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Frage: Ein Plan “wann welches Kapitel” wäre hilfreich (03.11.2021)

Antwort: Hier ist der Plan. Die entsprechenden Kapitel werden am betreffenden Termin im Diskussionforum besprochen. Schriftliche Fragen hier direkt in der Datei sind herzlich willkommen. .

Termine 2021 
  
03.11.Einführungskapitel LTOS-1
10.11.LED Grundlagen – optische EigenschaftenLTOS-2
17.11.LED Grundlagen – elektrische EigenschaftenLTOS-3
24.11.Breakout Folien: Rekombinationsraten im Nicht-GleichgewichtBreakout Folien: Shockley Read Hall
01.12.Temperaturmessung in LEDs LTOS-4
08.12.Design von Hochleistungs-LEDsLTOS-5
15.12.InGaN LEDsLTOS-6
22.12.Winterpause
  
05.01.Winterpause
12.01.InGaN LEDs / LTOS-6Breakout: Mg diffusion
19.01.AlGaN-GaN UV-LEDsLTOS-7
26.01.MikroDisplays und SensingLTOS-8
02.02.Breakout: Photonik-Integration und das Quantum Valley Lower Saxony
09.02.Wiederholung / Fragen zur Klausur
16.02.Wiederholung / Fragen zur Klausur
  

Frage: Foliennummern fehlen. (03.11.2021)
 Antwort: Jepp, wird nachgeholt.

Frage: Im Kapitel 2 soll in einer Aufgabe die Rekombinationszeit für intrinisches GaAs berechnet werden. Wie hoch ist dann die Ladungsträgerkonzentration, die in die Gleichung für die Lebensdauer von Ladungsträgern eingesetzt werden muss ? (03.11.2021)

Antwort: In der Tat ist die intrinsische Ladungsträgerkonzentration von GaAs mit 1E6 cm-3 sehr sehr klein. Die Rekombinationszeit beträgt dann fast eine Stunde. Zur Erklärung von n_i, n_p und der Statistik der Dotierung siehe Breakout “Dotierung von Halbleitern” (aktuell in Arbeit)

Frage: In Kapitel 2 und 3 wird jeweils auf die interne Quanteneffizienz eingegangen. Im Kapitel 2 wird eta_int aber auch einmal (vorletzte Folie) eta_rad eingesetzt. Im Kapitel 3 wird nur eta_int genutzt.
 Sind beide Bezeichnungen verwendbar? (05.11.2021)

Antwort: Ja, beide Größen bedeuten dasselbe.
eta_rad   = Quanteneffizienz für strahlende Rekombination
eta_int   = interne Quanteneffizienz = eta_rad

Frage: Könnten Sie den Unterschied zwischen Carrier Leakage und Carrier Overflow nochmal erklären? Liegt der Unterschied darin, dass beim Carrier Overflow die Elektronen erst gar nicht mehr in den Quantentrog injiziert werden und sie beim Leakage wieder aus diesem entweichen können?

Antwort: Carrier Leakage ist ein Überbegriff für alle Mechanismen, die eine Rekombination der Ladungsträger in der aktiven Region der LED verhindern. Der Carrier Overflow ist eine Sonderform des Carrier Leakage, bei dem die Ladungsträgerkonzentration im Quantentrog so groß ist, dass das Fermi-Niveau oberhalb der Potentialbarriere liegt. Entsprechend können zusätzlich injizierte Ladungsträger nicht durch den Quantentrog eingefangen werden und „fließen über diesen hinweg“. Ein anderer Mechanismus für Carrier Leakage ist beispielsweise die thermische Anregung von Ladungsträger im Quantentrog, sodass diese den Quantentrog verlassen.

Frage: Zur Aufgabe zur Carrier Leakage in Kapitel 3. Wie werden die in der Lösung angegebenen Werte für den Abstand zwischen Ferminniveau und Bandkante sowie den carrier concentrations erhalten?

Antwort: Die Aufgabe wird später noch in der Übung behandelt, sodass der Rechenweg dann hoffentlich klar wird.

Frage: Wieso ist das parabolische Grading in der aktiven Zone häufig zu komplex? Entstehen dabei häufig Fehler, welche für eine zu geringe Ausbeute führen?

Antwort: Parabolische Gradings sind wünschenswert, da sie genutzt werden können, um die Bandverbiegung zu glätten. Die aktive Region ist typischerweise nur einige Nanometer dick, weshalb eine graduelle Änderung der Kristallzusammensetzung eine präzise und komplexe Steuerung der Prozessparameter voraussetzt. Im Vergleich dazu lässt sich eine lineare Änderung leichter realisieren, wobei man die kleinen Spikes in der Bandstruktur im Kauf nimmt. Insgesamt ist es also eine Abwägung zwischen einem komplexeren Wachstumsprozess mit einem reduzierten Serienwiderstand der LED und einen einfacheren Wachstumsprozess und einen leicht erhöhten Serienwiderstand.

