通过SIMS仔细检查VCSEL

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一种先进的形式 SIMS 识别各种VCSEL层中的掺杂剂,杂质,成分和厚度。

与其边缘发光表兄相比,VCSEL具有几个优点。 其优势包括更高的调制速度,晶圆上测试以及垂直于表面定向的对称发射图案的发射。 这种发射形式也是在器件以二维阵列配置时产生的,对于耦合到其他光学元件是理想的。

然而,所有这些优于边缘发射激光器的优点都是以更复杂的器件架构为代价的。 对于VCSEL,谐振器镜必须承担两个角色:像边缘发射器一样,它们必须控制光学反馈和光输出的程度; 但另外,它们也必须是导电的,这样它们可以帮助载流子从触点注入有源区。

通常通过形成一堆半导体层来满足这组要求,所述半导体层具有经过精心选择的厚度以产生分布式布拉格反射器(DBR)。 为了产生高性能VCSEL,DBR由具有足够高的折射率对比度的交替层形成,以实现高水平的反射。 工程师还必须确保反射镜的导电率足够高,以防止注入有源区的电流引起过度的欧姆加热。

当这些反射镜构成具有高度光学和电学限制的结构的一部分时,可以实现高效VCSEL。 这种器件可以由多于200的层构成,其中一些可以包含掺杂水平和合金成分的分级。 这种结构的增长非常具有挑战性,因此工艺工程师通过使用各种表征技术来发现与外延层相关的细节,例如它们的厚度,掺杂和成分,从而支持他们的努力。 虽然一些方法只能提供对这些特征中的一些特征的见解,但是能够提供关于这些特征的大量细节 - 它是二次离子质谱的变体,称为逐点校正SIMS或PCOR。 -模拟人生。 由我们的Evans Analytical Group团队开创,这项技术可以比常规更精确地测量层厚度,成分和掺杂分布 SIMS,在每个数据点都没有进行合金成分的校准(见图1)。

PCOR-SIMS提供完整VCSEL结构的深度剖面

图1.由EAG实验室首创的PCOR-SIMS可以提供​​完整VCSEL结构的深度剖面。 所有配置文件均通过一次分析获得。 硼的轮廓标志着基材的开始。

我们开发的PCOR-SIMS可以追溯到1990后期,当时我们面临着获取SiGe材料中掺杂剂和基质元素的精确轮廓。 在此之前,通常假设SIMS无法量化基质水平浓度,并且无法基于基质组成连续改变掺杂剂灵敏度(因为认为SIMS无法测量基质组成)。 虽然PCORSIMS不需要任何仪器修改,但许多测试样品必须通过其他技术进行制造和分析。 这些样本构成了灵敏度和浓度之间经验关系的基础,这是PCOR-SIMS方法的基础。 此外,其他技术,包括核和基于TEM,用于验证最终PCOR-SIMS结果的准确性。

将SIMS应用于AlGaAs / GaAs VCSEL分析的最大挑战之一是铝含量的变化会影响铝的灵敏度。 这意味着铝含量的定量分析并不简单。 使问题进一步复杂化的是,合金成分的变化影响在深度分布中测量的掺杂剂物质的灵敏度。

PCOR-SIMS通过使用经验推导的分析函数来解决这些问题,以纠正众所周知的“SIMS矩阵效应”,当人们处理性质不同的材料时,它就会发挥作用。 此外,这种先进的SIMS变体可以解释掺杂剂灵敏度的变化 - 这些变化可以达到两倍。 传统的SIMS(在所有层中使用单一灵敏度)和PCOR-SIMS之间的区别如图2所示。 这显示了测量硅中的硅掺杂分布的尝试结果 n型DBR。

图表显示了PCOR-SIMS如何测量硅浓度,而与n-DBR层中铝的比例无关

图2。 由Evans Analytical Group开创的PCOR-SIMS技术能够精确测量硅浓度,与n-DBR层中铝的比例无关。

完善VCSEL

生产非常高性能的VCSEL需要优化器件的各个方面,包括:铝组分和高折射率镜层和低折射率镜层之间的梯度; 镜层之间的掺杂分布; 孔层的组成(假设它是氧化物限制的VCSEL); 有源层杂质含量; 活性层两侧的铝分级; 当然,还有结构内所有层的厚度。

