SIMS로 VCSEL을 면밀히 조사

고급 형태의 SIMS 분석 서비스 VCSEL의 다양한 층에서 도펀트, 불순물, 조성 및 두께를 식별합니다.

VCSEL은 에지 방출 사촌에 비해 몇 가지 장점이있다. 이 제품의 강점은 높은 변조 속도, 웨이퍼 내 테스트 및 표면에 수직으로 대칭 인 대칭 방출 패턴의 방출을 포함합니다. 장치가 2 차원 배열로 구성 될 때도 생성되는이 방출 형태는 다른 광학 구성 요소에 결합하는 데 이상적입니다.

그러나, 가장자리 방출 레이저에 대한 이러한 모든 장점은보다 복잡한 장치 아키텍처를 희생시키면서 발생합니다. VCSEL의 경우, 공진기 미러는 두 가지 역할을 수행해야합니다. 에지 이미 터와 같이 광학 피드백과 광 출력의 범위를 제어해야합니다. 부가 적으로, 이들은 또한 전기 전도성이어야하므로, 컨택트로부터 활성 영역으로의 캐리어 주입을 보조 할 수있다.

이러한 일련의 요구 사항은 종종 분산 형 브래그 반사기 (DBR)를 만들기 위해 신중하게 선택된 두께를 갖는 반도체 층의 스택을 형성함으로써 충족된다. 고성능 VCSEL을 생성하기 위해, DBR은 고도의 반사를 실현하기 위해 충분히 높은 굴절률 콘트라스트를 갖는 교호 층으로 형성된다. 또한 엔지니어는 활성 영역으로의 전류 주입이 과도한 옴 가열을 일으키지 않도록 미러의 전도도가 충분히 높아야하는지 확인해야합니다.

높은 효율의 VCSEL은 광학 및 전기 감금이 높은 구조의 일부를 형성 할 때 가능합니다. 이러한 장치는 200 층 이상으로 구성 될 수 있으며, 그 중 일부는 도핑 수준 및 합금 조성을 모두 포함 할 수 있습니다. 이러한 구조의 성장은 매우 어려운 일이므로 프로세스 엔지니어는 다양한 특성화 기술을 사용하여 두께, 도핑 및 조성과 같은 세부 사항을 밝혀 내고 그들의 노력을 지원합니다. 일부 접근법은 이러한 특성 중 일부에 대한 통찰력 만 제공 할 수 있지만 이러한 구조에 대한 많은 상세 정보를 제공 할 수 있습니다. 이는 Point-by-point Corrected SIMS 또는 PCOR로 알려진 2 차 이온 질량 분광법의 변형입니다 -SIMS. Evans Analytical Group의 팀이 개척 한이 기술은 일반보다 더 정확하게 층 두께, 구성 및 도핑 프로파일을 측정 할 수 있습니다. SIMS 분석 서비스합금 조성에 대한 교정이 모든 데이터 포인트에서 이루어지지 않는 경우 (그림 1 참조).

PCOR-SIMS는 전체 VCSEL 구조의 깊이 프로파일을 제공합니다.

그림 1. EAG Laboratories에서 개척 한 PCOR-SIMS는 전체 VCSEL 구조의 깊이 프로필을 제공 할 수 있습니다. 모든 프로필은 단일 분석으로 수집되었습니다. 붕소 프로파일은 기질의 시작을 표시합니다.

PCOR-SIMS의 개발은 SiGe 재료의 도판 트 및 매트릭스 요소 모두에 대해 정확한 프로파일을 얻는 것에 직면했을 때 후기 1990로 거슬러 올라갑니다. 이전에는 SIMS가 매트릭스 수준의 농도를 정량 할 수 없었고, (SIMS가 매트릭스 조성을 측정 할 수 없다고 생각했기 때문에) 매트릭스 조성을 기반으로 도펀트 민감도를 연속적으로 변화시킬 방법이 없었던 것으로 보았습니다. PCORSIMS는 계측기 개조를 필요로하지 않았지만 많은 테스트 샘플을 제작하고 다른 기술로 분석해야했습니다. 이 샘플들은 PCOR-SIMS 방법론의 토대가되는 감도와 농도 간의 경험적 관계를위한 기초를 형성했습니다. 또한 핵 및 TEM 기반의 다른 기술을 사용하여 최종 PCOR-SIMS 결과의 정확성을 검증했습니다.

AlGaAs / GaAs VCSEL의 분석에 SIMS를 적용하는 것과 관련된 가장 큰 문제 중 하나는 알루미늄 함량의 변화가 알루미늄의 감도에 영향을 미친다는 점입니다. 이것은 알루미늄 함량의 정량 분석이 쉽지 않다는 것을 의미합니다. 더 복잡한 문제는 합금 조성의 변화가 깊이 프로파일에서 측정 된 도펀트 종의 감도에 영향을 미친다.

