5.3 Untersuchung der Ladungstr¨ agerinjektion
5.3.3 Integration einer Zwischenschicht
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.
5 Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs
Abbildung 39: Schematische Darstellung der Bandstruktur eines pn- ¨Ubergangs (Ein-fachquantenfilm) mit Zwischen- und Elektro-nensperrschicht (ohne Maßstab). In rot und blau sind die L¨ocher- bzw. Elektronenstr¨ome eingezeichnet.
bzw. p-dotierten Seite der LED sinnvoll sein, um Elektronenleckstr¨ome erfolgreich zu un-terdr¨ucken und somit die Effizienz der LED zu erh¨ohen.
Schematisch ist dies in Abb. 39 dargestellt. Dabei entsteht durch die Integration einer solchen Zwischenschicht zwischen der aktiven Zone und der p-dotierten Seite der LED eine zus¨atzliche Potentialbarriere, welche den Elektronenleckstrom im Vergleich zu einer gew¨ohnlichen Elektronensperrschicht deutlich verringern kann. Dabei ist aber zu beachten, dass durch diese Zwischenschicht ebenfalls eine Potentialbarriere f¨ur die L¨ocher entsteht, so dass f¨ur ihre Funktionsf¨ahigkeit eine optimale Abstimmung zwischen ihrer H¨ohe (also Aluminiumkonzentration) und ihrer Dicke stattfinden muss, da bei der Verwendung einer solchen Zwischenschicht das Tunneln von Ladungstr¨agern eine entscheidene Rolle spielt.
Erste Vorversuche von Zhang et al. [ZZE+08] und Sumiya et al. [SZZ+08] haben die posi-tive Wirkung einer solchen Zwischenschicht f¨ur LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange von 264 nm gezeigt. Sie konnten durch die Verwendung einer nominell undotierten 1 nm dicken AlN-Zwischenschicht eine deutliche Abnahme der Nebenlumineszenz mit gleichzeitiger Zu-nahme der Quantenfilmlumineszenz zeigen. Jedoch erfolgte bei diesen Untersuchungen kei-nerlei Variation dieser Zwischenschicht, so dass dies in diesem Unterkapitel durch weitere experimentelle und simulierte Ergebnisse erg¨anzt werden soll.
Dazu wurden vier 320 nm LEDs mit unterschiedlich hohen 1 nm dicken AlGaN-Zwisch-enschichten vor einer Al0,38Ga0,62N-Elektronensperrschicht hergestellt29, deren Alumini-umanteil dabei zwischen 43 % und 96 % variierte. Die Aluminiumkonzentrationen der Zwi-schenschicht konnte an Kalibrierungsproben durch hochaufl¨osende R¨ontgenmessungen und Transmissionsmessungen bestimmt werden. Auf eine p-Dotierung der Zwischenschicht wur-de verzichtet, da eine wur-definierte Dotierung einer so d¨unnen Schicht nicht m¨oglich ist. Der Rest der LED-Struktur war, wie in Kapitel 5.3.1 beschrieben, aufgebaut. Vergleichend da-zu wurden Heterostruktursimulationen dieser LEDs durchgef¨uhrt (Annahmen siehe Kapi-tel 5.3.1). Bei den Simulationen kamen kontinuierlich variierte Aluminiumkonzentrationen
29Das Wachstum der LEDs erfolgte an der TU Berlin durch J. Stellmach und F. Mehnke.
5.3 Untersuchung der Ladungstr¨agerinjektion
Abbildung 40: Typische normierte Emis-sionsspektren (halblogarithmisch aufgetra-gen) von 320 nm LEDs mit unterschiedli-chen AlGaN-Zwisunterschiedli-chenschichten zwisunterschiedli-chen letz-ter Quantenfilmbarriere und Elektronensperr-schicht. Variiert wurde der Aluminiumanteil der Zwischenschicht zwischen 43 % und 96 %.
Die Messung erfolgte bei Raumtemperatur und einem Injektionsstrom von 20 mA (cw).
der Zwischenschicht im Bereich von 50 % bis 100 % Aluminium zum Einsatz. Außerdem konnte die positive Wirkungsweise einer solchen Zwischenschicht f¨ur 228 nm LEDs durch erg¨anzende Simulationen nachgewiesen werden, da eine praktische Anwendung einer sol-chen Zwissol-chenschicht eher f¨ur LEDs im Bereich dieser Emissionswellenl¨ange vorstellbar ist.
Abbildung 40 zeigt typische halblogarithmisch aufgetragene, normierte Elektrolumines-zenzspektren von 320 nm LEDs mit unterschiedlichen nominell undotierten 1 nm dicken AlGaN-Zwischenschichten zwischen letzter Quantenfilmbarriere und Elektronensperrschicht.
