Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
САБИТОВ Олег Юрьевич
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДА ЦИНКА
01.04.10 - физика полупроводников А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Ульяновск - 2009
Работа выполнена на кафедре Радиофизики и электроники в ГОУ ВПО Ульяновский государственный университет Научный консультант доктор физико-математических наук, профессор Гурин Нектарий Тимофеевич Официальные оппоненты доктор физико-математических наук, профессор Грузинцев Александр Николаевич доктор физико-математических наук, профессор Самохвалов Михаил Константинович доктор физико-математических наук, профессор Зобов Евгений Маратович Ведущая организация Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)
Защита состоится 17 июня 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.01 при Ульяновском государственном университете по адресу:
Набережная реки Свияги, 106, корп.1, ауд.7
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 432000, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д.42, управление научных исследований
Автореферат разослан 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного Совета к.ф.-м.н Вострецова Л.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы: Эффект предпробойной электролюминесценции в кристаллофосфорах, 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, Ca, Ba, 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, Mn 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 подоболочки. 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 туннелирование, 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 вольтяркостной 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:
1. Экспериментальное исследование новых типов плёночных ЭЛ структур на стеклянных подложках с микронеровностями и их влияние на показатели эффективности ЭЛИ.
2. 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 объемных зарядов в процессе работы ТП ЭЛИ.
5. Разработка модели и построение на ее основе методики определения основных излучательных характеристик и параметров ЭЛИ, характеризующих процесс возбуждения центров свечения Mn2+, с учетом влияния объемного заряда в прианодной 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 поверхностных состояний катодной границы раздела люминофор - диэлектрик с учётом последующей ударной ионизации глубоких центров и захват электронов на поверхностные состояния анодной границы раздела, а также оценка основных параметров и характеристик, определяющих указанные процессы.
Научная новизна:
1. 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.
2. 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.
3. 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 2 центров, образованных вакансиями цинка, и серы, VS2+.
VZn- VZn VS+ 4. 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.
5. 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.
6. 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 ионизаций, 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:
1. Предложены модификации ЭЛИ, выполненные на стеклянных подложках с микронеровностями, позволяющие существенно повысить яркость свечения (в 1.2-3.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.
2. 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).
3. Предложен метод анализа вольт-фарадной характеристики ТП ЭЛИ для диагностики S- или N-образных ВАХ 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.
5. 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.
6. Для случая прямого ударного возбуждения центров свечения в ЭЛ слое предложена методика определения вероятностей возбуждения, излучательной и безызлучательной 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 2 слоя люминофора - ионизацией вакансий цинка, и серы, и отрицательного VZn- VZn VS+ объемного заряда в прикатодной области слоя люминофора - захватом электронов на вакансии серы и VS2+.
VS+ 2. 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.
3. 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 ионизаций, 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.
4. 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 вольтяркостной 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.
ичный 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 научнотехнической 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 С.И. 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.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Приведено обоснование актуальности исследования, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, научная новизна, практическая ценность и положения, выносимые на защиту.
Первая 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 ТП ЭЛИ переменного тока структуры МДПДМ (лметалл - диэлектрик - полупроводник (люминофор) - диэлектрик - металл) благодаря своим высоким светотехническим и эксплутационным характеристикам. Наилучшими показателями эффективности обладают ТП ЭЛИ на основе сульфида цинка, легированного марганцем. Генерация излучения в таких структурах происходит за счет прямого ударного возбуждения центров свечения (ионов Mn2+) горячими электронами с их последующей излучательной релаксацией. Отмечается, что в гибридных вариантах пленочных ЭЛИ, в том числе с композиционным жидким диэлектриком, а также в структурах на основе перспективных оксидных люминофоров, физические процессы аналогичны таковым в излучателях на основе ZnS. Однако несмотря на существенный прогресс в области разработки и получения новых перспективных оксидных люминофоров, возможности улучшения светотехнических характеристик излучателей на их основе для ряда применений остаются во многом невыясненными. Поэтому ввиду большей изученности и отработанности технологии получения использование в исследуемых в данной работе образцах ЭЛИ люминесцентного слоя на основе ZnS:Mn в качестве модельного является наиболее оптимальным.
Проведенный по литературным источникам анализ результатов исследований электрофизических параметров люминесцентных слоев (вероятности возбуждения, излучательной и безызлучательной релаксации центров свечения, сечение ударного возбуждения и др.) показал, что эти результаты носят разрозненный и зачастую противоречивый характер, причем из-за зависимости этих параметров от режима возбуждения (формы, амплитуды и временных параметров импульсов напряжения) для полного описания кинетики предпробойной электролюминесценции необходимо знание зависимостей указанных величин. Но даже для наиболее изученного люминесцентного материала - сульфида цинка, легированного марганцем - эти зависимости не определены, а значения приводимых параметров носят оценочный характер.
Из анализа литературы установлено, что объемный заряд, возникающий в слое люминофора, связанный с неравномерным распределением дефектов структуры и примесей, оказывает существенное влияние на кинетику электролюминесценции ТП ЭЛИ. При этом перезарядка глубоких центров, обусловленных подобными дефектами, может приводить при определенных условиях возбуждения к возникновению ОДС в слое люминофора, природа которого остается не выясненной.
Остается также неизученной кинетика образования и природа объемных зарядов, их влияние на различные характеристики ТП ЭЛИ, включая ВАХ, ВФХ, ВЯХ, зависимости тока проводимости Ip(t), мгновенной яркости L(t), заряда, протекающего через слой люминофора в активном режиме Qp(t), внутреннего квантового выхода int, светоотдачи L и др. Анализ литературы показывает, что фотоэлектрические и спектральные исследования ТП ЭЛИ подтверждают существование в запрещенной зоне люминофора ZnS:Mn глубоких центров, по крайней мере один из которых расположен по энергии на ~1 эВ выше валентной зоны и связывается с вакансией цинка, однако параметры и природа других глубоких центров в ZnS:Mn, влияющих на работу ТП ЭЛИ, остаются не выясненными. Значения параметров поверхностных состояний границы раздела люминофор - диэлектрик, с которых происходит туннелирование электронов, носят противоречивый характер, а данные относительно распределения плотности поверхностных состояний по энергии вообще отсутствуют.
Таким образом, на основании анализа известных литературных источников делается вывод об отсутствии полного физической модели предпробойной электролюминесценции в пленочных электролюминесцентных структурах.
На основе выполненного анализа были определены цели и задачи исследований.
Во второй главе проведены экспериментальные исследования ВЯХ, частотных зависимостей яркости и диаграмм направленности излучения ЭЛИ структур МПДМ, МДПМ, МДПДМ, МПКМ, а также волн яркости структур МДПДМ, МДПКМ, где М - первый прозрачный электрод на основе SnO2 и второй непрозрачный тонкопленочный электрод на основе Al или (для МДПКМ структур) прижимной металлический электрод; П - ЭЛ слой ZnS:Mn (0.5% мас.); Д - диэлектрический слой на основе твердого раствора ZrO2ХY2O3 (13% мас.); К - слой композиционного жидкого диэлектрика (КЖД), состоящего из смеси кремнийорганической жидкости ПФМС-4 с порошкообразным наполнителем - BaTiO3, выполненных на обычных гладких стеклянных подложках, подложках с внутренней шероховатой поверхностью, подложках с внешней диффузно-рассеивающей излучающей поверхностью и на подложках с двумя шероховатыми поверхностями.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что использование в пленочных МДПДМ, МПДМ, МДПМ структурах подложек с внешней диффузнорассеивающей излучающей и внутренней шероховатой поверхностями сопровождается расширением диаграммы направленности излучения ЭЛИ и позволяет существенно повысить яркость свечения (в 1.23, 2.05 и 3.50 раза) и коэффициент вывода излучения из ЭЛ структуры (в 1.28, 2.76 и 5.24 раза) ЭЛ структур с внутренней шероховатой 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.
Третья глава. На основе решения уравнения кинетики изменения концентрации возбужденных центров свечения в слое люминофора ТП ЭЛИ при прямом ударном возбуждении этих центров:
* * dN (t) N (t) * * = ( )[N - N (t)]- - N (t) t, (1) dt r где N - концентрация центров свечения; N*(t) - концентрация возбужденных центров свечения; (t)=jp(t)/q - вероятность перехода центра свечения из основного в возбужденное состояние в единицу времени ( - сечение ударного возбуждения центра свечения, jp(t) - плотность тока проводимости в пленке люминофора, вызывающего его свечение, q - заряд электрона); r - постоянная времени релаксации возбужденных центров свечения, обусловленной излучательными переходами в основное состояние; - вероятность безызлучательных переходов этих центров в единицу времени, получены зависимости средней яркости свечения от параметров слоев МДПДМ структуры и условий возбуждения ТП ЭЛИ для различных форм возбуждающего напряжения (треугольной, трапецеидальной, синусоидальной, прямоугольной с экспоненциальным фронтом).
