張玉岐，闞 強(qiáng)，趙 佳

（1. 山東大學(xué) 激光與紅外系統(tǒng)集成技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266237；2. 廈門市三安集成電路有限公司, 福建 廈門 361000；3. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所, 北京 100083；4. 山東大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266237）

1 引 言

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)具有成本低、效率高、閾值低、功耗低、光束質(zhì)量高和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)通信、消費(fèi)電子、激光傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-3]。然而，VCSEL 是一種靜電敏感型器件，它的一個(gè)主要的失效原因是由靜電放電(ESD) 引起的。尤其對(duì)于氧化型VCSEL 來說，影響更為嚴(yán)重，這是由于其有源區(qū)面積和氧化孔徑較小，以及氧化層易產(chǎn)生缺陷和應(yīng)力等[4]。ESD 事件可能發(fā)生在VCSEL 生產(chǎn)流程的任何環(huán)節(jié)：晶圓(wafer)制造和加工、器件測(cè)試、封裝、安裝和客戶操作等[5-6]，ESD 會(huì)對(duì)器件造成突發(fā)的失效或者潛在的損傷，而潛在的損傷占90% 左右，即器件受到ESD 的損傷后不會(huì)立即失效，可能會(huì)繼續(xù)工作，并且無法及時(shí)通過檢測(cè)排查出，但是長期使用過程中會(huì)顯著縮短器件的工作壽命，而一旦失效，需要花費(fèi)大量的人工和費(fèi)用來確認(rèn)根本原因并且很難定位，從而導(dǎo)致一些未知原因的可靠性問題[7-8]。

對(duì)VCSEL 的失效分析手段有很多，主要包括正向光功率-電流-電壓(L-I-V)測(cè)試，反向電流-電壓(I-V)測(cè)試，電致發(fā)光(EL)，微光顯微鏡(EMMI)，電子束感生電流(EBIC)，光感生電流(OBIC)，掃描電子顯微鏡 (SEM) 和透射電子顯微鏡(TEM)等[8-10]，不同方法有不同的使用場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)，而對(duì)于ESD 引起的失效，反向I-V 和TEM 是相對(duì)有效的手段[11-13]。ESD 引起的損傷會(huì)導(dǎo)致反向漏電增大和出現(xiàn)“soft knee”的明顯特征，但是反向I-V 不能證明ESD 就是失效的真正原因[14]。確定失效的根本原因最直接有效的手段就是TEM，包括平面TEM (PV-TEM)和橫截面TEM (XS-TEM)兩種方式，通過TEM 可以觀察到損傷的特征、大小和位置等信息[15]。但是TEM 分析的缺點(diǎn)是非常昂貴和費(fèi)時(shí)[16]。目前，國外VCSEL 公司和研究機(jī)構(gòu)有對(duì)某部分ESD 模式或者針對(duì)某些光電特性和TEM 失效特征等方面的研究[6,9-12,15]，但缺少關(guān)于不同ESD 模式及不同ESD 電壓極性對(duì)L-IV 性能測(cè)試的系統(tǒng)完整的分析，以及EMMI 測(cè)試和TEM（包括PV-TEM 和XS-TEM）失效特征的研究，而國內(nèi)更是鮮有該方面的研究報(bào)道。例如，Agilent 公司只對(duì)人體模式(HBM)和機(jī)器模式(MM)兩種模式對(duì)應(yīng)的光電特性進(jìn)行了研究，且缺少完整的對(duì)缺陷進(jìn)行有效表征的PV-TEM 和XSTEM 圖像結(jié)果[6,11]；國立陽明交通大學(xué)HSU 等人主要采用OBIC 方法對(duì)HBM 和MM 兩種模式的失效特性進(jìn)行研究，缺少其他分析手段的聯(lián)系[9]；卡利亞里大學(xué)Vanzi 等人對(duì)850 nm VCSEL 進(jìn)行了正向和反向HBM、MM、元件充電模式(CDM)和過度電應(yīng)力(EOS)4 種模式的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)各種損傷不易與測(cè)量的電光退化相關(guān)聯(lián)，需要通過電子顯微鏡和設(shè)備建模來詳細(xì)解釋觀察到的物理機(jī)制，但只給出了反向HBM 和正向電流沖擊的TEM 結(jié)果[10]。Mathes 等人對(duì)不同ESD 模式下的反向I-V、EL 和TEM 特性進(jìn)行了報(bào)道，但是缺少VCSEL 性能測(cè)試中常見的L-I-V 測(cè)試的失效特性關(guān)聯(lián)分析[12,15]。