Variiert wurde der Aluminiumanteil der Zwischenschicht zwischen 43 % und 96 %. Die Mes-sungen erfolgten dabei bei Raumtemperatur und einem Injektionsstrom von 20 mA. F¨ur alle LEDs ist eine dominante Quantenfilmlumineszenz zwischen 320 nm und 323 nm zu erken-nen. Auf der niederenergetischen Seite dieses Quantenfilmpeaks ist auch bei diesen LED-Strukturen eine Nebenlumineszenz zu erkennen, deren Ursachen bereits in Kapitel 5.2.1 n¨aher erkl¨art wurden. Dabei f¨allt auf, dass die LED-Struktur mit 59 % Aluminium in der AlGaN-Zwischenschicht die deutlich geringste Nebenlumineszenz zeigt. F¨ur diese Zwischen-schicht scheint der Ladungstr¨agereinschluss und die Ladungstr¨agerinjektion in die aktive Zone am besten zu funktionieren, so dass eine Rekombination der Ladungstr¨ager auf der p-dotierten Seite der LED deutlich reduziert werden konnte.
In Abb. 41 ist die durchschnittliche Lichtleistung von 320 nm LEDs mit unterschiedli-chen nominell undotierten 1 nm dicken AlGaN-Zwisunterschiedli-chenschichten zwisunterschiedli-chen letzter Quan-tenfilmbarriere und Elektronensperrschicht als Funktion der Aluminiumkonzentration der AlGaN-Zwischenschicht dargestellt. Die Messung erfolgte bei Raumtemperatur und einem konstanten Injektionsstrom von 60 mA. Dabei ist nur f¨ur die LEDs mit den 59 % Alumi-nium in der AlGaN-Zwischenschicht eine deutliche Steigerung der Lichtleistung gegen¨uber den LEDs ohne Zwischenschicht erkennbar, deren Lichtleistungsbereich in Abb. 41 eben-falls als gelber Balken eingezeichnet ist. F¨ur eine Aluminiumkonzentration kleiner als 59 % ist die Lichtleistung mit oder ohne Zwischenschicht nahezu identisch, da f¨ur diesen Fall durch die fehlende p-Dotierung der Zwischenschicht keine zus¨atzliche oder nur eine sehr
5 Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs
Abbildung 41: Durchschnittliche Lichtleis-tung von 320 nm LEDs mit unterschiedli-chen AlGaN-Zwisunterschiedli-chenschichten zwisunterschiedli-chen letz-ter Quantenfilmbarriere und Elektronensperr-schicht. Variiert wurde der Aluminiumanteil der Zwischenschicht zwischen 43 % und 96 %.
Die Messung erfolgte bei Raumtemperatur und einem Injektionsstrom von 60 mA (cw).
geringe zus¨atzliche Potentialbarriere im Leitungsband ausgebildet wird, so dass der Elek-tronenfluss ins p-dotierte Gebiet der LED nicht effektiv unterdr¨uckt werden kann. F¨ur Aluminiumkonzentrationen gr¨oßer als 59 % wird hingegen eine geringere Lichtleistung als ohne Zwischenschicht gemessen. Bei diesen LEDs entsteht im Valenzband eine zus¨atzliche Potentialbarriere f¨ur die L¨ocher, so dass die L¨ocherinjektion in die aktive Zone reduziert wird. Somit zeigt sich in den Elektrolumineszenzmessungen, dass der beste Kompromiss zwischen einer Reduzierung der Elektronenleckstr¨ome und der Injektion der L¨ocher f¨ur eine 1 nm dicke nominell undotierte AlGaN-Zwischenschicht mit einer Aluminiumkonzentrati-on um 59 % vorliegt. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass der optimale Wert f¨ur die Aluminiumkonzenztration in der Zwischenschicht zudem noch stark von der Dicke der Zwi-schenschicht abh¨angt, da die Dicke einen starken Einfluss auf die Tunnelwahrscheinlichkeit der Ladungstr¨ager hat und das Tunneln der Ladungstr¨ager bei solch d¨unnen Schichten einen großen Einfluss bei den Ladungstr¨agertransportmechanismen hat.
Um die Ladungstr¨agerinjektion in die aktive Zone n¨aher zu untersuchen, wurden zu den Elektrolumineszenzmessungen erg¨anzend Simulationen der LED-Heterostruktur durchge-f¨uhrt. In Abb. 42 sind dazu der simulierte Elektronenstrom und die simulierte Elektronen-und L¨ocherkonzentration in der aktiven Zone f¨ur LEDs mit einer 1 nm dicken AlGaN-Zwischenschicht mit einer Aluminiumkonzentration zwischen 50 % und 100 % dargestellt.
