Главная  Усиленная люминесценция 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [ 45 ] [46] [47] [48]


Рис. 8.6. Проникновение из подложки и развитие в активной среде дефекта в гетеролазерах на основе AlGaAs за время 10 (о), 30 (б), 100 ч (в)


К НИМ относятся: морфологические дефекты в виде участков с непланарными гетерограницами и локальным градиентом напряжений, дефекты загрязнения слоев кислородом и другими веществами, микроскопические капельки галлия, дефекты вжигания напыленного слоя металла в полупроводник, механические повреждения слоев и т. п. .

С включением лазера в работу дефект приходит в движение и начинает разрастаться. В качестве примера на рис. 8.6 показано развитие дефекта темного пятна в лазере на основе AltGai-As двойной гетероструктуры. Вначале на фотографии (см. рис. 8.6, а), полученной с помощью инфракрасного микроскопа, видно небольшое пятпо на границе подложки и эпитаксиальных слоев. Оно появилось после 10 ч работы прибора. Еще через 20 ч пятно значительно разрослось вдоль границы слоев (см. рис. 8.6,6). После 100 ч работы темная область

охватывает значительный объем структуры, в том числе и подложки.

Плотность потока генерируемого излучения в активной среде может достигать огромных значений (порядка 10...10 Вт/см). Поэтому возникновение в ней любой поглощающей неоднородности приводит к локальному повышению температуры среды и появлению термических напряжений. В диодах на основе InGaAsP из-за локального перегрева в активной среде могут образовываться капельки жидкого материала, мигрирующие по структуре. Материал расплавляется на переднем крае капли и затвердевает с противоположной стороны, что приводит к загрязнению структуры и образованию сетки дислокаций.

Размножение и комплексообразование точечных дефектов. В инжекционных лазерах, работающих без отказа десятки тысяч часов, в течение длительного времени деградационные темные линии и темные пятна не наблюдаются. Тем не менее и в этом случае происходит невидимая однородная деградация активной области, сходная со старением и деградацией светодиодов. Внешним проявлением деградации служит уменьшение квантового выхода люминесценции и времени жизни свободных носителей. В спектре люминесценции могут появиться новые полосы, относительные интенсивности других полос либо уменьшаются, либо увеличиваются. Медленно, но непрерывно растет порог, уменьшается мощность генерации, изменяются другие лазерные характеристики. Так продолжается до тех пор, пока не возникнут темные линии или темные пятна. После этого начинается этап быстрой деградации.

Указанные спектроскопические данные свидетельствуют о появлении в активной среде новых центров излучательной и безызлучательной рекомбинации, а также поглощающих центров. Природа этих центров в каждом конкретном случае должна рассматриваться отдельно. Можно только указать на некоторые общие процессы. Это, во-первых, диффузия и дрейф легирующих и неконтролируемых примесей. Мигрируя по кристаллу, примеси встречают на своем пути другие точечные дефекты и могут образовывать с ними более сложные дефекты или кластеры - центры рекомбинации и поглощения. Если /?-область в GaAs создана путем легирования кристалла цинком, то, диффундируя в область простран-




Рис. 8.7. Разрушение зеркальных поверхностей лазеров с электронной накачкой на основе GaAs (а), ZnO (б) и GdS (в)

ственного заряда, атомы цинка понижают потенциальный барьер р - «-перехода. Чем более подвижна примесь, тем быстрее развивается объемная деградация. Наиболее подвижны атомы ртути, меди, кислорода, далее в порядке понижения подвижности в арсениде галлия идут атомы бериллия, магния, цинка, олова, теллура, кремния, германия. Легирование амфотерными примесями кремния и германия позволило создать наиболее устойчивые к деградации лазеры и светодиоды. Во-вторых, за счет энергии неоптической рекомбинации возможно смещение атома из узла решетки в междоузлие с образованием сложного дефекта: вакансия - атом в междоузлии (дефекты по Френкелю). Такие дефекты могут образовывать комплексы типа дивакансий, комплексов примесных атомов, например вакансии галлия и мышьяка плюс атом Ga и As в арсениде галлия. В-третьих, под действием излучения и тепловых колебаний решетки может происходить диссоциация донорно-акцепторных пар на изолированные доноры и акцепторы, которые могут мигрировать по кристаллу.

При медленной деградации происходят и многие другие процессы как в объеме, так и на поверхности структуры. В частности, ухудшаются тепловые и электрические контакты, деградируют покрытия зеркал резонатора.



Рис. 8.8. Кратер (а) и каналы между тремя кратерами (б), возникшие от воздействия искры на поверхность монокристаллической пластины из CdS при возбуждении стримера (А. Л. Гурский,

1986 г.)

Старение полупроводникового прибора происходит даже в нерабочем состоянии, во время хранения. Однако электрическое поле, потоки излучения большой плотности, градиенты температур и механические напряжения, возникающие в процессе работы лазера, резко ускоряют все деградационные процессы.

