Введение к работе
Актуальность темы: Эффект предпробойной электролюминесценции в кри-сталлофосфорах, открытый Дестрио в 1936 году и носящий его имя, лежит в основе работы многочисленных электролюминесцентных (ЭЛ) структур и индикаторных устройств. Впервые данное явление Дестрио наблюдал в порошковых (толстопленочных) люминофорах на основе ZnS:CuS. Многолетние попытки совершенствования ЭЛ излучателей (ЭЛИ) на основе порошковых люминофоров не дали существенных результатов по преодолению их основных недостатков: низкая яркости для многих применений, малая крутизна вольт-яркостной характеристики (ВЯХ), малый срок службы [1,2]. Впоследствии были получены тонкопленочные (ТП) ЭЛИ на основе различных люминофоров [3,4]. Подобные излучатели из-за высокой однородности тонкого (порядка 1 мкм) поликристаллического слоя люминофора обладают целым рядом преимуществ по сравнению с порошковыми: высокие яркость и долговечность, широкий диапазон рабочих температур, высокая контрастность, разрешающая способность, радиационная стойкость, большой угол обзора и др. [1,2].
Были предложены также пленочные структуры гибридного типа: с тонко- и толстопленочными диэлектрическими слоями. На основе подобных структур с толстоплёночным диэлектриком компанией IFire Technology Inc. (Канада) создан прототип телевизионной панели размером 34". При этом были использованы новые электролюминофоры на основе соединений алюминатов, галлатов, тиоалюминатов Mg, Са, Ва, Sr, физические процессы в которых аналогичны таковым в излучателях на основе ZnS [5,6].
Согласно существующим к началу данного исследования положениям, разработанным в работах [1,2,7] еще в 1980-1990 годах, общепринятый механизм электролюминесценции в ТП ЭЛ МДПДМ структурах сводится к следующему. При подаче на ТП ЭЛИ знакопеременного напряжения с амплитудой, обеспечивающей достижение в ЭЛ слое пороговой напряженности поля (порядка 1-1.5 МВ/см) происходит туннелирование электронов с поверхностных состояний катодной границы раздела «диэлектрик-люминофор» в зону проводимости широкозонного (3-4.5 эВ) полупроводника-люминофора, их баллистическое ускорение в сильном электрическом поле до энергий > 2-3 эВ, ударное возбуждение примесных центров свечения (например, Мп в ZnS:Mn), либо возбуждение комплексных центров с последующей резонансной
передачей энергии центру свечения (в люминофорах на основе фторидов редкоземельных элементов (РЗЭ), например, ZnS:TbF3, ZnS:SmF3, ZnS:TmF3 и др.), ударная ионизация собственных дефектов структуры ЭЛ слоя и других примесей с последующим захватом электронов на поверхностные состояния анодной границы раздела «диэлектрик-люминофор». Возбуждение центров свечения сопровождается переводом электронов с внутренних занятых подоболочек на неполностью занятые подобо-лочки. Последующая релаксация этих электронов сопровождается внутрицентровой люминесценцией, отличающейся крайне слабой зависимостью параметров от внешних воздействий. При смене полярности напряжения возбуждения цикл повторяется. Ионизированные дефекты структуры и примеси создают объемные заряды в ЭЛ слое, которые изменяют поле в этом слое и влияют определенным образом на работу ТП ЭЛИ.
