多結級聯垂直腔面發射激光器失效分析

劉 暢 肖 垚 劉 恒 鄧國亮 苗 霈 王 俊 *

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

1 引 言

垂直腔面發射激光器(Vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)作為一種重要的半導體激光器，在光通信[1]、3D 人臉識別[2-3]、微型原子鐘[4-5]等方面有著廣泛的應用。而在未來主流的應用場景自動駕駛中，激光雷達是實現自動駕駛的關鍵傳感元件[6]，且在激光雷達測距系統中接收信號光強度越大，激光雷達測距精度越高，相對外部環境因素影響越小[7]。所以這對垂直腔面發射激光器的峰值功率以及電光轉換效率提出了更高的要求。為了提高垂直腔面發射激光器輸出光功率，1982 年，van der Ziel 和Tsang 提出了多結激光器概念[8]。多結垂直腔面發射激光器(Multi-junction VCSEL)具有電光轉換效率高、輸出光功率密度高、斜率效率高等優點。2021 年，長光華芯公司報道了效率達62% 的三結VCSEL[9]。但多結VCSEL 器件輸出功率更高的特點也帶來了器件產生熱功率高的問題，這也勢必對多結VCSEL 器件壽命造成嚴重影響；同時車載使用環境(更寬的溫度及濕度工作范圍)較普通消費電子類傳感應用環境更為惡劣，工作功率更高、需要的壽命更長，這些都對多結VCSEL 器件可靠性提出了更高要求。目前多結VCSEL 器件失效模式在文獻中尚未見報道。因此，通過加速老化來研究多結VCSEL 器件的失效模式對實現多結VCSEL 器件商業化具有重要的意義。對于單結VCSEL 器件來說，主要失效模式有DBR 攀爬位錯、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，氧化物邊緣應力所導致的半導體裂隙為其主要失效模式之一[11]，而與單結VCSEL 器件相比，多結VCSEL 器件同時具有多有源區和多層氧化結構。因此，多氧化層結構也會產生更多的應力累積，更易在高溫高電流情況下形成失效。由于在實際生產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小差異以及結構上的缺陷將會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在激光器正常使用過程中加劇，最后導致器件失效以及不同器件之間的壽命差異。因此，當研究不同的光學性能或器件故障時，VCSEL 的詳細表征是至關重要的，并且有必要采用相關技術來表征VCSEL 并識別不同結構層中器件之間的差異[12]。

本文通過老化壽命加速的方法，獲得了相關的失效器件，并采用L-I-V測試、正反向V-I測試、光學及紅外外觀測試、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)確認了在氧化層附近已經存在位錯，并推測多結VCSEL 器件失效起始點來自于氧化層邊界處的應力累積。這對于繼續優化VCSEL 內部結構及提升工藝控制能力，提高多結VCSEL 器件壽命及可靠性具有一定指導意義。

2 理論依據

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、隨機失效期、損耗失效期[10]。由于垂直腔面發射激光器的壽命較長，一般采用老化加速來進行研究。老化加速模型主要有恒定應力、步進應力和序進應力三種[13]，加速應力主要因素為電流應力與溫度應力[14-15]兩種。老化加速因子(FAF)推導公式[16]如下:

其中，Iacc為老化測試加速電流；Iuse為正常使用環境下驅動電流；n為經驗推導“電流加速因子”，半導體器件通常為2～3[10]，本文中取值為2；Ea為活化能，通常為實驗中確定，本文中取值為0.7 eV[10]；kB為Boltzmann 常數，等于8.617×10－5eV/K；Tj，use、Tj，acc分別為正常使用環境下器件結溫與加速老化時器件結溫。

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

其中I為驅動電流，Ith為激光器閾值電流，Vj為PN 結偏壓，Tj為結溫，Tamb為外部環境溫度，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部溫度，即改變外部環境溫度或熱耗散功率，從而導出光譜紅移相同的數據集(ΔT，ΔP)，而(ΔT，ΔP)可用于計算熱阻:

3 實驗方案

本文采用的是自主設計研發的GaAs 基940 nm 三結垂直腔面發射激光器，其結構如圖1 所示，具有三層氧化層及有源區結構，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。實驗過程中，采用TEC 半導體制冷器對老化器件進行控溫，保證器件老化過程中的溫度穩定性，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。老化功率監控間隔為12 h。實驗使用ILX lightwava LDC-3900 為驅動電源，功率采集使用熱堆功率計(Coherent PM150)，電壓采集為KEITHLEY DMM6500 數字萬用表。器件近場分布使用NIKON:50×物鏡搭配CCD(Mightex:MCE-B013-U)拍攝。

圖1 三結級聯VCSEL 結構示意圖Fig.1 Three-junction cascaded VCSEL structure diagram

為計算實驗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，并由此計算出了老化器件溫漂系數為Δλ/ΔT＝(0.0701 ±0.0002) nm/K 以及器件熱阻與溫度的關系:Rth＝12.589Tamb－2482.3 K/W。

圖2 (a)器件在不同溫度下電壓、功率與電流的關系；(b)器件溫漂系數及熱阻與溫度的關系。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，我們計算出在老化加速過程中，外部環境溫度343 K 情況下，器件結溫約在400 K；而對應于7 mA 電流，300 K 環境溫度，內部結溫324 K的正常使用情況下，老化加速因子約為104。而通常業界老化加速因子設置為50～200[10]，相對來說，本文實驗參數設計合理。

4 實驗結果及討論

在上述條件下，對失效器件進行分析，首先對VCSEL 器件老化前后在室溫連續工作時的L-I-V曲線進行分析，其結果如圖3 所示。結果顯示，相比于老化前，器件在設定電流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損耗增加，可能來源于內量子效率降低和非輻射復合過程中吸收的增加。光電轉換效率變小，降低37.45%；斜率效率變小，降低33.18%；器件串聯電阻基本保持不變。因此工作電壓基本保持不變，但在開啟電壓區間位置顯示出異常，因此，我們對器件測試了正反向V-I。圖3(b)為使用數字源表(KEITHLEY 2400)對器件老化前后在－5～5 V 區間測試的V-I曲線結果。結果顯示，器件在老化前后均未出現反向漏電流情況，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 結附近可能出現了缺陷。

圖3 器件老化前后性能對比。(a)光功率及電壓對比；(b)V-I 曲線對比。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，我們用光學手段對器件的外觀及激光模式進行了研究。通過光學顯微鏡確認器件表面的情況，通過紅外相機可以聚焦到器件內部，對器件內部進行成像以確認內部情況。因此，氧化孔徑的大小通常通過紅外相機成像進行確認。其中光學照片由可見光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及紅外照片結果如圖4 所示。圖4(a)、(b)為老化前后的紅外照片，從圖中可知，老化實驗前，器件氧化孔徑邊緣規則清晰，老化后，器件上下氧化邊界處出現不規則暗斑。為排除兩處暗斑是來源于器件表面的臟污，我們將光學鏡頭聚焦至器件SiN 表面，在光學照片中，未在該處位置發現表面臟污，證明紅外圖片中暗斑并非表面臟污成像，而是器件內部缺陷導致。

圖4 器件老化前后光學及紅外成像。(a)未老化時紅外成像；(b)老化后紅外成像；(c)未老化時光學照片；(d)老化后光學照片。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 老化前后器件各項參數變化Tab.1 Changes of device parameters before and after aging

同時，我們對老化前后的近場光學進行了分析，實驗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，老化后的近場光斑出現了兩處明顯的暗區，且暗區位置位于氧化孔徑的邊緣，并且上下對稱地分布，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，而老化后的光學外觀圖顯示器件對應位置表面無異常。因此，可以得出其老化后的器件內部區域出現了缺陷而影響了器件發光。且隨著器件驅動電流逐漸加大，在上下暗斑之間出現了暗線缺陷(Dark-line defects，DLD)[17]。其次是在驅動電流大于閾值電流時、激光器輸出激光、輸出激光模式發生了很大改變。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為高階模式，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、模式競爭等效應的影響。而老化后的器件其激光模式分布由老化前中心對稱的高階模式分布變為軸對稱高階模式分布，這與閾值下近場光斑上下對稱分布的暗斑有關，器件內部對稱的缺陷破環了增益的徑向對稱性，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

