CN105425136B - 一种半导体激光器静电失效分析方法 - Google Patents

一种半导体激光器静电失效分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器失效分析方法，该方法包括以下步骤：对半导体激光器从低电压到高电压逐级进行ESD测试，通过比较半导体激光器ESD测试前后的光电特性曲线判断该半导体激光器是否失效，并确定其失效等级；使用高倍光学显微镜对失效半导体激光器各部位进行外观失效检查，采集并存储异常部位的图像；借助SEM观察所述半导体激光器出光面的损伤细节，采集并储存相应的图像；对所述半导体激光器的有源层损伤情况进行测试。半导体器件十分容易受到静电放电作用而失效，本发明对找到其失效机理进而对器件进行改进，可以准确定位其失效部位，得到失效机理，最终达到改进器件提高性能的目的。

Description

一种半导体激光器静电失效分析方法
技术领域
本发明涉及半导体器件可靠性分析领域中的半导体激光器失效分析，特别涉及一种半导体激光器的静电失效分析方法。
背景技术
半导体激光器有体积小、重量轻、结构简单、能量转换效率高、可靠性高等优点，目前在许多领域中有广泛的应用。固体激光器由于具有更大的功率，因而处于研制当中。采用半导体激光器泵浦固体激光器较传统的泵浦源有诸多优势，因而在医学和军事方面有很好的应用前景。在使用半导体泵浦固体激光器的过程中，半导体激光器经常失效，经过故障排除，发现是静电放电导致的失效，目前半导体器件受静电放电作用而失效的情况十分普遍，寻找一个有针对性的分析方法十分重要。
目前针对半导体激光器的静电失效分析多集中于对其外部封装的分析，以及外部的分析。但外部的封装问题造成的静电失效并不是主要的失效原因，因此亟待找出静电对其有源层的作用情况，得到静电导致有源层失效的机理。而目前广泛采用的半导体激光器的结构是分别限制异质结量子阱激光器，这种结构决定了有源层被外面若干包层包住，因此给查明其失效情况带来了一定的困难，如何针对每种测试手段制作出相应的测试样品是失效分析的一个难点。
人体与半导体激光器接触时，由于人体带电，静电会转移到半导体激光器上，进而会导致静电通过器件放电；静电放电有电压高、电荷量小的特点，这种过程非常迅速，但是它引起的器件损伤却带有积累性，可以使器件由潜在性失效转移到突然失效，给器件的应用带来诸多不便。
发明内容
为有针对性的解决目前半导体激光器静电失效的问题，本发明提供一种半导体激光器静电失效分析方法，可以快速全面的检测出静电导致激光器有源层的失效情况，提出失效机理。
本发明提供的半导体激光器静电失效分析方法包括以下步骤：
步骤1、对半导体激光器从低电压到高电压逐级进行ESD测试，通过比较半导体激光器ESD测试前后的光电特性曲线判断该半导体激光器是否失效，并确定其失效等级；
步骤2、使用高倍光学显微镜对失效半导体激光器各部位进行外观失效检查，采集并存储异常部位的图像；
步骤3、借助SEM观察所述半导体激光器出光面的损伤细节，采集并储存相应的图像；
步骤4、对所述半导体激光器的有源层损伤情况进行测试。
可选地，所述光电特性曲线包括I-V、I-P特性曲线。
可选地，所述步骤1具体为：
为所述半导体激光器每加上一个等级的静电电压，测试其光电特性曲线，与ESD测试前该半导体激光器的光电特性曲线对照，若存在较大的偏离，则判定该半导体激光器已经失效，此时所加的静电电压等级即为该半导体激光器的失效等级。
可选地，其特征在于，所述静电电压等级根据GJB-548B失效阈值分为七个等级。
可选地，所述步骤2具体为：
用高倍光学显微镜对失效半导体激光器的各部位进行目检，首先对其外部封装进行检查，然后拆开管帽，检查所述半导体激光器的电极、引线是否断裂，焊层是否有空隙和断裂，焊料是否溢出污染出光面，出光面是否有明显损伤，采集并存储异常部位的图像。
可选地，所述步骤3具体为：
借助SEM观察所述半导体激光器的出光面是否存在由于大规模光学灾变(COD)造成的区域熔融损伤，采集并存储光面细节图像。
可选地，所述步骤4具体为：
将所述半导体激光器的包层去掉露出有源层，使用破坏性物理分析方法对所述半导体激光器有源层的损伤情况进行测试。
可选地，将所述半导体激光器的包层去掉露出有源层的步骤包括采用多种半导体工艺方法将管芯包层去掉，包括衬底减薄、湿法腐蚀、光刻、真空镀膜、引线键合，制作出测试样品。
可选地，其特征在于，所述步骤4中对所述半导体激光器的有源层损伤情况进行测试可采用以下测试手段中的一种或多种：微区电致发光图像(EL mapping)、电子束诱导感生电流(EBIC)、光致发光图像(PL)。