Abbildung 42a zeigt, dass f¨ur eine Zwischenschicht mit einer Aluminiumkonzentration von 80 % die geringsten Elektronenleckstr¨ome zu beobachten sind. F¨ur niedrigere und h¨ohere Aluminiumkonzentrationen steigen diese hingegen wieder stark an. So ist der Elektronen-leckstom f¨ur die LEDs mit den 50 % und 60 % Aluminium in der Zwischenschicht mit rund 81 % bzw. 80 % noch deutlich h¨oher als ohne diese Zwischenschicht (Elektronenleckstrom:
56 %). Dies liegt daran, dass bei diesen Aluminiumkonzentrationen aufgrund der fehlenden p-Dotierung keine ausreichende Potentialbarriere im Leitungsband ausgebildet wird (effek-tive Potentialbarriere: 0 % Aluminium: 272 meV, 50 % Aluminium: 198 meV, 60 % Alumini-um: 308 meV), jedoch eine solche im Valenzband entsteht (effektive Potentialbarriere: 0 % Aluminium: 285 meV, 50 % Aluminium: 331 meV, 60 % Aluminium: 345 meV). Dadurch wird der Elektronenleckstrom nicht deutlich verringert, so dass die
Elektronenkonzentra-5.3 Untersuchung der Ladungstr¨agerinjektion
(a) Elektronenstrom (b) Ladungstr¨agerkonzentration
Abbildung 42: Simulierter (a) Elektronenstrom und (b) simulierte Ladungs-tr¨agerkonzentration von 320 nm LEDs mit unterschiedlichen AlGaN-Zwischenschichten.
Variiert wurde der Aluminiumanteil der Zwischenschicht zwischen 50 % und 100 %. Die Simulation erfolgte f¨ur 300 K einer Stromdichte von 200 Acm−2.
tion in der aktiven Zone kaum ansteigt. Gleichzeitig wird jedoch die L¨ocherinjektion und damit die L¨ocherkonzentration in die aktive Zone deutlich verringert, wie in Abb. 42b klar zu erkennen ist. F¨ur h¨ohere Aluminiumkonzentrationen nimmt der Elektronenleckstrom je-doch stark ab, bis f¨ur eine AlGaN-Zwischenschicht mit 80 % Aluminium ein Minimum von rund 6 % erreicht ist (effektive Potentialbarriere im Leitungsband: 416 meV). F¨ur diese LED kann eine maximale L¨ocherkonzentration in der aktiven Zone bei gleichzeitig sehr hoher Elektronenkonzentration in Abb. 42b beobachtet werden, was zu einer hohen strahlenden Rekombination der Ladungstr¨ager in der aktiven Zone f¨uhrt. F¨ur eine weitere Erh¨ohung der Aluminiumkonzentration in der Zwischenschicht kann wieder eine Zunahme des Elek-tronenleckstromes beobachtet werden, da f¨ur diese LEDs die L¨ocherinjektion in die aktive Zone durch die zunehmende Potentialbarriere im Valenzband (402 meV f¨ur 100 % Alumi-nium in der Zwischenschicht) erheblich beeintr¨atigt wird, so dass die strahlende Rekombi-nation der Ladungstr¨ager in der aktiven Zone reduziert wird und somit mehr Elektronen in die p-dotierte Seite der LED vordringen k¨onnen.
Dies schl¨agt sich auch deutlich in den simulierten Emissionsspektren nieder, welche in Abb. 43 dargestellt sind. So zeigt die LED mit den 80 % Aluminium in der AlGaN-Zwisch-enschicht die h¨ochste Quantenfilmlumineszenz bei gleichzeitig geringster p-Seitenlumines-zenz. F¨ur niedrigere und h¨ohere Aluminiumkonzentrationen in der Zwischenschicht nimmt die Quantenfilmlumineszenz jedoch wieder stark ab, bei gleichzeitig starker Zunahme der Nebenlumineszenz. F¨ur die LEDs mit den 50 % bzw. 60 % Aluminium in der Zwischen-schicht ist die p-Seitenlumineszenz sogar dominant.
Vergleicht man die Elektrolumineszenzmessungen mit den Simulationen, so ergibt sich eine gleiche Tendenz. In beiden F¨allen nimmt die Lichtleistung bzw. Effizienz der LED anfangs
5 Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs
Abbildung 43: Simulierte Emissions-spektren von 320 nm LEDs mit un-terschiedlichen AlGaN-Zwischenschich-ten. Variiert wurde der Aluminiumanteil der Zwischenschicht zwischen 50 % und 100 %. Die Simulation erfolgte f¨ur 300 K einer Stromdichte von 200 Acm−2.
