半導體雷射器可靠性檢測分析方法及其裝置的製作方法

2023-05-05 01:11:41

專利名稱：半導體雷射器可靠性檢測分析方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種測試分析方法及裝置，特別涉及半導體雷射器參數測試、可靠性分析的方法和裝置。
已有的半導體雷射器可靠性(壽命)檢測方法採用電老化法。通過測量被檢測器件的閾值電流、輸出功率等，通過提高溫度、加大電流的加速老化方法，把一定電流下光功率變化率大的器件篩選掉。具體步驟是將被檢測器件放置於老化臺上，在溫度為80℃、電流150mA條件下老化72小時，測量一定電流下的光功率或閾值電流在老化前後的變化，認為變化率大的為不可靠器件。這種檢測分析方法，花費時間長，不能實時檢測，老化臺要有足夠的容量(造得很大)，這不僅要有很高的造價，耗費很大的電能，而且生產效率低；這種檢測分析方法由於被檢測器件通電加溫時間長，易受到熱電衝擊，使器件損傷或損環；這種檢測分析方法由於條件相同，在穩定電流或恆定功率下對不同器件來說負荷是不同的，如有的器件在此電流條件下基本不發光，有的卻發生激射。即，有的器件對此條件已經是苛刻的，有的器件又顯得條件太寬，因而或者達不到篩選的目的，影響產品的質量，或者條件太苛刻，使器件使用壽命明顯降低。
與本明最相接近的裝置是「雷射二極體綜合測試系統」。主要由直流電源、微機、數據採集板、積分球光功率檢測系統、溫度控制系統、數字PID控制器、雙單色儀、遠場測量系統、測試頭及外圍設備構成。控制器中電流源卡控制0～2A直流電源給雷射器加連續可調直流電流，模擬測量卡也裝在控制機插槽中，來測量雷射器的各種參數，溫度控制卡通過計算機發出指會去驅動TE驅動板，給雷射器加溫或減溫，最終達到控制器設定的溫度。這套測試系統可以測量半導體雷射器的閾值電流Ith、正向結電壓Vs，光功率與驅動電流的關係曲線P-I曲線，微分光功率dP/dI及遠場光強分布、光譜響應等參量或參數，具有可變溫、操作方便、精度高等特點。但是該測試系統只能給出一些器件的參數，不能對器件的質量和可靠性做出評價；而且還不能測量器件的結特徵參量m、b參數、下沉高度h和熱阻RT以及這些參數的溫度變化率。
本發明利用全微機控制的半導體雷射器參數測試和可靠性檢測分析的裝置，通過對電導數曲線、熱阻等的測試，取得特徵參量(參數)，經綜合分析判別器件的質量，達到簡便、無損、快速地對多個器件進行可靠性檢測的目的。
本發明的半導體雷射器可靠性檢測分析方法主要是通過對被檢測器件的電導數曲線及變溫電導數曲線的測試，得到器件的部分特徵參數隨溫度變化率，將得到的這些數據跟正常參數比較，對半導體雷射器質量和可靠性進行評價。
具體的步驟敘述如下第一，測出被檢測的半導體雷射器的電導數曲線，即IdV/dI～I曲線。其中I為被檢測器件的驅動電流，V為被檢測器件的結電壓。一般的IdV/dI～I曲線形狀如圖1所示。
第二，從電導數曲線中得到閾值電流Ith，對閾值電流Ith前後的兩段曲線進行直線擬合，得到兩個斜率和截距，閾值前部分的截距為mkT/q，斜率為Rs1，閾值後部分截距為b，斜率Rs2，其中的m為結特徵參量，k為波爾茲曼常數，T為測試溫度，q為電子電荷，b為b參數，Rs1、Rs2為閾值前後的串聯電阻。由閾值電流Ith附近曲線的極大值和極小值的差值，測得閾值電流Ith處的結電壓飽合程度，即下沉高度h(mV)。
