多結(jié)級(jí)聯(lián)垂直腔面發(fā)射激光器失效分析

劉 暢 肖 垚 劉 恒 鄧國亮 苗 霈 王 俊 *

(1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610041；2.蘇州長光華芯光電技術(shù)股份有限公司，江蘇 蘇州 215163)

1 引 言

垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)作為一種重要的半導(dǎo)體激光器，在光通信[1]、3D 人臉識(shí)別[2-3]、微型原子鐘[4-5]等方面有著廣泛的應(yīng)用。而在未來主流的應(yīng)用場景自動(dòng)駕駛中，激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵傳感元件[6]，且在激光雷達(dá)測距系統(tǒng)中接收信號(hào)光強(qiáng)度越大，激光雷達(dá)測距精度越高，相對(duì)外部環(huán)境因素影響越小[7]。所以這對(duì)垂直腔面發(fā)射激光器的峰值功率以及電光轉(zhuǎn)換效率提出了更高的要求。為了提高垂直腔面發(fā)射激光器輸出光功率，1982 年，van der Ziel 和Tsang 提出了多結(jié)激光器概念[8]。多結(jié)垂直腔面發(fā)射激光器(Multi-junction VCSEL)具有電光轉(zhuǎn)換效率高、輸出光功率密度高、斜率效率高等優(yōu)點(diǎn)。2021 年，長光華芯公司報(bào)道了效率達(dá)62% 的三結(jié)VCSEL[9]。但多結(jié)VCSEL 器件輸出功率更高的特點(diǎn)也帶來了器件產(chǎn)生熱功率高的問題，這也勢必對(duì)多結(jié)VCSEL 器件壽命造成嚴(yán)重影響；同時(shí)車載使用環(huán)境(更寬的溫度及濕度工作范圍)較普通消費(fèi)電子類傳感應(yīng)用環(huán)境更為惡劣，工作功率更高、需要的壽命更長，這些都對(duì)多結(jié)VCSEL 器件可靠性提出了更高要求。目前多結(jié)VCSEL 器件失效模式在文獻(xiàn)中尚未見報(bào)道。因此，通過加速老化來研究多結(jié)VCSEL 器件的失效模式對(duì)實(shí)現(xiàn)多結(jié)VCSEL 器件商業(yè)化具有重要的意義。對(duì)于單結(jié)VCSEL 器件來說，主要失效模式有DBR 攀爬位錯(cuò)、靜電放電損傷(Electrostatic discharge，ESD)、電氣過載(Electrical overstress，EOS)、外延缺陷[10]等。在氧化限制型VCSEL 中，氧化物邊緣應(yīng)力所導(dǎo)致的半導(dǎo)體裂隙為其主要失效模式之一[11]，而與單結(jié)VCSEL 器件相比，多結(jié)VCSEL 器件同時(shí)具有多有源區(qū)和多層氧化結(jié)構(gòu)。因此，多氧化層結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生更多的應(yīng)力累積，更易在高溫高電流情況下形成失效。由于在實(shí)際生產(chǎn)中很難保證氧化孔徑尺寸的均勻性，所以氧化孔徑的形狀或尺寸的細(xì)小差異以及結(jié)構(gòu)上的缺陷將會(huì)造成不同器件之間最終的性能差異，例如激光器輸出功率以及近場模式變化等。而這種器件性能差異會(huì)在激光器正常使用過程中加劇，最后導(dǎo)致器件失效以及不同器件之間的壽命差異。因此，當(dāng)研究不同的光學(xué)性能或器件故障時(shí)，VCSEL 的詳細(xì)表征是至關(guān)重要的，并且有必要采用相關(guān)技術(shù)來表征VCSEL 并識(shí)別不同結(jié)構(gòu)層中器件之間的差異[12]。

本文通過老化壽命加速的方法，獲得了相關(guān)的失效器件，并采用L-I-V測試、正反向V-I測試、光學(xué)及紅外外觀測試、近場光斑測試等多種表征手法分析了多結(jié)VCSEL 器件失效可能的起始原因，最終通過透射電子顯微鏡(TEM)確認(rèn)了在氧化層附近已經(jīng)存在位錯(cuò)，并推測多結(jié)VCSEL 器件失效起始點(diǎn)來自于氧化層邊界處的應(yīng)力累積。這對(duì)于繼續(xù)優(yōu)化VCSEL 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及提升工藝控制能力，提高多結(jié)VCSEL 器件壽命及可靠性具有一定指導(dǎo)意義。

