半导体器件寿命测试

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0 前言
大功率半导体激光器的应用领域越来越广泛，其可靠性非常重要，且寿命是衡量可靠性的重要指标之一。然而，大功率激光器的工作寿命还没有一个国际标准定义，也没有标准的加速检测方法。大量长寿命的无Al激光器的高温加速老化寿命试验也是在假定了激活能的基础上进行的，这样进行试验由于不知道不确定失效的机理，得到的寿命数据也是不能令人信服的。本文基于加速寿命试验的基本概念，参考普通半导体器件寿命测试方法，通过两次高温加速老化，绘制激光器的老化曲线，计算出激活能，然后利用所求的激活能通过统计学的方法，反推出室温下器件的寿命值。

1 试验与计算分析

本试验分别在40、80℃下对20只随机抽取的波长808 nm的无Al连续输出功率为1 W的单管激光器进行1.2 A恒流老化。老化前抽出10只在室温下进行P-I-Y测试，如图1所示。

加速老化试验过程分两个方面同时进行，一半器件用半导体激光器功率老化设备进行40℃(不控温)下的老化，由探测器定时自动采集光功率相对值并由电脑记录；另外一半放置于温度设定为80℃的高低温试验箱中通过探测器手工定时采集激光器的功率。两次试验电流恒定控制为1.2 A。图2和图3为老化过程中的功率退化曲线。

试验中规定相对功率下降30％为激光器失效时间。40℃下的中位寿命为3 000 h；80℃下的中位寿命为330 h。器件失效从根本上讲都是基本的物理化学过程，而温度对于许多物理化学过程来讲都是一个重要因素，温度升高以后，这些变化过程大大加快，器件失效过程被加速，试验总结出来阿列尼乌斯(Arrhenius)经验公式

式中，L为寿命，Ea为激活能，A为常数，k(8.62×10-5eV／K)为波尔兹曼常数，T为热力学温度。确定了失效模式的激活能以后，就可以得出加速系数τ。设室温T0下寿命为L0，加速试验中温度T1下寿命为L1，温度T2下的寿命为L2(T2>T1)，则激活能的计算式为


不同温度下Ea与τ的关系如图4所示，不同温度下，温度越高，曲线斜率越大，加速效果越明显；相同温度下，激活能越大，加速系数越大。由于失效机理不同，激活能也不一样。

将数据代入式(2)、(3)可以解出Ea=0.52 eV／K，τ=25.2(相对于80℃)。进而，可以计算出中值寿命tm=330×25.2=8 320 h。

在对数正态分布概率纸上绘制把激光器的加速寿命分布曲线，如图5所示。横坐标是激光器的寿命，纵坐标是累积失效率(A)。通过图中的点可以近似画出两条互相平行的线，这就说明，半导体激光器的寿命分布属于对数正态分布形式，而且加速寿命试验确实是“真实有效的”加速了。

一般地，半导体激光器的寿命符合对数正态分布，对数正态分布的故障概率密度函数为

式中，μ是中值寿命tm的对数值，σ为对数标准差，基于此，可准确描述对数正态分布。

中值寿命对应于图5中50％器件失效的时间，标准差σ表示寿命分布的宽度，也容易从图中经过简单计算得到，它决定于对数正态概率纸上累积失效率曲线的斜率，其计算公式为


式中t1是累积失效率为16％(精确值为15.87％)时对应的时间。代人数据计算得出σ=1.1。

得到了中值寿命tm和对数标准差σ后就可以计算出激光器的平均寿命(MTTF)

代入tm=8320，σ=1.1到式(6)中得到MTTF为15 000 h。

2 失效分析

半导体激光器退化主要有以下几种方式：

①体内退化。主要是材料内部的杂质与缺陷，特别是异质结材料中由于晶格失配所形成的位错能够在适当的温度下“增殖”，这种位错也会在晶体中逐渐形成位错线，位错网格。其后果是增加注入载流子的非辐射复合速率，使阈值不断增加。这种退化无法直接从腔面直接观察到，属于缓慢退化，使激光器功率逐渐降低。由于采用的是无Al材料，有效地抑制了暗线的形成与位错的扩展，这种退化较少。

②腔面退化。局部过热、氧化、腐蚀等因素使腔面遭受损伤，形成更多的表面态，增加表面态复合速度，温度上升，造成热平衡状态遭到破坏，有源区局部熔化，如图6(d)甚至遭受毁灭性的破坏(COD)，如图6(e)所示，这种退化是瞬间形成的。

③与烧结有关的退化。管芯与载体粘结特性不好，很容易与载体分离，欧姆接触不好不仅增加热耗散功率而降低激光器的效率，而且会引起局部过热。使上述接触电阻进一步增加，造成引线脱落等，如图6(a)、(b)所示；另外，铟焊料过多使在加热焊接或在后面的加速老化试验中焊料淹浸解理面，而使激光器输出功率减小或无输出，如图6(c)所示。

3 结论

通过本文阐述的可靠性加速寿命试验，尝试计算了大功率激光器芯片长期退化过程的综合激活能Ea的值为0.52 eV，并根据其值外推了室温下大功率半导体激光器的平均寿命为15 000 h。寿命测试的结果是统计值，试验样品数自然越多越准确。我们共随机抽取了20只进行试验。对老化后失效的样品，进行了分析发现，除了部分芯片发生了COD外，封装过程中焊料的沉积和芯片的焊接工艺也是导致激光器失效的主要因素。

本文着重从寿命角度讨论了半导体激光器的可靠性。其实，除了寿命外可靠性的参数还有很多，例如：早期失效率，早期失效的激活能等，这些都是在做可靠性分析时需要明确的。