第三，改變測試溫度T，由變溫前後的電導數曲線測得Δb/ΔT，即b參數隨溫度T的變化率。還可以測得閾值電流Ith隨溫度T的變化率ΔIth/ΔT，並推算出特徵溫度To。
第四，將所得的各參數跟這種結構的半導體雷射器的這些參量的正常取值(正常參數值)相比較，對被檢測器件的質量和可靠性做出評價，評價的規律是下沉高度h值不小於正常參數值，b參數、結特徵參量m、串聯電阻Rs、b參數隨溫度的變化率Δb/ΔT不大於正常參數值的是可靠性好的器件。
第五，所說的正常參數值是對被檢測的一批器件抽樣，用常規的可靠性檢測和老化方法選出合格樣品經測試得到。
電導數由線在閾值電流Ith處出現下沉，是結電壓飽合所致，對同種器件，h值差異是器件製備過程中材料參數、結構參數差異及工藝分散性等因素造成的，h值偏小的器件，往往可靠性差。結特徵參量m受接觸非線性、異質結界面狀況非輻射複合，漏電等因素的影響，對一個半導體雷射器，m值的大小是材料質量和工藝水平的標誌。因此，一般來說可靠性好的器件m值較小。串聯電阻Rs一般表示器件的接觸好壞，Rs偏大可能與圖形尺寸或壓焊質量或帽層電阻率偏高等有關。b參數值大，電導數曲線在閾值電流Ith後部分向下彎曲，通常是由於器件存在一個和結相併聯的非線性通道等有關。所以b參數值大而Δb/ΔT又大的器件肯定是不可靠器件。
本發明中的測試電導數曲線IdV/dI～I的方法是由微機軟體控制數模轉換器輸出一個與要加在被檢測器件上驅動的電流相對應的電壓，經電壓-電流變換得到隨時間變化的驅動電流I加在被檢測器件上，同時用一個正弦信號對驅動電流I調製，正弦信號的頻率可以是10KHz，經鎖相放大器檢出其基頻分量得dV/dI，再經模數轉換器送入微機，軟體完成與I的乘積，屏幕給出Idv/dI～I曲線和計算出各參數。
由於熱阻RT是表明半導體雷射器散熱性能的參數，熱阻RT的大小跟材料的熱導率及幾何形狀有關。熱阻RT是造成結升溫的重要因素，是引起器件參數劣化的主要原因，熱阻RT大的器件不能在室溫下連續工作。因此，熱阻RT也是判定半導體雷射器可靠性的依據之一。
本發明的對熱阻RT的測試採用正向壓降法，具體測試過程包括在溫度為T時，對被檢測器件加一個佔空比極小的測試電流，測得該電流下的正向結壓降VL；再疊加一個寬脈衝加熱電流IT，熱平衡後測得測試電流下的正向結電壓VH和加熱電流IT下的結壓降V，得加熱電功率PT＝IT·V·δ，其中δ為加熱電流IT的佔空比；在另一個溫度T』時在測試電流下測得正向結電壓V』L，則得到器件的正向壓降的溫度係數K＝(VL-V』L)/(T-T』)；最後得熱阻RT＝(VL-VH)/K·PT。
本發明對光功率曲線(P-I曲線)及光功率對驅動電流的微分dP/dI是採用大面積鍺探測器作光功率檢測，由模數轉換器將光強大小以數字形式送入微機測得。
用本發明的半導體雷射器可靠性檢測分析方法對PBC結構InGa/AsP/InP雷射器進行檢測分析，可靠性好的器件的各參數值為Rs＜10Ω，m＜3.5，b＜10mV，Δb/ΔT＜0.4mV/K，h＞50mV，RT＜50Ω。
按照本發明的半導體雷射器可靠性檢測分析方法發明了兼有測試器件多種參數的測試功能和器件可靠性檢測分析功能的裝置——半導體雷射器可靠性檢測分析儀。本發明的裝置跟現有的「雷射二極體綜合測試系統」比較，除相同功能外，可以對器件的電導數曲線進行測試和繪圖；可以對多個被檢測器件進行快速逐個地測試各參數；可以測得其他儀器得不到的b參數，下沉高度h，結特徵參量m以及隨溫度的變化率等；可以給出器件質量及可靠性的判定結果。
