Содержание к диссертации
Введение
1. Основные свойства тонкопленочных электролюминесцентных излучателей на основе ZnS:Mn 10
1.1. Структура и параметры тонкопленочных электролгоминесцентных излучателей 10
1.2. Основные характеристики ТП ЭЛИ. 23
1.3. Физические процессы, протекающие в ТП ЭЛИ 28
1.4. Глубокие центры в сульфиде цинка, легированном марганцем 37
1.5.Выводы 44
2. Определение характеристик и параметров процессов туннелирования электронов и ударной ионизации в тп эли на основе ZnS:Mn 46
2.1. Методика определения основных характеристик туннелирования и ударной ионизации в ТП ЭЛИ на основе ZnS:Mn 46
2.2. Уточнение методики определения основных характеристик туннелирования и ударной ионизации в ТП ЭЛИ на основе ZnS:Mn 50
2.3. Анализ методической погрешности определения основных характерис тик туннелирования и ударной ионизации в ТП ЭЛИ на основе ZnS:Mn 55
2.4.Выводы 61
3. Исследование влияния условий возбуждения на характеристики туннелирования и ударной ионизации в тп эли на основе ZnS:Mn 63
3.1. Описание исследуемых образцов и эксперимента 63
3.2. Экспериментальное исследование характеристик туннелирования и ударной ионизации в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях 66
3.3 Экспериментальное исследование характеристик туннелирования и ударной ионизации в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях с использованием уточненной методики 85
3.4.Выводы 94
4. Исследование характеристик поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик - полупроводник в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях на основе ZnS:Mn 96
4.1. Методика определения основных характеристик поверхностных состояний на катодной границе раздела диэлектрик-полупроводник 96
4.2. Экспериментальное исследование основных характеристик поверхностных состояний на катодной границе раздела диэлектрик-полупроводник 101
4.3.Выводы 112
Заключение 114
- Основные характеристики ТП ЭЛИ.
- Уточнение методики определения основных характеристик туннелирования и ударной ионизации в ТП ЭЛИ на основе ZnS:Mn
- Экспериментальное исследование характеристик туннелирования и ударной ионизации в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях с использованием уточненной методики
- Экспериментальное исследование основных характеристик поверхностных состояний на катодной границе раздела диэлектрик-полупроводник
Введение к работе
Актуальность темы. Тонкопленочные (ТП) электролюминесцентные (ЭЛ) излучатели (ЭЛИ) структуры металл - диэлектрик - полупроводник (люминофор) -диэлектрик - металл (МДПДМ), размещенные на стеклянной подложке, являются одними из наиболее перспективных типов активных индикаторных элементов, позволяющих создавать плоские индикаторные панели большой информационной емкости для дисплеев ЭВМ и телевидения. К их достоинствам относят высокие яркость, контраст и крутизна вольт-яркостной характеристики, многоцветность, долговечность, быстродействие, широкий диапазон рабочих температур, радиационную стойкость, большой угол обзора, малую толщину и массу, высокую механическую прочность, малую потребляемую мощность и относительно низкую стоимость и др. [1,2]
До недавнего времени основной проблемой ТП ЭЛИ была недостаточность яркости свечения для всех цветов свечения, кроме желтого и зеленого, что являлось основным препятствием для создания плоских полноцветных дисплеев. Однако ситуация изменилась к лучшему, когда фирма iFire в 1997 г. представила люминофор синего стабильного свечения SrS:Ce. Затем эта компания в 2002 г. продемонстрировала прототип 17-и дюймового полноцветного дисплея, особенностью которого была замена одной из тонких диэлектрических пленок на слой толстого диэлектрика. К настоящему времени существуют образцы 34-х дюймовых дисплеев, выполненных по такой технологии. Следует отметить, что в основе работы данных устройств лежат те же физические процессы, что и в ТП ЭЛИ структуры МДПДМ. Препятствием для выхода на рынок плоских дисплеев и создания конкуренции с жидкокристаллическими и плазменными панелями является сложность, а соответственно и цена технологического процесса создания данных устройств. Также определенным недостатком является относительно высокое знакопеременное возбуждающее напряжение (до 250 В). [3,4].
Наиболее изученной структурой, обладающей наилучшими показателями эффективности, является структура МДПДМ на основе сульфида цинка, легированного марганцем. .
Процесс люминесценции в ТП ЭЛИ структуры МДПДМ на основе ZnS:Mn обусловлен туннелированием носителей заряда с поверхностных состояний (ПС) катодной границы раздела диэлектрик-полупроводник в сильном электрическом поле , последующим ударным возбуждением центров свечения Мп2+ и размножением носителей из-за ударной ионизации собственных дефектов структуры и примесей [1,5].
Таким образом, в слое люминофора ТП ЭЛИ в общем случае имеется две последовательно включенные области генерации носителей: область туннелирования электронов с ПС и область лавинного размножения этих электронов в слое люминофора за счет ударной ионизации глубоких центров, обусловленных собственными дефектами структуры.
