半导体激光器辐照损伤效应试验方法

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半导体激光器辐照损伤效应试验方法

王祖军

（强脉冲辐射环境模拟与效应全国重点实验室，西北核技术研究所，西安710024）

摘要：

半导体激光器（LD）作为光源器件被广泛应用于光通信、测量、成像、显示、照明、工业加工、医疗诊断等领域，随着LD在空间光通信、大型强子对撞机、核工业等辐射环境中的大量应用，工作在空间辐射或核辐射环境中的LD会受到辐射损伤的问题日益突出，以LD为核心器件的光通信系统在辐射环境中的可靠性问题备受关注。鉴于国内外关于LD辐照损伤效应试验方法相关的研究报道较少，主要针对LD在辐射环境中应用时遭受的辐照损伤效应，参考与电子元器件辐射效应相关的国内外标准、规范、指南，结合LD辐照损伤效应试验、辐射粒子输运模拟计算、辐照效应仿真模拟、辐照损伤机理分析，从辐照试验源选取、试验流程、辐照偏置条件等方面开展LD辐照损伤效应试验方法研究，分别建立LD位移效应、电离总剂量效应、瞬时剂量率效应辐照试验流程，从而形成辐照损伤效应试验方法，为开展LD辐照损伤评估和抗辐射加固性能考核提供试验技术支撑。

半导体激光器（semiconductorlaserdevice，LD）是以半导体材料为工作物质的激光器件，是利用半导体材料中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡器和光放大器的总称[1-3]。LD具有体积小、重量轻、功耗低、寿命长、结构简单、可直接调制、响应速度快等优良性能，已作为光源器件被广泛应用于光通信、测量、成像、显示、照明、工业加工、医疗诊断等领域[1-5]。例如，相对于传统的微波通信方式，空间光通信具有通信容量大，保密性好，抗电磁干扰能力强，设备体积小、质量轻和功耗低等优点，2008年德国的合成孔径雷达卫星（TerraSAR-X）与美国近场红外试验卫星（NFIRE）进行了首次在轨双向光通信[6]。目前，LD已成为空间光通信系统中的核心器件。随着LD在空间光通信、大型强子对撞机、核工业等辐射环境中的广泛应用，工作在空间辐射或核辐射环境中的LD会受到辐照损伤的影响而导致性能退化，严重时甚至出现功能失效[1]，以LD为核心器件的光通信系统在辐射环境中的可靠性问题受到广泛关注。

国外开展LD的辐照损伤效应较早，美国海军实验室、圣地亚实验室、喷气推进实验室等多个研究团队从1963年就开始了LD辐照效应研究，通过开展LD的中子、质子、电子、伽马射线等辐照实验[7-13]，较系统地研究了不同粒子或射线辐照LD诱发性能退化的实验规律、物理机制和损伤模型[1]。与国外相比，国内相关研究开展的较晚，2000年，林理彬等人开展了粒子束辐照在AlGaAs/GaAs量子阱材料中引入的深能级缺陷研究[14]。2009年，黄绍艳、刘敏波、王祖军等人开展了InGaAsP/InP多量子阱LD的辐照效应实验研究[15-16]。2010年，常国龙等人开展了量子阱LD辐照效应及影响研究[3]。2013年，杨瑞等人开展了InAs/GaAs量子点空间电离辐射损伤效应研究[17]。

2018年以来，王祖军等人较系统地开展了FP和DFB多量子阱LD的低剂量率下的总剂量效应、高能质子、散裂源中子、反应堆中子位移效应辐照实验，得到了不同辐射粒子或射线辐照LD诱发辐射敏感参数退化的实验规律[1-2]。

