WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

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

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 образования «Московский государственный институт электроники и математики (Технический Университет)»

Защита диссертации состоится «18» июня 2012 г. в 16 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.157.06 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 Мирошникова И. Н.

д.т.н., профессор

ОБЩАЯ 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 AlxGa1-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 радиационнотермической 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 AlxGa1-xAs/GaAs с толщиной активной области 25 нм при воздействии облучения быстрыми электронами и гаммаквантами.

Впервые установлено, что повышение температуры стандартных производственных о 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 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, E = 1,25 МэВ, P = 82 Р/с, = 92 час, Ф = 2,7.107 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…70оС) структур СЛД на изменения мощности излучения.

Экспериментальные результаты по влиянию обработки гамма-квантами (Со60, 1,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.

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 (волоконно-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 снижения 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 AlGaAs/GaAs, выращенные 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 n+-GaAs (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 GaAs 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 AlGaAs/GaAs 1 – подложка n+GaAs; 2 – эмиттер n+Al0.5Ga0.5As:Si; 3 – волноводные слои Al0.4Ga0.6As, активный слой GaAs (в центре); 4 – эмиттер p+Al0.6Ga0.4As:Zn; 5 – ZnSe; 6 – омический контакт ZnNi,Ni,Mo; 7 –контактный слой Au 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 ZnSe (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-3представлен 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 оС.

Проведен расчет характеристик СЛД-380 (вольт-амперной и ватт-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 б Рисунок 2 – Внешний вид активного элемента СЛД-3с 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 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.

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 6мкм и 1000 мкм были определены коэффициенты ускорения для интервалов температур 25…о С и 25…70 оС, которые составили:

K600(T55,25) = 2,5; K600(T70,25) = 3,2; K1000(T55,25) = 2; K1000(T70,25) = 2,7.

На основе полученных коэффициентов ускорения выполнен расчет энергии активации деградационных процессов в структурах СЛД по закону Аррениуса (1) где Т1 – рабочая температура (в нашем случае 25оС); Т2 – температура испытаний (в нашем случае 55оС и 70оС).

Рассчитанные значения энергии активации для СЛД-380 с длиной резонатора 600_мкм и 1000 мкм составили, соответственно, Еа 600мкм = 0,20 эВ и Еа 1000мкм = 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 70оС, соответственно. Для СЛД с длиной резонатора 1000 мкм –93000, 46500 и 32000 ч при температурах 25, 55 и 70оС, соответственно.

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

Рисунок 4 – Диаграммы ватт-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 деградационных процессов в данных гетероструктурах и не позволяет сократить время испытаний. Плотность рабочего тока в активной области гетероструктур данного типа (рисунок 5) составляет около 5 кА/см2 (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.

Рисунок 5 Распределение плотности тока по длине резонатора СЛД Облучение структур проводили на установке МРХ--100 гамма-квантами Co60 E = 1,МэВ в диапазоне доз D = 106…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 2,7107 Р (рисунок 6).

Усреднение проведено по 20-ти облученным активным элементам СЛД 2,4x107 2,5x107 2,6x107 2,7x107 2,8x107 2,9x107 3,0x1Экспозиционная доза, Р Рисунок 6 Диаграмма поиска оптимальной экспозиционной дозы облучения структур СЛД-3С использованием оптимальной дозы облучения была проведена серия сравнительных экспериментов по контролю скорости спада мощности излучения СЛД до и после гаммаобработки на операциях ТЭТ и ресурсных испытаниях (рисунок 7, 8).

подвергшихся гамма-облучению, % Ср.спад мощности опт.излучения СЛД Рисунок 7 Зависимость мощности излучения контрольных образцов СЛД-3на 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.

Рисунок 8 Зависимость мощности излучения контрольных образцов СЛД-380на основе ГЭС V-640-1-1 от длительности работы после гамма-обработки в выбранном режиме (Со60, E = 1,МэВ, P = 82 Р/с, = 92 час, Ф = 2,7.107 Р, Т = 300 К).

Рисунок 9 Диаграммы распределения заряженных центров ND в активной области структур: – необлученного, 2 – облученного, 3 – необлученного и забракованного по результатам приемосдаточных испытаний; I – активная область (GaAs), II – волноводные слои (Al0.41Ga0.59As) 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 гаммаоблучения 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, Фe = 1014…1016 е/см2, e=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 – Ф1 = 3,6.1014 см–2; для второй партии – Ф2 = 1015 см–2; для третьей партии – Ф3 = 3.1015 см–2 и для четвертой партии – Ф4 = 4.1015 см–2.

После измерения мощности оптического излучения и спектральных характеристик облученных образцов была проведена термоэлектронная тренировка гетероструктур СЛД при токе накачки IСЛД = 140 мА и температуре стабилизации Т = 25 оС (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, e=2.75.1012 см-2.с-1), который составил Ф = 31015 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-3при стандартных производственных испытаниях в диапазоне температур 25…70оС позволило установить, что 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 K600мкм(T55,25) = 2,5, K600мкм(T70,25) = 3,2; K1000мкм(T55,25) = 2; K1000мкм(T70,25) = 2,7.

Энергия активации деградационного процесса: Еа 600мкм = 0,20 эВ, Еа 1000мкм = 0,27 эВ.

Рассчитано медианное время наработки СЛД при 25оС: t 600мкм ~ 40000 ч, t 1000мкм ~ 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 = 2,7107 Р (E = 1,25 МэВ, P = Р/с, = 92 час).

4. Разработан критерий отбраковки потенциально ненадежных структур, который соответствует 20% снижению мощности от исходного значения после облучения в выбранном режиме. Проведение РТТ в выбранном режиме (E = 1,25 МэВ, P = 82 Р/с, = 92 час, Ф = 2,7.107 Р, Т = 25оС) при производстве СЛД (до проведения дорогостоящих сборочных операций) позволило: сократить время приемо-сдаточных испытаний активных элементов СЛД (в 4–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 В.С., Горин Б.М., Данилин Н.С., Кив А.Е., Нуров Ю.Л., 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 В.С., 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 C., Simoen E. Radiation Effects in Advanced Semiconductor Materials and Devices // Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002.

11. Воронков Э.Н., Гуляев А.М., 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. 296-3Публикации по теме диссертации Статьи, входящие в перечень изданий, рекомендованных ВАК России:

1. Перевозчиков М.В., Ладыгин Е.А., Федотова Е.В. Радиационная отбраковка потенциальноненадежных 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 А.М. 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. Лобинцов А.А., Перевозчиков М.В., Шраменко М.В., Якубович С.Д., Узкополосные двухпроходные суперлюминесцентные диоды с длиной волны излучения 1060 нм // Квантовая электроника. 2009. 39. c. 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 суперлюминесцентных диодов на основе многослойных гетероструктур // Третья Международная конференция по физике кристаллов “Кристаллофизика 21-го века”.

2006. Секция III-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.369370.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.