В ZnS:Mn ПС катодной границы раздела диэлектрик-полупроводник являются основным источником инжектированных электронов. Поэтому катодная граница раздела диэлектрик-полупроводник должна обеспечивать достаточным числом электронных состояний и их соответствующим распределением по энергиям, гарантируя высокую эффективность всей структуры.
Хотя ТП ЭЛИ на данный момент и являются достаточно хорошо изученными с технологической и схемотехнической точки зрения, точное описание процесса туннелирования электронов с ПС и параметров потенциального барьера на указанной границе раздела до настоящего времени отсутствуют.
Поэтому разработка методики определения основных параметров и характеристик процессов туннелирования и ударной ионизации в ТП ЭЛИ на основе сульфида цинка, легированного марганцем, и их зависимостей от режима возбуждения электролюминесценции для возможного управления этими характеристиками ЭЛИ с целью повышения эффективности их функционирования является в настоящее время весьма актуальной. Данная методика может быть применена не только для структур на основе ZnS:Mn, но и и для аналогичных пленочных структур на основе других высокоэффективных люминофоров.
Цель работы: экспериментальное и теоретическое исследование процессов туннелирования и ударной ионизации в ТП ЭЛИ на основе ZnS:Mn.
Решаемые задачи:
1.Разработка методики определения характеристик туннелировния и параметров ПС на катодной границе раздела диэлектрик - полупроводник
2.Анализ погрешности определения основных характеристик и параметров, описывающих процессы туннелирования и ударной ионизации в ТП ЭЛИ.
3.Исследование влияния условий возбуждения на характеристики туннелирования и ударной ионизации в ТП ЭЛИ на основе ZnS:Mn.
4. Определение распределения плотности заполненных ПС от энергии и изменения ее в зависимости от условий возбуждения ТП ЭЛИ, а также оценка положения равновесного и квазиравновесного уровней Ферми в процессе работы ТП ЭЛИ.
Научная новизна
1 .Разработана физико-математическая модель генерации носителей заряда в ТП ЭЛИ на основе ZnS:Mn и определены параметры данной модели.
2.В рамках данной модели определены динамика опустошения заполненных уровней ПС границы раздела диэлектрик-люминофор, изменение ширины потенциального барьера на этой границе и вероятности туннелирования электронов в единицу времени в процессе работы ТП ЭЛИ.
3.Получены зависимости от времени коэффициента ударной ионизации, коэффициента умножения электронов для полного цикла работы ЭЛИ.
4.Определено распределение электрического поля в прикатодной области слоя лю-минофора и его зависимость от условий возбуждения ТП ЭЛИ.
5.Установлено распределение плотности заполненных ПС от энергии и .изменения ее в зависимости от условий возбуждения ТП ЭЛИ, а также оценено положение квазиравновесного уровня Ферми в процессе работы ТП ЭЛИ. Практическая значимость полученных результатов;
Предложена 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 поверхностных состояний, с которых осуществляется туннелирование электронов, минимальной толщины барьера, вероятности туннелирования электронов, коэффициента ударной ионизации глубоких центров, обусловленных собственными дефектами структуры слоя люминофора) и релаксации (время жизни электронов, скорость поверхностного захвата и сечение захвата электронов, их зависимости от параметров напряжения возбуждения) носителей заряда в пленочных электролюминесцентных излучателях.
Данная методика может быть использована также для определения характеристик туннелирования электронов в аналогичных пленочных ЭЛИ на основе других высокоэффективных электролюминофоров , в частности синего и зеленого цветов свечения на базе тиоалюминатов бария-магния и кальция, которые характеризуются поведением в электрическом поле, аналогичным поведению структур на основе ZnS, а также при разработке и исследовании пленочных электролюминесцентных наноструктур.
Положения, выносимые на защиту:
1 .Туннелирование электронов в ТП ЭЛИ осуществляется с ПС катодной границы раздела диэлектрик-полупроводник, имеющих следующие параметры: глубина уровней ПС, с которых осуществляется туннелирование, изменяется в процессе роста поля в зависимости от условий возбуждения ~ от 0.6 до 1.3 eV, вероятность туннелирования от 10-15 до 300-400 s"1, ширина потенциального барьера от- 9 до 5.7 шп.
2.Поле в прикатодиой области слоя люминофора превышает среднее значение поля в слое люминофора в 1.3-1.4 раза в зависимости от полярности возбуждающего напряжения.
3.Ударная ионизация глубоких центров характеризуется следующими максимальными значениями параметров: коэффициент умножения 1.8, число ионизации, приходящихся на один электрон, вышедший из области ударной ионизации, 0.4, толщина прианодной области ударной ионизации глубоких центров 0.2 цт, коэффициент ударной ионизации 2.6" 104 cm"1.
4.Распределения плотности заполненных ПС, с которых осуществляется туннелирование, сдвигаются в сторону более глубоких уровней ПС при уменьшении частоты напряжения возбуждения и увеличении паузы мелсду двумя соседними включенными состояниями ТП ЭЛИ, что соответствует каскадному механизму релаксации электронов, захваченных на ПС.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на VI, VII и XI Международных конференциях "Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы" (Ульяновск, 2004,2005,2009).
