雷射二極體和垂直共振腔面射型雷射脈衝測試

作者 : Tektronix供稿

在半導體晶圓、陣列和晶片載體生產階段測試垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)時,熱量管理是非常關鍵的要素。然而,在對VCSEL或雷射二極體進行脈衝測試時,仍會存在多種錯誤來源…

在半導體晶圓、陣列和晶片載體生產階段測試垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)時,熱量管理是非常關鍵的要素。因此,測試時一般會使用脈衝式測試,以使功耗達到最小。然而,在對VCSEL或雷射二極體進行脈衝測試時,仍會存在多種錯誤來源,包括將高電流脈衝耦合到待測裝置(DUT)、光偵測器耦合、偵測器本身回應慢和準確度差等問題。本文介紹與這些問題有關的解決方案,這些方案可縮短測試次數,提高結果準確度並降低廢品率。

LIV曲線

雷射二極體和VCSEL的基礎測試是光電流電壓(LIV)曲線測試,此測試同時亦會量測裝置的電和光的輸出功率特性。這項測試主要用來在裝置進入組裝前分揀或剔除不良裝置。DUT要進行電流掃描,同時記錄掃描中每一步的前向電壓下降。同時,儀器會監測光功率輸出,然後分析得到的資料,確定雷射特點,包括雷射閾值電流、量子效率和「拐點」偵測(第一個衍生光功率輸出與注入電流曲線中的局部化負斜率)。

熱量管理和熱效應

脈衝式LIV測試最好在生產早期完成,也就是在將VCSEL組裝到模組中之前。對仍位於晶圓上的VCSEL和雷射二極體,脈衝式測試至關重要,因為裝置在這個時候沒有溫控電路。使用直流測試可能會改變其特點,甚至在最壞情況下會破壞裝置。在之後的生產階段,當其組裝到具有溫控的模組中時,裝置可以進行直流測試,然後將測試結果與脈衝式測試結果進行對比。由於溫度位移導致裝置特點變化,某些裝置會通過直流測試,但卻無法通過脈衝式測試。

VCSEL特別適合用於切片前晶圓階段測試,因為其輻射與晶圓平面垂直的光能量。儘管許多VCSEL可在非脈衝模式下測試,因為其效率很高,但功率較高的裝置要求在生產早期階段進行脈衝式測試,這可避免產生高熱顆粒,如果執行非脈衝式直流測試,高熱顆粒會引起機械壓力。

LIV特性與雷射溫度相關,在測試過程中必須緊密控制雷射溫度,就像正常操作中一樣。為什麼要執行低工作週期脈衝式LIV測試呢?主要原因有熱量管理、熱回應和暫態回應。一般而言,這些問題的出現,是因為必須在安裝到熱量管理裝置之前,如散熱器或熱電冷卻器(TEC,有時稱帕爾貼裝置),對雷射二極體和VCSEL執行直流測試。

在雷射二極體或VCSEL正確安裝在TEC,並在模組系統或封裝中執行時,其溫度可以保持在±0.005℃範圍內。在典型沒有冷卻的非脈衝式LIV測試中,自熱會影響雷射的電和光效能。內部溫度位移會改變前向電壓下跌、動態電阻、量子效率和其他特點。在持續時間短的脈衝中,雷射二極體的平均功耗產生的熱效應最小。

然而,我們發現,脈衝式LIV效能差的VCSEL或雷射二極體可能會通過非脈衝式測試。這些有問題的裝置通常會在光纖資料通訊系統使用的雷射二極體模組中導致高誤碼率,或在以VCSEL為基礎的車用光達(LIDAR)系統中導致偵測問題。

另一類問題是脈衝式LIV特性很好,但卻無法通過非脈衝式測試。一般而言,這些裝置會在雷射啟動後幾微秒內在光學上變得不穩定,同時伴隨著光輸出下跌到預計光功率的幾分之一。因此,在適當的生產階段比較脈衝式LIV掃描與非脈衝式LIV掃描,可以更完整地指示DUT效能及模組和封裝中內建的熱量管理裝置的效果。

