大功率半導(dǎo)體激光器可靠性研究和失效分析

王文知，井紅旗，祁 瓊，王翠鸞，倪羽茜，劉素平，馬驍宇

(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電子器件國(guó)家工程研究中心，北京 100083)

大功率半導(dǎo)體激光器可靠性研究和失效分析

王文知，井紅旗?，祁 瓊，王翠鸞，倪羽茜，劉素平，馬驍宇

(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電子器件國(guó)家工程研究中心，北京 100083)

對(duì)自主研發(fā)的975 nm波長(zhǎng)的COS封裝的大功率半導(dǎo)體單管激光器進(jìn)行了10，12，14 A的電流步進(jìn)加速應(yīng)力試驗(yàn)，應(yīng)用逆冪律模型和指數(shù)分布的理論對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，計(jì)算出在8 A的電流下，器件的平均壽命為28 999 h。研究了器件的失效形式和老化前后的溫升、偏振度的變化，結(jié)果表明:失效形式主要有體內(nèi)退化、腔面退化、與焊接有關(guān)的退化；老化后的器件的結(jié)溫上升增多，偏振度下降10%左右。

可靠性；步進(jìn)加速應(yīng)力；指數(shù)分布

1 引 言

隨著大功率半導(dǎo)體激光器的材料、工藝與各類相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，大功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為成熟的階段，成為光電子技術(shù)的核心器件之一。目前，大功率半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于光盤存儲(chǔ)、光纖通信、光纖傳感、激光顯示、固體激光器泵浦等領(lǐng)域[1]，對(duì)于大功率半導(dǎo)體激光器的可靠性要求也在逐步提高。器件可靠性是器件在應(yīng)用過(guò)程中的決定性因素之一，可靠性和壽命研究是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)與難點(diǎn)。大功率半導(dǎo)體激光器的壽命都比較長(zhǎng)，在正常條件下研究其可靠性難以實(shí)現(xiàn)，所以需要采用加速老化的方式進(jìn)行研究。

目前的加速模型有恒定應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力和序進(jìn)應(yīng)力3種方式[2]。加速應(yīng)力主要有溫度應(yīng)力[3-6]、電流應(yīng)力[7]等，由于半導(dǎo)體激光器對(duì)于溫度尤其敏感，為了避免產(chǎn)生新的失效機(jī)理，所以對(duì)于大功率半導(dǎo)體激光器的壽命考核，一般采用的是用電流應(yīng)力老化，即在超過(guò)正常工作的電流下觀察器件的輸出功率變化或者閾值電流的變化。通常在老化過(guò)程中當(dāng)輸出功率下降到原來(lái)的80%，或者閾值電流上升到原來(lái)的120%即為失效。本文采用增加電流應(yīng)力的方式進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)外推公式計(jì)算出正常工作條件下的器件的使用壽命。

2 理論依據(jù)

對(duì)于加速應(yīng)力為電流的老化實(shí)驗(yàn)使用的加速模型主要為逆冪律模型[8-9]。基于逆冪律模型可以得到器件的壽命特征與應(yīng)力的關(guān)系如下:

式中:ξ是某壽命特征，如中位壽命、平均壽命、特征壽命等；A是一個(gè)正常數(shù)；c是一個(gè)與激活能有關(guān)的正常數(shù)；S是應(yīng)力。上述關(guān)系稱為逆冪律模型，它表示產(chǎn)品的某壽命特征是應(yīng)力S的負(fù)次冪函數(shù)。

對(duì)上式取對(duì)數(shù)可得:

式中:a＝lnA，b＝－c。a和b是兩個(gè)待定參數(shù)，只要確定了a、b的取值即可外推出其壽命值。

大多數(shù)電子元器件的失效曲線符合浴盆曲線，主要有3部分:早期失效、隨機(jī)失效、損耗失效。在浴盆曲線的隨機(jī)失效部分，其壽命的分布符合指數(shù)分布[10]。根據(jù)指數(shù)分布的特點(diǎn)即可以求得a、b的值。

