автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Применение радиационных методов отбраковки потенциально ненадежных гетероструктур в технологии производства суперлюминесцентных диодов

На Правах рукописи

\__/

0050451м

Перевозчиков Михаил Васильевич

ПРИМЕНЕНИЕ РАДИАЦИОННЫХ МЕТОДОВ ОТБРАКОВКИ ПОТЕНЦИАЛЬНО НЕНАДЕЖНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР В ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ДИОДОВ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

005045154

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» на кафедре «Полупроводниковая электроника и физика полупроводников»

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Лагов Петр Борисович Официальные оппоненты:

Лауреат Ленинской премии, Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор ведущий научный сотрудник ФГУП «18ЦНИИ» МО РФ Аладинский Владимир Константинович

кандидат технических наук, профессор

«Институт государственного управления, права и инновационных технологий» Чарыков Николай Андреевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образовати «Московский государственный институт электроники и математики (Технический Университет)»

Защита диссертации состоится «18» июня 2012 г. в 16 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.06 при Национальном исследовательском университете «Московский энергетический институт» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, корпус К, ауд. К-102.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт».

Автореферат разослан «_»_2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.06 д.т.н., профессор

ОП1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 А1хОаЬхА5/ОаА5, 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:

1) определить критериальные параметры, характеризующие функционирование СЛД;

2) установить закономерности изменения критериальных параметров СЛД на этапах

регламентных производственных испытаний;

3) исследовать динамику изменения критериальных параметров СЛД на этапах РТТ с

применением обработки гамма-квантами;

4) исследовать динамику изменения критериальных параметров СЛД на этапах РТТ с

применением обработки быстрыми электронами;

5) 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 °С) 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 непадежных 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, Е, = 1,25 МэВ, Рг = 82 Р/с, т = 92 час, фг = 2,7107 Р, Т = 25°С) при производстве СЛД (до проведения дорогостоящих сборочных операций) позволило:

- сократить время приемо-сдаточных испытаний активных элементов СЛД в 4...5 раз;

5

— 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...70°С) 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 ПИТУ «МИСиС».

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на Ш 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулированы цели диссертации, отражены научная новизна и практическая значимость полученных экспериментальных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние производства и эволюция развития суперлюминесцентных диодов (СЛД). Приведен обзор международного рынка основных типов СЛД. Проанализированы проблемы оптимизации мощностных и спектральных параметров СЛД в различных сферах применения. Рассмотрен принцип работы, технологические аспекты создания и основные типы конструкций СЛД. Особое внимание уделено рассмотрению физической природы скрытых дефектов в светоизлучающих структурах различных классов, механизмам отказов и обсуждению основной проблемы СЛД -необходимости увеличения медианного времени жизни приборов и ресурса работы.

Отмечено, что успешное применение СЛД в качестве источника излучения в ряде оптических систем (волоконпо-оптические датчики различных типов, включая гироскопы, системы томографии органических поверхностей, системы обнаружения газов и др.) обусловлено тем, что в СЛД удается одновременно реализовать широкий спектр излучения, характерный для полупроводниковых светодиодов (СД), а также высокую мощность и пространственную яркость излучения, характерные для ЛД.

Важнейшими характеристиками СЛД являются мощность оптического излучения, спектральная полоса излучения и медианное время жизни прибора. Поэтому наиболее важной задачей представляется увеличение медианного времени жизни СЛД без снижеши параметра мощности оптического излучения, а также прогнозирование медианного времени жизни.

Во второй главе приведен технологический процесс изготовления и основные характеристики экспериментальных образцов СЛД спектрального диапазона 810...860 нм. Рассмотрены особенности их конструкции, зонная диаграмма, принцип работы и области применения.

Экспериментальные структуры СЛД-380 представляют собой двойные гетероструктуры с разделенным ограничением АЮаАзЛлаАз, выращитые по МОС-гидридной технологии. Ограничение светового поля в таких многослойных полупроводниковых структурах происходит в диэлектрическом волноводе, а ограничение излучения в боковом направлении осуществляется за счет полоскового контакта, выполненного на узкой меза-полоске (рис. 1).

На полупроводниковой подложке п+-СаЛз (слой 1) располагается симметричная пятислойная гетероструктура, состоящая из двух сильнолегированных эмиттеров (слои 2 и 4) с концентрацией донорной и акцепторной легирующей примеси порядка 1018 см"3. Эмиттерные

слои имеют достаточно большие размеры для обеспечения высокого уровня инжекции во внутренний активный слой (слой 3). Активный слой - очень узкая область (20-25 нм), выращенная из нелегированного ОаАв с наименьшей из всех областей структуры шириной запрещенной зоны (1,42 эВ при 300 К).

В активном слое для носителей заряда образуется потенциальная яма, в которой формируется высокая концентрация носителей заряда, достаточная для того, чтобы уровень вынужденного излучения превысил поглощение, и возникло оптическое усиление. Между эмиттерами и активным слоем выращиваются волноводные слои, которые вместе с активным слоем образуют оптический волновод за счет более высокого показателя преломления, чем в эмиттерных областях.

