半導(dǎo)體器件壽命測(cè)試

0 前言

大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，其可靠性非常重要，且壽命是衡量可靠性的重要指標(biāo)之一。然而，大功率激光器的工作壽命還沒有一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)定義，也沒有標(biāo)準(zhǔn)的加速檢測(cè)方法。大量長壽命的無Al激光器的高溫加速老化壽命試驗(yàn)也是在假定了激活能的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這樣進(jìn)行試驗(yàn)由于不知道不確定失效的機(jī)理，得到的壽命數(shù)據(jù)也是不能令人信服的。本文基于加速壽命試驗(yàn)的基本概念，參考普通半導(dǎo)體器件壽命測(cè)試方法，通過兩次高溫加速老化，繪制激光器的老化曲線，計(jì)算出激活能，然后利用所求的激活能通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，反推出室溫下器件的壽命值。

1 試驗(yàn)與計(jì)算分析

本試驗(yàn)分別在40、80℃下對(duì)20只隨機(jī)抽取的波長808 nm的無Al連續(xù)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(cè)試，如圖1所示。

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

試驗(yàn)中規(guī)定相對(duì)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)過程，而溫度對(duì)于許多物理化學(xué)過程來講都是一個(gè)重要因素，溫度升高以后，這些變化過程大大加快，器件失效過程被加速，試驗(yàn)總結(jié)出來阿列尼烏斯(Arrhenius)經(jīng)驗(yàn)公式

式中，L為壽命，Ea為激活能，A為常數(shù)，k(8.62×10-5eV／K)為波爾茲曼常數(shù)，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(shù)τ。設(shè)室溫T0下壽命為L0，加速試驗(yàn)中溫度T1下壽命為L1，溫度T2下的壽命為L2(T2>T1)，則激活能的計(jì)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(shù)越大。由于失效機(jī)理不同，激活能也不一樣。

將數(shù)據(jù)代入式(2)、(3)可以解出Ea=0.52 eV／K，τ=25.2(相對(duì)于80℃)。進(jìn)而，可以計(jì)算出中值壽命tm=330×25.2=8 320 h。