光电子元器件的失效模式和失效机理

光电子元器件的失效模式和失效机理
朱炜容
1.1 光电子器件的分类
在光电子技术中，光电子元器件包括光源器件以及光探测器件。

其中光源器件主要有发光二极管和激光器。

光探测器件主要是光电二极管。

作为电气元件，光纤和光缆也是光电子技术中不可缺少的组成元件。

1.2 激光器的失效模式及失效机理
随着工作时间的增加，半导体激光器的工作性能将会劣化，发射功率和效率下降，有时还会发生突然失效的灾变性损坏。

造成半导体激光器退化的原因除了其本身的因素外，还有使用温度、工作条件等环境因素。

一、暗线缺陷
暗线缺陷是激光器工作时形成的缺陷网络，这些缺陷最终会导致发射功率的下降。

暗线缺陷的形成除了材料、工艺过程中会引入外，其形成过程与温度有很大的关系，它所引起的退化速率强烈地依赖于温度。

二、腔面损伤退化
腔面的损伤退化一般有灾变性退化和化学腐蚀损伤退化。

在高功率密度激光的作用下，由于局部过热、氧化、腐蚀、介质膜的针孔和杂质等因素使腔面遭受损伤，从而使局部电流密度增加，局部大量发热，在热电正反馈的作用下，最终腔面局部熔融，导致灾难性的损伤，器件完全失效。

腔面的化学腐蚀是由于光化学作用使腔面表面发生氧化，并形成局部缺陷，导致腔面局部发热，使激光器性能退化甚至失效。

三、电极退化
高功率半导体激光器的欧姆接触退化和热阻退化与其他电子器件的电极退化相似。

电极金属和半导体材料间存在互扩散，在烧结的部位，孔洞和晶须的生长现象是常见的退化模式。

另外，热应力导致的电极损伤也很常见。

由于电极远离器件的有源区，电极退化对器件特性的影响一般在老化或工作一定时间后再表现出来。

半导体激光器的工作性能对温度非常敏感，温度升高将加速暗线缺陷的生长，腔面氧化等失效机理，严重影响激光器的寿命。

激光器的转换效率不高，自身的功耗很大，因此降低热阻是提高激光器寿命和可靠性的主要方法之一。

芯片电极烧结质量的好坏不但影响了热阻的大小，而且还关系到电极的电阻，因为激光器在正常工作时，其一般工作电流为几十甚至上百安培，即使是很小的电极电阻，也将产生很大的热功耗，减小电极电阻可以减小激光器本身的热功耗。

此外，烧结工艺控制不好会造成焊料沾污腔面、焊料导致pn结短路以及烧结应力导致芯片损伤等。

因此电极的烧结质量与半导体激光器的性能、稳定性和可靠性紧密相关。

1.3 光电二极管的失效模式和失效机理
光电二极管的失效模式主要有：结构损伤、光纤断裂、开路、短路、性能参数退化（暗电流上升、响应度降低、击穿电压降低等）和IV特性变化等。

引起这些失效的主要原因如下：
1、结构损伤
整个光电二极管结构由于外力导致构成器件的各有机组成部分产生大的机械变形、位移，严重影响到器件的使用性能或致使器件失去规定的功能。

