Nature of Degradation in Semiconductor Lasers with Electronic Energy Pumping. Theoretical Background

Abstract

. Catastrophic degradation takes place in case of reaching critical values of laser radiation density power in semiconductor lasers with electronically pumped energy made from single crystals of some compounds. It has been accompanied by mechanical destruction of the surface at resonator ends, an irreversible decrease in radiation power and an increase in generation threshold. Moreover, during the catastrophic degradation of semiconductor lasers under the action of intrinsic radiation, significant changes in the crystal structure occur within the single crystal: dislocation density reaches a value more 1012–1015 cm–2. It has been shown that initial density of dislocations and critical power density of the intrinsic radiation are inversely proportional. Thus, the degradation process of semiconductor lasers is directly related to generation and multiplication of dislocations during laser operation. Mechanical destruction of a crystal lattice occurs at critical values of laser radiation power and dislocation density. To clarify the proposed mechanism for the degradation of semiconductor lasers, it is necessary to take into account an effect of dislocations on optical properties of semiconductors. Typically, this effect is considered as follows: dislocations cause an appearance of a local deformation field and, in addition, form space-charge regions that surround a dislocation core in the form of a charged tube. The paper proposes a model of the phenomenon under study: large stresses arise in the dislocation core, leading to a displacement of individual atoms and deformation of the crystal lattice. Lattice deformation in the dislocation core leads to a local change in the width of a forbidden band. This change value is about 10–2 eV for a screw dislocation and 10–1 eV for a boundary dislocation. The mechanism of this change is that aforementioned deformation leads to a multiple rupture of electronic bonds and an increase in the electron concentration in the dislocation core to approximately value 1018 cm–3. The developed analytical model of the degradation mechanism allows to perform selection of a semiconductor and estimation of a laser operating mode under conditions of increased radiation power.

Role of Dislocations in the Process of Degradation of Semiconductor Lasers with Electronic Energy Pumping. Experimental Research

“…Значение критической плотности мощности светового разрушения оптически однородных кристаллов было максимальным и на некоторых образцах составляло Р кр  (2-17) МВт/см 2 . Деградация сопровождалась разрушением матрицы кристалла, резким возрастанием плотности дислокаций, достигающей величины N 0 д  (10 15 -10 17 ) см -2 , механическим разрушением поверхности торцов резонатора, необратимым падением мощности излучения и увеличением порога генерации [1,6,8]. Исследовались образцы с n  10 -4 -10 -3 и флуктуацией концентрации свободных носителей N  (10 15 -10 16 ) см -3 .…”

“…>5 мкм). Отметим, что механические разрушения лазеров, как при 300 К, так и при 80 К, связаны с возникновением в этих образцах дислокационной лавины, образующейся под действием собственного лазерного излучения внутри резонатора лазера и приводящей к возникновению микро-и макротрещин [1,8].…”

“…Установлено, что деградация сопровождается образованием большого количества дислокаций в активной области лазеров, что в итоге приводит к катастрофическим последствиям [1,4,5,8]. Плотность дислокаций в этой области составляла 10 12 -10 17 см -2 , а это свидетельствует о возникновении в них дислокационной лавины [1,8].…”

“…В таких образцах наблюдались рост пороговой плотности тока, падение эффективности лазерного излучения в 2-3 раза и неравномерность свечения активной области в результате возрастания структурной неоднородности кристаллов. После удаления верхнего нарушенного слоя путем бомбардировки низкоэнергетиче- Процессы деградации лазеров из CdS имеют те же закономерности, что и GaAs, и объясняются теми же механизмами, в результате которых генерируются дислокации, однако характеризуются меньшими значениями плотности мощности разрушения -примерно (2-5) МВт/см 2 [1,6]. В сильно легированных кристаллах CdS значение критической плотности мощности оказалось больше примерно на (7-10) МВт/см 2 , чем у большинства образцов, специально нелегированных.…”

“…Решение этой проблемы определяет практическое применение лазеров в различных областях науки и техники. Ранее авторами статьи было отмечено, что плотность дислокаций внутри лазерного кристалла увеличивается с увеличением мощности собственного излучения [1]. При этом возникает дислокационная лавина, вызывающая образование микро-и макротрещин, разрушающих кристалл.…”