Электрический пробой и электролюминисценция пленок ZnS:Mn, полученных высокочастотным магнетронным распылением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

!

1 . г

! Яигальскии Алекрв&цр Аиатол: ешгч

/71// /в

ОС Ц^Л-

аЧЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ И ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНПИЯ ПЛЕНОК - 2пБ: Мп, ПОЛУЧЕННЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ МАГНЕТРОННШ РАСПЫЛЕНИЕМ. .

01.04.10 - физика полупроводников V! лчзлектриксг)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТОМСК - 1997

Работа выполнена в Томском государственном университете автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

П.Е. Троян

Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук,

профессор Ю.И. Тюрин (Томский поли-■ технический университет)

кандидат физико - математических наук, доцент Б.Г. Чернявский (Томский государственный педагогический университет)

Ведущая организация: Государственное научно-производственное предприятие научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов (г. Томск)

Защита состоится (Л^-РКтЯ 1997г. в 1500 часов на

заседании специализированного совета Д. 063.80.07 при Томском политехническом университете, по адресу: 634004, г. Томск, пр. Ленина-30.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан'"¿Л?. 1997 г..

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических ■наук, профессор

-' 'А.П. Суржиков.

с л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В современной технике все большее значение приобретают средства визуального отображения информации. Электронно-лучевые трубки, обеспечивающие наибольшую полноту и гибкость представления информации, вступили в противоречие с растущими возможностями микрозлектронной аппаратуры. Поэтому возникла необходимость создания твердотельного аналога электронно-лучевой трубки - плоского экрана, который должен бы^ь легким, прочным, хорошо согласующимся с интегральными микросхемами управления.

Одним из вариантов решения данной проблемы является созданий электролюминесцентных (ЭЛ) экранов. Электролюминесцентный экран является серьезным конкурентом электронно-лучевой трубки и имеет ряд преимуществ. Он является технологичным н может иметь достаточно большую площадь при высокой равномерности характеристик. Кроме того, в одном технологическом цикле могут изготавливаться просветляющие покрытия и светопоглощаюаще слои. Экраны имеют малую толщину и массу, высокую механическую прочность, широкий диапазон рабочих температур (-60 - 125°С), малую потребляемую мощность-. В настоящее время существует большое разнообразие злектролюмииофоров, представляющих интерес для использования их в ЭЛ приборах. Наиболее используемым является сульфид цинка (ZnS), легированный различными элементами (Ag, Си, Мп, Но, ТЬ и др.) для получения различных цветов свечения.

Уже на протяжении нескольких десятилетий ведутся работы по исследованию электролюминесцентных свойств пленок сульфида цинка, признанного наиболее эффективным и практичным материалом для изготовления ЭЛ экранов. Однако, до сих пор нет единой точки зрения на механизмы электролюминесценции и переноса носителей заряда в ZnS-электролюминофорах; не отработаны оптимальные технологические режиш и методы получения пленочных люминофоров; не установлены факторы, влияющие на стабильность ЭЛ систем. Исследования, направленные на решение этих и ряда других вопросов имеют как практическое, так и научное значение в плане создания надежных электролюминесцентных экранов с высокими электрическими и яркостными характеристиками.

Данная работа выполнялась в ргшках Гисудар'М венной научно-технической программы " Шгрспеглтиьнш ннформациошше

технологии" по направлению "Телевидение высокой четкости и перспективные средства визуального отображения информации" (постановление ГК СССР по науке и технике № 831 от 04.06.91. и распоряжения Мин. науки, высшей школы и технической политики РФ № 1514ф' от 11.06.92 и № 444ф от 11. 03.93.)'

Цель работы. Оптимизация технологических условий нанесения пленок гпЗ:Мп высокочастотным магнетронным распылением, исследование механизма электрического пробоя этих пленок, анализ процессов, происходящих в системах 1пх0у-2пЗ:Мп-А1 при возбуждении электролюминесценции. * -НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

1. Впервые" экспериментально обосновано, что характер температурной зависимости электрической прочности пленок 2^3:Мп в значительной степени определяется наличием . в пленке адсорбированной воды. _ ' .'

2. Проведены комплексные исследования электрического пробоя тонкопленочных систем (ТПС) Ме-2пЗ:Мо-Ме и 1пх0у-2пЗ:Мп-Мена линейно нарастающемимпульсном и переменном напряжениях. Полученные результаты интерпретированы с■ учетом электронно-микроскопических исследований морфологии каналов пробоя и' расчета температурного режима токопереноса в локальных участках ТПС, на основании чего предложен механизм пробоя исследуемых тонкопленочных систем.

