Физические процессы в тонкопленочных электролюминесцентных структурах с собственной памятью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

»г*

НАШОНАЛЬНА АКАДЕ211Я НАУК

украКни

IНСТИТУТ Ф13ЮСИ НАП1ВПРОВ1ДНШВ

На правах рукопис;

Б1ЛЕЦЬКИЛ А1ЩР1Й 1ВАН0ВИЧ

УДК 539.216.2:621.315.592

Ф13ИЧН1 ПРО швеи В ТОШШЛ1ВКОВИХ ЕЛИСТРОЛШ1НЕЩНТНИХ СТРУКТУРАХ 3 ВЛАСНОО ПАЦ-ЯТТЮ

01.04.10 - эмка нап1впров1дн*к!в та д1електрм1в

автор шрат диовртапИ на эдобуття вченого ступени кандидата ф!з«ко-иатеиатичних наук

КИ*В - 1995

Робота s руксписем

Робота виконяна в 1нститутх фхэиют ногпвпров1ДНШпв HAH Укрв!ни

Науковий кергвник: доктор ф1эико-мзтематичштх наук, професор BJ1ACEHK0 Натглхя АндрПвна

0$iuiRHi споненти: доктор флзико-математичних наук, професор САРБЕЙ Олег ГеоргШвич

доктор фхзикс-мзтематичних наук LUiRüOß Cpin Михайлович

Провх.пна срг£»н!эпц:я - Ьгститут Ядерних Досл^-ркень FAH Укра!ни

Захист вхдбудеться ^О^ИСНЯ, 1995 р., о

на эасгденкг спецгал1Эоврно1 вченс! ради5t>.0t.01 в 1нституг1 фхзики нап1впров!дник1в HAH Укра1ни /25?550, Кихв-28, проспект -Науки, 45/.

3 дисертыпего можна сэнойсмитись в б!бл10тец1 1нституту ф1зики HaniBnpoBi^HiiKiB HAH Укрэхки.

Автореферат роз i елани Г. " ^ " 1995 р.

Вчений секретзр / л „ ,

Спец1ол!эованс1 вченох ради __________ _____J JiMMiA^

ЗЙГЙЛЬНЙ ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн!сть теии. Тонкопл!вков! електролюм!несцентн1 стрдктури (ТПЕЛС) НШМ - типд, де К -метал, I - д1електрик, Б - нап!впров!дник 2пБ : Мп, найб!льи перспективн! серед твер-дот!льних прилад!в як основа матричних екран!в вилико! ¡н-формац1йно'1 емностТ, Це зумовлено високоп яскрав!стп, в'исокоп ефективн!стю, наявн!ств власноУ пам'ят1, тобто г1стерезисд характеристик. Природа останнього не ц1лком ясна; индгш моде-л! м!стять ряд необгрднтованих припущень. Не конкретизована роль легдвання гггё марганцем д виникненн! ефекту пам'яп. неясно, чи створювться при цьомд бддь-як! центри захватд (пастки) для д1рок. Нев1дома р!зниця в характеристиках г!стерезисних 1 нег!стерезисних ТПЕЛС ( кр1м, влйсно, г1стерезисц). Недостат-ньо ясне розум!ння иехан1змд ефектд пам'ят! обдмовлюе поганд в!дтворвван1сть цього ефектд. Пстерезис характеристик сдпро-водмуеться формуванням просторово-неоднорЦних структур. 1х властивост!. природа та эв'язок з гистерезисом характеристик фактично не досл!джен1. Мало вивчен! та зрозумШ перехЦн! процеси при перемкненн!. Немае сдельно! теор!!, яка б опису-вала дс! специф!чн1 властивост! г !стереэисних ТПЕЛС.

Мета роботи : створення сдц!льно'1 картини ф!зичних процесс в г1стерезисних ТПЕЛС, розвиток дявлень про ц1 процеси та 1х математично'1 модел!.

В зв'язку з цим вир!шдвались так! задач!.

1. Уточнения феноменологи процес!в у ТПЕЛС : стац!онар-них характеристик та фактор!в, впливаить на яирочинд облает! 1х неоднозначност!; струму, яскравост! лгшн!сценцП ! напрдги на активному «ар! як фднкц!й часу в межах п!впер!оду збддмупчо!' напруги (хвиль стрдмд. яскравост!); пов!льних пере-х!дних процес1в.

2. Виявлення в!дм1нностей г!стерезисних ТПЕЛС в!д нег!с-тереэисних.

3. Досл!дмення просторово-неоднорЦних стрдктур в Г1сте-резисних ТПЕЛС.

4. Досл!двення властивостей центр!в, що зазнаить ударно!" 1он!зац!1', та центр!в захвату д!рок (пасток) яляхом досл!джен-ня характеристик ТПЕЛС при !нфранизьких частотах збудаупчо!" напруги, при п1двш*ених температурах, при вплив1 оптичних ви-пром!нивань та магн!тного поля.

5. Побудова математично! модел! зарядових процес!в, по-р!вняння результат!в ф1зичного I матеыатичного експеримент!в.

Наукова новизна : 1. Вперше для досл!дження ТПЕЛС з влас-нов пам'яттп застосовано так! методики: комплексний анал!з

форми хвиль активного стрдид при р{зн!й форм! напруги: спектри фотодеполяризац1У; частотну залежн1сть в област1 1нфранизьких частот г1стерезису в характеристиках; вплив на нього иапитного • поля при температурах 2-4,2 К. П1дтвердшено коректн1сть компен-сащйноУ методики вим1рввання активного стрдму.

2. Запропоновано методика одержання нест!йкоУ д1лянки 5 -под1бних характеристик ТПЕ/1С I вперве експериментально одержан! так1 характеристики.

