半导体激光器结电压饱和特性及其与器件可靠性的关系.doc

半导体激光器结电压饱和特性及其与器件可靠性的关系出半导体激光器的结电压饱和特性•我们由等效电路给出的电导数方程岀发,用迭代法计算了一些参数对结电压饱和行为的影 响,并进行了模拟测量，从实验上研究了器件克靠性与结电压饱和特性的联系.1结电压饱和行为及电导数曲线半导体激光器在受激发射时，由于电子和空穴的高速率复合,使准费 米能级的位置不随注入电流而变化,结电压为常数，这种现象称为结电压饱和•这种特性 可以从半导体激光器的电导数（，〜,）测量曲线上清楚地看到,导数曲线在闽值电流处明显 下沉.通常,半导体激光器可用图1所示的电路来等效.图1中有三个路径•路径1相当于理想的激光二极管f为线性电阻，其阻值相当于与结■相串接的接触电阻和体电阻之和•由于结盹具有结电压饱利特性，我们使其与一个稳压管相并联•路径2为线性电阻与非线性电阻H1：组成的非线性电阻路径，它与理想激光二极管路径相并联•路径3是s与理想激光二极管相并联的线性电阻路径•这样，就较全面地描述了实际的半导体激光器内部结构及电流分配情况•应用经典的二极管方程，通过PN结的电流可写为图1半导体激光器的等效电路.(exp 一 1),0式中为加在结上的电压,m为结的特征参量,i・为结的反向饱和电流, 为流过结的电流，通常《•由图1的等效电路可以得到收稽日期1992703? 19t吉#省科委，国隶自然科学基金垂资助课题53dV_[(h+(警 h,当，<III;(1.2)dV+(+)・+］〜，当,>；,时,(1・3)式中V为加在激光器上的电压,，为流过激光器的总电流,，为激光器 的闰值电流•比照(1.2).(1.3)式可以看出，在激光器驱动电流大于激光器的阀值电流时, 少了 m〜kT/(,)项.这是结电压饱和所致.由公式(1.2)和(1.3),甩迭代法可计算出电阻r„rz,n对激光器结电压饱 和特性的影响，它们与下沉台阶大小的关系如图2所示•计算时取一0.97V.L二 6.68xl0,h —1.4X10.T —248K3+算「3的影响时取fl 一『一 3Q｝计算2的影响时 取 rl 一 3Q,ra 一 30Q；计算「的影响时取一 2Q,r|- 30Q•由图2可见,串联线性电阻变大, 下沉台阶变小；并联线性电阻变小,下沉台阶变大•模拟镇I量得到的规律性与计算 结果相同(如图3所示).m和的大小对下沉台阶也有影响,计算结果如图所示.图2与下沉台阶大小的关系翦毒图3激光器与电阻串联或并联时的电导敦曲线]-LD,击LD与50o电阻并联3-LD与1 口电阻串联10 — 1010 —.10 —.h(A)图4m和•对台阶大小的影响上述理论计算和模拟测量结果表明，半导体激光器的结电压饱和特 性受多种因素的影响•实际上，正是由于它受其结构参数，材科参数以及工艺分散性等诸 述多种因素的影响・(1・4)式中,若第一项为零，则下沉为,/g,即为理想情 况；第一项小于第二项•有下沉，但比理想情况下的要小｝若第一项与第 二项相等，则无下沉;若54——第一项大于第二项，则阈值后比阈值前的电导数曲线有上升 我们对国内一些单位研制的(三元系和四 元系)激光器进行了电导数测试，发现有一些 器件在电导数曲线上看不到明显的下沉•若用 变相管观察这些器件，可以看到明显的受激干 涉条纹;绘制出的功率一电流曲线有明显的拐 点;发射光谱是受激谱;有的器件出现瞬值后 上升，如图5中6所示•有的器件的电导数曲 线在阈值后曲线弯曲，如图5中3所示，这可 能是由于载流子泄漏随电流加大，限制层电阻 变小，呈现非线性电阻特性所致•在测量中发 现，有的器件出现一个以上的下沉点，如图5 中5所示，这可能是有源区不均匀，一部分区 域先满足受激条件，另一些区域后满足受激条图5几种电导数的测量曲线】•正常12•无下概｛3•下沉之后弯曲4•台阶很小F5•两十下沉点F6•上升艇件,相当于两个或多个有源区相并联我In用两个闭值不同的激光器 相并联来摸拟这种情况,确实得到两个下沉点•如果激光器与一个非线性电阻相串接（对一 个实际激光器可能接触处不是好的欧姆接触，或与结有串接的非线性电阻）,它的电压饱和 特性也变得不明显，我们把激光器与一个二极管相串接，在导数嚏线上看不到下沉，如图3 中4所示.2器件的可靠性实验我们对16支双异质结半导体激光器进行了老化实验;在室温下加1.1 倍阈值，累积老化100h.将输出光功率降到初始值的70定义为器件失效•在电老化前 后及过程中对器件进行了较全面的测量，变温测量了它们的电导数曲线和光功率曲线，给 出阈值，结特征参量，特征温度，结电压饱和情况等，同时测试它们的热阻•实验发现，随着 温度的升高，下沉台阶变小，从对应测量的光功率和电流曲线看,量子效率变低（如图6所示）•在电老化前后，有的器件输出光功率稳定，其电导数曲线的下沉台阶基本不变,其阔值 和量了效率也基本无变化（如图7所示）•有的器件，电老化前后，输出光功率变化明显,其电导 数曲线的下沉由有到无•从光功率电流曲线看，外微分量子效率和阈值有明显变化（如图8J行示）.16支器件中有7支失效，其中有5支器件电导数曲线无明显下沉点,占失效器件的70以上，这5支器件寿命全不超过100h・综上所述,通过理论计算和模拟测量可知,串联线性和非线性电阻的存在都可使结的电压饱和特性变差甚至观察不到•并联非线性电阻也是使电压饱和特性变差的重要因素•它们都对激光器的特性，特别是激光器的可辜性有重要影响我们的实验表明，结电压饱和特性不好的器件也是可靠性很差的器件.这给出用检查器件饱和特性来检验器件可靠性的途糊出2q406OJ(mA)国6不同温度下的电导敷曲线及对应的光功率一电硫曲线1 ?124 C 1223 Cj3?27?B C，432 C55径•为提高器件可靠性及性能，还要研究引起影响结电压饱和特性的 因素.谢岳糕1图7输出光功率无明显变化器件的电导数曲线及相应的曲线}图8输出光功率明显变化的器件的电导数曲线及相应的,1自线对高鼎三教授对此项工作的关注和鼓励f郭建•},韩廿•}进ony.P.J..Schumaker,N.E.,脚 F 蕊 DeviceLeUer, 1980;EDL-1:59Junction VoltageSaturationCharacteristicandReliabilityintheSemiconductorLa.〜1，SShiJiawei.JinEnshun（h4.0?删飞Nat/〜/■〜If,JOiMu嘶娜・d删_批・130023）Abs 〜actThcpresentpalercoveFsthejunc 〜onvoltagesaturationcharacteristi cofthesemiconductorlasersandtheexperimentalresultabouttherelationbetweenreliabilityandjuf ictionvoltagesaturationcharacteristicinthesemiconductorlasers ・Key wordslaser,voltagesaturationcharacteristic,reliability。