JP4047901B1

JP4047901B1 - 半導体素子の波長測定装置及び半導体素子の検査装置

Info

Publication number: JP4047901B1
Application number: JP2006337626A
Authority: JP
Inventors: 克彦井川
Original assignee: Daitron Technology Co Ltd
Current assignee: Daitron Technology Co Ltd
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: JP2008151546A

Abstract

【課題】コスト安価な構成により広範囲の波長帯域において精度良く半導体素子の発光波長を測定する。
【解決手段】半導体素子１の発光波長λを測定する半導体素子の波長測定装置において、半導体素子１の順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆを測定する閾値電圧測定手段２０と、半導体素子１から出射する出力光を検出する受光手段４０と、光透過特性が異なる複数の色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃと、閾値電圧測定手段２０が測定した順方向立上がり電圧値Ｖ_Ｆに基づいて複数の色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃから１の色フィルタを選択するフィルタ選択手段８４と、受光手段８０が前記選択された１の色フィルタを透過した前記出力光と透過していない前記出力光とをそれぞれ検出し、各検出値Ｐ_Ｏ１，Ｐ_Ｏ２に基づいて前記選択された１の色フィルタの透過率Ｒ_Ｐを算出する透過率検出手段８６と、透過率Ｒ_Ｐから半導体素子１の発光波長λを算出する波長算出手段８８と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体素子の発光波長を測定する波長測定装置、及び該波長測定装置を用いた半導体素子の検査装置に関する。

半導体レーザやＬＥＤ等の半導体素子では、不良品をスクリーニングするため電流−光出力特性等を光学特性テスタで測定することで良否判定を行なっている。

このような光学特性テスタでは、所定の電流を注入するとともに、その時の半導体素子の出力光を受光装置で検出するようになっているが、生産された半導体素子には１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度の発光波長のばらつきがあるにもかかわらず、受光装置の受光感度が入力波長により変化するため、正確な光量を検出することができないという問題がある。

この問題に対し、あらかじめ被検査素子の波長測定を行い、測定された波長に基づいて受光装置の光感度を補正することで正確な光量を検出することが可能となるが、波長測定には非常に高価な分光器や光スペクトラムアナライザーが必要となり、光学特性テスタの製造コストが大幅に増大する問題がある。

一方、半導体レーザから出射されたレーザ光を受光する受光手段と、半導体レーザと受光手段との間に出入り可能に配置された色フィルタとを設け、色フィルタ挿入前後における受光手段の検出電流値から色フィルタの透過率を求め、この求めた透過率よりレーザ光の発振波長を決定することで、非常に安価な構成で半導体素子の波長を測定する波長測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記の波長測定装置では、色フィルタの透過率より半導体レーザの発光波長を測定しているため、広範囲な波長域を測定するには波長変化に対する透過率の変化が小さい色フィルタを用いる必要があるが、このような色フィルタでは精度良く波長を測定することができない。一方、精度良く波長を測定するには波長変化に対する透過率の変化が大きい色フィルタを用いる必要があるが、このような色フィルタでは測定可能な波長帯域が狭くなり広範囲な波長域を測定することができない。つまり、上記の波長測定装置では、測定波長の高分解能化と測定可能な波長帯域のワイドレンジ化を両立できない問題がある。

なお、下記特許文献１には、異なる特性を有する色フィルタを取り替えることで、異なる波長帯域の測定が可能である点が示唆されているが、どのようにして異なる特性を有する色フィルタから適切な色フィルタを選択するのか開示されていない。
特開２００３−２４７８９４号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、広範囲の波長帯域において精度良く発光波長を測定することができる半導体素子の波長測定装置をコスト安価に提供すること、及び、正確な光量を検出することができる半導体素子の検査装置をコスト安価に提供すること、を目的とする。