Рисунок 1 - Структура СЛД на основе АЮаАз/ОаАв 1 - подложка п+ваАз; 2 - эмиттер п+А1о.50ао.:А5:8и 3 - волноводные слои Alo.4Gao.6As, активный слой ваАв (в центре); 4 - эмиттер р+АЬ.бОао.дАз^п; 5 - гпве; 6 - омический контакт 2п№,№,Мо; 7 -контактный слой Аи

Чтобы локализовать («запереть») излучение в наиболее узкой области и создать, тем самым, благоприятные условия для индуцированного излучения и генерации, в конструкции применяется узкая меза-полоска, формируемая с помощью «сухого» реактивного ионного травления. Остальная часть поверхности кристалла покрыта слоем гпве (слой 5). Таким образом, ток через СЛД идет только в узкой области под меза-полоской, что способствует созданию ограниченной в двух направлениях области генерации, а также оптического волновода за счет разницы в показателях преломления. В области, прилегающей к поверхности эмиттеров, создается область омического контакта (слой 6). Контактные поверхностные слои -гальванически осажденные слои золота, которые обеспечивают омический контакт с областью эмиттера и предотвращают появление выпрямляющего барьера. Средняя мощность излучения в свободное пространство СЛД-380 составляет 10 мВт. Внешний вид элемента СЛД-380 представлен на рис. 2.

В третьей главе представлена производственная методика термоэлектрической тренировки (ТЭТ) и результаты экспериментального исследования деградации мощностных характеристик образцов СЛД в диапазоне температур 25...70 °С.

Проведен расчет характеристик СЛД-380 (вольт-амперной и ватг-амперной характеристик, распределения носителей заряда по длине резонатора) с учетом конструкционно-технологических и электрофизических параметров по модели Ривлина Л.А., Семенова А.Т., Якубовича С.Д., разработанной для полосковых лазеров на основе гетероэпитаксиальных структур аналогичной конструкции [6].

а

Рисунок 2 - Внешний вид активного элемента СЛД-380 с длиной резонатора 600 мкм: а — вид сбоку, б — вид сверху

Для оценки качества изготовленных структур СЛД по действующей системе приемосдаточных испытаний изготовитель проводит квалификацию излучателей (измерение по нормам технических условий (ТУ) комплекса характеристик и параметров - ватт-амперных (ВтАХ), вольт-амперных (ВАХ), спектральных, мощностных и т.д.). Затем для выявления образцов со скрытыми технологическими и ростовыми дефектами все структуры, прошедшие квалификацию, подвергаются ТЭТ в течение 168 часов при соответствующих температуре и токе накачки (по ТУ). Мощность излучения измеряется каждые 24 часа. Для отбора потенциально ненадежных образцов используются следующие критерии: посуточные спады мощности должны составлять - за последние сутки не более 0,15 %, за последние двое суток не более 0,3 %, за последние трое суток не более 0,6 %. В свою очередь, образцы, показавшие за 7 суток спад по мощности более 10 % отбраковываются.

На рисунке 3 приведены обобщенные экспериментальные результаты влияния рабочей температуры на длительность основных этапов ТЭТ. Установлено, что увеличение рабочей температуры не приводит к существенному снижению длительности этапа приработки гетероструктур СЛД, и это особенно характерно для структур с длиной резонатора 1000 мкм.

9

JO .40 50

») <у>

Рисунок 3 - Зависимость длительности основных этапов ТЭТ от рабочей температуры: а - СЛД-380 с длиной резонатора 600 мкм; б - СЛД-380 с длиной резонатора 1000 мкм

На основе проведенных натурных испытаний ТЭТ СЛД-380 с длинами резонаторов 600 мкм и 1000 мкм были определены коэффициенты ускорения для интервалов температур 25...55 "С и 25... 70 °С, которые составили:

К6о(1Т55.25) = 2,5; К6оо(Т7о,25) = 3,2; Kmo(Ts5,25) = 2; K1000(T70,2S) = 2,7.

На основе полученных коэффициентов ускорения выполнен расчет энергии активации деградационных процессов в структурах СЛД по закону Аррениуса

= (i) rm(.J zJ

где T¡ - рабочая температура (в нашем случае 25°С); Т2 - температура испытаний (в нашем случае 55°С и 70°С).

Рассчитанные значения энергии активации для СЛД-380 с длиной резонатора 600 мкм и 1000 мкм составили, соответственно, Еа «ocw = 0,20 эВ и Еа ¡ооом ~ 0,27 эВ.

Исходя из распространенного критерия отказа, как спада выходной мощности оптического излучения на 50% при постоянном токе накачки диода, проведена расчетная оценка медианного времени жизни СЛД. Для СЛД с длиной резонатора 600 мкм расчетное медианное время жизни составило 40000, 16000 и 11000 ч при температурах 25, 55 и 70°С, соответственно. Для СЛД с длиной резонатора 1000 мкм -93000, 46500 и 32000 ч при температурах 25, 55 и 70°С, соответственно.

