УКРАЇНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ЗВ'ЯЗКУ ім. О.С. ПОПОВА

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ ЗВ'ЯЗКУ ТА ІНФОРМАТИЗАЦІЇ УКРАЇНИ

ЖЕРЕВЧУК ВОЛОДИМИР ВІКТОРОВИЧ

УДК: 621.383.8:681.327.12

ТОНКОПЛІВКОВІ ЕЛЕКТРОЛЮМІНІСЦЕНТНІ

ІНДИКАТОРИ ДЛЯ ПРИЛАДІВ ВІДОБРАЖЕННЯ

ІНФОРМАЦІЇ

05.12.20 – оптоелектронні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2001

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Одеському державному політехнічному університеті, Міністерство освіти та науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук професор

Мокрицький Вадим Анатолійович,

Одеський державний політехнічний університет, завідуючий кафедри мікроелектроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Курмашев Шаміль Джемашевич,

Одеський національний університет

ім. І.І. Мечникова, завідуючий науково-дослідного центру сенсорної електроніки та високочастотних технологій.

кандидат технічних наук, доцент

Завадський Віктор Афанасійович,

Одеська державна морська академія,

доцент кафедри теоретичних основ радіоелектроніки

.

Провідна установа: Національний аерокосмічний університет

ім. Жуковського М.Є. "Харківський авіаційний інститут".

.

Захист відбудеться "27" квітня 2001 р. о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.816.01 Української державної академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65021, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Української державної академії зв'язку ім. О.С. Попова (65021, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.)

Автореферат розісланий " 27 " березня 2001 г.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д41.816.01 Іваницький А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В наш час сфери використання оптоелектронних систем відображення інформації розширюються з кожним днем. Сучасні прилади відображення інформації разом із вакуумними, рідиннокришталевими і газорозрядними пристроями використовують електролюмінісцентні індикатори.

Тонкоплівкові електролюмінісцентні структури (ТПЕЛС) типу метал – діелектрик – напівпровідник – діелектрик – метал (МДНДМ) мають ряд переваг в порівнянні з іншими індикаторами: мала маса та габарити, твердотільна безвакуумна конструкція, висока контрастність відображення, широкий кут огляду, невелика потужність споживання при задовільній яскравості, сумісність технології створення тонкоплівкових електролюмінісцентних індикаторів (ТПЕЛІ) з технологією виготовлення гібридних плівкових мікросхем, можливість регулювання яскравості випромінювання та механічна міцність. Вони спроможні відображати телевізійний сигнал і працювати у широкому діапазоні значень температури, тиску та при високих рівнях зовнішньої засвітки. Наближаючись своїми світловими характеристиками до електронно-випромінювальної трубки, ТПЕЛС мають одну важливу для потенційного споживача якість: в них повністю відсутнє шкідливе рентгенівське випромінювання.

Все вищесказане свідчить про те, що ТПЕЛІ є одним із найбільш перспективних пристроїв відображення інформації. Проте слід зазначити, що для широкого випуску ТПЕЛІ необхідно перебороти деякі труднощі та відповісти на ряд питань як теоретичного, так і практичного характеру. Серед основних проблем, що стоять перед розробниками та дослідниками, можна зазначити задачу одержання структури з різним кольором світіння та вивчення основних фізичних процесів і технологічних факторів, які визначають ефективність таких ТПЕЛС.

Це визначає напрямок роботи, серед основних задач якої можна виділити наступні: встановлення залежності характеристик люмінесценції від матеріалу діелектричних шарів ТПЕЛС; дослідження впливу зовнішніх факторів на параметри ТПЕЛС; дослідження механізмів генерації носіїв заряду; розробка на основі ТПЕЛС оптоелектронних елементів відображення інформації; застосування ТПЕЛС у якості різноманітних датчиків.

Все вищесказане визначило актуальність вирішення науково-технічної задачі, наукового обгрунтування та розробки комплексу засобів і методів створення та вдосконалення оптоелектронних елементів на базі ТПЕЛС для існуючих та перспективних засобів відображення інформації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводились у процесі виконання комплексу науково-дослідницьких та дослідно-конструкторських робіт на кафедрі мікроелектроніки Одеського державного політехнічного університету, а саме: "Дослідження фізичних властивостей квазіпотрійних окисних діелектричних матеріалів (№265-74)", "Дослідження фізичних властивостей нових складних діелектричних плівкостворюючих матеріалів (№183-74)", "Дослідження впливу температури, зовнішнього електричного поля та механічної напруженості на ефективність електролюмінісценції ТПЕЛС типа МДНДМ (№375-74)".

