Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 5 06;07;11;12 Кинетика электролюминесценции в пленочных структурах на основе сульфида цинка, легированного марганцем й Н.Т. Гурин, О.Ю. Сабитов Ульяновский государственный университет, 432700 Ульяновск, Россия (Поступило в Редакцию 11 ноября 1997 г. В окончательной редакции 21 августа 1998 г.) Исследованы теоретические и экспериментальные зависимости постоянных нарастания и спада яркости от длительности фронта и амплитуды импульса электролюминесцентных структур на основе сульфида цинка, легированного марганцем, размещенных на гладких и шероховатых подложках, от длительности фронта и амплитуды линейно нарастающего напряжения возбуждения. С помощью этих зависимостей определен ряд параметров и характеристик процесса электролюминесценции: время жизни возбужденных центров свечения, вероятности возбуждения и релаксации центров свечения в единицу времени, сечение ударного возбуждения центров свечения и их зависимости от длительности фронта и амплитуды линейно нарастающего возбуждающего напряжения. Приведены объяснения различного поведения указанных характеристик для структур на гладких и шероховатых подложках.

Для повышения показателей эффективности пленоч- жидкого диэлектрика (КЖД) толщиной 15 m, ных электролюминесцентных (ЭЛ) излучателей (ЭЛИ) состоящего из смеси кремнийорганической жидкости (яркости, светоотдачи, внутреннего и внешнего кван- ПФМС-4 с порошкообразным наполнителем BaTiO3 товых выходов, энергетического выхода) необходимо с размером зерен 1.5Ц3.0 m и концентрацией знание важнейших параметров, определяющих кинетику наполнителя в диэлектрике 50% объемных. Структуры электролюминесценции, таких как вероятности возбу- были нанесены на гладкую подложку, а также на ждения и перехода в невозбужденное состояние центров подложку с внутренней шероховатой и внешней свечения, сечение ударного возбуждения этих центров и гладкой поверхностями. Прозрачный электрод из SnO2 др. [1]. Как показано в [2], определение большинства получали методом гидролиза хлорного олова. Слой из указанных параметров возможно при возбуждении люминофора наносили вакуумтермическим испарением пленочных ЭЛИ линейно нарастающим напряжением. в квазизамкнутом объеме, непрозрачный электрод Ч Однако в связи с зависимостью этих параметров от вакуумтермическим испарением, тонкопленочные режима возбуждения (формы, амплитуды и временных диэлектрические слои получали электронно-лучевым параметров импульсов напряжения) для полного описа- испарением, КЖД наносили в виде пасты. Шероховатые ния кинетики электролюминесценции требуется знание подложки получали химическим травлением гладкой указанных зависимостей. Поэтому целью данной работы подложки в плавиковой кислоте. Все одинаковые является исследование процессов возбуждения и релак- слои исследуемых структур получали в едином сации центров свечения в пленочных ЭЛИ на основе технологическом цикле. По результатам измерений ZnS : Mn при изменении параметров линейно нарастаю- с помощью микроскопа МИИ-4 и фотоэлектрического щего напряжения возбуждения для ЭЛ структур, разме- окулярного микрометра ФОМ-2 шероховатые подложки щенных на обычных гладких стеклянных подложках, и имели на внутренней поверхности равномерно структур с более высокими показателями эффективности распределенные по поверхности микронеровности с электролюминесценции, расположенных на подложках с высотой 0.2Ц0.5 m и линейными размерами 0.6Ц1.0 m, шероховатой поверхностью [3Ц5]. с распределением высот и линейных размеров Для решения указанной задачи были выполнены экс- микронеровностей, соответствующих гауссовому.

периментальные исследования металЦдиэлектрикЦпо- Диаметр непрозрачных электродов был равен 2.5 mm.