На рисунке 4 приведены расчеты ВтАХ СЛД спектральной области 810 нм, относящихся к средней (SLD-38-MP) и высокой (SLD-38-HP) категориям по мощности оптического излучения. С учетом геометрических и электрофизических параметров исследуемых структур получены распределения плотности тока в активной области, ватт-

амперные характеристики и изменения характеристик СДЦ при наличии обратной связи. Использованная модель построена на основе скоростных уравнений, описание которой дано в работе Ривлина Л.А., Семенова А.Т., Якубовича С.Д. [6].

i ! ; i 1 ■

■ - - z -\—i—7 í_ r i —t-

- j i : X -1-1-; ijf

:—¡— \ £ j

■ i : 5---L--j- ОЦ—,—,—,—,—rm y 3 I

! г , 0

/ ■ ,0 f

'Я

__

I, "А |,МА

а> 6)

Рисунок 4 - Диаграммы ватг-амперных характеристик СЛД-380: а - длина резонатора 1000 мкм: ■ - экспериментальные данные; 1,2- расчет; б - длина резонатора 600 мкм: ■ - экспериментальные данные; 1, 2 - расчет.

Результаты расчетов позволили заключить, что структуры СЛД с длиной резонатора 1000 мкм имеют более плавное распределение плотности носителей заряда вдоль резонатора по сравнению со структурами СЛД с длиной резонатора 600 мкм. Это также было подтверждено при расчете коэффициентов ускорения для резонаторов 600 и 1000 мкм. Повышение температуры в процессе ТЭТ не ведет к заметному ускорению детрадационных процессов в данных гетероструктурах и не позволяет сократить время испытаний. Плотность рабочего тока в активной области гетероструктур данного типа (рисунок 5) составляет около 5 кАУсм2 (в лазерах на основе гетероструктур с близкой выходной мощностью - менее 1 кА/см2).

Дальнейшее увеличение рабочего тока в процессе ТЭТ приводит к оптическому пробою, который проявляется в повреждении просветляющего покрытия со стороны излучающих граней СЛД, что не позволяет проводить ускоренные испытания за счет форсирования токового режима работы. В связи с этим перспективным представляется поиск новых эффективных методов для оперативной отбраковки структур СЛД.

В четвертой главе рассмотрены физические процессы, происходящие в структурах СЛД при воздействии гамма-квантов, и дано описание оборудования радиационной обработки. Особое внимание уделено разработке методики и режимов проведения радиационно-термической тренировки (РТТ) гетероструктур СЛД с применением тестового гамма-облучения. Установлен оптимальный уровень экспозиционной дозы, исследовано влияние тестового гамма-облучения на кинетику изменения мощности излучения структур при последующих ТЭТ и ресурсных испытаниях, проведена проверка эффективности разработанных режимов.

! ! о,г м а.е

Дотша, мм

Рисунок 5 - Распределение плотности тока по длине резонатора СЛД

Облучение структур проводили на установке МРХ-у-100 гамма-квантами Со60 Еу = 1,25 МэВ в диапазоне доз О, = 10б...9'107 Р. В ходе предварительных экспериментов была определена оптимальная доза облучения, обеспечивающая снижение мощности излучения структур СЛД на 5... 10 % и восстановление ее до исходного значения в процессе последующей ТЭТ. Значение оптимальной экспозиционной дозы гамма-облучения составило 2,7-107 Р (рисунок 6).

9 а

УЛУ'У/'/. Усреднение проведено по 20-ти облученным активным элементам СЛД

2,6x107 2.7x101 2,8x1 с' 2,9х107 3,0х10т Экспозиционная доза, Р

Рисунок 6 - Диаграмма поиска оптимальной экспозиционной дозы у-облучения структур СЛД-380

С использованием оптимальной дозы облучения была проведена серия сравнительных экспериментов по контролю скорости спада мощности излучения СЛД до и после гамма-обработки на операциях ТЭТ и ресурсных испытаниях (рисунок 7, 8).

0.95 -0,94 -0.93 -0.92 -1

24 40 72 96 120 144 163 192 216 240

t, Ч.

Рисунок 7 - Зависимость мощности излучения контрольных образцов СЛД-380 на основе ГЭС V-640-1 -1 от длительности работы

На основе полученных результатов разработана оперативная и эффективная методика выявления потенциально-ненадежных образцов СЛД, которая основана на использовании тестового гамма-облучения структур (методика РТТ). Эффективность указанной методики подтверждена результатами ТЭТ и ресурсных испытаний необлученных структур и структур СЛД, прошедших гамма-облучение.

Для исследования воздействия гамма-обработки на структуру СЛД-380 дополнительно был использован емкостной двухчастотный метод определения эффективной концентрации заряженных центров [7], с помощью которого были получены профили распределения эффективной концентрации заряженных центров в активной области облученных и необлученных образцов (рисунок 9, 10 и 11).

Из анализа рисунка следует, что у облученного образца внутри активной области значительно снизилась концентрация заряженных центров, что может свидетельствовать о возникновении временных (метастабильных) комплексов. Из профиля распределения заряженных центров в активной области образца, не прошедшего производственные приемосдаточные испытания, следует, что она характеризуется повышенной концентрацией центров безызлучательной рекомбинации.

ГЭС: V-640-1-1-1 L^-600 мкм Длительность тэт - 240 ч. Р ежим тэт: 140МА +25°С СЛД: suit.