請求項１に係る発明は、半導体素子の発光波長を測定する半導体素子の波長測定装置において、前記半導体素子の順方向立上がり電圧を測定する閾値電圧測定手段と、前記半導体素子から出射する出力光を検出する受光手段と、光透過特性が異なる複数の色フィルタと、前記閾値電圧測定手段が測定した順方向立上がり電圧値が所定の範囲内である場合に前記順方向立上がり電圧値に基づいて前記複数の色フィルタから１の色フィルタを選択し、前記閾値電圧測定手段が測定した順方向立上がり電圧値が所定の範囲外である場合に前記半導体素子の測定を終了するフィルタ選択手段と、前記受光手段が前記選択された１の色フィルタを透過した前記出力光と透過していない前記出力光とをそれぞれ検出し、各検出値に基づいて前記選択された１の色フィルタの透過率である第１透過率を算出する透過率算出手段と、前記第１透過率から前記半導体素子の発光波長を算出する波長算出手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１の発明において、前記波長算出手段は、前記第１透過率が所定値以下の場合に、前記第１透過率から前記半導体素子の発光波長を算出し、前記第１透過率が所定値より大きい場合に、前記複数の色フィルタから前記選択した１の色フィルタ以外の他の色フィルタを選択し、前記他の色フィルタを透過した前記出力光と透過していない前記出力光とをそれぞれ検出し、各検出値に基づいて前記他の色フィルタの透過率である第２透過率を算出し、前記第２透過率から前記半導体素子の発光波長を算出することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、半導体素子の光出力を測定する半導体素子の検査装置において、前記半導体素子の順方向立上がり電圧を測定する閾値電圧測定手段と、前記半導体素子から出射する出力光を検出する受光手段と、光透過特性が異なる複数の色フィルタと、前記閾値電圧測定手段が測定した順方向立上がり電圧値が所定の範囲内である場合に前記順方向立上がり電圧値に基づいて前記複数の色フィルタから１の色フィルタを選択し、前記閾値電圧測定手段が測定した順方向立上がり電圧値が所定の範囲外である場合に前記半導体素子の検査を終了するフィルタ選択手段と、前記受光手段が前記選択された１の色フィルタを透過した前記出力光と透過していない前記出力光とをそれぞれ検出し、各検出値に基づいて前記選択された１の色フィルタの透過率である第１透過率を算出する透過率算出手段と、前記第１透過率から前記半導体素子の発光波長を算出する波長算出手段と、前記波長測定手段により算出された波長に基づいて前記受光手段の受光感度を補正する補正手段と、を備えること特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３の発明において、前記波長算出手段は、前記第１透過率が所定値以下の場合に、前記第１透過率から前記半導体素子の発光波長を算出し、前記第１透過率が所定値より大きい場合に、前記複数の色フィルタから前記選択した１の色フィルタ以外の他の色フィルタを選択し、前記他の色フィルタを透過した前記出力光と透過していない前記出力光とをそれぞれ検出し、各検出値に基づいて前記他の色フィルタの透過率である第２透過率を算出し、前記第２透過率から前記半導体素子の発光波長を算出することを特徴とする。

本発明によれば、コスト安価な構成により広範囲の波長帯域において精度良く半導体素子の発光波長を測定することができる。

以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本実施形態に係る半導体素子の検査装置１０の断面図、図２は検査装置１０の動作を示す検査装置１０の概略平面図、図３は検査装置１０を示すブロック図、図４は検査装置１０の動作を示すフローチャート、図５はフィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃの光透過率特性を示すグラフ、図６は受光素子４２の感度特性を示すグラフである。

本実施形態における半導体素子の検査装置１０は、定格駆動させた半導体レーザ１から出射されるレーザ光の光出力値を受光部４０によって測定することで、半導体レーザ１の光学特性について検査するものである。

この検査装置１０は、図１〜図３に示すように、被検査素子である半導体レーザ１が装着される検査ステージ１２と、検査ステージ１２上の半導体レーザ１に駆動電流を供給する駆動部２０と、駆動電流が入力された半導体レーザ１からの光出力を検出する受光部４０と、半導体レーザ１と受光部４０との間に色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃを切替可能に配設するフィルタ切替部６０と、駆動部２０、受光部４０及びフィルタ切替部６０を予め定められた操作プログラムに従って制御する制御部８０とを備えている。

駆動部２０は、制御部８０からの指令を受けて、所定の波高値を有する定電流、あるいは所定の波高値及びパルス幅を有するパルス電流を検査ステージ１２上に装着された半導体レーザ１に駆動電流として供給する電源供給部２２と、半導体レーザ１より抽出した駆動電流の電流値Ｉ_Ｄ、及び半導体レーザ１の電圧降下量である順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆを検出し、検出した検出値Ｉ_Ｄ，Ｖ_Ｆを制御部８０へ入力する閾値電圧測定部２４とを有する。

受光部４０は、駆動電流の入力を受けた半導体レーザ１から出射される光出力を検出するＰＩＮフォトダイオードなどの受光素子４２と、受光素子４２により出力光を光電変換して得られた検出値Ｐ_Ｏを測定し、この検出値Ｐ_Ｏを制御部８０に入力する光計測部４４とを備え、受光素子４２は、図６に示すように、入力波長に対する受光感度特性が既知の受光素子が用いられている。

