Defect analysis, characterization, and TCAD modeling of far UV-C AlGaN-based LEDs with different growth rate of the MQW active region

The primary aim of this thesis is to investigate how the growth rate of the active region influences electrical and optical characteristics of AlGaN-based ultraviolet (UV) lightemitting diodes (LEDs). These LEDs have multi-quantum wells (MQWs) in the active region, the p-doping in the p-side is provided with a polarization-doped layer (PDL), and they operate in the far UV-C range. The devices are provided by Prof. Tim Kolbe from by Ferdinand Bräun Institute (FBH) of Berlin, and they are divided in four groups, one per growth rate of the active region. Initial current-voltage (I-V) and light-current (L-I) characterizations show the differences between the groups in terms of leakage current, threshold voltage and optical emission. Power spectral density (PSD) analysis provides details about the main emission peak and parasitic ones. We leverage on capacitance-voltage (C-V) measurements to determine which are the correct parameters to investigate the active region of the devices for all the following measurements. Since variations in the growth rate can impact overall material quality, close attention has been paid to the identifications of defects via capacitance deep level transient spectroscopy (C-DLTS) and capacitance deep level optical spectroscopy (C-DLOS) techniques. These measurements allow to estimate the concentration, activation energy and band distribution of traps. In parallel to the experimental characterization, we reproduced the devices structure on Synopsys Sentaurus TCAD. With these techniques we obtained: (i) a clear trend that indicates that leakage current is more diffused in samples with faster growth rate; (ii) the identification of a common defect across all the devices, likely associated to nitrogen vacancies or impurities; (iii) the correct match of the I-V characteristic with our TCAD model.

Lo scopo principale di questa tesi è comprendere come la variazione della velocità di crescita della regione attiva influenzi le caratteristiche elettriche e ottiche di diodi a emissione di luce (LED) ultravioletti (UV) basati sul materiale ternario AlGaN. Questi LED hanno pozzi quantici multipli (MQW) nella regione attiva e il doping della regione p è dato da uno strato drogato per polarizzazione (PDL) e operano nel range UV-C. I dispositivi sono stati forniti dal Prof. Tim Kolbe del Ferdinand Bräun Institute (FBH) di Berlino e sono suddivisi in quattro gruppi da dieci campioni ciascuno, in base alla velocità di crescita della loro regione attiva. Le caratterizzazioni elettriche (I-V) e ottiche (L-I) iniziali mostrano le differenze tra i vari gruppi in termine di correnti parassite (leakage current), tensione di soglia ed emissione ottica. L’analisi della densità spettrale di potenza (PSD) fornisce dettagli sul picco di emissione principale e su quelli parassiti. Abbiamo sfruttato le misure capacità- tensione (C-V) per determinare quali siano i parametri corretti per investigare la regione attiva dei dispositivi nelle misure successive. Poiché le variazioni nella velocità di crescita della regione attiva possono avere un impatto sulla qualità complessiva del materiale, è stata prestata particolare attenzione all’identificazione dei difetti tramite tecniche di spettroscopia transitoria di livelli profondi in capacità (C-DLTS) e spettroscopia ottica di livelli profondi in capacità (C-DLOS). Queste misurazioni ci hanno permesso di stimare concentrazione, energia di attivazione e distribuzione in banda delle trappole. In parallelo alla caratterizzazione sperimentale, abbiamo riprodotto la struttura dei dispositivi su Synopsys Sentaurus TCAD. Con queste tecniche abbiamo ottenuto: (i) una tendenza che indica che la corrente di leakage è più diffusa nei campioni con velocità di crescita maggiore; (ii) l’identificazione di un difetto presente in tutti i dispositivi, probabilmente associato a vacanze di azoto o impurità; (iii) la corretta corrispondenza della curva I-V con il nostro modello TCAD.