Defect-Related Processes and their Influence on the Efficiency and Degradation of InGaN-Based Leds

This thesis reports the main results obtained from the Ph.D. research activity of the candidate. The activity was focused on the study of defects and physical mechanisms that limit the efficiency of Light Emitting Diodes (LEDs) based on gallium nitride (GaN). In the first part of the thesis, the fundamental properties of gallium nitride will be briefly discussed, including its alloys, crystalline structure and internal polarization fields. After that, we will present an updated review based on the literature on the most important point defects and dislocations in GaN. Particular attention will be given to the role of Ga and N vacancies, since these are native GaN defects that are very commonly introduced during the crystal growth, and to the role of threading dislocations. The discussion will be supported by both theoretical studies and experimental evidence. The second part of the work will be dedicated to the quantum efficiency of LEDs. Initially we will give a description of its fundamental parameters, after which we will focus on the physical processes that limit the efficiency. In particular, Shockley-Read-Hall non-radiative recombination is known for lowering the efficiency for low-moderate current densities. On the other hand, at high injection levels the efficiency of GaN-based LEDs is also lowered by the so-called efficiency droop. Both these processes will be analyzed, providing theoretical as well as experimental evidence and explanations. In the third chapter some advanced techniques useful for studying the deep levels in the semiconductors as well as for estimating the recombination coefficients will be discussed, including capacitive deep level transient spectroscopy (DLTS), differential carrier lifetime and deep level optical spectroscopy (DLOS). In particular, for each technique will be provided a theoretical description, together with its advantages and main limitations both under a theoretical and experimental point of view. After that, in the fourth chapter, we will give an extensive review of the state-of-the-art knowledge of the degradation mechanisms of the active region of modern LEDs, focusing on the degradation kinetics of the optical power and of the electrical characteristics of the devices. The discussion will aim at identifying the most common degradation mechanisms usually reported in the literature for real devices. The fifth chapter will be dedicated to the presentation of the most relevant results obtained during this research activity and will consist on three sections. In the first one, an extensive analysis on the origin of SRH recombination in InGaN-based LEDs will be reported. The aim of the study was to investigate the relationship between the SRH recombination A of the ABC model and the lattice defects detected by DLTS and DLOS measurements. In fact, although SRH recombination on a device is obviously strongly correlated with its defectiveness, several defects may contribute in different ways to the overall non-radiative recombination, depending on their energy position in the band diagram and on other parameters. The analysis revealed that one deep level, labeled “e2” and with activation energy E_{C}-E_{T}\sim0.7 eV, was present in all the measured samples and its concentration was well correlated with the estimated SRH coefficient, obtained by means of differential carrier lifetime measurements. That trap was therefore ascribed as the main responsible for non-radiative recombination in the analyzed devices. Moreover, further investigations of the trapping kinetics suggested it behaved like an extended defect. On the other hand, a research in the literature revealed that other papers previously reported on similar traps, ascribing them to native GaN defects, possibly vacancies and their complexes with other impurities. For this reason, trap “e2” was ascribed to native GaN defects aligned along threading dislocations. The second section of the fifth chapter will present two experimental works that investigated the degradation mechanisms in InGaN-based LEDs. In the first work the devices, that belonged to the same set studied before, were submitted to accelerated aging by means of constant dc current and temperature stress, which induced a significant decrease in the emitted optical power. By investigating the variations in the external quantum efficiency, in the photoluminescence emission and in the photocurrent signal, we shown that the degradation was due to the increase in the SRH recombination rather than a reduced injection efficiency. Deep level transient spectroscopy analysis then revealed that stress caused a remarkable increase in the concentration of the deep level “e2” previously observed, confirming the key role played by this trap in determining the SRH recombination rate of these devices. The second work was more focused on the degradation kinetics observed during the stress of another set of samples. In particular, it was revealed that stress resulted in the accumulation of charge in the active area of the devices and that the amount of accumulated charge was linearly correlated to the estimated SRH coefficient A. Both the accumulation of charge and the increase in the SRH coefficient followed an almost square-root dependence on stress time. This result suggested that degradation was induced by a diffusion process, possibly impurities diffusing toward the active region. Remarkably, the stress also induced the decrease in the concentration of a shallow level (E_{C}-E_{T}\sim0.37 eV) and the increase in the concentration of a deeper level (E_{C}-E_{T}\sim0.9 eV). These changes in the defects concentration were compatible with the observed variations in the capacitance and in the SRH recombination. In particular the increase in the concentration of the deeper level, a more efficient non-radiative center, may have caused the increase in SRH recombination, while the decrease in the shallow defect could result in the observed increase in the junction capacitance. Based on these experimental results and on other literature reports, we ascribed the degradation to the gradual diffusion of impurities, likely magnesium or hydrogen, toward the active region of the devices. The third and last section of the fifth chapter will be dedicated to an extensive analysis carried out on the thermal droop in InGaN-based LEDs. In particular, a correlation between the drop of the optical power with increasing temperature and the concentration of defects was observed. To explain this finding, several mechanisms that are believed to be related to the efficiency of the device were investigated, including SRH recombination, thermionic escape of carriers from the quantum well, phonon-assisted tunneling and thermionic trap-assisted tunneling. Each of these processes has some specific properties that, for the samples under investigation, made them unable to fully explain the experimental data. Therefore, a new model was developed consisting of a two-step zero bias extended phonon-assisted tunneling from the quantum well to the trap, which acts as an intermediate reservoir of electrons, and from the trap to the border of the conduction band. Such new model will be discussed and will be shown how, by using parameters from simulations of the energetic structure of the quantum wells and from DLTS characterization of the deep levels, the obtained closed-form equation was able to accurately fit the experimental data on thermal droop of all the investigated samples. Useful information on the research activity can be also found in the papers co-authored by the candidate and listed in the next section.