Frage: Könnten Sie auf die Kennlinienbilder zu den parasitiven Einflüssen eingehen? Wie genau sind die zu interpretieren?

Oben: Diode mit Serienwiderstand

  • Ursache: Kontaktwiderstände, spezifische Leitfähigkeit des Halbleiters, …
  • Charakteristika: diodenförmiger Verlauf bei geringer Spannung, da die Diode noch nicht leitfähig ist und somit die Spannung hauptsächlich über die Diode abfällt; linearer Verlauf bei großer Spannung, da der Stromfluss durch den Serienwiderstand limitiert wird; über linearen Verlauf kann der Serienwiderstand charakterisiert werden

Unten: Diode mit Parallelwiderstand

  • Ursache: Defektkanäle im Halbleiter, keine hinreichende Isolierung von n- und p-Kontakt, …
  • Charakteristika: linearer Verlauf bei geringer Spannung, da der Parallelwiderstand einen leitfähigen Kanal bildet; diodenförmiger Verlauf bei großer Spannung, da die Diode bei hoher Durchlassspannung den Strom leitet; symmetrischer Verlauf der IV-Kennlinie um den Ursprung ist charakteristisch; über linearen Verlauf kann der Parallelwiderstand charakterisiert werden

Die Frage wird aber noch genauer in der Übung behandelt.

Frage: LTOS-4 (letzte Folie): Wieso ist die Effizienz der UV-LED schlechter, wenn die Ladungsträgertemperatur T_C geringer ist als bspw. bei der grünen oder blauen LED? Liegt es daran, dass geringe Injektionsströme zu einer geringeren Ladungsträgertemperatur führen (weniger Elektronen bei höherer Energie)?

Antwort: Die Abbildung auf der 14. Folie von „LTOS – 4 – Temperaturmessung in LEDs“ liefert einen Vergleich zwischen den verschiedenen Methoden, mit denen man die Gitter- und Ladungsträgertemperatur abschätzen kann. Zum einen haben wir die Methoden zur Bestimmung der Gittertemperatur, namentlich die peak-wavelength-shift method (Vierecke) und die forward-voltage method (Kreise), welche darauf basieren, dass sich die Spitzenwellenlänge und die Vorwärtsspannung mit zunehmender Temperatur verändern. Hierbei nimmt die Spitzenwellenlänge mit zunehmender Gittertemperatur zu und die Vorwärtsspannung ab. Misst man für kleine gepulste Ströme die Spitzenwellenlänge bzw. die Vorwärtsspannung für unterschiedliche Gittertemperaturen (das erreicht man z.B. indem man die LED auf eine temperaturkontrollierbare Heizplatte legt), hat man die jeweilige Messgröße auf die Gittertemperatur kalibriert. Somit kann man bei einer anschließenden Messung in Abhängigkeit von der Stromstärke die Spitzenwellenlänge oder die Vorwärtsspannung messen und darüber Informationen über die Gittertemperatur gewinnen. Zum anderen haben wir die high-energy-slope method (Dreiecke) zur Bestimmung der Ladungsträgertemperatur basierend auf der Auswertung der Linienform der Spektren. Diese Methode beruht auf der Annahme, dass die Linienform im hochenergetischen Bereich maßgeblich durch die Ladungsträgerverteilungsfunktion (Fermi-Dirac Statistik bzw. näherungsweise Boltzmann Statistik) beschrieben wird. Der Vorteil dieser Methode ist, dass sie direkte Rückschlüsse auf die Ladungsträgersituation in der aktiven Region ermöglicht. Der Nachteil dieser Methode ist, dass sie fehleranfällig ist, da die Linienform des Spektrums typischerweise durch zusätzliche Mechanismen verbreitert wird, welche in der Methode unberücksichtigt bleiben. So tritt z.B. bei Halbleiterverbindungen die sogenannte Legierungsverbreiterung (alloy broadening) auf, die besagt, dass das Spektrum durch eine statistische Schwankung der lokalen chemischen Zusammensetzung in der aktiven Region verbreitert wird. Dadurch nimmt die Steigung der Linienform ab, weshalb die Ladungsträgertemperatur typischerweise zu hoch abgeschätzt wird. Betrachtet man die Abbildung, so fällt auf, dass die Gittertemperatur für alle LEDs vergleichbar ist, wohingegen die Ladungsträgertemperatur sehr unterschiedlich ist. Dies lässt sich zum einen darauf zurückführen, dass die Ladungsträgertemperatur aufgrund von inhomogenen Verbreiterungsmechanismen zu hoch abgeschätzt wird. Zum anderen lässt sich festhalten, dass die LEDs unterschiedlich effizient sind. Betrachten wir zum Beispiel die blaue, die grüne und die UV InGaN LED, so ist die blaue LED typischerweise am effizientesten und die UV LED am ineffizientesten. Der Grund dafür wird noch im späteren Vorlesungsabschnitt erläutert, aber so viel sei gesagt: Es hängt unter anderem mit der Versetzungsdichte im Halbleitermaterial und der Lokalisierung der Ladungsträger im Quantentrog zusammen. Da wir identische Injektionsstromdichten betrachten, ist die Anzahl der Rekombinationsprozesse bei den LEDs sehr ähnlich. Wenn nichtstrahlende Rekombination dominiert, rekombinieren die injizierten Ladungsträger schnell nichtstrahlend. Die Energie wird typischerweise am Gitter abgegeben, sodass die Gittertemperatur zunimmt. Gleichzeitig lassen sich nicht so hohe Ladungsträgerdichten in der aktiven Region erzielen, sodass die Ladungsträgertemperatur vergleichsweise geringer ausfällt, da mit zunehmender Ladungsträgerdichte höhere Energiezustände besetzt werden (Band filling).

