CN105807197A - 一种半导体激光器退化机制的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器退化机制的检测方法，其包括：在同等条件下分别测量失效的半导体激光器的瞬态降温曲线和标准工作的半导体激光器的瞬态降温曲线，对两瞬态降温曲线进行比对，得到失效的半导体激光器的退化机制。本发明利用了半导体激光器瞬态传热特点，通过正向电压测结温的方法或者其他方法得到激光器的瞬态降温曲线，再通过比较失效后激光器的瞬态降温曲线和标准工作的激光器的瞬态降温曲线的差异来找到激光器发生退化的位置，并根据变化量的大小初步判定其可能的失效机制，从而快速的确定激光器失效的原因并找到解决方法，最终延长激光器的工作寿命。

Description

一种半导体激光器退化机制的检测方法

技术领域

本发明属于半导体器件可靠性测试技术领域，具体的涉及一种利用半导体激光器的瞬态传热原理来表征半导体激光器退化机制的检测方法。

背景技术

半导体激光器作为一种新型的激光光源具有光电转换效率高、体积小容易集成以及简单的驱动要求等优点，并且由于半导体激光器的发光波长覆盖了从紫外到红外的全波段，使其具有极其广泛的应用前景。随着半导体激光器制作工艺的不断改进，制作手段的不断提高，半导体激光器的结构日趋完善，激光器的性能更加优良。但是激光器的可靠性仍待提高，目前研究的主要任务是进一步延长激光器的寿命，提高半导体激光器的可靠性。由于半导体激光器是功率型半导体光电子器件，其工作时的注入电流密度高，光功率密度高并且对应的有源工作区的温度也较高，故其寿命受到光、电、热等多方面因素的影响。特别是GaN基半导体激光器，由于GaN材料中本身缺陷密度比较高，生长过程中的晶格适配大等原因，GaN基激光器件中存在大量的缺陷(如V型坑，穿透位错，堆垛层错等)。影响半导体激光器寿命的因素可能有来自封装工艺、激光器制作工艺和生长工艺等环节中的任何部位及多种形式的失效。由于应用的激光器都是封装好的器件，利用常规的分析手段需要花费的时间长，效率低，并且需要多种设备配合使用，在经济上耗资也很大。

发明内容

本发明提供了一种半导体激光器退化机制的检测方法，其基于半导体激光器的瞬态传热学特点，通过对比失效后和标准工作的半导体激光器的瞬态降温曲线，准确找到半导体激光器失效的位置并对其失效的机制做初步的判断。

本发明所采用的技术方案如下：

一种半导体激光器退化机制的检测方法，其特征在于所述检测方法包括：同等条件下分别测量失效的半导体激光器的瞬态降温曲线和标准工作的半导体激光器的瞬态降温曲线，对两瞬态降温曲线进行比对，得到失效的半导体激光器的退化机制。

具体的讲，所述瞬态降温曲线为半导体激光器的温度随时间变化的曲线。

一实施方式中，所述检测方法进一步包括：

将半导体激光器在工作电流下达到热稳定，然后测量半导体激光器的电压随时间的变化关系，并根据电压和温度的对应关系，将电压-时间曲线转化为温度-时间曲线即得到瞬态降温曲线。

