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Nitridbasierte LEDs bilden nicht nur die Basis für eine effiziente weiße Lichterzeugung, sondern halten auch durch eine Vielzahl weiterer Applikationen, wie zum Beispiel als Emitter bei der Pulsvermessung bei smart wearables oder auch in Displays, in unser Leben Einzug. Die Untersuchung der physikalischen Effekte, welche die elektrooptischen Eigenschaften (AlGaIN)N-basierter LEDs, insbesondere die Effizienz, bestimmen, sowie deren Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge und vom Betriebsstrom der LED, ist Gegenstand dieser Arbeit. Es wird ein physikalisches Model zur Beschreibung der Strom-Spannungscharakteristik moderner blaue LEDs aufgestellt. Dieses bringt die LED-Spannung mit der internen Rekombinationsdynamik in Verbindung und ermöglicht somit die Vorhersage der Effizienz aus der Bestimmung rein elektrischer Kenngrößen. Die physikalische Ursache für den Effizienzabfall blauer sowie grüner LEDs im Bereich hoher Ströme war lange Zeit Gegenstand einer intensiv geführten Debatte in der Literatur. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Konzept zur Visualisierung von Auger-Prozessen kann bewiesen werden, dass dieses auch als Droop bezeichnete Problem auf Auger-Rekombination zurückzuführen ist. Aufbauend auf diesem Befund wird ein neuartiges Konzept zur Abmilderung des Droops aufgezeigt: Durch gezielte Einbringung einer dreidimensionalen Struktur lässt sich der Ladungsträgertransport verbessern und somit der Verlustkanal bei hohen Stromdichten verringern.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Exemplarische Herleitung grundlegender Kenngrößen einer typischen LED 4 Effizienzuntersuchungen an SQWs unterschiedlicher Wellenlänge 5 Untersuchung der Kleinstromeffizienz 6 Der Droop – Untersuchung des Hochstromverlustkanals 7 Verminderung des Droops - V-förmige Defekte zur Löcherinjektion 8 Zusammenfassung III-Nitride based LEDs not only constitute the basis for an efficient generation of white light, but they also play an increasingly important role in our lives by many new applications such as vital sign monitoring with smart wearables or displays. The identification of the underlying physical effects governing the electrooptical characteristics, especially efficiency, and their dependency on LED emission wavelength and operation current is the focus of this work. A physical model describing the current-voltage characteristics of modern blue LEDs is developed. This model correlates the LED voltage with its internal recombination dynamics and thus enables the prediction of the LED efficiency out of purely electrically acquired key figures. The physical root cause for the efficiency decrease of blue and green LEDs towards higher currents was intensively debated in the literature for many years. In this work a concept to visualize Auger processes is developed. This way, it can be shown that the high current efficiency decrease, also known as Droop, can be attributed to Auger recombination. Based on this conclusion a new concept to mediate the Droop is shown: By employing three-dimensional hole injecting layers in the epitaxial structure, the carrier transport can be improved, which is a lever to decrease the Droop.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Exemplarische Herleitung grundlegender Kenngrößen einer typischen LED 4 Effizienzuntersuchungen an SQWs unterschiedlicher Wellenlänge 5 Untersuchung der Kleinstromeffizienz 6 Der Droop – Untersuchung des Hochstromverlustkanals 7 Verminderung des Droops - V-förmige Defekte zur Löcherinjektion 8 Zusammenfassung

In the present work, reliability relevant aspects of the processing of (InAlGa)N-based laser diodes with an emission wavelength of 400 nm were investigated. The aim was to increase the lifetime of the laser diodes in continuous wave operation with a high chip yield per wafer. For this purpose, individual steps of the chip processing which limit yield and reliability were examined. Optimization of the thinning technology for GaN substrates and the cleavage process for generating the laser facets were crucial for increasing the yield. To increase the lifetime, the p-contact technology was optimized and an efficient activation process of the p-conductivity was established. Then, using the advanced chip process technology, broad-area and ridge-waveguide lasers were fabricated and systematic analyzes of the degradation mechanisms were carried out. This made it possible to identify inhomogeneous p-conductivity and degradation effects of the laser facets as the main causes of the observed aging effects and to describe the processes involved. The yield of working laser chips can be limited both by material loss during the manufacturing process and by process-related total failures at the beginning of operation. During chip processing, the thinning of the GaN-substrates is the most critical step, as a breakage of the wafer leads directly to the loss of wafer material. A two-step thinning process was developed to stabilize this process step. First, the substrate is lapped with a 27 μm silicon carbide grain and a pressure of 25 g/cm2. Afterwards, another short lapping step with a 9 μm boron carbide grain reduces the extent and depth of surface near crystal damage. This process enabled the yield of break-free wafers to be increased from 35 % to 90 % while reducing the target substrate thickness from 200 μm to 150 μm. The separation of the wafer into laser bars is directly related to the thinning process. A laser scribing process was established as a substitute for diamond scribing. In addition to the laser scribed groove depth of approx. 