JP2013191686A

JP2013191686A - 光励起電流評価装置

Info

Publication number: JP2013191686A
Application number: JP2012056125A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Takeshita; 達也竹下; Masaki Kamitoku; 正樹神徳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-09-26

Abstract

【課題】光源を交換することなく、半導体レーザ表面近傍及び半導体レーザ内部について、高感度な劣化検知が可能な光励起電流評価装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係る光励起電流評価装置は、励起光源と、前記励起光源から発生したレーザ光を平行ビームにするレンズと、前記平行ビーム光を試料表面に沿って走査させる装置と、前記平行ビームを試料に集光させるレンズと、前記平行ビームを集光された試料から発生する光励起電流を測定する電流計と、測定した電流値を格納するとともに電流値を画像表示するコンピュータとから構成され、前記励起光源から発生したレーザ光の偏波モードは、ＴＥモードまたはＴＭモードのいずれかであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光励起電流評価装置に関し、具体的には、光通信、光情報処理等で用いられている半導体レーザの劣化を評価するための光励起電流評価装置に関する。

光励起電流測定（Optical beam induced current:以下、ＯＢＩＣと呼称する）法は、電子ビーム励起電流（Electron beam induced current: 以下、ＥＢＩＣと呼称する）法、ルミネッセンス（Luminescence）法と同様に、欠陥の存在を明らかにする方法である。これらの方法の中でＯＢＩＣ測定法は、非破壊、高感度、高空間分解能の特徴を持ち、光及び電子デバイスの劣化解析及び特性解析に使われている。

図１に、ＯＢＩＣ測定装置の１例を示す。図１は、ＯＢＩＣ測定装置の概略構成を示すブロック図である。

図１に示すように、半導体試料１５０を測定するＯＢＩＣ測定装置１００は、励起光源（半導体レーザ）１０１と、レンズ１０２と、第１のガルバノメータ１０３と、第２のガルバノメータ１０４と、ミラー１０５と、対物レンズ１０６と、ＯＢＩＣ測定器（電流計）１０７と、ＯＢＩＣ強度データ取得用且つ画像表示用コンピュータ１０８とから構成される。

励起光源（半導体レーザ）１０１において、測定対象領域に入射されるレーザ光が生成され、励起光源１０１から出射されたレーザ光は、レンズ１０２で平行ビームに変換される。

次いで、平行ビームは、第１のガルバノメータ１０３及び第２のガルバノメータ１０４にてＸＹ方向に走査されながら、ミラー１０５に導かれ、ミラー１０５にて対物レンズ１０６の方向に反射される。

次いで、対物レンズ１０６に入射したビームは、半導体試料１５０に集光され、半導体試料１５０に照射される。ビームが半導体試料１５０に照射されると、半導体試料１５０に光吸収され、電子・正孔ペアが生成される。そして、ｐｎ接合付近で生成した電子・正孔ペアは、空乏層の電界にて電子と正孔に分離され、光励起電流としてＯＢＩＣ測定器（電流計）１０７にて測定される。そして、ＯＢＩＣ測定器（電流計）１０７にて測定された光励起電流値は、コンピュータ１０８にて格納されるとともに、その電流値が画像表示される。

半導体試料としてＳＩＢＨ（Semi‐insulator buried heterostructure）‐ＤＦＢ（Distributed feedback）レーザを用いた場合について検討する。図２は、ＳＩＢＨ‐ＤＦＢレーザの概略構成を示す説明図であり、断面構造を示すためにＳＩＢＨ‐ＤＦＢレーザの一部を切り取ったときの斜視図である。

図２において、ｎ‐ＩｎＰ基板２１７上には、下部ＳＣＨ層２１２、活性層２１１、上部ＳＣＨ層２１３、ｐ‐ＩｎＰクラッド層２１４及びｐ＋‐ＩｎＧａＡｓＰキャップ層２１５が順次積層されている。下部ＳＣＨ層２１２、活性層２１１及び上部ＳＣＨ層２１３は、ｎ‐ＩｎＰ基板２１７の上層及びｐ‐ＩｎＰクラッド層２１４の下層とともにメサ状にエッチングされ、メサ構造が形成されている。

活性層２１１は、１．３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層からなるＭＱＷ（multiple quantum well）層及び１．１μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層からなるバリア層の積層構造にて構成することができる。下部ＳＣＨ層２１２は、１．１μｍ組成ｉ‐ＩｎＧａＡｓＰ層から構成することができる。上部ＳＣＨ層２１３は、１．１μｍ組成ｉ‐ＩｎＧａＡｓＰ層から構成することができる。

