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1 16.11.2016
Temperaturabhängigkeit der Emissionsintensität
Die Emissionsintensität einer LED nimmt aufgrund verschiedener Faktoren mit
zunehmender Temperatur ab.
a) Nichtstrahlende Rekombination über tiefe Störstellen
b) Oberflächenrekombination
c) Ladungsträgerverlust über Barriere der Heterostruktur
Um Raumtemperatur kann diese Temperaturabhängigkeit phänomenologisch durch
folgende Gleichung beschrieben werden.
3001
300exp
T KI I
T
3000
300expth th
T KI I
T
wobei T1 als die charakteristische Temperatur bezeichnet wird. Eine hohe
charakteristische Temperatur impliziert eine schwache Temperaturabhängigkeit.
Nebenbemerkung: In LD verschiebt sich die Stromdichte, ab der Lasen einsetzt mit
der Temperatur. Es gilt die sog. SchwellstromT0 Gleichung für den Schwellstrom Ith:
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Charakteristische Temperaturen T1 für verschiedene LEDs
Temperaturabhängigkeit der Emissionsintensität bei konstantem Strom
• Gruppe III-Nitride haben tiefere Potentialtöpfe als III-V Phosphide
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Optoelektronische Halbleitrbauelemente, WS13/14 Prof. Dr. Dirk Reuter
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Ladungsträgertemperatur Aus dem hochenergetischen Abfall des Emissionsspektrums kann die Ladungs-
trägertemperatur Te ermittelt werden.
expB e
Ik T
Die Steigung auf der hochenergetischen Seite ist gegeben durch:
ln 1
( ) B e
d I
d k T
in [K] !
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Ladungsträgertemperatur
• Ladungsträgertemperatur Te muss nicht der Temperatur des aktiven Bereiches
entsprechen (Injektion heißer Elektronen)
• Te obere Grenze für die Temperatur des aktiven Bereiches
• Alloy-broadening führt zu einer Überschätzung der Ladungsträgertemperatur.
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Verschiebung der Peakwellenlänge
• Erhöhung der Diodentemperatur führt zu einer Verschiebung der
Peakwellenlänge bedingt durch die Änderung der Bandlücke
• Kann zur Bestimmung der Diodentemperatur genutzt werden
• Kalibrierung durch Messung bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen
(und sehr kleinen Strömen (gepulst))
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Aufheizen der Diode im Betrieb
Temperatur des
Heteroübergangs bestimmt
aus der Verschiebung der
Emissionswellenlänge
Die Genauigkeit der Methode ist durch die Bestimmung der Peak-Wellenlänge
begrenzt. Als Faustregel wird für den Fehlerbalken der Peakwellenlänge etwa 5-
10% der FWHM Linienbreite angenommen.
Beachte: Bandauffülleffekte sind in der Kalibrierung enthalten sind.
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Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie
1ideal
qVn kT
sJ J e
Die I-V Charakteristik einer idealen p-n-Diode ist durch die Shockley-Gleichung
gegeben mit Js der Sättigungsstromdichte.
• Damit ist klar, dass die Kennlinie in Vorwärtsrichtung temperaturabhängig ist.
• Für einen festen Strom wird bei veränderte Temperatur eine andere Spannung
benötigt (Beachte: auch JS hängt von T ab!!).
• Für nicht entartete Halbleiter und unter Vorwärtsspannungsbedingungen Vf >>
kT/q, erhält man
lnf fideal
S
dV Jn kTd
dT dT q J
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Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie
lnf fideal
S
dV Jn kTd
dT dT q J
1 3f f g gdV qV E dE k
dT qT q dT q
• Beachte: auch JS hängt von T ab (siehe Shockley-Gleichung)
• Unter Berücksichtigung der T-Abhängigkeit des Sättigungsstromdichte, liefert
die Ableitung folgende Näherung
intrinsiche Ladungs-
trägerkonzentration Bandlücke effektive Zustandsdichte
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Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie
2 2ln ln lnC VD A D A
f g
i i C V
N NN N N NqV E kT kT kT
n n N N
LEDs werden typischerweise unter Vorwärtsspannung in der Nähe von Vbi betrieben.
Für nicht entartete Dotierkonzentrationen kann deshalb
angenommen werden.
Für den zweiten Summanden setzen wir für die T-abhängigkeit der Bandlücke die
Varshni-Formel ein
2
(0 )g g
TE T E K
T
mit und als Fitparameter.
