Quantenfilmbreite

5 Steigerung der internen Quanteneffizienz von UV-LEDs

Abbildung 24: Typische Emissionsspektren von f¨unffach Quantenfilm-LEDs mit Quanten-filmbreiten von 1,5 nm, 2,2 nm und 3,2 nm.

Die Messung erfolgte bei Raumtemperatur und einem Injektionsstrom von 50 mA (cw).

Elektronenleckstrom m¨oglich ist. Dieser entsteht durch eine nicht ideal angepasste Elek-tronensperrschicht, auf deren Optimierung im sp¨ateren Verlauf dieses Kapitels n¨aher ein-gegangen wird. Eine weitere Emission kann im Emissionswellenl¨angenbereich von 350 nm bis 550 nm beobachtet werden. Diese entsteht durch Rekombinaton von Ladungstr¨agern an tiefen Zust¨anden verbunden mit Magnesiumakzeptoren oder anderen Verunreinigungen und Defekten [LON⁺02; SCM⁺03; ASC⁺04; LJvdW12].

In Abb. 25 sind typische Strom-Leistungskennlinien der LEDs dargestellt. Die h¨ochste Lichtleistung kann f¨ur die LEDs mit den 2,2 nm breiten Quantenfilmen beobachtet wer-den, gefolgt von den LEDs mit den 1,5 nm und 3,2 nm breiten Quantenfilmen. Bei genauer Betrachtung der Strom-Leistungkennlinien k¨onnen drei unterschiedliche Bereiche festge-stellt werden. Zwischen 0 mA und ca. 7 mA ist nur eine schwache Lumineszenz mit einem kleinen Anstieg in der Kennlinie zu erkennen. In diesem Bereich werden durch die stei-gende Ladungstr¨agerkonzentration in der LED erst einmal haupts¨achlich die Zentren f¨ur nichtstrahlende Rekombinationsprozesse abges¨attigt [SSH⁺98]. Im zweiten Bereich (zwi-schen ca. 7 mA und 30 mA) ist ein st¨akerer und nahezu linearer Anstieg der Kennlinien zu erkennen. In diesem Bereich resultiert die durch den zunehmenden Strom steigende Ladungstr¨agerkonzentration in der aktiven Zone direkt in einer h¨oheren strahlenden Re-kombination und damit in einer h¨oheren Lichtleistung der LEDs. Im letzten Bereich f¨ur Str¨ome gr¨oßer 30 mA ist eine Reduzierung des Anstieges mit anschließendem ¨Uberrollen der Lichtleistung erkennbar. Dies wird besonders gut bei der LED mit den 2,2 nm dicken Quantenfilmen deutlich. Dieser Effekt kommt durch die mit steigendem Strom zunehmen-de Selbsterw¨armung der LEDs zustande. Dabei steigt, durch die zunehmende Temperatur am pn- ¨Ubergang, die thermische Energie der Ladungstr¨ager an, so dass diese die Barrieren der Quantenfilme ¨uberwinden k¨onnen. Somit entstehen Leckstr¨ome, deren Ladungstr¨ager nicht mehr zur strahlenden Rekombination in der aktiven Zone beitragen k¨onnen. Da diese Leckstr¨ome exponentiell von der Temperatur abh¨angig sind, steigen sie schnell mit zuneh-mender Temperatur an.

5.2 Einfluss der aktiven Zone

Abbildung 25: Typische Strom-Leistungs-kennlinien (cw) von f¨unffach Quantenfilm-LEDs mit verschiedenen Quantenfilmbreiten.

Die Messung erfolgte bei Raumtemperatur.

Um die experimentellen Daten zu erkl¨aren und das Rekombinationsverhalten der Ladungs-tr¨ager in der aktiven Zone zu verstehen, wurde die Ladungstr¨agerinjektion in die aktive Zone simuliert. Dazu wurde das gleiche Simulationsmodell wie in Kapitel 5.1 benutzt.

Jedoch wurde in diesem Fall statt der Defektdichte die nichtstrahlende Lebenszeit der La-dungstr¨ager der Software direkt vorgegeben. Ihr Wert betrug f¨ur alle Simulationen 0,3 ns.

Das simulierte Profil der Leitungs- und Valenzbandkante (schwarze Linien) und die Elek-tronen- (blaue Linien) und L¨ocherkonzentrationen (rote Linien) in der aktiven Zone f¨ur eine Stromdichte von 300 Acm⁻² sind in Abb. 26 f¨ur die gemessenen LEDs mit einer Quan-tenfilmbreite von 1,5 nm, 2,2 nm und 3,2 nm dargestellt. Eine Stromdichte von 300 Acm⁻² entspricht dabei einem Strom von 30 mA in den Messungen. Die Simulation zeigt mit zuneh-mender Quantenfilmbreite zum einen eine zunehmende ¨ortliche Separation von Elektronen und L¨ochern aufgrund des Quantum Confined Stark Effekts²³. Diese Separation resultiert in einer Verringerung des ¨Uberlapps zwischen den Wellenfunktionen von Elektronen und L¨ochern, was zu einer Reduzierung der Rekombinationswahrscheinlichkeit der Ladungs-tr¨ager und damit zu einer Reduzierung der strahlenden Rekombination dieser f¨uhrt. Zum anderen ist eine Zunahme der Elektronen- und L¨ocherkonzentration in der aktiven Zo-ne mit zuZo-nehmender Quantenfilmbreite klar zu erkenZo-nen. Dies f¨uhrt zu einer Zunahme der strahlenden Rekombinationswahrscheinlichkeit, da diese quadratisch von der Ladungs-tr¨agerkonzentration abh¨angig ist (siehe Gleichung 17).

