In diesem Kapitel wurde die optische Polarisation der senkrecht zur c-Achse emittier-ten Elektrolumineszenz von LEDs in einem Spektralbereich zwischen 253 nm und 386 nm
38Durchgef¨uhrt von Dr. H. Wenzel (FBH) basierend auf einem k·p-Modell.
6.5 Zusammenfassung: Polarisationsabh¨angigkeit der lateralen Elektrolumineszenz
weltweit erstmals systematisch untersucht, da diese einen großen Einfluss auf die Lichtaus-kopplung aus dem LED-Chip hat.
Dabei konnte bei den LEDs auf den Saphirsubstraten im untersuchten Spektralbereich ei-ne nahezu liei-neare Abh¨angigkeit des Grades der Polarisation von der Emissionswellenl¨ange festgestellt werden. Ein Grad der Polarisation von Null, d.h. der TE- und TM-polariserte Anteil der senkrecht zur c-Achse emittierten Lumineszenz ist gleich, konnte f¨ur LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange um 300 nm beobachtet werden. F¨ur LEDs mit gr¨oßeren Emis-sionswellenl¨angen ergab sich aus den Messungen eine senkrecht zur c-Achse dominante TE-polarisierte Lichtemission, da f¨ur diese LEDs die Hauptrekombination der Ladungs-tr¨ager zwischen dem Leitungs- und dem Schwer- und Leichtlochband stattfindet. LEDs mit Emissionwellenl¨angen kleiner als 300 nm zeigten hingegen eine senkrecht zur c-Achse dominante TM-polarisierte Lichtemission, da sich f¨ur diese LEDs die Valenzbandordnung am Γ-Punkt der Brillouinzone ¨andert, so dass die Hauptrekombination der Ladungstr¨ager zwischen dem Leitungs- und dem Split-Off-Lochband stattfindet.
In einem weiteren Schritt wurde die Temperaturabh¨angigkeit der optischen Polarisation an ausgew¨ahlten LEDs untersucht. Hierbei zeigte die LED mit einer Emissionswellenl¨ange unter 300 nm eine Zunahme des TE-polarisierten Anteils der senkrecht zur c-Achse emit-tierten Lumineszenz mit steigender Temperatur, da durch die zunehmende Temperatur die thermische Energie der Ladungstr¨ager deutlich ansteigt und damit energetisch tiefe-re Valenzb¨ander (in diesem Fall das Schwer- und Leichtlochband) zunehmend mit La-dungstr¨agern besetzt werden k¨onnen. F¨ur LEDs mit Emissionswellenl¨angen gr¨oßer als 300 nm konnte eine Zunahme des TM-polarisierten Anteils der Lumineszenz beobachtet werden, da f¨ur diese LEDs der strahlende ¨Ubergang der Ladungstr¨ager zwischen dem Lei-tungsband und dem energetisch tieferen Split-Off-Lochband mit zunehmender Tempera-tur ansteigt. F¨ur LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange um 300 nm wurde hingegen ein nahezu unver¨anderter Polarisationsgrad beobachtet. Somit haben auch die temperaturab-h¨angigen Messungen des Polarisationsgrades eine ¨Anderung der Valenzbandanordung am Γ-Punkt der Brillouinzone best¨atigt. Auch durch diese Messungen konnte ein ¨Ubergang von haupts¨achlich TE-polarisiertem Licht zu haupts¨achlich TM-polarisiertem Licht (Po-larisationsgrad von Null) f¨ur LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange um 300 nm ermittelt werden.
Durch eine Variation der Quantenfilmbarrieren in 380 nm LEDs und einer Variation des Substrates bei 253 nm LEDs wurde der Einfluss der Verspannung der aktiven Zone auf den Polarisationsgrad untersucht. Dabei konnte in beiden F¨allen ein starker Einfluss der Verspannung auf den Grad der Polarisation beobachtet werden. F¨ur die 380 nm LEDs ergab sich eine Zunahme der TM-Polarisation der senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtemission mit abnehmender tensiler Verspannung der Quantenfilmbarrieren. F¨ur die 253 nm LEDs konnte sogar eine ¨Anderung der dominanten Polarisation von haupts¨achlich senkrecht zur c-Achse TM-polarisierten Licht f¨ur LEDs auf den Saphirsubstraten zu haupts¨achlich TE-polarisiertem Licht f¨ur LEDs auf dem AlN-Substrat (pseudomorph gewachsen) beobachtet werden. Somit ließ sich zeigen, dass die Verspannung einen großen Einfluss auf den Grad der Polarisation und damit auf die elektronische Bandstruktur der LEDs hat.
