FBH-Forschung: 14.09.2012

Flip-Chip UV-B-LEDs mit optischen Leistungen im Milliwatt-Bereich

Leistung-Strom-Kennlinie
Abb. 1: Leistung-Strom-Kennlinie einer montierten UV-B-LED mit einer Ausgangsleistung von ≥5 mW und einem Emissionsspektrum bei 20 mA.
Degradationsmessungen
Abb. 2: Degradationsmessungen an einer Flip-Chip montierten UV-B-LED bei einem Strom von 20 mA; Lebensdauer >300 Stunden.

Die Anwendungsfelder von ultraviolettem (UV) Licht im Wellenlängenbereich 300 nm bis 320 nm (UV-B) sind vielfältig: von der Materialbearbeitung wie z.B. dem Aushärten oder der Oberflächenbehandlung von Kunststoffen, Lacken und Farben bis hin zur Phototherapie von Hautkrankheiten im medizinischen Bereich. Erzeugt man das UV-Licht mit Leuchtdioden (LEDs), so kann zum einen die Wellenlänge maßgeschneidert auf die Anwendung abgestimmt werden. Zum anderen lassen sich Lichtquellen in kompakter Bauweise realisieren, die anders als gewöhnliche Quecksilberdampfdrcuklampen ohne toxische Substanzen auskommen. Im Rahmen des Regionalen Wachstumskerns Berlin WideBaSe entwickelt das FBH in enger Kooperation mit der TU Berlin und lokalen Industriepartnern UV-B-LEDs mit hoher Ausgangsleistung und Effizienz. Durch zahlreiche Optimierungen der Herstellungstechnologie ist es nun gelungen, die Ausgangsleistungen der Bauelemente bis in den Milliwatt-Bereich zu erhöhen und damit an internationale Spitzenwerte in diesem Bereich aufzuschließen.

Der Schlüssel zur Verbesserung der Effizienz der LEDs lag vor allem im Design und in den epitaktischen Wachstumsbedingungen der Halbleiterschichtstruktur. Durch die Verwendung von AlN-Pufferschichten, die bei Temperaturen von ≥1400 °C auf Saphirsubstraten abgeschieden werden, sowie von dotierten AlGaN-Schichten großer Dicke, wurden Unterlagen für die lichtemittierenden Schichten der LEDs geschaffen, deren Versetzungsdichte im Bereich <1010 cm-2 liegt. Weiterhin wurden die Zusammensetzung und die Dotierung der Elektronenstopperschicht, die ein Überströmen der Elektronen auf die p-Seite der Diode verhindern soll, sorgfältig optimiert. Mit ausgewählten Wafern dieser ersten Generation wurden Bottom-Emitter-LEDs prozessiert, in Flip-Chip-Montage auf AlN-Submounts hartgelötet und auf Kupferwärmesenken in einer kalibrierten Ulbrichtkugel vermessen. Abb. 1 zeigt, dass die LEDs maximale Ausgangsleistungen von bis zu 5 mW bei einer Emissionswellenlänge von 300 nm liefern. Darüber hinaus zeigen erste Degradationsstudien wie in Abb. 2 zu sehen Lebensdauern der LEDs von mehreren hundert Stunden nach nur geringer Degradation nach erfolgtem Einbrennen. Durch weitere Optimierungsschritte ist es außerdem gelungen, die Leistungsfähigkeit der LEDs nochmals zu steigern. On-Wafer-Mesungen zeigten, dass UV-B-LEDs der 2. Generation, die nach diesen Optimierungen hergestellt wurden, reproduzierbar externe Quanteneffizienzen im Bereich 0,5 bis 1 % liefern. In naher Zukunft werden auch diese LEDs in montierter Form zur Verfügung stehen und den Bau erster Demonstratoren der oben genannten Anwendungen ermöglichen.