JP2009170757A - 光半導体素子の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不良箇所を高精度で検査できる光半導体素子の検査方法を提供することにある。
【解決手段】光半導体素子の検査方法は、検査対象である光半導体素子２を該光半導体素子２のしきい値電流より低い電流で駆動して、インコヒーレントな光を発生させる工程と、前記光をエミッション顕微鏡１０で観察することにより発光像を得る工程と、前記発光像から不良状態を解析する工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光型半導体レーザなどの光半導体素子の検査方法に関する。

ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの直接遷移型の半導体結晶における欠陥を検査する方法のひとつとして、フォトルミネッセンス法を用いた方法が知られている（例えば非特許文献１参照）。この方法は、半導体結晶にレーザを照射すると結晶内部に電子−正孔対が生成され、それらの発光再結合によりフォトルミネッセンスという光が発生する。この光を検出することにより、結晶中の非発光再結合中心となる構造欠陥の評価を行うことができる。

しかしながら、このようなフォトルミネッセンス法を用いた検査では、得られる画像が不鮮明なため、構造欠陥を明確に特定することが難しい。
A.Yamaguchi，S.Komiya，Y.Nisitani and K.Akita：Jpn. J.Appl.Phys.19-3(1980)341.

本発明の目的は、不良箇所を高精度で検査できる光半導体素子の検査方法を提供することにある。

本発明に係る光半導体素子の検査方法は、
検査対象である光半導体素子を該光半導体素子のしきい値電流より低い電流で駆動して、インコヒーレントな光を発生させる工程と、
前記光をエミッション顕微鏡で観察することにより発光像を得る工程と、
前記発光像から不良状態を解析する工程と、
を含む。

この検査方法によれば、エミッション顕微鏡により、光半導体素子の故障箇所を簡便かつ高精度で検査できる。

本発明の光半導体素子の検査方法において、前記光半導体素子は、面発光型光半導体素子であることができる。

本発明の光半導体素子の検査方法において、前記面発光型光半導体素子は、レーザであることができる。

本発明の光半導体素子の検査方法において、前記面発光型光半導体素子は、発光ダイオードであることができる。

本発明の光半導体素子の検査方法において、さらに、前記発光像のパターンから故障原因を特定する工程を有することができる。

本発明の光半導体素子の検査方法において、前記光半導体素子を駆動する前に、該光半導体素子に出射面と垂直にスリットを形成する工程を有することができる。

本発明の光半導体素子の検査方法において、前記発光像を得る工程では、前記スリットの断面の発光像を得ることができる。この場合、前記光半導体素子は、その出射面が前記エミッション顕微鏡の対物レンズに対して斜めに設置されることができる。

１．光半導体素子の検査方法
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

まず、本実施形態の検査方法に用いることができる検査装置について述べる。図１は、検査方装置の一例を模式的に示す図である。

図示した検査装置では、エミッション顕微鏡１０が用いられる。エミッション顕微鏡１０は、支持台１と、光学部３と、検出部４と、外部電源６と、制御部７と、ディスプレイ８と、を有することができる。

支持台１には、検査対象である光半導体素子２が搭載される。光半導体素子２は、テストボード（図示せず）に設置されることができる。支持台１は、水平２軸方向に移動可能なＸＹステージ、あるいは水平２軸方向および垂直方向に移動可能なＸＹＺステージによって構成されることができる。光半導体素子２は、テストボードを介して外部電源６に接続されている。支持台１および光学部３は、暗箱５内に収容されている。暗箱５によって、外部からの不要な光が遮断される。

光学部３は、支持台１に対向する位置に設けられる。光学部３は、光学顕微鏡およびレンズなどの光学部品を有することができる。光学顕微鏡で観察される像は、高感度の光検出器およびＣＣＤカメラなどの撮像用カメラを含む検出部４によって検出され、画像情報として制御部７に送られる。制御部７は、ＣＰＵを含み、検出部４から取り込まれた情報を画像処理する。制御部７で処理された画像情報は、ディスプレイ８によって表示されることができる。本実施形態では、このようにしてエミッション顕微鏡で得られた画像を「発光像」という。例えば、後述するように、エミッション顕微鏡として浜松ホトニクス株式会社製「ＰＨＥＭＯＳシリーズ」を用いると、発光像はホットエレクトロンの発生領域を示している。

次に、本実施形態に係る光半導体素子２の検査方法について述べる。

まず、検査対象である光半導体素子２を支持台１上に搭載する。光半導体素子２は、必要に応じて、図示しないテストボードに実装されることができる。光半導体素子２は、半導体レーザ、発光ダイオードなどの発光素子を含む。本実施形態の検査方法は、面発光型の半導体レーザあるいは発光ダイオードに好適に適用できるが、これに限定されず、端面発光型の半導体レーザにも適用できる。本実施形態の検査方法を用いることにより、面発光型の発光装置では、発光領域の全体において発光状態を正確に検査できる。

