SIMSによるVCSELの精査

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の高度な形式 SIMS VCSELのさまざまな層のドーパント、不純物、組成、厚さを特定します。

VCSELは、その端面発光型のいとこを超えるいくつかの利点を有する。 その強みには、より速い変調速度、オンウェーハテスト、および表面に垂直に向けられた対称的な放射パターンの放射が含まれます。 デバイスが二次元アレイに構成されている場合にも生じるこの形態の放出は、他の光学部品への結合に理想的である。

しかしながら、端面発光レーザに対するこれらの利点の全ては、より複雑な装置アーキテクチャを犠牲にしてもたらされる。 VCSELでは、共振器ミラーは2つの役割を果たす必要がある。すなわち、エッジエミッタのように、それらは光フィードバックおよび光出力の範囲を制御しなければならない。 しかしそれに加えて、それらはまた導電性でなければならないので、それらは接点から活性領域へのキャリアの注入を助けることができる。

この一連の要件は、分布ブラッグ反射器(DBR)を作成するために慎重に選択された厚さを有する半導体層のスタックを形成することによってしばしば満たされる。 高性能VCSELを製造するために、DBRは、高レベルの反射を実現するために十分に高い屈折率コントラストを有する交互層から形成される。 技術者はまた、活性領域への電流注入が過度のオーム加熱を引き起こさないようにミラーの導電率が十分に高いことを保証しなければならない。

これらのミラーが高度の光学的および電気的閉じ込めを有する構造の一部を形成するとき、高効率VCSELが可能である。 そのようなデバイスは、XNUMX層よりも多くから構築されてもよく、そのうちのいくつかは、ドーピングレベルおよび合金組成の両方の勾配を含み得る。 このような構造の成長は非常に困難であるため、プロセスエンジニアは、エピ層に関連する詳細(厚さ、ドーピング、組成など)を明らかにするためにさまざまな特性評価技術を使用することによって努力を支援します。 いくつかのアプローチはこれらの特徴のいくつかへの洞察を提供することしかできませんが、1つはこれらの構造についての詳細を提供することができます - それはポイントバイポイントCORrected SIMS、またはPCORとして知られる二次イオン質量分析の変種です - シム。 Evans Analytical Groupのチームによって開発されたこの技術は、通常よりも正確に層の厚さ、組成、ドーピングプロファイルを測定できます。 SIMSここで、合金組成に関する較正はすべてのデータポイントで行われるわけではありません(図1を参照)。

PCOR-SIMSはフルVCSEL構造の深さプロファイルを提供

図1.EAGラボラトリーズによって開発されたPCOR-SIMSは、完全なVCSEL構造の深度プロファイルを提供できます。 すべてのプロファイルは、XNUMX回の分析で取得されました。 ホウ素プロファイルは、基板の始まりを示します。

PCOR-SIMSの開発は、SiGe材料中のドーパントとマトリックス要素の両方について正確なプロファイルを取得することに直面したときの、後期1990に遡ることができます。 以前は、SIMSではマトリックスレベルの濃度を定量できないと一般的に考えられていました。また、マトリックスの組成に基づいてドーパントの感度を連続的に変更する方法はありませんでした。 PCORSIMSは機器の改造を必要としませんでしたが、多くのテストサンプルは他の技術によって製造され分析されなければなりませんでした。 これらのサンプルは、PCOR-SIMS方法論の基礎となる感度と濃度の間の経験的関係の基礎を形成しました。 さらに、核およびTEMベースの他の手法を使用して、最終的なPCOR-SIMSの結果の精度を検証しました。

SIMSをAlGaAs / GaAs VCSELの分析に適用することに伴う最大の課題の1つは、アルミニウム含有量の変動がアルミニウムの感度に影響を与えることである。 これは、アルミニウム含有量の定量分析が簡単ではないことを意味します。 さらに複雑なことに、合金組成の変化は、深さプロファイルで測定されたドーパント種の感度に影響を与えます。