图1中显示了完整VCSEL结构的PCOR-SIMS深度剖面示例。 该特定晶片使用碳掺杂 p型AlGaAs DBR,硅掺杂的 n型AlGaAs DBR和未掺杂的低铝AlGaAs有源层,具有多量子阱。

如果DBR要提供良好的电流注入,则必须具有低电阻。 以产生良好设备的方式实现这一点并非易事。 DBR的低折射率半导体层和高折射率半导体层之间的大的能带偏移可以抑制电流,特别是对于电流 p型DBR - 以及增加掺杂以减小电阻的明显解决方案不是一种选择,因为这会增加光学吸收。

一种更好的方法是在界面处对AlGaAs组分进行分级,同时改变这些点处的掺杂分布。 在适当的时候,我们将展示PCOR-SIMS如何能够独特地测量细微的合金分级和界面掺杂分布。

为了获得高效率和低阈值电流,VCSEL必须限制载流子和横向光学模式。 今天,这通常是通过AlGaAs层的选择性氧化在AlGaAs VCSEL中实现的,AlGaAs层靠近有源层(这产生了所谓的“氧化物限制的”VCSEL)。 这种设计的一个挑战是控制这些层的氧化:正确和可重复地形成限制孔,Al的成分0.98Ga0.02必须将图层控制为1百分比。 在本文后面,我们将通过以足够的精度和准确度测量AlGaAs层的成分来演示PCOR-SIMS如何帮助晶圆种植者。

显然,VCSEL外延片成功生长的另一个先决条件是精确控制构成工作装置的许多层的厚度。 这一点在DBR中最为重要,因为DBR的厚度必须正确才能定制镜子的光学特性。

然而,人们不能忽视获得包层和有源层的正确厚度的重要性,因为这需要相对于1λ光学腔的边界最佳地放置激光模式。 我们很快就会看到,如果增长工程师转向PCOR-SIMS,他们可以正确测量每层的成分,并使用它来确定正确的层厚度。

仔细检查结构

我们使用我们的新型PCOR-SIMS技术来分析碳掺杂的VCSEL结构 p型AlGaAs DBR,硅掺杂的 n型AlGaAs DBR和含有多量子阱的未掺杂低铝AlGaAs有源层。 在本文的其余部分,我们将展示我们的技术如何提供对合金成分分布,DBR掺杂剂分布以及与有源层相关的各种细节的见解。

如前所述,在低折射率层和高折射率层之间对合金成分进行分级可以调整DBR的电阻。 使用我们的PCOR-SIMS技术,可以磨练这部分结构 - 参见图3,了解样品顶部200 nm的更高深度分辨率曲线 - 并揭示成分分级。

这是因为铝和镓不是简单地“打开或关闭”,而是以精确控制的方式变化以优化界面的光学和电学性质。 使用PCOR-SIMS进行的测量已经在整个成分范围内正确地确定了铝含量,从8百分比到83百分比铝。 这些测量的准确性已根据标准参考材料2841(Al0.1982 0.0014±Ga0.8018As)来自美国国家标准与技术研究院和卢瑟福背散射光谱仪校准的多组分AlGaAs参考材料。

进一步降低了阻力 p通过用碳掺杂镜子可以实现DBR型,其具有受合金组成显着影响的灵敏度。 但是,使用PCOR-SIMS,我们可以在每个数据点校正这些影响,因为每个碳数据点都会测量铝成分。 这种方法揭示了一些结构中的高浓度碳掺杂尖峰,其接近但不完全在具有较高铝含量的低折射率层与高折射率层之间的界面处(参见图3)。

邻苯二甲酸二辛酯增塑剂的FTIR光谱

图3。 具有渐变成分的AlGaAs层中精确的碳浓度和深度放置。

我们相信碳掺杂峰值的放置是正确的,因为所有的轮廓都是在同一分析中获得的。 注意,低水平碳掺杂剂峰可能源于掺杂的不均匀性,而晶片在层生长期间旋转。

为了提供电流和光学限制,VCSEL的生产商倾向于引入高铝含量的孔,其从外部向内氧化。 在合适的位置停止该过程会留下未氧化的“孔径”,电流和光可以通过该孔径。 显然,为了具有可重复的氧化过程,氧化速率不得变化。 这意味着AlGaAs层必须具有严格的成分控制和均匀性,因为当Al含量增加时,氧化速率可以变化两个数量级以上0.82Ga0.18至于Al1.0Ga 0如。

