6 Polarisationsabh¨angigkeit der lateralen Emission von UV-LEDs
Abbildung 52: Typische Anderung¨ der energetischen Position des Emissionspeaks mit steigender Temperatur des Peltierele-ments f¨ur eine 288 nm, 303 nm, 320 nm und 379 nm LED. Die Messung erfolgte bei einem konstanten Injektionsstrom von 20 mA.
lineare Abh¨angigkeit der Bandl¨ucke von der Temperatur im untersuchten Temperaturbe-reich angenommen wird [NLN+05]. Außerdem kann beobachtet werden, dass die energeti-sche Verschiebung des Emissionspeaks f¨ur alle vier LEDs ann¨ahernd gleich ist, so das die Temperatur¨anderung in allen LEDs nahezu identisch ist. Aufgrund dieser gleichm¨aßigen Erw¨armung der verschiedenen LED-Strukturen sind die im n¨achsten Absatz beschriebenen polarisationsabh¨angigen Messungen der senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtemission untereinander bei den verschiedenen Temperaturen gut vergleichbar.
In Abb. 53a ist die typische ¨Anderung vom Grad der Polarisation des senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtes als Funktion der Temperatur f¨ur LEDs mit einer Emissions-wellenl¨ange zwischen 288 nm und 379 nm dargestellt. Der Grad der Polarisation ist dabei nach Gleichung 27 definiert. F¨ur die untersuchten LEDs konnte bei Raumtemperatur ein Grad der Polarisation von -0,15 f¨ur die 288 nm LED, -0,03 f¨ur die 303 nm LED, 0,27 f¨ur die 320 nm LED und 0,54 f¨ur die 379 nm LED beobachtet werden. Mit steigender Tem-peratur der LED-Strukturen zeigten die LEDs eine sehr unterschiedliche ¨Anderung des Polarisationsgrades. Eine Zunahme des TE-polarisierten Anteils der senkrecht zur c-Achse emittierten Lumineszenz konnte f¨ur die 288 nm LED mit steigender Temperatur beobachtet werden. Die 303 nm LED zeigte hingegen nahezu keine Ver¨anderung des Polarisationsgra-des. F¨ur die l¨angerwelligen 320 nm bzw. 379 nm LEDs konnte allerdings eine Zunahme des TM-polarisierten Anteils der Lumineszenz mit steigender Temperatur der LED-Strukturen nachgewiesen werden. Dieses Verhalten kann durch die unterschiedlichen elektronischen Bandstrukturen (unterschiedliche Kristallfeldaufspaltung) der aktiven Zone am Γ-Punkt der Brillouinzone erkl¨art werden. Wie schon im vorherigen Kapitel beschrieben, wurde ein Polarisationsgrad von Null, was bedeutet, dass der TE- und TM-polarisierte Anteil des emittierten Lichtes gleich ist, f¨ur LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange von rund 300 nm gefunden. In diesem Fall sind die Maxima von Schwer-, Leicht- und Split-Off-Lochband an nahezu der selben energetischen Position, was schematisch in Abb. 53b dargestellt ist.
F¨ur LEDs mit k¨urzeren Emissionswellenl¨angen wurde eine senkrecht zur c-Achse domi-nante TM-polarisierte Lichtemission festgestellt. In diesem Fall ist das Split-Off-Lochband
6.2 Einfluss der Temperatur auf die optische Polarisation
(a) ¨Anderung Grad der Polarisation (b) schematische Bandstrukturen
Abbildung 53: (a) typische ¨Anderung des Polarisationsgrades der senkrecht zur c-Achse emittierten Elektrolumineszenz als Funktion der Peltierelementtemperatur f¨ur eine 288 nm, 303 nm, 320 nm und 379 nm LED bei einem konstanten Injektionsstrom von 20 mA. Die gepunktete Linie steht f¨ur keine ¨Anderung der Polarisation. In (b) sind schematisch die Bandstrukturen (Schwer- (HH), Leicht- (LH) und Split-Off-Lochband (SO)) am Γ-Punkt der Brillouinzone f¨ur eine dominante TE-, TM- bzw. ausgeglichene (TE-Anteil = TM-Anteil) polarisierte Lichtemission dargestellt.
das oberste Valenzband, so dass die Hauptrekombination der Ladungstr¨ager zwischen dem Leitungsband und diesem Valenzband stattfindet. F¨ur LEDs mit Emissionswellenl¨angen gr¨oßer als 300 nm wurde schließlich eine dominante TE-polarisierte Lumineszenz senkrecht zur c-Achse beobachtet, da bei diesen LEDs das oberste Vanzband am Γ-Punkt der Bril-louinzone aus dem Schwer- und Leichtlochband gebildet wird (siehe Abb. 53b). Damit findet die Hauptrekombination der Ladungstr¨ager zwischen dem Leitungsband und dem Schwer- und Leichtlochband statt.
