氧化型垂直腔面发射激光器的静电放电失效特性

张玉岐，阚 强，赵 佳

（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）

1 引 言

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有成本低、效率高、阈值低、功耗低、光束质量高和易于集成等优点，在数据通信、消费电子、激光传感等领域具有广泛的应用[1-3]。然而，VCSEL 是一种静电敏感型器件，它的一个主要的失效原因是由静电放电(ESD) 引起的。尤其对于氧化型VCSEL 来说，影响更为严重，这是由于其有源区面积和氧化孔径较小，以及氧化层易产生缺陷和应力等[4]。ESD 事件可能发生在VCSEL 生产流程的任何环节：晶圆(wafer)制造和加工、器件测试、封装、安装和客户操作等[5-6]，ESD 会对器件造成突发的失效或者潜在的损伤，而潜在的损伤占90% 左右，即器件受到ESD 的损伤后不会立即失效，可能会继续工作，并且无法及时通过检测排查出，但是长期使用过程中会显著缩短器件的工作寿命，而一旦失效，需要花费大量的人工和费用来确认根本原因并且很难定位，从而导致一些未知原因的可靠性问题[7-8]。

对VCSEL 的失效分析手段有很多，主要包括正向光功率-电流-电压(L-I-V)测试，反向电流-电压(I-V)测试，电致发光(EL)，微光显微镜(EMMI)，电子束感生电流(EBIC)，光感生电流(OBIC)，扫描电子显微镜 (SEM) 和透射电子显微镜(TEM)等[8-10]，不同方法有不同的使用场景和优缺点，而对于ESD 引起的失效，反向I-V 和TEM 是相对有效的手段[11-13]。ESD 引起的损伤会导致反向漏电增大和出现“soft knee”的明显特征，但是反向I-V 不能证明ESD 就是失效的真正原因[14]。确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)和横截面TEM (XS-TEM)两种方式，通过TEM 可以观察到损伤的特征、大小和位置等信息[15]。但是TEM 分析的缺点是非常昂贵和费时[16]。目前，国外VCSEL 公司和研究机构有对某部分ESD 模式或者针对某些光电特性和TEM 失效特征等方面的研究[6,9-12,15]，但缺少关于不同ESD 模式及不同ESD 电压极性对L-IV 性能测试的系统完整的分析，以及EMMI 测试和TEM（包括PV-TEM 和XS-TEM）失效特征的研究，而国内更是鲜有该方面的研究报道。例如，Agilent 公司只对人体模式(HBM)和机器模式(MM)两种模式对应的光电特性进行了研究，且缺少完整的对缺陷进行有效表征的PV-TEM 和XSTEM 图像结果[6,11]；国立阳明交通大学HSU 等人主要采用OBIC 方法对HBM 和MM 两种模式的失效特性进行研究，缺少其他分析手段的联系[9]；卡利亚里大学Vanzi 等人对850 nm VCSEL 进行了正向和反向HBM、MM、元件充电模式(CDM)和过度电应力(EOS)4 种模式的测试，发现各种损伤不易与测量的电光退化相关联，需要通过电子显微镜和设备建模来详细解释观察到的物理机制，但只给出了反向HBM 和正向电流冲击的TEM 结果[10]。Mathes 等人对不同ESD 模式下的反向I-V、EL 和TEM 特性进行了报道，但是缺少VCSEL 性能测试中常见的L-I-V 测试的失效特性关联分析[12,15]。

本文以25 Gb/s 高速率氧化型VCSEL 为研究对象，人为施加不同模式的ESD 和过度电应力(EOS)冲击。ESD 冲击包括3 种典型的模式：HBM、MM 和CDM。EOS 为长时间大电流的冲击。其中以HBM 为例，研究了正向、反向和正反向3 种不同极性电压冲击的特性，然后分别采用正向L-I-V 测试、反向I-V 测试、EMMI 和TEM等常规且有效的分析手段进行表征，进一步建立不同ESD 模式和VCSEL 的光电特性及缺陷性质等失效特征的内在联系以及机理解释，给VCSEL 从业人员提供一个失效分析案例库，从而可以更加快速有效地确认失效是否为ESD 相关的故障模式，并能有针对性地进行原因排查和改善提升，具有重要的学术意义和产业应用价值。

