DE19648659B4 - Verfahren zur Bestimmung von Degradationsprozessen in Halbleiterlasern - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Degradationsprozessen in Halbleiterlasern, bei dem gemäß Hauptpatent DE 196 36 229 B4 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 elektrische Signal gemessen wird und danach unter Berücksichtigung der Bandstruktur des zu untersuchenden Halbleiterlasers aus der degradationsbedingten Änderung des gemessenen Signals Degradationsmechanismen der Facetten bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Nahfeld-Photostrom-Spektroskopie zur Bestimmung von in mikroskopischen facettennahen Bereichen ablaufenden Degradationsprozessen in Halbleiterlasern angewendet wird, indem eine den pn-Übergang enthaltende Facette des zu untersuchenden und als Photodiode geschalteten Halbleiterlasers in geringem Abstand von seiner Oberfläche nach einer beliebigen Betriebszeit mit Licht eines durchstimmbaren Lasers bestrahlt wird, das im Halbleiterlaser entstehende elektrische Signal bei energieselektiver Anregung der einzelnen Schichten in Abhängigkeit des Ortes der Laserschichtstruktur gemessen wird und daraus unter Berücksichtigung der Bandstruktur der Schichtstruktur...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von Degradationsprozessen in Halbleiterlasern, bei dem gemäß Hauptpatent DE 196 36 229 B4 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 elektrische Signal gemessen wird und danach unter Berücksichtigung der Bandstruktur des zu untersuchenden Halbleiterlasers aus der degradationsbedingten Änderung des gemessenen Signals Degradationsmechanismen der Facetten bestimmt werden.
  • Hochleistungslaserdioden-Anordnungen finden eine immer größere Anwendung, beispielsweise als Anregungslichtquelle für Festkörperlaser, für die Generierung von blauer und UV-Strahlung durch Frequenzverdopplung und für Materialbearbeitungszwecke. Die hohe Leistungsdichte in diesen Bauelementen und die große Lichtintensität nahe der Spiegelfacetten dieser Bauelemente zieht Veränderungen in der Struktur des aktiven Lasermaterials nach sich, die letztendlich zu einer starken Verringerung der Lebensdauer führen können. Deshalb wird von den Bauelementeentwicklern und -anwendern nach Möglichkeiten gesucht, die Alterungsprozesse in den Halbleiterlaserdioden beobachten, quantifizieren und interpretieren zu können, um Schlußfolgerungen für den Strukturaufbau von Laserdioden mit einer größeren Lebensdauer zu ziehen.
  • Neben den bereits in der Hauptpatentanmeldung DE 196 36 229 B4 erwähnten Veröffentlichungen (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; Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32(1993) Pt1, No. 12A, pp. 5514-5522) gibt auch die Hauptpatentanmeldung eine Lösung an, Degradationsprozesse in Halbleiterlasern zu bestimmen. Diese Lösung sieht vor, eine den pn-Übergang enthaltende Facette des als Photodiode betriebenen Halbleiterlasers nach einer beliebigen Betriebszeit mit Licht zu bestrahlen, das in dem Halbleiterlaser entstehende elektrische Signal in Abhängigkeit von der Photonenenergie bzw. Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes zu messen und unter Berücksichtigung der Bandstruktur des zu untersuchenden Lasers aus dem gemessenen Spektrum die Degradationsmechanismen, die im Diodenlaser wirken, zu bestimmen. Die Beiträge zum Spektrum kommen – auch bei großflächiger Anregung des zu untersuchenden und als Laserdiode geschalteten Halbleiterlasers – genau aus dem Bereich, in dem auch die Degradationsprozesse ablaufen. Eine Zuordnung der Degradationsprozesse zu Schichten der Laserstruktur ist nur begrenzt möglich, da die spektrale Form des Photostromspektrums durch den Absorptionskoeffizienten der gesamten Struktur bestimmt wird. Jeder Wert in der Kurve des Photostromspektrums wird durch die Summe der Absorptionskoeffizienten der verschiedenen Schichten der Laserstruktur definiert. Außerdem ist die Größe des Photostromes abhängig von der Lage der Bandkanten und der Dotierungsprofile sowie von der Diffusion der photogenerierten Ladungsträger in die leitenden Gebiete und auch von der Eindringtiefe des Anregungslichtes in die Laserstruktur.