-в-D09A-074 -î*-D10A-074 -<2*—D13A-D74 -0—DQ1B-074

-♦-D0ZB-074 -С?-D06B-074 -*-D 070-074-О-DQBH-074

Рисунок 8 - Зависимость мощности излучения контрольных образцов СЛД-380на основе ГЭС У-640-1-1 от длительности работы после гамма-обработки в выбранном режиме (Со60, Еу = 1,25 МэВ, Ру = 82 Р/с, т = 92 час, Фт = 2,7 107 Р, Т = 300К).

X нм

Рисунок 9 - Диаграммы распределения заряженных центров N0 в активной области структур: 1 - необлученного, 2 - облученного, 3 - необлученного и забракованного по результатам приемосдаточных испытаний; I — активная область (ОаАз), П - волноводные слои (Alo.41Gao.59As)

Рисунок 10 - Временные диаграммы изменения мощности оптического излучения СЛД, прошедших стандартный ТЭТ и РТТ: 1 - необлученного, 2 - облученного, 3 - необлученного и забракованного по итогам приемосдаточных испытаний, 4 - забракованного сразу после РТТ.

Рисунок 11 — РЭМ изображения активной области образцов 3 (а) и 4 (б) (см. рисунок 10)

Как известно, границы слоев гетероэпитаксиальной структуры имеют определенный рельеф и содержат основную часть технологических дефектов, приводящих к возникновению механических напряжений. Облучение гетероструктуры тестовой дозой гамма-квантов приводит к появлению в ней первичных радиационных дефектов, которые активно участвуют в достройке уже существующих дефектов структуры или их компенсации (аннигиляции) [2, 3, 9, 12]. Можно предположить, что потенциально ненадежные структуры содержат локальные скопления дефектов, которые при длительной работе или при воздействии тестового гамма-облучения достраиваются до кластеров, сравнимых по размеру с толщиной активной области, что приводит к резкому ускорению деградации структур. С другой стороны, снижение скорости деградации мощности излучения в потенциально надежных структурах после гамма-обработки обусловлено, возможно, релаксацией упругих напряжений и повышением степени однородности слоев многослойной гетероэпитаксиальной структуры, что хорошо согласуется с современными представлениями о радиационном дефектообразовании в полупроводниковых структурах [2, 3, 8 - 11].

Проведенные исследования показали эффективность применения гамма-обработки в разработанном режиме для выявления потенциально ненадежных гетероэпитаксиальных структур СЛД с размером активной области (~ 20 нм). При этом скорость снижения мощности излучения выявленных потенциально надежных структур уменьшилась по сравнению с исходными значениями, а потенциально ненадежных структур наоборот резко возросла.

Таким образом, представляется целесообразным использование гамма-облучения в составе метода радиационно-термической тренировки в производстве СЛД-приборов для оперативного выявления гетероэпитаксиальных структур со скрытыми технологическими дефектами, не выявляемых стандартным методом ТЭТ, а также для увеличения срока службы.

В пятой главе рассмотрены физические процессы, происходящие в гетероэпитаксиальных структурах излучающих диодов различных типов при воздействии высокоэнергетичных электронов, методика и оборудование радиационной обработки

экспериментальных образцов структур СЛД. Исследовано влияние высокоэнергетичных электронов в широком диапазоне потоков облучения (Ее = 5 МэВ, Ф„ = 1014...1016 е/см2, ср е=2.75 1012 см'2 с"1) на кинетику изменения мощности излучения структур в процессе ТЭТ.

Обработку исследуемых образцов СЛД высокоэнергетичными электронами проводили на линейном ускорителе "Электроника" ЭЛУ-6. Набранный образцами СЛД интегральный поток составил: для первой партии — Ф] = 3,6 1014 см-2; для второй партии - Фг = 1015 см"2; для третьей партии - Фз = 31015 см-2 и для четвертой партии - Ф<= 41015 см""2.

После измерения мощности оптического излучения и спектральных характеристик облученных образцов была проведена термоэлектронная тренировка гегероструктур СЛД при токе накачки 1слд= 140 мА и температуре стабилизации Т = 25 °С (рисунок 12).

В качестве критерия отказа облученных структур было принято снижение оптической мощности излучения образцов на 50 % от исходного значения. Это обусловлено тем, что именно этот критерий отказа принят при длительных ресурсных испытаниях СЛД. С использованием указанного критерия экспериментально установлен уровень радиационной стойкости исследуемых структур к воздействию быстрых электронов (Ее = 5 МэВ, (р е=2.75Т012 см"2 с"1), который составил Ф = 3-Ю15 см"2.

Рисунок 12 - Диаграммы изменения мощности СЛД-380: а- снижение мощности излучения по окончании ТЭТ от потока обучения быстрыми электронами; б - среднее восстановление мощности излучения в процессе ТЭТ от потока облучения.

Установлено, что после облучения структур СЛД потоком быстрых электронов, эквивалентным оптимальной экспозиционной дозе гамма-облучения, используемой для проведения отбраковки структур СЛД, не происходит восстановления мощности излучения до исходных значений в ходе операций РТТ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментальное исследование изменения мощности излучения структур СЛД-380 при стандартных производственных испытаниях в диапазоне температур 25...70°С позволило установить, тго повышение температуры испытаний в указанном диапазоне приводит к незначительному ускорению спада мощности излучения СЛД.