本文以25 Gb/s 高速率氧化型VCSEL 為研究對(duì)象，人為施加不同模式的ESD 和過度電應(yīng)力(EOS)沖擊。ESD 沖擊包括3 種典型的模式：HBM、MM 和CDM。EOS 為長時(shí)間大電流的沖擊。其中以HBM 為例，研究了正向、反向和正反向3 種不同極性電壓沖擊的特性，然后分別采用正向L-I-V 測(cè)試、反向I-V 測(cè)試、EMMI 和TEM等常規(guī)且有效的分析手段進(jìn)行表征，進(jìn)一步建立不同ESD 模式和VCSEL 的光電特性及缺陷性質(zhì)等失效特征的內(nèi)在聯(lián)系以及機(jī)理解釋，給VCSEL 從業(yè)人員提供一個(gè)失效分析案例庫，從而可以更加快速有效地確認(rèn)失效是否為ESD 相關(guān)的故障模式，并能有針對(duì)性地進(jìn)行原因排查和改善提升，具有重要的學(xué)術(shù)意義和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本文選用的氧化型VCSEL 為商業(yè)化應(yīng)用的25 Gb/s 高速通信芯片，正負(fù)電極為同面電極結(jié)構(gòu)，采用InGaAs/GaAs 作為有源區(qū)材料，激射波長為850 nm，氧化層位于P-DBR 側(cè)，厚度為20 nm，采用臺(tái)面濕法氧化工藝完成，氧化后的孔徑直徑中心值為8 μm，將其封裝到金屬管座(TO)上進(jìn)行后續(xù)的測(cè)試。試驗(yàn)采用的樣品均來自于同一片晶圓，選取的樣本量遵循光通信行業(yè)的光電器件通用可靠性保證標(biāo)準(zhǔn)Telcordia GR-468 Issue2，每組實(shí)驗(yàn)樣本量為6 顆。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

采用MK.1TE 型號(hào)ESD 設(shè)備對(duì)VCSEL 進(jìn)行HBM 和MM 的沖擊，采用ORION3 型號(hào)設(shè)備進(jìn)行CDM 試驗(yàn)，沖擊標(biāo)準(zhǔn)遵照M IL-STD-883D標(biāo)準(zhǔn)。具體的電路模型及產(chǎn)生的脈沖電流隨著時(shí)間變化的波形如圖1 所示。HBM 是模擬人體和器件接觸時(shí)產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移過程，電路模型如圖1(a)所示，電路中包括1 個(gè)100 pF 的電容和1 500 Ω 的電阻，模擬了人體典型的存儲(chǔ)電荷和電阻，它是VCSEL 最為常見的一種失效模式。MM 模擬機(jī)器和器件接觸時(shí)的電荷放電情況，靜電能量來自一個(gè)機(jī)器，電路中沒有電阻，電容大小為200 pF，它的電路模型如圖1(b) 所示。CDM模擬器件本身由于某種原因帶有靜電，在接觸其他物體時(shí)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，電路模型圖如圖1(c)所示。3 種ESD 模式的電流隨時(shí)間變化曲線如圖1(d) 所示，可見，HBM 與其他模型相比靜電放電脈沖速度慢、強(qiáng)度低；而MM 放電電流比HBM 大，放電時(shí)間短，產(chǎn)生一個(gè)中等長度、中等振幅的脈沖；CDM 是一個(gè)振幅非常短且高的脈沖，CDM 放電周期約為1 ns，而HBM 放電周期為微妙級(jí)別。

圖1 典型的ESD 測(cè)試電路模型。（a）HBM；（b）MM；（c）CDM 及相應(yīng)的（d）電流波形Fig. 1 Typical test circuit models of an ESD. (a) HBM; (b) MM; (c) CDM and (d) corresponding current waveforms