упроводникЦдиэлектрикЦметалл (МДПДМ) и метал - Поверхностное сопротивление прозрачного электрода диэлектрикЦполупроводникЦкомпозиционный жидкий на подложках с гладкой внутренней поверхностью диэлектрикЦметалл (МДПКМ) структур, где М Ч составляло 250 /, с шероховатой поверхностью Ч первый прозрачный электрод на основе SnO2 толщиной 400 /. Яркость измерялась с помощью яркомера0.2 m, нанесенный на стеклянную подложку, и люксметра ЯРМ-3 с погрешностью измерения 8%.

второй непрозначный тонкопленочный электрод на Измерение параметров волн яркости при возбуждении основе Al толщиной 0.15 m или (для МДПКМ ЭЛ структур линейно нарастающим напряжением структур) прижимной металлический электрод с осуществлялось с помощью фотоэлектрического микрометрической регулировкой хода с погрешностью умножителя ФЭУ-75, сигнал с которого поступал 5 m; ПЦЭЛ слой ZnS : Mn толщиной 0.80Ц0.85 m; на двухканальный осциллограф С1-114. Режим Д Ч диэлектрический слой ZrO2 Y2O3 (13% mass) линейно нарастающего напряжения был реализован с толщиной 0.2Ц0.3 m, К Ч слой композиционного помощью симметричного знакопеременного напряжения 5 66 Н.Т. Гурин, О.Ю. Сабитов трапецеидальной формы с регулируемыми одновременно Подставим полученные решения (3), (4) с учетом одинаковыми длительностями фронта и спада начальных условий, учитывающих начало генерации изимпульсов [2,6], подаваемого с генератора Г5-89 с лучения при достижении возбуждающим напряжением дополнительным усилителем. Погрешность измерения порогового значения, в формулу (5). Формула связывает временных параметров при этом составляла 5%. При яркость свечения ЭЛИ с концентрацией возбужденных измерении спектральных характеристик использовался центров свечения при условии монохроматичности измонохроматор МУМ-2 с разрешением 0.6 nm и лучения и постоянства яркости по всем направлениям погрешностью измерения 0.5nm.

(ламбертовский источник) Для определения зависимостей основных параметров электролюминесценции от параметров возбуждающего N(t) L(t) =cdl, (5) напряжения рассмотрим кинетику электролюминесцен ции в пленочных ЭЛИ при возбуждении ЭЛИ линейно где c Ч эффективность светового выхода нарастающим напряжением.

При прямом ударном возбуждении ионов Mn2+ изc = ext fh, (6) менение концентрации возбужденных центров свечения описывается следующим уравнением [2]:

ext Ч внешний квантовый выход, равный отношению dN(t) N(t) числа фотонов, излучаемых с поверхности, к полному = (t)[N - N(t)] - - N(t), (1) числу фотонов, возникающих в объеме ЭЛ слоя; f Ч dt видность излучения; h Ч энергия излучаемых фотонов где N Ч концентрация центров свечения; N(t) Ч (h Ч постоянная Планка); dl Ч толщина слоя люминоконцентрация возбужденных центров свечения;

фора.

(t) = j(t)/e Ч вероятность перехода центра В результате получим закон изменения мгновенной свечения из основного в возбужденное состояние в яркости от времени при нарастании возбуждающего единицу времени ( Ч сечение ударного возбуждения напряжения от порогового значения Vn, соответствуцентра свечения, j(t) Ч плотность тока проводимости ющего времени tn, при котором начинается свечение в пленке люминофора, вызывающего его свечение, e Ч тонкопленочных ЭЛИ (LH(tn) = 1cd/m2), до времени заряд электрона); Ч постоянная времени релаксации возбужденных центров свечения, обусловленной (tm) достижения амплитудного значения напряжения Vm излучательными переходами в основное состояние; Ч вероятность безызлучательных переходов этих центров cdlN LH(t)= 1-exp - + (t-tn). (7) в единицу времени.

+ 1/ При анализе принимаем, что диэлектрики являются однородными и не имеющими диэлектрических потерь, Выражение (7), справедливое для области низких чаЭЛ структура симметрична и волны яркости одинаковы стот следования импульсов возбуждающего напряжения, в разные полупериоды возбуждающего напряжения.

