Исследование методов повышения эффективности электролюминесценции в пленочных структурах на основе сульфида цинка, легированного марганцем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



На правах рукописи

"V ч

САБИТОВ Олег Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДА ЦИНКА, ЛЕГИРОВАННОГО МАРГАНЦЕМ

01.04Л 0 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ульяновск -1998

Работа выполнена в Ульяновском государственном университете

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор, Гурин Н.Т.

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор, Георгобиани А.Н.

доктор физико-математических наук, профессор, Самохвалов М.К.

Ведущая организация

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)

Защита состоится 20 июня 1998 года в 10 часов на заседании диссертационного совета К 053.37.02 Ульяновского государственного университета по адресу: 432700, г. Ульяновск, Набережная реки Свияги (ауд.701)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан " -/9" Л1йЛ 1998г.

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 432700, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д.42, научная часть

Ученый секретарь диссертационного Совета к.ф.-м.н

С.С.Моливер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Индикаторные устройства (ИУ), преобразующие электрические сигналы в видимое излучение, являются одним го самых важных частей современных средств отображения информации (СОИ) и во многом определяют их структуру. К числу наиболее перспективных относятся ИУ на основе элекгролюминесцентных (ЭЛ) излучателей (ЭЛИ), которые среди различных типов активных ИУ (электронно-лучевые, газоразрядные и др.) занимают особое место благодаря плоской твердотельной конструкции, быстродействию, широкому диапазону рабочих температур. К достоинствам тонкопленочных (ТП) ЭЛИ можно также отнести высокие контрастность, разрешающую способность, радиационную стойкость, большой угол обзора и др. Благодаря перечисленным достоинствам ТП ЭЛИ нашли широкое применение в мнемонических, знаковых, шкальных индикаторах, предназначенных для работы в условиях сильной внешней засветки.

Вместе с тем, для ряда применений, например, для использования ТП ЭЛИ в полноцветных ЭЛ индикаторных панелях, яркость свечения красного и синего цветов свечения является недостаточной. Для всех цветов свечения, кроме желтого, актуальным является также повышение светоотдачи, внутреннего и внешнего квантового выходов, энергетического выхода. Для повышения данных показателей эффективности ЭЛИ необходимо знание важнейших параметров, определяющих кинетику предпробойной электролюминесценции, таких как вероятности возбуждения, излучательной и безызлучательной релаксации центров свечения, сечение ударного возбуждения этих центров и др. Известные результаты исследований перечисленных параметров носят весьма противоречивый и разрозненный характер. К тому же в связи с зависимостью этих параметров от режима возбуждения (формы, амплитуды и временных параметров импульсов напряжения) для полного описания кинетики электролюминесценции требуется знание указанных зависимостей. Однако даже для наиболее изученного люминофора - сульфида цинка, легированного марганцем - не определены не только указанные зависимости, но и приводимые значения упомянутых параметров носят оценочный характер.

Поэтому задача повышения показателей эффективности пленочных ЭЛИ, а также разработка методики определения основных электрофизических параметров ЭЛ слоя и их зависимостей от режима возбуждения электролюминесценции для возможного управления характеристиками ЭЛИ с целью повышения эффективности их функционирования является в настоящее время весьма актуальной.

Цель работы: Исследование методов повышения эффективности электролюминесценции в пленочных структурах на основе сульфида цинка, легированного марганцем, а также определение основных электрофизических параметров, характеризующих процесс электролюминесценции в подобных структурах и установление зависимостей этих параметров от режима возбуждения ЭЛИ.

Для достижения указанной цели в работе постаатены и решены следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование влияния микронеровностей подложки на

ч

показатели эффективности ЭЛИ, выполненных на стеклянных подложках с внутренней шероховатой и внешней шероховатой (диффузно-рассеивающей) излучающей поверхностями.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния формы возбуждающего напряжения на показатели эффективности ЭЛИ.

3. Теоретический анализ и экспериментальное исследование зависимости показателей эффективности ЭЛИ от амплитуды и длительности фронта линейно нарастающего напряжения.

4. Разработка методики и определение основных электрофизических параметров ЭЛИ, характеризующих процесс электролюминесценции, установление их зависимостей от режима возбуждения и возможности управления видом этих зависимостей.

Положения, выносимые на защиту:

1.Использование в ЭЛИ подложек как с внутренней шероховатой, так и внешней шероховатой (диффузно-рассеивающей) поверхностями позволяет увеличить коэффициент вывода излучения из структуры, светоотдачу, внешний в внутренний квантовые выходы, энергетический выход в 1.3-5.2 раза и повысил яркость свечения ЭЛИ в 1.2-3.5 раза.

2. При изменении формы возбуждающего напряжения с сохранение* амплитуды и периода следования биполярных импульсов средняя яркость свечения, г также внешний квантовый выход, энергетический выход и светоотдач; увеличиваются с ростом скорости нарастания напряжения возбуждения дш различных форм возбуждающего напряжения в следующей последовательности треугольная - синусоидальная - трапецеидальная - прямоугольная, в то время ка] эффективность возрастает несколько иначе: синусоидальная - треугольная трапецеидальная - прямоугольная.

3. При возбуждении ЭЛИ напряжением с линейно нарастающим фронто) зависимости амплитудной и средней яркости свечения, внешнего квантового выходе энергетического выхода и светоотдачи от времени нарастания возбуждающее .напряжения имеют максимумы, которые смещаются в область меньших значени времени нарастания напряжения с ростом частоты следования импульсо возбуждения.

