Einfluss des Substrates

6 Polarisationsabh¨angigkeit der lateralen Emission von UV-LEDs

Abbildung 57: Grad der Polarisation der senkrecht zur c-Achse emittierten Elektrolumineszenz von 380 nm LEDs in Abh¨angigkeit von der in der Ebene tensi-len Verspannung der Quantenfilmbarrieren.

Die Messung erfolgte bei Raumtemperatur und einem konstanten Injektionsstrom von 20 mA.

unterschiedlichen Valenzb¨ander am Γ-Punkt der Brillouinzone ¨andert. Die Messresultate deuten an, dass sich der energetische Abstand zwischen dem Schwer- bzw. Leichtlochband und dem Split-Off-Lochband mit einer in der Ebene zunehmenden tensilen Verspannung der aktiven Zone in 380 nm LEDs vergr¨oßert. Dadurch nehmen die ¨Uberg¨ange zwischen dem Leitungsband und dem Schwer- bzw. Leichtlochband zu, was den TE-polarisierten An-teil der emittierten Lumineszenz erh¨oht. Welcher Effekt nun genau f¨ur die ¨Anderung der Bandstruktur der Quantenfilme mit sich ¨andernder Verspannung der Quantenfilmbarrieren verantwortlich ist, kann abschließend nicht gekl¨art werden. Dazu w¨aren weitere Untersu-chungen n¨otig, wie z.B. eine detaillierte Simulation der elektronischen Bandstuktur der einzelnen LEDs. Dies war aber aufgrund von Softwarebeschr¨ankungen im Rahmen dieser Arbeit leider nicht m¨oglich.

Die Messungen zeigen jedoch, dass es unter Umst¨anden sinnvoll sein kann, in UV-LEDs ge-zielt verspannte aktive Zonen zu verwenden, um den TE-polarisierten Anteil der Lumines-zenz zu erh¨ohen. Damit k¨onnte eine verbesserte Lichtextraktionseffizienz bei standardisiert geh¨austen LEDs erreicht werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass durch Verspannungen der aktiven Zone noch andere Effekte auftreten, wie z.B. der Quantum Confined Stark Effekt. Durch diesen kann es mit zunehmender Verspannung in der aktiven Zone zu einer Verringerung des Elektronen- und L¨ocherwellenfunktions¨uberlapps kommen, was die strah-lende Rekomination der Ladungstr¨ager reduziert. Der Nutzen der gezielten Verspannung der aktiven Zone muss somit f¨ur die einzelnen LEDs verschiedener Emissionswellenl¨ange immer neu betrachtet werden.

6.3 Abh¨angigkeit der optischen Polarisation von der Verspannung der aktiven Zone

Wachstum auf Saphir/AlN-Templates, ein defekt¨armeres Wachstum zu erwarten ist. Dies sollte den Anteil der nichtstrahlenden Rekombination (an Defekten) deutlich reduzieren, so dass es m¨oglich sein sollte, LEDs mit einer h¨oheren internen Quanteneffizizenz auf diesen Substraten zu realisieren.

Im nun folgenden Abschnitt soll der Einfluss des Substrates auf die optische Polarisation der senkrecht zur c-Achse emittierten Elektrolumineszenz untersucht werden. Dazu wur-de eine iwur-dentische LED-Heterostruktur sowohl auf einem Saphir/AlN-Template als auch direkt auf einem AlN-Substrat abgeschieden. Die n-dotierte Seite der LED bestand da-bei aus transparenten AlGaN-Schichten mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten, gefolgt von der aktiven Zone, einer AlGaN-Elektronensperrschicht und einer absorbierenden p-dotierten Kontaktschicht. Als aktive Zone wurden AlGaN-Mehrfachquantenfilme f¨ur eine Lichtemission bei 253 nm benutzt³⁶.

