【摘 要】本文用MATLAB软件对高功率半导体激光器单管进行了模拟，通过对等效电路中关键的几个输入参数进行不同数值的模拟，给出了不同模拟器件的电导数模拟结果，研究了电导数测试参数与器件质量的关系，为导数技术评价高功率半导体激光器的质量给出了有意义的指导。
【关键词】
0 引言
半导体激光器出现于上个世纪五十年代[1-2]<、sup>，随着材料与器件的各种新技术的不断发展，它的波长覆盖范围已达到从红外到紫外、输出功率也从低温毫瓦量级的脉冲输出到阵列的千瓦量级的室温连续输出，它的应用已经遍及了包括航天、制造业及科研等许多领域，并成为许多应用系统的关键器件，因而它的可靠性和寿命往往决定了整个应用系统的可靠性。而随着其输出功率的不断提高，激光器的可靠性会下降，寿命会减短[3]<、sup>。对半导体激光器的质量、可靠性进行准确评估和筛选不仅可以确保整个应用系统的可靠性，同时也可以帮助改进其生产工艺、提高产品的制造水平。
20世纪90年代，本课题组提出一种新方法即电导数测试技术来筛选半导体激光器的质量和可靠性的，这种方法主要是通过测试半导体激光器的I-V、P-V，再进行相应的数据处理以得到在激射阈值处的节电压饱和情况及一些相关参数、通过相关参数的值对激光器包括结特性、漏电通道、载流子限制、欧姆接触情况等与器件质量密切相关的因素进行分析，从而实行对器件质量和可靠性进行评估和筛选[4-6]。通过电导数技术筛选和评估半导体激光器件具有便捷、无损、快速的特点。在我们从前对大量中小功率器件进行的电导数测试中，我们发现某些或全部电导数参数差的器件一定可靠性差，因此电导数方法的有效性也得以证明[4-6]<、sup>。然而随着导数技术在新型的高功率半导体激光器中的应用，我们发现尚有部分可靠性差的半导体激光器不能被导数技术所筛选，因此有必要借助数学工具进行器件电导数模拟以分析不同缺陷情况对电导数参数的影响，以达到指导和完善该方法的目的，也为该方法在高功率阵列半导体激光器上的应用打下坚实的基础。
1 原理和模拟
高功率双异质结半导体激光器的等效电路图如图1，从工作原理上说要同时满足三个限制，即载流子限制，电流限制和光限制[7，8]。
图1 一般单管的等效电路图
图1中理想二极管D1、稳压二极管DZ并联后与线性电阻R1串联构成激光器主支路，其中稳压二极管DZ用以表征当注入电流大于管芯阈值电流时发生的结电压饱和现象[91]，结电压饱和阈值用Vjth表示。理想二极管D2与电阻R2串联构成激光器并联非线性泄漏支路，电阻R3代表并联线性泄漏支路。理想二极管D1、D2的结特征参量分别为m1和m2，结反向饱和电流分别为Is1、Is2。
2 计算条件和结果
我们希望通过模拟计算研究高功率半导体激光器电导数参数与其器件质量和可靠性之间的关系，对模型中各器件的取值以经验值为主，首先取Is1=Is2=10-9A，Vjth=1V，R1=1Ω，R2=10Ω，R3=100Ω，m1=m2=2进行模拟，典型单管激光器的曲线如图2。因此考虑实际情况下那些对器件质量和可靠性有不良影响的因素发生时、模型中对应的某输入值发生相应改变时，其电导数参数的变化情况。
图2 模拟的典型单管激光器曲线
通常激光器反向饱和电流与温度和有源区载流子浓度有关，当温度升高时，反向饱和电流以指数函数增加，因此高功率半导体激光器可能由于欧姆接触或外延质量的缺陷造成局部的工作温度差异，因而出现反向饱和电流的差异。表1是Is1不同的单管No.a1～a10的电导数参数计算结果，Is1变量的取值在表中，而其它参数取如上典型，其各电导数参数值随Is1变化的情况如图3。
表1 不同Is1的单管No.a1～a10的电导数参数计算结果
图3 各电导数参数值随Is1的变化情况
从图中可以看出，当Is1由5×10-10A线性变大到1.4×10-9A时，m、h、F值趋于减小，而Rs1、Ith和b值则趋向于增大，其中m、h、F、Ith值明显增大，而Rs1和b值变化较小。
外延质量、杂质复合中心浓度和结的完整性不好会所造成m1参数的变化，表2是改变输入参数m1的器件No.b1～b10的电导数参数计算结果，m1变量的取值在表中，各电导数参数值随m1变化的情况如图4。
表2 不同m1的单管No.b1～b10的电导数参数计算结果
图4 各电导数参数值随m1的变化情况
从图中可以看出，随着m1的增大激光器的m值明显增大，h、F值也明显变大，b值在约2～3mV的范围略变小，Ith减小明显，Rs1从接近0.9欧姆减小到0.81欧姆，Rs2基本不变。
激光器的欧姆接触情况及包括限制层和源区的体电阻直接与R1的值大小相关，表3是不同R1的单管No.c1～c10的电导数参数计算结果，R1变量的取值在表中，而其它参数取值为Is1=Is2=10-9A，Vjth=1V，R2=10Ω，R3=100Ω，m1=m2=2，其各电导数参数值随m1变化的情况如图5。
表3 不同R1的单管No.c1～c10的电导数参数计算结果
从图5中可以看出，随着R1的增大h值减小，但从数值上看减小的值不很大，和上面两个参数改变时不同，这里的Ith、Rs1、Rs2、b、F都随的增大而几乎线性增加，但增加的b、Ith、F、的绝对数值都不大，只有Rs1、Rs2变化很明显同时从由0.72增加到1.12，最特别的当属m，我们发现R1=R2时、m有最大值2.213，而m的值总的来说变化很小。
图5 各电导数参数值随R1的变化情况
半导体激光器的材料体系的能带结构是结电压饱和点的主要决定因素，它会影响阈值电流密度，表4是不同Vjth的单管No.d1～d10的电导数参数计算结果，其各电导数参数值随m1变化的情况如图6。
表4 不同Vjth的单管No.d1～d10的电导数参数计算结果
图6 各电导数参数值随Vjth的变化情况
从图中可以看出随着结的阈值电压Vjth的升高Ith变大，Rs1、b略变大，m值变小，Rs2几乎不变，F值不变。Vjth对器件的电导数参数所造成的影响与Is1、m1、R1这几个参数相比是最小的。
3 结论
从上面的模拟结果来看，电导数测试的各参数值大小对外延质量及结的载流子限制情况及欧姆接触情况的反映较为明显，若m、h的值较小、而Ith、Rs1、Rs2、b、F值较大说明外延质量及结的特性不好，同时欧姆接触情况也不好，若Rs1、Rs2较大、而h较小、b、Ith、F的值没有明显变化说明器件的欧姆接触质量不好而结特性正常，若Rs1、Rs2较正常，而h较小、F、 b、Ith值较大说明器件的欧姆接触质量正常而结特性不好。这和我们以前的导数测试与老化结果是基本吻合的，可以通过电导数技术得出的相关参数对器件可靠性进行筛选评价。
【参考文献】
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[责任编辑：汤静]
