（微电子学与固体电子学专业论文）半导体激光器可靠性测试的研究.pdf

摘要 随着半导体激光器广泛应用于光纤通信、激光唱盘、信息存储、医疗、泵浦 固体激光器等领域，其可靠性测试研究已成为当前的热点问题。如何延长半导体 激光器的使用寿命，提高半导体激光器的可靠性，增大半导体激光器的输出功率 一直是人们在半导体激光器研究中不懈的努力和追求的目标。 本论文针对实验室大功率激光器的研究及生产情况，主要从以下几方面展开 了可靠性测试的研究工作。主要研究内容及成果包括： 1 论述了可靠性测试中常用的一些基本概念及半导体激光器的主要退化机 理，总结了半导体激光器可靠性测试的方法。 2 对大功率半导体激光器的光电特性及热特性进行了研究，并给出了激光 器各项性能参数与光电特性曲线的对应关系。 3 独立设计并完成了半导体激光器可靠性评估系统。该系统可对半导体激 光器进行高温恒流老化测试，加快可靠性分析进程，预测器件寿命。该系统以单 片机为主控部件，不仅可以实现驱动电流连续可调( o 3 a ) ，还可实现老化温度 连续可调( 室温1 5 0 。c ) 。同时，该系统对电流控制精度可达毫安级，温度可达 0 5 。c 。论文中详细介绍了该系统的硬件及软件设计方法，对设计过程中遇到 的各种问题进行了分析并提出了解决方案。 4 对镀膜与未镀膜大功率8 0 8 r i m 半导体激光器和9 8 0 n t o 半导体激光器分别 进行了对比测试及分析，验证了镀膜对激光器性能的改善。同时，还对这批器件 进行了老化实验，通过对老化实验前后激光器各项性能参数的对比分析同样验证 了镀膜可有效提高器件性能，延长器件寿命。最后，提出了几点提高可靠性的方 法。 关键词：大功率；半导体激光器；可靠性；老化：测试；驱动电路 a 嘛甘a 矗 a b s t r a c t i nm o d e r ns o c i e t y ，s e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d ei sw i d e l yu s e di nm a n y f i e l d s ，s u c ha so p t i c c o r a n u n i c a t i o n ，o p t i c d i s c ，i n f o r m a t i o n s t o r a g e ， m e d i c a l t r e a t m e n ta n dp u m p i n gs o l i ds t a t e a s e r s ，e t c t h eu s i n gs c o p e o fs e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d ec o v e r st h ew h o l ef i e l do fo p t o e l e c t r o n i c s w h i c hh a sb e c o m et h ek e yt e c h n o l o g yi nt h e2 1 s tc e n t u r y t h es t u d yo f r e l i a b i l i t yo fs e m i c o n d u c t o rl a s e rh a sb e c o m eh o ts p o t ，b e c a u s ei th a s b e e nw i d e l yu s e di nm a n yi m p o r t a n tf i e l d s 。t h er e s e a r c ho fs e m i c o n d u c t o r l a s e rh a sb e e nc o n c e n t r a t e do nh o wt om a k et h el i f e t i m el o n g e r ，h o wt o i m p r o v er e l i a b i l i t ya n dh o wt oi n c r e a s eo u t p u t1 i g h tp o w e r b a s e do nt h er e s e a r c ha n dp r o d u c eo fo u rl a b o r a t o r y ，t h ed i s s e r t a t io n c o n s i s t so ff o u rp a r t s ，a sf o l l o w ： f i r s t l y ，t h et e r m so fr e l i a b i l i t yw e r ei n t r o d u c t e da n dt h ef a i l u r e m e c h a n i s m sa n dd e g r a d a t i o nb e h a v i o r so fs e m i c o n d u c t o rl a s e rw e r ea n a l y z e d t h er e l i a b i l i t yt e s t i n go fs e m i c o n d u c t o rl a s e rw a ss u n m a r i z e d s