张玉岐 左致远 阚强 赵佳
Common failure modes and mechanisms in oxide vertical cavity surface emitting lasers
ZHANG Yu-qi, ZUO Zhi-yuan, KAN Qiang, ZHAO Jia
引用本文:
张玉岐，左致远，阚强，赵佳. 氧化型垂直腔面发射激光器的常见失效模式和机理分析[J].中国光学, 优先发表. doi: 10.37188/CO.2021-0012
ZHANG Yu-qi, ZUO Zhi-yuan, KAN Qiang, ZHAO Jia. Common failure modes and mechanisms in oxide vertical cavity surface emitting lasers[J]. Chinese Optics, In press. doi: 10.37188/CO.2021-0012
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文章编号 2095-1531（xxxx ）x-0001-14
氧化型垂直腔面发射激光器的常见失效模式和机理分析
张玉岐1,2，左致远1，阚 强3，赵 佳1,4 *
（1. 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室, 山东青岛 266237；
2. 厦门市三安集成电路有限公司, 福建厦门 361000；
3. 中国科学院半导体研究所, 北京 100083；
4. 山东大学 信息科学与工程学院, 山东青岛 266237）
摘要：氧化型垂直腔面发射激光器（VCSEL ）在高速光通信中有着广泛的应用，其中应用过程中的可靠性是一个非常重要的指标，要求有高寿命和低失效率。为了更好的了解VCSEL 在应用过程中的失效模式和机理，提升器件的可靠性，本文从器件设计、加工制造和应用过程等3个环节总结分析了氧化型VCSEL 的常见失效模式、产生原因和机理，并提出了适当的改善措施和建议。其中，对氧化应力、ESD 和湿气腐蚀问题这三个主要失效因素进行了更为详细的分析。基于以上对业界研究工作的总结和分析，最后对实际工作中遇到的VCSEL 失效案例进行简单的介绍，为VCSEL 学者、研发设计、制造和使用人员提供一个较为全面的失效分析案例库。关 键 词：VCSEL ；氧化物；失效模式和机理；可靠性 中图分类号：TN365 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2021-0012
Common failure modes and mechanisms in oxide vertical cavity sur-face emitting lasers
ZHANG Yu-qi 1,2，ZUO Zhi-yuan 1，KAN Qiang 3，ZHAO Jia 1,4 *
（1. Key Laboratory of Laser & Infrared System , Shandong University , Qingdao 266237, China ；
2. Xiamen San 'An Integrated Circuit Co., LTD , Xiamen 361000, China ；
3. Institute of Semiconductors , University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100083, China ；
4. School of Information Science and Engineering , Shandong University , Qingdao 266237, China ）
* Corresponding author ，E-mail : zhaojia@
Abstract : Oxide Vertical Cavity Surface Emitting Lasers(VCSELs) are widely used in high-speed optical communications. The reliability of VCSELs is a very important index which requiring a high lifetime and
仓库监控收稿日期：2021-11-22；修订日期：xxxx-xx-xx
基金项目：国家重点研发计划纳米专项课题(No. 2018YFA0209001)；国家重点研发计划课题(No. 2018YFA0209002，
No. 2018YFB2200700)
Supported by the Nano Special Project of National Key Research and Development Program(No.2018YFA0209001); National Key Research and Development Project(No. 2018YFA0209002, No.2018YFB2200700)
第 x 卷 第 x 期中国光学Vol. x No. x
xxxx 年x 月
Chinese Optics
xxx. xxxx
low failure rate in the application process. Understanding the root causes and mechanisms of VCSEL fails is necessary and helpful to improve device reliability. In this paper, we summarize and analyze the most com-mon failure modes, causes and mechanisms observed in oxide VCSELs from
