UV-B-LEDs mit hoher Robustheit und Zuverlässigkeit
Abb. 1: Degradation der optischen Leistung von 305 nm UV-B-LEDs mit der Zeit bei 30 mA bzw. 90 mA Betriebsstrom.
Abb. 2: Degradation der optischen Leistung mit der Zeit von 305 nm UV-B-LEDs bei alternierender Temperatur.
Die optische Leistung (AlGa)N-basierter LEDs, die im UV-B-Spektralbereich emittieren, ist über die letzten Jahre kontinuierlich gestiegen. Allerdings ist die Langzeitstabilität der elektro-optischen Eigenschaften dieser Leuchtdioden immer noch ein Problem. Die Lebensdauer heute verfügbarer UV-B-LEDs ist bislang auf einige tausend Stunden oder weniger begrenzt, was ihre industrielle Anwendung erschwert. Daher wurde am FBH vor kurzem mit ausgedehnten Stresstests von UV-B-LEDs begonnen, um relevante Degradationsmechanismen zu studieren. Die LEDs wurden in einer Kooperation der TU Berlin und des FBH entwickelt und haben eine Emissionswellenlänge um 305 nm. Mehr als 1.000 Stunden wurden die Bauelemente unter verschiedenen Stressbedingungen betrieben. Abb. 1 zeigt die Entwicklung der optischen Leistung von LEDs, die auf passiv gekühlten AlN-Keramiken flip-chip-montiert wurden. Dabei steigt die optische Leistung innerhalb der ersten Stunden an, fällt dann in den folgenden Stunden stark ab, um schließlich für noch längere Zeiten nur noch schwach zu sinken. Die sogenannte Einbrennphase während der ersten Stunden und die nachfolgende Degradationsphase wurden getrennt untersucht.
Abb. 2 zeigt UV-B-LEDs, die bei 20 mA und einer zwischen 122°C und 185°C alternierenden Temperatur der aktiven Zone betrieben wurden. Dabei wurde beobachtet, dass das Wechselspiel aus Strom und Temperatur bestimmt, ob während der Einbrennphase die optische Leistung ansteigt oder abfällt. Auch die Leckströme unterhalb der Bandlücke in Sperr- und in Durchlassrichtung nehmen zu, während sich die Emissionsspektren kaum ändern. Diese Effekte haben mutmaßlich eher mit der Erzeugung und/oder Bewegung von Punktdefekten als mit ausgedehnten Defekten zu tun. Um die Betriebslebensdauer der LEDs abzuschätzen, wurde die zeitliche Entwicklung der optischen Leistung bis zu dem Punkt extrapoliert, an dem sie auf 50% (L50-Niveau) des Wertes am Ende der Einbrennphase abgefallen ist. Auf diese Weise erhält man L50-Lebensdauern von > 4.000 Stunden für eine Stromdichte von 225 A/cm2 und > 10.000 Stunden für 75 A/cm2. Diese Werte sind vielversprechend, demonstrieren sie doch die Robustheit und hohe Zuverlässigkeit unserer UV-B-LEDs.
Publikationen:
N. Lobo-Ploch, H. Rodriguez, C. Stölmacker, M. Hoppe, M. Lapeyrade, J. Stellmach, F. Mehnke, T. Wernicke, A. Knauer, V. Kueller, M. Weyers, S. Einfeldt, M. Kneissl, "Effective Thermal Management in Ultraviolet Light Emitting Diodes with Micro-LED Arrays", IEEE Trans. Electron Devices 60, 782 (2013).
T. Kolbe, F. Mehnke, M. Guttmann, C. Kuhn, J. Rass, T. Wernicke, M. Kneissl, "Improved injection efficiency in 290 nm light emitting diodes with Al(Ga)N electron blocking heterostructure", Appl. Phys. Lett. 103, 031109 (2013).
FBH-Forschung: 10.02.2014