摘要：
本文开展了芯片贴装 （COS） 的蓝光半导体激光芯片电流加速老化试验，分析了典型蓝光激光芯片的性能退化行为。老化初期芯片输出功率增大，然后发生快速衰减直至为零，光谱发生展宽且中心波长红移。针对老化失效的蓝光激光芯片，采用微光显微镜 （EMMI）、阴极发光 （CL） 和激光共聚焦显微镜等光学检测方法进行表征。结果表明，LD1 和 LD2 失效芯片的出光腔面发光微弱，载流子非辐射复合增强；芯片腔面有不规则大小的烧孔，发生了腔面光学灾变损伤，导致芯片失效。此外，EMMI 和 CL 可对芯片波导和出光腔面进行表征，两者结合可以更高效地对半导体激光芯片进行失效定位。该检测方法对半导体激光器的失效分析具有一定借鉴意义。
引 言
随着第三代半导体材料的突破，蓝光半导体激光器凭借其短波长、高效率和高稳定性等特点，在激光显示、高密度存储、生物医疗及工业加工等领域展现出不可替代的优势[1-3]。其高光子能量对 Cu 等高反射材料的吸收率可达到红外激光的 10倍以上，可实现无飞溅、低孔隙率的精密加工[4-7]。然而，随着蓝光半导体激光芯片的功率不断攀升，热效应愈发显著，激光器腔面光学灾变和有源区缺陷引发的失效，已成为影响其寿命和稳定性的核心因素[8-12]。蓝光半导体激光芯片的可靠性问题已成为限制其发展的主要瓶颈。
近年来，光学检测技术被广泛应用于半导体激光器缺陷的检测与失效分析研究[13-16]。研究人员通过系统性研究 AlGaInP、AlGaAs 和InGaN 等多种材料体系的半导体激光器可靠性，揭示了灾变性光学损伤 （COD：Catastrophic Optical Damage）、暗线缺 陷 及 量 子 限 制 斯 塔 克 效 应 等 失 效 机 制 。Sanayeh 等[17]通过显微光致发光和阴极发光 （CL：Cathodoluminescence） 表征技术研究了 AlGaInP 激光器的失效原因，发现 COD 产生了暗线缺陷，该缺陷从腔面向出光面延伸，并局限于有源区，且呈非晶态。Martin 等[18]建立了AlGaAs 基激光器快速退化模型，CL 表征结果表明腔面缺陷因热应力导致塑性形变，验证了局部高温引起的腔面烧毁。Qiao 等[19]分析了AlGaAs/GaAs 激光器空间烧孔退化机制，CL 表征结果表明暗线缺陷与周期性载流子分布相关。
COD 是大 功 率 半 导 体 激 光 器 的 主 要 失 效 模式[20-22]。Wen 等[23]研究了 GaN 蓝光半导体激光器的退化模式，结果表明，早期失效的 LDs 是由于局部结构发生了热损伤，且形成了 Ga 金属。Gong等[24]在研究中指出，光输出功率下降、腔面产生光吸收和腔面温度上升过程构成的正反馈循环最终导致了 COD 的爆发。相关研究表明，缺陷位置在发生 COD 后会沿着有源区或谐振腔蔓延，且持续时间为几微秒到几毫秒[25-27]。基于 CL 和电致发光（EL： Electroluminescent） 表征 ， Hempel 等[28] 和Dadgostar 等[29]分析了 GaN 基蓝绿光激光器的失效原因，揭示了 COD 区域暗线缺陷的非晶态特征及其沿腔面垂直扩展的规律。
本文 对 芯 片 贴 装 （COS：Chip on Submount）的蓝光半导体激光芯片开展了加速老化试验，分析了典型蓝光激光芯片的性能退化特性。针对老化失效的蓝光半导体激光芯片，采用微光显微镜（EMMI：Emission Microscope）、激光共聚焦显微镜和 CL 等光学表征技术，分析了各表征技术的特点，进而揭示了蓝光激光芯片的失效原因。
1 总体方案设计
1.1 器件结构
GaN 基蓝光半导体激光芯片通过金属化学气相沉积法外延生长，其外延结构由下至上依次为：n-GaN 衬底、n-AlGaN 下限制层、n-InGaN 下波导层、InGaN/GaN 多量子阱有源区、非故意掺杂的GaN 上波导层、p-AlGaN 电子阻挡层及 p-GaN 接触层，如图 1a 所示。横向结构通过干法刻蚀形成 3~5 μm 宽脊型波导，刻蚀深度延伸至 p-AlGaN 限制层，两侧覆盖厚度为 200 nm 的 SiO2绝缘层，从而实现光场和电流路径限制，然后生长 n 形及 p 形电极。蓝光半导体激光芯片采用倒装封装技术，通过 AuSn 共晶焊料键合至 SiC 热沉，即 COS 封装，结构如图 1b 所示。
1.2 试验设计
本研究对 COS 封装的蓝光半导体激光芯片开展了加速电流老化试验，以验证激光器长期工作的可靠性。首先开展激光器电流应力摸底试验，加速老化应力的选择既要有效缩短试验时间，又要确保失效机制与实际使用条件一致。激光器正常工作电流应力为 3 A，随机选取 3 颗激光器，采用加速电流应力 3.5、4.0、4.5 A 开展 48 h 摸底试验。结果显示，激光器输出功率基本无退化，说明激光芯片在 3 种加速应力下的失效机制一致。