2 理論依據(jù)

VCSEL 器件失效曲線符合浴盆曲線，主要由三部分組成:早期失效期、隨機(jī)失效期、損耗失效期[10]。由于垂直腔面發(fā)射激光器的壽命較長，一般采用老化加速來進(jìn)行研究。老化加速模型主要有恒定應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力和序進(jìn)應(yīng)力三種[13]，加速應(yīng)力主要因素為電流應(yīng)力與溫度應(yīng)力[14-15]兩種。老化加速因子(FAF)推導(dǎo)公式[16]如下:

其中，Iacc為老化測試加速電流；Iuse為正常使用環(huán)境下驅(qū)動(dòng)電流；n為經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)“電流加速因子”，半導(dǎo)體器件通常為2～3[10]，本文中取值為2；Ea為活化能，通常為實(shí)驗(yàn)中確定，本文中取值為0.7 eV[10]；kB為Boltzmann 常數(shù)，等于8.617×10－5eV/K；Tj，use、Tj，acc分別為正常使用環(huán)境下器件結(jié)溫與加速老化時(shí)器件結(jié)溫。

由于公式(1)中需要使用器件結(jié)溫，VCSEL的器件結(jié)溫可以通過熱阻計(jì)算得到，熱阻計(jì)算公式[17]如下:

其中I為驅(qū)動(dòng)電流，Ith為激光器閾值電流，Vj為PN 結(jié)偏壓，Tj為結(jié)溫，Tamb為外部環(huán)境溫度，Rs為器件電阻，Pin為輸入電功率，Popt為激光器輸出光功率，Pdiss為熱耗散功率。

由公式(2)可以看出，可以通過兩種不同方式影響激光器內(nèi)部溫度，即改變外部環(huán)境溫度或熱耗散功率，從而導(dǎo)出光譜紅移相同的數(shù)據(jù)集(ΔT，ΔP)，而(ΔT，ΔP)可用于計(jì)算熱阻:

3 實(shí)驗(yàn)方案

本文采用的是自主設(shè)計(jì)研發(fā)的GaAs 基940 nm 三結(jié)垂直腔面發(fā)射激光器，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，具有三層氧化層及有源區(qū)結(jié)構(gòu)，氧化孔徑大小為10 μm，器件封裝形式采用COS(Chips on substrate，基板芯片)熱沉封裝，使用銀漿作為焊料。實(shí)驗(yàn)過程中，采用TEC 半導(dǎo)體制冷器對(duì)老化器件進(jìn)行控溫，保證器件老化過程中的溫度穩(wěn)定性，控溫精度±0.1 ℃。本文中老化加速條件為熱沉溫度為343 K，老化電流為12 mA 直流，當(dāng)器件光功率下降至初始值的30%視為器件已失效。老化功率監(jiān)控間隔為12 h。實(shí)驗(yàn)使用ILX lightwava LDC-3900 為驅(qū)動(dòng)電源，功率采集使用熱堆功率計(jì)(Coherent PM150)，電壓采集為KEITHLEY DMM6500 數(shù)字萬用表。器件近場分布使用NIKON:50×物鏡搭配CCD(Mightex:MCE-B013-U)拍攝。

圖1 三結(jié)級(jí)聯(lián)VCSEL 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Three-junction cascaded VCSEL structure diagram

為計(jì)算實(shí)驗(yàn)過程中器件老化加速速度，我們測試了不同溫度下器件的L-I-V曲線(具體情況如圖2 所示)及相應(yīng)溫度條件下器件的光譜，光譜測試電流為5 mA 直流，并由此計(jì)算出了老化器件溫漂系數(shù)為Δλ/ΔT＝(0.0701 ±0.0002) nm/K 以及器件熱阻與溫度的關(guān)系:Rth＝12.589Tamb－2482.3 K/W。

圖2 (a)器件在不同溫度下電壓、功率與電流的關(guān)系；(b)器件溫漂系數(shù)及熱阻與溫度的關(guān)系。Fig.2 (a)Relationship between voltage，power and current at different temperatures.(b)Temperature drift coefficient and relationship between thermal resistance and temperature.

