臺灣博碩士論文加值系統

對於即將到來的 5G 時代以及各類光電資訊產業的蓬勃發展下，850奈米運作的氧化垂直腔表面發射雷射 (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) 技術目前已經成熟，並成為主流的光子通訊技術，適合短距離多模光纖 (Multi-Mode Fiber, MMF) 資料通訊應用。在過去10年間，商業化大量生產 VCSEL光連線方案，資料傳輸率已經提高到每通道 14 Gbit/s，採用 VCSEL 陣列的平行光纖發射器產品更超過
100 Gbit/s，對於資料通訊連線能力與頻寬的需求持續創造更高資料傳輸率 VCSEL的市場[1]。光通訊與光資訊相關技術以及產品需求越來越廣泛，現已具備從磊晶成長、製程開發、特性量測、及可靠度驗證的相關資源與能力，可以確保產品品質能符合客戶及市場的需求。因應光通訊產業的快速成長，VCSEL 在市場的價值隨之增高，除了有出色性能之外，其高速運行下 VCSEL 內部產生的熱效應對於元件壽命的影響及後續的可靠度分析也開始被外界所重視，其中在要求高速、高功率的同時，元件的性能往往會受限於溫度、電流等外在因素影響，為了描述 VCSEL 的可靠性和老化機制，本文首先介紹 VCSEL 的工作機理，然後討論 VCSEL 的製作過程、實驗量測過程，最後對失效 VCSEL 元件進行分析，最後再對 VCSEL 可靠性測試的未來趨勢進行展望。為了具體測量 VCSEL 壽命長短，我們著重於可靠度試驗、特性量測分析、失效或劣化分析等。本實驗使用 4組不同電流，分別為 6、8、10、12 mA 與 4 個不同溫度分別為 60、80、100、120℃進行燒測，比較低溫低電流到高溫高電流的 Power壽命長短，利用不同失效率作計算，再逐一探討不同的電流和溫度對於 VCSEL 性能的影響。

For the coming 5G era and the booming development of various photoelectric information industries, the oxidized Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) technology operated by 850 nm has been mature and become a mainstream photon communication technology. Suitable for short-range Multi-Mode Fiber (MMF) data communication applications. In the past 10 years, the mass production of VCSEL optical connection solutions has increased the data transmission rate to 14 Gbit/s per channel, and the parallel fiber transmitter products using VCSEL array are more than 100 Gbit/s. The demand for data communication connection capacity and bandwidth continues to create the VCSEL market with higher data transmission rate[1]. Optical communication and optical information related technology and product demand is more and more extensive, now we have the relevant resources and capabilities from epitaxial growth, process development, characteristic measurement, and reliability verification, to ensure that the product quality can meet the needs of customers and the market. In response to the rapid growth of optical communication industry, VCSEL's value in the market increases accordingly. In addition to its excellent performance, the influence of thermal effect generated inside VCSEL under high-speed operation on component life and subsequent reliability analysis have also begun to be paid attention to by the outside world. While requiring high speed and high power, The performance of components is often affected by external factors such as temperature and current. In order to describe the reliability and aging mechanism of VCSEL, this paper first introduces the working mechanism of VCSEL, then discusses the production process and experimental measurement process of VCSEL, and finally analyzes the failed VCSEL components. Finally, the future trend of VCSEL reliability testing is prospected. In order to measure VCSEL life, we focus on reliability test, characteristic measurement analysis, failure or deterioration analysis, etc. In this experiment, 4 groups of different currents (6, 8, 10, 12 mA, respectively) and 4 different temperatures (60, 80, 100, 120℃, respectively) were used for combustion measurement. The Power life from low temperature and low current to high temperature and high current was compared. Different failure rates were used for calculation, and then the influence of different currents and temperatures on the performance of VCSEL was discussed one by one.

