Физико-химические процессы в электролюминесцентных излучателях на основе соединений A2 B6 и их моделирование тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

...'"*) / >■"' '■"/ с»--- ^

- / чУ б/ / Министерство общего и профессионального образования

•г

Российской Федерации

Ставропольский государственный технический университет

На правах рукописи

Качалов Олег Викторович

Физико-химические и электрофизические процессы в электролюминесцентных излучателях на основе соединений А2В6

и их моделирование

02.00.04 - физическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук

Каргин Николай Иванович

Ставрополь - 1998

Содержание

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.....................................................................11

1.1. Физико-химическая природа примесных центров свечения в сульфиде цинка........................................................................................................................12

1.2. Состав и физико-химические свойства тонкопленочных электролюминесцентных структур постоянного тока.......................................16

1.3. Основные типы и физико-химические свойства тонкопленочных электролюминесцентных структур, возбуждаемых переменным электрическим полем.............................................................................................21

1.4. Эквивалентные схемы электролюминесцентных излучателей..................25

1.5. Математические модели процессов, протекающих в

электролюминесцентных излучателях.................................................................29

1.6. Физико-химические свойства диэлектрических материалов для тонкопленочных электролюминесцентных излучателей..................................34

1.7. Технология нанесения электролюминесцентных и диэлектрических пленок......................................................................................................................39

1.8. Многоцветные дисплеи на базе тонких пленок электролюминофоров.... 41 ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ...................................................................45

2.1. Получение порошковых электролюминофоров постоянного тока и измерение их оптических и электрофизических характеристик......................45

2.2. Технология получения тонкопленочных электролюминесцентных структур постоянного тока....................................................................................48

2.3. Технология получения тонкопленочных электролюминесцентных структур, возбуждаемых переменным полем.....................................................49

2.4. Измерение спектральных характеристик ЭЛИ............................................50

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ........................................................................................................55

3.1. Физико-химические особенности образования гетероперехода в порошковых электролюминофорах постоянного тока (ЭЛИН) на основе гп8:Мп-Сих8...........................................................................................................56

3.2. Физико-химические процессы формирования барьера в ТПЭЛС и механизм токопрохождения..................................................................................63

3.3. Аналитическая модель и эквивалентная схема

ТПЭЛС постоянного тока.....................................................................................66

3.3.1. Эквивалентная схема и вольт-амперная характеристика ТПЭЛС постоянного тока.................................................................................................66

3.3.2. Расчет параметров эквивалентной схемы и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.................................................69

3.4. Аналитическая модель и эквивалентная схема

ТПЭЛС переменного тока.....................................................................................72

3.4.1. Эквивалентная схема ТПЭЛС переменного тока..................................72

3.4.2. Расчет параметров эквивалентной схемы и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными для

ТПЭЛС переменного тока..................................................................................77

3.5. Использование эквивалентной схемы для анализа зависимостей параметров ТПЭЛС от физико-химических свойств диэлектрических и люминесцентных слоев.........................................................................................80

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.........95

4.1. Исследование экспериментальных и теоретических зависимостей яркости в электролюминифорах постоянного тока от температуры..............................95

4.2. Исследование яркостных и спектральных характеристик ТПЭЛС.........100

4.2.1. Спектральные характеристики ТПЭЛС при разных величинах

возбуждающего напряжения............................................................................102

4.2.1. Спектральные характеристики ТПЭЛС при разных частотах возбуждающего напряжения............................................................................105

4.2.3. Сравнение интенсивности электролюминесценции на разных длинах волн.....................................................................................................................107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................110

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................112

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время все большее значение приобретают процессы получения, обработки, передачи информации. Для этого создан целый спектр разнообразных измерительных систем, электронно-вычислительных машин, средств управления технологическими, экономическими, социальными и другими процессами. Огромную роль во взаимодействии человека с такими устройствами играют средства визуализации информации, преобразующие цифровые или аналоговые электрические сигналы в изображение.

Наиболее распространенными средствами визуализации информации являются электронно-лучевые трубки, жидкокристаллические индикаторы и экраны. Однако эти устройства обладают рядом существенных недостатков: для электронно-лучевых трубок это высокие потребляемая мощность и напряжение питания, большие габариты, наличие электро-магнитного излучения, вредного для здоровья человека, для жидкокристаллических экранов - большая инерционность отдельной точки изображения, сложность и высокая себестоимость создания больших (диагональ более 20 см) экранов. В связи с этим не прекращаются поиски альтернативных источников излучения, подходящих для создания средств визуализации информации.

