氧化型垂直腔面發射激光器的靜電放電失效特性

張玉岐，闞 強，趙 佳

（1. 山東大學 激光與紅外系統集成技術教育部重點實驗室, 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. 中國科學院半導體研究所, 北京 100083；4. 山東大學 信息科學與工程學院, 山東 青島 266237）

1 引 言

垂直腔面發射激光器(VCSEL)具有成本低、效率高、閾值低、功耗低、光束質量高和易于集成等優點，在數據通信、消費電子、激光傳感等領域具有廣泛的應用[1-3]。然而，VCSEL 是一種靜電敏感型器件，它的一個主要的失效原因是由靜電放電(ESD) 引起的。尤其對于氧化型VCSEL 來說，影響更為嚴重，這是由于其有源區面積和氧化孔徑較小，以及氧化層易產生缺陷和應力等[4]。ESD 事件可能發生在VCSEL 生產流程的任何環節：晶圓(wafer)制造和加工、器件測試、封裝、安裝和客戶操作等[5-6]，ESD 會對器件造成突發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 的損傷后不會立即失效，可能會繼續工作，并且無法及時通過檢測排查出，但是長期使用過程中會顯著縮短器件的工作壽命，而一旦失效，需要花費大量的人工和費用來確認根本原因并且很難定位，從而導致一些未知原因的可靠性問題[7-8]。

對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)測試，反向電流-電壓(I-V)測試，電致發光(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景和優缺點，而對于ESD 引起的失效，反向I-V 和TEM 是相對有效的手段[11-13]。ESD 引起的損傷會導致反向漏電增大和出現“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 分析的缺點是非常昂貴和費時[16]。目前，國外VCSEL 公司和研究機構有對某部分ESD 模式或者針對某些光電特性和TEM 失效特征等方面的研究[6,9-12,15]，但缺少關于不同ESD 模式及不同ESD 電壓極性對L-IV 性能測試的系統完整的分析，以及EMMI 測試和TEM（包括PV-TEM 和XS-TEM）失效特征的研究，而國內更是鮮有該方面的研究報道。例如，Agilent 公司只對人體模式(HBM)和機器模式(MM)兩種模式對應的光電特性進行了研究，且缺少完整的對缺陷進行有效表征的PV-TEM 和XSTEM 圖像結果[6,11]；國立陽明交通大學HSU 等人主要采用OBIC 方法對HBM 和MM 兩種模式的失效特性進行研究，缺少其他分析手段的聯系[9]；卡利亞里大學Vanzi 等人對850 nm VCSEL 進行了正向和反向HBM、MM、元件充電模式(CDM)和過度電應力(EOS)4 種模式的測試，發現各種損傷不易與測量的電光退化相關聯，需要通過電子顯微鏡和設備建模來詳細解釋觀察到的物理機制，但只給出了反向HBM 和正向電流沖擊的TEM 結果[10]。Mathes 等人對不同ESD 模式下的反向I-V、EL 和TEM 特性進行了報道，但是缺少VCSEL 性能測試中常見的L-I-V 測試的失效特性關聯分析[12,15]。

本文以25 Gb/s 高速率氧化型VCSEL 為研究對象，人為施加不同模式的ESD 和過度電應力(EOS)沖擊。ESD 沖擊包括3 種典型的模式：HBM、MM 和CDM。EOS 為長時間大電流的沖擊。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 測試、反向I-V 測試、EMMI 和TEM等常規且有效的分析手段進行表征，進一步建立不同ESD 模式和VCSEL 的光電特性及缺陷性質等失效特征的內在聯系以及機理解釋，給VCSEL 從業人員提供一個失效分析案例庫，從而可以更加快速有效地確認失效是否為ESD 相關的故障模式，并能有針對性地進行原因排查和改善提升，具有重要的學術意義和產業應用價值。

2 實 驗

2.1 實驗樣品

本文選用的氧化型VCSEL 為商業化應用的25 Gb/s 高速通信芯片，正負電極為同面電極結構，采用InGaAs/GaAs 作為有源區材料，激射波長為850 nm，氧化層位于P-DBR 側，厚度為20 nm，采用臺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)上進行后續的測試。試驗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的光電器件通用可靠性保證標準Telcordia GR-468 Issue2，每組實驗樣本量為6 顆。

