溫度對半導體激光器退化的影響*

楊 鵬，胡業榮,王貴山

(國防科技大學 智能科學學院 裝備綜合保障技術重點實驗室， 湖南 長沙 410073)

半導體激光器(Laser Diode，LD)是一種比較常見的激光器，被廣泛應用于通信、測距、掃描、照明、激光醫療等領域。隨著使用范圍的拓展，LD退化機理和可靠性研究逐漸成為一個熱點。LD退化模式主要包括有源區生長缺陷、腔面損傷、熱沉及電極退化[1-5]等。影響LD退化的因素有很多，如溫度、密封條件、電過載等，其中溫度是誘發和加速LD退化的重要外部因素[6-9]。

溫度對LD退化的作用機理較為復雜，難以用理論推導出準確的表達式，通常通過經驗公式進行描述[7,9]，或者通過對LD進行加速退化試驗，借助電子顯微鏡觀察LD內部物理結構的變化，從而建立溫度對退化的影響關系[10-11]。這種直接觀察法不僅實施起來有一定難度，而且難以對LD退化程度進行量化。而事實上，LD可觀測的電光特性參數很多，包括各種電流(偏置電流、閾值電流)、端電壓、光功率、I-P曲線、I-V曲線等[12-17]，如果利用這些外部特性參數來研究溫度對LD退化的影響，將有效解決上述問題。

同時引入LD特性參數也帶來了問題，例如溫度會造成LD電光特性，如I-P曲線發生變化，且LD發生退化也可能造成I-P曲線變化。所以想要通過LD特性參數來研究溫度與退化的關系，首先要厘清溫度與特性參數、退化與特性參數之間的關系。

1 LD等效模型與典型退化分析

1.1 LD本征等效電路模型

要分析LD退化特性和熱特性，通常需建立LD本征模型以模擬LD特性參數。采取等效電路方法來構建LD本征模型，在本征模型基礎上，通過疊加和修改模型參數來建立LD退化模型和熱特性模型。LD經典等效電路模型較多，采用文獻[1，18]中的模型，如圖1所示。

圖1 半導體激光器本征等效電路圖Fig.1 Eigen equivalent circuit diagram of LD

圖1包括三個部分：①為LD電學部分的等效電路；②為LD光學部分的等效電路；③為LD光功率轉換部分的等效電路，分為左右兩個。圖1中的參數和各部分等效電路的方程式詳見文獻[18-19]。基于上述模型，只要修改模型參數即可模擬LD退化特性和溫度特性。基于該等效電路，設置參數以后進行仿真，得到LD的I-P曲線，如圖2所示。

圖2 基于LD等效電路模型的I-P曲線Fig.2 I-P curve based on LD equivalent circuit

圖2中折線拐點處的橫坐標即為LD的閾值電流，折線右側部分的斜率稱為LD的斜率效率，這兩個參數可用于反映LD光電特性，且它們的變化趨勢還可反映LD是否發生退化以及發生何種退化。

1.2 LD典型退化模式分析

已有研究[2,20]表明：LD主要退化模式包括有源區缺陷生長導致的有源區退化、腔面損傷導致的腔面退化、熱沉和電極退化等。從激光產生過程來看，有源區是產生光子的區域，腔面是反射光子區域，這兩個區域的退化是造成LD退化乃至失效的主要原因，因此重點考察溫度對這兩種退化模式的影響。

首先，文獻[18-19]對這兩種退化進行了仿真分析，發現在恒電流工作模式下，這兩種退化都會導致LD輸出光功率下降；而在恒功率工作模式下，都會導致LD工作電流增加。繪制I-P曲線后發現，有源區退化會導致閾值電流增大，而斜率效率不變；腔面退化會導致斜率效率減小，而閾值電流幾乎不變。因此閾值電流和斜率效率可分別作為有源區退化和腔面退化的表征參數。

其次，從兩種退化之間的影響關系來看，有源區退化會吸收載流子，被吸收的載流子不產生光子；腔面退化會吸收光子，被吸收的光子自然無法回到有源區。理論上這兩種退化模式之間不存在相互促進或相互抵消的關系，兩種退化模式之間可以看作是相互獨立的。