Мета роботи та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення характеристик оптоелектронних елементів відображення інформації на базі нових матеріалів, науково-технічних рішень та технологічних процесів і розробка нових пристроїв на основі ТПЕЛС.

Для досягнення поставленої мети у дисертації за допомогою методів та засобів сучасного матеріалознавства, фізичного і математичного моделювання вирішуються наступні основні взаємопов'язані задачі:

1. Дослідження електрофізичних та оптичних характеристик ТПЕЛС, забезпечення їх ефективної та стабільної роботи;

2. Вивчення впливу температури, умов збудження та ін. на світлотехнічні характеристики ТПЕЛС, розробка засобів їх захисту від впливу зовнішніх руйнівних факторів;

3. З'ясування механізму генерації вільних носіїв заряду в структурах на основі ZnS:HoF3;

4. Підвищення електричної міцності та зниження робочої напруги ТПЕЛС шляхом використання нових діелектричних матеріалів;

5. Покращення світлотехнічних характеристик і підвищення світлової ефективності ТПЕЛС шляхом визначення оптимального складу люмінофору;

6. Дослідження нових напрямків використання ТПЕЛС та розробка нових приладів на їх основі.

Об'єкт досліджень – оптоелектронні елементи відображення інформації на основі тонкоплівкових електролюмінісцентних структур МДНДМ.

Предмет досліджень – процеси та механізми, які протікають в розроблених ТПЕЛС; засоби вдосконалення характеристик ТПЕЛС. міри захисту ТПЕЛС від зовнішніх дій; можливості використання їх у приладах.

Методи досліджень Для розв'язання перелічених задач в дисертації використані методи та засоби сучасного матеріалознавства, фізичного і математичного моделювання.

Наукова новизна роботи полягає у наступному:

1. Обґрунтовано принципи використання нових багатокомпонентних матеріалів для діелектриків ТПЕЛС;

2. Вивчено природу температурної та частотної залежності параметрів ТПЕЛС;

3. Встановлено механізм фізичних процесів функціювання ТПЕЛС;

4. Розроблено методи підвищення ефективності та надійності ТПЕЛС;

5. Розроблено принципи конструювання нових пристроїв на базі досліджених оптоелектронних приладів відображення інформації.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблені датчики тиску та температури на основі ТПЕЛС.

2. Запропоновані засоби захисту ТПЕЛС від впливу зовнішніх факторів.

3. Створено ТПЕЛС із підвищеними характеристиками:

·

· підвищена яскравість випромінювання до 800 кд/м2.

4. Встановлено залежність спектру, яскравості випромінювання та світлової ефективності ТПЕЛС від складу люмінофору та концентрації активатору в ньому;

5. Експериментально досліджено вплив на електрофізичні та оптичні властивості ТПЕЛС запропонованих у роботі конструкцій і матеріалів;

6. Розроблено пакет програм для обробки на ЕОМ результатів експериментальних досліджень.

Особистий внесок автора полягає в проведенні експериментальних досліджень фізичних та оптичних властивостей плівок та структур на їх основі. Дисертанту належать формулювання та вибір шляхів рішення задач, теоретичне обгрунтування всіх одержаних результатів, рішення матеріалознавчих та технологічних задач, вибір методів та засобів дослідження об'єктів, класифікація та систематизація їх результатів, розробка нових пристроїв на основі ТПЕЛС. Дисертант являється активним і повноправним членом авторських колективів в матеріалах, опублікованих у співавторстві. Особистий внесок дисертанта в них складає від 20 до 50%.

Апробація результатів роботи Основні результати роботи доповідались на IV Міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок”, квітень 1993 р., Івано-Франківськ; XLIX Обласній науково-технічній конференції, вересень 1994 р., Одеса; VII Міжнародній конференції по електролюмінесценції EL'94, жовтень 1994 р., Пекін, Китай; V Міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок”, жовтень 1995 р., Івано-Франківськ; ІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Системи та засоби передачі та обробки інформації” вересень 1998 р., Одеса.

Результати представляють науковий і практичний інтерес для науково-дослідних організацій та підприємств радіоелектронної галузі України, які займаються питаннями розробки і виробництва засобів опто- і мікроелектроніки.

Публікації: дисертант є автором 12 друкованих наукових праць (з них 6 наукові статті), всі вони склали основу дисертації.

Структура і зміст роботи.

Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків та додатку. Повний обсяг дисертації складає 160 сторінок друкованого тексту, 44 рисунків, 10 таблиць, а також список використаних джерел із 123 найменувань, включаючи публікації автора.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, визначено мету роботи, її наукову новизну, вказано на практичну цінність її результатів та сформульовано основні положення, що виносяться до захисту, визначено особистий внесок автора.