когда спад яркости за полпериода происходит практичеРешим аналогично [2] уравнение (1) в предположении, ски до нуля, т. е. (4-5) T /2 (T Ч период следования что не зависит от t. Учитывая, что время жизни импульсов напряжения возбуждения), позволяет опреде возбужденных центров свечения равно лить величину постоянной нарастания яркости - - = +, (2) g = +. (8) и используя выражение для плотности активного тока на линейно нарастающем участке напряжения возбуждения Аналогично, учитывая в качестве начальных условий j(t) = Cd0(dV/dt) = Cd0(Vm/tm) [2,6], где Cd0 Ч идентичность амплитуды волны яркости при нарастании удельная емкость диэлектрических слоев ЭЛ структуры;

tm Ч момент времени, при котором напряжение возбу- и спаде LH(tm) = LC(tm) = Lm при t = tm, определим ждения достигает амплитудного значения Vm (момент пе- выражение LC(t) для спада яркости со временем рехода к плоской вершине трапецеидального импульса), получим зависимости изменения концентрации возбу- cdlN LC(t)= 1- exp - + (tm - tn) жденных центров на участке нарастания возбуждающего + 1/ напряжения до максимального Vm t - tm t - tm 1 N exp - = Lm exp -. (9) NH(t) =C exp - + t + (3) + 1/ и на участке, соответствующем плоской вершине и спаду С помощью выражений (7)Ц(9) можно найти величиимпульса напряжения, ну.

t В общем случае вероятность перехода центра свечеNC(t) =C exp -, (4) ния из основного в возбужденное состояние сечение где C Ч константы, определяемые начальными усло- ударного возбуждения центра и время жизни центров виями. свечения могут зависеть от времени нарастания tm и Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Кинетика электролюминесценции в пленочных структурах на основе сульфида цинка... амплитуды напряжения возбуждения Vm. Тогда постоян- Участки насыщения зависимости g(tm) при больших tm ная нарастания яркости g, обратная ей величина 1/g и (300 s) в соответствии с (14) позволяют определить могут быть определены в виде значения времени жизни возбужденных центров свече ния. Для МДПДМ структуры на гладкой подложке - g(tm, Vm) = (tm, Vm) +1/ (tm, Vm), (10) (рис. 1, a) на участке роста ВЯХ (Vm = 90 V) равна 0.9 ms, на участке насыщения ВЯХ (Vm = 140 V) Ч 0.84 ms. Обратные велиины (1/ ) определяют вероят1 ность переходов центров свечения из возбужденного в = (tm, Vm) +, (11) g(tm, Vm) (tm, Vm) невозбужденное состояние в единицу времени и равны 1110 и 1190 s-1 на участках роста и насыщения ВЯХ (tm, Vm)Cd0Vm -(tm, Vm) = = (tm, Vm)tm, (12) соответственно. При этом методическая погрешность etm определения и 1/ с учетом приведенных значений откуда выражение для определения сечения ударного tm и на превышает 1.5%. При переходе к шероховатой возбуждения имеет вид подложке значения g уменьшаются и участок насыщения зависимости g(tm) сдвигается в сторону больших tm, 1 1 etm (tm, Vm) = -. (13) что может быть обусловлено как уменьшением, так g(tm, Vm) (tm, Vm) Cd0Vm и ростом, например, из-за увеличения эффективной удельной емкости диэлектрических слоев Cd0, а также В соответствии с (11), (12) при 10-16 cm2, возрастания. Подобное поведение наблюдается и для Cd0 310-8 F/cm2, Vm 200 V величина a(Vm) 410- МДПКМ структуры на гладкой и шероховатой подложи при tm величина (tm, Vm) 1/ (tm, Vm).

ках (рис. 1, b), причем использование последней также Тогда зависимость 1/g(tm, Vm) сводится к зависимости приводит к дополнительному уменьшению g. При этом 1/ (tm, Vm) для МДПДМ структуры на подложке с шероховатой 1 внутренней поерхностью (рис. 1, a) на участке роста, g(tm, Vm) (tm, Vm). (14) g(tm, Vm) (tm, Vm) ВЯХ = 0.57 ms 1/ 1750 s-1, на участке насыщения ВЯХ = 0.51 ms 1/ 1960 s-1; для Методическая погрешность при этом не превышаМДПКМ структуры (рис. 1, b) на гладкой подложке на ет 0.5%.