2019年，王俊等人开展了空间光通信用InAs/GaAs单层量子点LD辐射损伤效应研究[18]。虽然国内外报道了大量的LD辐照损伤效应试验研究，但是关于LD辐照损伤效应试验方法方面的研究报道较少。美军标、国军标及美国航空航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）制定的与电子元器件辐照效应试验方法相关的标准、规范、指南等[19-25]主要针对通用类电子元器件，仅能对LD辐照损伤效应试验方法提供一般性参考。鉴于国内外关于LD辐照损伤效应试验方法相关的标准和规范研究报道较少，本文主要针对LD在辐射环境中应用时遭受的辐照损伤效应，参考与电子元器件辐射效应相关的国内外标准、规范、指南，结合LD辐照损伤效应试验、辐射粒子输运模拟计算、辐照效应仿真模拟、辐照损伤机理分析，开展LD辐照损伤效应试验方法研究，分别建立LD位移效应、电离总剂量效应、瞬时剂量率效应辐照试验流程，从而形成辐照损伤效应试验方法，为开展

LD辐照损伤评估和抗辐射加固性能考核提供试验技术支撑。

1LD位移效应试验方法

位移效应是指辐射粒子与器件材料原子或晶格发生碰撞，使其离开原来位置，从而导致辐射损伤的现象。

LD对位移效应诱发的辐照损伤较敏感，LD的位移效应辐照试验考核评估可采用中子或质子辐照试验进行。因此，本文主要介绍LD的中子、质子位移效应辐照试验方法。

1.1LD位移效应辐照试验源选取

开展LD位移效应辐照试验时，参考国内外辐照试验方法相关的标准和规范[20,26-27]，通常选用中子源或质子源开展LD的位移效应辐照试验，可选用的辐射源包括反应堆中子源、散裂中子源[28]、加速器中子源、加速器质子源等。

NASA在“新千年计划：空间环境与电子元器件指南”中给出了不同轨道的空间辐射环境中辐射诱发位移损伤对应的1MeV等效中子注量[24]，例如，低地球轨道为5×109n/cm2、地球同步轨道为2×1010n/cm2、中地球轨道和木星轨道为2×1011n/cm2[24]。因此，国内外常用中子辐照电子元器件来研究其位移损伤效应。

开展LD中子位移效应辐照试验时，中子辐射场应满足以下条件：a）在垂直于中子束流方向，放置辐照样品的范围内，中子注量不均匀性不大于20%；b）应选用高“中子/γ比”的中子源，此时中子辐照LD时引入γ电离总剂量非常小，因而LD电离总剂量损伤影响可忽略，LD受到的辐照损伤主要是中子位移损伤。由于LD对γ电离总剂量敏感性相对不强，需要很高的γ电离总剂量才能出现损伤效应[29-30]。图1给出了反应堆中子辐照后，LD的输出光功率（P）-正向电流（I）曲线随反应堆中子辐照注量增大的变化关系曲线。

开展电子元器件空间辐射损伤效应评估时，由于实际空间辐射环境中的位移损伤主要由空间质子引起，所以国内外也直接采用质子源模拟空间位移辐射损伤效应。开展LD质子位移效应辐照试验时，可选用质子源（如回旋加速器质子源、串列加速器质子源）。用质子源来模拟空间位移辐照效应时，由于质子辐照LD诱发产生的位移损伤和电离损伤均显著（特别是低能质子），需要考虑质子源带来的电离损伤影响。

开展中子或质子辐照试验的注量率宜在107～1011particle/(cm2·s)范围内选取，这主要是因为辐照注量确定后，若选择的注量率太低，则需要长时间累积才能达到规定的辐照注量，而加速器质子源或反应堆中子源的工作时间受多种因素限制；若选择的注量率太高，则只需要很短时间的累积就能达到规定的辐照注量，而中子源或质子源开机后在较短时间内束流的稳定性相对较差。与CCD、CMOS图像传感器的位移损伤阈值相比[26-27]，LD的位移损伤阈值相对较高，而实际应用过程中，针对不同辐射环境下应用时的辐照考核试验要求不同，如空间辐射环境通常辐照注量在109～1012particle/cm2量级范围，而核辐射环境通常辐照注量在1013～1014particle/cm2量级范围[31-32]；针对不同材料和结构的LD对位移辐照损伤敏感性还会存在一定的差异。因此，综合考虑多方面因素的影响，开展中子或质子位移效应辐照试验的注量率在107～1011particle/(cm2·s)范围内选取时，能同时兼顾到辐射源条件和累积到试验大纲确定注量的辐照时间。