Получены относительные значения средней яркости свечения Le, внешнего квантового выхода ext, энергетического выхода w, светоотдачи L и эффективности G, определяемой как отношение светового потока, излучаемого ЭЛИ, к полной мощности P, необходимой для возбуждения ЭЛИ, приведенные в табл.1.
Табл.форма напряжения треугольная синусоидальная трапецеидальная прямоугольная расчет 1 1.22 1.70 2.Le,ext, эксперимент 1 1.26 2.02 2.w, L P 1 1.27 1.07 0.1 0.96 1.59 2.G Теоретически и экспериментально показано, что при возбуждении ЭЛИ напряжением с линейно нарастающим фронтом в диапазонах изменения периода следования импульсов 0.2-20 мс и времени нарастания напряжения 1-1000 мкс зависимости средней яркости:
2cdpN 1- A Le(tm)= (tm - tth) + m T*( +1/*)(t - tth)- ( +1/*)1- exp- + * , (2) 1 tth +T / 2 - tm +*1-(1- A)exp- + (tm - tth) exp 1- * * 1 tth + T / 2 - tm где A = exp- + (tm - tth) exp- 1- * * и амплитудной яркости (максимум волны яркости):
cd N p Lm (tm ) = (tm ), (3) 1 - exp + - tth * * - * + 1 / где с - эффективность светового выхода, определяемая в приближении монохроматичности излучения и диффузно-рассеивающей поверхности ТП ЭЛИ с оптическими константами используемых материалов в виде с=K0fh/, K0 - коэффициент выхода излучения из ТП ЭЛИ, определяемый отношением числа фотонов, излучаемых с поверхности ТП ЭЛИ, к числу фотонов, возникающих в объеме люминесцентного слоя, f - коэффициент видности излучения, определяющий переход от энергетических характеристик излучения к величинам, характеризующим световое восприятие человеческого глаза, hv - энергия излучаемых фотонов; dp - толщина слоя люминофора, *=(1/r+)-1, н=(+1/*)-1 - постоянная нарастания яркости, T - период возбуждающего напряжения, tth - момент времени, соответствующий достижению напряжения возбуждения порогового значения Uth, tm=T/4, 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.
Четвёртая глава посвящена анализу кинетики тока, заряда и электрического поля в ТП ЭЛИ и экспериментальному исследованию электрофизических характеристик ТП ЭЛИ в условиях образования объёмных зарядов в слое люминофора.
Экспериментальные исследования выполнены на образцах ТП ЭЛИ со структурой МДПДМ. Возбуждение образцов осуществлялось знакопеременным напряжением треугольной формы. В режиме однократного запуска с периодом запуска Тs напряжение возбуждения представляло собой пачку импульсов из двух периодов напряжения треугольной формы, следующих с заданной частотой f=1/T с подачей положительной и отрицательной полуволн напряжения в первом полупериоде на верхний электрод (варианты (+Al) и (-Al), соответственно).
Из-за возникновения объемных зарядов в слое люминофора ток в этом слое Iр(t) будет иметь реактивную составляющую и содержать, таким образом, информацию об образовании объемных зарядов в слое люминофора. В этом случае при допущении идеальности диэлектрика (отсутствие в нем тока проводимости и объемных зарядов) емкость диэлектрических слоев ТП ЭЛИ Ci можно считать постоянной во всем диапазоне работы ТП ЭЛИ, и зависимость Ip(Fp) будет характеризовать условный полупроводниковый прибор, включающий в себя слой люминофора с границами раздела люминофор-диэлектрик с исходными значениями толщины dp, геометрической емкости Ср, и с напряжением на нем Up(t)=Fp(t)dp.
Емкость ТП ЭЛИ в активном режиме работы Ce(t) может быть определена в виде:
- CiCp(t) dQp(t) Ie(t) Сe(t) = = = Ci 1+ Ci (4) dU (t) / dt Ci + Cp (t) dU (t) p Зависимости емкости ТП ЭЛИ Ce от приложенного напряжения, рассчитанные по формуле (4) и представленные на рис.1, свидетельствуют о том, что на всех исследованных частотах напряжения возбуждения f в активном (послепороговом) режиме 1.5E-9 1.5E-Ce, F Ce, F "+Al" "+Al" "-Al" "-Al" Ci 1E-Ci 1E-5E-10 5E-2 3 2 Ce(0) Ce(0) U, V U, V 150 100 50 0 50 100 1150 100 50 0 50 100 1a) b) Рис.1. Зависимости Се(V) при f: a) 10 Гц, b) 1000 Гц; 1 - непрерывный режим возбуждения, 2-4 - режим возбуждения с однократным запуском: 2 - Ts=0.5 с, 3 - 5 с, 4 - 100 с работы ТП ЭЛИ наряду с основным максимумом Ce при t=tm появляется дополнительный пик Ce, амплитуда которого возрастает с увеличением Ts и f. Однако амплитуда дополнительного пика Ce(U) в варианте (+Al) существенно меньше варианта (-Al), и этот пик практически не появляется при f=2, 10, 50 Гц (рис.1). На этих частотах в варианте (-Al) основной максимум Ce(Um) и дополнительный пик Ce (при определенных Ts) значительно превышают значение Ci, что свидетельствует о том, что эта емкость становится отрицательной и Cp(t)>Ci, что соответствует появлению Sобразного участка на зависимости Ip(Fp). В то же время на более высоких частотах, когда f=200, 500, 1000 Гц, в варианте (-Al) для Ts=0.5 с; 1 с и варианте (+Al) с Ts=1, 5, 20, 100 с наблюдаются дополнительные пики Ce(U), не достигающие значения Ci, что в соответствии с анализом зависимости Ce(U) должно свидетельствовать о наличии на ВАХ слоя люминофора участка ОДС N-типа.
ВАХ слоя люминофора, приведенные до достижения напряжением U(t) амплитудного значения Um (см. рис.2), полностью подтверждают ранее сделанный вывод о наличии участков ОДС S- и N-типов и о форме этих участков по результатам вышеприведенного анализа вида зависимости Ce(U).
Ip, A Ip, A 6E-6 6E-(a) (b) 3E-6 3E-Fp, V/m Fp, V/m 0 1E+8 1.5E+8 2E+8 1E+8 1.5E+8 2E+Ip, A Ip, A 8E-4 8E-(c) (d) 4E-4 4E-1 Fp, V/m Fp, V/m 0 1.5E+8 1.9E+8 2.3E+8 1.5E+8 1.9E+8 2.3E+Рис.2. Зависимости Ip(Fp): для частоты a,b - f=10 Гц, c,d - f=1000 Гц: 1 Цнепрерывный режим возбуждения, 2 - Ts=0.5 с, 3 - 5 с, 4 - 100 с: a,c - (ЦAl), b,d - (+Al) Полученные результаты можно объяснить следующим образом. В сильном электрическом поле происходит ионизация и перезарядка центров, образованных дефектами структуры (вакансии цинка, серы, цинк в междоузлии и т.п.), различными комплексами с образованием областей объемных зарядов у анода и катода, причем поля этих объемных зарядов различным образом взаимодействуют с внешним полем при разных полярностях первого полупериода напряжения возбуждения. В частности появление Sучастка на зависимости Ip(Fp) связано с ионизацией и перезарядкой глубоких центров, и образованием в прианодной области положительного объемного заряда [15]. Участок падения тока на зависимостях с областью ОДС S-типа и участок ОДС N-типа обусловлены, по-видимому, формированием отрицательного объемного заряда в прикатодной области. В режиме однократного запуска после снятия внешнего поля глубокие центры восстанавливают с ростом Ts первоначальное зарядовое состояние; причем в бывшей прианодной области, положительный объемный заряд нейтрализуется с A 1 с, а в прикатодной области, отрицательный объемный заряд с B30 с.