PCOR-SIMS는 경험상 파생 된 분석 함수를 사용하여 본질적으로 다른 재료를 다룰 때 나타나는 'SIMS 행렬 효과'를 보정함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 또한, SIMS의이 진보 된 변종은 도펀트 민감도의 변화를 설명 할 수 있으며, 이는 2 배 정도 될 수 있습니다. 단일 감도가 모든 레이어에서 사용되는 전통적인 SIMS와 PCOR-SIMS의 차이점이 그림 2에 나와 있습니다. 이것은 실리콘 도핑 프로파일을 측정하려는 시도의 결과를 보여줍니다. n형 DBR.

그래프는 PCOR-SIMS가 n-DBR 층에서 알루미늄의 비율에 관계없이 실리콘 농도를 측정하는 방법을 보여줍니다

그림 2. Evans Analytical Group에서 개척 한 PCOR-SIMS 기술은 n-DBR 층에서 알루미늄의 비율에 관계없이 실리콘 농도를 정확하게 측정 할 수 있습니다.

VCSEL 완성

매우 높은 성능의 VCSEL을 생성하기 위해서는 다음과 같은 장치의 다양한 측면의 최적화가 필요하다 : 고 굴절률 거울 층과 저 굴절률 거울 층 사이의 알루미늄 조성 및 기울기; 미러 층들 사이의 도펀트 프로파일; 애 퍼처 층의 조성 (산화물 - 제한 VCSEL이라고 가정); 활성층 불순물 함량; 상기 활성층의 양측의 알루미늄 그레이딩; 그리고 물론 구조 내의 모든 층의 두께.

완전한 VCSEL 구조의 PCOR-SIMS 깊이 프로파일의 예가 그림 1에 나와 있습니다. 이 특정 웨이퍼는 탄소 도핑 된 p- 형 AlGaAs DBR, 실리콘 - 도핑 된 n형 AlGaAs DBR 및 다중 양자 우물을 갖는 비 도핑, 저 알루미늄 AlGaAs 활성층을 포함한다.

DBR이 양호한 전류 주입을 제공하는 경우, DBR은 낮은 전기 저항을 가져야한다. 좋은 장치를 생산하는 방식으로 이것을 실현하는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. DBR의 저 굴절률 반도체 층과 고 굴절률 반도체 층 사이의 큰 에너지 밴드 오프셋은 전류 흐름을 억제 할 수 있으며 특히 p- 유형 DBRs - 그리고 트림 저항을 증가시키는 명백한 솔루션은 광학 흡수를 증가시키기 때문에 선택 사항이 아닙니다.

훨씬 더 나은 방법은이 지점에서 도핑 프로파일을 변화시키면서 계면에서 AlGaAs 조성을 등급 화하는 것이다. 당연히 PCOR-SIMS가 미묘한 합금 등급 및 인터페이스 도핑 프로파일을 측정 할 수있는 독특한 방법을 보여줄 것입니다.

고효율 및 낮은 임계 전류를 얻기 위해, VCSEL은 캐리어와 횡 광학 모드를 모두 제한해야합니다. 오늘날 AlGaAs VCSEL은 활성층 근처의 AlGaAs 층을 선택적으로 산화함으로써 실현됩니다 (이것은 소위 '산화물 한정'VCSEL을 만듭니다). 이 디자인의 한 가지 문제점은이 층의 산화를 제어하는 ​​것입니다. 즉, 구속 구멍을 정확하고 재현성있게 형성하려면 Al0.98Ga0.02레이어는 1 퍼센트로 제어되어야합니다. 이 기사의 뒷부분에서는 충분한 정밀도와 정확성으로 AlGaAs 레이어의 조성을 측정하여 PCOR-SIMS가 웨이퍼 재배자를 도울 수있는 방법을 보여줍니다.

분명히, VCSEL 에피 웨이퍼의 성공적인 성장을위한 또 다른 전제 조건은 작동 장치를 구성하는 많은 층의 두께를 정확하게 제어하는 ​​것이다. 거울의 광학 특성을 맞추기 위해 두께가 정확해야하는 DBR보다 더 중요하지 않습니다.

그러나, 클래딩 및 활성층에 대한 정확한 두께를 얻는 것의 중요성을 무시해서는 안되며, 이는 1λ- 광 공동의 경계에 대해 레이저 방식을 최적으로 배치하기 위해 필요하기 때문이다. 곧 보게 되겠지만, 성장 엔지니어가 PCOR-SIMS로 전환하면 각 레이어의 구성을 정확하게 측정하고이를 사용하여 올바른 레이어 두께를 결정할 수 있습니다.

