真空回流焊/真空共晶炉——半导体激光器失效分析

上文在《真空回流焊/真空共晶炉——半导体激光器封装》中我们提到，半导体激光器作为一种基础的光电子器件，在所有激光器种类中，半导体激光器占比达99%，在光电子技术行业中应用广泛。可靠性是半导体激光器应用中的一个重要问题，本文将探讨半导体激光器的失效模式和机理，帮助感兴趣的朋友了解并能预防半导体激光器失效的问题。

图1.半导体激光器示意图

半导体激光器失效分为三种形式：

（1）快速失效：在恒定驱动电流工作条件下，半导体激光器的输出光功率在较短时间内 （100 小时内）下降得很快，功率降为初始的一半甚至更小。这主要是因为内部非辐射复合区域的形成，如暗线缺陷或暗点缺陷。

（2）突然失效：半导体激光器在工作时突然无输出，这种失效大多是元件有缺陷造成的，如电流电压过载、电极退化、灾变光学损伤等。

（3）缓慢失效：半导体激光器在恒定驱动电源工作下，输出的光功率随着时间的推移慢慢减小，常表现为有源区出现均匀暗化或暗点缺陷。

图2.半导体激光器三种失效形式下驱动电流与时间关系

通过对半导体激光器失效的分析，总结了以下几种失效模式：

（1）有源区退化：有源区的退化有两种情况，一种是均匀退化，属于缓慢失效；一种是形成了暗线或暗点缺陷，导致激光器快速失效。这些缺陷是位错网络的形成和不断扩大导致的。由于有源区发生退化，非辐射复合区扩大，从而引起量子效率和电流阈值降低。

图3.暗线缺陷

图4.暗点缺陷

（2）腔面退化：不同于其它微电子器件，腔面退化是激光器独有的失效模式。腔面退化又分为腔面灾变光学损伤和化学腐蚀。当芯片制造工艺均匀性或一致性较差时，激光器有源区材料内含有的Al（铝）或In（铟）元素会在高功率工作环境下发生熔化或是再结晶，这会导致腔面出现杂质或是缺陷，从而使该区域的温度不断升高，表面态复合增多，增加对光的吸收。腔面对光吸收后会产生电子空穴对，随着电子空穴对的产生，非辐射复合不断增强，从而使温度不断升高。温度的升高会使材料带隙减小，端面的电流密度继续增大，促进光的进一步吸收，从而产生恶性循环，最终导致灾变光学损伤。

图5.造成灾变光学损伤的流程

而腔面的化学腐蚀主要是指光化学腐蚀导致腔面发生氧化，在腔面产生点缺陷。

（3）电极退化：电极退化通常发生在金属与半导体材料的交界面。焊料在扩散作用下扩散进了半导体内部形成了缺陷结构，在大电流的作用下，缺陷位置持续积累热量，最终导致附近的金属化层被烧毁。

图6.被烧毁点示意图

（4）欧姆接触：如果芯片和焊料存在较大的热失配，在焊接或工作时会导致激光器的材料界面产生应力集中，进而引起焊料开裂或芯片裂损。在焊接激光器时，如果芯片和焊料间存在焊接空隙，会导致激光器发生失效，同时焊接中的焊料溢出也易导致PN结短路。

（5）端面绝缘层失效：芯片端面未镀膜或是镀膜质量不好，焊料会沿着端面浸润到芯片的另一极从而引起短路，导致激光器失效。特别是当大电流注入后，会产生高温，在这种环境下，焊料易形成晶须，从而导致PN结短路。

（6）环境污染：灰尘、水汽、离子污染物等颗粒进入半导体激光器内部后，会附着在芯片表面，导致芯片短路或断路，最终造成器件失效。

通过以上对半导体激光器失效模式的简单整理和介绍，相信大家对此有了基本的认识。此外，还可通过光致发光技术、阴极发光技术、电致发光技术、红外热成像、微光显微镜这5种技术对缺陷进行分析和检测，5种检测手段的原理各不相同，在检测技术难度、样品制备方式、检测所需时间、检测费用、检测类型等方面上都有较大的差异，需要客户综合考虑并选出最合适的检测方式，在这里我们不过多赘述，若感兴趣的人较多我们可以之后再出文章介绍。

通过上面的分析可以看出，半导体激光器大多数失效问题如果在制造过程中的封装阶段做好了就可以避免，具体的注意事项可以移步《真空回流焊/真空共晶炉——半导体激光器封装》，里面做了详细的介绍，还有我司为客户焊接的激光器打样结果可供参考，希望对您有所帮助。

图7.我司设备示意图

关于半导体激光器失效分析的介绍就到这里，若有不当之处欢迎各位朋友予以指正和指教；若与其他原创内容有雷同之处，请与我们联系，我们将及时处理。我司的真空回流焊/真空共晶炉可满足半导体激光器焊接的要求，同时搭载我司持有的“正负压焊接工艺”专利，共晶空洞率可达到＜1%，如您感兴趣，可与我们联系共同讨论，或前往我司官网了解。