В першому розділі проведено аналіз та класифікація сучасного стану оптоелектронних елементів відображення інформації.

Показана перспективність ТПЕЛС, для приладів відображення інформації. Вони представляють собою тонку плівку активного люмінесцентного матеріалу, розміщеного між двома діелектричними шарами, що працюють на змінному струмі, для приладів відображення інформації (рис. 1).

Рис.1. Конструкція ТПЕЛС

1 - верхній електрод; 2 - діелектричний прошарок;

3 - прошарок електролюмінофору; 4 - діелектричний прошарок;

7 - нижній електрод; 8 - скляна підложка; 9 - випромінювання

Проведено огляд матеріалів, що традиційно застосовуються в ТПЕЛС. Описані засоби одержання ТПЕЛС і їх компонентів. Вказано на сильний вплив технології одержання на властивості плівок. Сформульовані вимоги, що висовуються до шарів структури. Показано, що матеріали напівпровідників та діелектриків які використовуються сьогодні не відповідають сучасним вимогам.

Визначено актуальність та перспективність пошуку нових діелектриків та активаторів для створення поліхромних індикаторів.

Запропоновано використання в якості діелектричних шарів ТПЕЛС плівки системи HfO2-Nd2O3, та активатору ZnS:HoF3. На основі аналізу стану питання здійснена постановка завдання подальших досліджень.

В другому розділі описано технологію та експериментальні методики і вимірювальні установки, що були використані у роботі.

Проведено аналіз методів виготовлення ТПЕЛС. Вказані вимоги, які висовуються до шарів з метою збільшення ефективності випромінювання: велика ступінь хімічної однорідності; рівномірна товщина шарів; мале число дефектів тощо. Показано, що оптимальним методом нанесення напівпровідникового та діелектричного шарів є електронно-проміневе випарювання. Він дозволяє одержувати велику питому потужність на порівняно малій поверхні речовини, яка випарювалась (5·1012 Вт/м2 ), і високу температуру поверхні випарювання - до 3500°С. Це дозволило випарити навіть тугоплавкі матеріали з достатньо великою швидкістю. Сканування електронним променем по поверхні матеріалу дозволило збільшити ступінь рівномірності плівок по товщині.

Діелектричні та люмінофорні шари ТПЕЛС отримували, використовуючи модернізовану вакуумну систему типу УРМ3.279.001, яка забезпечує граничний тиск у камері 2·10-3 Па у об'ємі робочої камери 0,08 м3. Електронно-променевий випарювач ИЭЛ-2ЭМ вакуумної установки обладнано спеціальним пристроєм для зміни мішеней, що дозволило діелектричні та люмінофорні шари наносити без розвакуумування робочого об'єму). Контролю товщини та швидкості осаду плівок здійснювався методом фотометричного контролю.

Відносна діелектрична проникливість, тангенс кута діелектричних втрат та електрична міцність діелектричних шарів вимірювались на тестових структурах типу метал–діелектрик–метал за допомогою приладу типу Е7-8.

Визначення показників заломлення прозорих діелектричних шарів, та дослідження спектрів випромінювання ТПЕЛС у видимому діапазоні спектру проводилися за допомогою спектрального комплексу типу КСВУ-23.

Яскравість досліджуваних зразків вимірювали за допомогою фотометру типу ФПЧ УХЛ.4, який дозволяє вимірювати її в межах 2Ч102ё5Ч104 кд/м2.

Збудження ТПЕЛС проводилося синусоїдальною напругою та біполярними імпульсами прямокутної форми. Температурні дослідження яскравості та ефективності ТПЕЛС проводилися за допомогою термостату, який обладнано пристроєм підтримки температури у межах ±2 °C від заданої.

Всі результати вимірювань оброблялися на ЕОМ.

В третьому розділі приведені результати досліджень оптичних та електрофізичних параметрів ТПЕЛС.

Напруженість електричного поля в активному шарі ТПЕЛС дуже висока і для її стабільної роботи шар люмінофору розміщають між діелектричними плівками. В зв'язку з цим, ефективність ТПЕЛС пов'язана з можливістю одержання високоякісних бездефектних діелектричних плівок. Великий науковий і практичний інтерес використання в якості діелектричних шарів представляють багатокомпонентні матеріали. Для вирішення цього завдання проведено комплекс досліджень оптичних та фізичних властивостей плівок системи HfO2-Nd2O3.

Досліджено діелектричні властивості плівок системи HfO2-Nd2O3 різноманітного складу. Встановлено, що найбільш перспективними для використання в якості діелектричних шарів в ТПЕЛС являються плівки системи HfO2-Nd2O3 з концентрацією оксиду неодиму в діапазоні від 20 до 35 мас.%.

