Contrôle des VCSEL par SIMS

ARTICLE

Une forme avancée de SIMS identifie les dopants, les impuretés, les compositions et les épaisseurs dans diverses couches de VCSEL.

Le VCSEL présente plusieurs avantages par rapport à son cousin émetteur de bords. Ses points forts incluent une vitesse de modulation plus élevée, des tests sur plaquette et l’émission d’un motif d’émission symétrique orienté perpendiculairement à la surface. Cette forme d'émission, qui est également produite lorsque les dispositifs sont configurés dans un réseau bidimensionnel, est idéale pour le couplage dans d'autres composants optiques.

Cependant, tous ces avantages du laser à émission de bord se font au détriment d’une architecture de dispositif plus complexe. Avec un VCSEL, les miroirs de résonateur doivent remplir deux rôles: comme un émetteur de bord, ils doivent contrôler l'étendue du retour optique et de la sortie de lumière; mais en plus, ils doivent aussi être électriquement conducteurs, afin de pouvoir aider à l'injection de porteurs des contacts dans la région active.

Cet ensemble d'exigences est souvent satisfait en formant un empilement de couches semi-conductrices, dont l'épaisseur est choisie avec soin pour créer un réflecteur de Bragg (DBR) distribué. Pour produire un VCSEL à hautes performances, le DBR est formé d'alternance de couches avec un contraste d'indice de réfraction suffisamment élevé pour obtenir des niveaux de réflexion élevés. Les ingénieurs doivent également veiller à ce que la conductivité des miroirs soit suffisamment élevée pour empêcher l’injection de courant dans la région active de provoquer un échauffement ohmique excessif.

Les VCSEL à haute efficacité sont possibles lorsque ces miroirs font partie d'une structure présentant un degré élevé de confinement optique et électrique. Un tel dispositif peut être constitué de plus de couches 200, dont certaines peuvent contenir un nivellement du niveau de dopage et de la composition de l'alliage. La croissance d'une telle structure est très difficile, aussi les ingénieurs processus soutiennent-ils leurs efforts en utilisant diverses techniques de caractérisation pour découvrir les détails associés aux épilayers, tels que leur épaisseur, leur dopage et leur composition. Alors que certaines approches ne peuvent fournir qu'un aperçu de quelques-unes de ces caractéristiques, l'une d'elles est capable de fournir beaucoup de détails sur ces structures - il s'agit d'une variante de la spectrométrie de masse des ions secondaires, connue sous le nom de SIMS corrigé point par point, ou PCOR. -SIMS. Développée par notre équipe du groupe analytique Evans, cette technique permet de mesurer l'épaisseur de la couche, la composition et le profil de dopage avec plus de précision SIMS, où l’étalonnage en fonction de la composition de l’alliage n’est pas effectué à chaque point de données (voir la figure 1).

PCOR-SIMS fournit un profil de profondeur d'une structure complète de VCSEL

Figure 1. PCOR-SIMS mis au point par EAG Laboratories peut fournir un profil de profondeur d'une structure VCSEL complète. Tous les profils ont été acquis en une seule analyse. Le profil en bore marque le début du substrat.

Notre développement de PCOR-SIMS remonte aux derniers 1990 lorsque nous étions confrontés à l’acquisition de profils précis pour les dopants et les éléments matriciels dans les matériaux SiGe. Auparavant, il était généralement admis que le SIMS ne pouvait pas quantifier les concentrations au niveau de la matrice et qu'il n'y avait aucun moyen de modifier en permanence la sensibilité des dopants en fonction de la composition de la matrice (car on pensait que le SIMS ne pouvait pas mesurer la composition de la matrice). Bien que PCORSIMS n'ait nécessité aucune modification de l'instrument, de nombreux échantillons de test ont dû être fabriqués et analysés par d'autres techniques. Ces échantillons ont constitué la base des relations empiriques entre sensibilité et concentration sur lesquelles repose la méthodologie PCOR-SIMS. En outre, d'autres techniques, à la fois nucléaires et à base de TEM, ont été utilisées pour vérifier l'exactitude des résultats finaux de PCOR-SIMS.

L'un des plus grands défis associés à l'application du SIMS à l'analyse des VCSEL AlGaAs / GaAs est que les variations de la teneur en aluminium ont une incidence sur la sensibilité de l'aluminium. Cela signifie que l'analyse quantitative de la teneur en aluminium n'est pas simple. Pour compliquer encore les choses, les modifications de la composition de l’alliage affectent la sensibilité de l’espèce dopante mesurée dans le profil de profondeur.

