DE102007022794B4

DE102007022794B4 - Verfahren zum Betrieb einer Lumineszenzdiode und Lumineszenzdiodenanorndung

Info

Publication number: DE102007022794B4
Application number: DE102007022794.0A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2027-05-12
Also published as: DE102007022794A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Lumineszenzdiode, die eine verspannte aktive Schicht auf Basis eines Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters enthält, wobei bei dem Verfahren der Betriebsstrom der aktiven Schicht mit einer modulierten Betriebsspannung eingeprägt wird, und die Betriebsspannung zwischen einem niedrigen Spannungswert, der einer Spannung in Rückwärtsrichtung des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode oder einer niedrigen Spannung in Vorwärtsrichtung bei niedrigem Strom entspricht, und einem hohen Spannungswert, der einer hohen Spannung in Vorwärtsrichtung bei hohem Strom entspricht, so moduliert wird, dass
– während eines Zeitraums hoher Betriebsspannung Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert werden, und
– während eines Zeitraums niedriger Betriebsspannung eine starke strahlende Rekombination der Ladungsträger der aktiven Schicht erfolgen kann.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Lumineszenzdiode, die eine verspannte aktive Schicht auf Basis eines Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters enthält, sowie eine Lumineszenzdiodenanordnung mit einer solchen Lumineszenzdiode.
Stand der Technik
Lumineszenzdioden (LEDs, Light Emitting Diodes) werden heute verbreitet bei der allgemeinen Beleuchtung, der Effektbeleuchtung und in der Automobilindustrie eingesetzt. Weiße LED-Module stellen mit einem Lichtstrom von über 1000 Lumen bereits Halogenlampen in den Schatten. Blaue Laserdioden brennen bis zu 50 Gigabyte Daten auf eine DVD. Grundlage dieser und anderer Innovationen ist der Verbindungshalbleiter Galliumnitrid.
Es wird erwartet, dass Nitrid-basierte Lumineszenzdioden konventionelle Lichtquellen in den nächsten Jahren weitgehend ersetzen. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, wird ein erheblicher Aufwand zur Steigerung der Effizienz der Lumineszenzdioden betrieben, da jeder Prozentpunkt an Effizienzsteigerung enorme Auswirkungen für das Potential auf dem globalen Markt und für die immer wichtiger werdenden Energieeinsparungen hat.
Mit Lumineszenzdioden auf Basis der Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiter GaN, AlN, InN und deren ternären und quaternären Verbindungen kann der spektrale Bereich vom Ultravioletten bis zum Roten abgedeckt werden. Während für Lumineszenzdioden, die im violetten oder blauen Spektralbereich emittieren, bereits hohe Werte für die interne Quanteneffizienz und die Extraktionseffizienz erreicht werden, weisen die im längenwelligen Spektralbereich emittierenden Lumineszenzdioden immer noch eine niedrige interne Quanteneffizienz auf.
Verantwortlich für die niedrige Quanteneffizienz von (Al, In)GaN Lumineszenzdioden ist das Auftreten eines piezoelektrischen Feldes in der aktiven Region der Dioden. Besonders deutlich ist der Einbruch der Effizienz für Lumineszenzdioden im (längenwelligen) grünen Spektralbereich. In Lumineszenzdioden werden Elektronen und Löcher in Quantentrögen eingeschlossen, die die aktive, strahlungsemittierende Region der Lumineszenzdiode bilden. Die Gruppe III-Nitride weisen mit ihrer Wurtzit-Kristallstruktur keine Inversionssymmetrie auf und sind daher piezoelektrisch.
Das Quantentrog-Material InGaN hat eine größere Gitterkonstante als das GaN-Barrierenmaterial, so dass die aktive Schicht mit einer biaxialen Druckverspannung aufwachst. Diese Verspannung erzeugt ein starkes piezoelektrisches Feld von der Größenordnung einiger 100 kV/cm im Quantentrog, das zu einer Verkippung des Quantentrogs und damit zu einem reduzierten Überlapp der eingeschlossenen Elektron- und Lochwellenfunktionen führt. Dieser Effekt wird auch als quantenunterstützter Stark-Effekt (QCSE, Quantum Confined Stark Effekt) bezeichnet. Die räumliche Trennung der Wellenfunktionen verringert insbesondere das Übergangsmatrixelement für die strahlende Rekombination und verlängert damit die strahlende Rekombinationszeit im Quantentrog.
Die interne Quanteneffizienz einer Lumineszenzdiode ist durch die Konkurrenz von strahlender und nichtstrahlender Rekombination gegeben. Während die strahlende Rekombinationszeit mit abnehmendem Übergangsmatrixelement zunimmt, ist die nichtstrahlende Rekombinationszeit in erster Näherung unabhängig von der Verkippung des Quantentrogs. Das piezoelektrische Feld verschiebt das Gleichgewicht über die Verkippung des Quantentrogs somit auf die Seite der nichtstrahlenden Rekombination und erniedrigt so die interne Quanteneffizienz des Bauteils.
Ein Ansatz, die Effizienz von Lumineszenzdioden im grünen Spektralbereich zu erhöhen, beruht auf der Reduzierung der Dicke der Quantentröge (D. Fuhrmann, C. Netzel, U. Rossow, A. Hangleiter, G. Ade and P. Hinze, ”Optimization scheme for the quantum efficiency of GaInN-based green-light-emitting diodes”, Appl. Phys. Lett. 88, 071105 (2006)). Wenn der Quantentrog dünn genug ist (ca. 2 nm), ist auch bei einer starken Verkippung des Quantentrogs durch das Feld noch ein guter räumlicher Überlapp der Wellenfunktionen von Elektronen und Löchern gegeben. In dem genannten Artikel wurde eine interne Quanteneffizienz von 40% bei einer Wellenlänge von 525 nm postuliert.
Ein dünnerer Quantentrog bedeutet aber auch eine kurzwelligere Emission, weil erstens das Niveau des niedrigsten gebundenen Zustandes im Quantentrog höher und zweitens die Rotverschiebung durch die Verkippung des Quantentrogs geringer ist. Um die gleiche Wellenlänge zu erreichen, wird die Bandlücke des Halbleitermaterials im Quantentrog durch eine Erhöhung des Indium-Gehalts erniedrigt. Das Wachsen von Quantentrögen mit hohem Indium-Gehalt ist allerdings generell problematisch, weil das ternäre System InGaN entmischt und Bereiche hohen und niedrigen Indium-Gehalts bildet. Außerdem nimmt die Verspannung des Quantentrogs mit dem Indium-Gehalt zu. Entsprechend nimmt das piezoelektrische Feld zu, was den Vorteil des dünneren Quantentroges teilweise wieder kompensiert.
Ein neuer Ansatz besteht darin, InGaN Quantentröge in Kristallrichtungen zu wachsen, die aus Symmetriegründen kein piezoelektrisches Feld senkrecht zum Quantentrog erzeugen („nonpolar”), oder in der das Feld sehr gering ist („semipolar”), siehe U. T. Schwarz and M. Kneissl, „Nitride emitters go nonpolar”, phys. stat. sol. (RRL) 1, No. 3, A44–A46 (2007). Erste Labormuster dieser Technologie wurden demonstriert, allerdings sind viele grundlegende Fragen, wie beispielsweise Defektreduzierung, Lebensdauer, Dotierung und auch die Verfügbarkeit geeigneter kostengünstiger unpolarer oder semipolarer GaN-Substrate, derzeit noch ungeklärt.
Die Druckschrift WO 2004/060024 A1 betrifft ein Verfahren zur Farbtemperaturkorrektur in Emissionsspektren einer Lumineszenzkonversions-LED durch Pulsweitenmodulation. Dabei wird ein moduliertes Stromsignal konstanter Stärke angelegt, dessen Frequenz- und/oder Tastgradmodulation so gewählt ist, dass eine Abschaltzeit des Steuerstromsignals relativ zu der Leuchtstoffabbaukonstanten so eingestellt ist, dass ein Leuchtstoffabbauprozess auf einen LED-Weißlicht-Farbpunkt einwirkt.
Die DE 10 2005 029 272 A1 betrifft einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, der das Erreichen kurzer Modulationszeiten im Pulsbetrieb erleichtert.