 

圖1:LIV曲線。

 

脈衝參數

正確測試雷射二極體或VCSEL要求正確形狀的電流脈衝,應相當迅速地達到全部電流(但不要過快而導致過衝和振鈴),然後要保持平坦足夠的時間,確保結果準確地表示雷射二極體的真實輸出。脈衝式LIV測試中的第一個挑戰,是提供擁有適當的振幅、持續時間、工作週期及上升時間和下降時間的恆定電流脈衝。

為最佳化拐點偵測,LIV掃描中相鄰電流階躍之間的脈衝特點差異必須盡可能確定,如圖2所示。

 

圖2:VCSEL上1A、2.5A、5A、7.5A和10A處振幅掃描。

 

傳送電流脈衝有兩種常用方法:將脈衝式恆定電流源直接耦合到雷射二極體,使用驅動已知電阻的脈衝式恆定電壓源。在這兩種方式中,脈衝式電流源的確定性更好。

脈衝式LIV測試的最大源訊號振幅一般會超過雷射二極體或VCSEL標稱工作電流的兩倍。對早期測試,通常使用500ns~50μs的脈衝寬度,工作週期一般會≤3%。電流可以在數十毫安培到數安培。此測試條件是因為我們要盡可能地降低平均功耗,同時縮短測試持續時間。這可能會對系統提出很高的需要,特別是在阻抗匹配方面。

高電流脈衝的上升時間和下降時間應夠短,以保證電流脈衝頂部的平坦時間。上升時間和下降時間之和應小於總脈寬的30%,以允許頂部的訊號穩定時間和平坦時間。另一方面,轉換速率要盡可能低,以降低高頻頻譜成分,協助減少脈衝傳輸問題和穩定時間。

脈衝傳送和電纜電感

同軸電纜廣泛用於將快速訊號傳送到待測裝置。每條電纜都有自己的特性電纜阻抗,這種特性阻抗同時與電容和電感有關。兩者之間最關鍵的係數是電纜電感,以提供乾淨的10μs脈衝。計算這個電感時需要的變數有中心導體直徑、到外部遮罩層的距離和長度,如圖3所示。同軸電纜的相對磁導率通常為1,這取決於絕緣體的材料。例如,在內徑是1mm,外徑是3.5mm,長度為1m,相對磁導率為1時,可計算出同軸電纜的電感是250nH,這幾乎是同軸電纜電感的典型值。非遮罩電纜的電感則要高得多。

 

圖3:同軸電纜電感。

 

其中:

Lcoax =同軸電纜的電感,單位為亨利(H)

μ0 =真空磁導率= 4π × 10-7

μr =相對磁導率

D =同軸電纜外徑

d =同軸電纜內徑

L =同軸電纜長度

在大多數情況下,從測試儀器到DUT會並聯兩條同軸電纜,一條連接到高電位端子,而另一條則連接到低電壓端子。問題是,兩條電纜的電感並不是一條電纜電感的兩倍,而是高出3~6倍(視電纜如何從儀器輸送到DUT而定)。例如,1m、250nH電感的電纜,兩條電纜並聯時,電感並不是500nH,而是可能高達1.5μH。這可能會產生額外的迴路電感(視兩條電纜相

距的距離有多遠)。為消除迴路電感,兩條電纜的遮罩層應在電纜兩端捆紮在一起。

電纜中電感大帶來的最大的挑戰是如何克服電流脈衝中的振盪、過衝和下衝。在電容可能會導致電壓脈衝振盪時,電感會給輸出電流穩定性帶來負面影響。例如,圖4說明了多個電感負載對100μs脈衝的影響。測試結果指出,在電感提高時,脈衝形狀的過衝和不穩定程度也會提高。不穩定會導致很難進行準確量測,因為脈衝穩定時間可能會太長了。

 

圖4:電感器上的1A 100μs脈衝,1μH (黃色)、3μH (藍色)、5μH (紅色)。

 