3. Виявлено ряд особливостей в характеристиках пстере-зисних ТПЕЛС в пор1внянн1 з звичайними. Це дозволило зробити висновок про р1зницю в енергетичному розподШ в об'ем! 1 на поверхн1 5 - шару локальних центр1в, но вшюв1давть за гене-рац1в в1льних електрон1в та ударне Ух розмноження. Показано, цо ця В1дн1нн1сть викликана, головним чином, сильним легдван-ням марганцем. Виявлено сп1льнуть I специф1ку властивостей г1стерезисних ТПЕЛС на основ1 гп<>:Мп та 2пБ:Мп:С1(Р). Остан-ьи вивчен1 вперше.

4. Встановлено. що центри, як1 вЩгравть головну роль у виникненн1 гистерезису, е магнпними.

5. Показано, цо 5-под!бнкть характеристик виникае як наслЦок наявност1 сильно нелШйного позитивного зворотнього зв'яэку (ПЗЗ) м1ж процесами генерацП електрон1в, ударного розмноження 1х в вар1 ¿пБгИп та п1дсиленням поля в ' цьому вар! завдяки поляризащйному заряду. Встановлено, цо немае пЦсилен-ня середнього поля поляризац1йним зарядом, тобто поляризац1йний заряд е не поверхневим, а просторовим I п1дсилення поля вЦбу-ваеться в певнгЛ частив 5-вару и в1дпов1дност1 до р1вняння Пуассона.

6. Встановлено, цо 1-вари вшгравть роль елементу нега-ивного зворотнього зв'язку (НЗЗ) внаслЦок перерозпод!лу напру-ги м1ж 5- 1 1-иарами та випереджавчого зсуву в час1 напруги на Б-иар! вЦносно прикладеноУ напруги. Вперше застосовано поняття прихованоУ неоднозначное™ для ТПЕЛС. .

8. Вперве показано, цо г1стерезисн1 ТПЕЛС являвть собой двом1рне дисипативне середовице, та просторово-неоднор1дн1 ди-нам1чн1 картини (ПНДК), що спостер1гавться в них в св!т1нн1. мають автохвильову природа. Виявлено нов! типи ИНДИ (тригер-Н1 автохвил1 та 1нш1). Висв1тлен1 дмови, при яких виникають р!зн! типи ПНДК.

9. Запропоновано математичну модель зарядових процеов в пстерезисних ТПЕЛС, цо вЦр1зняеться вIд попередн1х б1льшов корекппств (в1дмова . в1д штучного виду залежносп коеф1ц1ен-та розмноження електрон1в В1д поля, в¡д постулювання резкого

"вичерпання" гчпотетичних центр!в, абстракцм прямокутних ¡ы-пульс!в) та ширшим колом явищ, цо описуиться, вклвчаючи явища просторово1 самоорган!зац!1', що приводять до створення ПНДК в свШши.

Практична 1пнн1сть. 1. Оптимальн! умови одераання Г1сте-резису характеристик ТПЕ/1С мапть практичну ц!нн1сть для тради-цМного використання прилад!в на основ1 ТПЕЛС як !ндикаторних пристро!в.

2. ИНдкриття тригерного автохвильового режиму 1 статичних домен1в практично дов1льно!" конф!гурацП' вЦкривапть можли-в!сть для нетрадиц!йного використання такого роду прилад1в; досл1д!ення автохвильових процес1в е внеском в наукову основу перспективного напрямку оптоелектрон!ки: створення пристроив збереження I паралельно! обробки 1нформацП'.

3. Запрпонована математична модель може бути застосована для 1нтерпретацп результате вим1рввання характеристик ТПЕЛС та для проектування пристроУв на Гх основ!.

Положения, що виносяться на захист. 1. 0собливост1 ТПЕЛС з власною пам'яттю (мстерезис характеристик, перех!дн! проце-си, просторово-часова самоорган1зац!я) можуть бути 1нтерпрето-ван1 як результат взаемодП нел!н1йних ¡1роцес1в з ПЗЗ та НЗЗ, Механ1зм ПЗЗ е самоп!дтримуюча ударна генерац!я носП'в заряду в пол!, деформованому просторовим зарядом. Основы! механ1зии НЗЗ-рекомб!нац!я та перерозпод!л напруг м!ж варами структури.

2. Роль легування ХпБ марганцем у мехлн1зм! ефекту пам'я-т! полягае в основному в створенн! високоУ концентрацП' одно-типних глибоких центр!в з великим перер!зом ударно! 1он!зац!Г, як! можна !дентиф!кувати з !эоелектронними пастками, чо вини-кавть при зам!ценн! !он1в !онами Мпг+. Це приводить до зб!льиення крутост! залежност! коеф!ц!ента розмноження елек-трон1в в 1д поля.

3. Пстерезисн1 ТПЕЛС являпть собой двом!рне дисипативне автохвильове середовиде. Формування просторово"-неоднор!днйх структур пояснветься р1зницеи в просторових маситабах ПЗЗ та

НЗЗ.

4. Математична модель в наближенн! однорГдного в напрямку поперек площини пл!вки об'емного заряду демонструе неоднознач-н!сть стац!онарних характеристик 5 - типу, дае можлив!сть добре описати динам!чн! властивост! приладу та сформулввати р!в-кання автохвильового середовища.

Апробац1я роботи. 0сновн1 результаты допой!дались на М1ж-народн1й конференцП' "Ф1зика в Укра\'н1" (Ки1'в, 1993р.), на ЫIк-народн1й конференцП' з лим! несценц1 V (Пек!н, 1994р.), на

ceMÎHapi "Самоорган1зац1я в активних розпод!лених системах" (Khïb, 1993р.) та на сем1нарах 1нститута ф1зики нап!впров1д-ник1в HfiH Укра1ни (Khïb).

