Studio e modellizzazione dei meccanismi di degrado e dei difetti nei LED UV basati su AlGaN e nei LED basati su InGaN

This thesis reports the outcomes of an extensive analysis on degradation mechanisms and defects present in AlGaN-based ultraviolet (UV) light emitting diodes (LEDs) and InGaN-based LEDs. The analysis has been carried out in close cooperation with the manufacturers of the devices, to have the possibility to work on state of the art LEDs and reporting feedback on the weaknesses of structures, to improve future generations. By means of purposely planned Accelerated Life Test (ALT) experiments and a combination of advanced characterization techniques, we were able to: (i) propose two models for the optical degradation, (ii) identify and profile defects in the structures, (iii) correlate defects presence with degradation mechanisms, and (iv) simulate device I-V characteristics through T-CAD software. The first part of the thesis is an overview on the most important theoretical concepts of the material used, how devices work and the advanced characterization techniques used. Subsequently, we presented the analysis of commercial UV-B and UV-C LEDs. On UV-B LEDs, thanks to a constant current stress combined with C-DLTS and DLOS analyses, we identified two different defects, one ascribed to Magnesium (Mg) and one to point defects. The first was due to Mg activation during the stress and involved the increase in the conductivity of the p-side of the junction. The second appeared during the ageing and it was correlated to the formation of non-radiative recombination centers (NRRCs). Repeating the stress test on UV-C LEDs, we were able to proposed two optical degradation models, one related to the high current levels and one to the low current levels. First model supposed a decrease in injection efficiency in the active region due to the generation of negative charge; the second one implied the formation of NRRCs assisted by Auger recombination events. The analysis on UV-B and UV-C LEDs continues on the research structures provided by a partner institute. On different UV-C LEDs, we proposed a stress test with the same carrier concentration in the active region to demonstrate the correlation between Auger recombination events and the optical degradation. Starting from the model proposed for commercial devices, we were able to improve it ascribing the degradation mechanisms to the de-hydrogenation of point defects assisted by Auger recombination events. Subsequently, we validated our model applying it also to UV-B LEDs. From the constant current stress tests on these devices, we studied the contact stability (comparing two type of metals used as p-contact) and we performed a complete defects characterization with C-DLTS and TAS. The final part of the thesis deals with the InGaN-based LEDs provided by another research partner. The first generation of devices was composed by a wafer with structures with a superlattice underlayer (SL UL) and a wafer with structures without it. DLOS measurements were performed on this generation and the results led to the identification and the profiling of defects. This allowed us to propose an incorporation model of these traps that act as NRRCs in the active region, and to confirm the efficiency of the inserted SL UL. The following generation of devices was composed by a wafer with structures without the UL and several wafers with structures with the UL, but different types of QW. On these LEDs, we carried out a complete defects characterization, as done in the previous generation, and we confirmed the efficiency of the UL. Moreover, we found an increase in the defects concentration in the QW with the increase in its thickness, confirming the ability of the In-based layers to incorporate defects. Finally, starting from the experimental data extracted from DLOS and LCV, we were able to model the I-V characteristics of devices through a T-CAD simulation software as Synopsys Sentaurus.

In questa tesi sono riportati i risultati di un’estensiva analisi sui meccanismi di degrado e sui difetti presenti nei LED ultravioletti (UV) basati su AlGaN e nei LED basati su InGaN. L’analisi è stata svolta in cooperazione con i produttori dei dispositivi, in modo da poter lavorare sui LED allo stato dell’arte e quindi poter fornire dei feedback sui punti critici delle strutture, per migliorarli nelle successive generazioni. Grazie ai test di vita accelerata pianificati in combinazione con le tecniche di caratterizzazione avanzata, siamo stati in grado di: (i) proporre due modelli per la degradazione ottica, (ii) identificare e proporre un profilo dei difetti nelle strutture, (iii) correlare la presenza dei difetti con i meccanismi di degrado, e (iv) simulare le caratteristiche I-V con un software di simulazione T-CAD. La prima parte della tesi presenta una panoramica sui principali aspetti teorici dei materiali usati, del funzionamento dei dispositivi e delle tecniche avanzate sfruttate per lo studio. Segue un’analisi sui LED commerciali UV-B e UV-C. Nei LED UV-B, grazie ad uno stress a corrente costante, combinato con le analisi C-DLTS e DLOS, abbiamo identificato due diversi difetti, uno attribuito al Magnesio (Mg) e uno a difetti di punto. Il primo è dovuto all’attivazione del Mg durante lo stress e implica l’aumento della conduttività della regione p della giunzione. Il secondo appare durante il test ed è correlato alla formazione di centri di ricombinazione non radiativa (NRRCs). Ripetendo lo stress sui campioni UV-C, siamo stati in grado di proporre due modelli per la degradazione ottica, uno legato ai meccanismi ad alti livelli di corrente e uno ai bassi. Il primo modello suppone un calo dell’efficienza di iniezione nella regione attiva dovuto alla generazione di carica negativa; il secondo implica la formazione di NRRCs assistita da eventi di ricombinazione Auger. L’analisi sui LED UV-B e UV-C è continuata su strutture di ricerca fornite da un istituto con cui collaboriamo. Per i LED UV-C, abbiamo proposto su diversi dispositivi uno stress con la stessa concentrazione di portatori nella regione attiva, per dimostrare la correlazione tra gli eventi di ricombinazione Auger e il degrado ottico. Partendo dal modello proposto per i dispositivi commerciali, siamo stati in grado di migliorarlo attribuendo i meccanismi di degrado alla de-idrogenazione dei difetti di punto assistita dalla ricombinazione Auger. Successivamente, abbiamo validato il nostro modello applicandolo anche ai dispositivi UV-B. Dagli stress a corrente costante su questi ultimi, abbiamo studiato la stabilità del contatto e abbiamo svolto una completa caratterizzazione di difetti con le tecniche C-DLTS e TAS. Anche in questo caso, abbiamo identificato due trappole dovute al Mg posto a diverse profondità nel gap proibito. La parte finale della tesi tratta i LED basati su InGaN forniti da un altro nostro partner di ricerca. Sono state effettuate misure DLOS sulla prima generazione di questi dispositivi, composta da un wafer con strutture aventi un superlattice underlayer (SL UL) e un wafer con strutture non aventi questo SL UL; i risultati di queste misure hanno portato all’identificazione e al profilo dei difetti. Questo ci ha permesso di proporre un modello per l’incorporazione delle trappole che si comportano come NRRCs nella regione attiva, e di confermare l’efficienza dell’UL inserito. La successiva generazione di dispositivi è composta da un wafer senza UL e diversi wafer con UL, ma diverse tipologie di QW. Su questi LED abbiamo abbiamo trovato un incremento nella concentrazione di difetti nella QW con l’aumento del suo spessore, confermando la capacità degli strati in In di incorporare difetti. Infine, partendo dai dati sperimentali estratti dalle misure DLOS e LCV, siamo stati in grado di modellare le caratteristiche I-V dei dispostivi attraverso il software di simulazione T-CAD Synopsys Sentaurus.