半导体器件寿命测试

0 前言

大功率半导体激光器的应用领域越来越广泛，其可靠性非常重要，且寿命是衡量可靠性的重要指标之一。然而，大功率激光器的工作寿命还没有一个国际标准定义，也没有标准的加速检测方法。大量长寿命的无Al激光器的高温加速老化寿命试验也是在假定了激活能的基础上进行的，这样进行试验由于不知道不确定失效的机理，得到的寿命数据也是不能令人信服的。本文基于加速寿命试验的基本概念，参考普通半导体器件寿命测试方法，通过两次高温加速老化，绘制激光器的老化曲线，计算出激活能，然后利用所求的激活能通过统计学的方法，反推出室温下器件的寿命值。

1 试验与计算分析

本试验分别在40、80℃下对20只随机抽取的波长808 nm的无Al连续输出功率为1 W的单管激光器进行1.2 A恒流老化。老化前抽出10只在室温下进行P-I-Y测试，如图1所示。

加速老化试验过程分两个方面同时进行，一半器件用半导体激光器功率老化设备进行40℃(不控温)下的老化，由探测器定时自动采集光功率相对值并由电脑记录；另外一半放置于温度设定为80℃的高低温试验箱中通过探测器手工定时采集激光器的功率。两次试验电流恒定控制为1.2 A。图2和图3为老化过程中的功率退化曲线。

试验中规定相对功率下降30％为激光器失效时间。40℃下的中位寿命为3 000 h；80℃下的中位寿命为330 h。器件失效从根本上讲都是基本的物理化学过程，而温度对于许多物理化学过程来讲都是一个重要因素，温度升高以后，这些变化过程大大加快，器件失效过程被加速，试验总结出来阿列尼乌斯(Arrhenius)经验公式

式中，L为寿命，Ea为激活能，A为常数，k(8.62×10-5eV／K)为波尔兹曼常数，T为热力学温度。确定了失效模式的激活能以后，就可以得出加速系数τ。设室温T0下寿命为L0，加速试验中温度T1下寿命为L1，温度T2下的寿命为L2(T2>T1)，则激活能的计算式为

不同温度下Ea与τ的关系如图4所示，不同温度下，温度越高，曲线斜率越大，加速效果越明显；相同温度下，激活能越大，加速系数越大。由于失效机理不同，激活能也不一样。

将数据代入式(2)、(3)可以解出Ea=0.52 eV／K，τ=25.2(相对于80℃)。进而，可以计算出中值寿命tm=330×25.2=8 320 h。