Проведено дослідження спектральних залежностей коефіцієнта пропускання діелектричних плівок системи HfO2-Nd2O3. За результатами досліджень розраховані оптичні параметри діелектричних плівок.

Досліджені діелектрики мають добру прозорість, порівняно високий показник заломлення у видимому діапазоні та гарну стійкість оптичних характеристик до впливу термообробки. Спосіб одержання плівок системи HfO2-Nd2O3 сумісний із методом створення плівки електролюмінофору, що значно спрощує виготовлення ТПЕЛС. Використання такого діелектрика повинно привести до зниження порогової напруги загорання ТПЕЛС, збільшення яскравості її випромінювання та підвищення стабільності параметрів.

Одержано випромінюючі МДНДМ структури ІТО-HfO2-Nd2O3-ZnS:LnF3- HfO2-Nd2O3-Al. Проведено дослідження спектральних характеристик тонкоплівкових електролюмінісцентних структур на основі сульфіду цинку, легованого фторидами таких РЗЕ, як гольмій, тербій, європій - зелений колір світіння, самарій -червоний, тулій - синій.

Кращі показники яскравості мають ТПЕЛС на основі люмінофорів із зеленим або жовтим і декілька гірші - із синім, блакитним і червоним кольором світінням. Крім технічних чинників, обумовлене це тим, що спектри випромінювання перших двох люмінофорів, знаходяться в області, яка прилягає до максимуму кривої спектральної чутливості ока, у той час як в інших люмінофорів спектри випромінювання розташовуються по краях цієї кривої.

По результатам проведених досліджень можна відзначити, що досліджувані ТПЭЛС є перспективними для використання в пристроях відображення літеро-цифрової і графічної інформації з розподілом кольору.

З приведених спектральних характеристик особливий інтерес подають ТПЭЛС на основі Zn:HoF3. Проведені дослідження показали, що збільшення концентрації гольмію призводить до зміни кольору випромінювання від зеленого до червоного з подальшим ростом його інтенсивності.

Нами досліджено залежності яскравості від напруги для ТПЭЛС на основі сульфіду цинку, легованого фторидами гольмію, тербію, європію, самарію і тулія. Для порівняння п'ять залежностей яскравості випромінювання від напруги збудження приведені на одному рисунку (рис. 2).

Рис.2. Вольт-яскраві характеристики ТПЕЛС

ZnS:TbF3 (3 mac.%) ZnS:SmF3 (1 mac.%) ZnS:TmF3 (10 mac.%) ZnS:HoF3 (5 mac.%) ZnS:ErF3 (5 mac.%)

Аналізуючи отримані результати, можна відзначити, що для практичного використання кращими параметрами володіють ТПЭЛС зеленого кольору світіння на основі ZnS:TbF3 (3 мас. %) і ZnS:HoF3 (5 мас. %), так як ці структури мають максимальну яскравість випромінювання (950 і 800 кд/м2) і меншу гранична напругу збудження (95 і 115 В) у порівнянні зі структурами, легованими тулієм (145 В) і ербієм (120 В).

Для подальших досліджень ZnS:HoF3, тому що такі структури мають велику яскравість (поступаються тільки Тb); випромінюють у зеленій області спектра (що є перспективним для створення високоергономічних індикаторів); високу світлову ефективність (0,25 Лм/Вт); змінюють колір випромінювання зі зміною концентрації гольмію; найменше вивчені.

Досліджено основні характеристики ТПЕЛС з різною концентрацією HoF3. Встановлено, що найкращі світлотехнічні параметри випромінювання мають ТПЕЛС з концентрацією HoF3 – 5ё10 мас. %. Зростання ефективності при збільшені концентрації активатора в області її низьких значень обумовлено збільшенням кількості центрів світіння (і можливо, глибоких пасток - джерел первинних електронів). При великих кількостях активатору утворюються комплекси типу Ho-Ho і зростає частина безвипромінюючих переходів. Водночас зменшується довжина вільного пробігу електронів, тому що змінюється структура шару ZnS та зростає ймовірність розсіювання електронів центрами HoF3. В результаті ефективність та яскравість починають знижуватись, а на залежності, яка відповідає певній світовій ефективності, утворюється максимум. Збільшення концентрації активатору HoF3 призводить до зміни спектру випромінювання ТПЕЛС. Це проявляється в тому, що величина основного максимуму (l=550нм), який відповідає переходу 5S2 а 5I8, зменшується, в той же час, як інтенсивність червоного випромінювання (перехід 5F3 а 5I7 ,5F5 а 5I8) зростає. Пояснюється це збільшенням імовірності процесу перехресної релаксації. Подальше зростання концентрації Ho призводить до того, що випромінювання у червоній зоні спектру стає основним.