Frage: (LTOS 5, Folie 24 “Lichtextraktion: Absorption”): Kann hier nochmal der Absorptionskoeffizient allgemein erläutert werden und insbesondere auch die Abbildung des Absorptionskoeffizientes über die Energie (Fig. 9.1)?

Antwort: Der Absorptionskoeffizient alpha ist ein Maß dafür, wie stark Licht beim Einfall auf ein Material absorbiert wird. Einheit von alpha: 1/cm. Definitionsgleichung: I(x)=I0*exp(-alpha*x), mit I0 = einfallende Intensität, I(x) Intensität in der Tiefe x nach Durchlauf von Material der Dicke x. Die Absorption ist stark abhängig von der Wellenlänge. Die Wellenlänge bestimmt ja gerade die Photon-Energie. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz des Lichtes, desto größer die quantisierte Photonenenergie E=hf. Starke Absorption in Halbleitern findet in der Regel nur dann statt, wenn das Licht einer Energie von mindestens der Bandlücke mitbringt. (siehe Folie 24). Bei höheren Energien hängt der hohe Absorptionskoeffizient noch von der Zustandsdichte ab, die mit einem “Wurzel-aus der Energie” ansteigt (siehe Graphik). Bei Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke E0 sollte eigentlich gar keine Absorption möglich sein. Dennoch hat man auch dann noch weitere Mechanismen: Thermische Verbereituerng der Absortionskante der Bandkante (kT) führt dazu, dass der Absorptionsverlauf verschmiert wird. Freie Ladungsträger können ebenfalls absobieren. Diese “Freie-Ladungsträger-Absorption” ist umso stärker, je höher die Ladungsträger-Konzentration ist. So hat man in Metallen z.B. immer einer hohe Absorption auf Grund der dort sehr großen Konzentration an Ladungsträgern. In Halbleitern mit Konzentrationen von 1E16-1E18 cm-3 ist die Absorption durch freie Ladungsträger meist vernachlässigbar. Erst in Kontaktschichten mit sehr hohen Dotierkonzentrationen >1E19 wird das dann relevant.

Frage: Sind Photonen wirklich masselos? 

Ja und nein. Mit “Masse” ist in der Regel die Ruhemasse gemeint. Ein Photon hat keine Ruhemasse,  es gibt aber auch kein ruhendes Photon.  Ein Photon hat andererseits aber Energie: E=hf. Diese Energie ist nach E=mc2 äquivalent zu Masse. Ein Photon wird also von einem Gravitationsfeld beeinflusst. So verliert ein senkrecht von der Erdoberfläche abgeschossenes Photon auf dem Weg nach oben Energie, die der potentiellen Energie E=mgh entspricht (m=Masse des Photons, g=Erdbeschleunigung, h=Höhendifferenz).

Frage: Geht der Trend in Richtung Nano-LEDs (< 100 nm) oder würden diese aufgrund der Größe keine technische Relevanz finden?

Zur Beleuchtung benötigt man viel Licht. Dort werden LEDs mit Größen von typisch 1 mm2 eingesetzt. Für die strukturierte Beleuchtung auf der Nanoskala (einem Forschungsgebiet des Instituts) sind aber sehr kleine LEDs (nanoLEDs) durchaus sehr interessant. Man kann z.B. Lichtfelder bei 100 nm nanoLEDs mit dieser Auflösung schalten und damit hoch-ortsaufgelöst chemsiche Reaktionen initiieren.  Oder man kann ein Objekt Pixel für Pixel beleuchten und die Information zu einem Bild mit Superauflösung zusammensetzen.

