Способ определения ресурса работы инжекционных лазеров

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<"1 753329

Своз Советских

Сонналистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 05.12.78 (21) 2691935/18-25 (51) M.Kë в H 01 $3/18 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 30.12.81. Бюллетень № 48 Госудорстееннык комитет

СССР

II0 делом изобретений и открытий (53) УДК 621.375.8 (088.8) (45) Дата опубликования описания 30.12.81 (72) Авторы

ызобретеяия 1О. В. Макрицкий, H. Д. Жуков и C. А. Сосновский (71) Заявитель Институт физики АН Белорусской- ССР (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА РАБОТЫ

ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРОВ

4 = кое постоянная; энергия активации, определяющая температурную чувствитель- ность механизма, ответственного за скорость старения инжекционных лазеров, постоянная Больцмана; абсолютная температура,где то—

Е,—

k—

Т—

Изобретение относится к области полупроводниковой квантовой электроники . и может быть использовано для прогнозирования ресурса работы инжекционных лазеров, в частности гетеоолазеров, и матриц на их основе.

Известен способ определения ресурса работы полупроводниковых компонентов, заключающийся в проведении ускоренных испытаний при повышенной температуре.

При этом способе образцы ставят на наработку при нескольких фиксированных температурах окружающей среды, например 40, 60, 90 С, по уменьшению мощности 15 генерируемого излучения, например, в 2 раза, определяют срок их службы. Зависи-, мость срока службы 1„от температуры окружающей среды аппроксимируется выра, жением 20 и определяют величину Е„. По формуле (1) пересчитывают срок службы испытанных образцов на температуру, при которой эксплуатируются остальные образцы данной партии. Ресурс работы принимают одинаковым для образцов всей партии и равным усредненному сроку службы испытанных образцов.

Известный спос66 не позволяет получать надежные данные для образцов, ресурс работы которых имеет значительный

-разброс.

:Наиболее близким. по технической сущности к предлагаемому является способ определения ресурса работы инжекционных лазеров. включающий ускоренные испытания при повышенной температуре, проводимые на нескольких образцах, произвольно выбранных из партии, и кратковременные испытания, проводимые на всех остальных образцах из партии с целью определения начальной относительной скорости старения, При ускоренных испытаниях образцы ставят на наработку при нескольких фиксированных температурах окружающей среды, например 40, 60, 90 С, по уменьшению мощности генерируемого излучения, например, в 2 раза, определяют срок их, службы. Зависимость срока службы от температуры окружающей среды аппроксичируют выражением (1) и определяют величину Е,.

Для определения начальной относительной скорости старения проводят кратковременные испытания, при которых ставят образцы на наработку и измеряют время, 753329

4 мости ресурса работы от частоты следования импульсов f; и — номер образца в партии.

Для 1 —,5 о/о образцов партии определяют усредненное значение срока их службы при

40 — 90 С, а ресурс работы определяется по формуле: в течение которого мощность генерируемого излучения уменьшается на 5 — 25О/О.

Ресурс работы для каждого образца из

10 партии рассчитывают по начальной относительной скорости его старения. По форму-, ле (1) пересчитывают ресурс работы на температуру, при которой эксплуатируются приборы.

Однако существующий способ не позволяет получить надежные данные, снижает на 5 — 25О/о ресурс работы инжекционных

- лазеров во время кратковременных испы таний и требует длительного времени испытаний, Целью изобретения является уменьшение времени испытаний, увеличение ресурса работы за счет отказа от проведения кратковременных испытаний по начальной скорости старения и повышение надежности прогноза.

