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Ａｂｓｔｒａｃｔ：The laser diode samples reacted with catastrophic optical damage (COD) during long-term aging process were analyzed by means of infrared thermography, emission microscope (EMMI), focused ion beam (FIB), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and the failure mechanism of long-term aging was summarized.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：semiconductor laser diodes; failure analysis; failure mode; failure mechanism; aging
摘要：使用红外热像仪、微光显微镜(EMMI)、聚焦离子束(FIB)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和能量散X 射线能谱仪(EDS)等技术手段对在长期老化过程中发生COD 的激光器样品进行了失效分析，总结出相应的长期老化失效机理。
关键词：半导体激光器；失效分析；失效模式；失效机理；老化
中图分类号：TN 385 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2018)S1-0063-05
半导体激光器失效分析方法与失效机理研究
Failure Analysis Method and Failure Mechanism Study on Semiconductor Laser
Diodes
张思雨
（北京航天光华电子技术有限公司，北京 100854）
ZHANG Si-yu
(Beijing Aerospace Guanghua Electronics Technologies Limited Corporation, Beijing 100854)
引言
半导体激光器是现今光电子技术中应用广泛的一种新型光电子器件，自上世纪６０年代诞生后，近几十年来取得了迅速发展［１］。如今，它已具备输出波长范围广、供电方式简单、电光转换效率高、芯片尺寸小且稳定性高等突出优势［２，３］，使其广泛应用于固态激光器泵浦、材料加工、光学通讯、激光打印、医疗矫正、激光测距等领域［４］。本论文以８０８－ｎｍ ＧａＡｓ基大功率半导 体激光器为研究对象，利用红外热像仪、聚焦离子束、微光显微镜、高分辨率透射电子显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、和能量散Ｘ射线能谱仪等技术手段深入分析器件的长期老化失效机理，为掌握器件失效情况、分析器件失效原因、和提高器件的性能与可靠性奠定一定的实验与理论基础。
本文所研究的样品是激射波长为８０８－ｎｍ的 ＧａＡｓ基半导体激光器，器件结构示意图见图１（ａ），芯片由铟焊料倒装烧结于铜热沉上，热沉即为器件正极，芯片背面引出金线，通过金层连接至
作为负极的铜线，正负电极之间利用陶瓷层绝缘。激光器芯片的
图1
(a)本文所用样品的器件结构示意图
(b)芯片结构示意图
结构示意图见图１（ｂ），主要包括ＧａＡｓ衬底，ＡｌＧａＩｎＡｓ单量子阱有源层，以及有源层两侧 64
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的ＡｌＧａＡｓ波导层和限制层，Ｐ型波导层上方依次是ＧａＡｓ帽层及绝缘层，在绝缘层中间光刻出沟道，使注入电流集中于沟道内，因此发光区集中于沟道所覆盖的有源层，如图１（ｂ）所示，正、负欧姆电极依次生长于芯片顶部及底部。由此可见，被测样品是双异质结（ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ， ＤＨ）型激光器，它可以增强受激辐射，减小阈值电流。
