随着云计算、大数据、人工智能等技术的快速发展，对高速、高效、低能耗的数据传输需求日益增长，光芯片的市场需求也随之增加，全球光芯片市场规模逐年扩大。近年来相关政策频出，国产芯片也随之加速发展，中国的光芯片市场规模持续增长，并展现出强劲的发展势头。然而受限于核心外延技术的不成熟，虽已可以规模量产中低速率激光器芯片，但在高速率激光器芯片的制备方面仍然存在着不足之处，这将是我国光芯片行业未来发展的主要突破方向。

一、简介

光芯片按功能可分为激光器芯片和探测器芯片。激光器芯片主要用于发射信号，将电信号转化为光信号；探测器芯片主要用于接收信号，将光信号转化为电信号。激光器芯片按出光结构可进一步分为面发射芯片和边发射芯片，面发射芯片包括VCSEL芯片，边发射芯片包括FP、DFB 和 EML 芯片。半导体激光器以半导体材料作为激光介质，以电流注入二极管有源区为泵浦方式的二极管/激光器（以电子受激辐射产生光），具有电光转换效率高、 体积小、寿命长等特点，广泛应用于医疗、工业、国防、科研以及激光雷达等领域。

二、光芯片失效分析

随着光芯片产业的发展，对于提升芯片品质，改善生产方案，保障产品品质的需求将日益增多，故亟需丰富和提高对这类器件失效分析的手段和能力。而由于光芯片的特殊性，以下几点因素会增加其失效分析的难度：

1、芯片材料

光芯片的衬底材料通常使用三五族化合物，如磷化铟 (InP) 和砷化镓 (GaAs)，主要因为这些材料具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。然而，这类材料不能使用常规酸腐蚀的方法进行破坏性操作，因为衬底会与酸反应，这导致对于封装的样品只能使用物理方法进行如取die等操作，而其高脆性又使得对操作手法提出更高要求。

2、芯片尺寸及微观结构尺寸小

大多光芯片尺寸较小，更主要的是其内部量子阱区域由两种禁带宽度不同的材料交替生长，两种薄层材料的厚度和周期长度小于电子平均自由程，发生在这里的微小异常现象，更适合使用FIB-TEM来进行观测。这同样也对失效点的定位具有较高的要求，如何精准地定位到失效点，同样关键。

3、封装结构的限制

随着高传输速率光芯片的发展，越来越多的贴片工艺选择共晶焊，以追求更低的内阻和更好的散热效果，而通过这种方式焊接后的芯片（如COS封装）如想再取下，将伴随很高的芯片损伤风险。此外，有时因为芯片金属电极的遮挡，会使热点定位不够精准，如何损伤最小的去除或避免金属电极的影响至关重要。除了单一芯片的封装外，光模块、硅光芯片因为集成了激光器、探测器、处理芯片等组件，对于此类样品的失效分析将具有更高要求和更大挑战。

三、分析案例

1、不同封装样品的制样

对于不同封装的样品，都可以通过研磨法，去除基板或金属层，以便后续对失效点的定位。

不同封装样品研磨处理后

2、失效点的定位

由于金属的遮挡，对于小漏电的光芯片，晶背面测试EMMI热点是更合适的方法。此外，有时在EMMI无法捕捉到集中热点的情况下，正向上电的EL（电致发光）方式可以捕捉到未发光的异常区域。

3、失效点的解析

使用FIB-TEM，可以清晰观察到内部微小结构的异常状态，如烧伤、氧化层晶化分层、位错、及晶体状态的变化等。

四、设备介绍与参数

1、EMMI/ OBIRCH/ EL：三种功能集成在同一机台上，可以满足对绝大多数样品的测试需求。

（1）EMMI：电压范围500 nV to 3000 V；电流范围500 fA to10 A，第六代真空封装InGaAs探头可提高灵敏度；曝光时间可长达数小时检测弱光。

（2）OBIRCH：电压 (External Bias): -3000 V to 3000 V；电流–100 mA to 100 mA，灵敏度1 nA；电压 (High Sensitivity mode)：-25 V to 25 V；电流–100 uA to 100 uA,灵敏度3 pA；主动噪音消除：Yes；激光波段:1340 nm，1064 nm高能激光穿透多层金属和硅衬底。

（3）EL：电致发光现象是通过外加电场的作用，使某些电致发光材料发出光线，这些光线可以通过光学系统进行收集并转换为电信号，进而实现对材料表面缺陷的检测。对于光芯片，异常位置通常表现为不发光。

测试设备

2、FIB：使用Helios系列设备进行TEM样品制备。设备优点如下：

（1）全新的离子枪及其优异的低电压性能可保证最快速、最简单的高质量、定点超薄TEM和APT制样。

（2）使用最顶级的Elstar FEG的超高分辨成像、高稳定性和全自动性来实现最短时间获得微区信息。

（3）新一代的UC+单色器技术和大束流性能可显示最好的细节信息， 确保低能量下的亚纳米性能。

（4）多达6个一体化镜筒内和透镜下方探测器来保证获得精确的、 超清晰的、 无荷电衬度图像。

FIB测试设备

3、TEM：Talos 系列是最新一代的场发射S/TEM透射电子显微镜，提供最快，最精确的纳米材料定量表征。全新的设计有超过150项改进，Dual-X高亮度电子源，配备4个高效EDS探测器全方位全视角采集能谱信号，适合快速元素成像分析。全新的大视场4k CMOS相机，可快速采集（HR）TEM图像和电子衍射图案。专为快速，精确和定量表征纳米尺寸材料和结构而设计。Talos基于更高的数据质量，更快的采集以及简化，简单和自动化的操作简化了材料分析。

TEM测试设备

来源：胜科纳米

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