Публ1кацП. За матер1алами дйсертацП опубл1ковано б друкованих po6iT, список яких наводиться.

Особистий внесок. Автором виконано повн1стп eci вим!рвван-ня, крiм описаних у параграф! 2.11 i 2.12 (в 'ix виконанн! в1н приймав участь). Всю теоретичну роботу.глави 3 виконано автором особисто. Дйсертант е активним i повноправним членом авторсь-кого колективу в матер1алах, опубл!кованих в сп1вавторств1.

Нетодолог1я. При дослЦженн! г1стерезисних ТПЕЛС викорис-тан1 так1 методолог1чн1 заходи.

1. Комплексне пор1вняння властивостей аналог1чних зразк1в э ефектом, цо дослЦжуеться, та без нього (параграф 13 гл.2).

2. Застосування р!зних эовн!ин!х впливДв на досл1джуванц систему (параграфи 10-12 гл. 2).

3. Пор1вняння властивостей даного ф1зичного об'екту, що спос-тер1гавться, (що уточнвшться в параграфах 2-8 гл. 2) та властивостей математичного об'екту, цо е результатом моделввання ( гл.З ).

Структура та об'ем дисертацп. Робота складаеться з всту-пу, 4 глав, заключно'1' частики та списку л1тератури, що цитуеть-ся ( 45 найыенувань ). Загальний об'ем дисертацП складае 155 стор1нок, в тому числ! 100 стор1нок значущого друкованого тексту, 5 стор1нок списку л1тератури 1 53 малинка.

0СН0ВНИИ 3MICT РОБОТИ.

У вступ1 обгрунтована актуальнкть теми, сформульовано мету роооти та задач1, що вир1вуються, показано наукову новизну 1 практичну Ц1НН1сть результат1в. приведено ochobhî положения, що виносяться на захист, коротко викладено зм1ст дисертацП".

У глав! 1 описано об'ект досл1дження, проанал1зовано його специфику, дано огляд попередюх po6iT. Проанал1зовано ¡снупч! модел1 ефекту пам'ят1 [1-3], ïx позитивн1 сторони та недолги. Розглянуто pi3Hi погляди на походження просторового заряду. Описано icHyB4i методи експериментального досл!дження ТПЕЛС та В1'дом2' експериментальн1" факти. Розглянуто найважливШ для да-Hoi роботи уявлення . теори самоорган1зацГ1 та факти досл1дження р1зних автохвильових середовиц.

У глав1 2 наведено результати експериментального досл1д-ження г1стерезисних ТПЕЛС. В параграф! 2.1 описано досЛ1джуван1 зразки. Вони являють собов HISIM - стуктури. де M - метал чи вироджений нап1впровЦник, I - д1електрик Si0^/fllz05, fll20}/Y203 або filaО3/Т1 0-, товщинов 2500 - 3500 fi, S - натвпровиник ZnS

товчиною 5000-7000Й. Зразйи були одержан! або електронно-про-меневим випаровуванням, або еп!такс!еп атомними парами. Сульф!д цинку легувався або одним марганцем з концентрац!ею до 2,5 ва-гових % (зразки 1 типу), або, кр1м марганца, таком галогенами (Р, С1 - зразки 2 типу).

. В параграф! 2.2 приведено уточнен! дан! про оптимальн! умови одержання ефекту пам'ят1: висока чистота вих!дних мате-р!ал!в, в тому числ! гпБ: невелик! в!дхилення в!д стех!о-метрй' 1->ар!в, велика концентрац!я МпС 1,7-2,52), иевна температура в!дпалу 5 - «ару, достатньо коротк! !мпульси збуджупчо! напруги Ц (<200мкс) з крутими фронтами та !но!. Виявлен! особ-ливост! стац!онарних вольт-яскрав!сних характеристик ( ВЯХ ) г!стерезисних ТПЕЛС - в пор!внянн! з такими нег!стерезисних ТПЕЛС - менж виражену допорогову д!лянку характеристик при и на 1-30 В менее ^пороговоГ напруги та, як правило, б!льиу поро-гову напругу. Яляхом зиенвення плац! зразк1в 2 типу показано, що локальн! характеристики е б!стаб!льними, а плавн! иульт!-стаб!льн1 характеристики виникавть при усередненн! по плоцин! пл!вки (аналог!чний результат був одержаний ран!ие для зразк1в 1 типу 141).

В параграф! 2.3 п!сля обгрунтування коректност! в!-домоТ компенсац!йноГ методики вим!рсвання активного струму ( 1о.) в ' ТПЕЯС [51 приведено результати дослЦження форыи хвил! 1 при р!зних формах и для г!стерезисних 1 нег!стерезисних ТПЕЛС. Виявлено особлив!сть у випадку г!стерезисних ТПЕЛС, яка поляга« в б!льв!й при !нвих р1вних умовах крутост! переднього фронту хвил! 1а. Встановлено, чо наявн!сть другого п!ку в ц!й хвил! при трикутн!й форм! Ц не е особлнв!стп г!стерезисних ТПЕЛС,а його природа не пов'язана з д!рковои компонентой струму. Показано, цо при т!й форм! и, при як!й спостер!гаеться гистерезис Папульси з передн!м фронтом % 1мкс або с!нусо!дальна напруга частотою 10 кГц), максимум хвил1 активного струму зав-жди знаходиться на передньому фронт! и, чо ставить п!д сумн!в коректн1сть абстракцП' !деально-прямокутн!х !ыпульс!в, яка зас-тосована в робот! [31.