При этом данные относительно глубины уровней, с которых происходит тун-нелирование, являются весьма противоречивыми: согласно [8], глубина уровней захвата носителей, ответственных за локализацию носителей заряда в ТП ЭЛИ на основе ZnS, лежит в интервале (0.9-1.2) эВ, причем природа этих уровней захвата определяется не столько границей раздела «люминофор - диэлектрик», сколько собственными дефектами сульфида цинка, а в соответствии с [9] энергетические уровни поверхностных состояний расположены не менее чем на 0.7 эВ ниже дна зоны проводимости. Кроме того, данные о распределении плотности поверхностных состояний по энергии в литературе практически отсутствуют. Имеющиеся же в литературе данные [10] носят скорее оценочный характер, так как получены без учета лавинного размножения электронов и сопровождающего его образования объёмного заряда. Собственные дефекты слоя люминофора создают глубокие центры в запрещенной зоне этого слоя, и, как свидетельствует ряд работ [11,12], могут вызывать появление участков отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) S-типа и N-типа на зависимости тока, протекающего через слой люминофора в режиме излучения ТП ЭЛИ, от среднего поля в этом слое [13,14]. В то же время условия образования ОДС, а также природа и характеристики указанных глубоких центров остаются во многом невыясненными. Процесс захвата электронов поверхностными состояниями у анодной границы раздела «диэлектрик - люминофор» в рамках единой модели работы ТП ЭЛИ остается вообще не изученным. Не выяснены также причины насыщения вольт-
яркостной характеристики и не определены основные излучательные параметры ТП ЭЛИ, характеризующие процесс возбуждения центров свечения и их зависимость от электрофизических параметров.
Таким образом, на момент начала исследований фактически отсутствует полная физическая модель предпробойной электролюминесценции в плёночных МДПДМ структурах. В связи с этим исследование и построение модели электрофизических и излучательных процессов, сопровождающих предпробойную электролюминесценцию в пленочных электролюминесцентных структурах на основе сульфида цинка, легированного марганцем с учетом условий и режимов возбуждения, а также параметров слоев электролюминесцентных излучателей является актуальной задачей.
Цель работы: Исследование и построение физических моделей электрофизических и излучательных процессов, сопровождающих предпробойную электролюминесценцию в плёночных электролюминесцентных структурах с учетом влияния условий возбуждения и параметров слоев исследуемых структур.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Экспериментальное исследование новых типов плёночных ЭЛ структур на стеклянных подложках с микронеровностями и их влияние на показатели эффективности ЭЛИ.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование влияния режима возбуждения на показатели эффективности ЭЛИ.
3. Исследование влияния объемного заряда, образующегося в слое
люминофора, на вольт-амперные, вольт-фарадные и вольт-зарядовые характеристики
ТП ЭЛИ на основе ZnS:Mn, а также определение причин и условий возникновения на
вольт-амперных характеристиках участков отрицательного дифференциального
сопротивления S- и N-типов.
4. Исследование спектральных и фотоэлектрических характеристик ТП ЭЛИ на
основе ZnS:Mn для выявления, идентификации, оценки энергетического положения и
концентрации глубоких центров, ответственных за возникновение объемных зарядов
в слое люминофора, уточнения их роли в развитии процесса электролюминесценции
и построения адекватной модели, описывающей формирование и изменение объем
ных зарядов в процессе работы ТП ЭЛИ.
5. Разработка модели и построение на ее основе методики определения основ
ных излучательных характеристик и параметров ЭЛИ, характеризующих процесс
9-І-
возбуждения центров свечения Мп , с учетом влияния объемного заряда в прианод-ной и прикатодной областях слоя люминофора на мгновенную и среднюю яркость свечения, мгновенный внутренний и внешний квантовые выходы, и на формирование вольт-яркостной характеристики.
6. Исследование генерационно-рекомбинационных процессов в плёночных
электролюминесцентных структурах, включая туннелирование электронов с поверх
ностных состояний катодной границы раздела «люминофор - диэлектрик» с учётом
последующей ударной ионизации глубоких центров и захват электронов на поверхно
стные состояния анодной границы раздела, а также оценка основных параметров и
характеристик, определяющих указанные процессы.