PCOR-SIMS résout ces problèmes en utilisant des fonctions analytiques dérivées de manière empirique pour corriger le fameux «effet de matrice SIMS», qui entre en jeu lorsque l’on traite de matériaux de nature différente. En outre, cette variante avancée du SIMS peut prendre en compte des modifications de la sensibilité aux dopants, qui peuvent être deux fois plus importantes. La figure 2 illustre la différence entre les systèmes SIMS traditionnels - dans lesquels une seule sensibilité est utilisée dans toutes les couches - et PCOR-SIMS. Cela montre les résultats des tentatives de mesure du profil de dopage au silicium dans une n-type DBR.

Le graphique montre comment PCOR-SIMS mesure la concentration de silicium indépendamment de la proportion d'aluminium dans une couche n-DBR

Figure 2. La technique PCOR-SIMS mise au point par Evans Analytical Group permet d'effectuer des mesures précises de la concentration en silicium, indépendamment de la proportion d'aluminium dans une couche n-DBR.

Perfectionner le VCSEL

Produire un VCSEL à très hautes performances nécessite l'optimisation de divers aspects du dispositif, notamment: la composition de l'aluminium et son gradient entre les couches de miroirs à indice de réfraction élevé et faible; le profil de dopant entre les couches de miroir; la composition de la couche d'ouverture (en supposant qu'il s'agisse d'un VCSEL à oxyde confiné); le contenu en impuretés de la couche active; le calibrage de l'aluminium de part et d'autre de la couche active; et, bien sûr, les épaisseurs de toutes les couches de la structure.

Un exemple de profil de profondeur PCOR-SIMS d'une structure complète de VCSEL est présenté à la figure 1. Cette plaquette utilise un dopant au carbone pDBR de type AlGaAs, un silicium dopé nDBR de type AlGaAs et une couche active d’AlGaAs à faible teneur en aluminium non dopée à puits quantique multiple.

Si le DBR doit fournir une bonne injection de courant, il doit avoir une faible résistance électrique. Réaliser cela d'une manière qui produit un bon appareil n'est pas anodin. Les décalages importants dans la bande d’énergie entre les couches semi-conductrices à faible indice et à indice élevé du DBR peuvent inhiber la circulation du courant, en particulier pour pDBR de type - et la solution évidente consistant à augmenter le dopage pour ajuster la résistance n’est pas une option, car elle augmente l’absorption optique.

Une approche bien meilleure consiste à classer la composition en AlGaAs aux interfaces, tout en faisant varier les profils de dopage à ces points. Nous montrerons par la suite à quel point PCOR-SIMS est particulièrement capable de mesurer des profils de gradation d'alliage et de dopage d'interface subtils.

Pour obtenir un rendement élevé et un courant de seuil bas, le VCSEL doit confiner à la fois les porteuses et les modes optiques transverses. Aujourd'hui, ceci est souvent réalisé dans les VCSEL en AlGaAs par l'oxydation sélective d'une couche d'AlGaAs, proche de la couche active (cela crée des VCSEL dits "à oxyde confiné"). L'un des défis de cette conception est de contrôler l'oxydation de ces couches: pour former correctement l'ouverture de confinement, la composition du0.98Ga0.02Comme couche doit être contrôlée à 1 pour cent. Plus loin dans cet article, nous montrerons comment PCOR-SIMS peut aider le producteur de plaquettes en mesurant la composition de la couche d'AlGaAs avec suffisamment de précision et d'exactitude.

Bien entendu, un autre préalable à la croissance réussie d’un epiwafer VCSEL est de contrôler avec précision les épaisseurs des nombreuses couches qui constituent un appareil en fonctionnement. Cela n’est nulle part plus important que dans le DBR, où les épaisseurs doivent être correctes pour adapter les propriétés optiques des miroirs.

Toutefois, il ne faut pas négliger l’importance d’obtenir l’épaisseur correcte pour la gaine et les couches actives, car il est nécessaire de placer le mode laser de manière optimale par rapport aux limites de la cavité optique 1λ. Comme nous le verrons bientôt, si l'ingénieur de la croissance a recours à PCOR-SIMS, il peut mesurer correctement la composition de chaque couche et l'utiliser pour déterminer les épaisseurs de couche correctes.

