UVA- und UVB-LEDs bei 40 mA als Funktion der Emissionswellenl¨ange aufgetragen. Da-bei ist eine klare Reduzierung der Lichtleistung f¨ur LEDs unter 330 nm festzustellen. F¨ur LEDs mit Emissionswellenl¨angen kleiner als 300 nm ist nur noch eine Lichtleistung von ca.
0,2 mW bei 40 mA messbar (379 nm LED: ca. 1,4 mW). Die Verringerung der Lichtleistung mit abnehmender Emissionswellenl¨ange (und damit zunehmendem Aluminiumanteil) kann dabei auf verschiedene Effekte zur¨uckgef¨uhrt werden. Zum einen nimmt mit zunehmen-dem Aluminiumgehalt die Materialqualit¨at und die Landungstr¨agerinjektion in die aktive Zone ab, was zu einer Abnahme der strahlenden Rekombination der Ladungstr¨ager f¨uhrt.
Zum anderen wird mit zunehmendem Aluminiumgehalt eine ¨Anderung der Polarisation von haupts¨achlich TE-polarisiertem Licht zu zunehmend TM-polarisiertem Licht der senk-recht zur c-Achse emittierten Emission erwartet (wie schon oben beschrieben), so dass die durch das Substrat gemessene Lichtleistung zunehmend mit steigendem Anteil von TM-polarisiertem Licht aufgrund der dadurch geringeren Extraktionseffizienz sinkt.
Um den Einfluss der Emissionswellenl¨ange bzw. des Aluminiumanteils der aktiven Zone auf die Polarisation der senkrecht zur c-Achse emittierten Lumineszenz n¨aher zu untersuchen, wurden verschiedene LEDs im UVA-, UVB- und UVC-Spektralbereich untersucht32. Der Messaufbau f¨ur diese Messungen ist dabei n¨aher in Kapitel 4.4 beschieben. In den folgenden Unterkapiteln soll nun genauer auf die Abh¨angigkeit der Polarisation des senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtes von der Emissionswellenl¨ange, der Temperatur, der Verspannung der aktiven Zone und des Injektionsstromes eingegangen werden. Diese Messungen stellen dabei die weltweit erste systematische Untersuchung dieses Effekts an elektrisch gepumpten Bauelementen dar.
6.1 Einfluss der Emissionswellenl¨ ange
In diesem Kapitel soll der Einfluss der Emissionswellenl¨ange bzw. des Aluminiumanteils auf die Polarisation des senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtes untersucht werden. Dazu wurden LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange zwischen 253 nm und 384 nm untersucht.
Typische normierte senkrecht zur c-Achse emittierte Emissionsspektren bei 20 mA von drei ausgew¨ahlten LEDs mit einer aktiven Zone aus InGaN, InAlGaN und AlGaN sind in Abb. 49 dargestellt. Dabei ist der TE-polarisierte Anteil der Emission in schwarz und der TM-polarisierte Anteil in rot eingezeichnet. F¨ur alle LEDs kann eine dominante Mehrfach-quantenfilmemission von 379,2 nm, 329,5 nm bzw. 288,2 nm f¨ur die TE-polarisierte Lichte-mission festgestellt werden. F¨ur den TM-polarisierten Anteil k¨onnen Emissionswellenl¨angen von 377,1 nm, 327,3 nm und 287,9 nm beobachtet werden. Die 288 nm LED zeigt zudem noch im Wellenl¨angenbereich zwischen 320 nm und 450 nm eine Nebenlumineszenz. Diese entsteht durch Rekombination von Ladungstr¨agern an tiefen Zust¨anden verbunden mit Magnesiumakzeptoren oder anderen Verunreinigungen und Defekten [LON+02; SCM+03;
32Um einen m¨oglichst breiten UV-Spektralbereich f¨ur die Untersuchungen in diesem Kapitel abzude-cken, wurden LEDs, welche an der TU Berlin, dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut f¨ur H¨ochstfrequenztechnik und dem Palo Alto Research Center gewachsen wurden, verwendet.
6 Polarisationsabh¨angigkeit der lateralen Emission von UV-LEDs
Abbildung 49: Typische normierte Emis-sionsspektren von LEDs mit Emissionswel-lenl¨angen von 379 nm, 329 nm und 288 nm.
In schwarz ist der transversal elektrisch (TE) und in rot der transversal magnetisch (TM) polarisierte Anteil der Lichtemission darge-stellt. Die Messung erfolgt senkrecht zur c-Achse der LED bei 20 mA (cw).
