溫度對半導(dǎo)體激光器退化的影響*

楊 鵬，胡業(yè)榮,王貴山

(國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院 裝備綜合保障技術(shù)重點實驗室， 湖南 長沙 410073)

半導(dǎo)體激光器(Laser Diode，LD)是一種比較常見的激光器，被廣泛應(yīng)用于通信、測距、掃描、照明、激光醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著使用范圍的拓展，LD退化機(jī)理和可靠性研究逐漸成為一個熱點。LD退化模式主要包括有源區(qū)生長缺陷、腔面損傷、熱沉及電極退化[1-5]等。影響LD退化的因素有很多，如溫度、密封條件、電過載等，其中溫度是誘發(fā)和加速LD退化的重要外部因素[6-9]。

溫度對LD退化的作用機(jī)理較為復(fù)雜，難以用理論推導(dǎo)出準(zhǔn)確的表達(dá)式，通常通過經(jīng)驗公式進(jìn)行描述[7,9]，或者通過對LD進(jìn)行加速退化試驗，借助電子顯微鏡觀察LD內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的變化，從而建立溫度對退化的影響關(guān)系[10-11]。這種直接觀察法不僅實施起來有一定難度，而且難以對LD退化程度進(jìn)行量化。而事實上，LD可觀測的電光特性參數(shù)很多，包括各種電流(偏置電流、閾值電流)、端電壓、光功率、I-P曲線、I-V曲線等[12-17]，如果利用這些外部特性參數(shù)來研究溫度對LD退化的影響，將有效解決上述問題。

同時引入LD特性參數(shù)也帶來了問題，例如溫度會造成LD電光特性，如I-P曲線發(fā)生變化，且LD發(fā)生退化也可能造成I-P曲線變化。所以想要通過LD特性參數(shù)來研究溫度與退化的關(guān)系，首先要厘清溫度與特性參數(shù)、退化與特性參數(shù)之間的關(guān)系。

1 LD等效模型與典型退化分析

1.1 LD本征等效電路模型

要分析LD退化特性和熱特性，通常需建立LD本征模型以模擬LD特性參數(shù)。采取等效電路方法來構(gòu)建LD本征模型，在本征模型基礎(chǔ)上，通過疊加和修改模型參數(shù)來建立LD退化模型和熱特性模型。LD經(jīng)典等效電路模型較多，采用文獻(xiàn)[1，18]中的模型，如圖1所示。

圖1 半導(dǎo)體激光器本征等效電路圖Fig.1 Eigen equivalent circuit diagram of LD

圖1包括三個部分：①為LD電學(xué)部分的等效電路；②為LD光學(xué)部分的等效電路；③為LD光功率轉(zhuǎn)換部分的等效電路，分為左右兩個。圖1中的參數(shù)和各部分等效電路的方程式詳見文獻(xiàn)[18-19]。基于上述模型，只要修改模型參數(shù)即可模擬LD退化特性和溫度特性?；谠摰刃щ娐?，設(shè)置參數(shù)以后進(jìn)行仿真，得到LD的I-P曲線，如圖2所示。

圖2 基于LD等效電路模型的I-P曲線Fig.2 I-P curve based on LD equivalent circuit

圖2中折線拐點處的橫坐標(biāo)即為LD的閾值電流，折線右側(cè)部分的斜率稱為LD的斜率效率，這兩個參數(shù)可用于反映LD光電特性，且它們的變化趨勢還可反映LD是否發(fā)生退化以及發(fā)生何種退化。

1.2 LD典型退化模式分析

已有研究[2,20]表明：LD主要退化模式包括有源區(qū)缺陷生長導(dǎo)致的有源區(qū)退化、腔面損傷導(dǎo)致的腔面退化、熱沉和電極退化等。從激光產(chǎn)生過程來看，有源區(qū)是產(chǎn)生光子的區(qū)域，腔面是反射光子區(qū)域，這兩個區(qū)域的退化是造成LD退化乃至失效的主要原因，因此重點考察溫度對這兩種退化模式的影響。

首先，文獻(xiàn)[18-19]對這兩種退化進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)在恒電流工作模式下，這兩種退化都會導(dǎo)致LD輸出光功率下降；而在恒功率工作模式下，都會導(dǎo)致LD工作電流增加。繪制I-P曲線后發(fā)現(xiàn)，有源區(qū)退化會導(dǎo)致閾值電流增大，而斜率效率不變；腔面退化會導(dǎo)致斜率效率減小，而閾值電流幾乎不變。因此閾值電流和斜率效率可分別作為有源區(qū)退化和腔面退化的表征參數(shù)。

其次，從兩種退化之間的影響關(guān)系來看，有源區(qū)退化會吸收載流子，被吸收的載流子不產(chǎn)生光子；腔面退化會吸收光子，被吸收的光子自然無法回到有源區(qū)。理論上這兩種退化模式之間不存在相互促進(jìn)或相互抵消的關(guān)系，兩種退化模式之間可以看作是相互獨立的。