3. На основании анализа экспериментально наблюдаемых волны яркости и импульса тока при воздействии на тонкопленочную систему 1пх0у-2пЗ:Мп-Ме одиночным импуЛьсом напряжения в рамках модели прямого ударного возбуждения- активатора- горячими электронами сделан вывод о возбуждении марганцевых центров ^ люминесценции на промежуточные энергетические уровни, находящиеся выше уровней, ответственных за излучательные переходы в основное состояние.

4. Установлено, что пленки 2пБ:Мп, нанесенные методом высокочастотного магнетронного распыления со скоростью меньше некоторой критической (< 8 нм/мин) практически не проявляют электролюминесцентных свойств.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

1. Полученные результаты вносят вклад в понимание физических процессов, связанных с механизмом возбуждения электролюминесценции в тонкопленочных системах на основе гпЗ:Мп.

2. Разработана технология получения пленок ZnS:Mn методом высокочастотного магнетронного распыления, позволяющая изготовлять электролюминесцентные системы с высокими рабочими характеристиками.

3. На основании результатов исследования физических процессов электролюминесценции и электрического пробоя тонкопленочных систем на основе ZnS:Mn выработаны практические рекомендации .по созданию электролюминесцентных систем высокой эффективности и надежности.

4. Результаты диссертационной работы по разработке технологии получения и исследованию электронных процессов в пленках ZnS:Mn внедрены на предприятиях и научных лабораториях г.Томска.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Немонотонность температурной зависимости электрической прочности пленок ZnS:Wn в области температур от 20 до 180 °С определяется влиянием адсорбированной воды в пленке ZnS-.Mn на стадии изготовления и хранения тонкопленочной системы. Приготовленные в"сухих" условиях или отожженные при Т> 140 °С ТОО имеют монотонно спадающую зависимость электрической прочности от температуры.

2. На основании частотно-импульсных измерений электрической прочности пленок ZnS:Mn, электронно-микроскопических исследований морфологии каналов пробоя и численного решения нестационарного уравнения теплопроводности показано, что основной вклад в формирование пробоя тонкопленочных электролюминесцентных систем на основе ZnS:Mn вносят процессы термического разрушении пленки сульфида цинка за счет протекания токов большой плотности в локальных участках ТПС.

3. В рамках модели прямого ударного возбуждения активатора' горячими электронами электролюминесценция в пленках ZnS:Mn определяется возбуждением марганцевых центров люминесценции на промежуточные энергетические уровни, находящиеся выше уровней, ответственных за излучательные переходы в основное состояние. '

4. Технологические режимы нанесения пленок "ZnS:Mn методом высокочастотного магнетронного распыления, позволяющие получать пленки с высокими электрическими и светотехническими характеристиками.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по электролюминесценции (Ангарск 1991), конференции по электронным материалам ( Новосибирск 1992), VII Всесоюзном - I Международном совещании по физике, химии и технологии люминофоров "Люминофор - 92" (Ставрополь 1992), Российской научно-технической конференции по физике диэлектриков с международным участием "Диэлектрики - 93" (Санкт-Петербург 1993), научно-технической конференции " Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации" (Кисловодск 1996), ' Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск 1996).

ПУБЛИКАЦИИ. Всего по теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация • состоит из введения, четыре* глав, заключения, списка цитируемой литературы из 144' наименований и содержит 150 страниц, в том числе .65 рисунков на 44 страницах и две таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, изложено ее содержание, сформулированы цель исследований, научная новизна полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен краткий литературный обзор методов получения пленок сульфида цинка, анализируются литературные данные, касающие'ся исследования электрического пробоя этих пленок и процессов, происходящих при возбуждении электролюминесценции в тонкопленочных системах на основе пленок ZnS:Mn. Отмечен ряд вопросов, которые исследованы недостаточно и, исходя из этого, сформулирована цель работы.

Вторая глава посвящена описанию разработанного автором оборудования для нанесения пленок ZnS:Mn методом высокочастотного магнетронного распыления и технологии получения экспериментальных образцов. Представлены результаты по оптимизации технологических режимов напыления пленок ZnS:Mn.