Die US 2005/0127391 A1 und die DE 602 25 322 T2 betreffen ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement, das eine aus Nitridhalbleiter hergestellte Quantentopfschicht als aktive Schicht hat, und das insbesondere bei einer Wellenlänge von 380 nm oder kürzer emittiert.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden, und insbesondere die Effizienz von Lumineszenzdioden im grünen Spektralbereich zu erhöhen.
Gemäß der Erfindung ist bei einem gattungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass der Betriebsstrom der aktiven Schicht der Lumineszenzdiode mit einer modulierten Betriebsspannung eingeprägt wird. Wie nachfolgend im Detail erläutert, können durch diese Maßnahme Ladungsträgerinjektion und Ladungsträgerrekombination zeitlich getrennt und dadurch die oben beschriebenen nachteiligen Auswirkungen des piezoelektrischen Felds auf die Quanteneffizienz der Lumineszenzdiode reduziert werden.
In einer vorteilhaften Verfahrensvariante wird der Strom mit einer Betriebsspannung einer Modulationsfrequenz zwischen 1 MHz und 10 GHz, vorzugsweise zwischen 5 MHz und 50 MHz eingeprägt. Zweckmäßig wird die Betriebsspannung im Wesentlichen in Form einer Rechteckschwingung mit einem Tastverhältnis zwischen 1:2 und 2:1 angelegt, wobei die Zeitdauer minimaler Spannung zwischen etwa 10 ns und etwa 100 ns gewählt wird, und die Zeitdauer maximaler Spannung zwischen etwa 10 ns und 100 ns gewählt wird.
Zur Bezeichnung der Spannungswerte wird in der vorliegenden Beschreibung folgende Konvention verwendet: Positive Spannungswerte entsprechen einer Spannung in Vorwärtsrichtung (Durchlassrichtung) des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode, negative Spannungswerte einer Spannung in Rückwärtsrichtung (Sprerrrichtung) des pn-Übergangs. Entsprechend bedeutet ein höherer Spannungswert eine positivere Betriebsspannung, ein niedrigerer Spannungswert eine negativere Betriebsspannung.
Die Betriebspannung wird zwischen einem niedrigen Spannungswert und einem hohen Spannungswert moduliert, wobei der niedrige Spannungswert einer Spannung in Rückwärtsrichtung des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode oder einer niedrigen Spannung in Vorwärtsrichtung bei niedrigem Strom entspricht, und der hohe Spannungswert einer hohen Spannung in Vorwärtsrichtung bei hohem Strom entspricht. Dabei wird die Betriebspannung so moduliert wird, dass

– während eines Zeitraums hoher Betriebspannung Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert werden, und
– während eines Zeitraums niedriger Betriebsspannung eine starke strahlende Rekombination der Ladungsträger der aktiven Schicht erfolgen kann. Dabei kann die strahlende Rekombination von Ladungsträgern während des Zeitraums hoher Betriebsspannung gering sein.

In wesentlichen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung liegt in der Lumineszenzdiode senkrecht zur verspannten aktiven Schicht ein piezoelektrisches Feld vor. Die Betriebspannung wird dabei zwischen einem niedrigen Spannungswert, der einer Spannung in Rückwärtsrichtung des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode oder einer niedrigen Spannung in Vorwärtsrichtung bei niedrigem Strom entspricht, und einem hohen Spannungswert, der einer hohen Spannung in Vorwärtsrichtung bei hohem Strom entspricht, so moduliert, dass

– das piezoelektrische Feld während eines Zeitraums niedriger Betriebsspannung zumindest teilweise kompensiert wird, um eine starke strahlende Rekombination der Ladungsträger der aktiven Schicht zu erlauben, und
– während eines Zeitraums hoher Betriebsspannung Ladungsträger in die Schicht injiziert werden. Während des Zeitraums hoher Betriebsspannung kann die strahlende Rekombination von Ladungsträgem dabei gering sein.