4. Экспериментальные зависимости амплшудной и средней яркости с длительности фронта линейно нарастающего напряжения позволяют определи! сечение ударного возбуждения центров свечения и их концентрацию, число центре свечения, возбуждаемых' одним носителем заряда при прохождении его через слс люминофора, вероятность возбуждения центров свечения в единицу времен] вероятности излучательной и безызлучатедьной релаксации центров свечени внешний и внутренний квантовый выходы, энергетический выход и светоотдачу.

5. Экспериментальные зависимости постоянных нарастания и спада яркости < длительности фронта и амплитуды импульса линейно нарастающего напряжения да ЭЛ структур, выполненных на гладких подложках, позволяют определи зависимости времени жизни возбужденных центров свечения, вероятност< возбуждения и релаксации центров свечения в единицу времени (для структур ] гладкой и шероховатой подложках), сечение ударного возбуждения центр'

зечения (для структур на гладкой подложке) от длительности фронта и амплитуды мпульсов линейно нарастающего знакопеременного напряжения.

Научная новизна:

1. С помощью экспериментальных исследований показано, что использование в > леночиых ЭЛ структурах стеклянных подложек с внешней диффузно-рассеивакщей внутренней шероховатой поверхностями позволяет существенно увеличить яркость

I 1.2-3.5 раза) и коэффициент вывода излучения из структуры (в 1.3-5.2 раза) по эавнению с обычной структурой на подложке с двумя гладкими поверхностями, что эусловлено уменьшением потерь излучения как в пленочной ЭЛ структуре, так и в геклянной подложке, вызванных эффектом полного внутреннего отражения, иенынением бокового распространения излучения вдоль структуры ЭЛИ юлноводного эффекта), а также наличием микролинзового растра на подложке.

2. С помощью теоретических и экспериментальных исследований установлено, га при изменении формы и параметров симметричного знакопеременного гриодического возбуждающего напряжения с ростом скорости нарастания шряжения происходит повышение показателей эффективности ЭЛИ (яркости, 5етоотдачи, внешнего квантового выхода, энергетического выхода).

3. Теоретически и экспериментально показано, что при возбуждении ЭЛИ тряжением с линейно нарастающим фронтом зависимости амплитудной и средней жости свечения, внешнего квантового выхода, энергетического выхода и )етоотдачи от времени нарастания возбуждающего напряжения имеют максимумы, вещающиеся в область меньших значений времени нарастания напряжения с 5еличением частоты следования импульсов возбуждения.

4. Для случая прямого ударного возбуждения центров свечения предложена етодика определения основных параметров электролюминесценции при эзбуждении симметричным знакопеременным напряжением трапецеидальной ормы (с линейно нарастающим фронтом), с помощью которой из хпериментальных зависимостей амплитудной и средней яркости от времени фастания напряжения определены основные параметры, характеризующие процесс >збуждения центров свечения и генерации излучения: сечение ударного >збуждения; концентрация центров свечения; число центров свечения, >збуждаемых одним носителем заряда при прохождении его через слой оминофора; вероятность возбуждения центров свечения в единицу времени; :роятности излучательной и безызлучателыюй релаксации центров свечения; ¡ешний и внутренний квантовые выходы; светоотдача.

5. Получены теоретические зависимости постоянных нарастания и спада жости от длительности фронта и амплитуды импульса линейно нарастающего шряжения для ЭЛ структур, выполненных на гладкой подложке, подтвержденные [дом экспериментальных зависимостей, что позволило определить зависимости фаметров, характеризующих процесс электролюминесценции: времени жизни «збужденных центров свечения, вероятностей возбуждения и релаксации >збужденных центров свечения в единицу времени (для структур на шероховатой и ¡адкой подложках), сечения ударного возбуждения центров свечения (для структур I гладкой подложке), от длительности фронта и амплитуды импульса линейно [растающего напряжения.

Практическая ценность работы:

1. Предложены конструкции ЭЛИ, выполненные на стеклянных подложках внутренней шероховатой и внешней шероховатой (диффузно-рассеивающе! поверхностями, позволяющие существенно повысить яркость свечения (в 1.2-3.5 раз; и увеличить коэффициент вывода излучения из ЭЛ структуры, светоотдачу, внешни квантовый выход, энергетический выход (в 1.3-5.2 раза) по сравнению с обычнс структурой на подложках с двумя гладкими поверхностями.

2. Предложена гибридная конструкция ЭЛИ МДПДМ структуры, в которс наряду с тонкопленочным диэлектриком используется толстопленочны диэлектрический слой с повышенным значением диэлектрической проницаемост позволяющий обеспечить сопряжение такой структуры с интегральным устройствами управления.

3. Получены расчетные и экспериментальные зависимости, позволяют! оптимизировать режим возбуждения ЭЛИ путем изменения формы и параметре симметричного знакопеременного периодического возбуждающего напряжения, также конструкцию ЭЛ структуры (соотношение толщин и диэлектрически проницаемостей диэлектрических и ЭЛ слоев) для получения максимальных значена показателей эффективности ЭЛИ (яркости, светоотдачи, внешнего квантово! выхода, энергетического выхода, эффективности).

4. Найдены оптимальные режимы возбуждения ЭЛИ напряжением с линещ нарастающим фронтом за счет вариации времени нарастания импульса напряжеш возбуждения для получения максимальных показателей эффективности ЭЛ (яркости, светоотдачи, внешнего квантового выхода, энергетического выхода).