Abbildung 58 zeigt den Einfluss des Substrates auf den Grad der Polarisation der senk-recht zur c-Achse emittierten Lichtemission f¨ur 253 nm LEDs. Der Grad der Polarisation ist dabei nach Gleichung 27 definiert. Die Messungen erfolgten bei Raumtemperatur und einem Gleichstrom von 20 mA. In Abb. 58 ist dabei ein starker Einfluss der Substrate auf den Grad der Polarisation zu erkennen. F¨ur die 253 nm LEDs auf den Saphirsubstraten wurde ein Polarisationsgrad zwischen -0,18 und -0,36 gemessen. Damit liegt f¨ur diese LEDs eine dominante TM-polarisierte Lichtemission senkrecht zur c-Achse vor. Die Streuung der Messwerte bei den drei untersuchten LEDs kann dabei mit einer geringen Variation des LED-Templates oder des Wachstumsprozesses erkl¨art werden, welche eine Ver¨anderung der Verspannung der aktiven Zone hervorrufen k¨onnen. Die LED auf dem AlN-Substrat (glei-che LED-Heterostruktur) zeigt hingegen einen deutlich h¨oheren Grad der Polarisation. Er liegt bei 0,78, was bedeutet, dass das senkrecht zur c-Achse emittierte Licht haupts¨achlich TE-polarisiert ist. Erkl¨art werden kann diese starke ¨Anderung der Polaristion durch eine Ver¨anderung der Verspannung der aktiven Zone, welche durch das Wachstum auf den un-terschiedlichen Substraten hervorgerufen wird. So ist die aktive Zone der LED auf dem

Abbildung 58: Einfluss des Substrates auf den Grad der Polarisation der senk-recht zur c-Achse emittierten Lichtemissi-on f¨ur 253 nm LEDs. Verglichen wurde ei-ne 253 nm LED-Struktur abgeschieden auf einem AlN- bzw. auf Saphirsubstrat. Die Messungen erfolgten bei Raumtemperatur und 20 mA.

36Eine genaue Beschreibung der LED-Heterostuktur ist aus Vertraulichkeitsgr¨unden leider nicht m¨oglich.

6 Polarisationsabh¨angigkeit der lateralen Emission von UV-LEDs

AlN-Substrat (pseudomorph gewachsen) deutlich st¨arker in der Ebene kompressiv ver-spannt als die aktive Zone der LED, welche auf dem Saphir/AlN-Template abgeschieden wurde [NCY⁺12].

Um dies n¨aher zu untersuchen, wurden Simulationen³⁷ der LED-Heterostruktur mit einem k·p-Modell durchgef¨uhrt. Die verwendeten Simulationsparameter sind in der Arbeit von J. E. Northrup et al. [NCY⁺12] zu finden. Ziel der Simulationen war es, den Einfluss der Verspannung und der Barrierenkomposition auf die optische Polarisation zu untersuchen.

Bei den Simulationen wurde dabei angenommen, dass die LED-Schichten pseudomorph auf das Template gewachsen wurden und die lateralen Gitterkonstanten von Quantenfilm und Quantenfilmbarrieren gleich der des Templates sind. Damit konnte die Verspannung der einzelnen Schichten durch einen Vergleich mit den entsprechenden relaxierten AlGaN-Schichten ermittelt werden, deren Gitterkonstante ¨uber das Vegardsche Gesetzes bestimmt wurde.

Abbildung 59a zeigt die minimale Emissionswellenl¨ange, f¨ur die eine senkrecht zur c-Achse dominante TE-polarisierte Lichtemission m¨oglich ist (λ_min(TE)), in Abh¨angigkeit der Rela-xation der lateralen Gitterkonstante der AlGaN-Quantenfilme f¨ur zwei verschiedene Quan-tenfilmbarrierenh¨ohen. In beiden F¨allen ist zu erkennen, dass f¨ur eine dominante

TE-(a) λ_min(TE) als Funktion der Relaxation der planaren AlGaN-Gitterkonstanten im Quanten-film

(b) Verspannung der aktiven Zone als Funktion von λ_min(TE)

Abbildung 59: Simulierte minimale Emissionswellenl¨ange f¨ur eine dominante TE-polarisierte Lichtemission (λ_min(TE)) (a) in Abh¨angigkeit der Relaxation der planaren AlGaN-Gitterkonsten im Quantenfilm [Nor; NCY⁺12] und (b) in Anh¨angigkeit der Verspan-nung der aktiven Zone (Aluminiumanteil der Quantenfilmbarriere = 70 %) [Nor; NCY⁺12].

In (a) ist zus¨atzlich der Einfluss der Aluminiumkonzentration (x_bar) in den Quantenfilmbar-rieren dargestellt.

37Diese Simulationen wurden nicht im Rahmen dieser Arbeit durchgef¨uhrt. Sie wurden von J. E. Northrup (Palo Alto Reseach Center) durchgef¨uhrt.

6.3 Abh¨angigkeit der optischen Polarisation von der Verspannung der aktiven Zone

Polarisation bei kurzen Emissionswellenl¨angen eine starke kompressive Verspannung der aktiven Zone n¨otig ist. Zudem ist zu beobachten, dass durch eine Erh¨ohung der Quan-tenfilmbarrierenh¨ohe (Erh¨ohung des Aluminiumanteils von 70 % auf 100 %) eine weitere Verringerung der minimalen Emissionswellenl¨ange λmin(TE) um ca. 15 nm m¨oglich ist.