Благодаря развитию физической химии, физики полупроводников, появлению новых технологий нанесения электролюминесцентных и диэлектрических тонких пленок, большое внимание уделяется разработке и созданию электролюминесцентных источников излучения (ЭЛИ) [1]. Получены удовлетворительные образцы семисегментных и сигнальных индикаторов на их основе, ведутся исследования по применению электролюминофоров в качестве излучающих элементов в монохромных и цветных дисплеях[2, 3].

Вместе с тем следует заметить, что имеется ряд проблем, без решения которых невозможно создание конкурентоспособных изделий, отвечающих всем

требованиям современной электронной техники. Актуальными задачами в данной области являются снижение возбуждающего напряжения и увеличение яркости электролюминесцентных изделий с одновременным увеличением срока службы и улучшением стабильности работы устройств. Для решения этих задач разработан ряд эквивалентных схем и математических моделей, взаимосвязывающих отдельные параметры работы ЭЛИ и условия возбуждения люминесценции. Однако отсутствуют схемы и модели, позволяющие в полной мере отражать весь спектр экспериментальных данных работы реальных устройств, их асимметрию, проводить комплексное исследование влияния свойств и физико-химических процессов, протекающих в отдельных слоях, на рабочие характеристики структуры в целом не только в установившихся, но и в переходных режимах.

Данная работа посвящена исследованию физико-химических и электрофизических процессов в электролюминесцентных излучателях (ЭЛИ) на основе широкозонных полупроводниковых соединений А2Вб и их моделированию путем последовательного физическо-химического и математического описания электрофизических и физико-химических процессов, протекающих в ТПЭЛС, и установлению связей между режимами возбуждения, составом структур и их рабочими характеристиками.

Цель работы состояла в:

- экспериментальном и теоретическом изучении физико-химических и электрофизических процессов в электролюминесцентных излучателях;

- разработке эквивалентных схем тонкопленочных электролюминесцентных структур (ТПЭЛС) постоянного и переменного тока;

- создании математических моделей работы ТПЭЛС и проведении комплексного изучения влияния конструкции структуры, физико-химических свойств входящих в ее состав слоев, режимов возбуждения электролюминесценции на стабильность работы излучателя, пороговое напряжение и другие эксплуатационные характеристики устройства.

Для решения этой проблемы потребовалось:

1. Исследовать физико-химические процессы, протекающие при получении и работе ЭЛИ, и установить основные критерии создания стабильных электролюминесцентных устройств, удовлетворяющих требованиям к средствам отображения информации.

2. Изучить механизм токопрохождения в электролюминофорах постоянного тока на основе широкозонных полупроводниковых соединений с учетом технологии получения и принципов создания излучателей на их основе.

3. Теоретически и экспериментально исследовать вольт-амперные, вольт-яркостные, температурные, спектральные характеристики ЭЛИ постоянного и переменного тока.

4. Разработать эквивалентные схемы ТПЭЛС переменного и постоянного тока, в полной мере отражающие рабочие параметры реальных устройств, и исследовать на их основе методами математического моделирования физико-химические и электрофизические процессы в отдельных слоях.

5. Подтвердить достоверность эквивалентных схем и моделей путем сравнения экспериментальных электрофизических характеристик ТПЭЛС и расчетных данных.

Решение поставленных задач выполнено следующим образом.

Первая глава посвящена изучению современного состояния в области исследования физико-химических и электрофизических процессов в электролюминесцентных излучателях на основе соединений А2В6 и их моделирования. Описана физико-химическая природа примесных центров в сульфиде цинка, отражены имеющиеся в литературе данные по составу, принципах построения, структуре, основных физико-химических и электрофизических свойствах ЭЛИ. Описаны существующие эквивалентные схемы и математические модели ТПЭЛС, раскрыты их достоинства и недостатки. В заключение главы приведены виды многоцветных дисплеев на базе тонких пленок люминофоров.

Во второй главе описаны методика и физико-химические основы получения ЭЛИ постоянного и переменного тока и измерения их основных электрофизических параметров. Приведена блок-схема и изложены основные принципы создания автоматизированного измерительного комплекса на базе монохроматора МДР-23У для получения спектральных характеристик ТПЭЛС.

Третья глава посвящена экспериментальному и теоретическому изучению физико-химических и электрофизических свойств ЭЛИ на основе соединений А2Вб, исследованию эквивалентных схем ТПЭЛС постоянного и переменного тока, созданию на их основе математической модели и изучению влияния физико-химического состава и структуры ЭЛИ на его рабочие характеристики. Проведено комплексное моделирование рабочих характеристик ТПЭЛС при разном составе и свойствах диэлектрических и люминесцентных слоев.

