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Untersuchung der Degradation von InAlGaN-basierten ultravioletten Leuchtdioden zur Verbesserung der Zuverlässigkeit

Glaab, Johannes

Zentraler Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung des Degradationsverhaltens von ultravioletten (UV) Leuchtdioden (LEDs), die im UV-C (200 nm bis 280 nm) und UV-B (280 nm bis 340 nm) Spektralbereich emittieren. Als Degradationsverhalten ist dabei die Änderung von elektrooptischen Parametern, wie beispielsweise der optischen Leistung oder der Strom-Spannungskennlinie im Betrieb bei konstantem Betriebsstrom und konstanter Temperatur definiert. Um die Lebensdauer der LEDs zu verlängern werden die Heterostruktur um den pn-Übergang und das Verfahren zur Aktivierung der p-Dotierung gezielt variiert. Zusammengefasst wurden drei Degradationsmechanismen identifiziert: Der erste Degradationsmechanismus wird eindeutig dem p-Gebiet zugeordnet und kann durch eine Aktivierung von Magnesium-Wasserstoff-Defektkomplexen beschrieben werden. In der p-Seite kommt es zu einer Zunahme der p-Leitfähigkeit, einer Abnahme der Schottky-Barriere am p-Kontakt und einer Zunahme der Lochinjektionseffizienz. Aufgrund dieses Mechanismus kann in den ersten Betriebsstunden bei einigen LEDs eine Zunahme der optischen Leistung, Abnahme der Betriebsspannung und Zunahme der Kapazität der Raumladungszone am p-Kontakt beobachtet werden. Degradationsmechanismus 2 basiert auf einer Zunahme von Punktdefekten in und um die aktive Zone, wobei es wahrscheinlich im Betrieb der LEDs zu einer Aktivierung von Magnesium oder Vakanzen aus wasserstoffbeinhaltenden Defektkomplexen kommt. Diese Defekte können beispielweise als Zentren für nichtstrahlende Rekombination wirken. Die untersuchten LEDs zeigen hierbei eine schnelle Abnahme der optischen Leistung und eine schnelle Zunahme des Stroms unterhalb der Einschaltspannung in den ersten ~100 h Betrieb. Zudem fungieren diese Defekte als Akzeptoren und kompensieren die n-Dotierung, was zu einer Zunahme der Betriebsspannung im gleichen Zeitraum führt. Durch Messungen der Konzentration von Wasserstoffverunreinigungen an ungealterten und gealterten LEDs kann nachgewiesen werden, dass die Degradationsmechanismen 1 und 2 mit dem Aufbrechen von H-beinhaltenden Defektkomplexen und der Freisetzung von H-Atomen zusammenhängt. Es zeigt sich, dass die H-Konzentration in der p-Seite und in der aktiven Zone in den ersten ~10 h um ein bis zwei Größenordnungen abnimmt und die freigesetzten H-Atome in die n-Seite migrieren. Dabei wird die Abnahme der H-Konzentration und optischen Leistung in den ersten Betriebsstunden stark von der Stromdichte, aber nur geringfügig von der Temperatur beeinflusst. Degradationsmechanismus 3 kann durch Diffusion von Punktdefekten in und um die aktive Zone physikalisch erklärt werden. Die Zunahme der Konzentration von Punktdefekten führt wiederum zu einer Abnahme der optischen Leistung. Ein Indiz für den Diffusionsprozess ist die Beobachtung, dass die Änderung der optischen Leistung der untersuchten LEDs für Betriebszeiten >100 h eine Abhängigkeit von der Wurzel der Betriebszeit zeigt. Zudem zeigte sich, dass Degradationsmechanismus 3 von der Stromdichte und der Temperatur angetrieben wird und somit vermutlich kein reiner Diffusionsprozess ist. Um die Lebensdauer der Bauelemente zu verlängern, wurden basierend auf diesen Erkenntnissen das Heterostrukturdesign, das p-Dotierprofil und das Schema der p-Aktivierung von UV-B LEDs mit Emission bei ~310 nm variiert. Zusammengefasst deuten die Ergebnisse an, dass eine Verbesserung der Lochinjektion in die aktive Zone zu einer Zunahme der initialen optischen Leistung und einer Verlängerung der Lebensdauer der UV-B LEDs führt. Beispielsweise führt die Optimierung des Designs der Elektronenblockierschicht, im Hinblick auf die Zunahme der Lochinjektion, zu einer signifikanten Zunahme der optischen Leistung und Lebensdauer der LEDs. Folglich führt das ausgeglichenere Elektronen-zu-Löcher-Verhältnis in der aktiven Zone zu einer Zunahme der strahlenden Rekombination und reduziert die Wahrscheinlichkeit von Auger-Rekombination, welche wiederum für die Generation heißer Ladungsträger verantwortlich ist. Durch Kombination all dieser optimierenden Maßnahmen konnten UV-B LEDs realisiert werden, die eine L70 Lebensdauer von ≥20.000 h haben, was der Lebensdauer von modernen blauen und violetten LEDs nahe kommt.