下部ＳＣＨ層２１２、活性層２１１、上部ＳＣＨ層２１３、ｐ‐ＩｎＰクラッド層２１４及びｐ＋‐ＩｎＧａＡｓＰキャップ層２１５をｎ‐ＩｎＰ基板２１７上に形成する場合、例えば、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいはＡＬＣＶＤ（ａｔｏｍｉｃｌａｙｅｒｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などのエピタキシャル成長を用いることができる。

ｎ‐ＩｎＰ基板２１７上には、メサ状にエッチングされた下部ＳＣＨ層２１２、活性層２１１及び上部ＳＣＨ層２１３が埋め込まれるように、Ｒｕ添加半絶縁ＩｎＰ層２１６が積層されている。

ｐ＋‐ＩｎＧａＡｓＰキャップ層２１５上には、ｐ電極２１８が形成されるとともに、ｎ‐ＩｎＰ基板７の裏面にはｎ電極２１９が形成されている。

また、このように構成された半導体レーザ（Laser diode：以下、ＬＤと呼称することがある）は劈開され、前面から効率よく光を出射できるようにするために、ＬＤの前端面には前端面低反射（Ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＡＲ）膜２２０が形成されるとともに、ＬＤの後端面には後端面高反射（Ｈｉｇｈｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＨＲ）膜２２１が形成されている。

上部ＳＣＨ層２１３には回折格子が作製され、これにより動的単一モードの動作を実現することができる。

図２に示すようなＬＤに順バイアスが印加されると、ＬＤに注入された電流がＲｕ添加半絶縁ＩｎＰ層２１６にてブロックされながら、活性層２１１に効率よく電流が注入される。活性層２１１に電流が注入されると、活性層２１１のバンドギャップに対応した波長の光が生成され、ＬＤのＨＲ膜コーティング後端面とグレーティングで反射を繰り返しながらレーザ発振することができる。そして、このようにして生成されたレーザ光は、屈折率の高い活性層１の近傍に集中しながら導波し、前端面から外部に出射することができる。

上述したように、図２に示したようなＬＤは、活性層に電流及び光が集中する構造を有する。従って、ＬＤが長期間使用されると活性層２１１が劣化し、摩耗故障が発生する。よって、この磨耗故障の劣化機構を解明し、劣化を抑制することは重要となる。

図３は、従来のＯＢＩＣ測定装置を用いて測定した半導体レーザのＯＢＩＣ像を示す図である。励起光源波長として測定対象ＬＤのＭＱＷ層にのみ効率よく吸収される波長（１.２６μｍ）を選択し、偏波はレーザ発振と同じＴＥモードとした。

図３において、半導体レーザのＡＲ端面からレーザ光が入射されると、そのレーザ光は活性層２１１にて吸収され、ＯＢＩＣ像が生成される。なお、図３において、白黒階調はＯＢＩＣ強度を表し、白い部分はＯＢＩＣ強度が高く、黒い部分はＯＢＩＣ強度が低いことを示している。図３のＯＢＩＣ像の中央の白い領域は活性層（ＭＱＷ層）２１１を含むｐｎ接合付近に対応する。

ＯＢＩＣ分析可能な領域は、半導体レーザのＡＲ端面から入射した光の貫通距離に依存する。半導体レーザのＡＲ端面から距離ｘにおける光パワーＰ_i（ｘ）は次の式で示される。

ただし、Ｐ_i0は入射光パワー、Γは光閉じ込め係数、α₀は吸収係数である。Γを０.１、α₀を１０⁴ｃｍ^-1とすると、入射光が１／ｅとなる貫通距離は１０μｍとなり、表面から１０μｍ程度の領域のＯＢＩＣが主に測定されることになる。従って、半導体レーザのＡＲ端面から１０μｍ以上の内部に劣化があった場合、入射光が大きく減衰しているため、上記ＯＢＩＣ測定法では、劣化検知は困難になる。

なお、ＯＢＩＣ測定を行うにあたって半導体レーザのエイジングを７５００時間行った。そして、７５００時間の通電試験後の動作電流の相対増加率が３.５％の半導体レーザを用いて、ＡＲ端面側からＯＢＩＣ測定を行った。