2.2 實驗設置

采用MK.1TE 型號ESD 設備對VCSEL 進行HBM 和MM 的沖擊，采用ORION3 型號設備進行CDM 試驗，沖擊標準遵照M IL-STD-883D標準。具體的電路模型及產生的脈沖電流隨著時間變化的波形如圖1 所示。HBM 是模擬人體和器件接觸時產生的電荷轉移過程，電路模型如圖1(a)所示，電路中包括1 個100 pF 的電容和1 500 Ω 的電阻，模擬了人體典型的存儲電荷和電阻，它是VCSEL 最為常見的一種失效模式。MM 模擬機器和器件接觸時的電荷放電情況，靜電能量來自一個機器，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，在接觸其他物體時產生電荷轉移，電路模型圖如圖1(c)所示。3 種ESD 模式的電流隨時間變化曲線如圖1(d) 所示，可見，HBM 與其他模型相比靜電放電脈沖速度慢、強度低；而MM 放電電流比HBM 大，放電時間短，產生一個中等長度、中等振幅的脈沖；CDM 是一個振幅非常短且高的脈沖，CDM 放電周期約為1 ns，而HBM 放電周期為微妙級別。

圖1 典型的ESD 測試電路模型。（a）HBM；（b）MM；（c）CDM 及相應的（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

對于HBM 和MM 的測試步進采用10 V（正向HBM 為100 V 步進），CDM 的步進采用200 V。每個步進電壓下對器件連續打擊3 次，打擊間隔為1 s；對于EOS 測試，對VCSEL 進行45 mA 直流下0～960 s 不同時長的沖擊。每次沖擊后進行L-I-V 測試，與沖擊前的原始數據進行比較，如果出現閾值或者定電流下出光功率變化量超過10%，則認為器件失效，終止ESD 測試。芯片失效后，對每種ESD 模式損傷的芯片分別進行EMMI 定位和TEM 觀察。

3 結果與討論

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 曲線對比圖如圖2(a)(彩圖見期刊電子版)所示。當正向電壓為600 V 時，功率衰減8.8%，隨著步進電壓的增加，當正向電壓為700 V 時，功率下降17.1%，閾值增大3%左右，但是這個過程中電壓基本沒有發生變化，在高電流時（＞10 mA）電壓會有些許下降。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，反向I-V 測試在-10 V 下漏電約為0.3 nA，與沖擊前-10 V 下的漏電0.2 nA 基本沒有發生變化，這表明PN 結沒有受到損傷。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)中的插圖為未經過ESD 沖擊的樣品XS-TEM 對比圖片。可以看出，受到ESD 損傷后在氧化層邊緣出現位錯，而氧化尖端由于具有較大的應力而成為位錯的源頭[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高電流的局限作用減弱。但位錯并未傳播到有源區內，不會對有源區活性層造成足夠的損傷，因此在反向I-V 測試和EMMI 測試沒有表現出明顯的退化，盡管后續操作可能會擴展活性層中的位錯(即通過陣列的生長)并導致早期失效。

圖2 （a）正向HBM 模式沖擊前后L-I-V 曲線對比（插圖為700 V 沖擊電壓下對應的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，當沖擊電壓為170 V 時，L-I-V 曲線與初始測試曲線基本重合，而當沖擊電壓為180 V 時，VCSEL 功率曲線快速衰退，但是正向I-V 曲線沒有發生明顯的變化。插圖中的EMMI 結果顯示光窗邊緣有明顯的漏電點，反向I-V 測試時漏電明顯增大，-10 V 下漏電約為50 μA，這些結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，結果發現與正向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 的結果可以看出，在對應EMMI 亮點位置出現了明顯的擊穿缺陷特征，其出現在靠近氧化層的光窗內部，由XS-TEM結果可以看到擊穿位錯從氧化層向上下DBR 傳播，并且在DBR 中高鎵元素層發生較為明顯的缺陷，而一旦傳播到有源區內，就會形成大量的位錯網絡，有源區量子阱已經融合在一起，并易于向發光區域擴展，這和有源區的大量輻射復合效應增強了位錯的運動有關[18]，進而導致芯片的快速失效。

