WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 3 06;07;12 Отрицательное дифференциальное сопротивление в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях на основе сульфида цинка © Н.Т. Гурин, А.В. Шляпин, О.Ю. Сабитов Ульяновский государственный университет, 432700 Ульяновск, Россия E-mail: soy@sv.uven.ru (Поступило в Редакцию 15 мая 2000 г.) Обнаружена возможность существования и определены условия возникновения отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) S- и N-типов в тонкопленочных электролюминесцентных излучателях на основе сульфида цинка, легированного марганцем. Показано, что при приложении отрицательной полуволны напряжения возбуждения к верхнему непрозрачному электроду наблюдается ОДС S-типа с участком падения тока, а при приложении к нижнему прозрачному электроду — ОДС N-типа. Появление ОДС обусловлено образованием объемных зарядов в прикатодной и прианодной областях слоя люминофора.

Одной из основных проблем, возникающих при электрод — вакуумтермическим испарением, тонкоплеизучении предпробойной электролюминесценции в ночные диэлектрические слои получали электроннотонкопленочных электролюминесцентных излучателях лучевым испарением.

(ТП ЭЛИ) со структурой металл–диэлектрик–полупро- Экспериментально исследованы зависимости тока и водник (люминофор)–диэлектрик–металл (МДПДМ), мгновенной яркости свечения от времени при возбуявляются отделение слоя люминофора от источника ждении ТП ЭЛИ знакопеременным напряжением трезнакопеременного напряжения возбуждения диэлек- угольной формы, подаваемым с генератора Г6-34 с дотрическими слоями и связанные с этим трудности в полнительным усилием — формирователем и внешним исследовании кинетики процессов генерации и переноса генератором запуска Г5-89. Амплитуда импульсов соносителей заряда и их взаимодействия с центрами ставляла (160–170 V) при коэффициенте нелинейности свечения и дефектами кристаллической решетки напряжения не более 2%. В режиме однократного люминофора в сильном электрическом поле. При этом запуска напряжение возбуждения представляло собой ряд экспериментальных работ свидетельствует о суще- пачку импульсов из двух периодов напряжения трественном влиянии на кинетику электролюминесценции угольной формы, следующих с частотой 2, 10, 50, 200, объемного заряда в слое люминофора [1–5], который 500, 1000 Hz. Время между однократными запускаможет в том числе приводить к появлению участка ми Ts изменялось в пределах 0.1–100 s. В непрерывотрицательного дифференциального сопротивления ном режиме возбуждения частота изменялась от 10 до (ОДС) S-типа на зависимости тока, протекающего через 1000 Hz. Ток через ТП ЭЛИ измерялся с помощью слой люминофора в режиме излучения ТП ЭЛИ, от включаемого последовательно с ТП ЭЛИ резистора сосреднего поля в этом слое [5]. В то же время данные противлением 100 -10 k, падение напряжения на коработы [1] свидетельствуют в пользу существования тором не превышало 1 V. Мгновенное значение яркости в определенных условиях возбуждения люминофора измерялось с помощью фотоэлектронного умножителя участка ОДС N-типа на указанной зависимости, природа ФЭУ-84-3. Зависимости напряжения возбуждения, тока которого не выяснена. через ТП ЭЛИ и мгновенной яркости свечения от времеВ связи с этим задачей данной работы являются иссле- ни фиксировались с помощью двухканального запоминадование условий возникновения и определение основных ющего осциллографа С9-16, связанного через интерфейс особенностей, характеризующих ОДС S- и N-типов в с персональным компьютером, которые обеспечивали ТП ЭЛИ. Для решения данной задачи были выполнены для каждого канала измерение и запоминание 2048 точек экспериментальные исследования ТП ЭЛИ со структу- выбранного периода дискретизации с погрешностью не рой МДПДМ, где M — нижний прозрачный электрод на более 2%. Математическая и графическая обработка основе SnO2 толщиной 0.2 µm, нанесенный на стеклян- производилась с помощью прикладных программных ную подложку, и верхний непрозрачный тонкопленочный пакетов Maple V Release4. Version 4.00b и GRAPHER электрод на основе Al толщиной 0.15 µm диаметром Version 1.06. 2-D Graphing System.

1.5 mm; П — электролюминесцентный слой ZnS : Mn Как известно [5,6], в области напряжений возбужде(0.5% mass) толщиной 0.54 µm; Д — диэлектрический ния, не превышающих порогового значения, соответствуслой ZrO2 Y2O3 (13% mass) толщиной 0.15 µm. Слой ющего началу свечения, ТП ЭЛИ может быть предсталюминофора наносили вакуумтермическим испарени- влен в виде последовательного соединения конденсатоем в квазизамкнутом объеме с последующим отжигом ров, образованных двумя диэлектрическими слоями Ci и при температуре 250C в течение часа, непрозрачный слоем люминофора Cp. После достижения порогового Отрицательное дифференциальное сопротивление... Рис. 1. Зависимости V (t) (1), Ie(t) (2), Fp(t) (3), Ip(t) (4) и L(t) (5) для двух периодов напряжения возбуждения: a —при подаче отрицательной полуволны напряжения в первом полупериоде на верхний электрод, Ts = 100 s и частоте напряжения возбуждения:

I — 10, II —50Hz, III — при подаче положительной полуволны напряжения в первом полупериоде на верхний электрод, Ts = 50 s и частоте напряжения возбуждения 50 Hz; b — при подаче отрицательной полуволны напряжения в первом полупериоде на верхний электрод, частоте напряжения возбуждения 50 Hz и периоде запуска Ts: I —0.5, II —5, III — 100 s.

напряжения в сильном электрическом поле начинаются Ток проводимости, протекающий через слой люминотуннельная эмиссия электронов с состояний на границе фора при напряжениях возбуждения выше порогового и раздела люминофор–диэлектрик, их ускорение в элек- отсутствии в нем объемного заряда, равен [1] трическом поле, возбуждение центров свечения Mn2+ и ударная ионизация дефектов кристаллической решетки. Ci + Cp dV(t) Ip(t) =Ie(t) - Cp. (2) В результате после порога через слой люминофора Ci dt толщиной dp протекает ток Ip(t), включающий в себя ток смещения и ток проводимости, которые определяют Однако из-за возникновения объемных зарядов в слое кинетику процесса переноса носителей заряда, возбужделюминофора емкость Cp также зависит от времени (и ния центров свечения, образования объемных зарядов и соответственно напряжения), а ток Ip(t), определенный перераспределения поля в слое.

в соответствии с (2), имеет реактивную составляющую При известном законе изменения напряжения возбуи содержит, таким образом, информацию об образовании ждения ТП ЭЛИ V(t) и токе во внешней цепи Ie(t) объемных зарядов в слое люминофора. В этом случае заизменение среднего поля в слое люминофора Fp(t) опревисимость Ip(Fp), определенная из формул (1), (2), будет делится выражением характеризовать условный полупроводниковый прибор, t включающий в себя слой люминофора с границами V(t) - 1 Ie(t)dt. (1) раздела люминофор–диэлектрик с исходными ”геометриFp(t) = dp Ci ческой” емкостью Cp, толщиной dp и с напряжением на нем Vp(t) =Fp(t)dp.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 74 Н.Т. Гурин, А.В. Шляпин, О.Ю. Сабитов На рис. 1, a, b приведены типичные зависимости V, Ie, мгновенной яркости L от времени для режима однократного запуска и зависимости Fp(t) и Ip(t), рассчитанные по формулам (1), (2) с учетом падения напряжения на токосъемном резисторе при Ci = 986 pF, Cp = 250 pF.

Значения Ce и Cp определялись исходя из измеренного значения суммарной емкости ТП ЭЛИ Ce = 200 pF и геометрических размеров ТП ЭЛИ.

Полученные зависимости (рис. 1, a, b) характеризуются следующими особенностями для всех частот используемого напряжения возбуждения: наблюдается асимметрия зависимостей L(t), Ie(t), Ip(t), Fp(t) в зависимости от полярности напряжения возбуждения, что вызвано технологией изготовления ТП ЭЛИ и обусловливает разные распределения плотности поверхностных состояний на верхней и нижней границах раздела люминофор– диэлектрик [4,5] и дефектов структуры в слое люминофора; отсутствует постоянство поля Fp после начала свечения, что свидетельствует об образовании объемных зарядов в слое люминофора [1,6,7]; появляется дополнительный пик тока Ie и слабо отличающийся от него по амплитуде пик тока Ip в первом полупериоде напряжения возбуждения, амплитуда которых растет с увеличением периода запуска Ts, зависимость амплитуды этого пика для тока Ip от Ts аппроксимируется функцией вида [1-exp(-t/ )], где =(37±3) s для всех частот используемого напряжения возбуждения; дополнительному пику тока Ie (и Ip) соответствует появление аналогичного пика на зависимости L(t), что можно объяснить увеличением вероятности возбуждения центров свечения, пропорциональной плотности тока через слой люминофора [8]; имеются участки роста тока Ip(t) одновременно со спадом зависимости Fp(t) при приложении отрицательной полуволны напряжения возбуждения в первый полупериод к верхнему электроду, что свидетельствует Рис. 2. Зависимости Ip(Fp): a — при подаче отрицательной о наличии области ОДС S-типа на зависимости Ip(Fp), и полуволны напряжения возбуждения в первом полупериоде с участок спада тока Ip(t) с одновременным ростом поля периодом запуска Ts = 100 s: 1, 3 — на нижний электрод;

Fp(t) при подаче положительной полуволны напряжения 2, 4 — на верхний электрод; частота напряжения возбуждения:

возбуждения в первый полупериод на верхний электрод, 1, 2 —50 Hz; 3, 4 — 1 kHz; b — при подаче отрицательной что характерно для ОДС N-типа.

полуволны напряжения возбуждения частотой 50 Hz в первом Вид зависимостей Ip(Fp), приведенных до достиполупериоде на верхний электрод при однократном запуске:

жения напряжением V(t) амплитудного значения Vm 1 — Ts = 0.1s, 2 —0.5 s, 3 —5 s, 4 — 100 s; в непрерывном (рис. 2, a, b), полностью подтверждает вывод о наличии режиме возбуждения с частотой 50 Hz при подаче отрицательной полуволны напряжения: 5 — на нижний электрод, 6 —на участков ОДС S- и N-типов. Особенностью зависимостей верхний электрод.

Ip(Fp) (рис. 2, a, b) при подаче отрицательной полуволны напряжения возбуждения в первом полупериоде на верхний электрод является помимо существования ”плавного” участка ОДС S-типа наличие участка спада сти Ip(Fp) наблюдается участок ОДС N-типа (рис. 2, a), тока Ip при уменьшении поля Fp, появляющегося при Ts (0.1-0.5) s и возрастающего с увеличением Ts величина которого также возрастает с увеличением Ts и частоты напряжения возбуждения. Этот участок затем (рис. 2, b). На низких частотах напряжения возбуждения переходит в область ОДС S-типа, которая исчезает при (2, 10, 50 Hz) ток после участка спада вновь возрастает увеличении частоты. При этом увеличение Fp с ростом (рис. 2, b), а с увеличением частоты при том же значении Ts обусловлено неучетом при расчете Fp поля остаточVm = 170 V этот участок роста тока вначале уменьшается ной поляризации. В непрерывном режиме возбуждения и затем исчезает совсем (рис. 2, a, кривая 4). При подаче на верхний электрод положительной полуволны напря- (рис. 2, b) на частотах напряжения возбуждения 10, 50 Hz жения возбуждения в первом полупериоде на зависимо- на зависимости Ip(Fp) наблюдается только ”плавный” Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Отрицательное дифференциальное сопротивление... S-участок, который при увеличении частоты до 200 Hz исчезает. При этом большие значения Fp по сравнению с режимом однократного запуска обусловлены использованием в качестве начального условия при расчете Fp равенства зарядов, протекающих через ТП ЭЛИ в разные полупериоды напряжения после установления квазистационарного режима возбуждения.

Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Используемая технология получения люминофора приводит к появлению дефицита атомов цинка и избытков атомов серы у нижней границы раздела люминофор–диэлектрик и, наоборот, к избытку атомов цинка и дефицита атомов серы у верхней границы раздела, появлению соответствующих дефектов структуры (вакансии цинка, серы, цинк в междоузлии), различных комплексов и обусловленных ими мелких и глубоких донорных и акцепторных центров [3–5,7]. В сильном электрическом поле происходят ионизация и перезарядка этих центров 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 ”плавного” S-участка на зависимости Ip(Fp) связано, вероятно, с ионизацией и перезарядкой глубоких донорных центров, обусловленных вакансиями цинка у нижней границы раздела [3,4]. Участок падения тока на зависимостях с областью ОДС S-типа и участок ОДС N-типа обусловлены, по-видимому, объемным зарядом вблизи верхнего электрода со временем жизни центров в возбужденном состоянии 37 s. Уточнение природы указанных центров и их параметров требует проведения дополнительных исследований.

Список литературы [1] Singh V.P., Krishna S. // J. Appl. Phys. 1991. Vol. 70. N 3.

P. 1811–1819.

[2] Abu-Dayah A., Kobayashi S., Wager J.F. // Appl. Phys. Lett.

1993. Vol. 62. N 7. P. 744–746.

[3] Abu-Dayah A., Wager J.F., Kobayashi S. // J. Appl. Phys.

1993. Vol. 74. N 9. P. 5575–5581.

[4] Abu-Dayah A., Wager J.F. // J. Appl. Phys. 1994. Vol. 75. N 7.

P. 3593–3598.

[5] Neyts K.A., Corlatan D., De Visschere P. et al. // J. Appl.

Phys. 1994. Vol. 75. N 10. P. 5339–5346.

[6] Bringuier E. // J. Appl. Phys. 1989. Vol. 66. N 3. P. 1314–1325.

[7] Bringuier E. // Phil. Mag. B. 1997. Vol. 75. N 2. P. 209–228.

[8] Гурин Н.Т., Сабитов О.Ю. // ЖТФ. 1999. Т. 69. Вып. 5.

С. 65–73.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.