GaN optoelectronic devices for future applications: solid-state lighting, biomedical instrumentation and data storage. Studio di livelli elettronici profondi in dispositivi optoelettronici al nitruro di gallio: caratterizzazione elettrica e ottica

Scopo di questo progetto è l'indagine approfondita dei meccanismi all'origine dell'invecchiamento e l'analisi del danno in dispositivi emettitori di luce (LED, UV-LED e Laser) con multi-quantum wells di InGaN/GaN. A questo fine prove di invecchiamento dei LEDs saranno effettuate seguendo varie procedure: 1) passaggio di bassa corrente per tempi lunghi a temperatura ambiente, 2) stoccaggio dei LEDs per tempi lunghi ad alta temperatura, 3) stress dei dispositivi con alti livelli di corrente ad alta temperatura. Nell'ambito di questo progetto l'Unita' di ricerca di Bologna (UNI-BO) studierà le proprietà elettroniche dei difetti in LEDs non sottoposti ad invecchiamento e l'evoluzione di tali difetti durante le prove di invecchiamento. In dettaglio, UNI-BO analizzerà la posizione nella banda proibita dei livelli elettronici associati a difetti, la loro localizzazione spaziale nella struttura dei LEDs e con quali meccanismi essi influiscono sulle proprietà di trasporto ed ottiche dei LEDs. In ricerche precedenti è stato chiarito che il fenomeno di invecchiamento dei LED di InGaN/GaN è principalmente dovuto alle variazioni della distribuzione del drogante e alla diminuzione dell'emissione ottica dovuta anche all'aumento della resistenza serie. Non è ancora chiaro il peso di questi due contributi né la loro origine (migrazione del drogante, evoluzione di difetti complessi, modifica dei contatti, ecc). Nondimeno, risulta evidente che e' opportuno adottare diverse strategie per valutare quantitativamente i meccanismi che controllano l'invecchiamento dei LED. Una strategia consiste nel sottoporre i LED a stress elevato con bassa corrente per tempi lunghi, un'altra nel sottoporre ad alta temperatura i dispositivi per lunghi tempi di immagazzinamento. Ulteriori informazioni si ricaveranno poi dal simultaneo stress dei dispositivi ad alta corrente ed alta temperatura. Tutti questi tests devono essere monitorati per evidenziare eventuali effetti di soglia. L'attività' di ricerca dell'Unita' di Bologna e' di seguito descritta. L'Unità di ricerca di Bologna (UNI-BO) collaborerà con l'Unità di ricerca di Padova (UNI-PD) per studiare la correlazione tra le caratteristiche capacità - tensione(C-V) dei dispositivi per optoelettronica in InGaN in esame (diodi emettitori di luce, LEDs, con InGaN/GaN quantum wells (QW)) misurate da UNI-PD e la presenza di centri elettricamente attivi, rivelati da UNI-BO, che controllano l'attività di ricombinazione dei dispositivi di partenza e di quelli invecchiati. Per prima cosa UNI-BO analizzerà questi centri con la tecnica DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) con la procedura convenzionale di Lang et. al [1] per determinarne l'energia di attivazione Ea (più precisamente, l'entalpia), la sezione d'urto di cattura e la concentrazione Nt mediata sulla regione di svuotamento. Il ruolo dei livelli elettronicamente attivi sarà anche analizzato mediante spettroscopia di fotocorrente (PC). Modelli di simulazione verranno sviluppati per una più approfondita comprensione degli spettri di efficienza quantica. Queste analisi procederanno di pari passo con analisi EBIC (Electron Beam Induced Current) mediante le quali verrà studiata la distribuzione spaziale dei difetti elettricamente attivi, e l'eventuale variazione dell'intensità dell'attività elettrica in funzione di diverse condizioni di invecchiamento. I risultati ottenuti verranno confrontati con quelli ricavati dall'Unita' di Parma (UNI-PR) mediante misure di elettroluminescenza (EL) e catodoluminescenza (CL) e dall'Unita' di Firenze (UNI-FI) con fotoluminescenza (PL) e scanning near-field optical microscopy (SNOM) in modo da valutare l'influenza dell'invecchiamento su transizioni radiative e non radiative che, a loro volta, determinano l'efficienza ottica dei LED e la loro resistenza serie. Le caratteristiche elettriche e ottiche verranno correlate ad analisi strutturali condotte dall'Unita' di Cagliari (UNI-CA) in modo da ottenere informazioni microstru...