mit steigendem Aluminiumanteil in der AlGaN-Zwischenschicht zu, bis sie nach einem Ma-ximum wieder stark abnimmt. Die Lage des MaMa-ximums unterscheidet sich jedoch zwischen den Messungen und den Simulationen um 20 % in der Aluminiumkonzentration. So zeigten die Elektrolumineszenzmessungen eine maximale Lichtleistung f¨ur einen Aluminiumanteil von ca. 60 %. In den Simulationen lag dieser jedoch bei ca. 80 %. Diese Abweichung kann z.B. dadurch erkl¨art werden, dass in den gewachsenen LEDs die Aluminiumkonzentrati-on der Zwischenschicht bzw. die Zwischenschichtdicke mit einem gewissen Fehler behaf-tet sind, da diese an Volumenschichten von Kalibrierungsproben bestimmt wurden. Beim Wachstum der LEDs und speziell bei der Erzeugung dieser extrem d¨unnen (im Bereich von 1 nm) Zwischenschichten, kann es m¨oglich sein, dass der Aluminiumanteil bzw. die Dicke der Zwischenschicht von den Kalibrierungswerten abweicht. Dabei spielt gerade die Dicke der Schicht beim Tunneln der Ladungstr¨ager eine entscheidene Rolle, so dass schon kleine Abweichungen zu einer starken Verschiebung der Ergebnisse f¨uhren k¨onnen. Wei-tere Fehlerquellen f¨ur die Entstehung von Abweichungen zwischen den Messergebnissen und den Simulationen sind im Simulationsmodell begr¨undet. Durch diverse Annahmen und Vereinfachungen is es kaum m¨oglich, reale Bauelemente in allen Einzelheiten genau zu reproduzieren (siehe auch Kapitel 3.5).
Wie in den zwei vorangegangen Unterkapiteln bei der Optimierung der Elektronensperr-schicht gezeigt werden konnte, ist die Verwendung einer solchen ZwischenElektronensperr-schicht in 320 nm LEDs nicht zwingend notwendig, um LEDs mit einer hohen Injektionseffizienz, einem
” sau-beren“ Emissionsspektrum (ohne Nebenpeaks) und hohen Lichtleistungen zu realisieren.
Mit abnehmender Emissionswellenl¨ange gewinnt eine solche Zwischenschicht jedoch zu-nehmend an Bedeutung, da f¨ur diese LEDs Elektronensperrschichten mit Aluminiumkon-zentrationen von ¨uber 80 % ben¨otigt werden, deren p-Dotierung aufgrund der sehr ho-hen Aktivierungsenergie der Magnesiumakzeptoren (¨uber 500 meV [NNL+03; IKO+07] bei Raumtemperatur) nahezu unm¨oglich ist. Daher soll am Ende dieses Unterkapitels die po-sitive Wirkungsweise einer solchen Zwischenschicht f¨ur 228 nm LEDs durch zus¨atzliche Simulationen nachgewiesen werden, da LEDs mit dieser Emissionswellenl¨ange f¨ur
spektro-5.3 Untersuchung der Ladungstr¨agerinjektion
skopische Anwendungen sehr interessant sind.
F¨ur diese Simulationen wurde eine aktive Zone aus einem Al0,80Ga0,20 N-Einfachquanten-film, umgeben von Al0,92Ga0,08N-Quantenfilmbarrieren und gefolgt von einer Al(Ga)N-Zwischenschicht, angenommen. Auf der n-dotierten Seite der LED wurde eine mit Silizium dotierte Al0,92Ga0,08N-Schicht ([Si] = 2·1018cm−3) und als p-dotierte Schicht ein mit Magne-sium dotiertes Al0,60Ga0,40N/Al0,40Ga0,60N- ¨Ubergitter mit anschließender GaN:Mg-Kon-taktschicht angenommen ([Mg] = 2·1019cm−3). Untersucht wurde unter anderem der Ein-fluss der Dicke einer AlN-Zwischenschicht, der Dicke einer AlGaN-Zwischenschicht mit ab-fallender Aluminiumkonzentration (von 100 % auf der Seite der aktiven Zone zu 80 % Alu-minium auf der p-dotierten Seite der LED) sowie einer 3 nm dicken AlN-Zwischenschicht, gefolgt von einem gestuften p-dotierten ¨Ubergitter (3×je 2 nm Al0,80Ga0,20N/Al0,60Ga0,40 N-Ubergitter gefolgt von 3¨ × je 2 nm Al0,60Ga0,40N/Al0,40Ga0,60N- ¨Ubergitter).