Eine wichtige Fallgruppe der Erfindung betrifft Gestaltungen, in denen die aktive Schicht des Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters auf einer GaN-basierten Barriereschicht oder einer InGaN mit niedrigem In-Anteil basierten Barriereschicht aufgewachsen ist, so dass durch die Verspannung der aktiven Schicht ein piezoelektrisches Feld mit einer Komponente senkrecht zur aktiven Schicht entsteht. Neben GaN-basierten Barriereschichten sind insbesondere für grüne Lumineszenzdioden InGaN/InGaN Quantentrog/Barrieren-Kombinationen von Bedeutung, bei denen der In-Anteil zwischen hoch (> 10%) und niedrig (< 10%) moduliert wird. Auch bei diesen Kombinationen treten Verspannungen und piezoelektrische Felder in der aktiven Schicht auf. In allen Gestaltungen ist die aktive Schicht insbesondere durch einen InGaN-basierten Quantentrog gebildet, insbesondere durch einen In_xGa_1-XN-Quantentrog mit x im Bereich von 10% bis 30%, typischerweise etwa 20%.
Die Erfindung enthält auch eine Lumineszenzdiodenanordnung mit einer Lumineszenzdiode mit einer Schichtstruktur, die eine verspannte aktive Schicht auf Basis eines Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters aufweist, und mit einer modulierbaren Strom-/Spannungsquelle zum Einprägen des Betriebsstroms in die aktive Schicht mit einer modulierten Betriebsspannung.
Die aktive Schicht des Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters ist dabei vorzugsweise auf einer GaN-basierten Barriereschicht oder einer InGaN mit niedrigem In-Anteil basierten Barriereschicht aufgewachsen, so dass durch die Verspannung der aktiven Schicht ein piezoelektrisches Feld mit einer Komponente senkrecht zur aktiven Schicht entsteht. Bevorzugt ist die aktive Schicht durch einen InGaN-basierten Quantentrog gebildet, insbesondere einen Quantentrog mit einer Dicke zwischen 2 und 20 nm, vorzugsweise zwischen 3 nm und 10 nm. Die In-Anteil x liegt bei einem In_xGa_1-xN-Quantentrog vorzugsweise im Bereich von 10% bis 30%, typischerweise bei etwa 20%.
Die beschriebene Vorgehensweise kann natürlich nicht nur bei Lumineszenzdioden eingesetzt werden, sie kann vielmehr auch bei anderen optoelektronischen Bauelementen von Vorteil sein, deren Effizienz durch das Vorliegen eines piezoelektrisches Felds in der aktiven Region reduziert ist. Insbesondere kommen hier InGaN-basierte optoelektronische Bauelemente, wie etwa Laserdioden, Photodioden oder CCDs in Betracht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer Lumineszenzdiode für den Betrieb nach einem erfindungsgemäßen Verfahren,
2 ein Diagramm, das den Energieverlauf von Valenz- und Leitungsband einer Lumineszenzdiode nach 1 zeigt,
3 in schematischer Darstellung eine Lumineszenzdiodenanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 in (a) schematisch den zeitlichen Verlauf der Betriebsspannung bei einem erfindungsgemäßen Betrieb einer Lumineszenzdiode, in (b) schematisch den Energieverlauf von Valenz- und Leitungsband, sowie Elektron- und Lochwellenfunktionen bei einem hohen (positiven) Spannungswert, und in (c) schematisch den Energieverlauf von Valenz- und Leitungsband, sowie die Elektron- und Lochwellenfunktion bei einem niedrigen (negativen) Spannungswert,
5 schematisch den zeitlichen Verlauf der Intensität der bei moduliertem Betrieb emittierten Lumineszenzstrahlung, und
6 den gemessenen zeitlichen Verlauf der Intensität der Lumineszenzemission einer noch nicht auf modulierten Betrieb optimierten In-GaN-Laserdiode.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer allgemein mit 10 bezeichneten (Al, In)GaN Lumineszenzdiode mit vertikalem Schichtaufbau für den Betrieb nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die (Al, In)GaN Lumineszenzdiode 10 enthält ein GaN:Si-Substrat 12 einer Dicke von typischerweise etwa 100 μm bis 1000 μm, auf das in [0001]-Kristallrichtung eine Schichtenfolge 14 aufgewachsen ist, die als aktive Schicht einen InGaN-Quantentrog 26 für Emission im grünen Spektralbereich aufweist.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Schichtenfolge 14 aus einer GaN:Si Bufferschicht 20 mit einer Dicke zwischen etwa 1 μm und 10 μm, einer GaN:Si-Kontaktschicht 22 einer Dicke von etwa 500 nm bis 3 μm, einer GaN-Barriere 24 einer Dicke von etwa 5 nm bis 20 nm, dem InGaN-Quantentrog 26 mit einer Schichtdicke von etwa 2 nm bis 20 nm, einer GaN-Abstandsschicht 28 mit einer Schichtdicke von etwa 3 nm bis 10 nm, einer AlGaN:Mg Elektronenbarriere 30 mit einer Schichtdicke von etwa 5 nm bis 20 nm und einer GaN:Mg-Kontaktschicht 32 mit einer Schichtdicke von etwa 50 nm bis 200 nm.