2 LD熱特性建模與仿真

2.1 LD熱特性等效電路模型

目前對LD熱特性的研究較多，一般認(rèn)為溫度對LD的影響包括兩個方面：一是對LD本征特性造成影響；二是會加速LD的退化。

已知LD在工作中，除一小部分電流用于受激發(fā)產(chǎn)生激光，大部分電流轉(zhuǎn)化為熱量被耗散，將其定義為熱耗散電流InT(T)，其括號中的T表示溫度，通常利用下式進(jìn)行估算[19]：

(1)

式中，Ith0表示在溫度T0(表征LD溫度穩(wěn)定性的參數(shù)，稱為特征溫度，同一種LD的T0為一常數(shù))時LD的閾值電流。

將熱耗散電流疊加到本征等效電路模型中，于是圖1修改為如圖3所示的考慮熱特性的等效電路模型。圖3虛線框中的是由于LD熱特性所產(chǎn)生的熱耗散電流。

圖3 考慮熱特性的LD等效電路圖Fig.3 LD equivalent circuit diagram considering thermal characteristics

文獻(xiàn)[19]指出，溫度對LD本征特性影響主要有三個方面：一是隨著LD溫度升高，耗損系數(shù)增大，內(nèi)量子效率降低，漏電流增加，閾值電流將增大；二是隨著LD溫度升高，LD輸出波長會產(chǎn)生紅移現(xiàn)象；三是在恒電流模式下，隨著LD溫度升高，其平均和最大輸出光功率會降低。

其中最直觀的影響就是增大閾值電流。根據(jù)試驗測定結(jié)果可知，閾值電流隨溫度的變化滿足式(2)指數(shù)關(guān)系[21]。

(2)

式中，Tm為室溫，Ith(Tm)為室溫下的閾值電流。

2.2 溫度對LD性能影響的仿真

利用所構(gòu)建的考慮熱特性的LD等效電路模型來做進(jìn)一步仿真分析。在溫度區(qū)間298～333 K中設(shè)置5個溫度擋位，輸入電流從0～140 mA逐漸增大，保持其他條件不變，得到5種溫度下的I-P曲線，如圖4所示。

圖4 溫度對I-P曲線的影響Fig.4 Influence of temperature on I-P curve

可以看出，溫度對I-P曲線的斜率基本沒有影響，而閾值電流隨著溫度的升高而增大，曲線向右平移。由此可知，LD工作溫度僅對LD閾值電流有影響，這與有源區(qū)退化對LD本征特性的影響相同。

2.3 溫度對LD退化影響的定性分析

溫度對LD退化，尤其是上述兩種退化模式是否會造成影響呢？考慮到LD是一種典型的半導(dǎo)體器件，借鑒已有的半導(dǎo)體溫度退化模型來開展定性分析。

阿倫尼烏斯基于大量試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗提出了半導(dǎo)體器件的速率公式[22]：

k=Ae-Ea/(RT)

(3)

式中，k為反應(yīng)速率，A為提前因子，Ea為活化能，R為摩爾常量，T為溫度。若把k視為半導(dǎo)體缺陷的擴(kuò)散速率，可以得出隨著溫度升高，缺陷擴(kuò)散速度加快的結(jié)論。

LD作為半導(dǎo)體器件，其退化過程基本符合式(3)。但是式(3)并不能解決溫度究竟會對哪種退化模式起到加速作用的問題，目前也沒有專門的理論研究，本文嘗試通過試驗的方法來解決這個問題。

3 溫度對LD退化影響的試驗

3.1 試驗平臺設(shè)計

以溫度和電流作為加速雙應(yīng)力對LD進(jìn)行加速退化試驗。設(shè)計開發(fā)了LD加速退化試驗平臺，其功能組成如圖5所示。

圖5 LD加速退化試驗平臺功能框圖Fig.5 LD accelerated degradation experiment platform

該試驗平臺包括硬件部分和軟件部分，其中硬件部分包括溫度控制模塊、電源控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、半導(dǎo)體激光器工作電路板和電源。工作電路板中包括半導(dǎo)體激光器、測試電路和單片機(jī)，單片機(jī)主要完成測試電路的數(shù)據(jù)采集與處理。

試驗平臺的軟件部分主要是利用Labwindows/CVI開發(fā)的計算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件，安裝在一臺PC機(jī)上，其工作界面如圖6所示。

圖6 計算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件界面Fig.6 Computer data acquisition software interface

