This thesis investigates the reliability of state-of-the-art InGaN LEDs for lighting applications and the impact of the diffusion-related mechanisms on optoelectronic GaN-based wafers, with the aim to identify the physical mechanisms responsible for the premature degradation of those devices. By means of custom experimental setups, developed during the triennial research activity, it is possible to identify the dominant failure modes and degradation mechanisms of GaN LEDs subjected to electrical over-stress (EOS), both in forward and reverse bias, and to correlate specific failures with the epitaxy related weaknesses of state-of-the-art LEDs. In particular, to understand the role of defects in the device degradation, advanced techniques such as Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) and Deep-Level Optical Spectroscopy (DLOS) are employed. An extensive analysis aimed to correlate the epitaxial growth parameters (indicated with letters from A to E due to confidentiality agreements) and LEDs electro-static discharge (ESD) robustness in reverse bias is presented. The analysis investigates separately the roles of the epitaxial features on the n- and p-side by means of DC and pulsed characterizations. The results suggest: i) on the n-side, the value of the parameter A is critical in the robustness to ESD events; ii) on the p-side, C is the critical parameter; iii) leakage paths in the structure can act as radiative recombination centers in reverse bias conditions and can be responsible for the failure via junction shorting; iv) nitrogen vacancies may be the physical origin of those defects. The information about the physical mechanisms responsible for degradation are used as a feedback for devices manufacturers, for the improvement of the technological processes. The analysis of the failure modes trigged by EOS events in forward bias describes the power dissipation as the main cause of damage: according to the amount of power delivered to the chip, due to the strong self-heating, the failure can interest the chip (leading to a short-like failure) or the whole package (inducing an open-like failure). Further experiments allow to identify four different regions before the failure of the device: i) radiative recombination is the dominant recombination process and non-uniform band-filling can be detected, ii) by increasing the current density, strong self-heating can be noticed, and then iii) the saturation of the quantum wells (QWs) induces a strong overflow and may lead to additional power dissipation. Finally, (iv) the extreme high current density induces the current crowding effect, leading to a progressive decay of the optical properties of the device and to the device failure. Avalanche generation in state-of-the-art high power InGaN LEDs is detected: the extremely high electric field generated by strong reverse biases triggers band-to-band tunneling, leading to impact ionization. Current-voltage characterizations at cryogenic temperatures detect the shift of IV curves with increasing temperatures, confirming the role of avalanche generation. Further analysis of the electro-luminescence spectral distribution, in this extreme bias conditions, shows that (i) hole and electron pairs generated by the avalanche process recombine radiatively, generating photons, (ii) which are partially re-absorbed in the In-containing layers and n-GaN side and then (iii) re-emitted as internal photoluminescence of the yellow-emitting defects in the n-GaN layer. Experiments on color coded structures with different QW order and electron blocking layer (EBL) Al content show that i) leakage current increase in reverse and low forward bias conditions is related to diffusion, ii) the optical degradation is not dominated by diffusion but is related to the defects propagation triggered by the energy released by SRH recombination, iii) the optical degradation starts from the p-side and iv) the physical origin of those defects are impurities on the AlGaN/GaN interface or nitrogen vacancies.

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.

Analysis of degradation mechanisms induced by electrical over-stress on high efficiency gallium nitride LEDs / Renso, Nicola. - (2019 Dec 02).

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

Renso, Nicola
2019-12-02

Abstract

This thesis investigates the reliability of state-of-the-art InGaN LEDs for lighting applications and the impact of the diffusion-related mechanisms on optoelectronic GaN-based wafers, with the aim to identify the physical mechanisms responsible for the premature degradation of those devices. By means of custom experimental setups, developed during the triennial research activity, it is possible to identify the dominant failure modes and degradation mechanisms of GaN LEDs subjected to electrical over-stress (EOS), both in forward and reverse bias, and to correlate specific failures with the epitaxy related weaknesses of state-of-the-art LEDs. In particular, to understand the role of defects in the device degradation, advanced techniques such as Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) and Deep-Level Optical Spectroscopy (DLOS) are employed. An extensive analysis aimed to correlate the epitaxial growth parameters (indicated with letters from A to E due to confidentiality agreements) and LEDs electro-static discharge (ESD) robustness in reverse bias is presented. The analysis investigates separately the roles of the epitaxial features on the n- and p-side by means of DC and pulsed characterizations. The results suggest: i) on the n-side, the value of the parameter A is critical in the robustness to ESD events; ii) on the p-side, C is the critical parameter; iii) leakage paths in the structure can act as radiative recombination centers in reverse bias conditions and can be responsible for the failure via junction shorting; iv) nitrogen vacancies may be the physical origin of those defects. The information about the physical mechanisms responsible for degradation are used as a feedback for devices manufacturers, for the improvement of the technological processes. The analysis of the failure modes trigged by EOS events in forward bias describes the power dissipation as the main cause of damage: according to the amount of power delivered to the chip, due to the strong self-heating, the failure can interest the chip (leading to a short-like failure) or the whole package (inducing an open-like failure). Further experiments allow to identify four different regions before the failure of the device: i) radiative recombination is the dominant recombination process and non-uniform band-filling can be detected, ii) by increasing the current density, strong self-heating can be noticed, and then iii) the saturation of the quantum wells (QWs) induces a strong overflow and may lead to additional power dissipation. Finally, (iv) the extreme high current density induces the current crowding effect, leading to a progressive decay of the optical properties of the device and to the device failure. Avalanche generation in state-of-the-art high power InGaN LEDs is detected: the extremely high electric field generated by strong reverse biases triggers band-to-band tunneling, leading to impact ionization. Current-voltage characterizations at cryogenic temperatures detect the shift of IV curves with increasing temperatures, confirming the role of avalanche generation. Further analysis of the electro-luminescence spectral distribution, in this extreme bias conditions, shows that (i) hole and electron pairs generated by the avalanche process recombine radiatively, generating photons, (ii) which are partially re-absorbed in the In-containing layers and n-GaN side and then (iii) re-emitted as internal photoluminescence of the yellow-emitting defects in the n-GaN layer. Experiments on color coded structures with different QW order and electron blocking layer (EBL) Al content show that i) leakage current increase in reverse and low forward bias conditions is related to diffusion, ii) the optical degradation is not dominated by diffusion but is related to the defects propagation triggered by the energy released by SRH recombination, iii) the optical degradation starts from the p-side and iv) the physical origin of those defects are impurities on the AlGaN/GaN interface or nitrogen vacancies.
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.
Defects, semiconductors, LED, GaN, gallium nitride, EOS, ESD, Color coded
Analysis of degradation mechanisms induced by electrical over-stress on high efficiency gallium nitride LEDs / Renso, Nicola. - (2019 Dec 02).
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