對(duì)于HBM 和MM 的測(cè)試步進(jìn)采用10 V（正向HBM 為100 V 步進(jìn)），CDM 的步進(jìn)采用200 V。每個(gè)步進(jìn)電壓下對(duì)器件連續(xù)打擊3 次，打擊間隔為1 s；對(duì)于EOS 測(cè)試，對(duì)VCSEL 進(jìn)行45 mA 直流下0～960 s 不同時(shí)長的沖擊。每次沖擊后進(jìn)行L-I-V 測(cè)試，與沖擊前的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)閾值或者定電流下出光功率變化量超過10%，則認(rèn)為器件失效，終止ESD 測(cè)試。芯片失效后，對(duì)每種ESD 模式損傷的芯片分別進(jìn)行EMMI 定位和TEM 觀察。

3 結(jié)果與討論

3.1 HBM 模式損傷的特征

(1) 正向HBM

正向HBM 沖擊前后的L-I-V 曲線對(duì)比圖如圖2(a)(彩圖見期刊電子版)所示。當(dāng)正向電壓為600 V 時(shí)，功率衰減8.8%，隨著步進(jìn)電壓的增加，當(dāng)正向電壓為700 V 時(shí)，功率下降17.1%，閾值增大3%左右，但是這個(gè)過程中電壓基本沒有發(fā)生變化，在高電流時(shí)（＞10 mA）電壓會(huì)有些許下降。圖2(a)中插圖為正向HBM 700 V 下的EMMI 圖像，其沒有明顯的漏電點(diǎn)，反向I-V 測(cè)試在-10 V 下漏電約為0.3 nA，與沖擊前-10 V 下的漏電0.2 nA 基本沒有發(fā)生變化，這表明PN 結(jié)沒有受到損傷。圖2(b)(彩圖見期刊電子版)和圖2(c)(彩圖見期刊電子版)為經(jīng)過正向HBM 700 V 沖擊后失效樣品的PV-TEM 和XS-TEM 照片，其中XS-TEM 為圖2(b)中的白色虛框位置，圖2(c)中的插圖為未經(jīng)過ESD 沖擊的樣品XS-TEM 對(duì)比圖片?？梢钥闯?，受到ESD 損傷后在氧化層邊緣出現(xiàn)位錯(cuò)，而氧化尖端由于具有較大的應(yīng)力而成為位錯(cuò)的源頭[17]，造成出光功率衰減，高電流下的電壓下降是由于氧化孔邊緣受損對(duì)高電流的局限作用減弱。但位錯(cuò)并未傳播到有源區(qū)內(nèi)，不會(huì)對(duì)有源區(qū)活性層造成足夠的損傷，因此在反向I-V 測(cè)試和EMMI 測(cè)試沒有表現(xiàn)出明顯的退化，盡管后續(xù)操作可能會(huì)擴(kuò)展活性層中的位錯(cuò)(即通過陣列的生長)并導(dǎo)致早期失效。

圖2 （a）正向HBM 模式?jīng)_擊前后L-I-V 曲線對(duì)比（插圖為700 V 沖擊電壓下對(duì)應(yīng)的EMMI 圖像）；（b）正向HBM 700 V 沖擊后失效樣品的PV-TEM（插圖為白色虛框部分的放大圖）和（c）XS-TEM（插圖為未經(jīng)ESD 沖擊樣品的氧化層尖端附近的XS-TEM）Fig. 2 (a) Comparison of L-I-V curve before and after forward HBM shock. Inset is an EMMI image under 700 V impulse voltage. (b) PV-TEM, the insert is an enlarged view of the white dotted part and (c) XSTEM after forward HBM shock under 700 V impulse voltage, the insert is XS-TEM near the oxide tip of sample without an ESD shock