An all diesen Fragen arbeiten wir am Institut, von der Herstellung der NanoLEDs über deren Charaktierisierung bis hin zu der Anwendung in Modulen und Systemen.Bei INteresse an einer Studienarbeit in dieser Richtung bitte einfach melden. So arbeitet z.B. eine Gruppe im LENA an der Systemintegration (Elektronik-Entwicklung, Software-Entwicklung) und eine Gruppe im Epitaxy Competence Center ec2 an der Herstellung solcher kleiner nanoLEDs und nanoLED-Arrays.

Frage: Könnten Sie kurz erklären was genau die m-Plane und die c-Plane ist bzw. wo der Unterschied liegt?

Frage: Gilt die spontane Polarisation von GaN auch als Quantum-Confined Stark Effect?

Beide Fragen werden am besten gemeinsam beantwortet:

Siehe am besten die entsprechenden Folien. GaN kristallisiert in der Wurtzit Struktur. Ga und N Ebenen wechseln sich entlang der c-Richtung ab. Senkrecht zu c (in den Ebenene der einzelnen Ga und N Ebenen) sind die Atome hexagonal angeordnet.

Die m-Richtung ist eine Symmetrierichtung in der Ebene senkrecht zu c, ebenso die a-Richtung. Beides sind Symmetrierichtungen im hexagonalen Gitter. Sowohl auf m-orientierten als auch a-orientierten Oberflächen tritt keine Ladung auf (anders als bei c-orientierten Oberflächen), denn:

Ga Atome sind positiv geladen, N-Atome sind negativ geladen. Deshalb ergibt sich in c-Richtung ein elektrisches Feld (spontane Polarisation). Ist der Kristall verspannt, so ändert sich dieses Feld (piezoelektrische Polarisation). Beide Effekte überlagern sich.

Das elektrische Feld (das auch schon alleine von der spontanen Polarisation erzeugt wird) führt zur „Schrägstellung“ der Quantentröge. Diese „schrägen“ Quantentröge haben dann auch modifizierte Quantenenergien (das ist der Quantum Confined Stark Effect: Änderung der Energie als Funktion eines elektrischen Feldes).

Fragen zur Widerholungsstunde:

Diese Fragen sind mir beim Durchschauen der Folien noch gekommen. Ich will natürlich nicht  die gesamte Zeit in Anspruch nehmen. Falls noch Fragen vorhanden sind, die nicht aufgeschrieben wurden, können auch erst die beantwortet werden.

  1. Könnten Sie nochmal den streched exponential Verlauf der Luminexzenz Dynamik erklären?
  2. Wann muss der Idealitätsfaktor in der Shockeley-Gleichung genutzt werden? Also für Werte >> 2.
  3. Wie wird die charakteristische Temperatur für die phänomenologische Beschreibung des Temperaturverhaltens gefunden?
  4. Wie genau läuft die Interdiffusion von Ga und In bei Wachstum ab?
  5. Wie hängt die Auger-Rekombination mit dem Droop zusammen?
  6. Für das Matrix.MicroLED-Array wird der Wafer in die einzelnen MicroLED geätzt. Wie kann dies so genau ausgeführt werden?

Fragen zur 2. Wiederholungsstunde:

  1. Bei der Messung der IQE wird ja angenommen, dass bei 0 Kelvin alle nicht-strahlenden Rekombinationsprozesse ausgefroren sind. Gilt das auch für die Auger-Rekombination?
  2. Wie dick sind die einzelnen Schichten, z.B. bei einer InGaN/GaN – LED? Ungefähre Größenordnungen von
  3. Substrat ~ mehrere 100 µm ?
  4. Buffer-Layer
  5. N-GaN/p-GaN
  6. MQW InGaN/GaN ~ 0,15 – 0,75 µm ?
  7. Electron Blocking Layer
  8. Wieso können keine GaN Wafer hergestellt werden? Bzw. Wieso ist es so schwierig?
  9. Kapitel 8 wird darüber gesprochen, dass die direkte Kontaktierung der Arrays nur bis 16×16 gut funktioniert da danach kein Platz mehr ist. Tiefes Ätzen scheint ja aber bei der Matrixstruktur auch ganz gut zu funktionieren, weswegen wird also nicht an eine direkten Kontaktierung über mehrere Isolationsebenen gearbeitet, sodass mehrere Zuleitungen übereinander liegen können („3D-Integration“ sozusagen). Unbegrenzt geht das natürlich auch nicht aber eine oder vielleicht zwei Verdoppelungen stelle ich mir realistisch erreichbar vor.

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