而對于激射波長的近場分布，同時受到上下DBR 的諧振反射的調制，因此其暗斑分布位置并不能反映實際缺陷位置。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，利用低反射帶內的熒光波長的發光情況來表征實際量子阱的載流子分布及發光情況，這也是通常VCSEL 失效分析中常用的有源區分析方法[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 波段光線在器件內部來回反射造成的“橫向傳播”現象[17]，進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更弱，隨著電流的增加，其發光強度增加，但同樣也出現了兩處明顯的暗區，暗區位置位于氧化孔徑的邊緣且暗區范圍更小。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，堆疊結構多，在DBR 靠近氧化孔徑邊緣處累積應力很高。同時由于本文研究的器件為三結級聯VCSEL，具有三層氧化結構，所以在最上層氧化邊界處應力累積最大，易在高溫高電流情況下，產生缺陷，并形成位錯網絡。

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，結合上述結果，我們認為，紅外和近場光斑均顯示缺陷出現在氧化層邊緣，結合本文研究的器件為多氧化層的多結VCSEL 器件，可能產生缺陷的原因是由于氧化層邊緣的應力累積產生缺陷裂痕，并在器件內部的高溫梯度下，位錯生長攀爬，進而產生較大范圍的缺陷，最終造成功率下降，閾值上模式出現變化，器件失效。為了進一步研究并確認近場光斑及紅外圖像發現的暗點的來源，我們使用TEM 進行了微觀結構分析。相對于SEM 來說，TEM 分辨率更高，更易觀察到失效位錯[18]。首先，根據前述的帶通860 nm 濾光片的近場圖像暗斑及紅外圖像暗點的結果，確定了TEM 制樣的精確位置。我們使用聚焦離子束(Focused ion beam，FIB)進行豎切，對近場光學暗斑位置處進行截面制樣，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失效區。如圖7(b)所示，圖中黑框區域即為近場光學暗斑處所對應位置，使用FEI Talos F200X TEM 電鏡并選擇高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADFSTEM)模式進行拍攝。其結果如圖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 界面處的位錯痕，且該位錯有生長攀爬跡象；而在圖7(c)中位于右方氧化孔徑邊界處上方P-DBR 位于GaAs 層處同樣有位錯痕且能觀察到其分裂延伸現象，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致的。

圖7 失效位置TEM 截面圖。(a)左側氧化邊界處放大圖；(b)樣品界面全視圖；(c)右側氧化邊界處放大圖。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 論

本文通過多種表征手段研究了多結VCSEL器件失效原因。我們測量了實驗器件熱阻、確定老化實驗加速速度并設計相關老化實驗老化參數。通過老化實驗可以看出，老化后器件閾值電流增加，輸出光功率、斜率效率、電光轉換效率及開啟電壓下降。再對比了老化前后器件的光學、紅外以及近場光斑圖片后，發現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對稱的高階模式分布變為軸對稱高階模式分布。對失效位置制備TEM 樣品并觀測，我們發現位于左右氧化孔徑邊界上方P-DBR 處存在位錯，驗證了多結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致的。結合位錯位置位于氧化孔徑邊界處上方，推測多結VCSEL 器件可能產生缺陷的原因是由于氧化層邊緣的應力持續累積，形成缺陷，并在器件內部的高溫梯度下，位錯生長攀爬，進而產生較大范圍的裂痕，最終造成器件失效。這對繼續優化VCSEL 內部結構設計及提升工藝控制能力、提高多結VCSEL 器件壽命及可靠性具有一定指導意義。

本文專家審稿意見及作者回復內容的下載地址:http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails＃10.37188/CJL.20210396.