90 μm, a homogeneous scribing depth along the groove was decisive for the later quality of the cleavage surface. This was achieved through a constant pulse overlap during the entire scribing process. Separating trenches, in which the epitaxial structure is etched away, were introduced along the specified cleaving streets to further increase the cleaving accuracy. By combining these technological developments, the yield of correctly cleaved laser bars could be increased to over 90 %. The simultaneous increase in the facet quality resulted in reduced scatter of the laser threshold current density on a wafer from 2 kA/cm2 to 0.5 kA/cm2. The electrical breakdown of the laser diodes during the first electro-optical characterization in pulse or continuous wave operation could be traced back to overhanging metal on the laser facet. The effect created an electrical shunt from the p-contact to the n-GaN. By removing the metallization from the chip edge, this problem was eliminated. Investigations of the p-contacts showed that holes in the Pd contact metal as well as voids at the Pd/p-GaN interface were created after the contact was annealed. An additional Pt covering layer on the Pd contact layer together with an optimized cleaning procedure and annealing process prevented these inhomogeneities and the specific contact resistance was reduced by an order of magnitude to around 3 x 10-3 Ωcm2. During the aging measurements, essentially two lifetime-limiting mechanisms could be identified. The first effect is the coupled voltage output power degradation. In this case, the operating voltage increases in a stepwise manner in continuous wave operation with a simultaneous drop in output power. Systematic variations of individual chip processing steps and operating conditions, together with electroluminescence examinations of the active region, led to a model of this degradation mechanism. An operation-induced change in the hole current to the active region is the cause of this effect. As a result, the current-carrying area of the active region decreases. Optimized activation of the p-type conductivity in a nitrogen-oxygen atmosphere (ratio of 7:3) could increase the ratio of Mg to H concentration from 3 to 20 and thus shift this effect to higher current densities or longer operation times. A minimal ridge etching depth down to the electron blocking layer together with the use of a low-hydrogen containing SiO2 insulator further stabilized the operating voltage. In this way, ridge waveguide lasers with threshold current densities and voltages of 2.5 kA/cm2 and 5.5 V with lifetimes of several 100 hours at output powers up to 20 mW at room temperature and a stable operating voltage were achieved. Facet degradation was identified as a second aging mechanism. In a laboratory atmosphere, continuous wave operation leads to the formation of a SiOx layer on the laser facets. This effect changes the facet reflectivity. The consequence is an instability of the laser power. Since the laboratory atmosphere could be identified as the source for the deposits, hermetic enclosures for the lasers in defined atmospheres should solve this problem. The investigations and developments presented here allowed to increase the lifetime of ridge waveguide lasers from a few hours to several 100 hours and simultaneously to increase the yield of laser diodes capable of continuous wave operation. In addition, optimization potentials in epitaxy and facet technology were shown and recommendations for future developments were given. In der vorliegenden Arbeit wurden zuverlässigkeitsrelevante Aspekte der Chipprozessierung von (InAlGa)N-basierten Rippenwellenleiterlaserdioden mit einer Emissionswellenlänge von 400 nm untersucht. Als Ziel sollte bei einer hohen Chipausbeute pro Wafer die Lebensdauer der Laserdioden im Dauerstrichbetrieb gesteigert werden. Hierfür wurden zunächst einzelne Prozessschritte hinsichtlich ausbeute- und zuverlässigkeitslimitierender Aspekte untersucht. Entscheidend für eine Erhöhung der Ausbeute waren die Optimierungen der Abdünntechnologie für GaN-Substrate sowie des Spaltprozesses zur Erzeugung der Laserfacetten. Zur Erhöhung der Lebensdauer wurde die p-Kontakttechnologie optimiert und ein effizienterer Aktivierungsprozess der p-Leitfähigkeit etabliert. Anschließend wurden mithilfe der weiterentwickelten Prozesstechnologie Breitstreifen- und Rippenwellenleiterlaser hergestellt und systematische Analysen der Degradationsmechanismen durchgeführt. Dadurch konnten eine inhomogene p-Leitfähigkeit und Degradationseffekte der Laserfacetten als Hauptursachen für die beobachteten Alterungseffekte identifiziert und die dabei ablaufenden Prozesse beschrieben werden. Die Ausbeute an betriebsfähigen Laserchips kann sowohl durch Materialverlust während des Herstellungsprozesses als auch durch prozessbedingte Totalausfälle zu Beginn des Betriebs begrenzt werden. Während der Prozessierung ist das Abdünnen der GaN-Substrate der kritischste Schritt, da ein Bruch des Wafers direkt zum Verlust von Wafermaterial führt. Zur Stabilisierung dieses Prozessschritts wurde ein zweistufiger Abdünnprozess entwickelt. Hierbei wird zunächst mit einem 27 μm großen Siliziumcarbidkorn und einem Anpressdruck von 25 g/cm2 das Substrat geläppt. Abschließend erfolgt ein weiterer kurzer Läppschritt mit einem 9 μm großen Borcarbidkorn zur Erhöhung der Oberflächengüte und Reduzierung der eingebrachten Störschichtdicke. Durch diesen Prozess konnte, bei gleichzeitiger Reduktion der Substratzieldicke von 200 μm auf 150 μm, die Ausbeute an bruchfreien Wafern von 35 % auf 90 % gesteigert