(2) 反向HBM 模式

圖3(a)(彩圖見期刊電子版)為反向HBM沖擊前后的L-I-V 曲線，可見，當(dāng)沖擊電壓為170 V 時(shí)，L-I-V 曲線與初始測(cè)試曲線基本重合，而當(dāng)沖擊電壓為180 V 時(shí)，VCSEL 功率曲線快速衰退，但是正向I-V 曲線沒有發(fā)生明顯的變化。插圖中的EMMI 結(jié)果顯示光窗邊緣有明顯的漏電點(diǎn)，反向I-V 測(cè)試時(shí)漏電明顯增大，-10 V 下漏電約為50 μA，這些結(jié)果表明器件的二極管性能有所退化。圖3(b)和3(c)是反向HBM 180V 損傷電壓下的PV-TEM 和XS-TEM 照片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與正向HBM 事件相比，反向HBM 事件的損傷閾值不但大大降低，而且出光功率快速衰退，缺陷密度也顯著增高。由PV-TEM 的結(jié)果可以看出，在對(duì)應(yīng)EMMI 亮點(diǎn)位置出現(xiàn)了明顯的擊穿缺陷特征，其出現(xiàn)在靠近氧化層的光窗內(nèi)部，由XS-TEM結(jié)果可以看到擊穿位錯(cuò)從氧化層向上下DBR 傳播，并且在DBR 中高鎵元素層發(fā)生較為明顯的缺陷，而一旦傳播到有源區(qū)內(nèi)，就會(huì)形成大量的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，有源區(qū)量子阱已經(jīng)融合在一起，并易于向發(fā)光區(qū)域擴(kuò)展，這和有源區(qū)的大量輻射復(fù)合效應(yīng)增強(qiáng)了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)[18]，進(jìn)而導(dǎo)致芯片的快速失效。

圖3 （a）反向HBM 模式?jīng)_擊前后L-I-V 曲線對(duì)比，插圖為180 V 沖擊電壓對(duì)應(yīng)的EMMI 圖像；反向HBM 180 V 沖擊電壓下的（b）PV-TEM 和（c）XS-TEM 結(jié)果Fig. 3 (a) Comparison of L-I-V curve before and after reverse HBM shock. The insert is an EMMI image under 180 V impulse voltage. (b) PV-TEM and(c) XS-TEM after reverse HBM shock under 180 V impulse voltage

(3) 正/反向HBM

正向和反向HBM 沖擊前后的L-I-V 曲線如圖4(a)(彩圖見期刊電子版)所示，與只有反向極性的HBM 模式?jīng)_擊失效特征相似，當(dāng)沖擊電壓為150 V 時(shí)，L-I-V 曲線沒有任何變化，而當(dāng)沖擊電壓為160 V 時(shí)，VCSEL 的閾值增加，功率突然降低，電壓在低電流下變化較小（＜10 mA），在高電流時(shí)（＞10 mA）電壓會(huì)有小幅度增加。EMMI測(cè)試發(fā)現(xiàn)光窗邊緣有明顯的漏電點(diǎn)，-10 V 下漏電約為0.2 μA。圖4(b)和4(c) 為經(jīng)過±160 V 沖擊后的PV-TEM 和XS-TEM 照片，從PV-TEM圖像可以看出擊穿位置和EMMI 漏電點(diǎn)相吻合，同反向HBM 損傷特征一致，位錯(cuò)缺陷出現(xiàn)在靠近氧化層的光窗內(nèi)部，并且大小為微米量級(jí)，而由XS-TEM 可以看到氧化層和其下方的有源區(qū)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，有源區(qū)發(fā)生部分融合，而且DBR層中含高鎵成分的也出現(xiàn)明顯的損傷現(xiàn)象，推測(cè)部分原因是含鎵層有較低的熔化溫度和較低的帶隙寬度而產(chǎn)生更大的光能量吸收[15]。器件內(nèi)的缺陷捕獲了載流子，造成正向電壓增加現(xiàn)象。

圖4 （a）正/反向HBM 模式?jīng)_擊前后L-I-V 曲線對(duì)比，插圖為160 V 沖擊電壓對(duì)應(yīng)的EMMI 圖像；正反向HBM 160 V 沖擊電壓下（b）PV-TEM 和（c）XS-TEM結(jié)果Fig. 4 (a) Comparison of L-I-V curve before and after forward/reverse HBM shock. The insert is an EMMI image under 160 V impulse voltage. (b) PV-TEM and (c) XS-TEM after forward/reverse HBM shock under an 160 V impulse voltage