e c o n d l y ，t h eo p t i c e l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i c so fs e m i c o n d u c t o r l a s e r sw e r es t u d i e d t e m p e r a t u r ea f f e c t e dt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f t h es e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d ew e r ei n t r o d u c e di nt h et h i r dc h a p t e ro ft h e d is s e r t a ti o n t h i r d l y a c c o r d i n gt ot h eb u r n i nt e s t i n gt h e o r yo fs e m i c o n d u c t o r l a s e r t h es e m i c o n d u c t o rl a s e ra g i n ge q u i p m e n tw a sd e s i g n e da n dc o m p l e t e d i ti n c l u d e dd i s p l a y i n gp o r t i o n ，d r i v i n gc i r c u i ta n dp o w e r t h i se q u i p m e n t c o n t r o ll e db ys i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rc o u l ds e t u pb u r n i nc u r r e n ta n d t e m p e r a t u r e t h es y s t e mu s e dt h ef e e d b a c kl o o pt oc o m p a r ea n da d j u s tt h e b u r n i nc u r r e n t ( 0 3 a ) a n dt e m p e r a t u r e ( r o o mt e m p e r a t u r e 1 5 0 ) t h e r e f o r e i th a sh i g ha c c u r a c y t h ee q u i p m e n tc a r la c h i e v e 0 5 t e m p e r a t u r ea n dm i l l i a m p e r ea c c u r a c y t h ee q u i p m e n tc o u l dd i s p l a ya g i n g c u r r e n ta n dt e m p e r a t u r e t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g nm e t h o d o l o g y ，t o o f i n a l l y ，t h er e l i a b i l i t yo fc o a t e da n du n c o a t e dm i r r o rf a c e t sh i g h 1 1 1 - - 。，。! ! i ：鹫；譬：譬：生i 塑! i ： 。，。 p o w e rs e m ic o n d u c t o r1 a s e rh a sb e e ns t u d i e dt h r o u g ha g i n ge x p e r i m e n t s o m e g o o dr e s u l t sw e r eo b t a i n e df r o mi t ，s u c ha s i n c r e a s eo fe x t e r n a l d i f f e r e n t i a lq u a n t u me f f i c i e n c ya n d1 i f e t i m e ，i m p r o v e m e n to fs p e c t r u ma n d f a rf i e l dc h a r a c t e ra n dd e c r e a s eo ft h r e s h o l dc u r r e n t t h e r e f o r e ，i ti s i m p o r t a n tt oc o a tt h em i r r o r sf a c e t si no r d e rt om a k et h e1 i f e t i m eo fl a s e r d i o d el o n g e r a tl a s t ，g i v es o m ep e r s o n a la d v i c e st oi m p r o v er e l i a b i l i t y o fs e m i c o n d u c t o r1 a s e r k e yw o r d s ：h i g hp o w e r ：s e m i c o n d u c t o rl a s e r s ； r e l i a b i l i t y ；a g i n g t e s t i n g ；d r i v i n gc i r c u i t i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：翊! ! ! 