Die simulierte Injektionseffizienz der 228 nm LEDs f¨ur die unterschiedlichen Al(Ga)N-Zwischenschichtkonfigurationen im Vergleich mit einer 228 nm LED ohne und mit klas-sischer Elektronensperrschicht ist in Abb. 44a dargestellt. Dabei kann bei der Variation der konstanten AlN-Zwischenschicht eine maximale Injektionseffizienz von 37 % f¨ur eine Schichtdicke von 3 nm festgestellt werden. Vergleicht man dies mit einer 228 nm LED oh-ne oder mit klassischer Al0,95Ga0,05N:Mg-Elektronensperrschicht, so kann f¨ur diese LEDs nur eine deulich geringere Injektionseffizienz von 19 % bzw. 18 % beobachtet werden. Eine weitere Erh¨ohung der Injektionseffizienz konnte f¨ur eine AlGaN-Zwischenschicht mit
ab-(a) Injektionseffizienz (b) interne Quanteneffizienz
Abbildung 44: Simulierte (a) Injektionseffizienz und (b) interne Quanteneffizienz von 228 nm LEDs mit unterschiedlichen Al(Ga)N-Zwischenschichten im Vergleich mit einer 228 nm LED ohne und mit klassischer Elektronensperrschicht. Variiert wurde die Dicke und Zusammensetzung der Zwischenschicht. Die Simulation erfolgte f¨ur 300 K und einer Strom-dichte von 200 Acm−2.
5 Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs
fallender Aluminiumkonzenztration ermittelt werden. Bei diesen LEDs ergab sich wegen der daraus resultierenden gr¨oßeren L¨ocherinjektion in die aktive Zone eine maximale In-jektionseffizienz von 52 % f¨ur eine Zwischenschichtdicke von 7 nm. Eine weitere Steigerung war nun noch durch die Verwendung einer 3 nm dicken AlN-Zwischenschicht mit gestuftem p-dotierten ¨Ubergitter m¨oglich. Bei dieser LED konnte aufgrund der nochmals gesteigerten L¨ocherinjektion (durch das gestufte ¨Ubergitter) eine Injektionseffizienz von 63 % erreicht werden.
Durch diese gesteigerte Injektionseffizienz konnte die maximale interne Quanteneffizienz in den Simulationen von rund 9 % f¨ur die LEDs ohne Zwischenschicht auf rund 17 % mit konstanter 3 nm dicker AlN-Zwischenschicht bzw. auf 25 % mit 7 nm dicker AlGaN-Zwisch-enschicht mit abfallendem Aluminiumanteil gesteigert werden (siehe Abb. 44b). Durch eine Kombination einer 3 nm dicken AlN-Zwischenschicht mit einem gestuften ¨Ubergitter gelang es, die interne Quanteneffizienz noch einmal durch die deutlich bessere L¨ocherinjektion auf einen Wert von rund 32 % zu erh¨ohen. Dabei wurde f¨ur die Simulationen eine Defektdichte von 2·109cm−2 angenommen.
Somit konnte mit diesen Simulationen gezeigt werden, dass es m¨oglich ist, die Effiezienz von fernen UV-LEDs mit einer d¨unnen Zwischenschicht deutlich zu steigern. Die Effizi-enz ist dabei allerdings sehr stark von der Zusammensetzung und Dicke der Zwischen-schicht abh¨angig, da ein optimaler Kompromiss zwischen einer Reduzierung der Elektro-nenleckstr¨ome und der Injektion der L¨ocher wichtig ist und speziell das Tunneln der La-dungstr¨ager stark von der Dicke der Zwischenschicht abh¨angig ist. Zudem konnte gezeigt werden, dass eine Anpassung der p-dotierten Seite der LED an die Elektronensperrschicht zur Leistungssteigerung sinnvoll sein kann. Dabei besteht jedoch immer die Frage, wie beim Wachstum der p-dotierten Schichten eine ausreichende p-Dotierung sichergestellt werden kann, was bei sehr hohen Aluminiumkonzentrationen ein großes Problem darstellt.