  • Der detaillierte Verlauf der Degradation in den einzelnen Schichten einer Laserstruktur ist also auch nicht mit der in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen Lösung zu ermitteln. In den letzten Jahren sind zwar Anstrengungen unternommen worden, Verfahren zu entwickeln, die auch die Charakterisierung von Eigenschaften der Laserstruktur wie Wachstumsinhomogenitäten, Ladungsträgerstreuung und Position des pn-Überganges ermöglichen, doch wurden bisher auch keine Aussagen zur Degradation in den einzelnen Schichten einer zu untersuchenden Laserstruktur gegeben.
  • Neben EBIC-Verfahren (electron beam induced current) werden auch die in ihrer Auflösung besseren NOBIC-Verfahren (near-field optical beam induced current) für die Charakterisiserung der oben erwähnten Eigenschaften der Laserstruktur angewendet.
  • Im Gegensatz zu EBIC-Methoden ist die Methode mittels NOBIC vollständig zerstörungsfrei und ermöglicht wegen der selektiven Anregbarkeit der einzelnen Schichten beispielsweise die direkte Sichtbarmachung des Ladungsträgertransports innerhalb der Struktur, Aussagen über Wachstumsinhomogenitäten und über die Qualität des pn-Übergangs. In Appl. Phys. Lett., Vol. 65, No. 21, 2654-2656, ist die Analyse der Struktur eines MQW(multi-quantum well)-Lasers mittels NOBIC beschrieben, wobei die Anregung der zu untersuchenden Struktur senkrecht zum pin-Übergang mit einem HeNe-Laser einer Wellenlänge von 632 nm erfolgt. Mittels der aufgenommenen Kurven des dabei erzeugten Photostromes bei Anregung des aktiven Gebietes und der Mesa-Umgebung können Aussagen über den Minoritätsladungsträgertransport, Wachstumsinhomogenitäten, nichtstrahlende Defekte und die Position des pin-Übergangs zur MQW-Struktur getroffen werden.
  • Auch in Appl. Phys. Lett. 67(13),25 September 1995, 1862-1864 werden Untersuchungen an Halbleiter-QW(quantum well)-Strukturen mittels NOBIC beschrieben. Dabei wird über eine Faserspitze mit einer Öffnung im sub-Wellenlängenbereich das Licht eines abstimmbaren Lasers über die Oberfläche der zu untersuchenden Struktur gestrahlt. Der induzierte Photostrom spiegelt dann das Schichtprofil der Laserstruktur wieder. Eine Charakterisierung von Alterungsprozessen in den einzelnen Schichten der Laserstruktur ist bisher nicht beschrieben.
  • Nahfeld-Photostrom-Messungen bei einer einzigen Wellenlänge an Halbleiterschichten 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.
  • Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine Bestimmung der Degradationsprozesse in Halbleiterlasern auch in mikroskopischen Größenordnungen ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Nahfeld-Photostrom-Spektroskopie zur Bestimmung von in mikroskopischen facettennahen Bereichen ablaufenden Degradationsprozessen in Halbleiterlasern angewendet wird, indem eine den pn-Übergang enthaltende Facette des zu untersuchenden und als Photodiode geschalteten Halbleiterlasers in geringem Abstand von seiner Oberfläche nach einer beliebigen Betriebszeit mit Licht eines durchstimmbaren Lasers bestrahlt wird, das im Halbleiterlaser entstehende elektrische Signal bei energieselektiver Anregung der einzelnen Schichten in Abhängigkeit des Ortes der Laserschichtstruktur gemessen wird und daraus unter Berücksichtigung der Bandstruktur der Schichtstruktur des zu untersuchenden Halbleiterlasers aus der degradationsbedingten Änderung des gemessenen Photostromsignals Degradationsmechanismen in definierten mikroskopischen facettennahen Bereichen der Schichtstruktur des zu untersuchenden Halbleiterlasers bestimmt werden.
  • Je nach erforderlicher Aussage werden ein- oder zweidimensionale Nahfeld-Photostrom-Scans bzw. -Bilder in Abhängigkeit von der Anregungsenergie aufgenommen.
  • Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht durch die gezielte subbeugungsbegrenzte Anregung mittels eines durchstimmbaren Lasers einzelner Schichten der Laserstruktur Aussagen zu Degradationsprozessen im mikroskopischen Bereich kleiner 200 nm. Die Anregung kann dabei direkt in der Störstellenbande erfolgen. Damit gibt das erfindungsgemäße Verfahren ein Mittel zum Auffinden von Defekten an, die mit Alterungserscheinungen verbunden sind. In verschiedenen Betriebszuständen können somit Aussagen über die Degradation mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens getroffen werden, ohne die Leistung des zu untersuchenden Bauelements dabei zu beeinflussen.
  • Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
  • 1 einen schematischen Schichtaufbau einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren untersuchten DQW-GRIN-Laserstruktur und schematisch den Aufbau zur NOBIC-Messung;
  • 2 NOBIC-Kurven einer frischen Struktur gem. 1 bei verschiedenen Anregungsenergien;
  • 3 NOBIC-Kurven einer gealterten Struktur gem. 1 bei verschiedenen Anregungsenergien;
  • 4 NOBIC-Kurve einer ungealterten und der gleichen gealterten Struktur gem. 1 bei gleicher Anregungsenergie.
  • Das in 1 dargestellte Bild zeigt den schematischen Schichtaufbau einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren untersuchten DQW-GRIN-Laserstruktur und schematisch den Aufbau zur NOBIC-Messung. Die Laserdiode 1 wird angeregt mittels eines abstimmbaren CW-Lasers 2, beispielsweise eines Cr: LiSAF-, Ti: Saphir- oder HeNe-Lasers. Das Licht des Lasers 2 wird durch eine nanometergroße Öffnung an der Spitze einer Nahfeld-Meßsonde 3 auf die zu untersuchende Laserdiode 1 gerichtet. Die Nahfeld-Meßsonde 3 weist eine verjüngte Form auf und ist von einem Metallmantel umschlossen. Die Öffnung an der Faserspitze der Nahfeld-Meßsonde hat einen Durchmesser zwischen 50 nm und 200 nm. Mit der Nahfeld-Meßsonde 3 wird die Oberfläche der zu untersuchenden Laserdiode 1 abgerastert. Die photoinduzierte Spannung (oder Strom) entlang des pin-Übergangs der Laserdiode 1 wird in Abhängigkeit der Position der Spitze der Meßsonde 3 mittels eines Lock-In-Nanovoltmeters 4 am p- und n-Kontakt der außer Betrieb befindlichen Laserdiode 1 gemessen. Die geringe Erwärmung der Nahfeld-Meßsonde 3 während der Übertragung des Anregungslaserlichts hat keinen Einfluß auf die NOBIC-Messung.
  • Die in 1 dargestellte DQW(Double Quantum Well)-GRIN(Graded Index)-Laserstruktur 1 ist mittels MOVPE auf einem n-leitenden GaAs-Substrat aufgebracht. Der 12 nm dicke GaAs-DQW ist von beiden Seiten symmetrisch umgeben von je 220 nm breiten Al1–xGaxAs-Schichten (0,3 < x < 0,6) mit kontinuierlich aufweitender Bandlücke (graded gap structure). Zu diesen Schichten sind benachbart p- bzw. n-dotierte, 1,5 bis 2 μm dicke Al0,6Ga0,4As-Deckschichten p und n mit einer Energielücke (Eg) von etwa 2,2 eV angeordnet, wobei die n-Dotierung mittels Si und die p-Dotierung mittels Mg erfolgte. Das Dotierungsprofil weist seinen größten Gradienten innerhalb der DQW-GRIN-Region auf. Die Struktur ist von einer Antireflexionsschicht AR aus Al2O3 bedeckt.
  • Die folgenden Figuren zeigen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Resultate. Die Nahfeld-Photostrom-Spektroskopie ermöglicht dabei durch eine Auflösung im Sub-Wellenlängen-Bereich und eine energieselektive Anregung mittels eines durchstimmbaren Lasers die selektive Untersuchung von mikroskopischen räumlichen Bereichen der Laserdiode bezüglich ihres Degradationsverhaltens.
