Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4678
Main Title: Chip designs for high efficiency III-nitride based ultraviolet light emitting diodes with enhanced light extraction
Translated Title: Design von ultraviolett-emittierenden III-nitridbasierten Leuchtdioden-Chips mit hoher Effizienz und erhöhter Lichtauskopplung
Author(s): Lobo Ploch, Neysha
Advisor(s): Kneissl, Michael
Referee(s): Lehmann, Michael
Kneissl, Michael
Döhler, Gottfried
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Ziel dieser Arbeit war es hocheffiziente III-nitridbasierte UV-LEDs für Anwendungen wie z.B. Wasserdesinfektion, medizinische Phototherapie oder Gasdetektion zu entwerfen und herzustellen. Der Schwerpunkt lag dabei auf dem Design der UV-LEDs, wodurch nicht nur das elektrische Verhalten, sondern auch die Lichtauskopplung (engl. light extraction efficiency, LEE) der UV-LED verbessert wird. Der erste Teil dieser Arbeit beschätigt sich mit dem Chipdesign von UV-LEDs und den es beeinflussenden drei Schlüsselparametern. Diese sind neben der Abhängigkeit der Internen Quanteneffizienz (IQE) von der Stromdichte auch der Temperatur Droop und das Phänomen der Stromspreizung in der lateralen Struktur der LEDs. Basierend auf den zuvor gewonnenen Erkenntnissen wurden ineinander greifende Fingerkontakte und Micro-LED-Arrays als effiziente UV-LED-Chip-Geometrien vorgeschlagen und systematisch untersucht. Diese Geometrien führen zu einer gleichmäßigen Strominjektion und dadurch zu einer reduzierten Stromdichte, einem reduzierten seriellen Widerstand und einer reduzierten Eigenerwärmung der Bauelemente im Vergleich zu konventionellen großflächigen quadratischen Kontakten. Designregeln für die nötige Breite der p-Fingerkontakte und die optimale Größe des Mikro-LED-Arrays wurden in dieser Arbeit entwickelt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Lichtauskopplung aus UV-LEDs. Hierbei kann das in der aktiven Schicht der UV-LED erzeugte Licht, aufgrund der hohen Brechungsindizes der verwendeten Halbleitermaterialien und des Saphirsubstrates, aufgrund fehlender transparenter oder reflektierender ohmscher p-Kontakte und des Polarisationszustand des emittierten Lichtes, nicht effizient ausgekoppelt werden. Um die LEE von UV-LEDs zu erhöhen wurden die Verkapslung des Bauelementes, die Strukturierung der Substratrückseite und der Einsatz von Nanopixel-LED-Kontakten untersucht. Es wurde demonstriert, dass Polydimethylsiloxan ein effizientes und stabiles Verkapslungsmaterial für UV-LEDs darstellt, mit dessen Hilfe sich eine Verdopplung der Lichtleistung bei Einsatz in 380 nm-LEDs realisieren lässt. Simulationen und Experimente haben gezeigt, dass eine geeignete Strukturierung der Substratrückseite die LEE erhohen kann. Durch mechanische Aufrauung der glatten Saphirsubstratrückseite wurde bei 323 nm-LEDs eine Erhöhung der Lichtleistung um (16 ± 7)% demonstriert. Durch Ätzen von Mikro-Kegelstümpfen in die Saphirrückseite konnte die Lichtleistung sogar um (20 ± 7)% erhöht werden. Schlussendlich konnte ein neues Nanopixel-Kontakt-LED-Design vorgeschlagen werden. Es besteht aus Nanopixel-Kontakten und p-Kontaktmaterial mit ohmschem Verhalten und niedrigem Widerstand kombiniert mit einem Metallreflektor. Durch diese Kombination können transparente oder reflektierende ohmschen p-Kontakte auf AlGaN-Schichten realisiert werden. Verglichen mit konventionellen großflächigen quadratischen Kontakten konnte eine Erhöhung der Lichtleistung um 90 % bei 390 nm-LEDs, bei Verwendung von Nanopixel-LEDs mit einer Nanopixelgröße von 1x1 µm² und einem Abstand von 1 µm, demonstriert werden. Durch Kombination aller in dieser Arbeit vorgestellten Technologien kann bei UV-LEDs eine LEE von ca. 70 % erreicht werden.
The aim of this thesis was the design and fabrication of highly efficient III-nitride based UV LEDs for use in applications such as water disinfection, medical phototheraphy and gas sensing. This work focused on the design of UV LED chip geometries that not only improved the electrical characteristics of the LED but also increased the light extraction efficiency (LEE) of the devices. The first part of this work focused on the design of efficient UV LED chip layouts. Three key physical parameters influencing the geometry of UV LEDs were investigated, namely; the current density dependence of the internal quantum efficiency, the temperature droop and the phenomenon of current crowding in lateral geometry LEDs. Based on the results of these investigations, the use of interdigitated finger contacts and micro-LED arrays as efficient UV LED chip geometries was proposed and systematically studied. These geometries were found to provide uniform current injection, hence a lower current density, reduced series resistance and reduced self heating of the device as compared to conventional large area square contacts. Design rules for determining the necessary width of the p-fingers and the optimum size of the micro-LED arrays were developed in this work. The second part of this thesis focused on the issue of light extraction from UV LEDs. The main reasons for the difficulties in exacting the light generated in the LED are the high refractive indices of the semiconductors and the sapphire substrate, the absence of transparent or reflective p-ohmic contacts and the polarization of the light emitted from the active region. To enhance the LEE of UV LEDs, the encapsulation of the devices, the texturing of the substrate back-surface and the use of nanopixel LED contacts were investigated. Polydimethylsiloxane was proposed as an efficient and stable encapsulant for UV LEDs and a 2-fold increase in the output power of 380 nm LEDs was demonstrated. With the help of simulations and experiments, the texturing of the substrate back-surface was shown to increase the LEE of UV LEDs. A (16 ± 7)% increase in the output power of 323 nm LEDs was demonstrated by mechanically roughening the smooth sapphire substrate back-surface while a (20 ± 7)% increase in the output power of LEDs emitting at 323 nm was obtained with the use of micro-frustums etched in the sapphire back-surface. Finally a novel nanopixel contact LED design, consisting of nanopixel contacts of a low resistivity ohmic p-contact material combined with a metal reflector, was proposed to circumvent the problems in obtaining highly reflective or transparent p-ohmic contacts to p-doped AlGaN layers. A 90 % increase in the light output power of a 390 nm AlInGaN LED was demonstrated for nanopixel LEDs with a nanopixel size of 1x1 µm² and spacing of 1 µm as compared to the conventional square contact geometry. If all the techniques to increase the LEE of UV LEDs investigated in this work are technologically combined, an LEE of 70% is estimated.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-71107
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4975
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4678
Exam Date: 20-Jul-2015
Issue Date: 25-Sep-2015
Date Available: 25-Sep-2015
DDC Class: 537 Elektrizität, Elektronik
Subject(s): III-nitridbasiert
Lichtauskopplung
Chipdesign
III-nitrides
chip design
light extraction
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Festkörperphysik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
lobo-ploch_neysha.pdf19,24 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.