Die InGaN-Schicht 26 wächst aufgrund der unterschiedlichen Gitterparameter von InGaN und GaN biaxial druckverspannt auf der GaN-Barrierenschicht 24 auf. Wie oben erläutert, induziert diese Verspannung ein piezoelektisches Feld im Halbleitermaterial, das eine Komponente 34 senkrecht zur aktiven Schicht 26 aufweist, die in der Größenordnung von einigen 100 kV/cm liegt.
2 veranschaulicht die maßgeblichen Felder und die Bandstruktur einer solchen (Al, In)GaN Lumineszenzdiode. Das schematische Diagramm zeigt von rechts nach links den Energieverlauf von Valenzband 40 und Leitungsband 42 entlang der [0001]-Wachstumsrichtung. Ebenfalls eingezeichnet sind Richtung und Größenordnung des eingebauten Felds E_PN des pn-Übergangs, der spontanen inneren Polarisation P_SP, sowie der piezoelektrischen Polarisation P_PE. Die spontane innere Polarisation P_SP weist dabei in die entgegengesetzte Richtung wie die piezoelektrische Polarisation P_PE und ist im Quantentrog 26 und den Barriereschichten 24, 28 von vergleichbarer Größe.
Wie aus den Energiekurven 40, 42 der 2 unmittelbar ersichtlich, bewirkt das resultierende elektrische Feld eine starke Verkippung des Potentials 44 im InGaN-Quantentrog, die zu einer räumlichen Trennung der Elektron- und Lochwellenfunktionen und damit zu einem gegenüber dem Flachbandfall reduzierten Übergangsmatrixelement führt.
Erfindungsgemäß wird eine derartige Lumineszenzdiode 10 nun nicht mit konstanter Betriebsspannung und konstantem eingeprägtem Strom betrieben, sondern der Betriebsstrom 52 wird der aktiven Schicht, wie in 3 gezeigt, mittels einer modulierbaren Strom-/Spannungsquelle 50 mit einer modulierten Betriebsspannung U_mod eingeprägt. Mit der oben eingeführten Konvention entsprechen dabei positive Spannungswerte einer Spannung in Vorwärtsrichtung des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode 10, negative Spannungswerte einer Spannung in Rückwärtsrichtung des pn-Übergangs.
4(a) zeigt schematisch den zeitlichen Spannungsverlauf 60 der Betriebsspannung bei erfindungsgemäßem Betrieb der Lumineszenzdiode 10. Die Betriebsspannung wechselt dabei zwischen einem hohen (positiveren) Spannungswert U_high, der einer hohen Spannung in Vorwärtsrichtung des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode 10 bei hohem eingeprägten Strom entspricht, und einem niedrigen (negativeren) Spannungswert U_low, der einer Spannung in Rückwärtsrichtung oder einer niedrigen Spannung in Vorwärtsrichtung bei niedrigem eingeprägten Strom entspricht. Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Prinzips zeigen die 4(b) und (c) schematisch den Energieverlauf von Valenzband 40 und Leitungsband 42, sowie die Elektron- und Lochwellenfunktionen 64, 66 bzw. 74, 76 bei einem hohen (positiveren) Spannungswert (4(b)) und bei einem niedrigen (negativeren) Spannungswert (4(c)).
