Природа деградации полупроводниковых лазеров с электронным накачиванием энергии. Теоретические предпосылки

В статье отмечено, что при достижении определенных критических значений плотности мощности лазерного излучения в полупроводниковых лазерах с электронным накачиванием энергии, изготовленных из монокристаллов ряда соединений, имеет место катастрофическая деградация. Она сопровождается механическим разрушением поверхности торцов резонатора, необратимым падением мощности излучения и увеличением порога генерации. Причем при катастрофической деградации полупроводниковых лазеров под действием собственного излучения в монокристалле происходят существенные изменения кристаллической структуры: плотность дислокаций достигала более 10¹²–10¹⁵ см^–2. Показано, что исходная плотность дислокаций и критическая плотность мощности собственного излучения обратно пропорциональны. Таким образом, процесс деградации полупроводниковых лазеров прямо связан с генерацией и размножением дислокаций во время работы лазера. При критических значениях мощности лазерного излучения и плотности дислокаций происходит механическое разрушение кристаллической решетки кристалла. Для выяснения предложенного механизма деградации полупроводниковых лазеров необходимо учесть влияние дислокаций на оптические свойства полупроводников. Обычно это влияние рассматривается следующим образом. Дислокации вызывают появление поля локальных деформаций и, кроме того, образуют области пространственного заряда, которые окружают ядро дислокации в виде заряженной трубки. Предлагается модель исследуемого явления: в ядре дислокации возникают большие напряжения, ведущие к смещению отдельных атомов и деформации решетки кристалла. Деформация решетки в ядре дислокации приводит к локальному изменению ширины запрещенной зоны. Это изменение порядка 10^–2 эВ для винтовой дислокации и 10^–1 эВ для краевой. Механизм данного изменения состоит в том, что упомянутая деформация приводит к множественному разрыву электронных связей и увеличению в ядре дислокации концентрации электронов примерно до 10¹⁸ см^–3. Разработанная аналитическая модель механизма деградации позволит производить выбор полупроводника и оценку режима работы лазера в условиях повышенной мощности излучения.

1. Гаркавенко, А. С. Смена механизмов излучения в лазерах с электронной накачкой на основе оптически однородных, радиационно легированных кристаллов GaAs / А. С. Гаркавенко // Зб. наук. праць Вiйськового iнституту КНУ iмя Т. Шевченка. 2011. Вип. 32. С. 15–21.

2. Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть первая. Теоретические предпосылки / А. С. Гар-кавенко [и др.] // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2014. № 4. С. 50–55.

3. Гаркавенко, А. С. Тонкая структура спектров лазерного излучения при электронной накачке радиационно модифицированных оптически однородных нелегированных кристаллов GaAs / А. С. Гаркавенко // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2011. № 5. С. 27–30.

4. Ионизационный отжиг полупроводниковых кристаллов. Часть вторая. Эксперимент / А. С. Гаркавенко [и др.] // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2014. № 5–6. С. 51–56.

5. Гаркавенко, А. С. Радиационная модификация физических свойств широкозонных полупроводников и создание на их основе лазеров большой мощности / А. С. Гаркавенко. Львов: ЗУКЦ, 2012. С. 30–34.

6. Матаре, Г. Электроника дефектов в полупроводниках / Г. Матаре. М.: Мир, 1974. 240 с.

7. Гиппиус, А. А. Влияние дислокаций на электрические и оптические свойства полупроводников / А. А. Гиппиус, А. Н. Колесник // Дислокации и физические свойства полупроводников. Л.: Наука, 1967. С. 156–189.

8. Гаркавенко, А. С. О деградации полупроводниковых лазеров / А. С. Гаркавенко // Журнал радиосвязи, радиовещания и телевидения. 2000. Т. 21, № 1. С. 65–68.

9. Зеегер, К. Физика полупроводников / К. Зеегер. М.: Мир, 1977. 320 с.

10. Хирт, Дж. Теория дислокаций / Дж. Хирт, И. Лоте. М.: Атомиздат, 1972. 280 с.

11. Коттрел, А. Теория дислокаций / А. Коттрел. М.: Мир, 1969. 310 с.

12. Меламедов, М. М. Физические основы надежности / М. М. Меламедов. Л.: Энергия, 1970. 300 с.

13. Судзуки, Т. Динамика дислокаций и пластичность / Т. Судзуки, Х. Есинага, С. Такеути. М.: Мир, 1989. 320 с.