three main aspects of design, manufacturing and application, and some appropriate measures and suggestions are applied to prevent or im-prove them. Moreover, the three dominating factors leading to the failure of VCSELs including oxide layer stress, ESD and humidity corrosion are introduced in more detail. This article can be used as a good VCSEL failure analysis library for chip development and production researchers. At finish, we will simply introduce the VCSEL failure cases encountered in the actual accelerated aging verification process for more references. Key words: VCSEL；oxide；failure modes and mechanisms；reliability
1 引 言
垂直腔面发射激光器(VCSEL，Vertical Cav-ity Surface Emitting Laser)拥有阈值低、功耗低、速率高、易于集成和成本低等优点，成为了短距离数据通信的核心光源，其中绝大多数采用GaAs体系材料，在850 nm波长下发光，主要用于数据通信和光学跟踪应用[1–4]。 可靠性作为半导体激光器能够长期使用的一个关键的指标，对应用非常重要，是器件开发设计和应用的核心问题[5-6]。尽管目前由于设计能力和工艺水平的提升，并采取了广泛的预防措施和筛选措施，半导体激光器的现场故障率达到了10 ppm /年[7-8]，但是如果没有适当的器件设计、制造和使用，将导致器件具有较高的故障率。而且VCSEL每年发货数量庞大[9]，即使低的失效率也会有绝对数量的不
良品，当这些故障聚集在拥有数千条链路的大型数据通信中心时，系统的故障率仍可能涉及每年多次计划外故障，同时在数据通信应用中对器件的使用寿命一般比较长，通常在10年以上[10]，这对VCSEL器件的可靠性提出了较高的要求。对于以GaAs材料为基础的氧化限制型VCSEL，由于器件材料和结构设计的固有原因，会有潜在的可靠性问题，受到工业界的极大关注[11–13]。
因此，本文以目前商业化应用最广的氧化限制型850 nm VCSEL为对象[9]，从器件设计、加工制造和外界因素等三个方面详细阐述导致VC-SEL失效的常见原因，总结了失效的模式及失效机理，并给出一些预防措施和改善建议，通过研究VCSEL的失效模式及其机理，可以为VC-SEL从业人员提前防止失效的发生或者当问题发生时可以作为一个参考，更加快速有效的了解问题产生的根本原因，并进行合理的改善，有助于提升器件的可靠性。
2 VCSEL 结构
氧化型VCSEL 的结构是由衬底（substrate）、上下布拉格反射镜(DBR)、量子阱有源区（active layer）、氧化限制层（oxide layer）、上下电极（con-tact）组成，光输出方向垂直于晶圆表面，激射波长为850 nm。氧化型VCSEL的器件结构示意图如下图1所示。衬底一般是n型掺杂GaAs材料，DBR是由两种不同折射率材料（不同Al含量的AlGaAs）交替生长组成，有源区是GaAs/AlGaAs 或AlGaAs/InGaAs多量子阱组成。氧化限制层是对含高Al成分的AlGaAs或者AlAs材料进行选择性湿法氧
化得到Al2O3结构，氧化层厚度一般为20−30 nm，氧化后的孔径一般为7～12 μm，能够对电流和光场起到有效地限制作用，从而可以有效地降低阈值电流和光损耗，提高VC-SEL的功率转换效率，大大提高了VCSEL的性能[14-15]。
Oxide layer
Bottom DBR
n-contact
p-contact
Top DBR
Active layer
图 1 氧化型VCSEL的结构示意图[16]
Fig. 1 Schematic of the oxide VCSEL structure[16]
2中国光学第 x 卷
3 常见失效原因及分析
3.1 VCSEL 设计
3.1.1 材料体系
由于GaAs和AlGaAs材料的晶格匹配，能带范围决定了可以在850 nm范围内发光，同时两种材料具有较大的折射率差，器件可以在较小的DBR厚度下获得较高的反射率和优异的性能等特点，所以目前商业化广泛应用的氧化型VC-SEL是由GaAs/AlGaAs材料制备而成。但是研究发现GaAs/AlGaAs化合物半导体材料容易形成位错[17]，这可能是由于材料的能带间隙、晶体原子结合力、原子尺寸大小、缺陷能级及点缺陷的形成能和迁移能等因素决定的。如下表1所示为一些Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料形成位错的难易程度。可以看出，具有较大能带间隙能的材料如GaAs和GaP容易形成位错，而带隙能较小的InGaAsP材料则不会，这是由于能带间隙能越大，可以提供给缺陷形成的能量就越大，因此缺陷越容易产生和运动。然而，由于带隙相对较宽的InP却不容易产生位错，仅带隙能并不能充分解释，还有其他机理有待进一步研究[18-19]。 表 1 一些Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体产生位错的难易程度[20] Tab. 1 A summary of easiness formation of dislocation loops in some III-V compound semiconductors [20]
Material Band gap energy/eV@300K
空心砌块Formation of dislocation loops
GaAs 1.42Yes
AlGaAs 1.42～2.15Yes
GaP 2.27Yes
GaAsP 1.42～2.27Yes
InP 1.34No InGaAsP on InP0.75～1.34No
InGaP on GaAs 1.42～1.91Yes InGaAsP on GaAs 1.42～1.76Yes
另外，GaAs原子间的重建能量相对较弱，因此GaAs中位错运动的活化能较低，而且重组很容易被杂质破碎或受杂质影响，因此容易形成位错缺陷[20]。此外，位错形成的其他因素还包括与悬空键和原生点缺陷等缺陷相关的点缺陷和深能级的生成能和迁移能的大小，以及深能级的非辐射复合率等。