Научная новизна:
-
Экспериментально показано, что использование в пленочных ЭЛ структурах стеклянных подложек с микронеровностями с линейными размерами ~ 1 мкм позволяет существенно увеличить яркость (в 1.2-3.5 раза) и коэффициент вывода излучения из структуры (в 1.3-5.2 раза) по сравнению с обычной плёночной структурой на подложке с двумя гладкими поверхностями, что обусловлено уменьшением потерь излучения как в пленочной ЭЛ структуре, так и в стеклянной подложке, вызванных эффектом полного внутреннего отражения, уменьшением бокового распространения излучения вдоль структуры ЭЛИ (волноводного эффекта), а также наличием микролинзового растра на подложке.
-
Теоретически и экспериментально установлено, что при изменении формы и параметров симметричного знакопеременного периодического возбуждающего напряжения с ростом скорости нарастания напряжения происходит повышение показателей эффективности ЭЛИ (яркости, светоотдачи, внешнего квантового выхода, энергетического выхода), а при возбуждении ЭЛИ линейно нарастающим напряжением зависимости амплитудной и средней яркости свечения, внешнего квантового выхода, энергетического выхода и светоотдачи от времени нарастания возбуждающего напряжения имеют максимумы, смещающиеся в область меньших значений времени нарастания напряжения с увеличением частоты следования импульсов возбуждения.
-
Экспериментально обнаружена возможность существования и определены
условия возникновения S- и N-образных участков на ВАХ слоя люминофора в одних и тех же образцах ТП ЭЛИ на основе сульфида цинка, легированного марганцем, объясняемые формированием и изменением объемных зарядов в прикатодной и прианодной областях слоя люминофора, обусловленных перезарядкой глубоких центров, образованных вакансиями цинка Vln , Fz~ и серы F/, V^+.
-
Предложены методики определения важнейших излучательных параметров электролюминесценции при возбуждении симметричным знакопеременным линейно нарастающим напряжением, основанные на анализе экспериментальных зависимостей амплитудной и средней яркости от времени нарастания напряжения, и введенного автором понятия мгновенного внутреннего квантового выхода, с помощью которых определены: сечение ударного возбуждения, концентрация центров свечения, число центров свечения, возбуждаемых одним носителем заряда при прохождении его через слой люминофора, вероятность возбуждения центров свечения в единицу времени, вероятности излучательной и безызлучательной релаксации центров свечения, внешний и внутренний квантовые выходы, светоотдача.
-
Установлен механизм формирования мгновенного внутреннего квантового выхода, на основании анализа которого показано, что появление участка насыщения на вольт-яркостной характеристике обусловлено возникновением объемных зарядов в прианодной и прикатодной областях слоя люминофора и уменьшением эффективной толщины слоя люминофора.
-
В рамках предложенной модели процесса переноса носителей заряда при туннелировании электронов с поверхностных состояний и последующей ударной ионизации глубоких центров, обусловленных собственными дефектами слоя люминофора определены распределение по энергии плотности заполненных поверхностных состояний катодной границы раздела «люминофор - диэлектрик», коэффициент умножения электронов, коэффициент ударной ионизации, число ионизации, производимых одним электроном, прошедшим область ударной ионизации, распределение электрического поля по толщине слоя люминофора, глубина уровней поверхностных состояний, вероятность туннелирования электронов в единицу времени, ширина потенциального барьера, а также зависимости указанных параметров от времени для полного цикла работы ЭЛИ и установлено влияние на них частоты и амплитуды импульсов напряжения возбуждения.
7. Экспериментально установлено, что механизм захвата электронов на поверхностные состояния анодной границы раздела «люминофор - диэлектрик» ТП ЭЛИ при спаде тока проводимости подчиняется бимолекулярному закону и предложена двухстадийная модель этого процесса, включающая в себя на первой стадии ударный Оже-захват горячих электронов на анодной границе раздела «диэлектрик -люминофор» и туннельную генерацию дырок в валентную зону с глубоких уровней, а на второй стадии - при смене направления электрического поля в слое люминофора - рекомбинацию электронов наиболее глубоких заполненных поверхностных состояний с дырками валентной зоны, генерированными за счет туннельной эмиссии с глубоких центров. В рамках предложенной модели определены основные параметры захвата электронов при различных режимах возбуждения.