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Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie
2
2 3ln
f D A
C V
dV T TN Nk k
dT q N N qq T
1 gdE
q dT
Unter Verwendung der Varshni-Formel erhält man für die T-Abhängigkeit der
Vorwärtsspannung :
T-abhängigkeit
von ni T-abhängigkeit von DOS
• Für einen nicht-entarteten Halbleiter sind i. d. R alle drei Summanden negativ
• Die Vorwärtsspannung für einen festen Strom sinkt mit steigender Temperatur
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T-
Abhängigkeit
von Eg
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Temperaturabhängigkeit Diodenkennlinie
Sowohl die Schwellwertspannung als auch der Serienwiderstand werden durch
Abkühlen größer.
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Bestimmung der Diodentemperatur aus der Kennlinie
Diese Methode beruht auf einer Kalibriermessung von Vf unter Pulsbedingungen
und unter Gleichstrominjektion.
Zur Messung wird das Bauelement
a) in einem temperaturkontrollierten Ofen gelegt und unter Pulsbedingungen
(< 0.1%) betrieben. Die Temperatur wird zwischen 20°C und 120°C variiert.
Die Vorwärtsspannung wird für jede Temperatur gemessen. -> Vf vs. Tj
b) Das Bauelemente wird bei Raumtemperatur einem Gleichstrom ausgesetzt
und nach Einstellung eines thermischen Gleichgewichtes wird Vf gemessen.
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Bestimmung der Diodentemperatur aus der Kennlinie
a) unter Pulsbetrieb b) Diodentemperatur
(Xi et al., 2004)
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Diodentemperatur für verschiedene LEDs
(Chhajed et al., 2004)
Die Ladungsträgertemperatur aus dem hochenergetischen Abfall überschätzt die
tatsächliche Temperatur des Bauelements.
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Elektrischer Betrieb einer LED a) Konstant Spannungsbetrieb (Batterie, AC-Gleichrichter)
Nachteile: • Diodenstrom hängt exponentiell von Spannung ab, damit führen
kleine Variationen in V zu großen Strom-und Leistungsänderung
• die Schwellspannung Vth ist T-abhängig
• Wird ein Widerstand in Serie zur Diode geschaltet wird T und I-Abhängigkeit
reduziert (Am Widerstand wird aber Leistung dissipiert).
• Konstante Spannung wirkt durch steigendem Strom dem Intensitätsabfall
bei steigender Temperatur entgegen.
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Elektrischer Betrieb einer LED
b) Konstant Strombetrieb
• Geringe Schwankungen im Strom führen auch nur zu geringen
Schwankungen in der Lichtintensität (falls T stabil lässt sich so leicht eine
stabile Emissionsintensität erreichen).
• Beim konstant Strombetrieb reduziert sich die Emissionsintensität mit
zunehmender Temperatur, da keine Kompensation der erhöhten Verluste
durch nicht-strahlende Rekombination.
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Effektive LEDs
• Reduzierung der nicht-strahlenden Rekombination:
- möglichst gut Materialqualität
• Erhöhung der strahlenden Rekombination
- QW-Strukturen (Matrixelement, Absorption)
- Doppelheterostrukturen (Urbachtail Absorption)
• Erhöhung der Auskoppeleffizienz
- Form – Geometrie der LEDs
- Kontaktierung (Transparenz, effiziente Stromzuführung)
- Waferbonding – transparente Substrate
• Gewünscht ist eine möglichst hohe externe Effizienz
• Dazu können viele Teilaspekte optimiert werden:
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Effektive LEDs: Packaging
Das “Packaging“ (Verpacken) der hat eine entscheidenden Einfluss auf:
• Lichtauskoppelung (Antireflexionsbeschichten)
• Abstrahlcharakteristik
• Stromzuführung
• Wärmeabführung (Verlustwärme)!
• ESD (electrostatic discharge) Elektrostatische Entladung
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Defekte als nichtstrahlende Zentren
Einfügen von Zwischenschichten als Antireflektionsschicht
Versetzungslinien bleiben
dunkel!
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Absorption im Halbleiter
Absorptionskoeffizient eines Halleiters mit einer Bandlücke Eg versus Energie.
• Der “Urbach-Tail“ dominiert die Absorption knapp unterhalb der Bandlücke. Bei
tieferen Energie ist die freie Ladungsträgerabsorption dominant.