werden. In direktem Zusammenhang mit dem Abdünnprozess steht das Vereinzeln des Wafers in Laserriegel. Hierfür wurde anstelle des Diamantritzprozesses ein Laserritzprozess etabliert. Entscheidend für die spätere Spaltqualität war neben der absoluten Ritztiefe von ca. 90 μm deren Homogenität entlang des Ritzgrabens. Diese wurde durch einen konstanten Pulsüberlapp während des gesamten Ritzprozesses erzielt. Zur zusätzlichen Erhöhung der Spalttreue wurden Trenngräben, in denen die Epitaxiestruktur weggeätzt wird, entlang der vorgegebenen Ritzstraßen eingeführt. Durch die Kombination dieser Technologieentwicklungen konnte die Ausbeute an korrekt gespaltenen Laserriegeln auf über 90 % erhöht werden. Die gleichzeitige Erhöhung der Facettenqualität spiegelte sich in der reduzierten Streuung der Laserschwellenstromdichte auf einem Wafer von 2 kA/cm2 auf 0,5 kA/cm2 wider. Das elektrische Durchbrechen der Laserdioden bei der ersten elektro-optischen Charakterisierung im Puls- oder Dauerstrichbetrieb ließ sich auf Metallüberhänge an der Laserfacette zurückführen. Diese erzeugten einen elektrischen Nebenschluss vom p-Kontakt zum n-GaN. Durch das Zurückziehen der Metallisierung von der Chipkante konnte dieses Problem vollständig beseitigt werden. Untersuchungen der p-Kontakte ergaben, dass Löcher im Pd-Kontaktmetall sowie Hohl-räume an der Pd/p-GaN-Grenzfläche nach der Formierung des Kontakts entstanden. Durch eine zusätzliche Pt-Schicht oberhalb der Pd-Kontaktschicht zusammen mit einer optimierten Reinigungsprozedur und Formierung konnten diese Inhomogenitäten verhindert und der spezifische Kontaktwiderstand um eine Größenordnung auf etwa 3 x 10-3 Ωcm2 redu-ziert werden. Im Rahmen der Alterungsuntersuchungen konnten im Wesentlichen zwei lebensdauerbegrenzende Mechanismen identifiziert werden. Der erste Effekt ist die gekoppelte Spannung-Lichtleistungsdegradation. Hierbei steigt im Dauerstrichbetrieb bei gleichzeitigem Abfall der Lichtleistung die Betriebsspannung stufenförmig an. Systematische Variationen von einzelnen Prozessschritten und Betriebsbedingungen führten zusammen mit Elektro-lumineszenzuntersuchungen der aktiven Zone zu einem Modell dieses Degradationsmechanismus. So ist eine betriebsinduzierte Veränderung des Löcherstroms zur aktiven Zone, wodurch die stromdurchflossene Fläche und somit der gepumpte Bereich innerhalb der aktiven Zone verringert werden, ursächlich für diesen Effekt. Eine optimierte Aktivierung der p-Leitfähigkeit unter Stickstoff-Sauerstoffatmosphäre (Verhältnis 7:3) konnte das Verhältnis von Mg- zu H-Konzentration von 3 auf 20 erhöhen und somit diesen Effekt zu höheren Stromdichten bzw. größeren Alterungsdauern verschieben. Eine minimale Rip-penätztiefe bis in die Elektronenblockierschicht zusammen mit der Verwendung eines wasserstoffarmen SiO2-Isolators führten zu einer weiteren Stabilisierung der Betriebsspannung. So konnten Rippenwellenleiterlaser mit Schwellenstromdichten und -spannungen von 2,5 kA/cm2 und 5,5 V hergestellt werden, welche bei Raumtemperatur und Ausgangsleistungen bis ca. 20 mW Lebensdauern von mehreren 100 h bei stabiler Betriebsspannung aufwiesen. Als zweiter Alterungsmechanismus wurde die Facettendegradation identifiziert. So führt unter Laboratmosphäre der Dauerstrichbetrieb zur Bildung einer SiOx-Schicht auf den Laserfacetten. Dies sorgt für eine Modulation der Facettenreflektivität. Die Folge sind Instabilitäten der Laserleistung. Da als Quelle für die Ablagerungen die Laboratmosphäre identifiziert werden konnte, sollten hermetische Einhausungen der Laser in definierten Atmosphären dieses Problem lösen. Die hier vorgestellten Untersuchungen und Weiterentwicklungen führten zu einer Erhöhung der Lebensdauer von Rippenwellenleiterlasern von wenigen Stunden auf mehrere 100 h bei einer gleichzeitig deutlich gestiegenen Ausbeute an dauerstrichfähigen Laserdioden. Zusätzlich konnten Optimierungspotenziale in der Epitaxie und Facettentechnologie aufgezeigt und Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen gegeben werden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der berührungslosen Schweißdetektion im Fahrzeug als Bestandteil der automatisierten Klimasteuerung. Für die Erkennung von Schweiß wird eine Wärmebildkamera herangezogen, da austretender Schweiß durch Entzug der Verdampfungswärme die Haut abkühlt und daher auf dem Wärmebild zu sehen ist. Die Ergebnisse basieren auf verschiedenen Studien, in denen 20 Probanden ein sportliches Training absolvieren mussten, um ins Schwitzen zu kommen. Dabei wurde in regelmäßigen Abständen nach dem Schweißstatus gefragt und der Kopfbereich im Wärmebild aufgenommen. Für die Auswertung wurde der Stirnbereich auf dem Wärmebild explorativ untersucht, da dieser meistens nicht von Haaren oder Kleidung bedeckt ist. Der Stirnbereich wurde dann für verschiedene Schweißzustände betrachtet und die Temperaturdifferenz zwischen maximaler und minimaler Temperatur, sowie die festgestellte Fleckigkeit anhand einer räumlichen Frequenzanalyse analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass anhand der 2D-Fouriertransformation, mit anschließender Bildung des radialen Mittelwerts aus dem Powerspektrum, die beste Unterscheidung zwischen einem schwitzenden und nicht schwitzenden Insassen gemacht werden können. Speziell bei der Betrachtung eines Pixelbereichs von 21 Pixel x 21 Pixel auf der Stirn konnte mithilfe der Signalentdeckungstheorie eine Treffer-Rate von 95 % unter 5 % falschen Alarmen festgestellt werden. Das bedeutet, dass es möglich ist, anhand eines Wärmebilds der Stirn das Schwitzen bei einem Insassen im Fahrzeug mit einer Sicherheit von 95 % zu erkennen.