6 Polarisationsabh¨angigkeit der lateralen Emission von UV-LEDs
Bei den stromabh¨angigen Polarisationsmessungen der lateralen Elektrolumineszenz konnte festgestellt werden, dass mit einer steigenden Stromdichte (also einer steigenden Ladungs-tr¨agerkonzentration in der aktiven Zone) in UVA- und UVB-LEDs der TM-polarisierte Anteil relativ zum TE-polarisiertem Anteil der senkrecht zur c-Achse emittierten Licht-emission ansteigt. Dabei konnte f¨ur UVA-LEDs nur ein sehr leichter Anstieg um maximal -0,014 bei einer Erh¨ohung der Stromdichte von 200 Acm−2 auf 1000 Acm−2 gemessen wer-den. F¨ur LEDs im ferneren UV-Spektralbereich ergab sich hingegen eine st¨arkere Zunahme des TM-polarisierten Anteils der senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtemission mit zu-nehemender Stromdichte. Diese ¨Anderung lag bei der 288 nm LED bei maximal -0,058 f¨ur eine Erh¨ohung der Stromdichte von 200 Acm−2 auf 1000 Acm−2. Verglichen mit den temperatur- und spannungsabh¨angigen Messungen der optischen Polarisation kann aller-dings festgehalten werden, dass in den untersuchten LEDs die ¨Anderung der optischen Polarisation durch einen zunehmenden Injektionsstrom weitaus geringer ist als bei der Anderung der Temperatur oder der Verspannung in der LED, so dass der Effekt einer¨ Zunahme der Ladungstr¨agerdichte in der aktiven Zone bei der ¨Anderung der optischen Polarisation nur eine untergeordnete Rolle spielt.
Die polaristionsabh¨angigen Messungen in diesem Kapitel haben somit gezeigt, dass der Grad der Polarisation mit abnehmender Emissionswellenl¨ange, also zunehmendem Alu-miniumgehalt der aktiven Zone, deutlich abnimmt, was sich negativ auf die Extraktions-effizienz von vor allem fernen UV-LEDs auswirken kann. Als m¨oglicher L¨osungsansatz f¨ur dieses Problem konnte die Verwendung von AlN-Substraten aufgezeigt werden. Mit ihnen konnte auch f¨ur eine pseudomorph gewachsene 253 nm LED eine deutliche domi-nante TE-polarisierte Elektrolumineszenz senkrecht zur c-Achse beobachtet werden (auf Saphirsubstrat wurde eine dominante TM-Polarisation gemessen), so dass diese Substrate vielversprechende Kandidaten sind, um die Extraktionseffizienz in fernen UV-LEDs deut-lich zu steigern. Zus¨atzlich konnte gezeigt werden, dass auch die Verwendung von gezielt verspannten aktiven Zonen hilfreich sein kann (durch eine gezielte ¨Anderung in der LED-Heterostruktur), um den TE-polarisierten Anteil der lateralen Lichtemission zu steigern und damit den Polarisationsgrad der emittierten Elektrolumineszenz zu kontrollieren.
7 Zusammenfassung und Ausblick
In dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Parameter bzw. physikalischer Effekte auf die externe Quanteneffizienz von UV-LEDs untersucht. Dabei konnte durch eine Kom-bination von Simulationen der LED-Heterostruktur und Elektrolumineszenzmessungen an 320 nm LEDs eine gezielte Verbesserung der LED-Heterostruktur und damit der internen Quanteneffizienz von LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange um 320 nm erreicht werden. Ne-ben der internen Quanteneffizienz spielt auch die Extraktionseffizienz eine wichtige Rolle, um LEDs mit einer m¨oglichst hohen externen Quanteneffizienz zu realisieren. Daher wurde im zweiten Teil der Arbeit die ¨Anderung der Polarisation der senkrecht zur c-Achse emit-tierten Elektrolumineszenz mit steigendem Aluminiumgehalt der aktiven Zone weltweit das erste Mal systematisch untersucht, da sie speziell bei fernen UV-LEDs eine entscheidende Rolle f¨ur die Extraktionseffizienz spielt.
F¨ur eine Erh¨ohung der internen Quanteneffizienz ist die Reduzierung der Defektdichte in den einzelnen Schichten sowie das Design der aktiven Zone und der Elektronensperrschich-ten von entscheidender Bedeutung. Durch eine gezielte Verbesserung dieser Parameter kann die nichtstrahlende Rekombination der Ladungstr¨ager an Defekten reduziert, die La-dungstr¨agerinjektion verbessert und der Ladungstr¨agereinschluss gesteigert werden, was die strahlende Rekombination der Ladungstr¨ager und damit die interne Quanteneffizinez der LEDs deutlich erh¨ohen kann. Daher wurde im ersten Teil dieser Arbeit der Einfluss der Defektdichte, verschiedener aktiver Zonen und der Elektronensperrschichten auf die Effizienz verschiedener UV-LEDs betrachtet.