Достоверность результатов: Достоверность научных результатов обусловлена использованием в экспериментах апробированных методик измерения, высокоточной цифровой аппаратуры, компьютерных методов анализа и обработки экспериментальных данных, а также согласованием результатов теоретического анализа с результатами экспериментальных исследований и с данными других исследователей.
Личное участие автора: В диссертационной работе изложены результаты, которые были получены автором самостоятельно и в соавторстве, при этом автор разрабатывал программы обработки экспериментальных данных для ЭВМ, проводил эксперименты и обработку экспериментальных данных с помощью ЭВМ, принимал участие в анализе и обобщении полученных результатов.
Публикации: Основные результаты исследований отражены в 6 печатных работах, в том числе в 3 статьях из перечня ВАК.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня условных обозначений и списка литературы, содержит 128 страниц текста, включает 27 рисунков, 149 наименований литературы.
Основные характеристики ТП ЭЛИ.
Возбуждение ТП ЭЛИ чаще всего осуществляется синусоидальным напряжением частотой 50HZ-5KHZ, реже - импульсами напряжения прямоугольной формы. Для возбуждения многоэлементных матричных ЭЛ индикаторных панелей используются импульсы более сложной формы [1,5,9]. Возбуждение ЭЛИ напряжениями других форм, например треугольной, осуществляется крайне редко, хотя именно с использованием этой формы возбуждающего напряжения проще всего анализировать процессы протекания тока, изменение заряда и поля в слое люминофора ТП ЭЛИ. Яркость свечения, являющаяся основным параметром ТП ЭЛИ, зависит от многих факторов: условий возбуждения (амплитуды и формы напряжения, подаваемого на ЭЛ структуру, его частоты; температуры, при которой работает ЭЛИ), характеристики самого образца (концентрации активаторной примеси в слое люминофора, материала диэлектрических слоев и их толщин) и т.д. [1,9]. Одной из основных характеристик ТП ЭЛИ является ВЯХ. Типичная ВЯХ ТП ЭЛИ с двумя диэлектрическими слоями имеет три участка. На первом участке ее крутизна т, характеризуемая показателем степени функции L V", постепенно возрастает (гп Ю-15), на втором участке крутизна ВЯХ максимальна (ш ЗО), а на третьем участке яркость L слабо зависит от напряжения. При объяснении ВЯХ полагают [1], что яркость определяется активным током, протекающим через ЭЛ структуру, и квантовым выходом процесса возбуждения центров свечения. Кроме того предполагается, что вероятность излучательных переходов не зависит от напряжения. На первом участке ВЯХ активный ток определяется в основном термополевой ионизацией сравнительно мелких (менее 0.8 eV) уровней, обусловленных неконтролируемыми дефектами структуры ZnS. С повышением напряжения увеличивается изгиб зон в слое люминофора и начинается ионизация глубоких уровней, имеющих большую концентрацию на поверхности раздела "люминофор -диэлектрик" или в объеме люминофора (такими центрами могут быть дефекты типа изоэлектронных ловушек, возникающих в ZnS при замещении цинка марганцем). Поэтому на втором участке крутизна ВЯХ связана не только с продолжающимся увеличением квантового выхода процесса возбуждения, но и с более резким возрастанием активного тока.
Насыщение ВЯХ может быть связано с насыщением зависимости от напряжения возбуждения V напряжения непосредственно на ЭЛ слое Уэ, истощением источника электронов, попадающих в область сильного поля в ZnS, а также с увеличением доли безызлучательных переходов в слое люминофора вследствие двухступенчатого возбуждения ионов Мп2+. Одновременно возможно снижение квантового выхода и светоотдачи ТП ЭЛИ [1,9]. Известны также менее распространенные ТП ЭЛИ с памятью [5,70,71], имеющие гистерезис ВЯХ. Наличие памяти у ТП ЭЛИ обусловлено существованием глубоких дырочных и электронных ловушек вблизи границы раздела "люминофор -диэлектрик", вызывающих устойчивую зарядовую поляризацию. В процессе возбуждения электролюминесценции происходит заполнение этих ловушек носителями, мигрирующими к границе раздела, вследствие чего увеличивается поляризационный заряд и возрастает напряженность электрического поля в этой области пленки люминофора. Это приводит к росту вероятности ударного возбуждения ионов Мп и возрастанию туннельного тока электронов, попадающих в область сильного поля с поверхностных уровней. При этом яркость ТП ЭЛИ увеличивается и остается повышенной в течение нескольких часов, пока захваченные носители сохраняются на уровнях ловушек. Одним из основных параметров ТП ЭЛИ является пороговое напряжение Vm соответствующее яркости свечения 1 cd/m или 10 cd/m . Данный параметр зависит от технологии получения ТП ЭЛИ, природы диэлектрических слоев, концентрации активатора в ЭЛ слое. Типичные значения порогового напряжения ЭЛИ довольно велики и составляют порядка (80-150)V. Поэтому проблема уменьшения порогового напряжения является весьма актуальной. Зависимость яркости свечения ЭЛ структуры с двумя диэлектрическими слоями от частоты возбуждающего напряжения имеет возрастающий характер. Это вызвано тем, что при повышении частоты увеличивается число циклов "возбуждение - излучение" в единицу времени, и средняя яркость свечения ТП ЭЛИ растет. Линейная зависимость L(f) указывает на то, что за каждый полупериод (независимо от длительности) создается одно и то же число возбужденных центров свечения. Это число определяется общим зарядом, собранным на границах пленки и достаточным для снижения напряженности поля в слое люминофора до значения, при котором процессы возбуждения прекращаются. При этом с помощью зависимости L(f) можно определить ряд параметров ЭЛ слоя [72]. Так как в состав ЭЛ структуры могут входить слои с различными электрическими характеристиками, то изменение частоты может сопровождаться перераспределением напряжения между ЭЛ и диэлектрическими слоями. В этом случае зависимость Ьф может оказаться немонотонной, в частности, по этой причине при переходе к повышенным частотам возбуждения яркость ТП ЭЛИ начинает снижаться. Зависимость яркости электролюминесценции ТП ЭЛИ с двумя диэлектрическим пленками от температуры характеризуется монотонным уменьшением яркости при повышении температуры. Это может быть вызвано как ухудшением условий ускорения электронов вследствие их рассеяния на тепловых фононах, так и возрастанием вероятности безызлучательных переходов.
