Dotierung der Elektronensperrschicht

5.3 Untersuchung der Ladungstr¨agerinjektion

zustande, durch die die L¨ocherinjektion in die aktive Zone verringert wird. So steigt diese Potentialbarriere nach den Simulationen (f¨ur 200 Acm⁻²) von 260 meV f¨ur die LEDs mit den 37 % Aluminium in der Elektronensperrschicht auf 290 meV f¨ur die LEDs mit den 48 % Aluminium in der Elektronensperrschicht an.

F¨ur effektive UV-LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange von 320 nm muss somit der beste Kompromiss zwischen einer effektiven Reduzierung der Elektronenleckstr¨ome und einer guten L¨ocherinjektion in die aktive Zone gefunden werden. Sowohl unsere Messungen als auch unsere Simulationen zeigen, dass dieser Kompromiss in einer AlGaN:Mg-Elektronen-sperrschicht mit ca. 45 % Aluminum zu sehen ist. Allerdings spielt z.B. die Dotierung dieser Schicht auch eine entscheidende Rolle, so dass die optimale Aluminiumkonzentration bei unterschiedlichen

”Rahmenbedingungen“ durchaus variieren kann.

5 Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs

(a) LEDs auf Template 1 (b) LEDs auf Template 2

Abbildung 35: Typische normierte Emissionsspektren (halblogarithmisch aufgetragen) von 320 nm LEDs mit unterschiedlichem Cp2Mg-Fluss beim Wachstum der AlGaN:Mg-Elektro-nensperrschicht. Das Wachstum erfolgte auf zwei verschiedenen Templates. Variiert wurde der Cp₂Mg-Fluss zwischen 50 sccm und 200 sccm. Die Messung erfolgte bei Raumtemperatur und einem Injektionsstrom von 20 mA (cw).

das Template bzw. dessen Defektdichte einen großen Einfluss auf die Effizienz der UV-LEDs hat (siehe Kapitel 5.1), wurde die LED mit einem Cp₂Mg-Fluss von 100 sccm auf beiden Templates gewachsen. Somit ist ein Vergleich der beiden Unterserien (Template 1:

50 sccm (II/III-Verh¨altnis: 0,015), 75 sccm (II/III-Verh¨altnis: 0,0226) und 100 sccm (II/III-Verh¨altnis: 0,0301); Template 2: 100 sccm (II/III-Verh¨altnis: 0,0301), 150 sccm (II/III-Verh¨altnis: 0,0451) und 200 sccm (II/III-Verh¨altnis: 0,0602)) unter Einbeziehung dieses Referenzpunktes m¨oglich.

In Abb. 35 sind typische normierte Emissionsspektren (halblogarithmisch aufgetragen) von 320 nm LEDs mit unterschiedlichem Cp₂Mg-Fluss beim Wachstum der AlGaN:Mg-Elektro-nensperrschicht dargestellt²⁷. Die Messung erfolgte bei Raumtemperatur und einem kon-tinuierlichen Injektionsstrom von 20 mA. Alle LEDs zeigten eine Quantenfilmlumineszenz zwischen 315 nm und 322 nm. Auf der niederenergetischen Seite dieses Peaks ist eine je nach Cp₂Mg-Fluss sehr ausgepr¨agte oder nur sehr geringe Nebenlumineszenz zu beob-achten, welche wie in Kapitel 5.2.1 genauer beschrieben durch Elektronenleckstr¨ome in der p-dotierten Seite der LEDs zustande kommt. Beim Vergleich der sechs Elektrolumineszenz-spektren ist dabei ein klarer Trend zu beobachten. Mit steigendem Cp₂Mg-Fluss nimmt die Nebenlumineszenz stetig ab, bis f¨ur einen Cp₂Mg-Fluss von 100 sccm ein Minimum er-reicht ist. Eine weitere Erh¨ohung dieses Flusses f¨uhrt hingegen wieder zu einem deutlichen

27Eine Bestimmung der Magnesiumkonzentration war nicht m¨oglich, da die Schichten zu d¨unn wa-ren, keine Sekund¨arionenmassenspektrometriestandards f¨ur AlGaN vorhanden waren und Kapazit¨ at-Spannungsmessungen nicht m¨oglich waren.

5.3 Untersuchung der Ladungstr¨agerinjektion

Abbildung 36: Maximale Lichtleistung bei 100 mA (cw) von 320 nm LEDs mit un-terschiedlichem Cp₂Mg-Fluss beim Wachs-tum der AlGaN:Mg-Elektronensperrschicht.

Das Wachstum erfolgte auf zwei verschiede-nen Templates, so dass nur die LEDs auf den jeweilig gleichen Templates vergleichbar sind. Die roten Kurven geben den tendenziel-len Verlauf wieder. Die Messung erfolgte bei Raumtemperatur.

Anstieg der Nebenlumineszenz. Somit liegen f¨ur die LEDs mit einem Cp₂Mg-Fluss von 100 sccm die geringsten Elektronenleckst¨ome vor, so dass die Injektionseffizienz und damit die Lichtleistung dieser LEDs am gr¨oßten sein sollte.

Dies best¨atigt sich auch bei der Messung der Lichtleistung dieser LEDs. In Abb. 36 ist die maximale Lichtleistung bei 100 mA von 320 nm LEDs mit unterschiedlichem Cp2Mg-Fluss beim Wachstum der AlGaN:Mg-Elektronensperrschicht dargestellt. Das Wachstum erfolg-te dabei (wie oben schon erw¨ahnt) auf zwei verschiedenen Templates, so dass nur die LEDs auf den jeweilig gleichen Templates vergleichbar sind. Dabei kann die Zu- und Abnahme der gemessenen Lichtleistung klar zum Verlauf des Verh¨altnisses zwischen Quantenfilmlu-mineszenz und p-SeitenluQuantenfilmlu-mineszenz korreliert werden. So konnte die h¨ochste Lichtleistung f¨ur die LED mit einem Cp2Mg-Fluss von 100 sccm beobachtet werden, bei der in den Emis-sionsspektren nur eine sehr geringe Nebenlumineszenz auftrat. F¨ur kleinere oder gr¨oßere Flussraten, bei denen eine starke Zunahme der p-Seiten Lumineszenz beobachtet wurde, konnte eine sehr starke Reduzierung der Lichtleistung festgestellt werden. So reduziert sich die Lichtleistung f¨ur die LEDs auf dem Template 1 von 90µW auf 31µW bzw. 16µW f¨ur eine Reduzierung des Cp₂Mg-Flusses von 100 sccm auf 75 sccm bzw. 50 sccm. Auf Tem-plate 2 nimmt die Lichtleistung von 185µW um rund 57 % auf 79µW bei einer Erh¨ohung der Cp₂Mg-Flussrate von 100 sccm auf 150 sccm ab. F¨ur eine noch h¨ohere Flussrate von 200 sccm konnte keine dominante Quantenfilmlumineszenz mehr festgestellt werden, so dass eine Messung der Lichtleistung dieser LED nicht m¨oglich war.

Dieses Verhalten ist auf zwei unterschiedliche Effekte zur¨uck zu f¨uhren. Zum einen wird mit einem steigendem Cp₂Mg-Fluss die Magnesiumdotierung in der Elektronensperrschicht erh¨oht. Dies f¨uhrt aufgrund der Verschiebung des Ferminieveaus zu einer zunehmenden Potentialbarriere im Leitungsband f¨ur die Elektronen bzw. zu einer abnehmenden Poten-tialbarrier f¨ur die L¨ocher im Valenzband, so dass die Elektronenleckstr¨ome mit zunehmen-der Magnesiumdotierung deutlich reduziert werden k¨onnen und dadurch die Elektronen-und L¨ocherinjektion in die aktive Zone deutlich steigt. Dies ist in Abb. 37 dargestellt.

5 Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs

(a) Elektronenstrom (b) Injektionseffizienz

Abbildung 37: Simulierter (a) Elektronenstrom und (b) simulierte Injektionseffizienz von 320 nm LEDs mit unterschiedlich dotierten AlGaN:Mg-Elektronensperrschichten (EBL). Va-riiert wurde die Magnesiumdotierung zwischen 1·10¹⁸cm⁻³ und 1·10²⁰cm⁻³. Die Simulation erfolgte f¨ur 300 K und einer Stromdichte von 200 Acm⁻².