Поставленная цель достигается тем, .что в известном способе, включающем опреде,ление энергии активации Е, по результатам ускоренных испытаний 3 — 6 образцов партии при нескольких фиксированных температурах окружающей среды, например 40, 60, 90 С, снимают зависимость мощности генерируемого излучения от, частоты следо : вания импульсов для всех образцов партии при изменении частоты следования импульсов от 10 кГц до значений, при которых мощность генерируемого излучения уменьшается на 5 — 25 /о, на этой частоте для

1 — 5 /о образцов определяют усредненное значение срока их службы, а ресурс работы определяют по формуле:

10 1000ьт)то 5ев (2) 45 а — ср

1 где t„ e ps50Tbt -ro образца при частоте следования импульсов f;

t,ð — УсРедненное значение сРока 50 службы для 1 — 5 /о образцов;

f„ — частота следования импульсов, при которой мощность генерируемого излучения уменьшается на 5 — 25%, 55

Tp — температура окружающей среды, К, Ьт — температура перегрева активной области при частоте следования f; 50

Е, — энергия активацйи, определенная из ускоренных испытаний при повышенной температур эВ;

F — безразмерная функция, учитывающая нелинейность завися- Я

fn

tn = F ср У.

f у 101000(лт /лто" + ьт) AT„ >) 5е где t,ð" — усредненное значение ресурса работы, экспериментально определенное для 1 — 5 /о образ-, цов при 40 — 90 С; ит* = т — т; то* — температура, при которой испытывались образцы.

Зависимость мощности генерируемого .излучения снимают до частоты следования импульсов, прй которой величина мощности уменьшается на 5 — 25 /о, поскольку, с одной стороны, необходимо с достаточной точностью зафиксировать уменьшение мощности, с другой — дальнейшее увеличение частоты, как правило, вызывает деградацию инжекционных лазеров.

Одной из причин, оказывающих существенпое влияние на скорость старения инжекционных лазеров, является взаимодействие генерируемого излучения и инжекти-. руемых носителей заряда с дефектами и неоднородностями, расположенными в канале генерации и на его границах. Это вэаимодействие приводит к возникновению неоднородного поля температур и соответственно к локальному изменению ширины запрещенной зоны, что увеличивает поглощение генерируемого излучения и скорость роста дефектов. Инжекционные лазеры, у которых неоднородности более эффективно взаимодействуют с генерируемым излучением, имеют более низкую частоту /„, при которой происходит уменьшение мощности излучения, например, на 20 /о. Скорость роста дефектов для различных образцов из партии при частоте /„как бы выравнивается, Вследствие этого, ресурс работы инжек. ционных лазеров из одной партии на частоте /„ будет одинаковым и равным среднему значению ресурса работы, определенному для i — 5 /о образцов,.

Формула (2) для определения ресурса работы /„инжекционных лазеров на частоте следования импульсов f учитывает зависимость ресурса 1„от величины f, импульсный нагрев активной области и температурную зависимость ресурса работы.

Пример. Испытания проводились на инжекционных лазерах с двойной гетероструктурой на основе GaAs — Al„Gai As при рабочем токе, в 2 — 3 раза превышающем пороговый, Ресурс работы определялся для двух партий инжекциоиных лазеров.

753329

Превышение над пороговым значением тока, раз

Амплитуда импульса тока

А № образцов

Частота следования импульсов, кl ц 11,1 № партии

28

17

17,5

16

;18

11

36,5

22

34

1

3

5

7

92

2,5

2,5

2,5

2,5

3

3 где

fn

То

ЬТ

Еа

11» фиг. 1 показаны зависимости HMнульсной мощности Р„от времени работы

, спитые при частоте следования импульсов, при которой импульсная мощность уменьшалась на 20%, для б инжекционных 5 лазеров, произвольно выбранных из 1 партии. Температура окружающей среды Та ——

=- 297 К.

