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氧化型垂直腔面发射 器的静电放电失效特性

张玉岐,阚强,赵佳

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张玉岐, 阚强, 赵佳. 氧化型垂直腔面发射 器的静电放电失效特性[J]. , 2022, 15(4): 722-730. doi: 10.37188/CO.2021-0226
引用本文: 张玉岐, 阚强, 赵佳. 氧化型垂直腔面发射 器的静电放电失效特性[J]. , 2022, 15(4): 722-730.doi:10.37188/CO.2021-0226
ZHANG Yu-qi, KAN Qiang, ZHAO Jia. Electrostatic discharge failure characteristics of oxide vertical cavity surface emitting lasers[J]. Chinese Optics, 2022, 15(4): 722-730. doi: 10.37188/CO.2021-0226
Citation: ZHANG Yu-qi, KAN Qiang, ZHAO Jia. Electrostatic discharge failure characteristics of oxide vertical cavity surface emitting lasers[J].Chinese Optics, 2022, 15(4): 722-730.doi:10.37188/CO.2021-0226

氧化型垂直腔面发射 器的静电放电失效特性

doi:10.37188/CO.2021-0226
基金项目:国家重点研发计划纳米专项课题(No. 2018YFA0209001);国家重点研发计划课题(No. 2018YFA0209002,No. 2018YFB2200700)
详细信息
    作者简介:

    张玉岐(1991—),男,辽宁辽阳人,博士研究生,工程师,2015年于哈尔滨工业大学获得硕士学位,主要从事半导体 器的可靠性和失效分析等方面的研究。E-mail:zyxzyq@163.com

    赵 佳(1984—),男,山东济南人,博士,教授,博士生导师,2011年于山东大学获得博士学位,主要从事光电子器件与系统设计、计算电磁学等方面的研究。E-mail:zhaojia@sdu.edu.cn

  • 中图分类号:TN365

Electrostatic discharge failure characteristics of oxide vertical cavity surface emitting lasers

Funds:Supported by Nano Special Project of National Key Research and Development Program (No. 2018YFA0209001); National Key Research and Development Project (No. 2018YFA0209002, No. 2018YFB2200700)
More Information
  • 摘要:

    氧化型垂直腔面发射 器(VCSEL)在数据通信等领域具有广泛的应用,然而氧化型VCSEL是一种静电敏感型器件,静电放电(ESD)是导致其失效的主要原因之一,并且器件失效后很难判断问题的原因。本文对氧化型VCSEL进行了包括人体模式(HBM)、机器模式(MM)和元件充电模式(CDM)3种不同的ESD模式和过度电应力(EOS)冲击,以分析其具体失效原因。其中,在HBM模式中研究了不同极性的电压冲击对应的失效特征,然后分别采用反向I-V、正向L-I-V测试、发光显微镜(EMMI)和透射电子显微镜(TEM)等手段进行表征。结果表明,不同ESD模式表现出截然不同的损伤电压阈值,氧化型VCSEL容易遭受HBM和MM损伤,而对CDM模式不敏感。研究发现和ESD失效关联的特性及缺陷特征包括反向漏电增加、出光功率衰减、EMMI亮点等,而TEM作为最为直接有效的分析手段,不同ESD模式表现出不同的缺陷大小和位置等性质。这些研究结果有助于区分ESD故障和其它故障机制,并且能够精确地判断出引起失效的具体ESD模式,具有重要的意义。

  • 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

    Figure 1.Typical test circuit models of an ESD. (a) HBM; (b) MM; (c) CDM and (d) corresponding current waveforms

    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)

    Figure 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) XS-TEM after forward HBM shock under 700 V impulse voltage, the insert is XS-TEM near the oxide tip of sample without an ESD shock

    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

    Figure 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

    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

    Figure 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

    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-TEM

    Figure 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) XS-TEM after MM shock

    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)PV-TEM和(c)XS-TEM结果

    Figure 6.(a) Comparison of L-I-V curve before and after CDM shock. The insert is an EMMI image under a 2000 V impulse voltage; (b) PV-TEM and (c) XS-TEM after CDM shock

    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

    Figure 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.