Dort wurde die Ladungstr¨agerinjektion in die aktive Zone f¨ur verschiedenen Magnesium-konzentrationen in der Elektronensperrschicht simuliert²⁸. In Abb. 37a ist der simulierte Elektronenstrom als Funktion des Ortes aufgetragen. Dabei ist nach der aktiven Zone ein erheblicher Elektronenleckstrom f¨ur niedrige Magnesiumdotierungen zu beobachten, welcher sich mit steigender Dotierung deutlich reduziert. Dies macht sich auch in der simulierten Injektionseffizienz bemerkbar, welche in Abb. 37b dargestellt ist. Dort ist ei-ne Zunahme der Injektionseffizienz von rund 27 % auf rund 99 % f¨ur eine Zunahme der Magnesiumkonzenztration in der Elektronensperrschicht von 1·10¹⁸cm⁻³ auf 1·10²⁰cm⁻³ zu beobachten. Dies f¨uhrt zu einer deutlichen Zunahme der Quantenfilmlumineszenz bei gleichzeitig deutlicher Abnahme der Nebenlumineszenz, wie in Abb. 38 deutlich zu erken-nen ist. Dort sind die simulierten Eimissionsspektren von 320 nm LEDs mit unterschiedlich dotierten AlGaN:Mg-Elektronensperrschichten dargestellt.

Vergleicht man diese simulierten Emissionsspektren mit den gemessenen Emissionsspek-tren aus Abb. 35, so ist f¨ur kleine Cp₂Mg-Fl¨usse eine gute ¨Ubereinstimmung festzustellen.

Mit steigendem Cp₂Mg-Fluss, also steigender Magnesiumdotierung in der Elektronensperr-schicht, wird in beiden F¨allen das Verh¨altnis zwischen Quantenfilmlumineszenz und Ne-benlumineszenz gr¨oßer. F¨ur Cp₂Mg-Flussraten ¨uber 100 sccm hingegen (also hohe Magne-siumkonzentrationen) steigt in den gemessenen Spektren die p-Seitenlumineszenz wieder stark an, was in den Simulationen nicht beobachtet werden kann. Dies liegt an Selbstkom-pensationseffekten, welche bei hoch dotierten GaN-basierten Schichten auftreten k¨onnen und in der Simulationssoftware nicht ber¨ucksichtig sind.

28Simulationsmodell und Randbedingungen siehe vorheriges Unterkapitel, sowie Kapitel 3.

5.3 Untersuchung der Ladungstr¨agerinjektion

Abbildung 38: Simulierte Emissionsspek-tren von 320 nm LEDs mit unterschiedlich do-tierten AlGaN:Mg-Elektronensperrschichten.

Variiert wurde die Magnesiumdotierung zwi-schen 1·10¹⁸cm⁻³und 5·10¹⁹cm⁻³. Die Simu-lation erfolgte f¨ur 300 K und einer Stromdich-te von 200 Acm⁻².

Durch diese Selbstkompensationseffekte nimmt die L¨ocherkonzentration ab einer bestimm-ten Magnesiumdotierung in den GaN-basierbestimm-ten Schichbestimm-ten wieder stark ab [Kus11]. Als Ur-sache kann die begrenzte L¨oslichkeit von Magnesium in den GaN-basierten Schichten ange-sehen werden. Bei der ¨Uberschreitung eines kritischen Wertes tritt dabei eine Bildung von Mg₃N₂-Komplexen auf, bei der die Magnesiumatome nicht auf einem Galliumgitterplatz eingebaut werden, sondern auf einem Stickstoff- oder Zwischengitterplatz [Kus11; LVD⁺02].

An dieser Stelle fungiert dieses Magnesiumatom jedoch als Donator (anstatt wie gew¨unscht als Akzeptor) [LVD⁺02], so dass die p-Leitf¨ahigkeit sinkt. Weitere Informationen zu diesem Thema sind z.B. ausf¨uhrlich in Ref. [Kus11] zu finden.

Somit konnte in diesem Unterkapitel gezeigt werden, dass die optimale Cp₂Mg-Flussrate f¨ur die an der TU-Berlin benutzte

”Thomas Swan CCS“ MOVPE-Anlage f¨ur die Magne-siumdotierung in der Elektronensperrschicht im mittleren einstellbaren Bereich bei etwa 100 sccm liegt. F¨ur diese Fl¨usse weisen die 320 nm LEDs die h¨ochste Lichtleistung und die geringste Nebenlumineszenz im Emissionsspektrum auf. Dabei muss aber beachtet werden, dass die optimale Cp₂Mg-Flussrate auch von den ¨ubrigen Wachstumsbedingungen, wie z.B.

dem Reaktordruck und -design oder der Wachstumstemperatur abh¨angig ist, so dass f¨ur andere Randbedingungen unter Umst¨anden andere optimale Flussraten existieren.