Несмотря на то, что частота следования импульсов и начальная мощность генери- 10 руемого излучения были различны, ресурс, работы для образцов 1 — б оказался примерно одинаковым и равным 1,р — — 55 ч (ресурс работы определялся по началу быстрого уменьшения величины Р„). 15

На фиг. 2 приведены зависимости величины Р„от времени работы для инжекционных лазеров 11 партии (образцы 7 — 9), снятые при частоте следования импульсов, соответствующей уменьшению мощности 20 генерируемого излучения па 10%. Температура Т,*, при которой проводились испытания, была равна 313 К. Ресурс работы t,„ оказался равным 380 ч. В этом случае ре сурс работы определяли по формуле (3).

При этом значительно сокращается ,время испытаний.

Формула изобретения

1. Способ определения ресурса работы

:инжекционных лазеров, включающий опре.ление энергии активации Е, по результатам ускоренных испытаний нескольких образ,цов партии при фиксированных значениях температуры окружающей среды, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью сокращения времени испытаний, снимают зависимость мощности генерируемого излучения от частоты следования импульсов для всех образцов партии при изменении частоты- от

10 кГц до значений, при которых мощность генерируемого излучения уменьшается на

5 — 25%, на этой частоте для 1 — 5 ф образцов определяют усредненное значение сро:ка их службы и ресурс работы по формуле:

Р. Ь 10 1 0" 7 7о 57 -ь л= ср

Энергия активации Е„, опрсделсниая ич ускоренных испытаний при поиыпц иной температуре, была равна 0,16 и 0,23 эВ соответственно для I u 11 партий. Температура импульсного персгрева AT активной области рассчитывалась из условия, что уменьшение мощности генерируемого излучения на 1,2% соответствует повышспи.о температуры на 1 К.

Параметры инжекционных лазеров образцов 1 — 9 сведены в таблицу.

Ресурс работы для остальных образцов

1 и II партий рассчитывался на частоту

f = б кГц после определения величины при этом величина функции E принималась равной 1.

Использование предлагаемого способа определения ресурса работы инжекционных лазеров по сравнению с существующими способами значительно уменьшает время испытаний, увеличивает ресурс работы за счет отказа от проведения кратковременных испытаний и повышает надежность прогноза.

Параметры, при которых проводились испытания инжекционных лазеров. — ресурс работы t1-го образца при частоте следования импульсов; †.усредненное значение ресурса работы для 1 — 5% образцов; — частота следования импульсов, при которой мощность генерируемого излучения уменыыается на 5 — 25%; — температура окружающей среды; — превышение температуры перегрева активной области нри частоте 1„над температурой перегрева при частоте ; энергия активации, определяемая из ускоренных испытаний при повышенной температуре; безразмерный параметр, учитывающий нелинейность зависи,753329

Р», В

7îî

Фиг. 1

t, ч. мости ресурса работы от частоты f следования импульсов; п — номер образца в партии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для 1 — 5% образцов определяют. усредненные значения срока. их службы при 40 — 90 С.

3. Способ по п.п. 1, 2, о тл и ч а ющи йс я тем, что ресурс работы определяется по формуле:

fn

fn ср х

f у 101000(7 (7о + Т170 ) 5Ea где t,ð* — усредненное значение ресурса работы, экспериментально определенное для 1 — 5О О образцов при 40 — 90 С; .Лт* = Т.* — т,;

То* — температура, при которой испытывались 1 — 5О О образцов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Рейнольд. Тепловое старение полупроводниковых компонентов. ТИИЭР, 1974, т. 62, № 2, с. 105 — 119.

2. Kresel Н. et al. «Accelerated step15 temperaturu арчу of AI„Ga| ., As hetегоjunefion lasers diodes» Appl Phys Lett, 1978,.

v. 32, № 5, р. 305 †3 (прототип).

753329

®am

t, ч. г ап

Фиг. 2

Составитель С. Мухин

Техред 3. Тараиенко

Корректор С. Файн ;Редактор Т. Морозова

Тип. Харьк. фин. аред. <Патеюэ

ППП .Патент 3ан. Я3 Р -г 4

Заказ 27/30 . Изд. № 653 Тираж б34 Подписное

НПО сПоискэ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„д. 4/5