• Urbach-Tail durch Unordnung im System bedingt.
~ 104-105cm-1
logarithmische
Darstellung
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DH-Struktur mit optisch transparentem Cladding
• Confinementbereiche sind recht dünn und können für Licht aus der
aktiven Zone als optisch vollständig transparent angenommen werden.
• Unter normalen Injektionsbedingungen ist Reabsorption in der aktiven
Zone unwahrscheinlich, wegen der hohen Ladungsträgerkonzentration
und der daraus resultierenden Burstein-Moss-Verschiebung der
Absorptionskante.
• Gute Materialqualität vorteilhaft: reabsorbiertes Photon wird mit hoher
Wahrscheinlichkeit reemittiert
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DH zur Erhöhung der strahlenden Rekombination
• In DH sind die Ladungsträger auf einen engeren Raumbereich
beschränkt => np größer.
• Rspon=Bnp => strahlende Rekombination verbessert.
• Für LD besonders wichtig!
• Praktisch alle Hochleistungs-LED verwenden DH-Designs
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Lichtauskopplung
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Lichtauskopplung
Kann man Licht in alle Richtungen nutzen?
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Lichtauskopplung: spezielle Bauformen
• Form wird durch „Ray-Tracing“-Rechnungen bestimmt.
• Verbesserung um ca. Faktor 2 gegenüber senkrechten Wänden
• Kann auf Waferskala hergestellt werden (Kosten)
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Lichtauskopplung: spezielle Bauformen
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Auskoppeleffizienz: transparente Substrate
• Man kann auch direkt auf transparentem Substrat wachsen
• Viele transparente Substrate sich nicht leitfähig (Gitterfehlanpassung
beachten!)
• Substrate ziemlich dick => auch relativ geringer Absorptionskoeffizient
führt zu merklichen Verlusten
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Auskoppeleffizienz: transparente Substrate
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Kontaktierung von LEDs
• Unterer Kontakt kann über das möglichst leitfähige Substrat gemacht
werden („kein“ Problem)
• Oberer Kontakt soll möglichst wenig „abschatten“
• Trotzdem möglichst kleiner Serienwiderstand gewünscht
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„Current spreading“ in LED-Strukturen
• Ohne „current spreading“ leuchtet es nur in der Nähe der Kontakte
• Strom fließt nicht durch die ganze Struktur
• Viel Licht wird durch die Kontakte absorbiert
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• Die „current spreading layer“ verteilt den Strom lateral
• CSL sollte niedrigen Widerstand haben (Stromverteilung und kein
signifikanter Beitrag zum Serienwiderstand gewünscht)
• Sie sollte für die LED-Strahlung transparent sein (wird deshalb auch als
„window layer“) bezeichnet
„Current spreading“ in LED-Strukturen
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„Current
spreading“
in LED-
Strukturen
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„Current spreading“ in LED-Strukturen
• Je dicker die Schicht, desto weiter die Stromverteilung (Beachte quadratische
Abhängigkeit)
• Je kleiner der Widerstand der Schicht, desto weiter die Stromverteilung
• Je größer J0 desto kleiner Ls für gegebenes t („current bunching“)
Berechnung (linearer Kontakt) der Dicke t der CSL gibt folgenden
Zusammenhang zum spezifischen Widerstand r, dem Strom J0 unter dem
Kontakt und der Breite der Stromausbreitung Ls
2
0s
ideal
et L J
n kT
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„Current bunching“ in LED-Strukturen
Für hohe Ströme wird die Stromverteilung schlechter!
2
0s
ideal
et L J
n kT
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„Current spreading“ in LED-Strukturen
• Strom lässt sich auch so führen
• Ist noch effektiver, weil kein Lichtemission unter den Kontakt
• Schwierig herzustellen
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„Packaging“
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„Packaging“
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Hochleistungsgehäuse
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Hochleistungsgehäuse
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LED-Gehäuse: Wärmewiderstand • Abfuhr der entstehenden Betriebswärme ist von großer Bedeutung für
effektiven Betrieb einer LED!
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Elektrostatische Entladung
• Bei einer elektrostatischen Entladung wird sehr viel Energie dissipiert
• Der Effekt ist in Rückwärtsrichtung deutlich stärker (höherer Widerstand
der Diode)
• vor allem für GaN-basierte Dioden von Interesse
• Schutzschaltung helfen Entladung geschieht nicht durch die LED
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