1.2LD位移效应辐照试验流程

开展LD位移效应辐照试验前，需先测试LD位移效应辐照损伤敏感参数，如阈值电流、输出光功率、斜率效率、外微分量子效率等。根据试验大纲建立被试品（deviceundertest,DUT）参数测量系统，图2给出了LD位移效应辐照试验流程图。参考国内外辐照试验方法相关的标准和规范[20,25-27,33-34]，LD的位移效应辐照试验步骤如下：

①制定DUT位移效应辐照试验大纲，确定辐照粒子种类（中子或质子）、粒子能量、辐照注量率、辐照注量、辐照偏置条件等；

②位移损伤辐照试验前，测试查验样品和DUT的功能和辐射损伤敏感参数，记录相应的试验现象、试验数据；

③辐照到规定的注量，且辐照过程中使用符合辐射防护要求的试验夹具，辐照注量偏差必须在允许的范围内；

④辐照后，应对DUT感生的放射性剂量进行监测，在符合相关规定的安全情况下，对DUT的测试应在辐照后24h内完成；当DUT残余的放射性活度高于安全操作的规定时，进行测试前的经历时间可延长到符合防护安全时尽快完成测试，或者是采取措施进行远距离测试，并记录数据和测试条件；

⑤辐照后，开展DUT功能测试，判断DUT功能是否正常。若出现DUT功能失效，则不合格。辐照后，除非另有规定，DUT在输出功率显著降低（衰减到初始值的80%以下），或相关参数严重偏离详细规范规定的标称值并导致DUT无法正常工作时，判定为DUT功能失效；

⑥辐照后，测试DUT的辐射敏感参数，记录相应的试验现象、试验数据，并进行数据处理；

⑦判断DUT的辐射敏感参数是否超差失效；若出现DUT的辐射敏感参数超差失效，则不合格；

⑧辐照后，测试查验样品的功能和辐射损伤敏感参数（必要时），记录相应的试验现象、试验数据，并进行数据处理；

⑨试验不确定度的分析，按GJB3756A-2015中的规定执行；

⑩辐照后的DUT及试验线路板应按照GB18871-2002的规定及国家其它有关法规与标准的要求进行处理。

1.3LD位移效应辐照试验偏置条件

“GJB9397-2018军用电子元器件中子辐射效应试验方法”和“GJB548C-2021微电子器件试验方法和程序”中均规定了电子元器件中子辐照试验时的偏置条件为外引线全部短路连接或者全部开路[20,22]。中子辐照LD主要产生位移损伤。开展LD位移损伤效应辐照试验时，国内外通常采用不加偏置辐照。图3给出了不同偏置下辐照后的LD阈值电流与辐照前阈值电流之比随中子辐照注量的变化曲线。从图3中可以看到不加偏置条件下，中子辐照后，LD阈值电流与辐照前阈值电流之比的退化程度要明显大于加偏置辐照时的退化程度。图4给出了在能量为5MeV，注量为3×1013p/cm2的质子下，LD处于不同偏置条件下辐照后的P-I特性比较。从图4中可以看到不加偏置条件下，质子辐照后，LD的P-I特性退化程度要明显大于加偏置辐照时的退化程度。辐照试验研究结果表明LD不加偏置比加偏置辐照时的位移损伤更严重，其主要原因在于LD加正向偏置电流时，存在复合增强缺陷反应，即当非辐射电子通过缺陷跃迁时，沉积在缺陷处的能量使缺陷温度上升，从而激活缺陷，使缺陷获得更多的能量运动，导致反应速率（缺陷湮没）增大，所以出现不加偏置比加偏置辐照时的位移损伤更严重。因此，开展LD位移效应辐照试验时的偏置条件为：除非另有规定，开展位移效应的性能考核试验时，LD的偏置条件应选择不加偏置，LD外引线全部短路连接或采取其它有效的防静电措施。位移辐照试验后退火试验时的偏置条件同辐照时的偏置条件。

