ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 79-84
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.373.8.4:538.375+535:621.373.8+535:621.375.8
ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗРЕШЕННЫЙ АНАЛИЗ КОНТАКТНЫХ
НАПРЯЖЕНИЙ В ЛИНЕЙКАХ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ДЕФОРМАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА
© 2014 г. А. В. Фомин, Е. В. Смирнов, А. В. Вязовцев, Н. И. Миловидов
РФЯЦ-ВНИИ технической физики им. академика Е.И. Забабахина Россия, 456770, Снежинск Челябинской обл., ул. Васильева, 13 E-mail: dep5@vniitf.ru Поступила в редакцию 21.11.2013 г. После доработки 18.02.2014 г.
Изложены методы экспериментальных исследований распределения напряжений в кристаллах полупроводниковых лазеров на основе эффекта деформационного потенциала. Приведены результаты разработки стенда и метода измерения пространственно-разрешенных спектров излучения линеек лазерных диодов в составе излучателей производства РФЯЦ-ВНИИТФ. Дана количественная оценка значений контактных напряжений в линейках лазерных диодов для нескольких вариантов материалов конструкций излучателей, различающихся своими физико-механическими характеристиками.
DOI: 10.7868/S0032816214060044
1. ВВЕДЕНИЕ
Основными задачами при разработке полупроводниковых лазерных излучателей (л.и.) являются увеличение выходной мощности излучения и повышение срока службы излучателя. Мировая практика показывает, что одной из важнейших причин деградации характеристик л.и. являются механические напряжения [1, 2].
Мощные л.и. в конструктивном отношении представляют собой сложные многослойные системы, состоящие из полупроводникового кристалла, электропроводящих и теплоотводящих элементов, диэлектрических слоев, существенно различающихся своими физико-механическими характеристиками [3].
Внутренние механические напряжения возникают в процессе эпитаксиального роста кристалла полупроводникового лазера из-за несовпадения периодов кристаллической решетки различных слоев гетероструктуры. В свою очередь контактные механические напряжения вызваны воздействием температуры на конструкцию л.и. в процессе производства [4, 5]. Причиной возникновения напряжений этого типа является различие коэффициентов термического линейного расширения (к.т.л.р.) материалов элементов, из которых состоит л.и. Такие напряжения присутствуют в виде остаточных, так как рассматриваемые элементы конструкции л.и. (теплоотвод, слой припоя, линейки лазерных диодов (л.л.д.)) имеют конечный предел текучести. Контактные напряжения вызывают ускоренную деградацию
полупроводникового кристалла за счет увеличения концентрации дефектов и роста сетки дислокаций в лазерном материале.
Анализ напряженно-деформированного состояния элементов л.и. представляет собой сложную задачу, поскольку, во-первых, расчетные модели не учитывают всех особенностей реальной конструкции, а во-вторых, свойства применяемых материалов (полупроводников, композитов, тонкопленочных припоев) всегда зависят от ряда технологических параметров. В связи с этим возрастает роль экспериментальных методов измерения механических напряжений в конструкции л.и.
2. МЕТОДЫ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗРЕШЕННОГО АНАЛИЗА
КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В Л.Л.Д.
Связь между механическими и электрическими свойствами полупроводников определяется так называемым эффектом деформационного потенциала. Кристаллическая решетка большинства полупроводников обладает кубической симметрией. Если полупроводник подвергнуть действию произвольной деформации, то его симметрия в общем случае понижается. Это приводит к смещению энергетических уровней полупроводника, перераспределению носителей заряда между ними и, в конечном счете, к изменению ширины запрещенной зоны, а также концентрации, эффективных масс и времени жизни носителей заряда.
Л.л.д.
[001]
/ --[110]
Выходное зеркало
Рис. 1. Ориентация л.л.д. относительно осей координат.
При анализе напряженно-деформированного состояния в смонтированных л.л.д. рассматриваются указанные выше механические напряжения двух типов: внутренние механические напряжения и контактные остаточные напряжения. Внутренние напряжения, возникающие при эпитак-сиальном росте лазерной структуры, по своей природе являются двухосными напряжениями, причем ехх = еуу = еш [6] (рис. 1). То же самое можно было бы сказать и о контактных напряжениях, возникающих при монтаже л.л.д. на тепло-отводящий элемент, однако, учитывая соотношение сторон л.л.д. (геометрические размеры Д х Ш х В: 10 х 1.5 х 0.12 мм), эти напряжения можно рассматривать как одноосные вдоль кристаллографического направления [110], т.е.
ехх ^ еуу [7].
Деформационно-индуцированные сдвиги подзон тяжелых и легких дырок валентной зоны и зоны проводимости для рассматриваемых одноосных и двухосных напряжений определяются как [8]:
^ЕШт(в)
о
-2аСи Си ± ЬСп + С
-а
Си
С11 - С12
± Ь
С11 С11 + 2С12
в; (1)
е, (2)
напряжений ~0.45% [9]. Внутренние двухосные напряжения предполагаются постоянными по всей длине л.л.д., т.е. одинаковыми для отдельных диодов в линейке. При этом после монтажа л.л.д. на теплоотводящий элемент имеет место градиент контактных механических напряжений по длине л.л.д., который оказывается тем значительнее, чем больше различаются к.т.л.р. теплоотво-дящего элемента и л.л.д.
