-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von Degradationsprozessen
in Halbleiterlasern, bei dem der zu untersuchende Laser mit Licht
bestrahlt wird, und eine Vorrichtung hierzu.
-
Degradationsprozesse
beeinträchtigen
die Funktion von Halbleiterbauelementen und können sogar zu deren Ausfall
bzw. zum Ausfall von Baugruppen führen, die mit einem solchen
Bauelement ausgerüstet
sind. Die Degradation von Bauelementen kann durch verschiedene Mechanismen
hervorgerufen werden. Bei Halbleiterlasern ist die Facettendegradation
ein wichtiger Mechanismus für
die Begrenzung der Lebensdauer dieser Bauelemente.
-
Mit
einem Anstieg der optischen Ausgangsleistung ist eine Vergrößerung des
Leistungsumsatzes an den Laserfacetten verbunden. Damit steigt auch
die Wahrscheinlichkeit, daß eine
Facettendegradation die Lebensdauer des Bauelements einschränkt. Aber
gerade für
Hochleistungsdiodenlaser, die in kostenintensive Systeme beispielsweise
als Pump- oder Materialbearbeitungslaser eingebunden sind, ist eine
hohe Lebensdauer durch den Anwender erwünscht.
-
Die
Abläufe
der Facettendegradation sind bisher nur teilweise bekannt. Mit dem
Begriff "Catastrophical
Optical Damage" (COD)
wird dem Stand der Technik nach die Zerstörung der Frontfacette durch
u.a. thermisch aktivierte Mechanismen (im einfachsten Falle Aufschmelzen)
beschrieben, die im Regelfall mit der mechanischen Zerstörung der
Facettenoberfläche
des optisch aktiven Gebietes des Halbleiterlasers verbunden ist.
Bevor jedoch dieser direkt sichtbare Mechanismus in Gang kommt laufen andere,
zum Teil sehr langsame Prozesse ab, die dann in ihrer Konsequenz
dazu führen,
daß sich
Defekte im oberflächennahen
Bereich der Facette anreichern, sich die Ladungsträgerkonzentration
erhöht und – bedingt
durch die damit verbundene Bandlückenrenormalisierung – die Absorptionsverluste
erhöhen.
Die Vergrößerung der
Absorptionsverluste zieht eine Temperaturerhöhung in diesem Bereich nach
sich, was eine Beschleunigung der Defektbildung bzw. Defektakkumulation
zur Folge hat.
-
Zwecks
Bestimmung der Oberflächentemperatur
als einem Indikator für
das Wirken der beschriebenen Prozesse und damit verbundener Vorhersage, ob
das entsprechende Bauelement Kandidat für das Wirken eines derartigen
Degradationszyklusses ist, wurden dem Stand der Technik nach verschiedene Meßverfahren
entwickelt.
-
Da
diese Temperaturmessungen alle in einem mikroskopisch kleinen Bereich
stattfinden, sind sie aufwendig, denn die Examinierung eines räumlich kleinen
Bereichs bei moderaten Anregungsdichten liefert natürlich auch
nur sehr kleine absolute Signale. Der apparative Aufwand zum Signalnachweis
ist deshalb hierbei sehr groß.
-
So
ist beispielsweise in Appl. Phys. Lett. 62(5), 1 February 1993,
pp. 455-457 oder J. Appl. Phys. 75(10), 15 May 1994, pp. 5433-5435
oder J. Appl. Phys, Vol. 58, No. 3, 1 August 1985, pp. 1124-1128
die Bestimmung der Facettentemperatur mittels Mikro-Raman-Spektroskopie
beschrieben. Die Anregung des zu untersuchenden Halbleiterlasers
erfolgte hierbei mittels eines Argon-Lasers, die Spektren wurden
mit einem speziellen Raman-Spektrometer (Mehrfach-Gittermonochromator),
das mit einem Mikroskop gekoppelt war, aufgenommen. Zwar konnten
Aussagen über
den Zusammenhang zwischen gemessener Facettentemperatur bzw. über die
gemessene Temperatur des aktiven Gebietes und der COD getroffen
werden, jedoch mit großem apparativen
Aufwand.
-
In
Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32(1993) Pt1, No. 12A, pp. 5514-5522 ist
die Bestimmung der Spiegeltemperatur mittels optischer Modulationsspektroskopie
beschrieben. Auch hier erfolgt die Anregung mittels eines Lasers
und die Messung des Spektrums – in
diesem Falle des Photoreflexionsspektrums – mittels eines Monochromators.
