Bücher der Reihe Innovationen mit Mikrowellen und Licht / Forschungsberichte aus dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik

In der vorliegenden Arbeit werden Aspekte der Chipprozessierung untersucht, die die Zuverlässigkeit von (InAlGa)N-basierten Rippenwellenleiterlaserdioden beeinflussen. Als Ziel sollte die Lebensdauer von Laserdioden mit einer Emissionswellenlänge von 400 nm im Dauerstrichbetrieb gesteigert werden ¿ bei zugleich hoher Ausbeute an Chips pro Wafer. Hierfür wurden zuerst einzelne Prozessschritte hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Ausbeute und die Zuverlässigkeit untersucht.Die Optimierungsschleifen wurden zunächst aus Effizienzgründen an technologisch weniger komplexen Breitstreifenlasern durchgeführt. Hierbei waren Optimierungen der Abdünntechnologie für GaN-Substrate sowie des Spaltprozesses, mit dem Laserfacetten erzeugt werden, entscheidend für eine höhere Ausbeute. Um die Lebensdauer zu erhöhen, wurde die p-Kontakttechnologie optimiert und ein effizienterer Aktivierungsprozess der p-Leitfähigkeit etabliert. Anschließend wurden mithilfe der weiterentwickelten Prozesstechnologie Rippenwellenleiterlaser hergestellt und Degradationsmechanismen systematisch analysiert. Dadurch konnten eine inhomogene p-Leitfähigkeit und Degradationseffekte der Laserfacetten als Hauptursachen für die beobachteten Alterungseffekte identifiziert werden. Die dabei ablaufenden Prozesse werden in der Arbeit beschrieben.Die vorgestellten Untersuchungen und Weiterentwicklungen erhöhen die Lebensdauer von Rippenwellenleiterlasern von wenigen auf mehrere 100 Stunden. Zugleich steigt die Ausbeute an dauerstrichfähigen Laserdioden pro Wafer deutlich an. Zusätzlich konnten weitere Optimierungspotenziale in der Epitaxie und Facettentechnologie aufgezeigt und Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen gegeben werden.

Lichtemittierende Dioden (LEDs) auf Basis des Materialsystems (In)AlGaN, die im ultravioletten (UV) Spektralbereich abstrahlen, werden unter anderem in der medizinischen Phototherapie, beim Pflanzenwachstum oder zur Desinfektion eingesetzt. Mit kurzwelligem UVC-Licht lassen sich auch Mikroben wie Viren inaktivieren, wodurch UV-LEDs auch dabei helfen können, die Ausbreitung von SARS-CoV-2 zu verringern. Allerdings nimmt im Langzeitbetrieb die optische Leistung der UV-LEDs schnell ab. Damit einher geht eine geringe Lebensdauer von einigen hundert bis tausend Stunden, die dem breiten Einsatz von UV-LEDs bislang im Weg steht.Ziel dieser Arbeit war es, die physikalischen Ursachen zu finden, die zu der betriebsbedingten Leistungsabnahme von UVB- und UVC-LEDs führen. Hierzu wurde der Einfluss der LED-Betriebsparameter, des Chipdesigns, der Halbleiterschichtstruktur und deren Kristallqualität auf die Lebensdauer der LEDs untersucht. Dabei stellte sich die Stromdichte als der wesentliche Beschleunigungsfaktor der Degradation heraus, wofür eine mathematische Beschreibung hergeleitet wurde. Zudem wurde aufgedeckt, dass hohe Ladungsträgerdichten in der aktiven Zone die LED-Lebensdauer verkürzen. Durch eine verbesserte Kristallqualität ließ sich jedoch die Lebensdauer der LEDs signifikant auf mehr als 10.000 h erhöhen, was den breiten Einsatz von UV-LEDs ermöglicht.Die experimentellen Ergebnisse in Verbindung mit theoretischen Simulationen des Ladungsträgertransports legen nahe, dass die betriebsbedingte Leistungsabnahme maßgeblich durch die Auger-Rekombination angetrieben wird. Im Ergebnis kann erstmalig ein quantitativ begründetes Degradationsmodell aufgestellt werden.