La seguente tesi riassume i risultati principali ottenuti durante lo svolgimento dell'attività di ricerca del Dottorando candidato. L'attività si è concentrata principalmente nello studio dei difetti e dei meccanismi fisici che limitano l'efficienza dei diodi emettitori di luce (LED) basati su nitruro di gallio (GaN). Nella prima parte della tesi, verranno brevemente discusse le proprietà fondamentali del nitruro di gallio, comprese le sue leghe principali, la struttura cristallina ed i campi di polarizzazione interni. Successivamente, verrà presentata una situazione aggiornata basata sulla letteratura dei difetti di punto e delle dislocazioni tipici del nitruro di gallio. Particolare attenzione verrà riservata al ruolo svolto delle dislocazioni e dalle vacanze di gallio e azoto, poiché essi sono difetti nativi del materiale che vengono comunemente introdotti durante l'accrescimento del cristallo. Tale discussione verrà supportata da risultati sia teorici sia sperimentali. La seconda parte della tesi sarà dedicata allo studio dell'efficienza quantica dei LED. Inizialmente verrà data una descrizione dei suoi parametri principali, dopodiché ci si concentrerà sui processi fisici che ne determinano eventuali limiti. In particolare, la ricombinazione non radiativa Shockley-Read-Hall (SRH) è nota per causare una riduzione dell'efficienza a basse densità di corrente. Contemporaneamente, ad alti livelli di iniezione l'efficienza dei LED basati su GaN risulta compromessa da un effetto noto come efficiency droop. Entrambi questi processi verranno analizzati, fornendo spiegazioni supportate da dati sia teorici che sperimentali. Nella terza parte del lavoro saranno introdotte alcune tecniche avanzate, utili per lo studio dei livelli profondi nei semiconduttori nonché per stimare i coefficienti di ricombinazione. Le tecniche analizzate sono capacitive deep level transient spectroscopy (DLTS), il tempo di vita differenziale dei portatori e il deep level optical spectroscopy (DLOS), e per ognuna di esse verrà fornita una descrizione teorica e verranno analizzati i principali vantaggi e svantaggi sia sotto un punto di vista teorico che sperimentale. Successivamente, nel quarto capitolo, sarà effettuata una trattazione approfondita e aggiornata allo stato dell'arte sui meccanismi di degrado della regione attiva dei LED moderni, focalizzandosi sulle cinetiche di degrado della potenza ottica e delle caratteristiche elettriche dei dispositivi. La discussione avrà come scopo l'identificazione dei meccanismi di degrado più comunemente osservati nei dispositivi reali e riportati in letteratura. Il quinto capitolo sarà dedicato alla presentazione dei risultati più rilevanti ottenuti durante lo svolgimento dell'attività di ricerca e sarà composto da tre sezioni. Nella prima sezione verrà descritta un'analisi dettagliata effettuata su dispositivi LED basati su InGaN. Lo studio aveva lo scopo di investigare la relazione tra il coefficiente di ricombinazione SRH A del modello ABC e la concentrazione dei difetti osservati tramite misure DLTS e DLOS. Infatti, sebbene la ricombinazione SRH sia ovviamente correlata con la difettosità del materiale, i vari difetti possono impattare in maniera diversa sul tasso di ricombinazione non radiativa complessivo, a seconda della loro posizione energetica nel diagramma a bande e di altri parametri. L'analisi ha rivelato la presenza di un livello profondo comune a tutti i campioni, denominato “e2” e avente energia di attivazione E_{C}-E_{T}\sim0.7 eV, la cui concentrazione risulta ben correlata con il coefficiente A stimato con misure di tempo di vita differenziale dei portatori. L'origine della ricombinazione SRH nei dispositivi analizzati è stata dunque ricondotta alla presenza di tale difetto. Successive analisi delle cinetiche di intrappolamento hanno poi rivelato che la trappola in questione si comportava come un difetto di tipo esteso. Contemporaneamente, da una approfondita ricerca in letteratura si è visto che livelli profondi simili a quello riportato erano stati già descritti in passato e associati a difetti nativi del