由此，我們計(jì)算出在老化加速過程中，外部環(huán)境溫度343 K 情況下，器件結(jié)溫約在400 K；而對(duì)應(yīng)于7 mA 電流，300 K 環(huán)境溫度，內(nèi)部結(jié)溫324 K的正常使用情況下，老化加速因子約為104。而通常業(yè)界老化加速因子設(shè)置為50～200[10]，相對(duì)來說，本文實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

在上述條件下，對(duì)失效器件進(jìn)行分析，首先對(duì)VCSEL 器件老化前后在室溫連續(xù)工作時(shí)的L-I-V曲線進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖3 所示。結(jié)果顯示，相比于老化前，器件在設(shè)定電流12 mA 下輸出功率變小，降低了43.58 %；器件閾值變大，增大28.84%。閾值電流增加的原因是器件的內(nèi)損耗增加，可能來源于內(nèi)量子效率降低和非輻射復(fù)合過程中吸收的增加。光電轉(zhuǎn)換效率變小，降低37.45%；斜率效率變小，降低33.18%；器件串聯(lián)電阻基本保持不變。因此工作電壓基本保持不變，但在開啟電壓區(qū)間位置顯示出異常，因此，我們對(duì)器件測試了正反向V-I。圖3(b)為使用數(shù)字源表(KEITHLEY 2400)對(duì)器件老化前后在－5～5 V 區(qū)間測試的V-I曲線結(jié)果。結(jié)果顯示，器件在老化前后均未出現(xiàn)反向漏電流情況，但在老化后，器件開啟電壓下降，降低了1.43%，開啟電壓下降說明器件PN 結(jié)附近可能出現(xiàn)了缺陷。

圖3 器件老化前后性能對(duì)比。(a)光功率及電壓對(duì)比；(b)V-I 曲線對(duì)比。Fig.3 Comparison of device performance before and after aging.(a)Comparison of optical power and voltage.(b)Comparison of V-I curve。

隨后，我們用光學(xué)手段對(duì)器件的外觀及激光模式進(jìn)行了研究。通過光學(xué)顯微鏡確認(rèn)器件表面的情況，通過紅外相機(jī)可以聚焦到器件內(nèi)部，對(duì)器件內(nèi)部進(jìn)行成像以確認(rèn)內(nèi)部情況。因此，氧化孔徑的大小通常通過紅外相機(jī)成像進(jìn)行確認(rèn)。其中光學(xué)照片由可見光CCD(SZSS-2000，空間分辨率0.1 μm×0.1 μm)、紅外照片由紅外CCD(Mightex:MCE-B013-U，空間分辨率0.23 μm×0.23 μm)拍攝。拍攝的器件老化前后外觀的光學(xué)及紅外照片結(jié)果如圖4 所示。圖4(a)、(b)為老化前后的紅外照片，從圖中可知，老化實(shí)驗(yàn)前，器件氧化孔徑邊緣規(guī)則清晰，老化后，器件上下氧化邊界處出現(xiàn)不規(guī)則暗斑。為排除兩處暗斑是來源于器件表面的臟污，我們將光學(xué)鏡頭聚焦至器件SiN 表面，在光學(xué)照片中，未在該處位置發(fā)現(xiàn)表面臟污，證明紅外圖片中暗斑并非表面臟污成像，而是器件內(nèi)部缺陷導(dǎo)致。

圖4 器件老化前后光學(xué)及紅外成像。(a)未老化時(shí)紅外成像；(b)老化后紅外成像；(c)未老化時(shí)光學(xué)照片；(d)老化后光學(xué)照片。Fig.4 Optical and infrared imaging before and after device aging.(a)Infrared imaging before aging.(b)Infrared imaging after aging.(c)Optical photos before aging.(d)Optical photos after aging.