2. Проведен расчет и моделирование характеристик СЛД-380 (вольтамперной и ваттамперной характеристик, распределения носителей заряда по длине резонатора) с учетом кострукционно-технологических и электрофизических параметров, который позволил заключить, что повышение рабочей температуры производственных приемосдаточных испытаний не приводит к сильному снижению мощности в единицу времени. Коэффициент ускорения Ктмкя(Тц,25) = 2,5, К60(Ыкм(Т70,ц) = 3,2; Кюоом^Т:¡,2!) = 2; Кюоо^Туол) = 2,7. Энергия активации деградационного процесса: Еа томкм = 0,20 эВ, Е„ 1Шлm = 0,27 эВ. Рассчитано медианное время наработки СЛД при 25°С: t боомкм ~ 40000 ч, t юоомкм ~ 93000 ч.

3. Экспериментальное исследование влияния гамма-обработки на динамику изменения мощности излучения структур СЛД-380 позволило выбрать оптимальный режим облучения для проведения РТТ. Оптимальная доза облучения составила Ф = 2,7-107 Р (Еу= 1,25 МзВ, Рг= 82 Р/с, т = 92 час).

4. Разработан критерий отбраковки потенциально ненадежных структур, который соответствует 20% снижению мощности от исходного значения после облучения в выбранном режиме. Проведете РТТ в выбранном режиме (Е, = 1,25 МэВ, Рг = 82 Р/с, т = 92 час, Фт = 2,7 107 Р, Т = 25°С) 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 составляет (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.

5. Экспериментально исследовано влияние быстрых электронов на динамику изменения мощности излучения структур СЛД-380. Установлено значение потока быстрых электронов, при котором происходит снижение основного критериального параметра — мощности оптического излучения на 50%, характеризующего радиационную стойкость структур СЛД-380.

6. Установлено, что после облучения структур СЛД потоком быстрых электронов, эквивалентным оптимальной экспозиционной дозе гамма-облучения, используемой для проведения отбраковки структур СЛД, не происходит восстановления мощности излучения до исходных значений в ходе операций РТТ.

Список цитируемой литературы

1. Alphonse G.A. Design of high power superluminescent diodes with low spectral modulation // Proceedings of SPIE 2002. Vol. 4648. P. 125.

2. Вавилов B.C., Горин Б.М., Данилин H.C., Кив A.E., Нуров ЮЛ., Шаховцов В.И. Радиационные методы в твердотельной электронике.-М.: Радио и связь, 1990.

3. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники. / Под редакцией Ладыгина Е.А. -М.: Сов. радио, 1980.

4. Ладыгин Е.А. Обеспечение надежности электронных компонентов космических аппаратов — М.: МИСиС, 2003.

5. Лобинцов П.А., Мамедов Д.С., Якубович С.Д. Ресурсные испытания суперлюминесцентных диодов // Квантовая электроника. 2006. №2. С. 111 -113.

6. Ривлин Л.А., Семенов А.Т., Якубович С.Д. Динамика и спектры излучения полупроводниковых лазеров - М.: Радио и связь. 1983.

7. Горюнов Н.Н., Маняхин Ф.И., Осипов Р.Ю. // Информ. технологии и проектирование в производстве. 1997. №2. - С. 51-55.

8. Маняхин Ф.И. // Известия ВУЗов. Материалы электронной техники. 1998. №1. — С. 63-69.

8. Вавилов B.C., Кив А.Е., Ниязова О.Р. Механизмы образования и миграции дефектов в полупроводниках.-М.: Наука, 1981.

9. Перевозчиков М.В., Ладыгин Е.А., Лагов П.Б. Применение тестового гамма-облучения для отбраковки потенциально ненадежных гетероэпитаксиальных структур AlGaAs/GaAs // Известия ВУЗов. Материалы электронной техники. 2007 №3. С. 42-45.

10. Claeys С., Simoen Е. Radiation Effects in Advanced Semiconductor Materials and Devices // Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002.

11. Воронков Э.Н., Гуляев A.M., Мирошникова И.Н., Чарыков Н.А. Твердотельная электроника. -М.: Академия, 2009.

12. Johnston A. Reliability and radiation effects in compound Semiconductors // World scientific publishing Hackensack NJ 2010. P. 296-302

Публикации по теме диссертации

Статьи, входящие в перечень изданий, рекомендованных ВАК России:

1. Перевозчиков М.В., Ладыгин ЕЛ., Федотова Е.В. Радиационная отбраковка потенциально-ненадежных суперлюминесцентных диодов с применением тестового гамма-облучения // Вопросы атомной науки и техники. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2006, Выпуск 1-2, с. 117-118.

2. Перевозчиков М.В., Ладыгин Е.А., Федотова Е.В. Радиационная стойкость излучающих диодов к воздействию потока быстрых электронов // Вопросы атомной науки и техники. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2006, Вып. 1-2, с. 119120.

3. Перевозчиков М.В., Ладыгин Е.А., Лагов П.Б. Применение тестового гамма-облучения для отбраковки потенциально ненадежных гетероэпитаксиальных структур AlGaAs/GaAs // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2007. №3. С. 42-45.

4. Перевозчиков М.В., Лагов П.Б., Мусалитин A.M. Исследование технологических дефектов в активной области гетероструктур на основе AlGaAs/GaAs при производстве суперлюминесцентного диода // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2009. №3.. С. 39-43.

5. Лобшщов А Л., Перевозчиков М.В., Шраменко М.В., Якубович С.Д., Узкополосные двухпроходные суперлюмипесценпше диоды с длиной волны излучешм 1060 нм // Квантовая электроника. 2009. 39. с. 793-796.

Другие статьи и публикации в материалах и трудах конференций:

6. Перевозчиков М.В., Ладыгин Е.А., Федотова Е.В. Влияние гамма-облучения на характеристики суперлюминесцетгшых диодов на основе многослойных гетероструктур // Третья Международная конференция по физике кристаллов "Кристаллофизика 21-го века". 2006. Секция Ш-b, с.366-368.

7. Перевозчиков М.В., Ладыгин Е.А., Федотова Е.В. Влияние быстрых электронов на мощностные характеристики суперлюминесцентных диодов // Третья Международная конференция по физике кристаллов "Кристаллофизика 21-го века". 2006. Секция III-b, с.369-370.

Подписано в печать Ю< Oh'X 0 Зак. W-1) Тир. ■¡DO П.л.

Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/3921

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МИСиС»

На правах рукописи

ПЕРЕВОЗЧИКОВ МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК:

ПРИМЕНЕНИЕ РАДИАЦИОННЫХ МЕТОДОВ ОТБРАКОВКИ ПОТЕНЦИАЛЬНО НЕНАДЕЖНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР В ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ДИОДОВ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро-

и наноэлектроника на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент Лагов Петр Борисович

Москва - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................4

ГЛАВА I. Общая характеристика суперлюминесцентных диодов на основе AlGaAs/GaAs. ..10

1.1 Эволюция развития суперлюминесцентных диодов..............................10

1.2 Принцип работы суперлюминесцентных диодов..................................15

1.3 Спектральные характеристики суперлюминесцентных диодов................23

1.4 Технологические аспекты создания и основные типы конструкций..........27

1.5 Физическая природа скрытых дефектов в светоизлучающих структурах различных классов.........................................................................33

1.6 Механизмы отказов и ресурс работы................................................41

1.7 Постановка задач исследований......................................................50

ГЛАВА II. Технология изготовления и основные характеристики экспериментальных образцов СЛД спектрального диапазона 810-860 нм...................................................53

2.1 Особенности конструкции, зонная диаграмма и принцип работы................53

2.2 Технологический процесс создания СЛД..............................................59

2.3 Области применения СЛД спектрального диапазона 810-860 нм................70

ГЛАВА III. Исследование деградации мощностных характеристик СЛД в диапазоне температур 25... 70 °С..........................................................................................79

3.1 Методика проведения термоэлектронной тренировки СЛД.....................79

3.2 Деградация мощности оптического излучения СЛД спектрального диапазона 810-860 нм при различных температурах...................................84

3.3 Математическое моделирование основных характеристик СЛД спектрального диапазона 810-860 нм......................................................92

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СТРУКТУРУ СЛД у-ОБЛУЧЕНИЯ........................................................................103

4.1 Воздействие гамма-квантов на излучающие диоды на основе гетероэпитаксиальных структур..........................................................103

4.2 Методика и оборудование радиационной обработки гамма-электронами...................................................................................110

4.3 Метод проведения радиационно-термической тренировки (РТТ) с помощью тестового у-облучения......................................................................118

4.3.1 Установление уровня экспозиционной дозы у-облучения..........118

4.3.2 Влияние тестового у-облучения на кинетику изменения мощности излучения при ТЭТ и ресурсных испытаниях.................................121

4.3.3 Проверка эффективности метода тестового у-облучения............125

ГЛАВА V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ВОЗДЕЙСТВИЮ НА СЛД ОБЛУЧЕНИЯ БЫСТРЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ................................................135

5.1 Воздействие быстрых электронов на излучающие диоды на основе гетероэпитаксиальных структур..........................................................135

5.2 Методика и оборудование радиационной обработки высокоэнергетическими электронами...................................................................................141

5.3 Оценка влияния облучения быстрыми электронами на эксплуатационные характеристики СЛД.........................................................................147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................158

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................162

ВВЕДЕНИЕ

Суперлюминесцентные диоды (СЛД) в настоящее время находят все большее применение в различных областях науки и техники. Они используются в качестве источников излучения в таких областях как гироскопия, томография органических поверхностей, низко-когерентная интерферометрия, оптическая рефлектометрия. При этом основным требованием к источнику излучения является совмещение высокой яркости и широкого спектра излучения.

