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Analyse des Degradationsverhaltens GaN-basierter LEDs im ultravioletten und grünen Spektralbereich

Herzog, Alexander (2021):
Analyse des Degradationsverhaltens GaN-basierter LEDs im ultravioletten und grünen Spektralbereich. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017875,
[Ph.D. Thesis]

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.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2021
Creators: Herzog, Alexander
Status: Publisher's Version
Title: Analyse des Degradationsverhaltens GaN-basierter LEDs im ultravioletten und grünen Spektralbereich
Language: German
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.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxii, 206 Seiten
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Light Technology
Date Deposited: 19 May 2021 07:34
DOI: 10.26083/tuprints-00017875
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/17875
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-178754
Referees: Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc ; Hofmann, Prof. Dr. Klaus
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 2 December 2020
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

Due to the relevance of phosphor-converted semiconductor emitters for general lighting, the research focus of the past decades has been on the optimization of white LED's components. Especially the emitters of the blue spectral range, which are predestined for the excitation of phosphors, have been optimized through technological development. By contrast, the emitters of the ultraviolet and green spectral ranges, which are based on the same material system, serve niche applications and have technological hurdles due to their material composition. The technological challenges offer a corresponding optimization potential, which can be related to both the increase in efficiency and the long-term stability of the devices. For an optimization of the structures regarding their lifetime, physical degradation mechanisms and their dependencies on operating parameters have to be analyzed. Consequently, the dynamics and mechanisms of current and temperature induced degradation processes are analyzed within the scope of the present work. The indium-rich emitters of the green spectral range indicate a significant reduction of optical power, which can be attributed to the formation of point defects. The results indicate a reactivation of passivated point defects, whose activation is enhanced by interactions with Auger processes and absorbed photons. Due to the dependencies described above the degradation is significantly influenced by the selected aging current. The analysis of the temperature dependence indicates an additional degradation mechanism that counteracts the formation of point defects. Due to the superposition of the mechanisms, the temperature-dependent behavior cannot be described with the common approach of an Arrhenius equation. Emitters of the ultraviolet spectral range indicate a comparable formation of point defects, which is significantly reflected in the electrical characteristics of the devices. As a consequence of the point defects, the reduction of the optical power differs between various operating points. In addition, the gradual degradation of the semiconductor structures is strongly affected by the aging current. The degradation behavior of silicone encapsulated packages is dominated by the aging processes within the primary optics. The crack formation associated with the embrittlement of the primary lenses promotes processes of electromigration, which contribute to shorting the active region. The development of crack formation is accelerated by temperature and irradiation and can be described on the basis of the developed model. The gradual degradation of the semiconductor structures, which is independent of the damaged primary lenses, is modelled additionally. The time-dependent model equations of the optical degradation allow the consideration of different measurement and degradation currents and can be used for the lifetime calculation of the devices. Furthermore, the results of the degradation tests are evaluated on the basis of simulations of multi-channel light systems. Based on the simulation results, the degradation limits of the individual color channels can be defined as a function of the spectral compositions. Due to the colorimetric irrelevance of ultraviolet radiation sources, the aging behavior of UV emitters is discussed regarding photocatalytic disinfection applications. Despite the previously developed model equations, discrepancies can arise between laboratory aging tests and real applications, which makes it difficult to calculate the actual in-situ degradation behavior. In order to be able to determine the degradation state of the components in field use, correlations between the changes in electrical characteristics and optical degradation are identified on the basis of the aging data collected. The correlations allow conclusions to be drawn about the actual in-situ aging of the device. Using the developed correlation model, the degradation of the optical power can be predicted from changes in the electrical characteristics.

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