Як показали дослідження, у ТПЕЛС на основі ZnS:HoF3 з підвищенням температури спостерігається зростання яскравості електролюмінісценції. Це явище можна пояснити збільшенням швидкості генерації вільних електронів глибокими центрами з підвищенням температури.

Приведені температурні залежності яскравості випромінювання ТПЕЛС на основі ZnS:HoF3 при різних значеннях напруги збудження. В діапазоні температури 350-420 К відбувається збільшення яскравості в 3-5 разів порівняно з початковими значеннями. Це дає можливість створення різних датчиків температури на базі ТПЕЛС.

Вивчено світлотехнічні характеристики ТПЕЛС з плівкою діелектрика системи HfO2-Nd2O3. Встановлено, що яскравість світло-випромінюючих індикаторів залежить від типу люмінофору, товщини шарів, концентрації домішок в шарі люмінофору, матеріалу діелектрика, напруги та частоти збудження, температури та вологості середовища.

Проведено визначення механізму процесу генерації вільних носіїв заряду із домішкових центрів у зону провідності напівпровідника шляхом співставлення температурної залежності В(Т) при різних значення збуджуючої напруги в області (320-450) К із температурними залежностями імовірності делокалізації електрону із центру. Остання розрахована за формулами можливих механізмів генерації вільних носіїв заряду: тунельний перехід електрону з локального центру у зону, стимульованій фононами; полегшена полем термоемісія механізм Френкеля-Пула; надбар'єрна емісія Шотткі.

У випадку зневаження дисперсією фононів залежність імовірності тунельного переходу електронів з локальних центрів у зону провідності за допомогою фононів може бути записана у вигляді:

(1)

де:

a - константа електрон-фононної взаємодії;

n = [exp(ћw/KT)-1]-1 – розподілення Планка;

Т – температура, К;

m* - ефективна маса електрону, кг;

ћw - енергія оптичного фонону гратки, еВ;

Д - глибина залягання центрів, еВ.

Відповідно до теорії трьохвимірного ефекту розрахунок імовірності генерації вільних носіїв заряду за механізмом Френкеля виконували за допомогою рівняння:

, (2)

де

еT – енергія термічної іонізації центру, еВ;

е – діелектрична проникливість речовини.

n0 – частотний фактор;

Залежність термоелектронної емісії Шотткі від температури розраховували за формулою:

(3)

де А – константа Річардсона;

Д – висота потенційного бар'єру для електрона, еВ.

Зіставлення теоретичних залежностей, які розраховані за формулами (1), (2), (3) при глибині центру (висоті бар'єра) 0,6 еВ і напруженості поля 1,68 Ч 108 В/м, дозволило зробити висновок, що найбільш імовірним механізмом іонізації глибоких центрів у сильних електричних полях в сульфіді цинку являється стимульований фононами тунельний процес. Імовірність його у декілька разів перевищує значення, які одержані з іншими механізмами генерації.

Четвертий розділ присвячений розробці пристроїв на основі ТПЕЛС та пошуку шляхів підвищення їх надійності, стабільності та довговічності.

Досліджено деградацію яскравості структур на основі ZnS:HoF3. Показано, що максимальний спад яскравості спостерігається у перші години роботи. Старіння пов'язане з частковим руйнуванням металевого електроду і люмінофору внаслідок локального пробою в місцях можливих мікро- або макродефектів. Спад яскравості при цьому описується графіком залежністі з двома ділянками, що помітно відрізняються швидкістю старіння. Протяжність першої "швидкої" ділянки залежить від ступеню дефектності плівки. На кращих зразках він триває декілька годин і падіння яскравості при цьому не перевищує 10-20%. Час напівспаду яскравості на другій ділянці складає від 5 до 300 годин на різних зразках. Слід також відзначити, що старіння супроводжується не тільки зменшенням яскравості, але й активного і повного току, а також ємності зразка. Зміна цих параметрів пов'язана із зменшенням світної площі плівки, що є результатом локальних пробоїв.

Наявність вологи істотно не змінює характер старіння, проте різко прискорює його. Вона призводить до корозії верхніх електродів. Проникнення вологи в діелектрик призводить до значного росту ємності, тангенсу кута діелектричних втрат і до відповідного збільшення частки напруги, що припадає на зерна люмінофору. Збільшення робочої напруги призводить до прискорення процесу старіння.

