Konkurrenzfähige Bauelemente – UV-C-LEDs mit hoher Injektionseffizienz

Für Anwendungen wie Wasserdesinfektion, Materialbearbeitung oder Medizintechnik ist UV-C-Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 260 – 280 nm von großem Interesse. Derzeit werden hauptsächlich Quecksilberdampflampen genutzt, die ein festgelegtes Spektrum haben, das jedoch wenig oder keine Leistung in diesem Wellenlängenbereich bietet. AlGaN-basierte UV-C-LEDs könnten diese Lücke schließen. Sie sind kompakt, haben eine geringe Betriebsspannung und ihre Wellenlänge kann durch Modifikation der Materialzusammensetzung des Al_xGa_1-xN-Halbleiters an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Derzeit haben LEDs jedoch noch eine vergleichsweise geringe Effizienz im niedrigen einstelligen Prozentbereich. Das liegt unter anderem an einer hohen Dichte an Kristalldefekten des AlN-Templates, einer geringen Injektionseffizienz und einer geringen Lichtextraktionseffizienz.

Die TU Berlin und das FBH haben nun begonnen, UV-LEDs mit einer Emission bei 265 nm zu entwickeln. Durch eine sorgfältige Optimierung der Strominjektionseffizienz ist es gelungen, konkurrenzfähige Bauelemente zu realisieren. Alle LED-Strukturen basieren auf epitaktisch-lateral überwachsenen (ELO) AlN-Saphir-Templates, deren Dichte an durchstoßenden Versetzungen im Vergleich zu konventionellen planaren AlN-Templates reduziert ist. Dies erlaubt eine erhöhte strahlende Rekombinationsrate. Die Injektionseffizienz der LEDs konnte signifikant erhöht werden, indem die Heterostruktur der Elektronensperrschicht (EBL) modifiziert und eine Zwischenschicht (Interlayer, IL) mit hohem Aluminiumanteil zwischen EBL und der letzten Barriere der aktiven Zone eingefügt wurde. Die LEDs wurden mittels Elektrolumineszenzspektroskopie untersucht, wobei Indiumpunkte als p- und n-Kontakt dienten. LEDs ohne IL zeigen so gut wie keine Lumineszenz aus dem Quantenfilm (QW) der aktiven Zone, während durch Einfügen eines 1,5 nm dicken AlN-IL eine Ausgangsleistung von rund 1 mW bei 60 mA erreicht werden konnte. Ein dickerer IL dagegen führt nicht zu einer weiteren Erhöhung der Ausgangsleistung. Durch die Variation des Aluminiumgehalts des EBLs von 85 bis 100% wurde eine maximale Emissionsleistung von 1,3 mW bei 92% gefunden.

Die LED-Wafer wurden am FBH zu LED-Chips prozessiert, durch Laserritzen und Brechen vereinzelt und auf AlN-Keramik-Submounts in Flip-Chip-Geometrie montiert. Die LEDs zeigten eine Ausgangsleistung von 1,3 mW bei einem Injektionsstrom von 20 mA und eine Peakwellenlänge von 264 nm. Bei 50 mA wurden mehr als 3 mW erreicht. Die externe Quantenausbeute lag bei rund 1,4%. Diese Werte sind vergleichbar mit denen von heute am Markt verfügbaren Bauelementen.