PCOR-SIMSは経験的に導き出された分析関数を使用してよく知られている「SIMSマトリックス効果」を補正することによってこれらの問題に対処します。 さらに、SIMSのこの高度な変種はドーパント感度の変化を説明することができます - これらは2倍もの大きさになることがあります。 単一の感度がすべてのレイヤで使用される従来のSIMSとPCOR-SIMSの違いを図2に示します。 これは、シリコンドーピングプロファイルを測定する試みの結果を示しています。 nタイプDBR。

PCOR-SIMSがn-DBR層中のアルミニウムの割合とは無関係にシリコン濃度を測定する方法を示すグラフ

図2 Evans Analytical Groupによって開発されたPCOR-SIMS技術は、n-DBR層中のアルミニウムの割合とは無関係に、シリコン濃度の正確な測定が可能です。

VCSELを完成させる

非常に高性能のVCSELを製造するためには、以下のものを含む装置の様々な態様の最適化が必要である。アルミニウム組成および高屈折率ミラー層と低屈折率ミラー層との間の勾配。 ミラー層間のドーパントプロファイル。 アパーチャ層の組成(それが酸化物閉じ込めVCSELであると仮定する)。 活性層の不純物含有量。 活性層の両側のアルミニウムグレーディング。 そしてもちろん、構造内のすべての層の厚さ。

完全なVCSEL構造のPCOR − SIMS深さプロファイルの例を図XNUMXに示す。 この特定のウェーハは炭素ドープの pドープのAl型AlGaAs DBR n型AlGaAs DBRと多重量子井戸を有するノンドープの低アルミニウムAlGaAs活性層

DBRが良好な電流注入を提供することである場合、それは低い電気抵抗を有しなければならない。 良い装置を作り出す方法でこれを実現することは些細なことではありません。 DBRの低屈折率半導体層と高屈折率半導体層との間の大きなエネルギーバンドオフセットは、特に、 pタイプDBR - そしてトリミング抵抗へのドーピングを増やすという明らかな解決策は光吸収を増加させるのでオプションではありません。

はるかに優れた方法は、これらの点でドーピングプロファイルを変えながら、界面のAlGaAs組成を傾斜させることです。 やがて、PCOR-SIMSが微妙な合金グレーディングと界面ドーピングプロファイルを独自に測定する方法を示します。

高効率および低しきい値電流を得るために、VCSELは、キャリアモードと横方向光モードの両方を閉じ込める必要がある。 今日、これは、活性層の近くにあるAlGaAs層の選択的酸化によって、AlGaAs VCSELにおいてしばしば実現される(これは、いわゆる「酸化狭窄」VCSELを作り出す)。 この設計に関する1つの課題は、これらの層の酸化を制御することである。閉じ込め開口を正確かつ再現可能に形成するために、Alの組成を変えることである。0.98Ga0.02レイヤーは1パーセントに制御する必要があります。 この記事の後半では、AlGaAs層の組成を十分な精度と精度で測定することによって、PCOR-SIMSがどのようにウェーハの成長に役立つかを説明します。

明らかに、VCSELエピウエハの成長を成功させるためのもう1つの前提条件は、作業装置を構成する多くの層の厚さを正確に制御することである。 ミラーの光学特性を調整するために厚さが正しくなければならないDBRの場合ほど重要なことはありません。

しかしながら、これは、レーザ発振モードをXNUMXλ光キャビティの境界に対して最適に配置するために必要であるため、クラッド層および活性層について正しい厚さを得ることの重要性を無視してはならない。 すぐにわかるように、成長エンジニアがPCOR-SIMSに目を向ければ、彼らは各層の組成を正しく測定し、これを使って正しい層の厚さを決定することができます。