一实施方式中，所述检测方法进一步包括：

所述半导体激光器达到热稳定后，将工作电流减小至一特定电流后，测量半导体激光器的电压随时间的变化关系。

另一实施方式中，所述检测方法进一步包括：

将测量得到的失效的半导体激光器和标准工作的半导体激光器的瞬态降温曲线置于同一坐标图中，根据发生差异的部位对应的时间尺度和差异的大小来确定半导体激光器的退化机制。

再一实施方式中，所述确定半导体激光器的退化机制包括：

根据瞬态降温曲线的差异位置确定失效的半导体激光器的失效位置，并根据瞬态降温曲线差异的大小，进而判断出激光器的失效机制。

半导体激光器由于封装在封闭的环境中，其热对流传热可以忽略不计。半导体激光器工作时的热量传播方式主要是热传导。由于工作状态下的激光器的结温一般低于100摄氏度，因此热辐射也可以忽略。当热量在均匀的介质中传播时，其传热系数应该是一个固定的值。当热量在均匀的介质中传播过程时遇到异常界面时，热传播会受到影响，传热系数会发生变化。发明人认为，半导体激光器的瞬态热阻与器件材料的几何尺寸、比热容、热扩散系数有关，因此半导体器件的瞬态温度特性可以反映出器件内部的许多特性。本发明主要利用了半导体激光器器件不同位置的微分热阻对应降温曲线不同时间尺度的变化，通过比较失效后的激光器和标准工作激光器的瞬态降温曲线，找到降温曲线产生差异的部位对应的时间尺度来确定发生退化的位置，并进一步通过差异的大小来判断可能的退化机制。本发明可以通过一次测量定位出包括封装，制作工艺，以及材料内部缺陷导致的器件的退化，可以准确定位发生退化的位置并初步判断退化机制。该检测方法需要的时间短，对环境没有污染，简单容易操作，并且对器件没有损伤。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：该半导体激光器退化机制的检测方法利用了半导体激光器瞬态传热学特点，通过利用正向电压测结温的方法或者其他方法得到激光器的瞬态降温曲线，并通过比较失效后激光器的瞬态降温曲线和标准工作的激光器的瞬态降温曲线的差异来找到激光器发生退化的位置，并根据变化量的大小初步判定其可能的失效机制，从而快速的确定激光器失效的原因并找到解决方法，最终延长激光器的工作寿命。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

附图说明

图1a-图1b是TO封装的GaN基半导体激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例1中失效和标准工作的GaN基半导体激光器的瞬态降温曲线；

图3是实施例1中验证失效的GaN基半导体激光器的焊料的X射线投射图片；

图4是实施例2中失效和标准工作的GaN基半导体激光器的瞬态降温曲线；

图5a-图5b是实施例2中失效半导体激光器的内部缺陷图及缺陷部位的SEM图。

具体实施方式

如前所述，鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和大量时间，得以提出本发明的技术方案，如下具体说明。

本发明所提出的一种半导体激光器的退化机制表征方法系基于半导体激光器瞬态传热学原理，利用半导体激光器瞬态降温曲线的变化表征半导体激光器的退化机制。进一步的讲，系通过测量并比较失效后和标准工作的激光器的瞬态降温曲线的差异来确定激光器的失效位置，并根据差异的大小初步判定可能的退化机制。该半导体激光器退化机制的表征方法可以表征包括封装，制作工艺以及材料等方面的退化导致的半导体激光器的失效。

其中，半导体激光器可以是GaN基、GaAs基等半导体激光器，且不限于此。

其中，需要测量一个封装完整的标准工作的半导体激光器的瞬态降温曲线作为对比标准，以及，需要将封装完整的失效的半导体激光器的瞬态降温曲线与标准的瞬态降温曲线比较。

其中，瞬态降温曲线可以利用正向电压法或者其他方法测量得到。

其中，瞬态降温曲线需要测量从微秒甚至百纳秒量级到几时秒量级时间内的降温曲线。

进一步的，对于不同的器件结构，不同的封装结构的激光器，瞬态降温曲线需要测量的时间尺度要根据实际情况确定。

进一步的，比较两个瞬态降温曲线的变化时，需要将两条降温曲线同时画在具有相同坐标轴的坐标系内。

其中，两个瞬态降温曲线有差异的地方对应的时间尺度决定了其发生退化的位置。

其中，两个瞬态降温曲线在特定的时间段表现出来的改变量的大小决定了其可能的退化机制。

在一典型的具体实施方案之中，该表征方法可以包括如下步骤：

1.封装的半导体激光器在工作电流下加热一定的时间，待激光器达到热稳定。

2.将大电流(工作电流)转换到小电流下测量半导体激光器的电压随时间的变化关系；

3.根据电压和温度的关系，把电压-时间曲线转化成温度-时间曲线；

4.在对数时间坐标中画出温度时间曲线(瞬态降温曲线)；

5.根据步骤1～4测量标准工作的半导体激光器的瞬态降温曲线；

6.根据步骤1～4测量失效后的半导体激光器的瞬态降温曲线；

7.把测量得到的标准器件和失效器件的瞬态降温曲线画在同一个坐标图中进行比较，并标注其发生差异的部位对应的时间尺度和差异的大小；

8.根据差异的位置和大小初步判断激光器发生失效的位置和失效机制。

以下结合若干实施例对本发明的技术方案作更为详细的解释说明。

实施例1：本实施例以GaN基半导体激光器为例(参阅图1a为TO封装的GaN基激光器结构示意图，图1b为包含芯片结构的GaN基激光器示意图)，该实施例利用正向电压法测量半导体激光器的电压随时间的变化关系。根据GaN基半导体激光器电压和温度的关系，将测量得到的电压时间关系转换成温度时间关系。

