Введение к работе
Актуальность темы
Разработка и производство широкополосных источников оптического излучения на основе полупроводниковых гетероэпитаскиальных структур является весьма актуальным и перспективным научно-техническим направлением в области создания твердотельных микроэлектронных устройств. Объектами исследования настоящей работы являются суперлюминесцентные диоды (СЛД) на основе гетероэпитаксиальных структур типа AlxGai-xAs/GaAs, излучающие в диапазоне длин волн 810...860 нм. Многослойная структура кристалла и конструкция СЛД аналогичны структуре и конструкции полупроводникового лазерного диода (ЛД) данного спектрального диапазона.
СЛД используются в качестве источников излучения в таких областях, как гироскопия, томография органических поверхностей, низко-когерентная интерферометрия, оптическая рефлектометрия, имеющих широкое применение в системах навигации, медицине, информационно-телекоммуникационных системах и производственном контроле различных изделий. При этом основным техническим требованием к СЛД, как источнику излучения, является обеспечение широкого спектра излучения при высокой оптической мощности излучения.
Важнейшим показателем СЛД является надежность в эксплуатации. Наиболее высокие требования по надежности предъявляются при использовании СЛД в составе датчиков в волоконно-оптических гироскопах. При этом требование к ресурсу работы СЛД составляет не менее 10 лет. При разработке первых СЛД предполагалось, что они должны обладать примерно таким же ресурсом, как и стандартные одномодовые лазеры с аналогичным уровнем оптической мощности, составляющей 5.10 мВт. Однако, несмотря на сходство механизмов деградации ЛД и СЛД, было установлено, что процессы дефектообразования, ответственные за спад мощности излучения СЛД в процессе его работы имеют ряд принципиальных отличий от ЛД [1]. Выходная плотность мощности, соответствующая порогу деградации, у СЛД заметно ниже, чем у ЛД, созданных на основе той же гетероструктуры и имеющих одинаковые конфигурации активных каналов. Это связано с тем, что из-за подавления положительной обратной связи в СЛД их внешняя квантовая эффективность меньше, чем у лазеров, поэтому в СЛД тот же уровень выходной мощности оптического излучения достигается при большем рабочем токе и большем разогреве активного элемента. Кроме того, распределение плотности фотонов и плотности тока инжекции вдоль активного канала в СЛД более неоднородно, чем в диодных лазерах. В однопроходном СЛД с однородным активным каналом это распределение минимально в его средней части и максимально на выходных гранях. Аналогичное распределение имеет и температурное поле в кристалле СЛД. В силу указанных особенностей ресурс СЛД оказывается в 2...3 раза меньше, чем у аналогичных по мощности лазерных диодов. Тем не менее, проблемы ресурса эксплуатации СЛД исследованы недостаточно. Обычно ресурс СЛД оценивается путем термоэлектрической тренировки (ТЭТ) приборов, а также непосредственно при испытаниях на ресурс в условиях, имитирующих эксплуатационные [5]. Полные ресурсные испытания являются трудоемкими, требуют значительных временных затрат и проводятся на относительно небольших репрезентативных выборочных партиях приборов.
Известен ряд методов радиационной технологической обработки (РТО), которые успешно апробированы и применяются для целенаправленного регулирования параметров дискретных и интегральных полупроводниковых структур (ПС), отбраковки и проведения ускоренных испытаний на завершающей стадии технологического цикла [2]. В основе методов радиационной отбраковки лежит облучение ПС малыми дозами гамма-квантов или потоками быстрых электронов, проведение последующего термического или токового отжига и контроль критериальных параметров. Такие виды воздействия являются неразрушающими, четко контролируемыми и в высшей степени воспроизводимыми.
В связи с этим, актуальной представляется задача экспериментального исследования изменения электрических и оптических параметров гетероструктур СЛД в широком диапазоне режимов операций облучения и разработки методики и оптимальных режимов радиационно- термической тренировки (РТТ) [3, 4], позволяющей сократить длительность технологических испытаний, выявить ПС со скрытыми технологическими дефектами и потенциально низким ресурсом, сократить длительность производства и снизить себестоимость. При этом, как правило, происходит нормализация основных параметров СЛД, снижающая их разброс.