2 实 验

2.1 实验样品

本文选用的氧化型VCSEL 为商业化应用的25 Gb/s 高速通信芯片，正负电极为同面电极结构，采用InGaAs/GaAs 作为有源区材料，激射波长为850 nm，氧化层位于P-DBR 侧，厚度为20 nm，采用台面湿法氧化工艺完成，氧化后的孔径直径中心值为8 μm，将其封装到金属管座(TO)上进行后续的测试。试验采用的样品均来自于同一片晶圆，选取的样本量遵循光通信行业的光电器件通用可靠性保证标准Telcordia GR-468 Issue2，每组实验样本量为6 颗。

2.2 实验设置

采用MK.1TE 型号ESD 设备对VCSEL 进行HBM 和MM 的冲击，采用ORION3 型号设备进行CDM 试验，冲击标准遵照M IL-STD-883D标准。具体的电路模型及产生的脉冲电流随着时间变化的波形如图1 所示。HBM 是模拟人体和器件接触时产生的电荷转移过程，电路模型如图1(a)所示，电路中包括1 个100 pF 的电容和1 500 Ω 的电阻，模拟了人体典型的存储电荷和电阻，它是VCSEL 最为常见的一种失效模式。MM 模拟机器和器件接触时的电荷放电情况，静电能量来自一个机器，电路中没有电阻，电容大小为200 pF，它的电路模型如图1(b) 所示。CDM模拟器件本身由于某种原因带有静电，在接触其他物体时产生电荷转移，电路模型图如图1(c)所示。3 种ESD 模式的电流随时间变化曲线如图1(d) 所示，可见，HBM 与其他模型相比静电放电脉冲速度慢、强度低；而MM 放电电流比HBM 大，放电时间短，产生一个中等长度、中等振幅的脉冲；CDM 是一个振幅非常短且高的脉冲，CDM 放电周期约为1 ns，而HBM 放电周期为微妙级别。

图1 典型的ESD 测试电路模型。（a）HBM；（b）MM；（c）CDM 及相应的（d）电流波形Fig. 1 Typical test circuit models of an ESD. (a) HBM; (b) MM; (c) CDM and (d) corresponding current waveforms

对于HBM 和MM 的测试步进采用10 V（正向HBM 为100 V 步进），CDM 的步进采用200 V。每个步进电压下对器件连续打击3 次，打击间隔为1 s；对于EOS 测试，对VCSEL 进行45 mA 直流下0～960 s 不同时长的冲击。每次冲击后进行L-I-V 测试，与冲击前的原始数据进行比较，如果出现阈值或者定电流下出光功率变化量超过10%，则认为器件失效，终止ESD 测试。芯片失效后，对每种ESD 模式损伤的芯片分别进行EMMI 定位和TEM 观察。

3 结果与讨论

3.1 HBM 模式损伤的特征

(1) 正向HBM

正向HBM 冲击前后的L-I-V 曲线对比图如图2(a)(彩图见期刊电子版)所示。当正向电压为600 V 时，功率衰减8.8%，随着步进电压的增加，当正向电压为700 V 时，功率下降17.1%，阈值增大3%左右，但是这个过程中电压基本没有发生变化，在高电流时（＞10 mA）电压会有些许下降。图2(a)中插图为正向HBM 700 V 下的EMMI 图像，其没有明显的漏电点，反向I-V 测试在-10 V 下漏电约为0.3 nA，与冲击前-10 V 下的漏电0.2 nA 基本没有发生变化，这表明PN 结没有受到损伤。图2(b)(彩图见期刊电子版)和图2(c)(彩图见期刊电子版)为经过正向HBM 700 V 冲击后失效样品的PV-TEM 和XS-TEM 照片，其中XS-TEM 为图2(b)中的白色虚框位置，图2(c)中的插图为未经过ESD 冲击的样品XS-TEM 对比图片。可以看出，受到ESD 损伤后在氧化层边缘出现位错，而氧化尖端由于具有较大的应力而成为位错的源头[17]，造成出光功率衰减，高电流下的电压下降是由于氧化孔边缘受损对高电流的局限作用减弱。但位错并未传播到有源区内，不会对有源区活性层造成足够的损伤，因此在反向I-V 测试和EMMI 测试没有表现出明显的退化，尽管后续操作可能会扩展活性层中的位错(即通过阵列的生长)并导致早期失效。

