Degradation Analysis of Semiconductor Optical Devices and Suppression of Degradation

Abstract

1．まえがき LED 及び半導体レーザなどの発光デバイスは，現在様々な 機器に搭載されている．例えば，赤色 LED はテレビや携帯電 話機の液晶パネルのバックライトや LED ディスプレイ，照明 機器などに，赤外 LED は携帯電話機の赤外線通信やプリンタ のプリントヘッドなどに用いられている．赤色半導体レーザ の場合は，DVD の記録再生装置や非接触マウス，赤外半導体 レーザは CD の記録再生装置や通信機器，プリンタのプリン トヘッドなどに利用されている．こうした赤色・赤外発光デ バイスは，今後，プロジェクタといった投射形の映像表示機 器や機器内での光インタコネクトといった新分野へも普及す ると予想されている． 広範囲な分野で普及が進むほど，機器への不適切な搭載や 過酷な条件での使用などにより，発光デバイスが劣化し，発 光デバイスを搭載する機器やシステムの不具合や障害，事故 の増加につながってしまう．例えば，光通信用の送受信装置 に搭載されていた半導体レーザが故障し，突然通信遮断が起 こる場合がある．送受信装置をオンオフしたときにサージ電 流が流れ，半導体レーザが光学損傷により瞬時に劣化するた めである．半導体レーザの端面の活性層部分が溶融・蒸発し， 結果としてその部分にくぼみが生じる （図 1 の矢印の部分参 照） ． 別の例としては，CD の記録再生装置に搭載した赤外 LED が使用中に故障し，再生機能が制御不能に陥ることがある． これは，LED の周辺回路に実装したコンデンサなどの部品で 異常が生じ，一時的に LED の駆動電流や周囲温度が定格値を 大きく超えたために起こったものと推定される．具体的には， LED の電極コンタクト部で熱ひずみが生じて，LED 素子内に 転位が大量に発生し，劣化に至ったものと考えられる． 以上のことを踏まえて，本稿では，現在幅広く利用されて いる赤色・赤外発光デバイスの劣化解析事例を紹介し，発光 デバイスの劣化現象とその原因，解析方法，抑制方法などに 半導体発光デバイスの劣化解析と劣化抑制 Degradation Analysis of Semiconductor Optical Devices and Suppression of Degradation 上田 修 Osamu UEDA アブストラクト 各種化合物半導体多層薄膜から作製された LED や半導体レーザといった半導体発光デバイスは，現在， 社会，産業，家庭における様々なシステムや機器に搭載されている. このような発光デバイスは，機器への不適切な実 装や過酷な条件での使用などで劣化し，機器やシステムの不具合や障害，事故の原因となる. そこで，本稿では，赤色・ 赤外デバイスを中心とした発光デバイスの種々の劣化モードについて，劣化メカニズム，解析事例，及び抑制方法に ついて解説する． キーワード 発光デバイス，LED，半導体レーザ，劣化，劣化解析，ダーク欠陥，TEM，転位，点欠陥，非発光再結合 Abstract Semiconductor optical devices, such as semiconductor lasers and light-emitting diodes (LEDs), employ a great variety of compound semiconductor materials and structures, and they are used in an extremely wide range of systems and electronic equipment in society, industry, and the home. These devices may degrade as a result of inappropriate bonding and packaging of the devices and under severe operating conditions, causing failure of the equipment and/or system. This paper systematically reviews various degradation modes of optical devices, mainly red and infrared optical devices, focusing on the degradation mechanism, degradation analysis, and methods of suppressing the degradation.