有色金属材料与工程 0年第41卷 32GaN基激光器的静电损伤 34GaN基激光器的芯片退化 静电损伤是使电子器件产生失效的原因之 激光器的芯片退化是最常见的激光器退化的 半导体激光器在生产、测试、运输及存储过程中,由原因。激光器的芯片退化常发现于寿命较长的激光 于材料以及仪器设备和使用者之间发生摩擦产生器中,内部的缺陷是导致其退化的主要原因。传统 高达几千伏的静电电压,致使激光器发生失效。静的激光器芯片退化的缺陷主要有:点缺陷和位错, 电损伤造成的半导体激光器的失效通常具有以下如GaAs基激光器。GaN基激光器的芯片缺陷有点 模式:(1)突发性失效,通常会产生多个电参数的突缺陷和穿透位错,如图7所示。 然失常,失去正常工作功能,如开路、短路等;(2)潜 在性失效,当带电体的电势较低时,一次静电释放 不足使激光器发生突发性失效,但仍会对器件产生 轻微损伤,这种损伤会积累下来,随着静电释放次 数的增加,器件的电参数会逐渐劣化,最终彻底失 效。为保证激光器的正常工作需要对静电损伤的进 行防护 33GaN基激光器的腔面退化 激光器中含有谐振腔,激光器在工作时,内部谐 振腔的可靠性对激光器的可靠性起着十分重要的 图7TEM观察到的短节状位错线 作用。工作中的激光器,其谐振腔的温度和光场相Fig7 Short segment dislocation lines observed by tEM 对较高,容易使激光器的腔面发生退化。腔面的退 GaN基激光器早期生长衬底为蓝宝石,这使得 化可分为两种:(1)突变性损伤;(2)缓慢性损芯片内部会有大的穿透位错,严重影响激光器的使 伤。二者导致的结果相同,但退化的原因不同。突芯 用寿命。后使用外延技术生长的GaN基激光器很 变型损伤通常是光输出密度较高,致使局部受热严好的降低了位错密度,是激光器的寿命达到了 重使腔面发生氧化,以及产生缺陷,造成腔面损伤;15000h。2006年 Nagahama等圆对生长在GaN衬 较高的光输出密度也会使增加腔面的光吸收,导致底上和SC衬底上的激光器进行对比,观察到激光 局部升温,引发局部融化,最终形成腔面损伤。缓慢 器有源区非辐射复合中心会随着穿透位错的密度 性损伤通常是由于器件的使用时间不断增加,腔面降低而降低,寿命随穿透位错密度降低而延长。 出的缺陷不断增加,使腔面附近产热变多,增加的Rost等在2008年对用分子束外延方式生长 产热进一步促使缺陷增加,如此反复累积最终导的激光器进行退化研究时,发现有源区附近会产生 致腔面退化损伤。此外,如图6所示,激光器的工位错,通过微区光致发光光谱( photoluminescence 作环境也会导致激光器发生腔面退化如潮湿的 spectroscopy, P)观察发现位错并未在其他区域分 环境 布,他们认为位错的产生致使非辐射复合中心的浓 度增加,是影响寿命的原因。2010年, Meneghini团 队对激光器和LED退化情况进行对比发现, 者退化规律相同,得出激光器退化与脊型结构无 关。该团队咧还对激光器工作环境与激光器退化 的关系研究得出:(1)激光器失效率正比于激光器 注入电流;(2)温度会加速激光器的退化,但不影响 其退化特征;(3)激光器的退化基本不受外部光场 的影响。 Takeya等向研究发现激光器的退化和缺 陷扩散有关,但并未确认缺陷的类型。 Meneghini 图6在水蒸气环境下工作的半导体激光器的 SEM图 团队在2014年对激光器使用微区PL和阴极荧光 Fig 6 SEM image of the semiconductor laser working 光谱( cathodoflurescent spectroscopy,CL)分析,发现 in water vapor atmosphere 退化后的有源区出现了PL和CL发光变弱现象,3.2 GaN 基激光器的静电损伤 静电损伤是使电子器件产生失效的原因之一。 半导体激光器在生产、测试、运输及存储过程中，由 于材料以及仪器设备和使用者之间发生摩擦产生 高达几千伏的静电电压，致使激光器发生失效。