Übersicht über die Vorlesung

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1 Übersicht über die Vorlesung OE 5.1 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden IV.1 Dotierung IV.2 Der pn-übergang IV.3 Emissionseigenschaften von LEDs IV.4 Lichtausbeuten IV.5 Optische Verluste IV.6 Erhöhung der Auskoppeleffizienz IV.7 Weisse LEDs V. V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

2 Die anorganische Leuchtdiode als Halbleiterbauelement OE 5.2 Elektrolumineszenz entsteht durch den Übergang von einem Elektron aus einem besetzten Zustand im Leitungsband in einen unbesetzten Zustand im Valenzband. Andere Sprechweise: EL entsteht durch Rekombination von Elektronen und Löchern. 1. Kontakt Kontakt 2

3 OE 5.3

4 OE 5.4

5 Übersicht über die Vorlesung OE 5.5 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden IV.1 Dotierung IV.2 Der pn-übergang IV.3 Emissionseigenschaften von LEDs IV.4 Lichtausbeuten IV.5 Optische Verluste IV.6 Erhöhung der Auskoppeleffizienz IV.7 Weisse LEDs V. V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

6 IV.1 Dotierung OE 5.6 a) Abb.: a) Ausschnitt aus dem Periodensystem der Elemente. b) Schema zur p- Dotierung. c) Schema zur n-dotierung. b) c) p-dotierung durch Einbau eines Atoms mit 3 Valenzelektronen n-dotierung durch Einbau eines Atoms mit 5 Valenzelektronen

7 Energieniveaus bei Dotierung OE 5.7 Abb. Energieniveaus bei Dotierung

8 Übersicht über die Vorlesung OE 5.8 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden IV.1 Dotierung IV.2 Der pn-übergang IV.3 Emissionseigenschaften von LEDs IV.4 Lichtausbeuten IV.5 Optische Verluste IV.6 Erhöhung der Auskoppeleffizienz IV.7 Weisse LEDs V. V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

9 IV.2 Der pn-übergang OE 5.9 Wenn p- und n- dotierte Bereiche zusammengeführt werden, kommt es zur Diffusion von Ladungsträgern und zur Ausbildung von Raumladungen. Abb. IV.12: Ausbildung von Raumladungszonen

10 Der pn-übergang OE 5.10 Fermi-Niveau muss in allen Bereichen gleich sein Ladungsneutralität weit weg vom Übergang Am Übergang: Raumladungszone durch ionisierte Dotierungsatome (Störstellen) gemäss: 2 ϕ( x) ρ( x) = 2 x εε 0 (Poisson-Glg.) Elektrisches Feld in der Raumladungszone

11 Schottky-Modell der Raumladungszone OE 5.11 ρ( x) Räumlich abrupter Übergang von neutralen zu vollständig ionisierten Störstellen 0 : x wp en : wp < x 0 A = end : 0 < x wn 0 : x > wn konstante Ladungsdichte linearer Feldverlauf quadratischer Potentialverlauf N A(D) : Dichte der Akzeptor- (Donator-) Atome Insgesamt Ladungsneutralität: NA wp = NDwn Ausdehnung der Raumladungszone: W = W + W = D N P D 2 U εε ( N + N ) D 0 A D en N mit U : Diffusionsspannung eu E Typischer Wert: N = N = 10 A D W 200nm D A B D G cm 17 3

12 Ströme am pn-übergang OE 5.12 Zwei Arten von Strömen Diffusionsströme Driftströme Diffusionströme werden getrieben von Dichtegradienten: e h jdiff = ede n bzw. jdiff = edh p (D: Diffusionskonstante) Driftströme werden getrieben vom E-Feld: = µ bzw. = µ e h j ne E j pe E (µ e,h : Elektron- bzw. Lochbeweglichkeit) drift e drift h µ und D sind über die Einstein-Relation miteinander verknüpft: D = kt b e µ

13 Ströme am pn-übergang OE 5.13 Ohne Vorspannung herrscht am pn-übergang ein dynamisches Gleichgewicht von Drift- (Feld-) und Diffusionsströmen. Mit Vorspannung: Überschussladungsträger (e s im p-bereich, h s im n-bereich) an den Grenzen der Raumladungszone: Drastischer Anstieg des Nettostroms bei Vorwärtsspannung Schnelle Sättigung in Rückwärtsrichtung

14 Der pn-übergang OE 5.14 Visualisierung mit pn.exe ( Programm der Universität Siegen

15 Diodenkennlinie OE 5.15 Quantitativ: eu kt b j = j 1 s e ( js: Sättigungsstromdichte) Abb.: Schaltkreissymbole Abb.: Kennlinie einer pn-diode

16 LED ohne/mit Vorspannung OE 5.16 Optische Übergänge sind im thermodynamischen Gleichgewicht mit der Umgebung: Anzahl der Absorptionsübergänge = Anzahl der Emissionsvorgänge Vorspannung sorgt für einen thermodynamischen Nichtgleichgewichtszustand: Quasi-Ferminiveau Elektronen e E F Aufspaltung des Fermi-Niveaus Quasi-Ferminiveau Löcher h E F zusätzliche Rekombinationsvorgänge