摘要 i
Abstract iii
目錄 v
圖目錄 x
表目錄 xvii
第一章 導論 1
1.1前言 1
1.2.雷射二極體種類 2
1.2.1雷射二極體的構造 2
1.2.2 邊射型雷射 3
1.2.3面射型雷射 5
1.3. VSCEL的優勢與 LED 的比較 7
1.3.1 VCSEL的優勢與應用 7
1.3.2 VCSEL與 LED 的比較 8
1.4 VCSEL熱效應 9
1.4.1器件生熱 9
1.4.2 VCSEL熱效應影響 11
1.5 850 nm VCSEL可靠度 12
1.6參考文獻回顧 13
第二章 理論分析 16
2.1 VCSEL的基本介紹 16
2.1.1 VCSEL的基本構造 16
2.1.2 VCSEL的工作原理 18
2.1.2 VCSEL晶體成長 19
2.1.3布拉格反射鏡 20
2.1.4 DBR Stop Band21
2.1.5臨界電流 22
2.1.6光共振器 23
2.1.7 TO 46 封裝 24
2.2.可靠度工程簡介 26
2.2.1可靠度定義 26
2.2.2可靠度量度指標 26
2.2.3環境應力篩選 29
2.2.4可靠性與可靠度預估 30
2.2.5電子元件活化能 31
2.2.6決定係數 33
第三章設備與實驗流程 35
3.1實驗器材 35
3.1.1 IR顯微鏡 35
3.1.2 光電特性燒測機台 36
3.1.3變溫光電特性檢測分析 37
3.1.4變溫 Spectrum 光電特性檢測分析 39
3.2實驗目的 41
3.3實驗流程 41
第四章 測量結果與討論 45
4.1 VCSEL結構與能量色散 X 射線光譜（ EDS ）分析 45
4.2各組失效程度的燒測時間 47
4.3電流 6 mA 之功率對時間圖 49
4.4電流 8 mA 之功率對時間圖 54
4.5電流 10 mA 之功率對時間圖 59
4.6電流 12 mA 之功率對時間圖 64
4.7元件於變溫下之功率對電流 & Spectrum 圖 69
4.7.1變溫功率對電流圖 69
4.7.2變溫 Spectrum 圖 70
4.7.3變溫 Power 下降斜率 波長紅移速率 73
4.8操作電流 6 mA 條件下之活化能分析 74
4.8.1電流 6 m A 之活化能比較分析 83
4.9操作電流 8 mA 條件下之活化能分析 86
4.9.1電流 8 mA 之活化能比較分析 88
4.10操作電流 10 mA 條件下之活化能分析 90
4.10.1電流 10 mA 之活化能比較分析 92
4.11操作電流 12 mA 條件下之活化能分析 94
4.11.1電流 12 mA 之活化能比較分析 96
4.12台大元件 操作電流 7.5 mA 條件下之活化能分析98
4.12.1台大元件電流 7.5 mA 之活化能比較分析 101
4.13指數衰減之失效分析 103
4.13.1電流 6 mA Power 值的失效百分比對應之lifetime 103
4.13.2電流 7.5 mA Power 值的失效百分比對應之lifetime 105
第五章 結論 107
參考文獻 111