Эксперименты проводились на тонкопленочных системах Me-ZnS.-Mn-Me и InxOy-ZnS:Mn-Me, сформированных на стеклянных подложах. В качестве электродов использовались пленки Ag, Al,

Си, 1п, Иь В ряде случаев приготовлялись образцы на остеклованных молибденовых кернах Мо-2пЗ:Мп-Ме. Электроды наносились термическим испарением в вакууме. Формирование прозрачного проводящего покрытия 1пх0у осуществлялось путем отжига на воздухе металлической пленки индия. Толщина пленок эдектролюминофора ггйгМп и величина прикладываемых напряжений варьировались в пределах 0,15- 1,2 мкм и 0- 150 В соответственно.

Установка для получения пленок сульфида цинка, легированного марганцем состоит из вакуумного поста, высокочастотного генератора и магнетрона. Генератор высокой частоты включает в себя задающий генератор с предусшштелем и усилитель мощности. В задающем генераторе применена кварцевая стабилизация частоты (13,56 МГц). Выходной каскад построен по схеме усилителя мощности с общим катодом на лампе ГУ-43. Цепь согласования является одной из важных частей высокочастотного генератора, обеспечивающего эффективную работу распылительного устройства в целом. Г-образная цепь согласования используется одновременно для регулирования мощности, подводимой к магнетрону. Необходимое остаточное давление в рабочей камере вакуумного поста обеспечивается диффузионным паромасляным насосом. В качестве мишени используется прессованный порошок сульфида цинка, легированного марганцем, в количестве двух весовых процентов. Диаметр мишени составляет 50 мм при толщине 4 мм.

Анализ злектроннограмм получаемых пленок 2п5-.Мп, проведенный с помощью электронного микроскопа ЛЕМ~100СХ2 , свидетельствует об их поликрмсталлической структуре с преобладанием кубической фазы. Материал нижнего слоя оказывает большое влияние на кристалличность получаемых пленок. Установлено, что пленки 2пЗ:Мп осажденные на алюминий, окись индия и молибден имеют более развитый микрорельеф поверхности и размер поверхностных зерен, чем пленки, осажденные на стекло, что определяется преимущественным ростом кристаллитов на пленках, имеющих структуру близкую к структуре гиБ. Характерный размер поверхностных кристаллитов пленок гпБ.-Мп толщиной 0,5 мкм, осажденных на отекло составляет величину 150 - ЙХ> нм.

Качество получаемых пленок сульфида пинка, легированного марганцем, оценивалось по величине электрической прочности (ЕПр;. пороговой напряженности поля, при которой возникает

электролюминесценция определенного уровня яркости (ЕПор). и плотности пленок. Измерения проводились на частоте возбуждающего синусоидального напряжения 1 кГц. Плотность пленок ZnS:Mn определялась по скорости травления (VTP) в травителе HNO3+NH4F+H2O+HF при температуре 15°С.

Исследовалась зависимость скорости осаждения пленок ZnS:Mn (Voc). от давления рабочего газа в технологической камере (Рдг). мощности разряда (W) и температуры подложки (Тп) во время оса-вдения. Показано, что мощность разряда и температура подложки оказывают более сильное влияние на Voc по сравнению с давлением рабочего газа. С ростом W скорость осаждения ZnS:Mn возрастает, что находятся в согласии с теорией ионного распыления материалов. Увеличение температуры подложки от 20 до 350 °С вызывает значительное снижение скорости осаждения.

Изменение давления рабочего газа в камере при напылении ZnS:Mn в интервале 8-10"4 - 1-Ю"2 мм рт.ст. не приводит к существенному изменению характеристик ЗЛ системы. Наиболее существенные отличия обнаружены при изменении мощности разряда, температуры подложки во время напыления и температуры отжига напыленных пленок. Возрастание электрической прочности и пороговой напряженности поля при уменьшении W ниже 1,5 Вт/см2, вероятно, связано со значительным уменьшением скорости осаждения пленки электролюминофора, вследствие чего увеличивается время взаимодействия распыляемого материала с остаточной атмосферой в рабочей камере. Это, вероятно, приводит к нарушению стехиометрии ZnS:Mn, путем , увеличения доли фазы ZnO при взаимодействии распыляемого материала с кислородом остаточной атмосферы в вакуумной камере. Следует, отметить, что пленки сульфида цинка, легированного марганцем, полученные нами термическим распылением в вакууме яри остаточном давлении, мм рт.ст., обладали

высокой электрической прочностью и практически не обнаруживали электролюминесценции, что может быть вызвано взаимодействием сульфида цинка с кислородом. Аналогичные эффекты, по-видимому, наблюдаются. и при увеличении температуры подложки во время напыления Zn3:Mn, поскольку скорость осаждения, как уже отмечалось выше, с увеличением Тп также значительно падает.