ついで、光半導体素子２を該光半導体素子２のしきい値電流より低い電流で駆動して、インコヒーレントな光を発生させる。例えば、光半導体素子２として、面発光型半導体レーザを用いた場合には、該光半導体素子２のしきい値電流より低い電流が活性層に流れるように、印加電圧が選択される。光半導体素子２に印加される電圧は、光半導体素子２の種類やタイプによって異なる。このように、面発光型半導体レーザは、しきい値電流より低い電流で駆動されると、レーザ発光ではなく、スペクトル幅が広く、位相の揃っていないインコヒーレントな光が放出される。しきい値電流は、レーザ，ダイオードの種類や用途によって異なり、例えば、通信用の面発光型半導体レーザでは、しきい値電流より低い電流で駆動するには、１．３Ｖ以下の印加電圧で、１０μＡ以下の電流を流すことで、エミッション顕微鏡で測定可能なインコヒーレント光を発生させることができる。

そして、光半導体素子２において、正常な箇所では電子が励起されて発光するが、構造的な欠陥あるいは結晶欠陥を有する箇所では、電子が生成されないので発光しない。したがって、正常な箇所と故障箇所とで発光状態が異なる。さらに、後述する試験例からも明らかなように、故障の種類によって発光像のパターンの傾向が異なることから、発光像のパターンから故障の種類を特定できる。

ついで、光半導体素子２から放出された光をエミッション顕微鏡１０で観察することにより発光像を得る。すなわち、上述したように、光半導体素子２から発生する光を光学部３および検出部４によって検出し、その画像情報を制御部７によって画像処理し、ディスプレイ８に表示することができる。そして、得られた発光像は、光半導体素子２の故障箇所を反映しているので当該発光像から不良状態を解析することができる。

さらに、本実施形態では、光半導体素子２の発光時の断面観察を行うことができる。

具体的には、検査対象である光半導体素子２の所定箇所、例えば出射面に垂直方向にスリットを形成し、光半導体素子２の発光面を顕微鏡の対物レンズに対して斜めにした状態で検査を行うことにより、断面の発光像を得ることができる。上記スリットは、例えばＦＩＢ（Focused Ion Beam）法によって形成することができる。このような発光像によって、光半導体素子２の発光時の断面画像を検出できる。

本実施形態に係る検査方法によれば、光半導体素子２をしきい値電流より低い電流で駆動して発生した光を高感度なエミッション顕微鏡１０で検査することにより、不良箇所を特定できる鮮明な画像を得ることができる。その結果、従来のフォトルミネセンス法に比べて高精度で光半導体素子２の検査を行うことができる。そして、エミッション顕微鏡による簡易な検査によって故障箇所を正確に知ることができるので、その情報をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）などの詳細分析にフィードバックすることにより、分析の簡略化やスピードアップを図ることができる。

また、本実施形態に係る検査方法によれば、発光像のパターンから、代表的な故障例である静電気や摩耗による破壊の種類を特定できる。したがって、この検査方法によって得られた発光像を検証することにより、故障モードの特定を行うことができる。

２．試験例
以下、本発明に係る検査方法の試験例について述べる。サンプルとしては、しきい値電流１ｍＡの面発光型半導体レーザ（以下、「サンプルレーザ」ともいう）を用いた。また、エミッション顕微鏡としては、浜松ホトニクス株式会社製「ＰＨＥＭＯＳシリーズ」を用いた。このエミッション顕微鏡では、ホットエレクトロンの発生箇所を観察できる。

（１）ＨＢＭ（Human Body Model）方式
まず、ＥＳＤ（Electrostatic Discharge）試験用の電圧を印加していない正常なサンプルレーザを用いてエミッション顕微鏡による発光像を得た。このとき、サンプルレーザには１４０μＡの電流が流れた。この発光像を図２に示す。図２から、出射面において均一に発光していることが確認された。発光像において、出射面において色が付いている部分は発光している箇所、すなわち電子（ホットエレクトロン）が数多く放出されている箇所を示している。発光像において、色のない部分は電子が発生しておらず破壊された領域を示している。

ＨＢＭ方式で電圧を印加したときに、出射面に発光していない破壊箇所が確認された。図３および図４は、マイナスの電圧を印加したときの発光像を示し、図６および図７は、プラスの電圧を印加したときの発光像を示している。

図３は、ＨＢＭ方式で−１３００Ｖを印加したときの発光像を示し、図４は、−１４００Ｖを印加したときの発光像を示す。いずれも出射面の外周部において不連続に複数の箇所が破壊されていることが分かる。

ついで、このサンプルレーザの出射面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）にて観察すると、破壊箇所に小さな穴が開いていることが確認された。さらに、サンプルレーザの断面をＴＥＭにて観察した。図５は、図３に示す発光像の破壊箇所をＴＥＭで観察して得た断面画像である。図５から、欠陥は、活性層を通り抜けてＧａＡｓ基板まで達していることが確認された。