Scruter la structure

Nous avons utilisé notre nouvelle technique PCOR-SIMS pour analyser une structure de VCSEL avec un pDBR de type AlGaAs, un silicium dopé nDBR de type AlGaAs et une couche active d’AlGaAs à faible teneur en aluminium non dopée contenant un puits quantique multiple. Dans la suite de cet article, nous montrerons comment notre technique peut fournir des informations sur le profil de composition de l'alliage, les profils de dopant DBR et divers détails associés à la couche active.

Comme mentionné précédemment, le classement de la composition d'alliage entre les couches d'indice faible et élevé peut atténuer la résistance du DBR. Avec notre technique PCOR-SIMS, il est possible d'affiner cette partie de la structure - voir la figure 3 pour un profil de résolution plus profond du nanomètre 200 supérieur de l'échantillon - et de révéler le classement de la composition.

Cela est dû au fait que l’aluminium et le gallium ne sont pas simplement «allumés ou éteints», mais varient de manière contrôlée avec précision pour optimiser les propriétés optiques et électriques des interfaces. Les mesures avec PCOR-SIMS ont permis de déterminer correctement la teneur en aluminium sur toute la plage de composition, allant du pourcentage 8 au pourcentage 83 d'aluminium. La précision de ces mesures a été vérifiée par rapport au matériau de référence standard 2841 (Al0.1982 0.0014 ±Ga0.8018As) de l’Institut national des normes et de la technologie et du matériel de référence AlGaAs multicomposition étalonné à spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford.

Réductions supplémentaires de la résistance du pLes DBR de type sont possibles en dopant les miroirs avec du carbone, ce qui a une sensibilité qui est significativement affectée par la composition de l’alliage. Cependant, avec PCOR-SIMS, nous pouvons corriger ces effets à chaque point de données, car la composition en aluminium est mesurée pour chaque point de données carbone. Une telle approche permet de détecter une pointe de dopage au carbone fortement concentrée dans certaines structures, proche de l'interface entre la couche à faible indice d'aluminium à teneur élevée en aluminium et la couche à indice élevé (voir Figure 3).

Spectre FTIR de plastifiant phtalate de dioctyle

Figure 3. Concentration précise en carbone et placement en profondeur dans des couches d’AlGaAs de composition graduée.

Nous sommes convaincus que l'emplacement de la pointe de dopage au carbone est correct, car tous les profils ont été acquis dans la même analyse. Il convient de noter que les pics de dopants à faible teneur en carbone peuvent provenir d’une non-uniformité de dopage, tandis que la tranche a subi une rotation lors de la croissance de la couche.

Pour assurer le confinement actuel et optique, les producteurs de VCSEL ont tendance à introduire une ouverture à haute teneur en aluminium, oxydée de l'extérieur vers l'intérieur. Arrêter le processus en un point approprié laisse une "ouverture" non oxydée à travers laquelle le courant et la lumière peuvent passer. Évidemment, pour avoir un processus d'oxydation répétable, le taux d'oxydation ne doit pas varier. Cela implique un contrôle strict de la composition et l'uniformité de la couche d'AlGaAs, car les taux d'oxydation peuvent varier de plus de deux ordres de grandeur lorsque la teneur en aluminium est augmentée0.82Ga0.18Quant à Al1.0Ga 0Comme.

Avec PCOR-SIMS, la composition de l'aluminium dans les couches d'AlGaAs à haute teneur en aluminium, telles que celles utilisées pour former les couches d'ouverture, peut être déterminée avec un niveau de précision élevé (voir Figure 4). Dans ces échantillons, la différence de teneur en aluminium ne représente qu'un pourcentage 1.8 de la composition du groupe III - ou un pourcentage 0.9 du nombre total d'atomes - mais l'étalement des valeurs de mesure de l'un ou l'autre film est nettement inférieur. Ce degré de précision est crucial pour perfectionner ces couches d’ouverture.

Cette figure montre que PCOR-SIMS est capable de déterminer la composition d'AIGaAs avec une grande précision

Figure 4. PCOR-SIMS est capable de déterminer la composition d'AlGaAs avec une grande précision.