Пятая глава посвящена изучению спектров электролюминесценции ТП ЭЛИ во взаимосвязи с кинетикой тока, протекающего через слой люминофора, на различных участках волны яркости, соответствующих разным уровням возбуждения, в условиях, когда соседние волны яркости не перекрываются, а также исследованию влияния фотовозбуждения в различных областях спектра на электрические характеристики ТП ЭЛИ в активном режиме его работы для уточнения роли глубоких центров в развитии процесса электролюминесценции и оценки энергетического положения указанных центров в запрещённой зоне ZnS:Mn.
Экспериментальное исследование волн яркости на определённой длине волны проводилось при возбуждении ТП ЭЛИ знакопеременным напряжением треугольной формы c Um=160 В в режиме однократного запуска c Тs=10 с. Излучение ТП ЭЛИ, соответствующее первой волне яркости, пропускалось через монохроматор и измерялось с помощью фотоэлектронного умножителя, работавшего в режиме максимальной чувствительности.
Средняя яркость на определенных длинах волн и для выбранных областей волны яркости n (n - I, II, III, IV) определялась по закону Тальботта для пульсирующего источника излучения tLn () = L (t)dt, (5) t2 - t1 tгде t1 и t2 - значения времени начала и конца выбранных областей волны яркости I, II, III, IV. Область I волны яркости соответствует "быстрому" участку нарастания тока Ip(t) при небольшом превышении напряжением U(t) порогового напряжения начала свечения ТП ЭЛИ, области II, III волны яркости соответствует "медленному" участку нарастания зависимости Ip(t), с границей между ними примерно соответствующей точке прохождения минимальной скорости нарастания тока Ie(t); область IV соответствует участку спада зависимостей Ip(t) и L(t).
Спектральные характеристики Ln() сильно отличаются для различных областей IIV и для вариантов (+Al), особенно в области I: основной максимум спектра излучения во всех областях I-IV и для вариантов +Al находятся при m1580 нм, однако спектр не является элементарным и содержит ряд перекрывающихся полос с ориентировочными максимумами m2 ~ 560 нм, m3 ~ 600 нм; m4 ~ (610-615) нм, m5 ~ 635 нм, m6 ~ 655 нм для вариантов (+ Al); для варианта (-Al) во всех областях I-IV наблюдается также слабая полоса в диапазоне =510-540 нм с примерным значением m7 ~ 530 нм; в полных спектрах излучения L() проявления всех полос, кроме полосы с m6, сглаживаются и спектр приобретает типичный вид для излучения центров Mn2+ с основным максимумом ~ 585 нм. Полосы с m = 557; 578; 600; 616 и 637 нм принадлежат излучению ионов Mn2+ и связаны с различным расположением ионов Mn2+ в реальной кристаллической решетке ZnS [16]. Полоса с m ~ 610 нм может быть также связана с комплексными центрами, образованными ионами Mn2+ и вакансиями серы [17]. Полоса с m7530 нм может быть связана с рекомбинационным излучением, возникающим при захвате в прикатодной области свободных электронов глубокими центрами, обусловленными двукратно ионизированными вакансиями серы, с энергией ~ 1.3 эВ выше потолка валентной VS2+ зоны. Её проявление только в варианте (-Al) обусловлено технологией получения слоя ZnS:Mn, при которой часть слоя ZnS, прилегающая к верхнему Al электроду, оказывается обедненной серой, что может приводить к появлению в равновесных условиях вакансий серы в этой области. При этом часть свободных электронов VS2+ захватывается в прикатодной области центрами, имеющими большое сечение VS2+ захвата электронов. Полоса с m6 ~ 655 нм может быть связана с рекомбинационным излучением, возникающим при захвате свободных электронов во всех областях I-IV глубокими центрами с энергией ~ 1.9 эВ ниже дна зоны проводимости, обусловленными однократно ионизированными вакансиями серы. Захват электронов на глубокие центры и в прикатодной области приводит к образованию в этой области отрицательного VS2+ VS+ объёмного заряда. Указанные полосы с m6 и m7 не проявляются в спектрах излучения в обычных условиях при непрерывном режиме возбуждения, так как постоянная времени нейтрализации отрицательного объёмного заряда в прикатодной области составляет не менее 30 с.
Влияние фотовозбуждения в различных областях спектра на электрические характеристики ТП ЭЛИ в активном режиме его работы проводилось при засветке ТП ЭЛИ со стороны подложки в импульсном и непрерывном режимах: в синей области длиной волны максимума спектра излучения m=475 нм, плотностью потока фотонов 1.61015 мм-2с-1; в красной области - m=656 нм, 41014 мм-2с-1; в инфракрасной (ИК) области - m=950 нм, 31015 мм-2с-1.
Импульсный режим фотовозбуждения осуществлялся в двух вариантах: 1 - при подаче светового импульса во время действия пачки импульсов из двух периодов напряжения возбуждения треугольной формы; 2 - в паузе между этими пачками импульсов сразу после окончания последнего импульса с длительностью светового импульса, равного длительности паузы (Ts-2/f).
Ip, A U, V 2Ip, A 1E-1E-r r r r r r 15E-5E-Fp, V/m 0 t, s 0 0 0.005 0.01 0.015 1E+8 1.4E+8 1.8E+8 2.2E+a) c) Ip, A U, V 2Ip, A 1E-5 1E-r r 5 r r 1r r 5E-6 5E-Fp, V/m t, s 0 0 0.005 0.01 0.015 1E+8 1.4E+8 1.8E+8 2.2E+b) d) Рис.3. Зависимости Ip(t) (a, b) и Ip(Fp) (c, d) при импульсной засветке ТП ЭЛИ в паузе между импульсами напряжения: a, c - вариант (-Al), b, d - вариант (+Al), 1 - без засветки, 2 - при засветке в синей области, 3 - при засветке в красной области, 4 - при засветке в ИК-области, 5 - зависимость U(t); f=20 Гц, Ts=100 с Основные результаты исследований сводятся к следующему:
1) По сравнению с вариантом без засветки при импульсной засветке в паузе между импульсами напряжения возбуждения: в синей области - существенно возрастает ток в начальной области зависимости Ip(t) и среднее поле в слое люминофора Fp(t) для варианта (-Al) (рис.3,c,d), что можно объяснить нейтрализацией положительного объёмного заряда в бывшей прианодной области; в красной области - уменьшается ток на начальном "быстром" участке нарастания зависимостей Ip(t), возрастает амплитуда импульса тока Ip(t) на "медленном" участке (рис.3,a,b) и поля Fp(t) на обоих участках (рис.3,c,d), что можно объяснить торможением нейтрализации отрицательного объемного заряда (ООЗ) в бывшей прикатодной области, нейтрализацией положительного объемного заряда (ПОЗ) и образованием ООЗ в бывшей прианодной области за счет захвата возбужденных светом электронов из валентной зоны на уровень, соответствующей, что приводит к уменьшению поля в прикатодной области тока тунVS+ нельной эмиссии, возрастанию требуемых значений среднего поля в слое люминофора для ионизации глубоких центров и в прианодной области в новом цикле раVS0 VZnботы ТП ЭЛИ (рис.3,c,d), после достижения которых амплитуда тока возрастает до значений больших, чем в отсутствии засветки (рис.3,a,b); в ИК-области - происходит слабое уменьшение тока Ip(t) в начальной области "быстрого" участка нарастания для варианта (-Al) с последующим увеличением скорости нарастания тока и объясняется образованием дополнительных вакансий серы за счет захвата освобожденных из VS+ валентной зоны излучением электронов центрами, что вызывает в новом цикле раVS2+ боты ТП ЭЛИ уменьшение поля в прикатодной области и тока туннельной эмиссии в варианте (-Al), когда концентрация вакансий серы у верхней границы раздела люминофор-диэлектрик больше концентрации вакансий цинка и определяет величину ПОЗ.
2) При импульсной засветке во время действия импульсов напряжения возбуждения изменения зависимостей Ip(t) относительно случая без засветки ТП ЭЛИ существенно меньше и фиксируются только на участке нарастания зависимости Ip(t), а при непрерывном возбуждении ТП ЭЛИ в исследуемом диапазоне частот напряжения возбуждения влияние непрерывной засветки во всех исследованных областях спектра на ток Ip(t) не обнаруживается, что обусловлено значительно более коротким временем воздействия облучения на ТП ЭЛИ. По той же причине засветка ТП ЭЛИ при непрерывном режиме возбуждения не приводит к обнаруживаемым изменениям в токе, протекающем через ТП ЭЛИ.
