半导体激光低频治疗实验报告

《半导体激光低频治疗实验报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体激光低频治疗实验报告（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、半导体激光低频治疗实验报告介绍当今世界制造的激光器中，超过99%是半导体激光二极管。可靠性是 每个激光二极管应用中的一个问题，无论是简单的10美元一个的激光 笔还是符合太空工作要求的光发射机链路。激光器供应商的商业成功在 很大程度上取决于其开发稳健制造工艺的能力，该工艺能够始终如一地 生产可靠的器件，并能向客户提供证明其器件可靠性的定量保证。在过 去的二三十年中，激光二极管可靠性测试技术和设备已经取得了不断的 进步，支持了激光二极管的多样化发展。与其他电子器件相比，激光二极管测试比较复杂，因其要求精确测量光 学和电气参数，而且要考虑现有激光二极管中存在的不同封装类型和功 率水平。激光二极管寿命

2、测试用于产品开发期间的零件验证以及激光器 整个生产寿命期间的批量测试。寿命测试通常包括在仔细控制的条件下 对一组激光器样品进行高温加速老化。通过精确测量激光器工作特性的 变化，在整个试验过程中观察并记录退化情况。与寿命测试不同，所有 激光器在制造过程中都会进行老化测试，以识别并移除可能导致早期失 效的有缺陷的器件。半导体激光器的工作特性和可靠性当正向电流较低时，激光二极管有源区的增益较低,并观察到自发辐射。 当电流增加超过临界“阈值电流”时，激光腔内的往返增益超过损耗， 开始激射。超过阈值电流时，激光二极管发出的光会随着正向电流的增 加而迅速增加，如图1所示。许多激光二极管封装中包含一个内部监

3、测 光电二极管（PD），可在反馈回路中使用，以在不同温度条件下保持 激光器的恒定输出光功率，并且随着时间的推移，其性能缓慢下降。如 果监测PD正确偏置，其电流与激光输出功率成正比。测量激光二极管的基本工作特性，就是在逐渐增加正向电流（I）的同 时测量器件的电压（V）、光输出（L）和监控光电二极管电流（Ipd）。 产生的结果通常称为LIV曲线。典型的器件光学和电气特性如下图1所 示。5 D 5 D s a 5 a.s.a.l.l.D.7 fi- 5 4 3 2 1即別豹越Currant (mA)激光二极管LIV特性激光二极管的工作特性对结温非常敏感。随着温度的升高，阈值电流增 加，而激光效率降低

4、，如图2所示。15*C由于电子-空穴对的辐射复合过程以及在激光器有源区和输出面内存在 的高光功率密度，敷光二极管中的退化与其他电子器件中的退化有很大 不同。激光二极管中的主要退化模式来自：（1）由于位错生长导致的 激光器有源区内部的缺陷；（2）由于氧化导致的腔面退化；（3 ）由于 金属扩散到内部区域导致的电极退化；（4）键合退化；和（5）热沉退 化。电流、温度、输出光功率和湿度的增加可能会加剧退化。此外，电 浪涌可能缩短激光寿命。从外部角度来看，激光二极管的故障一般分为老化或随机故障。老化失 效通常是激光器内部有源区缺陷增长的结果，表现为激光器性能缓慢下 降。随机失效通常由输出端面的灾变性光学

5、损伤（COD）或热沉或键合 的劣化引起。随机失效的特点是激光器性能迅速下降。般而言，敷光二极管的可靠性可定义为在规定的环境中在规定的时间 内令人满意地运行器件的能力。从激光用户的角度来看，如图3所示， 大量激光器的故障率特性曲线揭示了与激光二极管可靠性相关的许多 问题。假设器件在时间t之前一直存活，故障率定义为在时间t时每单 位时间内的失效概率。早期失效故障通常由制造过程中引入的缺陷或固 有的半导体缺陷引起。夕陪涸素（如电流浪涌和ESD事件）在器件的 整个寿命期间产生恒定的故障率，最后，通常发现激光器中的耗损失效（wearout）故障是由激光器有源区域内非辐射、光学吸收性的缺陷的 增长引起的。

6、激光器寿命受注入电流、光输出功率和温度等工作条件的影响。老化与温度之间的经验关系可以通过阿累尼乌斯方程（参考文献1）描述：Life二At*exp（ Ea/kT），其中At为常数，Ea为活化能，k和T分别为玻尔兹曼常数和温度。根 据激光器的类型，典型的活化能范围为0.2eV至0.7eV。如图4所示， 在高温下，激光老化会显著加速。从图中可以看出，当器件在70弋下 工作时，激活能为0.7 eV且在室温下的平均寿命为100000小时的激 光二极管的寿命仅为2300小时。这个效应可以用于加速寿命测试研究。半导体激光器制造测试根据激光器的材料和结构、封装类型和输出功率水平，敷光二极管的制 造测试过程有很

7、大不同。由于存在热电冷却器、热敏电阻和调制器等辅 助组件，蝶形封装中的通信激光器需要相对复杂且成本高昂的测试。另 方面，安装在CAN封装中的低功率激光器可以使用更简单、成本更 低的测试系统进行生产。为简单起见，本文重点介绍TO CAN封装中 的低功率激光器。典型的TO CAN激光二极管封装和测试生产线的流 程图如图5所示。晶圆进入图的左上角，经过各种加工和测试步骤，最 后成为成品。生产流程图中未显示新器件开发、晶圆鉴定和样品验证测 试期间使用的寿命测试研究。这些测试以及生产老化测试值得特别讨论， 因为它们对激光二极管开发和制造的总体成本具有较高的成本影响。CWL肿cw Li5pear!r4F.

8、FF Pul* Lli (0 ft kina I)Finched FroduG.图5 TO-Can激光二极管封装线FU&fc LIPuls-b J, SpoClral, PIF/FFhdi网川廿3恒Cle IntoTO C siii wire BondTO Cail nieBondTO Can ftjfn-tnTo CanLuiSiai寿命测试研究寿命测试研究用于在仔细控制的工作条件下收集激光寿命数据以开发 统计模型，然后用来预测在预期工作条件下的激光器寿命。为了获得统 计上有意义的数据，寿命测试研究通常涉及数十台激光器，监测时间至 少为1000小时，这些试验研究通常持续一年以上。在电信行业内

9、， Telcordia Tech nologies制定并颁布了寿命测试研究标准。这些标准 规定了样本量和测试长度。根据激光二极管的类型和应用，寿命测试研究涉及在加速老化条件下定 期测量各种器件参数，包括工作电流、光输出功率、阈值电流和正向电 压。加速老化可通过高温、注入电流或光功率实现；然而，温度加速是 最常见的。老化研究采用以下三种运行模式之一进行:恒电流老化：通常称为ACC模式（自动电流控制）。在该模式下，激 光电流在试验期间保持恒定。恒功率老化：通常称为APC模式（自动功率控制）。在这种模式下， 激光输出功率通过根据需要不断调整电流来保持恒定，以保持恒定的输 出功率。使用夕陪B光电探测器

10、或使用内部监控光电二极管（如果激光封 装内有）测量光输出功率。恒功率老化最常用于寿命测试研究，因为它 与使用中的激光二极管的典型工作模式非常相似。定期样品测试：如果激光器在高于约100弋的温度下老化，则不存在激 射行为，有必要定期将激光器温度降低至较低的测量温度。在这种类型 的测试中，激光器在高温老化期间以恒流模式运行。在非常长期的试验 中，为了减少收集的数据量，可在试验期间改变取样间隔。可在试验开 始时每小时以及试验运行数月后每几天采集一次测量样品。在定期样品试验中，可在试验系统内或在单独的试验台上进行现场测量。 现场测试提供了最可重复的测量结果，并减少了因搬运而造成的激光损 坏的危险。使用

