Open Access

Cynthia-Corinna Karl

• InGaAlP-Leuchtdioden können im Laufe ihres Betriebs ein ziemlich kompliziertes Alterungsverhalten an den Tag legen. Eine Optimierung dieses Degradationsverhaltens ist neben der permanenten Jagd nach einer weiteren Verbesserung in der Effizienz ein Hauptziel in der LED-Entwicklung. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es, Licht auf das komplizierte Alterungsverhalten, welches in kurzwelligen InGaAlP-Leuchtdioden beobachtbar ist, zu werfen. Hierfür werden LED-Strukturen elektrischen und optischen Overstress-Experimenten unterzogen und die Abhängigkeit verschiedener Degradationsmechanismen von den Belastungs- und Messbedingungen wird untersucht. Des Weiteren werden die Unterschiede und Ähnlichkeiten der mit Hilfe von optischen und elektrischen Methoden erhaltenen Daten besprochen. Ein Hauptaspekt dieser Arbeit ist die Untersuchung einer kontaktlosen optischen Alterungsmethode. Durch diese optisch induzierte Alterung, die durch eine Anregung der LED-Struktur mit Hilfe eines LasersInGaAlP-Leuchtdioden können im Laufe ihres Betriebs ein ziemlich kompliziertes Alterungsverhalten an den Tag legen. Eine Optimierung dieses Degradationsverhaltens ist neben der permanenten Jagd nach einer weiteren Verbesserung in der Effizienz ein Hauptziel in der LED-Entwicklung. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es, Licht auf das komplizierte Alterungsverhalten, welches in kurzwelligen InGaAlP-Leuchtdioden beobachtbar ist, zu werfen. Hierfür werden LED-Strukturen elektrischen und optischen Overstress-Experimenten unterzogen und die Abhängigkeit verschiedener Degradationsmechanismen von den Belastungs- und Messbedingungen wird untersucht. Des Weiteren werden die Unterschiede und Ähnlichkeiten der mit Hilfe von optischen und elektrischen Methoden erhaltenen Daten besprochen. Ein Hauptaspekt dieser Arbeit ist die Untersuchung einer kontaktlosen optischen Alterungsmethode. Durch diese optisch induzierte Alterung, die durch eine Anregung der LED-Struktur mit Hilfe eines Lasers stattfindet, ist es möglich, die Alterungsmechanismen zu untersuchen, die lediglich durch die Epitaxiestruktur bestimmt werden, ohne dass diese durch zusätzliche Mechanismen aufgrund elektrischer Kontakte beeinflusst werden. Es zeigt sich, dass das insgesamt beobachtbare Degradationsverhalten ein Zusammenspiel verschiedener Alterungsmechanismen ist. Diese beobachtbare Überlagerung von Degradationsmechanismen wird mit Hilfe eines mehrkomponentigen Defektentwicklungsmodells analysiert. Der Ansatz basiert auf der Annahme, dass die mikroskopische Ursache der verschiedenen Alterungsmechanismen in rekombinationsunterstützten Defektreaktionen liegt, die gleichzeitig aber unabhängig voneinander während dem optischen Overstress-Experiment innerhalb der Struktur ablaufen. Durch die Anwendung einer neuen optischen Alterungsmethode unter zusätzlich an der Diode angelegter Spannung in Rückwärtsrichtung wird gezeigt, dass es möglich ist, die sich unter normalen Umständen überlagernden verschiedenen Alterungsmechanismen voneinander zu trennen. Ferner wird der Einfluss einer Erhöhung des Wasserstoffgehalts innerhalb des Halbleiterkristalls auf das beobachtbare Alterungsverhalten der LED-Struktur untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Wasserstoffanreicherung der Struktur die optischen, elektrischen und Degradationseigenschaften der Struktur signifikant beeinflussen. Mit Hilfe der optischen Alterungsmethode unter zusätzlicher Rückwärtsspannung werden die sich überlagernden Degradationsmechanismen erneut separiert. Dabei stellt sich heraus, dass bestimmte Degradationsmechanismen durch die Wasserstoffanreicherung unbeeinflusst bleiben, wohingegen andere beeinflusst werden. Neben den makroskopischen Auswirkungen von Wasserstoff auf verschiedene charakteristische Eigenschaften der LED werden auch die Auswirkungen von Wasserstoff auf die eigentliche Konfiguration von Kristalldefekten mit Hilfe von DLTS untersucht. Auch die zeitliche Veränderung der mikroskopischen Defekte während der Alterung der Leuchtdiode wird mittels DLTS untersucht. Die DLTS-Experimente stützen das Konzept, dass die Ursache des insgesamt beobachtbaren Alterungsverhaltens der LED eine Überlagerung verschiedener Defektentwicklungsmechanismen ist, die teilweise durch Anreicherung der Struktur mit Wasserstoff beeinflusst werden können.…
• InGaAlP-LEDs can exhibit a rather complex aging behavior during their operation time. A optimization of this degradation behavior is a major goal in LED development besides the ongoing chase after efficiency improvement. The main purpose in this work is to shed light on the complicated degradation behavior which is observable in short wavelength InGaAlP light emitting diodes. Therefore LED structures are submitted to electrical and optical overstress experiments and the dependence of different degradation mechanisms on stress and measurement conditions are investigated. Furthermore, the differences and similarities of the data obtained by electrical and optical degradation experiments are discussed. A main aspect in this work is the investigation of a contactless optical degradation method. Due to this optical induced degradation via laser excitation of the LED structure, it is possible to examine the aging mechanisms determined only by the epitaxial LED structure without additionalInGaAlP-LEDs can exhibit a rather complex aging behavior during their operation time. A optimization of this degradation behavior is a major goal in LED development besides the ongoing chase after efficiency improvement. The main purpose in this work is to shed light on the complicated degradation behavior which is observable in short wavelength InGaAlP light emitting diodes. Therefore LED structures are submitted to electrical and optical overstress experiments and the dependence of different degradation mechanisms on stress and measurement conditions are investigated. Furthermore, the differences and similarities of the data obtained by electrical and optical degradation experiments are discussed. A main aspect in this work is the investigation of a contactless optical degradation method. Due to this optical induced degradation via laser excitation of the LED structure, it is possible to examine the aging mechanisms determined only by the epitaxial LED structure without additional influence due to electrical contact related mechanisms. It turns out that the total observable degradation behavior is an interplay of different degradation mechanisms. This detectable superposition of degradation mechanisms in analyzed by a multicomponent defect evolution model. This approach is based on the assumption that the microscopic origin for the various degradation mechanisms is due to recombination enhanced defect reactions, which proceed simultaneously but independently of each other within the structure during the optical overstress experiment. By the application of a novel optical degradation method under additional reverse biasing of the diode, it is shown that it is possible to unravel the usually interfering different degradation mechanisms. Furthermore, the influence of an enhancement of the hydrogen content of the semiconductor crystal on the observable degradation properties of the LED structure is investigated. It is shown that hydrogen enrichment of the structure significantly alters its optical, electrical and degradation properties. By the optical degradation method with additional reverse bias the superimposing degradation mechanisms are again separated. Thereby it turns out, that certain degradation mechanisms remain unaffected by the hydrogenation whereas others do not. Besides the macroscopic effects of hydrogen on several LED characteristics, also the effects of hydrogen on the actual crystal defect configurations are investigated by DLTS. Also the temporal alteration of microscopic defects during the degradation of the light emitting diode is investigated via DLTS. The DLTS experiments support the idea that the origin of the totally observable degradation of the LED structure is a superposition of different defect evolution mechanisms which are partially influenced by the hydrogenation of the structure.…