Цель диссертационной работы
Разработать методику проведения РТТ и выявить оптимальные режимы и условия проведения радиационно-термической тренировки гетероэпитаксиальных структур СЛД с применением радиационного воздействия гамма-квантов и быстрых электронов с целью выявления структур со скрытыми технологическими дефектами.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие проблемы и задачи:
-
определить критериальные параметры, характеризующие функционирование СЛД;
-
установить закономерности изменения критериальных параметров СЛД на этапах
регламентных производственных испытаний;
-
исследовать динамику изменения критериальных параметров СЛД на этапах РТТ с
применением обработки гамма-квантами;
-
исследовать динамику изменения критериальных параметров СЛД на этапах РТТ с
применением обработки быстрыми электронами;
-
разработать методику и определить эффективные режимы проведения РТТ для
выявления СЛД со скрытыми технологическими дефектами.
Диссертационная работа, включая эксперименты по исследованию влияния радиационного воздействия на гетероэпитаксиальные структуры СЛД-380, была выполнена в лабораториях кафедры Полупроводниковой электроники и физики полупроводников (ППЭ и ФПП) НИТУ «МИСиС». Изготовление образцов, ресурсные испытания и измерение характеристик СЛД были проведены в специализированных лабораториях НИИ "Полюс" и ООО "Оптомодуль".
Новизна и научная ценность
Впервые установлены дозовые и потоковые зависимости изменения мощности оптического излучения СЛД на основе гетероэпитаксиальных структур AlxGai-xAs/GaAs с толщиной активной области 25 нм при воздействии облучения быстрыми электронами и гамма- квантами.
Впервые установлено, что повышение температуры стандартных производственных испытаний в допустимом диапазоне (25...70 оС) приводит к незначительному ускорению снижения мощности излучения СЛД и не позволяет сократить длительность испытаний.
Впервые установлено, что облучение структур СЛД гамма-квантами Со60 может приводить к росту темпа деградации мощности излучения потенциально ненадежных структур и к снижению темпа деградации потенциально надежных структур СЛД.
Впервые разработана методика и установлены эффективные режимы РТТ для выявления указанного класса СЛД со скрытыми технологическими дефектами.
Практическая ценность работы
Полученные в диссертационной работе результаты используются ООО "Суперлюминесцентные диоды" и ООО "Оптомодуль" при производстве светоизлучающих модулей типа SLD-37-MP/HP, SLD-38-MP/HP.
Проведение РТТ в разработанном режиме (Со60, Ey = 1,25 МэВ, Py = 82 Р/с, т = 92 час, Фу = 2,7107 Р, Т = 25оС) при производстве СЛД (до проведения дорогостоящих сборочных операций) позволило:
- сократить время приемо-сдаточных испытаний активных элементов СЛД в 4.5 раз;
-
выявить структуры со скрытыми технологическими дефектами, доля которых
составляла 18.. .20%;
-
замедлить темп снижения мощности потенциально надежных структур, прошедших
РТТ, на 7.10% и увеличить ресурс их работы на 400.1000 ч;
-
реализовать отбраковку гетероэпитаксиальных структур на уровне пластин путем
проведения «пробных сборок» активных элементов.
На защиту выносятся
Экспериментальные результаты по влиянию рабочей температуры (25...70С) структур СЛД на изменения мощности излучения.
Экспериментальные результаты по влиянию обработки гамма-квантами (Со60, 1,25 МэВ) и быстрыми электронами (6 МэВ) на основные электрофизические и ресурсные характеристики СЛД.
Методика и разработанные режимы проведения радиационной термической тренировки активных элементов СЛД с применением обработки гамма-квантами (Со60) для оперативного выявления структур со скрытыми технологическими дефектами.
Личный вклад автора
Автором лично определена идеология всей работы, сформулированы цель и задачи работы, осуществлена постановка теоретических и экспериментальных исследований и их практическая реализация, проведено обобщение представленных в диссертации результатов. Основные результаты работы получены и опубликованы в печати в соавторстве с сотрудниками НИТУ «МИСиС».
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на III Международной конференции по физике кристаллов "Кристаллофизика 21-го века" (г. Черноголовка, 2006 г.); ежегодной Всероссийской научно-технической конференции по радиационной стойкости электронных систем "Стойкость" (г. Лыткарино, 2004-2007 г.); 39-м Международном научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (2527 ноября 2008 г. Московский энергетический институт (ТУ), Кафедра полупроводниковой электроники). По результатам работы опубликовано 7 печатных работ
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 175 страниц, содержит 85 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 146 наименований.