Наиболее вероятным по мнению авторов [73] представляется механизм, согласно которому энергия от возбужденных ионов Мп2+ резонансным путем передается центрам другой природы, где затем безызлучательно рассеивается. В этом случае энергия термической активации тушения характеризует не сам ион Мп2+, а центры тушения, концентрация и глубина которых могут быть разными у различных образцов. Подобным образом возможны потери энергии и при ее передаче от одного иона Мп2+ 9-4- к другому иону Мп . С ростом температуры образца претерпевают изменения не только зависимости L(V) и L(f), но и электрические характеристики всех слоев структуры, в частности, диэлектрическая проницаемость слоев ТП ЭЛИ [9]. Кинетические характеристики свечения ТП ЭЛИ (времена нарастания и спада яркости свечения, форма волн яркости) зависят от того, с какой скоростью формируется поляризационный заряд в приграничных областях люминофорного и диэлектрического слоев, а также от характерных времен жизни атомов активатора (или их комплексов) в возбужденном состоянии. Волны яркости структуры с двумя диэлектриками практически одинаковы при разных полярностях возбуждающего напряжения: каждый полупериод наблюдается один ярко выраженный пик волн яркости, находящийся в фазе с приложенным напряжением. Когда частота возбуждающего напряжения не слишком велика (нет наложения пиков волн яркости), времена затухания определяются, в основном, концентрацией активатора в ЭЛ слое и амплитудой возбуждающего напряжения. Увеличение содержания Мп в слое ZnS до 1% масс, характеризуется уменьшением постоянной времени спада яркости. Характер затухания свечения оказывается довольно сложным, что связано с существованием в пленке ZnS:Mn до четырех типов центров свечения с разными постоянными времени спада яркости [74,75]. Вклад "быстрых" центров увеличивается с повышением концентрации Мп (увеличивается число парных, тройных и более сложных центров, обладающих меньшими постоянными времени спада яркости, начинается концентрационное тушение люминесценции).
Уточнение методики определения основных характеристик туннелирования и ударной ионизации в ТП ЭЛИ на основе ZnS:Mn
Как уже было сказано выше, в слое люминофора пленочного ЭЛИ в общем случае имеются две последовательно включенные области генерации носителей: область туинелирования электронов с ПС и область лавинного размножения этих электронов за счет ударной ионизации глубоких центров, обусловленных собственными дефектами структуры люминофора. При этом ток электронов, входящий в область ударной ионизации, т.е. туннельный ток электронов с ПС катодной границы раздела диэлектрик-люминофор, в общем случае определяется (2.3) При этом ток электронов, выходящий из области ударной ионизации, т.е. ток, прошедший через слой люминофора, Ip(t) зависит от Ipo(t) и M(t). Так как В отличие от (2.6) формула дает точную связь тока Ip(t) от коэффициента умножения M(t). Тогда с учетом (2.10) выражение для нахождения W(t) через экспериментальные данные примет следующий вид: Ширина потенциального барьера на катодной границе раздела определяется согласно (2.8) Распределение поля в слое люминофора определим следующим образом. Как было показано в [133], начальный участок / быстрого роста тока, протекающего через слой люминофора, Ip(t) ,яркости L(t) (до точки г, в которой начинается спад скорости нарастания тока Ip(t,) при возбуждении ТП ЭЛИ линейно нарастающим напряжением U(t) является экспоненциальным. При этом участки /7, /7/ соответствуют „медленному" нарастанию величин Ip(t) и L(t) с границей между ними, соответствующей точке прохождения минимальной скорости нарастания или точке максимального спада тока Ip(t) , а участок IV соответствует спаду Ip(t) и L{t). Зависимость среднего поля в слое люминофора от времени Fp{t) с учетом его направления имеет вид [133,142] FPoi(t) - поле, являющееся суперпозицией квазистационарного поля остаточной поляризации диэлектрических слоев ЭЛИ F{t), возникающего после первого включения ЭЛИ и остающегося фактически постоянным до следующего включения, а также полей, обусловленных объемными зарядами в слое люминофора, возникающими из-за ударной ионизации собственных дефектов структуры люминофора и примесей и из-за захвата носителей заряда глубокими центрами.
