Analysis of degradation mechanisms induced by electrical over-stress on high efficiency gallium nitride LEDs

Questo lavoro di tesi è focalizzato sullo studio dell’affidabilità di dispositivi LED allo stato dell’arte per applicazioni di illuminotecnica e sull’impatto dei meccanismi di diffusione in wafer optoelettronici in nitruro di gallio, con l’obiettivo di identificare i meccanismi fisici responsabili per il degrado prematuro di tali dispositivi. Mediante l’utilizzo di setup sperimentali, sviluppati durante i tre anni di attività di ricerca, è stato possibile identificare i meccanismi di failure e di degrado dominanti in dispositivi LED basati su GaN sottoposti a condizioni di over-stress elettrico (EOS), sia in polarizzazione diretta che inversa, e correlare le specifiche modalità di fallimento con le difettosità epitassiali di LED allo stato dell’arte. In particolare, al fine di appurare il ruolo dei difetti cristallini nel degrado del dispositivo, sono state utilizzate tecniche di caratterizzazione avanzate: il Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) e il Deep-Level Optical Spectroscopy. In questa tesi è presentata un’analisi approfondita finalizzata alla correlazione dei parametri di crescita epitassiale (nominati con lettere dalla A alla E poichè coperti da un accordo di non divulgazione) con la robustezza dei dispositivi LED alle scariche elettrostatiche. La trattazione analizza separatamente i ruoli dei parametri epitassiali di lato p ed n, attraverso caratterizzazioni DC e impulsate. I risultati suggeriscono che: i) sul lato n, A è il parametro critico per la robustezza alle scariche elettrostatiche; ii) mentre sul lato p, il parametro critico è C; iii) i percorsi di leakage nella struttura possono fungere da centri di ricombinazione radiativa quando il dispositivo è polarizzato inversamente e possono favorire il fallimento previa corto-circuitazione della giunzione; iv) le vacanze di azoto possono essere la causa fisica delle difettosità epitassiali. Le informazioni relative ai meccanismi fisici di degrado sono state condivise con il produttore dei dispositivi, al fine di promuovere il miglioramento della tecnologia di processo. L’analisi dei meccanismi di fallimento indotti da EOS in condizioni di polarizzazione diretta indica la dissipazione di potenza come la principale causa di degrado: in base al livello di potenza dissipata nel dispositivo e al conseguente auto-riscaldamento, il fallimento può interessare il chip (portando ad un fallimento come corto-circuito) o l’intero package (portando ad un fallimento di tipo circuito-aperto). Ulteriori esperimenti hanno permesso di identificare quattro regioni di funzionamento, prima del fallimento del dispositivo: i) la ricombinazione di tipo radiativo è dominante ed il riempimento delle buche quantiche non è uniforme, ii) l’incremento della densità di corrente induce un forte auto-riscaldamento, iii) e porta alla saturazione delle buche quantiche e all’overflow dei portatori. Infine, iv) l’estrema densità di corrente induce l’effetto di current crowding, portando ad un progressivo decadimento delle proprietà ottiche del dispositivo e al successivo fallimento. La generazione del processo avalanche è identificata in dispositivi LED di potenza: a causa del forte campo elettrico indotto nel dispositivo, sottoposto a polarizzazione inversa, si instaura il processo di tunneling banda a banda dei portatori e la conseguente ionizzazione da impatto. La caratterizzazione elettrica effettuata a temperature criogeniche evidenzia lo spostamento delle curve IV all’incremento della temperatura, confermando la presenza della generazione avalanche. Ulteriori analisi dell’elettroluminescenza e dei suoi diversi contributi spettrali mostrano che: i) le coppie elettrone-lacuna generate dal processo di avalanche ricombinano radiativamente, generando fotoni, ii) i quali sono parzialmente riassorbiti nel lato n della struttura e successivamente iii) riemessi come fotoluminescenza nelle lunghezze d’onda del giallo dai difetti presenti nel cristallo. Esperimenti su strutture color coded con buche quantiche disposte con diverso ordine nello stack epitassiale e diversa concentrazione di Al all’interno dell’electron blocking layer (EBL) mostrano che i) l’incremento della corrente di leakage in condizioni di polarizzazione inversa e debolmente diretta sono correlate alla diffusione, ii) il degrado ottico non è dominato da tale processo di diffusione, ma è collegato alla propagazione di difetti indotta dall’energia termica rilasciata da ricombinazione di tipo SRH, iii) il degrado ottico ha inizio dal lato p della giunzione e iv) l’origine fisica di tali difetti è rappresentata da impurezze all’interfaccia AlGaN/GaN o vacanze di azoto.