逾日期：丛堕：三：丑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：铀血竣导师签名：趸圈日期：遮s 矽 第覃绪论 第一章绪论 光电予技术的快速发展及向其他科技领域的渗透，形成了市场可观、发展潜 力巨大的被称为2 1 世纪“明星产业”的光电子产业。2 0 0 0 年世界光电子产业总 产值已达l ，8 0 0 亿美元，据估计，到2 0 1 0 年全球光电子产值将超过4 ，5 0 0 亿美元”1 。 美国商务部曾指出“谁在光电子产业取得主动权，谁就在2 l 世纪尖端科技较量中 夺魁”。1 ，光电子产业是国际上竞争最为激烈的高科技领域之一，并将成为衡量 一个国家经济发展的重要标志。其中半导体激光器的发展更是令人瞩目。半导体 激光器的问世使信息光电子技术产生了里程碑式的飞跃，它的发展不过4 0 多年的 历史，却已经取得了举世瞩目的成就，各项性能参数有很大提高，应用领域日益 扩大。 1 1 半导体激光器的发展历史 早在2 0 世纪6 0 年代初就有人提出了用半导体材料作为激光媒质的建议o 3 。 同时，伯纳德( b e r n a r d ) 和杜拉福格( d u r a f f o u r g ) 给出了半导体中实现受激发射 的必要条件“3 对应于非平衡电子、空穴浓度的准费米能级差必须大于受激发 射能量，并注意到g a a s 中辐射复合效率很高的实验结果。1 9 6 2 年g e 公司的霍 尔( h a l l ) 用两个镜面构成谐振腔面确实看到了g a a sp - n 结正向偏置的相干光发 射”1 ，这标志着半导体激光器发展的第一阶段同质结构注入型激光器的开 始，结构如图1 - 1 ( a ) 所示。虽然这种激光器受激发射阈值电流密度特别高，而 且只能在液氮温度( 或更低) 和脉冲状态下工作，但这为以后的结构设计改进提出 了明确的方向。 1 9 6 3 年美国的克罗默( k r o e m e r ) “3 和前苏联科学院的阿尔弗洛夫( m f e r o v ) ”1 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间以形成异质结构，希 望在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。虽然当初提出异质结构建议时，并 没有掌握足够的知识为选择一对合适的异质结半导体材料提供依据，但它大大激 发了几个发达国家的科学家们的研究兴趣。自那阱后，异质结材料的生长工艺， 如气相外延( v p e ) 、液相外延( l p e ) 都取得了长足的进展。1 9 6 7 年i b m 公司的 伍德尔( w o o d a l l ) 成功地用l p e 在g a a s 上生长了a 1 g a a s ”j 。在1 9 6 8 年1 9 7 0 年期间，美国贝尔实验室的潘尼希( p a n i s h ) 、h a y a s h i 和s u m s k i 研究成功 a 1 g a a s g a a s 单异质结激光器”1 ，结构如图卜1 ( b ) 所示。同时美国r c a 公司的 北京工业大学工学硕士学位论文 克雷塞尔( k r e s s e l ) 和内尔森( n e l s o n ) 也发表了类似结构的激光器文章“。 这时半导体激光器进入了第二发展阶段单异质结注入型激光器( s h l d ) 。这 种类型的激光器是利用异质结提供的势垒把电子限制在g a a sp - n 结的p 区之内， 以此来降低阈值电流密度上。，其数值比同质结激光器降低了一个数量级。 。 迎 嘲- = = 冉” r 矗 c a ) 同质髂拇罐地拳( ) 革异幔镣蠢光嚣f f 、豫开艟绣融屹赫 图i - i 同质结，单异质结，双异质结激光器管芯结构及相应参数分布示意图 f i g u r e1 - is t r u c t u r eo f h o m o g e n e i t yl d ，s h l da n dd h l d 1 9 7 0 年前苏联科学院约飞物理研究所的阿尔菲洛夫等人宣布研制成功双异 质结构半导体激光器( d h l d ) ”“，如图卜1 ( c ) 所示。该结构是把p - g a a s 半导体 夹在n a lx g a 。驰s 层和p a 1 ，g a 。o s 层之间，两个异质结势垒能有效地把载流子和 光场限制在p - g a a s 有源区内，使得室温下的阈值电流密度进一步下降。就在相 同时间，美国的h a y a s h i 和潘尼希也报道了双异质结激光器实现室温发射“”，这 比单异质结激光器的阈值电流密度。又降低了一个数量级。这就标志着半导体 激光器进入了第三个发展阶段双异质结注入型激光器。 双异质结激光器的问世开创了半导体激光器发展的新时期。