В четвертой главе проведено исследование экспериментальных и теоретических зависимостей яркости в электролюминофорах постоянного тока от температуры, уточнен механизм токопрохождения в ЭЛИ, получены спектральные характеристики ТПЭЛС переменного тока в разных режимах возбуждения, разработан ряд рекомендаций по созданию промышленных источников излучения на основе ЭЛИ.

Научная новизна. Проведен комплексный анализ физико-химических и электрофизических процессов, протекающих в ЭЛИ на основе соединений А2В6. Исследованы эквивалентные схемы ТПЭЛС постоянного и переменного тока, разработаны физические и математические модели работы ТПЭЛС. При этом получены следующие новые научные результаты, которые могут быть использованы для разработки, создания и применения электролюминесцентных устройств:

Экспериментально исследованы физико-химические особенности образования гетероперехода в порошковых электролюминофорах, возбуждаемых постоянным полем (ЭЛПП), изучено влияние концентрации второй фазы на

крутизну вольт-яркостной характеристики, коэффициент умножения носителей заряда; определены процессы токопрохождения в ЭЛИ постоянного тока; разработаны эквивалентные схемы ТПЭЛС постоянного и переменного тока, которые, в отличие от существующих, в полной мере отражают процессы, возникающие при работе реального устройства; созданы математические модели, взаимосвязывающие рабочие характеристики ТПЭЛС (яркость, ток, напряжение на отдельных слоях, напряжение пробоя структуры) с параметрами возбуждающего напряжения и свойствами составляющих слоев; проанализировано влияние физико-химических свойств и состава слоев ТПЭЛС переменного тока, а также условий возбуждения электролюминесценции на рабочие характеристики ЭЛИ.

Для обоснования достоверности разработанных моделей проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Показано их совпадение для различных по составу электролюминесцентных устройств.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Исследованы физико-химические особенности формирования гетероперехода в ЭЛПП в зависимости от количества осаждаемой ионно-обменным методом второй фазы Сих8.

2. Проведено комплексное исследование влияния физико-химического состава и электрофизических свойств отдельных слоев ТПЭЛС на рабочие параметры устройства.

3. Определено, что в ЭЛПП зависимость тока от напряжения определяется генерацией свободных носителей путем туннелирования электронов, стимулированного фононами.

4. Разработаны эквивалентные схемы ТПЭЛС постоянного и переменного тока, отражающие реальные процессы в ЭЛИ.

5. Разработаны математические модели, пригодные для исследования влияния режимов возбуждения, физико-химических свойств и состава отдельных слоев на рабочие характеристики ЭЛИ.

Практическая значимость работы заключается в разработке теоретической и практической основы для получения электролюминесцентных устройств с улучшенными характеристиками:

1. Произведена оптимизация процесса нанесения второй фазы на ЭЛПП ионно-обменным методом.

2. Показано, что в рабочем интервале напряжений ЭЛИ постоянного тока на основе соединений А2В6 преобладающим механизмом токопрохождения является туннелирование носителей заряда, стимулированное фононами.

3. Разработана эквивалентная схема ТПЭЛС постоянного тока и методика, позволяющая определять наилучшие эксплуатационные условия таких структур.

4. Созданы эквивалентная схема и математическая модель ТПЭЛС переменного тока, с использованием которых проведено комплексное исследование влияния физико-химического состава отдельных слоев на рабочие характеристики устройства.

5. Разработан ряд рекомендаций по использованию ТПЭЛС переменного тока вида Al203-Y203-ZnS:Mn-Y203-Al203 при создании промышленных источников излучения.

Научные исследования, положенные в основу диссертации, выполнены на кафедре материалов и компонентов твердотельной электроники Ставропольского государственного технического университета в соответствии с планом работ вузов страны по фундаментальным проблемам микроэлектроники, в рамках 3 хоздоговорных и госбюджетных НИР, по которым автор был исполнителем, а также по личной инициативе.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной конференции World Ceramics Congress & Forum on New Materials (Флоренция, Италия 1998), Третьей региональной конференции по микроэлектронике (Нижний Новгород, 1996), XXXIII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»

(Новосибирск, 1995), Межвузовской научной конференции «Лейбниц - мыслитель, философ, человек» (Ставрополь, 1996), Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации» (Кисловодск, 1996), XXV научно-технической конференции по результатам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов за 1994 г. (Ставрополь, 1995), Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления» (Таганрог, 1997), Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Электроника и информатика - 97» (Москва, 1997), Всероссийском симпозиуме «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (Кисловодск, 1997).

Автором опубликовано 14 печатных работ, из них 10 по теме диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 132 страницы машинописного текста, 50 рисунков, 9 таблиц, библиографию