5. Для случая прямого ударного возбуждения центров свечения в ЭЛ сл( предложена методика определения вероятностей возбуждения, излучательной безызлучательной релаксации центров свечения, сечения ударного возбуждения Э'п центров, а также зависимостей указанных параметров от амплитуды и времет нарастания линейно нарастающего напряжения возбуждения ЭЛИ.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на научн технической конференции "Актуальные проблемы материаловедения в электроннс технике" (Ставрополь, 1995), 2 Международной конференции "Распознавание-9: (Курск, 1995), на 5 научно-практической конференции молодых ученых Ульяновско] государственного университета (Ульяновск, 1996), на 5 Международной конференщ "The fifth intern, conf. on Simulation of devices and technologies" (Obninsk, 1996), i Международной научной конференции "Актуальные проблемы анализа обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1996), i научно-технической конференции "Перспективные материалы и технологии д средств отображения информации" (Кисловодск, 1996), на 3 Международной научн технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроен] АПЭП-96" (Новосибирск, 1996), на Международной научно-техническ< конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качест приборов, устройств и систем" (Пенза, 1997), на Международной конференщ "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводников! структурах" (Ульяновск, 1997), 3 Международной конференции "Распознавание-9 (Курск,1997).

Публикации: Основные результаты исследований отражены в 17 печатных работах.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня условных обозначений и списка литературы, содержит 176 страниц текста, включает 46 рисунков, 6 таблиц, 160 наименований литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава. Основные свойства пленочных электролюминесцентных излучателей.

Глава посвящена обзору литературы и анализу состояния исследуемого вопроса. Проведен сравнительный анализ известных к настоящему времени типов ЭЛИ и видов их конструкций, указаны их преимущества и недостатки. Показано, что наиболее перспективным типом ЭЛИ являются тонкопленочные (ТП) ЭЛИ временного тока структуры МДПДМ ("металл - диэлектрик - полупроводник ^люминофор) - диэлектрик - металл") благодаря своим высоким светотехническим и эксплутациоиным характеристикам. Анализ литературных источников :видетельствует, что в качестве люминофора чаще всего используются сульфид динка, легированный марганцем или фторидами редкоземельных элементов, а также ;ульфиды щелочноземельных элементов (сульфиды кальция и стронция), тегированные редкоземельными элементами. Однако, несмотря на указанные юстоинства, яркость свечения известных ЭЛ структур красного и особенно синего цветов свечения недостаточна для ряда применений (в частности, для создания юлноцветных телевизионных ЭЛ индикаторных панелей) и составляет примерно 1/31/5 необходимого значения. Поэтому проблема повышения яркости свечения сказанных цветов свечения является весьма актуальной.

Наилучшими показателями эффективности обладают ТП ЭЛИ на основе :ульфида цинка, легированного марганцем. При этом генерация излучения в юдобных структурах происходит за счет прямого ударного возбуждения центров :вечения (ионов Мп2+) горячими электронами с их последующей излучательной 1елаксацией. В отличие от 7п8:Мп в ЭЛ структурах, легированных редкоземельными лементами, имеет место резонансная передача энергии при возбуждении центров вечения, однако этот механизм еще недостаточно изучен. Данные исследований аких соединений довольно разрознены по сравнению с 2п8:Мп, по которому (акоплен весьма обширный материал теоретических и экспериментальных [сследований. Поэтому ввиду большей изученности использование в исследуемых в энной работе образцах ЭЛИ люминесцентного слоя на основе 2п8:Мп в качестве юдельного является наиболее оптимальным.

Проведенный по литературным источникам анализ результатов исследований лекгрофизических параметров люминесцентных слоев (вероятности возбуждения, злучательной и безызлучательиой релаксации центров свечения, сечение ударного озбуждепия и др.) показал, что эти результаты носят разрозненный и зачастую ротиворечивый характер, причем из-за зависимости этих параметров от режима озбуждения (формы, амплитуды и временных параметров импульсов напряжения) ля полного описания кинетики предпробойной электролюминесценции необходимо

знание зависимостей указанных величин. Но даже для наиболее изученног люминесцентного материала - сульфида цинка, легированного марганцем - эт зависимости не определены, а значения приводимых параметров носят оценочны характер.

На основе выполненного анализа были определены цели и задач исследований.

Вторая глава. Электролюминесцентные структуры на шероховаты подложках.

Проведены экспериментальные исследования вольт-яркостных характерней) (ВЯХ), частотных зависимостей яркости и диаграмм направленности излучения ЭЛ] структур МЦЦМ, МДПМ, МДПДМ, МПКМ, а также волн яркости структур МДПДО МДПКМ, где М - первый прозрачный электрод на основе БпСЬ толщиной 0.1-0.2 мк.\ нанесенный на стеклянную подложку, и второй непрозрачный тонкопленочны электрод на основе А1 толщиной 0.1-0.2 мкм или (для МДПКМ структур) прижимно металлический электрод с микрометрической регулировкой хода с погрешностью ± мкм; П - ЭЛ слой ХпБ'.Мп (0.5% мае.) толщиной 0.8-1.3 мкм; Д - диэлектрически слой на основе твердого раствора '¿т02*У203 (13% мае.) толщиной 0.2-0.3 мкм; К слой композиционного жидкого диэлектрика (КЖД) толщиной 15-100 мки состоящего из смеси кремнийорганической жидкости ПФМС-4 с порошкообразны наполнителем - ВаТЮз с размером зерен 1.5-10 мкм и концентрацией наполнителя диэлектрике примерно 30-50% объемн., выполненных на обычных гладка стеклянных подложках, подложках с внутренней шероховатой поверхность!' подложках с внешней диффузно-рассеивающей излучающей поверхностью и I подложках с двумя шероховатыми поверхностями. Прозрачный электрод из БпС получали методом гидролиза хлорного олова. Слой люминофора наносш вакуумтермическим испарением в квазизамкнутом объеме, непрозрачный электрод вакуумтермическим испарением, тонкопленочные диэлектрические слои получат электронно-лучевым испарением, КЖД наносили в виде пасты, толстопленочнь диэлектрик - методом трафаретной печати. Шероховатые подложки получа; химическим травлением гладкой подложки в плавиковой кислоте. Все одинаковь слои исследуемых структур получали в едином технологическом цикле. Г результатам измерений шероховатые подложки имели равномерно распределенш по поверхности микронеровности с высотой (0.5-1.1) мкм и линейными размера* (0.8-1.3) мкм на внешней поверхности, высотой (0.2-0.5) мкм и линейными размера* (0.6-1.0) мкм на внутренней поверхности стеклянной подложки с гауссовь распределением высот и линейных размеров микронеровностей. Диаме непрозрачных электродов был равен 1.5-2.5 мм. Поверхностное сопротивлен прозрачного электрода на подложках с гладкой внутренней поверхностью состааля 250 Ом/П, с шероховатой поверхностью - 400 Ом/О.