  • In 2 ist das Nahfeld-Photostrom(NOBIC)-Signal der in 1 dargestellten Laserstruktur in Abhängigkeit des Ortes der Meßsonde auf der Laserstruktur für eine nicht gealterte DQW-GRIN-Laserdiode bei verschiedenen Anregungsenergien E dargestellt. Oberhalb dieser Kurven ist zum Vergleich der oben beschriebene Schichtaufbau der Laserdiode (Substrat, Supergitter zum Ausgleich der Gitterfehlanpassung der benachbarten Schichten, DQW benachbart von p- und n-leitenden Al1–xGaxAs-Schichten in der genannten Reihenfolge) unter Berücksichtigung der entsprechenden Bandlücken dargestellt. Die räumliche Korrelation zwischen der Position der Meßsonde und der Laserstruktur wird mittels der Methode der Scherkraftmikroskopie erreicht. Die integrierten Intensitäten in diesen NOBIC-Kurven stimmen sehr gut mit den entsprechenden makroskopischen PC-Spektren überein. Aus den NOBIC-Kurven wird ersichtlich, daß die unterschiedlichen Schichten der Laserstruktur unterschiedlich auf die Anregung reagieren. Bei einer Anregungsenergie von 1,476 eV, d.h. die Anregung erfolgt unterhalb der Bandkante im Defekt- oder Störstellenband, wird ein schmales Signal mit einer Halbwertsbreite des Maximums von 700 nm beobachtet und in der DQW-Region ein Maximum. Bei einer Anregungsenergie E von 1,512 eV, d.h. bei Einsetzen der DQW-Interband-Absorption, ändert sich die Form der NOBIC-Kurve drastisch in ein Doppelmaximum um das Gebiet der DQW-Region. Die aktive Region des Lasers erscheint nun als ein kleiner Abfall im Zentrum dieses Doppelmaximums. Die Breite des Doppelmaximums beträgt etwa 1 μm, die beiden Maxima sind ca. 450 nm voneinander getrennt. Bei 1,579 eV, einem Wert, bei dem ein Maximum der DQW- aber nicht der GRIN-Absorption vorliegt, wurde eine ähnliche Struktur mit Doppelmaximum beobachtet, dessen Minimum in der aktiven Region liegt, jedoch ist hier nun auch ein Untergrundsignal für die Anregung innerhalb der zu dem DQW- und GRIN-Gebiet benachbarten p- und n-dotierten Schichten zu beobachten. Dieses Untergrundsignal erhöht sich auf etwa 60 % des NOBIC-Signals bei einer Anregung mit 1,959 eV, d.h. hierbei erfolgt eine Anregung der DQW- und GRIN-Übergänge. Das Doppelmaximum wird breiter im Vergleich zur Anregung bei 1,517 eV und das Maximum ist weniger stark ausgebildet.
  • In 3 sind nun die NOBIC-Spektren der gleichen Laserdiode wie in 2 dargestellt, vor Messung dieser Kurven ist die Diode jedoch 100 h bei 35 °C gealtert worden. Das Abrastern erfolgte wieder senkrecht zur aktiven Schicht. Für eine Anregungsenergie E von 1,959 eV sind die Signalamplitude und die Form der NOBIC-Kurve ähnlich vor und nach Alterung der Laserstruktur. Die Kurven weisen ein breites Plateau bei einer Meßkopfposition zwischen den p- und n-dotierten Schichten auf und ein kleineres Maximum in der DQW-GRIN-Schicht.
  • Die Form des durch Störstellen beeinflußten NOBIC-Signals bei Anregungsenergien E unterhalb der Bandkante (d.h. bei 1,476 eV und 1,494 eV entsprechend) hat sich nur wenig nach dem Altern geändert. Die Signalintensität der gealterten Diode, verglichen mit der der ungealterten, bei Anregungsenergien E unterhalb der Bandkante vergrößert sich auf mehr als das Doppelte. Auch hier sind Analogien zum makroskopischen PC-Spektrum festzustellen. Die Vergrößerung der Intensität weist auf einen starken Anstieg der Konzentration der im Infraroten absorbierenden Defekte innerhalb der DQW-GRIN-Region nach der Alterung hin und liefert erstmals einen Beweis dafür, an welchem Ort eine Defektgeneration erfolgt.
