Heterostructure design and epitaxial growth of AlGaN-based light emitting diodes emitting in the UVC wavelength range
| dc.contributor.advisor | Kneissl, Michael | |
| dc.contributor.author | Susilo, Norman | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Kneissl, Michael | |
| dc.contributor.referee | Pohl, Udo W. | |
| dc.contributor.referee | Lugauer, Hans-Juergen | |
| dc.date.accepted | 2020-08-04 | |
| dc.date.accessioned | 2020-08-24T13:29:58Z | |
| dc.date.available | 2020-08-24T13:29:58Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.description.abstract | AlGaN-based ultraviolet-C (UVC) light emitting diodes (LEDs) can be applied to a wide range of applications. However, the efficiency of UVC-LEDs is still relatively modest, which provides the focus of this thesis: The development of efficient UVC-LEDs with emission wavelengths near 265 nm. This thesis presents a systematic study of the influence of the heterostructure design and the layer properties on the electro-optical performance of UVC-LEDs. The AlGaN-based UVC-LEDs are grown by MOVPE on AlN/sapphire templates. In particular, the applicability of sputtered and high temperature annealed (HTA) low cost AlN/sapphire templates for the growth of the UVC-LED heterostructures is investigated. Similar crystal quality and optical emission power of the UVC-LEDs are demonstrated compared to UVC-LEDs on epitaxial lateral overgrowth (ELO) AlN/sapphire templates, offering the potential to reduce the chip costs. A further improvement in emission power is achieved by combining the HTA approach with the ELO process. The growth of pseudomorphically strained AlGaN heterostructures on the AlN buffer can cause the formation of dislocation loops and their presence reduces the emission power. Based on the results of this study, the density of these dislocation loops increases with the compressive strain and layer thickness. The dislocation loop generation is suppressed by implementing a two-step heterostructure approach for the n-side. Hereby a second AlGaN:Si contact layer with low Al mole fraction is used, which enables a significantly reduced operating voltage while maintaining the emission power. Furthermore, internal polarization fields can influence the device performance. A new approach is presented and examined using capacitance-voltage measurements for the accurate determination of the polarization field. Both the magnitude and the direction of the determined polarizations fields are in agreement with the values as predicted by the theory, which allows for more reliable device simulations. The light extraction efficiency is one of the key factors limiting the LED efficiency. The applicability of semi-transparent p-sides is explored. By combining transparent p-AlGaN layers with a thin GaN p-contact layer, LEDs with an increased light extraction efficiency could be realized. The work of this thesis leads to the realization of highly efficient UVC-LEDs with emission powers of 47 mW at 350 mA, peak external quantum efficiencies of 3.6% and peak wall-plug efficiencies of 2.7%. | en |
| dc.description.abstract | AlGaN-basierte ultraviolett-C (UVC) Leuchtdioden (LEDs) können für ein breites Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden. Allerdings ist die Effizienz von UVC-LEDs noch relativ gering, was den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet: Die Entwicklung von effizienten UVC-LEDs mit Emissionswellenlängen nahe 265 nm. In dieser Arbeit wird eine systematische Untersuchung des Einflusses des Heterostrukturdesigns und der Schichteigenschaften auf die elektro-optische Leistung von UVC-LEDs vorgestellt. Die AlGaN-basierten UVC-LEDs werden mittels MOVPE auf AlN/SaphirBasisschichten gewachsen. Insbesondere wird die Anwendbarkeit von gesputterten und hochtemperaturgetemperten (HTA) kostengünstigen AlN/SaphirBasisschichten f¨ur das Wachstum der UVC-LED-Heterostrukturen untersucht. Es wird eine ähnliche Kristallqualität und optische Emissionsleistung im Vergleich zu UVC-LEDs auf epitaktisch lateral überwachsenen (ELO) AlN/SaphirBasisschichten demonstriert, was das Potential zur Reduzierung der Chipkosten bietet. Eine weitere Verbesserung der Emissionsleistung wird durch die Kombination des HTA-Ansatzes mit dem ELO-Prozess erreicht. Das Wachstum von pseudomorphisch gewachsenen AlGaN-Heterostrukturen auf der AlN-Pufferschicht kann die Bildung von Versetzungsschleifen verursachen, deren Vorhandensein die Emissionsleistung reduziert. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie nimmt die Dichte dieser Versetzungsschleifen mit der kompressiven Verzerrung und der Schichtdicke zu. Die Erzeugung der Versetzungsschleifen wird durch die Implementierung eines zweistufigen Heterostrukturansatzes für die n-Seite unterdrückt. Hierfür wird eine zweite AlGaN:Si-Kontaktschicht mit niedrigem Al-Molanteil verwendet, die eine deutlich reduzierte Betriebsspannung bei gleichbleibender Emissionsleistung ermöglicht. Darüber hinaus können interne Polarisationsfelder die Bauelementleistung beeinflussen. Ein neuer Ansatz wird vorgestellt und untersucht, bei dem Kapazitäts-Spannungsmessungen zur genauen Bestimmung des Polarisationsfeldes verwendet werden. Sowohl die Stärke als auch die Richtung der ermittelten Polarisationsfelder stimmen mit den von der Theorie vorhergesagten Werten überein, wodurch zuverlässigere Bauelementsimulationen möglich sind. Die Lichtextraktionseffizienz ist einer der Schlüsselfaktoren für die Limitierung der LED-Effizienz. Die Anwendbarkeit von halbtransparenten p-Seiten wird untersucht. Durch die Kombination von transparenten p-AlGaN Schichten mit einer dünnen p-Kontaktschicht aus GaN konnten LEDs mit einer erhöhten Lichtextraktionseffizienz realisiert werden. Die Untersuchungen dieser Arbeit führen zur Realisierung hocheffizienter UVC-LEDs mit Emissionsleistungen von 47 mW bei 350 mA, maximalen externen Quanteneffizienzen von 3,6% und Konversionseffizienzen von 2,7%. | en |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11573 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10460 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene | de |
| dc.subject.other | AlGaN-based UVC-LEDs | en |
| dc.subject.other | MOVPE | en |
| dc.subject.other | epitaxial growth | en |
| dc.subject.other | polarization fields | en |
| dc.subject.other | capacitance-voltage measurements | en |
| dc.subject.other | Epitaxie | de |
| dc.subject.other | Leuchtdiode | de |
| dc.subject.other | III-Nitride | de |
| dc.subject.other | Heterostruktur | de |
| dc.subject.other | Ultraviolett | de |
| dc.title | Heterostructure design and epitaxial growth of AlGaN-based light emitting diodes emitting in the UVC wavelength range | en |
| dc.title.translated | Heterostruktur-Design und epitaktisches Wachstum von AlGaN-basierten lichtemittierenden Dioden, die im UVC-Wellenlängenbereich emittieren | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften::Inst. Festkörperphysik | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Festkörperphysik | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |