Ursachen der stromgetriebenen Degradation von UV-LEDs

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Lichtemittierende Dioden (LEDs) auf Basis des Materialsystems (In)AlGaN, die im ultravioletten Spektralbereich abstrahlen, finden Anwendung in der medizinischen Phototherapie, beim Pflanzenwachstum und zur Desinfektion. Besonders kurzwelliges UVC-Licht kann Mikroben wie Viren inaktivieren, was zur Eindämmung von SARS-CoV-2 beiträgt. Allerdings verringert sich die optische Leistung der UV-LEDs im Langzeitbetrieb schnell, was ihre Lebensdauer auf einige hundert bis tausend Stunden beschränkt und ihren breiten Einsatz behindert. Diese Arbeit untersucht die physikalischen Ursachen der Leistungsabnahme von UVB- und UVC-LEDs. Der Einfluss von Betriebsparametern, Chipdesign, Halbleiterschichtstruktur und Kristallqualität auf die Lebensdauer wurde analysiert. Dabei stellte sich die Stromdichte als wesentlicher Beschleunigungsfaktor der Degradation heraus, und eine mathematische Beschreibung wurde entwickelt. Zudem wurde festgestellt, dass hohe Ladungsträgerdichten in der aktiven Zone die Lebensdauer der LEDs verkürzen. Durch verbesserte Kristallqualität konnte die Lebensdauer jedoch signifikant auf über 10.000 Stunden erhöht werden, was den breiten Einsatz von UV-LEDs ermöglicht. Die Ergebnisse und theoretischen Simulationen deuten darauf hin, dass die Leistungsabnahme vor allem durch Auger-Rekombination verursacht wird, was zur Entwicklung eines quantitativ begründeten Degradationsmodells führt.