Вестник МГТУ. 2016, №4.

Власова С. В. Использование полупроводниковых лазерных диодов… 698 Равенство (1) является приближенным, поскольку в зависимости от концентрации примесей и уровня накачки длина волны может отличаться от значения, указанного в правой части выражения (1), на 2–3 %. Важной особенностью полупроводниковой активной среды является большая вероятность излучательных межзонных переходов, которые доминируют в рекомбинационных процессах [2]. В инжекционных лазерах используется эффективный способ получения избыточных электронов и дырок – их инжекция через нелинейный электрический контакт (например, p-n- переход). В основе механизма инжекции носителей через p-n- переход лежит диффузия носителей из области с их большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Можно показать, что для получения с помощью электрической накачки инверсии на переходах носителей с энергией кванта hc /λ к активному элементу лазера должно быть приложено напряжение V , удовлетворяющее условию [2] V > λ e hc q , (2) где q e − заряд электрона. Численная оценка значения напряжения, необходимого для создания инверсии для лазера с длиной волны 635 нм, в соответствии с соотношением (2) дает значение напряжения более 1,96 В. Если же рассматривается излучение с длиной волны 610 нм, то напряжение, необходимое для создания инверсии, должно быть более 2,0 В. Очевидно, что полупроводниковый лазерный диод марки ADL-63058TL, для которого в паспорте указано рабочее напряжение 2,15 В (см. таблицу), будет работать в режиме создания инверсии. Из соотношения (1) следует, что длина волны излучения (в пределах точности 2–3 %) определяется шириной запрещенной зоны полупроводника, на основе которого изготовлен лазерный диод. Отсюда вытекает вывод, что температурная зависимость длины волны излучения полупроводникового лазерного диода определяется в первую очередь температурной зависимостью ширины запрещенной зоны. В работе [3] приведены экспериментальные оценки температурного коэффициента изменения ширины запрещенной зоны β для ряда полупроводников, взятые из различных литературных источников: 2 1 2 1 β g g E E T T − = − , (3) где E g 1 и E g 2 – ширина запрещенной зоны полупроводника при температуре Т 1 и Т 2 соответственно. Материалы, широко используемые для изготовления полупроводниковых лазерных диодов, имеют величину β, равную (–5,0 ⋅ 10 –4 ) эВ/К (GaAs) и (–5,5 ⋅ 10 –4 ) эВ/К (AlSb). Но существуют полупроводниковые материалы, у которых значение β существенно выше (по модулю), хотя имеет тот же порядок величины. Например, у As 2 SeTe 2 согласно работе [3] β = (–10,06 ⋅ 10 –4 ) эВ/К. В литературе анализируются различные факторы, которые могут оказать влияние на ширину запрещенной зоны полупроводника в связи с изменением температуры. Например, в работе [3] на основе математического моделирования процессов межзонного перехода электронов (с учетом влияния энергетических состояний зоны проводимости и валентной зоны на энергетический спектр поверхности полупроводника) показано, что для большинства полупроводников величина β имеет такой же порядок, как и экспериментально определенные значения, указанные выше. В работе [4] были изучены электротермооптические характеристики AlGaInP (желтого) и InGaN/GaN (синего) лазерных инжекционных диодов, находящихся в процессе старения под напряжением при температуре окружающей среды 25 ºС. Авторами были получены противоречивые данные. Они обнаружили, что длительная выдержка под напряжением (3155 часов при фиксированном токе 80 мА) желтого диода AlGaInP приводит к смещению вольт-амперной характеристики (ВАХ) вдоль оси напряжений в меньшую сторону (на 0,053 В). Голубой диод InGaN/GaN, эксплуатировавшийся то же количество часов и при тех же условиях, смещает свою ВАХ, напротив, в сторону больших напряжений на 0,291 В. Авторы работы [4] для объяснения результатов используют "фактор идеальности", который формально учитывает проблемы, связанные с дополнительным разогревом диода (за счет адгезионных слоев конструкции) в процессе старения под напряжением. В ряде работ отмечается, что модовый состав излучения лазерного диода может существенно изменяться при изменении условий эксплуатации [5; 6]. Также было установлено, что только импульсные измерения, исключающие нагрев кристалла, позволяют достоверно оценить квантовый выход светодиодной структуры и его изменение с плотностью тока. И хотя работа [7] относится к светодиодам, ее выводы, в известной степени, должны учитываться и при работе с лазерными диодами. В описаниях, прилагаемых к серийно выпускаемым полупроводниковым лазерным диодам, как правило, указывается интервал изменения длины волны излучения от максимальной до минимальной, а также интервал рабочих температур, в которых рекомендовано эксплуатировать данные приборы. Поскольку