Основним шляхом захисту ТПЭЛС від впливу таких дестабілізуючих чинників, як вологість, радіація, пил, агресивні хімічні і біологічні середовища є розробка ефективного засобу їхньої герметизації. Запропоновано метод герметизації, який дозволяє підвищити надійність ТПЭЛС.

Встановлено, що в процесі старіння крутизна вольт-яскравої характеристики (ВЯХ) не змінюється. У результаті старіння з'являється зсув ВЯХ убік збільшення граничної напруги. Цей зсув можна пояснити тим, що в процесі деградації відбувається перерозподіл збудливої напруги між активним і діелектричними шарами убік збільшення частки напруги, що падає на діелектричних плівках ТПЭЛС. Перенос атомів кисню в активний шар ZnS:HoF3 із діелектричного оксидного шару може призводити до зменшення яскравості структур через утворення в шарі люмінофору фази ZnО, що має гірші електролюмінісцентні характеристики.

Таким чином, однією з основних причин старіння є руйнування електродів і люмінофору. Швидкий етап старіння пов'язаний із “вигорянням” найбільш слабких (у змісті електричного пробою) ділянок. Швидше за все, такими ділянками є межі зерен, де має місце локальна неоднорідність товщини шару. Старіння структури може відбуватися за рахунок електродифузії активних центрів в областях сильного поля, а також за рахунок зміни граничних станів поділів люмінофор-діелектрик. Для збільшення терміну служби ТПЕЛС доцільно застосовувати діелектрики, що слабко поглинають вологу і мають високу діелектричну проникність.

Рис.3. Зміна вольт-яскравої характеристики ТПЕЛС

на основі ZnS:HoF3 (5%) при старінні

0 годин 1 година х 3 години 4 години

У діапазоні температури 350-420 К виявлено зростання яскравості електролюмінісценції в 3-5 разів порівняно з початковими значеннями досліджуваної автором ТПЕЛС. Це може бути пояснено збільшенням швидкості генерації вільних електронів глибокими центрами по мірі підвищення температури. Досліджені основні світлотехнічні параметри ТПЕЛС на основі ZnS:HoF3. Виявлена залежність яскравості електролюмінісценції від температури дозволила створити датчики температури на базі ТПЕЛС. Такий прилад дозволяє не тільки візуально спостерігати досягнення критичних значень температури, а також визначати її конкретні величини.

Принцип роботи температурного датчика на основі ТПЕЛС полягає у наступному. При подачі робочої напруги на структуру при температурі меншій певного значення прилад не випромінює. При нагріванні пристрою, що тестується до критичної температури датчик сигналізує зеленим випромінюванням. При її подальшому зростанні пропорційно зростає яскравість випромінювання.

Одним із засобів підвищення вихідної потужності є виведення випромінювання із торця ТПЕЛС. Яскравість випромінювання ТПЕЛС при цьому в 100 разів більше, ніж з плоскої поверхні. Розглянуто сфери застосування ефекту випромінювання з торця МДНДМ структури.

У дисертації запропоновано практичне застосування ТПЕЛС із торцевим випромінюванням у датчику тиску. Принцип дії його полягає у наступному: на чутливому до тиску елементі датчику – мембрані, встановлено ТПЕЛС із торцевим випромінюванням. Торцева грань виконана у вигляді лінзи. Перпендикулярно цій грані за межами мембрани закріплено фотоприймач, який реєструє пересування променя від тиску по його поверхні.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Запропонований автором дисертації активатор HoF3 в люмінофорі ZnS забезпечує:

·

· яскравість світіння 800 кд/м2;

· гранична напруга 115 В

· світловою ефективністю h=0,22, що в 2ё10 разів більше, ніж у тонкоплівкових індикаторів, що працюють на постійному струмі;

· можливість змінювати цвіт випромінювання ТПEЛС із зеленого на червоний шляхом збільшення концентрації фториду гольмію.

2. Залежності яскравості випромінювання плівок на основі Zn:HoF3 від напруги і температури визначаються, в основному, процесом генерації вільних носіїв заряду в люмінофор ТПЕЛС, переважним механізмом генерації при цьому є тунелювання стимульоване фононами з поверхневих рівнів у зону провідності кристалу.

3. Використаний у роботі засіб герметизації структур підвищує надійність і стабільність ТПЕЛС.

4. Запропоновані плівки системи HfO2-Nd2O3 у якості матеріалу діелектрика ТПЕЛС на основі ZnS:HoF3 підвищують яскравість електролюмінісценції за рахунок збільшення концентрації носіїв заряду в люмінофорі.

5. Одержання плівок системи HfO2-Nd2O3 і ZnS:HoF3 у єдиному технологічному процесі підвищує стабільність параметрів ТПЕЛС.