Bei der Untersuchung des Einflusses der Defektdichte auf die interne und externe Quan-teneffizienz von UV-LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange von 380 nm konnte eine starke Reduzierung der Lichtleistung mit zunehmender Defektdichte der LEDs beobachtet wer-den. So fiel die Lichtleistung bei einem Strom von 20 mA f¨ur LEDs mit einer Defekt-dichte von 5,1·108cm−2 um einen Faktor von 4,6 f¨ur LEDs mit einer Defektdichte von 7,8·109cm−2 ab. Dieses Verhalten kann mit einer Zunahme an Zentren f¨ur nichtstrahlende Rekombinationsprozesse (z.B. Defekte) erkl¨art werden, so dass bei gleicher Anregungsdich-te mehr Elektronen und L¨ocher nichtstrahlend rekombinieren k¨onnen. Bei einem Vergleich der aus den Messungen abgesch¨atzten internen Quanteneffizienz mit Simulationen der in-ternen Quanteneffizienz dieser LEDs konnte eine gute ¨Ubereinstimmung gefunden werden, 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 konnte in den Simulationen eine starke Abh¨angigkeit der inter-nen Quanteneffizienz von der Defektdichte beobachtet werden. So nimmt sie von 65 % f¨ur eine Defektdichte von 1·107cm−2 auf 1,3 % f¨ur eine Defektdichte von 1·1010cm−2 deutlich ab. 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 Defektdichte wohl das gr¨oßte Potential bietet, um die Lichtleistung dieser LEDs weiter zu erh¨ohen.
7 Zusammenfassung und Ausblick
Bei der Optimierung der aktiven Zone f¨ur LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange von 320 nm (Defektdichte gr¨oßer als 5·109cm−2) konnte experimentell und durch Simulationen die h¨ochste Lichtleistung f¨ur LEDs mit einer Quantenfilmbreite von 2 nm beobachtet wer-den. Bei Quantenfilmen dieser Dicke konnte der besten Kompromiss zwischen Ladungs-tr¨agerkonzentration und ¨Uberlapp der Elektronen- und L¨ocherwellenfunktionen ermittelt werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass aufgrund der sehr asymmetrischen Verteilung der Ladungstr¨ager (besonders der L¨ocher) die Verwendung von mehr als drei Quantenfilmen keinen Sinn macht. Vielmehr ist eine weitere Reduzierung der Quantenfilmanzahl denkbar, da gezeigt werden konnte, dass die Lichtleistung unabh¨angig von der Quantenfilmanzahl ist.
Zur Untersuchung der Ladungstr¨agerinjektion in 320 nm LEDs wurde der Einfluss der Aluminiumkonzentration (also der H¨ohe) und der Dotierung einer AlGaN:Mg-Elektronen-sperrschicht untersucht. Dabei ergab sich, 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 ausreichenden L¨ocherinjektion in die aktive Zone vorgelegen hat. Bei der Optimierung der p-Dotierung konnte gezeigt werden, dass die optimale Cp2Mg-Flussrate f¨ur die Magnesium-dotierung in der Elektronensperrschicht f¨ur die an der TU-Berlin benutzte
”Thomas Swan CCS“ MOVPE-Anlage im mittleren einstellbaren Bereich bei etwa 100 sccm liegt. F¨ur diese Fl¨usse zeigten die 320 nm LEDs die h¨ochste Lichtleistung und die geringste Nebenlumi-neszenz im Emissionsspektrum, da f¨ur diese Flussrate eine effektive Potentialbarriere im Leitungsband f¨ur die Elektronen ausgebildet wird, so dass Elektronenleckstr¨ome effektiv reduziert werden konnten und zugleich noch keine Selbskompensationseffekte auftraten.
Durch die Integration einer sehr d¨unnen Zwischenschicht zwischen letzter Quantenfilm-barriere und p-dotierter Seite der LED konnte zudem eine deutliche Steigerung der La-dungstr¨agerinjektion nachgewiesen werden. Eine solche Zwischenschicht kann speziell f¨ur LEDs mit Emissionswellenl¨angen unter 260 nm hilfreich sein, um die dort sehr geringe In-jektionseffizienz 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 erh¨oht werden.