另一個與電纜電感有關的問題是脈衝的上升邊緣和下降邊緣積累的電壓。經過電感器的暫態電壓可以用L × di/dt計算得出,其中L是電感,di/dt是電流相對於時間的變化速率。大家可能會猜到,上升時間和下降時間越短,邊緣累積的電壓越大。脈衝中22μs的上升時間會在上升邊緣產生2V的電壓,但1.6μs的上升時間會產生大約10V電壓尖峰。

這個電壓尖峰會在邊緣為儀器帶來某些電壓上的負擔,儀器必須支援電壓峰值。如果電壓有限,則上升邊緣可能會很慢。在快速脈衝中,更嚴重的高壓峰值問題是要求額外的穩定時間,才能進行精確的電壓量測。

挑戰在於如何為裝置提供一個可用的電流脈衝,而又不會產生振盪、過衝和下衝,從而能夠正確測試裝置,即使在電纜電感及裝置間電感可變性變化時,仍能進行準確的電壓量測。

耦合至偵測器

擷取雷射二極體的脈衝式光輸出並不是一項輕鬆的任務。通常會使用三種偵測器材料:矽(Si)、鍺(Ge)和銦鎵砷化物(InGaAs)。每種材料都有優勢和劣勢,如圖5所示,偵測器的選擇在很大程度上取決於涉及的光的波長。在波長小於800nm時,矽是唯一的選擇。但大部分電信設備的工作波長是1,300nm~1,700nm,在這種情況下,InGaAs似乎是最佳選擇,因為其回應相當一致,而且能夠支援最高約1,700nm的波長。

 

圖5:偵測器的選擇在很大程度上取決於涉及的光的波長。

 

來自雷射二極體的輸出可透過多種方式耦合到偵測器。其中一種方式是將雷射直接對準偵測器,但這種方式有多種缺點,並不是所有光都能到達偵測器。對封裝零件而言,通常最佳的解決方案是積分球——內部是一個空心球,外面包著一層反射材料,配有一個偵測器安裝架,有一個埠饋入要量測的光。積分球接收來自光源的所有光,隨機化其偏振,將光均勻地分佈在內部表面。然後通過球體側面安裝的偵測器會「看到」饋入球體的光可量測、可重複的部分(大約1%)。

待量測的光很充足,但不足以讓偵測器超載。不過,在晶圓級測試VCSEL時,積分球並不實用。在正常情況下,晶圓探棒會透過探棒卡在電氣上連接到每個裝置。

探棒台還將光偵測器直接放在裝置上方。如果探棒卡能夠同時連接多個裝置,則可建構與圖6所示的類似測試系統,每次在探棒卡接觸晶圓時測試所有裝置。由於晶圓上的裝置數量高,使用掃描方式測試多個裝置可能會耗時很長。對要求高輸送量的應用,最佳解決方案通常是使用多對儀器來平行測試多個裝置。

 

圖6:雷射二極體模組典型的LIV測試設定。可以使用相同的儀器測試VCSEL,2601B-PULSE用來為待測裝置提供10A @ 10V @ 10μs的電流脈衝,使用數位萬用電錶監測光輸出,同時由TEC控制模組溫度。

 

擷取脈衝式雷射光輸出

在脈衝LIV測試中,最困難的任務之一是擷取雷射二極體在峰值時的脈衝式光輸出。光脈衝持續時間短,對大多數商用光功率計而言並非合適的訊號,一般而言,脈衝LIV測試中最困難的任務之一是擷取雷射二極體在峰值時的脈衝式光輸出。光功率計是為通常要求幾秒積分時間完成一個讀數的高準確度量測而設計。儘管可以使用這些儀器,但其要求很長的積分週期,才能累積數千個雷射脈衝。然後韌體或外部PC的測試程式必須計算峰值光功率,並假設平均功率是驅動雷射的電流脈衝的工作週期的函數。

