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光半導体デバイスはなぜ故障するの?

皆様、こんにちは! 光デバイス設計課の長冨です。
私は光通信などに使用する光半導体デバイスの信頼性業務を担当しています。

みなさんは半導体の故障といえばどのような故障を思い浮かべますか? まず、思い浮かぶのは静電気による破壊でしょうか? 静電気とは、冬場など乾燥した状態でセーターなどを着るときにパチッと発生するアレです。 もちろん、光半導体もこの静電気で故障してしまいますが、光半導体は光が原因でも故障してしまいます。

光による故障についてもう少しだけ詳しく説明します。

少し難しい話をしますと、発光素子である半導体レーザーダイオード(LD)は電流をエネルギー密度の高い光に変換して、極めて小さい発光点から出射するため、既定より高い光を出力するとその光によって発光点周辺が熔融してしまうことがあります。 私たちは、この症状をCOD(Catastrophic optical damage:光学損傷)と呼んでいます。

このCODに陥るとLDの特性は図1のようになります。

図1. LDの光出力と電流の関係グラフ

 

グラフの縦軸はLD光出力、横軸はLDへの印加電流です。
①が正常な状態で、ある電流値から発光し始めます。 これをしきい値電流(Ith)と呼びます。
①の状態で、電流を増加させ続けるとあるところで急激に光出力が低下して②の状態になってしまいます。この状態がCODです。
その後は、③のように大幅に光出力が低下して、製品として使用できなくなってしまいます。

CODに陥ったLDの発光状態を観察するため、LDを発光点に対し垂直に切り出し、発光領域を観察した状態が図2になります。

図2.COD発生品の解析結果(イメージ図)

 

発光点から黒く見える線が発生しており、これが光によって壊れた領域です。
このように、通常のLSIと違って光半導体は、光でも故障してしまうので取り扱いには気をつけないといけないですね。

以上、代表的な光半導体デバイスである半導体レーザーダイオードについて、発光素子ならではの故障についてご紹介させていただきました。

 

WTIでは、光半導体に関する評価や解析用治具の設計・製作、専用工具の製作、効率的な評価設備構築(例えば自動評価系など)のご提案なども実施しています。

光半導体デバイスに関してお困りごとがございましたら、お気軽にWTIまでお問合せください。

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