Halbleiter aus organischen Molekülen sind aufgrund ihres hervorragenden Absorptionsverhaltens vielversprechende Funktionsmaterialien für den Einsatz in der Photovoltaik. Dank neuester Entwicklungen konnte auch der Wirkungsgrad organischer Solarzellen mit bis zu 20% zu alternativen photovoltaischen Systemen, wie zum Beispiel anorganisch-organischer Perovskit-Solarzellen, aufschließen. Im Allgemeinen werden in organischen Molekülen zunächst stark gebundene Elektron-Loch-Paare durch absorbierte Photonen angeregt. Erst nach einer Verkleinerung der Bindungsenergie lassen sich die beiden Ladungsträger effizient voneinander trennen und extrahieren. In organischen Solarzellen hat sich dafür eine heterogene Vermischung von zwei molekularen Halbleitern mit unterschiedlicher Elektronenaffinität etabliert: An der Grenzfläche zwischen den Materialphasen kommt es zu einem Elektronentransfer von Donator- zu Akzeptormolekülen. Diese schwach gebundenen Ladungstransferzustände definieren die elektrische Leistung der Solarzelle, in dem sie einen hohen Photostrom ermöglichen, gleichzeitig aber einen Spannungsverlust aufgrund der verringerten Energie der Ladungsträger verursachen. Insbesondere hat die energetische Mikroumgebung an Donator-Akzeptor-Grenzfläche einen großen Einfluss auf das makroskopisch abgefasste, elektrische Potential der gesamten organischen Solarzelle. Hier setzt diese Arbeit an, indem der Einfluss von statischer energetischer Unordnung und dynamischer Reorganisation auf den Ladungstransfer untersucht wird. Der Fokus liegt dabei auf Beobachtung organischer Solarzellen im thermischen Gleichgewicht. Mit spektroskopischen Untersuchungen des Absorptionsverhaltens sowie der Photoemission unter Injektionsbedingungen werden die energetischen Eigenschaften der Ladungstransferzustände sichtbar gemacht. Dabei werden konsequent temperaturabhängige Methoden zum Einsatz gebracht und in Verbindung zu einer exakten Bestimmung der maximalen Leerlaufspannung der Solarzellen gesetzt. Um fehlerhafte Interpretationen der vermessenen Spektren auszuschließen liegt ein Schwerpunkt auf der Überprüfung der Solarzellentemperatur anhand der elektro-optischen Reziprozitätsrelation, deren Gültigkeit für organische Solarzellen hier über einen Temperaturbereich von 175 K nachgewiesen wird. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass spektrale Merkmale, welche bislang der statischen Unordnung zugeschrieben wurden, sich allein mit dynamischer Reorganisation der molekularen Umgebung erklären lassen. Für das Design von Funktionsmaterialien bedeutet die Dominanz von dynamischen Prozessen, dass die gezielte Variation von molekularen Strukturen erfolgversprechender für die Optimierung des Ladungstransfers ist, als Eingriffe in die morphologisch bedingte Unordnung. Im Weiteren wird in dieser Arbeit der Einfluss von charakteristischen Polymerattributen auf den Ladungstransfer untersucht, sowie Modellerweiterungen für Ladungstransferzustände diskutiert, welche noch vorhandene Widersprüche zwischen Theorie und Messungen aufklären könnten.

Die sensorbasierte Erfassung des Nahfeldes im Kontext des hochautomatisierten Fahrens erfährt einen spürbaren Trend bei der Integration von Radarsensorik. Fortschritte in der Mikroelektronik erlauben den Einsatz von hochauflösenden Radarsensoren, die durch effiziente Verfahren sowohl im Winkel als auch in der Entfernung und im Doppler die Messgenauigkeit kontinuierlich ansteigen lassen. Dadurch ergeben sich neuartige Möglichkeiten bei der Bestimmung der geometrischen und kinematischen Beschaffenheit ausgedehnter Ziele im Fahrzeugumfeld, die zur gezielten Entwicklung von automotiven Sicherheitssystemen herangezogen werden können. Im Rahmen dieser Arbeit werden ungeschützte Verkehrsteilnehmer wie Fußgänger und Radfahrer mittels eines hochauflösenden Automotive-Radars analysiert. Dabei steht die Erscheinung des Mikro-Doppler-Effekts, hervorgerufen durch das hohe Maß an kinematischen Freiheitsgraden der Objekte, im Vordergrund der Betrachtung. Die durch den Mikro-Doppler-Effekt entstehenden charakteristischen Radar-Signaturen erlauben eine detailliertere Perzeption der Objekte und können in direkten Zusammenhang zu ihren aktuellen Bewegungszuständen gesetzt werden. Es werden neuartige Methoden vorgestellt, die die geometrischen und kinematischen Ausdehnungen der Objekte berücksichtigen und echtzeitfähige Ansätze zur Klassifikation und Verhaltensindikation realisieren. Wird ein ausgedehntes Ziel (z.B. Radfahrer) von einem Radarsensor detektiert, können aus dessen Mikro-Doppler-Signatur wesentliche Eigenschaften bezüglich seines Bewegungszustandes innerhalb eines Messzyklus erfasst werden. Die Geschwindigkeitsverteilungen der sich drehenden Räder erlauben eine adaptive Eingrenzung der Tretbewegung, deren Verhalten essentielle Merkmale im Hinblick auf eine vorausschauende Unfallprädiktion aufweist. Ferner unterliegen ausgedehnte Radarziele einer Orientierungsabhängigkeit, die deren geometrischen und kinematischen Profile