对于半导体激光器的一种较为理想的材料体系是有源区材料虽然容易产生位错缺陷，如我们研究的GaAs基VCSEL，但是有源区材料具有足够的压缩应力可以阻止位错生长[21]。如下图2所示，在恰当
光纤探头的量子阱厚度下，通过在量子阱中引入5%～7%的铟，诱导压缩应变，成功地在GaAs基激光器中停止了位错（DLD，Dark Line Defect）。铟元素的比例有个合适的范围，太少起不到阻止DLD生长的作用，如低于下图2的虚线部分[19]。然而，引入过多的铟会导致晶格失配而产生DLD，如图中实线部分。Kirkby[22]和其他人也指出，即便在没有压缩应变的情况下，铟也能阻止攀爬和下滑。这是因为In有较大的原子半径，可以使晶格硬化，阻止位错的产生和迁移。因此，可以考虑在VCSEL有源区材料内增加适量的铟以引入压缩应变和晶格硬化来减缓位错的形成。
100
10
1
20%40%
No DLD growth
N
o
p
i
n
n
i
n
g
Beyond critical thickness
(misfit dislocations formed)
Indium composition in InAlGaAs
Q
u
a
n
t
u
m
w
e
l
l
t
h
i
c
k
n
e
s
s
/
n
m
图 2 铟和应变对激光可靠性的影响[19]
Fig. 2 The effect of indium content on laser reliability[19]
3.1.2 结构设计
(1) 氧化层
氧化问题是VCSEL失效原因的主要来源，而且是一个很难避免的难题。我们知道，在氧化型VCSEL中，由于氧化层（Al x O y）是由AlAs或含有极少量Ga的AlGaAs层经过台面水汽氧化完成的，AlAs氧化形成Al x O y时体积会约有20%的收缩[23-24]，这样就会在氧化层尤其尖端形成较大的应力，同时氧化后形成的氧化铝和DBR半导体晶格不匹配，结合力弱，以及热膨胀系数（CTE）不匹配等，如果氧化工艺控制不当很容易在两者界面之间形成分层或者裂纹[23]，成为位错缺陷形成的主要源头。线性排水沟施工图
Herrick等人研究了GaAs基 VCSEL的位
不锈钢筛网种类第 x 期张玉岐, 等: 氧化型垂直腔面发射激光器的常见失效模式和机理分析3
错的起源[25]，如下图3所示，认为器件内的线DLD 起源于氧化物尖端。基于其他人对器件有源区内有DLD 网络的透射电子显微镜（TEM ）工作可知[26]，认为线位错可能从氧化层尖端向下移动到下面的有源区，传播方向可能是受到电流向下的驱动[27]，并在线位错穿过有源区时形成DLD 网络。
Possible half loops
Thin section: 0.84 μm Thick section: 1.84 μm
Top view (PV)
Delamination
Oxide aperture
p-DBR Active region
n-DBR
指纹认证Side view (thick)Side view (thin)
Possible half loops
0.5 μm
图 3 失效的VCSEL 内位错的示意图[25]
Fig. 3 Trace diagram of DLD in failed VCSEL from the
top and side view [25]
氧化层的材料组分、厚度和氧化工艺等是影响氧化后应力的主要因素。Choquette 等人[24]对不同Al 含量氧化层材料对可靠性的影响进行了研究，在湿法氧化过程中，AlAs 氧化层材料对快速热循环不稳定，在氧化端表现出过度的应变，而AlGaAs 材料氧化后则是稳固的，可以为VC-SEL 提供可靠的氧化孔，如下图4所示。这是因为对AlGaAs 的氧化反应速率比AlAs 的低，使氧化过程成为可控的、各向同性的，而包含AlAs 氧化层的台面中有固有的机械不稳定性与转换氧化
物后更大的体积收缩。因此，可以通过改变氧化层材料成分、降低氧化速率和减少氧化层厚度等方式来降低氧化层的应力和减小体积收缩，增加VCSEL 可靠性[28]。
(2) 台面(mesa)结构
氧化型VCSEL 在选择性湿法氧化工艺时，需要蚀刻出一个台面柱状（mesa ）结构，然后再进行氧化工艺，而此结构设计对器件的可靠性来说是比较危险的。一是器件台面制作过程中涉及蚀刻、清洗、氧化和钝化等工序，加工过程中一种或者多种不利因素的组合导致台面边缘附近细微的机械损伤，而后成为缺陷的源头；二是DBR 是由低Al 含量和高Al 含量的AlGaAs 材料交替生长而成，高Al 含量的材料通常是Al 0.92Ga 0.08As ，因
此在实际氧化过程中也会有部分被氧化，一般为4 μm 左右，而且DBR 有很多层，所以累积应力非常高，如下图5所示。当应力足够高会引起分层或者裂纹，位错会从氧化物的边缘向有源区移动。
Mesa edge
图 5 氧化物VCSEL Mesa 边缘的XS-TEM [29]
Fig. 5 Cross-sectional TEM images of oxide VCSEL mesa
[29]
Herrick [29]和Helms [30]对失效的VCSEL 分析发现由于DBR 氧化物收缩而引入过度的机械应力导致的失效，如下图6所示的位错网络，图中TEM 图像显示位错可疑的起点在靠近台面氧化
Active
region Oxide Mirror Active region Oxide
Mirror
(a)
(b)
图 4 不同氧化层成分的横截面TEM （XS-TEM ）图片[24]
(a) Al 0.98Ga 0.02As 氧化层 (b) AlAs 氧化层
Fig. 4 Cross-sectional TEM images of different oxide
composition [24]. (a) Al 0.98Ga 0.02As oxide layer (b)AlAs oxide layer
Mirror aperture
Edge of mesa
Edge of mirror oxide
Suspected point of origin
图 6 位错网络轨迹的TEM 图像[30]
Fig. 6 Top view showing a tracing of the dislocation net-work [30]
4
中国光学
第 x 卷
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