3.2 試驗方案設(shè)計

以溫度和電流作為加速應(yīng)力來實施加速退化試驗，進(jìn)而分析不同溫度對有源區(qū)退化和腔面退化的影響。試驗步驟如下：

Step1：以Sharp公司的830 nm同軸型雙異質(zhì)結(jié)LD為試驗對象，選擇3個經(jīng)過標(biāo)定的全新LD，它們在溫度298 K下的I-P曲線基本重合，即閾值電流和斜率效率基本一致。

Step2：從上述3個LD中取第1個LD，通過溫控電路將初始試驗溫度設(shè)置為293 K，在此溫度下LD工作特性較好。通過電流控制器使通過LD的電流控制在200 mA。在該條件下讓LD工作滿120 h。

Step3：將溫度調(diào)節(jié)到298 K，調(diào)節(jié)LD工作電流從小到大緩慢升高，直到160 mA或者輸出光功率達(dá)到220 mW，記錄下電流和光輸出功率數(shù)據(jù)。

Step4：按照Step3所述方法在溫度298 K下繼續(xù)重復(fù)4次，對1個LD一共采集5組I-P數(shù)據(jù)。

Step5：選取第2個LD，按照上述方法在313 K 溫度下進(jìn)行加速退化試驗，試驗結(jié)束后在298 K溫度下采集5組有效試驗數(shù)據(jù)。

Step6：選取第3個LD，在333 K溫度下進(jìn)行加速退化試驗，試驗結(jié)束后在298 K溫度下采集5組有效試驗數(shù)據(jù)。

Step7：利用MATLAB對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，對擬合后的I-P曲線進(jìn)行分析，主要對閾值電流和斜率效率進(jìn)行分析。

3.3 試驗結(jié)果分析

按照上述步驟得到表1所示的3組數(shù)據(jù)。

表1 在293 K， 313 K和333 K溫度下加速退化測到的I-P數(shù)據(jù)

表1(續(xù))

用MATLAB軟件繪制加速溫度為293 K、313 K和333 K的I-P曲線，如圖7所示。圖中，293 K 和313 K曲線在0 mA處功率不為0，經(jīng)分析這可能是設(shè)備剛運行時電流有跳動造成的誤差。

圖7 不同溫度加速后的I-P曲線圖Fig.7 I-P curves after different temperature acceleration

首先，因為3條曲線都是在298 K(LD正常工作溫度)下測得的，可排除溫度對I-P曲線的影響。3條曲線主要反映3個LD的退化區(qū)別和趨勢，而且3條曲線沒有完全重合，應(yīng)該發(fā)生了不同程度的退化。其次，3條曲線前端水平部分除了0 mA處的誤差其余基本重合，即閾值電流基本相同，據(jù)此可排除有源區(qū)退化，并推斷溫度升高對LD有源區(qū)退化作用不明顯。再次，3條曲線后端有規(guī)律性的變化：第一，斜率效率不同，說明發(fā)生了腔面退化；第二，隨著工作溫度升高斜率依次降低，可推斷溫度升高會加劇腔面退化。

綜合前文仿真分析和本節(jié)試驗結(jié)果，得到溫度-退化(有源區(qū)退化、腔面退化)-參數(shù)(閾值電流、斜率效率)之間的關(guān)系，圖8所示。

圖8 溫度-退化-參數(shù)的關(guān)系圖Fig.8 Relationships among temperature, degenerate and parameter

圖8中右側(cè)的“有源區(qū)退化”和“腔面退化”是LD兩種典型退化模式，左側(cè)的“閾值電流”和“斜率效率”是LD特性和退化表征參數(shù)，中間的“溫度”既是LD工作參數(shù)，也是影響LD退化的因素。通過退化建模與仿真發(fā)現(xiàn)，有源區(qū)退化會造成LD閾值電流增大，而斜率效率不變；腔面退化會造成斜率效率增大，而閾值電流不變。通過熱特性建模與仿真發(fā)現(xiàn)，溫度升高會造成LD閾值電流增大，而斜率效率不變。通過雙應(yīng)力下的加速退化試驗發(fā)現(xiàn)，溫度升高會造成腔面退化加劇，而對有源區(qū)退化無顯著影響。

4 結(jié)論

本文通過建模仿真和加速退化試驗相結(jié)合的方法來研究溫度對LD退化的影響，得到以下結(jié)論：

1)閾值電流和斜率效率可分別表征有源區(qū)退化和腔面退化，這對于加速退化試驗后辨識LD發(fā)生何種退化模式有重要作用。

2)通過在不同溫度下的加速退化試驗，結(jié)合退化表征參數(shù)，揭示了溫度升高會加劇腔面退化，而對有源區(qū)退化影響不明顯的規(guī)律。

所揭示的規(guī)律如經(jīng)過大量試驗和標(biāo)定，可用于構(gòu)建更為準(zhǔn)確的LD溫度-退化仿真模型。此外，溫度對單一退化模式加速的結(jié)論可用于研究LD靶向加速退化試驗方法。