annähernd gleichbleibendem Abstand entlang jedes Bauteils verschoben wird, detektiert wird.

Ein Verfahren zur Überprüfung von verdeckten Strompfaden in einem Körper der vorstehend angegebenen Art ist aus der DE 40 16 639 A1 bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird die bei Stromführung von den Strompfaden an der freien Oberfläche des Körpers mit vorbestimmten Feldstärkeverhältnissen hervorgerufene Magnetfeldverteilung mittels eines den Feldstärkever­ hältnissen entsprechenden Magnetfeldsensors nach einem vorgegebenen Rasterschema abgetastet. Diese Verteilung wird in einer dem Magnetfeld­ sensor nachgeordneten Elektronik weiterverarbeitet und einer Einrichtung zur bildlichen Darstellung zugeführt. Aus dieser Darstellung soll eine eindeutige Aussage über die Lage und Funktionsfähigkeit der einzelnen Strompfade in dem Prüfling gewonnen werden.

Hochleistungslaserdioden wurden in den letzten Jahren sehr schnell weiter­ entwickelt und sie haben vielseitige Anwendungen gefunden. Dies beruht insbesondere darauf, daß sich Hochleistungslaserdioden durch ihren hohen Wirkungsgrad, der bei ca. 30% liegt, ihrer Wartungsfreiheit und ihrer kompakten Bauform sowie der hohen Leistung, die erreichbar ist, auszeich­ nen. Darüberhinaus ersetzen Hochleistungslaserdioden zunehmend konven­ tionelle Lasersysteme.

Lineare Arrays aus Emittergruppen, aus denen Hochleistungsdiodenlaser aufgebaut sind, weisen typischerweise eine Länge von etwa 10 mm auf. Die Anzahl und die Abmessungen der Emitter und/oder Emittergruppen variieren je nach dem Typ der eingesetzten Dioden. Typische Emitter oder Emitter­ gruppen besitzen eine Breite von 20 bis 200 µm, die in einem Array jeweils durch eine Zone von 20 bis 400 µm Breite getrennt sind. Die einzelnen Emitter sind, bedingt durch den Herstellprozeß, elektrisch pa­ rallel geschaltet.

Es hat sich gezeigt, daß beim Herstellen, bei der Montage und beim Betrieb von Laserdioden Fehler nicht vermeidbar sind. Ein wichtiges Kriterium für den industriellen Einsatz von Laserdioden ist die Lebensdauer. Erwartet werden ca. 5.000 Stunden als untere Grenze. Erwünscht sind Lebensdauern von < 10.000 Stunden.

In den einzelnen "Lebensabschnitten" der Laserdioden ergeben sich die nachfolgend aufgeführten Fehlerursachen:

• a) Im Bereich der Halbleitertechnik (Herstellung der Laserdioden auf dem Wafer):
  • - Fehler im Kristallaufbau, deren Ursache Versetzungen im Kristallgit­ ter (Liniendefekte) sind. Diese Fehler sind als sogenannte "Dark Line Defects" bekannt und führen zum Anstieg der Absorption im Halbleiter. Typische Zeiten für eine Degradation bis zum Totalausfall liegen bei ca. 100 Stunden.
• b) Im Bereich der Montagetechnik (Montage der Laserdiode auf dem Trä­ ger/Kühler):
  • - Die unter a) genannten Versetzungen können auch durch mechanische Spannungen bedingt durch die Montage der Laserdiode auf den Kühler bzw. durch unterschiedliche Wärmeausdehnung von Kühler- und Laserdio­ de verursacht werden.

Weitere Ausfallursachen sind:

• - Versprödung des Lotinterfaces
• - Inhomogenität der Lotverbindung
  • a) Im Bereich des Funktionstests (= "Burn in"):
    Bei der Untersuchung der mittleren Lebensdauer von Laserdioden zeigt sich, daß ein großer Teil der Fehler in den ersten 24 bis 100 Betriebs­ stunden auftritt. Erst durch Einführen einer Testphase unter Betriebs­ bedingungen werden Lebensdauergarantien durch den Hersteller möglich. Diese Testphase dient auch zur Erforschung der Fehlerursachen um gege­ benenfalls Fehler im Fertigungs/Montageprozeß zu korrigieren. Durch ausführliche Tests können auch die nachfolgend unter d) genannten Feh­ lerursachen untersucht werden.
  • b) Während des Einsatzes/Betriebs:
    • - Während des Betriebs der Laserdiode entstehen ebenfalls Defekte im Halbleitermaterial (siehe a)).
    • - Eine weitere Fehlerursache ist die Verringerung der Facettenqualität durch photounterstützte Reaktionen.
    • - Sind die emittierenden Flächen nicht vor Verschmutzungen geschützt, dann führen bereits kleinste Partikel zur Absorption des Laserlichts und damit zur Aufheizung und Zerstörung der Facetten.
    • - Diffusion von Material der Elektroden (zur Kontaktierung der Laser­ dioden) in die aktive Zone. Ein Beispiel ist die Bildung von soge­ nannten "Whiskern", das sind einige Mikrometer dicke und bis zu eini­ gen 100 Mikrometern lange Metallspitzen, die sich während des Be­ triebs der Laserdiode bilden und einen lokalen Kurzschluß der Laser­ diode verursachen können ("Elektro-Migration").
    • - Beschädigung der Laserdiode durch elektrische Spannungen bzw. Ströme. Diese können z. B. durch Fehlfunktionen der Stromversorgung und durch elektrostatische Entladungen verursacht werden. Zu hohe Ströme in Durchlaßrichtung können zur Zerstörung der Facette durch das emit­ tierte Laserlicht führen. Spannungen größer 2 V in Sperr-Richtung führen zur Zerstörung der Laserdiode, da bei den zur Zeit erhältli­ chen Laserdioden keinerlei Schutzmechanismen eingebaut werden.

Die unterschiedlichen Fehler, die auftreten können und größtenteils vor­ stehend angesprochen sind, treten sowohl in einer frühen Herstellphase auf, allerdings auch während der Testphase oder des Betriebs und können zu einem Herabsetzen der Leistung der einzelnen Emitter oder zu einem voll­ ständigen Ausfall führen.

Aus der vorstehenden Problematik ergibt sich das Erfordernis einer Quali­ tätskontrolle für die aus den Einzelemittern oder Einzelemittergruppen aufgebauten Hochleistungslaserdioden, sowohl herstellerseitig als auch kundenseitig.

Derzeit wird eine Qualitätskontrolle der Halbleiterlaserdioden mittels Strommessung nur seitens des Halbleiterherstellers vorgenommen. Dazu wer­ den die einzelnen Laserdiodenbarren mit einer Prüfspitze mechanisch kon­ taktiert und mit Strom versorgt. Als Prüfkriterium dient die über die Laserdiode abfallende, elektrische Spannung.

Die heute meist eingesetzte Methode ist diejenige, die emittierte Leistung der Hochleistungslaserdioden (lineares Array von Einzelemittern oder Emit­ tergruppen) zu messen; hieraus kann allerdings kein eindeutiger Rückschluß auf eine Fehlerursache gezogen werden. So kann z. B. nicht zwischen Kon­ taktierungsfehlern und schlechtem Wirkungsgrad bzw. dem Ausfall einer oder mehrerer Emittergruppen (trotz korrekter Kontaktierung) unterschieden werden.

Zur genaueren (und automatisierbaren) Klassifizierung der Ausfallursache ist eine Kombination der ortsaufgelösten Messung des emittierenden Lichts, der Wellenlänge des emittierenden Lichts sowie des Stroms notwendig.

Ausgehend von dem Stand der Technik, wie er aus der DE 40 16 639 A1 bekannt ist und der vorstehend geschilderten Problematik der Qualitätskontrolle von Hochleistungslaserdioden, die aus Einzelemittern oder Einzelemittergruppen zu Arrays bzw. zu Feldanordnungen zusam­ mengesetzt sind, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine bessere Fehleranalyse auch nach der Konfek­ tionierung der Hochleistungslaserdiodenbarren, d. h. nach der Montage der Hableiterdiodenbarren auf einem Träger, durchgeführt werden kann, und das auch anwenderseitig, d. h. auf Seiten des Kunden, der solche Hochlei­ stungslaserdioden als Systemkomponenten verwendet, benutzbar ist, das allerdings gegenüber den bekannten Verfahrensweisen aussagekräftiger ist. Weiterhin soll das Verfahren die Möglichkeit einer nachträglichen Untersuchung von Fehlern, die während des Betriebs der Laserdioden entstanden sind, durch den Hersteller der Laserdioden bieten.