Зависимость Fp(t) в первом полупериоде напряжения возбуждения на участке / практически линейна в связи с тем, что величина Qe(t)/C{ не превышает 1-ЗВ на границе участков / и II, что значительно меньше значения напряжения U(t) на этой границе (75-135) В. Это свидетельствует также об отсутствии заметного объемного заряда, ударной ионизации в слое люминофора и однородном распределении поля в данном слое. Ыа участках //, III, IV зависимостей Ip(t) поле в слое люминофора становится неоднородным из-за образования объемного заряда вследствие ударной ионизации прежде всего собственных дефектов слоя люминофора, обусловленных вакансиями серы V$ и цинка V [105]. Падение напряжения на слое люминофора Up в любой момент времени t можно определить в виде где Up=Fpdp, Upc - падение напряжения в прикатодной области люминофора, которое в приближении отсутствия объемных зарядов в этой области находим в виде Fpc — поле в этой области, х — расстояние от катодной границы слоя люминофора до слоя положительного объемного заряда в прианодной области, обусловленного ударной ионизацией глубоких центров, определяется решением уравнения Пуассона Fpa - поле в слое объемного заряда, р(х) - распределение объемной плотности заряда в этом слое толщиной dpa — (dp-x). При равномерном распределении и полной ионизации глубоких центров в этом слое р(х) — где є — диэлектрическая проницаемость люминофора, со -электрическая постоянная, Se -площадь ЭЛИ, — число ионизации, приходящихся на один электрон, вышедший из области сильного поля, толщина слоя объемного заряда в прианодной области dpa составляет Из (2.18) при известных зависимостях Fp(t) и Fpc(t) поле в слое объемного заряда Fpa(t) определится в виде Значения среднего поля Fp(t) в первом полупериоде напряжения возбуждения, когда отсутствует поле остаточной поляризации диэлектрических слоев ЭЛИ и поля объемных зарядов, определяются из (7) при Fpol = 0. При периодической работе ЭЛИ с величиной паузы, большей 3-4 постоянных релаксации объемных зарядов в слое люминофора, величина Fpo! (і) определяется полем остаточной поляризации диэлектрических слоев ЭЛИ Fi(t), которое сохраняется несколько часов [74,142]. Это поле Ft(t) определяется из экспериментальных зависимостей U(t) и Qp(t) аналогично (2.12) в виде [2] Поле в прикатодной области слоя люминофора определяется также из экспериментальных данных, для первого полупериода напряжения возбуждения оно соответствует полю в слое люминофора в предположении отсутствия объемного заряда (т. е. ударной ионизации) в прианодной области и аналогично [142] равно Зависимости M(t) и m(t) можно определить из зависимостей внутреннего квантового выхода от времени цм(і) по методике, описанной в [142].
С одной стороны, ціт (t) определяется из экспериментальных зависимостей яркости от времени L(t), Ip(t), Qp(t) как [136] где -заряд электрона, hv -— энергия фотона, fx— видность излучения, к0-коэффициент вывода излучения из ЭЛИ. С другой стороны, при равномерном распределении центров свечения Мп2+ в слое люминофора зависимость jint (і) на участках II, III связана с коэффициентом умножения M(t) выражением [142] где цш (tr) - значение цм на границе участков I, II (точка г) зависимостей rfin,(t), IP(t),L(t). Из (2.25), (2.26) зависимость M(t) определяется в виде: Учитывая, что число ионизации, приходящихся на один электрон, вышедший из области сильного поля, m(t) связано с коэффициентом умножения M(t) выражением (2.20), можно более точно по сравнению с [142] найти зависимость коэффициента ударной ионизации собственных дефектов структуры от времени, a(t), который определяется как число ионизации, осуществляемых одним электроном на 1 см длины области ударной ионизации. В общепринятом смысле область ударной ионизации включает в себя первый высокополевой участок ускорения электронов до начала ионизации и последующий за ним участок собственно ударной ионизации. Поэтому более точно по сравнению с [142] длиной области ударной ионизации исследует считать толщину слоя люминофора за вычетом толщины барьера на катодной границе раздела диэлектрик-полупроводник X, Тогда выражение для определения зависимости a(t) с учетом того, что dp» Xt(t), примет вид Таким образом, используя экспериментальные зависимости L(t), Ip(t), Qp(t),tynt (t), M(t), Fp(t), Fpc(t) можно определить уточненные характеристики туннелирования электронов с ПС катодной границы раздела диэлектрик-люминофор Et(t), Xt(t), W(t), а также характеристики Fpa(t),dpa(t), a(t), Fpc(x), Fpa(dpa). 2.3. Анализ методической погрешности определения основных характеристик туннелирования и ударной ионизации в ТП ЭЛИ на основе По причине возникновения различают методические, инструментальные и субъективные погрешности. Методическая погрешность обусловлена несовершенством метода измерений или упрощениями, допущенными при измерениях. Так, она возникает из-за использования приближенных формул при расчете результата или несовершенной методики измерений. Причиной методической погрешности может быть также неучитываемое взаимное влияние объекта измерений и измерительных приборов или недостаточная точность такого учета. К методической относят погрешность отсчитывания по шкале аналоговых приборов и погрешность квантования и дискретизации в цифровых приборах.