Разрушение зеркал резонатора. Не только во всех типах полупроводниковых лазеров, но и в других лазерах иногда наблюдается внезапное (катастрофическое) падение мощности генерации вплоть до нуля. В большинстве случаев это связано с повреждением зеркал резонатора. На них появляются выколки и трещины.

Фотография зеркала резонатора деградированного лазера с электронным возбуждением (продольный вариант) показана на рис. 8.7. Хорошо видна периодическая структура, обусловленная взаимодействием электронов с фононами.

В гомолазерах на основе GaAs при катастрофической деградации обнаружено смещение трещин и изломов главным образом в д-область, а не в р-область. Разрушение распространяется в глубь активного вещества не перпендикулярно к граням кристалла, а случайным образом. Ни в одном случае не наблюдалось разрушений, развивающихся в толще кристалла без выхода на его поверхность. Поврежденные области содержат определенные участки активного вещества с дефицитом мышьяка.



Между картинами разрушения противоположных граней кристалла корреляция отсутствует. Иногда образуются шарики, содержащие галлий; закругления краев, трещин и изломов связаны с локальным плавлением. Водяные пары и атмосфера ускоряют эрозию зеркал. Разрушения происходят как под действием механических напряжений из-за локального перегрева активной среды, так и под действием электрического поля световой волны.

В стримерных лазерах к катастрофической деградации может привести разрушение поверхности кристалла в приэлектродной области (рис. 8.8).

§ 8.3. ОТБРАКОВКА ЛАЗЕРОВ. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА

Отбраковка до ресурсных испытаний. Ресурсом лазера называется его потенциальная возможность выполнять свои функции в течение некоторого времени Тр. Иногда ресурсом называют время Тр, являющееся количественной мерой ресурса.

Технология изготовления гетеролазеров по техническому уровню и качеству микронных и субмикронных структур сравнима с производством больших интегральных схем в микроэлектронике. И там и тут приходится мириться с выходом значительного количества бракованных изделий. Значения Тр для лазеров, изготовленных даже на одной подложке, могут иметь разброс от нескольких минут до десятков тысяч часов. Поэтому из партии диодов необходимо выбрать наиболее долго-живущие и гарантировать определенный ресурс или срок службы.

Эту задачу целесообразно решать методом последовательных . приближений: вначале отбраковать часть лазеров до ресурсных испытаний, затем провести ресурсные испытания и сделать вторую отбраковку, и, наконец, оценить ресурсы оставшихся лазеров и выбрать из них те, которые обладают значением Тр не меньше заданного. К доресурсным испытаниям можно отнести любое изучение лазера, не связанное с потерей (сжиганием) заметной части ресурса.

Иногда простой осмотр с помощью лупы или микроскопа позволяет обнаружить технологический брак (повреждение зеркал резонатора, микротрещины на боковых поверхностях, замыкание контактов и т. п.) и отбраковать часть лазеров. Далее необходимо отбраковать все лазеры,

не удовлетворяющие техническому заданию по порогу, мощности и другим характеристикам.

По картине ближнего поля излучения (см. рис. 3.3; 3.4; 8.3) легко оценить значение внутреннего квантового выхода генерации. В качестве нормировочной единицы можно взять ближнее поле излучения с максимальной суммарной площадью о""" светящихся пятен. Лазеры, у которых Ор значительно меньше о", следует отбраковать.

Поскольку между значениями порога и мощности генерации при переходе от одного лазера к другому нет однозначной связи, то некоторую часть из них можно отбраковать, исходя из условий

/п>/п и Sr.<Sr,

где /п и Sr - средние значения по всем диодам партии порога и мощности генерации.

Важной комплексной характеристикой лазера служит частота следования импульсов возбуждения, при которой начинается падение пиковой мощности генерации. Поскольку уменьшение Sr с частотой F вначале происходит плавно, то для определенности Ю. В. Макрицким введено в рассмотрение понятие частоты Fo.s, когда от мощности генерации, реализуемой при малых значениях F и принятой за единицу, остается доля, равная 0,8, т. е. Sr(fo,8)/Sr(0)=0,8.

Падение мощности генерации с увеличением F обусловлено повышением температуры активной области со всеми вытекающими отсюда последствиями для спектроскопических свойств среды и качества резонатора. В свою очередь величина перегрева активной области будет тем меньше, чем выше внутренние квантовые выходы люминесценции и генерации, чем меньше в активной среде поглощающих центров и чем лучше теплоотвод. Поэтому чем выше качество лазера, тем больше значение частоты f 0,8, и наоборот. Отбраковке подлежат лазеры с частотой £о,8<£о,8 - среднего по партии приборов значения fo,8.

Аналогичный физический смысл имеет критическая температура диода 7"кр, при которой начинается быстрый рост тока, проходящего через диод и необходимого для поддержания на заданном уровне потока генерируемого излучения Sr = const, с условием, что температура диода увеличивается. Испытания проводятся так. Лазер



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [ 45 ] [46] [47] [48]

0.0008