Gelöst wird die Aufgabe, ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfah­ ren, dadurch, daß zur Messung der elektrischen Stromverteilung in Hochleistungslaserdioden, die aus Einzelemittern zu einem Array bzw. einer Feldanordnung zusammengefaßt sind, durch das Array ein elektrischer Strom hindurchgeleitet und das von diesem Strom erzeugte Magnetfeld mittels eines Sensors, der mit annähernd gleichem Abstand enlang jeder Emit­ terfläche des Arrays verschoben wird, detektiert wird, und daß neben dem erzeugten Magnetfeld eine ortsaufgelöste Messung der Temperatur der aus den Emitterflächen emittierten Strahlung mittels einer Temperatur-Meßeinrichtung vorgenommen wird, wobei die Meßeinrichtung zusammen mit dem Magnetfeld-Sensor verschoben wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, das durch den Laserdiodenstrom erzeugte Magnetfeld mittels eines Sensors zu detektieren, der entlang der Emitterflächen des Arrays geführt wird. Aus einer Änderung des Magnetfelds entlang des Arrays bzw. der Feldanordnung kann dann ein Meßsignal abgelei­ tet werden, das einen Rückschluß auf die ordnungsgemäße oder fehlerhafte Arbeitsweise der Emitter oder Emittergruppen zuläßt, ergänzt durch die ortsaufgelöste Messung der Temperatur. Bei einer Führung des Sensors entlang des Arrays können die den einzelnen Emittern oder Emittergruppen zugeordneten, von den durch die Emitter fließenden Strom erzeugten Magnetfelder mit einer ausreichenden Auflösung erfaßt werden. Durch Vergleichsmessungen anhand von definiert in solchen Anordnungen eingebauten Fehlern, wie beispielsweise eine Nichtkontaktierung oder eine einseitige Kontaktierung oder eine fehlerhafte Kontaktierung, die einen Einfluß auf das erzeugte Magnetfeld hat, können anhand der entsprechenden Signalverläufe auf Störungen und die jeweiligen Fehler in der Hochleistungslaserdiode geschlossen werden. Es hat sich auch gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren unter Laserbetrieb der Hochleistungs­ laserdioden angewandt werden kann. Die ortsaufgelöste Strommessung wird durch eine ortsaufgelöste Messung der Temperatur der aus den Emitterflächen emittierten Strahlung ergänzt. Hierzu wird mittels einer Meßeinrichtung die Wellenlänge der von den Emitterflächen emittierten Strahlung erfaßt und daraus die Temperatur bestimmt. Üblicherweise betragen die Wellenlängenänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur 0,2 bis 0,3 nm pro Kelvin. Durch diese ortsaufgelöste Messung der Temperatur ergänzend zur ortsaufgelösten Strommessung kann die Fehlerdiagnostik der Hochleistungslaserdiodenbarren noch weiter präzisiert werden. So kann zum Beispiel aufgrund dieser zusätzlichen, ortsaufgelösten Temperaturmessung zwischen mangelnder Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit der Verbindung (Lotschicht) des Laserdiodenbarrens mit dem Kühler unterschieden werden. Für die ortsaufgelöste Messung der Temperatur kann ein Lichtwellenleiter mit einem Kerndurchmesser in der Größenordnung der gewünschten Ortsauflösung (typischerweise 5 bis 20 µm) und Messung der Wellenlänge der durch den Lichtwellenlängenleiter erfaßten Laserdiodenstrahlung erfolgen. Vorzugsweise wird im Rahmen einer solchen Messung der Lichtwellenleiter auf einer Linearverschiebeeinheit neben dem Magnetfeld-Sensor montiert.

Vorzugsweise wird zur Durchführung des Verfahrens durch das Array ein modulierter, elektrischer Strom geleitet; hierdurch wird erreicht:

• - Die thermische Belastung des Sensors durch Absorption des Laserlichts bleibt gering.
• - Der Einsatz induktiver Sensoren, die nur zeitlich veränderliche Felder erfassen, wird möglich.
• - Die Auswerteschaltung hinter dem Sensor für den Empfang des modulierten Signals kann optimiert werden, z. B. zur Unterdrückung von Rauschen und anderen Störungen.

Wenn ein sinusförmiger, schmalbandig modulierter, elektrischer Strom für die Prüfung des Arrays eingesetzt wird, kann ein Lock-In-Verstärker zur Verstärkung des Sensorsignals eingesetzt werden.

Anstatt der sinusförmigen Modulation wird der Strom während der Messung gepulst, so daß die thermische Belastung des Sensors durch die emittierte Laserstrahlung gering bleibt.