为缩短试验时间，本试验选取加速电流应力为 4.5 A，采用恒电流老化模式，通过闭环水冷装置将热沉温度稳定控制在(25±0.5) ℃，5 颗激光器的老化时间为 500 h。试验过程中实时监测激光器相对输出功率、串联电压和中心波长，失效判据设定为试验前后相对输出功率变化大于 50%。试验结束后，选取典型的蓝光半导体激光芯片进行失效分析，采用 EMMI、CL 及激光共聚焦显微镜等光学表征手段，分析激光芯片失效机理。
2 结果与讨论
2.1 蓝光激光器退化特性
经过 500 h 加速 电 流 老 化 后 ， 5 颗激 光 芯 片（LD1~LD5） 全部发生失效，其相对功率随老化时间的变化如图 2 所示。器件在老化初期输出功率有所增大，随后发生快速衰减。考虑到芯片为同一生产批次，且为降低成本，选取 LD1 和 LD2 进行退化特性和失效机理分析。与未老化的正常激光器相比，2 只失效器件的工作电压基本不变，但光谱发生展宽，且中心波长红移，分别如图 3~4 所示。
2.2 蓝光激光器失效机理分析
为探究蓝光激光芯片的失效原因，本文通过光学检测手段对其进行了失效分析。EMMI 可用于检测半导体激光芯片波导在加电状态下，因结构缺陷或电极接触不良导致的异常发光信号，从而在水平方向上进行失效定位。采用 EMMI 对 LD1 失效芯片进行表征，芯片制样前和制样后形貌分别如图 5a~5b 所示。图 5c~5d 分别为 LD1 失效芯片和良好芯片的 EMMI 图，其中红色和绿色分别代表发光强度较强和较弱。LD1 失效芯片的脊形波导区域发光强度不均匀，出光腔面发光强度非常弱，表明载流子非辐射复合增强。
为进一步明确 LD1 芯片失效原因，采用扫描电子显微镜对其出光腔面进行了表征，如图 6 所示，LD1 腔面严重烧毁，发生了光学灾变。
CL 通过电子束激发材料产生光子，发光波长由材料的能带结构决定，常用于半导体激光器的失效分析。本文采用 CL 检测方法对 LD2 失效芯片和良好芯片的出光腔面进行无损表征，结果如图 7所示。由图 7a~7b 可知，失效芯片腔面发光非常微弱且不均匀，良好芯片的出光腔面呈现均匀连续的发光状态，且发光区域边界清晰。CL 光谱如图7c 所示，红色和黑色曲线分别代表良好芯片和失效芯片，插图表示 CL 表征的具体位置。良好芯片的 CL 光谱的峰值波长在 465 nm 左右，对应 InGaN量子阱的带隙跃迁；LD2 失效芯片的峰值波长相比良好芯片发生蓝移，发光强度严重变弱，出现了双峰现象，表明载流子非辐射复合增强，能量以声子形式释放，导致 CL 强度降低。
激光 共 聚 焦 显 微 镜 通 过 点 扫 描 和 共 聚 焦 成像技 术 ， 提高 分 辨 率 和 信 噪 比 ， 能够 观 测 到 微米甚 至 亚 微 米 级 别 的 表 面 形 貌 缺 陷 。 采用 激 光共聚 焦 显 微 镜 对 LD2 失效 芯 片 和 良 好 芯 片 的 出光腔 面 进 行 表 征 ， 结果 如 图 8 所示 。 失效 芯 片出光 腔 面 处 有 部 分 黑 点 ， 良好 芯 片 出 光 腔 面 形貌正常。通过扫描电子显微镜 （SEM：Scanning Electron Microscope） 进行微观放大，可以明显看到失 效 芯 片 腔 面 有 不 规 则 大 小 的 烧 孔 ， 表明 发生了 腔 面 光 学 灾 变 损 伤 ， 如图 9 所示 。 为进 一步表 征 芯 片 出 光 腔 面 的 损 伤 特 征 ， 测试 了 LD2失效 芯 片 和 良 好 芯 片 出 光 腔 面 的 轮 廓 ， LD2 失效芯 片 出 光 腔 面 轮 廓 的 高 度 差 为 1.7 μm， 良好芯片 的 出 光 腔 面 轮 廓 的 高 度 差 仅 0.3 μm， 如图10 所示 。 LD2 失效 芯 片 出 光 腔 面 的 粗 糙 度 也 远高于良好芯片，如图 11 所示。
通过 EMMI、CL 和激光共聚焦显微镜等光学检测方法进行表征，蓝光激光芯片发生了腔面光学灾变，其形成原因是高功率密度下出光腔面局部吸收光能量，形成正反馈循环，光吸收进一步加剧，导致腔面烧孔，激光芯片发生失效。
3 结束语
本文对 COS 封装的蓝光半导体激光芯片开展了恒电流加速老化试验，并对老化失效的蓝光激光芯片进行了检测分析。通过 EMMI、CL 和激光共聚焦显微镜等光学检测方法进行表征，揭示了蓝光激光芯片的失效机理。LD1 失效芯片的脊形波导区域光强不均匀，出光腔面光强非常弱，表明载流子非辐射复合增强，芯片腔面发生光学灾变。LD2 失效芯片腔面发光微弱且不均匀，峰值波长发生蓝移且出现了双峰现象，表明载流子非辐射复合增强，能量以声子形式释放，导致 CL 强度降低。此外，LD2 失效芯片腔面有不规则大小的烧孔，同样发生了腔面光学灾变损伤，导致芯片失效。研究表明，EMMI 和 CL 可在 2 个垂直方向上对激光芯片进行表征，两者结合可以更高效地对半导体激光芯片进行失效定位。采用 AlON 替代目前的 Al2O3镀膜，通过降低膜层粗糙度与优化热导率，可显著提升蓝光半导体激光器腔面光学灾变阈值。本文表征方法及相关结论对于半导体激光器的缺陷检测及可靠性提升具有重要的参考意义。
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