半導(dǎo)體激光器的認(rèn)識(shí)與檢測(cè)

宋瑞

【摘 要】對(duì)于目前半導(dǎo)體激光器可靠性的檢測(cè)方法，在軍事上，激光雷達(dá)、激光測(cè)速測(cè)距、激光制導(dǎo)、紅外對(duì)抗、激光武器等等都是，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用。其中激光武器就是利用能量集中的激光束直接殺傷目標(biāo)，它的速度快、命中率高，而且作用距離遠(yuǎn)，抗電磁干擾能力也強(qiáng)，另外體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、全天候等也是激光武器不可多得的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體激光器； 激光制導(dǎo)； 激光雷達(dá)

引言

隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域日益發(fā)揮著不可替代的作用，而它的可靠性則是完成各項(xiàng)工作的前提條件，再加上人們對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，因此半導(dǎo)體激光器的可靠性一直是研究的熱點(diǎn)之一。大氣監(jiān)視、空間光通訊也有半導(dǎo)體激光器的身影，這些都在新世紀(jì)高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演著不可替代的角色[1]?？傊?，半導(dǎo)體激光器特別是大功率半導(dǎo)體激光器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中的應(yīng)用日益廣泛，而且在信息光電子領(lǐng)域起著舉足輕重的作用。因此，器件本身的可靠性在提升應(yīng)用系統(tǒng)的性能上就顯得至關(guān)重要，人們?yōu)榱颂岣甙雽?dǎo)體激光器的性能也在不懈地努力著。

一、半導(dǎo)體激光的類別

半導(dǎo)體激光器的電噪聲可以表示為激光器兩端電壓的起伏，一般屬于平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。半導(dǎo)體激光器中的電噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、g-r 噪聲和 1/f 噪聲，[2]熱噪聲：熱噪聲是由約翰遜于 1928 年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的一種載流子雜亂無(wú)章的現(xiàn)象，后研究表明，它的功率譜密度與頻率無(wú)關(guān)，且主要受溫度影響，屬于白噪聲的范疇。一般情況下，實(shí)驗(yàn)室中常用的電阻性器件中都含有熱噪聲，只是不同器件的熱噪聲源不同。半導(dǎo)體激光器中的熱噪聲來(lái)源于半導(dǎo)體材料中載流子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，這種無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)引起電流的起伏，表現(xiàn)在電阻性元件的兩端就是電壓的起伏，比如體電阻、接觸電阻和 PN 結(jié)的動(dòng)態(tài)電阻兩端，一般很難消除。散粒噪聲：散粒噪聲是 1918 年肖特基于子彈射入靶子時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種噪聲，這種噪聲存在于大多數(shù)的半導(dǎo)體器件中，是由用于形成電流的載流子的分散性造成的，因此又被稱作

顆粒噪聲或散彈噪聲。它的特點(diǎn)是在低中頻段，其功率譜密度與頻率無(wú)關(guān)，表現(xiàn)出白噪聲特性，而在較高頻段，其頻譜與頻率有關(guān)，因此，在中低頻范圍內(nèi)，散粒噪聲可以視為白噪聲。半導(dǎo)體激光器中，散粒噪聲主要來(lái)源于器件有源區(qū)載流子隨機(jī)跨越 PN 結(jié)勢(shì)壘區(qū)[3]而引起的電流起伏。這種噪聲是由器件材料的本質(zhì)特征決定的，無(wú)法徹底消除。g-r 噪聲半導(dǎo)體材料的表面或內(nèi)部通常存在著雜質(zhì)（如重金屬雜質(zhì)）和缺陷（如晶格位錯(cuò)），形成雜質(zhì)中心和陷阱中心，這些雜質(zhì)中心和陷阱中心會(huì)隨機(jī)捕獲發(fā)射載流子，從而引起載流子數(shù)目的漲落，由此產(chǎn)生的噪聲就是產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，簡(jiǎn)稱 g-r 噪聲。對(duì)于不同種類的半導(dǎo)體，g-r 噪聲的表現(xiàn)也會(huì)有所不同。

二、半導(dǎo)體激光的檢測(cè)

通過(guò)采用直接測(cè)試法設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)半導(dǎo)體激光器低頻噪聲測(cè)試系統(tǒng)，檢測(cè)半導(dǎo)體激光器在不同偏置電流下的1/f噪聲。實(shí)驗(yàn)獲取了半導(dǎo)體激光器在不同偏置電流下兩端的電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理和分析得到1/f噪聲相關(guān)性與偏置電流的關(guān)系。由于半導(dǎo)體激光器在激發(fā)狀態(tài)下就得考慮增益系數(shù)漲落和光子數(shù)漲落對(duì)1/f噪聲的影響了，然后又考慮到半導(dǎo)體材料易受溫度影響，而半導(dǎo)體激光器在工作時(shí)，如果電流偏大，會(huì)引起器件溫度的上升，所以本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了閾值電流以下的低偏置電流下的1/f噪聲。選用的是大功率量子阱半導(dǎo)體激光器，功率為 2W，它的閾值電流在 300 mA 左右。實(shí)驗(yàn)采用的是直接測(cè)試法測(cè)量半導(dǎo)體激光器兩端的電壓[4]。由于半導(dǎo)體激光器在激發(fā)狀態(tài)下就得考慮光子數(shù)漲落對(duì) 1/f 噪聲的影響了，而且大功率InGaAsP/GaAs量子阱半導(dǎo)體激光器在工作電流偏大時(shí)會(huì)升溫，從而對(duì)半導(dǎo)體材料中 PN 結(jié)的工作狀態(tài)造成影響，因此本實(shí)驗(yàn)中半導(dǎo)體激光器的輸入電流是在閾值電流以下的低偏置電流，測(cè)量范圍在 10 ～100mA，半導(dǎo)體激光器在不同偏置電流范圍的噪聲來(lái)源不同：在 10～ 400 μA范圍內(nèi)，1/f 噪聲主要來(lái)源于漏電電阻區(qū)；在 400～1000μA范圍內(nèi)，1/f 噪聲主要來(lái)源于漏電電阻區(qū)和有源區(qū)的共同作用；在 1000～10000μA范圍內(nèi)，1/f 噪聲主要來(lái)源于有源區(qū)。

三、結(jié)語(yǔ)

在研究背景及意義方面，瀏覽了大量的有關(guān)資料，了解了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷程、自身所特有的優(yōu)點(diǎn)以及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，明白了研究半導(dǎo)體激光器可靠性的重要性。在理論知識(shí)方面，閱讀了大量的有關(guān)文獻(xiàn)，了解了半導(dǎo)體激光器中可能存在的噪聲，學(xué)習(xí)了 1/f 噪聲理論和小波變換理論，然后推導(dǎo)了 1/f 噪聲的小波變換系數(shù)的相關(guān)性公式以及相關(guān)性和偏置電流的關(guān)系，最后從半導(dǎo)體激光器的等效電路出發(fā)推導(dǎo)了判斷 1/f 噪聲來(lái)源的理論依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面，了解了半導(dǎo)體激光器可靠性的檢測(cè)方法，選用了電噪聲測(cè)試法，然后量身設(shè)計(jì)并搭建了半導(dǎo)體激光器噪聲直接測(cè)試系統(tǒng)，研讀儀器的使用方法，然后設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 杜磊，莊奕琪，薛麗君. VLSI金屬互連線 1/f 噪聲指數(shù)與電遷移失效[J].電子學(xué)報(bào)， 2003， 31（2）： 183-185.

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