Der elektrische Strom sollte weiterhin eine Stromstärke im Bereich von 8 bis 200 A besitzen, mit einer Pulsbreite im Bereich von 10 ns bis 100 µs und mit einer Frequenz im Bereich von 1 bis 100 kHz; mit einem elektrischen Strom innerhalb dieser Bereiche wird sichergestellt, daß eine realistische Belastung der Laserdiode erreicht wird.

Zur ausreichenden lateralen Auflösung des Magnetfelds sind, abhängig von der Struktur der Laserdiode und von dem gewünschten Meßergebnis (Auflösung von Strömen durch Einzelemitter bzw. Detektion der Ablösung der Kontak­ tierung), unterschiedliche Abstände zwischen zwei Messungen zu realisie­ ren. Im ersten Fall sind Abstände vom 0,1- bis 1-fachen der Emitterlänge sinnvoll, im zweiten Fall sind Messungen im Abstand vom 0,01- bis 0,1-fachen der Laserdiodenlänge ausreichend. Der Sensor kann kontinu­ ierlich oder schrittweise bewegt werden. In beiden Fällen muß dem Meß­ system der Ort der einzelnen Messungen "bekannt" sein.

Zur ausreichenden lateralen Auflösung des Magnetfelds sind, abhängig von der Struktur der Laserdiode und von dem gewünschten Meßergebnis (Auflösung von Strömen durch Einzelemitter bzw. Detektion der Ablösung der Kontak­ tierung), unterschiedliche Abstände zwischen zwei Messungen zu realisie­ ren. Im ersten Fall sind Abstände vom 0,1- bis 1-fachen der Emitterlänge sinnvoll, im zweiten Fall sind Messungen im Abstand vom 0,01- bis 0,1-fachen der Laserdiodenlänge ausreichend. Der Sensor kann kontinu­ ierlich oder schrittweise bewegt werden. In beiden Fällen muß dem Meß­ system der Ort der einzelnen Messungen "bekannt" sein.

Weiterhin sollte sichergestellt werden, daß der Sensor in einem definier­ ten Abstand entlang der Emitterflächen des Arrays verschoben wird, der, um eine ausreichend hohe Auflösung der Meßsignale zu erzielen, zwischen 10 bis 500 µm liegen sollte, wobei als bevorzugter Abstand etwa 50 bis 100 µm zu nennen ist. Um einen solchen Abstand definiert einzuhalten, kann eine lineare Verschiebeanordnung eingesetzt werden, um den Sensor exakt an den gewünschten Meßstellen zu positionieren.

Der Einsatz von Magnetfeldsensoren gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß mit solchen Sensoren kleine Abmessungen des Magnetkreises bei einer hohen Ortsauflösung, einer ausreichenden Empfindlichkeit und guten Linea­ rität erzielt werden können. Die gute Ortsauflösung des Sensors ist not­ wendig, um bei den verwendeten Emitterstrukturen Ausfälle von Emittern oder Emittergruppen nachweisen zu können, d. h. die Auflösung eines solchen Sensors muß im Bereich von 20 µm liegen. Die Empfindlichkeit, die er­ forderlich ist, und mit solchen Magnetfeldsensoren erreichbar ist, liegt bei einem Signal-Rausch-Abstand von < 40 dB. Das Prinzip eines solchen Sensors, der bevorzugt einzusetzen ist, d. h. ein Sensor in Form eines Magnetkreises, der einen Luftspalt aufweist, in Verbindung mit einem Wand­ ler zur Umwandlung der detektierten, magnetischen Feldstärke in eine elek­ trische Größe, basiert darauf, daß der Luftspalt einen wesentlich höheren magnetischen Widerstand besitzt als der übrige Kreis, so daß sich die in den Sensor eintretenden Feldlinien über den Kern des Magnetkreises schließen. Der magnetische Fluß wird dann in eine der Flußänderung pro­ portionalen Spannung umgesetzt, die das zur Auswertung gelangende Meß­ signal liefert. Als bevorzugte Wandler sind Hall-Element, Feldplatte oder Spule zu nennen, wobei sich eine solche Feldplatte bzw. eine Spule als bevorzugt herausgestellt hat, die in Dünnschichttechnologie hergestellt wird. Aufgrund der Anschlußgeometrie von Hallplättchen um die eigentliche Meßfläche herum ist es schwierig, eine solche Geometrie der Hallsonde zu erhalten, die ein ausreichend nahes Herantreten an die Meßfläche der Emit­ ter ermöglicht. Der Einsatz von Spulen als Wandler bietet die Möglichkeit, die Empfindlichkeit durch eine höhere Anzahl von Spulenwindungen zu ver­ größern. Demgegenüber wurde festgestellt, daß eine durch erhöhte Spulen­ windungszahl erreichbare höhere Induktionsspannung dem Nachteil einer erhöhten Induktivität gegenübersteht, die zusammen mit den Leitungs- und Verstärkerimpedanzen, die sich durch nachgeschaltete Verstärkeranordnungen ergeben, einen Schwingkreis bilden. Beim Einsatz solcher Sonden muß daher darauf geachtet werden, daß die Zeitkonstanten der Induktivität und der Verstärkerimpedanzen kleiner als die Anstiegszeiten der Impulsflanken der Signale sind.

