Contatti ohmici su GaN

L’appropriato design dei contatti elettrici è di fondamentale importanza per il cor-retto funzionamento di tutti i dispositivi micro-elettronici: essi devono garantire una bassa resistività (in modo da ridurre la caduta di potenziale e minimizzare le perdite per effetto Joule), costituire un sistema chimicamente stabile e (per alcuni dispositivi optoelettronici) essere trasparenti a determinate lunghezze d’onda. A seconda delle proprietà elettroniche del semiconduttore e dei materiali compatibili alla formazione dell’elettrodo esistono due tipologie di contatti “ohmici” a bassa resistività: Schott-ky e basati su effetto tunnel. Nei contatti SchottSchott-ky “ohmici” la (fittizia) barriera di potenziale che i portatori vedono tra metallo e semiconduttore ha un’altezza tale da permetterne il naturale trasferimento senza ostacoli. Nel secondo caso, invece, sono

2.4. Drogaggio e contatti ohmici

le componenti di tunnelling attraverso la barriera stessa a contribuire al passaggio di corrente.

(a) (b)

Figura 2.9: Schematizzazione del diagramma a bande di un sistema metal-lo/semiconduttore di tipo n per un contatto Shottky (a) e per un contatto basato su effetto tunnel (b). Legenda: ΦM è la funzione lavoro del metallo, χ e ΦS sono ri-spettivamente l’affinità elettronica e la funzione lavoro del semiconduttore bulk, mentre ΦB è l’altezza della barriera di potenziale (detta barriera di Shottky) che gli elettroni nel metallo vedono verso il semiconduttore.

A causa della presenza di stati superficiali e del pinning del livello di Fermi il reale allineamento delle bande nel semiconduttore non è mai quello predetto dalla teoria, sicché un contatto ohmico come quello riportato in Fig. 2.9a, specialmente su GaN, non è realizzabile. Come già accennato, per evincere la barriera di potenziale tra me-tallo è semiconduttore è allora necessario o ridurre l’altezza della barriera (aumentando quindi la componente di emissione termoionica oltre la barriera) o ridurne la larghezza, favorendo l’effetto tunnel. Fissato il semiconduttore, l’altezza della barriera dipende, nella maggior parte dei casi, dalla sola funzione lavoro del metallo: diversi studi, si veda [39], hanno mostrato come il valore di ΦB = Φ_M − χ_S rimanga tuttavia piuttosto elevato per tutti i conduttori tecnologicamente disponibile alla contattazione del Nitru-ro di Gallio di tipo n. Quello che viene tipicamente fatto al fine di restringere piuttosto che abbassare la barriera, dunque, è un pesante (ND > 1017cm⁻³) drogaggio dell’in-terfaccia del semiconduttore: il sistema metallo semiconduttore siffatto è descritto nel diagramma a bande di Fig. 2.9b

La realizzazione pratica di questa tipologia di contatti comporta una serie di incon-venienti, per lo più dovuti all’instabilità chimica del contatto stesso. Il più gravoso è dato dalla tendenza degli atomi del metallo a diffondere verso il semiconduttore, do-ve, con la progressiva migrazione attraverso le dislocazioni, possono degradare se non

addirittura mettere in corto il dispositivo. La soluzione più efficace in questo caso è l’inserimento, tra il GaN e il contatto, di un sottile strato barriera metallico che si opponga alla diffusione. Tali layer sono tipicamente realizzati con leghe M-N a bassa funzione lavoro, dove M rappresenta un appropriato metallo come Ti, Ta, Zr, Co. Co-sì facendo non solo se ne semplifica l’inclusione nel sistema, dato che con opportune reazioni vengono sfruttati proprio gli atomi di Azoto presenti nel GaN, ma si aumenta “l’efficienza” del sistema stesso: le vacanze di Azoto hanno infatti carattere “donore” che va ad accrescere il già arricchito drogaggio superficiale. Di contro, una tale struttu-razione del contatto risulta (a sua volta) instabile ad elevate temperature, richiedendo l’ausilio di ulteriori layer di protezione e di un’accorta scelta delle temperature e della durata dell’annealing.

Se, storicamente, il controllo del drogaggio accettore nel Nitruro di Gallio di tipo p è stato il freno maggiore allo sviluppo dei dispositivi basati su semiconduttori III-N, lo sviluppo dei contatti su questo tipo di materiale non ha certo riservato minori difficoltà. Oltre che alla bassa concentrazione di lacune dovuta all’elevata energia di ionizzazione del Magnesio accettore, infatti, la ricerca si è dovuta scontrare con l’assenza di opportuni metalli ad elevata funzione lavoro (per i metalli comunemente utilizzati è < 5 eV) e con la tendenza del GaN durante il processing a cedere atomi di Azoto, le cui vacanze possono addirittura indurre una conversione a conduzione n della superficie del contatto [40]. Anche le proprietà ottiche del contatto di tipo p sono di fondamentale importanza per l’aumento dell’efficienza di estrazione dei LED: a seconda della particolare struttura del dispositivo, infatti, possono rivelarsi più o meno necessarie la modulazione dell’indice di rifrazione, la trasparenza o la riflettività del contatto stesso. Per far fronte a queste problematiche, diversi schemi di contattazione basati su metalli ad elevata funzione lavoro (Pd, Pt, Ni, Cr) con overlayer di Au [41], su ITO (Indium Thin Oxide)[42] o su strutture Ni/Au con riflettore in Ag [43] sono stati proposti e sperimentalmente validati. Tutto ciò ha portato all’ottenimento di resistenze specifiche di contatto nell’ordine di 10−4Ω cm², più che accettabili per l’implementazione nei device optoelettronici.