Durch die Optimierung der LED-Heterostuktur und der Wachstumsbedingungen der ein-zelnen Schichten (welche nicht Inhalt dieser Arbeit waren) konnten somit LEDs mit ei-ner dominanten Quantenfilmlumineszenz 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. Dabei wurden Lichtleistungen im Milliwattbereich realisiert (siehe Abb. 45 auf Seite 70). So konnte z.B.
f¨ur eine 309 nm bzw. 331 nm LED auf dem Wafer eine maximale Lichtleistung von 2,15 mW bzw. 4,95 mW gemessen werden (cw, maximaler Strom 100 mA). Ihre maximale externe Quanteneffizienz lag bei 0,73 % bzw. 1,53 %. Ordnet man diese Werte in die Ergebnisse andere internationaler Arbeitsgruppen ein (siehe Abb. 46 auf Seite 71) so ist festzustellen, dass die an der TU Berlin gewachsenen LEDs in diesem Emissionswellenl¨angenbereich zur absoluten Weltspitze geh¨oren.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde die optische Polarisation der senkrecht zur c-Achse emittierten Elektrolumineszenz von LEDs in einem Spektralbereich zwischen 253 nm und 386 nm weltweit erstmals systematisch untersucht. Dabei konnte im untersuchten Emissi-onswellenl¨angenbereich f¨ur die LEDs auf den Saphirsubstraten eine nahezu lineare Abh¨ ang-igkeit des Polarisationsgrades von der Emissionswellenl¨ange festgestellt werden. Ein Grad der Polarisation von Null, d.h. der TE- und TM-polarisierte Anteil der senkrecht zur c-Achse emittierten Lumineszenz ist gleich, konnte f¨ur LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange um 300 nm beobachtet werden. F¨ur LEDs mit gr¨oßeren Emissionswellenl¨angen ergab sich eine senkrecht zur c-Achse dominante TE-polarisierte Lichtemission, da f¨ur diese LEDs die Hauptrekombination der Ladungstr¨ager zwischen dem Leitungs- und dem Schwer- und Leichtlochband stattfindet. LEDs mit Emissionwellenl¨angen kleiner als 300 nm zeigten hin-gegen eine senkrecht zur c-Achse dominante TM-polarisierte Lichtemission, da sich f¨ur diese LEDs die Valenzbandordnung am Γ-Punkt der Brillouinzone ¨andert, so dass die Hauptrekombination der Ladungstr¨ager zwischen dem Leitungs- und dem Split-Off-Loch-band stattfindet. Diese Ergebnisse sind auch in guter ¨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.
In einem weiteren Schritt wurde die Temperaturabh¨angigkeit der optischen Polarisation an ausgew¨ahlten LEDs untersucht. Hierbei zeigten die LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange unter 300 nm eine Zunahme des TE-polarisierten Anteils der senkrecht zur c-Achse emit-tierten Lumineszenz mit steigender Tempertur, da durch die zunehmende Temperatur die thermische Energie der Ladungstr¨ager deutlich ansteigt und damit energetisch tiefere Va-lenzb¨ander (in diesem Fall das Schwer- und Leichtlochband) zunehmend mit Ladungs-tr¨agern besetzt werden k¨onnen. F¨ur LEDs mit Emissionswellenl¨angen gr¨oßer als 300 nm konnte eine Zunahme des TM-polarisierten Anteils der Lumineszenz beobachtet werden, da f¨ur diese LEDs der strahlende ¨Ubergang der Ladungstr¨ager zwischen dem Leitungs-band und dem energetisch tieferen Split-Off-LochLeitungs-band mit zunehmender Temperatur an-steigt. LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange um 300 nm zeigten hingegen einen nahezu un-ver¨anderten Polarisationsgrad. Somit best¨atigen die temperaturabh¨angigen Messungen des Polarisationsgrades eine ¨Anderung der Valenzbandanordung am Γ-Punkt der Brillouinzo-ne. Auch durch diese Messungen konnte ein ¨Ubergang von haupts¨achlich TE-polarisiertem Licht zu haupts¨achlich TM-polarisiertem Licht (Polarisationsgrad von Null) f¨ur LEDs mit einer Emissionswellenl¨ange um 300 nm ermittelt werden.
Durch eine Variation der Quantenfilmbarrieren in 380 nm LEDs und einer Variation des Substrates bei 253 nm LEDs wurde der Einfluss der Verspannung der aktiven Zone auf den Polarisationsgrad untersucht. Dabei konnte in beiden F¨allen ein starker Einfluss der Ver-spannung auf den Grad der Polarisation beobachtet werden. F¨ur die 380 nm LEDs ergab sich eine Zunahme der TM-Polarisation der senkrecht zur c-Achse emittierten Elektrolumi-neszenz mit abnehmender tensiler Verspannung der Quantenfilmbarrieren. F¨ur die 253 nm LEDs konnte sogar eine ¨Anderung der dominanten Polarisation von haupts¨achlich
senk-7 Zusammenfassung und Ausblick
recht zur c-Achse TM-polarisiertem Licht f¨ur LEDs auf den Saphirsubstraten zu haupts¨ ach-lich TE-polarisiertem Licht f¨ur LEDs auf dem AlN-Substrat (pseudomorph gewachsen) be-obachtet werden. Somit konnte gezeigt werden, dass die Verspannung einen großen Einfluss auf den Grad der Polarisation und damit auf die Bandstruktur der LEDs hat.