Die besten Ergebnisse hinsichtlich der vorstehenden, erläuterten Anforde­ rungen, die an einen solchen Wandler gestellt werden, wurden mit Dünn­ schichtsensoren (mit Spulen) erzielt. Der Vorteil solcher in Dünnschicht­ technologie hergestellter Feldplatten und Spulen ist die Möglichkeit, sehr kleine Luftspalte und kleine magnetische Kreise zu erzielen, die zu einer höheren Ortsauflösung führen. Eingesetzt wurde der Sensor eines Feldplat­ ten-Lesekopfs.

Das elektrische Signal, das von dem Wandler abgegeben wird, wird geeignet verstärkt, wobei vorzugsweise ein mehrstufiger Operationsverstärker mit niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis in der ersten Stufe eingesetzt wird. Ein mehrstufiger Verstärker ist deshalb bevorzugt, da eine mehrstufige Version gegenüber einem einstufigen Verstärker bei gleicher Verstärkung zu einer höheren Bandbreite führt. Um das Rauschen eines solchen Verstärkers zu optimieren wird zum einen die Bandbreite auf den gewünschten Bereich eingegrenzt, darüberhinaus das Widerstandsniveau abgesenkt.

Zur weiteren Optimierung eines in einer Wandler-Spule erzeugten, differen­ zierten Stromsignals wird das Integral ausgewertet, wozu im Rahmen der Signalaufbereitung vorzugsweise als erste Stufe ein Kurzzeit-Integrator eingesetzt wird. Mit einem solchen Integrator wird erreicht, daß die Span­ nung am Ausgang des Integrators proportional dem gemessenen Strom ist. Weiterhin geht die Anstiegszeit des Stromimpuls, mit dem die Laserdiode betrieben wird, nicht in das Meßergebnis ein. Integriert wird dabei nur während der ansteigenden Flanke des Stromimpulses, der Integrator muß nach der Messung entladen werden.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des dazu eingesetzten Schaltungsaufbaus ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Magnetfeldmeßsystems,

Fig. 2 eine vereinfachte, schematische Darstellung eines Laserdioden­ arrayausschnitts,

Fig. 3 einen Schaltplan des Vorverstärkers, wie er als Komponente in dem Blockschaltbild der Fig. 1 eingesetzt ist,

Fig. 4 eine Meßkurve an einem Laserdiodenbarren mit 50 Einzelemittern, entlang derer die Magnetfeldstärken in x-Richtung (siehe Fig. 2) vermes­ sen wurden, wobei ein Ausfall der zehn am weitesten nach rechts liegenden Einzelemitter simuliert wurde,

Fig. 5 eine Meßkurve an einer Emitteranordnung, die der Emitteranordnung entspricht, die für die Messung gemäß der Fig. 4 eingesetzt wurde, wobei der Ausfall eines einzelnen Emitters simuliert wurde, und

Fig. 6 drei Meßkurven, an drei linearen Laserdiodenarrays mit einer Brei­ te von insgesamt 10 mm, einer Emitterbreite von 60 µm und einem mitt­ leren Abstand benachbarter Emitter von 200 µm, die jeweils auf einem Träger aus Silizium und einem Kühlkörper aus Kupfer angeordnet sind, auf­ genommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Messung der elektrischen Stromver­ teilung in Hochleistungslaserdioden, die aus Einzelemittern zu einem Array bzw. zu einer Feldanordnung zusammengefaßt sind, eingesetzt. Ein solches Array bzw. eine solche Feldanordnung 1, wie sie schematisch in Fig. 2 gezeigt ist, weist in ihrem typischen Aufbau einzelne Emittergruppen 2 auf, die an der Unterseite über eine Kupferplatte als positive Elektrode 3 und an der Oberseite über eine negative Elektrode 4 mit Strom versorgt werden. Die Laserdiodenbarren oder Emittergruppen 2, die zwischen diesen beiden Elektroden 3, 4 liegen, sind in Z-Richtung gesehen aus einem nicht näher dargestellten Trägersubstrat mit einer typischen Höhe von etwa 95 µm und einer aktiven Schicht mit einer typischen Höhe von 5 µm aufgebaut. Zur Klarheit der Darstellung ist die Stromverteilung, durch die Pfeile 7 angedeutet, nur auf die Frontfläche beschränkt.