Экспериментальное исследование характеристик туннелирования и ударной ионизации в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях с использованием уточненной методики
Целью данного исследования является определение характеристик туннелирования и ударной ионизации электронов в ТП ЭЛИ на основе ZnS:Mn по уточненной методике Экспериментальные исследования выполнялось с помощью установки, схема которой приведена на рис.3.1. Амплитуда импульсов составляла 160 V при коэффициенте нелинейности напряжения не более 2%. В режиме однократного запуска напряжение возбуждения представляло собой пачку импульсов из двух периодов напряжения треугольной формы, следующих с частотой 2 Hz, при которой скорость нарастания тока lp(t) не превышает скорости нарастания яркости L(t) [142]. Период однократного запуска составлял 100s с подачей положительного или отрицательного напряжения в первом полупериоде на верхний электрод (варианты +А1 и -А1 соответственно). Учитывая слабое влияние погрешности определения количества заряда, запасенного на ПС, Qss на погрешности определения характеристик туннелирования Et(t), Xt(t) , численное моделирование зависимостей Ip(t) (2.3) проводили, используя значение Qss = 2 10 С, что соответствует плотности электронов, запасенных на ПС, 7 1012 cm"2 и согласуется с известными оценками значения этого параметра 1013 cm"2 [2,106,136]. Значение эффективной массы принималось равным т = 0.34то (т0 -масса покоя электрона) аналогично . Представленные на рис. 3.14 зависимости L(t), Ip(t), Fp(t), t]i,u(t), Qp(t) и M(t) приведены для первого полупериода напряжения возбуждения U(t) и соответствуют ранее полученным для аналогичных образцов ЭЛИ [142]. Зависимость Fpc(t) (рис. 3.14.С, 3.15.с) свидетельствует о существенном превышении полем в прикатодной области Fpc(t) среднего значения поля в слое люминофора Fp(t) на участках II, III с достижением максимума этого превышения при максимуме напряжения возбуждения Um=U(tni). При этом поле в прикатодной области слоя люминофора при Um=U(t,tl) имеет величину 3 106 V/cm (вариант +А1) и 2.75 106 V/cm (вариант -А1), которые превышают максимальные значения среднего поля Fp 2.1 106 V/cm, достигаемые на участках II, III. Такое различие в величинах Fpc(t) и Fp(t) обусловлено, как ранее описано, возникновением и увеличением поля объемного заряда в приаподной области Fpa(t), направленного противоположно полю в слое люминофора в соответствии с (2.18).
Различный вид зависимостей M(t) для вариантов +А1 и - А1 (рис. 3.14.Г, 3.15.1) обусловлен неравномерным распределением центров свечения Мп2+ и собственных дефектов структуры V и Vl , по толщине слоя люминофора [142]. При этом максимальные значения M(t) составляют M(t) = 1.55 (вариант +А1) и M(t) = 1.5 (вариант -А1), что соответствует ранее полученным и использованным данным [142]. На рис. 3.16 , 3.17 приведены результаты численного моделирования характеристик туннелирования электронов с ПС катодной границы раздела диэлектрик-люминофор и по уточненным формулам (2.10), (2.11) с использованием зависимостей от времени поля в прикатодной области Fpc(t) вместо ранее примененных зависимостей от времени среднего Fp(t). В связи с практическим отсутствием процессов ударной ионизации глубоких центров, обусловленных собственными дефектами структуры люминофора, на участке / зависимости Fpc(t) и Fp(t), а также Et(t), X,(t) W(t), E,(Fpc) и Et(Fp) совпадают (рис. 3.14-3.18). При этом минимальные глубины залегания уровней ПС, с которых начинается туннелирование электронов, составляет =0.9eV, а соответствующая этому максимальная ширина потенциального барьера на катодной границе раздела диэлектрик-полупроводник Xt 9.5 nm (рис. 3.16, а, 3.17, а), что близко к ранее полученным нами значениям. Основные различия относятся ко всем исследованным характеристикам туннелирования Et(t) Xt(t) , W(t) и сводятся к следующему. Несмотря на разное поведение зависимостей M(t) для вариантов ±А1 (рис. 3.14./ 3.15,Д с увеличением напряжения возбуждения U(t) с ростом времени t: -возрастает максимальная глубина ПС, с которых осуществляется туннелирование электронов, до 1.63 eV (вариант +А1) и 1.53 eV (вариант - А1) по сравнению со значениями с 1.35 и 1.37 eV для вариантов +А1 и -А1 соответственно, определенными нами ранее в данной работе, т.е. на 12-21%; при этом максимальные значения Е, (t) достигаются при / = tm (вариант +А1) или на участке III (вариант -А1) (рис. 3.16, а, 3.17, aj; -минимальная толщина потенциальных барьеров на катодной границе раздела диэлектрик-люминофор монотонно уменьшается до -5.5 nm (варианты ±А1) по сравнению с ранее полученными 6.1 nm (вариант +А1) и 6.2 nm (вариант -А1), т.е. уменьшается на 10%; минимум во всех случаях достигается при /= t,„ (рис. 3.16. а, ЪЛ1,а); -значения вероятности туннелирования W(t) уменынаютсяя в интервале / tm, достигая максимума 5с" (варианты ±А1) (рис. 3.16, Ь, 3.17, Ъ) при t — tm, что в 4 раза меньше соответствующих значений W(t), полученных по прежней методике, и объясняется в соответствии с (2.4) возросшей глубиной ПС, с которых осуществляется туннелирование (рис. 3.16, а, 3.17, а); -зависимости Et(Fpc) носят сублинейный и монотонно возрастающий характер в отличие от зависимостей E,(FP), для которых одинаковые значения Et наблюдаются при двух значениях поля Fp, на участках II, III (рис. 3.16, Ь, 3.17, Ъ), что объясняется, как выше указывалось, появлением и ростом поля положительного объемного заряда в прианодной области слоя люминофора в соответствии с выражениями (2.15)-(2.18).
Возрастание максимальной глубины ПС, с которых осуществляется туннелирование электронов, E,(t), с одновременным уменьшением толщины потенциального барьера X,(t) на катодной границе раздела диэлектрик-люминофор (рис. 3.16, а, 3.17, а) при использовании предлагаемой уточненной методики объясняется значительно возросшими значениями поля в прикатодной области Fpc(t) (2.4), (2.8), используемыми при определении характеристик туннелирования по сравнению с ранее использованными для этой цели значениями среднего поля Fpc(t), а также применением точной формулы для нахождения туннельного тока/р(?) (2.10). Определенные по формуле (2.3) зависимости туннельного тока от времени Ip0(t) (рис. 3.16, Ъ, 3.17, Ь) различаются для вариантов ±А1. Для варианта +А1 с более равномерным распределением примесей и дефектов структуры в верхней части слоя люминофора, прилегающей к металлическому электроду из алюминия [142], о чем свидетельствует монотонный рост зависимостей M(t) (рис. 3.14,f) и m(t) (рис. 3.18,d), ток Ipo(t) на участках II, III слабо зависит от времени /, а для варианта -А1 из-за экстремального вида зависимостей M(t) (рис. 3.15, j) и m(t) (рис. 3.18.d) наблюдается значительный рост тока Ip0(t) на участках II, III (рис. 3.15,а). Зависимости x(t) и dpa(t) (рис. 3.18,а,Ь), рассчитанные по формулам (2.19), (2.21), свидетельствуют о том, что толщина слоя объемного заряда dpa(t) в прианодной области на участках II, III монотонно возрастает от нуля до 0.12um (вариант - А1) и до 0.15um (вариант +А1) при /= tm, что близко к ранее полученным данным; толщина прикатодной области, в которой происходит ускорение электронов до энергии ионизации глубоких центров x(t), уменьшается при этом от значения толщины слоя люминофора dp = 0.54 до 0.39 ит (вариант +А1) и до 0.42 цт (вариант -А1), что соответствует длине ударной ионизации глубоких центров в прианодной области, равной разности x(t) — X,(t), при t = tm 0.33 цт (+А1) и 0.36 цт (-А1) и согласуется с ранее полученной оценкой этой величины 0.31 um.
Экспериментальное исследование основных характеристик поверхностных состояний на катодной границе раздела диэлектрик-полупроводник
Экспериментальные исследования выполнены на образцах ЭЛИ, со структурой МДПДМ , где М - нижний прозрачный электрод на основе SnC 2 толщиной 0.2 urn, нанесенный на стеклянную подложку, и верхний непрозрачный тонкопленочный электрод на основе А1 толщиной 0.15 рлп, диаметром 1.5 mm; П -электролюминесцентный слой ZnS:Mn (0.5% mass.) толщиной 0.54 urn ; Д -диэлектрический слой Zr02xY203 (13% mass.) толщиной с/,—0.15 urn Амплитуда импульсов составляла 120-160V при коэффициенте нелинейности напряжения не более 2%. В режиме однократного запуска напряжение возбуждения представляло собой пачку импульсов из двух периодов напряженші U(t) треугольной формы, следующих с частотой J=2, 10, 20, 50,200 Hz с подачей положительной или отрицательной полуволн напряжения в первом полупериоде на верхний электрод (варианты (+А1) и (-АГ), соответственно. Период запуска Ts изменялся в пределах (1-100)s. Зависимости среднего поля в слое люминофора Fр (t), а также тока Iр (t), заряда Q (t), протекающих через слой люминофора в режиме свечения ТП ЭЛИ, находились по методике, изложенной в во второй главе при значениях диэлектрических слоев Q=986pF, слоя люминофора Су=250рР . Численное моделирование зависимостей / (і) (2.6) проводилось с использованием значений Qss, полученных для образца №2 путем деления максимального перенесенного через слой люминофора заряда Qpm за полпериода импульса напряжения возбуждения на выбранное значение коэффициента умножения М. Значение М на участке / принималось равным М=\ для всех случаев. Величины Qpm составляли: при исследовании влиянии частоты / импульсов напряжения возбуждения на характеристики E,(t), X,(t), W(t), E,(FP): для/= 2Hz - Qpm = 11,43-10"8C (вариант -Al), Qpm = 11,63-10"8C (+A1), для f= 10 Hz - Opm = 9,94-10"8C (вариант -Al), Qpm = 9,97-10"8C (+A1), ), для = 50 Hz - Qpm = 8,43-10"8C (вариант -Al), Qpm = 8,46-10"8C (+A1), для/=200Нг - Qpm = 6,65-10"8C (-A1), Qpm =6,75-10"8C (+A1).
При исследовании влияния амплитуды импульсов напряжения возбуждения U„, соответствующие параметры составляли: для /,„= 120V- Орт = 7,44-10"9С, на участках II, II, IVМ=\; Um =140V - Qpm = 3,09- 10"8С (M=l,3), Um =160V - Qpm = Приведенные на рис.4.1 зависимости NSS(E,) для различных частот напряжения возбуждения / в непрерывном режиме свидетельствуют о том, что распределение NSS(EJ в рабочей области ТП ЭЛИ имеет монотонно возрастающий характер и не достигает максимума. С увеличением частоты / распределение Nss(Et) сдвигается в область меньших значений ,, что объясняется уменьшением времени паузы между включенными состояниями ТП ЭЛИ в соседних полупериодах напряжения возбуждения в соответствии с экспериментально измеренными значениями времени паузы для варианта +А1: 2 Hz » 53 ms, 10 Hz « 15,9 ms, 50 Hz « 3,58 ms, 200 Hz « 0,95 ms. Происходящий при выключении ТП ЭЛИ ударный Оже-захват горячих электронов зоны проводимости люминофора на ПС состояния анодной границы раздела люминофор — диэлектрик сопровождается переходом электронов с заполненных ПС на менее глубокие по энергии незаполненные ПС, которые затем теряют энергию по каскадному механизму, заполняя постепенно более глубокие незаполненные ПС [148]. В результате с уменьшением частоты / в паузе между включенными состояниями ТП ЭЛИ захваченные на ПС анодной границы электроны успевают заполнить более глубокие уровни ПС. Для оценки времени релаксации заполненных ПС были получены распределения NSS(E,) для различных периодов запуска импульсов напряжения возбуждения Ts при частоте /=10 Hz (рис.4.2). Изменение распределений NSS(E,) с увеличением Ts подтверждает данные рис.4.1 о заполнении захваченными на ПС электронами более глубоких незаполненных уровней во время паузы между соседними включенными состояниями ТП ЭЛИ, причем при Ts 5 s наступает насыщение заполнения уровней с ,«1.25 eV и плотностью заполнения ПС (5-6)-1012 cm"2, в то время как максимальное значение плотности заполненных ПС достигает 2.5-1013 cm"2 при ,= 1.35-1.4 eV (рис.4.1, 4.2).
Как следует из рис. 4.3, зависимость NSi(/Nss(tp)-I от времени паузы tp, полученная для ,=1,15 eV по данным рис. 4.2, Ь, спрямляется на участке tp (Q-2) s. После чего следует участок с другим наклоном, обусловленный попаданием зависимостей NS5(Et) для времен пауз tp 25s в зону практического совпадения зависимостей Nss(Ei) с учетом погрешностей определения их и тепловых забросов с более глубоких уровней ПС на более мелкие в диапазоне разницы энергий уровней (2-3)/сГ. Определенные из рис. 4.3 в соответствии с (4.9)-(412) значения параметров каскадного процесса релаксации электронов на ПС составляют: коэффициент каскадного захвата /? —4,310" cm/s, мгновенное время жизни электронов до релаксации го 5 с , время релаксации от уровня Nss lOn cm"2 до 5-1010ст"2 составляет т=4,65 s , а сечение захвата электронов при переходе их с верхних уровней ПС на более глубокие незаполненные и значениях и Ю см/с, 0=ит 6-1013см"3 [148] равно т,=2.4-10" cm что примерно на порядок меньше значения сечения ударного Оже-захвата горячих электронов на ПС [48]. Распределения плотностей заполненных ПС с увеличением амплитуды импульсов напряжения возбуждения Um при фиксированном значении Ts=\ s сдвигаются в область больших значений Е, (рис.4.4) в связи с тем, что в квазистационарном режиме возбуждении с ростом Um происходит освобождение путем туннелирования электронов с более глубоких заполненных ПС катодной границы раздела «люминофор — диэлектрик» и релаксация захваченных у анодной границы раздела электронов ПС до более глубоких уровней Е, в течение времени 7 2Т=0,8 s, где Т — период следования импульсов напряжения возбуждения. Меньшие максимальные значения плотности заполненных ПС при более низких Um соответствует более низким значениям токов и зарядов, протекающих через слой люминофора [48]. Различия в зависимостях для вариантов +А1 обусловлены неидентичностыо двух границ раздела диэлектрик-люминофор.