自此以后，在世 界上许多实验室里对更复杂的双异质结构激光器进行了大量研究工作。1 9 7 8 年 半导体激光器已用于光纤通信系统。进入8 0 年代以来，由于吸取了半导体物理 研究的新成果，同时晶体外延生长新工艺，包括分子束外延( m b e ) 、金属有机化 学气相沉积( m 0 c v d ) 和化学束外延( c b e ) 等取得重大成就，使得半导体激光器 成功地采用了量子阱和应变量子阱新结构，出现了许多性能优良的新器件，其中 最具代表性的是：各类量子阱激光器( 极低阈值，单频，高调制速率，扩展新波 长) ，应变量子阱激光器，垂直腔面发射激光器及高功率激光器列阵。量 子阱激光器具有很低的阈值电流密度和高微分增益，同时激光器中电子与光子的 耦合时间更短。具有更好的高速调制特性。多量子阱激光器则是由多个阱和具有 足够厚度的垒交替构成的，它比单量子阱激光器能给出更大的输出光功率，也有 较宽的动态增益谱。 1 2 半导体激光器的应用 半导体激光器有很多优越的性能，如： ( 1 ) 半导体激光器的体积特别小，其有源区体积仅1 0 1 0 e m3 ( 约1 0 0um 3 ) 。 如果是量子阱器件，有源区体积还要小。 ( 2 ) 阈值电流低，供电功率小和转换效率高。 ( 3 ) 能通过注入电流进行直接调制。 ( 4 ) 可靠性离，己达l 妒h ( 大于l o 年) 。 ( 5 ) 由于改进了工艺，提高了成品率，加大了产量，价格日益降低，已能 够被接受。 ( 6 ) 辐射波长能从可见、蓝绿光到红外，覆盖范围宽。 图1 - 2 半导体激光器主要应用领域所需的波长、功率、线宽示意图 f i g u r e1 2w a v e l e n g t h ，o u t p u tp o w e ra n dl i n e w i d t ho f s e m i c o n d u c t o rl a s e ri nm a i na p p l i c a t i o na r e a 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 世界激光器市场的现状与发展动向 2 0 0 0 年激光器市场空前繁荣，主要由于二极管激光器即半导体二极管激光 器在光通信应用市场的增长，光通信激光器约占整个激光器市场的5 8 。据统计， 2 0 0 0 年全球的激光器市场年收入约为8 8 亿美元，其中二极管激光器为6 6 亿美 元，非二极管激光器为2 2 亿美元。 但2 0 0 1 年激光器市场遭受沉重打击。2 0 0 1 年全球市场总收入约为5 6 2 亿 美元，比2 0 0 0 年下降3 6 。世界激光器市场的总收益，从2 0 0 0 年最高的8 8 亿 美元连年下滑，直至2 0 0 3 年后期开始回升，如图1 - 3 。 据预测，今后在激光、光电子工业市场中将出现新的亮点，其中科学研究( 基 础研究) 、印刷业、国防以及新涌现的微机械和生物医学等行业，将成为激光器 的最重要应用领域，激光工业界一致认为这是整个市场恢复的开始。 图1 - 32 0 0 0 2 0 0 4 年世界激光器商品的销售金额 f i g u r e1 - 3e a r n i n go f t h ew h o l ef i e l do f t h eo p t o e l e c t r o n i e s 1 4 半导体激光器的工作原理 半导体激光器工作的基本原理是基于电磁辐射与半导体( 内部的载流予) 的 相互作用。与光子和原子中的电子相互作用类似，半导体中的电子与光子间的相 互作用亦有三个基本过程受激吸收、自发发射和受激发射。但是，在半导体 中这三类电子跃迁过程不是发生在分立能级之间，而是发生在表征电子能量状态 的能带之间。 半导体激光器是一种相干辐射光源，与其它激光器一样，要使其产生相干辐 射，必须具备三个基本条件。即： ( 1 ) 建立起激射媒质( 有源区) 内载流子的反转分布。即处在高能态导带底 的电子数比处在低能态价带顶的空穴数多很多。这靠给同质结或异质结加正向偏 压，向有源层内注入必要的载流子来实现。将电子从能量较低的价带激发到能量 较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激 发射作用。 ( 2 ) 要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反 馈以形成激光振荡。激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形 成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对f p 腔( 法布里一珀罗腔) 半导体激光器可以很方便地利用晶体的与p - n 结平面相垂直 的自然解理面 1a o j 面构成f p 腔。 ( 3 ) 为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔 引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必 须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的 增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达到阈值时，具有特 定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。 