構造を精査する

炭素をドープしたVCSEL構造を解析するために、我々の新しいPCOR-SIMS技術を使用した。 pドープのAl型AlGaAs DBR n型AlGaAsDBRおよび多重量子井戸を含むノンドープの低アルミニウムAlGaAs活性層。 この記事の残りの部分では、私たちの技術がどのようにして合金組成プロファイル、DBRドーパントプロファイル、そして活性層に関連する様々な詳細への洞察を提供できるかを示します。

前述のように、低屈折率層と高屈折率層との間の合金組成を傾斜させることにより、DBRの抵抗を調整することができる。 私たちのPCOR-SIMS技術では、構造のこの部分に焦点を当てることができます - サンプルの上の3 nmのより高解像度のプロファイルについては図200を参照してください - そして組成傾斜を明らかにしてください。

これは、アルミニウムとガリウムが単に「スイッチオンまたはスイッチオフ」されるのではなく、正確に制御された方法で変化して界面の光学的および電気的特性を最適化するために起こる。 PCOR − SIMSによる測定は、XNUMXパーセントからXNUMXパーセントアルミニウムまでの全組成範囲にわたって正確にアルミニウム含有量を決定した。 これらの測定の正確さは標準的な参照資料8(Alに対して)検証されています0.1982 0.0014±Ga0.8018としては、米国標準技術局およびRutherford後方散乱分光法により較正された、多組成AlGaAs基準物質が挙げられる。

の抵抗のさらなる減少 pミラーを炭素でドープすることによって、タイプDBRが可能であり、これは合金組成によって著しく影響される感度を有する。 ただし、PCOR-SIMSを使用すると、すべてのデータポイントでこれらの影響を補正できます。アルミニウム組成はすべてのカーボンデータポイントで測定されるためです。 そのようなアプローチは、より高いアルミニウム含有量を有​​する低屈折率層と高屈折率層との間の界面に近いが、厳密にはそうではない、いくつかの構造における高濃度炭素ドーピングスパイクを明らかにする(図XNUMX参照)。

ジオクチルフタレート可塑剤のFTIRスペクトル

図3 傾斜組成のAlGaAs層における正確な炭素濃度と深さ配置

すべてのプロファイルが同じ分析で取得されたため、カーボンドーピングスパイクの配置は正しいと確信しています。 低レベルの炭素ドーパントのピークは、層成長中にウェーハが回転している間のドーピングの不均一性に起因し得ることに留意されたい。

電流および光の閉じ込めを提供するために、VCSELの製造業者は、外側から内側に向​​かって酸化される高アルミニウム含有量のアパーチャを導入する傾向がある。 適切な時点でプロセスを停止すると、電流と光が通過できる酸化されていない「開口」が残ります。 明らかに、反復可能な酸化プロセスを得るためには、酸化速度は変化してはならない。 これは、アルミニウム含有量がAlから増加すると酸化速度が2桁を超えて変化し得るので、AlGaAs層に対して厳密な組成制御および均一性がなければならないことを意味する。0.82Ga0.18Alに関して1.0Ga 0として。

PCOR-SIMSを使用すると、アパーチャ層の形成に使用されるような高アルミニウム含有AlGaAs層のアルミニウム組成を高レベルの精度で決定できます(図4を参照)。 これらのサンプルでは、​​アルミニウム含有量の差は、III族組成のXNUMXパーセント - または全原子のXNUMXパーセント - であるが、どちらのフィルムの測定値のばらつきもはるかに少ない。 この程度の精度は、これらのアパーチャ層を完成させる上で非常に重要です。