また、受光部４０は、リニアガイド１４に取り付けられたベース１６を介して移動可能に配設され、半導体レーザ１の光出力を計測中は、図２（ｂ）に示すように半導体レーザ１の上方に位置し、光出力の計測前後では、図２（ａ）に示すように半導体レーザ１の上方より退避するようになっている。

フィルタ切替部６０は、モータ６２の駆動軸６２ａにユニバーサルジョイント６４を介して連結された従動軸６６と、この従動軸６６に接続された切替板６８とを備える。切替板６８は従動軸６６を中心とする同心円上に光透過特性の異なる複数種類（本実施形態では３種類）の色フィルタ７０ａ，７０ｂ、７０ｃが配設されており、モータ６２の回転動作に伴って切替板６８が従動軸回りに所定角度回転することで、半導体レーザ１と受光部４０との間に色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃのうちいずれか１の色フィルタを切り替えて配設する、あるいは、いずれの色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃも介在しない退避状態に設定するようになっている。

各色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃは、図５に示すように、入射波長に対する透過率特性が既知であり、それぞれ透過波長帯域が異なるシャープカットフィルタであって、例えば、各色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃの透過限界波長は、第１色フィルタ７０ａが８００ｎｍ、第２色フィルタ７０ｂが６４０ｎｍ、第３色フィルタ７０ｃが３９０ｎｍである。

制御部８０は、駆動部２０、受光部４０及びフィルタ切替部６０を予め定められた操作プログラムに従って制御するとともに駆動部２０及び受光部４０から入力される検出結果を記録する主制御部８２と、入力された順方向立ち上がり電圧Ｖ_Ｆの大きさに基づいて３種類の色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃから１の色フィルタを選択するフィルタ選択部８４と、半導体レーザ１と受光素子４２との間に選択した１の色フィルタを介在させた場合と退避させた場合、それぞれの場合における受光素子４２の検出値Ｐ_Ｏに基づいて選択した１の色フィルタの透過率Ｒ_Ｐを算出する透過率算出部８６と、透過率算出部８６が算出した透過率Ｒ_Ｐより半導体レーザ１の発光波長λを測定する波長算出部８８と、波長算出部８８が算出した発光波長λに基づいて受光素子４２の受光感度を補正する補正部９０とを備えている。

次に、上記のような検査装置１０によって半導体レーザ１から出射されるレーザ光の光出力値を検出する方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、受光部４０が検査ステージ１２上より退避した状態で、半導体レーザ１を検査ステージ１２に装着し（ステップＳ１０１）、次いで、駆動部２０が、例えば１ｍＡ程度の電流を半導体レーザ１に加えて半導体レーザ１の順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆを測定する（ステップＳ１０３）。このように半導体レーザ１の順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆを測定する際に半導体レーザ１に流す電流を１ｍＡ程度の微少電流とすることで電極のオーミックコンタクトに相当する電圧降下を無視できるようになり、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆを精度良く測定することができる。

測定した順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆが第１基準電圧値（本実施形態では１．０Ｖ）より小さい場合、被検査対象の半導体レーザ１はショートしている異常素子として、該半導体レーザ１の測定を終了し、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆが第１基準電圧値以上の場合、ステップＳ１０７に進む（ステップＳ１０５）。

ステップＳ１０７では、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆが第２基準電圧値（本実施形態では１．５Ｖ）より小さい場合、すなわち、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆが１．０Ｖ以上で１．５Ｖ未満の場合、透過限界波長が８００ｎｍである第１色フィルタ７０ａを選択し、ステップＳ１１９に進み（ステップＳ１０９）、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆが第２基準電圧値以上の場合、ステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１では、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆが第３基準電圧値（本実施形態では２．０Ｖ）より小さい場合、すなわち、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆが１．５Ｖ以上で２．０Ｖ未満の場合、透過限界波長が６４０ｎｍである第２色フィルタ７０ｂを選択し、ステップＳ１１９に進み（ステップＳ１１３）、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆが第３基準電圧値以上の場合、ステップＳ１１５に進む。

ステップＳ１１５では、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆが第４基準電圧値（本実施形態では４．０Ｖ）より小さい場合、すなわち、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆが２．０Ｖ以上で４．０Ｖ未満の場合、透過限界波長が３９０ｎｍである第３色フィルタ７０ｃを選択し（ステップＳ１１７）、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆが第４基準電圧値以上の場合、被検査対象の半導体レーザ１は断線している異常素子として、該半導体レーザ１の測定を終了する。

