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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Deshalb
ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine
Bestimmung der Degradationsprozesse in Halbleiterlasern auch in
mikroskopischen Größenordnungen
ermöglicht.
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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.
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Je
nach erforderlicher Aussage werden ein- oder zweidimensionale Nahfeld-Photostrom-Scans bzw.
-Bilder in Abhängigkeit
von der Anregungsenergie aufgenommen.
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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.
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Die
Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen anhand von
Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigen
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1 einen
schematischen Schichtaufbau einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
untersuchten DQW-GRIN-Laserstruktur
und schematisch den Aufbau zur NOBIC-Messung;
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2 NOBIC-Kurven
einer frischen Struktur gem. 1 bei verschiedenen
Anregungsenergien;
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3 NOBIC-Kurven
einer gealterten Struktur gem. 1 bei verschiedenen
Anregungsenergien;
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4 NOBIC-Kurve
einer ungealterten und der gleichen gealterten Struktur gem. 1 bei
gleicher Anregungsenergie.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.