Часову залежнкть напруги иьна 5-вар! на протяз! !мпуль-су збуджуичо* напруги розглянуто в параграф! 2.4. Цп заледн!сть розраховано по р!вняннп (2) роботи [51 з використанням форми и та 1й. Показано, цо це р!вняння мояна використовувати 1 в випадку наявност1 в 5-иар! просторового заряду при умов!, чо в!н пов!льно зм!ниеться в пор!внянн! з пер!одоы и. Показано, ЧО для ус!х дослижених форм эбудауючо'1 напруги максимум и5 не перевичуе того значения, якого досягло б при в!дсутност!

пояяризац1йного заряди, а величина зм!цення максимуму в1д-носно максимуму и в бIк випередмення п!двицуеться з ростом по-ляризац1йного заряду.. Встановлено,-40 г!стерезис мае м!еце в залемносп 1а в!д ампл1туд не т!льки и, але 1 .

параграф! 2.5 наведено реэультати дослгдмення перех!дних процес1в в яскравост! та струм1, цо пов'яэан! з формуванням поляризац!йного заряду та эаймавть багато пер!од1в и. Показано, цо пвидк1сть цих процес1в зростае з ростом величин« 1 частоти збудяуючо1 напруги. Запроионовано ориг1нальний метод в1дтворен-ня неспйко! диянки 5-под1бних характеристик ТПЕЛС, яка ран1«е н1ким не була виявлена. Метод задновано на анал1з! с1м'1 , пере-х1дних процес1в в яскравост1 (або 1а), цо виникають п!сля и!д-випення на&и амплиуди одного з 1мпульс1в збудвувчоУ напруги при ф1ксован1й ампл1туд! опорних 1мпульс1в 1 р1знихди. Вперме цим методом лдермаио 5-под1бну ВЯХ ТПЕЛС (мал. 1).

В параграфах 2.6-2.8 описано феноменологии процес!в прос-торово! самоорган1зацГ1 в гЧстерезисних ТПЕЛС. Розглянуто умови виникнення р1зних тип1в ПНДК, цо спостер1гавться, а таком 1х параметри I особливост1 в эразках 1 I 2 тип1в,. В зразках 1 типу при 0 поблизу пороговой' напруги 1 п!двиценн1 частоти Г с1-нусоЦально! напруги в д!апазон1 1-150 кГц мае мкце така ево-лнндя ПНДК (спостер1галась частково ран!«е [41). Статичн! яскрав! крапки субм1кронних розм!р1в. цо е проявом струмових инур1в (мал. 2а), становляться рухомими при Г> 10 кГц, об'ед-нуться у групи э колективним характером руху, тобто виникавть домени, як1 при Г* ЮОкГц приймавть вигляд пер1одичних к!льце-вих та сп1ральних хвиль (мал. 26). Вперме доведено автохви-льову (АХ) природу таких ПНДК. Довмина хвил1 1'х мае порядок десятк!в м1крометр1в, а явидк!сть зростае з ростом и 1 I та становить 10-40 мкм/с.Показано, цо пер1одичний ЙХ - ремим спос-. тер1гаеться при таких умовах: а) нагр!в зразка до 75-80° С за рахунок" збудмупчо! напруги або за рахунок зовн1«нього джерела тепла; б) и перевицуе порогову напругу не б1льм н1м на 2-ЗВ; в) ширина петл1 гктереэиса ТПЕЛС невелика або завдяки нагр1ву зразка, або завдяки його ви*1дним властивостям.

В зразках 2 типу не виникавть струмов1 внури та пер1одич-н1 ЙХ. Яле вперме в ТПЕЛС спостер1галися тригерн1 ЙХ, як1 яв-ляпть собой поширення св1т!ння з деяких центров, в тому числ!, у вигляд1 к!л (мал. 2в). Шсля досягнення певного розм!ру область св!т1ння перестае помирвватиса. При знижетп \) на пол!, яке св^иться, з'являвться тригерн! ЙХ гас!ння у вигляд! тем-них областей, як1 зб1лыиувться з часом, а пот!м - ком!ркова .структура (мал. 2г). На в!ды1ну в!д пер!одичних ЙХ, тригерн1

- ? -

Нал. 1. Волът-ярккна характеристика зраэка 2 типу иало1 площ! при эбудженн! ^пульсами частотой 20 Гц.тривалктп ю икс. Верт1калыи рисочки показувть похибку вим1рпванна положения не-ст!йкого стану р1вноваги.

Мал. 2. Просторово-часова саыоорган1зац!я в ТПЕЛС: а/ струмов! жнури: б/ пер1одична автохвила; в/ тригерна автохвила; г/ ком!ркова структура. .

АХ спостер!гапться в зразках з достатньо широкою петлеп г1сте-резисц у в!дсдтност! 1'х нагр!ву при збддвенн! короткими ( <10 мкс) 1ипульсами низько1 частоти (100-300 Гц). Але ц! АХ збер1гаиться 1 при нагр1в! зразка в1д оточушчого середовица до 150-160^ С; при цьомц р!зко эростае (приблизно на порядок величини) ввидк!сть рдхд Ух фронта, досягавчи 100 мкк/с. Ввид-к1сть тригерних АХ зростае таков при п!двиченн1 частоти 1 змен-венн! тривалост! 1мпульс1Е V. -

Показано, що дверелами виникнення ус!х ПНДК, *о спостер!-гавться, не заввди е певн1 неоднор!дност1 ТПЕЛС. Наявн!сть ^ неоднор!дностей приводить до хаотизацН ПНДК,, особливо в пер!о-дичному автохвильовому режим!.