Температура отжига сказывается на свойствах ЗЛ систем при Тот«* 250 °С. Аналогично другим материалам отжиг способствует

улучшению кристалличности получаемых пленок и формированию более плотной их структуры. Отжиг также приводит, к равномерному распределению активирующей примеси по толщине пленки ZnS, что увеличивает эффективность свечения.

Плотность получаемых пленок ZnS:Mn в основном коррелирует с изменением Епр. Это определяется тем, что уменьшение плотности пленки (увеличение концентрации и размеров пор) приводит к ухудшению ряда ее свойств. Снижается механическая стабильность пленки, повышается степень восприимчивости к воздействию окружающей среды (гигроскопичность)', что, в конечном итоге, обуславливает изменение диэлектрических свойств.

На основании анализа размера поверхностных зерен пленок ZnS:Мл, сделан вывод, что степень кристалличности является функцией толщины пленки и температуры в процессе напыления. Изменение мощности рчзряда и давления рабочего газа не приводили . к значительному изменению кристалличности.

Проведенный анализ стехиометрического состава пленок ZnS:Mn методом обратного резерфордовского рассеяния (POP) обнаружил присутствие кислорода и легких элементов (Мх<Мог) в 'составе этих пленок. Причем, вначале осаждения пленки ZnS:Mn имеют плохую стехиометричнссть, проявляющуюся в преобладании цинка в пленке, которая улучшается с ростом толщины и остается практически постоянной при d > 120 нм. Это связано с особенностью напыления пленок сульфидов некоторых металлов. Концентрация марганца также возрастает с момента начала роста пленки и стабилизируется на уровне 3,5 ат.%, что, примерно, равно исходной концентрации марганца в распыляемой мишени (2 вес% ).

В результате проведенных тестовых испытаний (яркость электролюминесценции, величина электрической прочности) было установлено, что наиболее .оптимальными режимами нанесения пленок ZnS:Мп являются:Тп = 200°С, Р* 3-1СГ3 мм рт.ст./W = 2,5-3 Вт/см2 И Тотж * 400°С.

Третья глава содержит результаты экспериментального исследования проводимости и электрического пробоя пленок ZnS:Mri.

На оснований измерения вольт-амперных характеристик в

статическом, импульсном и динамическом режимах, температурных и частотных зависимостей проводимости и емкости исследуемых ТИС установлено, что процессы переноса заряда в этих системах

определяются потенциальным барьером на контакте металл ZnS:Mn с учетом поверхностных электронных состояний и присутствием электронных ловушек в объеме пленки ZnS:Mn.

Изучение большого числа фотографий поверхностей пленок ZnS:Mn различной толщины, осажденных на различные материалы, позволяет сделать вывод, что электрические процессы в исследуемых нами структурах с ZnSrMn происходят в условиях неоднородного электрического поля, обусловленного как наличием микроострий на электродах, так и размерами микрокристаллитов пленки ZnS:Mn.

Исследования электрической прочности на линейно нарастающем напряжении в зависимости от толщины пленок ZnS:Mn показали, что в интервале dznS:Mn = 0,16 - 0.74 мкм наблюдается увеличение электрической прочности с уменьшением толщины пленки ZnS:Mn, На зависимости ЕПр= F(d), построенной в логарифмических координатах в указанном диапазоне толщин наблюдается три участка с различной величиной наклона. Подобная зависимость характерна для ситуации, когда теплоотвод, начиная с толщин меньше некоторой критической толщины диэлектрика,' определяется, главным образом, теплоотводом электродов и слабо зависит от толщины диэлектрика. На. основании этого сделано предположение о значительном влиянии тепловых процессов на формирование пробоя в исследуемых ТПС.

Из анализа результатов многократного пробоя было установлено, что существенной разницы между напряжениями (Unp) первого и последующих пробоев нет. Часто наблюдается, что последующий пробой имеет чуть меньшее значение ипр, чем• предыдущий. Это связано, как правило; с пробоем по месту предыдущего. При смене полярности напряжения на одном элементе возможны два варианта: либо Unp практически не изменяется , либо-уменьшается. Уменьшение иПр при смене полярности говорит о том, что инициирование пробоя происходит из электродов и связано с эмиссией электронов из микроострий на поверхности электрода, находящегося под отрицательным потенциалом.