可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大 过程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的 根本动力。量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家 们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点，而g a i n n 量子点己用于半导体 激光器。另外，科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这 种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁，由 于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件。 1 5 可靠性研究的必要性 可靠性问题是在第二次世界大战期间提出来的，当时美军运往远东的设备、 装置在运输和保管过程中，有半数以上因不能使用而报废，造成重大损失，从而 开始投入大量人力、物力进行可靠性研究。随着现代化武器装备、通讯系统、交 通设施、医疗设备、工业自动化系统以及空间技术所使用的电子设备日趋复杂， 所使用的环境条件愈加恶劣，装备密度不断增加，因而对电子设备及其元器件提 出了更高的要求，即不仅要求有好的特性，而且要求能高度可靠地工作。如何提 高电子元器件的可靠性，设计并制造出高度可靠的产品，以成为当前电子工业急 北京工业大学工学硕士学位论文 待解决的重点课题之一。 可靠性差导致的损失是非常严重的。据报道美国航天局其1 9 7 8 、1 9 7 9 年三 次火箭发射失败，损失1 7 ，0 0 0 多万美元。1 9 7 9 年美国三里岛核电站事故，造成 世界范围的核恐慌，它仅仅由于增压器减压阀的阀门出故障而导致核泄漏。1 9 8 6 年4 月2 6 日苏联契尔诺贝利核电站事故，也是由于阀门故障引起的，导致3 1 人 死亡，迫使大批人员撤离这一地区，此外带发射性的气体还扩散到欧洲大陆，严 重影响到世界各国建造核电站以解决能源问题的决策。1 9 8 6 年1 月2 8 日美国“挑 战者”号航天飞机在进行第十次飞行时，因为主推火箭燃料箱的“0 ”型密封圈 故障，导致起飞一分钟后爆炸，机上七名人员遇难。上述类似的例子举不胜举， 充分说明可靠性的重要性。 1 6 本论文的主要工作及成果 随着半导体激光器广泛应用于光纤通信、激光唱盘、信息存储、医疗、泵浦 固体激光器等领域，其可靠性测试研究已成为当前的热点问题。”1 。如何延长半 导体激光器的使用寿命，提高半导体激光器的可靠性，增大半导体激光器的输出 功率一直是人们在半导体激光器研究中不懈的努力和追求的且标。 本论文主要从以下几方面展开研究工作： 1 论述了可靠性测试的一些基本概念及半导体激光器的失效机理，总结了 半导体激光器可靠性测试的方法； 2 对大功率半导体激光器的光电特性、热特性进行了研究； 3 独立设计并完成了半导体激光器可靠性评估系统。该系统可对半导体激 光器进行高温恒流老化测试，加快可靠性分析进程，预测器件寿命。在论文第四 章中详细介绍了该系统的硬件及软件设计及调试过程，对设计过程中遇到的各种 问题进行了分析并提出了解决方案，最终圆满完成了半导体激光器可靠性评估系 统的设计任务，实现了各项指标要求。 4 用该设备完成t 8 0 8 n m 半导体激光器和9 8 0 h m 半导体激光器的老化测试及 可靠性分析。通过对腔面镀膜和未镀膜激光器的老化对比实验，得出结论：为了 提高激光器的破坏阈值功率密度，最有效的措施之一是在前后腔面分别蒸镀增透 膜和高反射膜。镀膜不仅可有效提高器件光功率密度，降低闽值电流，还可以大 幅度提高器件寿命。 第二章半导体激光器可靠性的研究方法 第二章半导体激光器可靠性的研究方法 在大多数的应用中器件的可靠性是一个决定性的因素，也是关系到它们能否 商品化的主要因素。大功率半导体激光器作为种新型的激光光源，具有较高的 电光转换效率和良好的工作稳定性及紧凑的体积和简单的驱动要求，因此，它在 光存储、光通讯、国防、工业及医疗等方面有很大的发展前景。随着半导体激光 器的广泛应用中，其可靠性的研究已成为当前主要问题。 2 1 可靠性概述 由于科学技术的迅猛发展，无论是军事装备还是民用系统的电子用品，性能 日益先迸，结构日益复杂，使用环境也更加多变和严格，因而对其可靠性提出了 更高的要求。如何提高电子元器件的可靠性，设计并制造出高度可靠的产品，已 成为当前电子工业急待解决的重点课题之一。 2 1 1 可靠性定义 所谓可靠性有广义和狭义两种解释。广义可靠性是指产品在整个寿命周期内 完成规定功能的能力，它包括狭义可靠性和维修性。这里所指的狭义可靠性是指 “产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力”，也就是说，在规定 的时间内完成规定功能的可能性或概率。