芯片纵向截面的示意图及相应的扫描电镜显微图分别见图２（ａ）和２（ｂ）。需要注意的是，芯片的前后腔面均镀有Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３的腔面镀膜，其中Ａｌ２Ｏ３为蓝宝石输出腔面，Ｓｉ为芯片腔面与镀膜材料之间的缓冲层，可以起到缓冲芯片内部有源区发出的激光对腔面的冲击从而保护蓝宝石镀膜腔面的作用。前后腔面镀膜分别为高透射率和高反射率镀膜，使谐振腔内的激光尽可能多地从前 出光腔面输出，提高发射光功率。激光器的前腔面往往是芯片的薄弱环节，一是由于蓝宝石材料自身的脆弱性，二是由于有源区内辐射出的高强度激光会对腔面镀膜造成极大冲击，使其结构和性能遭受损坏。图１（ｂ）中所示的红区域，即有源层中的出光区域处的腔面镀膜最容易遭到损坏，这一区域的宽度称为激光器的条宽，本课题中所研究样品的条宽为１００ μｍ，一旦此区域内的镀膜受损，将导致激光器输出功率急剧下降，芯片烧毁，因此这一区域内的腔面镀膜将是本文重点监测和研究的对象。
老化试验中，对３只样品Ａ、Ｂ、Ｃ施加３．５ Ａ的工作电流，并将其置于４０ ℃的恒温平台上，从而将温度作为加速应力，实验装置置于超净工作间内，以免器件沾污，引入新的失效机理。对３只样品进行恒温恒流老化，直至其腔面发生灾变光学损伤（ＣＯＤ），此时器件失效，且在显微镜下可以观察到出光腔面上出现 损伤区域。样品失效后，利用上述技术，按照先无损后有损的实验顺序对其进行失效分析，并总结出半导体激光器的长期老化失效机理。
器件Ａ在发生ＣＯＤ后对其进行了腔面温度测量，当在其出光腔面上观察到凸出的损伤区域时，停止老化实验，将其置于２５ ℃的恒温平台上，对其施加３．５ Ａ的工作电流，并用红外热像仪采集其腔面温度分布图像，得到图３所示的测量结果。器件Ａ在发生ＣＯＤ
之后，其有源区处的出光腔面的温度最高达到５０ ℃左右，即相较
图2 芯片纵向截面的
图
3
(a)示意图(b)扫描电镜显微图
(a)器件A 的腔面温度分布图
(b)包含有源区的水平直线上的温度分布曲线图女黑客一年不洗澡
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图4 器件B 的EMMI 测量结果图6 样品C 的HRTEM 分析结果
图5 器件C 的取样位置示意图
于恒温平台的温度，腔面温升约为２５ ℃，且有源区内的腔面温度明显高于两侧的注入隔离区。为了得到更加准确的温度分布数据，我们在有源区的水平区域内划了一条直线，即图３（ａ）中的黑虚线，它包括有源区及其两侧的注入隔离区。该直线上各像素点的温度随水平位置变化的温度分布曲线图见图３（ｂ），从图中可以看出，１００ μｍ宽的有源区发射条内的腔面温度明显比两侧高出盲人歌手张玉霞
约２￣３ ℃，这与文献［５］中报道的结果一致；且有源区内的最高腔面温度达到５０ ℃左右，这与温度分布图显示的结果一致；从有源区内出现温度尖峰的点可以推测出出光腔面发生ＣＯＤ的位置，即ＣＯＤ点在条宽内的位置，它们均在图３（ｂ）中用红圆圈标明。
使用ＥＭＭＩ对发生ＣＯＤ后的器件Ｂ进行反向漏光测量，与器件Ａ相同，当在器件Ｂ的腔面上观察到损伤区域时，停止老化实验，用ＥＭＭＩ测量其反向漏光情况，实验中对其施加１０ Ｖ的反偏电压，得到图４所示的测量结果。从图４（ａ）中的ＥＭＭＩ图像可以清楚看到器件Ｂ的芯片及铜热沉，且观察到芯片有源区处的出光腔面出现明显的漏光点；放大芯片部位，得到图４（ｂ）所示的图像，从图中可
以看到夹在两个台阶状的注入隔离区之间的１００ μｍ宽的有源区，漏光点则出现在有源区左侧；继续放大有源区部位，如图４（ｃ）所示，可以清晰观察到３个位于有源区左侧的漏光点。ＥＭＭＩ捕捉到的漏光源于芯片内部的缺陷，当给器件施加反向偏压时，缺陷处的电子空穴对复合放出光子，并从腔面发射出去被ＥＭＭＩ捕捉，因此，漏光位置即为被烧毁的缺陷位置，即ＣＯＤ点。
对于器件Ｃ，我们首先利用ＦＩＢ从损伤部位制备ＨＲＴＥＭ样品，取样位置为有源区内的出光腔面上的
ＣＯＤ点，即图５中的黄四边形所标位置。接下来利用
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ＨＲＴＥＭ观察了从器件Ｃ中取出的样品的形貌与微观结构，结果见图６。在下文中，将此样品称为样品Ｃ。
如图６（ａ）所示，器件Ｃ的出光腔面被烧成一个凸出曲面，其ＡｌＧａＩｎＡｓ量子阱被部分烧毁。放大出光腔面区域，如图６（ｂ），看到Ａｌ２Ｏ３腔面被烧出一些空洞，且原本在Ａｌ２Ｏ３腔面内的Ｓｉ镀膜扩散至Ａｌ２Ｏ３层内，但并没有蒸发消失。继续放大有Ｓｉ层的区域，如图６（ｃ），可以清楚看到厚约６ ｎｍ的Ｓｉ层处于Ａｌ２Ｏ３层中间。图６（ｄ）为量子阱区域的放大图，它显示量子阱被部分烧毁，且烧毁区向两侧的波导层扩散，此外其晶格结构也发生改变，图６（ｅ）所示的电子衍射图显示此区域内出现了成对的孪晶，说明量子阱材料由单晶变为多晶。