3.2 MM 損傷的特征

圖5(a)(彩圖見期刊電子版)給出了經(jīng)過MM沖擊前后的L-I-V 曲線，當(dāng)電壓為50 V 時(shí)，閾值顯著增加（由原始的0.4 mA 增加到1.2 mA）、出光功率顯著降低（6 mA 下的功率由2.81 mW 降低到1.19 mW）并在高電流下出現(xiàn)抖動(dòng)，正向電壓變大。EMMI 在氧化光窗邊緣出現(xiàn)多個(gè)亮點(diǎn)，反向電壓-10 V 下漏電結(jié)果約為50 μA，這些結(jié)果表明芯片的PN 節(jié)發(fā)生了永久性損傷。TEM 結(jié)果如圖5(b) 和5(c) 所示，從PV-TEM 結(jié)果可以看出，與反向HBM 模式的損傷點(diǎn)不同，缺陷出現(xiàn)在氧化孔邊緣兩側(cè)的位置，直徑在數(shù)百納米量級(jí)。另外，氧化孔徑周圍出現(xiàn)一些暗點(diǎn)缺陷，發(fā)生了部分氧化層介質(zhì)擊穿現(xiàn)象。從XS-TEM 結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，氧化層尖端出現(xiàn)了大量缺陷，并向下傳播到DBR 和量子阱區(qū)域，這與明顯的漏電電流增加結(jié)果一致，同時(shí)缺陷捕獲了載流子，等效電阻增加、正向電壓增加。上述結(jié)果進(jìn)一步表明，位錯(cuò)缺陷主要也發(fā)生在附近的其他含高鎵層中。

圖5 （a）MM 模式?jīng)_擊前后L-I-V 曲線對(duì)比，插圖為損傷電壓對(duì)應(yīng)的EMMI 圖像以及相應(yīng)的（b）PV-TEM 和（c）XS-TEMFig. 5 (a) Comparison of L-I-V curve before and after MM shock. The insert is an EMMI image under a damaging impulse voltage. (b) PV-TEM and (c) XSTEM after MM shock

3.3 CDM 損傷的特征

在ESD 事件中，CDM 脈沖的強(qiáng)度最高，持續(xù)時(shí)間最短。由于脈沖速度快，通常VCSEL 的絕緣部分(如氧化層) 將變得導(dǎo)電，氧化物VCSEL CDM 事件很容易導(dǎo)致介電擊穿[19]。如圖6(a)(彩圖見期刊電子版) 所示，經(jīng)過2 000 V CDM 沖擊后的樣品L-I-V 特性變化較小，只是高電流下功率出現(xiàn)輕微的衰減，正向電壓小幅度降低。同時(shí)EMMI 測(cè)試沒有發(fā)現(xiàn)亮點(diǎn)，反向I-V 測(cè)試在-10 V 下電流約為1 nA，這表明器件內(nèi)部PN 結(jié)可能沒有出現(xiàn)損傷。對(duì)CDM 2 000 V 沖擊后的VCSEL 進(jìn)行TEM 觀察，如圖6(b)(彩圖見期刊電子版) 和6(c) 所示，與上述HBM 和MM 的失效特征不同，氧化孔光窗區(qū)域、氧化孔邊緣和量子阱區(qū)域都沒有出現(xiàn)明顯缺陷，即器件正常的出光和電流通道無缺陷，因此出光功率、閾值和反向漏電基本沒有發(fā)生變化，但是在氧化層周圍出現(xiàn)很多暗點(diǎn)缺陷，呈現(xiàn)環(huán)狀分布，這可能和芯片的上電極有關(guān)。對(duì)其中的暗點(diǎn)缺陷進(jìn)行剖面分析，如圖6(c)所示，可以看到氧化層上下出現(xiàn)介質(zhì)擊穿破壞，可能由于局部融化和凝結(jié)導(dǎo)致的。而氧化層的介質(zhì)擊穿，導(dǎo)致氧化絕緣層對(duì)電流的限制作用減弱，即表現(xiàn)為正向電壓下降。

圖6 （a）CDM 模式?jīng)_擊前后L-I-V 曲線對(duì)比，插圖為損傷電壓對(duì)應(yīng)的EMMI 圖像以及相應(yīng)的（b）PVTEM 和（c）XS-TEM 結(jié)果Fig. 6 (a) Comparison of L-I-V curve before and after CDM shock. The insert is an EMMI image under a 2 000 V impulse voltage; (b) PV-TEM and (c) XSTEM after CDM shock

