Уп,1г/1/гм* Рис. 8.2. Зависимость порога j„ и мощности генерации Sr гетеролазера на основе AIGaAs с легированной активной областью и широким контактом от чистого времени деградации (j = (-f(„„„.

Частота следования импульсов f = 6 кГц; длительность импульса Д.„=100 НС

коррелирующему с однородностью ближнего поля излучения (см. §3.3, рис. 3.3).

Если внутренний квантовый выход остается постоянным, а изменяется только порог, то ватт-амперная характеристика смещается вправо по оси /, а ее наклон остается практически постоянным (рис. 8.3, кривые 1, 1). Если же при этом падает и внутренний квантовый выход генерации, то увеличивается и наклон ватт-амперной характеристики (кривые 2,2). Как и в гомолазерах, уменьшение т]г обусловлено уменьшением числа генерирующих точек.

В целом изменение мощности генерации во времени нельзя выразить одним законом даже для одного типа излучающих структур. Например, для лазеров с двойной гетероструктурой, размером активной области 2X400X400 мкм при импульсном возбуждении {t = = 0,1 мкс, F= 10 кГц) получены следующие зависимости. Мощность генерации:

- в течение некоторого времени не изменяется, а затем монотонно падает;

- сразу же начинает убывать практически по экспоненте;

- вначале быстро падает до некоторого значения, а затем уменьшается с малой скоростью;

- уменьшается скачками, кривая деградации имеет ступенчатый вид;

- вначале растет, а затем падает.

С повышением температуры скорость деградации резко возрастает. Для некоторых партий диодов зависимость срока службы от температуры выражается экспоненциальной функцией

(8.1]

Рис. 8.3. Ватт-амперные характеристики гетеролазеров иа основе AIGaAs с легированной кремнием (/, /) или нелегированной активной областью (2, 2) до (/, 2) и после (/, 2) деградации.

На вставках показано изменение ближнего поля излучения диода

где Тр - постоянная; - энергия активации, определяющая температурную чувствительность механизма, ответственного за скорость деградации. Эта формула получила широкое распространение в электронике. Для светодиодов и лазеров на основе Al,vGai xAs значения Е изменяются от 0,3 до 1,1 эВ. Сообщалось также о получении быстродеградирующих двусторонних (ДГС) и односторонних (ОГС) гетероструктур со слабой зависимостью ресурса от температуры в интервале 290...360 К-

Затухание люминесценции. В лазерных диодах при плотностях тока выше и ниже пороговых в процессе работы уменьшается мощность люминесценции, выходящей из зеркальных и боковых граней. Для большинства лазерных диодов с двойной гетероструктурой на основе арсенида галлия - арсенида алюминия при токах ниже порогового наблюдалось экспоненциальное уменьшение интенсивности люминесценции в максимуме полосы со временем

5Г = 5Г"ехр (- тд), (8.2)

где Тд составлял 65... 140 ч для образцов, активная область которых не легировалась, и 400...3500 ч для легированных кремнием образцов при /=1000 А/см и комнатной температуре. Для некоторых диодов величина начинала падать только после 200...400 ч работы в импульсном режиме. Характерно, что интенсивность люминесценции, выходящей из боковых граней, падает быстрее, чем люминесценция из зеркал. Очевидно, деградация диода происходит неравномерно и начинается прежде всего около боковых матированных граней.

Ухудшение спектральных и пространственных характеристик излучения. В процессе деградации максимумы спектров люминесценции, выходящей из зеркальной

и боковых граней, смещаются в длинноволновую область. Изменяется и спектр генерации. Как правило, увеличивается число мод, спектр становится более сложным.

Установлено, что почти в каждом лазере интенсивности и индикатрисы излучения, выходящего из противоположных зеркальных граней диода, различаются между собой. В плоскости, перпендикулярной к р - /г-переходу, угол расходимости составляет 25...40°. В процессе деградации угол расходимости увеличивается до 40...45°, причем часто наблюдается выравнивание характеристик излучения, выходящего из противоположных зеркал резонатора. В некоторых случаях более интенсивный луч становится слабее луча, выходящего из другого зеркала. Это означает, что разные участки структуры и зеркала резонатора деградируют с различной скоростью.

Уменьшение времени жизни носителей. В лазерных диодах после некоторого времени приработки уменьшение квантового выхода люминесценции сопровождается падением времени жизни свободных носителей то. В первые часы работы S,„ и тп в некоторых диодах возрастают.

В светодиодах на основе арсенида галлия уменьшение интенсивности излучения может сопровождаться как понижением, так и повышением значения времени жизни электронов.

Изменение внутренних лазерных параметров. Порог и мощность генерации - это обобщенные характеристики лазера. Они зависят от спектроскопических свойств среды, ее оптической однородности, качества резонатора и теплового сопротивления прибора в целом. Поэтому их изучение недостаточно, чтобы делать определенные выводы о механизме деградации. Значительным шагом к пониманию процессов деградации служит изучение изменений внутренних лазерных параметров р, /о, р и Цг, имеющих более определенный физический смысл. Методика их определения изложена в § 3.3.