구조의 정밀 조사

우리는 탄소가 도핑 된 VCSEL 구조를 분석하기 위해 우리의 소설 PCOR-SIMS 기법을 사용했다 p- 형 AlGaAs DBR, 실리콘 - 도핑 된 n- 타입 AlGaAs DBR 및 다중 - 양자 우물을 포함하는 비 도핑 된 저 알루미늄 AlGaAs 활성층을 포함한다. 이 기사의 나머지 부분에서는 우리의 기술이 합금 조성 프로파일, DBR 도펀트 프로파일 및 활성층과 관련된 다양한 세부 사항에 대한 통찰력을 제공 할 수있는 방법을 보여줍니다.

전술 한 바와 같이, 저 굴절률 층과 고 굴절률 층 사이의 합금 조성을 등급 화함으로써 DBR의 저항을 줄일 수있다. 우리의 PCOR-SIMS 기술을 사용하면이 구조의 일부분을 적용 할 수 있습니다 (샘플 3 nm의 더 높은 깊이의 분해능 프로파일을위한 그림 200 참조).

이것은 알루미늄과 갈륨이 단순히 켜지거나 꺼지는 것이 아니기 때문에 인터페이스의 광학 및 전기적 특성을 최적화하기 위해 정밀하게 제어되는 방식으로 다양하기 때문입니다. PCOR-SIMS로 측정 한 결과, 8 %에서 83 % 알루미늄까지 모든 조성 범위에서 알루미늄 함량이 정확하게 결정되었습니다. 이 측정의 정확도는 Standard Reference Material 2841 (Al0.1982 0.0014 ±Ga0.8018(National Aspect Institute of Technology) 및 러더 포드 후방 산란 분광계 (Rutherford Backscattering Spectrometry)에서 교정 된 다 성분 AlGaAs 표준 물질을 사용하였습니다.

저항의 추가 감축 p형 DBR은 합금 조성에 큰 영향을받는 감도를 갖는 탄소로 거울을 도핑함으로써 가능하다. 그러나 PCOR-SIMS를 사용하면 모든 탄소 포인트에서 알루미늄 성분이 측정되기 때문에 모든 데이터 포인트에서 이러한 효과를 보정 할 수 있습니다. 이러한 접근법은 알루미늄 함량이 높은 저 굴절률 층과 고 굴절률 층 (그림 3 참조) 사이의 계면에 가깝지만 정확히 일치하지 않는 일부 구조에서 고농도 탄소 도핑 스파이크를 발견합니다.

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그림 3. AlGaAs 레이어의 정확한 탄소 농도와 깊이 배치.

모든 프로필이 동일한 분석에서 수집 되었기 때문에 탄소 도핑 스파이크의 배치가 정확하다고 확신합니다. 저레벨 탄소 도펀트 피크는 도핑의 불균일성에 기인 할 수있는 반면, 웨이퍼는 층 성장 중에 회전하는 것에 유의해야한다.

전류 및 광학 감금을 제공하기 위해, VCSEL의 생산자는 높은 알루미늄 함량의 개구부를 도입하는 경향이 있는데, 이것은 외부로부터 산화된다. 적절한 시점에서 프로세스를 중지하면 전류와 빛이 통과 할 수있는 산화되지 않은 '구멍'이 남습니다. 분명히, 반복적 인 산화 공정을 가지려면, 산화 속도가 변하지 않아야합니다. 이것은 AlGaAs 층에 엄격한 조성 제어와 균일 성이 있어야 함을 의미한다. 알루미늄 함량이 Al에서 증가 할 때 산화 속도가 두 배 이상 변할 수 있기 때문이다0.82Ga0.18알에 관해서는1.0Ga 0같이.

PCOR-SIMS를 사용하면 애 퍼처 레이어를 형성하는 데 사용되는 것과 같은 고 알루미늄 함유 AlGaAs 레이어의 알루미늄 조성을 높은 수준의 정밀도로 결정할 수 있습니다 (그림 4 참조). 이 샘플에서 알루미늄 함량의 차이는 III 족 구성물의 1.8 퍼센트 (또는 총 원자의 0.9 퍼센트)이지만 두 필름의 측정 값에서의 확산은 훨씬 적습니다. 이러한 정밀도는 이러한 애 퍼짐 층을 완성하는 데 결정적입니다.

이 그림은 PCOR-SIMS가 AIGaAs의 조성을 고정밀 도로 결정할 수 있음을 보여줍니다

그림 4. PCOR-SIMS는 높은 정밀도로 AlGaAs의 조성을 결정할 수 있습니다.