У параграфах 2.9-2.12 досл!двувться параметри та власти-вост1 ценив, цо зазнавть ударно! 1он1зацИ", та центр1в захвати д1рок (пасток), ДослЦвено еволшип характеристик ТПЕЛС при знивенн1 частоти прикладено'1 напрдги до 0,01 Гц. При цьомд в зразках 2 типу спостер!гаеться звцвення та зникнення петл! г!с-терезисд в д!апазон1 0,1-0,01 Гц. а в !нвих - збер!гання та нав1ть 11 розвирення. При певних припувеннях зррблено оц!нки, де повинн1 розтавуватися р1вн! пасток, чоб не в1дбдлася тд-нельна делокал1зац1я д!рок на протяз! ¡нтервалу м!ж !мпуль-сами: не нивче н1в на 0,4-0,7 еВ над валентнов зонов. Лога-рифм1чна залевн!сть порогово1 напруги в!д частоти повторения 1мпульс1в виявлена та пояснена тин, цо на початковоиу етап1 1мов1рн1сть тунельно1 делокал!зацП" захоплених нос И'в заряду п1д впливом поля поляризац!йного заряду описуеться експонен-ц1йним законом.

Ефект пам'ят! в р!зних типах ТПЕЛС зникае при температур! вивЦй за критичнд (110-170°С при частот1 100-200 Гц). Для зраз-к1в з добре виравеним ефектом пам'ят! звдвення петл! г!стере-зисд при пЦвищенн! температдри мае м!сце за рахунок эсуву вер-хньо1 г!лки характеристик вниз та нивньо! - вгорд. Це сдпровод-вдеться пЦсиленням допорогово! д1лянки характеристик. В той ве час абсолютна величина поляризац!йного заряду м!в 1мпдльсами зменвдеться мало. Отве, зникнення ефектд пам'ят! при температд-р1, вщ1Л за критичнд, викликано не ст!льки к1льк!сним зменшен-ням поляризац1йного зарядд внаслЦок його термопольовоУ делока-л!зацП, ск1льки знивенням крутост! залевност! 1мов!рност! гене-рацЦ' в!льних електрон!в вЦ поля.

Виявлено в1дм!нност! г1стерезисних та негктерезисних ТПЕЛС в спектрах фотодеполяризацП, тобто в залевност! струму

деполяризацП' ТПЕЛС п!д д!ев монохроматичного свИла в!д дов-жини його хвил!. В г!стерезисних ТПЕЛС, пор!внано з нег!стере-зисними, струм фотодеполяризац!Т вице в облает! 300-400 нм та нижче при б!лыих довжинах хвил!.

Вперпе досл!джено характеристики г!стерезисних ТПЕЛС при температурах 2-4 К та магн1тному пол! !ндукц!еп одиниц! Тесла. Виявлено, що при п!двищенн! магн!тного поля мае м!сце двосто-ронне звуження петл1 г!стерезису. Це пояснено впливом магн!т-ного поля на !мов!рн!сть ударно! 1он1зац1У (а такоя, мояливо, 1 на 1мов1рн!сть рекомб1нацП" носИ'в заряду). 3 цього випливае, що центри, як! вЦповЦавть за ефект власноУ пам'яп, е магн!т-ниии. Висунуто припуцення, що цими центрами мояуть бути 1зо-електронн! пастки цо утворюпться при зам!щенн! !он!в

!онами Мп2+ [11.

В к1нц! експериментально! частини (параграфи 2.13, 2.14) проанал!зован1 виявлен! особливост! в характеристиках ТПЕЛС з власнов пам'яттп, можлив! П механ!зми, а такоя ф1зичн! процеси, цос лежать в основ! як Нстерезису характеристик, так 1 пов'язаного з ним явкца просторово-часово! саыоорган!зацП' -ПНДК в св1т1нн1. Виявлен! в!дм!нност! в стац!онарних ВЯХ, форм! хвил! активного струму та в спектрах фотодеполяризацИ' доз-воляють зробкти висновок, ¡¡¡о головной особлив!стп г!стерезис-них ТПЕЛС в пор!внянн! з нег!стереэисними е наявн!сть в первих б1льво! концентрацИ глибоких центр1в в заборонен!й зон1 Б -яару, чо вЦстоять на 0,6 еВ в!д стел! валентно!' зони, та менио! концентрацИ - б1льо м!лких (як об'еиних, так 1 повер-хневих). Ця особлив!сть обумовлена сильним легуванням 2п5 марганцем, чо приводить, по-перше, до змениенна концентрацИ" вака-нс!й цинку при вбудуванн! 1он1в Нп в вузли цинковоГ п!дгратки, а отже , зг!дно принципу компенсацй" заряду, I м!лких донорних дефект!в.(наприклад, ваканс!й с1рки), а по-друге, до зб!льпення концентрацИ дефект!в гратки типу !зоелектронних пасток ГМ^]" р!вн! яких розташовцвться поблизу валентно! зони ! обумовлювть фотострум при фотодеполяризац11 в облаетI 300-400нм.

г Механ!зм власно! пам'ят!, цо мае зарядову природу та по-в'язана з 5-под1бною ВАХ, вм!чуе так1 процеси э ПЗЗ: ту-нельна !нжёкц!я в 5-иар в!льних електрон!в з його границ!, прискорення Гх та розмноження при ударяй !он!зац!1' деяких цен-тр!в, створення поляризац!йного заряду, цо п!дсилюе поле в Б-шарь а отже, ! !мов!рн!сть ус!х вищезгаданих процес!в. На в!д-м!ну в!д звичайних ТПЕЛС, в яких ц! процеси такоя мавть мкце, в г!стерезисних ТПЕЛС.ПЗЗ повинна иати б1лы»у нел1н!йн1сть, по-в'язану з бмьш крутов польовоп залежн!ств !мов!рност! проце-

с!в генерац!! 1 розмноаення нос!!в заряду. Цо особлив1сть за-безпечуе в!дсутн!сть м!лких стан!в як даерела первинних елек-трон1в 1 наявн!сть у 5-оар1 б!льио1 к!лькост! глибоких центр1в з великим перер1зом ударно!' 1он1зац11", якими можуть бути !зое-лектронн! пастки Обговориеться локал!зац!я поляри-

зац1йного заряду, а таков властивост! 1 природа в!дпов1дних центр1в. Негативний поляризац!йний заряд обумовлений захватом електрон1в на поверхнев! стани на границях Б- та 1-вар1в.