表1 老化前后器件各項(xiàng)參數(shù)變化Tab.1 Changes of device parameters before and after aging

同時(shí)，我們對(duì)老化前后的近場光學(xué)進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)測試了老化前后不同電流條件下的近場光斑。通常，可以通過閾值下的光斑來表征器件的氧化孔徑大小。圖5 為器件在老化前后不同電流下的近場分布情況，其中白色曲線為CCD 水平中心軸方向采樣的光強(qiáng)分布。從圖中可以明顯看出，老化前后近場光斑存在著明顯差異。首先是在閾值電流下時(shí)，老化后的近場光斑出現(xiàn)了兩處明顯的暗區(qū)，且暗區(qū)位置位于氧化孔徑的邊緣，并且上下對(duì)稱地分布，其在近場光斑上分布的位置與紅外外觀圖像中暗斑的位置相一致，而老化后的光學(xué)外觀圖顯示器件對(duì)應(yīng)位置表面無異常。因此，可以得出其老化后的器件內(nèi)部區(qū)域出現(xiàn)了缺陷而影響了器件發(fā)光。且隨著器件驅(qū)動(dòng)電流逐漸加大，在上下暗斑之間出現(xiàn)了暗線缺陷(Dark-line defects，DLD)[17]。其次是在驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流時(shí)、激光器輸出激光、輸出激光模式發(fā)生了很大改變。老化前，器件的激光模式隨著電流的增加，逐漸由近高斯分布變?yōu)楦唠A模式，這主要是由于隨著電流增加，橫模分布受到空間燒孔、熱透鏡、模式競爭等效應(yīng)的影響。而老化后的器件其激光模式分布由老化前中心對(duì)稱的高階模式分布變?yōu)檩S對(duì)稱高階模式分布，這與閾值下近場光斑上下對(duì)稱分布的暗斑有關(guān)，器件內(nèi)部對(duì)稱的缺陷破環(huán)了增益的徑向?qū)ΨQ性，從而使得激光模式變化。

圖5 器件在老化前后不同電流下的近場分布情況Fig.5 Near field distribution of devices under different currents before and after aging

而對(duì)于激射波長的近場分布，同時(shí)受到上下DBR 的諧振反射的調(diào)制，因此其暗斑分布位置并不能反映實(shí)際缺陷位置。量子阱具有較寬的增益譜線，通常的GaAs 基DBR 高反射帶寬在100 nm左右，因此，利用低反射帶內(nèi)的熒光波長的發(fā)光情況來表征實(shí)際量子阱的載流子分布及發(fā)光情況，這也是通常VCSEL 失效分析中常用的有源區(qū)分析方法[8]。我們通過使用860 nm 窄帶通濾光片(半帶寬10 nm，對(duì)通帶外的波長提供大于30 dB的抑制)來觀察器件不同電流下的近場分布。由于860 nm 位于940 nm VCSEL 器件上反射鏡(PDBR)高反帶外，此時(shí)反射率小于40%，因此我們可以消除由于940 nm 波段光線在器件內(nèi)部來回反射造成的“橫向傳播”現(xiàn)象[17]，進(jìn)而可以精確定位器件失效位置。如圖6 所示，相較于無濾光片情況，860 nm 帶通濾光片下近場光強(qiáng)更弱，隨著電流的增加，其發(fā)光強(qiáng)度增加，但同樣也出現(xiàn)了兩處明顯的暗區(qū)，暗區(qū)位置位于氧化孔徑的邊緣且暗區(qū)范圍更小。由于在氧化限制VCSEL 中，反射鏡由低鋁AlxGa1－xAs 和高鋁AlxGa1－xAs 堆疊而成。通常低鋁層的x＝0.05，而高鋁層的x＝0.9，且反射鏡厚度大，堆疊結(jié)構(gòu)多，在DBR 靠近氧化孔徑邊緣處累積應(yīng)力很高。同時(shí)由于本文研究的器件為三結(jié)級(jí)聯(lián)VCSEL，具有三層氧化結(jié)構(gòu)，所以在最上層氧化邊界處應(yīng)力累積最大，易在高溫高電流情況下，產(chǎn)生缺陷，并形成位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。

圖6 器件在860 nm 帶通濾光片下老化前后不同電流下的近場分布情況Fig.6 The near-field distribution of the device under different currents before and after aging under the 860 nm bandpass filter