Capitolo 3

Il LED: Struttura e Proprietà

Il meccanismo fisico su cui si basa il funzionamento di un LED come sorgente luminosa è l’emissione spontanea. In breve, tale processo prevede che una particella (elettrone), in seguito ad una transizione di stato energetico, rilasci l’energia in disavanzo sotto forma di un fotone, ovvero un quanto di radiazione elettro-magnetica. Massimizzando il rate con cui tale processo avviene, quindi, è possibile aumentare l’output ottico della sorgente a semiconduttore. Per fare ciò è innanzitutto necessario aumentare la concentrazione di particelle che possono partecipare a questo tipo di evento quanto-meccanico: in questo senso, la scelta di una struttura “diode-like” su cui si basano le moderne sorgenti luminose a stato solido è la più conveniente.

Partendo da questo assunto, in questo capitolo verranno analizzate la struttura e le proprietà ottiche ed elettriche del diodo ad omo ed etero-giunzione, approfondendo innanzitutto i processi fisici responsabili della sua caratteristica emissione luminosa, ed i loro antagonisti. Si farà poi riferimento a come l’evoluzione della struttura a bande e della conformazione geometrica del chip di semiconduttore abbia permesso notevoli aumenti nell’efficienza complessiva del dispositivo, concludendo con una panoramica dei principali meccanismi di degrado che affliggono i moderni LED.

3.1 I processi di ricombinazione

Ad un livello macroscopico l’analisi dell’interazione onda-materia prevede la risolu-zione delle equazioni Maxwell in uno mezzo di propagarisolu-zione definito da opportune condizioni al contorno e caratterizzato fisicamente tramite i parametri di conducibi-lità, permettività dielettrica e permeabilità magnetica. L’interazione della radiazione elettromagnetica con un semiconduttore, tuttavia, è molto più peculiare a causa dei

processi banda a banda che si possono instaurare. In base ai valori di energy gap Eg e di energia dei fotoni Eph= hf in gioco posso essere distinte tre casistiche d’interazione: • Eph < Eg: l’interazione è debole e non coinvolge processi banda a banda, ma solo la risposta “dielettrica” del materiale (transizioni intrabanda). È il caso di onde RF, microonde e radiazione nel lontano infrarosso.

• Eph ≈ E_g e Eph > E_g: la luce interagisce in maniera forte attraverso i processi banda a banda, causando le generazione/ricombinazione di coppie elettrone lacu-ne (e−h) e contribuendo all’assorbimento di fotoni. Sono i tipici processi causati dall’interazione con luce UV, visibile e con radiazione nel vicino infrarosso. • Eph  E_g: in questo contesto prendono piede interazioni ionizzanti ad elevata

energia; esse generano coppie (e − h) molto energetiche che, attraverso processi a valanga, possono e loro volta generarne delle altre. Le energie di radiazione corrispondono in questo caso a quelle dei raggi X.

A livello microscopico i processi (ottici) banda a banda, i quali coinvolgono almeno una coppia elettrone-lacuna ed un fotone, sono fondamentalmente tre, schematizzati in Figura 3.1:

• Assorbimento Il fotone cede la sua energia ad un elettrone nella banda di va-lenza, dove, grazie alla sua promozione in banda di conduzione, si genera una lacuna.

• Emissione stimolata Un fotone stimola la ricombinazione di una coppia (e−h) la quale emette un secondo fotone avente frequenza e vettore d’onda k pari al primo. Poichè il secondo fotone è coerente con la radiazione elettro-magnetica (EM) incidente, esso ne aumenta l’ampiezza.

• Emissione spontanea Un fotone è emesso in modo spontaneo come conseguenza di un evento di ricombinazione (e−h). L’emissione del fotone è incoerente e causa l’eccitazione di un nuovo campo EM a (relativamente) largo spettro.

Le regole dell’interazione fotone-elettrone sono stabilite dalla meccanica quantistica attraverso l’ausilio della teoria della perturbazioni. Quest’ultima identifica due insie-mi di condizioni che devono essere soddisfatte affinché la particolare interazione possa avvenire, o per meglio dire, possa essere quantisticamente probabile. Il primo vinco-lo, similmente a quanto avviene nella meccanica degli urti, sancisce la conservazione dell’energia e del momento complessivo del sistema (da cui il già citato vantaggio dei semiconduttori a gap diretto). Il secondo set di regole, dette nello specifico regole di

3.1. I processi di ricombinazione

Figura 3.1: In ordine: schematizzazione dei processi di emissione stimolata, di emissione spontanea e di assorbimento

selezione, è invece basato su una dettagliata analisi quanto-meccanica del sistema pre e post interazione elettro-magnetica, mirata a verificare la compatibilità delle funzioni d’onda degli stati energetici di partenza e di arrivo della transizione. Questi vincoli, uniti alle specifiche densità di stati disponibili, vanno a delineare il particolare profilo di assorbimento/emissione di un semiconduttore.

Verranno ora analizzate le meccaniche con cui i processi di generazione/ricombinazione si instaurano all’interno del semiconduttore, con particolare riferimento a quei pro-cessi di ricombinazione non radiativa che limitano l’efficienza dei moderni dispositivi optoelettronici.