2 LD熱特性建模與仿真

2.1 LD熱特性等效電路模型

目前對LD熱特性的研究較多，一般認為溫度對LD的影響包括兩個方面：一是對LD本征特性造成影響；二是會加速LD的退化。

已知LD在工作中，除一小部分電流用于受激發產生激光，大部分電流轉化為熱量被耗散，將其定義為熱耗散電流InT(T)，其括號中的T表示溫度，通常利用下式進行估算[19]：

(1)

式中，Ith0表示在溫度T0(表征LD溫度穩定性的參數，稱為特征溫度，同一種LD的T0為一常數)時LD的閾值電流。

將熱耗散電流疊加到本征等效電路模型中，于是圖1修改為如圖3所示的考慮熱特性的等效電路模型。圖3虛線框中的是由于LD熱特性所產生的熱耗散電流。

圖3 考慮熱特性的LD等效電路圖Fig.3 LD equivalent circuit diagram considering thermal characteristics

文獻[19]指出，溫度對LD本征特性影響主要有三個方面：一是隨著LD溫度升高，耗損系數增大，內量子效率降低，漏電流增加，閾值電流將增大；二是隨著LD溫度升高，LD輸出波長會產生紅移現象；三是在恒電流模式下，隨著LD溫度升高，其平均和最大輸出光功率會降低。

其中最直觀的影響就是增大閾值電流。根據試驗測定結果可知，閾值電流隨溫度的變化滿足式(2)指數關系[21]。

(2)

式中，Tm為室溫，Ith(Tm)為室溫下的閾值電流。

2.2 溫度對LD性能影響的仿真

利用所構建的考慮熱特性的LD等效電路模型來做進一步仿真分析。在溫度區間298～333 K中設置5個溫度擋位，輸入電流從0～140 mA逐漸增大，保持其他條件不變，得到5種溫度下的I-P曲線，如圖4所示。

圖4 溫度對I-P曲線的影響Fig.4 Influence of temperature on I-P curve

可以看出，溫度對I-P曲線的斜率基本沒有影響，而閾值電流隨著溫度的升高而增大，曲線向右平移。由此可知，LD工作溫度僅對LD閾值電流有影響，這與有源區退化對LD本征特性的影響相同。

2.3 溫度對LD退化影響的定性分析

溫度對LD退化，尤其是上述兩種退化模式是否會造成影響呢？考慮到LD是一種典型的半導體器件，借鑒已有的半導體溫度退化模型來開展定性分析。

阿倫尼烏斯基于大量試驗數據和經驗提出了半導體器件的速率公式[22]：

k=Ae-Ea/(RT)

(3)

式中，k為反應速率，A為提前因子，Ea為活化能，R為摩爾常量，T為溫度。若把k視為半導體缺陷的擴散速率，可以得出隨著溫度升高，缺陷擴散速度加快的結論。

LD作為半導體器件，其退化過程基本符合式(3)。但是式(3)并不能解決溫度究竟會對哪種退化模式起到加速作用的問題，目前也沒有專門的理論研究，本文嘗試通過試驗的方法來解決這個問題。

3 溫度對LD退化影響的試驗

3.1 試驗平臺設計

以溫度和電流作為加速雙應力對LD進行加速退化試驗。設計開發了LD加速退化試驗平臺，其功能組成如圖5所示。

圖5 LD加速退化試驗平臺功能框圖Fig.5 LD accelerated degradation experiment platform

該試驗平臺包括硬件部分和軟件部分，其中硬件部分包括溫度控制模塊、電源控制模塊、數據采集模塊、半導體激光器工作電路板和電源。工作電路板中包括半導體激光器、測試電路和單片機，單片機主要完成測試電路的數據采集與處理。