Die Modulationstiefe des reflektierten Strahls ist direkt proportional
zur Temperaturänderung
der Spiegeloberfläche
der arbeitenden Laserdiode. Die Auswertung der bei Zimmertemperatur
spektral sehr breiten Strukturen ist sehr aufwendig. Noch schwieriger
als bei der Bestimmung der Facettentemperatur mittels Mikro-Raman-Spektroskopie
gestaltet sich hierbei die Separierung der Beiträge aus verschiedenen Schichten
einer Diodenlaserstruktur, wodurch die räumliche Zuordnung der erhaltenen
Meßdaten
noch schwieriger ist.
-
Für die Durchführung der
beiden erwähnten Verfahren
zur Bestimmung der Laserfacetten-Temperatur ist es notwendig, den
Laserstrahl auf das optisch aktive Gebiet (charakteristische Dimension
ca. 1 μm)
zu fokussieren, für
das die Meßwerte
erstellt werden sollen. Das erfordert sowohl ein Mikroskop und zusätzlich eine
Vorrichtung, mit der die Positionierung des Laserstrahles kontrolliert
wird, als auch die Messung und Verarbeitung sehr kleiner Absolutsignale.
-
In
beiden Verfahren wird die Facettentemperatur indirekt bestimmt.
Der Mechanismus, der dazu ausgenutzt wird, ist einerseits die Nutzung
des für eine
bestimmte Temperatur gegebenen Intensitätsverhältnisses der Stokes- und Anti-Stokeslinien bei der
Mikro-Raman-Spektroskopie und andererseits die Nutzung der bekannten
Temperaturabhängigkeit der
Bandlücke
des Materials des optisch aktiven Gebietes bei der Photoreflexion.
Die Temperaturerhöhung
ist aber nur die Folge von Prozessen, die zu einer Änderung
des Zustandes ("Alterung") der Facette und
des oberflächennahen
Volumenmaterials im Bereich des optisch aktiven Gebietes des Lasers
geführt
haben.
-
Die
Alterung der Laserfacetten ist auch während der Durchführung der
beiden dem Stand der Technik nach bekannten und hier erwähnten Verfahren
nicht unterbrochen, da in ihnen die Alterung aus Laseremissionsdaten
abgeschätzt
wird, d.h. die Messung setzt den Betrieb des Bauelementes voraus. Insbesondere
bei schnellen Degradationsprozessen, bei denen die Degradationszeitkonstante
etwa so groß wie
die Meßzeitkonstante
ist, bewirkt der Laserbetrieb auch während der Messung eine Änderung des
Degradationsstatusses, der somit praktisch nur schwer erfaßbar ist.
-
Neben
den bereits erwähnten
Verfahren wird die Nahfeld-Photostrom-Spektroskopie (NOBIC) angewendet, um
beispielsweise das Schichtprofil von Halbleiter-Quantenwannen-Strukturen
zu bestimmen, wie in Appl. Phys. Lett. 67 (13), 25 September 1995,
S. 1862-1864 beschrieben ist. Dazu wird die den Übergang enthaltende Facette
einer zu diesem Zweck hergestellten, die zu untersuchende Halbleiter-Quantenwannen-Struktur
aufweisende Mesa-Photodiode
mit Licht eines abstimmbaren Lasers, das aus einer Faserspitze und
damit mit verringerter Bestrahlungsfläche auf die Facette gerichtet
wird, bestrahlt.
-
Aus
Appl. Phys. Lett. 65 (21), 21 November 1994, S. 2654-2656 sind Nahfeld-Photostrom-Messungen
(NPC) bei einer einzigen Wellenlänge
an Photodioden bekannt. Mittels dieser NPC-Messungen werden u. a.
Defekte an Halbleiterlasern nachgewiesen, indem Anregungslicht durch
eine Faserspitze auf die zu untersuchende Struktur gerichtet wird und
das entstehende NPC-Signal
gemessen und ausgewertet wird.
-
Nahfeld-Photostrom-Messungen
bei einer einzigen Wellenlänge
an Hlableiterschichten sind aus Appl. Phys. Lett. 65 (3), 18 July
1994, S. 344-346 bekannt. Auch in J. Appl. Phys. 79 (10), 15 May
1996, S. 7743-7750 wird die Nahfeld-Photostrom-Spektroskopie zur
bestimmung von Fehlstellen in Halbleiterschichten beschrieben.