在这里，需要说明以下几点： ( 1 ) 产品的可靠性是与“规定的条件”分不开的。对于光电子器件“规定 的条件”主要是指使用时的工作条件( 如使用的电压、电流和功率等) 、环境条 件( 如温度、湿度和气压等) 或贮存条件。“规定的条件”不同，则器件的可靠 性也是不同的。例如，工作负荷较轻或不工作( 贮存状态) 时元器件就容易保持 原有性能，而在恶劣的环境条件( 如高温、高湿) 或工作负荷较重时则易于变化。 同一元器件在实验室、野外、海上、空中等不同的环境条件下及不同的地带或地 区，其可靠性是不同的。因此，涉及可靠性时必须明确其所处的环境和工作状态。 ( 2 ) 产品的可靠性是与“规定的时间”密切相关的，一般说来，元器件经 过筛选后，使用或贮存时间愈长，可靠性愈低，失效数愈大。因此可靠性必须明 确在多长时间内的可靠性，离开时间的可靠性将是无意义的。同一元器件因规定 的时间不同，其可靠性也是不同的。 ( 3 ) 产品的可靠性是与“规定的功能”有密切关系的。所谓“功能”就是 北京工业大学 学硕士学位论文 指产品的技术指标、技术要求，也就是要求完成某一任务或起到某种作用。 ( 4 ) 产品的可靠性是表示在规定时间内完成规定功能的可能性的大小。从 数学的观点看，就是因为一个元器件究竟什么时候丧失规定功能而失效是不确知 的，可以借助于概率论与数里统计方法，将其加以定量的描述。显然，可靠性不 是指一个元器件而言，而是对一批元器件而言。对于一个元器件谈不上可靠性， 因为一个元器件不是好品，就是失效品。所以，可靠性是对群体或总体而言，而 不能用于产品的个体。 为了衡量电子产品在规定条件、规定时间内完成规定功能的能力，必须引出 可靠性的定量概念。 2 1 2 可靠度曰r 电子产品在应用时，往往由于各种偶然因素而失效。所谓失效，即产品失去 规定的功能。例如，振动、冲击、温度、电负荷等的突然改变，维修或使用不当 等原因造成产品失效。由于这些原因具有偶然性，所以对于某一产品来说，它在 规定的条件下和规定的时间内，有可能完成规定的功能，也有可能不能完成规定 的功能。因此，可以用概率这一尺度来衡量产品完成规定功能能力的大小。这样， 前述的定义“可靠性”就可以改为定量的定义“可靠度”。所谓可靠度就是指电 子产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。可靠度是可靠性 的数学描述，通常用字母开表示。 可靠度的一个重要变量是时问，用，表示产品失效前的工作时间，即产品寿 命。对于规定的时间，寿命五有可能是胗f ，也有可能是， 。若将“， ” 看作是一个随机事件，产品可靠度的定义可以用下面的数学式子表示。 月j = p ( 7 ( 2 - 1 ) 由此可见，产品寿命7 1 不小于某规定时间f 的概率尸仃砂是t 的函数，称 为产品的可靠度函数，记作斤r 。若有膨个产品从开始工作到 时刻的失效数 为n r 圳，则当m 足够大时产品在 时刻的可靠度近似为 r f f ) 。n o i - _ n ( 一t ) ( 2 2 ) v o 随着时间的增长，产品的可靠度会越来越低。它是一个介于1 与0 之间的数，即 o r t 1 l ， 第二章半导体激光器可靠性的研究方法 2 1 3 失效特征描述 一、失效概率 失效概率是表征产品在规定条件下和规定时闯内，丧失规定功能的概率，也 称为不可信度( 累积失效概率) 。它也是时间，的函数，记作刑，显然 f r f j = p ( t f ， ( 2 3 ) 累积失效概率f ( o 与可靠度月的关系可用下式表示： f ( f ) = 1 一r ( f ) ( 2 4 ) 二、失效率 所谓失效率( 瞬时失效率) a 是表示产品工作到t 时刻后单位时间内发生 失效的概率。在数值上表示工作到某时刻，后，单位时间内发生的失效产品数 d n m t 与t 时刻正常的产品数之比，即 五r fj 一生 7 1 f na - n ( t ) 】 ：n ( t + a t ) - n _ ( t ) ( 2 - 5 ) i n o n ( t ) 】a t 当4 f 寸0 时，可将上式写成微分形式，即 五“j ：l i r a n ( t + a t ) - n ( t ) 一 a 。f n o n ( t ) 3 出 d 旦 ：! 塑：塾：上d f ( t ) =-：一 n o 一呱t ) d t 垒q 二璺尘d t 1 一f ( t ) d t 0 ：一上a r ( o ：垡生墨型 r ( f ) d t d t ( 2 6 ) 从( 2 - 6 ) 式可以得到失效率 何与可靠度r 的关系。知道可靠度月御，可 以求出失效率 。反之，如知道失效率 何，也可求出可靠度r 。因为 p “) 廓= 一p l n r p ) = 一l n 月o ) 00 月( f ) = e x p 一 , z ( o a t l o ( 2 7 ) 产品失效率实际上是一条件概率，它表示产品工作到时刻r 的条件下，单位 北京工业大学工学硕士学位论文 时间内的失效概率。 由于失效率是时间的函数，而电子元器件又常以失效率水平来表征可靠性高 低的尺度。在实际工程中，有时用平均失效率来估算瞬时失效率。它表示失效率 的平均值，在数值上等于在规定时间内的失效数累积工作时间之比，即 x ( o = h t n ( 2 - 8 ) 式中，砌表示参加试验的所有元件的工作时间，其值等于每个元件工作时间的 总和。 