0 前言

大功率半導體激光器的應用領域越來越廣泛，其可靠性非常重要，且壽命是衡量可靠性的重要指標之一。然而，大功率激光器的工作壽命還沒有一個國際標準定義，也沒有標準的加速檢測方法。大量長壽命的無Al激光器的高溫加速老化壽命試驗也是在假定了激活能的基礎上進行的，這樣進行試驗由于不知道不確定失效的機理，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的基本概念，參考普通半導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，計算出激活能，然后利用所求的激活能通過統(tǒng)計學的方法，反推出室溫下器件的壽命值。

1 試驗與計算分析

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

加速老化試驗過程分兩個方面同時進行，一半器件用半導體激光器功率老化設備進行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定為80℃的高低溫試驗箱中通過探測器手工定時采集激光器的功率。兩次試驗電流恒定控制為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過程，而溫度對于許多物理化學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，試驗總結(jié)出來阿列尼烏斯(Arrhenius)經(jīng)驗公式

式中，L為壽命，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。設室溫T0下壽命為L0，加速試驗中溫度T1下壽命為L1，溫度T2下的壽命為L2(T2>T1)，則激活能的計算式為

不同溫度下Ea與τ的關系如圖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／K，τ=25.2(相對于80℃)。進而，可以計算出中值壽命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。橫坐標是激光器的壽命，縱坐標是累積失效率(A)。通過圖中的點可以近似畫出兩條互相平行的線，這就說明，半導體激光器的壽命分布屬于對數(shù)正態(tài)分布形式，而且加速壽命試驗確實是“真實有效的”加速了。

一般地，半導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)標準差，基于此，可準確描述對數(shù)正態(tài)分布。

中值壽命對應于圖5中50％器件失效的時間，標準差σ表示壽命分布的寬度，也容易從圖中經(jīng)過簡單計算得到，它決定于對數(shù)正態(tài)概率紙上累積失效率曲線的斜率，其計算公式為

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

得到了中值壽命tm和對數(shù)標準差σ后就可以計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。

2 失效分析

半導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?shù)臏囟认?ldquo;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。

3 結(jié)論

通過本文闡述的可靠性加速壽命試驗，嘗試計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)計值，試驗樣品數(shù)自然越多越準確。我們共隨機抽取了20只進行試驗。對老化后失效的樣品，進行了分析發(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體激光器的可靠性。其實，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。