Eine Erw¨armung der LEDs f¨uhrt zu einer Erh¨ohung der termischen Energie der Ladungs-tr¨ager in den LEDs. So steigt sie von 26 meV bei Raumtemperatur auf 40 meV bei einer Erw¨armung der LEDs auf 170◦C an. Dadurch k¨onnen die L¨ocher mit steigender Tempe-ratur zunehmend tiefere Valenzb¨ander besetzen, wodurch sich die Anteile der strahlenden Uberg¨¨ ange der Ladungstr¨ager zwischen dem Leitungsband und den Schwer-, Leicht und Split-Off-Lochb¨andern ¨andern k¨onnen. In den LEDs mit Emissionswellenl¨angen kleiner als 300 nm besetzen die L¨ocher mit steigender Probentemperatur zunehmend das tiefere Schwer- und Leichtlochband relativ zum Split-Off-Lochband. Daher nimmt in diesen LEDs der TE-polarisierte Anteil der senkrecht zur c-Achse erzeugten Lumineszenz mit steigen-der Temperatur zu. F¨ur die LEDs mit Emissionswellenl¨angen ¨uber 300 nm ist es genau umgedreht. Bei diesen LEDs besetzen die L¨ocher mit steigender Temperatur zunehmend das tiefer liegende Split-Off-Lochband relativ zu dem Schwer- und Leichtlochband. Somit
6 Polarisationsabh¨angigkeit der lateralen Emission von UV-LEDs
Abbildung 54: Simulierte Anderung¨ des Polarisationsgrades der senkrecht zur c-Achse emittierten Lumineszenz als Funktion der Temperatur f¨ur eine 250 nm und 379 nm LED bei einer konstan-ten Stromdichte von 200 Acm−2 [Wen].
Zus¨atzlich ist die Messung der ¨Anderung des Polarisationsgrades der senkrecht zur c-Achse emittierten Elektrolumineszenz einer typischen 379 nm LED eingezeich-net (f¨ur 200 Acm−2). Die gepunktete Li-nie steht f¨ur keine ¨Anderung der Polari-sation.
steigt bei diesen LEDs der TM-polarisierte Anteil der senkrecht zur c-Achse emittieren Lumineszenz an. F¨ur die LED mit der Emissionswellenl¨ange von 303 nm sind die Maxima von Schwer-, Leicht- und Split-Off-Lochband an nahezu der selben energetischen Position.
Damit bleibt die Verteilung der strahlenden ¨Uberg¨ange mit zunehmender Temperatur zwi-schen den verschiedenen Valenzb¨andern nahezu konstant. Dies erkl¨art, warum der Grad der Polarisation f¨ur diese LEDs weitestgehend unabh¨angig von der Temperatur der LED-Struktur ist.
Zus¨atzlich zu den polarisationsabh¨angigen Elektrolumineszenzmessungen wurde exempla-risch eine Simulation34des Polarisationsgrades einer 250 nm und 379 nm LED bei verschie-denen Temperaturen durchgef¨uhrt. Die Simulationsergebnisse sind in Abb. 54 dargestellt.
Zus¨atzlich ist in diesem Graphen noch die Messung der ¨Anderung des Polarisationsgrades der senkrecht zur c-Achse emittierten Elektrolumineszenz einer 379 nm LED aus Abb. 53a eingezeichnet (f¨ur 200 Acm−2). Dabei ist eine sehr gute ¨Ubereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und der Messung festzustellen. In beiden F¨allen nimmt der TM-polarisierte Anteil der senkrecht zur c-Achse emittierten Lumineszenz im selben Maße zu.
Vergleicht man zudem den tendenziellen Verlauf der simulierten 250 nm LED mit dem der gemessenen 288 nm LED, so ist der gleiche Trend, d.h. eine Zunahme des TE-polarisierten Anteils der senkrecht zur c-Achse emittierten Lumineszenz zu beobachten. Somit kann die je nach Emissionswellenl¨ange unterschiedliche ¨Anderung der Valenzbandanordnung am Γ-Punkt der Brillouinzone mit zunehmender Temperatur, welche im vorherigen Absatz n¨aher beschrieben wurde, durch die Simulationen best¨atigt werden. Eine Simulation aller expe-rimell untersuchten Proben war dabei leider nicht m¨oglich, da es sich um Fremdproben handelte, deren genaue Heterostruktur nicht vorlag.
Ein anderer Effekt, welcher auch in einer ¨Anderung der Polarisation des senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtes mit steigender Temperatur der LED-Struktur resultieren kann, ist eine thermisch induzierte Verspannung der aktiven Zone. Sie entsteht durch die
unter-34Die Simulation erfolgte durch Dr. H. Wenzel am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut f¨ur H¨ochstfrequenztechnik basierend auf einem k·p-Modell.