为了进一步确定损伤情况，我们对样品Ｃ进行了ＥＤＳ线扫和面扫，从而分析其元素组成成分及含量，结果见图７。云梦县教育局
图７（ａ）中的红方框和黄直线分别标明了样品Ｃ的ＥＤＳ面扫和线扫区域，黄直线上的圆点代表线扫起点。面扫区域内各元素的分布及含量见图７（ｃ），从Ａｌ、Ｏ、Ｓｉ元素的分布图可以
看出Ａｌ２Ｏ３腔面被烧成一个曲面，且Ａｌ２Ｏ３层中间出现明显的空洞层，空洞层被Ｓｉ元素占据；从Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎ元素的分布图可以看出，出光腔面
图7 样品C 的EDS 分析结果
图
8 半导体激光器的长期老化失效机理
处的ＡｌＧａＩｎＡｓ量子阱材料在ＣＯＤ过程中被烧毁并挥发。从图７（ｂ）中显示的Ａｌ、Ｏ、Ｓｉ元素的线扫曲线图中可以看出，在被烧毁的出光腔面处，原先处于Ａｌ２Ｏ３腔面和芯片半导体材料之间的Ｓｉ镀膜已扩散至Ａｌ２Ｏ３层中间，但并没有蒸发消失，且厚度存在一定程度的扩散，这与面扫结果一致。以上ＥＤＳ分析结果均映证了ＨＲＴＥＭ的观察结果。
Ｓｉ层镀在腔面与有源区之间，用来缓冲有源区发出的激光对腔面材料的冲击，而器件在长期老化过程中，Ｓｉ层受到长时间的激光与热量冲击，逐渐向外扩散至Ａｌ２Ｏ３腔面层内，其厚度变厚，而且整个Ｓｉ层被Ｏ元素覆盖，说明了Ｓｉ层被氧化。腔面镀膜的厚度会影响其反射率［６］，镀膜层的反射率由它的厚度与折射率决定［７］。在长期老化过程中，Ｓｉ层变厚且被氧化，其成分由Ｓｉ变为Ｓｉ和ＳｉＯ２的混合物，导致其折射率发生变化，也就是说，镀膜层的厚度和折射率均产生波动，这引起了其反射率的变化，并最终导致腔面发生ＣＯＤ［８］。
分析以上实验结果，总结出半导体激光器的长期老化失效机理，如图８所示：激光器在恒温恒流老化过程
中被正常的工作电流驱动，有源区处的腔面镀膜被激光
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参考文献：
非常女生在线阅读作者简介：
张思雨（1994-），女，山西长治人，硕士，助理工程师。研究方向：新型微电子器件与可靠性，元器件失效分析等。
长期辐射，其性能出现退化、对腔面材料的保护作用减弱、且引入缺陷，电子空穴对在缺陷处非辐射复合，导致热量积累、出光腔面温度升高，此时器件退化，部分输出光功率转化为热量，进一步导致
腔面温度升高，而腔面温度的升高又会引入更多的缺陷，由此构成两个正反馈循环。至此，腔面温度急剧上升，性能退化的Ｓｉ镀膜已不足以保护Ａｌ２Ｏ３腔面，出光腔面被内部积累的热量烧毁，并熔融成一个凸出的曲面，腔面发生ＣＯＤ，器件失效。此外，ＣＯＤ点具有较高的腔面温度，并存在反向漏光现象。
４ 综合分析
电梯照明改用ＬＥＤ器件之后可以起到环保、节能、美观、长寿命等多方面的作用，但ＬＥＤ质量和工艺导致的失效影响了整体使用效果。ＬＥＤ可靠性与工艺和使用环境均相关，电梯井房的照明所处的条件较为苛刻，可能存在因高低温而导致的应力失效。电梯轿厢中应用的ＬＥＤ可能存在由于震动而导致的失效，震动导致的失效可能更多的会表现在灯具总体上。
ＬＥＤ的键合不良失效是其发生故障的重要因素之一，键合不良导致的失效可能会随着使用环境的高低变化而发生加剧作用。分析中给出了典型的接触不良的失
效现象，在经过高低温试验之后，完全变为开路。主要原因为键合区域没有充分形成合金，造成粘接不好。在实际工作中，伴随着发光发热的作用，键合不良的样品内键合处会加剧形成间隙，这样将造成接触电阻增大或接触不稳定。此外，芯片的粘接工艺对器件可靠性影响显著，选择合适的导热良好的散热底座材料，并优化焊接工艺，达到焊料致密、粘接良好，保障粘接可靠性。对于使用者，可以
从选型和可靠性筛选角度加以考虑，并通过系统设计、优化布局、减少应力环境等多方面进行优化改进，提高ＬＥＤ应用可靠性。
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参考文献：
作者简介：
陈海林，男，现任工业和信息化部电子第五研究所工程师，从事LED 相关的分析和应用技术开发。
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