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Einfluss der Lichtextraktion auf die Effizienz AlGaN-basierter Leuchtdioden im tiefen ultravioletten Spektralbereich
Guttmann, Martin
In dieser Arbeit wird die Lichtextraktion AlGaN-basierter Leuchtdioden (LEDs), welche im tiefen ultravioletten (UV) Spektralbereich emittieren, untersucht. Mithilfe von Raytracing-Simulationen soll die Lichtextraktionseffizienz (LEE) von UV-LEDs bestimmt und die gemessene externe Quanteneffizienz (EQE) bezüglich der internen Quanteneffizienz (IQE) und LEE quantifiziert werden. Im ersten Teil der Arbeit wurde auf Basis von Reflexions-, Transmissions- und Fernfeld- (FF) Messungen ein Raytracing-Simulationsmodell für AlGaN-basierte UV-LEDs entwickelt, welches insbesondere den Reflexionsgrad eines formierten n-Kontakts, eine raue Saphirrückseite und eine strukturierte AlN/Saphir-Grenzfläche hinsichtlich der LEE und des FF berücksichtigt. Die Ergebnisse im mittleren Teil der Arbeit zeigten, dass die starke Abnahme der EQE zu kürzeren Emissionswellenlängen (von 263 nm nach 218 nm) einer um drei Größenordnungen sinkenden IQE sowie einer um 65 % sinkenden LEE aufgrund des Lichtpolarisationswechsels von transversal-elektrisch nach transversal-magnetisch zugeschrieben werden kann. Außerdem hatte der Al-Stoffmengenanteil in den AlGaN-Barrieren von LEDs mit einer Emissionswellenlänge um 268 nm einen größeren Einfluss auf die IQE als auf die LEE. Elektrolumineszenz- (EL) Messungen zeigten eine maximale EQE für LEDs mit Al0,53Ga0,47N-Quantentöpfen (QWs) und Al0,67Ga0,33N-Barrieren. Dies konnte mit Drift-Diffusions-Simulationen bestätigt werden und wurde vorrangig der steigenden Ladungsträgerdichte in den QWs und den steigenden Elektronenleckströmen mit steigendem Al-Stoffmengenanteil in den Barrieren zugeschrieben. Durch das Ersetzen der UV-absorbierenden p-Seite von UV-LEDs durch eine UV-transparente p-Seite in Kombination mit einem hochreflektierenden p-Kontakt zeigten Raytracing-Simulationen eine Steigerung der LEE um 150 %. EL-Messungen an LEDs mit einer Emissionswellenlänge von 263 nm, unterschiedlichem Al-Stoffmengenanteil x im p-AlGaN sowie p-Kontakten mit verschiedenen UV-Reflektionsgraden R zeigten eine Zunahme der EQE von 0,6 % für x = 0,33 auf 1,5 % (R = 24 %) bzw. 3,0 % (R = 87 %) für x = 0,68. Die zusätzliche Steigerung der EQE gegenüber der simulierten LEE ist möglicherweise auf eine Zunahme der IQE mit steigendem Al-Stoffmengenanteil in der p-AlGaN-Seite zurückgeführt. Im letzten Teil der Arbeit wurde die Lichtextraktion an aufgebauten UV-LED untersucht. Durch den Vergleich von gemessenen und simulierten FFs von LED-Chips konnte ein Lichtextraktionsmodell gefunden und eine Strahlendatei generiert werden, die insbesondere die rauen Saphirrück- und -seitenflächen berücksichtigt. Diese Strahlendatei konnte zur Entwicklung eines neuartigen Gehäuses mit Reflektor und Fresnel-Linse mit einer gerichteten Lichtabstrahlung verwendet werden. FF-Messungen an diesem Gehäuse konnten für kleine Emissionswinkel eine Verdreifachung der Strahlungsstärke gegenüber einem flachen Gehäuse aus den Simulationen bestätigen, während die Gesamtemissionsleistung um 18 % sank.
In this work, the light extraction from AlGaN-based light emitting diodes (LEDs) emitting in the deep ultraviolet (UV) spectral range is investigated. Using ray tracing simulations, the light extraction efficiency (LEE) of UV-LEDs is determined and the measured external quantum efficiency (EQE) of UV-LEDs is quantified in terms of the internal quantum efficiency (IQE) and LEE. In the first part of this thesis, reflection, transmission and far field measurements were used to develop a ray tracing simulation model for AlGaN-based UV-LEDs considering the reflectivity of annealed n-contacts, a rough sapphire backside and a patterned AlN/sapphire interface. The results in the main part of this thesis show that the strong reduction in EQE for shorter emission wavelengths (from 263 nm to 218 nm) is attributed to a reduction in IQE of three order of magnitudes and to a reduction in LEE of 65 % due to the change of the dominant optical polarization of the emitted light from transverse-electric to transverse-magnetic. In addition, for UV-LEDs with an emission wavelength around 268 nm, a stronger impact on IQE than on LEE was observed when changing the Al mole fraction in the AlGaN barrier of the AlGaN active region. Electroluminescence (EL) measurements showed a maximal EQE for LEDs with Al0,53Ga0,47N quantum wells and Al0,67Ga0,33N barriers. This was confirmed by drift-diffusion simulations and attributed to an increasing charge carrier density in the quantum wells and to a rising electron leakage current with increasing Al mole fraction in the barriers. By replacing the UV-absorbing p-side of UV-LEDs with a UV-transparent p-side together with a highly reflective p-contact ray tracing simulations predict a 150 % increase in the LEE. EL measurements on UV-LEDs emitting at 263 nm with an Al mole fractions in the p-AlGaN-side between x = 33% and x = 68% and featuring p-contacts with different UV-reflectivity R showed an increase in the EQE from 0.6 % for x = 33% and all p-contacts to 1.5 % for x = 68% and R = 24 % as well as up to 3.0 % for x = 68% and R = 87 %. The additional improvement in EQE compared to simulated LEE for LEDs with a UV-transparent p-side was possibly attributed to an increasing IQE with increasing Al mole fraction in the p-AlGaN-side. In the last part of this thesis, the light extraction from flip-chip mounted UV-LED was investigated. By comparing simulated and measured far fields of UV-LEDs chips, a light extraction simulation model was found and a ray file was generated, considering the roughened sapphire sidewalls and backside. The ray file was used to develop a novel LED package with reflector and Fresnel lens with a directional radiation pattern. For a small emission angle, a tripling of the radiant intensity compared to a planar package and predicted by the simulation could be confirmed by far field measurements, while the decrease in total emission power was 18 %.