-
Die
erwähnten
Lösungen,
bei denen mittels Nahfeld-Photostrom-Messungen/-Spektroskopie Zusammensetzung, kristallographische
Störungen,
Aufbau usw. der zu untersuchenden Proben bestimmt werden, erfordern
einen großen
apparativen Aufwand.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Bestimmung von Degradationsprozessen
in Halbleiterlasern anzugeben, das schonend und mit geringem präparativen
und apparativen Aufwand durchführbar
ist und dessen Ergebnisse in – im Vergleich
zum Stand der Technik – direkterem
Zusammenhang mit den in den zu untersuchenden Halbleiterlasern ablaufenden
Degradationsprozessen stehen, sowie eine Vorrichtung hierzu.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren gelöst,
bei dem der zu untersuchende Halbleiterlaser als Photodiode betrieben
wird, eine den pn-Übergang
enthaltende Facette des als Photodiode betriebenen Halbleiterlasers
nach einer beliebigen Betriebszeit mit Licht bestrahlt und das in
dem Halbleiterlaser entstehende Signal als Funktion der Photonenenergie
bzw. Wellenlänge
des eingestrahlten Lichtes gemessen wird (Photostromspektrum), und
danach unter Berücksichtigung
der Bandstruktur des zu untersuchenden Halbleiterlasers aus der
degradationsbedingten Änderung
der gemessenen spektralen Empfindlichkeit mindestens drei Degradationsmechanismen
der Facetten bestimmt werden.
-
In
Ausführungsformen
der Erfindung ist vorgesehen, daß der Halbleiterlaser mit Licht
einer Halogenlampe oder mit Licht eines durchstimmbaren Lasers oder
mit dem mittels eines Michelson-Interferometers modulierten Licht
aus einem Fourier-Transform-Spektrometer bestrahlt wird.
-
Die
spektrale Empfindlichkeit des zu untersuchenden Halbleiterlasers
kann zu verschiedenen Betriebszeiten aufgenommen werden.
-
In
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die spektrale Charakteristik dieser "besonderen" Photodiode, deren Struktur identisch
ist mit der des zu untersuchenden Halbleiterlasers, also die Lichtempfindlichkeit
in Abhängigkeit
von der Photonenenergie (bzw. Wellenlänge) gemessen. Dazu wird eine den
pn-Übergang
enthaltende Facette des Lasers, d.h. die Front-, Rück- oder
Seitenfacette, mit Licht bestrahlt und dann das Signal (d.h. der
Strom bzw. bei einem Meßinstrument
mit hohem Innenwiderstand die Spannung) in Abhängigkeit von der Photonenenergie
(bzw. Wellenlänge)
des eingestrahlten Lichtes gemessen.
-
Zur
Generation einer Spannung ist eine räumliche Separation der durch
das Licht erzeugten Trägerpaare
notwendig. Diese Separation erfolgt in elektrischen Feldern, die
z.B. durch Dotierungs- oder Potentialgradienten (der Bandkanten)
oder auch von außen
angelegte Felder (Vorspannung) erzeugt werden können. Gebiete der Laserstruktur,
in denen keine elektrischen Felder vorhanden oder induziert sind, tragen
dementsprechend auch nicht zum Photostromspektrum bei, auch wenn
sie belichtet werden. Damit wird deutlich, daß nur das Licht, welches in
einem sehr engen Bereich des pn-Übergangs
und der Epitaxieschichtfolge auf die Struktur fällt, zur spektralen Empfindlichkeit
beiträgt.
Dieser Bereich der Facette ist nahezu identisch mit dem Bereich,
in dem die optische Rückkopplung,
die den Lasereffekt überhaupt
möglich
macht, erfolgt. Dieser Bereich ist auch derjenige, in dem die mit
dem Stichwort COD eingangs umrissenen Prozesse ablaufen. Eine Zunahme
der Oberflächenrekombination
im Bereich eben dieses Gebietes wird sich in der spektralen Empfindlichkeit
wiederspiegeln; d.h. eine verstärkte
Oberflächenrekombination
senkt den Absolutwert des Photostromes, da die Trägerpaare,
die an der Oberfläche annihiliert
werden, nicht für
den Strom zur Verfügung stehen.