Подо позитивного поляризац1йного заряду, то з експерименту випливае, цо пЦсилення поля, яке приводить до г!стерезису характеристик, мояе дати т1льки просторовий заряд. Розглянуто два випадки його локал!зацП: 1) в об'ем1 ¿-«ару, 2) в частин! його, цо прилягае дс одн!е! э границь 5- та I- иар!в. В первому ви-падку р1внг центр1в захвату д1рок повинн1 роэтаиовуватись у ни!н1й половин! заборонено! зони на вЦдаленнГвЦ валентно! эони на > 0,6-0,0 еВ, а 1х концентрац!я мае бути ^10 см-3. Одними з таких центр1в мохуть бути т! з {зоелектронних пасток СМпТ, як1 мапть б!лья в!ддаленний в1д валентно! зони р!вень та.^можливо, пов'язан! з парними 1онами Мп7*- Мпг+. Розглянуто такок мояливгсть утворення об'емного позитивного заряду за ра-хунок !он!зацп самих 1он1в Мп2^ У випадку локал!зац!! позитивного заряду поблизу границ! Б-шару центрами захвату д!рок мо-нуть бути ус1 ¡зоелектронн! пастки.

3 анал!зу результат!в дослЦкення ПНДК у св!т!нн! ТПЕЛС з власнов пам'яттв зроблено висновок, цо в основ! явиц самоорга-н!зац!1" в ТПЕЛС лежать взаемозалежн! нел!н!йн! процеси з ПЗЗ (активатор) та НЗЗ (1нг1б1тор) [61, як1 мавть ту Саму природу, цо 1 процеси, як! вЦповЦають _за власну пам'ять, Але, кр!м них велику роль в!д!граоть процеси, як! приводять до град!енту поля 1 густини заряду в плоцин! 5-«ару. Показано, цо до град1енту поля 61ля перемкнуто! област1 приводить нелокальний характер НЗЗ, цо полягае в перерозподШ и м!ж 5- та I-шарами, який обумовлений викривленням силових л!н!й поля в останн!х.. Це Коже привести при певному сп!вв!дноаенн! параметр!в цього НЗЗ та ПЗЗ до утоврення ст!йких автосол!тон1в, тобто струмових внур!в. Розглянуто р1зн! механ1зми процесу розт!кання нер!вноважного заряду з переклпчених областей вздовж Б-жару. Розт!кання заряду вЦбуваеться, головним чином, в пром!жку м!ж збуджувчими !мпу-льсами з приповерхнених частин Б-вару, де сконцентровано знач-ний поляризац!йний заряд, цо створюе достатньо сильне поле ((0,5-1 )хЮ В/см) вэдов» Б-вару. НаШлм 1мов1рними механ1з-мами розт1кання заряду в такому пол! е термоем1с!я через м!ж-кристал1тн1 потенц!йн! бар'ери та дифуз!я (дрейф) в пл!вц!

гпБ:Мп в1льних нос!1в обох знак1в, я;и новуть Еиникати в областях поляризац1йного заряду при наявност! м1лких електронних та д1ркових пасток ( наприклад, С1Г СИп^Г! !н. ) та/або при п!двиценн1 температуря. Це узгоджуеться з описаними вице екпериментальними умовами виникнення ПНДК в св!т1нн1. Обговорюеться роль частоти 1 температури в винекнен(п ПНДК 1 фактори, чо впливапть на просторовий I часовий маситаби процес^в з ПЗЗ та НЗЗ.

Глава 3 присвячена математичному моделюванно зарядових процес!в в ТПЕЛС э власноп пам'яттю. Основн! IдеТ: 1) суц!ль-н1сть пЦходу, що заснована на дуал1зы! розпод1ленних ПЗЗ 1 НЗЗ; 2) механ!зм ПЗЗ е зарядовий механ!зм пам'ять який обп-в'язковоприпускае деформац!п поля в нап1впг?в1днику зг1дно э р^внянням Пуассона: 3) наблиаення однорЦного по 1 об'емного заряду (в!сь. 1 перпендикулярна площин1 пл1вки); 4) коеф1ц1ент розмномення електрон1в пропорц1йний ехр (-Е* /Е1), де Е - елек-тричне поле, Ес- критичне поле; 5) первинним дверелом електро-Н1В на протяз! полупер!оду е тунельна 1нвекц1я з поверхневих статв на границ! I- та 5- вар!в в об'ем останнього; 6) одна з НЗЗ - рекомб1нац!йна - разом з ПЗЗ формуе генерац1йно-рекомб1-нац1йну нел1н1йн1сть; 7) 1снуе принципова границя накопичення об'емного заряду, пов'язана з тим, що в!н зменыуе поле б!ля анодно'1 границ! нап!впров!дника; 8) друга НЗЗ - перерозпод1л напруг м1в шарами структури; 9) роз!гр!вом приладу нехтуемо.

В параграфах 3.1-3.8 система вваваеться однорЦноа по х та у, а в параграфах 3.9-3.12 моделпеться иеоднорЦнкть по х та у.

Нел1н1йн1сть T^ , що характеризуе баланс м1х генерац1еп та рекомб1нац!ев носП'в заряду, мае вигляд:

—О .

