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]

охлаждают, например до 77 К, и пропускают через него постоянный ток, достаточный для получения необходимой мощности генерации. После этого температура хладопровода повышается и одновременно увеличивается накачка так, чтобы мощность генерации оставалась постоянной. Вначале значение / (7") растет сравнительно медленно, а при Гкр начинается его более быстрый рост. Значение Гкр будет индивидуальной характеристикой при условии, что 5г выбрано одним и тем же для всех испытуемых диодов. Чем выше Гкр, тем качественнее лазер.

Изучение люминесценции, выходящей из боковых граней диода, позволяет практически без потери ресурса определить их качество. Если на боковых поверхностях имеются дефекты-зародыши темных линий и пятен, то через несколько десятков часов работы прибора квантовый выход люминесценции заметно падает. Порог и мощность генерации могут оставаться при этом постоянными, так как темные пятна еще не дошли до активной области.

Перечисленные исследования могут быть автоматизированы и проведены достаточно быстро. Число лазеров, для которых целесообразно проводить ресурсные испытания, можно сократить в несколько раз. Накопленный опыт работы изготовителей позволяет им после первого этапа отбраковки достаточно уверенно прогнозировать процент выхода нужной продукции.

Ресурсные испытания. Ресурсными испытаниями называется установление закономерностей деградации лазеров или закономерности уменьшения ресурса лазеров как функции времени их работы. Такие испытания позволяют наиболее надежно выявить технологический брак и скрытые дефекты, приходящие в движение только в процессе работы прибора. Недостаток ресурсных испытаний - потеря (сжигание) части ресурса лазера.

Опыты показывают, что уже в первые 100 ч непрерывной работы гетеролазеров можно выявить и отбраковать большую часть короткоживущих излучателей. Для сокращения времени ресурсных испытаний их проводят при повышенных температурах. Иногда пропускают ток, больший того, при котором предполагается эксплуатация прибора.

Прогнозирование ресурса. После второго этапа отбраковки с вероятностью тем большей, чем длительнее были ресурсные испытания, остаются только долгоживу-

щие лазеры. Механизмы их деградации связаны с однородным старением активной среды. Разброс значений энергии активации в них по сравнению с исходной партией значительно сужен.

Для прогнозирования ресурса необходимо прежде всего найти математическую аппроксимацию экспериментальной зависимости, в простейшем случае - мощности генерации от времени работы. Пусть Sr убывает со временем по экспоненциальному закону. Тогда для двух времен испытания t] и t2> t\ имеем

Sr(/,,r„)=S.(0, Т„)е---\

Sr{t2, r„)=Sr(0, П)е-/К

Здесь Тд - по-прежнему время деградации, т. е. уменьшения мощности генерации в е раз; Т„ - температура испытаний. Из этих равенств следует

Тд(Г„) =

t2-tl

Sr(U, 7-и)

Sr(/2, Т„)

(8.3)

Далее на основании (8.1) и (8.3) рассчитывается время деградации для рабочей температуры 7"р:

Тд(Гр)=Тд(Г„) ехр[-(-) .

(8.4)

Если лазер может выполнять рабочие функции при изменении мощности генерации от Sr(0) до Sr{0)/e, то Тя(Гр) в (8.4) и будет его ресурсом. Если указаны другие границы изменения Sr, то выражение для Тд(7"р) будет отлично от (8.4). В каждом конкретном случае легко получить соответствующую формулу. В этом нет проблемы. Проблема заключается в другом.

Весь прогноз основан на изучении закономерностей деградации, обусловленной механизмами, проявившимися в ходе ресурсных испытаний. Однако нельзя исключить, что с течением времени не подключаются новые механизмы, не учтенные при прогнозировании. В частности, в любую минуту может образоваться дислокация, дающая начало развитию дефектов темных линий и быстрому выходу прибора из строя. То же самое можно сказать о возникновении механических напряжений из-за потери эластичности припоя, о повреждении зеркал резонатора и других процессах, не проявляющихся в пе-



риод ресурсных испытаний. Подключение новых механизмов деградации в процессе работы лазера прогнозировать невозможно. Оно относится к случайным событиям и может быть охарактеризовано только математическим ожиданием, знание которого применительно к отдельному дИоду особой ценности не представляет. Тем не менее непрерывная генерация в течение нескольких лет доказана экспериментально. А прогнозируемый ресурс достигает значений 10* ч, т. е. более ПО лет.

Способы повышения ресурса. Поиски новых путей и способов увеличения срока службы лазеров неразрывно связаны с изучением механизмов деградации. В тех случаях, когда процесс деградации выяснен, эти способы становятся достаточно очевидными и однозначными.

В первую очередь следует исключить все причины, приводящие к появлению дефектов темных линий и дефектов темных пятен. Подложка и выращиваемые на ней гетерослои должны быть бездислокационными, не содержать механических повреждений, капелек металла, разупорядоченных областей и т. п. Боковые поверхности не должны иметь микротрещин и других повреждений.

Остаточные, термоупругие и контактные напряжения должны быть меньше порога генерации и размножения дислокаций (в GaAs меньше ЗОМПа). Несоответствие постоянных кристаллических решеток гетерослоев не должно выходить за допустимые пределы. Перспективны структуры, в которых термоупругие напряжения компенсируют остаточные.

При получении р- и «-типов проводимости следует использовать наименее подвижные примеси, такие как кремний и германий в арсениде галлия, уменьшить концентрацию неконтролируемых примесей.