Weiterhin erfolgt eine Modifikation des Verlaufs der spektralen
Empfindlichkeit der Gesamtstruktur durch die Erhöhung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit.
Andere relevante, die Degradation anzeigende Mechanismen sind z.B.
die Erzeugung von Störstellenbanden
und das Verschwinden excitonischer Beiträge. Die Absolutmessung des Photostromes,
die wie alle absoluten photometrischen Messungen sehr problematisch
ist, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
nicht notwendig, da es bei den zu untersuchenden Laserstrukturen
Bereiche der Facette gibt, die einerseits zur spektralen Empfindlichkeit
beitragen, andererseits aber in geringerem Maße der verstärkten Oberflächenrekombination
unterworfen sind. Damit ist ein Bezugspunkt gegeben und keine Absolutmessung
des Photostromes mehr erforderlich.
-
Somit
gibt die spektrale Empfindlichkeit u.a. Auskunft über die
Oberflächenrekombination
in demjenigen Gebiet des Halbleiterlasers, in dem die Facettendegradation
erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren
bewirkt also eine Extraktion der Information ausschließlich aus
dem relevanten Gebiet.
-
Das
Verfahren arbeitet zerstörungsfrei
und erfordert während
seiner Durchführung
nicht den Betrieb des Lasers. Da die auftretenden optischen Leistungsdichten
während
des erfindungsgemäßen Verfahrens
mehrere Größenordnungen
unter den beim Laserbetrieb auftretenden liegen, altert der Laser während der
Messung selbst nicht weiter. Somit ist es möglich, den gleichen Laser in
verschiedenen Degradationsstadien zu analysieren. Weiterhin hat
sich als Vorteil erwiesen, daß das
erfindungsgemäße Verfahren
keinen präparativen
oder sonstigen Aufwand erfordert, da die Messung der spektralen
Empfindlichkeit über
die Kontakte erfolgt, die beim Laserbetrieb das Bauelement mit dem
Betriebsstrom versorgen. Selbstverständlich ist auch die Nutzung
spezieller Sondenkontakte möglich.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
die Quantifizierung von Degradationsprozessen im Facettenbereich
von – ihrer
Struktur nach bekannten – Halbleiterlasern.
Dabei kommen die Beiträge zum
Spektrum – auch
bei großflächiger Anregung des
zu untersuchenden und als Photodiode geschalteten Halbleiterlasers – aus genau
demjenigen Bereich, in dem auch die Degradationsprozesse im Laser
ablaufen.
-
In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird die zu untersuchende Laserstruktur mit monochromatischem
Licht einer charakteristischen Wellenlänge, bei der die Laserstruktur
bezüglich
eines Alterungsmechanismus besonders sensitiv reagiert – z.B. der
Resonanzwellenlänge
einer sich im Rahmen des Degradationsprozesses ausbildenden Störstelle -,
bestrahlt und das entstehende elektrische Signal in Abhängigkeit
vom Probenort gemessen. Die resultierenden Störstellentopogramme zeigen Gebiete räumlich erhöhter Defektbildung
und Akkumulation an.
-
Die
ortsaufgelöste
Messung im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht eine
beugungsbegrenzte Messung des Photostromsignals in Abhängigkeit
vom Probenort.
-
Wird
zusätzlich
zum erfindungsgemäßen Verfahren
eine Vorspannung an die Photodiode angelegt, wird das Verfahren
noch empfindlicher bzw. bezüglich
bestimmter Probenbereiche selektiver.
-
Die
Verwendung von polarisiertem Licht während des erfindungsgemäßen Verfahrens
ermöglicht
sowohl eine effiziente und bevorzugte Einkopplung des Lichtes in
die Laserstruktur als auch die Bestimmung von Verspannungs- und
Verspannungsrelaxationseffekten.
-
In
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist der zu untersuchende Halbleiterlaser als Photodiode geschaltet,
fällt auf
eine den pn-Übergang
enthaltende Facette des als Photodiode betriebenen Halbleiterlasers
nach einer beliebigen Betriebszeit aus einer Lichtquelle Licht,
und ein Meßgerät zeichnet
das in dem Halbleiterlaser entstehende elektrische Signal als Funktion
der Photonenenergie bzw. Wellenlänge des
einfallenden Lichtes auf und werden aus der degradationsbedingten Änderung
der gemessenen spektralen Empfindlichkeit mindestens drei Degradationsmechanismen
der Facetten bestimmt.
