半導體器件壽命測試

在對數正態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正態分布形式，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正態分布，對數正態分布的故障概率密度函數為

式中，μ是中值壽命tm的對數值，σ為對數標準差，基于此，可準確描述對數正態分布。

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，也容易從圖中經過簡單計算得到，它決定于對數正態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。代人數據計算得出σ=1.1。

得到了中值壽命tm和對數標準差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體內退化。主要是材料內部的雜質與缺陷，特別是異質結材料中由于晶格失配所形成的位錯能夠在適當的溫度下“增殖”，這種位錯也會在晶體中逐漸形成位錯線，位錯網格。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，增加表面態復合速度，溫度上升，造成熱平衡狀態遭到破壞，有源區局部熔化，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與燒結有關的退化。管芯與載體粘結特性不好，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。壽命測試的結果是統計值，試驗樣品數自然越多越準確。我們共隨機抽取了20只進行試驗。對老化后失效的樣品，進行了分析發現，除了部分芯片發生了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。