11、单独的试验台可降低总体成本，特别是当数千台激光器 参与长期寿命测试研究时。在实际应用中，温度不稳定、设备测量和控制不稳定、设备可靠性和电 源故障是半导体激光器寿命测试的难点。与温度控制相关的第一个挑战 来自运行期间激光器的自加热。即使在裸铝散热片上紧密夹紧的can激 光器也可能具有5至10 OC/W的热阻抗。如果激光器在100mA和1.8 V下工作，激光器外壳和散热片之间可能存在1.5C的温差。对于高功 率激光二极管来说，这个问题变得更加重要。此外，由于给定电流下激光输出功率的温度敏感性，0.1C的散热片温 度波动在光功率测量中表现为噪声。最后，如果使用夕陪B光电探测器测 量光输出功率，还必须

12、控制其温度以确保稳定的测量。激光二极管寿命测试研究要求在数千小时内精确测量激光器工作参数 的变化，变化幅度仅为几个百分点。因此，测量设备的稳定性必须为每 1000小时0.1%。在大多数地方，在数千小时寿命测试研究过程中，偶 然的电力故障是不可避免的。在许多情况下，由于寿命试验系统加热所 需的高功率，提供备用电池系统是不切实际的。因此，寿命测试系统必 须在不损坏激光器的情况下处理电源故障，并且必须能够在电源恢复后 准确地恢复测试。图6显示了在75C的APC模式下对16台DFB激光器进行的1000小 时寿命测试研究的结果。与大多数激光器一样，在高温老化的最初几百 小时内，老化迅速发生，然后逐渐形成

13、稳定的耗损特性，随时间呈线性变化。通过将一条直线拟合到数据的线性区域并外推到电流的预定义变 化来估计每台激光器的寿命。在图6所示的研究中，寿命终止被定义为 工作电流变化20%。在75C下产生的估计寿命从360小时到16460 小时不等。发现数据遵循威布尔概率分布平均失效时间为2200小时。Lsstrt Laer2Laer 3Laser 4Lasei占 LasersLaser 7Lader 8Lasrd Lawr 10- LasrnLaser 12La掘越Lr14Lasr 153srT咅D .flfl1 -i311:111i1!flIMifig30D1用500MOO?l (Heiii)图6 DF

14、B激光器在75C下工作的老化数据图6中的数据显示了激光二极管寿命测试研究中遇到的两个实际问题。 在大约930小时发生电源故障，导致系统在周末关闭。幸运的是，在这 种情况下，则试系统能够恢复并继续测试，并且具有良好的数据连续性。 另一方面，在试验过程中，在500到800小时之间，可以在激光器2 上观察到不稳定的读数。这些不稳定读数的原因从未得到令人满意的解 释。生产老化筛选高温老化筛选用于激光二极管制造中，以筛选出可能具有不可接受的短 寿命的器件，并确保剩余的激光器具有统计上可接受的可靠性水平。由 于老化对制造成本和周期时间的影响，老化时间通常少于100小时。器件通常根据高温老化前后测量的一个或

15、多个关键运行参数的变化进 行筛选。通常测量的操作参数和筛选标准如下表1所示。筛选标准是通 过一系列工程试验制定的，用于确定最有效的老化条件。老化温度和工 作电流应尽可能高，以尽量减少老化时间，但不要太高，以免触发被筛 选零件在正常工作条件下不存在的退化模式。老化条件和筛选标准的选 择因激光器类型的不同而显著不同，可能相当复杂。表1常规测试工作参数及筛选标准工作参数符号典型筛选标准阈值电流Ith变化5%30%在特定工作电流下的输出光功率PopIop变化 5%30%达到特定输出光功率所需的电流IopPop变化 5%30%斜率效率n变化 5%30%生产老化筛选的两种最常见的测试策略如下:现场测试老化：在产量较低的情况下，或当工程评估和老化使用同一系 统时，在用于老化的同一系统中执行参数测试更划算。在这种情况下， 可连续或在老化循环开始和结束时获取参数数据。单独测试老化：在几乎所有其他情况下，使用与参数测试系统分离的简 单恒流恒温老化室更划算。半自动参数测试系统可以在一个8小时的轮 班中处理1000多只激光器的测试需求。这种方法还有一个优点，即参 数测试系统也可以设计为包含难以在现场测试系统中实现的光谱测量。在实践中，制造老化测试的挑战是以极低的成本实现