2LD电离总剂量效应试验方法

电离总剂量效应是指辐射诱生电荷造成材料、器件或系统电学参数长期变化的现象。LD遭受电离总剂量辐照后，阈值电流、斜率效率、发光效率、输出光功率等性能参数会出现退化[1-3,13-15]。与CCD、CMOS图像传感器的电离总剂量辐照损伤阈值相比[35-36]，LD的电离总剂量辐照损伤阈值相对较高。LD的电离总剂量效应考核评估通常采用60Coγ射线辐照试验进行。因此，本文主要介绍LD的60Coγ射线电离总剂量效应辐照试验方法。

2.1电离总剂量效应辐照试验源

电离总剂量效应辐照试验源主要包括：60Coγ射线源、X射线源、电子源。考核电子元器件的电离总剂量损伤效应时，美军标、国军标中通常采用60Coγ射线源代替加速器电子源来模拟空间总剂量效应[19,21,24-27]。因此，开展LD电离总剂量效应辐照试验时，辐射源宜采用60Coγ射线源，被辐照面的辐射场不均匀性不大于10%，源活度应符合试验要求。

2.2LD电离总剂量效应辐照试验流程

开展LD电离总剂量效应辐照试验前，需先测试LD的辐照损伤敏感参数，例如阈值电流、输出光功率、斜率效率、外微分量子效率等。根据试验大纲建立DUT参数测量系统。图5给出了LD电离总剂量效应辐照试验流程图。参考国内外辐照试验方法相关的标准和规范[21-22,24-27,33-34]，LD的电离总剂量辐照试验步骤如下：

②制定DUT电离总剂量效应辐照试验大纲，确定DUT辐照的电离总剂量；

②辐照前，测试查验样品和DUT的功能和辐射损伤敏感参数，记录相应的试验现象、试验数据；

③确定DUT的辐照剂量率和偏置条件。除非另有规定，DUT的辐照剂量率宜取(0.05～3)Gy(Si)/s，辐照时间不小于10min；除非另有规定，开展电离总剂量损伤的性能考核试验时，偏置条件应选择最恶劣的辐照偏置；

④DUT辐照到规定的电离总剂量；

⑤开展DUT功能测试，判断DUT功能是否正常。若出现DUT功能失效，则不合格。辐照后，除非另有规定，DUT在输出功率显著降低（衰减到初始值的80%以下），或相关参数严重偏离详细规范规定的标称值并导致DUT无法正常工作时，判定为DUT功能失效；

⑥测试DUT的辐射损伤敏感参数，如输出光功率、阈值电流、斜率效率、外微分量子效率等，DUT的测试时间要求应按照GJB5422-2005执行；

⑦记录相应的试验现象、试验数据，并进行数据处理与分析；

⑧判断DUT的辐射敏感参数是否超差失效；若出现DUT的辐射敏感参数超差失效，则不合格；

⑨辐照后，测试查验样品的功能和辐射损伤敏感参数（必要时），记录相应的试验现象、试验数据，并进行数据处理；

⑩试验不确定度的分析，按GJB3756A-2015中的规定执行；

⑪退火试验应按照GJB5422-2005执行。

2.3LD电离总剂量效应辐照试验偏置条件

“GJB5422-2005军用电子元器件γ射线累积剂量效应测量方法”和“GJB548C-2021微电子器件试验方法和程序”中均要求电子元器件电离总剂量效应辐照试验后退火试验时的偏置条件为最恶劣辐照偏置[21-22]。因此，LD进行电离总剂量辐照后退火试验的偏置条件也应为最恶劣辐照偏置。除非另有规定，开展LD电离总剂量损伤的性能考核试验时，LD的偏置条件应选择最恶劣辐照偏置。除非另有规定，LD总剂量辐照后退火试验时的偏置条件应与辐照试验时的偏置一致。

3LD瞬时剂量率效应试验方法

瞬时剂量率效应是指暴露于脉冲γ射线辐照的半导体器件中由于瞬时电离脉冲辐射在半导体材料中激发的电子-空穴对被收集时产生的瞬时光电流现象。瞬时剂量率效应在LD材料中激发的电子-空穴对被收集时产生的瞬时光电流会导致LD性能退化甚至功能失效。