可选地，使用微区电致发光图像方法对所述半导体激光器的有源层损伤情况进行测试时，首先将所述半导体激光器的管芯P面朝下焊接在Si电极上，将衬底减薄到快要露出有源层的时候停止；然后在管芯的N面均匀蒸一层金电极，将光刻胶均匀的覆盖在管芯的N面和所述半导体激光器的出光面和三个侧面上，使用烘箱烘烤；然后光刻图形；腐蚀衬底，直到刚刚露出有源层时停止；去掉光刻胶；在P和N电极上各引出一根电极引线外接电源，给所述半导体激光器通低于其阈值电流的电，使所述半导体激光器的有源层发出荧光，在高倍光学显微镜下观察其有源层的发光情况，采集并存储相应的图像，判断是否存在缺陷。
本发明提供了一种半导体激光器静电失效分析方法，该方法可以快速全面的检测出静电导致激光器有源层的失效情况，提出失效机理，进而为了提高激光器的可靠性而得到相应的改进方案，对提高半导体激光器泵浦固体激光器的可靠性具有十分重要的意义。
附图说明
图1是本发明半导体激光器静电失效分析方法的流程图；
图2是针对测试手段做出的测试样品的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明半导体激光器静电失效分析方法的流程图，如图1所示，所述半导体激光器静电失效分析方法包括以下步骤：
步骤1、对半导体激光器从低电压到高电压逐级进行ESD测试，得到ESD测试之前和之后半导体激光器的光电特性曲线(I-P、I-V)，若测试前后光电特性曲线偏离较大则判别半导体激光器失效，并根据光电特性曲线偏离的程度确定失效的等级；
在本发明一实施例中，使用静电放电测试仪来对所述半导体激光器进行ESD测试。
所述步骤1具体为：
为所述半导体激光器每加上一个等级的静电电压，测试其光电特性曲线，与ESD测试前该半导体激光器的光电特性曲线对照，若存在较大的偏离，则判定该半导体激光器已经失效，此时所加的静电电压等级即为该半导体激光器的失效等级。
其中，所述静电电压等级根据GJB-548B失效阈值分级进行划分，具体分为七个等级，从0V到8000V以上。
步骤2、使用高倍数的光学显微镜对判断为失效的半导体激光器各部位进行外观失效检查，采集并存储异常部位的图像。
其中，所述外观失效包括但不限于以下一种或几种情况：明显的引线断裂、焊层断裂、焊料溢出、管芯损坏等。
其中，在进行外观失效检查时，常用开帽目检的方法，以观查其各部位的失效情况，具体为：首先对其外部封装进行检查，然后拆开管帽，检查所述半导体激光器的电极、引线是否断裂，焊层是否有空隙和断裂，焊料是否溢出污染出光面，出光面是否有明显损伤，采集并存储异常部位的图像。
步骤3、借助SEM观察所述半导体激光器出光面的损伤细节，采集并储存相应的图像；
所述步骤3具体为：
借助SEM观察所述半导体激光器的出光面是否存在由于大规模光学灾变(COD)造成的区域熔融损伤，采集并存储光面细节图像。
步骤4、对所述半导体激光器的有源层损伤情况进行测试；
在本发明一实施例中，将所述半导体激光器的包层去掉露出有源层，使用破坏性物理分析方法(DPA)对所述半导体激光器的有源层损伤情况进行测试。
所述步骤4中对所述半导体激光器的有源层损伤情况进行测试还可采用以下测试手段中的一种或多种：微区电致发光图像(EL mapping)、电子束诱导感生电流(EBIC)、光致发光图像(PL)，通过几种测试手段相结合，可以得到有源层真实的失效情况。
其中，将所述半导体激光器的包层去掉露出有源层的步骤包括采用多种半导体工艺方法结合起来将管芯包层去掉，包括衬底减薄、湿法腐蚀、光刻、真空镀膜、引线键合，制作出如图2所示结构的测试样品。
该步骤中，为了使用微区电致发光图像(EL mapping)测试所述半导体激光器，需要将失效半导体激光器制作成如图2所示结构的测试样品。
具体地，在使用微区电致发光图像(EL mapping)方法对所述半导体激光器的有源层损伤情况进行测试时，首先将所述半导体激光器的管芯P面朝下焊接在Si电极上，然后使用手工减薄衬底的方法将衬底减薄，此过程使用金刚砂进行研磨，研磨过程中注意保证表面的平整度，将衬底减薄到快要露出有源层的时候停止；
然后用真空镀膜机在管芯的N面均匀的蒸一层金电极，接下来用匀胶机将光刻胶均匀的覆盖在管芯的N面和所述半导体激光器的出光面以及其他三个侧面上，然后用烘箱烘烤30min；
光刻出如图2所示的图形；
针对不同衬底选择相应的腐蚀液，用湿法腐蚀的方法腐蚀衬底，直到刚刚露出有源层时停止；
使用丙酮去掉光刻胶；