Импульсный пробой ТПС фиксировался по срыву импульса напряжения, наблюдаемого на экране запоминающего осциллографа С8-17. Для уменьшения влияния технологических факторов на характер зависимости ЕПр = F (t) изменение ЕПр определялось в относительных единицах: Р = Епр/Есх ( или С = ипр/иСт)» где Ест электрическая прочность образца, ' измеренная при комнатной

- и

температуре и медленно нарастающем со скоростью 5-10 В/с напряжении.

Осциллографические измерения показали, что при относительно малых коэффициентах перенапряжения (я < 1,1) время запаздывания пробоя составляет величины t3an > 10~3с и наблюдается увеличение Ьзап при уменьшении толщины диэлектрика, что согласуется с предположением о преобладании тепловых процессов при формировании пробоя исследуемых систем. Этот вывод подтверждается экспериментами по влиянию толщины электродов на UI1P. Из них следует, что когда время воздействия напряжения - становится соизмеримым с t3an, улучшение теплоотвода (увеличение толщины электродов) Приводит к возрастанию ЕПр.

При температурных измерениях проводимости, емкости, тангенса угла диэлектрических потерь и электрической прочности ТПС на основе пленок ZnS:Mn установлено, что характер зависимости Епр=Р(Т) определяется присутствием адсорбированной воды в пленках сульфида цинка. Это выражается • в общем понижении напряжения пробоя, исследуемых систем и появлении возрастающего участка на зависимости Enp=F(T) в интервале температур Т * 70 - 130 °С. Анализ спектров газовыделений при нагреве сульфида цинка, полученного сероводородным способом, показал, ■ что общее газовыделение имеет несколько температурных максимумов. За низкотемпературный максимум при Т = 100-120 °С ответственна вода. Кроме НгО в этой области температур заметного выделения других элементов и соединений не обнаружено. Приготовленные, в "сухих" условиях или прогретые при Т> 140 °С тонкопленочные системы имеют монотонно спадающую зависимость электрической прочности от температуры.

Совместный анализ зависимостей электрической прочности и tg6 с увеличением частоты позволил предположит^ следующее. Увеличение ЕПр с ростом частоты в интервале f от 20 до 105 Гц нехарактерно для классического теплового пробоя, т.к. в случае потерь, обусловленных потерями проводимости ( спадающий участок tg5 ) мощность потерь, выделяемая в диэлектрике, постоянна.- В тоже время нельзя делать вывод, что в этой области.частот имеет место чисто электрический пробой. Тепловые процессы могут влиять на развитие пробоя, но они не связаны с диэлектрическими потерями релаксационного характера. Вероятно, в этом случае величина ЕПр

обусловлена длительностью полупериода приложенного переменного напряжения, что аналогично воздействию импульса. В области частот Г>105 Гц мы имеем дело, вероятно, с влиянием высокочастотного разогрева тонкопленочной системы. Дополнительный вклад в развитие пробоя может вносить ВЧ-разогрев электродов при достаточно большом их сопротивлении, что приведет к усилению инжекционных свойств контакта электрод - 2пЗ:Мл. Влияние указанных факторов отражается и на морфологии каналов пробоя. Размер разрядного канала в диэлектрике при повышении частоты переменного напряжения уменьшается.- Характерные размеры каналов пробоя составляют 6-10 мкм при постоянном напряжении, 3-5 мкм на частоте 20 кГц и 1-2мкы на частоте 13 МГц. В то же время в высокочастотной области воздействующих напряжений- возрастает количество пробоев на единицу площади конденсатора и наблюдается значительно большее оплавлений верхнего' электрода, что является подтверждением влияния • ВЧ-разогрева электродов на формирование пробоя при высоких частотах переменного напряжения.

Анализ полученных экспериментальных данных позволяют сделать предположение об основном влиянии тепловых процессов в формировании пробоя. При больших значениях Ьэап, учитывая гиперболический спад тока при наложении прямоугольного импульса напряжения, пробой происходит в момент, когда уровень тока значительно' уменьшается по сравнению с уровнем в момент приложения импульса напряжения. Например, если пробой происходит через 100 мкс после подачи напряжения, ток за это время .уменьшается более чем в 10 раз. Из этого можно сделать вывод, что происходит накопление результатов протекания кагах-либо процессов, .приводящих, в конечном итоге, к электрическому пробою плейки 2пБ:Мп. Одним из таких' процессов может быть рост температуры в локальных участках ТПС за счет протекания в этих участках токов большой плотности. Исследования структуры свечения ЕЛ ТПС показали, что при напряжении и % ипор электролюминесценция возникает в виде отдельных светящихся точек.. По мере повышения напряжения происходит появление' новых светящихся точек с увеличением яркости предшествующих. Начиная с некоторого значения II, появляется фоновое свечение по всей площади ТПС. Светящиеся точки в рабочей области, вероятно, и определяют участки тонкопленочной системы с наибольшей плотностью тока. Эксперименты

по изменению шероховатости одного из электродов подтверждают это

предположение.

