红外与毫米波学报
2022, 41(6): 1009
1 中国科学院高能物理研究所 北京 100049
2 散裂中子源科学中心 东莞 523803
3 中国科学院大学 北京 100049
高性能的加速器对运行的可靠性和稳定性提出了更高的要求，而加速器庞大的设备数量、极高的设备精度及性能导致对外部干扰非常敏感。为实现加速器长期、高效、可靠的运行，故障快速定位、诊断和恢复对现代加速器控制系统至关重要。目前，在加速器运行过程中，常规保存的历史数据可以判断和处理大部分一般故障。但对于类似高频、束测元件等快电子学引发的瞬态故障，由于常规方式保存的历史数据时间粒度不够，导致无法对这类快速故障过程进行有效分析。因此，有必要通过技术手段完整地记录故障发生时刻前后一段时间设备的状态及参数，保存高真实的现场“快照”。本文设计了一种基于高时间相关性和高时间分辨率的加速器故障分析系统，并进行了样机实现。该样机基于事件定时系统实现了同步精度好于16 ns的全局时间戳，采用同步触发的方式进行数据获取，并利用EPICS 7的规范类型进行数据组装和发布。样机实验结果表明，利用获取到的高精度时间数据，可区分不同设备发生故障的先后顺序，验证了故障分析系统的可行性。
故障分析 高精度时间戳 数据获取 EPICS 7 事件定时 Failure analysis High precision timestamp Data acquisition EPICS 7 Event timing
1 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266237
2 厦门市三安集成电路有限公司, 福建 厦门 361000
3 中国科学院半导体研究所, 北京 100083
4 山东大学 信息科学与工程学院, 山东 青岛 266237
氧化型垂直腔面发射激光器（VCSEL）在数据通信等领域具有广泛的应用，然而氧化型VCSEL是一种静电敏感型器件，静电放电(ESD)是导致其失效的主要原因之一，并且器件失效后很难判断问题的原因。本文对氧化型VCSEL进行了包括人体模式(HBM)、机器模式(MM)和元件充电模式(CDM)3种不同的ESD模式和过度电应力(EOS)冲击，以分析其具体失效原因。其中，在HBM模式中研究了不同极性的电压冲击对应的失效特征，然后分别采用反向I-V、正向L-I-V测试、发光显微镜（EMMI)和透射电子显微镜(TEM)等手段进行表征。结果表明，不同ESD模式表现出截然不同的损伤电压阈值，氧化型VCSEL容易遭受HBM和MM损伤，而对CDM模式不敏感。研究发现和ESD失效关联的特性及缺陷特征包括反向漏电增加、出光功率衰减、EMMI亮点等，而TEM作为最为直接有效的分析手段，不同ESD模式表现出不同的缺陷大小和位置等性质。这些研究结果有助于区分ESD故障和其它故障机制，并且能够精确地判断出引起失效的具体ESD模式，具有重要的意义。
垂直腔面发射激光器 静电放电(ESD) 失效分析 vertical cavity surface emitting lasers electrostatic discharge failure analysis
1 四川大学 电子信息学院, 四川 成都 610041
2 苏州长光华芯光电技术股份有限公司, 江苏 苏州 215163
对自主研发的940 nm大功率三结垂直腔面发射激光器(VCSEL)单点器件的高温高电流老化失效后的器件进行了失效分析研究。首先, 通过热阻测试确定了加速老化实验的结温, 并计算了老化加速因子为104。随后, 对老化过程中产生的失效器件进行失效分析。通过老化前后器件L-I-V、正反向V-I、光学及红外外观、近场光斑及透射电子显微镜(TEM)研究了器件老化前后性能及发光模式变化, 确定了器件的失效位置, 分析了失效原因,并通过TEM图像确认了器件失效是由P-DBR中的位错生长导致。本文为国际首次对多结VCSEL器件失效分析的研究报道, 对继续优化VCSEL内部结构设计及提升工艺控制能力、提高多结VCSEL器件寿命及可靠性具有一定指导意义。
垂直腔面发射激光器 多结 失效分析 可靠性 vertical cavity surface emitting laser multi-junction failure analysis reliability
1 浙江大学信息与电子工程学院，浙江 杭州 310027
2 中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057
半导体激光器具有输出波长范围广、结构简单和易于集成等优势，广泛应用于医疗、传感、光学通讯、**和航空航天等领域。随着应用需求不断增大，输出光功率不断提高，对激光器的可靠性提出了严峻的挑战。在回顾半导体激光器失效机理的基础上，分析光致发光技术、电致发光技术、阴极发光技术、红外热成像和微光显微镜5种有效的失效检测和分析手段，重点对有源区内部问题、腔面问题、焊接问题和操作环境问题的改善措施进行回顾和建议，为从事半导体激光器研究和生产的人员提供半导体激光器失效分析的依据。
激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1900003