この図は、PCOR-SIMSがAIGaAsの組成を高精度で決定できることを示しています

図4 PCOR-SIMSはAlGaAsの組成を高精度に測定することができます。

PCOR-SIMSは、アクティブ領域の構造への洞察を提供することもできます(図5参照)。 それは、活性層の両側で変化するアルミニウムプロファイルを明らかにすることができる。 p型開口層からもグレーディングからもグレーディングがあります nクラッド層へのn型DBRでは、アルミニウム含有量の急激な低下がそれに続き、これはAlGaAs活性層を直接取り囲む障壁層においてより低い。 活性領域の詳細図も、光共振器内のレーザ発振モードが最適位置にあるかどうかを評価するのに役立つ。 図5の活性領域のプロファイルはまた、活性領域とその近くのミラー対に対する炭素ドーピングを詳述している。 PCOR-SIMSを用いてn型DBR中の炭素とケイ素の濃度を正確に測定することによって、 p不用意な炭素汚染がn型層に引き起こす、n型カウンタードーピング。

これは、アクティブ領域の詳細の深さプロファイルを示しています

図5 活性領域詳細の深さプロファイル:(a)アパーチャ層組成。 (b)クラッド層のアルミニウム含有量の勾配。 (c)クラッド層ドーパント濃度。 (d)多重量子井戸中の拡散ドーピング。 カーボンプロファイルは図2でより明確に見られます。

PCOR-SIMSのもう1つの強みは、不要な汚染種を特定できることです。 これらの中で最も遍在するのは酸素であり、それは低屈折率層と高屈折率層との間の成長遷移において汚染スパイクを生じさせる可能性がある。 pタイプDBR(図6を参照)。 成長シーケンスにおける酸素スパイクの正確な位置を知ることは、汚染の原因を特定し排除することを試みるときにしばしば役に立ちます。

ここでは、PCOR-SIMSがDBRインターフェースでの酸素汚染スパイクを明らかにできることがわかります。

図6 PCOS-SIMSはDBR界面での酸素汚染スパイクを明らかにすることができます。

時折、VCSELは性能に影響を与えると信じられている硫黄不純物を含んでいます。 硫黄含有量は、アルミニウム含有量の割合を追跡するため、p-DBRの方がn-DBRよりも高い(図7を参照)。 上部グレーデッドAlGaAsクラッド層のピークは、活性領域の高分解能再解析で見つけやすくなります(図8)。

これは、VCSELの性能を低下させる可能性のある硫黄不純物を示しています

図7 VCSEL性能を低下させる可能性がある硫黄不純物は、このVCSEL構造の多くの層において検出することができる。

ここで私達は上部AIGaAsクラッディング層で検出されるピーク硫黄不純物を見る

図8 ピークの硫黄不純物が上部AlGaAsクラッド層に検出されます。

従来のSIMSを用いて正しい層厚を決定することは、合金組成の変化が表面でのスパッタリング速度を変えるので容易ではない。 補正が行われない場合、プロットされた層の厚さは、AlGaAs VCSELの20パーセントだけ誤っている可能性があります(図9を参照)。

これはAIGaAs DBR層の深さプロファイルで、PCOR-SIMS層の厚さ補正を示しています

図9 PCORSIMS層厚補正を示すAlGaAs DBR層の深さプロファイル。

PCOR-SIMSでは、この弱点は経験的に導き出されたスパッタリングレート関数で解決されています。 これは、そのデータ点について測定されたアルミニウム含有量 - またはInGaAs活性層についてのインジウム含有量 - に基づいて各データ点についての瞬間スパッタリング速度を決定する。 この手法を用いて、VCSEL全体にわたるスパッタリング速度の変動に対して補償補正が行われる。

高度な形態のSIMSの我々の開発はこの技術の能力を切り開いたので、それはもはや半導体材料の不純物およびドーパント分析に限定されない。 この取り組みにより、PCOR-SIMSはVCSELの生産者にとって最も価値のあるツールとなりました。傾斜層のドーピングレベルを明らかにし、AlGaAsアパーチャ層のアルミニウム組成の正確な値を提供するなど、さまざまな重要なタスクに使用できます。

記事は、もともと化合物半導体、ボリューム20、号3に掲載されました2014

著者:Temel Buyuklimanli、Charles Magee、Jeffrey SerfassおよびJeffrey Kipnis、EAGラボラトリーズ

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