11.4. НАДЕЖНОСТЬ СВЕТОДИОДОВ И ЛАЗЕРОВ НА ОСНОВЕ ДВОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР

При изучении поведения полупроводниковых источников света в процессе эксплуатации исследовались различные механизмы отказов и причины деградации. Поскольку требуемый срок службы составляет десять или даже двадцать лет, необходимо найти средство для изучения процессов деградации и способов обнаружения ранних стадий ухудшения работы прибора. Поэтому испытания на срок службы проводят при высокой окружающей температуре и в условиях

повышенной влажности. Однако хотелось бы знать законы деградации с определенной степенью достоверности. Сложно провести точную классификацию физических механизмов выхода из строя полупроводниковых лазеров и светодиодов, поэтому будем отдельно рассматривать те эффекты, которые проявляются в активном слое, и те, которые специфичны для выходных граней. Кроме того, отдельно будут рассмотрены постоянно протекающие процессы и процессы, возникающие при критических значениях плотности тока и выходной мощности.

При плотности мощности около начинается катастрофическая деградация. Это связано с поглощением оптической мощности вблизи поверхности, которое вызывает плавление полупроводника. Для полосковых лазеров с шириной полоски около т. е. при площади излучающей поверхности порядка нескольких квадратных микрометров, это соответствует выходной мощности в несколько десятков милливатт. Точное значение определяется распределением поля в ближней зоне. Покрытие граней, например, корундовой пленкой увеличивает порог этого процесса. Наблюдавшаяся эрозия граней, возможно, связана с фотоокислительными процессами, но остается не выясненным, насколько это существенно для деградации лазеров.

Процессы в объеме материала можно разделить на локальные и однородно распределенные по активной области. Первые известны как дефекты темных линий, которые появляются в областях с интенсивной безызлучательной рекомбинацией, обусловленной дислокациями. Они могут происходить от единичного дефекта в диоде. Дефекты темных линий увеличивают порог и уменьшают выходную мощность, что приводит к быстрому выходу прибора из строя. Для устранения дефектов темных линий следует использовать высококачественные, свободные от дислокаций материалы подложки дислокаций на квадратный миллиметр), а также по возможности считать механические напряжения в приборе. Необходимо аккуратно устанавливать прибор в головке, контакты припаивать специальным припоем с низкой температурой плавления (например, индием) и свести к минимуму механическое давление держателя. Кроме соблюдения этих предосторожностей приборы должны быть отобраны по видимым дефектам и подвергнуты достаточно длительному «отжигу», выявляющему скрытые дефекты темных линий.

Пороговый ток растет, а лазерная мощность при постоянном токе падает в течение работы и независимо от образования дефектов темных линий. Это наблюдается как в лазерном режиме, так и в светодиодном, причем скорость процесса зависит от плотности тока и температуры в соответствии с формулами (9.3.2) и (9.3.3). Можно предположить, что энергия, высвобождающаяся при безызлучательной рекомбинации носителей, увеличивает число точечных дефектов в кристалле, которые действуют как ловушечные уровни. В результате увеличивается скорость безызлучательной рекомбинации (уменьшение ) и, как следствие, снижается внутренняя эффективность. Скорость создания таких ловушек зависит от энергии активации и температуры

. В результате исследования срока службы светодиодов установлено, что энергия активации для приборов на основе GaAlAs/ GaAs лежит около Для лазеров в результате аналогичных измерений получены величины но эти измерения проведены в ограниченном диапазоне температур. Тот факт, что в длинноволновых источниках при безызлучательной рекомбинации высвобождается меньшая энергия, может означать, что для создания дефектов требуется более высокая энергия активации. Это подтверждается измерениями срока службы светодиодов на для которых

Эти результаты почти не зависят от точности определения срока службы лазера. Это может быть относительное увеличение при комнатной температуре или уменьшение спонтанного излучения при постоянном уровне накачки. Так, например, уменьшение на 50 % спонтанного излучения при токе ниже порогового соответствует увеличению порога примерно на Со временем будет достигнуто такое качество приборов, что они смогут работать в лазерном режиме при любом токе накачки. Типичные графики, иллюстрирующие распределение срока службы полупроводниковых приборов, показаны на рис. 11. 12.

Рис. 11.12. Распределение срока службы лазеров [М. Etfenbery, A statistic al study of the reliability of oxide-denned stripe CW lasers of (AlGa)As.- J Appl. Phys. 50, 1395.-1202 (1979).] Эти данные получены на GaAlAs лазерах с полоской шириной в непрерывном режиме работы при Верхняя кривая соответствует времени, после которого выходная мощность падает ниже Нижняя кривая указывает время» при котором выходная мощность снижается вдвое от исходной величины при неизменном токе. Средние значении срока службы соответственно при логарифмически нормальном отклонении 1.3 и 1,45. Правая вертикальная шкала соответствует ожидаемым срокам службы при комнатной температуре, если Предполагается энергия активации 0.96 В.

Изготовитель приборов должен стремиться не только увеличить средний срок службы но, кроме того, по возможности снизить отклонение от среднего значения Постоянное повышение качества материалов и контроль технологии выращивания приводит к улучшению обоих параметров. В частности, обнаружена целесообразность введения небольшого количества (около 8%) в активный слой GaAs лазеров. Окончательно не установлено, связано ли это с уменьшением напряжений в гетеропереходе или с тем, что высокореактивный действует как геттер и помогает устранить примеси из объема полупроводника. На основании результатов, подобных показанным на рис. 11. 12, предсказывается среднее время жизни выше при комнатной температуре. Читатель должен принимать во внимание необходимость осторожного отношения к таким оценкам, пока они не получат подтверждения.

ЗАДАЧИ

(см. скан)

РЕЗЮМЕ

Пороговый ток лазера может быть сведен к минимальному значению, если использовать узкие контактные полоски. При этом обеспечивается волноводное усиление лазерного излучения и улучшается стабильность боковых мод. Зарощенные гетероструктуры обеспечивают получение того же результата. Такие лазеры имеют линейную характеристику выше порога, но ограниченную выходную мощность — несколько милливатт. Примеры показаны на рис. 11.2.

Расстояние между продольными модами Зарощенная гетероструктура обеспечивает при коротком разонаторе возможность генерации на одной продольной моде при ширине спектра несколько мегагерц.

Звон при импульсном возбуждении лазера связан с избирательностью частотной характеристики, причем резонансная частота лежит в области Исключением являются узкополосковые лазеры с волноводным усилением, которые имеют мягкий порог и высокую долю спонтанного излучения в выходной мощности.

Обычно в импульсном режиме работы поддерживают лазер вблизи порога. При этом сводится к минимуму звон, минимизируется емкостной ток и уменьшается задержка

Лазеры, работающие в диапазоне могут быть изготовлены из InGaAsP/InP. Пороговый ток таких лазеров сильно зависит от температуры но в других отношениях они не хуже GaAlAs/GaAs источников.

Установлены некоторые механизмы катастрофической и постепенной деградации. При плотности выходной мощности свыше происходит разрушение выходных граней. Дефекты темных линий могут быть исключены, если не допускать дефектов или механических напряжений в лазерном образце. Механизм постепенной деградации в лазерах так же, как и в светодиодах, связан с уменьшением времени безызлучательной рекомбинации Безызлучательная рекомбинация может приводить к появлению точечных дефектов. Срок службы связан с энергией активации которая возрастает при переходе к длинноволновому излучению и