Многочисленные наблюдения показали, что с дальнейшим увеличением питающего напряжения пробой происходит преимущественно 8 местах с наибольшей плотностью светящихся" точек. В связи с этим проводился расчет температурного режима токопереноса в локальных областях ТПС, содержащей микронеоднородность (микроострие), при воздействии импульсов напряжения различной длительности и амплитуды.

Данная задача выполнялась путем численного решения нестационарного уравнения теплопроводности. При этом для расчета использовались экспериментально наблюдаемые вольт-амперные характеристики и температурные зависимости проводимости ТПС. Параметры микроострия (высота, радиус закругления на вершине) соответствовали средним значениям.

Результаты расчета показали, что если за критерий электрического пробоя при определенном соотношен-и амплитуды и длительности импульса напряжения принять достижение критической температуры в локальной области ТПС близкой к температуре плавления (Тпл =» 2100 К ), то наблюдается удовлетворительное совпадение полученных результатов с данными эксперимента по импульсному пробою пленок 2пЗ:Мп. Причем, согласно расчету, при увеличении времени воздействия напряжения на ТПС увеличивается и размер области диэлектрика, имеющей температуру Т ТПл- Это должно приводить к возрастанию площади тонкопленочной системы, подверженной разрушению, что подтверждается электронно-микроскопическими исследованиями морфологии каналов пробоя.

Таким образом, проведенные исследования показали, что основное влияние в формировании пробоя ЗЛ ТПС оказывают электронно-термические процессы, связанные с протеканием тока большой плотности в локальных участках тонкопленочной системы.

Четвертая глава посвящена вопросам, относящимся к электролюминесценции тонкопленочных систем 1г>хОу-2!п5:Мп-А1.

При воздействии на ТПС переменного напряжения (Е > 0,8 МВ/см) возникает желто-оранжевое свечение с длиной волны А 585 нм. При повышением напряжения яркость свечения (В) растет сверхлинейно. Зависимость яркости свечения от величины активного тока В = Р(1) в широком интервале значений является практически

линейной. Насыщение ампер-яркостной характеристики при больших значениях возбуждающих напряжений, вероятно, связано с эффектами шнурования тока в локальных участках ТПС.

По известной величине яркости свечения ЭЛ системы, в предположении однородного возбуждения активатора по слою ZnS:Mn, сделана оценка концентрации активного марганца в пленке электролюминофора (* 7 • Ю24 м~3), что соответствует 1-5% от введенной в пленку.

Температурные измерения, яркости показали, что повышение В с ростом температуры в области.Т « 20^110 °С связно с увеличением числа электронов, способных возбуждать ионы марганца. Увеличение числа электронов обусловлено их освобождением из ловушек. Несоответствие между энергиями активации проводимости и яркости может определяться увеличением доли безызлучательных переходов в марганцевых центрах.

Зависимость яркости от длительности импульса возбуждения характеризуется ростом В с увеличением tH в пределах 40 мкс, затем наступает.насыщение. Данная зависимость удовлетворительно объясняется с точки зрения величины заряда, переносимого за один импульс. Поскольку яркость'(светосумма) пропорциональна заряду, прошедшему через 3JI слой, следовательно она будет определяться и величиной активного тока.

При исследовании переходных токов в пленках ZnS:Mn было установлено, что наибольший уровень тока за время действия напряжения протекает в первые 30-40 мкс после подачи импульса. За это время в пленку электролюминофора инжектируется наибольшая величина заряда, что приводит к вспышке электролюминесценции.

При возбуждении ЭЛ систем одиночными прямоугольными импульсами напряжения было обнаружено запаздывание максимума нарастания волны яркости относительно заднего фронта импульса напряжения. Поскольку этот эффект определяется механизмом возбуждения свечения в исследуемых ТПС, был проведен pro детальный анализ.' .

Основу многих экспериментальных работ по вопросу механизма электролюминесценции составляет исследования кинетики роста и спада яркости свечения при возбуждении ЭЛ структур прямоугольными импульсами напряжения. Временная зависимость яркости, как правило, описывается разностью затухающих экспонент, одна из

которых определяет процесс спонтанной релаксации активатора с характерным временем tв:

В - [ехрСЧ/ТвЭ-ехрСЧ/Гх)] (1)

Относительно второго слагаемого имеются разногласия. Так в работе [1] утверждается, что кинетика роста и положения максимума яркости во времени определяется постоянной экспоненциального спада активного тока I (Гх=Т1) при прямом ударном возбуждении. С другой стороны, предполагается наличие этапа резонансной передачи энергии, от одного центра к .другому [21. Это приводит к аналогичному выводу, но с параметром тх=тр. характеризующим процесс релаксации передающих центров.

Попуская присутствие как прямого ударного возбуждения центров свечения горячим носителями заряда, т»к и косвенного возбуждения через промежуточные центры (нерекомбинациснный механизм), рассматривается следующая система уравйений:

<3п

— = се(И-П)-1((;)+0-П1-(Н-п)-Т-П .

с1Ь

ап1

— - 8-(Н1-т)-1(1)-й-пг(Н-п)-е-П1,

где п - число возбужденных излучателъных центров; N - общее число излучатель пых центров; гн - число возбужденных сенсибилизирующих центров; N1 - общее число сенсибилизирующих центров. Коэффициенты при слагаемых в правых частях уравнений системы (2) определяют интенсивности соответствующих процессов.

Данная система уравнений решается в предположении малого уровня возбуждения излучательных и сенсибилизирующих центров (п«Н и гн«^) и экспоненциального затухания активного тока.

Рассматривая частные случай решения системы (2), когда присутствует только один механизм возбуждения излучательных центров приходим к выводу, что они качественно совпадают и аналогичны выражению (1). Поэтому для формулировки определенных выводов следует рассмотреть соответствие экспериментально полученной крутизны роста яркости крутизне спада тока.

Величина Гв, определенная по экспоненциальному участку спада яркости составляет около 570 мкс. Аппроксимация экспериментальной кривой спада активного тока экспонентой вида:

I - I0-exp(-t/ti) (3)

дает значение ti около 8 мкс. Величина тх, соответствующее наблюдаемой форме волны яркости, описываемой выражением (1), составляет тх *< 53 мкс, т.е. тх > ti.

Спадающая зависимость. I(t) определяется внутренними процессами в слое люминофора, связанными с формированием объемных зарядов. Искусственное изменение зависимости I(t) возможно путей снятия напряжения на образце в моменты времени, соизмеримые с ti. Если длительность прикладываемого импульса напряжения tH > то изменение tH не приводит к- каким-либо изменениям осциллограмм тока и яркости. Если же tH < ti, то после окончания действия импульса на осциллограмме активного тока наблюдается резкий спад.

Поэтому, допуская модель прямого ударного возбуждения центров свечения носителями заряда и полагая:

„ь [ I * I0-exp(-t/ii), при t < tK

I(t) - \ ■ (4)

I 0, при t > tH ,

приходим к выводу, что после окончания импульса напряжения (и, следовательно, тока) зависимость B(t) должна перейти в чисто релаксационную стадию. Однако, реально, искусственное прерывание тока не приводит к заметному качественному изменению B(t), а лишь снижает уровень яркости, причем, вплоть до минимальных значений tH (соизмеримых с временем нарастания тока) сохраняется пропорциональность излученной световой энергии перенесенному через образец заряду.

Основываясь,на подученных результатах, допустить прямое ударное возбуждение Мп2+-центров можно лишь при условии, что возбуждение центров люминесценции горячими носителями заряда осуществляется не на уровни,. ответственные за излучательные переходы в основное состояние', а на уровни, с которых происходит относительно медленный. • (тх ~ 50 мкс) промежуточный переход на излучательные уровни. .

В заключении кратко изложены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Путем оптимизации технологических • условий получения

пленок гпБгМл методом высокочастотного магнетронного распыления установлены оптимальные режимы нанесения' качественных пленок 2п5:Мп с высокими электрофизическими характеристиками. Установлено, что пленки гпЗ:Мп, , нанесенные методом высокочастотного магнетронного распыления со скоростью меньше некоторой критической (< 8 нм/мин) практически не проявляют электролюминесцентных свойств. Наиболее оптимальными режимами нанесения пленок гпЭгМп являются:Тп = 200°С, Р* 3-Ю-3 мм рт.ст., V) = 2,5-3 Вт/см2 и Тот* * 400°С.

