• droop
• field-plate
• HEMT
• LED
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L'optoelettronica è uno dei settori dell'ingegneria in cui diversi dispositivi e tecnologie sono combinati insieme, integrando trasduttori, sensori, amplificatori e processori in sistemi eterogenei. L'industria dei semiconduttori gioca chiaramente un ruolo chiave, dovendo definire il modo più veloce ed efficace per trasformare i più recenti risultati della ricerca scientifica in processi di produzione su larga scala.
L'attività di ricerca riportata in questo lavoro riguarda due diverse tecnologie di dispositivo a semiconduttore con applicazioni nel campo dell'optoelettronica: l'High Electron Mobility Transistor (HEMT) basato su fosfuro d'indio (InP) e il Light-Emitting Diode (LED) basato su nitruro di gallio (GaN). Due diverse strutture di dispositivo, incentrate su diversi materiali, con diverse funzionalità, che sfruttano tuttavia la stessa tecnologia di base (le eterostrutture a semiconduttori composti) e, per questo motivo, condividono problematiche di materiale/dispositivo, modelli fisici e approcci di simulazione.
L'HEMT in InP è il miglior dispositivo elettronico per ciò che riguarda prestazioni di velocità e/o frequenza, e trova applicazioni nelle comunicazioni wireless e ottiche, imaging passivo e analisi atmosferiche. Grazie alla compatibilità a livello wafer con laser in InP, questi HEMT sono i transistor che permetteranno la realizzazione di circuiti optoelettronici monolitici integrati. La prima parte del mio dottorato è stata dedicata alla progettazione, caratterizzazione e ottimizzazione di InP HEMTs ad alta tensione. La capacità in tensione di questi dispositivi è stata migliorata introducendo un cosiddetto "field-plate", ottimizzato e inserito nella struttura del dispositivo. Questi HEMT dotati di field-plate sono stati progettati attraverso simulazioni numeriche di dispositivo, per poi essere fabbricati e caratterizzati. Questa nuova tecnologia sviluppata ha il potenziale necessario per rendere possibile la fabbricazione di amplificatori di potenza ad alta efficienza, ricetrasmettitori integrati e amplificatori a basso rumore (LNAs) più robusti.
La seconda parte del mio dottorato si è invece incentrata su LED in GaN. Questi emettitori di luce hanno praticamente saturato il mercato della retroilluminazione LCD (cellulari, PC e display) e hanno già iniziato la penetrazione in quello molto più ampio dell'illuminazione, spiazzando le lampade ad incandescenza e fluorescenza grazie all'efficienza superiore. Per essere utilizzati per l'illuminazione, tuttavia, i LED devono funzionare ad alte correnti. Sotto queste condizioni, i LED in GaN sono sfortunatamente affetti dal cosiddetto "efficiency droop", un fenomeno penalizzante che diminuisce l'efficienza quantica interna dei LED all'aumentare della corrente di funzionamento, riducendo pertanto significativamente il vantaggio competitivo di questi dispositivi nei confronti delle lampade a fluorescenza. L'origine fisica del droop è ancora incerta e oggetto di intenso dibattito all'interno della comunità scientifica. Inoltre, sono state proposte diverse modifiche tecnologiche in modo da mitigare l'effetto, ma una soluzione definitiva non è stata ancora individuata. La mia ricerca in questo ambito si è basata su di una analisi sistematica, incentrata su simulazione, dei meccanismi che possono generare il droop e delle relative modifiche tecnologiche. L'analisi ha indicato che un droop che ha l'intensità tipica osservata nei dispositivi reali può essere difficilmente giustificato da un punto di vista fisico (nell'ipotesi che un solo meccanismo domini sugli altri), suggerendo quindi un'origine multi-fattore per questo fenomeno e giustificando le difficoltà che gli esperti di tecnologia stanno incontrando nel produrre LED liberi dal droop.

Optoelectronics is one of the fields of engineering in which many different technologies and devices merge together, integrating transducers, sensors, amplifiers, processors into heterogeneous systems. Semiconductor industry evidently plays a key role, having to define the quickest and most effective way to transform the most recent advances of the scientific community into large-scale production processes. The research reported in this dissertation has addressed two different semiconductor device technologies with applications in the optoelectronics field: the High Electron Mobility Transistor (HEMT) based on indium phosphide (InP) and the Light-Emitting Diode (LED) based on gallium nitride (GaN). Two different device structures, relying on different material systems, and having different functionalities, that exploit however the same enabling technology, i.e. the compound-semiconductor heterostructures, and, for this reason, share basic material/device issues, physical models, and simulation approaches. The InP HEMT is the best electronic device as far as frequency and/or speed performance is concerned, finding applications in both wireless and optical communications, passive imaging and atmospheric sounding. Thanks to the wafer-level compatibility with InP-based lasers, InP HEMTs are the transistors that will enable monolithic optoelectronic circuits to be realized. The first part of my PhD program has been devoted to the design, characterization and optimization of high-voltage InP HEMTs. The voltage capability of InP HEMTs has been extended by introducing an optimized “field-plate” into the device structure. These field-plated HEMTs have been designed by means of numerical device simulations, have successfully been fabricated and characterized. This newly developed technology has the potentials for enabling the fabrication of high-power, high-efficiency power amplifiers, integrated transceivers and more robust LNAs. The second part of my PhD program has dealt with GaN LEDs. These light emitters have almost completely saturated the LCD backlighting market (phones, PCs and TV displays) and have already started to penetrate the general illumination one, displacing both incandescent and fluorescent lamps thanks to the superior power efficiency. General illumination requires, however, the LED to be operated at a high driving current. Under these operating conditions, GaN LEDs are unfortunately affected by the efficiency droop, a detrimental phenomenon that makes the LED internal quantum efficiency to decline at increasing driving current, thus reducing significantly the competitive advantage of GaN LEDs over fluorescent lamps. The physical origin of the droop is still unclear and under intense debate within the scientific community. Moreover, many technological modifications to the LED structure have been proposed as a means to mitigate the droop but a definitive antidote has not been achieved. My research in this field has mostly been devoted to a systematic, simulation-based analysis of the possible droop mechanisms and the related technological remedies. This analysis pointed out that a droop having the amplitude that is typically observed in actual devices can hardly be justified from a physical standpoint, under the hypothesis of only one droop mechanism dominating over the others, thus suggesting a multi-factor origin for this phenomenon and explaining the difficulties technologists are experiencing in producing droop-free LEDs.