5.4 Zusammenfassung: Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs
In diesem Kapitel wurde untersucht, welche M¨oglichkeiten es gibt, die interne Quantenef-fizienz von LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange von ca. 320 nm zu steigern. Dabei stand zu Beginn des Kapitels der Einfluss der Defektdichte auf die interne Quanteneffizienz von 380 nm und 320 nm LEDs im Mittelpunkt. Im weiteren Verlauf des Kapiels wurde dann der Einfluss des Aufbaus der aktiven Zone und der Elektronensperrschichten auf die Effizienz von 320 nm LEDs n¨aher betrachtet.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass bei der Untersuchung des Einflusses der Defektdichte auf die interne und externe Quanteneffizienz von UV-LEDs mit einer Emis-sionswellenl¨ange von 380 nm eine starke Reduzierung der Lichtleistung mit zunehmender Defektdichte der LEDs zu beobachten war. So fiel die Lichtleistung bei einem Strom von 20 mA f¨ur LEDs mit einer Defektdichte von 5,1·108cm−2 um einen Faktor von 4,6, f¨ur
5.4 Zusammenfassung: Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs
LEDs mit einer Defektdichte von 7,8·109cm−2 ab. Dieses Verhalten kann mit einer Zunah-me an Zentren f¨ur nichtstrahlende Rekombinationsprozesse (z.B. Defekte) erkl¨art werden, so dass bei gleicher Anregungsdichte mehr Elektronen und L¨ocher nichtstrahlend rekom-binieren k¨onnen. Bei einem Vergleich der aus der gemessenen externen Quanteneffizienz abgesch¨atzten internen Quanteneffizienz mit Simulationen der internen Quanteneffizienz dieser LEDs gab es gute ¨Ubereinstimmungen, so dass das Simulationsmodell auch f¨ur die Absch¨atzung der Abh¨angigkeit der internen Quanteneffizienz von der Defektdichte f¨ur 320 nm LEDs genutzt werden konnte. Auch bei dieser Emissionswellenl¨ange war eine starke Abh¨angigkeit der internen Quanteneffizienz von der Defektdichte zu beobachten. So nimmt diese von 65 % f¨ur eine Defektdichte von 1·107cm−2 auf 1,3 % f¨ur eine Defektdichte von 1·1010cm−2 deutlich ab. Dabei ist speziell f¨ur Defektdichten gr¨oßer 1·109cm−2 eine starke Reduzierung der internen Quanteneffizienz zu beobachten. In diesem Bereich ist die nicht-strahlende Rekombination der Ladungstr¨ager (z.B. an Defekten) dominant. Somit konnte f¨ur UVA- und UVB-LEDs gezeigt werden, dass die Defektdichte einen starken Einfluss auf deren interne- und externe Quanteneffizienz hat und die Reduzierung dieser Defektdich-te wohl das gr¨oßte Potential bietet, um die Lichtleistung dieser LEDs weiter zu erh¨ohen.
Ans¨atze zur Defektreduktion, wie z.B. die Verwendung von strukturierten Substraten und Templates, werden daher in der zuk¨unftigen Forschung immer mehr an Bedeutung gewin-nen.
Bei der Optimierung der aktiven Zone f¨ur LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange von 320 nm konnte experimentell und durch Simulationen die h¨ochste Lichtleistung f¨ur LEDs mit einer Quantenfilmbreite von ca. 2 nm beobachtet werden. Bei Quantenfilmen dieser Dicke gab es den besten Kompromiss zwischen der Ladungstr¨agerkonzentration und dem ¨Uberlapp der Elektronen- und L¨ocherwellenfunktionen. Zudem konnte gezeigt werden, dass aufgrund der sehr asymmetrischen Verteilung der Ladungstr¨ager (besonders der L¨ocher) die Ver-wendung von mehr als drei Quantenfilmen nicht sinnvoll ist. Vielmehr ist eine weitere Reduzierung der Quantenfilmanzahl denkbar, da gezeigt werden konnte, dass die Lichtleis-tung unabh¨angig von der Quantenfilmanzahl ist. Abschließend ist allerdings zu bemerken, dass auch die Defektdichte der UV-LEDs eine signifikante Rolle beim Design der akti-ven Zone spielt. In den untersuchten LEDs ist die Defektdichte mit etwa 6·109cm−2 bis 1·1010cm−2 sehr hoch, was in einer sehr geringen nichtstrahlenden Lebenszeit der La-dungstr¨ager resultiert. Daher kann sich das optimale LED-Heterostrukturdesign mit einer steigenden Materialqualit¨at der LEDs durchaus ¨andern. So haben Simulationen gezeigt30, dass bei einer Erh¨ohung der nichstrahlenden Lebenszeit der Ladungstr¨ager von 0,3 ns auf 3 ns die Ladungstr¨ager bei einer Stromdichte von 200 A/cm2 deutlich homogener ¨uber die Quantenfilme verteilt sind und die Schichtladungstr¨agerkonzentration in sechs von sieben Quantenfilmen ¨uber 1·1012cm−2 liegt. In diesem Fall k¨onnten Mehrfachquantenfilm-LEDs eine deutlich bessere L¨osung als Einfachquantenfilm-LEDs sein.
Zur Untersuchung der Ladungstr¨agerinjektion in 320 nm LEDs wurde der Einfluss der H¨ohe (also der Aluminiumkonzentration) und der Dotierung einer
AlGaN:Mg-Elektronensperr-30In dieser Arbeit nicht im Detail dargestellt.