使用PCOR-SIMS,可以高精度地确定高铝含量AlGaAs层中的铝成分,例如用于形成孔径层的铝成分(参见图4)。 在这些样品中,铝含量的差异仅为第III族组合物的1.8% - 或总原子的0.9百分比 - 但是任一膜的测量值的差异都小得多。 这种精度对于完善这些孔径层至关重要。

该图显示PCOR-SIMS能够高精度地确定AIGaAs的组成

图4。 PCOR-SIMS能够高精度地确定AlGaAs的成分。

PCOR-SIMS还可以提供有源区结构的见解(见图5)。 它可以揭示铝型材,其在有源层的两侧变化。 p型孔径层也有分级,也有 n对于包层的DBR形式,其后是铝含量的急剧下降,其在紧邻AlGaAs有源层的阻挡层中较低。 有源区的详细图片也有助于评估光腔中的激光模式是否处于最佳位置。 图5中有源区的分布图还详细说明了有源区和附近镜像对的碳掺杂。 通过使用PCOR-SIMS在n型DBR中精确测量碳和硅浓度,可以确定其数量 p类型的反掺杂,即无意的碳污染在n型层中引起。

这说明了活动区域细节的深度剖面

图5。 有源区细节的深度剖面:(a)孔径层组成; (b)包层铝含量的梯度; (c)包层掺杂剂浓度; (d)在多量子阱中扩散掺杂。 注意,在图2中可以更清楚地看到碳分布。

PCOR-SIMS的另一个优势在于能够分析不需要的污染物质。 其中最普遍的是氧气,它可以在低指数层和高指数层之间的生长过渡处产生污染峰值。 p-type DBR(见图6)。 在试图分离和消除污染源时,了解生长顺序中氧气尖峰的确切位置通常很有帮助。

在这里,我们看到PCOR-SIMS可以显示DBR接口处的氧气污染峰值

图6。 PCOS-SIMS可以显示DBR接口的氧气污染峰值。

有时,VCSEL含有硫杂质,据信会影响性能。 p-DBR中的硫含量高于n-DBR,因为它跟踪铝含量的比例(见图7)。 在较高分辨率的有源区重新分析中,较高等级的AlGaAs包层中的峰值更容易被发现(图8)。

这表明硫杂质可能降低VCSEL性能

图7。 可以在该VCSEL结构的许多层中检测可能降低VCSEL性能的硫杂质。

在这里,我们看到在上部AIGaAs包层中检测到峰值的杂质杂质

图8。 在上AlGaAs包层中检测到峰值硫杂质。

用常规SIMS确定正确的层厚度并不容易,因为合金成分的变化会改变表面的溅射速率。 如果没有进行校正,对于AlGaAs VCSEL,绘制的层厚度可能会误差为20百分比(见图9)。

这是AIGaAs DBR层的深度剖面图,显示了PCOR-SIMS层厚度校正

图9。 AlGaAs DBR层的深度分布图,显示PCORSIMS层厚度校正。

对于PCOR-SIMS,这种弱点通过经验推导的溅射速率函数来解决。 这决定了每个数据点的瞬时溅射速率,基于该数据点的测量铝含量 - 或InGaAs活性层的铟含量。 采用这种方法,可以对整个VCSEL中溅射速率的变化进行补偿校正。

我们开发的先进形式的SIMS开辟了这种技术的能力,因此它不再局限于半导体材料的杂质和掺杂剂分析。 这项工作使PCOR-SIMS成为VCSEL种植者最有价值的工具:它可用于各种重要任务,包括揭示分级层中的掺杂水平,并为AlGaAs孔径层中的铝成分提供精确值。

文章最初出现在Compound Semiconductor,Volume 20,Issue 3 2014中

作者:Temel Buyuklimanli,Charles Magee,Jeffrey Serfass和Jeffrey Kipnis,EAG实验室

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