Результаты исследований свидетельствуют, что использование в пленочш МДПДМ, МПДМ, МДПМ структурах подложек с внешней диффузно-рассеивагащ излучающей и внутренней шероховатой поверхностями сопровождает расширением диаграммы направленности излучения ЭЛИ и позволяет существен повысить яркость свечения (в 1.23,2.05 и 3.50 раза) и коэффициент вывода излучен из ЭЛ структуры (в 1.28, 2.76 и 5.24 раза) ЭЛ структур с внутренней шероховат

поверхностью подложки, структур с внешней шероховатой поверхностью подложки и структур на подложке с двумя шероховатыми поверхностями, соответственно, по сравнению со структурой на подложке с двумя гладкими поверхностями. Показано, что это может быть вызвано уменьшением потерь излучения, обусловленных полным внутренним отражением как в пленочной структуре, так и в стеклянной подложке, что подтверждается расчетами, свидетельствующих об увеличении угла конуса выхода излучения из ЭЛ структуры. При этом наблюдается уменьшение крутизны ВЯХ и порогового напряжения для всех исследуемых структур при переходе от подложек с гладкой внутренней поверхностью к подложкам с шероховатой внутренней поверхностью. Уменьшение порогового напряжения вызывается, как свидетельствуют результаты проведенных исследований, значительным повышением напряженности электрического поля в ЭЛ слое в местах выступающих микронеровностей шероховатой подложки ЭЛИ (в 1.4-1.7 раза) по сравнению со структурой на гладкой подложке. Уменьшение крутизны ВЯХ может быть обусловлено статистическим разбросом ВЯХ отдельных микроучастков ЭЛ структуры, образующих интегральную ВЯХ ЭЛИ.

Результаты исследования волн яркости в МДПДМ, МДПМ, МПДМ и МДПКМ структурах на гладкой и шероховатой подложках свидетельствует об уменьшении постоянной времени нарастания яркости при переходе от гладкой к шероховатой подложке в (6-8) раз для МДПДМ, МДПМ, МПДМ структур и в (3-8) раз для МДПКМ структуры и о появлении двух участков спада у МДПДМ, МДПМ, МПДМ яруктур; у МДПКМ структуры два участка спада имеются как на гладкой, так и на шероховатой подложках, что может быть объяснено появлением неоднородного электрического поля в подобных структурах, обусловливающее возбуждение и излучательную релаксацию наряду с одиночными парных центров свечения Мп2+, а сакже более сложных комплексных центров свечения, состоящих из ионов Мп2+ и юбственных дефектов структуры сульфида ципка, концентрация которых может быть товышена в ЭЛИ, нанесенном на шероховатую подложку.

Частотные зависимости яркости ЭЛИ структур МДПДМ, МПДМ, МДПМ 5лизки на участке насыщения ВЯХ и существенно ослабляются на участке роста ВЯХ 1ри переходе от одного вида подложки к другому в последовательности "гладкая «утренняя и внешняя поверхности - шероховатая внутренняя и гладкая внешняя гаверхности - гладкая внутренняя и шероховатая внешняя поверхности - две иероховатые поверхности". Для МПКМ структуры на шероховатой подложке на гчастке роста ВЯХ частотная зависимость яркости носит линейный, а для гладкой юдложки - сублинейный характер; на участке насыщения ВЯХ характер ависимостей практически одинаков. Такое поведение частотных зависимостей ркости ЭЛИ при переходе от одного типа подложки к другому можно объяснить юявлением двух участков спада волны яркости, обусловленных изменением ■диетики излучательной релаксации из-за наличия неоднородного электрического юля в подобных структурах .

Третья_глава. Оптимизация режимов возбуждения

лектролюминесцентных излучателей.