direkt beeinflusst. Dies kann sich sowohl negativ auf die Klassifikations-Performance als auch auf die Verwertbarkeit von Parametern auswirken, die eine Absichtsbekundung des Radarziels konstituieren. Am Beispiel des Radfahrers wird hierzu ein Verfahren vorgestellt, das die orientierungsabhängigen Parameter in Entfernung und Doppler normalisiert und die gemessenen Mehrdeutigkeiten kompensiert. Ferner wird in dieser Arbeit eine Methodik vorgestellt, die auf Grundlage des Mikro- Doppler-Profils eines Fußgängers dessen Beinbewegungen über die Zeit schätzt (Tracking) und wertvolle Objektinformationen hinsichtlich seines Bewegungsverhaltens offenbart. Dazu wird ein Bewegungsmodell entwickelt, das die nichtlineare Fortbewegung des Beins approximiert und dessen hohes Maß an biomechanischer Variabilität abbildet. Durch die Einbeziehung einer wahrscheinlichkeitsbasierten Datenassoziation werden die Radar-Detektionen ihren jeweils hervorrufenden Quellen (linkes und rechtes Bein) zugeordnet und eine Trennung der Gliedmaßen realisiert. Im Gegensatz zu bisherigen Tracking-Verfahren weist die vorgestellte Methodik eine Steigerung in der Genauigkeit der Objektinformationen auf und stellt damit einen entscheidenden Vorteil für zukünftige Fahrerassistenzsysteme dar, um deutlich schneller auf kritische Verkehrssituationen reagieren zu können.:1 Introduction 1 1.1 Automotive environmental perception 2 1.2 Contributions of this work 4 1.3 Thesis overview 6 2 Automotive radar 9 2.1 Physical fundamentals 9 2.1.1 Radar cross section 9 2.1.2 Radar equation 10 2.1.3 Micro-Doppler effect 11 2.2 Radar measurement model 15 2.2.1 FMCW radar 15 2.2.2 Chirp sequence modulation 17 2.2.3 Direction-of-arrival estimation 22 2.3 Signal processing 25 2.3.1 Target properties 26 2.3.2 Target extraction 28 Power detection 28 Clustering 30 2.3.3 Real radar data example 31 2.4 Conclusion 33 3 Micro-Doppler applications of a cyclist 35 3.1 Physical fundamentals 35 3.1.1 Micro-Doppler signatures of a cyclist 35 3.1.2 Orientation dependence 36 3.2 Cyclist feature extraction 38 3.2.1 Adaptive pedaling extraction 38 Ellipticity constraints 38 Ellipse fitting algorithm 39 3.2.2 Experimental results 42 3.3 Normalization of the orientation dependence 44 3.3.1 Geometric correction 44 3.3.2 Kinematic correction 45 3.3.3 Experimental results 45 3.4 Conclusion 47 3.5 Discussion and outlook 47 4 Micro-Doppler applications of a pedestrian 49 4.1 Pedestrian detection 49 4.1.1 Human kinematics 49 4.1.2 Micro-Doppler signatures of a pedestrian 51 4.1.3 Experimental results 52 Radially moving pedestrian 52 Crossing pedestrian 54 4.2 Pedestrian feature extraction 57 4.2.1 Frequency-based limb separation 58 4.2.2 Extraction of body parts 60 4.2.3 Experimental results 62 4.3 Pedestrian tracking 64 4.3.1 Probabilistic state estimation 65 4.3.2 Gaussian filters 67 4.3.3 The Kalman filter 67 4.3.4 The extended Kalman filter 69 4.3.5 Multiple-object tracking 71 4.3.6 Data association 74 4.3.7 Joint probabilistic data association 80 4.4 Kinematic-based pedestrian tracking 84 4.4.1 Kinematic modeling 84 4.4.2 Tracking motion model 87 4.4.3 4-D radar point cloud 91 4.4.4 Tracking implementation 92 4.4.5 Experimental results 96 Longitudinal trajectory 96 Crossing trajectory with sudden turn 98 4.5 Conclusion 102 4.6 Discussion and outlook 103 5 Summary and outlook 105 5.1 Developed algorithms 105 5.1.1 Adaptive pedaling extraction 105 5.1.2 Normalization of the orientation dependence 105 5.1.3 Model-based pedestrian tracking 106 5.2 Outlook 106 Bibliography 109 List of Acronyms 119 List of Figures 124 List of Tables 125 Appendix 127 A Derivation of the rotation matrix 2.26 127 B Derivation of the mixed radar signal 2.52 129 C Calculation of the marginal association probabilities 4.51 131 Curriculum Vitae 135 Sensor-based detection of the near field in the context of highly automated driving is experiencing a noticeable trend in the integration of radar sensor technology. Advances in microelectronics allow the use of high-resolution radar sensors that continuously increase measurement accuracy through efficient processes in angle as well as distance and Doppler. This opens up novel possibilities in determining the geometric and kinematic nature of extended targets in the vehicle environment, which can be used for the specific development of automotive safety systems. In this work, vulnerable road users such as pedestrians and cyclists are analyzed using a high-resolution automotive radar. The focus is on the appearance of the micro-Doppler effect, caused by the objects’ high kinematic degree of freedom. The characteristic radar signatures produced by the micro-Doppler effect allow a clearer perception of the objects and can be directly related to their current state of motion. Novel methods are presented that consider the geometric and kinematic extents of the objects and realize real-time approaches to classification and behavioral indication. When a radar sensor detects an extended target (e.g., bicyclist), its motion state’s fundamental properties can be captured from its micro-Doppler signature within a measurement cycle. The spinning wheels’ velocity distributions allow an adaptive containment of the pedaling motion, whose behavior exhibits essential characteristics concerning predictive accident prediction. Furthermore, extended radar targets are subject to orientation dependence, directly affecting their geometric and kinematic profiles. This can negatively affect both the classification performance and the usability of parameters constituting the radar target’s intention statement. For this purpose, using the cyclist as an example, a method is presented that normalizes the orientation-dependent parameters in range and Doppler and compensates for the measured ambiguities. Furthermore, this paper presents a methodology that estimates a pedestrian’s leg motion over time (tracking) based on the pedestrian’s micro-Doppler profile and reveals valuable object information regarding his motion behavior. To this end, a motion model is developed that approximates the leg’s nonlinear locomotion and represents its high degree of biomechanical variability. By incorporating likelihood-based data association, radar detections are assigned to their respective evoking sources (left and right leg), and limb separation is realized. In contrast to previous tracking methods, the presented methodology shows an increase in the object information’s accuracy. It thus represents a decisive advantage for future driver assistance systems in order to be able to react significantly faster to critical traffic situations.:1 Introduction 1 1.1 Automotive environmental perception 2 1.2 Contributions of this work 4 1.3 Thesis overview 6 2 Automotive radar 9 2.1 Physical fundamentals 9 2.1.1 Radar cross section 9 2.1.2 Radar equation 10 2.1.3 Micro-Doppler effect 11 2.2 Radar measurement model 15 2.2.1 FMCW radar 15 2.2.2 Chirp sequence modulation 17 2.2.3 Direction-of-arrival estimation 22 2.3 Signal processing 25 2.3.1 Target properties 26 2.3.2 Target extraction 28 Power detection 28 Clustering 30 2.3.3 Real radar data example 31 2.4 Conclusion 33 3 Micro-Doppler applications of a cyclist 35 3.1 Physical fundamentals 35 3.1.1 Micro-Doppler signatures of a cyclist 35 3.1.2 Orientation dependence 36 3.2 Cyclist feature extraction 38 3.2.1 Adaptive pedaling extraction 38 Ellipticity constraints 38 Ellipse fitting algorithm 39 3.2.2 Experimental results 42 3.3 Normalization of the orientation dependence 44 3.3.1 Geometric correction 44 3.3.2 Kinematic correction 45 3.3.3 Experimental results 45 3.4 Conclusion 47 3.5 Discussion and outlook 47 4 Micro-Doppler applications of a pedestrian 49 4.1 Pedestrian detection 49 4.1.1 Human kinematics 49 4.1.2 Micro-Doppler signatures of a pedestrian 51 4.1.3 Experimental results 52 Radially moving pedestrian 52 Crossing pedestrian 54 4.2 Pedestrian feature extraction 57 4.2.1 Frequency-based limb separation 58 4.2.2 Extraction of body parts 60 4.2.3 Experimental results 62 4.3 Pedestrian tracking 64 4.3.1 Probabilistic state estimation 65 4.3.2 Gaussian filters 67 4.3.3 The Kalman filter 67 4.3.4 The extended Kalman filter 69 4.3.5 Multiple-object tracking 71 4.3.6 Data association 74 4.3.7 Joint probabilistic data association 80 4.4 Kinematic-based pedestrian tracking 84 4.4.1 Kinematic modeling 84 4.4.2 Tracking motion model 87 4.4.3 4-D radar point cloud 91 4.4.4 Tracking implementation 92 4.4.5 Experimental results 96 Longitudinal trajectory 96 Crossing trajectory with sudden turn 98 4.5 Conclusion 102 4.6 Discussion and outlook 103 5 Summary and outlook 105 5.1 Developed algorithms 105 5.1.1 Adaptive pedaling extraction 105 5.1.2 Normalization of the orientation dependence 105 5.1.3 Model-based pedestrian tracking 106 5.2 Outlook 106 Bibliography 109 List of Acronyms 119 List of Figures 124 List of Tables 125 Appendix 127 A Derivation of the rotation matrix 2.26 127 B Derivation of the mixed radar signal 2.52 129 C Calculation of the marginal association probabilities 4.51 131 Curriculum Vitae 135

In dieser Arbeit wird die Lichtextraktion AlGaN-basierter Leuchtdioden (LEDs), welche im tiefen ultravioletten (UV) Spektralbereich emittieren, untersucht. Mithilfe von Raytracing-Simulationen soll die Lichtextraktionseffizienz (LEE) von UV-LEDs bestimmt und die gemessene externe Quanteneffizienz (EQE) bezüglich der internen Quanteneffizienz (IQE) und LEE quantifiziert werden. Im ersten Teil der Arbeit wurde auf Basis von Reflexions-, Transmissions- und Fernfeld- (FF) Messungen ein Raytracing-Simulationsmodell für AlGaN-basierte UV-LEDs entwickelt, welches insbesondere den Reflexionsgrad eines formierten n-Kontakts, eine raue Saphirrückseite und eine strukturierte AlN/Saphir-Grenzfläche hinsichtlich der LEE und des FF berücksichtigt. Die Ergebnisse im mittleren Teil der Arbeit zeigten, dass die starke Abnahme der EQE zu kürzeren Emissionswellenlängen (von 263 nm nach 218 nm) einer um drei Größenordnungen