圖3 （a）反向HBM 模式沖擊前后L-I-V 曲線對比，插圖為180 V 沖擊電壓對應的EMMI 圖像；反向HBM 180 V 沖擊電壓下的（b）PV-TEM 和（c）XS-TEM 結果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 模式沖擊失效特征相似，當沖擊電壓為150 V 時，L-I-V 曲線沒有任何變化，而當沖擊電壓為160 V 時，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（＞10 mA）電壓會有小幅度增加。EMMI測試發現光窗邊緣有明顯的漏電點，-10 V 下漏電約為0.2 μA。圖4(b)和4(c) 為經過±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 漏電點相吻合，同反向HBM 損傷特征一致，位錯缺陷出現在靠近氧化層的光窗內部，并且大小為微米量級，而由XS-TEM 可以看到氧化層和其下方的有源區發生擊穿現象，有源區發生部分融合，而且DBR層中含高鎵成分的也出現明顯的損傷現象，推測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生更大的光能量吸收[15]。器件內的缺陷捕獲了載流子，造成正向電壓增加現象。

圖4 （a）正/反向HBM 模式沖擊前后L-I-V 曲線對比，插圖為160 V 沖擊電壓對應的EMMI 圖像；正反向HBM 160 V 沖擊電壓下（b）PV-TEM 和（c）XS-TEM結果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)給出了經過MM沖擊前后的L-I-V 曲線，當電壓為50 V 時，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）并在高電流下出現抖動，正向電壓變大。EMMI 在氧化光窗邊緣出現多個亮點，反向電壓-10 V 下漏電結果約為50 μA，這些結果表明芯片的PN 節發生了永久性損傷。TEM 結果如圖5(b) 和5(c) 所示，從PV-TEM 結果可以看出，與反向HBM 模式的損傷點不同，缺陷出現在氧化孔邊緣兩側的位置，直徑在數百納米量級。另外，氧化孔徑周圍出現一些暗點缺陷，發生了部分氧化層介質擊穿現象。從XS-TEM 結果可以發現，氧化層尖端出現了大量缺陷，并向下傳播到DBR 和量子阱區域，這與明顯的漏電電流增加結果一致，同時缺陷捕獲了載流子，等效電阻增加、正向電壓增加。上述結果進一步表明，位錯缺陷主要也發生在附近的其他含高鎵層中。

圖5 （a）MM 模式沖擊前后L-I-V 曲線對比，插圖為損傷電壓對應的EMMI 圖像以及相應的（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 脈沖的強度最高，持續時間最短。由于脈沖速度快，通常VCSEL 的絕緣部分(如氧化層) 將變得導電，氧化物VCSEL CDM 事件很容易導致介電擊穿[19]。如圖6(a)(彩圖見期刊電子版) 所示，經過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輕微的衰減，正向電壓小幅度降低。同時EMMI 測試沒有發現亮點，反向I-V 測試在-10 V 下電流約為1 nA，這表明器件內部PN 結可能沒有出現損傷。對CDM 2 000 V 沖擊后的VCSEL 進行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，氧化孔光窗區域、氧化孔邊緣和量子阱區域都沒有出現明顯缺陷，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生變化，但是在氧化層周圍出現很多暗點缺陷，呈現環狀分布，這可能和芯片的上電極有關。對其中的暗點缺陷進行剖面分析，如圖6(c)所示，可以看到氧化層上下出現介質擊穿破壞，可能由于局部融化和凝結導致的。而氧化層的介質擊穿，導致氧化絕緣層對電流的限制作用減弱，即表現為正向電壓下降。

圖6 （a）CDM 模式沖擊前后L-I-V 曲線對比，插圖為損傷電壓對應的EMMI 圖像以及相應的（b）PVTEM 和（c）XS-TEM 結果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 是大電流長時間的過程，通常是由于設備或者電源過流引起，會對器件產生永久性的損傷，較強的EOS 導致的失效可以通過光學顯微鏡發現，而相對較弱的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，繼續增加供電時間，器件特性持續惡化，表現為閾值增加、功率下降和正向電壓下降，960 s 后對器件進行反向漏電測試，-10 V 下漏電約為11 μA，但是EMMI圖像沒有發現集中的漏電點。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，在氧化層邊緣出現一些暗點缺陷，與正向HBM 沖擊后的特征相似，也是由于焦耳熱導致的過量熱應力有關。圖中沒有集中的位錯纏結出現，這與EMMI 圖像表現為無明顯的集中漏電亮點現象一致，但是很多分散的缺陷會引起漏電通道的增加。圖7(c) 中XS-TEM 在量子阱區域沒有發生融合現象，而經過大電流長時間的應力驅動，在氧化層附近出現很多Burn-out 缺陷，這和Ga、As 原子遷移形成的點缺陷有關，而且應力釋放導致半導體和氧化介質層的晶格失配更加顯著，從而導致了分層。