На основе решения уравнения кинетики изменения концентрации озбужденных центров свечения в слое люминофора ТП ЭЛИ при прямом ударном

возбуждении этих центров:

<и г

где N - концентрация центров свечения; N (I') - концентрация возбужденных центро; свечения; а(1)=а}(1)!е - вероятность перехода центра свечения из основного : возбужденное состояние в единицу времени (¿г - сечение ударного возбуждсни центра свечения, ]0) - плотность тока проводимости в пленке люминофоре вызывающего его свечение, е - заряд электрона); т - постоянная времени релаксаци: возбужденных центров свечения, обусловленной излучательными переходами основное состояние; Р - вероятность безызлучательных переходов этих центров единицу времени, получены зависимости средней яркости свечения от параметро слоев МДПДМ структуры и условий возбуждения ТП ЭЛИ для различных фор] возбуждающего напряжения (треугольной, трапецеидальной, синусоидально* прямоугольной с экспоненциальным фронтом). Показано, что при равных значения амплитуды и периода следования импульсов знакопеременного симметричног напряжения средняя яркость свечения, внешний квантовый и энергетический выхода светоотдача возрастают с увеличением скорости нарастания напряжения да различных форм возбуждающего напряжения в следующей последовательное« треугольная - синусоидальная - трапецеидальная - прямоугольная, в то время ка эффективность, определяемая как отношение светового потока, излучаемого ЭЛИ, полной мощности, необходимой для возбуждения ЭЛИ, изменяется несколько инач< синусоидальная - треугольная - трапецеидальная - прямоугольная (см. табл.).

Таб.

форма напряжения треугольная синусоидальная трапецеидальная прямоугольная

яркость расчет 1 1.22 1.70 2.06

эксперимент 1 1.26 2.02 2.33

полная мощность 1 1.27 1.07 0.99

эффективность 1 0.96 1.59 2.08

Ьтах 2.69 3.00 3.01 9.79

При этом для всех исследованных форм возбуждающего напряжения существу! оптимальное значение отношения удельных емкостей диэлектрических и ЭЛ сло< (ртах=Са/Сэо), при котором эффективность ЭЛИ максимальна, а выражения для Ь„ при возбуждении исследуемых ЭЛ структур линейно нарастающим напряжение имеет вид:

1

Атах =

8язш Р Рл

Р Бт 3 Р БШ 5/7 ~2 9 + 54

. 2 п бш 2 зр . а . ч БШ ър%т($р/п) бш р + ——— - эт р&т{р /п)--г 9—-

Р=2фт, / - частота возбуждающего напряжения У„=У([„) - амплиту,

возбуждающего напряжения, У„=У((„) - пороговое напряжение, вызывающее нача. свечения.

з

и

Теоретически и экспериментально показано, что при возбуждении ЭЛИ напряжением амплитудой 120 В с линейно нарастающим фронтом в диапазонах изменения периода следования импульсов 0.2-20 мс и времени нарастания напряжения 1-1000 мкс зависимости средней яркости:

\

кТт [а + М г )

1 -А (а + 1/г*)

1-ехр

- а + -

1

+ т

1-(1-Л)ехр

1-ехр

Г у Л. + 772-*

('«-О

+

,(3)

где А =

1-ехр

ехр -

г+772-/

и амплитудной яркости (максимум волны яркости):

а

яг' а + Мт*

1-ехр

(4)

где Т}с= tfexfj.hu - эффективность светового выхода, т]ех, - внешний квантовый выход, определяемый отношением числа фотонов, излучаемых с поверхности, к полному числу фотонов, возникающих в объеме люминесцентного слоя, - коэффициент видности излучения, Ий - энергия излучаемых фотонов (А - постоянная Планка); с1э -толщина слоя люминофора, г =(1/т+р)'!, т„=(а+1/х)'1 • постоянная нарастания яркости, Т - период возбуждающего напряжения, а также внешнего и внутреннего квантового выходов, энергетического выхода и светоотдачи от времени нарастания напряжения имеют максимум, положение которого определяется частотой возбуждающего напряжения: с ростом частоты следования импульсов возбуждения максимумы указанных зависимостей смещаются в область меньших значений времени нарастания напряжения.

Четвертая глава; Определение параметров и характеристик предпробойной электролюминесценции в пленочных структурах на основе сульфида цинка, легированного марганцем.

Выполнен анализ решения уравнения кинетики изменения концентрации возбужденных центров свечения для линейно нарастающего напряжения возбуждения ЭЛ структур на основе ХпЪМп, который свидетельствует о том, что зависимости средней и амплитудной яркостей от времени нарастания напряжения, определяемые выражениями (3), (4) при возбуждении ЭЛИ напряжением с линейно нарастающим фронтом позволяют определить основные параметры, характеризующие процесс предпробойной электролюминесценции: сечение ударного возбуждения, концентрацию центров свечения, вероятность перехода центров свечения из основного в возбужденное состояние а, вероятности излучательной и безызлучателыюй рекомбинации этих центров, число центров свечения, возбуждаемых одним носителем, при прохождении его через слой люминофора.

С использованием численного анализа теоретических зависимостей амплитудной и средней яркости от времени нарастания напряжения путем вариации параметров а, т для получения максимального соответствия расчетных указанных

зависимостей экспериментальным определены значения параметров, которые да неоптимизированной по конструктивно-технологическим параметрам ЭЛ МДПД1 структуры на гладкой подложке (П - слой люминофора 2п8:Мп (0.5% мае.) толщине (0.8-0.85) мкм; Д - слой диэлектрика 2г02»У20з (13% мае.) толщиной 0.25 мкм; М прозрачный электрод на основе 5>п02 толщиной 0.2 мкм и непрозрачный электрод I основе А1 толщиной 0.15 мкм), имеющей среднюю яркость Ьср=12Ъ кд/м2 при часто: возбуждающего напряжения /=1 кГц, составили: сечение ударного возбужден! ег=(2±0.5)-10"15 см2, вероятность излучательной рекомбинации Ри=6.5%, вероятное безызлучательной рекомбинации Ре=93.5%, вероятность излучательнс рекомбинации в единицу времени 1/т= 108 с"1, вероятность безызлучательнс рекомбинации в единицу времени /?== 1558 с"1, внешний квантовый выход %л=1.3Ч внутренний квантовый выход 77,„,—7.8%, концентрация центров свечения N=4.73-10 см"3, число центров, возбуждаемых одним носителем, при прохождении им ЭЛ слс N¡=1.2, энергетический выход т]ш=4.27-Ю'4, светоотдача 0.22 лм/Вт.