= aQuantenf ilm−a_relaxiert

a_relaxiert , (29)

Die Abh¨angigkeit der minimalen Emissionswellenl¨ange f¨ur eine senkrecht zur c-Achse do-minante TE-Polarisation (λ_min(TE)) von der Verspannungder aktiven Zone, welche nach Gleichung 29 bestimmt wurde, ist in Abb. 59b dargestellt. Dort ist zu erkennen, dass die minimale Emissionswellenl¨ange f¨ur eine dominante TE-Polarisation mit zunehmender kom-pressiver Verspannung abnimmt. Nach diesen Simulationen ist f¨ur eine 253 nm LED eine mi-nimale kompressive Verspannung von ca. 0,75 % n¨otig, um eine dominante TE-polarisierte Emission senkrecht zur c-Achse zu erhalten. Die ¨Anderung der optischen Polarisation mit zunehmender kompressiver Verspannung kann mit einer spannungsbedingten Umordnung der LED-Bandstruktur am Γ-Punk erkl¨art werden. F¨ur kompressive Verspannungen klei-ner 0,75 % ist das oberste Valenzband am Γ-Punk das Split-Off-Lochband, gefolgt von dem energetisch tiefer liegenden Schwer- und Leichtlochband. Damit findet die Hauptre-kombination der Ladungstr¨ager zwischen dem Leitungs- und dem Split-Off-Lochband statt, deren senkrecht zur c-Achse emittierte Lumineszenz TM-polarisiert ist. F¨ur kompressive Verspannungen gr¨oßer 0,75 % hingegen ist die Anordnung der Valenzb¨ander umgedreht. Die obersten Vanlenzb¨ander am Γ-Punkt sind in diesem Fall das Schwer- und Leichtlochband.

Das Split-Off-Lochband liegt in diesem Fall energetisch tiefer, so dass die Hauptrekombi-nation der Ladungstr¨ager in diesen LEDs zwischen dem Leitungsband und dem Schwer-und Leichtlochband stattfindet. Die dadurch senkrecht zur c-Achse emittierte Lumineszenz hat somit eine dominante TE-Polarisation.

Erreicht werden kann eine solch starke Verspannung der aktiven Zone z.B. durch das Wachs-tum der LED-Struktur auf AlN-Substraten. Durch die deutlich kleinere Gitterkonstante von AlN (siehe Kapitel 2.1) im Vergleich zur aktiven Zone ist es durch pseudomorphes Wachstum der Quantenfilme (Quantenfilme haben nach dem Wachstum die gleiche a-Gitterkonstante wie das Substrat) auf diesen AlN-Substraten m¨oglich, LEDs mit stark kompressiv verspannten aktiven Zone zu realisieren. Dieser Effekt kann sehr gut in den ex-perimentellen Ergebnissen beobachtet werden. So weist die LED in Abb. 58, welche auf ei-nem AlN-Substrat abgeschieden wurde, eine deutlich ausgepr¨agte TE-polarisierte Emission senkrecht zur c-Achse auf, welche durch die starke resultierende kompressive Verspannung der aktiven Zone verursacht wird. Die gleiche LED-Heterostruktur auf Saphirsubstrat zeig-te hingegen eine dominanzeig-te TM-polarisierzeig-te Emission senkrecht zur c-Achse, da durch das Wachstum auf den Saphir/AlN-Templates die kompressive Verspannung deutlich reduziert wurde [NCY⁺12].

Somit konnte auch in diesem Abschnitt gezeigt werden, dass die Verspannung in den LEDs einen großen Einfluss auf die Polarisation der senkrecht zur c-Achse emittierten Elektrolu-mineszenz hat. Durch pseudomorphes Wachstum der Quantenfilme auf den AlN-Substraten

6 Polarisationsabh¨angigkeit der lateralen Emission von UV-LEDs

konnte der TE-polarisierte Anteil der senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtemission deut-lich gesteigert werden, was in guter ¨Ubereinstimmung mit Photolumineszenzmessungen von Murotani et al. [MYMH11] und Banal et al. [BFK09] ist. Somit sind ferne UV-LEDs auf AlN-Substraten vielversprechende Kandidaten, um aufgrund des großen Anteils des senk-recht zur c-Achse emittierten TE-polarisierten Lichtes eine deutlich h¨ohere Lichtextraktion durch das Substrat oder die Oberfl¨ache der LED zu gew¨ahrleisten, was die externe Quan-teneffizenz dieser Bauelemente deutlich steigern sollte.