СЛД, как источник широкополосного источника излучения, являются серьёзным конкурентом полупроводниковым светодиодам благодаря возможности достижения высоких уровней мощности излучения. В дополнение к указанному, они, как и лазерные диоды (ЛД), позволяют эффективно вводить излучение в оптическое волокно. Полупроводниковые СЛД, совмещающие в себе ряд достоинств инжекционных лазеров и светодиодов, являются безрезонаторными лазерными диодами, работающими в непрерывном режиме как усилители бегущей волны. Основное отличие СЛД от лазерных диодов заключается в том, что структура СЛД обеспечивает надежное подавление обратной связи по излучению. Это обеспечивает максимальное снижение доли излучения, отражающейся в усиливающий канал на его торцах. Таким образом, СЛД - это источники, характеризующиеся широким оптическим спектром и высокой выходной мощностью, сравнимой с лазерными диодами.

При использовании СЛД в различных отраслях техники одним из важнейших их показателей является надежность в эксплуатации. Так, например, при использовании СЛД в составе датчиков в волоконно-оптических гироскопах, к ним предъявляется достаточно высокие требования по надежности. В первую очередь, это требование к ресурсу работы - не менее 12 лет. Предполагалось, что СЛД должны обладать примерно таким же ресурсом, как и стандартные одномодовые ЛД с аналогичным уровнем оптической мощности, составляющей 5-10 мВт. Несмотря на то, что механизмы деградации

4

ЛД и СЛД практически одинаковы, СЛД имеет целый ряд принципиальных отличий от ЛД. Выходная плотность мощности, соответствующая порогу деградации, у СЛД заметно ниже, чем у диодных лазеров, созданных на основе той же гетероструктуры и при одинаковых конфигурациях 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. Ресурс СЛД в производственном процессе оценивается посредством термоэлектронной тренировки (ТЭТ) приборов, а также непосредственно при испытаниях на ресурс в условиях, имитирующих эксплуатационные. Ресурсные испытания, однако, являются достаточно трудоемкими и требуют значительных временных затрат.

Радиационный технологический процесс (РТП), состоящий из последовательных операций облучения высокоэнергетичными электронами и термического отжига, в последние годы находит все более широкое применение в технологии различных изделий полупроводниковой электроники. Зачастую РТП используется как безальтернативный способ обеспечения заданных импульсно-частотных характеристик приборов, а также регулирования их статических параметров. Этот процесс основан на введении в активные области приборов высокостабильных глубоких радиационных центров (РЦ), которые действуют в полупроводниках подобно донорам, акцепторам и глубоким рекомбинационным центрам, имеющим химическую

природу. Облучение можно расценивать как "радиационное легирование" полупроводниковых материалов, поскольку введение РЦ в кристаллическую решетку полупроводника приводит к изменению времени жизни, концентрации и подвижности свободных носителей заряда вследствие их генерации или захвата на локальные энергетические уровни РЦ. При достаточно высоких концентрациях РЦ электрофизические свойства материалов и приборов определяются процессами взаимодействия свободных носителей заряда с этими центрами. Таким образом, с помощью облучения можно определенным образом изменять электрофизические параметры полупроводника, в первую очередь -время жизни неосновных носителей заряда т.; при больших интегральных потоках - концентрацию п и подвижность свободных носителей /л. Заметим здесь, что суммарным эффектом от изменения п и /л является изменение удельного сопротивления р.

В настоящей работе радиационнотермическая тренировка (РТТ) при помощи облучения СЛД высокоэнергетичными электронами используется с целью изучения воздействия данного вида облучения на кинетику деградации и оценки уровня радиационной стойкости СЛД. РТТ посредством тестового гамма-облучения используется с целью улучшения ресурсных характеристик СЛД. Гамма-облучение, является достаточно мягким видом воздействия на механически-напряженную структуру активного элемента СЛД, по сравнению с облучением высокоэнергетичными электронами, протонами и нейтронами. Одним из результатов воздействия гамма-облучения является частичное снятие механических напряжений в структуре активного элемента СЛД, приобретенных им во время предыдущих технологических процессов. Основные преимущества РТТ заключаются в том, что, во-первых, он проводится в конце технологического цикла, когда никакие из существующих методов уже не могут быть использованы, во-вторых, введение РЦ обусловлено "холодным" массопереносом, что не приводит к размытию диффузионных и имплантационных профилей основных легирующих примесей.

Радиационный технологический процесс применительно к приборам на основе СЛД находится в стадии исследования. В связи с этим представляется актуальной задача исследования изменения основных электрофизических параметров полупроводниковых приборов на основе СЛД с использованием операций облучения и последующего термического отжига. По нашему мнению это позволит обоснованно выбрать оптимальные режимы РТП и радиационнотермической тренировки (РТТ), способные значительно улучшить параметры суперлюминесцентных диодов и повысить их ресурс.

Цель диссертационной работы - разработать условия проведения операций радиационного технологического процесса для их использования в производстве СЛД с целью оперативного выявления в них технологических дефектов и улучшения их электрооптических параметров.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1) установить закономерности деградации основных электронных и оптических параметров СЛД на отдельных этапах ресурсных испытаний;

2) исследовать кинетику деградации электрофизических характеристик СЛД после радиационно-термической тренировки путем воздействия у-облучения и облучения быстрыми электронами;

3) выработать режимы проведения радиационно-термической тренировки для выявления СЛД со скрытыми технологическими дефектами и оценки ресурса работы СЛД.