図６および図７は、いずれもＨＢＭ方式で＋１０００Ｖを印加したときの発光像を示している。いずれの場合も出射面の１箇所において広い領域で破壊されていることが分かる。

以上のことから、エミッション顕微鏡を用いた本試験例によれば、ＨＢＭ方式の破壊試験によってサンプルレーザが破壊された箇所が明瞭に確認された。しかも、プラスとマイナスの電圧を印加したときに発光像のパターンが相違し、特定の傾向を有することが確認された。

（２）ＭＭ（Machine Model）方式
ＭＭ方式で電圧を印加したときに、出射面に発光していない破壊箇所が確認された。

図８は、ＭＭ方式で−２００Ｖを印加したときの発光像を示し、図９は、−３００Ｖを印加したときの発光像を示す。いずれも出射面の外周部が連続的に円を描くように破壊されていることが分かる。

以上のことから、エミッション顕微鏡を用いた本試験例によれば、ＭＭ方式の破壊試験によってサンプルレーザが破壊された箇所が明瞭に確認された。しかも、破壊された箇所のパターンが特定の傾向を有することが確認された。

（３）高温動作試験（摩耗故障）
高温動作試験（加速試験）は、温度１００℃、印加電流１５ｍＡ、の条件で行った。本試験では、サンプルレーザの出力がほとんど無くなった時点でエミッション顕微鏡による検査を行った。

図１０は、サンプルレーザの出力がゼロになったサンプルレーザの発光像を示し、図１１は、サンプルレーザの出力が若干あるときの発光像を示す。いずれも出射面の特定箇所が破壊されていることが分かる。

以上のことから、エミッション顕微鏡を用いた本試験例によれば、破壊試験あるいは加速試験によってサンプルレーザが破壊された箇所が明瞭に確認された。しかも、試験の種類に応じて破壊された箇所のパターンが特定の傾向を有することが確認された。

（４）断面観察
まず、サンプルレーザの出射部において、出射面に垂直にＦＩＢ法によってスリットを形成した。図１２は、この状態を示す電子顕微鏡像である。ついで、サンプルレーザを対物レンズに対して斜めに４５度傾けた状態で、アノードに１．１Ｖの電圧を印加し、ＧａＡｓ基板を接地した状態でサンプルレーザを駆動した。このとき、サンプルレーザには１４０μＡの電流が流れていた。このようにして得られた発光像を図１３に示した。図１３から、酸化層に挟まれた活性層とＤＢＲミラー層において発光していることが確認された。

さらに、図１４は、活性層全体が発光している発光像を示す。この発光像は、サンプルレーザをアノードに１．２Ｖの電圧を印加して駆動したときのものである。

以上のことから、本試験例によれば、サンプルレーザにスリットを形成することにより、発光像の断面を観察できることが確認された。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

本実施形態の検査方法に用いられる検査装置を模式的に示す図。 正常なサンプルレーザの発光像を示す図。 ＨＢＭ試験で得られたサンプルレーザの発光像を示す図。 ＨＢＭ試験で得られたサンプルレーザの発光像を示す図。 ＨＢＭ試験で得られたサンプルレーザのＴＥＭによる断面像を示す図。 ＨＢＭ試験で得られたサンプルレーザの発光像を示す図。 ＨＢＭ試験で得られたサンプルレーザの発光像を示す図。 ＭＭ試験で得られたサンプルレーザの発光像を示す図。 ＭＭ試験で得られたサンプルレーザの発光像を示す図。 加速試験（摩耗故障）で得られたサンプルレーザの発光像を示す図。 加速試験（摩耗故障）で得られたサンプルレーザの発光像を示す図。 スリットを形成したサンプルレーザのＳＥＭ像を示す図。 スリットを形成したサンプルレーザの発光像を示す図。 スリットを形成したサンプルレーザの発光像を示す図。

符号の説明

１ 支持台、２ 光半導体素子、３ 光学部、４ 検出部、５ 暗箱、６ 電源、７ 制御部、８ ディスプレイ、１０ エミッション顕微鏡

Claims (8)

1. 検査対象である光半導体素子を該光半導体素子のしきい値電流より低い電流で駆動して、インコヒーレントな光を発生させる工程と、
   前記光をエミッション顕微鏡で観察することにより発光像を得る工程と、
   前記発光像から不良状態を解析する工程と、
   を含む、光半導体素子の検査方法。
2. 請求項１において、
   前記光半導体素子は、面発光型光半導体素子である、光半導体素子の検査方法。
3. 請求項２において、
   前記面発光型光半導体素子は、レーザである、光半導体素子の検査方法。
4. 請求項２において、
   前記面発光型光半導体素子は、発光ダイオードである、光半導体素子の検査方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   さらに、前記発光像のパターンから故障原因を特定する工程を有する、光半導体素子の検査方法。
6. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記光半導体素子を駆動する前に、該光半導体素子に出射面と垂直にスリットを形成する工程を有する、光半導体素子の検査方法。
7. 請求項６において、
   前記発光像を得る工程では、前記スリットの断面の発光像を得る、光半導体素子の検査方法。
8. 請求項６または７において、
   前記光半導体素子は、その出射面が前記エミッション顕微鏡の対物レンズに対して斜めに設置される、光半導体素子の検査方法。