F¨ur einen besseren ¨Uberblick dieser Effekte wurden weitere Simulationen von LED-Struk-turen mit Quantenfilmbreiten zwischen 1,4 nm und 3,4 nm durchgef¨uhrt. Die Ergebnis-se sind in Abb. 27 dargestellt. Dort ist die simulierte Schichtladungstr¨agerkonzentration (summiert ¨uber alle Quantenfilme) der Elektronen (gef¨ullte Quadrate) und L¨ocher (gef¨ullte Kreise) sowie der simulierte mittlere ¨Uberlapp der Grundwellenfunktion von Elektronen, leichten L¨ochern (ungef¨ullte Kreise) und schweren (ungef¨ullte Quadrate) L¨ochern f¨ur ei-ne Stromdichte von 300 Acm⁻² als Funktion der Quantenfilmbreite dargestellt. Zus¨atzlich

23Eine detailierte Beschreibung des Quantum Confined Stark Effekts ist in Kapitel 2.4 zu finden.

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(a) 1,5 nm Quantenfilmdicke (b) 2,2 nm Quantenfilmdicke

(c) 3,2 nm Quantenfilmdicke

Abbildung 26:Simulierte Profile der Leitungs- und Valenzbandkanten (schwarz) und simu-lierte Elektronen- (blau) und L¨ocherkonzentrationen (rot) von f¨unffach Quantenfilm-LEDs mit einer Quantenfilmbreite von (a) 1,5 nm, (b) 2,2 nm und (c) 3,2 nm bei einer Stromdichte von 300 A/cm². Die Simulation erfolgte f¨ur eine Temperatur von 300 K.

sind die gemessen Lichtleistungen (Sterne) bei 30 mA (entspricht 300 Acm⁻²) in relativen Einheiten dargestellt. Diese Daten best¨atigen den Trend der weiter oben beschriebenen Messungen und Simulationen. Somit nimmt der mittlere ¨Uberlapp der Elektronen- und L¨ocherwellenfunktionen f¨ur Quantenfilmbreiten gr¨oßer als 1,6 nm deutlich ab. Dabei ist eine Reduzierung von rund 54 % f¨ur LEDs mit einer Quantenfilmbreite von 1,4 nm auf ca. 20 % f¨ur LEDs mit einer Qunatenfilmbreite von 3,4 nm zu beobachten. Dies f¨uhrt zu einer deut-lichen Reduzierung der Rekombinationswahrscheinlichkeit und damit zu einer Reduktion der strahlenden Rekombination. Auf der anderen Seite ist in Abb. 27 auch eine Zunahme der Elektronen- und L¨ocherkonzentration in der aktiven Zone mit steigender

Quanten-5.2 Einfluss der aktiven Zone

Abbildung 27: Simulierte Schichtelektronen- (gef¨ullte Quadrate) und Schichtl¨ ocherkonzen-trationen (gef¨ullte Kreise) und simulierter mittlerer ¨Uberlapp der Grundwellenfunktionen von Elektronen, leichten L¨ochern (ungef¨ullte Kreise) und schweren L¨ochern (ungef¨ullte Quadrate) f¨ur f¨unffach Quantenfilm-LEDs mit verschieden Quantenfilmbreiten. Die Sterne zeigen die ge-messene Lichtleistung in relativen Einheiten. Alle Ergebnisse sind f¨ur ein Injektionsstrom von 30 mA (300 A/cm²) bei Raumtemperatur dargestellt. Die Schichtladungstr¨agerkonzentration wurde ¨uber alle Quantenfilme summiert.

filmbreite zu erkennen. Dieser Effekt beruht auf einer reduzierten Quantisierungsenergie mit zunehmender Quantenfilmbreite, was eine Zunahme des Ladungstr¨agereinschlusses be-wirkt. Die Erh¨ohung der Schichtladungstr¨agerkonzentration f¨ur Elektronen- und L¨ocher um 2,4·10¹²cm⁻² bzw. 2,7·10¹²cm⁻² f¨ur LEDs mit einer Zuhnahme der Quantenfilmbreite von 1,4 nm auf 3,4 nm sollte damit zu einer Erh¨ohung der strahlenden Rekombinationsrate f¨uhren.

Beide Effekte, die Reduzierung des ¨Uberlapps der Elektronen- und L¨ocherwellenfunktionen sowie die Erh¨ohung der Ladungstr¨agerkonzentration in der aktiven Zone mit zunehmender Quantenfilmbreite, wirken dabei in entgegengesetzter Richtung in Bezug auf die strahlen-de Rekombinationsrate. Unsere Messungen haben gezeigt, dass f¨ur die untersuchten LEDs eine maximale Emissionleistung f¨ur LEDs mit 2,2 nm breiten Quantenfilmen erreicht wer-den kann. Dieses Ergebnis ist in guter ¨Ubereinstimmung mit Ver¨offentlichungen anderer Forschungsgruppen [HKA⁺06; HNYK08; NHYK09] und den im Rahmen dieser Arbeit duchgef¨uhrten Simulationen der LED-Heterostuktur. Bei diesen wird die maximale inter-ne Quanteinter-neffizienz f¨ur LEDs mit einer Quantenfilmbreite von 2 nm erreicht, da bei dieser Breite der beste Kompromiss zwischen dem ¨Uberlapp der Wellenfunktionen von Elektronen und L¨ochern und der Ladungstr¨agerkonzentration in der aktiven Zone vorliegt.

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