JP2014190970A - 半導体レーザの検査方法及び検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の半導体レーザの検査方法は、残留応力のみの評価であり、組成揺らぎの影響が考慮されていない。
【解決手段】この発明に係る半導体レーザの検査方法は、半導体レーザ用試料に低電流を印加し、活性層から放出するＬＥＤ発光による光の波長を測定する工程と、ＬＥＤ発光位置に基き測定位置を決める工程と、測定位置にレーザ光を照射し、ラマン分光測定を行う工程と、ラマン分光測定により得られた結果に基き波長に係る情報及びラマンシフトの相関関係を得る工程とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体レーザの検査方法に関し、特に、半導体レーザチップにおける半導体層の残留応力、組成揺らぎによる不良を検査する方法、および、その装置に関するものである。

半導体レーザは、半導体の再結合発光を利用したレーザである。現在、多数の技術分野で需要が増加しつつ、急速に普及が進んでおり、半導体レーザの高出力化が要求されている。そのため、単体半導体レーザのほかに、数十個の素子を横一列に集積したマルチビーム半導体レーザの開発が急速に進んでいる。

そのマルチビーム半導体レーザのマルチビーム半導体に、ストライプ状の活性層が設けられており、レーザ発振をさせるための共振器（光導波路）を形成するために、リッジ構造を採用するなど、種々の構造が採用されている。上記のような半導体レーザ素子が形成された化合物半導体基板（チップ）は、パッケージ内に配置されたサブマウントと呼ばれる熱伝導性の良好な材料（例えばＳｉＣ、ＣｕＷなど）からなる支持基板にはんだで固定されて使用される。特に、マルチビーム半導体レーザの場合、ストライプ状のコンタクト層が設けられており、且つ不均一なはんだ接合応力が半導体層にかかり、出力特性、信頼性に影響するため、半導体レーザの検査工程では、ラマン分光法により残留応力についての解析が行われている。

このラマン分光技術を用いた応力測定は、応力が作用した場合ラマンスペクトルがシフトすることを利用し、ラマンスペクトルのピーク位置の変化から測定点における応力を推定するものである。下図のラマンスペクトルにより、応力によるピーク波長シフトする概念を示す。ラマンシフトの単位は通常カイザー (ｋ 、波数、単位ｃｍ^−１)が使われる。無応力状態に比べて、引張応力に起因するひずみは低波数側に、圧縮応力に起因するひずみは高波数側にシフトすることが知られている。

しかしながら,ラマン分光測定で得られた解析結果に, 測定対象材料の組成揺らぎの影響も含まれることが分かっており，レーザ素子のような組成揺らぎが起こりやすい材料の場合，残留応力が不良原因と断定するのが難しい。

先行技術は残留応力の測定に関する特許である。先行例の残留応力測定装置を示す（例えば、特許文献１、図１参照）。先行例の構成につき、被測定物への応力値と結晶構造の格子振動によるラマンシフト量の変化との関係から予め検量線を作成しておき、この後、被測定物の格子振動によるラマンシフト量の標準スペクトルとのシフト量変化を測定し、該測定値と前記検量線とを比較することにより被測定物の残留応力を求める。このようなラマン分光法を用いる応力測定技術は有効な手段であることが一般的に認識されている。

特開平６−２６９４５号（図１）

先行技術は残留応力のみの評価であり、組成揺らぎの影響が考慮されていない。それに対して，本発明は組成揺らぎの影響も含めて評価し、半導体レーザ素子の出力特性不良原因は残留応力によるか、組成比変化によるか大別する検査方法と、それを可能にする装置に関するものである。

この発明に係る半導体レーザの検査方法は、半導体レーザ用試料に電流を流し活性層から放出されるＬＥＤ発光に係る光の波長を測定する第一工程と、ＬＥＤ発光の発光位置に基き測定位置を特定する第二工程と、測定位置にレーザ光を照射しラマン分光測定を行う第三工程と、ラマン分光測定により得られた結果に基き波長に係る情報及びラマンシフトの相関関係を得る第四工程とを備えたものである。

半導体レーザの出力特性不良が、組成パラメータの変動なのか、アセンブリによる応力変動なのかを大別できる。

この発明の実施の形態１に係る工程図である。 この発明の実施の形態１に係るシングルビーム半導体レーザの断面図である。 この発明の実施の形態１に係るマルチビーム半導体レーザの断面図である。 λとkの相関関係を示すグラフである。 ΔλとΔkの相関関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態１に係る検査装置を示す概略図である。 応力によるラマンスペクトルピーク波長シフトの概念図である。