3.4 EOS 模式損傷的特征

EOS 是大電流長時(shí)間的過程，通常是由于設(shè)備或者電源過流引起，會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生永久性的損傷，較強(qiáng)的EOS 導(dǎo)致的失效可以通過光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)，而相對(duì)較弱的EOS 事件需要類似ESD 事件的分析手段。下圖7(a)(彩圖見期刊電子版)為加電45 mA，不同時(shí)間下的L-I-V 曲線，可見，加電300 s 后閾值和功率明顯減弱，繼續(xù)增加供電時(shí)間，器件特性持續(xù)惡化，表現(xiàn)為閾值增加、功率下降和正向電壓下降，960 s 后對(duì)器件進(jìn)行反向漏電測(cè)試，-10 V 下漏電約為11 μA，但是EMMI圖像沒有發(fā)現(xiàn)集中的漏電點(diǎn)。圖7(b) 和7(c)為45 mA 加電960 s 后的TEM 圖像，從PV-TEM 圖像可以看到，在氧化層邊緣出現(xiàn)一些暗點(diǎn)缺陷，與正向HBM 沖擊后的特征相似，也是由于焦耳熱導(dǎo)致的過量熱應(yīng)力有關(guān)。圖中沒有集中的位錯(cuò)纏結(jié)出現(xiàn)，這與EMMI 圖像表現(xiàn)為無明顯的集中漏電亮點(diǎn)現(xiàn)象一致，但是很多分散的缺陷會(huì)引起漏電通道的增加。圖7(c) 中XS-TEM 在量子阱區(qū)域沒有發(fā)生融合現(xiàn)象，而經(jīng)過大電流長時(shí)間的應(yīng)力驅(qū)動(dòng)，在氧化層附近出現(xiàn)很多Burn-out 缺陷，這和Ga、As 原子遷移形成的點(diǎn)缺陷有關(guān)，而且應(yīng)力釋放導(dǎo)致半導(dǎo)體和氧化介質(zhì)層的晶格失配更加顯著，從而導(dǎo)致了分層。

圖7 （a）EOS 模式?jīng)_擊前后L-I-V 曲線對(duì)比，插圖為45 mA 960 s 對(duì)應(yīng)的EMMI 圖像以及相應(yīng)的（b）PV-TEM 和（c）XS-TEM，插圖為局部放大圖Fig. 7 (a) Comparison of L-I-V curve before and after EOS shock. The inset is an EMMI image under a 45 mA 960 s surge; (b) PV-TEM and (c) XS-TEM after EOS shock under a 45 mA 960 s surge. The inserts are partial enlarged views.

3.5 結(jié)果匯總比較及分析

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將不同ESD 模式的損傷閾值和失效特性、TEM 失效特征及其機(jī)理匯總在表1 中?？梢钥闯?，VCSEL 在不同ESD 模式和不同極性電壓沖擊下對(duì)應(yīng)的器件損傷閾值、光電特性和TEM 結(jié)果明顯不同。其中光電特性是器件的一種外在表現(xiàn)，由內(nèi)在的缺陷性質(zhì)決定，在上述各個(gè)小節(jié)中已經(jīng)分別進(jìn)行了闡述和分析，所以此部分對(duì)不同ESD 模式對(duì)應(yīng)的損傷閾值和TEM 結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

表1 氧化型VCSEL 中不同ESD 模式的失效特征匯總Tab.1 Summary of failure characteristics corresponding to different ESD models in oxide VCSELs

(1) 損傷閾值

ESD 損傷水平取決于VCSEL 的幾個(gè)設(shè)計(jì)方面，包括發(fā)射直徑、熱阻抗和電阻抗、有源區(qū)類型、反向擊穿電壓、氧化層的厚度和位置等。從3 種模式來看，VCSEL 的CDM 損傷閾值最高，在CDM 脈沖達(dá)到設(shè)備極限值2 000 V 時(shí)仍未失效，這可能歸因于功率耗散[16,19]。雖然VCSEL 對(duì)CDM 造成的短脈寬損傷不是特別敏感，但在較低的電壓水平下，較長的脈沖（MM 和HBM）會(huì)導(dǎo)致故障，MM 具有最低的破壞閾值，HBM 次之。這表明VCSEL 容易遭受這兩種類型的ESD 損傷，這和VCSEL 的氧化層性質(zhì)有關(guān)，詳見下述TEM失效特征分析。

從不同極性的電壓沖擊結(jié)果來看，以HBM為例，不同極性電壓沖擊也有不同的結(jié)果，其中正向HBM 損傷閾值最大，而且和反向HBM 相差很多，反向極性的ESD 沖擊具有較大的破壞性，正反向同時(shí)沖擊具有最低的閾值。這是由于對(duì)于正向ESD，焦耳熱（歐姆熱）是導(dǎo)致退化的主要因素。而在反向偏壓下，來自電流/電壓的加熱較低，反向電流大約比正向電流小4 個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，通過隧道機(jī)制的雪崩擊穿可能是反向ESD失效的原因[20-22]，導(dǎo)致VCSEL 具有更低的反向偏壓損壞閾值和更明顯的失效缺陷[15,23]。正反向ESD 沖擊具有最低閾值的原因可能和熱耗散的積累效應(yīng)有關(guān)[20-22]。