静 电损伤造成的半导体激光器的失效通常具有以下 模式：（1）突发性失效，通常会产生多个电参数的突 然失常，失去正常工作功能，如开路、短路等；（2）潜 在性失效，当带电体的电势较低时，一次静电释放 不足使激光器发生突发性失效，但仍会对器件产生 轻微损伤，这种损伤会积累下来，随着静电释放次 数的增加，器件的电参数会逐渐劣化，最终彻底失 效。为保证激光器的正常工作需要对静电损伤的进 行防护[33]。 3.3 GaN 基激光器的腔面退化 激光器中含有谐振腔，激光器在工作时，内部谐 振腔的可靠性对激光器的可靠性起着十分重要的 作用。工作中的激光器，其谐振腔的温度和光场相 对较高，容易使激光器的腔面发生退化。腔面的退 化可分为两种 ： （ 1）突变性损伤 ； （ 2）缓慢性损 伤。二者导致的结果相同，但退化的原因不同。突 变型损伤通常是光输出密度较高，致使局部受热严 重，使腔面发生氧化，以及产生缺陷，造成腔面损伤； 较高的光输出密度也会使增加腔面的光吸收，导致 局部升温，引发局部融化，最终形成腔面损伤。缓慢 性损伤通常是由于器件的使用时间不断增加，腔面 出的缺陷不断增加，使腔面附近产热变多，增加的 产热进一步促使缺陷增加，如此反复累积，最终导 致腔面退化损伤。此外，如图 6 所示[34] ，激光器的工 作环境也会导致激光器发生腔面退化，如潮湿的 环境。 3.4 GaN 基激光器的芯片退化 激光器的芯片退化是最常见的激光器退化的 原因。激光器的芯片退化常发现于寿命较长的激光 器中，内部的缺陷是导致其退化的主要原因。传统 的激光器芯片退化的缺陷主要有：点缺陷和位错， 如 GaAs 基激光器。GaN 基激光器的芯片缺陷有点 缺陷和穿透位错，如图 7 所示[35]。 GaN 基激光器早期生长衬底为蓝宝石，这使得 芯片内部会有大的穿透位错，严重影响激光器的使 用寿命。后使用外延技术生长的 GaN 基激光器很 好的降低了位错密度 ，是激光器的寿命达到了 15 000 h。2006 年，Nagahama 等 [36] 对生长在 GaN 衬 底上和 SiC 衬底上的激光器进行对比，观察到激光 器有源区非辐射复合中心会随着穿透位错的密度 降低而降低，寿命随穿透位错密度降低而延长。 Rossetti 等 [37] 在 2008 年对用分子束外延方式生长 的激光器进行退化研究时，发现有源区附近会产生 位错，通过微区光致发光光谱（ photoluminescence spectroscopy, PL）观察发现，位错并未在其他区域分 布，他们认为位错的产生致使非辐射复合中心的浓 度增加，是影响寿命的原因。2010 年，Meneghini 团 队 [38] 对激光器和 LED 退化情况进行对比发现，二 者退化规律相同，得出激光器退化与脊型结构无 关。该团队[39] 还对激光器工作环境与激光器退化 的关系研究得出：（1）激光器失效率正比于激光器 注入电流；（2）温度会加速激光器的退化，但不影响 其退化特征；（3）激光器的退化基本不受外部光场 的影响。Takeya 等 [40] 研究发现激光器的退化和缺 陷扩散有关，但并未确认缺陷的类型。Meneghini 团队在 2014 年对激光器使用微区 PL 和阴极荧光 光谱（cathodoflurescent spectroscopy, CL）分析，发现 退化后的有源区出现了 PL 和 CL 发光变弱现象， 图 6 在水蒸气环境下工作的半导体激光器的 SEM 图 [34] Fig. 6 SEM image of the semiconductor laser working in water vapor atmosphere[34] g 100 nm 图 7 TEM 观察到的短节状位错线[35] Fig. 7 Short segment dislocation lines observed by TEM[35] 58 有 色 金 属 材 料 与 工 程 2020 年 第 41 卷