图2 （a）正向HBM 模式冲击前后L-I-V 曲线对比（插图为700 V 冲击电压下对应的EMMI 图像）；（b）正向HBM 700 V 冲击后失效样品的PV-TEM（插图为白色虚框部分的放大图）和（c）XS-TEM（插图为未经ESD 冲击样品的氧化层尖端附近的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

图3(a)(彩图见期刊电子版)为反向HBM冲击前后的L-I-V 曲线，可见，当冲击电压为170 V 时，L-I-V 曲线与初始测试曲线基本重合，而当冲击电压为180 V 时，VCSEL 功率曲线快速衰退，但是正向I-V 曲线没有发生明显的变化。插图中的EMMI 结果显示光窗边缘有明显的漏电点，反向I-V 测试时漏电明显增大，-10 V 下漏电约为50 μA，这些结果表明器件的二极管性能有所退化。图3(b)和3(c)是反向HBM 180V 损伤电压下的PV-TEM 和XS-TEM 照片，结果发现与正向HBM 事件相比，反向HBM 事件的损伤阈值不但大大降低，而且出光功率快速衰退，缺陷密度也显著增高。由PV-TEM 的结果可以看出，在对应EMMI 亮点位置出现了明显的击穿缺陷特征，其出现在靠近氧化层的光窗内部，由XS-TEM结果可以看到击穿位错从氧化层向上下DBR 传播，并且在DBR 中高镓元素层发生较为明显的缺陷，而一旦传播到有源区内，就会形成大量的位错网络，有源区量子阱已经融合在一起，并易于向发光区域扩展，这和有源区的大量辐射复合效应增强了位错的运动有关[18]，进而导致芯片的快速失效。

图3 （a）反向HBM 模式冲击前后L-I-V 曲线对比，插图为180 V 冲击电压对应的EMMI 图像；反向HBM 180 V 冲击电压下的（b）PV-TEM 和（c）XS-TEM 结果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 冲击前后的L-I-V 曲线如图4(a)(彩图见期刊电子版)所示，与只有反向极性的HBM 模式冲击失效特征相似，当冲击电压为150 V 时，L-I-V 曲线没有任何变化，而当冲击电压为160 V 时，VCSEL 的阈值增加，功率突然降低，电压在低电流下变化较小（＜10 mA），在高电流时（＞10 mA）电压会有小幅度增加。EMMI测试发现光窗边缘有明显的漏电点，-10 V 下漏电约为0.2 μA。图4(b)和4(c) 为经过±160 V 冲击后的PV-TEM 和XS-TEM 照片，从PV-TEM图像可以看出击穿位置和EMMI 漏电点相吻合，同反向HBM 损伤特征一致，位错缺陷出现在靠近氧化层的光窗内部，并且大小为微米量级，而由XS-TEM 可以看到氧化层和其下方的有源区发生击穿现象，有源区发生部分融合，而且DBR层中含高镓成分的也出现明显的损伤现象，推测部分原因是含镓层有较低的熔化温度和较低的带隙宽度而产生更大的光能量吸收[15]。器件内的缺陷捕获了载流子，造成正向电压增加现象。

图4 （a）正/反向HBM 模式冲击前后L-I-V 曲线对比，插图为160 V 冲击电压对应的EMMI 图像；正反向HBM 160 V 冲击电压下（b）PV-TEM 和（c）XS-TEM结果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 损伤的特征

图5(a)(彩图见期刊电子版)给出了经过MM冲击前后的L-I-V 曲线，当电压为50 V 时，阈值显著增加（由原始的0.4 mA 增加到1.2 mA）、出光功率显著降低（6 mA 下的功率由2.81 mW 降低到1.19 mW）并在高电流下出现抖动，正向电压变大。EMMI 在氧化光窗边缘出现多个亮点，反向电压-10 V 下漏电结果约为50 μA，这些结果表明芯片的PN 节发生了永久性损伤。TEM 结果如图5(b) 和5(c) 所示，从PV-TEM 结果可以看出，与反向HBM 模式的损伤点不同，缺陷出现在氧化孔边缘两侧的位置，直径在数百纳米量级。另外，氧化孔径周围出现一些暗点缺陷，发生了部分氧化层介质击穿现象。从XS-TEM 结果可以发现，氧化层尖端出现了大量缺陷，并向下传播到DBR 和量子阱区域，这与明显的漏电电流增加结果一致，同时缺陷捕获了载流子，等效电阻增加、正向电压增加。上述结果进一步表明，位错缺陷主要也发生在附近的其他含高镓层中。