実施の形態１．
次に、図面を用いて、この発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

図７に半導体レーザチップの基本構造の一例を示す。ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とからなる半導体材料をその間に活性層を介して接合されている。これに電流を流すと活性層から光りが発生し、増幅することでレーザ光を得ることができる。このようにして得られたレーザ光は、活性層の組成揺らぎにより出力特性、信頼性が変化する。

図８は、半導体レーザに流す電流と光出力の関係を示す一例である。低電流で初めのうちにＬＥＤ光（自然放出光）が放出してくる。しきい値電流を超えると、レーザ発振が開始され、レーザ光が放出される。

上記のことを理解した上で、この発明の実施の形態１に係るシングルビーム半導体レーザの検査方法ついて説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る検査方法を示す工程図である。図２は、シングルビーム半導体レーザの構造を簡単示した概略図である。図１からわかるとおり、この発明の実施の形態１に係る検査方法は５つの工程から構成される。

第１の工程は、ＬＥＤ発光による光の波長を測定する工程である。上記説明のとおり、半導体レーザは、低電流で初めのうちに活性層からＬＥＤ光（自然放出光）を放出する。この工程では、図２で示すようなシングルビーム半導体レーザの活性層の発光位置１から発せられるＬＥＤ光の波長を測定し、波長に係る情報λを得る工程である。

第２の工程は、活性層の発光位置１を特定することによりＧａＡｓ基板におけるラマン分光測定位置を決める工程である。発光位置１から、レーザ前端面で活性層５の位置を特定し、活性層５から一定距離離れた図２のＧａＡｓ基板におけるラマン分光測定位置２を特定する位置特定工程である。

第３工程は、ＧａＡｓ基板におけるラマン分光測定位置２において、レーザ光を照射しラマン分光測定を行い、ラマンシフトｋを得るためのラマン分光測定工程である。

活性層５はｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層６とに挟まれており、その端面付近には、活性層５の屈折率に比して低い化合物半導体を埋め込み成長して形成したラマン反射光が得られない材質からなる窓構造が設けられている。そのため、その端面付近の窓構造については、ラマン分光測定ができない。そこで、活性層５の位置を避けて、ｎ型クラッド層４、或いは、ｎ型クラッド層４近くのＧａＡｓ層３においてラマン測定を行う。

ラマン分光法は可視光をプローブとするため光回折限界による制約のため、分析上の空間分解能も実質上１μｍ程度である。そこで，本実施の形態では、測定範囲が十分に確保できる活性層近傍のＧａＡｓ層３においてラマン分光測定を行う。より分解能の高いラマン分光装置を使用すれば、数百ｎｍから数μｍ厚のクラッド層に対してラマン分光測定を実施しても良い。

第４工程では、上記の第３工程から得られた波長に係る情報λとラマンシフトｋとの結果を用い、図４のグラフで示したようなλとｋとの相関関係を得る工程である。

第５の工程では、出力特性良品と不良品のそれぞれのλとkの相関性を比較し、不良原因を判定する工程である。

図４に出力特性良品群の波長λ_Ｒ１、λ_Ｒ２、・・・（Ｒは、良品であることを指す）、と波数ｋ_Ｒ１、ｋ_Ｒ２、・・・のそれぞれの平均値λ_ＲＡとｋ_ＲＡ（ＲＡは、良品の平均であることを指す）を基準に４象限にし、出力特性良品に対する不良品の変位から不具合原因を判定する。出力特性不良品の結果λ_ＦＲとｋ_ＦＲ（ＦＲは、不良品であることを指す）が、第１、３象限であれば、λとｋが正相関であり、図４の不良品１０の場合は、応力原因がより大きいと判定する。出力特性不良品の結果が、第２、４象限であれば、λとｋが負相関であり、図４の不良品１１の場合は、組成比原因がより大きいと判定する。

図６にこの発明の実施の形態１に係る検査装置の概略図を示す。半導体レーザ測定用試料１５に、直列電源１６及び直列抵抗２５を配したＬＥＤ駆動回路２６を構成し、半導体レーザ測定用試料１５に電源を印加することで、活性層からＬＥＤ光１７が放出される。ＬＥＤ光１７はコリメータレンズ１８により集光され、ビームスプリッタ１９及び２４を通して分光器２０に送られ、その波長が検出される。

ＬＥＤ光１７の発光位置は、ビデオカメラ２１で撮影され、そのデータが、例えばパーソナルコンピュータ等で構成される制御部２２に送られる。制御部２２では、このデータによりラマン分光測定位置を特定すると共に、ラマン分光測定の実施を制御する。