本發明的半導體雷射器可靠性檢測分析儀的結構，主要包括有微機1、主機2、樣品箱3三個部分。其中主機2中有數據採集板4，電壓-電流變換電路7以及單片機控溫系統9；樣品箱3內有樣品架、電流-電壓變換電路10、光電探測器30、保溫箱22、溫度傳感器、加熱體23等。所說的數據採集板4包含有數模轉換器5和模數轉換器6，插在微機1擴展槽上，數模轉換器5跟電壓-電流變換電路7電連接，由微機1軟體控制，使數模轉換器5輸出的電壓信號經電壓-電流變換電路7變為隨時間線性變化的驅動電流I加在被檢測器件29上；所說的光電探測器30將被檢測器件29輸出的光電流，經電流-電壓變換電路10轉化為電壓信號輸給模數轉換器6，完成對P～I曲線及dP/dI～I曲線的測試；被檢測器件29給出的結電壓信號輸給模數轉換器6，完成對熱阻RT和伏安特性曲線(V～I曲線)的測量；本發明的特徵在於，在主機2內還裝有鎖相放大器8和信號源11，鎖相放大器8的輸入端跟信號源11及被檢測器件29電接通，輸出端跟模數轉換器6電接通；信號源11輸出的正弦信號以恆流方式調製由電壓-電流變換電路7輸給被檢測器件29的驅動電流I，經鎖相放大器8檢出基頻分量dV/dI，經模數轉換器6送入微機1，由軟體完成dV/dI與I的乘積，得到電導數曲線。
本發明的樣品箱3的具體結構可參見圖3。將機箱21分為活動的上半部分3I和固定的下半部分34。這樣可以方便地打開上蓋，放置被檢測器件29。在機箱21內裝有用絕熱材料製作的保溫箱22，樣品架、加熱體23等置於保溫箱22內。本發明的特徵在於，在加熱體23的中間放置加熱棒24，構成內熱式結構，實現熱傳遞快，被檢測器件29受熱均勻；所說的樣品架包括有樣品支座26，燕尾槽夾具27、熱沉夾具28。樣品支座26固定在加熱體23的上面，比如用螺釘25固定，在一個樣品支座26可以並列裝有兩個以上的燕尾槽夾具27，每個燕尾槽夾具27用埋頭螺釘37與樣品支座26固定，螺孔36是電絕緣螺孔，保證各燕尾槽夾具27跟樣品支座26電絕緣。熱沉夾具28頂端放置被檢測器件29，熱沉夾具28用螺釘跟燕尾槽夾具27的上半部分(截面為燕尾形狀的部分)聯接。由於使用了燕尾跟燕尾槽互相配合的燕尾槽夾具27，容易更換被檢測器件29。由於燕尾槽夾具27跟樣品支座26電絕緣，使得兩個以上的被檢測器件29之間亦為相互電絕緣。每一個被檢測器件29的出光口都跟一個光電探測器30的受光中心位置相對準，光電探測器30被安裝在保溫箱22的後面板上，並可根據被檢測器件29的長、短波長進行更換。兩個以上的被檢測器件29通過一個通道轉換器實現逐個連續檢測，所說的通道轉換器採用模擬開關並用三極體擴展電流的方式設計而成。各被檢測器件29的電極通過多股扁平電極引線32，跟通道轉換器電流輸出端接通為被檢測器件29提供驅動電流I。圖3中的38為電極引線印刷電路板，39為隔熱墊板，40為溫度傳感器的安裝孔。
本發明的單片機控溫系統9可選用集成溫度傳感器，比如AD590裝於加熱體23上的安裝孔40中，可採用雙積分型模數轉換器，比如MC14433，把溫度值轉化為數字量送入單片機，經單片機輸出控制信號，再經光電耦合器，如4N28，隔離後控制雙向可控矽，用交流電給加熱棒24供電；所說的單片機可以採用MCS-8751單片機晶片，通過Rs232串行通訊口與微機1交換信息。單片機控溫系統9還可以加過零脈衝電路與單片機相接，使加熱棒24電流的通斷均在交流電過零點時完成，避免控溫系統對測試的影響。