Um das von dem Strom 7 erzeugte Magnetfeld, das einen Rückschluß auf die Arbeitsweise der einzelnen Emittergruppen 2 zuläßt, zu detektieren, wird ein Magnetfeldmeßsystem eingesetzt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Hochleistungslaserdiode bzw. die aus Einzelemittern aufgebaute Feldanord­ nung 1, entsprechend der Fig. 2, kann in einer nicht näher dargestellten Aufnahme fest montiert werden und wird über eine niederinduktive Zulei­ tung 8 von einem Netzteil 9 mit Strompulsen versorgt. Entlang einer Mikro­ positioniereinheit 10 wird die Meßwertaufnahme 11 mit Sensor 12 und Vor­ verstärker 13 zunächst in Y-Richtung in einem definierten Abstand zu den einzelnen Emittern bzw. deren Austrittsfenstern positioniert, vorzugsweise in einem Abstand zwischen 50 µm und 100 µm. Diese Positionierung, d. h. der Abstand zu den Emittern, wird während der darauffolgenden Messung beibehalten. Mittels der Mikropositioniereinheit 10 kann dann die Feldan­ ordnung 1 in X-Richtung unter definierten Intervallabständen abgefahren werden, um die einzelnen Meßwerte aufzunehmen.

Die dem Vorverstärker 13 nachgeordnete Auswerteeinheit 14 umfaßt einen Integrator 15 sowie eine Abtast- und Speichereinheit 16, in der das in dem Integrator 15 integrierte Signal jeweils gespeichert wird. Weiterhin ist in der Auswerteeinheit eine Steuerlogik für die Mikropositioniereinheit 10 vorgesehen. Eine zentrale Steuereinheit 18 mit einer A/D-Wandlereinheit 19 wandelt das in der Abtast- und Speichereinheit 16 zwischengespeicherte Signal in ein digitales Signal. Die so an den einzelnen Meßstellen, die von der Meßwertaufnahme 11, über die Mikropositioniereinheit 10, angefah­ ren werden, aufgenommen Meßwerte werden in einem Mikrocomputer 20 ausge­ wertet und auf einem nicht näher dargestellten Bildschirm angezeigt oder mittels Drucker ausgedruckt. Die zentrale Steuereinheit 18 übernimmt wei­ terhin die Steuerung des gesamten Meßablaufs, d. h. die Generierung von Trigger- und Steuersignalen, die Ansteuerung der Abtast- und Speicherein­ heit 16 zur Freigabe der zwischengespeicherten Meßwerte, die Rücksetzung des Integrators 15 sowie die Verstärkungsauswahl für den Vorverstärker 13, wie durch die jeweiligen Steuerleitungen 21 zu diesen Komponenten hin angedeutet ist.

Der Sensor 12 umfaßt, wie symbolisch in dem Blockschaltbild der Fig. 1 dargestellt ist, einen Magnetkreis, der einen Luftspalt aufweist, sowie einen Wandler, der als Spule dargestellt ist. Bevorzugt wird allerdings eine in Dünnschichttechnologie hergestellte Feldplatte bzw. Spule als Wandler eingesetzt, die sich durch ihre geringen Abmessungen auszeichnet, so daß der Luftspalt sehr dicht an die einzelnen Emitter herangeführt werden kann, so daß auch Meßabstände im Bereich von 50 µm realisiert werden können.

Da an den Vorverstärker 13, wie er in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, sehr hohe Anforderungen hinsichtlich seines Rauschverhältnisses gestellt werden, da die Signalamplituden im mV-Bereich liegen, kann im Fall der sinusförmigen Modulation des Diodenstroms ein Log-In-Verstärker eingesetzt werden, der frequenzselektiv aus Signalen, die durch ein starkes Rauschen überlagert werden, genau eine Frequenz herausfiltern kann. Diese Schaltung wird im Fall der Modulation des Diodenstroms mit Pulsen eingesetzt.