GaN, probabilmente vacanze o complessi che esse formano con altre impurità. Per tali ragioni, l'origine del livello “e2” è stato associato a difetti nativi del GaN allineati lungo le dislocazioni del materiale. La seconda sezione del quinto capitolo presenterà due lavori svolti per studiare i meccanismi di degrado dei LED basati su InGaN. Nel primo di essi i dispositivi, appartenenti allo stesso set analizzati precedentemente, sono stati sottoposti a stress ad elevate temperature e corrente costante, che ha provocato un sensibile calo della potenza ottica emessa. Dall'analisi delle variazioni dell'efficienza quantica esterna, della fotoluminescenza e della fotocorrente, è stato dimostrato che in questi dispositivi il degrado è stato causato dall'incremento della ricombinazione SRH e non da un calo dell'efficienza di iniezione. Misure DLTS hanno poi dimostrato che lo stress ha indotto un aumento notevole della concentrazione dello stesso livello profondo “e2” individuato precedentemente, confermando il ruolo chiave di tale trappola nel determinare il tasso di ricombinazione non radiativa in questi LED. Il secondo lavoro si è più focalizzato nello studio delle cinetiche di degrado osservate durante lo stress di un altro set di campioni. In particolare, si è visto che lo stress ha provocato l'accumulo di carica in prossimità della regione attiva dei dispositivi e che l'ammontare di tale carica è risultato correlato linearmente con il coefficiente SRH A . Sia l'accumulazione della carica che l'incremento del coefficiente SRH hanno mostrato una dipendenza dalla radice quadrata del tempo di stress. Tale risultato ha suggerito che il degrado fosse causato da processi di tipo diffusivo, probabilmente diffusione di impurità verso la regione attiva. Inoltre, lo stress ha anche indotto la riduzione della concentrazione di un livello superficiale ( E_{C}-E_{T}\sim0.37 eV) e l'aumento della concentrazione di un livello più profondo ( E_{C}-E_{T}\sim0.9 eV). Queste variazioni nella difettosità del materiale si sono rivelate compatibili con le variazioni osservate nella capacità e nel coefficiente di ricombinazione SRH. In particolare, la maggiore concentrazione del difetto più profondo, che è più efficiente in termini di ricombinazione non radiativa, ha probabilmente causato l'aumento del coefficiente A , mentre la riduzione della concentrazione del livello più superficiale può aver portato all'aumento di capacità osservato. Sulla base di questi risultati sperimentali nonché su altri lavori pubblicati in letteratura, il degrado è stato imputato alla graduale diffusione di impurità, probabilmente magnesio e idrogeno, verso la regione attiva dei dispositivi. La terza ed ultima sezione del quinto capitolo verrà dedicata ad un'analisi dettagliata effettuata sul fenomeno noto come thermal droop. In particolare, è stata osservata una correlazione tra il calo di potenza ottica a seguito dell'aumento di temperatura e la concentrazione dei difetti. Per giustificare queste osservazioni, sono stati analizzati diversi meccanismi che generalmente vengono collegati all'efficienza dei dispositivi: la ricombinazione SRH, l'emissione termoionica dalla buca quantica, il tunneling assistito da fononi e l'emissione termoionica combinata al tunneling attraverso uno stato trappola. Nessuno di questi meccanismi si è rivelato in grado di riprodurre accuratamente i dati sperimentali, nel caso dei dispositivi in esame. Di conseguenza, è stato sviluppato un nuovo modello basato su una estensione del tunneling assistito da fononi a doppio step, dalla buca quantica allo stato trappola, che funge da riserva di elettroni, e da quest'ultimo al bordo della banda di conduzione. Tale modello verrà discusso e verrà in particolar modo mostrato come usando parametri estratti dalle simulazioni e dalle misure DLTS effettuate, sia stato possibile ottenere un'equazione in grado di riprodurre accuratamente i dati sperimentali su tutti i campioni analizzati. Utili informazioni sull’attività di ricerca possono essere trovate negli articoli in cui ha collaborato il candidato ed elencati nella successiva sezione.