半導體器件壽命測試

0 前言

大功率半導體激光器的應用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，其可靠性非常重要，且壽命是衡量可靠性的重要指標之一。然而，大功率激光器的工作壽命還沒(méi)有一個(gè)國際標準定義，也沒(méi)有標準的加速檢測方法。大量長(cháng)壽命的無(wú)Al激光器的高溫加速老化壽命試驗也是在假定了激活能的基礎上進(jìn)行的，這樣進(jìn)行試驗由于不知道不確定失效的機理，得到的壽命數據也是不能令人信服的。本文基于加速壽命試驗的基本概念，參考普通半導體器件壽命測試方法，通過(guò)兩次高溫加速老化，繪制激光器的老化曲線(xiàn)，計算出激活能，然后利用所求的激活能通過(guò)統計學(xué)的方法，反推出室溫下器件的壽命值。

1 試驗與計算分析

本試驗分別在40、80℃下對20只隨機抽取的波長(cháng)808 nm的無(wú)Al連續輸出功率為1 W的單管激光器進(jìn)行1.2 A恒流老化。老化前抽出10只在室溫下進(jìn)行P-I-Y測試，如圖1所示。

加速老化試驗過(guò)程分兩個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行，一半器件用半導體激光器功率老化設備進(jìn)行40℃(不控溫)下的老化，由探測器定時(shí)自動(dòng)采集光功率相對值并由電腦記錄；另外一半放置于溫度設定為80℃的高低溫試驗箱中通過(guò)探測器手工定時(shí)采集激光器的功率。兩次試驗電流恒定控制為1.2 A。圖2和圖3為老化過(guò)程中的功率退化曲線(xiàn)。

試驗中規定相對功率下降30％為激光器失效時(shí)間。40℃下的中位壽命為3 000 h；80℃下的中位壽命為330 h。器件失效從根本上講都是基本的物理化學(xué)過(guò)程，而溫度對于許多物理化學(xué)過(guò)程來(lái)講都是一個(gè)重要因素，溫度升高以后，這些變化過(guò)程大大加快，器件失效過(guò)程被加速，試驗總結出來(lái)阿列尼烏斯(Arrhenius)經(jīng)驗公式

式中，L為壽命，Ea為激活能，A為常數，k(8.62×10-5eV／K)為波爾茲曼常數，T為熱力學(xué)溫度。確定了失效模式的激活能以后，就可以得出加速系數τ。設室溫T0下壽命為L(cháng)0，加速試驗中溫度T1下壽命為L(cháng)1，溫度T2下的壽命為L(cháng)2(T2>T1)，則激活能的計算式為

不同溫度下Ea與τ的關(guān)系如圖4所示，不同溫度下，溫度越高，曲線(xiàn)斜率越大，加速效果越明顯；相同溫度下，激活能越大，加速系數越大。由于失效機理不同，激活能也不一樣。

將數據代入式(2)、(3)可以解出Ea=0.52 eV／K，τ=25.2(相對于80℃)。進(jìn)而，可以計算出中值壽命tm=330×25.2=8 320 h。