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Ladungsträgertransport und Ladungsträgerrekombination in AlGaN-basierten DUV-LEDs
Muhin, Anton
The present work analyses the recombination and the transport of charge carriers in AlGaN-based light-emitting diodes (LEDs) with emission wavelengths (λ) in the deep UV spectral range.
In this context, the vertical electrical conductivity (σ_V) of Mg-doped p-AlGaN layers and short-period AlGaN:Mg superlattices (SPSL) with high Al mole fraction was investigated. It was found that σ_V exhibits a strong temperature (T) and electric field strength (F) dependence in both AlGaN:Mg-layers and AlGaN:Mg-SPSLs. This behavior could be attributed to the field-assisted thermal ionization of Mg-acceptors described by the 3D Poole-Frenkel effect (3D-PFE). By fitting the measured σ_V-F-T-curves using a 3D-PFE model, several important material parameters of the investigated structures could be determined, i.e. the ionization energy and the acceptor density. Using drift-diffusion simulations and calculations based on the transfer matrix method the ionization and the transport of charge carriers in AlGaN:Mg-SPSLs were investigated on the example of a superlattice with an average Al mole fraction of 68%. The calculations show that σ_V in this SPSL can only exceed the electrical conductivity of an Al0,68Ga0,32N:Mg-layer for extremely high Al mole fraction differences between wells and barriers (≥ 20%) and extremely long period lengths (≥ 12 nm). The measured σ_V of an Al0,71Ga0,29N:Mg/Al0,65Ga0,35N:Mg-SPSL with a 2 nm period is lower than the vertical conductivity in a Al0,68Ga0,32N:Mg-layer, which is in quantitative agreement with the simulation results. Finally, it was shown that taking 3D-PFE into account is essential for proper selection of the Mg-doping concentration and maximization of the electrical conductivity in AlGaN:Mg-layers during LED operation.
Next, the efficiency of 265 nm LEDs was investigated. Here, LEDs on four different AlN/sapphire substrates, i.e. planar, high-temperature-annealed (HTA) AlN, epitaxial laterally overgrown (ELO) AlN and HTA-ELO AlN with different threading-dislocation densities (TDD), were analyzed. The measured external quantum efficiency of each characterized LED was separated into the carrier injection efficiency (η_CIE), the radiative recombination efficiency (η_RRE), and the light extraction efficiency (η_LEE). This is achieved by combining an ABC-model based method and calibrated Monte Carlo ray tracing simulations. LEDs grown on ELO and on HTA-ELO substrates have a maximum η_RRE (η_RRE^max) of (57±5)% and (55±6)%, respectively. The η_RRE^max for devices with growth on HTA ((45±5)%) and the planar ((12±6)%) substrates are lower. These results revealed that for the investigated devices the TDD is not the only parameter responsible for the quantity of the η_RRE, as LEDs on ELO substrate have a comparable η_RRE^max with a much higher TDD (1.6×109 cm-2) compared to LEDs on HTA-ELO substrate with lower TDD (0.95×109 cm-2). The discovered discrepancy is attributed to the formation of dislocation half-loops (DHL). The DHLs are generated due to compressive strain in AlN layers and are induced during the high-temperature process of the HTA and HTA-ELO substrates. In addition, the Shockley-Read-Hall recombination constants (A = (2±1)×107 s-1 on ELO and HTA-ELO-AlN/sapphire and A = (6±2)×107 s-1 on HTA-AlN/sapphire) are determined, as well as the Auger coefficient C = (4±2)×1030 cm6s-1. As it was theoretically demonstrated by simulations, at current densities which are relevant for applications the investigated LEDs cannot achieve a η_RRE^max of 100% due to the high C value even when grown on AlN substrates with extremely low TDD. Moreover, for the investigated heterostructure such a low TDD would only lead to a significant increase of η_RRE^max for relatively low current densities (≤ 25 Acm-2). Additionally, it was shown that η_CIE of the investigated LEDs ranges from 40% to 55% regardless of the substrate.
Finally, η_CIE = (26±8)%, η_RRE^max = (43±7)% and η_LEE = (8.8±0.8)% of LEDs with λ = 233 nm were determined. These results indicate that the light extraction efficiency and the carrier injection efficiency offer a great potential for optimization of UV LEDs with particularly short emission wavelengths.
Diese Arbeit befasst sich mit der Analyse der Rekombination sowie des Transports von Ladungsträgern in AlGaN-basierten lichtemittierenden Dioden (LEDs) mit Emissionswellenlängen (λ) im tiefen ultravioletten (UV) Spektralbereich.