Как было показано, падение внутреннего квантового выхода генерации ц, означает уменьшение общей площади генерирующих пятен (см. рис. 8.3). А это происходит в результате не однородного старения активной среды, а локальной деградации. Следовательно, появляются темные линии и темные пятна.

Уменьшение мощности генерации по экспоненциальному закону соответствует линейному росту коэффициента

внутренних оптических потерь р. Это означает, что в активной области растет концентрация поглощающих центров пропорционально количеству электричества, перенесенного через р - /г-переход.

Падение удельного коэффициента усиления р и рост /о свидетельствуют об образовании новых центров рекомбинации в активной области. Изучение процессов деградации другими независимыми методами подтверждает справедливость сделанных выводов.

§ 8.2; ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕГРАДАЦИИ

Дефекты темных линий. В активном слое и прилегающих к нему пассивных областях деградированных гетеролазеров на основе AlGai-As с помощью электронного растрового микроскопа обнаружена сетка деграда-ционных темных линий. Чем больше степень деградации, тем больший объем занимают ДТЛ (рис. 8.4). Темные линии образуются в результате движения и размножения дислокаций, которые группируются по определенным направлениям и присоединяют к себе точечные дефекты.

В лазерах с двойной гетероструктурой и полосковой геометрией трехмерная сетка дислокаций плотностью 10*... 10® см~ располагается в активном слое p-GaAs и захватывает соседние слои. Дислокации в основном имеют форму пространственной спирали, вытянутой по направлению <100> или <200>, реже <110>. Характерная особенность дислокаций - это наличие петель и полупетель размером от 2 до 10 нм. Такая плотная сеть дислокаций может развиваться из одиночной дислокации, пронизывающей всю гетероструктуру.

Из всех видов дислокаций в деградации лазеров на основе AlGaAs наиболее важную роль играют 60° а-и р-дислокации с вектором Бюргерса \Ь\ = {а/2), где а - постоянная кристаллической решетки. На их долю обычно приходится 80 % всех дислокаций подложки. В частности, в собственных и /г-типа полупроводниках подвижности а-дислокаций, винтовых дислокаций и р-дислокаций относятся друг к другу как 300 : 9 : 1. Эти факторы обеспечивают преобладание указанных дислокаций в деградированных лазерах.

Рис. 8.4. Темные линии в деградированных лазерах на основе AbGai.-xAs, обнаруженные с помощью электронного микроскопа.

Степень деградации увеличивается от а к г

Развитию сетки дислокаций, а следовательно и ДТЛ, способствуют механические напряжения в структуре и повышение температуры.

Различают напряжения остаточные, термоупругие и контактные. Остаточные напряжения возникают: при выращивании гетероструктуры и ее последующем охлаждении; резке на отдельные элементы; получении зеркальных граней резонатора; нанесении защитных, просветляющих или отражающих покрытий на зеркала резонатора; металлизации поверхности и нанесении контактов и при выполнении других технологических операций. Эти напряжения остаются после изготовления лазеров и присутствуют в нем до его крепления на хладопроводе и включения в работу. Термоупругие напряжения возникают в процессе работы лазера из-за градиента температур и несовпадения коэффициентов термического расширения различных слоев гетероструктуры. Контакт-

Рис. 8.5. Микрофотография темных линий в монокристаллической пластине из GaAs, возникающих после многократного прохождения в ней стримерных разрядов

ные напряжения обусловлены закреплением лазера на хладопроводе.

Если величина механических напряжений а„<:30 МПа (300 атм), то они слабо влияют на скорость движения и размножения дислокаций. При а„> 30 МПа начинается быстрое развитие сетки дислокаций. В быстро-деградирующих гетероструктурах на основе ALGaiAs остаточные и термоупругие напряжения достигают 100 МПа, а контактные - порядка 80 МПа.

Длительное время диоды крепились к хладопроводу индиевым припоем. При достаточной толщине слоя индия это обеспечивало пренебрежимо малые значения контактных напряжений. Однако с течением времени индий дает интерметаллическое соединение с золотом. Образуется хрупкий слой, не только повышающий контактные напряжения, но и ухудшающий электрический контакт и теплоотвод. Оловянно-свинцовые припои более долговечны, но уступают индиевым по эластичности. Для снижения напряжений необходимо увеличивать толщину припоя. Оптимальное значение толщины припоя находится из условия: максимальный теплоотвод при а„<30 МПа.

Дефекты темных линий образуются не только в инжекционных лазерах, но и в лазерах с оптической накачкой, электронным возбуждением, в стримерных лазерах (рис. 8.5).

С повышением температуры скорость развития дегра-дационных темных линий увеличивается по экспоненциальному закону (8.2) с относительно малыми значениями энергии активации £3 = 0,2...0,3 эВ.

Дефекты темных пятен. При выращивании гетероструктур даже на высокосовершенных бездислокационных подложках могут образовываться локальные дефекты.