图5 （a）MM 模式冲击前后L-I-V 曲线对比，插图为损伤电压对应的EMMI 图像以及相应的（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 损伤的特征

在ESD 事件中，CDM 脉冲的强度最高，持续时间最短。由于脉冲速度快，通常VCSEL 的绝缘部分(如氧化层) 将变得导电，氧化物VCSEL CDM 事件很容易导致介电击穿[19]。如图6(a)(彩图见期刊电子版) 所示，经过2 000 V CDM 冲击后的样品L-I-V 特性变化较小，只是高电流下功率出现轻微的衰减，正向电压小幅度降低。同时EMMI 测试没有发现亮点，反向I-V 测试在-10 V 下电流约为1 nA，这表明器件内部PN 结可能没有出现损伤。对CDM 2 000 V 冲击后的VCSEL 进行TEM 观察，如图6(b)(彩图见期刊电子版) 和6(c) 所示，与上述HBM 和MM 的失效特征不同，氧化孔光窗区域、氧化孔边缘和量子阱区域都没有出现明显缺陷，即器件正常的出光和电流通道无缺陷，因此出光功率、阈值和反向漏电基本没有发生变化，但是在氧化层周围出现很多暗点缺陷，呈现环状分布，这可能和芯片的上电极有关。对其中的暗点缺陷进行剖面分析，如图6(c)所示，可以看到氧化层上下出现介质击穿破坏，可能由于局部融化和凝结导致的。而氧化层的介质击穿，导致氧化绝缘层对电流的限制作用减弱，即表现为正向电压下降。

图6 （a）CDM 模式冲击前后L-I-V 曲线对比，插图为损伤电压对应的EMMI 图像以及相应的（b）PVTEM 和（c）XS-TEM 结果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 模式损伤的特征

EOS 是大电流长时间的过程，通常是由于设备或者电源过流引起，会对器件产生永久性的损伤，较强的EOS 导致的失效可以通过光学显微镜发现，而相对较弱的EOS 事件需要类似ESD 事件的分析手段。下图7(a)(彩图见期刊电子版)为加电45 mA，不同时间下的L-I-V 曲线，可见，加电300 s 后阈值和功率明显减弱，继续增加供电时间，器件特性持续恶化，表现为阈值增加、功率下降和正向电压下降，960 s 后对器件进行反向漏电测试，-10 V 下漏电约为11 μA，但是EMMI图像没有发现集中的漏电点。图7(b) 和7(c)为45 mA 加电960 s 后的TEM 图像，从PV-TEM 图像可以看到，在氧化层边缘出现一些暗点缺陷，与正向HBM 冲击后的特征相似，也是由于焦耳热导致的过量热应力有关。图中没有集中的位错缠结出现，这与EMMI 图像表现为无明显的集中漏电亮点现象一致，但是很多分散的缺陷会引起漏电通道的增加。图7(c) 中XS-TEM 在量子阱区域没有发生融合现象，而经过大电流长时间的应力驱动，在氧化层附近出现很多Burn-out 缺陷，这和Ga、As 原子迁移形成的点缺陷有关，而且应力释放导致半导体和氧化介质层的晶格失配更加显著，从而导致了分层。

图7 （a）EOS 模式冲击前后L-I-V 曲线对比，插图为45 mA 960 s 对应的EMMI 图像以及相应的（b）PV-TEM 和（c）XS-TEM，插图为局部放大图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 结果汇总比较及分析

结合上述实验结果，将不同ESD 模式的损伤阈值和失效特性、TEM 失效特征及其机理汇总在表1 中。可以看出，VCSEL 在不同ESD 模式和不同极性电压冲击下对应的器件损伤阈值、光电特性和TEM 结果明显不同。其中光电特性是器件的一种外在表现，由内在的缺陷性质决定，在上述各个小节中已经分别进行了阐述和分析，所以此部分对不同ESD 模式对应的损伤阈值和TEM 结果进行横向对比分析。

