基于安捷倫B2900A在半導(dǎo)體激光器測試

半導(dǎo)體激光器是光纖通訊，激光顯示，氣體探測等領(lǐng)域中的核心部件，受到全世界科技人員的廣泛關(guān)注。在半導(dǎo)體激光器的生產(chǎn)、研發(fā)過程中，對激光器的光電特性的測量尤為重要，是控制激光器制備工藝的穩(wěn)定性，激光器性能可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件。如圖1所示，半導(dǎo)體激光器由多層材料構(gòu)成。自下而上包括背電極，襯底，下光限制層，下波導(dǎo)層，有源層，上波導(dǎo)層，上限制層，上電極。不同層由不同的外延材料組成。如此層狀結(jié)構(gòu)是為了達(dá)到1）載流子（電子，空穴）的注入復(fù)合發(fā)光，2）光子橫向限制，形成光波導(dǎo)的目的。外延完成的層狀結(jié)構(gòu)要經(jīng)過刻蝕工藝，形成脊波導(dǎo)，在脊波導(dǎo)上制備接觸電極。如此脊波導(dǎo)的目的是1）限制電流側(cè)向擴(kuò)散，2）形成光子的側(cè)向波導(dǎo)。制備完的圓片經(jīng)過解理，鍍膜，燒焊，壓焊引線等工藝得到待測量的激光器，如同2所示。當(dāng)向激光器電極注入電流時，激光器PN結(jié)兩側(cè)的電子和空穴大量的涌入有源區(qū)，在有源區(qū)電子空穴對復(fù)合，產(chǎn)生大量的光子，光子在波導(dǎo)的作用下沿軸方向傳播，在激光器端面，反射光形成激射條件，透射光則為激光器輸出的激光。激光器工作特性主要體現(xiàn)在1）PN結(jié)特性，串聯(lián)電阻，2）激光器的激射閾值，激光器斜率效率。這些特性決定了激光器的出光功率 ，功率轉(zhuǎn)換效率 ，工作壽命等性質(zhì)。生產(chǎn)和科研過程中經(jīng)常采用PIV測量方法獲得這些重要參數(shù)。

圖表1 激光器結(jié)構(gòu)圖

圖表2 激光器顯微鏡照片

半導(dǎo)體激光器PIV特性即對激光器注入電流I時，激光器的出光功率P和激光器兩極電壓V的響應(yīng)特性。與普通的PN結(jié)二極管等兩端器件不同，半導(dǎo)體激光器PIV測試不僅要測量激光器的電壓-電流（V-I）特性，重要的是同時完成激光器的功率-電流（P-I）特性的測試。因此，半導(dǎo)體激光器PIV測試系統(tǒng)包括精密電流源，電壓表，功率計和負(fù)責(zé)控制、儀器間通訊、數(shù)據(jù)采集和處理的軟件部分。傳統(tǒng)的PIV測試系統(tǒng)由分立的電流源（集成有電壓表），電流計和控制軟件組成。電流源用于提供激光器注入電流和測量電壓，電流計連接積分球用于測量激光器功率，電流源和電流計通過GPIB端口與軟件聯(lián)接，完成測量觸發(fā)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。

復(fù)雜的PIV測試系統(tǒng)存在很多問題，包括1）測量速度不高，單位時間內(nèi)測量的點數(shù)少，增加了測量耗時；2）系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，由GPIB端口連接的儀器間會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸阻塞的問題，系統(tǒng)容易癱瘓；3）系統(tǒng)的可控性差，測量速度、掃描點數(shù)，掃描方式不可根據(jù)測量要求進(jìn)行調(diào)整。在大量的半導(dǎo)體激光器光電測試過程中，傳統(tǒng)的PIV測試系統(tǒng)出現(xiàn)了效率低、可靠性、可控性差的問題。

B2900A 集成PIV測試系統(tǒng)

B2900A集成PIV測試系統(tǒng)（簡稱 集成PIV系統(tǒng)）由本實驗組自行設(shè)計搭建，采用精密源測量單元 SMU和積分球探測器組合系統(tǒng)進(jìn)行PIV測試。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、精度高、可靠性好、速度快，提高生產(chǎn)效率的同時也增加了測試精度和可靠性，降低了大量測試的成本。集成PIV系統(tǒng)由系統(tǒng)主要由B2900A雙通道精密源測量單元SMU、積分球、夾具及軟件組成。B2900A 的一個通道 CH1 作為激光器的電流源同時測量激光器的電壓V。LD的激射出光耦合入積分球，由積分球探測器轉(zhuǎn)化成光電流進(jìn)入 B2900A 的另一個通道CH2，用B2900A CH2測得的光電流乘以積分球探測器功率電流轉(zhuǎn)換系數(shù)就得到了激光器的出光功率。B2900A由USB端口與PIV測量軟件連接，完成測量控制和數(shù)據(jù)采集。圖3為實驗連接圖。測量時，通過PIV測試軟件設(shè)置測試的參數(shù)，CH1和CH2內(nèi)部同時觸發(fā)進(jìn)行PIV測量，數(shù)據(jù)通過USB端口實時的返回軟件。通過軟件界面可以實時的觀測激光器的動態(tài)特性。同時，可以根據(jù)軟件測量數(shù)據(jù)快速的分析出每個激光器的特性參數(shù)，包括正向壓降 、光功率 、閾值電流 、拐點 等參數(shù)。

圖表3 a）PIV系統(tǒng)實驗連接圖

b）芯片連接圖

集成PIV系統(tǒng)在進(jìn)行大量激光器PIV測試過程中突現(xiàn)出易操作、高精度、高效率、高可靠等優(yōu)越性能。激光器的所有測試參數(shù)都可以在軟件界面上輕松設(shè)置，包括電流源電壓源切換，直流脈沖切換，電流范圍，限制電壓，掃描方式，掃描點數(shù)，掃描時間及速度等。這使得不同測設(shè)條件間參數(shù)調(diào)整方便快捷。其次，B2900A精密源測量單元的電流測量精度可以達(dá)到0.1nA。在高阻半絕緣結(jié)構(gòu)（107~8Ω）測量時，在較小的驅(qū)動電壓（1V）下就可以精確的測量出高阻結(jié)構(gòu)的電阻值。同時，激光器的功率與電壓電流同步測量，無需外部協(xié)同觸發(fā)。掃描測量時，8 秒內(nèi)可以完成大于 400 點的測量。

圖表 4 PIV系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置圖

圖表 5 PIV系統(tǒng)繪圖窗口

集成PIV系統(tǒng)的可擴(kuò)充性也是其在半導(dǎo)體激光器研發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用中的突出的優(yōu)點。集成PIV系統(tǒng)的硬件部分，包括B2900A精密測量單元，測量平臺，由GPIB或USB等端口與計算機(jī)連接。因此，集成PIV系統(tǒng)硬件部分可以配合用戶通過 National Instrument 等軟件平臺編寫的測試軟件程序，完成用戶需要的，更為復(fù)雜的測量任務(wù)。

在半導(dǎo)體激光器的生產(chǎn)和研發(fā)過程中，要對半導(dǎo)體激光器芯片進(jìn)行大量的PIV測試。相比傳統(tǒng)的分立復(fù)雜的PIV測試系統(tǒng)，B2900A精密測量單元集成的PIV測試系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，精度高，可靠性強(qiáng)，測量迅速等優(yōu)勢，大大降低了激光器芯片PIV性能測量的操作成本，時間成本，同時增加了PIV測量的靈活性。B2900A精密測量單元將會在半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)和科研等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。