如图2所示，用键合的方法在P和N电极上各引出一根电极引线，外接电源，给所述半导体激光器通低于其阈值电流的电，使所述半导体激光器的有源层发出荧光，在高倍光学显微镜下观察其有源层的发光情况，采集并存储相应的图像，若出现暗线或暗点，证明该处有缺陷。
若上述EL测试手段没有找到有源层的缺陷，则使用EBIC手段测试所述半导体激光器，测试样品的结构示意图如图2所示，该测试需借助SEM并通过给其配置一个电流放大器装置来完成。
作为补充测试手段可以使用PL手段，此时不需要给管芯键合引线，其他同图2所示，使用激光照射在所述半导体激光器的有源层，观察其光致发光情况采集并存储相应的图像。
综合以上测试手段的结果应该可以得出所述半导体激光器有源层的失效情况。
若扔未观察到任何失效情况，则需选择其他测试手段对失效的半导体激光器继续进行测试。
综上，根据本发明的技术方案可以找到失效半导体激光器有源层的失效模式，提出失效机理，进而通过改进器件的结构和材料来提高其可靠性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半导体激光器静电失效分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、对半导体激光器从低电压到高电压逐级进行ESD测试，通过比较半导体激光器ESD测试前后的光电特性曲线判断该半导体激光器是否失效，并确定其失效等级；
步骤2、使用高倍光学显微镜对失效半导体激光器各部位进行外观失效检查，采集并存储异常部位的图像；
步骤3、借助SEM观察所述半导体激光器出光面的损伤细节，采集并储存相应的图像；
步骤4、对所述半导体激光器的有源层损伤情况进行测试；
其中，对所述半导体激光器的有源层损伤情况进行测试采用微区电致发光图像方法进行，采用微区电致发光图像方法对所述半导体激光器的有源层损伤情况进行测试时，首先将所述半导体激光器的管芯P面朝下焊接在Si电极上，将衬底减薄到快要露出有源层的时候停止；然后在管芯的N面均匀蒸一层金电极，将光刻胶均匀的覆盖在管芯的N面和所述半导体激光器的出光面和三个侧面上，使用烘箱烘烤；然后光刻图形；腐蚀衬底，直到刚刚露出有源层时停止；去掉光刻胶；在P和N电极上各引出一根电极引线外接电源，给所述半导体激光器通低于其阈值电流的电，使所述半导体激光器的有源层发出荧光，在高倍光学显微镜下观察其有源层的发光情况，采集并存储相应的图像，判断是否存在缺陷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光电特性曲线包括I-V、I-P特性曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
为所述半导体激光器每加上一个等级的静电电压，测试其光电特性曲线，与ESD测试前该半导体激光器的光电特性曲线对照，若存在较大的偏离，则判定该半导体激光器已经失效，此时所加的静电电压等级即为该半导体激光器的失效等级。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述静电电压等级根据GJB-548B失效阈值分为七个等级。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
用高倍光学显微镜对失效半导体激光器的各部位进行目检，首先对其外部封装进行检查，然后拆开管帽，检查所述半导体激光器的电极、引线是否断裂，焊层是否有空隙和断裂，焊料是否溢出污染出光面，出光面是否有明显损伤，采集并存储异常部位的图像。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
借助SEM观察所述半导体激光器的出光面是否存在由于大规模光学灾变(COD)造成的区域熔融损伤，采集并存储光面细节图像。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
将所述半导体激光器的包层去掉露出有源层，使用破坏性物理分析方法对所述半导体激光器有源层的损伤情况进行测试。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述半导体激光器的包层去掉露出有源层的步骤包括采用多种半导体工艺方法将管芯包层去掉，包括衬底减薄、湿法腐蚀、光刻、真空镀膜、引线键合，制作出测试样品。
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