圖7 （a）EOS 模式沖擊前后L-I-V 曲線對比，插圖為45 mA 960 s 對應的EMMI 圖像以及相應的（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 結果匯總比較及分析

結合上述實驗結果，將不同ESD 模式的損傷閾值和失效特性、TEM 失效特征及其機理匯總在表1 中。可以看出，VCSEL 在不同ESD 模式和不同極性電壓沖擊下對應的器件損傷閾值、光電特性和TEM 結果明顯不同。其中光電特性是器件的一種外在表現，由內在的缺陷性質決定，在上述各個小節中已經分別進行了闡述和分析，所以此部分對不同ESD 模式對應的損傷閾值和TEM 結果進行橫向對比分析。

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 的幾個設計方面，包括發射直徑、熱阻抗和電阻抗、有源區類型、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 脈沖達到設備極限值2 000 V 時仍未失效，這可能歸因于功率耗散[16,19]。雖然VCSEL 對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）會導致故障，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 的氧化層性質有關，詳見下述TEM失效特征分析。

從不同極性的電壓沖擊結果來看，以HBM為例，不同極性電壓沖擊也有不同的結果，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，正反向同時沖擊具有最低的閾值。這是由于對于正向ESD，焦耳熱（歐姆熱）是導致退化的主要因素。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 個數量級。因此，通過隧道機制的雪崩擊穿可能是反向ESD失效的原因[20-22]，導致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有關[20-22]。

(2) TEM 失效特征

從表1 可以看出，不同ESD 模式沖擊后都會有個共同特征，就是氧化層都會伴隨有位錯等缺陷的產生，尤其是氧化尖端出現損傷，而非只有量子阱區域內有缺陷，這也是能夠區分ESD 故障和其它故障機制的特有性質。另外，通過橫向對比可以看出，氧化型VCSEL 在不同ESD 模式下會表現出不同的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。

不同失效特征的產生機理和ESD 沖擊波形及器件結構有關。VCSEL 的氧化層絕緣層區域可等效為一個阻抗，對于不同的ESD 模式脈沖波形，會表現出阻抗的電容性或者電阻性行為，損傷發生的位置和類型等性質強烈依賴于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 為持續時間長的小直流，氧化層相當于電阻特性，電流無法通過氧化層區域，因此會在氧化孔徑邊緣或者內部形成損傷；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，在氧化層產生介質擊穿，損傷閾值隨氧化層厚度的增大而增大；EOS 為長時間大電流，產生的過大熱應力是缺陷產生的主要原因，會直接穿過并損傷氧化孔徑區域，同時可能伴隨氧化孔徑表面融化、孔洞。

4 結 論

為了建立不同ESD 模式和失效特征的聯系，本文對25 Gb/s 氧化型VCSEL 進行了不同ESD模式和EOS 沖擊，通過正向L-I-V 測試、反向I-V 測試、EMMI 和TEM 觀察等手段進行表征，對產生的失效特性及其機理進行了研究分析。發現了和ESD 故障相關聯的特征及內在機制，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，在有大量擊穿位錯的現象出現時，反向EMMI 測試會出現亮點，其中TEM 作為判斷ESD 失效類型最為有效的分析方式，結果顯示在氧化層附近和有源區出現大量位錯，并且不同ESD 模式和不同脈沖極性作用下VCSEL 表現出截然不同的損傷閾值、器件特性和缺陷特點，這些結果可以用來區分ESD 故障和其他故障機制，能夠為VCSEL 研發、制造和使用人員提供一個失效案例庫，當器件出現失效后，可以準確地識別出是否為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行相應的改善，具有重要的參考和指導意義。