    表 1氧化型VCSEL中不同ESD模式的失效特征汇总

    Table 1.Summary of failure characteristics corresponding to different ESD models in oxide VCSELs

    ESD模式 损伤阈值 光电特性 EMMI和TEM失效特征 可能的失效机理
    正向HBM 700 V 出光功率逐渐下降,阈值小幅度增加,反向漏电不变,高电流下电压微降 EMMI无亮点;器件内部无集中的击穿位错,在氧化孔边缘出现位错,有源区未出现明显的损伤 焦耳热产生的过量热应力导致在应力集中的氧化尖端出现位错;
    氧化层对该ESD模式的脉冲表现为电阻特性
    反向HBM −180 V 出光功率快速下降,阈值增加,反向漏电变大,正向I-V特性无明显变化 EMMI有亮点,和TEM集中的击穿位错位置吻合;比正向HBM模式的位错密度高,击穿位错出现在靠近氧化孔边缘的出光孔内,有源区出现局部融合现象,DBR中含高镓层的缺陷较为严重 隧道击穿效应;
    氧化层对该ESD模式的脉冲表现为电阻特性
    正/反向HBM ±160 V 出光功率快速下降,阈值增加,反向漏电变大,高电流下电压微增 EMMI有亮点,和TEM集中的击穿位错位置吻合;与反向HBM失效特征相似,位错大小为微米量级,氧化孔边缘和有源区出现永久性损伤 隧道击穿和热的累积效应;
    氧化层对该ESD模式的脉冲表现为电阻特性
    MM 50 V 出光功率快速下降,阈值增加,反向漏电变大,正向电压增加 EMMI有亮点,和TEM集中的击穿位错位置吻合;氧化孔边缘的两侧出现大量位错,直径大小为数百纳米量级。位错从氧化层以上延伸到有源区,高镓含量层位错密度较高。有时会出现轻微的氧化层介质击穿现象 隧道击穿效应;
    氧化层相对于该ESD模式的脉冲表现为部分电容特性部分电阻特性
    CDM 2000 V L-I-V特性基本不变,高电流时出光功率微降,阈值不变,反向漏电微增,正向电压下降 EMMI无亮点;器件内部无集中的击穿位错,整个氧化层出现介质击穿,分布在氧化孔的周围,并呈现出环状图案。在氧化孔边缘和有源区未观察到明显的缺陷 介质击穿;
    氧化层相对于该ESD模式的脉冲等效为电容特性
    EOS / 出光功率逐渐下降,阈值增加,反向漏电增大,正向电压下降 EMMI无亮点;器件内部无集中的击穿位错,高电流密度的应力驱动下,氧化孔边缘出现暗点缺陷和分层现象 焦耳热产生的过量热应力
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  • [1] 张继业, 李雪, 张建伟, 等. 垂直腔面发射 器研究进展[J]. 发光学报,2020,41(12):1443-1459.doi:10.37188/CJL.20200339

    ZHANG J Y, LI X, ZHANG J W,et al. Research progress of vertical-cavity surface-emitting laser[J].Chinese Journal of Luminescence, 2020, 41(12): 1443-1459. (in Chinese)doi:10.37188/CJL.20200339
    [2] 杨卓凯, 田思聪, LARISCH G, 等. 基于PAM4调制的高速垂直腔面发射 器研究进展[J]. 发光学报,2020,41(4):399-413.doi:10.3788/fgxb20204104.0399

    YANG ZH K, TIAN S C, LARISCH G,et al. High-speed vertical-cavity surface-emitting lasers based on PAM4 modulation[J].Chinese Journal of Luminescence, 2020, 41(4): 399-413. (in Chinese)doi:10.3788/fgxb20204104.0399
    [3] 何晓颖, 董建, 胡帅, 等. 采用BCB平整技术的高速850nm垂直面发射 器[J]. 中国光学,2018,11(2):190-197.doi:10.3788/co.20181102.0190

    HE X Y, DONG J, HU SH,et al. High-speed 850 nm vertical-cavity surface-emitting lasers with BCB planarization technique[J].Chinese Optics, 2018, 11(2): 190-197. (in Chinese)doi:10.3788/co.20181102.0190
    [4] 张玉岐, 左致远, 阚强, 等. 氧化型垂直腔面发射 器的常见失效模式和机理分析[J]. 中国光学,2022,15(2):187-209.doi:10.37188/CO.EN.2021-0012

    ZHANG Y Q, ZUO ZH Y, KAN Q,et al. Common failure modes and mechanisms in oxide vertical cavity surface emitting lasers[J].Chinese Optics, 2022, 15(2): 187-209. (in Chinese)doi:10.37188/CO.EN.2021-0012
    [5] HELMS C J, AEBY I, LUO W L,et al. Reliability of oxide VCSELs at Emcore[J].Proceedings of SPIE, 2004, 5364: 183-189.doi:10.1117/12.539282
    [6] KRUEGER J J, SABHARWAL R, MCHUGO S A,et al. Studies of ESD-related failure patterns of Agilent oxide VCSELs[J].Proceedings of SPIE, 2003, 4994: 162-172.doi:10.1117/12.482632
    [7] 张建华, 陈章福, 徐小雪, 等. 人体静电放电对有机发光二极管的影响[J]. 发光学报,2018,39(2):169-174.doi:10.3788/fgxb20183902.0169