또한 PCOR-SIMS는 활성 영역의 구조에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다 (그림 5 참조). 그것은 활성층의 양면에서 변화하는 알루미늄 프로파일을 나타낼 수 있습니다. p 형 조리개 층과 n형 DBR을 클래딩 층에 가하며 AlGaAs 활성층을 바로 둘러싸고있는 장벽 층에서 더 낮은 알루미늄 함량이 급격히 떨어진다. 활성 영역의 상세한 그림은 광 공동의 레이저 주입 모드가 최적의 위치에 있는지 여부를 평가하는데도 유용합니다. 그림 5에서 활성 영역의 프로파일은 활성 영역과 근처의 미러 쌍에 대한 탄소 도핑을 자세히 설명합니다. PCOR-SIMS를 이용하여 n 형 DBR에서 탄소와 실리콘의 농도를 정확하게 측정함으로써 p- 타입 카운터 도핑 - 부주의 한 탄소 오염이 n 형 층에서 야기된다.

이것은 활성 영역의 깊이 프로파일을 보여줍니다.

그림 5. 활성 영역의 깊이 프로파일 : (a) 애 퍼처 층 구성; (b) 클래딩 층 알루미늄 함량의 구배; (c) 클래딩 층 도펀트 농도; (d) 다중 양자 우물에서 확산 된 도핑. 탄소 프로파일은 그림 2에서보다 명확하게 보여진다.

PCOR-SIMS의 또 다른 장점은 원하지 않는 오염 종의 윤곽을 그릴 수 있다는 것입니다. 이들 중 가장 보편적 인 것은 산소인데, 이는 낮은 굴절률과 높은 굴절률의 층 사이의 성장 천이에서 오염 스파이크를 일으킬 수 있습니다. p형 DBR (그림 6 참조). 성장 순서에서 산소 스파이크의 정확한 위치를 아는 것은 종종 오염원을 격리하고 제거하려고 할 때 도움이됩니다.

여기서 PCOR-SIMS는 DBR 인터페이스에서 산소 오염 스파이크를 나타낼 수 있음을 알 수 있습니다

그림 6. PCOS-SIMS는 DBR 인터페이스에서 산소 오염 스파이크를 나타낼 수 있습니다.

경우에 따라 VCSEL에는 황 불순물이 함유되어 성능에 영향을 미치는 것으로 여겨집니다. 황 함량은 알루미늄 함량의 비율을 추적하기 때문에 n-DBR보다 p-DBR에서 더 높습니다 (그림 7 참조). 상부 등급 AlGaAs 클래딩 층의 피크는 활성 영역의 고분해능 재분석 (그림 8)에서 쉽게 발견 할 수 있습니다.

이것은 VCSEL 성능을 저하시킬 수있는 황 불순물을 보여줍니다.

그림 7. VCSEL 성능을 저하시킬 수있는 황 불순물은이 VCSEL 구조의 많은 층에서 검출 될 수있다.

여기서 우리는 상부 AIGaAs 클래딩 층에서 검출 된 첨두화된 불순물 불순물을 봅니다

그림 8. 첨단 AlGaAs 클래딩 층에서 첨두 유황 불순물이 검출된다.

합금 조성의 변화가 표면의 스퍼터링 속도를 변경하기 때문에 종래의 SIMS로 정확한 층 두께를 결정하는 것은 쉽지 않다. 수정이 없으면 AlGaAs VCSEL의 20 퍼센트로 플롯 된 레이어 두께가 잘못 될 수 있습니다 (그림 9 참조).

이것은 PCOR-SIMS 층 두께 보정을 보여주는 AIGaAs DBR 층의 깊이 프로파일입니다.

그림 9. PCORSIMS 층 두께 보정을 보여주는 AlGaAs DBR 층의 깊이 프로파일.

PCOR-SIMS를 사용하면 이러한 약점이 경험적으로 도출 된 스퍼터링 속도 함수로 해결됩니다. 이것은 측정 된 알루미늄 함량 또는 InGaAs 활성층의 인듐 함량을 기준으로 각 데이터 포인트의 순간 스퍼터링 속도를 결정합니다. 이 방법으로 무장 한, VCSEL 전체의 스퍼터링 속도의 변화에 ​​대한 보정 보정이 이루어진다.

SIMS의 발전된 형태의 우리의 개발은 더 이상 반도체 재료의 불순물 및 도펀트 분석에 국한되지 않도록이 기술의 능력을 열었습니다. 이러한 노력으로 PCOR-SIMS는 VCSEL의 재배자에게 가장 가치있는 도구가되었습니다. 그것은 층간 도핑 수준의 도핑 수준을 밝히고 AlGaAs 애 퍼처 층의 알루미늄 조성에 대한 정확한 값을 제공하는 등 다양한 중요한 작업에 사용할 수 있습니다.

제 2 탄 화합물 반도체, 양 20, 문제 3 2014

저자 : Temel Buyuklimanli, Charles Magee, Jeffrey Serfass 및 Jeffrey Kipnis, EAG 연구소

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