这些外形结构的损伤失效容易通过目检并结合使用环境来判定。

1）机械应力如震动、冲击、碰撞、压力，可能会导致二极管的结构变形毁坏，外引线脱（断）落，光窗破裂，光纤塑套皱缩，纤芯断裂等失效。

2）热应力容易导致器件不同性质的材料之间因热膨胀系数的差异而位移、形变，从而导致结构（绝缘子、光窗、封边等）漏气、光纤位移甚至脱落。

3）高湿环境中器件金属表面容易受到电化学腐蚀，导致光窗脱落、封边漏气、外引出端及其与管脚间的绝缘电阻降低。

2、光纤断裂
1）各方向的应力超过了光纤承受的限度。

2）与金属或陶瓷插针粘接的光纤纤芯因机械或热应力作用导致光纤在插针结合部位断裂或损伤。

3、开路
1）芯片粘接不良，从管座上脱落。

2）电极压焊点脱落。

3）内引线折断。

4）器件芯片延伸电极脱落与主电极断开。

5）极强的光照射导致光敏区烧毁或产生过大的光电流导致电极压焊点烧断。

4、短路
1）管壳内存在活动的金属或导电颗粒引起器件的偶然短路。

2）管壳在工艺制造阶段或使用过程中因密封失效引起的表面沾污或表面钝化层失效导致短路。

3）器件芯片的PN结由于各种原因（如ESD、晶体缺陷、过电等）击穿失去结特性引起短路。

5、性能参数退化
1）电学性能退化
①.漏电流增大。

外引线的绝缘特性变差，芯片表面沾污，钝化膜致密性差、
纯度不够等都会导致漏电流增大，从而导致暗电流的增大或漂移。

②.暗电流的增大或漂移。

除了上面所述的机理外，外延层的缺陷、结温过
高、热冲击等机理同样会导致暗电流的漂移。

外延层的缺陷过多容易产
生复合效应，使暗电流增大；结温过高导致pn结杂质的浓度分布改变，
从而使有源区的复合电流增大；热冲击容易导致芯片有源区质量损伤。

、
③.串联电阻增大。

焊料因热效应导致导电性能变差、压焊点接触面积变小、
合金电极因起层而粘附不好等都会导致串联电阻变大。

④.击穿电压下降。

击穿电压下降或漂移的机理有以下：PN结扩散边缘的针
孔，钝化膜的可动或固定电荷，热载流子注入，晶体中的缺陷密集，钝
化膜的缺陷等。

⑤.静电等瞬时高电场导致器件击穿。

⑥.高能粒子特别是α粒子辐射导致器件的暗电流和击穿特性劣化。

2）光学性能退化
①. 响应度降低：光敏面沾污，光窗裂纹、沾污，尾纤位移，纤芯损伤，光
纤连接头机械磨损，有源区二次晶体缺陷使复合中心增加导致光电转换
效率降低。

②. 响应范围波长低端红移：芯片窗口层材料质量劣变，在近表面端被吸收
短波光子不能产生光电流。

众多失效模式中，主要的是暗电流增大或漂移、二极管击穿、IV特性变化及响应度降低。

引起这些失效的原因是多种多样的，存在于其生产制造过程到存储使用的全寿命周期中，如工艺方法和工艺控制问题、使用工作条件和环境条件、过应力条件和辐射损伤等。

在器件的全寿命周期中，外加的各种应力，如机械应力、电应力、热应力、磁应力、辐射、ESD等都有可能诱发二极管的各种寄生效应，导致器件的功能区边界条件和内在状态的显著改变，从而使器件丧失有效和正常工作的能力。

1.4 光缆的失效模式和失效机理
按失效性质划分，光缆的失效可划分为严重失效和轻度失效（不完全失效）。

严重失效是指光性能特别是损耗（衰减系数）不能满足光传输的要求。

轻度失效是指光性能下降及其他性能指标不满足规定要求，但尚能满足系统光传输的要求。

光缆的失效模式主要有以下几个方面：
1）光纤断裂
2）光纤损耗增大
3）光纤脱色
4）光缆机械性能差
5）光缆外护层性能不良
6）光缆阻水性能差
7）光缆温度性能差
8）外观和结构缺陷
上面所述的8方面的失效模式中，光纤断裂为完全失效或严重失效。

其他7个方面都是不完全失效或轻度失效。

在系统指标许可范围内，有的可以保证系统
信息传输，有的传输质量劣化，但是这些轻度失效在一定条件下，最终会使光缆的寿命降低（除部分外观缺陷外），引起失效。

所有失效，其机理主要归结为以下几个方面：
1）光缆中的光纤在一定条件下，比如温度（热胀冷缩效应）、侧压力、弯曲力，使光纤弯曲产生大的附加损耗。

2）拉力增大使光纤表面的微裂纹扩展，超过一定范围，不但附加损耗增大，寿命也大大缩短，甚至断裂。

3）在潮湿的环境下，比如阻水性能降低，材料中含有H+或OH-，外护层破损，光纤受潮产生“氢损”。

由于光纤受到H2保卫，H扩散进入光纤，产生H吸收，使光损耗增加，但当H2氛围消失时，“氢损”会自动消失；另一种OH-与光纤中分子网络（SiO2）结合，产生氢损，不可逆。

4）水气引起光纤裂纹增长而产生损耗，严重时裂纹增长会引起光纤断裂。