Введение к работе
Актуальность проблемы. Электролюминесценция в тонкопленоч-< структурах представляет в настоящее время ту область науки техники, где" потребности развития техники значительно оперз-от развитие фундаментальных и прикладных знаний о процессах 'образования электрической энергии в излучение.
Явления электролюминесценция, открытые в 1923 г. 0.Лосевым зЛЭЗб г. Ж.Дестрио, были реализованы в промышленных приборах л> е 60-х и 70-х годах. Эти технические достижения обусловлэ-развитием квантовой теории твердого тела и успехами полупро-5.НМКОБОЙ технологии. Интерес к исследованиям тонкопяеночных '.ктро люминесцентных структур резко возрос посяз того, как в '4 г. был продемонстрирован первый тонкопленочный ПЛОСКИЙ эк-ц обладающий высокими функциональными характеристиками. Тон-іленочньїй излучатели, работающие на переменном напряжении, от-гались от предыдущих тем, что пленка люминофора была изолнро-іа от электродов диэлектрическими слоями, обуславливая управте- прибора не электрическим током, а полем. К достоинствам ктролюминесцентных экранов относятся высокие яркость, долго-ность, разрешающая способность, устойчивость я тепловым и .иационнкм воздействиям'*и др.
В последующие годы проводились исследования методов полу-ия и свойств тонкопленочных излучателей. Эти исследования дстаьляли большой научный интерес, так как многослойные сво-злучающие устройства являлись.уникальным объектом для изучз-природы центров свечения, .механизма электроясцинзсцзнцпи и ектов, связанных с сйлькыш"эяэктр'лч9скташ ПОЛЯКИ'К ВИСОКІЇ! вкем возбуждения. Получено большое количество экспёркнэнтадь-данных о влиянии на характеристики электролйминэсцантных уктур свойств различных люминесцентных'и диэлектрических ма-яалов, конструкции приборов и технологии их изготовления, действия различных внешних факторов и др. Много работ было эящено исследованию физических основ работы приборов.
Изучение явления, электролюминесценции в тонких пленках ютзЕЛяет большой'интерес тем, что находится на пересечении
целого ряда разделов физики и техники, таких, 'как физика твердого тела, оптика и спектроскопия, физика и химия пирокозонных соединений, физика сильных электрических полей, электроника и светотехника. Разносторонность интересов исследователей обуславливает ту особенность изучения тонкопленочных, электролюминесцен^ ных структур, что при достаточно большом количестве работ, посвященных исследованиям различных аспектов проблемы, до сих пор отсутствует о'їдая физическая теория работы приборов данного тип; Большие успехи достигнуты в изучении оптических сеойств электролюминофоров: спектров излучения и их зависимости от внешних факторов, механизмов возбуждения активаторов и др. Имеются достижения в технологии получения тонкопленочных структур: пленки люминофоров получают методами термического,ионно-плазменного и химического осавдения. Достаточно глубоко исследованы вопросы надежности и долговечности приборов: изучены проблемы однородности свойств, деградации параметров при различных внеиних воздействие причины отказов и др. В настоящее время проблема физического onv сашія работы'тонкопленочных излучателей решается путем использования эмпирических зависимостей между управляющими воздействиями и выходными характеристиками, общего анализа фундаментальных уравнений основных процессов, применения приближенных решений для частных случаев и детального описания отдельных явлений;
- Вместе с тем до сих пор отсутствует достаточно полная физи-, ческа я модель, позволяющая проводить математическое .описание основных приборных характеристик тонкопленочных электролюминесшнт ных излучателей, как элементов электрической цепи, показать взої' ыосвязь входных характеристик и выхода излучения, оценить эффективность преобразования электрической энергии в световую, определить влияние параметров материалов и внешних воздействий на хс рактзристикк приборов.
Данная работа посвящена решению указанной проблемы на основе нового подхода, основанного на последовательном физическом и математическом описании электронных процессов в тонкопленочных электролюминесцентных структурах, взаимосвязывающем внешние управляющие воздействия, параметры структур и внутренние преобразс вания электрической энергии в световое излучение.
D Ульяновском политехническом институте в течение ряда лет зрабатывались методы получения и исследования свойств тонкоплз-чньпс индикаторов, методы и устройства управления-индикаторными иборами и их применения в иидроэлектронннх средствах отображе-я информации. Необходимость развития этих работ и согласования дач прикладного значения, возникающих при разработке технологии иборов и устройств управления ими, также обусловили- необходимость оретичесних исследований физических основ работы тонкопленочных ектролюминесцентных структур. Основные результаты исследований ражены'е госбюджетных, и хоздоговорных работах, выполняемых на федре микроэлектроники и технологии электронной аппаратуры и в облемной научно-исследоЕательской лаборатории шкроэлектронных едств отображения и регистрации информации Ульяновского поли-зснического института.
Цель и задачи исследования. Целью работы является развитие ории электронных процессов в тонкопленочных электролюминесиент-х структурах и обнаружение физических закономерностей, опреде-ощих заряцовую поляризацию, тоноперенос и преобразование элект-ческой энергии в световое излучение в пленках люминофоров; размотка математического аппарата, позволяющего проводить анализ лбора как элемента электрической схемы, определять конструкции гройств и режими работы с наибольшей надежностью и эффективною преобразования энергии.
Поставленная цель, достигается решением следующих задач:
-
Анализ физических представлений об'основных электронных эцессах' и разработка физической и математической модели, взаи-;вязнадющей основные электронные процессы в тонкопленочных зктрплшинесцентных структурах.
-
Теоретические и экспериментальные исследования электри-. ;ких характеристик и разработка электрической модели тонкопле-шюс излучателей. ^
-
Теоретическое и экспериментальное исследование эффективен процессов преобразования электрической энергии в световое іученяе в слое люминофора тонкопленочных излучателей в "различ-: режимах возбуждения.
4. Экспериментальные и теоретические исследования зависимое-
электрооптических характеристик от конструктивно-технологичес-
кнх факторов и методов возбуждения для разработки критериев изготовления тонкопленочных структур, выбора режимов возбуждения электролюминесценции и разработки схеы управления злектролюыи-несцентнмыи индикаторами.
Волоа8Ният выносите на защиту. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования тонкопленочных электролюминесцентных структур позволяют вынести на защиту следущие основные научные положения:
-
Бредлойэна физическая модель переходных процессов в токноплэночшх элзктролк&инесцентных структурах, связывающая изменение поляризационного заряда, электрического поля, тока и рассеиваемой энергия, на основе теории квазиизолированной поверхности высокоокных широкозонных полупроводников в сильных электрических полях.
-
Электронные процессы, определяющие основные электрические характеристики тоннопленочных излучателей при возбуждении электролюминесценции переменный напряжением, обусловлены переносом заряда в шогослойных структурах в квазистационарном реаиме, самоэкранирования люминофора.
-
На основе иодели ударного возбуааения центров свечения в яшикофрре предложены способы определения параметров активаторов (концентрации, сечения ударного возбуждения, постоянной вреаени релаксации) в ломинесцентных пленках с использованием измерений кинетика яркости и тока, а такке зависимости светоотдача от яркости излучения тошсопленочшх злектролюшнесдант-кых структур.
-
Разработанные на основе теоретических и экспериментальных исследований модели и расчеты позволяют производить выбор материалов, конструкций и технологии изготовления тонкопленочных структур, режимов возбуждения электролюминесценции и разработки схеы управления излучателями, обеспечиввщих высокую эффективность и надехаюеть работы приборов.
Научная новизна. Впервые поставлена и решена проблема полного анализа электронных процессов в тонкопленочных электролюми кзсцентных структурах. На основе комплексных исследований
ектрических и оптических характеристик проведено развитие тео-и электронных процессов в тонкопленочных излучателях и разрабо-ны физические и математические модели физических явлений в ектролюминёсцентных конденсаторах.- При этой получены следующие быэ научные результаты, которые служат теоретической основой зработки, создания и применения тонкопленочных индикаторных эментов:
I. Разработана теория неравновесных электронных процессов ч квазиизолированной поверхности высокоомных широкозонных по-лроводников в сильних электрических'полях. На ее основе разви-математическая иодель электронных процессов в слоях лшннофо-танкопленочных электролюминесцентных структур, взаимосвязьт-эщая изменение поляризационного заряда, электрического поля, са и рассеиваемой энергии.
-
Теоретически исследованы квазистационарные режимы само-іанирования в многослойных тонкошгеночдах структурах на основа зокозоннис высокоомных полупроводниковых соединений. Проведен ілиз токопереноса и рассеяния.энергии в пленках люминофора жтролюминесцентных конденсаторов для различных условий воз-щения электролюминесценции переменным напряжением, исследована (ивалентная схема излучателей.
-
Проведен анализ кинетики процессов возбуждения эяектролю-[еспеншга е тонкопленочнкх структурах, в рамках модели ударного Суждения активаторов получены и исследованы зависимости мгно-ной и средней яркости от тока и средней мощности при различных :овиях-возбуждения, разработаны методы определения параметров :инесиентных пленок.
4. Проведены экспериментальные исследования электрических
лектрооптяческих характеристик тонкопленочголс электролюминес-
thwx структур на осноне сульфида цинка, легированного ыарган-
или фторидами редкоземельных металлов (тербия, самария или ия) с диэлектрическими слоями твердых растворов оксидов ичр-ия и иттрия. Обнаружены общие закономерности протекания ктронных процессов и их особенности для различных материалов, струкшй излучателей и условий єозбуядения электролюминес-аии. Для обоснования достоверности физических и математических
коделей и результатов теоретических исследований определены границы применимости моделей, в пределах которых проведена сравнение расчетных и экспериментальных данных. Достоверность математических поделай и теоретических расчетов обосновывается их соответствием экспериментальным'результатам, полученным для разных структур и в различных условиях измерений. '
Рпактмузскаа аппчимость работы. '
-
ІЬтс^течєскно вздели электронных процессов в тонкопле-nonitxi олокїролкдшосцзнтдах структурах представляют возможность ї:спольооваті з разработках описание электрических характеристик прибора, как элемента электрической цепи с количественно взаимосвязанными параметрами входного сигнала, конструктивных свойств прибора и выхода излучения, тем.самш позволяя управлять характеристиками электрол;о;.г.шеспентного излучателя на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации.
-
Получешшге аналитические _ соотношения применимы для измерений и расчетов значений параметров, характеризующих свойства тонкопленочных злектроявіїїінасцзїітннх излучателей, а такие-отдельных слоев в многосло'йіїкх структурах. Использование разработанных способов определения параметров в дополнение к известным позволило с большей достоверностью определить5 значения ряда физических величин исследованных топкопленочнък структур, что свидетельствует о возг.:о:.шостп.применения отих і.;зтодик в научных исследованиях її для контроля качества изделий в проіашлгккон 'производстве.
-
Проведешшз теоретические и экспериментальные исследования электронных процессов позволили определить рекомендации по сыбору материалов, конструкции и технологии изготовлениятонко-плзночкых структур, обеспечивавших высокие.значения функшонаяь- кых параметров, высокую стабильность ииадешюеть работы приборов.
-
Получешше результаты .исследований процессов преобразования энергии в тонкоплзкочных эяектролэАЗшесцзнтшх структурах позволяют определить рскиш возбуждения, элс-ктролташнеецзнции в излучателях с щибольакм значенной акэргетичзского выхода, разработать йтоди управлзння'характеристїікйік'приборов .и наибольшей
зіирзктИііішстьіо преобразования энергии электрического поля в сво-.ясное получение.
Основные результаты работы использованы на предприятиях, разрабатывающих и изготавливающих индикаторные устройства я средства отображения информации. На Ульяновской радчолашоЕОМ заводе использованы методы контроля качества изделий и расчеты конструкции тонкопленочных электролшинесцентных излучателей па оснорє приведенных в диссертации расчетов характеристик приборов. Результаты теоретических и экспериментальных исслєдоешпій процессов преобразования энергии в тонкопленочных электролвминес-иэнтных структурах использованы в разработках схем управления индикаторными устройствами в НПО "Каре", г.Ульяновск.
Личный вилац. Автором самостоятельно выполнены теорэтичес- кие исследования,электронных процессов в тонкопленочиьк структурах, произведено математическое описание si моделирование изменения поляризационного заряда, поля и тока, рассеяния энергии ti преобразования ее з световое излучение, поставлены.- задачи экспериментальных исследований, разработаны методики определения параметров структур. Под руководством автора.на кафедре "Микроэлектроника ч технология электронной аппаратуру" Ульяновского "кшггехнчческого института проведены экспзрдазктальмче исследования электрических и электрсоптччзски" характеристик электролп--ганесиектных конденсаторов и их запксиї'.остч от условий возбуждения и конструктивно-технологических, факторов. Апробация работы. Осноешэ положения диссертационной.работы док-іадиьались и обсуздалксь; на 1-й, 2-й и 5-й Всесоюзных конференціях по физике и химии редкозекзлышх полупроводников, г.Ленин-рад, 1976, 1979 гг., г.Саратов, 1990 г.; па 4-м ч 8-м Всесоюзных совещаниях по физике поверхностных явлений в полупроводниках, '.Киев, 1977, 1964 гг.; наВсесоюзном научно-техническом сешша->е по методам получения и свойствам тонких пленок, г.Киев, 1977, 979, I9bl, 1962 гг., на Всесоюзной научно-технической конферен-чи "Конструктивно-технологическое обеспечение качества никро-радиоэлектронной аппаратуры,при проектировании и в производства .Икевск, ІЄЬ г.,. на.1-й Всесоюзной конференции "Полимерные ор-анические полупроводники.и регистрирующие среды на их основе", Киев, I9fc9 г., на Всесоюзной научно-технической конференции Спектроскопия конденсированных сред", г.Ульяновск, 1989 г.,
ІО-на Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения", г.Новосибирск, 1990 г.; на Всесоюзном семинаре "Низкотешературные технологические процессы в электронике", г.Ижевск, 1990 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции "Пути развития электронных средств и задачи высшей школы в подготовке.специалистов соответствующей.квалификации", г.Улъяиавск, 1991 г.; на Всесоюзной конферзнции по физике оиисннх пленок, г.Петрозаводск, 1991 г.; на Всесоюзной конференции по электролюминесценции, г.Ангарск, 1991 г.; на научно-технической конференции СНГ "физические основы деградации и надежности полупроводниковых приборов и интегральных схем", г.Нижний Новгород, 1992 г.; на семинаре лаборатории "Оптоэлектроника" МНИТ, 1993 г.; на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников УлШ.
Публикации. Результаты исследований отражены в 40 научных . работах, среди которых одна монография.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 315 страницах машинописного текста, включает 5з рисунка, 2 таблицы, библиографию из 205 наименований. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка.литературы.