17 pn-übergang bei Vorspannung OE 5.17 Abb.: Schema der Lichterzeugung in einer pn-diode - Rekombination von Elektronen und Löchern

18 OE 5.18

19 OE 5.19

20 Übersicht über die Vorlesung OE 5.20 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden IV.1 Dotierung IV.2 Der pn-übergang IV.3 Emissionseigenschaften von LEDs IV.4 Lichtausbeuten IV.5 Optische Verluste IV.6 Erhöhung der Auskoppeleffizienz IV.7 Weisse LEDs V. V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

21 IV.3: Emissionseigenschaften von Leuchtdioden OE 5.21 Abb. : Emissionsspektren verschiedener LEDs

22 OE 5.22

23 OE 5.23 Exkurs: Verbreiterung eines optischen Übergang: Homogene Verbreiterung Lorentz-Linie: f L ( ν ) = ν 2 L 2 2 L 4( ν ν ) + ν L homogene Verbreiterung: Gleich verbreiterte Linie für alle Atome (Moleküle etc.) - Stossverbreiterung - Verbreiterung aber auch einfach durch die Lebensdauer des angeregten Zustandes

24 OE 5.24 Verbreiterung eines optischen Übergang: Inhomogene Verbreiterung Inhomogene Verbreiterung: Unterschiedliche Lage der Resonanzenergie für unterschiedliche Atome (Moleküle etc.), Unterschiedliche k-vektoren im Halbleiter -anderes Beispiel: Dopplerverbreiterung beim Gas...wird meistens beschrieben durch Gausskurve

25 Quantenausbeuten bei LEDs OE 5.25

26 Übersicht über die Vorlesung OE 5.26 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden IV.1 Dotierung IV.2 Der pn-übergang IV.3 Emissionseigenschaften von LEDs IV.4 Lichtausbeuten IV.5 Optische Verluste IV.6 Erhöhung der Auskoppeleffizienz IV.7 Weisse LEDs V. V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

27 IV.4 Lichtausbeuten OE 5.27 (ballast: Vorschaltgerät)

28 LEDs in der Lichttechnik: Hellempfindlichkeit OE Maximum der Hellempfindlichkeit bei λ 0 =555 nm (Hellsehen) bzw. 507 nm (Nachtsehen)

29 Hellempfindlichkeit OE bei gleicher physikalischer Strahldichte erscheinen andersfarbige Bereiche unterschiedlich hell - aus Messungen mit vielen farbnormalsichtigen Beobachtern enstand 1924 die spektrale Hellempfindlichkeitskurve

30 Strahlungsfluss und Lichtstrom OE 5.30 Strahlungsfluss (Energiefluss von einer Fläche durch eine andere)

31 Strahlungsfluß OE 5.31 Bewertung des Strahlungsflusses durch Leistungsmessgerät: Strahlungsfluß φ e [φ e ]=W Index e wie energetisch Bewertung des Strahlungsflusses durch das Auge: Übergang zum Lichtstrom φ v 780nm lm dφe Φ v = 683 v( λ) dλ W dλ Index v wie visuell 380nm [ Φ v ] = lm Lichtausbeute: (das Lumen) η = Φv lm P W el

32 LED-Fortschritte OE 5.32

33 Übersicht über die Vorlesung OE 5.33 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden IV.1 Dotierung IV.2 Der pn-übergang IV.3 Emissionseigenschaften von LEDs IV.4 Lichtausbeuten IV.5 Optische Verluste IV.6 Erhöhung der Auskoppeleffizienz IV.7 Weisse LEDs V. V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

34 OE 5.34 IV.5: Optische Verluste in LEDs: 1. Absorption a) - Licht muss genügend nahe an der Oberfläche des HL-Materials erzeugt werden b)

35 Optische Verluste in LEDs: 2.: Fresnel-Verluste OE Fresnel-Reflexion an der Oberfläche (senkrecht) n n R = n + n R III V % ca. 1/3 des Lichtes wird zurückreflektiert Abb.: Optische Verluste in LEDs Aufbringen von Antireflexschichten

36 Optische Verluste in LEDs: 3.: Totalreflexion OE Totalreflexion tritt auf für Winkel größer als der kritische Winkel θ C sin( θ ) = C 1 n θ C (n=3.6)= 16 das meiste Licht bleibt im Halbleiter cleveres optisches Design der LED erforderlich

37 Totalreflexion führt zu geringer Extraktion OE 5.37 sin( φ C ) = 1 n Source: E.F. Schubert Für eine quantitative Berechnung muss der Raumwinkel des Austrittskegels ins Verhältnis zum gesamten Raumwinkel gesetzt werden.