(2) TEM 失效特征

從表1 可以看出，不同ESD 模式?jīng)_擊后都會(huì)有個(gè)共同特征，就是氧化層都會(huì)伴隨有位錯(cuò)等缺陷的產(chǎn)生，尤其是氧化尖端出現(xiàn)損傷，而非只有量子阱區(qū)域內(nèi)有缺陷，這也是能夠區(qū)分ESD 故障和其它故障機(jī)制的特有性質(zhì)。另外，通過橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，氧化型VCSEL 在不同ESD 模式下會(huì)表現(xiàn)出不同的TEM 失效特征，這也為精確判斷具體是何種ESD 失效模式提供一種重要的方法。

不同失效特征的產(chǎn)生機(jī)理和ESD 沖擊波形及器件結(jié)構(gòu)有關(guān)。VCSEL 的氧化層絕緣層區(qū)域可等效為一個(gè)阻抗，對(duì)于不同的ESD 模式脈沖波形，會(huì)表現(xiàn)出阻抗的電容性或者電阻性行為，損傷發(fā)生的位置和類型等性質(zhì)強(qiáng)烈依賴于ESD 的脈沖速度[19,24]。從圖1 的3 種ESD 模式的電流波形可以知道：HBM 為持續(xù)時(shí)間長的小直流，氧化層相當(dāng)于電阻特性，電流無法通過氧化層區(qū)域，因此會(huì)在氧化孔徑邊緣或者內(nèi)部形成損傷；MM 等效為低頻交流，氧化層等效為部分電阻部分電容特性，所以沖擊可以部分穿過氧化層，在氧化孔的邊緣和附近的氧化層兩側(cè)形成損傷；CDM 等效為高頻交流，氧化層等效為阻抗的電容性行為，脈沖絕大部分穿過氧化層并在那里形成損傷，在氧化層產(chǎn)生介質(zhì)擊穿，損傷閾值隨氧化層厚度的增大而增大；EOS 為長時(shí)間大電流，產(chǎn)生的過大熱應(yīng)力是缺陷產(chǎn)生的主要原因，會(huì)直接穿過并損傷氧化孔徑區(qū)域，同時(shí)可能伴隨氧化孔徑表面融化、孔洞。

4 結(jié) 論

為了建立不同ESD 模式和失效特征的聯(lián)系，本文對(duì)25 Gb/s 氧化型VCSEL 進(jìn)行了不同ESD模式和EOS 沖擊，通過正向L-I-V 測(cè)試、反向I-V 測(cè)試、EMMI 和TEM 觀察等手段進(jìn)行表征，對(duì)產(chǎn)生的失效特性及其機(jī)理進(jìn)行了研究分析。發(fā)現(xiàn)了和ESD 故障相關(guān)聯(lián)的特征及內(nèi)在機(jī)制，包括反向偏壓下漏電流增加，出光功率退化、閾值增加，正向電壓變化等，在有大量擊穿位錯(cuò)的現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，反向EMMI 測(cè)試會(huì)出現(xiàn)亮點(diǎn)，其中TEM 作為判斷ESD 失效類型最為有效的分析方式，結(jié)果顯示在氧化層附近和有源區(qū)出現(xiàn)大量位錯(cuò)，并且不同ESD 模式和不同脈沖極性作用下VCSEL 表現(xiàn)出截然不同的損傷閾值、器件特性和缺陷特點(diǎn)，這些結(jié)果可以用來區(qū)分ESD 故障和其他故障機(jī)制，能夠?yàn)閂CSEL 研發(fā)、制造和使用人員提供一個(gè)失效案例庫，當(dāng)器件出現(xiàn)失效后，可以準(zhǔn)確地識(shí)別出是否為ESD 事件，以及具體是何種ESD模式，因此可以快速有效地挖掘到問題的成因并進(jìn)行相應(yīng)的改善，具有重要的參考和指導(dǎo)意義。