Bei den stromabh¨angigen Polarisationsmessungen der lateralen Elektrolumineszenz konnte festgestellt werden, dass mit einer steigenden Stromdichte (also einer steigenden Ladungs-tr¨agerkonzentration in der aktiven Zone) in UVA- und UVB-LEDs der TM-polarisierte Anteil relativ zum TE-polarisiertem Anteil der senkrecht zur c-Achse emittierten Licht-emission ansteigt. Dabei konnte f¨ur UVA-LEDs nur ein sehr leichter Anstieg um maximal -0,014 bei einer Erh¨ohung der Stromdichte von 200 Acm−2 auf 1000 Acm−2 gemessen wer-den. F¨ur LEDs im ferneren UV-Spektralbereich konnte hingegen eine st¨arkere Zunahme des TM-polarisierten Anteils der senkrecht zur c-Achse emittierten Lichtemission mit zu-nehmender Stromdichte beobachtet werden. Diese ¨Anderung lag bei der 288 nm LED bei maximal -0,058 f¨ur eine Erh¨ohung der Stromdichte von 200 Acm−2 auf 1000 Acm−2. Vergli-chen mit den temperatur- und spannungsabh¨angigen Messungen der optischen Polarisation kann allerdings festgehalten werden, dass in den untersuchten LEDs die ¨Anderung der op-tischen Polarisation durch einen zunehmenden Injektionsstrom weitaus geringer ist als bei der ¨Anderung der Temperatur oder der Verspannung in der LED, so dass der Effekt einer Zunahme der Ladungstr¨agerdichte in der aktiven Zone bei der ¨Anderung der optischen Polarisation nur eine untergeordnete Rolle spielt.
Die polarisationsabh¨angigen Messungen an den UVA-, UVB- und UVC-LEDs auf Saphir-substraten haben somit gezeigt, dass der Grad der Polarisation mit abnehmender Emissi-onswellenl¨ange, also zunehmenden Aluminiumgehalt der aktiven Zone, deutlich abnimmt, was sich negativ auf die Extraktionseffizienz von vor allem fernen UV-LEDs auswirken kann. Als m¨oglicher L¨osungsansatz konnte die Verwendung von AlN-Substraten aufge-zeigt werden. Mit ihnen konnte auch f¨ur eine pseudomorph gewachsene 253 nm LED eine deutlich dominante TE-polarisierte Elektrolumineszenz senkrecht zur c-Achse beobachtet werden (auf Saphirsubstrat wurde eine dominante TM-Polarisation gemessen), so dass diese Substrate vielversprechende Kandidaten sind, um die Extraktionseffizienz in fernen UV-LEDs deutlich zu steigern. Zus¨atzlich wurde deutlich, dass auch die Verwendung von gezielt verspannten aktiven Zonen hilfreich sein kann (durch eine gezielte ¨Anderung in der LED-Heterostruktur), um den TE-polarisierten Anteil der lateralen Lichtemission zu stei-gern und damit den Polarisationsgrad der emittierten Elektrolumineszenz zu kontrollieren.
Zuk¨unftig wird speziell das Wachtum von UVC-LEDs auf AlN-Substraten zunehmend an Bedeutung gewinnen, da auf ihnen, wie weiter oben schon beschrieben, ein defekt¨armeres Wachstum mit einer st¨arkeren senkrecht zur c-Achse TE-polarisierten Emission m¨oglich sein sollte. Damit ergibt sich die M¨oglichkeit, UVC-LEDs mit einer deutlich h¨oheren in-ternen Quanteneffizienz und Extraktionseffizienz zu realisieren, so dass wesentlich h¨ohere externe Quanteneffizienzen als heutzutage ¨ublich, erreicht werden k¨onnten. Eine wichtige Voraussetzung daf¨ur ist die Verf¨ugbarkeit von finanzierbaren und qualitativ hochwertigen AlN-Substraten, deren Entwicklung immer weiter voranschreitet. So sind heute schon erste kommerzielle AlN-Substrate von den Firmen HexaTech, Nitride Crystals und CrystAl-N
in einer guten Qualit¨at erh¨altlich.
Eine andere M¨oglichkeit, die Defektdichte in den LEDs deutlich zu reduzieren, ist die Verwendung von strukturierten Substraten. So ist es m¨oglich, durch die Verwendung von strukturierten Saphirsubstraten, Saphir/AlN-Templates mit einer deutlich geringeren De-fektdichte herzustellen. Durch das Wachstum der LEDs auf diesen Substraten k¨onnte es ebenfalls gelingen, die strahlende Rekombination an Defekten deutlich zu verringern und damit LEDs mit einer sehr hohen internen und damit auch externen Quanteneffizienz zu realisieren.