Новизна и научная ценность работы состоит в следующем:

- установлены закономерности изменения мощности оптического излучения в процессе термоэлектронной тренировки СЛД с длиной резонаторов Ь=600 и 1000 мкм при температурах Т=25; 55; 70°С и базе испытаний 10000 час;

- установлены закономерности изменения электронных и оптических характеристик СЛД с длиной резонаторов L=600 и 800 мкм после радиационного у-облучения и проведена термоэлектронная тренировка при температурах Т=25; 55°С и базе испытаний 1000 час;

- установлены закономерности изменения электронных и оптических характеристик СЛД с длиной резонаторов L=600 и 1000 мкм после облучения быстрыми электронами и проведена термоэлектронная тренировка при температурах Т=25°С и базе испытаний 600 час;

- на основании исследования кинетики деградации подвергшихся гамма-облучению СЛД показано, что значительное уменьшение концентрации радиационных центров происходит по окончании 1000 часового ТЭТ в режиме 1Слд=140мА, Т=25°С.

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:

- экспериментальные исследования воздействия гамма-облучения (Со60) (до экспозиционной дозы 2,76-107 Р) на электрофизические и оптические характеристики полупроводниковых суперлюминесцентных диодов спектральной области 810 нм;

- экспериментальные исследования воздействия быстрых электронов (6 МэВ) на электрофизические и оптические характеристики полупроводниковых суперлюминесцентных диодов спектральной области 810 нм;

- экспериментальная оценка радиационной стойкости излучателей типа SLD-37-МР/НР, SLD-38-MP/HP к воздействию потока быстрых электронов (6 МэВ) по изменению основного критериального параметра - мощности излучения.

- Методику оперативной отбраковки приборов из поставляемых партий с аномальной деградацией мощности излучения посредством гамма-облучения (Со60);

- установлено, что применение РТП посредством гамма-облучения (Со60) (до экспозиционной дозы 2,76-107 Р) в технологии производства СЛД спектральной области 810 нм ведет к улучшению ресурсных характеристик приборов на его основе;

- разработана методика выявления СЛД со скрытыми технологическими дефектами посредством тестового у-облучения.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1) Экспериментальные результаты по влиянию радиационного технологического процесса с использованием гамма-облучения и высокоэнергетичных электронов на основные электрофизические и ресурсные характеристики СЛД и разработанные на их основе режимы радиационной термической тренировки.

2) Разработанные режимы проведения радиационной термической тренировки, основанные на тестовом гамма-облучении (Со60), с целью оперативного выявления в активных элементах СЛД скрытых технологических дефектов.

Диссертационная работа выполнена в лабораториях кафедры ППЭ и ФПП МГИСиС в 2002-2008 гг. Эксперименты по изучению радиационного воздействия на структуру СЛД проводились лабораториях кафедры Полупроводниковой электроники и физики полупроводников МИСиС. Ресурсные испытания с определением характеристик СЛД проводились в лабораториях НИИ "Полюс" и ООО "Оптомодуль". Автор выражает глубокую признательность научному руководителю - профессору, доктору технических наук Е.А. Ладыгину за постоянное внимание к данной работе, старшему научному сотруднику A.M. Мусалитину - за помощь в проведении экспериментов.

ГЛАВА I. Общая характеристика су пер люминесцентных диодов на основе АЮаАв/ОаАз

1.1 Эволюция развития суперлюминесцентных диодов

Суперлюминесцентные диоды (СЛД), совмещающие в себе ряд достоинств инжекционных лазеров и светодиодов, являются оптимальными источниками излучения для ряда практических применений. Это, в первую очередь, волоконно-оптические датчики различных типов, включая гироскопы, системы томографии органических поверхностей, системы обнаружения газов, и др. Другая область применения СЛД - оптическая когерентная томография сверхвысокого разрешения. СЛД перспективны также для применения в оптических линиях связи с повышенными требованиями к амплитудным шумам передатчиков. Успешное применение СЛД в качестве источника излучения в указанных выше системах обусловлено тем, что в СЛД удается одновременно реализовать широкий спектр излучения, характерный для полупроводниковых светодиодов (СД) и высокую мощность и пространственную яркость излучения, характерную для лазерных диодов (ЛД).

Как известно, излучательная рекомбинация в полупроводниках приводит к спонтанному испусканию света. Это излучение может в дальнейшем или поглотиться в объёме полупроводника, или же инициировать последующие излучательные переходы и таким образом усилить себя. Последнее возможно при условии преобладания процессов вынужденного излучения над процессами поглощения. Это, в свою очередь, происходит, когда полупроводниковый оптоэлектронный прибор обладает волноводными свойствами. Иными словами, канал распространения света имеет такую конфигурацию и обладает такими физическими свойствами, при которых создавались бы условия для распространения и усиления излучения в канале и при которых достигался бы минимум потерь излучения, связанных с его выходом из канала. Также необходимо, чтобы полупроводниковый оптоэлектронный прибор накачивался достаточно большим током для создания инверсной населённости уровней

энергии в зоне проводимости и в валентной зоне. Так, для получения лазерного эффекта, необходимо излучение, образующееся при накачке прибора прямым током инжекции, не ниже порогов