2. Установлено что, характер температурной зависимости электрической прочности пленок 2пБ:Мп определяется технологией приготовления образцов, условиями их хранения и работы. Свежеприготовленные или' предварительно прогретые при температуре Т>140 °С образцы имеют монотонно спадающую зависимость электрической прочности с ростом температуры. Немонотонность этой зависимости связана с удалением ранее адсорбированной воды из пленок гпЗгМп.

3. Экспериментально исследована зависимость величины электрической прочности пленок гпЭ:^ от условий возбуждения и свойств тонкопленочных систем на их основе. Проведен сравнительный анализ полученных результатов с электронно-микроскопическими исследованиями морфологии каналов пробоя и расчетом температурного режима токопереноса в локальных областях ТПС, содержащих микронеоднородность (микроострие). Сделан вывод об основном влиянии на формирование электрического пробоя пленок 2пЗ:Мп электронно-термических процессов,- связанных с протеканием тока большой плотности в локальных участках тонкопленочной системы.

4. Проведено детальное сравнение волн яркости и активйого тока при возбуждении электролюмиеесцентных систем 1пхОу-2пБ:№-А1 одиночными прямоугольными импульсами напряжения с решением кинетических уравнений, описывающих процессы прямого ударного возбуждения центров люминесценции горячими электронами. Предложена модель механизма возбуждения электролюминесценции, согласно которой допускается возбуждение марганцевых центров люминесценции на энергетические уровни, находящиеся выше уровней, с которых происходит излучательная релаксация.

СПИСОК РАБОТ,ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жигальский A.A., Мухачев В.А., Троян П.Е. Электрический пробой и проводимость пленок ZnS:Mn, полученных ВЧ-магнетронным распылением'// Тез. докл. Всес. конф. по электролюминесценции.-Ангарск, 1991.- с.28-29.

2. Жигальский A.A., Троян П.Е. Получение пленок сульфида цинка методом высокочастотного ыагнетронного напыления // Тез. докл. конф. по электронным материалам.- Новосибирск, 1992.-с.163-164.

3. Жигальский А"А., Троян П.Е. Высокочастотное распыление сульфида цинка // Тез. докл. VII Всес.- I Межд. совещатия по физике, химии и технологии люминофоров "Люминофор- 92".- Ставрополь, 1992.- с.252.

4. Жигальский A.A., Мухачев В.А., Троян П.Е. Исследование электрического пробоя пленок ZnS:Mn, полученных ВЧ-магнетронным распылением // Изв. вузов. Физика.- 1993.- N.3.- с.41-45.

, 5. жигальский A.A., Троян П.Е. Пробой пленок сульфида цинка // Тез. докл. конф. по физике диэлектриков "Диэлектрики- 93".-Санкт-Петербург,1993,- с.117;

6. Жигальский A.A., Мухачев В.А., Троян П.Е. Временные и температурные характеристики пробоя пленок ZnS:Mn, полученных ВЧ-магнетронным распылением // Изв. вузов.Физика, 1994.- N.4.-с.3-7.

7. Жигальский A.A., Нефедцев Е.В., Трояк П.Е. Временные характеристики люминесценции структур Al-ZnS:Mn-InxOy, возбуждаемых одиночными импульсами напряжения // Изв. вузов. Физика.-1995,- N.2.- с.З?-42.

>8. Жигальский A.A., ' Иконникова Л.Ф., Минакова Т.С., Мухачев В. А., Троян U.E. К температурной зависимости электрической прочности пленок сульфида цинка // Изв. вузов. Физика,- 1996.-N.6.- с.91-95. .

9. Жигальский A.A., Сидоров Б.Г. Фотопроводимость, пленок ZnS-.Mn, полученных ВЧ-магнетронным распылением // Тез. докл. III Межд. конф. Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-96. секц. электронно- физическая,Новосибирск,- 1996, Т.1.-с.107-109.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ohnishi H. Pulse-excitation characteristics of electroluminescent device based on ZnS:Tb,F thin films // Electroluminescence: Proc. 4th Int. Workshop, Tottori, Oct.11-14,-1088.-Berlin ect., 1989,- p.157-160.

2. Chimczak E., Bertrandt-Zytkowiak M. Kinetic properties and energy transfer in the electroluminescence of thin film cells based on ZnS:Mn // J. Thin Solid. Films.- 1988.- v.181.- p.S9-66.