失效率通常有三种表示方法： i h ：每千小时的百分数，b p 1 0 0 0 h ；非 特，f i n f i t 。1 f i t = l o 9 h 。目前我国常采用的是【1 伽。 三、失效密度 失效密度是表示失效概率分布的密集程度，或者说是失效概率函数的变化 率。它在数值上等于在时刻t 单位时间内的失效数与初始试验或工作产品总数 的比值，即 f ( t j = 惫 ( 2 9 ) 同样，当很大时，也可以用微商的形式来表示，即 f ( t 川砌南= 击鲁 d 旦 ：皇：了d f ( t ) ：一_ d r ( t ) ( 2 1 0 ) md ld t 一 2 2 可靠性试验 为测定、验证或评价分析或提高产品可靠性而进行的试验称为可靠性试验， 它是产品可靠性工作的一个重要环节。可靠性试验的目的是： ( 1 ) 确保电子产品的可靠性特征量。在研制阶段进行可靠性试验，以便暴 露电子产品在原料、结构、工艺以及环境适应性方面存在的问题，为使用、生产 设计提供有用的数据。 ( 2 ) 产品研制定型时，进行鉴定试验，考核是否达到预定的可靠性指标。 ( 3 ) 研究产品失效机理。通过各种可靠性试验，了解产品在不同环境与应 力条件下的失效规律与失效模式，分析引起产品的失效原因，采取相应措施，提 高可靠性。 可靠性试验是评价产品可靠性水平的重要手段，也是生产高可靠性电子产品 ， ，。一，耋三耋兰耋篁耋耋兰：? ：兰墼塑塞耋鋈，。， ， 的基本环节。微电子器件常用的可靠性试验，按试验地点可分成模拟试验( 实验 室试验) 和现场试验。按试验目的可分成可靠性鉴定试验、筛选试验、寿命试验、 耐久性试验、可靠性增长试验。按试验性质可分成破坏性试验和非破坏性试验。 按试验项目可分成环境试验、特殊检测试验、寿命试验和现场使用试验。表2 1 为按试验目的的分类表，表2 - 2 为按试验项目的分类表。 表2 1 按试验目的分类表 t a b l e2 1s o r t i n go ne x p e r i m e n t 可靠性鉴定试验确定产品可靠性特征量而进行的试验 寿命试验 评价分析产品的寿命特征量而进行的试验 耐久性试验考察产品性能与所加应力的关系而进行一定时间的试验 筛选试验剔除早期失效产品或选择一定特性的产品而进行的试验 采取纠正措施，系统地并永久地消除某些失效机理，使电子产品可靠 可靠性增长试验 性提高，从而满足或超过预定可靠性要求的试验 表2 2 按试验项目的分类表 t a b l e2 2s o r t i n go i li t e m 试验类别试验项目 机械试验振动、冲击、变频、离心加速度、跌落、引出线弯曲、引出 线抗拉强度所等试验 易焊性试验 引出线易焊性试验 温度试验 高温、低温、温度交变试验 湿度试验 恒定湿热、交变湿热试验 环境试验 密封性试验 粗检( 氟碳油) 、精检( 氢质普、放射性示踪) 特殊试验 盐雾、霉菌、低气压、超高真空、红外谱检测、x 射线检测、 核辐射等试验 综合试验 低温，f 氐压、低温，振动、高温振动、振动，温循潮湿试验等 组合试验 温度一湿度一气压试验 长期寿命试验长期贮存寿命试验 寿命试验 长期工作寿命试验一 蒿籍作寿慧蓑 恒定应力加速试验、步进应力加速试验、序进应力加速寿命 加速寿命试验 试验 现场使用试验实际工作试验、现场贮存试验、现场环境试验 2 3 半导体激光器的可靠性 半导体激光器的可靠性是指在一定的条件和时间里所具有的某种性能或完 成一定功能的能力，而可靠性一般常用平均寿命来表征。它是指半导体激光器发 生失效前工作时间的平均值，通常记作m t t f ( m e a nt i m et of a il u r e ) 。从这一 点可以看出，要研究半导体激光器的可靠性，必须对半导体激光器的失效加以定 义，也就是说必须确定一个失效的标准。对于半导体激光器的失效一般定义为： 北京工业大学工学硕士学位论文 在一定温度条件下，当驱动电流固定于某一数值时，若激光器的输出光功率下降 到初始值的5 0 ( 也可以规定1 0 ，2 0 ，3 0 等等) 时，或当输出光功率固 定于某一数值时，激光器的驱动电流上升到初始值的1 5 0 ( 也可以规定1 0 5 ， 1 2 0 ，1 3 0 等等) 时，则认为该激光器失效。光电器件的可靠性可以用器件的 失效率曲线( 浴箍曲线) 来表示，如图2 - 1 所示。 失 效 益 允许失效率 图2 - 1 浴盆曲线 f i g u r e2 - 1b a s i nc u r v e 对该曲线作如下说明： ( 1 ) 初期失效。这通常是激光器中暗线缺陷( d l d ) ，暗点缺陷( o s d ) 生 长导致在运转初期的迅速退化。它主要反映制造工艺中的质量问题。初期失效的 样品对热加速老化比较敏感，热激活能低。 ( 2 ) 随机失效。这是由外部因素如静电放电、瞬间的大电流波动，机械振 动等引起的突变性损坏，这类器件在失效前不显示任何迹象。 ( 3 ) 耗尽失效。其特点是激光器的特性参数( 如厶、p o 。等) 随时间缓慢变 化。这种失效是注定会来到的，是器件工作寿命的最后中止。 可靠性工作的任务就是要尽量排除初期失效，尽可能防止随机失效，建立一 种在较短时间内确定耗尽失效的方法。 