Полученные результаты позволяют оценить концентрацию глубоких центров в запрещенной зоне ZnS:Mn: максимальная разница в заряде Qp(t), перенесенном через слой люминофора в активном режиме при засветке ТП ЭЛИ и без засветки на участке "быстрого" роста, составляющая Qp(t)4,910-9 Кл (вариант -Al), Qp(t)410-9 Кл (вариант +Al), при площади ТП ЭЛИ Se=2 мм2, толщине слоя положительного объёмного заряда, близкой к половине толщины слоя люминофора ~ 0.2 мкм дает значения суммарной концентрации центров и ~7.71016 см-3 у VZn- VS+ нижней границы раздела диэлектрик-люминофор и ~ 6.21016 см-3 - у верхней границы.
Засветка в ИК-области позволяет оценить концентрацию дополнительно образовавшихся вакансий серы, а следовательно, равновесную концентрацию VS2+, соVS+ ставляющую при Qp110-9 Кл, толщине ПОЗ ~ 0.2 мкм ~ 1.5 1016 см-3.
Шестая глава посвящена разработке методики определения основных параметров, характеризующих процесс возбуждения центров свечения и генерации излучения, и характеристик туннелирования носителей заряда в тонкоплёночных электролюминесцентных структурах, а также изучению кинетики мгновенной яркости свечения ТП ЭЛИ при возбуждении линейно нарастающим напряжением, процессов формирования зависимостей мгновенных значений внутреннего квантового выхода int(t) и светоотдачи L(t), исследованию причин насыщения ВЯХ.
Для случая ультранизких частот f2 Гц (низкий уровень возбуждения, соседние волны яркости свечения ТП ЭЛИ не перекрываются и основные характеристические времена, свойственные процессу электролюминесценции, имеют значения меньше четверти периода напряжения возбуждения) на основе решения уравнения (1) определена аналитическая взаимосвязь мгновенных значений яркости L(t) и тока Ip(t), протекающего через слой люминофора в виде:
cint (t) L(t)= I (t), (6) qSe p где int(t)=N1(t)Pr, N1(t)=dp(t)(t)N(x,t), N(x,t) - распределение концентрации невозбужденных центров свечения по толщине слоя люминофора Pr=*/r - вероятность излучательной релаксации центра свечения.
Выражение (6) позволяет определить int(t) и мгновенные значения внешнего квантового выхода ext=K0int, являющиеся важнейшими излучательными параметрами ТП ЭЛИ. В частности для всех участков зависимостей L(t) и Ip(t) мгновенные значения int(t) равны:
qSe L(t) L(t) int(t) = = A, (7) c I (t) I (t) p p где A=qSe/c=qSe/Kofhv - постоянная.
На более высоких частотах аналитическое решение кинетического уравнения (1), связывающего изменение концентрации возбужденных центров свечения во времени, затруднено, в связи с чем для нахождения ext(t) и int(t) используем другой подход. Определив в качестве мгновенного значения внутреннего квантового выхода в каждый момент времени t приращение количества фотонов, излученных в слое люминофора m(t), к приращению количества носителей заряда, протекших через этот слой n(t), за время t, можно прийти к формуле аналогичной (7):
t d L(t)dt dt L(t) m(t) [dm(t) dt]t int(t) = = = A = A. (8) n(t) [dn(t) dt]t T I (t) p d (t)dt dt p I 0 Аналогично определяется мгновенное значение светоотдачи как отношение приращения светового потока Фe(t) к приращению мгновенной активной мощности Pp(t), затраченной на его создание:
t d L(t)dt dt e(t) SeLe(t) [dLe(t) dt]t Se L(t) (9) L(t)= = = Se = Se t0 = Pp(t) Pp(t) [d Pp(t) dt]t d I (t)Fp(t) p p d I (t)Fp(t)dt dt d p p 0 В результате исследования рассчитанных из эксперимента зависимостей int(t) и L(t) в совокупности с другими электрическими и излучательными характеристиками образцов ТП ЭЛИ показано, что при частотах напряжения возбуждения f10 Гц на участке "быстрого" роста яркости L(t) и тока Ip(t), происходит "быстрый" рост int(t) и L(t) (рис.4,a,b), что обусловлено возрастанием числа центров свечения N1(t), возбуждаемых одним электроном, прошедшим через слой люминофора, при увеличении среднего поля в слое люминофора. При f>10 Гц на участке роста int(t) появляется провал (рис.4,c,d), обусловленный увеличением скорости нарастания тока Ip(t) относительно скорости нарастания мгновенной яркости L(t). Величина этого провала возрастает при переходе к режиму возбуждения с однократным запуском и с увеличением периода этого запуска Ts, что обусловлено дополнительным увеличением скорости нарастания тока Ip(t) из-за нейтрализации полей объемных зарядов в прианодной и прикатодной областях слоя люминофора в паузе между подачей импульсов напряжения возбуждения. При дальнейшем более "медленном" изменении Ip(t) и L(t) поведение зависимостей int(t) и L(t) в непрерывном режиме возбуждения и в режиме возбуждения с однократным запуском определяется уменьшением эффективной толщины слоя люминофора dp(t), в котором происходит ионизация центров свечения, и вероятности возбуждения этих центров в единицу времени (t). В итоге зависимости int,a.u. U,V int,a.u. U,V 5 160 3 1r 4 m m 2.5 80 1.5 m m r t, s t, s 0 00.1 0.2 0 0.004 0.0a) c) int,a.u. U,V int,a.u. U,V 5 160 2 14 m r m 2.5 80 1 m m r t, s t, s 0 0 0.02 0.04 0 0.001 0.0b) d) Рис.4. Зависимости int(t): a - при частоте f=2 Гц, b - 10 Гц, c - 50 Гц, d - 200 Гц; 1, 4 - непрерывный режим возбуждения, 2, 3, 5, 6 - режим возбуждения с однократным запуском с Ts=5 с (2, 5), 100 с (3, 6); 1, 2, 3 - "-Al"; 4, 5, 6 - "+Al". Штриховые линии - зависимость U(t) int(t) и L(t) на этом участке могут или достигать максимума, или в зависимости от частоты f иметь область "плато" - независимости int и L от времени, или область роста int и L со временем. На участке спада L(t) и Ip(t) мгновенные значения int(t) и L(t) в области f<10 Гц также спадают (рис.4,a), а на более высоких частотах на зависимостях int(t), L(t) появляется пик, обусловленный меньшей скоростью спада L(t) по сравнению с Ip(t) (рис.4,b,c,d).
С помощью анализа выражений (2), (3), полученных на основе решения уравнения (1), путем вариации параметров a, * для получения максимального соответствия расчетных указанных зависимостей экспериментальным, а также мгновенного внутреннего квантового выхода определены значения параметров ЭЛ МДПДМ структуры: сечение ударного возбуждения =(20.5)10-15 см2, концентрация центров свечения N=4.731018 см-3, число центров свечения, возбуждаемых одним носителем заряда при прохождении его через слой люминофора N1=1.2, вероятность возбуждения центров свечения в единицу времени =1.2104 с-1, вероятность излучательной релаксации в единицу времени 1/r=108 с-1, вероятность безызлучательной релаксации в единицу времени =1558 с-1, вероятности излучательной Pr=23% и безызлучательной Pn=77% релаксации центров свечения, внешний ext=5.1% и внутренний int=30% квантовые выходы, энергетический выход w=4.310-3, светоотдачу L=2.35 м/Вт.
Из формул (2), (3) следуют зависимости н, от tm, Um, которые были теоретически и экспериментально исследованы для ЭЛИ структур МДПДМ и МДПКМ, размещенных на гладких и шероховатых подложках:
1 = ( tm,U ) +, (6) m * (tm,U ) (tm,U ) н m m (tm,Um )Ci Um (tm,Um ) = = a(tm,Um )tm1, (7) etm 1 1 etm (tm,Um ) = - (8) * (tm,Um ) (tm,Um ) Ci Um.
н Из экспериментальных зависимостей н(tm,Um) можно определить ряд параметров и характеристик процесса предпробойной электролюминесценции: зависимости времени жизни возбужденных центров свечения, вероятности возбуждения и релаксации возбужденных центров свечения в единицу времени (для структур на гладкой и шероховатой подложках), сечения ударного возбуждения центров свечения (для структур на гладкой подложке) от длительности фронта и амплитуды импульса линейно нарастающего напряжения.