按下列方法分别测量得到标准工作的GaN基半导体激光器和失效的GaN基半导体激光器的瞬态降温曲线。

将半导体激光器在工作电流下加热10分钟，待半导体激光器达到热稳定状态，关闭工作大电流并测量小电流(1mA)下GaN基半导体激光器的电压随时间的变化关系；根据电压和温度的关系(dV/dT＝-4mV/K)把电压-时间曲线转化成温度-时间曲线；在对数时间坐标中画出温度时间曲线即瞬态降温曲线；

把测量得到的标准工作和失效的半导体激光器的瞬态降温曲线画在同一个坐标图中进行比较，并标注其发生差异的部位对应的时间尺度和差异的大小；如图2所示。然后根据差异的位置和大小初步判断激光器发生失效的位置和失效机制；该失效器件与标准器件相比其瞬态降温曲线有差异的部位对应的时间尺度为焊料的位置，故初步判断激光器的退化部位是焊料的退化，进一步验证失效位置和失效机制，并对失效机制进行详细的研究。图3是验证标准工作和失效的GaN基半导体激光器的焊料的X射线投射图片，结果表明失效激光器的退化机制是焊料中产生了大量的气泡。

实施例2：本实施例以GaN基半导体激光器为例，该实施例利用正向电压法测量半导体激光器的电压随时间的变化关系。根据GaN基半导体激光器电压和温度的关系，将测量得到的电压时间关系转换成温度时间关系。

按下列方法分别测量得到标准工作的GaN基半导体激光器和失效的GaN基半导体激光器的瞬态降温曲线。

将标准工作的半导体激光器在工作电流下加热10分钟，待半导体激光器达到热稳定。关闭工作大电流并在1mA的小电流下测量GaN基半导体激光器的电压随时间的变化关系；然后根据电压和温度的关系(dV/dT＝-4mV/K)把电压-时间曲线转化成温度-时间曲线；在对数时间坐标中画出温度时间曲线即得到瞬态降温曲线；

把测量得到的标准工作和失效的半导体激光器的瞬态降温曲线画在同一个坐标图中进行比较，并标注其发生差异的部位对应的时间尺度和差异的大小；如图4所示。然后根据差异的位置和大小初步判断激光器发生失效的位置和失效机制；该失效的半导体激光器和标准工作的激光器瞬态降温曲线产生差异的部位对应为器件本身即材料部分的失效，进一步验证失效位置和失效机制，并对失效机制进行详细的研究。图5a-图5b是失效后器件材料中产生的缺陷图及缺陷部位的SEM图，结果表明该激光器的失效是由于器件本身材料部分失效后产生了很多空洞。

应当指出，以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种半导体激光器退化机制的检测方法，其特征在于包括：在同等条件下分别测量失效的半导体激光器的瞬态降温曲线和标准工作的半导体激光器的瞬态降温曲线，对两条瞬态降温曲线进行比对，得到失效的半导体激光器的退化机制。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器退化机制的检测方法，其特征在于所述瞬态降温曲线为半导体激光器的结区温度随时间变化的曲线。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器退化机制的检测方法，其特征在于所述检测方法进一步包括：

将半导体激光器在工作电流下达到热稳定，然后测量半导体激光器的电压随时间的变化关系，并根据电压和温度的对应关系，将电压-时间曲线转化为温度-时间曲线，即得到瞬态降温曲线。

4.根据权利要求3所述的半导体激光器退化机制的检测方法，其特征在于所述检测方法进一步包括：

所述半导体激光器达到热稳定后，将工作电流减小至一特定电流后，测量半导体激光器的电压随时间的变化关系。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器退化机制的检测方法，其特征在于所述检测方法进一步包括：

将测量得到的失效的半导体激光器和标准工作的半导体激光器的瞬态降温曲线置于同一坐标图中，根据发生差异的部位对应的时间尺度和差异的大小来确定半导体激光器的退化机制。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器退化机制的检测方法，其特征在于所述确定半导体激光器的退化机制包括：

根据瞬态降温曲线的差异位置确定失效的半导体激光器的失效位置，并根据瞬态降温曲线差异的大小，进而判断出激光器的失效机制。

7.根据权利要求1所述的半导体激光器退化机制的检测方法，其特征在于所述半导体激光器包括GaN基或GaAs基半导体激光器。

8.根据权利要求1所述的半导体激光器退化机制的检测方法，其特征在于所述失效的半导体激光器和标准工作的半导体激光器均采用封装完整的半导体激光器。