因此，結(jié)合上述結(jié)果，我們認(rèn)為，紅外和近場光斑均顯示缺陷出現(xiàn)在氧化層邊緣，結(jié)合本文研究的器件為多氧化層的多結(jié)VCSEL 器件，可能產(chǎn)生缺陷的原因是由于氧化層邊緣的應(yīng)力累積產(chǎn)生缺陷裂痕，并在器件內(nèi)部的高溫梯度下，位錯(cuò)生長攀爬，進(jìn)而產(chǎn)生較大范圍的缺陷，最終造成功率下降，閾值上模式出現(xiàn)變化，器件失效。為了進(jìn)一步研究并確認(rèn)近場光斑及紅外圖像發(fā)現(xiàn)的暗點(diǎn)的來源，我們使用TEM 進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析。相對(duì)于SEM 來說，TEM 分辨率更高，更易觀察到失效位錯(cuò)[18]。首先，根據(jù)前述的帶通860 nm 濾光片的近場圖像暗斑及紅外圖像暗點(diǎn)的結(jié)果，確定了TEM 制樣的精確位置。我們使用聚焦離子束(Focused ion beam，F(xiàn)IB)進(jìn)行豎切，對(duì)近場光學(xué)暗斑位置處進(jìn)行截面制樣，制樣尺寸為長度10 μm、寬度20 μm、厚度150 nm，樣品橫切寬度覆蓋近場中上下兩個(gè)失效區(qū)。如圖7(b)所示，圖中黑框區(qū)域即為近場光學(xué)暗斑處所對(duì)應(yīng)位置，使用FEI Talos F200X TEM 電鏡并選擇高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADFSTEM)模式進(jìn)行拍攝。其結(jié)果如圖7 所示，其中圖7(b)為樣品全視圖，圖7(a)、(c)分別為左右氧化孔徑邊界位置處的放大圖。從圖7(a)中可以看出，在左方氧化孔徑邊界處上方P-DBR 存在沿水平方向位于AlGaAs/GaAs 界面處的位錯(cuò)痕，且該位錯(cuò)有生長攀爬跡象；而在圖7(c)中位于右方氧化孔徑邊界處上方P-DBR 位于GaAs 層處同樣有位錯(cuò)痕且能觀察到其分裂延伸現(xiàn)象，這印證了紅外暗斑和近場模式的變化是由該處的缺陷形成所導(dǎo)致的。

圖7 失效位置TEM 截面圖。(a)左側(cè)氧化邊界處放大圖；(b)樣品界面全視圖；(c)右側(cè)氧化邊界處放大圖。Fig.7 TEM cross-sectional view of failure location.(a)Enlarged image of the oxidation boundary on the left.(b)Full view of the sample interface .(c)Enlarged image of the oxidation boundary on the right.

5 結(jié) 論

本文通過多種表征手段研究了多結(jié)VCSEL器件失效原因。我們測量了實(shí)驗(yàn)器件熱阻、確定老化實(shí)驗(yàn)加速速度并設(shè)計(jì)相關(guān)老化實(shí)驗(yàn)老化參數(shù)。通過老化實(shí)驗(yàn)可以看出，老化后器件閾值電流增加，輸出光功率、斜率效率、電光轉(zhuǎn)換效率及開啟電壓下降。再對(duì)比了老化前后器件的光學(xué)、紅外以及近場光斑圖片后，發(fā)現(xiàn)器件在氧化孔徑邊緣處存在缺陷，并且由于缺陷存在，激光模式分布由老化前的徑向?qū)ΨQ的高階模式分布變?yōu)檩S對(duì)稱高階模式分布。對(duì)失效位置制備TEM 樣品并觀測，我們發(fā)現(xiàn)位于左右氧化孔徑邊界上方P-DBR 處存在位錯(cuò)，驗(yàn)證了多結(jié)VCSEL 器件紅外暗斑和近場模式的變化是由該處的缺陷形成所導(dǎo)致的。結(jié)合位錯(cuò)位置位于氧化孔徑邊界處上方，推測多結(jié)VCSEL 器件可能產(chǎn)生缺陷的原因是由于氧化層邊緣的應(yīng)力持續(xù)累積，形成缺陷，并在器件內(nèi)部的高溫梯度下，位錯(cuò)生長攀爬，進(jìn)而產(chǎn)生較大范圍的裂痕，最終造成器件失效。這對(duì)繼續(xù)優(yōu)化VCSEL 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及提升工藝控制能力、提高多結(jié)VCSEL 器件壽命及可靠性具有一定指導(dǎo)意義。

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