Chinese Optics, Volume. 15, Issue 4, 722(2022)
Electrostatic discharge failure characteristics of oxide vertical cavity surface emitting lasers
Fig. 1. Typical test circuit models of an ESD. (a) HBM; (b) MM; (c) CDM and (d) corresponding current waveforms
Fig. 2. (a) Comparison of L-I-V curve before and after forward HBM shock. Inset is an EMMI image under 700 V impulse voltage. (b) PV-TEM, the insert is an enlarged view of the white dotted part and (c) XS-TEM after forward HBM shock under 700 V impulse voltage, the insert is XS-TEM near the oxide tip of sample without an ESD shock
Fig. 3. (a) Comparison of L-I-V curve before and after reverse HBM shock. The insert is an EMMI image under 180 V impulse voltage. (b) PV-TEM and (c) XS-TEM after reverse HBM shock under 180 V impulse voltage
Fig. 4. (a) Comparison of L-I-V curve before and after forward/reverse HBM shock. The insert is an EMMI image under 160 V impulse voltage. (b) PV-TEM and (c) XS-TEM after forward/reverse HBM shock under an 160 V impulse voltage
Fig. 5. (a) Comparison of L-I-V curve before and after MM shock. The insert is an EMMI image under a damaging impulse voltage. (b) PV-TEM and (c) XS-TEM after MM shock
Fig. 6. (a) Comparison of L-I-V curve before and after CDM shock. The insert is an EMMI image under a 2000 V impulse voltage; (b) PV-TEM and (c) XS-TEM after CDM shock
Fig. 7. (a) Comparison of L-I-V curve before and after EOS shock. The inset is an EMMI image under a 45 mA 960 s surge; (b) PV-TEM and (c) XS-TEM after EOS shock under a 45 mA 960 s surge. The inserts are partial enlarged views.
Table 1. Summary of failure characteristics corresponding to different ESD models in oxide VCSELs
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ESD模式 损伤阈值 光电特性 EMMI和TEM失效特征 可能的失效机理 正向HBM 700 V 出光功率逐渐下降，阈值小幅度增加，反向漏电不变，高电流下电压微降 EMMI无亮点；器件内部无集中的击穿位错，在氧化孔边缘出现位错，有源区未出现明显的损伤 焦耳热产生的过量热应力导致在应力集中的氧化尖端出现位错； 氧化层对该ESD模式的脉冲表现为电阻特性 反向HBM −180 V 出光功率快速下降，阈值增加，反向漏电变大，正向I-V特性无明显变化 EMMI有亮点，和TEM集中的击穿位错位置吻合；比正向HBM模式的位错密度高，击穿位错出现在靠近氧化孔边缘的出光孔内，有源区出现局部融合现象，DBR中含高镓层的缺陷较为严重 隧道击穿效应； 氧化层对该ESD模式的脉冲表现为电阻特性 正/反向HBM ±160 V 出光功率快速下降，阈值增加，反向漏电变大，高电流下电压微增 EMMI有亮点，和TEM集中的击穿位错位置吻合；与反向HBM失效特征相似，位错大小为微米量级，氧化孔边缘和有源区出现永久性损伤 隧道击穿和热的累积效应； 氧化层对该ESD模式的脉冲表现为电阻特性 MM 50 V 出光功率快速下降，阈值增加，反向漏电变大，正向电压增加 EMMI有亮点，和TEM集中的击穿位错位置吻合；氧化孔边缘的两侧出现大量位错，直径大小为数百纳米量级。位错从氧化层以上延伸到有源区，高镓含量层位错密度较高。有时会出现轻微的氧化层介质击穿现象 隧道击穿效应； 氧化层相对于该ESD模式的脉冲表现为部分电容特性部分电阻特性 CDM 2000 V L-I-V特性基本不变，高电流时出光功率微降，阈值不变，反向漏电微增，正向电压下降 EMMI无亮点；器件内部无集中的击穿位错，整个氧化层出现介质击穿，分布在氧化孔的周围，并呈现出环状图案。在氧化孔边缘和有源区未观察到明显的缺陷 介质击穿； 氧化层相对于该ESD模式的脉冲等效为电容特性 EOS / 出光功率逐渐下降，阈值增加，反向漏电增大，正向电压下降 EMMI无亮点；器件内部无集中的击穿位错，高电流密度的应力驱动下，氧化孔边缘出现暗点缺陷和分层现象 焦耳热产生的过量热应力
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Yu-qi ZHANG, Qiang KAN, Jia ZHAO. Electrostatic discharge failure characteristics of oxide vertical cavity surface emitting lasers[J]. Chinese Optics, 2022, 15(4): 722
Category: Original Article
Received: Dec. 20, 2021
Accepted: Mar. 23, 2022
Published Online: Sep. 6, 2022
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