真空回流焊爐/真空焊接爐——半導(dǎo)體激光器失效分析

上文在《真空回流焊爐/真空焊接爐——半導(dǎo)體激光器封裝》中我們提到，半導(dǎo)體激光器作為一種基礎(chǔ)的光電子器件，在所有激光器種類中，半導(dǎo)體激光器占比達(dá)99%，在光電子技術(shù)行業(yè)中應(yīng)用廣泛。可靠性是半導(dǎo)體激光器應(yīng)用中的一個(gè)重要問題，本文將探討半導(dǎo)體激光器的失效模式和機(jī)理，幫助感興趣的朋友了解并能預(yù)防半導(dǎo)體激光器失效的問題。

半導(dǎo)體激光器失效分為三種形式：
（1）快速失效：在恒定驅(qū)動(dòng)電流工作條件下，半導(dǎo)體激光器的輸出光功率在較短時(shí)間內(nèi) （100 小時(shí)內(nèi)）下降得很快，功率降為初始的一半甚至更小。這主要是因?yàn)閮?nèi)部非輻射復(fù)合區(qū)域的形成，如暗線缺陷或暗點(diǎn)缺陷。
（2）突然失效：半導(dǎo)體激光器在工作時(shí)突然無輸出，這種失效大多是元件有缺陷造成的，如電流電壓過載、電極退化、災(zāi)變光學(xué)損傷等。
（3）緩慢失效：半導(dǎo)體激光器在恒定驅(qū)動(dòng)電源工作下，輸出的光功率隨著時(shí)間的推移慢慢減小，常表現(xiàn)為有源區(qū)出現(xiàn)均勻暗化或暗點(diǎn)缺陷。

通過對(duì)半導(dǎo)體激光器失效的分析，總結(jié)了以下幾種失效模式：
（1）有源區(qū)退化：有源區(qū)的退化有兩種情況，一種是均勻退化，屬于緩慢失效；一種是形成了暗線或暗點(diǎn)缺陷，導(dǎo)致激光器快速失效。這些缺陷是位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的形成和不斷擴(kuò)大導(dǎo)致的。由于有源區(qū)發(fā)生退化，非輻射復(fù)合區(qū)擴(kuò)大，從而引起量子效率和電流閾值降低。

（2）腔面退化：不同于其它微電子器件，腔面退化是激光器獨(dú)有的失效模式。腔面退化又分為腔面災(zāi)變光學(xué)損傷和化學(xué)腐蝕。當(dāng)芯片制造工藝均勻性或一致性較差時(shí)，激光器有源區(qū)材料內(nèi)含有的Al（鋁）或In（銦）元素會(huì)在高功率工作環(huán)境下發(fā)生熔化或是再結(jié)晶，這會(huì)導(dǎo)致腔面出現(xiàn)雜質(zhì)或是缺陷，從而使該區(qū)域的溫度不斷升高，表面態(tài)復(fù)合增多，增加對(duì)光的吸收。腔面對(duì)光吸收后會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，隨著電子空穴對(duì)的產(chǎn)生，非輻射復(fù)合不斷增強(qiáng)，從而使溫度不斷升高。溫度的升高會(huì)使材料帶隙減小，端面的電流密度繼續(xù)增大，促進(jìn)光的進(jìn)一步吸收，從而產(chǎn)生惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致災(zāi)變光學(xué)損傷。

（3）電極退化：電極退化通常發(fā)生在金屬與半導(dǎo)體材料的交界面。焊料在擴(kuò)散作用下擴(kuò)散進(jìn)了半導(dǎo)體內(nèi)部形成了缺陷結(jié)構(gòu)，在大電流的作用下，缺陷位置持續(xù)積累熱量，最終導(dǎo)致附近的金屬化層被燒毀。

（4）歐姆接觸：如果芯片和焊料存在較大的熱失配，在焊接或工作時(shí)會(huì)導(dǎo)致激光器的材料界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而引起焊料開裂或芯片裂損。在焊接激光器時(shí)，如果芯片和焊料間存在焊接空隙，會(huì)導(dǎo)致激光器發(fā)生失效，同時(shí)焊接中的焊料溢出也易導(dǎo)致PN結(jié)短路。
（5）端面絕緣層失效：芯片端面未鍍膜或是鍍膜質(zhì)量不好，焊料會(huì)沿著端面浸潤(rùn)到芯片的另一極從而引起短路，導(dǎo)致激光器失效。特別是當(dāng)大電流注入后，會(huì)產(chǎn)生高溫，在這種環(huán)境下，焊料易形成晶須，從而導(dǎo)致PN結(jié)短路。
（6）環(huán)境污染：灰塵、水汽、離子污染物等顆粒進(jìn)入半導(dǎo)體激光器內(nèi)部后，會(huì)附著在芯片表面，導(dǎo)致芯片短路或斷路，最終造成器件失效。

通過以上對(duì)半導(dǎo)體激光器失效模式的簡(jiǎn)單整理和介紹，相信大家對(duì)此有了基本的認(rèn)識(shí)。此外，還可通過光致發(fā)光技術(shù)、陰極發(fā)光技術(shù)、電致發(fā)光技術(shù)、紅外熱成像、微光顯微鏡這5種技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行分析和檢測(cè)，5種檢測(cè)手段的原理各不相同，在檢測(cè)技術(shù)難度、樣品制備方式、檢測(cè)所需時(shí)間、檢測(cè)費(fèi)用、檢測(cè)類型等方面上都有較大的差異，需要客戶綜合考慮并選出最合適的檢測(cè)方式，在這里我們不過多贅述，若感興趣的人較多我們可以之后再出文章介紹。

通過上面的分析可以看出，半導(dǎo)體激光器大多數(shù)失效問題如果在制造過程中的封裝階段做好了就可以避免，具體的注意事項(xiàng)可以移步《真空回流焊爐/真空焊接爐——半導(dǎo)體激光器封裝》，里面做了詳細(xì)的介紹，還有我司為客戶焊接的激光器打樣結(jié)果可供參考，希望對(duì)您有所幫助。

關(guān)于半導(dǎo)體激光器失效分析的介紹就到這里，若有不當(dāng)之處歡迎各位朋友予以指正和指教；若與其他原創(chuàng)內(nèi)容有雷同之處，請(qǐng)與我們聯(lián)系，我們將及時(shí)處理。我司的真空回流焊爐/真空焊接爐可滿足半導(dǎo)體激光器焊接的要求，同時(shí)搭載我司持有的“正負(fù)壓焊接工藝”專利，共晶空洞率可達(dá)到＜1%，如您感興趣，可與我們聯(lián)系共同討論，或前往我司官網(wǎng)了解。

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