В соответствии с (7) при больших tm (tm,Um)0 и 1/н(tm,Um)1/*(tm,Um). Это позволяет определить согласно (8) зависимости (tm,Um) для МДПДМ структуры, используя экспериментальные зависимости 1/н(tm,Um), измеренные при tm=1 мкс и tm=300 мкс. Методическая погрешность при этом не превышает 1.5%. Найденная таким образом зависимость (Um) аппроксимируется функцией =(DexpkUm)/ Um, где D=7.2210-15 Всм2, k=0.015 В-1 - для МДПДМ структуры на гладкой подложке, D=5.5410-15 Всм2, k=0.022 В-1 - для этой же структуры на шероховатой подложке.
В отличие от (Um), зависимость (Um) 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 (Um), полученная из экспериментальных данных, описывается функцией =0expkUm для МДПДМ структуры, где 0=1353 c-1, k=0.015 В-1 - для структуры на гладкой подложке и 0=1108 c-1, k=0.0В-1 - для структуры на шероховатой подложке. Для МДПКМ структуры зависимость (Um) линейна: =k(Um-Uth)+1 и k=130 В-1с-1, 1=7103 с-1 - для структуры на гладкой подложке и k=870 В-1с-1, 1=6103 с-1 - для структуры на шероховатой подложке.
Как отмечено выше, зависимости L(t) и Ip(t) при больших Um имеют два участка нарастания. До Um=(120-125) В на зависимостях L(t) и Ip(t) наблюдается только "быстрый" участок, где L~exp(t/) и Ip~exp(t/). При этом характер изменения среднего поля в слое люминофора Fp(t) слабо отличается от закона изменения напряжения возбуждения U(t)=Umt/tm. Этому участку соответствует область резкого роста средней яркости Le на ВЯХ в зависимости, близкой к lgLe~Um. При увеличении Um (на 5-10 В) появляется второй "медленный" участок нарастания на зависимостях L(t) и Ip(t), где скорость нарастания тока Ip меняет знак; зависимость Fp(t) сильнее отклоняется от линейной, а на ВЯХ формируется переход к участку насыщения. При последующем увеличении Um на зависимостях L(t) и Ip(t) полностью проявляются вторые "медленные" участки роста L и Ip, зависимость Fp(t) существенно отклоняется от линейной, и на ВЯХ наблюдается участок насыщения. Таким образом, участок насыщения ВЯХ обусловлен изменением эффективной толщины слоя люминофора dp(t), в котором происходит ударное возбуждение центров свечения Mn2+ из-за ионизации глубоких центров и образования поля объемного заряда, уменьшающего локальное электрическое поле вблизи анода.
Седьмая глава посвящена изучению процессов туннелирования электронов с поверхностных состояний катодной границы раздела люминофор - диэлектрик с учётом последующей ударной ионизации глубоких центров, обусловленных собственными дефектами слоя люминофора, а также захвата электронов на поверхностные состояния анодной границы раздела.
С помощью численного моделирования экспериментальных зависимостей тока и заряда, протекающего через слой люминофора, от времени, определены зависимости от времени глубина уровней поверхностных состояний Et(t), вероятность туннелирования в единицу времени W(t), ширина потенциального барьера xt(t), коэффициента умножения M(t) и числа ионизаций, приходящихся на один электрон в области ударной ионизации m(t). На основе моделирования туннельного тока от времени получены распределения плотности заполненных поверхностных состояний от энергии и зависимости этих распределений от условий возбуждения.
Ток электронов, выходящий из области ударной ионизации, т.е. ток, прошедший через слой люминофора, Ip(t) зависит от Ipo(t) и коэффициента умножения M(t).
Так как Qp (t) = M (t)Qp (t), (9) o Qpo(t) - заряд электронов, туннелированных с ПС, то dQp (t) Qp (t) Qp (t) dM (t) dM (t) I (t) = = Qp + M (t)I (t) = + M (t)W (t)Qss - (10) p p0 .
dt dt M (t) dt M (t) где W(t) - вероятность туннелирования электронов в единицу времени (скорость генерации) определим с помощью оправдавшей себя применительно к излучателям на основе ZnS формулой qFpc(t) 4 2m*Et3 / 2(t) W (t) = exp , (11) 3qhFp(t) 2 2m*Et (t) где t Qp(t ) = (t )dt = CiU (t ) -(Ci + C )dpFp(t ) (12) p p I - заряд, протекающий через слой люминофора, Qss - количество запасённого заряда на ПС, Fpc(t) - электрическое поле в прикатодной области слоя люминофора, m*=0.34me - эффективная масса электрона для ZnS, me - масса покоя электрона, - постоянная Планка.
В дальнейшем выражения (10)-(12) использовались при численном моделировании экспериментальных зависимостей Ip(t) с одновременным использованием зависимостей Qp(t) и Fp(t) для определения характеристик процесса туннелирования электронов Et(t), W(t), а также ширины потенциального барьера xt(t)=Ei(t)/qFpc(t), коэффициента умножения M(t)=int(tr)/ int(t) (int(tr) - значение int на границе участков I, II (точка r) зависимостей L(t), Ip(t), int(t)), числа ионизаций, производимых одним электроном, прошедшим область ударной ионизации m(t)=1Ц1/M(t).
Поле в слое объемного заряда Fpa(t) определится в виде Fpc (t)x(t) - Fp (t)d p Fpa (t) =. (13) d (t) pa а поле в прикатодной области слоя люминофора в соответствии с выражением Qp(t) 1 Ci Fpc(t) = - U (t) -. (14) dp Ci + Cp M (t)(Ci+Cp) ( - диэлектрическая проницаемость люминофора, 0 - электрическая постоянная, Se - площадь ЭЛИ, Qp=Qp - Qpo). Толщина слоя объёмного заряда в прианодной области dpa при этом составляет Fp (t) + m(t)Qp (t) / 2oSe dpa (t) = d - x(t) = d 1- . (15) p p Fpc (t) + m(t)Qp (t) / 2oSe Расстояние от прикатодной границы до слоя объемного заряда x находится по формуле Fp (t) + Qp (t) / 2oSe х(t) = d. (16) p Fpc (t) + Qp (t) / 2oSe Длиной области ударной ионизации dpi следует считать толщину слоя люминофора за вычетом толщины барьера на катодной границе раздела диэлектрикполупроводник xt.
d (t) = d - xt (t). (17) pi p Тогда выражение для определения зависимости коэффициента ударной ионизации i(t) с учетом того, что dp>>xt(t), примет вид:
m(t) m(t) m(t) i (t) = = . (18) d (t) d - xt(t) d pi p p Таким образом, на основе экспериментальных зависимостей Ip(t), Qp(t), L(t), int(t), M(t), Fp(t), Fpс(t), с использованием приведенных выражений можно определить характеристики туннелирования электронов с ПС катодной границы раздела диэлектрик-люминофор: Et(t), xt(t), W(t), а также характеристики Fpa(t), x(t), dpa(t), i(t).
IV II III I III IV I II 0,60 160 0,4 1a) d) 0,120 0,3 10,80 0,2 0,40 0,1 0,40 0,35 0 0,0 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,00 0,04 0,08 0,12 0,t, s t, s 0,15 160 7500 1e) b) 60120 10,10 4580 300,40 150,00 0 0 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,00 0,04 0,08 0,12 0,t, s t, s 3,0 0,c) f) -0,2,-0,2,-0,2,-1,2,-1,2,0 -1,0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,00 0,05 0,10 0,15 0,x, m dpa, m Рис.5. Зависимости: a-f: 1 - U(t); 4,6,8,10,12 - вариант (+Al), 3,5,7,9,11,13 - вариант (-Al); a - x(t); b - dpa(t); c - Fpc(x); d - m(t); e - (t); f - Fpa(dpa). Граница участков I и II приведена для варианта (+Al) Для варианта (+Al) с более равномерным распределением примесей и дефектов структуры в верхней части слоя люминофора, прилегающей к металлическому элекm m U, V U, V x, mkm -m i, cm U, V U, V pa d, mkm pc pa F, MV/cm F, MV/cm троду из алюминия, о чем свидетельствует монотонный рост зависимостей M(t) и m(t) (рис.5,d), ток Ip0(t) на участках II, III слабо зависит от времени t, а для варианта (-Al) из-за экстремального вида зависимостей M(t) и m(t) (рис.5,d) наблюдается значительный рост тока Ip0(t) на участках II, III. Зависимости dpa(t) и х(t), рассчитанные по формулам (15), (16), (рис.5,a,b) свидетельствуют о том, что толщина слоя объемного заряда dpa(t) в прианодной области на участках II, III монотонно возрастает от нуля до ~0.12 мкм (вариант ЦAl) и до ~ 0.15 мкм (вариант +Al) при t=tm,; толщина прикатодной области, в которой происходит ускорение электронов до энергии ионизации глубоких центров х(t), уменьшается при этом от значения толщины слоя люминофора dp=0.54 мкм до ~ 0.39 мкм (вариант +Al) и до ~ 0.42 мкм (вариант ЦAl), что соответствует длине ударной ионизации глубоких центров в прианодной области, равной разности х(t)Цxt(t), при t=tm ~ 0.33 мкм (+Al) и ~ 0.36 мкм (ЦAl).