Während eines Zeitraums 62 hoher Betriebspannung verstärkt die angelegte Spannung das piezoelektrische Feld, so dass die Elektron- und Lochwellenfunktionen 64, 66 durch das resultierende elektrische Feld räumlich weit getrennt werden. Wie in 4(b) zu erkennen, ist der Überlapp der Wellenfunktionen und damit auch das Übergangsmatrixelement klein, so dass während diese Zeitraums die strahlende Rekombination 68 der Ladungsträger gering ist. Gleichzeitig wird der Lumineszenzdiode 10 durch die hohe Betriebspannung ein hoher Strom 52 eingeprägt und zahlreiche Ladungsträger in die aktive Schicht 26 injiziert.
Während des nachfolgenden Zeitraums 72 niedriger Betriebspannung kompensiert die angelegte Betriebsspannung das piezoelektrische Feld zumindest teilweise, so dass sich die Elektron- und Lochwellenfunktionen 74, 76 annähern und einen größeren Überlapp aufweisen, wie in 4(c) dargestellt. Entsprechend ist das Übergangsmatrixelement für den strahlenden Übergang im Zeitraum 72 groß und es erfolgt in kurzer Zeit eine starke strahlende Rekombination 78 zuvor in die aktive Schicht 26 injizierter Ladungsträger.
Der sich bei moduliertem Betrieb ergebende zeitliche Verlauf 80 der Intensität der von der Lumineszenzdiode 10 emittierten Strahlung ist in 5 schematisch dargestellt, wobei zur Verdeutlichung zusätzlich der zeitliche Spannungsverlauf 60 der Betriebsspannung eingezeichnet ist. Wie aus 5 zu entnehmen, findet in den Zeiträumen 62 mit hoher Betriebspannung U_high nur eine vergleichsweise geringe Emission statt, während in den Zeiträumen 72 mit niedriger Betriebspannung U_low die Ladungsträger rasch strahlend rekombinieren und eine starke Lumineszenzemission erzeugen.
Die Modulationsfrequenz der Betriebsspannung U_mod liegt im gezeigten Ausführungsbeispiel im Bereich der inversen Lebensdauer der Ladungsträger im Quantentrog 26, wie auch unmittelbar an der Abnahme der Lumineszenzintensität im Zeitbereich 72 der 5 zu erkennen. Bei einer Lebensdauer im Bereich von etwa 100 ns ergibt sich damit eine Modulationsfrequenz der Größenordnung von 10 MHz.
Während die Effizienz grüner InGaN-Lumineszenzdioden beim Dauerstrichbetrieb durch die Konkurrenz von strahlender und nichtstrahlender Rekombination begrenzt wird, erlaubt der vorgeschlagene modulierte Betrieb, die durch den quantenunterstützten Stark-Effekt (QCSE) in verspannten InGaN-Quantentrögen hervorgerufenen Nachteile zu umgehen: Durch den modulierten Betrieb können Ladungsträgerinjektion und Ladungsträgerrekombination entkoppelt werden. In Zeiten hoher (positiverer) Betriebsspannung werden Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert, das vorliegende piezoelektrische Feld führt zu einer niedrigen Lumineszenzemission. Dagegen wird während der Zeiten niedriger (negativerer) Betriebsspannung das piezoelektrische Feld zumindest teilweise kompensiert, der Überlapp der Wellenfunktionen somit vergrößert. Aufgrund der raschen strahlenden Rekombination entsteht so eine starke Lumineszenzemission.
Insgesamt können durch die vorgeschlagene Maßnahme insbesondere grüne InGaN-Lumineszenzdioden mit hoher interner Quanteneffizienz betrieben werden, wobei die optimale Abstimmung von modulierter Spannung und konkreter Schichtenfolge der Diode jeweils experimentell bestimmt werden kann.
Eine erste experimentelle Bestätigung des beschriebenen Konzepts erfolgte anhand einer InGaN Laserdiode. Die Laserdiode wurde mit Strömen deutlich unterhalb der Laserschwelle betrieben. Die physikalischen Effekte sind in diesem Fall direkt vergleichbar mit denen einer Lumineszenzdiode. Der Anteil der stimulierten Emission war nachweisbar gering. Die Laserdiode war nicht auf maximale Effizienz als Lumineszenzdiode oder bei gepulstem Betrieb optimiert. Die verwendete Laserdiode wies zwei 3 nm breite InGaN-Quantentröge auf, die in eine Laserstruktur integriert waren. Strom wurde der Laserdiode, wie in 3 gezeigt, mittels eines Hewlett Packard 8114A Pulsgenerators 50 mit Rechteckschwingungen mit einem Tastverhältnis von 1:1 und einer Frequenz von 8 MHz über einen kleinen Widerstand R = 10 Ω zur Strommessung eingeprägt.