半导体激光器与其他半导体器件一样也存在退化现象，即随着工作时间的延 续、器件性能变差，甚至于失效。与其它元器件相比引起退化的原因除温度、使 用状态和环境影响外，对半导体激光器来说更为特殊的原因是由有源区中高的光 功率密度( 1 0 m w pm 2 以上) 及谐振腔劣化所引起。概括起来，其退化有以下 特征：( 1 ) 阈值电流如增加，这是主要的特征。这种变化与器件的工作寿命密 切相关，一般来说阈值增加速率越快其寿命越短；( 2 ) 微分量子效率减少，j p ( 光 功率) ，( 电流) 曲线出现扭折；( 3 ) 光束图像发生变化；( 4 ) 调制特征变坏， 这是由于退化产生高频自激振荡所引起的。此外，光谱也会发生变化。因此，研 究半导体激光器的可靠性及其规律对改善其性能和正确使用器件有重要意义。 第二章半导体澈光器口】霏性的研冤方法 半导体激光器的性能在工作过程中也会产生退化。其机理主要在于生产过程 中的外延、器件工艺、焊接等步骤。另外，来自同一外延片的器件的退化率依赖 于工作条件，即电流、温度。半导体激光器在一些场合应用要求必须有足够长的 工作寿命，如海底光纤通信、卫星通信等所需器件的工作寿命应有2 0 2 5 年。 在系统运转周期内更换激光器的代价将是巨大的，甚至是不可能的。因此，必须 建立一套科学的筛选和预测寿命的方法。这种可靠性保证措施的研究将给器件的 使用提供必要的依据。 2 4 加速寿命试验 寿命试验是可靠性试验中最重要、最基本的内容之一、它是将样品放在特定 的试验条件下，测量其失效( 损坏) 随时间的分布情况。因为失效是按先后次序 出现的，所以可利用次序统计量理论来分析寿命试验数据，从而可以确定产品的 寿命特征、失效分布规律，计算产品的失效率和平均寿命等可靠性指标。此外， 还可以从中确定产品合理的可靠性筛选工艺及条件，进一步改进保证产品质量的 依据。 寿命试验分为长期寿命试验和加速寿命试验( 表2 2 中已分别介绍了二者的 试验项目) ，其中恒定应力加速寿命试验又被称作“标准试验”，在电子材料与元 器件可靠性试验中得到了广泛的应用。 2 4 1 加速寿命试验的意义 对于长寿命高可靠的器件寿命特征的评估，如果采用在正常工作应力下( 电 流、功率、温度等) 对器件进行考核，直至器件失效，无论从成本还是时间来看 都是不合算的，甚至是不可能的。解决这一矛盾的有效办法就是采用加速寿命试 验，用较短时间的加速老化预测器件寿命。 加速寿命试验的目的概括起来有： ( 1 ) 可以在较短时间内用较少的元器件估计高可靠器件的可靠性水平，运 用外推的方法能快速预测元器件在额定或实际使用条件下的可靠度或失效率； ( 2 ) 可以在较短时间内提供试验结果，检验工艺改进效果，或比较不同工 艺的好坏； ( 3 ) 在较短时间内暴露元器件的失效类型及形式，便于对失效机理进行研 究，找出失效原因，为提高产品可靠性提供依据： ，。，。j 生：三些：! i ：；i ! 生! 篁! ! ：。 ， ( 4 ) 比较可靠性筛选结果，确定最好的筛选方案，以便选择恰当的筛选方 法，淘汰早期失效的产品； ( 5 ) 测定元器件某些极限使用条件。 但是，加速寿命试验不能完全代替正常使用条件下的寿命试验，它只是对寿 命的一种近似估计。这是因为加速寿命试验目前还存在不少困难：其一是对试验 方法及测试条件的保证有严格的要求：其二是为了对试验结果作出正确的解释， 必须对产品的失效机理有较好的了解；其三是要有多次的试验结果进行比较和分 析。然而，由于加速试验在理论上有着一定根据，而且能在较短的时间内对产品 的可靠性作出估计，所以该方法仍被广泛采用。 要使加速寿命试验方法得到实际应用，必须解决下面两个问题： ( 1 ) 必须找出加速前后寿命之间的关系，否则加速试验无意义。 ( 2 ) 加速必须是真正的加速，也就是只加速失效进程，而不改变失效机理。 产品寿命分布的类型与施加应力的类型有密切关系。同样的产品由于承受不 同类型的应力，相应的寿命分布类型也将会不同。同类型的产品，在同样类型的 应力条件下，虽然应力水平不同，但在一定的范围内，它不会改变产品寿命的分 布类型，而只影响寿命的分布参数。 2 4 2 加速寿命试验的理论依据 一、寿命的定义 寿命测试是在老化筛选的基础上进行。寿命有时也叫无故障工作时间，它是 可靠性常用的数量特征，其中常用的有平均寿命、寿命方差、可靠寿命和中位寿 命等。半导体激光器的可靠性一般常用平均寿命来表征。它是指半导体激光器发 生失效前工作时间的平均值，通常记作m t t f ( m e a nt i m et of a i l u r e ) 。例如， 在一批器件中，任抽力只进行寿命试验，寿命值分别位r ，、幻、t o ，则它 们的平均寿命为各寿命的平均值，即这组样品的平均寿命为 1月 芦= 土y ( 2 一1 1 ) 竹冒 一般说来，器件的平均寿命愈长，在短时间内工作的可靠性愈高。但是，可 靠性与寿命虽密切相关，又不是同一概念，不能混为一谈。不能认为可靠性商， 寿命就长；也不能认为寿命长的可靠性就必然高，这与使用要求有关。通常所指 的高可靠，是指产品完成要求任务的把握性商；而长寿命，是指产品可以用很长 ，。 薹三茎兰量篁鍪垄兰至耋堡塑耋耋趸鎏 时间工作而性能良好。 二、加速寿命试验的数学模型 器件在使用或贮存过程中，总存在着某种缓慢的物理化学变化。发展到一定 阶段，器件的外观特性和功能将逐步变化，最终