FBH und TU entwickeln UV-LEDs mit dominanter Emission bei Wellenlängen <240 nm
Abb. 1: Emissionsleistung von UV-LEDs mit einer QW-Emissionswellenlänge <250 nm in Abhängigkeit der Dicke der AlN-Elektronenstoppschicht, aufgeteilt in ihre zwei dominanten spektralen Anteile (QW- und parasitäre, langwellige Lumineszenz). Abb.: FBH
Abb. 2: Spektrum und Kennlinie (optische Leistung vs. Stromdichte) einer UV-LED mit einer Emissionswellenlänge von 234 nm. Abb.: FBH
Bei der Entwicklung von LEDs im ultravioletten (UV) Spektralbereich liegt der Fokus auf Bauelementen mit einer Emissionswellenlänge um 265 nm, die zur Wasserdesinfektion eingesetzt werden. Für Anwendungen wie in der Sensorik oder beim Ladungsmanagement von Testmassen im Weltraum zum Nachweis von Gravitationswellen werden UV-LEDs mit deutlich kürzeren Emissionswellenlängen benötigt.
Bislang sind solche Bauelemente unter anderem deshalb nicht kommerziell verfügbar, weil ungewollte langwellige Anteile im Emissionsspektrum bei kurzen Wellenlängen zunehmend schwieriger unterdrückt werden können. Auch eine akzeptable Effizienz der LED kann dabei nur schwer erreicht werden. Ursache dafür ist der hohe Al-Gehalt in den verwendeten Mg- bzw. Si-dotierten AlGaN-Heterostrukturen, welcher unter anderem eine effektive Ladungsträgerinjektion in die Quantenfilme verhindert.
Durch ein neues Heterostrukturdesign und eine sorgfältige Optimierung der Halbleiterschichtstrukturen ist es dem FBH und der TU Berlin im Rahmen ihres Joint Labs GaN-Optoelektronik nun gelungen, UV-LEDs mit einer dominanten Emissionswellenlänge <240 nm herzustellen. Die Halbleiterschichtstrukturen bauen auf den am FBH und der TU Berlin etablierten Prozessen des lateral-epitaktischen Überwachsens (ELO) von AlN auf Saphir und der effizienten Si-Dotierung von AlGaN mit hohem Al-Gehalt auf.
Das zentrale Ergebnis der Entwicklungen ist, dass parasitäre langwellige Anteile im Emissionsspektrum wesentlich vom Design der unmittelbar über den Quantenfilmen eingefügten Mg-dotierten AlN/AlGaN-Heterostruktur abhängen. Diese soll das ungewollte Überströmen der Elektronen von der p- auf die n-Seite der Diode unterdrücken. Durch ein neuartiges "Electron Blocking Heterostructure"-Design und die Optimierung der AlN-Zwischenschicht konnte gleichzeitig eine effiziente Ladungsträger-Injektion in die Quantenfilme erreicht und die Ladungsträger-Rekombination über Störstellen an Grenzflächen oberhalb der Quantenfilme minimiert werden (vgl. Abb. 1).
Die Spektren von UV-LEDs, die aus derart optimierten Strukturen gefertigt wurden, zeigen einen dominanten Peak bei 234 nm, auf den fast 90% der gesamten emittierten Leistung entfallen. Die maximale Emissionsleistung und externe Quanteneffizienz der UV-LEDs liegt bei 25 µW und 0,012%, was für viele Anwendungen bereits ausreichend ist (vgl. Abb. 2).
Publikation:
F. Mehnke, C. Kuhn, M. Guttmann, C. Reich, T. Kolbe, V. Kueller, A. Knauer, M. Lapeyrade, S. Einfeldt, J. Rass, T. Wernicke, M. Weyers, and M. Kneissl, "Efficient charge carrier injection into sub-250nm AlGaN multiple quantum well light emitting diodes", Appl. Phys. Lett., vol. 105, no. 051113 (2014).