レーザ発振器２３から照射されるレーザビームは、ビームスプリッタ２４で反射し、コリメータレンズ１８により集光され半導体レーザ測定用試料１５に照射される。半導体レーザ測定用試料１５からは散乱光が放射され、コリメータレンズ１８により集光され、ビームスプリッタ１９及び２４を通して分光器２０に送られ、その波長が検出されると共に、図７で示したようなラマンシフトの情報が得られる。これらの結果を用い、制御部２２では、λとｋとの相関関係を得る。

以上説明したように、この発明の実施の形態に係る半導体レーザの検査方法を実施すれば、シングルビーム半導体レーザの出力特性不具合原因が、残留応力に起因したものであるか、組成比に起因したものであるか判定できる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、シングルビーム半導体レーザの出力特性不具合原因について述べたが、マルチビーム半導体レーザの出力特性不具合原因についても同様に判定することができる。以下、この発明の実施の形態２に係る半導体レーザの検査方法について説明する。ここで、各工程は、図１を用い、上記実施の形態１で説明した工程と同様な工程であるため、図１を参照しながら説明する。

第一の工程は、ＬＥＤ発光による波長を測定する工程である。図３は、マルチビーム半導体レーザの断面図である。上記説明のとおり、半導体レーザは、低電流で初めのうちに活性層からＬＥＤ光（自然放出光）を放出する。この工程では、図３で示すようなマルチビーム半導体レーザのｍ個のストライプ状活性層の発光位置１から発せられるＬＥＤ光の波長を測定し、波長に係る情報λ１、λ２、λ３、・・・、λｍを得る工程である。図３からわかるとおり、マルチビーム半導体レーザは、サブマウント８上に半田等で構成されるコンタクト層７を介して複数のシングルビーム半導体レーザが設けられたような構造をとる。ｐ型クラッド層６とコンタクト層７との間には、裏面電極２８が設けられ、表面電極２７とにより電流を流すことでレーザ光が放出される。

第２の工程は、活性層５の複数の発光位置１を特定することによりＧａＡｓ基板におけるラマン分光測定位置を決める工程である。上記発光位置１から、レーザ前端面で活性層５の位置を特定し、活性層５から一定距離離れた図３のＧａＡｓ基板におけるラマン分光測定位置２を特定する位置特定工程である。活性層の発光位置から、保護膜などにより光学顕微鏡で外観上構造が判別できなくても測定位置が特定できるため、ＧａＡｓ基板の測定位置を決定することができる。

第３工程は、ＧａＡｓ基板におけるラマン分光測定位置２において、レーザ光を照射しラマン分光測定を行い、ラマンシフトｋ１、ｋ２、ｋ３、・・・、ｋｍを得るためのラマン分光測定工程である。

活性層５はｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層６とに挟まれており、その端面付近には、活性層５の屈折率に比して低い化合物半導体を埋め込み成長して形成したラマン反射光が得られない材質からなる窓構造が設けられている。そのため、その端面付近の窓構造については、ラマン分光測定ができない。そのため、活性層５の位置を避けて、ｎ型クラッド層４、或いは、ｎ型クラッド層４近くのＧａＡｓ層３においてラマン測定を行う。

ラマン分光法は可視光をプローブとするため光回折限界による制約のため、分析上の空間分解能も実質上１μｍ程度である。そこで，本実施の形態では、測定範囲が十分に確保できる活性層近傍のＧａＡｓ層３においてラマン分光測定を行う。より分解能の高いラマン分光装置を使用すれば、数百ｎｍから数μｍ厚のクラッド層に対してラマン分光測定を実施しても良い。

第４工程では、上記の工程から得られた波長に係る情報λ１、λ２、λ３、・・・、λｍとラマンシフトｋ１、ｋ２、ｋ３、・・・、ｋｍのそれぞれの平均値λ_Ａとｋ_Ａを用い、図４のグラフで示したような相関関係を得る工程である。なお、図４は、λとｋとの相関を示したグラフであるが、平均値λ_Ａとｋ_Ａとの相関も同様であるため、図４を用いて説明する。

第５の工程では、出力特性良品と不良品のそれぞれの平均値λ_Ａとｋ_Ａの相関性を比較し、不良原因を判定する工程である。上記実施の形態１と同様に、出力特性良品に対する不良品の変位から不具合原因を判定する。出力特性不良品の結果λ_ＦＲとｋ_ＦＲ（ＦＲは、不良品であることを指す）が、第１、３象限であれば、λ_Ａとｋ_Ａが正相関であり、図４の不良品１０の場合は、応力原因がより大きいと判定する。出力特性不良品の結果が、第２、４象限であれば、λ_Ａとｋ_Ａが負相関であり、図４の不良品１１の場合は、組成比原因がより大きいと判定する。