Практическая ценность работы:
-
Предложены модификации ЭЛИ, выполненные на стеклянных подложках с микронеровностями, позволяющие существенно повысить яркость свечения (в 1.2-3.5 раза) и увеличить коэффициент вывода излучения из ЭЛ структуры, светоотдачу, внешний квантовый выход, энергетический выход (в 1.3-5.2 раза) по сравнению с обычной структурой на подложках с двумя гладкими поверхностями, а также гибридная конструкция ЭЛИ МДПДТМ структуры, в которой наряду с тонкопленочным диэлектриком используется толстопленочный диэлектрический слой с повышенным значением диэлектрической проницаемости, позволяющий обеспечить сопряжение такой структуры с интегральными устройствами управления.
-
На основании теоретических расчетов и экспериментальных исследований оптимизирован режим возбуждения ЭЛИ путем изменения формы и параметров симметричного знакопеременного периодического возбуждающего напряжения (синусоидальной, треугольной, трапецеидальной и прямоугольной форм) и вариации времени нарастания импульса напряжения возбуждения для получения максимальных значений показателей эффективности ЭЛИ (яркости, светоотдачи, внешнего квантового выхода, энергетического выхода и эффективности, определяемой отношением светового потока к полной мощности, затрачиваемой на возбуждение излучения).
-
Предложен метод анализа вольт-фарадной характеристики ТП ЭЛИ для диагностики S- или N-образных В АХ полупроводникового слоя МДПДМ структуры.
4. Обосновано увеличение мгновенной яркости свечения из-за появления
дополнительных пиков тока в режиме однократного запуска, обусловленных образованием объемных зарядов, за счет использования технологии изготовления ТП ЭЛИ, направленной на повышение концентрации глубоких центров, и специальных режимов возбуждения.
-
Методика, основанная на использовании режима импульсного возбуждения напряжением треугольной формы с дополнительным фотовозбуждением ТП ЭЛИ в различных областях спектра, позволяет определить энергетическое положение, концентрацию и время релаксации объемного заряда в слое люминофора.
-
Для случая прямого ударного возбуждения центров свечения в ЭЛ слое предложена методика определения вероятностей возбуждения, излучательной и бе-зызлучательной релаксации центров свечения, сечения ударного возбуждения этих центров, а также зависимостей указанных параметров от амплитуды и времени нарастания линейно нарастающего напряжения возбуждения ЭЛИ.
7. Предложены методика определения характеристик туннелирования и
ударной ионизации (зависимости от времени толщины слоя объемного заряда в
прианодной области и длины области ударной ионизации, напряженности
электрического поля в области потенциального барьера на катодной границе раздела,
максимальной глубины залегания и распределения плотности поверхностных
состояний по энергии, с которых осуществляется туннелирование электронов,
минимальной толщины барьера, вероятности туннелирования электронов,
коэффициента ударной ионизации глубоких центров, обусловленных собственными
дефектами структуры слоя люминофора) и методика определения параметров и
характеристик процесса захвата горячих электронов при выключении ТП ЭЛИ (время
жизни электронов, скорость поверхностного захвата и сечение захвата электронов, их
зависимости от параметров напряжения возбуждения).
Положения, выносимые на защиту:
1. Возникновение отрицательного дифференциального сопротивления S-типа и N-типа на ВАХ слоя люминофора обусловлено перезарядкой глубоких центров и образованием и изменением положительного объемного заряда в прианодной области слоя люминофора - ионизацией вакансий цинка V^, V~n и серы F/, и отрицательного объемного заряда в прикатодной области слоя люминофора - захватом электронов на
вакансии серы F/ и Vs .
-
Оптимизация режима возбуждения ЭЛИ путем изменения формы возбуждающего напряжения с сохранением амплитуды и периода следования приводит к изменению амплитудной и средней яркости свечения, внешнего квантового и энергетического выходов, светоотдачи, а зависимости указанных параметров от времени нарастания линейно изменяющегося напряжения имеют максимумы.
