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

Gallium Nitride is rapidly emerging as a promising material for electronic devices in various fields. Since it is a direct bandgap semiconductor it can be used for highly efficient light emitting devices (Light Emitting Diodes and Laser Diodes) and the possibility of growing alloys containing Aluminum and Indium allow for the selection of the peak wavelength along the whole UV-green part of the radiation spectrum. Moreover, the high electron mobility, the ability of withstand high electric fields and the good thermal dissipation make GaN-based diodes and transistors devices with a good potential for high frequency and power applications. Before final products containing Gallium Nitride devices can permeate the international market, it is required to guarantee that they are reliable enough to have long lifetimes to appeal potential customers, and that their performance/cost relationship is superior compared to other competitors, at least in some specific fields of application. Aim of this thesis is to investigate the strong points of Gallium Nitrides by means of characterization and reliability tests on various different structures (LEDs, laser diodes, blocking diodes, HEMTs, GITs, MISs), in order to analyze the behavior of the material from different points of view. Within this work is reported a detailed study of the gradual degradation of InGaN-based laser diodes and Light-Emitting Diodes submitted to electro-thermal stress. The purpose is to compare the behavior of the two devices by means of electro-optical measurements, electroluminescence characterization, near field emission measurements and Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) investigation in order to give a deeper understanding of the mechanisms involved in LD degradation. Particular attention is given to the role of injection efficiency decrease and non-radiative recombination. The comparison of the degradation kinetics and an analysis of the degradation modes of the two device structures allowed a complete study of the physical mechanisms responsible for the degradation. It was found that the degradation of the devices can be ascribed to an increase of the defect density, which has a strong impact on non radiative recombination kinetics. The activation energy of the detected deep level is 0.35 - 0.45 eV. As an effect of combined electrical and thermal stress tests on commercially-available InGaN-based blue laser diodes, it has been found that sometimes there is an initial decrease of the threshold current, which is ascribed to the increase of the activation of p-type dopant, promoted by the temperature and the flow of minority carriers. In order to investigate the effects of the creation of defects, two different commercial blue InGaN-based LEDs were submitted to 3 MeV proton irradiation at various fluencies (10^11, 10^12 and 10^13 p/cm2). The degradation process was characterized by combined current-voltage (I - V), optical power-current (L - I) and capacitance-voltage (C - V) measurements, in order to investigate the changes induced by the irradiation and the recovery after annealing time at high temperature (150 °C‰). The experimental data suggest the creation of non-radiative recombination centers near or into the active region of the LEDs, due to atomic displacement. This hypothesis is confirmed by the results of the recovery tests: the increase of the optical power and its correlation with the recovery of the forward current is consistent with the annealing of those defects. Part of the activity on high electron mobility transistors was devoted to the realization of measurement setups in order to carry out novel characterization techniques. Were analyzed the advantages and limitations of the current-transient method used for the study of the deep levels in GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs), by evaluating how the procedures adopted for measurement and data analysis can influence the results of the investigation. The choice of the measurement parameters (such as the voltage levels used to induce the trapping phenomena and monitor the current transients and the duration of the filling pulses) and of the analysis procedure (the method used for the extrapolation of the time constants of the processes) can influence the results of the drain current transient investigation and can provide information on the location of the trap levels responsible for current collapse. Moreover, was collected a database of defects described in more than 60 papers on GaN and its compounds, which can be used to extract information on the nature and origin of the traps in AlGaN/GaN HEMTs. Using this newly developed technique and other more common tests, several reliability and lifetime test were carried out on various structures, in order to gain a better understanding of their problematic aspects and possible improvements. One potential variation is the composition of the gate stack. Degradation tests were performed at Vgs = -5 V and increasing Vds levels on GaN HEMTs with different gate materials: Ni/Au/Ni, ITO and Ni/ITO. At each step of the stress experiment, the electrical and optical characteristics of the transistors were measured in order to analyze the degradation process. It was found that stress induces a permanent degradation of the gate diode, consisting in an increase in the leakage current. This change is due to the generation of parasitic conductive paths, as suggested by electroluminescence (EL) mapping, and devices based on ITO showed higher reliability. These data strongly support the hypothesis that the robustness is influenced by processing parameters and/or by the gate material, since all analyzed devices come from the same epitaxial wafer. Other than varying the gate material, it is possible to add a p-type layer under the gate in order to achieve normally-off operation. This change produces a benefit in terms of performances, but can give birth to unusual trapping phenomena. It was carried out an extensive analysis of the time and field-dependent trapping processes that occur in GaN-based gate injection transistors exposed to high drain voltage levels. Results indicate that, even if the devices do not suffer from current collapse, continuous exposure to high drain voltages can induce a remarkable increase in the on-resistance (Ron). The increase in Ron can be recovered by leaving the device in rest conditions. Temperature-dependent analysis indicates that the activation energy of the detrapping process is equal to 0.47 eV. By time-resolved electroluminescence characterization, it is shown that this effect is related to the capture of electrons in the gate - drain access region. This is further confirmed by the fact that charge emission can be significantly accelerated through the injection of holes from the gate. A first-order model was developed to explain the time dependence of the trapping process. Using other deep levels characterization techniques, such as drain current transients, gate frequency sweeps and backgating, several other trap states were identified in these devices. Their activation energies are 0.13, 0.14, 0.25, 0.47 and 0.51 eV. During the accelerated lifetime tests of these devices, it was found a variation of the relative amplitude of the transconductance peaks, well correlated with the increase of the electroluminescence. This effect can be explained by the activation of the p-type dopant, a phenomenon which was detected also in laser diodes. It is possible to develop diodes able to withstand very high reverse voltages using a similar structure, deprived of the gate region and with an additional Schottky diode (Natural superjunction). In this case, the activation energies of the detected deep levels were 0.35, 0.36, 0.44 and 0.47 eV. These values are very similar to the ones found in GITs, and this fact, along with the presence of the p-dopant activation in very different devices, confirms that it is useful to study different structures based on the same material in order to gain more knowledge on its performances, possibilities and reliability aspects.

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.