ステップＳ１１９では、図２（ｂ）に示すように、受光素子４２が検査ステージ１２に装着された半導体レーザ１上に位置するように受光部４０を移動し、次いで、ステップＳ１２１において半導体レーザ１を所定駆動条件で駆動させた時に出射される出力光量Ｐ_Ｏ１を測定し、ステップ１２３に進む。なお、このステップＳ１２１で測定される出力光量Ｐ_Ｏ１は、いずれの色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃも半導体レーザ１と受光素子４２との間に介在していない退避状態において測定された検出値である。

次いで、ステップＳ１２３では、モータ６２を回転制御して切替板６６を駆動軸回りに回転させることで、切替板６６に配設された色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃのうちステップＳ１０９，Ｓ１１３，Ｓ１１７において選択したいずれか１の色フィルタ（例えば、第３色フィルタ７０ｃ）を検査ステージ１２に装着された半導体レーザ１と受光部４０の受光素子４２との間に介在させた後、ステップ１２１と等しい駆動条件で半導体レーザ１を駆動した時に出射され第３色フィルタ７０ｃを透過した出力光量Ｐ_Ｏ２を測定する。

次いで、ステップＳ１２５では、色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃの退避状態及び第１色フィルタ７０ａが介在する状態において受光部４０により検出された出力光量Ｐ_Ｏ１，Ｐ_Ｏ２から第３色フィルタ７０ｃの透過率Ｒ_Ｐ＝Ｐ_Ｏ２／Ｐ_Ｏ１を算出し、ステップＳ１２７に進む。

ステップＳ１２７では、ステップＳ１２５において算出した透過率Ｒ_Ｐと、図５に示すような第３色フィルタ７０ｃの入射波長に対する透過率特性とに基づいて、第３色フィルタ７０ｃの入射光の波長、すなわち、半導体レーザ１の発光波長λを算出し、ステップＳ１２９に進む。

ステップＳ１２９では、図６に示すような受光素子４２の入力波長に対する受光感度特性とに基づいて、ステップＳ１２７で算出した波長λにおける感度補正係数Ｆ_Ｓを算出し、次いで、ステップＳ１２９において算出した感度補正係数Ｆ_ＳをステップＳ１２１において測定した半導体レーザ１の出力光量Ｐ_Ｏ１に乗じることで、入力波長λに対する受光素子４２の受光感度を補正する（ステップＳ１３１）。

以上のように、本発明によれば、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆの大きさから被検査素子である半導体レーザ１の波長測定に適した透過特性を有する色フィルタの選択が可能となり、近赤外、赤色、青紫色等の広範囲な波長帯域において精度良く半導体レーザ１の発光波長を測定することができる。そのため、近赤外、赤色、青紫色等の広範囲な波長帯域の被検査素子１に対して、発光波長のばらつきがあっても各素子毎に的確に受光素子４２の受光感度特性を補正することができ、正確な光出力値を測定することができる。

また、順方向立上がり電圧Ｖ_Ｆは、半導体レーザ１のオープン・ショートテストと同時に測定できるため、コスト安価に検査装置１０を製造することができる。

さらに、本発明の検査装置１０では、色フィルタの透過率Ｒ_Ｐによって波長測定を行っているため、半導体レーザ１の発熱を無視できる数ｎｓ程度の短パルス駆動した場合であって波長測定が可能となり、発熱に起因した測定誤差を抑えることができる。

なお、本実施形態では、３種類の色フィルタ７０ａ，７０ｂ，７０ｃから１の色フィルタを選択するものであったが、本発明はこれに限定されず、選択可能な色フィルタの数を増やしてもよく、これにより、更に広範囲な波長帯域において精度良く波長測定が可能となる。

（変更例）
次に本実施形態の変更例について、図７を参照して説明する。上記した実施形態と同一又は対応する要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本変更例と上記実施形態との相違点は、透過率Ｒ_Ｐを算出するステップＳ１２５と波長λを算出するステップＳ１２７の間に、選択した色フィルタが適切であるかを判断するためのステップＳ１３３及びステップＳ１３５を有している点である。

すなわち、ステップＳ１２５において算出した透過率Ｒ_Ｐが所定の閾値Ｔより大きい場合、選択した色フィルタが適切でないと判断して、半導体レーザ１と受光素子４２との間に介在させる色フィルタを、現在選択している色フィルタ（例えば、第３色フィルタ７０ｃ）より透過限界波長が一段階大きい色フィルタ（例えば、第２色フィルタ７０ｂ）に切り替え、その後、ステップ１２１と等しい駆動条件で半導体レーザ１を駆動した時に出射され第２色フィルタ７０ｂを透過した出力光量Ｐ_Ｏ２を再度測定し、透過率Ｒ_Ｐを算出するステップＳ１２５に戻る。一方、ステップＳ１２５において算出した透過率Ｒ_Ｐが閾値Ｔ（ただし、０≦Ｔ≦１）より小さい場合、選択した色フィルタが適切であると判断して、ステップＳ１２７に進む。