試驗平臺的軟件部分主要是利用Labwindows/CVI開發的計算機數據采集軟件，安裝在一臺PC機上，其工作界面如圖6所示。

圖6 計算機數據采集軟件界面Fig.6 Computer data acquisition software interface

3.2 試驗方案設計

以溫度和電流作為加速應力來實施加速退化試驗，進而分析不同溫度對有源區退化和腔面退化的影響。試驗步驟如下：

Step1：以Sharp公司的830 nm同軸型雙異質結LD為試驗對象，選擇3個經過標定的全新LD，它們在溫度298 K下的I-P曲線基本重合，即閾值電流和斜率效率基本一致。

Step2：從上述3個LD中取第1個LD，通過溫控電路將初始試驗溫度設置為293 K，在此溫度下LD工作特性較好。通過電流控制器使通過LD的電流控制在200 mA。在該條件下讓LD工作滿120 h。

Step3：將溫度調節到298 K，調節LD工作電流從小到大緩慢升高，直到160 mA或者輸出光功率達到220 mW，記錄下電流和光輸出功率數據。

Step4：按照Step3所述方法在溫度298 K下繼續重復4次，對1個LD一共采集5組I-P數據。

Step5：選取第2個LD，按照上述方法在313 K 溫度下進行加速退化試驗，試驗結束后在298 K溫度下采集5組有效試驗數據。

Step6：選取第3個LD，在333 K溫度下進行加速退化試驗，試驗結束后在298 K溫度下采集5組有效試驗數據。

Step7：利用MATLAB對采集到的數據進行曲線擬合，對擬合后的I-P曲線進行分析，主要對閾值電流和斜率效率進行分析。

3.3 試驗結果分析

按照上述步驟得到表1所示的3組數據。

表1 在293 K， 313 K和333 K溫度下加速退化測到的I-P數據

表1(續)

用MATLAB軟件繪制加速溫度為293 K、313 K和333 K的I-P曲線，如圖7所示。圖中，293 K 和313 K曲線在0 mA處功率不為0，經分析這可能是設備剛運行時電流有跳動造成的誤差。

圖7 不同溫度加速后的I-P曲線圖Fig.7 I-P curves after different temperature acceleration

首先，因為3條曲線都是在298 K(LD正常工作溫度)下測得的，可排除溫度對I-P曲線的影響。3條曲線主要反映3個LD的退化區別和趨勢，而且3條曲線沒有完全重合，應該發生了不同程度的退化。其次，3條曲線前端水平部分除了0 mA處的誤差其余基本重合，即閾值電流基本相同，據此可排除有源區退化，并推斷溫度升高對LD有源區退化作用不明顯。再次，3條曲線后端有規律性的變化：第一，斜率效率不同，說明發生了腔面退化；第二，隨著工作溫度升高斜率依次降低，可推斷溫度升高會加劇腔面退化。

綜合前文仿真分析和本節試驗結果，得到溫度-退化(有源區退化、腔面退化)-參數(閾值電流、斜率效率)之間的關系，圖8所示。

圖8 溫度-退化-參數的關系圖Fig.8 Relationships among temperature, degenerate and parameter

圖8中右側的“有源區退化”和“腔面退化”是LD兩種典型退化模式，左側的“閾值電流”和“斜率效率”是LD特性和退化表征參數，中間的“溫度”既是LD工作參數，也是影響LD退化的因素。通過退化建模與仿真發現，有源區退化會造成LD閾值電流增大，而斜率效率不變；腔面退化會造成斜率效率增大，而閾值電流不變。通過熱特性建模與仿真發現，溫度升高會造成LD閾值電流增大，而斜率效率不變。通過雙應力下的加速退化試驗發現，溫度升高會造成腔面退化加劇，而對有源區退化無顯著影響。

4 結論

本文通過建模仿真和加速退化試驗相結合的方法來研究溫度對LD退化的影響，得到以下結論：

1)閾值電流和斜率效率可分別表征有源區退化和腔面退化，這對于加速退化試驗后辨識LD發生何種退化模式有重要作用。

2)通過在不同溫度下的加速退化試驗，結合退化表征參數，揭示了溫度升高會加劇腔面退化，而對有源區退化影響不明顯的規律。

所揭示的規律如經過大量試驗和標定，可用于構建更為準確的LD溫度-退化仿真模型。此外，溫度對單一退化模式加速的結論可用于研究LD靶向加速退化試驗方法。