5 Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs
(a) Emissionsspektren (b) 309 nm und 331 nm LED
Abbildung 45: (a) normierte Emissionsspektren bei 20 mA von UVA- und UVB-LEDs und (b) Lichtleistung bzw. externe Quanteneffizienz einer 309 nm und 331 nm LED. Die Mes-sungen erfolgten bei Raumtemperatur und Gleichstrom.
schicht untersucht. Dabei wurde deutlich, dass die effizientesten LEDs mit einer Alumi-niumkonzentration zwischen 42 % und 45 % realisiert werden konnten, da dort der beste Kompromiss zwischen einer effektiven Reduzierung der Elektronenleckstr¨ome und einer gu-ten L¨ocherinjektion in die aktive Zone vorgelegen hat. Bei der Optimierung der p-Dotierung ergab sich, dass die optimale Cp2Mg-Flussrate f¨ur die Magnesiumdotierung in der Elek-tronensperrschicht im mittleren einstellbaren Bereich bei etwa 100 sccm liegt31 (f¨ur die an der TU Berlin benutzte
”Thomas Swan CCS“ MOVPE-Anlage). F¨ur diese Fl¨usse zeigten die 320 nm LEDs die h¨ochste Lichtleistung und die geringste Nebenlumineszenz im Emissi-onsspektrum, da f¨ur diese Fl¨usse die h¨ochste Akzeptorkonzentration erreicht wurde, bevor die Selbstkompensation eine Rolle spielte. Dadurch konnte eine effektive Potentialbarriere f¨ur die Elektronen im Leitungsband ausgebildet werden, was in einer effektiven Reduzie-rung der Elektronenleckstr¨ome resultierte. Durch die Integration einer sehr d¨unnen AlGaN-oder AlN-Zwischenschicht zwischen letzter Quantenfilmbarriere und p-dotierter Seite der LED konnte zudem eine deutliche Steigerung der Ladungstr¨agerinjektion nachgewiesen werden. Eine solche Zwischenschicht kann speziell f¨ur LEDs mit Emissionswellenl¨angen unter 260 nm hilfreich sein, um die Effizienz dieser LEDs deutlich zu steigern. So konnte durch diese Zwischenschicht in den Simulationen die interne Quanteneffizienz einer 228 nm LED von rund 9 % ohne Zwischenschicht auf rund 32 % mit AlN-Zwischenschicht gesteigert werden.
31Eine 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.
5.4 Zusammenfassung: Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs
Abbildung 46: Uberblick ¨¨ uber die externe Quanteneffizienz von UVA-, UVB- und UVC-LEDs verschiedener Forschungsgruppen [KKC+11]. Zus¨atzlich wurde die externe Quan-teneffizienz einer an der TU Berlin gewachsenen 309 nm und 331 nm LED eingezeich-net (auf einem Saphir/AlN-Template des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut f¨ur H¨ochstfrequenztechnik).
Durch die Optimierung der LED-Heterostuktur und der Wachstumsbedingungen der einzel-nen Schichten (welche nicht Inhalt dieser Arbeit waren) konnten LEDs mit einer dominan-ten Quandominan-tenfilmlumineszenz zwischen 290 nm und 330 nm realisiert werden. Das Wachstum der LEDs erfolgte dabei an der TU Berlin auf Saphir/AlN-Templates des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut f¨ur H¨ochstfrequenztechnik. Einige der entsprechenden Emissi-onsspektren sind dazu exemplarisch in Abb. 45a dargestellt. Dabei konnten Lichtleistungen im Milliwattbereich erreicht werden. Als Beispiel ist in Abb. 45b die Lichtleistung und die externe Quanteneffizienz einer 309 nm bzw. 331 nm LED als Funktion des Injektionsstroms dargestellt. F¨ur diese LEDs ergaben die Messungen auf dem Wafer eine maximale Lichtleis-tung von 2,15 mW bzw. 4,95 mW. Ihre maximale externe Quanteneffizienz lag bei 0,73 % bzw. 1,53 %. Ordnet man diese Werte in die Ergebnisse anderer internationaler Arbeits-gruppen ein (siehe Abb. 46) so ist festzustellen, dass die an der TU Berlin gewachsenen LEDs in diesem Emissionswellenl¨angenbereich zur absoluten Weltspitze geh¨oren.
5 Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs
6 Polarisationsabh¨ angigkeit der lateralen Emission von UV-LEDs
Trotz des enormen Fortschritts bei der Entwicklung von UV-LEDs in den letzten Jahren [KBK08; GGMS10; TMT+09; AFI+07; SSD+10; HTMK10] sind gegenw¨artig in der Litera-tur nur LEDs mit sehr geringen externen Quanteneffizienzen zu finden [KKC+11]. Gr¨unde daf¨ur k¨onnen z.B. eine abnehmende Materialqualit¨at, eine Verschlechterung der Ladungs-tr¨agerinjektion und des Ladungstr¨agereinschlusses mit steigendem Aluminiumanteil in den LEDs sein, was im vorherigen Kapitel zum Teil schon untersucht wurde. Als weitere Ursache kann eine Verringerung der Extraktionseffizienz angesehen werden, da nach theoretischen Berechungen der Bandstruktur [ZZT10; dCSFB04; Yam08; Yam10] und Photolumineszenz-messungen an AlGaN-Volumenkristallen [NLN+04] bzw. AlGaN-Mehrfachquantenfilmen [BFK09] eine ¨Anderung der Valenzbandordung am Γ-Punkt der Brillouinzone mit zuneh-mendem Aluminiumgehalt zu erwarten ist. Somit ist ebenfalls eine Polarisations¨anderung des senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtes von haups¨achlich transversal elektrisch (TE) polarisiertem Licht f¨ur nahe UV-LEDs mit geringem Aluminiumanteil in der aktiven Zone zu haupts¨achlich transversal magnetisch (TM) polarisiertem Licht f¨ur ferne UV-LEDs mit hohem Aluminiumanteil zu erwarten.