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

(1) 损伤阈值

ESD 损伤水平取决于VCSEL 的几个设计方面，包括发射直径、热阻抗和电阻抗、有源区类型、反向击穿电压、氧化层的厚度和位置等。从3 种模式来看，VCSEL 的CDM 损伤阈值最高，在CDM 脉冲达到设备极限值2 000 V 时仍未失效，这可能归因于功率耗散[16,19]。虽然VCSEL 对CDM 造成的短脉宽损伤不是特别敏感，但在较低的电压水平下，较长的脉冲（MM 和HBM）会导致故障，MM 具有最低的破坏阈值，HBM 次之。这表明VCSEL 容易遭受这两种类型的ESD 损伤，这和VCSEL 的氧化层性质有关，详见下述TEM失效特征分析。

从不同极性的电压冲击结果来看，以HBM为例，不同极性电压冲击也有不同的结果，其中正向HBM 损伤阈值最大，而且和反向HBM 相差很多，反向极性的ESD 冲击具有较大的破坏性，正反向同时冲击具有最低的阈值。这是由于对于正向ESD，焦耳热（欧姆热）是导致退化的主要因素。而在反向偏压下，来自电流/电压的加热较低，反向电流大约比正向电流小4 个数量级。因此，通过隧道机制的雪崩击穿可能是反向ESD失效的原因[20-22]，导致VCSEL 具有更低的反向偏压损坏阈值和更明显的失效缺陷[15,23]。正反向ESD 冲击具有最低阈值的原因可能和热耗散的积累效应有关[20-22]。

(2) TEM 失效特征

从表1 可以看出，不同ESD 模式冲击后都会有个共同特征，就是氧化层都会伴随有位错等缺陷的产生，尤其是氧化尖端出现损伤，而非只有量子阱区域内有缺陷，这也是能够区分ESD 故障和其它故障机制的特有性质。另外，通过横向对比可以看出，氧化型VCSEL 在不同ESD 模式下会表现出不同的TEM 失效特征，这也为精确判断具体是何种ESD 失效模式提供一种重要的方法。

不同失效特征的产生机理和ESD 冲击波形及器件结构有关。VCSEL 的氧化层绝缘层区域可等效为一个阻抗，对于不同的ESD 模式脉冲波形，会表现出阻抗的电容性或者电阻性行为，损伤发生的位置和类型等性质强烈依赖于ESD 的脉冲速度[19,24]。从图1 的3 种ESD 模式的电流波形可以知道：HBM 为持续时间长的小直流，氧化层相当于电阻特性，电流无法通过氧化层区域，因此会在氧化孔径边缘或者内部形成损伤；MM 等效为低频交流，氧化层等效为部分电阻部分电容特性，所以冲击可以部分穿过氧化层，在氧化孔的边缘和附近的氧化层两侧形成损伤；CDM 等效为高频交流，氧化层等效为阻抗的电容性行为，脉冲绝大部分穿过氧化层并在那里形成损伤，在氧化层产生介质击穿，损伤阈值随氧化层厚度的增大而增大；EOS 为长时间大电流，产生的过大热应力是缺陷产生的主要原因，会直接穿过并损伤氧化孔径区域，同时可能伴随氧化孔径表面融化、孔洞。

4 结 论

为了建立不同ESD 模式和失效特征的联系，本文对25 Gb/s 氧化型VCSEL 进行了不同ESD模式和EOS 冲击，通过正向L-I-V 测试、反向I-V 测试、EMMI 和TEM 观察等手段进行表征，对产生的失效特性及其机理进行了研究分析。发现了和ESD 故障相关联的特征及内在机制，包括反向偏压下漏电流增加，出光功率退化、阈值增加，正向电压变化等，在有大量击穿位错的现象出现时，反向EMMI 测试会出现亮点，其中TEM 作为判断ESD 失效类型最为有效的分析方式，结果显示在氧化层附近和有源区出现大量位错，并且不同ESD 模式和不同脉冲极性作用下VCSEL 表现出截然不同的损伤阈值、器件特性和缺陷特点，这些结果可以用来区分ESD 故障和其他故障机制，能够为VCSEL 研发、制造和使用人员提供一个失效案例库，当器件出现失效后，可以准确地识别出是否为ESD 事件，以及具体是何种ESD模式，因此可以快速有效地挖掘到问题的成因并进行相应的改善，具有重要的参考和指导意义。