Der Verstärker, wie ihn in weiteren schaltungsmäßigen Einzelheiten die Fig. 3 zeigt, ist zweistufig aufgebaut, so daß eine hohe Bandbreite er­ reichbar ist. Die erste Stufe besteht aus einem rauscharmen Präzi­ sions-Operationsverstärker, der das Sensorsignal, in den Verstärker an den Anschlüssen Ue eingegeben, um den Faktor 50 (ungefähr 34 dB) verstärkt. Die zweite Stufe besitzt einen umschaltbaren Verstärker. Durch zwei Relais können im Rückkopplungszweig zwei Widerstände einzeln zugeschaltet werden. Durch das Verhältnis von den Widerständen im Rückkopplungszweig zum Wider­ stand R5 werden Gesamtverstärkungen von 40 dB, 60 dB und 72 dB, unter geeigneter Wahl der Widerstände R6, R7 und R8, erhalten. Um die Bandbreite des Verstärkers weiterhin einzuschränken, ist zu dem Rückkopplungwider­ stand R3 in der ersten Stufe ein Kondensator C_b parallel geschaltet, so daß sich bei gleichem Widerstandsverhältnis R3/R1 viele Möglichkeiten ergeben, das Widerstandsniveau festzulegen.

Der Integrator 15, der dem Vorverstärker 13, der vorstehend erläutert ist, nachgeschaltet ist, dient dazu, die Tiefpaßwirkung des Vorverstärkers, die zu einer Reduzierung der Signalamplitude und zu einer zeitlichen Verschie­ bung des Signals führt, durch genügend lange Integrationszeit aufzuinte­ grieren und am Integrationskondensator eine der Sensorsignalhöhe propor­ tionale Spannung aufzubauen.

Eingesetzt wurde ein in Dünnfilmtechnik hergestellter Sensor bestehend aus einem Magnetkreis mit Luftspalt und einer Spule als Wandler. Diese Senso­ ren sind hochentwickelt, da sie als Lesekopf in Festplatten eingesetzt werden.

Messungen anhand von Versuchsaufbauten haben gezeigt, daß sich bei einer entsprechenden Einhaltung eines Abstands des Luftspalts des Sensors zu den Emittergruppen bei einem Aufnehmen von Meßwerten entlang der x-Achse (Fig. 2) die laterale Struktur, d. h. die Anordnung der Emittergruppen und Zwischenräume, in einer Modulation des Meßsignals über dem Meßort äußert, wie dies in den Fig. 4 und 5 durch die jeweils oberen Kurven, die mit dem Hinweis auf einen Abstand von "50 µm" gekennzeichnet sind, gezeigt ist.

Unter diesem Abstand von 50 µm und einer geeigneten Verarbeitung der Meßsignale, wie dies vorstehend anhand der Ausführung zu Fig. 1 erläutert ist, ist auch ein Ausfall einer einzelnen Emittergruppe festzustellen, wie deutlich in Fig. 5 anhand des Einbruchs der Meßkurve im rechten Bereich zu erkennen ist. Die einzelnen Peaks stehen jeweils für eine einzelne Emit­ tergruppe, während die Täler dazwischen für die jeweiligen Zwischenräume stehen, wobei die Versuchsanordnung aus ingesamt 50 einzelnen Emittergrup­ pen aufgebaut war.

Während in der Fig. 5 nur ein Ausfall einer einzelnen Emittergruppe simu­ liert ist, liegt der Darstellung der Fig. 4 die Simulierung eines Ausfalls der zehn am weitesten rechts liegenden Emitter zugrunde. Wie weiterhin anhand der Darstellung der Fig. 4 und 5 zu erkennen ist, können auch unter Abständen von bis zu 300 µm aufgrund der Abnahme der gemessenen, magnetischen Feldstärken Rückschlüsse auf einen Ausfall bestimmter Emit­ tergruppen erhalten werden, wobei die Zuordnung eines solchen Ausfalls nicht mehr mit der hohen Exaktheit einer einzelnen Emittergruppe jeweils zuzuordnen ist, wie dies bei einem Abstand von 50 µm der Fall ist.