-
In
Ausführungsformen
der Erfindung ist die Lichtquelle eine Halogenlampe oder ein durchstimmbarer
Laser oder ein Fourier-Transform-Spektrometer.
-
Der
apparative Aufwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist sehr gering
im Vergleich zu den dem Stand der Technik nach bekannten Anordnungen
zur Bestimmung der Facettentemperatur bzw. im Vergleich zu Vorrichtungen
für die
Nahfeld-Photostrom-Spektroskopie/-Messungen zur Bestimmung der Struktur
der zu untersuchenden Proben. In der erfindungsgemäßen Lösung kann
auf einen Laser zur Anregung ganz verzichtet werden. Es ergeben
sich keine besonderen Anforderungen an die spektrale Auflösung des
Monochromators. Eine Fokussierungsoptik für das Anregungslicht ist nicht erforderlich,
da das auf den als Photodiode betriebenen Laser einfallende Licht
nicht räumlich
begrenzt sein muß.
-
Die
Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen anhand von
Zeichnungen näher
erläutert.
-
Dabei
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer an der Frontfacette belichteten Laserdiode;
-
2 eine
numerische Modellrechnung für das
Photostromsignal als Funktion der Photonenenergie mit dem Parameter
Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit;
-
3 Photostromsignal
als Funktion der Photonenenergie einer Laserstruktur in unterschiedlichen
Degradationsstadien;
-
4 Photostromsignal
als Funktion der Photonenenergie einer weiteren Laserstruktur in
unterschiedlichen Degradationsstadien;
-
5 das
Photostromsignal einer gealterten und in 4 bereits
gemessenen Laserstruktur in Abhängigkeit
vom Probenort bei zwei verschiedenen Photonenenergien;
-
6 das
Photostromsignal einer gealterten und einer ungealterten Laserstruktur
in Abhängigkeit vom
Probenort;
-
7 das
Photostromsignal der in 6 gemessenen ungealterten Laserstruktur
mit verbesserter Ortsauflösung;
-
8 eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Degradationsprozesse in Halbleiterlasern;
-
9 eine
weitere Vorrichtung zur Bestimmung der Degradationsprozesse in Halbleiterlasern.
-
In 1 ist
eine als Einzelemitter ausgebildete Laserdiode stark schematisiert
dargestellt. Auf einem Substrat 1 sind Epitaxieschichten 2 und 2' (p- und n-leitende HL-Schichten)
aufgebracht, zwischen denen der pn-Übergang 3 gebildet
ist. N ist die Normale, entlang der der Laser emittiert und/oder
die Einstrahlung bei der Photostrommessung erfolgen kann. Das Gebiet 5 gibt
den Bereich der Frontfacette an, in dem mit zunehmender Alterung
des Lasers u.a. eine ansteigende Oberflächenrekombination zu verzeichnen
ist. Wie bereits erwähnt,
trägt nur
das Licht, das in einen engen Bereich des pn-Überganges 3 und der
Epitaxieschichten 2 und 2' auf die Diodenstruktur fällt, zur
spektralen Empfindlichkeit bei.
-
Die
Kurven in 2 resultieren aus einer numerischen
Modellrechnung für
das Photostromsignal als Funktion der Photonenenergie von GRINSCH-Strukturen
(GRaded INdex Separate Confinement Heterostructure) mit verschiedenen Werten
für den
Parameter Rekombinationsgeschwindigkeit vOF bei
T = 300 K. Wie aus der 2 ersichtlich ist, verringert
sich das errechnete Signal mit größer werdenden Rekombinationsgeschwindigkeiten vOF. Damit ist der Zusammenhang zwischen Degradation – Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit – Photostromspektrum,
d.h. eine direkte Abhängigkeit
des Photostromsignals von der durch Degradation veränderte Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit,
deutlich gezeigt. Somit ist die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
direkt aus der spektralen Empfindlichkeit extrahierbar und die Degradation der
Hochleistungslaserstrukturen meßbar.
-
Die
folgenden Kurven der Photostromsignale als Funktion der Photonenenergie
wurden für
verschiedene DQW-AIGaAs-Strukturen (GRINSCH und SIN) bei unterschiedlichen
Degradationsbedingungen aufgenommen.