PCOR-SIMS peut également fournir des informations sur la structure de la région active (voir la figure 5). Il peut révéler le profil en aluminium, qui varie des deux côtés de la couche active. Il y a gradation de la couche d'ouverture de type p, et aussi de la ntype DBR vers les couches de revêtement, suivi d’une chute abrupte de la teneur en aluminium, qui est plus faible dans les couches barrières entourant immédiatement la couche active d’AlGaAs. Une image détaillée de la région active est également utile pour évaluer si le mode de laser dans la cavité optique est dans la position optimale. Le profil de la région active sur la figure 5 détaille également le dopage au carbone pour la région active et les paires de miroirs à proximité. En mesurant avec précision les concentrations de carbone et de silicium dans le DBR de type n avec PCOR-SIMS, il est possible de déterminer la quantité de ptype anti-dopage que la contamination au carbone par inadvertance provoque dans les couches de type n.

Ceci illustre le profil de profondeur des régions actives en détail

Figure 5. Profil de profondeur de la région active: (a) composition de la couche d’ouverture; (b) gradient dans la teneur en aluminium de la couche de revêtement; (c) concentration de dopant dans la couche de revêtement; (d) dopage diffus dans un puits multiquantum. Notez que le profil de carbone est vu plus clairement sur la figure 2.

Une autre force de PCOR-SIMS est sa capacité à profiler les espèces contaminées par la contamination. Le plus répandu d'entre eux est l'oxygène, qui peut produire des pics de contamination lors de la transition de croissance entre les couches d'indice bas et d'indice supérieur d'un p-type DBR (voir la figure 6). Il est souvent utile de connaître l'emplacement exact du pic d'oxygène dans la séquence de croissance pour tenter d'isoler et d'éliminer la source de contamination.

Nous voyons ici que PCOR-SIMS peut révéler une pointe de contamination par l'oxygène aux interfaces DBR

Figure 6. PCOS-SIMS peut révéler un pic de contamination par l’oxygène aux interfaces DBR.

De temps en temps, les VCSEL contiennent des impuretés de soufre, susceptibles d’affecter les performances. Le niveau de soufre est plus élevé dans les DBR p que dans les DBR n, car il suit la proportion de teneur en aluminium (voir la figure 7). Le pic de la couche de gainage en AlGaAs de qualité supérieure est plus facile à repérer lors d'une réanalyse à haute résolution de la région active (figure 8).

Cela montre des impuretés soufrées pouvant dégrader les performances du VCSEL

Figure 7. Les impuretés de soufre, qui peuvent dégrader les performances du VCSEL, peuvent être détectées dans de nombreuses couches de cette structure VCSEL.

Nous voyons ici une impureté de sulfure de pic détectée dans la couche de revêtement supérieure d'AIGaAs

Figure 8. Une impureté de soufre de pointe est détectée dans la couche de revêtement supérieure en AlGaAs.

Déterminer l'épaisseur de couche correcte avec le SIMS conventionnel n'est pas facile, car des changements dans la composition de l'alliage modifient le taux de pulvérisation en surface. Si aucune correction n'est apportée, l'épaisseur de couche tracée peut être erronée de 20% pour un VCSEL d'AlGaAs (voir la figure 9).

Ceci est un profil de profondeur d’une couche AIGaAs DBR, montrant la correction d’épaisseur de couche PCOR-SIMS

Figure 9. Profil de profondeur d'une couche AlGaAs DBR, illustrant la correction d'épaisseur de couche PCORSIMS.

Avec PCOR-SIMS, cette faiblesse est corrigée par une fonction de taux de pulvérisation cathodique dérivée de manière empirique. Ceci détermine le taux de pulvérisation instantané pour chaque point de données en fonction de la teneur en aluminium mesurée - ou de la teneur en indium pour les couches actives InGaAs - pour ce point de données. Armés de cette approche, des corrections de compensation sont apportées pour les variations du taux de pulvérisation dans le VCSEL.

Notre développement d'une forme avancée de SIMS a ouvert les possibilités de cette technique afin qu'elle ne soit plus limitée aux analyses d'impuretés et de dopants de matériaux semi-conducteurs. Cet effort a permis à PCOR-SIMS d’être l’outil le plus précieux pour les producteurs de VCSEL: il peut être utilisé pour diverses tâches importantes, notamment la découverte des niveaux de dopage dans les couches graduées et la fourniture de valeurs précises pour la composition de l’aluminium dans les couches à ouverture AlGaAs.

Article initialement paru dans Compound Semiconductor, Volume 20, Numéro 3 2014

Auteurs: Temel Buyuklimanli, Charles Magee, Jeffrey Serfass et Jeffrey Kipnis, Laboratoires EAG

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