The main focus of this thesis is the investigation of the degradation behavior of ultraviolet (UV) light-emitting diodes (LEDs) emitting in the UV-C (200 nm to 280 nm) and UV-B (280 nm to 340 nm) spectral regions. The degradation behavior is defined as the change in the electro-optical characteristics of the LED, such as the optical power or the current-voltage characteristics, during constant current and temperature operation. In order to increase the lifetime of the LEDs, the heterostructure design of the active region and the p-activation procedure has been optimized. Three different physical degradation mechanisms have been identified: The first degradation mechanism occurs in the p-layers and can be attributed to an operation induced activation of magnesium-hydrogen defect complexes. This leads to an increase in the p-conductivity, a reduction in the Schottky-barrier at the p-contact and an increase in the hole injection efficiency. An increase in the optical power, a reduction in the drive voltage and an increase in the capacitance of the space-charge region, at the p-contact, can be observed in the first hours of operation, due to this degradation mechanism. Degradation mechanism 2 describes an increase in the point defect density in or around the active region, most likely due to an operation induced activation of Magnesium or vacancies from hydrogen-containing defect complexes. These defects can, for example, act as centers for non-radiative recombination. As a consequence, a fast reduction in the optical power and a fast increase in the current below the turn-on voltage, within the first ~100 h of operation, can be observed in the LEDs under investigation. Furthermore, these defects act as acceptor states and compensate the intended n-doping which leads to an increase in the operation voltage in the same operation time period. The hypothesis that degradation mechanisms 1 and 2 can be related to the breakup of H-containing defect complexes and dissociation of H-atoms, has been proven by measurements of the H-concentration in unaged and aged LEDs. The H-concentration reduces in the p-side and in the active region during the first ~10 h of operation by two orders of magnitude and the dissociated H-atoms migrate into the n-side. The observed reduction in the H-concentration and the reduction in the optical power during the first hours of operation are strongly influenced by the current density, but only slightly by temperature. A diffusion of point defects in and around the active region is the probable physical explanation responsible for degradation mechanism 3. The increase in the point defect concentration leads to a reduction in the optical power. Furthermore, the reduction in the optical power for operation times >100 h follows a square root time dependence, which confirms that a diffusion process is most likely involved in the degradation. In addition, degradation mechanism 3 is driven not only by the temperature but also by the current density, which leads to the conclusion that another physical process, in addition to diffusion, is responsible for the degradation. Based on these findings, the heterostructure design, profile of the p-doping and the procedure for the p-activation of UV-B LEDs, with emission at ~310 nm, have been varied and their influence on the lifetime of the devices has been investigated. The impact, of these parameters, on the initial electro-optical characteristics of the LEDs has always been considered. In summary, the results indicate a strong impact of the hole injection efficiency, into the active region, on the initial optical power and lifetime of the UV-B LEDs. For example, by optimizing the design of the electro-blocking-layer for increased hole injection, the lifetime and optical power of the LEDs can be significantly increased. As a consequence, a balanced electron-hole-ratio in the active region increases the radiative recombination efficiency and reduces the probability of Auger-recombination, which is responsible for the generation of hot carriers. By combining all these optimizations UV-B LEDs have been realized with a L70 lifetime of ≥20.000 h, which is comparable to the lifetime of state-of-the-art violet and blue LEDs.