設(shè)有n個(gè)產(chǎn)品在一組加速應(yīng)力{S1，…，Sk}下順序進(jìn)行步進(jìn)試驗(yàn)，其應(yīng)力轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為t1，t2，…，tk，在Si下持續(xù)時(shí)間ti內(nèi)共有ri個(gè)失效。

由于定時(shí)轉(zhuǎn)換步加試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理較為困難，所以將其轉(zhuǎn)化為定時(shí)截尾恒加試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該方法的要點(diǎn)如下:

(1)極大似然法對(duì)平均壽命的估計(jì)

式中Ri為總的失效個(gè)數(shù)。

(2)lnθi的無(wú)偏估計(jì)及其方差

令

則有

(3)加速模型的估計(jì)

記ξ1＝ξ(2，r1－1)，ξi＝ξ(2，ri－2)，i＝2，…，k，則上述E、I、G、H、M分別為:

由此可獲得加速模型:

若取S＝S0即可獲得正常工作條件下的平均壽命。

3 實(shí)驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析

本文采用的是自主設(shè)計(jì)研發(fā)的GaAs基975 nm半導(dǎo)體激光器，其封裝形式如圖1所示，不同的熱沉對(duì)器件的散熱和壽命也有影響[11-12]。選取15只器件進(jìn)行初步的篩選，剔除掉早期失效的器件。篩選過(guò)后，選取10只器件進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。采用的電流加速應(yīng)力S分別為10，12，14 A，老化時(shí)間分別為1 000，500，500 h。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一直有水冷機(jī)對(duì)器件進(jìn)行冷卻，保證器件管殼在不同的電流應(yīng)力下保持在同一個(gè)溫度。在器件正常工作的情況下，結(jié)溫會(huì)隨著電流的增大而增加，但是增加很小[6]，所以在不同的電流應(yīng)力下，基本可以認(rèn)為器件的失效機(jī)理是一致的。壽命考核的參數(shù)為功率值(P)，當(dāng)功率下降到初始值的20%即為失效。電流步進(jìn)加速老化過(guò)程中的功率變化如圖2所示。

圖1 器件封裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Packaging structure of the device

圖2 器件老化曲線Fig.2 Accelerated aging curves of the devices

對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得表1。

表1 步加試驗(yàn)有關(guān)數(shù)據(jù)Tab.1 Data of the step stress test

根據(jù)表1中的有關(guān)數(shù)據(jù)，首先計(jì)算E、I、G、H、M等的數(shù)值:E＝4.651 339，I＝11.515 208，G＝28.594 062，H＝33.256 260，M＝81.632 138，由此可以算出a與b的估計(jì)值:

利用加速模型可以算出該器件在正常使用電流水平12 A下的平均壽命的估計(jì)值:

4 失效分析及老化前后性能變化

半導(dǎo)體激光器退化主要有體內(nèi)退化、腔面退化和與焊接有關(guān)的退化等幾種形式。

4.1 體內(nèi)退化

體內(nèi)退化主要是材料內(nèi)部的雜質(zhì)與缺陷增多，從而使載流子的非輻射復(fù)合速率增加，造成器件緩慢退化。我們分別對(duì)老化前后的5只器件進(jìn)行測(cè)量。老化后的器件性能退化，器件的結(jié)溫有所上升，具體情況如圖3所示。圖中前3只器件的轉(zhuǎn)換效率均在55%左右，溫升在40℃左右；第4只和第5只器件轉(zhuǎn)換效率較低，溫升達(dá)到了50℃和58℃。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換效率較低的器件非輻射復(fù)合增多，光功率降低，溫升較大。降低有源區(qū)的溫度的措施主要有:提高芯片生長(zhǎng)工藝；采用導(dǎo)熱性能和熱匹配比較好的焊料；采用散熱性能好的封裝管殼等[13]。

