前言

大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，其可靠性非常重要，且壽命是衡量可靠性的重要指標(biāo)之一。然而，大功率激光器的工作壽命還沒有一個國際標(biāo)準(zhǔn)定義，也沒有標(biāo)準(zhǔn)的加速檢測方法。大量長壽命的無Al激光器的高溫加速老化壽命試驗(yàn)也是在假定了激活能的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這樣進(jìn)行試驗(yàn)由于不知道不確定失效的機(jī)理，得到的壽命數(shù)據(jù)也是不能令人信服的。本文基于加速壽命試驗(yàn)的基本概念，參考普通半導(dǎo)體器件壽命測試方法，通過兩次高溫加速老化，繪制激光器的老化曲線，計(jì)算出激活能，然后利用所求的激活能通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，反推出室溫下器件的壽命值。

1 試驗(yàn)與計(jì)算分析

本試驗(yàn)分別在40、80℃下對20只隨機(jī)抽取的波長808 nm的無Al連續(xù)輸出功率為1 W的單管激光器進(jìn)行1.2 A恒流老化。老化前抽出10只在室溫下進(jìn)行P-I-Y測試，如圖1所示。

加速老化試驗(yàn)過程分兩個方面同時進(jìn)行，一半器件用半導(dǎo)體激光器功率老化設(shè)備進(jìn)行40℃(不控溫)下的老化，由探測器定時自動采集光功率相對值并由電腦記錄；另外一半放置于溫度設(shè)定為80℃的高低溫試驗(yàn)箱中通過探測器手工定時采集激光器的功率。兩次試驗(yàn)電流恒定控制為1.2 A。圖2和圖3為老化過程中的功率退化曲線。

試驗(yàn)中規(guī)定相對功率下降30％為激光器失效時間。40℃下的中位壽命為3 000 h；80℃下的中位壽命為330 h。器件失效從根本上講都是基本的物理化學(xué)過程，而溫度對于許多物理化學(xué)過程來講都是一個重要因素，溫度升高以后，這些變化過程大大加快，器件失效過程被加速，試驗(yàn)總結(jié)出來阿列尼烏斯(Arrhenius)經(jīng)驗(yàn)公式

式中，L為壽命，#p#分頁標(biāo)題#e#Ea為激活能，A為常數(shù)，k(8.62×10-5eV／K)為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。確定了失效模式的激活能以后，就可以得出加速系數(shù)τ。設(shè)室溫T0下壽命為L0，加速試驗(yàn)中溫度T1下壽命為L1，溫度T2下的壽命為L2(T2>T1)，則激活能的計(jì)算式為

不同溫度下Ea與τ的關(guān)系如圖4所示，不同溫度下，溫度越高，曲線斜率越大，加速效果越明顯；相同溫度下，激活能越大，加速系數(shù)越大。由于失效機(jī)理不同，激活能也不一樣。

將數(shù)據(jù)代入式(2)、(3)可以解出Ea=0.52 eV／#p#分頁標(biāo)題#e#K，τ=25.2(相對于80℃)。進(jìn)而，可以計(jì)算出中值壽命tm=330×25.2=8 320 h。

在對數(shù)正態(tài)分布概率紙上繪制把激光器的加速壽命分布曲線，如圖5所示。橫坐標(biāo)是激光器的壽命，縱坐標(biāo)是累積失效率(A)。通過圖中的點(diǎn)可以近似畫出兩條互相平行的線，這就說明，半導(dǎo)體激光器的壽命分布屬于對數(shù)正態(tài)分布形式，而且加速壽命試驗(yàn)確實(shí)是“真實(shí)有效的”加速了。

一般地，半導(dǎo)體激光器的壽命符合對數(shù)正態(tài)分布，對數(shù)正態(tài)分布的故障概率密度函數(shù)為

式中，μ是中值壽命tm的對數(shù)值，σ為對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，基于此，可準(zhǔn)確描述對數(shù)正態(tài)分布。

中值壽命對應(yīng)于圖5中#p#分頁標(biāo)題#e#50％器件失效的時間，標(biāo)準(zhǔn)差σ表示壽命分布的寬度，也容易從圖中經(jīng)過簡單計(jì)算得到，它決定于對數(shù)正態(tài)概率紙上累積失效率曲線的斜率，其計(jì)算公式為

式中t1是累積失效率為16％(精確值為15.87％)時對應(yīng)的時間。代人數(shù)據(jù)計(jì)算得出σ=1.1。

得到了中值壽命tm和對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σ后就可以計(jì)算出激光器的平均壽命(MTTF)

代入tm=8320，σ=1.1到式(6)中得到MTTF為15 000 h。

#p#分頁標(biāo)題#e#2 失效分析

半導(dǎo)體激光器退化主要有以下幾種方式：

①體內(nèi)退化。主要是材料內(nèi)部的雜質(zhì)與缺陷，特別是異質(zhì)結(jié)材料中由于晶格失配所形成的位錯能夠在適當(dāng)?shù)臏囟认?/span>“增殖”，這種位錯也會在晶體中逐漸形成位錯線，位錯網(wǎng)格。其后果是增加注入載流子的非輻射復(fù)合速率，使閾值不斷增加。這種退化無法直接從腔面直接觀察到，屬于緩慢退化，使激光器功率逐漸降低。由于采用的是無Al材料，有效地抑制了暗線的形成與位錯的擴(kuò)展，這種退化較少。

②腔面退化。局部過熱、氧化、腐蝕等因素使腔面遭受損傷，形成更多的表面態(tài)，增加表面態(tài)復(fù)合速度，溫度上升，造成熱平衡狀態(tài)遭到破壞，有源區(qū)局部熔化，如圖6(d)甚至遭受毀滅性的破壞(COD)，如圖6(e)所示，這種退化是瞬間形成的。

③與燒結(jié)有關(guān)的退化。管芯與載體粘結(jié)特性不好，很容易與載體分離，歐姆接觸不好不僅增加熱耗散功率而降低激光器的效率，而且會引起局部過熱。使上述接觸電阻進(jìn)一步增加，造成引線脫落等，如圖6(a)、(b)所示；另外，銦焊料過多使在加熱焊接或在后面的加速老化試驗(yàn)中焊料淹浸解理面，而使激光器輸出功率減小或無輸出，如圖6(c)所示。

#p#分頁標(biāo)題#e# 

3 結(jié)論

通過本文闡述的可靠性加速壽命試驗(yàn)，嘗試計(jì)算了大功率激光器芯片長期退化過程的綜合激活能Ea的值為0.52 eV，并根據(jù)其值外推了室溫下大功率半導(dǎo)體激光器的平均壽命為15 000 h。壽命測試的結(jié)果是統(tǒng)計(jì)值，試驗(yàn)樣品數(shù)自然越多越準(zhǔn)確。我們共隨機(jī)抽取了20只進(jìn)行試驗(yàn)。對老化后失效的樣品，進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，除了部分芯片發(fā)生了COD外，封裝過程中焊料的沉積和芯片的焊接工藝也是導(dǎo)致激光器失效的主要因素。

本文著重從壽命角度討論了半導(dǎo)體激光器的可靠性。其實(shí)，除了壽命外可靠性的參數(shù)還有很多，例如：早期失效率，早期失效的激活能等，這些都是在做可靠性分析時需要明確的。