6. Запропоновані датчики температури і тиску на основі ТПЕЛС не мають аналогів серед пристроїв цього напрямку.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень обгрунтовані і підтверджені апробацією. Вони багаторазово перевірені на діючих зразках ТПЕЛС.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ

В НАСТУПНИХ НАУКОВИХ РОБОТАХ:

1. Андриянов А.В., Жеревчук В.В. и др. Тонко-пленочные электролюминесцентные структуры разного цвета свечения // Сборник трудов Одесского политехнического университета. – Одесса: ОПУ. – 1997.-№1. с. 284-286.

2. Сухарев Ю.Г., Акулюшин И.Л., Жеревчук В.В. и др. Электрофизические и оптические свойства диэлектрических пленок системы HfO2-Nd2O3 // Неорганические материалы. – 1997. – Т.33. - №12. с. 1478-1481.

3. Методы управления параметрами тонкопленочных электролюминесцентных структур (ТПЭЛС) //Сборник трудов Одесского политехнического университета. – Одесса: ОПУ. – 1999. – №2. с. 284-286.

4. С.В. Ленков, В.В. Зубарев, В.В. Жеревчук, А.Н. Перегудов, Р.А. Шевченко Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы для бортовых систем отображения информации. //Вісник Київського міжнародного університету цивільної авіації. – Київ 2000 – №3-4 стр. 124-127.

5. Жеревчук В.В., Мокрицкий В.А., Андриянов А.В. Полихромные тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы. //Межведом-ственный научный сборник "Фотоэлектроника". – Одесса: Одесский государственный университет им. И.И. Мечникова 2000 – № 9 стр. 130-132.

6. Andrianov A.V. Jherevchuk V.V. Kazakov A.I. etc. Thin film electroluminescent devices: new application IV-th NEXUSPAN Workshop on Sensor for Control of Irradiation (30-31 May 1997, Odessa)

7. A.I. Kazakov, A.V. Andrianov, V.S. Mironov, V.V. Zherevchuk etc. Study of thin film multicomponent oxide materials IV-th Workshop Sensor springtime in Odessa Satellite of EUROSENSOR Satellite of NEXUSPAN 29-30 May 1998, Odessa (Ukraine).

8. Казаков А.И., Андриянов А.В., Бойко В.А., Миронов В.С., Жеревчук В.В.и др. Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы //ІІ Международная научно-практическая конференция "Системы и средства передачи и обработки информации" 7-12 сентября 1998 г., Одесса, Украина.

9. Мокрицкий В.А., Жеревчук В.В., Поляруш О.В. Исследования концентрационных зависимостей тонкопленочных электролюминесцентных структур на основе ZnS:HoF3 //Придніпровський науковий вісник Машинобудування та технічні науки №26(93) 1998 г. с. 14-17.

10. Жеревчук В.В. Компенсация температурного дрейфа нуля интегрального тензорезистивного датчика давления // Придніпровський науковий вісник Машинобудування та технічні науки №28 1998 г.

11. Сухарев Ю.Г., Акулюшин И.Л., Миронов В.С., Андриянов А.В., Жеревчук В.В. Электрофизические свойства тонких пленок систем ZrO2-Y2O3, HfO2-Nd2O3, HfO2-Y2O3 //Неорган. матер., 1994, Т.30, №4, С. 556-558.

12. Сухарев Ю.Г., Андриянов А.В., Жеревчук В.В. Эффективность электролюминесценции тонкопленочных МДПДМ – структур // 49 Научно-техническая конференция, сентябрь 1994, Одесса, - С. 14

Жеревчук Владимир Викторович Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы для устройств отображения информации. –Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.20 – оптоэлектронные системы. – Украинская государственная академия связи им. А.С. Попова, Госкомитет связи и информатизации Украины, Одесса, 2001.

Работа посвящена разработке новых устройств на основе тонкопленочных электролюминесцентных структур (ТПЭЛС) типа металл-диэлектрик–полупроводник–диэлектрик-металл и улучшению характеристик оптоэлектронных элементов отображения информации на базе современных научно-технических решений и технологических процессов.

Преложены способы нанесения диэлектрических и полупроводниковых пленок и методы их исследования. Проведен анализ и выбор материала диэлектрических (HfO2:Nd2O3) и полупроводниковых (ZnS:HoF3) слоев.

Экспериментально исследованы электрофизические и оптические свойства диэлектрических пленок на основе квазибинарной системы HfO2:Nd2O3 и проведена оптимизация состава. Показано, что пленки с 25% содержанием оксида неодима обладают высокой диэлектрической проницаемостью, электрической мощностью, термической стабильностью и малым значением тангенса угла диэлектрических потерь. Предложенные диэлектрические пленки системы HfO2:Nd2O3 (25 мас.%) позволяют снизить пороговое напряжение возбуждения ТПЭЛС до 115 В – на 17% по сравнению с известными лучшими структурами на основе других диэлектриков.

