Extensive study of reliability and performances of next generation GaN light emitting devices

This thesis reports the results of a three-year extensive analysis carried out on Light Emitting Diodes (LEDs), Laser Diodes (LDs) and test structures based on Gallium Nitride (GaN) technology. The principal focus of the thesis has been the reliability study of GaN-based next generation optoelectronic devices. The degradation analysis has been carried out in collaboration with manufacturers leading the market for optoelectronic applications, in particular: Panasonic Corp, Osram OS, Sensor Electronic Technology Inc. The purpose of the reliability analysis is to understand: i) what are the effects of the degradation on device's performances and characteristics, ii) which ageing conditions are responsible for degradation iii) which are the degradation modes and mechanisms taking place during the device lifetime, iv) which is the lifetime of the optoelectronic devices when subjected to the operating conditions. The reliability analysis will be obtained by means of standard and accelerated lifetime stress tests; devices will be therefore subjected to several operating conditions with different current, temperature, optical power and voltage in order to obtain the required data necessary fo reliability study and relative analysis. The complete results of the research activity carried out during the Ph.D. period of the candidate are described in the following chapters and appendixes. The main results on the reliability of different optoelectronic devices are summarized in the following: 1 - For InGaN (Indium Gallium Nitride) Blue laser diode (LD) the degradation is an electro-thermal activated phenomena. The degradation mode is detected as an increase of the LD threshold current. Degradation kinetic is proportional to the square root of stress time, and the degradation is proportional to the stress current. Temperature acts as an accelerating factor, since pure thermal stress does not significantly modify the LD characteristics. The intensity of the coherent optical field taking place inside the optical cavity during lasing operation does not instead significantly influence the degradation. The non radiative lifetime is strongly correlated with the threshold current increase. 2 - InGaN LED-like samples, with the same epitaxial structure as LD devices, have been subjected to the ageing conditions used for LDs (current density and temperature). Results demonstrate that the LED-like optical power (OP) decrease kinetic is well correlated with the LD Ith increase. The OP decrease during degradation is also proportional to the square root of stress time. 3 - The degradation kinetics of Deep Ultra Violet AlGaN (Aluminum Gallium Nitride) LEDs have only a weak dependence on the junction temperature level, while they are strongly dependent on the stress current level. In addition, pure thermal stress did not determine a significant degradation of the devices. A number of devices showed catastrophic degradation, with sudden decrease in their optical output. After catastrophic degradation the LEDs behaved as short circuits. By means of failure analysis it has been demonstrated that catastrophic failure is due to the poor definition of the mesa during processing. The generation of localized short-circuit paths in parallel to the junction is caused by an excessive electrical field related to the spike shaped border of the mesa itself. 4 - Green InGaN LEDs can be substantially damaged by reverse bias polarization. The degradation can be ascribed to the generation/propagation of point defects due to the injection of highly accelerated carriers.During reverse biasing a localized spot luminescence is detected. Leakage current is strongly correlated to the presence of reverse-bias luminescence. 5 - Different ageing mechanisms are present for InGaN violet LEDs emitting at 420nm: i) a fast electrical and capacitive degradation probably related to a Mg passivation; ii) an OP degradation at high injection regime probably related to defect density increase, iii) a gradual OP increase at low injection regime correlated to an apparent charge decrease in QW region and possibly ascribed to a reduction of Diagonal Tunnelling during ageing, iv) a sudden decrease of OP caused by a localized ohmic shunt path. 6 - The results of the reliability study on InGaN low flux White LEDs indicate that: (i) stress can induce both the gradual and catastrophic degradation of the LEDs; (ii) the degradation kinetics can be influenced by the stress temperature level, while they have no significant dependence on the stress current level; (iii) stress can induce a strong degradation of the chromatic properties of the analyzed devices; (iv) degradation can be correlated to the worsening of the optical properties of the phosphor-encapsulating material and of the package; (v) catastrophic failure is correlated to the generation of parasitic shunt paths; (vi) after stress a number of devices showed increased thermal resistance, due to the partial detachment of the chip from the package.Questa tesi di dottorato descrive i risultati ottenuti durante un periodo di studio di tre anni su diodi emettitori di luce (LED), diodi laser (LD) ed altre strutture di test basate su Nitruro di Gallio (GaN). Il principale scopo di questa tesi è lo studio dell'affidabilità di dispositivi optoelettronici di nuova generazione cresciuti su GaN. Grazie alla collaborazione di diversi produttori esterni leader di settore come: Panasonic Corp., Osram OS e Sensor Electronic Technologies, è stato possibile studiare diversi dispositivi allo stato dell'arte per prestazioni e tecnologie realizzative. Lo scopo dell'analisi di affidabilità è quello di comprendere nel modo più dettagliato possibile: i) quali sono gli effetti del degrado sulle performance e caratterische dei dispositivi, ii) quali condizioni operative sono responsabili del degradado, iii) quali modi e meccanismi di guasto avvengono durante il tempo di vita del dispositivo, iv) il tempo di vita dei dispositivi quando vengono sottoposti alle condizioni operative. Gli studi di affidabilità sono stati ottenuti sfruttando tecniche di stress accelerato. Sono state inoltre variate di volta in volta le condizioni operative, in particolare temperatura, corrente, potenza ottica e tensione applicata. E' stato quindi possibile ottenere una caratterizzazione completa dei meccanismi di degrado dei dispositivi testati. I risultati ottenuti sono descritti dettagliatamente nei capitoli e nelle appendici successive. Di seguito sono riassunti i principali risultati sull'affidabilità ottenuti su diversi dispositivi optoelettronici: 1 - Per i diodi laser blu basati su InGaN (Indium Gallium Nitride) il degrado è stato dimostrato essere un fenomeno elettro-termicamente attivato. Il modo di guasto si presenta come un aumento della corrente di soglia Ith durante la vita del dispositivo, nessuna sostanziale modifica è stata invece rivelata per l'efficiensa differenziale (SE). La cinetica di degrado è proporzionale alla radice quadrata del tempo di stress, mentre l'intensità del degrado dipende linearmente dalla corrente di polarizzazione. La temperatura agisce come un fattore di accelerazione del degrado, le proprietà dei dispositivi non sono infatti influenzate in modo sensibile da stress test puramente termici. Il campo ottico presente all'interno della cavità ottica e nella regione attiva non ha influenza diretta sull'affidabilità dei diodi laser. E' stato inoltre dimostrato come la variazione del coefficiente di ricombinazione non radiativo sia fortemente correlato con il degrado delle caratteristiche ottiche del dispositivo 2 - Alcuni dispositivi LED-like, con la stessa struttura epitassiale dei Laser diode, sono stati sottoposti a test di affidabilità con le stesse condizioni di quelle dei LD (densità di corrente e temperatura). I risultati hanno dimostrato un calo della potenza ottica proporzionale a quello della variazione della $I_{th}$ dei LD. Anche nel caso dei LED-like il degrado è proporzionale alla radice del tempo di vita. 3 - Le cinetiche di degrado di Deep Ultra Violet LED basati su AlGaN (Aluminum Gallium Nitride) sono influenzate solo in modo minimo dalla temperatura di giunzione, mentre dipendono fortemente dalla corrente di stress. Anche in questo caso uno stress puramente termico non induce un degrado sensibile nei dispositivi testati. Un certo numero di dispositivi ha inoltre evidenziato un degrado catastrofico, ovvero un'improvvisa e sostanziale diminuzione della potenza ottica emessa, durante i test di affidabilità. Questo fenomeno è legato ad una scarsa definizione dei bordi della struttura LED che causano un localizzato aumento del campo elettrico e la conseguente creazione di percorsi di conduzione che cortocircuitano la giunzione del diodo stesso. 4 - E' stata valutata l'affidabilità di Diodi LED con emissione sul verde basati su InGaN sottoposti ad una polarizzazione inversa della giunzione. Il meccanismo di guasto si la creazione di difetti puntuali che agiscono come centri di generazione/ricombinazione a causa dell'iniezione di cariche altamente accelerate nella giunzione. Durante la polarizzazione inversa è stato inoltre dimostrato un meccanismo di elettroluminescenza puntuale. Tale meccanismo di elettroluminescenza è strettamente legato alla corrente di leakage. 5 - Diversi meccanismi di invecchiamento sono invece presenti nei dispositivi LED basati su InGaN con emissione nel violetto (420 nm). i)degrado rapido delle caratteristiche elettriche e capacitive probabilmente dovuto ad un calo del drogante Mg di tipo p, ii)degrado delle caratteristiche ottiche agli alti livelli di iniezione dovuto ad un possibile aumento della densità di difetti, iii)incremento graduale della OP alle basse iniezioni di corrente correlato con la diminuzione della densità di carica apparante nella regione delle QW ed imputabile ad un calo della corrente di Diagonal Tunnelling durante l'invecchiamento del dispositivo, iv)diminuzione repentina della OP in seguito alla creazione di meccanismi di conduzione resistivi localizzati nelle zone dei contatti di tipo n. 6 - Sudi di effidabilità effettuati su LED bianchi cresciuti in InGaN indicano che: i) lo stress elettrotermico può indurre sia degrado graduale che catastrofico dei dispositivi, ii) le cinetiche di degrado sono influenzate maggiormente dalla temperatura di invecchiamento, mentre il livello di corrente non ha un grande effetto sul degrado dei dispositivi, iii) le proprietà cromatiche dei dispositivi possono essere profondamente influenzate durante il degrado, iv) il degrado è imputabile al deterioramento delle caratteristiche del materiale di incapsulamento che contiene i fosfori ed al package, v) il degrado catastrofico è legato alla generazione di percorsi parassiti di conduzione di tipo shunt; vi) Al termine dei test di degrado alcuni dispositivi mostrano un sostanziale aumento della resistenza termica a causa del distacco parziale del chip dalla superficie di contatto