Degradation mechanisms of devices for optoelectronics and power electronics based on Gallium Nitride heterostructures

Il Nitruro di Gallio si sta rapidamente proponendo come un materiale promettente per dispositivi elettronici in vari campi applicativi. Dato che si tratta di un semiconduttore a bandgap diretto, può essere utilizzato per realizzare emettitori di radiazione luminosa altamente efficienti (LED e diodi laser), e la possibilità di realizzare leghe contenenti Alluminio e Indio permette di selezionare la lunghezza d’onda di picco all’interno dell’intervallo UV - verde dello spettro elettromagnetico. Prima che i prodotti finali basati su Nitruro di Gallio possano permeare il mercato internazionale, è necessario garantire che siano abbastanza affidabili da possedere lunghi tempi di vita ai fini di essere considerati da potenziali acquirenti, e che il loro rapporto prestazioni/costi sia superiore rispetto a quello dei dispositivi attualmente presenti nel mercato, almeno per alcune specifiche applicazioni. Lo scopo di questa tesi è analizzare i punti di forza dei materiali composti basati su Nitruro di Gallio tramite caratterizzazione e test affidabilistici su varie strutture differenti (LED, diodi laser, diodi bloccanti, HEMT, GIT, MIS), per comprendere il comportamento del materiale da diversi punti di vista. In questo lavoro viene effettuato uno studio dettagliato del degrado graduale di LED e diodi laser in InGaN sottoposti a stress elettrotermici. lo scopo è di paragonare il comportamento delle due tipologie di dispositivi tramite caratterizzazione elettrica e ottica, elettroluminescenza, mappe di emissione in campo vicino e Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS), in modo da ottenere una comprensione profonda dei meccanismi di degrado che causano il calo di performance dei diodi laser. Un’attenzione particolare è rivolta al ruolo del calo dell’efficienza di iniezione e alla ricombinazione non-radiativa. Il confronto delle cinetiche di degrado e l’analisi del tipo di danno nelle due diverse strutture ha permesso uno studio completo dei meccanismi fisici responsabili del calo delle prestazioni. Il degrado dei dispositivi è stato attribuito ad un aumento della concentrazione di difetti, che ha un forte impatto sulle cinetiche di ricombinazione non-radiativa. L’energia di attivazione del livello profondo rilevato è 0.35 - 0.45 eV. Come effetto dei test di vita accelerata elettrici e termici compiuti su diodi laser blu commerciali basati su InGaN, si è notato che a volte si ha un iniziale calo della corrente di soglia, dovuto all’aumento dell’attivazione del drogante di tipo p, promossa dalla temperatura e dal flusso di portatori minoritari. Per comprendere gli effetti della creazione di difetti, due differenti tipologie di LED blu commerciali basati su InGaN sono stati sottoposti a irraggiamento tramite protoni con un’energia di 3 MeV a varie fluenze (10^11, 10^12 and 10^13 p/cm2). Il processo di degrado è stato caratterizzato tramite misure corrente - tensione (I - V), potenza ottica - corrente (L - I) e capacità - tensione (C - V) combinate, per cercare di comprendere le modifiche indotte dall’irraggiamento e il recupero conseguente all’annealing ad alte temperature (150 ). I dati sperimentali suggeriscono la creazione di centri di ricombinazione non-radiativa vicino o all’interno della regione attiva dei LED, causati dallo spostamento di atomi. Questa ipotesi viene confermata dai risultati dei test di recupero: l’aumento della potenza ottica e la sua correlazione con il recupero della corrente diretta è consistente con l’annealing dei difetti. Parte dell’attività sui transistor ad elevata mobilità elettronica è stata dedicata alla realizzazione di setup di misura che permettessero di utilizzare tecniche di caratterizzazione avanzata. Si sono analizzati i vantaggi e i limiti della metodologia dei transienti di corrente utilizzata per lo studio dei livelli profondi in HEMT basati su GaN, verificando in che modo diverse procedure adottate per la misurazione e l’analisi dei dati possano influenzare i risultati. La scelta dei parametri di misura (come i livelli di tensione utilizzati per indurre l’intrappolamento di carica e monitorare il transiente di corrente e la durata degli impulsi di filling) e