レーザーダイオード発光分布 その場観察用温度制御ホルダの制作


-はじめに-
 半導体デバイスの最適設計のためには、半導体量子構造のサイズ・形状と対応させた高分解能での光学測定を行う必要性が高まっている。しかしこれまでの報告例は総てウェハー上での量子構造の特性評価であり、パッケージ化された状態でのLD(レーザーダイオード)では立体障害のため高分解能測定が困難であった。そこで、近接場顕微鏡でパッケージ化されたLDの発光分布のその場測定を目指す。




画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  発光分布を近接場測定したところ温度ゆらぎの影響が見られた。これを改善し、LD出力の安定化と熱による劣化損傷を防ぐため、近接場顕微鏡内に取り付けるペルチェ素子を組み込んだ小型の温度制御LDホルダの製作、評価を行う。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  IL特性の温度依存性の測定
温度コントローラを用いて温度を一定にして、LDマウントにLDを組み込んでOPTICAL MULTIMETERで電流値を測定した。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  IL特性の温度依存性
図を見るとLDの発振温度が25℃と26℃の場合ではほぼ変化はみられないが、 27℃、28℃と温度が上昇していくと光強度が減少していることがわかる。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  結果
温度制御の必要性が証明された。しかし先ほどのLDマウントでは大きすぎるため近接場顕微鏡の試料ホルダに組み込むことができない。→温度制御ホルダの小型化が必要



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  図はこれまで使用していた旧型のホルダと今回作製した温度制御を行うことのできる新型の温度制御ホルダの比較図です。
 まず旧型のホルダは温度制御をしないタイプのものですが、熱伝導性をよくするために銅のヒートシンクを使用しています。ですが、それだけでは熱を逃がす事に不十分でした。そこで新型の温度制御ホルダでは、LD固定円板(帯磁性ステンレス)と放熱板を兼ねた顕微鏡マウントねじの間に小型のセンターホール型ペルチエ素子をはさみこんで、両面にシリコングリスを塗った上で微小磁石でこれらを密着させ接着剤でマウントねじに固定した。ここでの磁石の役割はLD固定円板と密着させることではなく、磁力によってLD固定円板とペルチエ素子を密着させる事にあります。磁石に対してLD固定円板を水平面内で滑らせることによりLD素子内のチップ発光領域を光プローブ直下に位置合わせすることができます。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  旧型のホルダでは温度コントローラとペルチエ駆動回路は使用しませんでしたが、この新型温度制御ホルダは近接場顕微鏡にはめ込んだ時に、ペルチエ素子の駆動線、温度コントロールの導線、LDからの導線(φ1)の2本ずつ計6本を近接場顕微鏡のシアフォース検出用レーザー光や観察用video光学系の妨げにならないように接続しなければならない。 そのためペルチエ素子の2本の駆動線と温度コントロールの2本の導線を通すための溝がマウントねじの表面、裏面にそれぞれほられている。さらに導線をソケットを介して接続することによって顕微鏡筒内を貫通し、外管に引き出す構造になっている。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。 近接場顕微鏡によるLD表面とLD光強度
 旧ホルダを用いてLD光学顕微鏡でLDの発信口を測定してみたところ、1つに見えていた発光点が、近接場顕微鏡ではいくつかのピークが測定されました。このピークはLD光強度の図にいくつかの縞模様として現れています。ここで縞模様が現れる原因として、プローブの位置制御の関係や、温度制御を行っていないなどのいくつかが考えられます。その中の温度制御による問題を解決するために、本研究では温度制御を行うことのできるホルダを製作しました。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  新型温度制御ホルダの温度制御下でのLD発光プロファイルのロックイン検出 左の図は温度コントロールがOFFの場合、右の図が温度コントロールがONの場合です。 上の図は3D表示、下の図は2D表示で表されています。 何度か実験した結果この通りOFFの場合に比べてONの場合は縞の模様が少なくなっているため 温度制御されていることが考えられます。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  ある測定をトポグラフで表してみたところ温度コントロールを行った結果が、 大幅に変化していることがわかります。原因としては LD固定版が磁石にくっつき、温度制御の結果、微小にLD固定版が傾いたため このような結果が測定されたと考えられます。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  Tペルチエ素子で加熱・冷却してLD固定円板を温度制御できるようになった(近接場顕微鏡内)。
25℃ ではOKだが、23℃以下に冷却するとマウントねじは36℃まで上昇→放熱の必要
→マウントねじにヒートシンクを取り付ける必要



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  1.温度制御ホルダの下部にヒートシンク を取り付け、さらに効率よく熱を逃がす。
 2.LD固定円板のLDに接触する中心部分を銅にすることによって、熱伝導性を改善。