Diese ¨Anderung der Polarisation der senkrecht zur c-Achse emittierten Lumineszenz hat einen großen Einfluss auf die Lichtauskopplung aus dem LED-Chip. In Abb. 47 ist schema-tisch eine sehr vereinfachte LED-Struktur f¨ur eine Lichtemission im UV-Spektralbereich dargestellt. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes ist eine Lichtauskopplung
¨uber die Oberfl¨achen der LED nur entlang des blau markierten Lichtausbreitungskegels
Abbildung 47:Schematische Darstellung einer vereinfachten LED-Struktur f¨ur die Emission im UV-Spektralbereich. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes ist eine Lichtaus-kopplung nur entlang des blau markierten Lichtausbreitungskegels m¨oglich. Zus¨atzlich ist die Lage des elektrischen Feldvektors relativ zur (0001)-Achse f¨ur transversal elektrisch (TE) und transversal magnetisch (TM) polarisiertes Licht dargestellt.
6 Polarisationsabh¨angigkeit der lateralen Emission von UV-LEDs
m¨oglich. Zus¨atzlich ist die Lage des elektrischen Feldvektors relativ zur (0001)-Achse f¨ur TE- und TM-polarisiertes Licht dargestellt. F¨ur LEDs im sichtbaren und nahen UV-Spektralbereich ist die senkrecht zur c-Achse emittierte Lichtemission haupts¨achlich TE-polarisiert. Somit ist der elektrische Feldvektor senkrecht zur (0001) c-Achse (E⊥c), so dass die Photonen einfach durch den Lichtaustrittskegel ¨uber das Substrat oder die Oberfl¨ache ausgekoppelt werden k¨onnen [MSG+94]. F¨ur LEDs im UVB- und UVC-Spektralbereich hingegen ¨andert sich mit zunehmendem Aluminiumgehalt die Valenzbandordnung am Γ-Punkt der Brillouinzone (schematisch ist dies in Abb. 53b dargestellt), so dass der TM-polarisierte Anteil des senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtes (Ekc) in Relation zum TE-polarisierten Anteil zunehmend st¨arker wird. Damit erfolgt eine Emission dieser Pho-tonen nur in der Ebene der LED (parallel zum Substrat), so dass diese PhoPho-tonen nicht wie bei den sichtbaren und nahen UV-LEDs einfach ¨uber den Lichtaustrittskegel durch die Oberfl¨ache oder das Substrat ausgekoppelt werden k¨onnen [NLN+04], was in einer geringen Extraktionseffizienz resultiert.
In Abb. 48a sind typische Strom-Leistungskennlinien von vier ausgew¨ahlten UV-LEDs zwi-schen 379 nm und 288 nm dargestellt. Die Messung erfolgte dabei auf dem Wafer an je-weils 100µm×100µm Kontakten, parallel zur (0001)-Achse durch das Substrat, mit einer großfl¨achigen Silizium-Photodiode. Es ist festzustellen, dass sich mit abnehmender Emissi-onswellenl¨ange die Lichtleistung deutlich reduziert und die Kennlininen fr¨uhrer anfangen
¨uberzurollen. Dies spricht f¨ur eine zunehmende thermische Belastung in den LEDs, was mit einem zunehmenden Schichtwiderstand mit steigendem Aluminiumgehalt erkl¨art werden kann. F¨ur einen besseren ¨Uberblick wurde in Abb. 48b die Lichtleistung von verschiedenen
(a) Strom-Leistungskennlinien (b) Lichtleistung bei 40 mA
Abbildung 48:(a) typische Strom-Leistungskennlinien und (b) typische Lichtleistungen bei 40 mA von ausgew¨ahlten LEDs im UVA- und UVB-Spektralbereich. Die Messung erfolgte auf dem Wafer an jeweils 100µm×100µm Kontakten, parallel zur (0001)-Achse durch das Substrat, mit einer großfl¨achigen Silizium-Photodiode.