Leuchtdioden

Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik

UV-LED-Wafer
»On-wafer« Charakterisierung eines UV-LED-Wafers.
© Fraunhofer IAF

Ultraviolett emittierende Leuchtdioden

Lichtquellen für den UV-Spektralbereich haben eine Vielzahl von Anwendungen, wie z.B. das Aushärten von Druckfarben und Polymeren, die Luft- und Wasserentkeimung, den Nachweis von Falschgeld, sowie verschiedene Verfahren in der Medizintechnik und der chemischen Analytik. Zurzeit ist der Markt für im UV emittierende Lichtquellen noch von Gasentladungslampen beherrscht. Diese weisen zwar eine hohe Effizienz auf, haben aber auch viele Nachteilen wie z. B. die Verwendung des toxischen Schwermetalls Quecksilber, die Notwendigkeit einer Hochspannungsversorgung und eine relativ geringe Lebensdauer verbunden mit einer nötigen aufwändigen Alterungsüberwachung.

Leuchtdioden (LEDs) sind kompakte und robuste, auf Halbleitern basierende Lichtquellen, welche für den sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich bereits in großer Vielfalt verfügbar sind und dort sehr hohe Leistungseffizienzen und Lebensdauern aufweisen.  Eine Nutzung der LED-Technologie für den UV-Spektralbereich eröffnen die Möglichkeit, UV-Lichtquellen ohne die oben genannten Nachteile der Gasentladungslampen zu realisieren. Damit verbunden wären erhebliche Vorteile bzgl. der Auslegung von Messsystemen und Fertigungsanlagen, die auf UV-Lichtquellen basieren. So könnte eine aufwändige kontinuierlich messtechnische Alterungsüberwachung der Lichtquellen entfallen sowie, bei einer wesentlich größeren Lebensdauer der Festkörperlichtquellen, auf die für einen schnellen Wechsel der UV-Lichtquellen erforderlichen konstruktiven Vorgaben verzichtet werden.

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Die Entwicklung von LEDs für den UV-A (320-350 nm) und UV-B (280-320 nm) Spektralbereich ist das Ziel des vom BMBF geförderten und Mitte 2008 gestarteten Deep-UV-LED-Forscherverbundes. Die Partner des Fraunhofer IAF, welches den Verbund koordiniert, sind die Technische Universität Berlin, das Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) sowie die Universität Ulm.

Ein wesentlicher Schwerpunkt des Deep-UV-LED-Projektes ist die Herstellung von defektarmen Halbleiterschichten aus Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), die eine Grundvoraussetzung für effiziente LEDs im UV-Spektralbereich sind. Da AlGaN nicht als freistehender Kristall verfügbar ist, erfolgt die Abscheidung (Epitaxie) der funktionalen Schichten zwangsläufig auf Substraten mit deutlich anderen physikalischen und chemischen Eigenschaften. An der Grenzfläche entsteht dabei eine Vielzahl von Kristalldefekten im AlGaN, die die Effizienz der LEDs limitieren. Die Problematik der Defektreduktion wird von allen Projektpartnern bearbeitet, wobei jeweils unterschiedliche Ansätze verfolgt werden.

Eine weitere wesentliche Aufgabe für die Epitaxieentwicklung ist die Realisierung von AlGaN-Schichten mit hoher Elektronen- bzw. Löcherleitfähigkeit (n- bzw. p-dotierte Schichten). Mit steigendem Al-Gehalt nimmt AlGaN immer mehr die Eigenschaften eines Isolators an. Deshalb muss z.B. für eine hinreichende Löcherleitfähigkeit der p-Dotierstoff in sehr hoher Konzentration eingebaut werden. Dabei werden Kristalldefekte generiert, die wiederum einen negativen Einfluss auf die Leitfähigkeit haben. Die große Diskrepanz zwischen Elektronen- und Löcherleitfähigkeit muss auch bei der Konzeption und Epitaxie kompletter LED-Strukturen berücksichtigt werden, wie sie für den UV-A-Bereich am Fraunhofer IAF und für den UV-B-Bereich an der TU Berlin sowie am FBH erfolgt.

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Neben der Epitaxie-Entwicklung ist die Technologie-Entwicklung ein zweiter wesentlicher Arbeits-schwerpunkt. Hier müssen z.B. ohmsche Metall-Halbleiterkontakte mit geringen Widerständen realisiert werden. Gerade der Kontakt auf p-AlGaN stellt ein Problem dar, weil neben der bereits erwähnten geringen p-Leitfähigkeit des AlGaN gängige Kontaktmetalle ein ausgeprägtes Sperrverhalten zeigen. Darüber hinaus sind auch die optischen Eigenschaften des Kontaktes von großer Bedeutung. Um das vom aktiven Bereich in Richtung p-Kontakt emittierte Licht nutzen zu können, werden Möglichkeiten zur Realisierung eines im UV-Spektralbereich hoch reflektiven p-Kontaktes untersucht. Da die einzigen auch im UV-Spektralbereich hoch reflektiven Metalle Indium und Aluminium als eigentliches p-Kontaktmetall ungeeignet sind, müssen komplexe Metallschichtstrukturen und Legierungen entwickelt werden.

In der ersten Hälfte des Projektzeitraumes ist es den Verbundpartnern gelungen, die Defektdichte in den AlGaN-Schichten deutlich zu reduzieren. Dies wurde mittels hochaufgelöster Röntgenbeugung und Transmissionselektronenmikroskopie nachgewiesen. Für Al-Gehalte von ca. 20 % wurde z.B. an der Universität Ulm durch Deposition einer Siliziumnitrid-Zwischenschicht während der Epitaxie eine effektive Defektreduktion erreicht. Auf diesen defektreduzierten Schichten wurden am IAF LED-Strukturen aufgebracht, zu Mesa-LEDs prozessiert, flip-chip auf AlN-Träger aufgelötet und in TO-Gehäusen aufgebaut. Diese LEDs weisen eine sehr scharfe Quantenfilmlumineszenz bei 355 nm und eine um Größenordnungen schwächere Defektlumineszenz auf. Die Vorwärtsspannung bei einem Betriebsstrom von 20 mA beträgt - für UV-LEDs mit dieser Emissionswellenlänge sehr geringe - 3,6 V. Durch die gezielte Optimierung der LED-Struktur am Fraunhofer IAF wurde die Lichtleistung auf ungefähr 10 mW bei einem Betriebsstrom von 40 mA gesteigert. Dieser Wert entspricht einer maximalen Leistungseffizienz von 6,5%. Diese Leistungskenndaten machen die hier beschriebene LED-Technologie bereits interessant für Anwendungen wie z.B. UV-Härtung, die größere UV-Lichtleistungen erfordern. Darüber hinaus besteht Potenzial für eine weitere signifikante Leistungssteigerung z.B. durch eine Verbesserung der Lichtauskopplung aus dem LED-Chip.