为什么说VCSEL失效，常常不是“烧坏”，而是“先天瑕疵”被老化放大？

发布时间： 2026-09-17 00:00

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数据通信、光模块、激光雷达、3D 传感……这些场景背后，都有同一种关键器件在忙碌工作：VCSEL（垂直腔面发射激光器）。相比传统的边发射激光器，VCSEL 出光方向垂直于衬底、阈值电流低、易于做成二维阵列，被广泛用在并行光模块和短距光互连里。

最近我们分析了一组典型的 VCSEL 光模块失效案例：12 路并行模块在老化后出现单通道不发光。下面把整个排查思路展开，看看一颗"罢工"芯片是如何被一步步找出来的。

1.外观检查

对失效样品进行外观检查。

未发现样品外观有破损碰撞痕迹。

样品外观图片

2.X-ray 透视

开盖之前对失效样品进行X-ray检查。

未发现失效样品内部存在结构异常，键合线未发现断裂。

样品 X-ray 透视照片

3.点亮分析

利用机械方式打开模块外壳，露出内部 12 路 VCSEL 芯片；按委托方原始供电方式给模块加电，定位具体不发光通道；用探针配合万用表测量各通道 VCSEL 芯片的正向压降 Vf。

142 样品：不发光通道 CH5 的 Vf = 1.951 V，相邻正常通道 1.822 V～1.825 V，差值约 0.13 V；

142样品加电CH5（不发光） VCSEL 芯片正向压降1.951V

025 样品：不发光通道 CH9 的 Vf = 1.866 V，相邻正常通道 1.790 V～1.796 V，差值约 0.07 V；

025样品加电时CH9（不发光）VCSEL芯片正向压降1.866V

同一模块正常发光通道之间 Vf 个体差异不超过 0.01 V；
12 路为 VCSEL 并联连接、恒流驱动，可以认为各路电流相同——因此 Vf 高出 0.07 V～0.13 V 直接说明失效通道 VCSEL 芯片自身的阻抗比正常芯片大。

驱动回路到芯片的连接是完好的，芯片本体静态电阻略高，失效点不在外围电路而在 VCSEL 芯片本身。

4.内部目检

在光学显微镜下观察 VCSEL 芯片表面是否存在损伤和异物附着。

142样品失效CH5通道VCSEL芯片未发现表明损伤，但表面有些污迹；

142样品CH5 VCSEL 芯片及驱动IC端照片

其他正常发光通道VCSEL芯片也发现有些许污迹，说明表面附着污迹不是失效原因。

142样品CH8~CH12 VCSEL 芯片及驱动IC端照片

5.I-V 测试

为检查不发光通道 VCSEL 芯片 I-V 特性是否发生变化，对比正常发光通道进行 I-V 特性测试。

不发光通道 VCSEL 芯片 I-V 特性曲线与正常发光通道 VCSEL 芯片没有明显差异，现有晶体管图示仪难以分辨。

142样品VCSEL芯片I-V特性曲线（蓝色为正常发光通道CH1、红色为不发光通道CH5）

失效通道的 P-N 结基础电学特性还处于"看似正常"的范围，这把失效原因进一步锁定到发光机制层面——量子阱或光学腔出问题了。

6.定位分析

VCSEL 正常工作时，一部分电能转成光能，剩下转为热能；不发光的VCSEL芯片没有将电能转换为光能，那么它应该产生更多的热能；为此使用Thermal EMMI热定位对失效通道VCSEL芯片进行分析。

Thermal EMMI（热发光显微）：对失效通道 VCSEL 芯片加电（同点亮测试），结果显示失效 VCSEL 芯片（142 样品的 CH5、025 样品的 CH9）出光口热点亮度比正常 VCSEL 芯片明显更高，热点位置与失效单元位置完全重合——印证失效通道的电能确实全部转为热。

025样品Thermal EMMI定位照片

考虑到失效VCSEL芯片的发光有源区量子阱可能失活，尝试使用OBIRCH（光束诱导电阻变化）进行定位。

OBIRCH（光束诱发电阻变化）：用激光扫描芯片表面，当被照射点的电阻发生变化时图像呈现灰度变化。结果显示失效通道 VCSEL 芯片出光孔在激光照射时电阻不发生变化或变化微弱，而正常通道 VCSEL 芯片出光孔在激光照射时电阻变化明显。

025样品CH9（失效通道）、CH10（正常通道）VCSEL芯片OBIRCH照片

失效通道的有源区量子阱结构可能发生了变化，接下来的分析就可以有目的地转向物理切片。

7.FIB + SEM

使用聚焦离子束FIB对142样品CH5 VCSEL芯片进行纵向切片，切片在扫描电子显微镜SEM下观察。

142 样品 CH5 VCSEL 芯片发光平台 mesa 边缘蚀刻有残留凸起，蚀刻边缘梯度非连续；

142样品CH5（失效VCSEL）FIB切片照片

切片显示氧化层包括氧化窗口边缘没有击穿和熔融再结晶形貌。

排除VCSEL芯片因ESD及EOS失效，芯片不是被电流烧坏的，是工艺层面的"先天瑕疵"在老化过程中被放大的。

8.TEM + EDS

为了进一步找到失效根源，使用透射电子显微镜 TEM 对 025 样品的 CH9 VCSEL 芯片进行有源区量子阱层、氧化层以及上下若干层 DBR（分布式布拉格反射层）的横截面薄切片分析。

TEM 观察：025 样品不发光的 CH9 VCSEL 芯片氧化窗口布满树枝状爬行位错，即柏氏矢量 <100> 位错。位错的起源点位于发光平台 mesa 的边缘，从 mesa 边缘向氧化孔中心生长，到达氧化窗口后扩展成面覆盖整个氧化窗口，导致量子阱失活。

025样品CH9（不发光）VCSEL芯片有源区薄切片TEM照片

EDS 分析（位错源头 mesa 边缘处）：面扫描结果显示 O 元素面图显示底部富 O 区域，应是氧化层边缘；对位错源头区域做 EDS 面扫描，Al/As/Ga 元素的面图都没有呈现位错网络的树枝状形貌，说明位错的生长是本征原子迁移的填隙运动，而非杂质富集。

025样品薄切片氧化窗口EDS面扫描结果

到这里，失效机理链逐渐清晰：mesa 边缘的氧化层暴露 → 产生缺陷源头 → 老化条件下沿有源区横向扩展成面状位错网络 → 量子阱失活。

9.失效机理

VCSEL芯片蚀刻工艺不良导致mesa平台边缘氧化层暴露，氧化层与p-DBR界面边缘产生缺陷。缺陷在老化条件下从mesa边缘向氧化孔中心生长，到达氧化窗口后扩展成面覆盖整个氧化窗口，导致量子阱失活。

改进建议

改善蚀刻工艺使mesa平台边缘从p-DBR到n-DBR梯度过渡连续，消除边缘缺陷。

10.写在最后

VCSEL 的可靠性问题，很多时候不是发生在芯片“中心”，而是藏在工艺“边缘”。

如果您的产品也遇到类似的老化失效、光模块失效或芯片级缺陷定位问题，欢迎通过公众号菜单栏“在线咨询”交流，获取针对性的分析思路与改进支持。

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