Unabh¨angig davon, welche Methode sich durchsetzen wird, das in dieser Arbeit durch Simulationen und Experimente optimierte grundlegende LED-Heterostukturdesign wird auch bei einer geringeren Defektdichte wegen den zugrunde liegenden Mechanismen seine G¨ultigkeit behalten und von einer Reduzierung der Defektdichte profitieren.
7 Zusammenfassung und Ausblick
Abk¨urzungsverzeichnis
Abk¨ urzungsverzeichnis
A Ampere
Abb. Abbildung
Al Aluminium
AlGaN Aluminiumgalliumnitrid AlN Aluminiumnitrid
Ar Argon
Au Gold
bzw. beziehungsweise
C Coulomb
ca. circa
CH Kristallfeldaufspaltungslochband (englisch: crystal-field split-off hole)
cm Zentimeter
Cp2Mg Bicyclopentadienylmagnesium
cw Dauerstrich (englisch: continuous wave) DI deionisiertes Wasser
d.h. das heißt
EBL Elektronensperrschicht (englisch: electron blocking layer)
EC Leitungsband
EF Fermienergie
EQE externe Quanteneffizienz eV Elektronenvolt
EV Valenzband
FBH Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut f¨ur H¨ochstfrequenztechnik FWHM Halbwertsbreite (englisch: full width at half maximum)
Ga Gallium
GaAs Galliumarsenid GaN Galliumnitrid GaP Galliumphosphid
Gl. Gleichung
GPa Gigapascal
◦C Grad Celsius
H Wasserstoff
HH Schwerloch (englisch: heavy hole) InAlGaN Indiumaluminiumgalliumnitrid InGaN Indiumgalliumnitrid
InN Indiumnitrid InP Indiumphosphid
IQE interne Quanteneffizienz
IR infrarot
K Kelvin
LED lichtemittierende Diode
LH Leichtloch (englisch: light hole)
Abk¨urzungsverzeichnis
m Meter
mA Milliampere
meV Millielektronenvolt
Mg Magnesium
Mg3N2 Magnesiumnitrid MgO Magnesiumoxid
min Minute
mm Millimeter
Mo Molybd¨an
MOVPE Metallorganische Gasphasenepitaxie (englisch: metal organic vapor phase epitaxy) MQW Mehrfachquantenfilm (englisch: multi quantum well)
mW Milliwatt
µm Mikrometer
µW Mikrowatt
N Stickstoff
NaCl Natriumchlorid
nm Nanometer
PARC Palo Alto Research Center
Pd Palladium
QW Quantenfilm (englisch: quantum well) Ref. Referenz
s Sekunde
sccm Standardkubikzentimeter pro Minute SE Abwasser (englisch: sewage water)
Si Silizium
SiC Siliziumcarbid
SiH4 Silan
Si2H6 Disilan
SQW Einfachquantenfilm (englische: single quantum well) SW Seewasser (englisch: sea water)
TE transversal elektrisch
Ti Titan
TiO2 Titandioxid
TM transversal magnetisch TMIn Trimethylindium TU Technische Universit¨at
TW Leitungswasser (englisch: trapped water) u.a. unter anderem
UV ultraviolett UVT UV-Transparenz z.B. zum Beispiel
ZnO Zinkoxid
Simulationsparameter
Simulationsparameter
F¨ur die Simulationen der LED-Heteorstruktur in dieser Arbeit wurde die kommerzielle Software
”SiLENSe“ [STRa] verwendet. In Tabelle 3 und 4 sind die verwendeten Simu-lationsparameter dargestellt, welche haupts¨achlich f¨ur die Simulationen benutzt wurden (Stand: SiLENSe Version 4.2).