-
Разработана физико-математическая модель процесса переноса носителей заряда при туннелировании электронов с заполненных поверхностных состояний границы раздела «диэлектрик - люминофор» и последующей ударной ионизации глубоких центров, обусловленных собственными дефектами слоя люминофора, в рамках которой определены зависимости от времени коэффициента умножения электронов, коэффициента ударной ионизации, числа ионизации, производимых одним электроном, прошедшим область ударной ионизации, распределение электрического поля по толщине слоя люминофора, глубина уровней поверхностных состояний, вероятность туннелирования электронов в единицу времени, ширина потенциального барьера.
-
Процесс захвата электронов на поверхностные состояния анодной границы раздела «люминофор - диэлектрик» ТП ЭЛИ при спаде тока проводимости подчиняется бимолекулярному закону и протекает в две стадии. На первой стадии процесса происходит ударный Оже-захват горячих электронов на поверхностные состояния анодной границы раздела «диэлектрик - люминофор» и туннельная генерация дырок в валентную зону с глубоких центров, а на второй - при смене направления поля в слое люминофора - дырки валентной зоны, генерированные за счет туннельной эмиссии с глубоких центров, дрейфуют к этой границе, где рекомбинируют с электронами наиболее глубоких заполненных поверхностных состояний.
5. Разработанные автором методики, основанные на анализе
экспериментальных данных амплитудной и средней яркости от времени нарастания
линейно изменяющегося напряжения возбуждения и введенного автором понятия
мгновенного внутреннего квантового выхода позволяют определить важнейшие
излучательные параметры пленочных ЭЛИ, а также объяснить насыщение вольт-
яркостной характеристики.
6. Сформированные в процессе изготовления ЭЛ структуры микронеровности
на стеклянной подложке приводят к увеличению яркости свечения, светоотдачи,
внешнего квантового и энергетического выходов.
Достоверность полученных результатов: обеспечивалась использованием серийно выпускаемой измерительной аппаратуры, общепринятых расчетных методик, стандартных пакетов прикладных программ для обработки экспериментальных данных, соответствием результатов расчета предложенных моделей эксперименту, а также согласованностью полученных результатов с данными независимых исследований.
Личный вклад автора: основные результаты диссертации получены автором самостоятельно. Экспериментальные исследования и теоретические расчеты проводились автором как самостоятельно, так и с участием соавторов. Обсуждение результатов и их интерпретация осуществлялась автором совместно с научным консультантом и соавторами.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции "Актуальные проблемы материаловедения в электронной технике" (Ставрополь, 1995), Международной конференции "Распознавание" (Курск, 1995,1997), на 5 Международной конференции "The fifth intern, conf. on Simulation of devices and technologies" (Obninsk, 1996), на Международной научной конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1996, 1997, 1998), на научно-технической конференции "Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации" (Кисловодск , 1996), на 3 Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96" (Новосибирск, 1996), на Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1997), на Международной конференции "Физические процессы в неупорядоченных полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1999), Международной конференции "Оптика полупроводников" (Ульяновск, 2000), Международной конференции "Оптика, оптоэлектроника и технологии" (Ульяновск, 2001), Международной конференции по люминесценции, посвященная 110-летию со дня рождения академика СИ. Вавилова (Москва, 2001), Международной конференции "Оптика, оптоэлектроника и технологии" (Ульяновск, 2002), Международной конференции "Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы" (Ульяновск, 2004, 2005, 2006), V Международной конференции "Аморфные и поликристаллические полупроводники" (Санкт-Петербург, 2006).
Публикации: В ходе выполнения исследований по теме диссертации опубликовано 63 научные работы, из них 24 статьи из перечня ВАК. Список основных публикаций приведён в конце автореферата.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, перечня условных обозначений и списка литературы, содержит 390 страниц текста, включает 106 рисунков, 8 таблиц, 307 наименований литературы.