С 1 )

I \— 1 " \---/ - 7

де у-та т. - безрозм1рн! коеф1ц1енти генерацП' та рекомб!нацП' в!дпов1дно, 9 та^> - безрозм1рн{ зм!нн1, цо моделвать об'еаний заряд та напругу на активному вар! вЦповЦно. При достатньо велик1й концентрацП центр1в, цо 1он1зувтьс'а (великому д ), р1вняння = 0 мае неоднозначне р^ення. При }> <0 ^ = -1. нел1н1йн1сть, що характеризуе 1нвекц1ю первинних електрон!в:

7-и*

^ - А с 2 )

де С - безрозм1рне критичне поле тунельно1 1нгекцП', Н - кое-ф1ц1ент, що характеризуе чутлив1сть 1мов1рносп 1н2екцп до за-повнення поверхневих стан1в, 8С - безроз!прний заряд на катод-

н!й границ! $ - шару.

Три р!вняння, що характеризувть генерац!п-рекомб!нац!ю, !нгекц!в первинних електрон!в 1 перерозпод1л напруг м!х парами структур«, з'еднупться в систему:

[ \ =А-*(е{5,

деТ - безрози1рний час, А - р!вень зовн!«нього впливу (безроз-м1рна напруга на структур!), к - коеф1ц1ент перерозиод!лу нап-РУГ.

1Исля виклочення 0С утворветься двокомпонентка базова модель: г .

Розпод!лений характер ПЗЗ ! НЗЗ в деякому наближенн! мохе бцти врахований внесениям в р!вняння двом!рних (х, у) лаплас!а-н!в иапруги на активному юар1 та об'емного заряду. В граничному випадку мало1 рол1 перерозпод!лу напруг м1х «арами структур» система р!внянь вироджуеться в однокомпонентну (тригерну) модель .

3 глав! 4' пор!внввться результат ф!зичного та иатематич-ного експеримент!в. Основн! властивост! системи нелШйних не-автономних диференц!йних р!внянь (6) - (7) аналог1чк! власти-востям дослЦвуваного ф!зичного об'ектц. Сл1д в!дзначити серед цих властивостей !нерц!йн1сть поблизу критичного р!вня збудвен-ня. Перех!дн1 процеси при цьому тривавть багато секунд, причому в систем! немае формально! часово! константи такого порядку ве-личини. Як!сно зб!гавться: явна неоднозначн!сть стац!онарних характеристик при коротких !мпульсах прикладено! напруги, прихо-вана неоднозначн!сть - при довгих (мал. 3); форма хвил! активного струму; фазове та амплутудне сп!вв!дногення ы1м напругами на структур! в ц1лому та на активному вар! (мал, 4); перех!дн! процеси.

ОСНОВН1 РЕЗаЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ.

1. ТПЕЛС з власнов пам'яттв, цо пов'язана з наявн1ств 5-под1бно1 д!лянки Вольт-зарядово!' характеристики, в!др!знявться в!д звичайних ТПЕЯС б!лыюв концентрац1ев глибоких (< 0,6 еВ вице стел1 валентно! зони) та менвов концентрац1ев б!лы м!лких

Мал.З. Розрахунков! стац1онарн! вольт-зарядов1 характеристики при ничыий /а/ та висок1й /б/ частотах С1ну-согдальног збуджувчо! напруги.

Мал.Ч. Напруга на активному шар1 ^ /крива Г/ та активний

струи ] /крива 2/ як функцм часу в иёжах П1впер¡оду прикладено'1 напруги А /пунктир/. Теоретичн: крив!.

центрíb в S - шар!: це пов"язано з сильним легуванням марганцем. Таке легування приводить до появи !зоелектронних пасток tHnIo i до зменшення концентрацп власних дефекте, в першу чергу, типу ваканс1й цинку.

■2. Зарядова природа власно"! пам'ят! грунтуеться на таких взаемозалежних процесах з ПЗЗ: тунельна 1нжекц1я електрон1в з стан1в на границ!.S- та 1-пар1в, прискорення \'х в пол! та роз-мнокення внасл1док ударно! 1он1зац1Т глибоких центр!в в S- пар!, виникнення поляризац1йного заряду. пЦсилення поля в S - вар!,цо приводить до зб!льшення ímobíphoctí ус ix вице згаданих проце-cíb. Bei ц1 процеси мають micue i в звичайних ТЛЕЛС, але для виникнення гктерезису характеристик необх!дна сильна нел!н1й-hictb ПЗЗ, яка забезпечуеться б!льиов крут!сти польово! залежно-ст! ímobíphoctí генерацП' 1 розмноження в!льних hocí.Yb заряду, завдяки neBHifl глибйн1 вЦповЦних центр!в.

3. Стац1онарн1 характеристики гктерезисних ТПЕЛС визнача-ються балансом míi процесами з ПЗЗ 1 з НЗЗ. Основними з остан-н!х е рекомб1нац{я ноей'в заряду i перерозпод!л напруги Mi« S- i I- парами.

4. Поляризац1йний просторовий позитивний заряд, цо п!дсилпе поле в прикатодн!й частин! S-яара, утворветься безпосередньо внаслЦок ударно!'- 1он1зацП' глибоких центр1в íohIb Мп2+ та íhbhx) та/або при захвап в!льних д!рок, цо винйкавть завдяки тунелюваннв RipoK з !он!зованих центр1в, пастками в S -eapi.

5. ПНДК в cbítíhhí г!стерезисних ТПЕЛС е проявом ироцес!в самоорган!зацй" та мають автохвильову природу, тобто зумовлен1 взаеыод!ев процес!в э ПЗЗ та НЗЗ. Тип ПНДК залежить в!д сп!в-в!дноиення просторових маситаб1в ПЗЗ та НЗЗ. Просторовий масштаб ПЗЗ визначаеться параметрами процесу пожирення заряду в плоцин1 пл!вки, а масштаб другого з виценазваних НЗЗ - товциною I - «ару, яка обумовлве* кривизну силових л!н1й поля в ньому.