Fig. 6 zeigt die Darstellung weiterer Meßergebnisse, die anhand von drei Laserdiodenarrays, wie sie schematisch oberhalb der Meßkurven dargestellt sind, erhalten wurden, das eine Längserstreckung von 10 mm besaß mit einer Emitterbreite in x-Richtung von 60 µm und einem mittleren Abstand be­ nachbarter Emitter von 200 µm. Zur Messung wurde ein Dünnschichtsensor eingesetzt mit einer Schrittweite von 50 µm zwischen den einzelnen Meßpunkten und einer angelegten Stromstärke an die Dioden von 70 A mit Pulsdauer von 90 µs. Das Array, entlang dem die Meßkurve 22 aufgenommen ist, funktioniert über die gesamte Länge ohne einen Ausfall einer einzel­ nen Emittergruppe. Dagegen zeigt das Array, dem die Meßkurve 23 zuzuordnen ist, einen Defekt an der linken Seite, worauf der gegenüber der Kurve 22 verspätete Anstieg zurückzuführen ist. Die Meßkurve 24 zeigt, daß durch die Ränder der Laserdiode kein Strom fließt. Da der Gesamtstrom bei den Messungen konstant gehalten wurde, ist die Stromdichte im Zentrum der Laserdiode erhöht (gegenüber den beiden anderen Messungen).

Aufgrund der Strommessungen sind in einigen Fehlerfällen relativ sichere Aussagen möglich, wie zum Beispiel über

• - einen lokalen Kurzschluß durch Whisker-Bildung
• - Lunker und Bläschenbildung in der Lotschicht
• - die lokale Ablösung des Laserdiodenbarrens vom Träger/Kühler

Die Fehlerdiagnostik kann durch Kombination mit ortsaufgelöster Messung der Intensität und Wellenlänge des emittierten Laserlichts verbessert erweitert werden. Damit sind noch exaktere Aussagen über Ausfallursachen bzw. den Degradationsszustand der Laserdiodenbarren möglich.

Claims (18)

1. Verfahren zur Messung und Überprüfung der elektrischen Stromvertei­ lung in hochintegrierten Bauteilen, die verdeckte und gegenüber der freien Oberfläche dieser Bauteile isoliert verlaufende Strompfade aufweisen, wobei durch die Bauteile ein elektrischer Strom hindurch­ geleitet und das von diesem Strom erzeugte Magnetfeld mittels eines Sensors, der mit annähernd gleichbleibendem Abstand entlang jedes Bauteils verschoben wird, detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der elektrischen Stromverteilung in Hochleistungs­ laserdioden, die aus Einzelemittern zu einem Array bzw. einer Feld­ anordnung zusammengefaßt sind, durch das Array ein elektrischer Strom hindurchgeleitet und das von diesem Strom erzeugte Magnetfeld mittels eines Sensors, der mit annähernd gleichem Abstand enlang jeder Emitterfläche des Arrays verschoben wird, detektiert wird, und daß neben dem erzeugten Magnetfeld eine ortsaufgelöste Messung der Temperatur der aus den Emitterflächen emittierten Strahlung mittels einer Temperatur-Meßeinrichtung vorgenommen wird, wobei die Meßein­ richtung zusammen mit dem Magnetfeld-Sensor verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Array ein modulierter, elektrischer Strom hindurchgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein sinus­ förmiger, schmalbandig modulierter, elektrischer Strom hindurchge­ leitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Array ein gepulster, elektrischer Strom hindurchgeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein elek­ trischer Strom mit einer Stromstärke im Bereich von 8 bis 100 A, mit einer Pulsbreite im Bereich von 10 ns bis 100 µs und mit einer Frequenz im Bereich von 1 bis 100 kHz durch das Array hindurchge­ leitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor schrittweise entlang des Arrays verschoben wird, wo­ bei die Schrittweite im Bereich der Emitterfläche in einem Bereich von 2 bis 20 µm liegt, vorzugsweise etwa 5 µm beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in einem Abstand von 10 bis 500 µm entlang der Emitterfläche des Arrays verschoben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein Magnetkreis, der einen Luftspalt aufweist, und ein Wandler zur Umwandlung der detektierten, magnetischen Feldstärke in eine elektrische Größe verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Wandler ein Hall-Element verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Wandler eine Feldplatte verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Dünn­ schichttechnologie hergestellte Feldplatte verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Wandler eine Spule verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Dünnschichttechnologie hergestellte Spule verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ trische Größe verstärkt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstär­ kung ein mehrstufiger Operationsverstärker mit niedrigem Sig­ nal-Rausch-Verhältnis in der ersten Stufe verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ver­ stärkung ein Lock-In-Verstärker eingesetzt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Integral des in der Wandler-Spule erzeugten differenzierten Strom­ signals ausgewertet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur über die emittierte Wellenlänge der Einzelemitter bestimmt wird.