Parameter Einheit AlN InN GaN
Bandl¨ucke (0 K) eV 6,25 0,69 3,51
Varshniparameter a meV/K 1,799 0,245 0,909
Varshniparameter b K 1462 624 830
Kristallfeldaufspaltung meV -93,2 37,3 22,3
Spin-Orbit-Aufspaltung meV 11,1 11,1 11,1
Elektronenaffinit¨at eV 0 3,85 1,96
dielektrische Konstante 8,5 15,3 8,9
effektive Elektronenmasse (in der Ebene) m0 0,26 0,1 0,2 effektive Elektronenmasse (senkrecht zur Ebene) m0 0,25 0,1 0,2 effektive Schwerlochmasse (in der Ebene) m0 2,58 1,45 1,65 effektive Schwerlochmasse (senkrecht zur Ebene) m0 1,95 1,35 1,1
effektive Leichtlochmasse (in der Ebene) m0 0,27 0,1 0,15 effektive Leichtlochmasse (senkrecht zur Ebene) m0 1,95 1,35 1,1
effektive Split-Off-Lochmasse (in der Ebene) m0 1,95 1,54 1,1 effektive Split-Off-Lochmasse (senkrecht zur Ebene) m0 0,27 0,1 0,15
Gitterkonstante a nm 0,3112 0,354 0,3188
Gitterkonstante c nm 0,4982 0,5705 0,5186
Stiffnesskonstante C11 GPa 395 225 375
Stiffnesskonstante C12 GPa 140 110 140
Stiffnesskonstante C13 GPa 115 95 105
Stiffnesskonstante C33 GPa 385 200 395
Stiffnesskonstante C44 GPa 120 45 100
piezoelektrische Konstante e15 Cm−2 -0,48 -0,18 -0,27 piezoelektrische Konstante e31 Cm−2 -0,58 -0,22 -0,33 piezoelektrische Konstante e33 Cm−2 1,55 0,43 0,65
spontane Polarisation Cm−2 -0,081 -0,032 -0,029
Ionisierungenergie der Donatoren meV 13 13 13
Elektronen-g-Faktor 2 2 2
Ionisierungsenergie der Akzeptoren meV 510* 170 170
L¨ocher-g-Faktor 4 4 4
strahlende Rekombinationskonstante cm3s−1 2·10−11 6,6·10−12 2,4·10−11
Augerkoeffizient Cn cm6s−1 0 2,5·10−30 0
Augerkoeffizient Cp cm6s−1 0 2,5·10−30 0
Weitere Parameter siehe Seite 104.
Simulationsparameter
Parameter Einheit AlN InN GaN
Absorptionskantenenergie (o) eV 6,05 0,7 3,6 Absorptionskantenenergie (e) eV 6,05 0,7 3,6 Absorptionspeakenergie (o) eV 8,05 5,39 7 Absorptionspeakenergie (e) eV 8,05 5,39 7 Absorptionskantenoszillatorst¨arke (o) 2,6 2,5 1,2 Absorptionskantenoszillatorst¨arke (e) 2,6 3,3 1,2 Absorptionspeakoszillatorst¨arke (o) 1,4 1,6 1,1 Absorptionspeakoszillatorst¨arke (e) 1,6 2 1,25 Absorptionskantenverbreiterung (o) eV 0,55 0,85 1,1 Absorptionskantenverbreiterung (e) eV 0,55 1,35 1,1 Absorptionspeakverbreiterung (o) eV 0,8 1,2 0,9 Absorptionspeakverbreiterung (e) eV 0,8 0,85 0,9 hochfrequente dielektrische Konstante (o) 2,8 5,7 4,1 hochfrequente dielektrische Konstante (e) 2,8 5,6 4,1
Tabelle 3: Materialparameter f¨ur AlN, InN und GaN, welche haupts¨achlich f¨ur die Simu-lationen der LED-Heterostruktur in dieser Arbeit benutzt wurden. Werte, falls nicht anders angegeben, f¨ur 300 K aus der
”SiLENSe“ Software [STRa]. *[NNL+03].
Bowingparameter f¨ur Einheit AlGaN InGaN AlInN
Bandl¨ucke eV -1 -1,2 -4,5
Absorptionskantenenergie (o) eV -1 -1,2 -4,5 Absorptionskantenenergie (e) eV -1 -1,2 -4,5
Elektronenaffinit¨at eV 0,7 0,84 3,15
Tabelle 4: Bowingparameter f¨ur AlGaN, InGaN und AlInN, welche in den Simulationen der LED-Heterostruktur f¨ur diese Arbeit benutzt wurden. Werte, falls nicht anders angegeben, f¨ur 300 K aus der
”SiLENSe“ Software [STRa].
Bei den Materialgr¨oßen, bei denen kein Bowingparameter angegeben ist, erfolgt f¨ur die Ermittelung der Materialparameter der tern¨aren Verbindungen eine lineare Interpolation zwischen den entsprechenden Werten der bin¨aren Verbindungen.
