Herzog, Alexander (2021)
Analyse des Degradationsverhaltens GaN-basierter LEDs im ultravioletten und grünen Spektralbereich.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00017875
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Aufgrund der Relevanz leuchtstoffkonvertierter Halbleiteremitter für die Allgemeinbeleuchtung wurde der Forschungsschwerpunkt der vergangenen Jahrzehnte auf die Optimierung der Systemkomponenten weißer lichtemittierender Dioden (LED) gesetzt. Speziell die Emitter des blauen Spektralbereichs, die für die Anregung der Leuchtstoffe prädestiniert sind, wurden im Zuge der technologischen Entwicklung optimiert. Die auf dem gleichen Materialsystem basierenden Emitter des ultravioletten und grünen Spektralbereichs bedienen hingegen Nischenanwendungen und weisen aufgrund ihrer materialtechnischen Zusammensetzung technologische Hürden auf. Letztere bieten ein entsprechendes Optimierungspotential, das sich sowohl auf die Steigerung der Effizienz als auch auf die Langzeitstabilität der Komponenten beziehen lässt. Für eine Optimierung der Strukturen bezüglich ihrer Lebensdauer sind physikalische Degradationsmechanismen und deren Abhängigkeiten von Betriebsparametern zu ergründen. Infolgedessen werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Dynamiken und Mechanismen strom- und temperaturinduzierter Degradationsprozesse analysiert. Die indiumreichen Emitter des grünen Spektralbereichs indizieren eine signifikante Reduktion der optischen Leistung, deren Ursächlichkeit auf die Entstehung von Punktdefekten zurückgeführt werden kann. Die Ergebnisse weisen auf eine Reaktivierung passivierter Punktdefekte hin, deren Aktivierung durch die Interaktion mit Auger-Prozessen oder absorbierten Photonen begünstigt wird. Bedingt durch die zuvor beschriebenen Abhängigkeiten wird die Degradation maßgeblich durch die Wahl des Alterungsstroms beeinflusst. Die Analyse der Temperaturabhängigkeit indiziert einen zusätzlichen Degradationsmechanismus, welcher der Entstehung von Punktdefekten entgegenwirkt. Durch die Überlagerung der Mechanismen lässt sich das temperaturabhängige Verhalten nicht mit dem gängigen Ansatz einer Arrhenius-Gleichung beschreiben. Emitter des ultravioletten Spektralbereichs weisen eine vergleichbare Entstehung der Punktdefekte auf, die sich signifikant in der elektrischen Charakteristik der Bauteile abzeichnet. In Folge der Punktdefekte ist die Reduktion der optischen Leistung in Abhängigkeit des Arbeitspunkts unterschiedlich stark ausgeprägt. Zusätzlich ist der graduellen Degradation der Halbleiterstrukturen eine starke Abhängigkeit vom Alterungsstrom nachzuweisen. Das Degradationsverhalten silikonvergossener Bauformen wird hingegen von den Alterungsprozessen innerhalb der Primäroptik dominiert. Die mit der Versprödung der Primäroptik einhergehende Rissbildung begünstigt Prozesse der Elektromigration, die zu einer Überbrückung der aktiven Zone beitragen. Die Entstehung der Rissbildung wird durch Temperatur- und Strahlungseinträge beschleunigt und lässt sich auf Basis einer vorgenommenen Modellbildung beschreiben. Für die graduelle Degradation der Halbleiterstrukturen, die unabhängig von der Beschädigung der Primäroptik zu verzeichnen ist, wird eine zusätzliche Modellbildung vorgenommen. Die zeitabhängigen Modellgleichungen der optischen Degradation erlauben die Berücksichtigung unterschiedlicher Arbeitspunkte und Betriebsströme und können für die Lebensdauerberechnung der Bauteile verwendet werden. Darüber hinaus werden die Ergebnisse der Degradationsuntersuchungen auf Grundlage von Simulationen mehrkanaliger Lichtsysteme bewertet. Aufbauend auf den Simulationsergebnissen lassen sich die Degradationsgrenzen der einzelnen Farbkanäle in Abhängigkeit der spektralen Zusammensetzungen definieren. Aufgrund der farbmetrischen Irrelevanz ultravioletter Strahlungsquellen wird das Alterungsverhalten der UV-Emitter in Bezug auf photokatalytische Desinfektionsanwendungen diskutiert. Trotz der zuvor erarbeiteten Modellgleichungen können Diskrepanzen zwischen labortechnischen Alterungstests und realen Anwendungsfällen entstehen, die eine Berechnung der tatsächlichen in-situ-Degradationsdynamik erschweren. Um den Zustand der Bauteile im Feldeinsatz erfassen zu können, werden auf Basis der erhobenen Alterungsdaten Korrelationen zwischen der Änderung der elektrischen Charakteristik und der optischen Degradation identifiziert, die Rückschluss auf die tatsächliche in-situ-Alterung des Bauteils zulassen. Unter Verwendung des erarbeiteten Korrelationsmodells kann die Degradation der optischen Leistung über die Änderung der elektrischen Charakteristik prognostiziert werden.

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