Die gemessene Intensität 90 der aus einer Facette austretenden Lumineszenzstrahlung ist in 6 zusammen mit dem Zeitverlauf 92 der angelegten Rechteckschwingung aufgetragen. Die eingeprägte Stromdichte lag dabei in den Zeiten 94 hoher Betriebsspannung bei 1,3 kA/cm² und damit unterhalb der Laserschwelle von 4,6 kA/cm². Wie in 6 deutlich zu erkennen, stieg die Intensität der Lumineszenz am Ende jeden Rechteckpulses stark an und der überwiegende Teil der Emission fand in Zeiten 96 statt, in denen die Betriebsspannung 0 V betrugt. Die Strahlungsintensität nach den Rechtpulsen betrug dabei bis zum Fünffachen der Strahlungsintensität während der Pulsdauer 94.
Wie bereits erwähnt, war die für den experimentellen Nachweis verwendete Laserdiode noch nicht auf den Einsatz als Lumineszenzdiode bei gepulstem Betrieb optimiert. Eine solche Optimierung kann sowohl beim Design der Lumineszenzdiode, als auch bei der Auslegung der modulierten Betriebsspannung erfolgen. So können die Quantentröge insbesondere auch breiter als die für Dauerstrichbetrieb üblichen 2,5 bis 3 nm gewählt werden und beispielsweise im Bereich von 10 nm liegen, wie sie für UV-Lumineszenzdioden verwendet werden, bei denen das piezoelektrische Feld nicht kritisch ist.
Für die Optimierung der modulierten Betriebsspannung kommen insbesondere die Parameter Schwingungsform, Tastverhältnis und die Spannungspegel der hohen bzw. niedrigen Betriebsspannung in Frage. Für die niedrige (negativere) Betriebsspannung wurde im Experiment der 6 eine Spannung von 0 V verwendet. Vorteilhaft können aber auch kleine positive Spannungen bei geringem Strom und insbesondere kleine negative Spannungen sein, die das piezoelektrische Feld starker kompensieren. Mit betragsmäßig großen negativen Spannungen kann zwar das piezoelektrische Feld sogar vollständig kompensiert werden (Flachband-Fall), allerdings können dann Ladungsträger durch die niedrigen Barrieren an den Grenzflächen des Quantentrogs tunneln und tragen nicht mehr zur Elektrolumineszenz bei. Die optimale niedrige Spannung wird daher bei einem Wert liegen, der zu einer teilweisen Kompensation des piezoelektrischen Felds führt. Die höhere (positivere) Betriebsspannung wird auf die optimale Injektion von Ladungsträgern im Pulszeitraum abgestimmt.
Nach gegenwärtiger Kenntnis ist die optimale Zeitdauer mit niedriger Betriebsspannung durch die gesamte Rekombinationszeit (strahlend und nichtstrahlend) gegeben und wird typischerweise im Bereich zwischen 10 ns und 100 ns liegen. Die optimale Zeitdauer mit niedriger Betriebsspannung wird typischerweise gleich oder kürzer sein und nach unten wohl durch die Kapazität des pn-Übergangs und den Serienwiderstand der Lumineszenzdiode begrenzt. Sie liegt nach gegenwärtigem Stand vorzugsweise ebenfalls zwischen 10 ns und 100 ns.