Ионно-плазменное удаление приповерхностных дефектных слоев с зеркальных граней резонатора значительно повышает стойкость зеркал к деградации. Большой эффект дает и нанесение на зеркала отражающе-просветляющих защитных диэлектрических покрытий. С помощью лазерного и лампового излучений можно в процессе выращивания гетероструктур отжигать дефекты и получать высококачественные приборы.

Там, где это возможно и целесообразно, следует применять наименьший, щадящий уровень накачки,

предпочитать внешнюю модуляцию излучения внутренней, так как нестационарное возбуждение ускоряет деградацию по сравнению с постоянной накачкой. В стримерных лазерах игловой электрод должен иметь электрический контакт с активной средой без искрового промежутка.

Вопросы и задачи

8.1. Как изменяются в процессе деградации порог, мощность, внутренний квантовый выход и КПД генерации, временные и спектральные характеристики излучения? 8.2. Чем обусловлены медленная, быстрая и катастрофическая деградации? 8.3. Как изменяется скорость деградации с повышением температуры? 8.4. Какую информацию дает изучение изменения значений внутренних лазерных параметров при деградации? 8.5. Какой тип дислокаций играет основную роль в быстрой деградации лазеров на основе AbGai-.,As? 8.6. Опишите основные виды механических напряжений в гетерострук-турах и их влияние на деградацию. 8.7. Отчего возникают дефекты темных пятен? 8.8. Чем вызвано разрушение граней резонатора стримерных разрядов? 8.9. Как можно отбраковывать инжекционные лазеры без уменьшения их ресурса? 8.10. В результате непрерывной работы инжекционного лазера в течение 100 ч при Г = 500 К мощность генерации уменьшилась в е раз. За какое время Тд (300) произошло бы такое же падение мощности, если бы лазер работал при комнатной температуре? Энергия активации 0,3 .эВ.



ПОСЛЕСЛОВИЕ

В заключение автору хотелось бы выразить надежду, что труд, затраченный на написание книги, не пропадет даром. Собранный, классифицированный и изложенный с единых позиций большой материал по всем типам полупроводниковых лазеров, многочисленные иллюстрации, вопросы и задачи будут использованы преподавателями и студентами в учебном процессе. Специалисты, досконально знающие физику отдельных типов лазеров, имеют возможность без потери времени на поиск литературы получить общее представление о полупроводниковой квантовой электронике в целом. В книге много сведений и для подготовки популярных лекций по лазерам.

За рубежом давно стало традицией публиковать портреты авторов не только крупных научных трудов, но и отдельных статей. К сожалению, советских ученых, даже весьма известных, за редким исключением читатели не знают. Естественно, что одним пособием этот пробел не восполнить. Представленные в книге портреты ученых, внесших выдающийся вклад в развитие квантовой электроники, а также краткие биографические сведения, несомненно, должны вызвать интерес у читателей.

Одним из мотивов, побудивших автора взяться за нелегкий труд, было осознание того факта, что работники научных учреждений нашей страны находятся в большом долгу перед высшей школой. Учебных пособий мы пишем мало и с большим опозданием. Более четверти века прошло с того времени, как возникла полупроводниковая квантовая электроника, лазеры стали неотъемлемой частью научно-технического прогресса, входят в наш быт, но до сих пор не были разработаны общесоюзная программа спецкурса и учебник по полупроводниковым лазерам. Настоящая книга призвана внести определенный вклад в решение этой проблемы.

Читателю, желающему более глубоко и детально изучить какой-нибудь вопрос, целесообразно прежде всего обратиться к списку рекомендуемой литературы, в котором имеются монография или обзор по каждой главе пособия, а в них в свою очередь большое количество ссылок на журнальные статьи. Новейшую литературу легко найти по реферативному журналу «Физика», где в части Л имеется раздел «Полупроводниковые лазеры». В 1986 г. в этом разделе было опубликовано 404 реферата. Филиалом Центральной научной библиотеки им. Я. Ко-ласа АН БССР при Институте физики АН БССР с 1964 г. издается (с 1980 г. ежемесячный) указатель литературы по квантовой электронике. В институте имеется также общая картотека по лазерам, содержащая более 111 тыс. карточек. Планируется их запись на магнитные диски и поставка заказчикам.

При художественном оформлении книги возникли трудности с получением качественных репродукций с фотографий хронограмм, деградированных поверхностей, приборов и т. д., опубликованных в журналах. Автор выражает глубокую признательность академику Ж. И. Алферову, академику АН УССР М. С. Бродину, Ю. М. Попову, П. Г. Елисееву, О. В. Богданкевичу, А. С. Насибову,

A. 3. Обидину, В. В. Зубрицкому, А. Л. Гурскому за предоставление в распоряжение издательства оригиналов иллюстраций.

Издательство «Университетское» направляло рукопись настоящей книги на отзыв в Киевский государственный университет им. Т. Г. Шевченко и Вильнюсский государственный университет им. В. Капсукаса. Автор выражает искреннюю благодарность профессору Киевского госуниверситета Г. П. Пека и профессору Вильнюсского госуниверситета Р. А. Балтрамеюнасу за общую высокую оценку рукописи и многочисленные замечания и пожелания.

Автор признателен также заведующему кафедрой физики Белорусского политехнического института

B. А. Самойлюковичу и старшим научным сотрудникам Института физики АН БССР В. К. Кононенко и Г. И. Ряб-цеву за прочтение всей рукописи и ценные замечания. Практически все отмеченные ими недостатки в окончательном варианте текста устранены.

Заведующие кафедрой физики полупроводников Бел-госуниверситета им. В. И. Ленина член-корреспондент



[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]

0.0009