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
1 UV-LED-Desinfektionsmodul. . . 2 2 Reduktion der Bacillus subtilis Sporen als Funktion der Bestrahlungsdichte
von 282 nm LEDs f¨ur verschiedene Wasserqualit¨aten. . . 3 3 Bandl¨ucke als Funktion der Gitterkonstante der Verbindungen InN, GaN,
AlN und ihren tern¨aren Verbindungen. . . 5 4 Wurtzitstruktur mit Gitterkonstante a und c des GaN. . . 6 5 Valenzbandstruktur von GaN. . . 7 6 Valenzbandstruktur von AlN. . . 8 7 Projektion einer auf (0001)-Saphir gewachsenen GaN-Schicht. . . 11 8 Mg-dotiertes GaN mit ungebundener Einlagerung von Wasserstoff (H) und
gebundenem Mg-H-Komplex. . . 13 9 Schematische Darstellung eines pn- ¨Ubergangs und eines pn-Hetero¨ubergangs
in Vorw¨artsrichtung. . . 14 10 Schematische Darstellung der Bandstruktur eines pn- ¨Ubergangs (SQW) mit
Elektronensperrschicht. . . 16 11 Schematische Darstellung des Leitungs- und Valenzbandes eines
Quanten-films mit und ohne piezoelektrischem Feld. . . 17 12 Simulierte nichtstrahlende Lebensdauer der Ladungstr¨ager als Funktion der
Defektdichte f¨ur eine 320 nm LED. . . 22 13 Schematische Darstellung der 320 nm LED-Grundstruktur im Querschnitt. 28 14 Prozessierung der p-Kontakte einer LED. . . 30 15 Mikroskopieaufnahme der verschiedenen zur Verf¨ugung stehenden
Kontakt-geometrien. . . 31 16 Schematische Darstellung des Elektrolumineszenzmessplatzes. . . 33 17 Schematische Darstellung der Erweiterung des
Elektrolumineszenzmessplat-zes zur polarisationsabh¨angigen Messung. . . 34 18 Externe Quanteneffizienz von UVA-, UVB- und UVC-LEDs verschiedener
Forschungsgruppen. . . 35 19 ω-Scans verschiedener Templates f¨ur 380 nm LEDs. . . 37 20 Einfluss der Defektdichte auf die Lichtleistung von 380 nm LEDs. . . 39 21 Simulierte interne Quanteneffizienz und aus Messungen abgesch¨atzte interne
Quanteneffizienz von 380 nm LEDs verschiedener Defektdichten. . . 40
Abbildungsverzeichnis
22 Simulierte interne Quanteneffizienz einer 320 nm LED f¨ur verschiedene De-fektdichten. . . 41 23 Lichtleistung von LEDs auf ELO AlN/Saphir-Templates und planaren AlN/
Saphir-Templates. . . 42 24 Emissionsspektren von f¨unffach Quantenfilm-LEDs mit Quantenfilmbreiten
von 1,5 nm, 2,2 nm und 3,2 nm. . . 44 25 Strom-Leistungskennlinien von f¨unffach Quantenfilm-LEDs mit
verschieden-en Quantverschieden-enfilmbreitverschieden-en. . . 45 26 Simulierte Profile der Leitungs- und Valenzbandkanten und simulierte
Elek-tronen- und L¨ocherkonzentrationen von Mehrfachquantenfilm-LEDs mit ver-schiedenen Quantenfilmbreiten. . . 46 27 Simulierte Schichtelektronen- und Schichtl¨ocherkonzentrationen und
simu-lierter mittlerer ¨Uberlapp der Grundwellenfunktionen von Elektronen, leich-ten und schweren L¨ochern f¨ur f¨unffach Quantenfilm-LEDs mit verschieden Quantenfilmbreiten. . . 47 28 Emissionsspektren und Strom-Spannungskennlinien von LEDs mit einem
Quantenfilm sowie mit drei, f¨unf und sieben Quantenfilmen. . . 48 29 Strom-Leistungskennlinien von LEDs mit einem Quantenfilm sowie mit drei,
f¨unf und sieben Quantenfilmen. . . 49 30 Simulierte Elektronen- und L¨ocherkonzentrationen in der aktiven Zone f¨ur
UVB-LEDs mit unterschiedlicher Quantenfilmanzahl. . . 51 31 Schematische Darstellung der Bandstruktur eines pn- ¨Ubergangs mit
Elek-tronensperrschicht. . . 52 32 Normierte Emissionsspektren von LEDs mit unterschiedlichen
AlGaN:Mg-Elektronensperrschichten. . . 54 33 Durchschnittliche Lichtleistung bei 20 mA als Funktion des
Aluminiumge-halts der AlGaN:Mg-Elektronensperrschicht f¨ur 320 nm LEDs. . . 55 34 Simulierte Intensit¨at und Ladungstr¨agerkonzentration von LEDs mit
unter-schiedlichen AlGaN:Mg-Elektronensperrschichten. . . 56 35 Normierte Emissionsspektren von LEDs mit unterschiedlichem Cp2Mg-Fluss
beim Wachstum der AlGaN:Mg-Elektronensperrschicht. . . 58 36 Maximale Lichtleistung bei 100 mA von LEDs mit unterschiedlichem Cp2
Mg-Fluss beim Wachstum der AlGaN:Mg-Elektronensperrschicht. . . 59 37 Simulierter Elektronenstrom und simulierte Injektionseffizienz von LEDs mit
unterschiedlich dotierten AlGaN:Mg-Elektronensperrschichten. . . 60 38 Simulierte Emissionsspektren von LEDs mit unterschiedlich dotierten
AlGaN-Elektronensperrschichten. . . 61