Selbstverständlich muss die modulierte Spannung nicht in Form einer Rechteckschwingung angelegt werden, sondern kann auch andere, kompliziertere Zeitverläufe aufweisen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die oben erläuterten grundlegenden Prinzipien lassen sich auch auf einen komplizierteren Spannungsverlauf anwenden. Insbesondere werden, bezogen auf das mittlere Spannungsniveau, bei höherer Betriebspannung und hohem Strom Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert, während bei niedrigerer Betriebspannung und kleinem oder verschwindendem Strom das piezoelektrische Feld abgeschwächt und die strahlende Rekombination erhöht wird.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Lumineszenzdiode, die eine verspannte aktive Schicht auf Basis eines Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters enthält, wobei bei dem Verfahren der Betriebsstrom der aktiven Schicht mit einer modulierten Betriebsspannung eingeprägt wird, und die Betriebsspannung zwischen einem niedrigen Spannungswert, der einer Spannung in Rückwärtsrichtung des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode oder einer niedrigen Spannung in Vorwärtsrichtung bei niedrigem Strom entspricht, und einem hohen Spannungswert, der einer hohen Spannung in Vorwärtsrichtung bei hohem Strom entspricht, so moduliert wird, dass – während eines Zeitraums hoher Betriebsspannung Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert werden, und – während eines Zeitraums niedriger Betriebsspannung eine starke strahlende Rekombination der Ladungsträger der aktiven Schicht erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz zwischen 1 MHz und 10 GHz, vorzugsweise zwischen 5 MHz und 50 MHz liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung im Wesentlichen in Form einer Rechteckschwingung mit einem Tastverhältnis zwischen 1:2 und 2:1 angelegt wird, wobei die Zeitdauer minimaler Spannung zwischen etwa 10 ns und etwa 100 ns gewählt wird, und die Zeitdauer maximaler Spannung zwischen etwa 10 ns und 100 ns gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht zur verspannten aktiven Schicht ein piezoelektrisches Feld vorliegt, wobei das piezoelektrische Feld während des Zeitraums niedriger Betriebsspannung zumindest teilweise kompensiert wird, um die starke strahlende Rekombination der Ladungsträger der aktiven Schicht zu erlauben,
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht aus zumindest einem Quantentrog aus dem Material der Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters auf GaN-basierten Barriereschicht(en) oder InGaN mit niedrigem In-Anteil basierten Barriereschicht(en) aufgewachsen ist, so dass durch die Verspannung der aktiven Schicht ein piezoelektrisches Feld mit einer Komponente senkrecht zur aktiven Schicht entsteht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht durch zumindest einen InGaN-basierten Quantentrog gebildet ist, insbesondere einen In_xGa_1-XN-Quantentrog mit x im Bereich von 10% bis 30%, typischerweise etwa 20%.
Lumineszenzdiodenanordnung mit – einer Lumineszenzdiode mit einer Schichtstruktur, die eine verspannte aktive Schicht auf Basis eines Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters aufweist, und – einer modulierbaren Strom-/Spannungsquelle zum Einprägen des Betriebsstroms in die aktive Schicht mit einer modulierten Betriebsspannung, – wobei die modulierbaren Strom-/Spannungsquelle und die Lumineszenzdiode so ausgelegt und eingerichtet sind, dass die modulierbaren Strom-/Spannungsquelle eine Betriebsspannung erzeugt, die zwischen einem niedrigen Spannungswert, der einer Spannung in Rückwärtsrichtung des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode oder einer niedrigen Spannung in Vorwärtsrichtung bei niedrigem Strom entspricht, und einem hohen Spannungswert, der einer hohen Spannung in Vorwärtsrichtung bei hohem Strom entspricht, so moduliert wird, dass – während eines Zeitraums hoher Betriebsspannung Ladungsträger in die aktive Schicht der Lumineszenzdiode injiziert werden, und – während eines Zeitraums niedriger Betriebsspannung eine starke strahlende Rekombination der Ladungsträger der aktiven Schicht der Lumineszenzdiode erfolgen kann.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht aus zumindest einem Quantentrog aus dem Material der Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiters auf GaN-basierten Barriereschicht(en) oder InGaN mit niedrigem In-Anteil basierten Barriereschicht(en) aufgewachsen ist, so dass durch die Verspannung der aktiven Schicht ein piezoelektrisches Feld mit einer Komponente senkrecht zur aktiven Schicht entsteht.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht durch zumindest einen InGaN-basierten Quantentrog gebildet ist, insbesondere zumindest einen In_xGa_1-xN-Quantentrog mit x im Bereich von 10% bis 30%, typischerweise etwa 20%.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der InGaN-basierte Quantentrog eine Dicke zwischen 2 bis 20 nm, vorzugsweise zwischen 3 nm und 10 nm aufweist.