    ZHANG J H, CHEN ZH F, XU X X,et al. Analysis of organic light emitting diode under electrostatic discharge stresses[J].Chinese Journal of Luminescence, 2018, 39(2): 169-174. (in Chinese)doi:10.3788/fgxb20183902.0169
    [8] UEDA O.Reliability and degradation of III-V optical devices focusing on gradual degradation[M]//UEDA O, PEARTON S J. Materials and Reliability Handbook for Semiconductor Optical and Electron Devices. New York, NY: Springer, 2013: 87-122.
    [9] HSU C L, DAS S, WU Y S,et al. Spectrally resolved optical beam-induced current imaging of ESD induced defects on VCSELs[J].OSA Continuum, 2021, 4(2): 711-719.doi:10.1364/OSAC.414086
    [10] VANZI M, MURA G, MARCELLO G,et al. ESD tests on 850 nm GaAs-based VCSELs[J].Microelectronics Reliability, 2016, 64: 617-622.doi:10.1016/j.microrel.2016.07.023
    [11] MCHUGO S A, KRISHNAN A, KRUEGER J J,et al. Characterization of failure mechanisms for oxide VCSELs[J].Proceedings of SPIE, 2003, 4994: 55-66.doi:10.1117/12.482637
    [12] MATHES D, GUENTER J, TATUM J,et al. AOC moving forward: the impact of materials behavior[J].Proceedings of SPIE, 2006, 6132: 613203.doi:10.1117/12.646447
    [13] GUENTER J K, TATUM J A, HAWTHORNE III R A,et al. VCSELs at Honeywell: the story continues[J].Proceedings of SPIE, 2004, 5364: 34-46.doi:10.1117/12.540129
    [14] WEIDBERG A R. VCSEL reliability in ATLAS and development of robust arrays[J].Journal of Instrumentation, 2012, 7: C01098.
    [15] MATHES D T, GUENTER J, HAWKINS B,et al.. An atlas of ESD failure signatures in vertical cavity surface emitting lasers[C].Proceedings of ISTFA, ISTFA, 2005: 330-336.
    [16] UEDA O, HERRICK R W. Failure analysis of semiconductor optical devices[M]//UEDA O, PEARTON S J. Materials and Reliability Handbook for Semiconductor Optical and Electron Devices. New York: Springer, 2013: 19-53.
    [17] MOKHTARI M, PAGNOD-ROSSIAUX P, LEVALLOIS C,et al. Mechanical strain mapping of GaAs based VCSELs[J].Applied Physics Letters, 2021, 118(9): 091102.doi:10.1063/5.0040386
    [18] MUKHERJEE K.Materials science of defects in GaAs-based semiconductor lasers[M]//HERRICK R W, UEDA O. Reliability of Semiconductor Lasers and Optoelectronic Devices. Amsterdam: Elsevier, 2021: 113-176.
    [19] GUENTER J K, TATUM J A, HAWTHORNE III R A,et al. A plot twist: the continuing story of VCSELs at AOC[J].Proceedings of SPIE, 2005, 5737: 20-34.doi:10.1117/12.601831
    [20] HUANG J J SH, JAN Y H, CHANG H S,et al. .ESD polarity effect study of monolithic, integrated DFB-EAM EML for 100/400G optical networks[C].Proceedings of 2017Conference on Lasers and Electro-optics Pacific Rim, IEEE, 2017: 1-4.
    [21] HUANG J S.Reliability of optoelectronics[M]//SWINGLER J. Reliability Characterisation of Electrical and Electronic Systems. Cambridge: Woodhead Publishing, 2015: 83-114.
    [22] HUANG J SH, OLSON T, ISIP E. Human-body-model electrostatic-discharge and electrical-overstress studies of buried-heterostructure semiconductor lasers[J].IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 2007, 7(3): 453-461.doi:10.1109/TDMR.2007.907425
    [23] TWU Y, CHENG L S, CHU S N G,et al. Semiconductor laser damage due to human-body-model electrostatic discharge[J].Journal of Applied Physics, 1993, 74(3): 1510-1520.doi:10.1063/1.354850
    [24] MEIER H, SANTSCHI R, ODERMATT S,et al. A TCAD approach to robust ESD design in oxide-confined VCSELs[J].Proceedings of SPIE, 2007, 6484: 648405.doi:10.1117/12.698997
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出版历程
  • 收稿日期:2021-12-20
  • 录用日期:2022-03-23
  • 修回日期:2022-01-24
  • 网络出版日期:2022-04-27

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