還有一個進一步假設,即雜訊訊號的積分是零。由於光功率計存在的缺陷,測試工程師已為脈衝式LIV測試設計出更快速、更準確的測試方法。量測饋送高速脈衝的雷射二極體中的電壓和電流並不容易。

在歷史上,最常用的方法是採用機架安裝的多台儀器,並在PC控制器上執行相當複雜的客製化軟體。除使用PC進行測試定序和訊號分析外,這一系統使用的設備還有電流脈衝產生器/SMU儀器、光量測裝置(光電偵測器等)、TEC儀器,以及數位萬用電錶(用來量測積分球或光電偵測器的輸出訊號)。

這類系統的設計方式是同時包括脈衝式工作模式和非脈衝式工作模式。這種雙重功能可以使用相同的量測通道,在一個平台上執行兩類LIV掃描(脈衝式和直流),如Keithley 2601B-PULSE System SourceMeter 10μs脈衝產生器/SMU儀器。2601B-PULSE的控制迴路系統對3μH以下的負載變化不需要進行調諧,因此在電流高達10A,輸出10μs~500μs的脈衝時,電流脈衝沒有過衝和振鈴。這保證了快速上升時間,可以為裝置提供電流脈衝,正確分析裝置或電路特性。透過對比脈衝式測試結果與非脈衝式測試結果,可以得到與DUT效能更完整的資訊。

系統速度和輸送量

效率和低成本是在現今製造生產環境中生存的關鍵因素。測試必須快速、準確、成本低,這意味著使用光功率計並不是最佳選擇,因為會隨著時間積分光輸出,低工作週期輸入可能會延長積分週期。此外,量測的準確度取決於脈衝工作週期的準確度,以及光輸出的工作週期與電輸入的工作週期的匹配程度。

對許多儀器而言,PC負責控制測試的所有流程。在測試序列的每個要素中,必須為每項測試配置儀器,儀器執行所需的操作,然後將資料返回主控PC。然後主控PC必須評估測試通過/未通過指標,執行相應操作來約束待測裝置。發送和執行的每條命令都會佔用寶貴的生產時間,降低輸送量。

顯而易見地,此測試序列中有很大的部分是與PC來回傳送資訊。2601B-PULSE和Keithley最新DMM (如DMM7510和DMM6510)等儀器提供了獨特功能,透過降低通訊匯流排上的業務量,明顯提高複雜測試序列的輸送量。

在這些儀器中,絕大部分的測試序列嵌入在儀器中。Test Script Processor (TSP)是一種全功能測試序列引擎,可以控制測試序列,並擁有內部測試通過/未通過指標、計算和數位I/O控制功能。TSP可以在記憶體中儲存使用者自訂的測試序列,並通過命令執行這些測試序列。

這種方式限定了測試序列中每一步的「設定」和配置時間,提高了輸送量,因為其減少了儀器與PC之間的通訊數量。

總結

本文回顧了電纜電感的影響、熱量管理需求,以及建立脈衝式和直流LIV測試系統的各種組成部分。在生產輸送量至關重要時,2601B-PULSE System SourceMeter是一種理想的解決方案,因為這在一台儀器中同時提供了脈衝產生器和SMU。這款儀器的脈衝產生器功能提供了可靠且可重複的脈衝波形、寬度、上升時間和下降時間(最高可達10A @ 10V,最低可達10μs)。這款儀器提供了許多好處,包括:

  • 不需手動調諧脈衝輸出就可以確保高脈衝完整性,縮短測試時間,節省生產成本;
  • 使用一台儀器進行直流/脈衝電流和電壓量測;
  • 滿懷信心地分析VCSEL的特性,並開發下一代材料、裝置和模組;
  • 使裝置自熱狀況達到最小,盡可能地降低探棒頭燒毀風險,保護VCSEL、VSCEL陣列、LED;
  • 量測低達單位數ms的取樣速率,同時輸出1μs,10A @ 10V電流脈衝。

更多資訊https://www.tek.com/tw

(本文由Tektronix提供)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年1月號

 

 

 

 

 

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