通道轉換的具體電路可參見圖4。其中的Q為中功率NPN三極體，要求穿透電流小，電阻R1為防止模擬開關過載而設置，電阻R2為避免模擬開關的漏電流使Q誤導通而設置，Iin和Iout為驅動電流I對開關來說的輸入和輸出電流。模擬開關可採用16選1開關K，由於16選1模擬開關K的導通電阻和功率限制，不允許直接通過大電流，而驅動電流較大，所以採取了三極體擴展電流的方式。當模擬開關K選通X1時，輸入電流Iin經過R1和模擬開關K為NPN三極體Q1提供偏置電流，使Q1導通，從電路中可以看出Iout＝Iin；當模擬開關k不選通X1時，Q1截止，輸出電流Iout＝0。這樣就完成了較大電流的通道轉換。對模擬開關的控制可以通過控制線L由單片機控溫系統9的單片機擔任。
極性變換的電原理圖可參見圖5。圖5中A，B為兩組極性變換插座33，它們的接地引線位置恰好相反，即A組的各相鄰兩條引線中為右側引線接地，而B組的各相鄰兩條引線中為左側引線接地；C為電極引線插頭，跟被檢測器件29通過多股扁平電極引線32電聯接，每相鄰的兩條引線接通一個被檢測器件29。正如圖5所示，當電極引線插頭C插入極性變換插座33A時，每一個被檢測器件29的左端電極接地，而插入極性變換插座33B時則右端電極接地，從而方便地實現了被檢測器件29的極性變換。極性變換插座33跟通道轉換器電流輸出端接通並為被檢測器件29提供驅動電流I。


圖1是半導體雷射器的電導數曲線及部分參數。
圖2是本發明的裝置整機結構框圖。
圖3是本發明的裝置的樣品箱結構半剖圖。
圖4是本發明的裝置的通道轉換電路圖。
圖5是本發明的裝置的極性轉換插座插頭原理圖。
本發明的半導體雷射器可靠性檢測分析方法和裝置具有如下特點①是對半導體雷射器可靠性檢測分析的全新方法，對器件篩選具有無損、快速、簡便的特點，並可對影響器件可靠性的因素進行分析。本發明的裝置具有微機化、智能化、自動化特點，不僅為可靠性檢測分析提供數據，而且能測試現有裝置不能完成的電導數曲線和一些器件參數。②可對兩個以上，即批量的被檢測器件通過多通道轉換電路一次逐一完成測試互作；可以通過極性轉換插座，方便地完成被檢測器件的電極變換。③能進行變溫測試，單片機控溫系統能達到對被檢測器件快速均勻加溫，能避免對測試過程和結果的幹擾，可靠性高；單片機溫度的控制是通過主機鍵盤輸入，由軟體完成，省去了單片機另設鍵盤和顯示屏。④用正向結壓降法測熱阻，比其他方法靈活、方便、速度快、準確率高。⑤在電導數曲線測試中硬體少，成本低，每測量前都可以由微機軟體對鎖相放大器定標一次，彌補模擬測量系統的漂移，可實現實時測試，每次測量時間小於兩分鐘，開機不需預熱。⑥燕尾槽夾具的使用可以方便被檢測器件的更換，有利於批量測量。⑦本發明的整體結構簡單，功能較全，性能可靠，便於操作。即可以測試器件，又可以測試管芯，可用於生產，通過對器件參數的測試，指導生產和對器件進行篩選。
權利要求
