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aktualisiert am 20. Juni 2024

ISBN 978-3-8439-3449-7

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978-3-8439-3449-7, Reihe Elektrotechnik

Tilman Schimpke
Epitaxie und Prozessierung von Galliumnitrid-Mikrosäulen-LEDs

206 Seiten, Dissertation Technische Universität Braunschweig (2017), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Für neuartige, effizientere Leuchtdioden (LEDs) aus dem AlInGaN Materialsystem besteht ein vielversprechender Ansatz im Übergang von planaren Schichtsystemen in die dritte Dimension. Durch das Wachstum der LED-Schichten auf einem dreidimensionalen Untergrund aus Mikrosäulen kann die aktive Fläche von der Substratfläche entkoppelt werden, mit positiven Folgen für Effizienz und Produktionskosten.

Die Grundlage für das Säulenwachstum mittels metallorganischer Gasphasen-Epitaxie im Rahmen dieser Arbeit bilden GaN-Schichten auf Saphirscheiben, welche mit einer strukturierten, dielektrischen Wachstumsmaske beschichtet sind. Auf diesen wurden homogene Säulenfelder mit sehr hohem Aspektverhältnis von bis zu 40 gewachsen. Das Wachstum der aktiven Hüllenschichten auf den Seitenfacetten der Säulen bietet jedoch Herausforderungen die bislang nur unzureichend betrachtet wurden.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen unter anderem einen deutlichen Einfluss der Wachstumstemperatur auf die Materialverteilung in der Hüllenschicht. Da die indiumhaltigen Quantenfilme der LED bei relativ niedrigen Temperaturen von etwa 750 °C gewachsen werden müssen, führt dies zu einer ungleichmäßigen Materialverteilung sowie einem Gradienten der Emissionswellenlänge entlang der Säulen. In umfangreiche Versuchsreihen konnte eine Verringerung des Gradienten erreicht werden. Die Optimierung der Wachstumsbedingungen führte zu Proben mit einer internen Quanteneffizienz von fast 75%. Dieser Wert ist der höchste über den bislang für unpolare InGaN Quantenfilme auf dreidimensionalen Säulenstrukturen berichtet wurde.

Die erfolgreiche Herstellung eines Bauteils auf der Basis von Kern-Hülle Mikrosäulen mit hohem Aspektverhältnis erfordert einen Chipprozess, welcher den besonderen Bedürfnissen der Strukturen Rechnung trägt. Die gleichmäßige Bestromung der dreidimensionalen Oberfläche und die geringe mechanische Stabilität der Säulen sind zentrale Punkte die eine Entwicklung dedizierter Prozesse notwendig machten.

An prozessierten Mikrosäulen-Bauteilen wurden Untersuchungen zur elektro-optischen Charakteristik, der externen Quanteneffizienz (EQE) sowie der Stromaufweitung unter Verwendung verschiedener Kontaktstrukturen durchgeführt. Eine Schätzung der Bauteileffizienz ergab eine EQE von knapp 10%. Dies stellt einen sehr guten Wert für Mikrosäulen-LEDs dar.