Im ersten Teil der Arbeit wurde die vertikale elektrische Leitfähigkeit (σ_V) von Mg-dotierten p-AlGaN-Schichten sowie von kurz-periodischen AlGaN:Mg-Übergittern (SPSL) mit hohem Al-Anteil untersucht. Es wurde festgestellt, dass σ_V sowohl in AlGaN:Mg-Schichten als auch in AlGaN:Mg-Übergittern eine stark ausgeprägte Abhängigkeit von der Temperatur (T) sowie der elektrischen Feldstärke (F) aufweist und durch die feldunterstützte thermische Ionisation von Akzeptoren, im Rahmen des 3D-Poole-Frenkel-Effekts (3D-PFE), beschrieben werden kann. Durch die Anpassung der gemessenen σ_V-F-T-Kennlinien mit einem 3D-PFE-Modell, konnten mehrere wichtige Materialparameter der untersuchten Strukturen, wie die Ionisierungsenergie und die Akzeptordichte, bestimmt werden. Anhand von Drift-Diffusions-Simulationen und Berechnungen mittels der Transfermatrixmethode, wurden weiterhin die Ionisation und der Transport von Ladungsträgern am Beispiel eines Mg-dotierten AlGaN-Übergitters, mit einem durchschnittlichen Al-Anteil von 68%, untersucht. Es wurde gezeigt, dass σ_V in diesen SPSLs, nur für äußerst hohe Hübe (≥ 20%) und Periodenlängen (≥ 12 nm), die elektrische Leitfähigkeit einer Al0,68Ga0,32N:Mg-Schicht überschreiten kann. Mit den Simulationen quantitativ übereinstimmend, wurde auch experimentell ein niedrigerer σ_V-Wert im Al0,71Ga0,29N:Mg/Al0,65Ga0,35N:Mg-SPSL mit einer 2 nm Periode, im Vergleich zu einer Al0,68Ga0,32N:Mg-Schicht, ermittelt. Schließlich wurde gezeigt, dass für die Auswahl der passenden Mg-Dotierkonzentration in AlGaN-Schichten, zum Erreichen einer möglichst hohen elektrischen Leitfähigkeit im realen LED-Betrieb, die Beachtung des 3D-PFE unerlässlich ist.
Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Effizienz von 265 nm LEDs untersucht. Dabei wurden LEDs auf vier verschiedenen AlN/Saphir-Substraten mit unterschiedlichen Durchstoßversetzungsdichten (TDD) verglichen: planar, Hochtemperatur-behandeltes (HTA) AlN, epitaktisch lateral überwachsenes (ELO) AlN und HTA-ELO AlN. Die gemessene externe Quanteneffizienz jeder charakterisierten LED wurde durch die Kombination von einer auf dem ABC-Modell basierenden Methode und von kalibrierten Monte-Carlo Raytracing-Simulationen in die Ladungsträgerinjektionseffizienz (η_CIE), die strahlende Rekombinationseffizienz (η_RRE) und die Lichtextraktionseffizienz (η_LEE) aufgeteilt. Es wurde festgestellt, dass LEDs mit Wachstum auf ELO- und HTA-ELO-Substraten eine maximale η_RRE (η_RRE^max) von jeweils (57±5)% und (55±6)% aufweisen, während η_RRE^max für Bauelemente mit Wachstum auf HTA und dem planaren Substrat mit jeweils (45±5)% und (12±6)% geringer sind. Dies offenbarte, dass die TDD nicht der einzige ausschlaggebende Parameter, welcher für die Höhe von η_RRE in den untersuchten LEDs verantwortlich, ist. Denn Bauelemente mit Wachstum auf ELO-Substraten haben im Vergleich zu LEDs auf HTA-ELO-Substraten (TDD = 0,95×109 cm−2) ein vergleichbares η_RRE^max bei viel höherer TDD (1,6×109 cm−2). Als Ursache für dieses Verhalten konnte die Ausbildung von Versetzungshalbringen ausgemacht werden, welche durch den Einbau einer kompressiven Verspannung in AlN-Schichten, im Zuge der Hochtemperatur-Behandlung bei den HTA- und HTA-ELO-Substraten, entstehen. Weiterhin konnte neben den Shockley-Read-Hall-Rekombinationskonstanten (A = (2±1)×107 s-1 auf ELO- und HTA-ELO-AlN/Saphir sowie A = (6±2)×107 s-1 auf HTA-AlN/Saphir) auch die Höhe des Auger-Koeffizienten (C) auf (4±2)×10 30 cm6s-1 bestimmt werden. Es wurde zusätzlich anhand von Simulationen demonstriert, dass die untersuchten LEDs, bei betriebsrelevanten Stromdichten, aufgrund des hohen C-Wertes, auch beim Wachstum auf äußerst TDD-armen AlN-Substraten, ein η_RRE^max von 100% nicht erreichen können. Weiterhin wurde gezeigt, dass für Bauelemente mit der untersuchten Heterostruktur eine Reduktion der TDD auf < 1,6×109 cm−2 lediglich für niedrige Stromdichten (≤ 25 Acm-2) zu einer relevanten Erhöhung der η_RRE^max-Werte führen würde. Schließlich beträgt η_CIE der untersuchten LEDs, unabhängig vom Substrat, zwischen 40% und 55%.
Abschließend wurden auch η_CIE = (26±8)%, η_RRE^max = (43±7)% und η_LEE = (8,8±0,8)% von LEDs mit λ = 233 nm bestimmt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Lichtextraktionseffizienz und die Ladungsträgerinjektionseffizienz ein großes Potenzial für die Optimierung von besonders kurzwelligen UV-LEDs bieten.