6. Матеиатична модель зарядових процес!в в гктерезисних ТПЕЛС, яка базуеться на вице наведених уявах про механ!зм пам'ят! 1 наблияенн! однор!днэГО по товцин! S - вару об'емного заряду, дозволяе пояснити особливост! електричних характеристик даних ТПЕЛС, цо спостер!гавться.

7. Аналог!чна модель, цо враховуе град!ент поля i розпов-евдження заряду вздовж S - вару, близька до в!домих активатор-!нг1б!торних моделей, але вираяаеться системов неавтоноиних р!внянь. Ця модель здатна описати, принайми!, деяк1 з ПНДК, цо cnocTepiraoTbCfl, наприклад, струмов! янури i тригерн! автохвил!.

OCHQBHI НАТЕРШИ ДИСЕРТАЦП ОПУБЛ IKOBflHI В РОБОТАХ:

1. Белецкий А.И..Велигура Л.И..Власенко Н.А.,Кононец Я.Ф. Влияние различных факторов на собственнув память тонкопленочных электролиминесцентных структур на основе гп5:Мп.//0птоэлектрони-ка и полупроводниковая техника. -1932- вып. 24.-е. 99-102.

2. Белецкий А.И., Власенко H.fl. Автоволны в тонкопленочных электролиминесцентных структурах с собственной паиятьп. //Письма в 1ТФ. -1993 -т.19, вып. 1 -с. 33-37.

3. Белецкий А.И..Велигура Л.И..Власенко H.fl., Кононец Я.Ф. Собственная память в тонкопленочных электролпнинисцентных структурах на основе гп5-Мп|.//Письма в 8ТФ.-1993-т Л9,вып.12^с.80-82.

4. Белецкий А.И., Власенко Н.А. Триггерные автоволны в тонкопленочных электролиминесцентных структурах. //Письма в 1ТФ. -1993 -т.19, вып. 24- с. 61-65.

5. Влияние магнитного поля на характеристики тонкопленочных электролбминесцентных структур с собственной памятью на основе ZnS:Mn. Власенко Н.А., Семенов В.Г., Беляев А.Е. и др. // Физика и техника полупроводников. ,-1994. -т.28, N1- с.69-75.

6. Beletskii A.I., Ulasenko Н.А. .Hysteretic Thin-Filn Electroluminescent Devices as Dissipative Autouave System.// 1994 International Horkshop on Electroluminescence. Digest of Technical Papers. -1994-pp. 145-146.

ЦИТОВАНА ШТЕРАТ9РА.

1. N.A. Ulasenko. Physical ' Processes in Thin-Filn Electroluminescent HSH, HISM and MISIM Structures. //Acta Politech-nica Scandinavica. Applied Physics Series.-1990.-N 170 (5th International workshop on Electroluminescence, Helsinki, 1990). -pp. 27-39.

2. H.E.Howard, O.Sahni. P.M. Alt. A Simple Model for Hysteretic Behavior of ZnS:Hn Thin-Film Electroluminescent Devices. //J.Appl. Phys. -1982. -v. 53, N 1. -pp. 639-647.

3. J.MJarem, U.P. Singh, ft Computationally Simple Model for Hysteretic Thin-Film Electroluminescent Devices.//IEEE Trans. Electron Devices. -1988. -v.ED -35, N 11. -pp. 1834-1841.

4. H.Rufer, U.Marello, A.Onton. Domain Electroluminescence in AC Thin-Film Devices. //J.Appl.Phys.-1980.-v.51,N2.-pp.1163-1169.

5. S.O.Muller, R.Mach, B.Selle, S.Schultz. Measuring on Thin-Film Electroluminescent Devices.//Phys.Stat.Sol. (a) -1988. -v. 110. -p.657-669.

6. Б.С. Кернер, В.В. Осипов. Самоорганизация в активных распределенных средах. //УФН.-1990.-т.160, вып.9.-с 1-73.

Beletskii ft.I. Physical processes in thin-film electroluminescent structures with inherent memory.

The dissertation in the form of manuscript for a Master's Degree in the field of semiconductor and dielectric physics. Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1995.

The aim of this work is investigation of hysteresis of characteristics of MISIM - type thin-film electrolunlnescent structures based on ZnS:Mn and tenory and self-organization phenomena in then. . Factors, influencing on these phenomena, pecularities of characteristics, origin conditions and properties of spatially - inhomogeneous dynanic patterns are ascertained, flutouave nature of the latter is shoun. Mathematical model based on interrelation of positive and negative feedback processes is proposed. This model describes observed phenomena and pecularities of characteristics.

Белецкий ft.И. Физические процессы в тонкопленочных электролв- " минесцентных структурах с собственной память».

Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 -физика полупроводников и диэлектриков. Институт физики полупроводников Национальной Академии Наук Украины. г.Киев, 1995.

Цель работы - исследование природы гистерезиса характеристик тонкопленочных злектролвминисцентных структур МДПДМ - типа на основе ZnS:Mn и явлений памяти и самоорганизации в них. Выяснены Факторы, влиявшие на эти явления, особенности характеристик, условия возникновения и свойства пространственно-неоднородных динамических картин. Показана автоволновая природа последних. Предложена математическая модель, основанная на взаимосвязи процессов с положительной и отрицательной обратной связьв. Модель описывает наблвдаемые явления и особенности характеристик.

Клвчов! слова: г1стерезис, ударна ioHi3auis, просторовий заряд, автохвиля, розпод1лений зворотний зв'язок.

ПЦп. до друку/0.OQ.fS. Формат tS'tb/is rianip J/tfX, Др> к. ш|ч\ Друк. офс. Умовн. друк. арк. . Обл.-вид. арк. ¿Г Тир. AV

Зам .S-£Ji<3,

Кшьськэ книжкова друкарни на> kouoi книги. KhIu, Б. Хмсльницькою, 19.