Из (3), (4) следуют зависимости тн, а от г„, Уя, которые были теоретически экспериментально исследованы для ЭЛИ структур МДПДМ и МДПКМ, размещенны на гладких и шероховатых подложках:

1 , тг ч 1

•= + —гг.—ггт. О

1

еЬ

о

Из экспериментальных зависимостей ги(Гт, К^) можно определить ря параметров и характеристик процесса предпробойной электролюминесценцш зависимости времени жизни возбужденных центров свечения, вероятное! возбуждения и релаксации возбужденных центров свечения в единицу времени (да структур на гладкой и шероховатой подложках), сечения ударного возбуждена центров свечения (для структур на гладкой подложке) от длительности фронта амплитуды импульса линейно нарастающего напряжения. При это экспериментальные зависимости 1/тн(1/1„), измеренные на частотах 250 Гц и 1 кГц, полном соответствии с (6), (7) линейны в диапазонах изменения 1т\ для МДПЩ структуры на гладкой подложке при /„=1-300 мке, для МДПКМ структуры на гладко подложке при <л=1-50 мке, на шероховатой подложке при г„=1-100 мке, что согласн (6), (7) указывает на независимость г и 1/г от гп для данных структур в указанно диапазоне изменения гт. Для МДПДМ структуры на шероховатой подложке диапазоне изменения /„=1-300 мке на участке роста вольт-яркостной характеристик (ВЯХ) зависимость 1/тн(1/1^ имеет вид 1/ги~(1/1т)7, а на участке насыщения ВЯХ I/г„~(Мда)'3. Это свидетельствует о зависимостях а от /и или г от (я для это структуры в указанном диапазоне изменений

л

В соответствии с (7) при больших tm a(tmVJ~*0 и l/rH(tm, Vj-l/Tft^ FJ. Это позволяет определить согласно (8) зависимости aftm, VJ для МДПДМ структуры, используя экспериментальные зависимости l/r„(tm,V'„), измеренные при /и= 1 мкс и /т=300 мкс. Методическая погрешность при этом не превышает 1.5%. Найденная таким образом зависимость a(V^) аппроксимируется функцией a^(DexpkV^)/ Vm, где D= 7.22-10'15 В •см , ¿=0.015 В" - для МДПДМ структуры на гладкой подложке, Z>=5.54-10'15 В-см2, ¿=0.022 В"1 - для этой же структуры на шероховатой подложке (рис.1).

ff,CM2

1Е-15-,

4Е-16-

80 100 120 140 Ут В

Рис. 1. Зависимость стот Ут для МДПДМ структуры; 1 - на шероховатой подложке; 2 - на гладкой подложке

При этом в указанных диапазонах линейного изменения зависимостей 1/тн(1№ У„) в соответствии с (6), (7) сечение ударного возбуждения сгне зависит от

В отличие от a(VJ, зависимость а(Т„) может быть определена в соответствии с (7) как для МДПДМ, так и для МДПКМ структур, выполненных на гладкой и на шероховатой подложках, поскольку выражение (7) в наиболее общем виде учитывает вероятности возбуждения, излучательной и безызлучательной релаксации центров свечения в единицу времени. При этом зависимость а(У„) (рис.2), полученная из

8Е+4--

4Е+4-

80 120 160 200 240 В

Рис.2. Зависимость а от У„: 1,2 - для МДПДМ структуры; 3,4 - для МДПКМ структуры; 1,3 - на шероховатой подложке; 2,4 - на гладкой подложке

экспериментальных данных, описывается функцией а- афхркУт для МДПД! структуры, где «о=1353 с1, ¿=0.015 В"1 - для структуры на гладкой подложке ао= 1108 с1, ¿==0.022 В'1 - для структуры на шероховатой подложке. Для МДПК! структуры зависимость а(У„) линейна: а=к(Ут-У„)+а1 и ¿=130 В'^с'1, а1=7-103 с"1 для структуры на гладкой подложке и ¿=870 В'1-с*1, «7=6-103 с"1 - для структуры I шероховатой подложке (рис.2).

Полученные результаты свидетельствуют о возможности управлеш характеристиками возбуждения центров свечения, а, следовательно, светотехническими характеристиками ЭЛИ с помощью введения неоднородно: электрического поля, действующего в слое люминофора.

Основные выводы:

1) Экспериментальными исследованиями показано, что использование пленочных ЭЛИ стеклянных подложек с шероховатой поверхностью, на котору нанесена пленочная ЭЛ структура, позволяет примерно в два раза повысить яркое свечения подобных ЭЛ структур по сравнению с ЭЛИ, выполненных на обычнь гладких подложках, что обусловлено наличием микрорельефа, уменынающе] волноводный эффект бокового распространения излучения и увеличивающего выхе излучения из ЭЛ слоя в стеклянную подложку, и микролинзового растра на подложк

Уменьшение крутизны ВЯХ при переходе от структур на подложке с гладке внутренней поверхностью к структурам на подложках с шероховатой внутренго поверхностью объясняется статистическим разбросом ВЯХ отдельных микроучасткс структур, образующих интегральную ВЯХ ЭЛИ; уменьшение порогового напряжен! при этом обусловлено появлением неоднородного электрического поля в структур! на подложках с внутренней шероховатой поверхностью с повышение напряженностью поля в местах выступающих над поверхностью подлож! микронеровностей.