-
In 3 sind
die gemessenen Photostromsignale für eine DQW(Double Quantum Well)-GRINSCH-Struktur
für verschiedene
Alterungszeiten dargestellt. Diese Struktur enthält einen DQW mit einer Grabenbreite
von 10 nm, wobei der Graben zwischen zwei 220 nm dicken undotierten Al1-xGaxAs-Schichten
mit veränderlichem
x (0,3 < x < 0,6) angeordnet
ist. Diese Schichtfolge ist umschlossen von je einer n- und p-dotierten
1,5 bis 2 μm
dicken Al0,6Ga0,4As-Deckschicht
mit einer Bandbreite von 2,2 eV. Es wurde ein beschleunigtes Alterungsverfahren
mit einem erhöhten
Betriebsstrom von 1,75 A und einer erhöhten Arbeitstemperatur von
308 K angewendet. Die I-U-Kennlinie der Laserstruktur veränderte sich
während
der Alterung nicht, ebenso blieb die Laserschwelle unverändert. Nur
die Verringerung der Laserleistung bei einem gegebenen Strom belegt
die schwache Degradation der Laserstruktur. Die Photostromsignale
der GRINSCH-Struktur kann man in drei charakteristische Bereiche
in Abhängigkeit
von der Photonenenergie Eph einteilen. Bei
diesem "moderaten" Alterungsregime
ist nur eine geringe Änderung
des Signals in Abhängigkeit
von der Alterung in dem Bereich von 1,3 bis 1,5 eV erkennbar. Das
Signal in diesem Spektralbereich ist auf das Vorhandensein von Störstellenzuständen, die
an die aktive Schicht gebunden sind, zurückzuführen. Der Beitrag des Photostromsignals
im Bereich zwischen 1,5 eV und 1,8 eV, mit dem nahezu abrupten Anstieg
zwischen 1,5 eV und 1,6 eV, ist auf die Interband-Absorption im Bereich
des für
die Laseremission verantwortlichen Elektron-Loch-Überganges
im DQW zurückzuführen. Hier
ist eine Verringerung des Photostromsignals mit der Degradation
zu verzeichnen, die besonders um das Maximum bei 1,58 eV deutlich
erkennbar ist. Deshalb sei hier angemerkt, daß die starke Verringerung des
Photostromsignals während
der ersten 50 Stunden Alterung eine gute Abschätzung des Alterungsverhaltens
erlaubt. In dem letztgenannten Gebiet wirkt die Oberflächenrekombination,
wodurch die bereits erwähnte
Verringerung des Photostromsignals zu bemerken ist. Zwischen 1,8
und 2,2 eV, d.h. oberhalb der Bandkante der GRIN-Struktur, zeigen
die Spektren ein ähnliches Verhalten
wie im von der DQW-Struktur dominierten Bereich, jedoch machen die
geringen absoluten Änderungen
des Photostromsignals hier eine quantitative Berechnung schwieriger.
Auch bei Messung anderer GRINSCH-Dioden-Arrays wurden die charakteristischen – oben beschriebenen – Änderungen
reproduzierbar gemessen.
-
In 4 sind
die bei einer Temperatur von 298 K gemessenen Photostromsignale
für ein
aus SIN(Step INdex)-Strukturen bestehendes Laserarray bei verschiedenen
Alterungsbedingungen dargestellt. Der DQW-Bereich dieser Struktur ist eingebettet
in eine 200 nm dicke Al0,3Ga0,7As-Schicht
mit einer Bandbreite von 1,8 eV. Volle Symbole kennzeichnen die
Meßpunkte
für Strukturen,
die bei einer Temperatur von T = 323 K über 300 h gealtert wurden,
und leere Symbole sind für
Meßpunkte
eingetragen, die an bei T = 298 K während 1000 h gealterten Strukturen
erhalten wurden. Die gestrichelten Linien zeigen die experimentellen
Werte für
zwei nicht gealterte Proben. In dieser Diodenstruktur überwiegt
die Alterung durch Störstellengeneration,
was sich an den im Spektrum entstehenden "Schultern" unterhalb der Bandlücke des eigentlichen, durch
die Struktur verursachten Spektrums zeigt.
-
5 zeigt
die Meßkurve
des Photostromsignals PC in Abhängigkeit
vom Probenort x in einer 1 cm breiten Struktur, die aus der Gruppe
von Dioden stammt, die bei 298 K 1000 h gealtert wurde und deren
Photostromspektrum bereits in 4 dargestellt ist.
