Optoelektronische Eigenschaften neuartiger Materialien für lichtemittierende Bauelemente

Quitsch, Wolf-Alexander GND

Lichtemittierende Dioden (LEDs) sind heutzutage im Bereich der Allgemeinbeleuchtung, d.h. der Spanne von Consumer-, über den Industrie- bis hin zum Automotivebereich vertreten. Neben ihrer Funktion als Bauelement zur Beleuchtung durch weißes Licht dringen LEDs immer weiter in neue Anwendungsbereiche vor.
Die Weiterentwicklung der Technologien ermöglicht so die hochgenaue Einstellung des Spektrums bzw. der Lichtfarbe, aber auch moderne Kommunikationsanwendungen mit hohen Datenübertragungsraten oder abhörsichere Verbindungen. Die Voraussetzungen sind dabei die Weiterentwicklung der Technologien undnder Einsatz neuer Materialien. Diese Arbeit hat das Ziel, neuartige Konzepte zu analysieren, welche als äußerst vielversprechend für den Einsatz der nächsten Generation von lichtemittierenden Dioden gelten.
Der erste Teil dieser Arbeit widmete sich der Untersuchung von GaN/InGaN basierten Nanodraht-LEDs, welche aufgrund ihres großen Oberflächen zu Volumen Verhältnisses einen effizienteren Betrieb bei geringeren Stromdichten versprechen. Durch den Einsatz konfokaler Mikro-Photolumineszenz(PL)-Spektroskopie wurde das Zusammenspiel der internen elektrischen Felder analysiert. Es zeigte sich dabei ein deutlicher Einfluss der Ladungsträgerdichte auf die Emissionswellenlänge polarer Drahtfacetten, welcher durch das Zusammenspiel von Tunnelverlusten und der Abschirmung interner elektrischer Felder erklärt werden konnte.
An den feldfreien Seitenfacetten der Drähte blieb dieses Verhalten aus. Die Analyse im elektrischen Betrieb gab Aufschluss über die Inhomogenitäten bezüglich des Indiumanteils bzw. der Dicke des aktiven Bereiches, welcher zu einer spannungsabhängigen Strominjektion in verschiedene Drahtbereiche führte.
Der zweite Abschnitt beschäftigte sich mit dem Perowskit Methylammonium-Bleiiodid (MAPbI3), welches zukünftig aufgrund hoher interner Quanteneffizienz, schmaler Linienbreiten und einstellbarer Emissionswellenlänge als Konverter für blaue LEDs dienen könnte. Durch die Analyse der PL mit Anregung einer blauen LED konnte eine Konversionseffizienz von etwa 25 % bestätigt werden. Wellenlängenabhängige PL-Untersuchungen dienten dazu, die Photostabilität des Materials zu untersuchen. Während ein Abfall der Effizienz bei Wellenlängen < 520 nm gefunden wurde, konnte bei Wellenlängen > 520 nm ein Anstieg der Effizienz beobachtet werden. Dies konnte durch die Absorption des Lichtes in PbI2 Rückständen erklärt werden, welche durch eine Photolysereaktion und/oder Ladungsträgertransferprozesse den Kristall zersetzt.
Der letzte Abschnitt beschäftigte sich mit epitaktisch gewachsenen CdSe/ZnSSe Quantenpunkten, welche in eine LED Struktur eingebettet wurden. Dieses Materialsystem gilt als vielversprechend für die Anwendung als Einzelphotonenemitter bei Raumtemperatur zur Realisierung abhörsicherer Datenübertragung. Eine klare Signatur der Emission eines einzelnen Quantenpunktes konnte durch ortsaufgelöste Mikro-Elektrolumineszenz gezeigt werden. Die Analyse der Photonenstatistik des Quantenpunktes belegte die Eigenschaft des Bauelements als Einzelphotonenemitter bis zu einer Betriebstemperatur von T = 200 K.

Nowadays light emitting diodes (LEDs) are used in general lighting, ranging from consumer, to industrial, up to automotive applications. Even though the main function of a LED is to create (white) light, new application branches are arising based upon the ongoing development of the devices. The utilization of new technologies and new material classes enables the precise adjustment of the color coordinates of the emission spectrum.
Also the use of LEDs for high frequency data transmission or secure communication has become feasible. However, in order to progress towards series applications, further development of new technologies and studying the physical properties of new materials are necessary. The aim of this thesis is the analysis of new concepts which are to be used for the next generation of light emitting diodes.
The first chapter is dedicated to the evaluation of GaN/InGaN based nanowire-LEDs. Due to their enhanced surface-to-volume ratio, these structures promise to operate efficiently at moderate levels of current density. With the use of confocal micro-photoluminescence(PL)-spectroscopy, the interplay of the internal electric field components was analyzed. A clear impact of the injected carrier density on the emission wavelength was found on the polar facets of the wire, which could be explained as being a consequence of tunneling losses leading to the screening of the internal electric fields. This effect could not be observed on the side facets of the wires, due to the nonpolar nature of the region. The analysis of the electrical system shed light upon the inhomogeneous composition of the structures (indium composition / quantum well thickness), which led to a voltage dependent current injection in different regions of the wire.
In the second chapter of this thesis, the perovskite system methylammonium lead iodide (MAPbI3) was investigated. The material features high internal quantum efficiency, narrow linewidth emission and a widely tunable emission color. Therefore, the system presents itself as being a promising candidate for color conversion of blue LEDs. Upon analyzation of the PL, a conversion efficiency of approximately 25 % was found. Wavelength dependent PL-studies gave rise to the photo stability of the perovskite. A transient decrease of the conversion efficiency was found at excitation wavelengths below 520 nm, whereas excitation wavelengths > 520 nm led to an increase of the efficiency. This behavior could be explained by the absorption of light in PbI2 residuals, which leads to the decomposition of the crystal due to a photolysis reaction and/or a carrier transfer process.
The last chapter reports on epitaxial grown CdSe/ZnSSe quantum dots, which were embedded in a LED structure. This system is considered highly promising for single photon emission at room temperature for secure light communication. The clear signature of single quantum dot emission was found using highly spatially resolved micro-electroluminescence measurements. The following evaluation of the photon statistics demonstrates the properties of single photon emission up to an operation temperature of T = 200 K.

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Quitsch, Wolf-Alexander: Optoelektronische Eigenschaften neuartiger Materialien für lichtemittierende Bauelemente. 2019.

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