sinkenden IQE sowie einer um 65 % sinkenden LEE aufgrund des Lichtpolarisationswechsels von transversal-elektrisch nach transversal-magnetisch zugeschrieben werden kann. Außerdem hatte der Al-Stoffmengenanteil in den AlGaN-Barrieren von LEDs mit einer Emissionswellenlänge um 268 nm einen größeren Einfluss auf die IQE als auf die LEE. Elektrolumineszenz- (EL) Messungen zeigten eine maximale EQE für LEDs mit Al0,53Ga0,47N-Quantentöpfen (QWs) und Al0,67Ga0,33N-Barrieren. Dies konnte mit Drift-Diffusions-Simulationen bestätigt werden und wurde vorrangig der steigenden Ladungsträgerdichte in den QWs und den steigenden Elektronenleckströmen mit steigendem Al-Stoffmengenanteil in den Barrieren zugeschrieben. Durch das Ersetzen der UV-absorbierenden p-Seite von UV-LEDs durch eine UV-transparente p-Seite in Kombination mit einem hochreflektierenden p-Kontakt zeigten Raytracing-Simulationen eine Steigerung der LEE um 150 %. EL-Messungen an LEDs mit einer Emissionswellenlänge von 263 nm, unterschiedlichem Al-Stoffmengenanteil x im p-AlGaN sowie p-Kontakten mit verschiedenen UV-Reflektionsgraden R zeigten eine Zunahme der EQE von 0,6 % für x = 0,33 auf 1,5 % (R = 24 %) bzw. 3,0 % (R = 87 %) für x = 0,68. Die zusätzliche Steigerung der EQE gegenüber der simulierten LEE ist möglicherweise auf eine Zunahme der IQE mit steigendem Al-Stoffmengenanteil in der p-AlGaN-Seite zurückgeführt. Im letzten Teil der Arbeit wurde die Lichtextraktion an aufgebauten UV-LED untersucht. Durch den Vergleich von gemessenen und simulierten FFs von LED-Chips konnte ein Lichtextraktionsmodell gefunden und eine Strahlendatei generiert werden, die insbesondere die rauen Saphirrück- und -seitenflächen berücksichtigt. Diese Strahlendatei konnte zur Entwicklung eines neuartigen Gehäuses mit Reflektor und Fresnel-Linse mit einer gerichteten Lichtabstrahlung verwendet werden. FF-Messungen an diesem Gehäuse konnten für kleine Emissionswinkel eine Verdreifachung der Strahlungsstärke gegenüber einem flachen Gehäuse aus den Simulationen bestätigen, während die Gesamtemissionsleistung um 18 % sank. In this work, the light extraction from AlGaN-based light emitting diodes (LEDs) emitting in the deep ultraviolet (UV) spectral range is investigated. Using ray tracing simulations, the light extraction efficiency (LEE) of UV-LEDs is determined and the measured external quantum efficiency (EQE) of UV-LEDs is quantified in terms of the internal quantum efficiency (IQE) and LEE. In the first part of this thesis, reflection, transmission and far field measurements were used to develop a ray tracing simulation model for AlGaN-based UV-LEDs considering the reflectivity of annealed n-contacts, a rough sapphire backside and a patterned AlN/sapphire interface. The results in the main part of this thesis show that the strong reduction in EQE for shorter emission wavelengths (from 263 nm to 218 nm) is attributed to a reduction in IQE of three order of magnitudes and to a reduction in LEE of 65 % due to the change of the dominant optical polarization of the emitted light from transverse-electric to transverse-magnetic. In addition, for UV-LEDs with an emission wavelength around 268 nm, a stronger impact on IQE than on LEE was observed when changing the Al mole fraction in the AlGaN barrier of the AlGaN active region. Electroluminescence (EL) measurements showed a maximal EQE for LEDs with Al0,53Ga0,47N quantum wells and Al0,67Ga0,33N barriers. This was confirmed by drift-diffusion simulations and attributed to an increasing charge carrier density in the quantum wells and to a rising electron leakage current with increasing Al mole fraction in the barriers. By replacing the UV-absorbing p-side of UV-LEDs with a UV-transparent p-side together with a highly reflective p-contact ray tracing simulations predict a 150 % increase in the LEE. EL measurements on UV-LEDs emitting at 263 nm with an Al mole fractions in the p-AlGaN-side between x = 33% and x = 68% and featuring p-contacts with different UV-reflectivity R showed an increase in the EQE from 0.6 % for x = 33% and all p-contacts to 1.5 % for x = 68% and R = 24 % as well as up to 3.0 % for x = 68% and R = 87 %. The additional improvement in EQE compared to simulated LEE for LEDs with a UV-transparent p-side was possibly attributed to an increasing IQE with increasing Al mole fraction in the p-AlGaN-side. In the last part of this thesis, the light extraction from flip-chip mounted UV-LED was investigated. By comparing simulated and measured far fields of UV-LEDs chips, a light extraction simulation model was found and a ray file was generated, considering the roughened sapphire sidewalls and backside. The ray file was used to develop a novel LED package with reflector and Fresnel lens with a directional radiation pattern. For a small emission angle, a tripling of the radiant intensity compared to a planar package and predicted by the simulation could be confirmed by far field measurements, while the decrease in total emission power was 18 %.