  • Für Anregungsenergien E, deren Größe etwa der Bandlücke der aktiven Laserschicht entspricht, ist ein drastischer Effekt in der Form der NOBIC-Kurve für die nunmehr gealterte Laserstruktur festzustellen. Die NOBIC-Kurven bei Anregungsenergien E von 1,512 eV und 1,531 eV zeigen ein einfaches Maximum, das in der DQW-Region liegt. Die Breite dieser Maxima vergrößert sich: von 600 nm bei 1,476 eV bis 700 nm bei 1,512 eV und bis 900 nm bei 1,531 eV.
  • Für einen direkten Vergleich sind in 4 die NOBIC-Kurven für eine ungealterte und eine gealterte Laserdiode bei einer Anregungsenergie E von 1,531 eV dargestellt. Das PC-Signal bei einer Anregungsenergie E von 1,531 eV setzt sich aus einem eine Struktur aufweisenden Anteil, hervorgerufen durch den DQW, und einen keine Struktur aufweisenden Anteil, der auf Störstellen zurückzuführen ist, zusammen. Die Energie E = 1,531 eV wurde gewählt, da das Gesamtsignal hier beim Altern unverändert ist. Wie festgestellt wurde, ändern sich die relativen Anteile von DQW und Störstellen am PC-Signal. Vor der Alterung dominiert der DQW-Beitrag (mit Struktur), nach der Alterung der Störstellenbeitrag (ohne Struktur), wodurch sich der Verlauf des gesamten NOBIC-Signals ändert. Zurückzuführen ist die Änderung dieses Kurvenverlaufs nach der Alterung auf die Zunahme der Störstellenkonzentration innerhalb der aktiven Zone des Lasers (Anwachsen des Störstellenbeitrages) und die dadurch hervorgerufene Zunahme der strahlungslosen Rekombinationsprozesse nahe der Facette (Abnahme des DQW-Beitrages). Damit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die gezielte Auswahl der Materialien der Laserstruktur für eine Verbesserung ihrer Lebensdauer.
  • Auch für ein aus SIN(Step INdex)-Strukturen bestehendes Laserarray wurde das mikroskopische Alterungsverhalten mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt und lieferte insbesondere Aussagen zur Wirkung der unterschiedlichen Wellenleiterstrukturen auf den Verlauf der NOBIC-Kurven.
  • Das beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt, daß die Kurvenform des NOBIC-Signals von der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit abhängt und somit die Nahfeld-Photostrom-Spektroskopie ein wirksames Mittel für die mikroskopische Analyse von Alterungseffekten, die auf Oberflächenrekombinationsprozesse zurückzuführen sind, darstellt.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Bestimmung von Degradationsprozessen in Halbleiterlasern, bei dem gemäß Hauptpatent DE 196 36 229 B4 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 elektrische Signal gemessen wird und danach unter Berücksichtigung der Bandstruktur des zu untersuchenden Halbleiterlasers aus der degradationsbedingten Änderung des gemessenen Signals Degradationsmechanismen der Facetten bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Nahfeld-Photostrom-Spektroskopie zur Bestimmung von in mikroskopischen facettennahen Bereichen ablaufenden Degradationsprozessen in Halbleiterlasern angewendet wird, indem eine den pn-Übergang enthaltende Facette des zu untersuchenden und als Photodiode geschalteten Halbleiterlasers in geringem Abstand von seiner Oberfläche nach einer beliebigen Betriebszeit mit Licht eines durchstimmbaren Lasers bestrahlt wird, das im Halbleiterlaser entstehende elektrische Signal bei energieselektiver Anregung der einzelnen Schichten in Abhängigkeit des Ortes der Laserschichtstruktur gemessen wird und daraus unter Berücksichtigung der Bandstruktur der Schichtstruktur des zu untersuchenden Halbleiterlasers aus der degradationsbedingten Änderung des gemessenen Photostromsignals Degradationsmechanismen in definierten mikroskopischen facettennahen Bereichen der Schichtstruktur des zu untersuchenden Halbleiterlasers bestimmt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eindimensionale Nahfeld-Photostrom-Spektren aufgenommen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zweidimensionale Nahfeld-Photostrom-Spektren aufgenommen werden.
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