以上説明したように、この発明の実施の形態に係る半導体レーザの検査方法を実施すれば、マルチビーム半導体レーザの出力特性不具合原因が、残留応力に起因したものであるか、組成比に起因したものであるか判定できる。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、波長に係る情報λ１、λ２、λ３、・・・、λｍとラマンシフトｋ１、ｋ２、ｋ３、・・・、ｋｍのそれぞれの平均値λ_Ａとｋ_Ａを用いてマルチビーム半導体レーザの出力特性不具合原因を判定する方法について述べたが、波長と波数の平均値の相関性以外に、波長と波数の標準偏差の相関性を求めることにより、不具合起因が判定できる。第１工程乃至第３工程は、上記実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。

第４工程では、上記の工程から得られた波長に係る情報λ１、λ２、λ３、・・・、λｍとラマンシフトｋ１、ｋ２、ｋ３、・・・、ｋｍのそれぞれの標準偏差ΔλとΔｋを用い、図５のグラフで示したようなΔλとΔｋとの相関関係を得る工程である。

第５の工程では、出力特性良品と不良品のそれぞれのΔλとΔｋの相関性を比較し、不良原因を判定する工程である。上記実施の形態１と同様に、出力特性良品に対する不良品の変位から不具合原因を判定する。出力特性不良品の結果λ_ＦＲとｋ_ＦＲ（ＦＲは、不良品であることを指す）が、第１、３象限であれば、ΔλとΔｋが正相関であり、図５の不良品１３の場合は、応力原因がより大きいと判定する。出力特性不良品の結果が、第２、４象限であれば、ΔλとΔｋが負相関であり、図５の不良品１４の場合は、組成比原因がより大きいと判定する。

以上説明したように、この発明の実施の形態に係る半導体レーザの検査方法を実施すれば、マルチビーム半導体レーザの出力特性不具合原因が、残留応力に起因したものであるか、組成比に起因したものであるか判定できる。

１ ＬＥＤ光の発光位置
２ ラマン分光測定位置
３ ＧａＡｓ層
４ ｎ−ｃｌａｄ層
５ 活性層
６ ｐ−ｃｌａｄ層
７ コンタクト層（はんだ）
８ サブマウント
９ 良品群のλ_良品とk_良品の結果
１０ 不良品（応力原因大の結果例）
１１ 不良品（組成比原因大の結果例）
１２ 良品群
１３ 不良品（応力原因大の結果例）
１４ 不良品（組成比原因大の結果例）
１５ 半導体レーザ測定試料
１６ 直列電源
１７ ＬＥＤ光
１８ コリメータレンズ
１９ ビームスプリッタ
２０ 分光器
２１ ビデオカメラ
２２ 制御部
２３ レーザ発振器
２４ ビームスプリッタ
２５ 直列抵抗
２６ ＬＥＤ駆動回路
２７ 表面電極
２８ 裏面電極

Claims (5)

1. 半導体レーザ用試料に電流を流し活性層から放出されるＬＥＤ発光に係る光の波長を測定する第一工程と、
   前記ＬＥＤ発光の発光位置に基き測定位置を特定する第二工程と、
   前記測定位置にレーザ光を照射しラマン分光測定を行う第三工程と、
   前記ラマン分光測定により得られた結果に基き波長に係る情報及びラマンシフトの相関関係を得る第四工程とを備え、
   前記相関関係から半導体レーザ用試料の不良原因を判定する半導体レーザの検査方法。
2. 前記第三工程は、複数の測定位置にレーザ光を照射し、ラマン分光測定を行う工程であり、
   前記第四工程は、ラマン分光測定により得られた複数の結果に基き波長に係る情報の平均及びラマンシフトの平均の相関関係を得る工程である請求項１記載の半導体レーザの検査方法。
3. 前記第三工程は、複数の測定位置にレーザ光を照射し、ラマン分光測定を行う工程であり、
   前記第四工程は、ラマン分光測定により得られた複数の結果に基き波長に係る情報の標準偏差及びラマンシフトの標準偏差の相関関係を得る工程である請求項１記載の半導体レーザの検査方法。
4. 前記第二工程は、ＧａＡｓ基板におけるラマン分光測定位置を決める工程である請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体レーザの検査方法。
5. 前記請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体レーザの検査方法を実施することにより半導体レーザ用試料の不良原因を判定する半導体レーザの検査装置。

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