Diese Arbeit behandelt die Prozessierung verlustarmer Lichtwellenleiter für einen optischen UVC-Gassensor. Durch optische Simulationen wurde zunächst ein geeignetes Material (amorphes Quarzglas) und Design abgeleitet. Mittels Belichtung mit einem Ultrakurzpulslaser und anschließendem selektiven Nassätzen wurden die Lichtleiter aus dem Wafer strukturiert. Die resultierenden rauen Seitenwände führen zu Dämpfungen von 0,6 bis 0,8 dB/mm. Durch kurzzeitiges Aufschmelzen mit einem CO2-Laser wurden die Seitenwände geglättet, wodurch stark verbesserte Dämpfungswerte von 0,2 bis 0,3 dB/mm erreicht wurden. Mit den strukturierten und polierten Lichtleitern wurden schließlich Sensor-Prototypen aufgebaut und Gaskonzentrationen bis unterhalb von 1 ppm detektiert. Dabei wurden Standardabweichungen des Sensorsignals von unter 300 ppb (NO2) bzw. unterhalb von 100 ppb (SO2) ermittelt. Abschließende Messungen an Gasmischungen zeigten, dass Querempfindlichkeiten des Sensors gegenüber anderen Gasen aus den Absorptionsspektren abgeleitet werden und durch geschickte Wahl der LED-Emissionswellenlänge(n) kompensiert werden können. This work presents the processing of efficient waveguides for an optical UVC-gas sensor. At the beginning, a suitable material (fused silica) and an optical design was derived by optical system simulations. By irradiation with an ultra-short pulsed laser and selective wet etching, the waveguides were cut out of the silica wafers. The resulting rough sidewalls led to significant transmission losses in the range of 0.6 to 0.8 dB/mm. The rough sidewalls were polished by temporal melting of the silica surface and significantly reduced transmission losses of 0.2 to 0.3 dB/mm were achieved. Finally, the structured and polished waveguides were integrated into a sensor prototype and gas concentrations below 1 ppm were successfully detected. At the same time standard deviations of the sensor signal of less than 300 ppb (NO2) and less than 100 ppb (SO2) were determined. Measurements of gas mixtures showed that cross-sensitivities of the sensor can be derived from the respective absorption spectra of the applied gases and can be compensated by an appropriate selection of the LED emission wavelengths or calculation.

The current state of wireless sensing technologies possesses a good reliability in terms of time response and sensing on movable parts or in embedded structures. Nevertheless, these tech- nologies involve energy supply such as battery and suffer from low resolution and bulky signal conditioning system for data processing. Thus, a RFID passive wireless sensor is a good candidate to overcome these issues. The feasibility of implementing microstrip patch antennas for sensing application were successfully investigated; however, low sensitivity was always a big issue to be concerned. Sensors based on nanocomposites attracted a lot of attention because of their excellent performance in term of light weight, high sensitivity, good stability and high resistance to corrosion but it lacks the capability of high conductivity, which limit their implication into RFID applications. This work introduces a novel high sensitive passive wireless strain and temperature sensors based on nanocomposites as sensing layer. To accomplish this, intrinsically conductive polymer based on carbon nanofillers nanocomposites are deeply studied and characterized. Then it’s performance is evaluated. Among them a novel tertiary nanocomposite is introduced, which opens the gate to new nanocomposite applications and thus broad- ens the application spectrum. Understanding the transport mechanism to improve the conductivity of the nanocomposite and extracting individually different models based on physical explanation of their piezoresistivity, and behavior under temperature and humidity have been developed. Afterwards, selected nanocomposites based on their high sensitivity to either strain or temperature are chosen to be used as sensing layer for patch antenna. The fabricated patch antenna has only one fundamental frequency, by determining the shift in its resonance frequency as function of the desired property to be measured; the wireless sensor characteristics are then examined. For strain sensing, the effect of strain is tested experimentally with the help of end-loaded beam measurement setup. For temperature sensing, the sensors are loaded in a controlled temperature/humid chamber and with the help of a vector network analyzer, the sensitivity of the antennas are extracted by acquiring the shift in the resonance frequency. The fabricated wireless sensors based on patch antenna are fabricated on very low lossy material to improve their gain and radiation pattern. This approach could be expanded also to include different type of substrates such as stretchable substrates i.e. elastomer polymer, very thing substrates such as Kapton, paper-based substrates or liquid crystal polymer.

In dieser Arbeit werden GaN-basierte Nanostreifen mit semipolaren InGaN-Quantenfilmen überwachsen und in polare LED- sowie Laserstrukturen eingebettet. Dafür werden nanolithografische Verfahren eingesetzt und sowohl Strukturierung als auch selektive Epitaxie im Submikrometer-Maßstab entwickelt und optimiert. Das emittierte Licht der so hergestellten Proben konnte in einem weiten Wellenlängenbereich von violett bis echt-grün (400 nm - 535 nm) eingestellt werden. Durch den semipolaren Charakter der Proben ist die Emission aus der Oberfläche polarisiert. Zudem wirken die Nanostrukturen als 1D-Photonischer Kristall, so dass eine gerichtete Emission mit hohem Q-Faktor nachgewiesen werden konnte. Bei Einbettung in eine Wellenleiterstruktur wurde eine Laserschwelle bestimmt. Zudem wurde die Qualität und die Optimierung der Nanostrukturen durch eine Vielzahl mikroskopischer und spektroskopischer Methoden untersucht.