







数据通信、光模块、激光雷达、3D 传感……这些场景背后,都有同一种关键器件在忙碌工作:VCSEL(垂直腔面发射激光器)。相比传统的边发射激光器,VCSEL 出光方向垂直于衬底、阈值电流低、易于做成二维阵列,被广泛用在并行光模块和短距光互连里。
最近我们分析了一组典型的 VCSEL 光模块失效案例:12 路并行模块在老化后出现单通道不发光。下面把整个排查思路展开,看看一颗"罢工"芯片是如何被一步步找出来的。
1.外观检查
对失效样品进行外观检查。
未发现样品外观有破损碰撞痕迹。
样品外观图片
2.X-ray 透视
开盖之前对失效样品进行X-ray检查。
未发现失效样品内部存在结构异常,键合线未发现断裂。
样品 X-ray 透视照片
3.点亮分析
利用机械方式打开模块外壳,露出内部 12 路 VCSEL 芯片;按委托方原始供电方式给模块加电,定位具体不发光通道;用探针配合万用表测量各通道 VCSEL 芯片的正向压降 Vf。
142 样品:不发光通道 CH5 的 Vf = 1.951 V,相邻正常通道 1.822 V~1.825 V,差值约 0.13 V;
142样品加电CH5(不发光) VCSEL 芯片正向压降1.951V
025 样品:不发光通道 CH9 的 Vf = 1.866 V,相邻正常通道 1.790 V~1.796 V,差值约 0.07 V;
025样品加电时CH9(不发光)VCSEL芯片正向压降1.866V
同一模块正常发光通道之间 Vf 个体差异不超过 0.01 V;
12 路为 VCSEL 并联连接、恒流驱动,可以认为各路电流相同——因此 Vf 高出 0.07 V~0.13 V 直接说明失效通道 VCSEL 芯片自身的阻抗比正常芯片大。
驱动回路到芯片的连接是完好的,芯片本体静态电阻略高,失效点不在外围电路而在 VCSEL 芯片本身。
4.内部目检
在光学显微镜下观察 VCSEL 芯片表面是否存在损伤和异物附着。
142样品失效CH5通道VCSEL芯片未发现表明损伤,但表面有些污迹;
142样品CH5 VCSEL 芯片及驱动IC端照片
其他正常发光通道VCSEL芯片也发现有些许污迹,说明表面附着污迹不是失效原因。
142样品CH8~CH12 VCSEL 芯片及驱动IC端照片
5.I-V 测试
为检查不发光通道 VCSEL 芯片 I-V 特性是否发生变化,对比正常发光通道进行 I-V 特性测试。
不发光通道 VCSEL 芯片 I-V 特性曲线与正常发光通道 VCSEL 芯片没有明显差异,现有晶体管图示仪难以分辨。
142样品VCSEL芯片I-V特性曲线(蓝色为正常发光通道CH1、红色为不发光通道CH5)
失效通道的 P-N 结基础电学特性还处于"看似正常"的范围,这把失效原因进一步锁定到发光机制层面——量子阱或光学腔出问题了。
6.定位分析
VCSEL 正常工作时,一部分电能转成光能,剩下转为热能;不发光的VCSEL芯片没有将电能转换为光能,那么它应该产生更多的热能;为此使用Thermal EMMI热定位对失效通道VCSEL芯片进行分析。
Thermal EMMI(热发光显微):对失效通道 VCSEL 芯片加电(同点亮测试),结果显示失效 VCSEL 芯片(142 样品的 CH5、025 样品的 CH9)出光口热点亮度比正常 VCSEL 芯片明显更高,热点位置与失效单元位置完全重合——印证失效通道的电能确实全部转为热。
025样品Thermal EMMI定位照片
考虑到失效VCSEL芯片的发光有源区量子阱可能失活,尝试使用OBIRCH(光束诱导电阻变化)进行定位。
OBIRCH(光束诱发电阻变化):用激光扫描芯片表面,当被照射点的电阻发生变化时图像呈现灰度变化。结果显示失效通道 VCSEL 芯片出光孔在激光照射时电阻不发生变化或变化微弱,而正常通道 VCSEL 芯片出光孔在激光照射时电阻变化明显。
025样品CH9(失效通道)、CH10(正常通道)VCSEL芯片OBIRCH照片
失效通道的有源区量子阱结构可能发生了变化,接下来的分析就可以有目的地转向物理切片。
7.FIB + SEM
使用聚焦离子束FIB对142样品CH5 VCSEL芯片进行纵向切片,切片在扫描电子显微镜SEM下观察。
142 样品 CH5 VCSEL 芯片发光平台 mesa 边缘蚀刻有残留凸起,蚀刻边缘梯度非连续;
142样品CH5(失效VCSEL)FIB切片照片
切片显示氧化层包括氧化窗口边缘没有击穿和熔融再结晶形貌。
排除VCSEL芯片因ESD及EOS失效,芯片不是被电流烧坏的,是工艺层面的"先天瑕疵"在老化过程中被放大的。
8.TEM + EDS
为了进一步找到失效根源,使用透射电子显微镜 TEM 对 025 样品的 CH9 VCSEL 芯片进行有源区量子阱层、氧化层以及上下若干层 DBR(分布式布拉格反射层)的横截面薄切片分析。
TEM 观察:025 样品不发光的 CH9 VCSEL 芯片氧化窗口布满树枝状爬行位错,即柏氏矢量 <100> 位错。位错的起源点位于发光平台 mesa 的边缘,从 mesa 边缘向氧化孔中心生长,到达氧化窗口后扩展成面覆盖整个氧化窗口,导致量子阱失活。
025样品CH9(不发光)VCSEL芯片有源区薄切片TEM照片
EDS 分析(位错源头 mesa 边缘处):面扫描结果显示 O 元素面图显示底部富 O 区域,应是氧化层边缘;对位错源头区域做 EDS 面扫描,Al/As/Ga 元素的面图都没有呈现位错网络的树枝状形貌,说明位错的生长是本征原子迁移的填隙运动,而非杂质富集。
025样品薄切片氧化窗口EDS面扫描结果
到这里,失效机理链逐渐清晰:mesa 边缘的氧化层暴露 → 产生缺陷源头 → 老化条件下沿有源区横向扩展成面状位错网络 → 量子阱失活。
9.失效机理
VCSEL芯片蚀刻工艺不良导致mesa平台边缘氧化层暴露,氧化层与p-DBR界面边缘产生缺陷。缺陷在老化条件下从mesa边缘向氧化孔中心生长,到达氧化窗口后扩展成面覆盖整个氧化窗口,导致量子阱失活。
改进建议
改善蚀刻工艺使mesa平台边缘从p-DBR到n-DBR梯度过渡连续,消除边缘缺陷。
10.写在最后
VCSEL 的可靠性问题,很多时候不是发生在芯片“中心”,而是藏在工艺“边缘”。
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