В ЭЛИ со слоем КЖД при переходе от гладких подложек к шероховатым увеличением толщины и размера зерен наполнителя слоя КЖД влияние этого слоя I дополнительную неоднородность электрического поля уменьшается.

2) Наличие на стеклянной подложке ЭЛИ наряду с внутренней шероховатс поверхностью внешней диффузно-рассеивающей излучающей поверхности позволя' в МДПДМ структуре повысить яркость свечения (в 3.5 раза) и увеличи коэффициент вывода излучения, а также внешний квантовый выход, энергетичесю выход и светоотдачу (в 5.2 раза) по сравнению со структурой на подложке с дву! гладкими поверхностями. Это можно объяснить уменьшением потерь излучени обусловленных полным внутренним отражением как в пленочной ЭЛ структуре, так в стеклянной подложке, и увеличением выхода излучения из стеклянной подложк что подтверждается расширением диаграммы направленности излучения этих 3 структур.

3) Для электролюминесцентных МПДМ, МДПМ, МДПДМ и МДПКМ струкг при переходе от гладкой подложки к подложке с внутренней шероховатс поверхностью постоянная времени нарастания фронта волны яркости снижается в ( 8) раз для структур с тонкопленочными диэлектрическими слоями и в 3.8 раза д. МДПКМ структуры с композиционным жидким диэлектриком, а спад волны яркое у МДПКМ структур на обоих типах подложки и у всех ЭЛ структур на подложка?

внутренней шероховатой поверхностью имеет два экспоненциальных участка, что может быть обусловлено появлением в структурах неоднородного электрического поля и релаксацией наряду с одиночными парных центров свечения Мп2\ а также более сложных комплексных центров свечения, появление которых может быть вызвано наличием неоднородного электрического поля и повышенной плотностью дефектов, имеющихся в таких структурах.

4) Показана возможность создания гибридного варианта ЭЛИ на стеклянной подложке, у которого на тонкопленочную МДПД структуру нанесен толстопленочный диэлектрический слой с высокой диэлектрической проницаемостью, что обеспечивает возможность размещения на тыльной стороне ЭЛИ интегральных устройств управления.

5) Для ЭЛ структур на основе с ударным возбуждением одиночных центров свечения Мп2+ теоретически и экспериментально показано, что при изменении формы возбуждающего напряжения с увеличением скорости его нарастания происходит возрастание средней яркости свечения, светоотдачи, внешнего квантового выхода, энергетического выхода, эффективности (отношения светового потока к полной мощности, затрачиваемой на возбуждение излучения). При этом значения средней яркости, светоотдачи, внешнего квантового выхода, энергетического выхода для одинаковой частоты и амплитуды возбуждающего напряжения при изменении формы напряжения возбуждения изменяются в порядке возрастания следующим образом: треугольная - синусоидальная - трапецеидальная -прямоугольная, в то время как эффективность в порядке ее возрастания изменяется несколько иначе: синусоидальная - треугольная - трапецеидальная - прямоугольная. Оптимальное отношение удельных емкостей диэлектрических и люминесцентного слоев, при котором эффективность ЭЛИ имеет максимальное значение, также изменяется при переходе от одной формы возбуждающего напряжения к другой и имеет минимальное значение, равное 2.69 для напряжения треугольной формы, а максимальное, равное 9.79 - для напряжения прямоугольной формы.

При возбуждении ЭЛИ напряжением с линейно нарастающим фронтом аналитические и экспериментальные зависимости амплитудной и средней яркостей свечения, светоотдачи, внешнего квантового выхода, энергетического выхода от времени нарастания возбуждающего напряжения имеют максимумы, смещающиеся в область меньших значений времени нарастания напряжения с увеличением частоты следования импульсов возбуждения.

6) Полученные с помощью пакета РБрюе результаты моделирования временных зависимостей тока, заряда и мощности, выполненных для эквивалентной электрической схемы ТП ЭЛИ, качественно и количественно согласуются с экспериментальными данными и могут быть использованы при расчете электрических характеристик ЭЛИ с учетом диэлектрических потерь, имеющихся в диэлектрических слоях реальных ЭЛ структур.

7) Для ЭЛ структур с прямым ударным возбуждением центров свечения предложена методика определения и определены на основе полученных аналитических и экспериментальных зависимостей амплитудной и средней яркости от времени нарастания возбуждающего напряжения основные параметры, характеризующие процесс возбуждения центров свечения и генерации излучения в

ТП ЭЛИ: сечение ударного возбуждения, концентрация центров свеченш вероятность возбуждения центров свечения в единицу времени, вероятност; излучательных и безызлучательных переходов, число центров свеченш возбуждаемых одним электроном, прошедшим через ЭЛ слой, внешний и внутрснни: квантовые выходы, энергетический выход и светоотдача.

8) Для ЭЛ структур на основе ZnS с ударным возбуждением одиночны центров свечения Mn + получены теоретические зависимости постоянных нарастани и спада яркости от длительности фронта и амплитуды импульса линей» нарастающего напряжения возбуждения, которые подгверждаютс экспериментальными данными и позволяют определять зависимости времени жизш возбужденных центров свечения, вероятностей возбуждения и релаксации возбужденных центров свечения в единицу времени, сечения ударного возбуждени центров свечения от времени нарастания и амплитуды напряжения возбуждения.

