Analysis of defects and physical mechanisms that limit the ESD robustness of Light Emitting Diodes

La seguente tesi riporta i principali risultati ottenuti dall’attività di ricerca di Dottorato del candidato. L’attività è stata focalizzata sullo studio dei difetti e dei meccanismi fisici the limitano la robustezza alle scariche elettrostatiche (ESD) dei diodi emettitori di luce (LED). In particolare, la maggior parte dell’attività di ricerca è stata principalmente focalizzata sull’analisi dei LED basati su nitruro di gallio (GaN), che sono la base per la realizzazione di emettitori blu e UV e di LED bianchi basati sulla conversione dei fosfori. Dopo una panoramica iniziale dei concetti teorici più importanti necessari per la comprensione dei risultati fisici, in questa tesi possono essere identificate quattro sezioni principali che riguardano la presentazione dell’attività di ricerca: - In primo luogo riportiamo un’estesa analisi dei processi di emissione localizzati legati ai difetti, che si verificano nei diodi emettitori di luce basati sulla struttura InGaN/GaN. L’analisi è basata su una caratterizzazione elettrica combinata con misure di elettroluminescenza (EL) risolte spettralmente e spazialmente. I risultati di questa analisi mostrano che: (i) in condizioni di polarizzazione inversa i LED possono emettere un debole segnale di luminescenza, che è direttamente proporzionale alla corrente inversa iniettata. L’emissione in polarizzazione inversa è localizzata in spot di dimensione submicrometrica; l’intensità del segnale è fortemente correlata alla densità di threading dislocation (TD), suggerendo quindi che le threading dislocation sono percorsi preferenziali per la conduzione della corrente di leakage. (ii) In condizioni di bassa polarizzazione diretta, l’intensità del segnale EL non è uniforme sull’area del dispositivo. L’analisi EL risolta spettralmente dei LED verdi identifica la presenza di spot localizzati che emettono nella regione spettrale gialla, la cui origine è stata attribuita a tunneling localizzato che si verifica tra le buche quantiche e gli strati di barriera dei diodi, con successiva ricombinazione radiativa assistita da difetti. - Successivamente proponiamo uno studio esteso delle caratteristiche di elettroluminescenca dei LED basati su InGaN con struttura color-coded, cioè una struttura a tripla buca quantica nella quale ciascuna buca quantica ha un contenuto di indio differente, allo scopo di analizzare la distribuzione di portatori all’interno delle buche quantiche della regione attiva. L’analisi è basata su misure di elettroluminescenza combinate con simulazioni bidimensionali, eseguite a differenti livelli di corrente e temperatura. I risultati indicano che: (i) l’efficienza di ciascuna delle buche quantiche dipende fortemente dalle condizioni operative del dispositivo (corrente e temperatura); (ii) a bassi livelli di corrente e temperatura solo la buca quantica più vicina al lato p ha un’emissione significativa; (iii) l’emissione dalle altre buche quantiche è favorita ad elevati livelli di corrente. Sarà anche discusso il ruolo dell’iniezione dei portatori, della mobilità delle lacune, della densità di portatori e della ricombinazione non radiativa nel determianre l’intensità relativa delle buche quantiche. - A questo punto proponiamo i risultati ottenuti dall’analisi dei meccanismi fisici che limitano la robustezza alle scariche elettrostatiche (ESD) dei LED basati su GaN. L’analisi è stata eseguita su numerose famiglie di LED con differenti robustezze ESD. Ciascuna delle famiglie di campioni analizzate è caratterizzata da due differenti parametri: il tasso di failure misurato dopo l’applicazione di un singolo impulso ESD, denominato First level failure F1, e il tasso di failure misurato dopo l’applicazione di un secondo impulso ESD, denominato Secondo level failure F2. Dopo un’iniziale caratterizzazione elettro-ottica, abbiamo analizzato i LED per mezzo di misure di transienti capacitivi lenti, deep level optical spectroscopy (DLOS) e deep level transient spectroscopy (DLTS). I risultati sperimentali mostrano che: (i) la capacità di giunzione complessiva è fortemente correlata al First level failure F1, suggerendo quindi anche una correlazione tra il massimo campo elettrico di giunzione e il First level failure F1 dei LED; (ii) l’ampiezza dei transienti capacitivi, legata a fenomeni di intrappolamento, è fortemente correlata al parametro Relative failure, che è definito come il rapporto Second level failure F2/First level failure F1. Quindi la presenza di difetti nelle strutture LED può influenzare la robustezza ESD misurata dopo l’applicazione consecutiva di due impulsi ESD; (iii) la correlazione tra il trapping e il Relative failure è confermata sia dalle misure di DLOS, sia da quelle DLTS. - Per concludere lo studio dei meccanismi fisici che limitano la robustezza ESD dei diodi emettitori di luce (LED), presentiamo una caratterizzazione ESD eseguita su dei LED disponibili commercialmente. In particolare presentiamo un’estesa analisi dei meccanismi di failure dei LED RGB (multichip) sottoposti a test ESD: i test sono stati eseguiti su numerosi LED disponibili commercialmente di quattro differenti produttori. Allo scopo di comprendere meglio i meccanismi di failure, abbiamo sottoposto i LED a test ESD in condizioni di polarizzazione inversa e diretta separatamente, per mezzo di un Transmission Line Pulser (TLP). I risultati sperimentali indicano che: (i) i LED rossi (basati su AlInGaP) hanno una robustezza ESD più alta rispetto ai campioni verdi e blu (basati su InGaN), sia nei test in polarizzazione inversa, sia in quelli in polarizzazione diretta; (ii) impulsi TLP negativi con una corrente inferiore alla soglia di failure possono indurre una diminuzione della corrente di leakage nei LED basati su GaN, a causa di un parziale annientamento dei percorsi difettosi responsabili per la conduzione inversa; (iii) il tipico meccanismo di failure dei dispositivi è rappresentato da un evento catastrofico, con cortocircuitazione della giunzione. Tuttavia, alcuni dei LED rossi analizzati hanno mostrato “soft” failure, con graduale aumento della corrente di leakage ed una corrispondente diminuzione della potenza ottica, anche in assenza di un danno castastrofico. Infine, è stata studiata anche la dipendenza dalla temperatura della robustezza ESD dei dispositivi basati su GaN. Utili informazioni sull’attività di ricerca possono essere trovate negli articoli in cui ha collaborato il candidato ed elencati nella successiva sezione.