Die elektrische, thermische und optische Charakterisierung der Degradationsmechanismen von Leuchtdioden im UV-A Bereich

Im sichtbaren Spektralbereich werden konventionelle Lichtquellen aufgrund ihrer verhältnismäßig geringen Effizienz zunehmend durch Halbleiterlichtquellen ersetzt. Mit zunehmender Weiterentwicklung und Erforschung neuer Materialsysteme wurde innerhalb der vergangenen Jahre auch der Spektralbereich unterhalb der sichtbaren Strahlung erschlossen. Ultraviolette LEDs, die sowohl auf AlGaN- als auch auf InGaN-Basis realisiert werden, bieten möglicherweise das Potential konventionelle UV-Strahler abzulösen. Derzeit weisen die Emitter bezüglich ihrer Effizienz und Lebensdauer Defizite auf, weshalb eine Untersuchung und Charakterisierung der physikalischen Alterungsmechanismen für eine Optimierung der Materialsysteme zielführend ist. Zur Untersuchung derartiger Mechanismen werden ultraviolette High-Power-LEDs auf InGaNBasis gealtert. Zwei identische Gehäusebauformen mit Emissionswellenlängen bei 365 nm und 385 nm ermöglichen eine Separation der materialabhängigen Alterung. Die Alterung wird bei zwei Konstantstrombedingungen und drei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt. Aufschluss über die physikalischen Alterungsmechanismen gibt die Kombination von optischer, thermischer und elektrischer Messung, wodurch sich materialspezifische Abhängigkeiten ermitteln lassen um zuverlässige Lebensdauer-Extrapolationen durchzuführen. Ein direkter Vergleich der Leuchtdioden zeigt, dass die Halbleiter in Bezug auf ihre Emissionswellenlänge eine unterschiedliche Einflussnahme der Betriebstemperaturen aufweisen. Kurzwelligere Emitter besitzen eine stärkere Temperaturabhängigkeit im Bereich niedriger Vorwärtsspannungen. Dieser Effekt ist sowohl auf die Ausführung schmalerer Quantentopfstrukturen zurückzuführen, als auch auf den unterschiedlichen energetischen Offset zwischen den Quantentöpfen und der umgebenden Halbleiterstruktur. In Bezug auf ihre signifikanten Degradationsraten besitzen die Materialsysteme eine starke Abhängigkeit der applizierten Temperaturen und Ströme. Die elektrische Charakterisierung und der daraus resultierende Idealitätsfaktor nideal, weisen darauf hin, dass über den Alterungszeitraum eine Zunahme von Punkt-Defekten innerhalb der Quantentopfstruktur zu verzeichnen ist. Letztere lassen sich für die Abnahme der optischen Leistung verantwortlich machen und zeichnen sich sowohl durch die vermehrte nichtstrahlende Rekombination, als durch Tunneleffekte innerhalb der Quantentopfstruktur aus. Abschließend wird die stressinduzierete Degradation der Leuchtdioden auf ihr Arrhenius-Verhalten untersucht um mögliche Aktivierungsenergien und Extrapolationsmöglichkeiten zu bestimmen