Полученные зависимости свидетельствуют о том, что возрастани эффективности (яркости, светоотдачи и т.д.) электролюминесценции в МДПДМ i МДПКМ структурах при переходе от гладких подложек к подложкам с внутренне: шероховатой поверхностью помимо оптических эффектов, обусловливающи: увеличение выхода излучения из структуры, связано с возрастанием вероятност возбуждения центров свечения в единицу времени а, обусловленного как роста сечения ударного возбуждения этих центров а, так и вызывающим этот рос усилением электрического поля в ЭЛ слое в локальных участках, соответствующи микронеровностям поверхности подложки. Это может быть использовано да повышения эффективности ЭЛИ путем управления видом указанных зависимостей з счет целенаправленного изменения структуры ЭЛИ.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующи работах:

1. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, И.А.Бащаров. Гибридный электролюминесцент 1шй излучатель // "Актуальные проблемы материаловедения в электронной технике" Тез. докл. науч.-техн. конф., июнь 1995, Ставрополь. - Изд-во НПО "Люминофор" . 1995.-c.45.

2. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, И.А.Башаров. Гибридный электролюминесцент ный излучатель У/ Сб. материалов 2-й Междунар. конф. "Распознавание-95" . Кур« 1995. Изд. курск. гос. техн. ун-та. 1995. - с.174-175.

3. Сабитов О.Ю. Оптимизация режимов возбуждения и параметров тонкопле ночных элекгролюминесцентных излучателей // Ульяновского государственного унв верситета: Тез. докл. студент, и аспирант, на 5 науч-практ. конф., апрель 1991 Ульяновск, Россия. - Ульяновск: Изд-во УлГУ, 1996.- с.48-49.

4. N.T.Gurin, O.Yu.Sabitov. Optimization of the film electroluminescent emitters oi luminescence output // "The fifth intern, conf. on Simulation of devices and technologies". ICSDT'96.-Proc. Obninsk, Russia, May 13-17,1996. Obninsk, 1996.-p.81-82.

5. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Оптимизация режимов возбуждения и параметре тонкопленочных электролюминесцентных излучателей // "Актуальные проблем! анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем". /Сб докл. Междунар. научн. конф. 4.2. Пенза. Изд.Пенз. гос. техн.ун-та, 1996. - с.65-66.

6. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Исследование пленочных электролюминесцент

1Т

х структур на шероховатых подложках // Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. "Пер-жгивные материалы и технологии для средств отображения информации". Сент. )6, Кисловодск. 1996. - с.78-79.

7. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Влияние условий возбуждения на яркость свече-1 тонкопленочных электролюминесцентных излучателей // Тез. докл. Всерос. науч.-:н. конф. "Перспективные материалы и технологии для средств отображения формации". Сент. 1996, Кисловодск. 1996. - с.80-81.

8. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, В.В.Урядников. Исследование электролюминес-шшх структур на шероховатых подложках // Актуальные проблемы электронного иборостроения АПЭП-96 (в 11 томах): Труды третьей Междунар. науч.-техн. конф., ибрь 1996, Новосиб1фск: Т.1. Секция электронно-физическая. - Новосибирск: Изд-НГТУ, 1996. - с.20-22.

9. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Гибридный пленочный электролюминесцентный 1учатель переменного тока//ЖТФ. - 1996. - Т.66, вып.11. - с.201-202.

10. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, И.В.Савельев. Пленочные электролюминесцент-е излучатели на подложках с диффузно-рассеивающей излучающей поверхностью 'Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, гройств и систем" / Сб. докл. Междунар. научн-техн. конф. Пенза. Изд.Пега. гос. ш.ун-та, 1997. - с. 131-132.

11. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Расчет электрических параметров пленочных гктролюминесцентных излучателей с помощью пакета схемотехнического модели-вания Рврюе // "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и кства приборов, устройств я систем" / Сб. докл. Междунар. научн-техн. конф. нза. Изд. Пенз. гос. техн. ун-та, 1997. - с. 17.

12. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабктов. Оптимизация режима возбуждения пленочных жгролюминесцентных структур линейно нарастающим напряжением // "Центры с кбокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" / Тр. ждунар. конф. Ульяновск, изд. Ульяновск, гос. ун-та,1997, с.122-123.

13. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Пленочные электролюминесцентные структуры шероховатых подложках//ЖПС. - 1997. - Т.64, вып.4. - с.507-512.

14. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, И.Ю.БригаДнов. Пленочные электролюминес-нтные излучатели на шероховатых подложках // Письма в ЖТФ. - 1997. - Т.23, п. 15. - с.7-12.

15. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Пленочные электролюминесцентные структуры подложках с диффузно-рассеивающей излучающей поверхностью // Письма в

ГФ. - 1997. - Т.23, вып.20. - с.1-7.

16. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Влияние электрофизических параметров и жимов возбуждения на выход излучения в тонкопленочных электролюминесцент-гх структурах // Ученые записки Ульяновского государственного университета. :рия физическая. Вып.1(3).- Ульяновск: УлГУ, 1997. - с.73-77.

17. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Исследование волн яркости пленочных электро-шинесцентных структур при возбуждении линейно нарастающим напряжением // ). материалов 3-й Междунар. конф. "Распознавание-97". Курск. 1997. Изд. курск. с. техн. ун-та. 1997. - с.174-175.

Подписано в печать 15.05.98. Формат 84x108/32. Усл. печ. л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ № 45/_£/<£

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории оперативной полиграфии Ульяновского государственного университета 432700, г.Ульяновск, улЛ.Толстого, 42