本変更例では、半導体レーザ１の半導体結晶の結晶性不良等に起因して素子抵抗が増大している場合であっても、適切な色フィルタを選択することができ、より確実に発光波長を測定することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体素子の検査装置の断面図である。（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係る半導体素子の検査装置の動作を示す検査装置の概略平面図である。本発明の一実施形態に係る半導体素子の検査装置を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る半導体素子の検査装置の動作を示すフローチャートである。色フィルタの光透過率特性を示すグラフである。受光素子の受光感度特性を示すグラフである。本発明の変更例に係る半導体素子の検査装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１…半導体レーザ
１０…検査装置
１２…検査ステージ
２０…駆動部
２４…閾値電圧測定部
４０…受光部
４２…受光素子
６０…フィルタ切替部
７０ａ，７０ｂ，７０ｃ…色フィルタ
８０…制御部
８２…主制御部
８４…フィルタ選択部
８６…透過率算出部
８８…波長算出部
９０…補正部

Claims

半導体素子の発光波長を測定する半導体素子の波長測定装置において、
前記半導体素子の順方向立上がり電圧を測定する閾値電圧測定手段と、
前記半導体素子から出射する出力光を検出する受光手段と、
光透過特性が異なる複数の色フィルタと、
前記閾値電圧測定手段が測定した順方向立上がり電圧値が所定の範囲内である場合に前記順方向立上がり電圧値に基づいて前記複数の色フィルタから１の色フィルタを選択し、前記閾値電圧測定手段が測定した順方向立上がり電圧値が所定の範囲外である場合に前記半導体素子の測定を終了するフィルタ選択手段と、
前記受光手段が前記選択された１の色フィルタを透過した前記出力光と透過していない前記出力光とをそれぞれ検出し、各検出値に基づいて前記選択された１の色フィルタの透過率である第１透過率を算出する透過率算出手段と、
前記第１透過率から前記半導体素子の発光波長を算出する波長算出手段と、
を備えることを特徴とする波長測定装置。
前記波長算出手段は、
前記第１透過率が所定値以下の場合に、前記第１透過率から前記半導体素子の発光波長を算出し、
前記第１透過率が所定値より大きい場合に、前記複数の色フィルタから前記選択した１の色フィルタ以外の他の色フィルタを選択し、前記他の色フィルタを透過した前記出力光と透過していない前記出力光とをそれぞれ検出し、各検出値に基づいて前記他の色フィルタの透過率である第２透過率を算出し、前記第２透過率から前記半導体素子の発光波長を算出することを特徴とする請求項１に記載の波長測定装置。
半導体素子の光出力を測定する半導体素子の検査装置において、
前記半導体素子の順方向立上がり電圧を測定する閾値電圧測定手段と、
前記半導体素子から出射する出力光を検出する受光手段と、
光透過特性が異なる複数の色フィルタと、
前記閾値電圧測定手段が測定した順方向立上がり電圧値が所定の範囲内である場合に前記順方向立上がり電圧値に基づいて前記複数の色フィルタから１の色フィルタを選択し、前記閾値電圧測定手段が測定した順方向立上がり電圧値が所定の範囲外である場合に前記半導体素子の検査を終了するフィルタ選択手段と、
前記受光手段が前記選択された１の色フィルタを透過した前記出力光と透過していない前記出力光とをそれぞれ検出し、各検出値に基づいて前記選択された１の色フィルタの透過率である第１透過率を算出する透過率算出手段と、
前記第１透過率から前記半導体素子の発光波長を算出する波長算出手段と、
前記波長測定手段により算出された波長に基づいて前記受光手段の受光感度を補正する補正手段と、
を備えること特徴とする半導体素子の検査装置。
前記波長算出手段は、
前記第１透過率が所定値以下の場合に、前記第１透過率から前記半導体素子の発光波長を算出し、
前記第１透過率が所定値より大きい場合に、前記複数の色フィルタから前記選択した１の色フィルタ以外の他の色フィルタを選択し、前記他の色フィルタを透過した前記出力光と透過していない前記出力光とをそれぞれ検出し、各検出値に基づいて前記他の色フィルタの透過率である第２透過率を算出し、前記第２透過率から前記半導体素子の発光波長を算出することを特徴とする請求項３に記載の半導体素子の検査装置。