1.一種半導體雷射器可靠性檢測分析方法，其特徵在於對同一種結構的半導體雷射器按下述順序進行參數測試和進行可靠性分析①測出被檢測的半導體雷射器的電導數曲線，即IdP/dI～I曲線，其中I為半導體雷射器的驅動電流，dP/dI為結電壓對驅動電流的微分；②從電導數曲線中得到閾值電流Ith，對閾值電流Ith前後兩部分曲線進行直線擬合，得到兩個斜率和截距，閾值前部分的截距為mkT/q，斜率為Rs1，閾值後部分的截距為b，斜率為Rs2，其中，m為結特徵參量，k為波爾茲曼常數，T為測試溫度，q為電子電荷，b為b參數，Rs1、Rs2為閾值前後的串聯電阻；由閾值電流Ith附近曲線的極大值與極小值的差值，測得閾值電流處的結電壓飽合程度，即下沉高度h；③改變測試溫度T，由變溫前後的電導數曲線，測得Δb/ΔT；及ΔIth/ΔT；④將所得的各參數跟這種結構的半導體雷射器的這些參數的正常取值(正常參數值)相比較，對被檢測的半導體雷射器的質量和可靠性做出評價；評價規律是h值不小於正常參數值、b、m、Δb/ΔT、Rs不大於正常參數值為可靠性好的器件；⑤所說的正常參數值是對被檢測的一批器件抽樣，用常規的可靠性檢測和老化方法選出合格樣品經測試得到。
2.按照權利要求1所述的半導體雷射器可靠性檢測分析方法，其特徵在於用於進行可靠性檢測分析的參數還包括有熱阻RT，光功率P與驅動電流關係曲線(P-I曲線)、光功率對驅動電流的微分dP/dI等；所說的熱阻RT是由正向壓降法進行測量的，即對被檢測器件加佔空比較小的測試電流測量該電流下的正向結電壓VL，再疊加一寬脈衝加熱電流IT，熱平衡後測得測試電流下的正向結電壓VH和加熱電流IT下結壓降V，可得加熱電功率PT，另一溫度下再測測試電流下的正向結電壓V』L，可得器件的正向壓降的溫度係數K＝(VL-V』L)/ΔT，ΔT為兩次測量正向結電壓時的溫度差，最後得熱阻RT＝(VL-VH)/k·PT；所說的光功率曲線及光功率對驅動電流的微分是採用大面積鍺探測器作光功率檢測，由模數轉換器光強大小將以數字形式送入微機測得。
3.按照權利要求1和2所述的半導體雷射器可靠性檢測分析方法，其特徵在於，所說的電導數曲線測試是由微機軟體控制數模轉換器輸出一個與要加在被檢測器件上的驅動電流I相對應的電壓，經電壓-電流變換得到隨時間變化的驅動電流I加在被檢測器件上，同時用一個正弦信號對驅動電流調製，經鎖相放大器檢出其基頻分量得到dV/dI，經模數轉換器送入微機，軟體完成與I的乘積，屏幕繪IdV/dI～I曲線和計算出各參數。
4.按照權利要求1或2所述的半導體雷射器可靠性檢測分析方法，其特徵在於，對PBC結構InGa/AsP/InP雷射器，Rs＜10Ω，m＜3.5，b＜10mV，Δb/ΔT＜O.4mV/k，h＞50mV，RT＜50Ω為可靠器件。
5.一種半導體雷射器可靠性檢測分析儀，由微機(1)、主機(2)、樣品箱(3)組成，其中主機(2)包括有數據採集板(4)，電壓-電流變換電路(7)以及單片機控溫系統(9)；樣器箱(3)內裝有樣品架、電流-電壓變換電路(10)，光電探測器(30)、保溫箱(22)以及溫度傳感器、加熱體(23)；所說的數據採集板(4)含有數模轉換器(5)和模數轉換器(6)，插在微機(1)擴展槽上，數模轉換器(5)跟電壓-電流變換電路(7)電連接，由微機(1)軟體控制，使數模轉換器(5)輸出的電壓信號經電壓-電流變換電路(7)變為隨時間線性變化的驅動電流加在被檢測器件(29)上，所說的光電探測器(30)將被檢測器件(29)輸出的光電流，經電流-電壓變換電路(10)化為電壓信號輸給模數轉換器(6)，完成對P-I曲線及dP/dI～I曲線的測試；被檢測器件(29)給出的