Zur Messung des Photostromsignals PC wird die Laserstruktur schrittweise
an der Meßapparatur
vorbeigeführt.
-
Die
Messung des Photostromsignals PC erfolgte bei zwei verschiedenen
Photonenenergien, die dem Beitrag der durch Alterung erzeugten Störstellen (Störstellen-Band-Übergang,
leere Kreise) und dem "Laserübergang" (1 e – 1 hh,
gefüllte
Kreise) entsprechen, d.h. bei einer Photonenenergie von Eph = 1,46 eV und Eph =
1,6 eV entsprechend. Die laterale Auflösung beträgt hier etwa 300 μ m, der Signalrauschpegel
liegt bei etwa 0,2 relativen Einheiten. Bei dieser ortsaufgelösten Messung
wird sichtbar, daß die
Alterung, bei dieser Struktur bewirkt durch die Störstellengeneration,
ortsabhängig
ist.
-
Die
in den folgenden Figuren dargestellten Kurven wurden ebenfalls mittels
einer Scan-Technik aufgenommen, wobei die Ortsauflösung durch
den Einsatz eines zweiten Diodenlasers als Anregungslichtquelle
verbessert wurde. So sind in 6 die Photostromspektren
sowohl einer ungealterten, als auch einer gealterten Laserstruktur
(50-Streifen-cm-Barren) – vgl.
auch 4 und 5 – wiederum in Abhängigkeit
vom Probenort einer 1 cm breiten Struktur dargestellt. Die Auflösung beträgt nunmehr
30 μm, die
Struktur wurde als Photodiode mit Laserlicht (λ = 854 nm, d.h. resonant zur
Störstellenbande)
bestrahlt. Deutlich sichtbar ist: Im Bereich der 50 Emitter des
Arrays ist eine merkliche Vergrößerung der
Störstellenkonzentration
mit zunehmender Alterung zu verzeichnen. Die 50 Peaks belegen das.
Die ungealterte Laserstruktur weist auch bereits ein Störstellensignal
auf. Diese Kurvre wurde in 7 noch einmal
vergrößert dargestellt.
Gut erkennbar in 5 ist auch die Modulation der
Störstellenkonzentration,
die wahrscheinlich auf inhomogene Versetzungserzeugung im Lötprozeß zurückzuführen ist.
Das Maximum im Bereich des 20. Emitters in 7 (bei 5,9
mm) gibt einen Hinweis, daß dieser Emitter
stark degradationsgefährdet
ist. Somit ist es also möglich,
in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Anwendung
von "mapping"-Techniken in einer ortsaufgelösten Messung
an ungealterten Laserstrukturen das Degradationsverhalten derselben
vorherzusagen, d. h. es kann festgestellt werden, welche Lasersegmente
ausgefallen sind bzw. zuerst ausfallen werden.
-
Die
beiden folgenden Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung
zur Bestimmung der Degradationsprozesse in Halbleiterlasern.
-
Die
in 8 dargestellte Vorrichtung enthält eine
Lichtquelle 6, beispielsweise eine Halogenlampe, deren
Lichtstrahl durch eine Linse 7 auf einen Monochromator 8 fällt. Das
aus dem Monochromator 8 austretende Licht wird über eine
Linse 9 auf eine Facette, die den pn-Übergang der Laserstruktur aufweist,
des zu untersuchenden Lasers 10, der als Photodiode geschaltet
ist, gerichtet. Mithilfe des Meßgerätes 11 wird
das in der als Photodiode geschalteten Laserstruktur entstehendende
Signal, beispielsweise das Photostromsignal, das sich – wie vorstehend
bereits beschrieben – mit
der Degradation ändert,
in Abhängigkeit
von der Photonenenergie oder von der Wellenlänge, gemessen. Dieses Spektrum,
die spektrale Empfindlichkeit, der zu untersuchenden Laserstruktur
wird dann in Abhängigkeit
von der Bandstruktur des zu untersuchenden Halbleiterlasers ausgewertet.
-
Bei
der in 9 gezeigten Anordnung ist die Lichtquelle ein
durchstimmbarer Laser 12, dessen Lichtstrahl über eine
Linse 13 auf die zu untersuchende und als Photodiode geschaltete
Laserstruktur 10 fällt
und mittels eines Meßgerätes 11 – wie oben
beschrieben – das
in der Photodiode entstehende Signal gemessen und ausgewertet wird.