3.1LD瞬时剂量率效应辐照试验源选取

开展LD瞬时剂量率效应辐照试验时，参考相关标准和规范[23]，脉冲γ射线辐射源通常选用装有转换靶的相对论电子加速器。除非另有规定，开展瞬时剂量率效应辐照试验时，可采用能产生满足剂量率和脉冲宽度要求的瞬态辐射场的装置，射线平均能量应大于200keV。脉冲γ射线源的试验剂量率、脉冲波形测量应符合GJB7350-2011中第7章的规定。

3.2LD瞬时剂量率效应辐照试验流程

开展LD瞬时剂量率效应辐照试验前，需先测试LD的瞬时光电流。辐照前，测试查验样品和DUT的功能与辐射损伤敏感参数，记录相应的试验现象、试验数据；辐照时，在线测试辐射瞬时光电流，记录相应的试验现象、试验数据；辐照后，测试DUT的功能和辐射损伤敏感参数，记录相应的试验现象、试验数据；测试查验样品的功能和辐射损伤敏感参数（必要时），记录相应的试验现象、试验数据。图6给出了LD瞬时剂量率效应辐照试验流程图。辐照试验步骤如下：

②制定DUT瞬时剂量率效应辐照试验大纲；

②辐照前，测试查验样品和DUT的功能和辐射损伤敏感参数，记录相应的试验现象、试验数据；

③确定DUT的辐照剂量率范围、脉冲宽度、试验温度等；

④连接LD辐射效应测量系统，调整设备处于正确的设置，并用查验器件验证系统的各项功能，再把待测LD连接到试验电路板上，把符合剂量率和总剂量测试要求的热释光剂量计紧贴于待测DUT表面；对DUT进行辐照，记录试验器件效应波形及脉冲辐射波形，测量DUT的瞬时光电流；

⑤开展DUT功能测试，判断DUT功能是否正常。若出现DUT功能失效，则不合格。辐照后，除非另有规定，DUT在输出功率显著降低（衰减到初始值的80%以下），或相关参数严重偏离详细规范规定的标称值并导致DUT无法正常工作时，判定为DUT功能失效；

⑥通过热释光剂量计测量瞬时剂量率和累积总剂量；

⑦测试DUT的辐射损伤敏感参数，如输出光功率、阈值电流、斜率效率、外微分量子效率等；

⑧记录相应的试验现象、试验数据，并进行数据处理与分析；

⑨判断DUT的辐射敏感参数是否超差失效；若出现DUT的辐射敏感参数超差失效，则不合格；

⑩辐照后，测试查验样品的功能和辐射损伤敏感参数（必要时），记录相应的试验现象、试验数据，并进行数据处理；

⑪试验不确定度的分析，按GJB3756A-2015中的规定执行。

3.3LD瞬时剂量率效应辐照试验偏置条件

LD在辐照时需要在线测试辐射瞬时光电流。因此，LD瞬时剂量率效应辐照试验偏置条件为：除非另有规定，开展瞬时剂量率效应辐照试验时，LD的偏置条件应按照器件产品手册中使半导体激光器处于正常工作状态时的偏置条件。

4结　论

本文通过梳理LD不同辐射粒子或射线的辐照损伤效应研究成果，参考与电子元器件辐射效应相关的国内外标准、规范、指南，结合LD辐照损伤效应试验、辐射粒子输运模拟计算、辐照效应仿真模拟、辐照损伤机理分析，针对LD不同类型辐照损伤效应特征，解决了LD辐照损伤效应试验方法中的试验源选取、试验流程、辐照偏置条件等关键技术问题，分别建立了LD位移效应、电离总剂量效应、瞬时剂量率效应辐照试验流程，形成了辐照损伤效应试验方法，从而对LD不同辐射粒子或射线的辐照损伤效应试验进行了规范，为开展LD辐照损伤评估和抗辐射加固性能考核提供了试验技术支撑。