Verbesserte Eigenschaften von UV-LEDs mit Emission um 300 nm
Abb. 1: Spezifischer Kontaktwiderstand verschiedener Kontaktsysteme auf n-Al0.4Ga0.6N:Si abhängig von Formierungstemperatur.
Abb. 2: UV-B-LED in Flip-Chip-Montage auf Keramikträger in SMD-Bauweise.
Abb. 3: Leistung-Spannung-Strom-Kennlinie einer montierten UV-B-LED. Einsatzbild: Emissionsspektrum bei 20 mA mit dominantem Peak bei 299 nm.
Als größte Einsatzfelder von UV-Leuchtdioden in den nächsten Jahren gelten die Trocknung und Härtung von Lacken und Farben. Gegenwärtig kommen dabei hauptsächlich Niederdruck-Quecksilber-Dampflampen zum Einsatz. Würde man diese durch UV-LEDs mit entsprechend hoher Leistung und Effizienz ersetzen, ließen sich die hohen Spannungen zum Betrieb der Lichtquellen vermeiden. Auch der Einsatz des Schwermetalls Quecksilber wäre nicht mehr erforderlich.
In unseren Arbeiten konzentrieren wir uns derzeit auf LEDs mit einer Emissionswellenlänge im UV-B-Bereich (280-315 nm), deren aktive Zone aus einer InAlGaN/AlGaN-Multiquantenfilmstruktur besteht. Nachdem wir über Optimierungen des Schichtdesigns und der epitaktischen Wachstumsbedingungen in On-Wafer-Messungen auf unprozessierten Wafern reproduzierbar Emissionsleistungen im Milliwattbereich nachweisen konnten, haben wir nun die Chipprozess- und Aufbautechnologie dieser LEDs weiter entwickelt. Dadurch konnten wir die Betriebseigenschaften der Bauelemente deutlich verbessern. Ein wichtiger Schritt war dabei die Überarbeitung der Kontakte: Die n-Seite einer UV-B-LED besteht typischerweise aus Al0.4Ga0.6N:Si. Darauf bilden übliche Metallschichtsysteme wie z.B. Ti/Al/Mo/Au Schottkykontakte aus und führen damit zu hohen Betriebsspannungen der LEDs. Unter Verwendung von Vanadium ist es uns gelungen, ohmsche Kontakte mit spezifischen Widerständen im Bereich 10-6 Wcm2 herzustellen. Abb. 1 zeigt, dass diese Kontakte um mehrere Größenordnungen niederohmiger sind als unsere vorherigen Standardkontakte Ti/Al/Mo/Au. Die erforderlichen Formierungstemperaturen liegen bei moderaten 700 °C und sind kompatibel mit der restlichen Chiptechnologie.
Ein weiterer wichtiger Schritt war die Weiterentwicklung der Chipaufbautechnologie. Um möglichst große Ausgangleistungen aus einem Einzelchip zu erhalten, muss die Wärme effizient aus der aktiven Zone der LED abgeführt werden. Die früheren AlN-Submounts waren nur wenige 100 µm größer als der Chip selbst und begrenzten somit die laterale Wärmespreizung. Abb. 2 zeigt einen neu designten Keramikträger, dessen größere Fläche und der zusätzlich dicke Kupferkern den thermischen Widerstand deutlich reduzieren. Zudem erlaubt die Durchkontaktierung dieses Trägers eine oberflächenmontierte Bauweise (SMD).
Kennlinien und Spektrum einer UV-B-LED mit optimierter Chipprozess- und Aufbautechnologie sind in Abb. 3 dargestellt. Die Emissionsleistung rollt erst bei Strömen oberhalb von 400 mA thermisch über, so dass Lichtleistungen über 12 mW erreicht werden. Das Spektrum zeigt einen dominanten Peak bei einer Wellenlänge von 299 nm und eine nur schwache Emission im UV-A-Bereich. Gegenwärtig untersuchen wir die Degradation entsprechender LEDs im Konstantstrombetrieb und arbeiten daran, die Emissionswellenlänge in den UV-C-Bereich zu verschieben.
FBH-Forschung: 03.01.2013