図４に、図３のＰｏｉｎｔ（ｉ）‐（ｉｉ）における相対ＯＢＩＣ強度のエイジングによる変化を示す。図４に示すように、エイジング前後においてＯＢＩＣプロファイルに変化はない。これはＡＲ端面から１０μｍ以内ではほとんど劣化してないことを示している。

このような場合、貫通距離の長い光源が必要となる。貫通距離の長い光源として、ＭＱＷのバンド端対応の波長より長波長を使い、吸収係数α₀を下げる手段が有益であった。しかしながら、測定系の光源を交換すると光軸調整を行う必要があり、測定のスループットが悪かった。

特開２００８−４７６３１

従来のＯＢＩＣ測定法では、半導体試料の表面付近（即ち、半導体レーザの端面付近）で光吸収されるため、半導体レーザ表面近傍の劣化の存在を確認することは可能であった。しかしながら、従来のＯＢＩＣ測定法では、入射光が半導体レーザ内部まで届かないため、半導体レーザ内部の劣化評価は困難であった。

半導体レーザの内部劣化を解析するため、半導体レーザ表面の電極を剥がし、表面からＯＢＩＣ測定を行った例もあるが、表面入射の分析では活性層の膜厚が数十ｎｍ程度と薄いため光吸収が小さく、小さい劣化を検知するのは困難であった。

また、入射光の貫通距離を伸ばすため、ＭＱＷのバンド端対応の波長より長波長の入射光を使い、吸収係数α₀を下げる手段も有益であったが、測定系の光源を交換し光軸調整を行う必要があり、測定のスループットが悪かった。

本発明は、上記課題を鑑みて、光源を交換することなく、半導体レーザ表面近傍及び半導体レーザ内部について、高感度な劣化検知が可能な光励起電流評価装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、励起光源と、励起光源から発生したレーザ光を平行ビームにするレンズと、平行ビーム光を試料表面に沿って走査させる装置と、平行ビームを試料に集光させるレンズと、平行ビームを集光された試料から発生する光励起電流を測定する電流計と、測定した電流値を格納するとともに電流値を画像表示するコンピュータとから構成された光励起電流評価装置であって、励起光源から発生したレーザ光の偏波モードは、ＴＥモードまたはＴＭモードのいずれかであることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、偏波モードを切り替えるための手段を更に備えたことを特徴とする。

本発明の一実施形態において、偏波モードを切り替えるための手段は、励起光源の回転機構か偏波コントローラのいずれかであることを特徴とする。

本発明に係るＯＢＩＣ測定装置によって、入射励起光源からの励起光をＴＥ偏波とすることにより半導体表面近傍の劣化解析が可能となり、更に、同一光源からの励起光をＴＭ偏波とすることにより半導体内部の劣化解析が可能となる。従って、試料測定において、入射励起光源を取り替える必要がないことから、光軸調整の必要がなく測定のスループットを向上させることができる。

また、ＡＲ膜が形成された前端面側からの１回のＯＢＩＣ測定で、導波路内部のすべての領域の劣化を解析することが可能となるので、後端面側観察のためにＨＲ膜が形成されたＬＤの後端面側が前面にくるようにマウントする必要がなくなり、分析のスループットを向上させることができる。

ＯＢＩＣ測定装置の概略構成を示すブロック図である。半導体試料として用いられるＳＩＢＨ‐ＤＦＢレーザの概略構成を示す説明図である。ＯＢＩＣ測定装置を用いて測定した半導体レーザのＯＢＩＣ像を示す図である。図３のＰｏｉｎｔ（ｉ）‐（ｉｉ）間におけるエイジング前後の相対ＯＢＩＣ強度の変化を示すグラフである。本発明に係るＯＢＩＣ測定装置を用いて測定した半導体レーザのＯＢＩＣ像を示す図である。図５のＰｏｉｎｔ（ｉ）‐（ｉｉ）間におけるエイジング前後の相対ＯＢＩＣ強度の変化を示すグラフである。

次に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

[第１の実施の形態]
測定対象となる半導体試料として、図２に示したＳＩＢＨ‐ＤＦＢレーザを用いた。活性層２１１を、１．３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層からなるＭＱＷ層及び１．１μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層からなるバリア層の積層構造にて構成した。