圖3 器件在老化前后的溫升變化Fig.3 Temperature rise before and after aging

圖4 器件在老化前后的偏振度變化Fig.4 Degree of polarization before and after aging

本文還測(cè)量了老化前后的器件的偏振度的變化，具體情況如圖4所示。從圖中可以看出，偏振度在老化之后下降了10%左右，說(shuō)明激光器的光束質(zhì)量在老化之后有所下降。

4.2 腔面退化

局部過(guò)熱、氧化、腐蝕等因素會(huì)造成腔面損傷，使腔面的表面態(tài)增加，表面復(fù)合速度增加，溫度極速上升，甚至發(fā)生腔面光學(xué)損傷(COD)，如圖5所示。可以采用量子阱混雜和非吸收窗口等方式降低COD。

圖5 光學(xué)災(zāi)變損傷照片。(a)無(wú)光學(xué)災(zāi)變損傷發(fā)生；(b)標(biāo)注位置處發(fā)生了光學(xué)災(zāi)變損傷。Fig.5 Catastrophic optical damage(COD).(a)Without the occurrence of COD.(b)Occurrence of COD at the position marked out.

4.3 與焊接有關(guān)的退化

焊接不良主要有焊料溢出、管芯與載體粘結(jié)不好等情況。焊接不良不僅會(huì)增加熱耗散功率還會(huì)降低激光器的效率，引起局部過(guò)熱、引線脫落等問(wèn)題。幾種焊接不良的情況如圖6所示。

圖6 各種焊接不良情況的照片。(a)焊接良好；(b)焊料與管芯脫離；(c)焊料從腔面溢出；(d)焊料從兩邊溢出。Fig.6 Photos of poor welding.(a)Good welding.(b)Solder away from the LD.(c)Solder overflow from the cavity surface. (d)Sold overflow from both sides.

5 結(jié) 論

本文采用步進(jìn)電流應(yīng)力的方式對(duì)大功率半導(dǎo)體單管激光器進(jìn)行了加速壽命試驗(yàn)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)逆冪律模型和指數(shù)分布的理論外推出其在正常工作下壽命為28 999 h。該結(jié)果是統(tǒng)計(jì)值，樣品數(shù)越多則結(jié)果越準(zhǔn)確。由于試驗(yàn)條件的限制，本文選取了10只，結(jié)果會(huì)有所偏差，但是在實(shí)際使用中仍有一定意義。本文還對(duì)器件的失效形式和老化前后的性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其老化后有溫升增多、偏振度下降等現(xiàn)象。

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王文知(1992－)，女，河北滄州人，碩士研究生，2014年于河北工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事大功率半導(dǎo)體激光器的研究。

E-mail:wwzhi1991＠163.com

井紅旗(1980－)，女，河北保定人，博士，助理研究員，2014年于中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所獲得博士學(xué)位，主要從事大功率半導(dǎo)體激光器及其封裝方面的研究。

E-mail:jinghq＠semi.ac.cn

Reliability Test and Failure Analysis of High Power Semicounductor Laser

WANG Wen-zhi，JING Hong-qi?，QI Qiong，WANG Cui-luan，NI Yu-xi，LIU Su-ping，MA Xiao-yu
(National Engineering Research Center for Optoelectronic Devices，Institute of Semiconductor，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China)?Corresponding Author，E-mail:jinghq＠semi.ac.cn

The current step accelerated stress tests were carried out at 10，12，14 A for 975 nm high power semiconductor laser which is packaged with the way of COS.The test results were analyzed by using the inverse power law model and the exponential distribution theory.The average life of the device is 28 999 h under the current of 8 A.The high power semiconductor laser's failure and the change of temperature rise and the degree of polarization before and after aging were also studied. The results show that the main failure is internal degradation，deterioration of the cavity surface，and welding related degradation.The junction temperature of device after aging is higher，and the degree of polarization decreases about 10%.

reliability；step accelerated stress；exponential distribution

TN248.4；TN306

A

10.3788/fgxb20173802.0165

1000-7032(2017)02-0165-05

2016-07-18；

2016-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(61306057)資助項(xiàng)目Supported by National Natural Science Foundation of China(61306057)