Спектр электро- или фотолюминесценции является одной из характеристик, отражающих зонную структуру полупроводникового материала. Длина волны излучения, вызванного рекомбинацией электронно-дырочных пар, обратно пропорциональна разнице энергий между уровнями зоны проводимости и валентной зоны, т.е. энергии запрещенной зоны Е^.
Не
вЕ„
(3)
С11 + С12 2(С11 + С12)_ где а, Ь — потенциалы гидростатической и сдвиговой деформации соответственно; Су — упругие константы материала полупроводникового слоя; знак "+" соответствует энергии тяжелых дырок (НИ), знак "—" — энергии легких дырок (¡И); напряжения е соответствуют сумме внутренних ем и контактных еех, напряжений.
В исследуемых нами л.л.д. с длиной волны излучения 808 нм внутренние напряжения в основном определяются степенью рассогласования периодов кристаллических решеток слоя квантовой ямы 1п0.0^а0 86А10.06А и волноводных слоев Ga0.7A10.3As. Слой квантовой ямы в такой эпитак-сиальной структуре подвергнут воздействию остаточного двухосно-симметричного напряжения сжатия с типичной величиной остаточных
Таким образом, анализируя спектр излучения полупроводника, можно однозначно определить энергию оптических переходов, т.е. фактически энергию запрещенной зоны полупроводника в конкретной локализованной области. Так как под действием контактных напряжений за счет эффекта деформационного потенциала происходит изменение энергии межзонных переходов носителей заряда ЛЕ в соответствии с выражением (1), то это изменение можно однозначно отследить по сдвигу спектра излучения ЛХ. Ряд экспериментальных методов, в основе которых лежит принцип регистрации изменения длины волны излучения полупроводникового кристалла под действием внешних механических напряжений, носит название спектральная тензометрия. Данные методы можно классифицировать по типу исследуемого сигнала [10, 11]:
— спектроскопия спонтанной электролюминесценции — исследование спектров излучения лазера, работающего до пороговых значений токов накачки;
— спектроскопия вынужденной электролюминесценции — исследование лазерного излучения при работе лазера в импульсном режиме выше пороговых значений токов накачки;
— спектроскопия фотолюминесценции — исследование спектров межзонных переходов неосновных носителей заряда, генерируемых внешним лазерным излучением;
— фурье-спектроскопия фототоков — исследование спектральной зависимости амплитуды фототока неосновных носителей заряда, генерируемых внешним модулированным излучением.
Во всех методах спектральной тензометрии выполняется пространственно-разрешенный анализ спектров излучения, т.е. осуществляется сканирование оптической системой измеритель-
г
У
х
ного стенда по осям Х, Z(см. рис. 1) вдоль выходного зеркала л.л.д.
3. СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗРЕШЕННЫХ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
СМОНТИРОВАННЫХ Л.Л.Д.
В данной работе исследовались спектры излучения отдельных эмиттеров в л.л.д. при токах накачки выше пороговых на 20%. Для проведения измерений пространственного распределения длины волны и интенсивности излучения матрицы л.д. был спроектирован и собран измерительный стенд, блок-схема которого представлена на рис. 2.
Для фиксации оснастки с л.л.д. и корректировки ее пространственных координат была использована трехкоординатная микрометрическая подвижка 1 марки NanoMAX 313 фирмы Thorlabs. Угловая ориентация л.л.д. по вертикали обеспечивалась дополнительной двухкоординатной угловой подвижкой 2 — гониометром марки GN1 фирмы Thorlabs. Спектры излучения отдельных диодов л.л.д. измерялись с помощью волоконного многомодового объединителя 1 х 7 (4) марки ММ 715-125/.45 фирмы OFS с диаметром сердцевины 105 мкм, подключенного по обратной схеме, т.е. выходное волокно размещалось в непосредственной близости к выходному зеркалу сканируемой линейки л.д. для сбора излучения от отдельных диодов л.л.д. При этом одно из семи входных волокон было подключено к спектрометру 8 Wave Star фирмы Ophir, а остальные шесть — сопряжены с фотодиодом 7 марки ФД-7К и системой индикации значений фототока собственной разработки. Таким образом, применение волоконного объединителя позволило одновременно измерять спектр и интенсивность излучения отдельных диодов в л.л.д. Результаты измерений интенсивности излучения использовались для точного нахождения координат отдельного диода в л.л.д., при этом положение волокна задавалось по максимуму принимаемого фотодиодом сигнала. Это позволяло точно располагать входной торец оптоволоконного кабеля в поле светимости измеряемого диода.
Выходное волокно объединителя было закреплено на отдельной трехкоординатной микрометрической подвижке 5 марки NanoMAX 313 фирмы Thorlabs с целью его перемещения в ближнем поле излучения л.л.д. и сбора излучения от отдельных диодов в л.л.д. При этом вертикальное и горизонтальное перемещения оптоволокна вдоль выходного зеркала л.л.д. контролировались электронным микрометричес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.