Проведено экспериментальное исследование электролюминесцентнх свойств структур на основе ZnS:HoF3 с новым многокомпонентным диэлектриком HfO2:Nd2O3 , которое позволило установить:

·

· В = 800 кд/м2;

· зависимость спектра, яркости излучения и световой эффективности ТПЭЛС от концентрации активатора в люминесцентном слое;

· температурную и частотную зависимость яркости ТПЭЛС на основе ZnS:HoF3 с HfO2:Nd2O3.

Показано, что предлагаемый в работе люминофор системы ZnS:HoF3 дает возможность изменять цвет излучения ТПЭЛС с зеленого на красный путем увеличения концентрации фторида гольмия.

Зависимости яркости излучения пленок на основе ZnS:HoF3 от напряжения и температуры определяются, в основном, процессом генерации свободных электронов. Исследованы механизмы генерации свободных носителей заряда в ТПЭЛС на основе ZnS:HoF3. Установлено, что преобладающим механизмом генерации свободных носителей заряда в люминофор ТПЭЛС при температуре 270-450 К является туннелирование стимулированное фононами из поверхностных уровней в зону проводимости кристалла.

Исследованы деградационные процессы, происходящие в объеме ТПЭЛС со временем работы. Максимальный спад яркости регистрируется в первые часы работы. Наблюдаемое старение ТПЭЛС связано с частичным разрушением металлического электрода и люминофора вследствие локального пробоя. Наличие влаги существенно не изменяет характер старения, однако резко ускоряет его. Предложена конструкция герметизации ТПЭЛС, позволяющая повысить надежность, стабильность ТПЭЛС и защитить структуру от воздействия таких дестабилизирующих факторов, как влажность, радиация, пыль, агрессивные химические и биологические среды.

Установлено, что яркость излучения ТПЭЛС с повышением температуры увеличивается. На основе обнаруженного явления разработан датчик температуры.

Исследованы способы повышения эффективности излучения ТПЭЛС. Показано, что одним из способов повышения выходной мощности, является вывод излучения из торца электролюминесцентной структуры. Яркость излучения ТПЭЛС при этом в 100 раз больше, чем с плоской поверхности Проведен Анализ сфер применения ТПЭЛС с торцевым излучением. Показана еще одна возможность применения эффекта торцевого излучения - создание датчика давления на основе ТПЭЛС.

Разработан пакет программ на языке VC++ для обработки на ЭВМ результатов экспериментальных исследований.

Ключевые слова: электролюминесценция, диэлектрик, активатор, тонкая пленка, яркость, датчик, излучение.

Жеревчук Володимир Вікторович Тонкоплівкові електролюмінісцентні індикатори для приладів відображення інформації. – Рукопис.

Дисертація у вигляді рукопису на здобування наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.20 - оптоелектронні системи. – Українська державна академія зв'язку ім. О.С. Попова, Державний Комітет зв'язку та інформатизації України, Одеса, 2001.

Дисертація присвячена розробці та вдосконаленню оптоелектронних елементів відображення інформації на основі тонкоплівкових електролюмінісцентних індикаторів. Досліджено оптичні та електрофізичні властивості діелектричних та напівпровідникових плівок. Запропоновано тонкоплівкові електролюмінісцентні структури нового складу. Визначено оптимальний склад люмінофорного та діелектричного шарів. Вивчено світлотехнічні характеристики ТПЕЛС. Основні результати роботи використані при розробці нових приладів на основі тонкоплівкових електролюмінісцентних структур.

Ключеві слова: електролюмінісценція, діелектрик, активатор, тонка плівка, яскравість, датчик, випромінювання.

Zherevchuk V.V. Thin films electroluminescence indicators for devices of display of the information. – Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.12.20 - Optoelectronic systems. – The Ukrainian State Academy of Communications. State Committee of Communications and іnformations of Ukraine, Odessa, 2001.

The thesis is aimed to the development and improvement of optoelectronic elements of information refraction based on thin films electroluminescence indicators. The optical and electrophysical parameters of insulator and semiconductor films have been investigated. The thin films electroluminescence structure of new kinds have been offered. The optimum structure of semiconductor and insulator layers have been determined. The lighttechnical characteristic of TFELS have been studied. The main results of dissertation are used for development of new devices on base of thin films electroluminescence structure.

Key words: electroluminescence, semiconductor, activator, thin film, brightness, sensor, radiation.