Приведенные на рис.5,c,f зависимости полей в прикатодной области Fpс(x) и прианодной области Fpa(dpa) от x и dpa, соответственно, характеризуют не распределение этих полей по толщине слоя люминофора, а возрастание значений Fpс и Fpa по мере нарастания напряжения возбуждения U(t), увеличения толщины слоя объемного заряда в прианодной области dpa(t) и уменьшения длины прикатодной области х(t).
Меньшая толщина слоя объемного заряда dpa(tm) (рис.5,b) и меньшее значение поля Fpa(tm) при этой толщине для варианта (ЦAl) по сравнению с вариантом (+Al) обусловлена меньшей концентрацией вакансий серы VS+, составляющих основную часть глубоких центров, подвергшихся ударной ионизации в прианодной области, в нижней части слоя люминофора, прилегающей к электроду SnO2.
Экспериментальные исследования процесса спада тока, протекающего через тонкопленочную электролюминесцентную МДПДМ структуру, свидетельствуют о бимолекулярном процессе захвата электронов на поверхностные состояния анодной границы раздела. В связи с этим предложена двухстадийная модель процесса, на первой стадии которой происходит ударный Оже-захват горячих электронов. На второй стадии при смене направления поля дырки валентной зоны, генерированные за счет туннельной эмиссии с глубоких центров, дрейфуют к этой границе, где рекомбинируют с электронами наиболее глубоких заполненных поверхностных состояний.
Согласно бимолекулярному закону процесса захвата электронов на поверхностные состояния анодной границы раздела ток, протекающий через слой люминофора при выключении ЭЛИ, будет иметь вид:
I pm I (t) = p, (19) I S pm 1+ t qdp 2 I = qd Se Snm = I (tm ) где, S - скорость поверхностного захвата, nm=n(tm) - конpm p p центрация свободных электронов в момент начала спада тока. Зависимость () спрямI I (t) -1 = f (t) ляется в координатах для всех исследованных режимов возбужpm p дения, что подтверждает бимолекулярный механизм процесса захвата. При этом из наклона указанной зависимости может быть найдена скорость поверхностного захвата S. Учитывая, что скорость захвата электронов определяется мгновенным временем n(t) = n(t) - nжизни (t) и избыточной концентрацией свободных электронов, где n0 - концентрация равновесных электронов в зоне проводимости, при n(t)>>n0, а также с учетом скорости дрейфа электронов v, получены выражения для времени жизни и сечения захвата электронов в момент спада тока, протекающего через слой люминофора.
В соответствии с предложенной моделью на основе анализа экспериментальных зависимостей Ip(t) для различных режимов возбуждения определены основные параметры ударного захвата электронов на ПС: время жизни электронов в момент начала спада m, скорость поверхностного захвата S и сечение захвата n электронов. С ростом частоты f напряжения U(t) с 2 Гц до 500 Гц: время жизни m убывает с (4-6)10с до (2-3)10-5 с, скорость поверхностного захвата S и сечение захвата n возрастают:
S - с (1.4-2.9)10-13 см/с до (3.5-6.7)10-11 см/с; n - с (2.7-6.8)10-22 см2 до (0.8-1.6)10-см2, что объясняется возрастанием доли дырок валентной зоны, участвующих в рекомбинации, приводящим к росту числа незаполненных ПС. При увеличении амплитуды напряжения возбуждения Um от 110 В (начало свечения ТП ЭЛИ) до 160 В на частоте f=10 Гц: время жизни m слабо возрастает с ~ (0.8-1)10-3 с до (1.5-1.6)10-3 с, скорость поверхностного захвата S и сечение захвата n уменьшаются в первом полупериоде напряжения U(t): S - с ~ 1.210-10 см/с до 510-13 см/с, n - с (2-10)10-19 см2 до (1.1-1.3)10-21 см2; в третьем полупериоде напряжения U(t): S - с ~ (4.5-4.8)10-12 см/с до ~ (3.2-3.6)10-13 см/с, n - с ~1,110-20 см2 до (7.6-8.4)10-22 см2. Это объясняется увеличением с ростом Um концентрации электронов в момент начала спада, увеличением их средней энергии за счет увеличения среднего поля Fp(t) и уменьшением вследствие этого вероятности ударного захвата на заполненные ПС.
Основные результаты и выводы:
1. Экспериментальными исследованиями показано, что размещение плёночной МДПДМ ЭЛ структуры на стеклянной подложке с внутренней шероховатой поверхностью приводит к увеличению яркости свечения ~ в 2 раза, уменьшению крутизны вольт-яркостной характеристики и порогового напряжения по сравнению с тем же ЭЛИ, размещённым на обычной гладкой подложке, что обусловлено наличием микрорельефа, уменьшающего волноводный эффект бокового распространения излучения и увеличивающего выход излучения из ЭЛ слоя в стеклянную подложку, наличием микролинзового растра на подложке, а также статистическим разбросом вольтяркостной характеристики отдельных микроучастков структур, образующих интегральную вольт-яркостной характеристику ЭЛИ, и появлением неоднородного электрического поля в структурах на подложках с внутренней шероховатой поверхностью с повышенной напряженностью поля в местах выступающих над поверхностью подложки микронеровностей.
Размещение ЭЛИ той же структуры на стеклянной подложке, имеющей наряду с внутренней шероховатой поверхностью внешнюю диффузно-рассеивающую излучающую поверхность приводит к увеличению яркости свечения ~ в 3.5 раза и коэффициента вывода излучения, внешнего квантового выхода, энергетического выхода, светоотдачи в 5.2 раза, а также расширению диаграммы направленности излучения по сравнению со структурой на подложке с двумя гладкими поверхностями, что можно объяснить уменьшением потерь излучения, обусловленных полным внутренним отражением как в пленочной ЭЛ структуре, так и в стеклянной подложке, и увеличением выхода излучения из стеклянной подложки.
2. Для ЭЛ структур на основе ZnS с ударным возбуждением одиночных центров свечения Mn2+ 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.
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.
3. Обнаружена возможность существования, определены условия возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ слоя люминофора S- и N-типов в одних и тех же образцах ТП ЭЛИ на основе сульфида цинка, легированного марганцем. Предложен механизм образования отрицательного дифференциального сопротивления, основанный на ионизации и перезарядке глубоких центров, образующих объемные заряды вблизи катодной и анодной границ слоя люминофора и обусловленных вакансиями цинка и серы, VS2+, расположенных выше валентной VZn- VS+ зоны, соответственно, на ~1.1 эВ, 1.9 эВ и 1.3 эВ, что подтверждается наличием в спектрах электролюминесценции, полученных на различных участках волны яркости, полос с максимумами ~ 530 нм и ~ 655 нм. При этом концентрация центров имеет величину для, ~ (3Ц4)1016 см-3, VS2+ ~ 1.51016 см-3. Время релаксации центров, VZn- VS+ обусловленных, оценивается величиной ~ 1 с, а - ~30-40 с.
VZn- VS+ 4. На основе полученных экспериментальных зависимостей амплитудной и средней яркости от времени нарастания линейно изменяющегося напряжения возбуждения, и введенного автором понятия мгновенного внутреннего квантового выхода определены основные излучательные параметры: сечение ударного возбуждения =(2+0.5)10-15 см2; концентрация центров свечения N=4.731018 см-3; число центров свечения, возбуждаемых одним носителем заряда при прохождении его через слой люминофора N1=1.2; вероятность возбуждения центров свечения в единицу времени =1.2104 с-1; вероятности излучательной Pr=23% и безызлучательной Pn=77% релаксации центров свечения; внешний ext=5.1% и внутренний int=30% квантовые выходы; энергетический выход w=4.310-3; светоотдача L=2.35 м/Вт. Получены теоретические зависимости постоянных нарастания и спада яркости от длительности фронта и амплитуды импульса линейно нарастающего напряжения возбуждения, которые подтверждаются экспериментальными данными и позволяют определять зависимости времени жизни возбужденных центров свечения, вероятностей возбуждения и релаксации возбужденных центров свечения в единицу времени, сечения ударного возбуждения центров свечения от времени нарастания и амплитуды напряжения возбуждения.