結電壓信號輸給模數轉換器(6)，完成對熱阻RT和伏安特性曲線的測量；本發明特徵在於，在主機(2)內還裝有鎖相放大器(8)和信號源(11)，鎖相放大器(8)的輸入端跟信號源(11)及被檢測器件(29)電連接，輸出端跟模數轉換器(6)電連接，信號源(11)輸出的正弦信號以恆流方式調製由電壓-電流變換電路(7)輸給被檢測器件(29)的驅動電流；經鎖相放大器(8)檢出基頻分量dV/dI，經模數換器(6)送入微機(1)，由軟體完成dV/dI與I的乘積，得到電導數曲線。
6.按照權利要求5所述的半導體雷射器可靠性檢測分析儀，其特徵在於所說的樣品箱(3)內裝有絕熱材料的保溫箱(22)、加熱體(23)、樣品架置於保溫箱(22)內，加熱體(23)中間放置加熱棒(24)，構成內熱式結構；所說的樣品架包括有樣品支座(26)、燕尾槽夾具(27)和熱沉夾具(28)，樣品支座(26)固定在加熱體(23)上面，在一個樣品支座(26)上並列裝有兩個以上的燕尾槽夾具(27)，每個燕尾槽夾具(27)用埋頭螺釘(37)電絕緣地跟樣品支座(26)固定；熱沉夾具(28)上放置被檢測器件(29)，熱沉夾具(28)用螺釘跟燕尾槽夾具(27)的上半部分聯接；所說的光電探測器(30)兩個以上，安裝在保溫箱(22)的後面板上，受光中心位置跟被檢測器件(29)的出光口相對準；各被檢測器件(29)通過一個通道轉換器實現逐個連續檢測，所說的通道轉換器採用模擬開關並用三極體擴展電流。
7.按照權利要求5或6所述的半導體雷射器可靠性檢測分析儀，其特徵在於所說的單片機控溫系統(9)是用集成溫度傳感器裝於加熱體(23)上的安裝孔(40)中；用雙積分型模數轉換器把溫度值轉為數字量送入單片機，經單片機輸出控制信號；再由光電耦合器隔離後控制雙向可控矽，用交流電給加熱棒(24)供電；單片機通過Rs232串行通訊口跟微機(1)交換信息。
8.按照權利要求5或6所述的半導體雷射器可靠性檢測分析儀，其特徵在於各個被檢測器件(29)的電極通過多股扁平電極引線(32)跟極性變換插頭(C)電聯接，每相鄰的兩條引線接一個被檢測器件(29)；極性變換插座(33)有兩組(A，B)，它們的接地引線位置恰好相反，即A組的各相鄰的兩條引線中右側引線接地，則B組的各相鄰的兩條引線中左側引線接地；極性變換插座(33)跟通道轉換器電流輸出端接通為被檢測器件(29)提供驅動電流I。
9.按照權利要求7所述的半導體雷射器可靠性檢測分析儀，其特徵在於單片機控溫系統(9)中的單片機是MCS.8751單片機晶片，並通過控制線(L)對通道轉換器的模擬開關(K)進行控制。
全文摘要
本發明涉及一種半導體雷射器參數測試和可靠性分析的方法及裝置。該裝置主要由微機(1)、樣品箱(3)、數據採集板(4)、電流電壓轉換電路(7)、光電探測器(30)、電壓電流轉換電路(10)及信號源(11)和鎖相放大器(8)等構成。通過對器件(29)電導數曲線、熱阻、功率及變溫曲線等的測試，用測得的參數對器件進行可靠性分析。本發明具有微機化、自動化、加溫均勻、一次逐個檢測多個器件等特點，實現對器件可靠性無損、快速、簡便的檢測和分析。
文檔編號G01R27/00GK1117136SQ9510799
公開日1996年2月21日 申請日期1995年8月11日 優先權日1995年8月11日
發明者石家緯, 金恩順, 李正庭, 李紅巖, 郭樹旭, 高鼎三 申請人:吉林大學