38 OE 5.38 Source: E.F. Schubert Die Oberfläche der Austrittskalotte ist: φ C 0 ( ) 2 A da 2π r sinφrdφ 2πr 1 cosφ = = = C Bei isotroper Emission ergibt sich damit für das Verhältnis: P P esc total ( φ ) 2 2πr 1 cos C cos = = 4π r 2 ( φ ) Bei einem Brechungsindex n=3.6 (GaAs) ergibt sich damit ein Wert von nur 2 %!! C

39 Auskoppeleffizienzen in LEDs OE 5.39 Für Hochindexmaterialien und damit kleine kritische Winkel kann der Kosinus entwickelt werden: P P esc total φ 1 C 1 1 = ( 1 cosφc ) = 1 ( = 1 1+ arcsin n 1 1 1n 4 n 4 2 ext bzw. 2 2 nint Die Verbesserung der Auskoppelung war/ist ein Schlüssel zum Erfolg für den Einsatz von LEDs in der Allgemeinbeleuchtung.

40 High Brightness LEDs OE 5.40 AlGaInP: nm GaInN: blau,grün, weiss -alle effizienten LEDs sind Doppelheterostruktur- Bauelemente Für eine hohe externe Quantenausbeute muss die interne Quantenausbeute und die Auskoppeleffizienz hochgetrieben werden.

41 Übersicht über die Vorlesung OE 5.41 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden IV.1 Dotierung IV.2 Der pn-übergang IV.3 Emissionseigenschaften von LEDs IV.4 Lichtausbeuten IV.5 Optische Verluste IV.6 Erhöhung der Auskoppeleffizienz IV.7 Weisse LEDs V. V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

42 IV.6 Erhöhung der Auskoppeleffizienz OE 5.42 Backside mirror Epoxy dome Improved surface geometry Current spreading layer Photon recycling Textured surfaces Microstructured surfaces

43 Backside mirror: Photonen über Bande OE 5.43 Abb.: LED mit absorbierendem Substrat Abb.: LED mit reflektierendem Substrat

44 Erhöhung der Auskoppeleffizienz OE 5.44 Backside Mirrors Epoxy dome Improved surface geometry Current spreading layer Photon recycling Textured surfaces Microstructured surfaces

45 The role of an epoxy dome OE 5.45

46 Erhöhung der Auskoppeleffizienz OE 5.46 Backside Mirrors Epoxy dome Improved surface geometry/microstructured surfaces Current spreading layer Photon recycling Textured surfaces

47 Spezielle Oberflächengeometrien OE Kugelförmige LEDs wären eigentlich ideal - leider sehr aufwändig/nicht machbar in der Herstellung - kegelförmige LEDs sind ebenfalls aufwändig aber im Prinzip kompatipel mit Lithographie- und Ätzprozessen

48 Microstructured Surfaces OE 5.48 Microstructuring surface area increases the external quantum efficiency, since most of the light escapes at the edges. H. W. Choi et al., Appl. Phys. Lett. 83/22, pp (2003)

49 OE 5.49 Hocheffiziente Geometrien: Die TIP(Truncated inverted pyramid) - erstmaliger Nachweis einer 100 lm/w-led im Jahre Numerische Optimierung der Struktur durch Ray-Tracing (Strahlverfolgung) - Verwendung von transparenten GaP-Schichten

50 Optimierte blaue LEDs OE TIP-ähnliche Strukturen wurden von OSRAM-OS realisiert -Verwendung von SiC als transparentes Substrat

51 Erhöhung der Auskoppeleffizienz OE 5.51 Backside Mirrors Epoxy dome Improved surface geometry/microstructured surfaces Current spreading layer Photon recycling Textured surfaces

52 Current spreading OE gezielte Verbreiterung der aktiven Zone durch dicke Kontaktschicht

53 Erhöhung der Auskoppeleffizienz OE 5.53 Backside Mirrors Epoxy dome Improved surface geometry/microstructured surfaces Current spreading layer Photon recycling Textured surfaces

54 Photon Recycling OE 5.54 Absorption and re-emission of photons results in several chances for emission in the escape cone and thus increased h ext. Other losses in the structure have to be minimal, since many reincarnations are necessary before the escape cone is found. I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 62/02, pp (1993)

55 Erhöhung der Auskoppeleffizienz OE 5.55 Backside Mirrors Epoxy dome Improved surface geometry/microstructured surfaces Current spreading layer Photon recycling Textured surfaces

56 Texturierte Oberflächen OE 5.56 Textured surfaces randomize the propagation direction of photons and thus increase the escape probability. External quantum efficiency increased from 9 % to 30 %. Natural lithography: Polystyrene spheres, 0.2~µm diam, coat the surface of the LED in a randomly close-packed array. The spheres then act as an etch mask for Cl, assisted Xe + ion beam etching, about 0.17µm deep. I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 62/02, pp (1993)

57 Texturierte Oberflächen bei OSRAM OS OE 5.57

58 OE 5.58

59 OE 5.59

60 OE 5.60

61 OE 5.61

62 OE 5.62

63 Optimized p-type backside mirror OE 5.63

64 OE 5.64

65 OE 5.65

66 OE 5.66

67 OE 5.67 Mikrostrukturierte Oberflächen bei OSRAM OS

68 OE 5.68

69 OE 5.69