ＯＢＩＣ励起光源として、１.２６μｍ波長の光源を用いた。本実施形態に係るＯＢＩＣ励起光源は、偏波モード切り替えのために回転することができる。波長１.２６μｍのＴＥ偏波光を本実施形態に係るＳＩＢＨ‐ＤＦＢレーザに照射するとＭＱＷ層で効率よく吸収される。一方、波長１.２６μｍのＴＭ偏波光を本実施形態に係るＳＩＢＨ‐ＤＦＢレーザに照射するとＭＱＷ層で吸収される。

最初に、半導体レーザのＡＲ端面近傍付近の劣化を解析するため、ＯＢＩＣ励起光源からの励起光の偏波モードをＴＥモードとした。図４に示したように、エイジング前後においてＯＢＩＣプロファイルに変化はなく、半導体レーザのＡＲ端面から１０μｍ以内でほとんど劣化してないことが確認された。

次に、半導体レーザ内部の劣化を解析するため、ＯＢＩＣ励起光源を９０度回転させることにより、ＯＢＩＣ励起光源からの励起光の偏波モードをＴＭモードとした。使用するＯＢＩＣ励起光源は、端面近傍付近の劣化解析時と同一である。

図５は、本実施形態に係るＯＢＩＣ測定装置を用いて測定した半導体レーザのＯＢＩＣ像を示す図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）夫々の中央の白い領域は、活性層２１１を含むｐｎ接合付近に対応する。図５（ｂ）からわかるように、エイジング後、中央の白い領域が若干黒ずみ、ＯＢＩＣ強度の低下が認められた。

図６に、図５のＰｏｉｎｔ（ｉ）‐（ｉｉ）における相対ＯＢＩＣ強度のエイジングによる変化を示す。図６に示すように、エイジング後、相対ＯＢＩＣ強度のピークは約６％低下した。これは貫通距離内に劣化があることを示している。ここで、ＡＲ端面から１０μｍ以内には劣化がないことがわかっていることから、ＡＲ端面近傍を除く導波路の劣化があることが明らかになる。

このように、ＴＭ偏波では半導体レーザ導波路の貫通距離がＴＥ偏波より長くなるため、ＴＭ偏波の有効性が確認された。これにより半導体レーザのＡＲ端面側から１回のＯＢＩＣ測定で、導波路内部のすべての領域の劣化を解析することが可能となり、ＨＲ端面側観察のため半導体レーザのＨＲ端面側が前面にくるようにマウントする必要がなくなった。なお、半導体レーザ内部の劣化解析時に、必ずしもＴＭ偏波にする必要はなく、メインの光がＴＭ偏波であれば同様に劣化の有無を解析できることは当業者にとって自明であろう。

本実施形態では、ＯＢＩＣ励起光源を９０度回転させることにより、ＴＥモードからＴＭモードへの切り替えを行っている。しかし、本発明に係るＯＢＩＣ測定装置は、偏波モードの切り替えのための、偏波コントローラを備えても良い。

１００：ＯＢＩＣ測定装置
１０１：励起光源（半導体レーザ）
１０２：レンズ
１０３：第１のガルバノメータ
１０４：第２のガルバノメータ
１０５：ミラー
１０６：対物レンズ
１０７：ＯＢＩＣ測定器（電流計）
１０８：ＯＢＩＣ強度データ取得用及び画像表示用コンピュータ
１５０：半導体試料
２１１：活性層
２１２：下部ＳＣＨ層
２１３：上部ＳＣＨ層
２１４：ｐ‐ＩｎＰクラッド層
２１５：ｐ＋‐ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
２１６：Ｒｕ添加半絶縁ＩｎＰ層
２１７：ｎ‐ＩｎＰ基板
２１８：ｐ電極
２１９：ｎ電極
２２０：前端面低反射（ＡＲ）膜
２２１：後端面高反射（ＨＲ）膜

Claims

励起光源と、
前記励起光源から発生したレーザ光を平行ビームにするレンズと、
前記平行ビーム光を試料表面に沿って走査させる装置と、
前記平行ビームを試料に集光させるレンズと、
前記平行ビームを集光された試料から発生する光励起電流を測定する電流計と、
測定した電流値を格納するとともに電流値を画像表示するコンピュータと
から構成された光励起電流評価装置であって、
前記励起光源から発生したレーザ光の偏波モードは、ＴＥモードまたはＴＭモードのいずれかであることを特徴とする光励起電流評価装置。
前記偏波モードを切り替えるための手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の光励起電流評価装置。
前記偏波モードを切り替えるための手段は、前記励起光源の回転機構か偏波コントローラのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の光励起電流評価装置。