della procedura di analisi (il metodo usato per l’estrapolazione delle costanti di tempo dei processi) può influenzare i risultati e può fornire informazioni sulla posizione degli stati trappola responsabili per il calo della corrente. Inoltre, è stato raccolto un database di difetti descritti in più di 60 articoli scientifici sul Nitruro di Gallio e i suoi composti, che può essere utilizzato per ottenere informazioni sulla natura e sull’origine delle trappole negli HEMT in AlGaN/GaN. Utilizzando questa tecnica innovativa e altri test più comuni, sono stati condotti test affidabilistici e di tempo di vita su varie strutture, per ottenere una miglior comprensione delle loro problematiche e dei possibili miglioramenti. Una possibile variazione riguarda la composizione dello stack di gate. Sono stati condotti test di degrado a Vgs = -5 V e valori di Vds crescenti su HEMT in GaN con differenti materiali di gate: Ni/Au/Ni, ITO e Ni/ITO. Ad ogni passo dello stress sono state misurate le caratteristiche elettriche e ottiche dei transistor, per analizzare il processo di degrado. Si è trovato che lo stress causa un degrado permanente del diodo di gate, che consiste in un aumento della corrente di leakage. Questo cambiamento è dovuto alla generazione di cammini conduttivi parassiti, come suggerito dalle misure di elettroluminescenza (EL), e dispositivi basati su ITO hanno mostrato un’affidabilità maggiore. Questi dati sostengono fortemente l’ipotesi che la robustezza è influenzata dai parametri di processo e/o dal materiale di gate, dato che tutti i dispositivi analizzati provengono dallo stesso wafer epitassiale. Oltre a variare il materiale di gate, è possibile aggiungere uno strato di tipo p sotto il gate per ottenere un funzionamento normally-off. Questo cambiamento fornisce un incremento delle performance, ma può dar nascita a fenomeni di trapping particolari. Si è condotta un’accurata analisi dei processi di trapping dipendenti dal tempo e dal campo elettrico che si verificano nei transistor ad iniezione di corrente di gate (GIT) quando vengono sottoposti ad elevate tensioni di drain. I risultati indicano che, anche se i dispositivi non soffrono di cali di corrente per tempi brevi, l’esposizione continua a tensioni di drain elevate può indurre un aumento significativo della resistività in zona lineare (Ron). Il valore originario di Ron può essere recuperato lasciano il dispositivo a riposo. L’analisi della dipendenza dalla temperatura indica che l’energia di attivazione del processo di detrappolamento è pari a 0.47 eV. Tramite una caratterizzazione dell’elettroluminescenza risolta temporalmente, viene mostrato che questo effetto è correlato alla cattura di elettroni nella regione di accesso gate - drain. Questa interpretazione è inoltre confermata dal fatto che l’emissione della carica può essere significativamente accelerata attraverso l’iniezione di lacune dal gate. Un modello del primo ordine è stato sviluppato per spiegare la dipendenza dal tempo del processo di trapping. Utilizzando altre tecniche di caratterizzazione dei livelli profondi, come i transienti di corrente di drain, gli sweep di frequenza di gate e il backgating, in questi dispositivi si sono identificati vari altri stati trappola. Le loro energie di attivazione sono 0.13, 0.14, 0.25, 0.47 e 0.51 eV. Durante i test di vita accelerata di questi dispositivi, si è trovata una variazione dell’ampiezza relativa dei picchi di transconduttanza ben correlata con l’aumento dell’elettroluminescenza. Questo effetto può essere spiegato tramite l’attivazione del drogante p, un fenomeno che si è osservato anche nei diodi laser. Utilizzando una struttura simile, è possibile realizzare diodi capaci di sopportare tensioni inverse molto elevate, rimuovendo la regione di gate e aggiungendo un diodo Schottky (Natural Superjunction). In questo caso, si sono rilevati livelli profondi di energia di attivazione 0.35, 0.36, 0.44 e 0.47 eV. Questi valori sono molto simili a quelli trovati nei GIT, e questo fatto, insieme alla presenza dell’ativazione del drogante p in dispositivi molto differenti tra loro, conferma l’utilità dello studio di differenti strutture basate sullo stesso materiale per ottenere una maggior conoscenza delle sue performance, possibilità e aspetti affidabilistici.