InSb红外焦平面探测器在中波红外波段占据重要地位，但十字盲元问题严重降低了探测器的性能。通过聚焦离子束定位剥离手段，发现了十字盲元区域的铟凸点失效。进一步检测发现，铟凸点制备参数欠佳。通过改进铟凸点形状和增加高度，加强了焊接面的牢固度。此后发现极少InSb器件存在十字盲元问题。在80 ℃下对铟凸点改进后的InSb红外器件进行了14天烘烤。经测试，十字盲元数目保持不变，铟凸点的可靠性较好。改进铟凸点制备技术可有效解决十字盲元问题。互连失效是十字盲元问题的主要原因。以此类推，该方法可解决所有InSb红外器件的十字盲元问题。
十字盲元 失效分析 InSb红外探测器 cross-shaped dead pixel failure analysis InSb infrared detector
1 昆明物理研究所，云南 昆明 650223
2 空军装备部驻昆明地区军事代表室，云南 昆明 650223
中波或长波红外焦平面阵列有效像元率递减的变化趋势，必然是由制造工艺缺陷、特定的工作应力或环境应力引起的某种机理造成。根据红外探测器输出信号电压的数学模型，通过信号传输分析、性能评价测试数据统计分析，运用统计图形、响应曲线及输出信号电压灰度图等可视化手段，直观地呈现无效像元的类型、数量、位置、分布，以及像元信号电压、噪声电压和响应电压等无效像元特性。统计分析显示，像元中心距15 μm的中波320×256探测器杜瓦制冷机组件，在使用过程中平均表观有效像元率相对于初始有效像元率减小1.07个百分点，平均有86.45%的表观无效像元为不稳定的闪元和漂移像元，设计和制造缺陷导致使用无效像元的响应直线呈水平状、响应电压趋于0，热适配引起的应力是造成线状分布使用无效像元簇的原因。提出用不同黑体温度条件下像元信号电压超出平均值±(6%~7.5%)的判别准则筛选识别无效像元的方法。
故障物理 失效分析 红外焦平面阵列 盲元 可靠性 physics of failure failure analysis IRFPA blind pixel reliability 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200202
研究了InSb红外探测器组件的无输出问题。通过故障分析确定探测器的失效部件为InSb芯片。结合器件结构和工艺，对InSb器件的失效机理进行了研究。发现器件在去胶工艺中有光刻胶残留，在后续的钝化工艺中会生成难以腐蚀去除的沾污层，导致电极膜层存在可靠性隐患。经历高温、振动等环境试验后电极浮起，导致了探测器组件的无输出问题。
红外探测器 失效分析 InSb InSb infrared detector failure analysis
1 华南理工大学 材料科学与工程学院, 广东 广州 510640
2 广东金鉴检测科技有限公司, 广东 广州 511300
芯片漏电会对LED灯珠稳定性和寿命造成很大影响,为此本文对LED样品的漏电失效机理进行了研究。在微光显微镜观测下,样品的芯片正电极位置存在漏电异常。利用氩离子精密刻蚀系统对样品进行截面制样,并采用扫描电镜进行观察,分析可能导致漏电的原因。SEM下观测到漏电样品芯片正极出现空洞,且空洞对应的外延层出现较明显的裂缝。分析认为,在焊接时电极产生空洞,在后续高温回流焊、封装和使用过程中压力和应力集中在裂缝处,使GaN外延层受损导致漏电。研究结果为LED芯片漏电检测手段、机理分析提供了良好的参考方案,并为解决芯片裂缝和空洞问题提供了理论参考方向。
发光二极管 失效分析 漏电 静电 light emitting diode failure analysis leakage static
1 华南理工大学 材料科学与工程学院, 广东 广州 510640
2 华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室, 广东 广州 510640
3 广东金鉴实验室科技有限公司, 广东 广州 511300
4 华南师范大学 美术学院, 广东 广州 510631
5 广州虎辉照明科技公司, 广东 广州 510170
失效定位技术是发光二极管失效性分析中的重要组成部分, 本文在主流的3种失效定位技术:光子辐射显微技术、光诱导电阻变化、红外热成像显微技术的基础上, 提出了一种显微红外热点定位测试系统。该系统通过双线性插值算法使源图像放大至原来的4倍, 在使用20 μm微距镜头的条件下, 能达到与5 μm微距镜头接近的效果, 降低了LED失效检验成本。利用可见光图像和红外热像图的叠加, 提高电压对LED芯片失效点进行锁定, 能在大范围内迅速定位LED芯片缺陷所在。在此基础上, 结合FIB技术和SEM设备分析LED芯片微观结构, 可以进一步分析LED芯片的失效原因, 最终得到LED芯片的失效机理。实验结果表明, 在初步的缺陷定位中, 显微红外热点定位系统可快速地在无损条件下大范围区域内提供LED热数据分布, 定位关键失效点, 有效地提高了工作效率, 降低了失效检测成本。
显微红外热点定位 发光二极管 失效分析 失效定位 双线性插值算法 microscopic infrared hot spot location light emitting diode failure analysis failure location bilinear interpolation algorithm