На основе экспериментальных исследований кинетики мгновенной яркости свечения ТП ЭЛИ при возбуждении напряжением треугольной формы и решения кинетического уравнения определена аналитическая взаимосвязь мгновенных значений яркости, тока, протекающего через слой люминофора, и введенного автором мгновенного внутреннего квантового выхода и обнаружено различное поведение зависимостей внутреннего квантового выхода и светоотдачи от времени в области частот выше и ниже 10 Гц, а также показано, что уменьшение степени зависимости средней яркости свечения ТП ЭЛИ от амплитуды напряжения возбуждения (появление участка насыщения на ВЯХ) обусловлено возникновением объемных зарядов в прианодной и прикатодной областях слоя люминофора и уменьшением эффективной толщины слоя люминофора.
5. Определены параметры процесса туннелирования электронов с заполненных ПС катодной границы раздела диэлектрик - люминофор: глубина уровней ПС изменяется в процессе роста электрического поля в слое люминофора от ~ 0.6 до 1.-эВ, вероятность туннелирования от 10-15 до 300-400 с, ширина потенциального барьера от ~ 9 до 5.7 нм. Параметры последующей ударной ионизации глубоких центров, обусловленных собственными дефектами слоя люминофора, имеют следующие максимальные значения: коэффициент умножения электронов - 1.79, число ионизаций, приходящихся на один электрон, вышедший из области ударной ионизации - 0.44, толщина прианодной области ударной ионизации глубоких центров - 0.17 мкм, коэффициент ударной ионизации - 2.6104 см-1.
6. Показано, что процесс захвата электронов на поверхностные состояния анодной границы раздела люминофор - диэлектрик ТП ЭЛИ при спаде тока проводимости подчиняется бимолекулярному закону. В связи с этим предложена двухстадийная модель процесса, на первой стадии которой происходит ударный Оже-захват горячих электронов. На второй стадии при смене направления поля дырки валентной зоны, генерированные за счет туннельной эмиссии с глубоких центров, дрейфуют к этой границе, где рекомбинируют с электронами наиболее глубоких заполненных поверхностных состояний.
В соответствии с предложенной моделью двухстадийного захвата электронов на основе анализа экспериментальных зависимостей тока проводимости, протекающего через слой люминофора, определены основные параметры ударного захвата электронов на ПС: время жизни электронов в момент начала спада тока проводимости в слое люминофора m, скорость поверхностного захвата S и сечение захвата электронов n. С ростом частоты линейно нарастающего напряжения с 2 Гц до 500 Гц m убывает с 510-3 с до 2.510-5 с, S возрастает с 2.210-13 см/с до 510-11 см/с и n возрастает с 4.510-22 см2 до 1.210-19 см2, что объясняется возрастанием доли дырок валентной зоны, участвующих в рекомбинации, приводящим к росту числа незаполненных ПС. При увеличении амплитуды напряжения возбуждения от 110 В (начало свечения ТП ЭЛИ) до 160 В на частоте 10 Гц m слабо возрастает с 10-3 с до 1.510-3 с, S уменьшается с ~ 1.210-10 см/с до 510-13 см/с и n уменьшается с 510-19 см2 до 810-22 см2.
Это объясняется увеличением с ростом амплитуды напряжения возбуждения концентрации электронов в момент начала спада, увеличением их средней энергии за счет увеличения среднего поля в слое люминофора и уменьшением вследствие этого вероятности ударного захвата на заполненные ПС.
Цитированная литература:
1. Электролюминесцентные источники света / под ред. И.К.Верещагина, М.: Энергоатомиздат, 1990, 168с.
2. Мах Р. Электролюминесценция в поликристаллических полупроводниках // Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применение / Под ред.
Г.Харбеке. - М.: Мир, 1989. - 314с.
3. Власенко Н.А., Куриленко Б.В., Циркунов Ю.А. Электролюминесцентные тонкопленочные излучатели и их применение. - Киев: Знание, 1981.
4. Электролюминесцентный дисплей с мозаичным цветным фильтром / Yamashita T., Okibayashi K., Ogura T. et all.// Сяну гихо= Sharp Techn.J.-1991.-№ 50.-P.5-9.
5. Noboru Miura, Mitsuhiro Kawanishi, Hironaga Matsumoto and Ryutaro Nakano. HighLuminance Blue-Emitting BaAl2S4:Eu Thin-Film Electroluminescent Devices. Jpn. J. Appl.
Phys., Vol.38 (1999), Part.2, No.11B, p.L1291- L1292.
6. P. F. Smet, D. Poelman, and R. L. Van Meirhaeghe. Blue Electroluminescence from multilayered BaS:Eu/Al2O3 thin films. J. Appl. Phys., Vol.95, No.1, p.184-190.
7. Smith D.H. Modeling a.c. thin-film electroluminescent devices //J.Luminescence.1981.v.23, №1, p.209-235.
8. В.П.Васильченко. Уровни захвата носителей в тонкопленочных электролюминесцентных структурах на основе ZnS // ЖПС. - 1996. - Т.63, вып.3. - с.461-465.
9. Самохвалов М.К. Математическое моделирование перезарядки ловушек границы раздела люминофор - диэлектрик в электролюминесцентных структурах // Труды межд. научн. конф. "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах". - Ульяновск, 1997. - с.127-128.
10. Alex N. Krasnov. Selection of dielectrics for alternating-current thin-film electroluminescent device // Thin solid films. 347 (1999). p.1-13.
11. Neyts K.A., Corlatan D., De Visschere P. et all. Observation and simulation of spacecharge effects and histeresis in ZnS:Mn as thin-film electroluminescent devices // J.Appl.Phys. 1994. v.75, №10, p.5339-5346.
12. Singh V.P., Krishna S. Electric field and conduction current in ac thin-film electroluminescent display devices // J.Appl.Phys. 1991, v.70, № 3, p.1811-1819.
13. Mller G.O., Mach R., Selle B. and Schulz G. Measuring on thin film electroluminescent devices // Phys stat. sol. (a), 1988, v.110, p.657-669.
14. Howard W.E., Sahni O., Alt P.M. A simple model for the hysteretic behavior of ZnS:Mn thin film electroluminescent devices // J. Appl. Phys. 1982, v.53, №1, p.639-647.
15. Douglas A.A., Wager J.F., Morton D.C. et all. Evidence for space charge in atomic layer epitaxy ZnS:Mn alternating-current thin-film electroluminescent devices // J. Appl. Phys.
1993, v.73, №1, p.296-299.
16. Буланый М.Ф., Полежаев Б.А., Прокофьев Т.А. О природе марганцевых центров свечения в монокристаллах сульфида цинка // ФТП, 1998, т.32, №6, с.673-675.
17. Грузинцев А.Н. Тонкопленочные электролюминесцентные МДПДМ-структуры на основе ZnS:Mn с изменяемым желто-оранжевым цветом свечения // Микроэлектроника, 1999, т.28, №2, с.126-130.
18. Zeinert A, Barthou C., Benaloul et all. Excitation efficiency and field non-uniformity in ZnS-based thin-film electroluminescent devices grown by atomic layer epitaxy // Semicond.
Sci. Technol. 1997, v.12, p.1479-1486.
Основные публикации по теме диссертации:
1. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Гибридный пленочный электролюминесцентный излучатель переменного тока // Журн. техн. физ. - 1996. - т.66, вып.11. - с.201-202.
2. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Пленочные электролюминесцентные структуры на шероховатых подложках // Журн. прикл. спектроскоп. - 1997. - т.64, вып.4. - с.507512.
3. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, И.Ю.Бригаднов. Пленочные электролюминесцентные излучатели на шероховатых подложках // Письма в Журн. техн. физ. - 1997. - т.23, вып.15. - с.7-12.
4. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Пленочные электролюминесцентные структуры на подложках с диффузно-рассеивающей излучающей поверхностью // Письма в Журн. техн. физ. - 1997. - т.23, вып.20. - с.1-7.
5. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Пленочные электролюминесцентные структуры на подложках с шероховатыми поверхностями // Журн. прикл. спектроскоп. - 1998. - т.65, вып.5. - с.787-793.
6. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Влияние формы возбуждающего напряжения на яркость свечения тонкопленочных электролюминесцентных излучателей // Журн.
техн. физ. - 1999. - т.69, вып.2. - с.64-69.
7. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Исследование тонкопленочных электролюминесцентных излучателей при возбуждении линейно нарастающим напряжением // Журн.
техн. физ. - 1999. - т.69, вып.2. - с.58-63.
8. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Кинетика электролюминесценции в пленочных структурах на основе сульфида цинка, легированного марганцем // Журн. техн. физ. - 1999. - т.69, вып.5. - с.65-73.
9. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, А.В.Шляпин, А.В.Юденков. Кинетика мгновенной яркости свечения тонкопленочных электролюминесцентных излучателей на основе сульфида цинка // Письма в Журн. техн. физ. - 2001. - т.27, вып.4. - с.12-18.
10. Н.Т.Гурин, А.В.Шляпин, О.Ю.Сабитов. Отрицательное дифференциальное сопротивление в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях на основе сульфида цинка // Журн. техн. физ. - 2001. - т.71, вып.3. - с.72-75.
11. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, А.В.Шляпин. Влияние объемного заряда на характеристики тонкопленочных электролюминесцентных излучателей на основе сульфида цинка // Журн. техн. физ. - 2001. - т.71, вып.8. - с.48-58.
12. Н.Т.Гурин, А.В.Шляпин, О.Ю.Сабитов. Формирование вольт-яркостной характеристики тонкопленочных электролюминесцентных излучателей на основе сульфида цинка // Письма в Журн. техн. физ. - 2001. - т.27, вып.22. - с.52-57.
13. Н.Т.Гурин, А.В.Шляпин, О.Ю.Сабитов. Кинетика электролюминесценции тонкопленочных излучателей на основе сульфида цинка на ультранизких частотах // Журн. техн. физ. - 2002. - т.72, вып.2. - с.74-83.
14. Н.Т.Гурин, А.В.Шляпин, О.Ю.Сабитов. Изменение спектра электролюминесценции тонкопленочных излучателей на основе ZnS:Mn в зависимости от уровня возбуждения // Письма в Журн. техн. физ. - 2002. - т.28, вып.15. - с.24-32.
15. Н.Т.Гурин, А.В.Шляпин, О.Ю.Сабитов, Д.В.Рябов. Влияние фотовозбуждения на электрические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных излучателей на основе ZnS:Mn // Письма в Журн. техн. физ. - 2003. - т.29, вып.4. - с.1421.
16. Н.Т.Гурин, А.В.Шляпин, О.Ю.Сабитов, Д.В.Рябов. Влияние фотовозбуждения на электрические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных структур на основе ZnS:Mn // Журн. техн. физ. - 2003. - т.73, вып.4. - с.90-99.
17. Н.Т.Гурин, А.В.Шляпин, О.Ю.Сабитов. Квантовый выход и светоотдача тонкопленочных электролюминесцентных излучателей на основе сульфида цинка // Журн. техн. физ. - 2003. - т.73, вып.4. - с.100-112.
18. Н.Т.Гурин, Д.В.Рябов, О.Ю.Сабитов, А.М.Афанасьев. Туннелирование электронов в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях на основе ZnS:Mn // Письма в Журн. техн. физ. -2005. - т.31, вып.3. - с.79-85.
19. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Новый метод определения параметров электролюминесценции в тонкопленочных излучателях на основе ZnS:Mn // Письма в Журн.
техн. физ. - 2005. - т.31, вып.22. - с.17-23.
20. Н.Т.Гурин, А.М.Афанасьев, О.Ю.Сабитов, Д.В.Рябов. Туннелирование и ударная ионизация в тонкопленочных электролюминесцентных структурах на основе ZnS:Mn // Физ. и техн. полупров. - 2006. - т.40, вып.8. - с.949-961.
21. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Определение параметров и характеристик электролюминесценции в тонкопленочных излучателях на основе ZnS:Mn // Журн. техн.
физ. - 2006. - т.76, вып.8. - с.50-62.
22. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, А.М.Афанасьев. Характеристики туннелирования и ударной ионизации в тонкопленочных электролюминесцентных структурах на основе ZnS:Mn // Физ. и техн. полупров. - 2007. - т.41, вып.10. - с.1168-1177.
23. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Релаксация параметров тонкопленочных электролюминесцентных излучателей на основе ZnS:Mn при выключении // Письма в Журн.
техн. физ. - 2008. - т.34, вып.7. - с.14-22.
24. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Релаксация параметров тонкопленочных электролюминесцентных структур на основе ZnS:Mn при выключении // Физ. и техн. полупров.
- 2008. - т.42, вып.6. - с.692-705.
25. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Влияние электрофизических параметров и режимов возбуждения на выход излучения в тонкопленочных электролюминесцентных структурах // Ученые записки Ульяновского государственного ун-та. Серия физическая. Вып.1(3). - Ульяновск, 1997. - с.73-77.
26. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, А.В.Шляпин. Кинетика электролюминесценции тонкопленочных структур на основе сульфида цинка на низких частотах // Ученые записки Ульяновского государственного университета. Сер. физическая, 2001, вып.2(11), с.63-75.
27. Н.Т.Гурин, А.В.Шляпин, О.Ю.Сабитов. Отрицательное дифференциальное сопротивление в тонкопленочных электролюминесцентных структурах на основе сульфида цинка // Критические технологии и фундаментальные проблемы конденсированных сред: Труды лекторов Школы (июнь 2000г., Ульяновск) / Под общ. ред.
акад. РАЕН С.В.Булярвкого. - Ульяновск, 2001. - с.107-130.
28. N.T.Gurin, O. Yu. Sabitov. Optimization of the film electroluminescent emitters on luminescence output // УThe fifth intern. conf. on Simulation of devices and technologiesФ. - ICSDTС96. -Proc. Obninsk, Russia, May 13-17, 1996. Obninsk, 1996.-p.81-82.
29. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Расчет электрических параметров пленочных электролюминесцентных излучателей с помощью пакета схемотехнического моделирования PSPICE // Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем".
Пенза. Изд. Пенз. гос. техн. ун-та, 1997. - с.17.
30. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Исследование волн яркости пленочных электролюминесцентных структур при возбуждении линейно нарастающим напряжением // Сб.
матер. 3-й междунар. конф. ФРаспознавание-97Ф. Курск, Курск. гос. техн. ун-т.
1997. - с.134-136.
31. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Параметры предпробойной электролюминесценции пленочных ZnS:Mn-структур // Труды междунар. конф. "Оптика полупроводников". Ульяновск: Изд-во УГУ, 1998.- с.42-43.
32. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, А.В.Шляпин. Вольт-фарадные характеристики тонкопленочных электролюминесцентных структур // Труды междунар. конф. "Оптика полупроводников". Ульяновск: Изд-во УГУ, 2000г.- с.78-79.
33. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, А.В.Шляпин. Вольт-зарядовые характеристики люминесцентного слоя тонкопленочных электролюминесцентных структур // Труды междунар. конф. "Оптика полупроводников". Ульяновск: Изд-во УГУ, 2000г.- с.80-81.
34. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, А.В.Шляпин. Вольтамперная характеристика активного слоя в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях на основе сульфида цинка // Труды седьмой междунар. науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники". Дивноморское, Россия, 17-сент. 2000. - с.196-198.
35. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, А.В.Шляпин. Исследование кинетики переноса заряда в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях // Труды седьмой междунар. науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники". Дивноморское, Россия, 17-22 сент. 2000. - с.199-200.
36. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов, А.В.Шляпин. Частотные зависимости характеристик тонкопленочных электролюминесцентных излучателей на основе ZnS:Mn // Труды междунар. конф. "Оптика, оптоэлектроника и технологии". Ульяновск: Изд-во УГУ, 2001г.- с.44.
37. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Процессы ударного возбуждения в пленочных электролюминесцентных структурах на основе ZnS:Mn // Труды V междунар. конф.
"Аморфные и поликристаллические полупроводники". Санкт-Петербург: 19-июня 2006. Изд-во Политехнического университета, Санкт-Петербург, 2006г.- с.321-322.
38. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Определение параметров и характеристик электролюминесценции в тонкопленочных структурах на основе ZnS:Mn // Труды VIII междунар. конф. "Опто- наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы". Ульяновск: Изд-во УГУ, 2006г.- с.201.
39. Н.Т.Гурин, О.Ю.Сабитов. Большое возрастание мгновенного внутреннего квантового выхода в тонкопленочных электролюминесцентных структурах на основе ZnS:Mn // Труды VIII междунар. конф. "Опто- наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы". Ульяновск: Изд-во УГУ, 2006г.- с.212.