圖目錄
圖1-1基本的光纖通訊系統 [2] 2
圖1-2雷射二極體的基本結構 [3] 3
圖1-3邊射型雷射基本結構 [5] 4
圖1-4 FP 雷射的晶粒構造與原理示意圖 [6] 5
圖1-5面射型雷射基 本結構 [5] 6
圖1-6 VCSEL的磊晶與內部結構示意圖 [7] 6
圖1-7 VCSEL模型結構尺寸 [13] 10
圖2-1簡化 VCSEL共振腔示意圖 17
圖2-2 VCSEL結構簡圖。 (左為頂發射結構；右為底發射結構 )[23] 18
圖2-3 VCSEL製程過程 [30] 19
圖2-4 850nm VCSEL之 DBR Stop Band 22
圖2-5 載子溢出 [35] 23
圖2-6共振圖 24
圖2-7 TO-46 [41] 25
圖2-8 TO-46內部圖及詳細說明 [41] 25
圖2-9 浴缸曲線 29
圖2-10 決定係數 ????2示意圖 [51] 34
圖3-1 IR顯微鏡 35
圖3-2 兆勁 VCSEL氧化孔徑俯視圖 36
圖3-3台大 VCSEL氧化孔徑俯視圖 36
圖3-4燒測機台 (TestWell Rhino Series VCSEL TO46 ACC Burn-In System) 37
圖3-5 燒測機台軟體顯示於電腦螢幕上 37
圖3-6 變溫光電特性檢測機台 (台大光電所 ) 38
圖3-7 P、 N電極在元件上的位置 38
圖3-8 變溫 L-I-V量測 (台大光電所 ) 39
圖3-9 變溫 Spectrum量測載台 (台大光電所 ) 40
圖3-10 變溫 Spectrum量測 (台大光電所 ) 40
圖3-11 VCSEL晶粒 41
圖3-12 TO-46封裝 42
圖3-13待測板 (棕色部分為加熱薄膜 ) 42
圖3-14光偵測器 PD 43
圖3-15 燒測軟體參數設定介面 43
圖4-1 VCSEL氧化孔徑之 SEM俯視圖 45
圖4-2 VCSEL孔徑元素分佈圖 46
圖4-3 VCSEL EDS Spectrum 46
圖4-4 電流 6 mA溫度 60℃之 P-T圖 49
圖4-5 電流 6mA溫度 80℃之 P-T圖 50
圖4-6 電流 6 mA溫度 100℃之 P-T圖 51
圖4-7 電流 6 mA溫度 120℃之 P-T圖 52
圖4-8 電流 6 mA下的各溫度 P-T比較圖 53
圖4-9 電流 8 mA溫度 60℃之 P-T圖 54
圖4-10電流 8 mA溫度 80℃之 P-T圖 55
圖4-11 電流 8 mA溫度 100℃之 P-T圖 56
圖4-12 電流 8 mA溫度 120℃之 P-T圖 57
圖4-13 電流 8 mA下的各溫度 P-T比較圖 58
圖4-14 電流 10 mA溫度 60℃之 P-T圖 59
圖4-15 電流 10 mA溫度 80℃之 P-T圖 60
圖4-16 電流 10 mA溫度 100℃之 P-T圖 61
圖4-17 電流 10 mA溫度 120℃之 P-T圖 62
圖4-18 電流 10 mA下的各溫度 P-T比較圖 63
圖4-19 電流 12 mA溫度 60℃之 P-T圖 64
圖4-20電流 12 mA溫度 80℃之 P-T圖 65
圖4- 21電流 12 mA溫度 100℃之 P-T圖 66
圖4-22電流 12 mA溫度 120℃之 P-T圖 67
圖4-23 電流 12 mA下的各溫度 P-T比較圖 68
圖4-24 VCSEL元件變溫 L-I圖 70
圖4-25 變溫 Spectrum圖 72
圖4-26變溫 Power下降斜率 &波長紅移速率 74
圖4-27 電流 6 mA, Power值下降至 90% 的各溫度對應lifetime圖 75
圖4-28 電流 6 mA, Power 值下降至 80% 的各溫度對應lifetime圖 76
圖4-29電流 6 mA, Power 值下降至 70% 的各溫度對應lifetime圖 77
圖4-30 電流 6 mA, Power值下降至 60% 的各溫度對應lifetime圖 78
圖4-31 電流 6 mA, Power 值下降至 50% 的各溫度對應lifetime圖 79
圖4-32 電流 6 mA, Power 值下降至 40% 的各溫度對應lifetime圖 80
圖4-33 電流 6 mA, Power 值下降至 30% 的各溫度對應lifetime圖 81
圖4-34 電流 6 mA, Power 值下降至 20% 的各溫度對應lifetime圖 82
圖4-35 電流 6 mA, Power 值下降至 10% 的各溫度對應lifetime圖 83
圖4-36 Power值 90%至 10% @6mA的斜率比較圖 84
圖4-37 電流 8 mA, Power值下降至 90% 的各溫度對應lifetime圖 86
圖4-38 電流 8 mA, Power 值下降至 80% 的各溫度對應lifetime圖 87
圖4-39 電流 8 mA, Power 值下降至 70% 的各溫度對應lifetime圖 88
圖4-40 Power值 90%至 70% @8mA的斜率比較圖 89
圖4-41 電流 10 mA, Power 值下降至 90% 的各溫度對應lifetime圖 90
圖4-42 電流 10 mA, Power 值下降至 80% 的各溫度對應lifetime圖 91
圖4-43 電流 10 mA, Power 值下降至 70% 的各溫度對應lifetime圖 92
圖4-44 Power值 90% 至 70% @10mA的斜率比較圖 93
圖4-45 電流 12 mA, Power 值下降至 90% 的各溫度對應lifetime圖 94
圖4-46 電流 12 mA, Power 值下降至 80% 的各溫度對應lifetime圖 95
圖4-47 電流 12 mA, Power 值下降至 70% 的各溫度對應lifetime圖 96
圖4-48 Power值 90% 至 70% @12 mA的斜率比較圖 97
圖4-49 電流 7.5 mA ,Power 值下降至 90%的各溫度對應之lifetime圖 99
圖4-50 電流 7.5 mA ,Power 值下降至 80%的各溫度對應之lifetime圖 100
圖4-51 電流 7.5 mA ,Power 值下降至 70%的各溫度對應之lifetime圖 101
圖4-52 Power值 90% 至 70% @7.5 mA的斜率比較圖 102
圖4-53 各溫度壽命時數對應失效百分比 @6 mA的斜率比較圖 104
圖4-54 各溫度壽命時數對應失效百分比 @7.5 mA的斜率比較圖 106

表目錄
表1-1目前發表長波長 VCSEL 廠商動態 [9] 8
表1-2 InGaAs 與 GaAs量子阱設備的 Ea比較 [20] 13
表1-3 研究中的應力條件 [20] 13
表2-1 各種技術材料與零件之活化能 32
表3-1 不同電流溫度的參數所測量出 pretest power值 44
表3-2各參數中初始 Power值 100%下降至 90%的 Power預估值 44
表3-3 各參數中初始 Power值 100%下降至 80%的 Power預估值 44
表3-4 各參數中初始 Power值 100%下降至 70%的 Power預估值 44
表4-1 元件燒測至初始 Power值為 0 的時間 47
表4-2元件初始 Power值 100%下降至 90%的時間 47
表4-3 元件初始 Power值 100%下降至 80%的時間 47
表4-4 元件初始 Power值 100%下降至 70%的時間 48
表4-5 電流 6 mA, Power值 90%至 10%之活化能參數計算值85
表4-6 電流 8 mA, Power值 90%至 70%之活化能參數計算值89
表4-7 電流 10 mA, Power值 90% 至 70%之活化能參數計算值 93
表4-8 電流 12 mA, Power值 90% 至 70%之活化能參數計算值 97
表4-9不同電流相同失效率之活化能比較 98
表4-10 電流 7.5 mA, Power值 90% 至 70%之活化能參數計算值 102
表4-11 原始數據與推估數據 @63.21% decay之壽命時數比較 105
表4-12 原始數據與推估數據 @63.21% decay之壽命時數比較 106

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