Design, Epitaxie und Charakterisierung AlGaN-basierter Leuchtdioden mit Emissionswellenlängen unterhalb von 250 nm
Diese Arbeit befasst sich mit der Realisierung von AlGaN-basierten ultravioletten Leuchtdioden (LEDs) mit Emissionswellenlängen unterhalb von 250 nm sowie der Analyse ihrer strukturellen und elektrooptischen Eigenschaften. Ziel war es, eine LED mit einer mit möglichst maximaler spektraler Leistungsdichte bei 226 nm zu realisieren, welche es ermöglicht, Absorptionsmessungen innerhalb eines Stickoxid-Gassensorik-Prototypen durchzuführen. Die LED-Heterostruktur wurde mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie hergestellt und die einzelnen Schichten auf ihren Einfluss auf die Effizienz der LEDs systematisch untersucht. Als Basis für das Wachstum der LED-Heterostrukturen wurde epitaktisch lateral überwachsenes (ELO) AlN auf Saphir genutzt. Es zeigte sich, dass die Oberflächenmorphologie abhängig vom Saphir-Fehlschnitt ist und für Winkel von ≤ 0,12° zu wellenartigen Oberflächen führt, wohingegen Winkel ≥0,16° zu Makrostufen an der Oberfläche führen. Die Realisierung von leitfähigem AlxGa1−xN:Si mit Aluminiumgehalten x > 0,8, welches als Stromspreizungsschicht innerhalb der LED-Heterostrukturen verwendet wird, ist entscheidend für die Effizienz der LEDs. Es zeigte sich, dass mit steigendem Aluminiumgehalt die Aktivierungsenergie des Siliziumdonators, aufgrund des Übergangs des Siliziums vom flachen Donator in den DX-Zustand, ansteigt. Dies resultiert in einer abnehmenden freien Ladungsträgerdichte und folglich in einem ansteigenden Widerstand der Schichten. Es konnte gezeigt werden, dass der Widerstand über eine optimale Siliziumdotierung minimiert werden kann. Transparente und leitfähige AlxGa1−xN:Si Schichten mit einem Widerstand von 0,026 Ωcm für x = 0,8 konnten gezeigt werden. Untersuchungen der Quantenfilm-Dicke und Barrierenzusammensetzung zeigten, dass beide einen wesentlichen Einfluss auf den Ladungsträgereinschluss innerhalb der Quantenfilme haben. Dabei ist die vom ELO AlN/Saphir vorgegebene Versetzungsdichte entscheidend für die nicht-strahlende Rekombinationsrate der Ladungsträger und somit für die interne Quanteneffizienz. Diese wurde mittels Photolumineszenzmessungen auf 27% abgeschätzt. Zur Steigerung der Effizienz als auch der spektralen Reinheit der LEDs ist es erforderlich, Elektronenleckströme in die p-Seite der LED zu verhindern sowie die Lochinjektion in die aktive Zone zu fördern. Es zeigte sich, dass eine undotierte AlN Elektronenblockierschicht mit einer Dicke von > 6 nm erforderlich ist um den Elektronenleckstrom zu minimieren und Magnesiumrückdiffusion in die aktive Zone zu unterdrücken. Zudem wurde die Lochinjektion durch Optimierung der Zusammensetzung und Magnesiumdotierung einer Lochinjektionsschicht und des AlGaN:Mg-Übergitters maximiert sowie parasitäre Rekombinationsmechanismen identifiziert. Weiterhin wurde der Einfluss der Emissionswellenlänge auf die Effizienz der LEDs untersucht. Dabei konnte eine Reduktion der Lichtextraktionseffizienz durch den Wechsel der optischen Polarisation sowie eine reduzierte Injektionseffizienz für kurze Wellenlängen festgestellt werden. Abschließend konnten LEDs mit Hauptemission bei 232 nm und einer maximalen spektralen Leistungsdichte bei 226 nm von 218 nW/nm bei 20 mA realisiert werden. Die Detektion von Stickoxid bis zu einer Konzentration von 2 ppm wurde unter Verwendung der realisierten LEDs innerhalb eines Gassensorik-Prototypen demonstriert.
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