ASC+04; LJvdW12]. Die Elektrolumineszenzmessungen zeigen, dass f¨ur die 379 nm LED der TE-polarisierte Anteil der Emission dominant ist. Mit abnehmender Emissionswel-lenl¨ange, also zunehmenden Aluminiumgehalt der aktiven Zone, wird der Anteil des TE-polarisierten Lichtes hingegen zunehmend geringer, w¨arend der Anteil des TM-polarisierten Lichtes zunimmt. F¨ur die 288 nm LED ist schließliche der TM-polarisierte Anteil der senk-recht zur c-Achse emittierten Elektrolumineszenz dominant.
F¨ur einen besseren ¨Uberblick wurden diese Messungen f¨ur ¨uber 20 LEDs verschiedener Emissionswellenl¨angen durchgef¨uhrt. Das Ergebniss ist in Abb. 50 dargestellt. Dabei ist der Grad der Polarisation der senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtemission f¨ur LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange zwischen 253 nm und 386 nm bei einem Injektionsstrom von 20 mA als Funktion der Emissionswellenl¨ange aufgetragen. Der Grad der Polarisation (P) ist durch folgende Gleichung definiert:
P = IT E −IT M
IT E +IT M, (27)
wobei IT E und IT M die integrierte Intensit¨at der senkrecht zur c-Achse emittierten TE-bzw. TM-polarisierten Elektrolumineszenzspektren sind. Die Messergebnisse zeigen einen klaren Trend (siehe Abb. 50 gestrichelte Linie). Der Grad der Polarisation nimmt mit abnehmender Emissionswellenl¨ange (also steigendem Aluminiumanteil der aktiven Zone) deutlich ab. So reduziert sich der Grad der Polarisation von 0,55 f¨ur die 379 nm LED (d.h.
der TE-polarisierte Anteil des emittierten Lichtes ist dominant) auf -0,28 f¨ur die 253 nm LED, so dass f¨ur diese LED der TM-polarisierte Anteil des emittierten Lichtes dominant ist. Der Trend zeigt, dass eine Umkehrung der dominanten Polarisation, was bedeutet, dass der TE- und TM-polariserte Anteil des senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtes gleich ist (P = 0, siehe Abb. 50 gepunktete Linie), bei ca. 300 nm beobachtet werden kann.
Diese Messungen an elektrisch gepumpten Bauelementen best¨atigen somit die theoreti-schen Annahmen [ZZT10; dCSFB04; Yam08; Yam10] sowie die Photolumineszmessungen [NLN+04; BFK09], dass mit einem steigendem Aluminiumgehalt der aktiven Zone der An-teil des TM-polarisierten Lichtes relativ zum TE-polarisierten AnAn-teil des Lichtes zunimmt.
6.1 Einfluss der Emissionswellenl¨ange
Abbildung 50:Grad der Polarisation der senkrecht zur c-Achse emittierten Licht-emission als Funktion der Emissionswel-lenl¨ange bei 20 mA. Die gestrichelte Li-nie zeigt den tendenziellen Verlauf, die ge-punktete Linie gibt den Wert Null an.
Der Grund daf¨ur ist die unterschiedliche Kristallfeldaufspaltung in den Bandstrukturen von GaN und AlN am Γ-Punkt der Brillouinzone [JNN+03] (siehe auch Kapitel 2.1). F¨ur GaN sind das Schwer- und Leichtlochband die obersten Valenzb¨ander am Γ-Punkt der Brillouinzone. Das Split-off-Lochband ist von diesen zwei Valenzb¨ander um eine Energie von 37 meV separiert [NLN+04]. Daher findet die Hauptrekombination der Ladungstr¨ager zwischen dem Leitungsband und dem Schwer- und Leichtlochband statt. In AlN hinge-gen ist die Anordnung der Valenzb¨ander am Γ-Punkt der Brillouinzone umgedreht. Das oberste und damit ernergetisch niedrigste Valenzband ist das Split-off-Lochband, gefolgt von dem Schwer- und Leichtlochband, welche durch eine Energie von 213 meV von dem Split-off-Lochband getrennt sind [NLN+04]. Daher findet im AlN die Hauptrekombination der Ladungstr¨ager zwischen dem Leitungsband und dem Split-off-Lochband statt. Bei der tern¨aren Verbindung AlGaN resultiert daher ein steigender Aluminiumanteil in der aktiven Zone der LEDs in einer ¨Anderung der Kristallfeldaufspaltung und damit in einer ¨Anderung der Anordnug der Valenzb¨ander am Γ-Punkt der Brillouinzone. Mit zunehmenden