高功率半导体激光器的寿命评价研究进展

高功率半导体激光器因其在国防、工业等多个领域的广泛应用，其可靠性和寿命问题受到了极大的关注。可靠性和寿命成为用户最关心的指标，而器件寿命的评估一直以来都是一个技术难点。尽管国内已经研制出了多种高功率激光器产品，但目前仍缺乏系统性的寿命研究，缺少器件运行参数变化和寿命预测的统计数据。 高功率半导体激光器的主要失效机理包括介电缺陷（DSD）的扩散和位错生长，以及腔面退化的三种情况：腔面灾变光学损伤（COD）、化学腐蚀和位错生长。在高功率密度作用下，近场退化、电极和欧姆接触退化、端面不均匀、局部过热、氧化和腐蚀等因素，都会导致器件性能衰减。暗线缺陷（DLD）和暗点缺陷（DSD）会增加表面态复合，导致非辐射复合速度增加，电流阈值上升，从而影响激光器的寿命。 国内外高功率半导体激光器的研制机构已针对高可靠性和寿命开展了大量研究，其中美国国家宇航局（NASA）在高功率激光器寿命方面开展了专门研究。在空间用的高峰值功率激光雷达需求下，美国国家宇航局对其高功率激光器进行了寿命研究，Goddard航天中心（GSFC）和SDL公司分别对其准连续波（QCW）器件开展了寿命实验。同时，为了确保空间用设备的高可靠性，美国国家宇航局还实施了激光器风险减少计划（LRRP），研究对象为100W/bar的组件，由美国国家宇航局兰利研究中心（LaRC）和GSFC共同承担。LaRC负责设计寿命老化实验装置，测量不同运行特性及寿命，整个装置由计算机控制，能够测量电学和光学参数，记录器件的电、光特性以及热沉温度等参数。 在这些实验中，通常测量的参数包括注入电流密度、电极和欧姆接触的退化以及腔面化学键断裂等。实验结果表明，注入电流密度的增加会导致局部过热和电极金属与半导体材料间的相互扩散，进而增加表面态复合速度。温度的上升与金属间的合金反应会导致吸收系数加大，形成恶性循环，最终造成器件完全失效。腔面化学键的断裂以及电子空穴对的产生，都会增强腔面处的氧化和缺陷密度，非辐射复合增强，引起位错生长和缺陷扩散，导致器件性能进一步下降。 本文介绍了国内外高功率半导体激光器寿命评价的最新实验和测量方法，以及典型的寿命数据。同时，分析了高功率半导体激光器的寿命评价过程中需要关注的因素，并对这些因素进行了初步探讨。通过这些研究，可以更好地理解高功率半导体激光器的失效机制和寿命预测，为未来高功率激光器的研究和应用提供参考。