Ursachen der stromgetriebenen Degradation von UV-LEDs

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.