Alumini-umanteil, also abnehmender Emissionswellenl¨ange, schiebt das Split-off-Lochband in Rich-tung Schwer- und Leichtlochband, bis es schließlich das oberste Valenzband ist, wodurch die Rekombination der Ladungstr¨ager zwischen dem Leitungsband und dem Split-off-Loch-band zunimmt, was in einem Anstieg des TM-polarisierten Anteils des emittierten Lichtes resultiert. Eine Illustration der ¨Anderung der Bandstruktur mit zunehmenden Alumini-umanteil ist z.B. in der Ref. [NLN+04] zu finden. Die Korrelation, zwischen dem Grad der Polarisation und der Emissionswellenl¨ange bzw. dem Aluminiumanteil der aktiven Zone scheint dabei nahezu linear und unabh¨angig von der Nutzung von tern¨aren AlGaN oder quatern¨aren InAlGaN33 aktiven Zonen zu sein. Die Streuung der Messwerte kann durch eine unterschiedliche Verspannung in den LEDs und damit einer ¨Anderung der Bandstruk-tur erkl¨art werden [DYRA10; YRSdW09]. Ursachen f¨ur eine unterschiedliche Verspannung in den LEDs k¨onnen z.B. verschiedene Templates und verschiedene LED-Heterostruktu-ren sein, welche f¨ur die LEDs verschiedener Emissionswellenl¨angen ben¨otigt werden. Eine
33Der Indiumanteil ist sehr gering und liegt nur zwischen 1 % und 4 %.
6 Polarisationsabh¨angigkeit der lateralen Emission von UV-LEDs
ausf¨uhrliche Untersuchung des Einflusses der Verspannung in den LEDs auf den Grad der Polarisation ist in Kapitel 6.3 zu finden. Die Messungen haben außerdem gezeigt, dass ein Polarisationsgrad von Null (d.h. der TE- und TM-polarisierte Anteil der Emission ist gleich) f¨ur LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange von ca. 300 nm beobachtet werden konnte.
An diesem Punkt sind das Leicht-, Schwer- und Split-off-Lochband energetisch nahezu an der selben Position, so dass die Rekombination zwischen dem Leitungs- und Schwerloch-bzw. Leichtlochband und dem Leitungs- und dem Split-off-Lochband gleich ist. Dabei ist aber anzumerken, dass die verschiedenen Valenzb¨ander nicht exakt an der selben ener-getischen Position sind, da weitere Gr¨oßen, wie die ¨Ubergangsmatrixelemente und damit der ¨Uberlapp der Wellenfunktionen der Landungstr¨ager, ebenfalls bei der Rekombinati-on der Ladungstr¨ager zwischen den einzelnen B¨andern eine Rolle spielen. Die in diesem Abschnitt erzielten Ergebnisse zeigen auch eine gute ¨Ubereinstimmung mit theoretischen Berechungen der Bandstruktur [ZZT10; dCSFB04] und Photolumineszenzmessungen an AlGaN-Volumenschichten von Nam et al. [NLN+04]. Bei diesen wurde ein Polarisations-grad von Null f¨ur AlGaN-Schichten mit einer Aluminiumkonzentration von 25 % gefunden, was einer Emissionwellenl¨ange von ca. 310 nm entspricht.
Die ¨Anderung der Polarisation von haupts¨achlich TE-polarisiertem Licht f¨ur LEDs mit Emissionswellenl¨angen ¨uber 300 nm zu haupts¨achlich TM-polarisiertem Licht f¨ur LEDs mit Emissionwellenl¨angen unter 300 nm kann ein Grund sein, warum die parallel zur (0001) c-Achse gemessene Lichtleistung der LEDs, welche in Abb. 51 als Quadrate dagestellt ist, so unterschiedlich ist. Denn durch den mit steigendem Aluminiumanteil zunehmenden An-teil an TM-polarisertem Licht k¨onnen immer weniger Photonen durch das Saphirsubstrat ausgekoppelt werden [NLN+04], was zu einer Reduzierung der gemessenen Lichtleistung f¨uhrt. Um die ¨Anderung der Lichtleistung aufgrund einer sinkenden Lichtextraktioneffizienz abzusch¨atzen, wurde das senkrecht zur c-Achse gemessene Emissionsintensit¨atsverh¨altnis, welches durch folgende Gleichung gegeben ist:
R = IT E
IT E +IT M, (28)
Abbildung 51: Typische Lichtleistungen als Funktion der Emissionswellenl¨ange und normiertes senkrecht zur c-Achse gemes-senes Lichtemissionsverh¨altnis f¨ur LEDs verschiedener Emissionswellenl¨angen bei 40 mA. Die rote Linie gibt den tendenzi-ellen Verlauf wieder.