участке роста ВЯХ = 0.56 ms 1/ 1790 s-1, на Выражения (10)Ц(14) позволяют найти из эксперимен- участке насыщения ВЯХ = 0.53 ms 1/ 1890 s-1;

тальных зависимостей g(tm, Vm) и 1/g(tm, Vm) ряд парана шероховатой подложке на участке роста ВЯХ метров и характеристик, определяющих кинетику элек- = 0.38 ms 1/ 2630 s-1, на участке насыщения тролюминесценции в пленочных ЭЛИ. У всех указанных ВЯХ = 0.35 ms 1/ 2860 s-1. Измерения, выполвыше структур при исследовании волн яркости свечения ненные с помощью прибора Е7-14, свидетельствуют о этих структур на знакопеременном симметричном тратом, что емкость МДПДМ и МДПКМ структур на шеропецеидальном напряжении с длительностями фронта и ховатых подложках возрастает на 20Ц30% по сравнению спада импульсов tm = 20 s и частотой их следования со структурами на гладких подложках. Это подтверждает 400 Hz на участке насыщения вольт-яркостных харакроль повышения значений Cd0 в возрастании.

теристик (ВЯХ) фронт нарастания яркости до максиКак следует из приведенных выше данных и рис. 1, при мального значения в пределах погрешности измерений больших значениях tm, когда выполняется соотношение был в соответствии с формулой (7) экспоненциальным (14), время жизни возбужденных центров свечения с постоянной времени нарастания g. У МДПДМ струквсех структур зависит от напряжения Vm и не зависит туры на подложке с гладкой внутренней поверхностью от tm. Поэтому и общее уменьшение значений ЭЛ спад волны яркости после достижения амплитудного структур на шероховатой подложке по сравнению со значения напряжения Vm был также в соответствии с структурами на гладких подложках (рис. 1) наиболее формулой (9) экспоненциальным с постоянной времени вероятно может быть объяснено возрастанием электри650 s. У МДПКМ структуры на гладкой подложке ческого поля в ЭЛ слое в местах микронеровностей и у всех ЭЛ структур на подложках с внутренней подложки [3Ц5]. Меньшие значения для МДПКМ шероховатой поверхностью спад волны яркости имел структуры на гладкой подложке по сравнению с МДПДМ два экспоненциальных участка: ФбыстрыйФ с постоянной структурой на такой же подложке объясняются наличием времени спада c1 = 200-260 s и ФмедленныйФ с неоднородного электрического поля в такой МДПКМ 2 = 460 (МДПДМ структура), 400 (МДПКМ структура структуре из-за неоднородного распределения диэлекна гладкой подложке), 300 s (МДПКМ структура на трической проницаемости слоя КЖД [7,8].

шероховатой подложке).

Разделение возможных механизмов уменьшения поВид экспериментальных зависимостей g(tm), измерен- стоянной нарастания яркости g при переходе от гладных при изменении tm в диапазоне 1-300 s и частоте ких к шероховатым подложкам легче выполнить соследования этих импульсов 400 Hz (рис. 1), свидетель- гласно (11), (12) по экспериментальным зависимостям ствует о существенном возрастании g с ростом tm, 1/н(1/tm). Эти зависимости 1/g(1/tm) (рис. 2) в особенно для МДПДМ структуры на гладкой подложке. полном соответствии с (11), (12) линейны для МДПДМ 5 Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 68 Н.Т. Гурин, О.Ю. Сабитов Рис. 1. Зависимость g от tm: a Ч для МДПДМ структуры; b Ч для МДПКМ структуры; 1, 3 Ч на участке роста ВЯХ; 2, 4 Чна участке насыщения ВЯХ; 1, 2 Ч на гладкой подложке; 3, 4 Ч на шероховатой подложке.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам