Тонкопленочная электролюминесцентная структура

 

Использование: относится к технике отображения информации, в частности, при помощи тонкопленочных электролюминесцентных матричных экранов. Сущность: активный слой выполнен в виде комбинации чередующихся участков с различным функциональным назначением: катодов из пленки сульфида марганца толщиной , служащих в качестве источников электронов, участков нелегированного ZnS Mn толщиной , в которых происходит ускорение электронов и участков ZnSMn толщиной от , в которых происходит возбуждение центров свечения. 3 ил.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при создании средств отображения информации на основе электролюминесцентных индикаторов и матричных экранов. Целью изобретения является повышение яркости при одновременном увеличении крутизны вольт-амперной характеристики (ВЯХ) структуры. Цель достигается тем, что тонкопленочная электролюминесцентная структура, содержащая прозрачную диэлектрическую подложку, прозрачный и непрозрачный электроды, два диэлектрических слоя, два слоя нелегированного сульфида цинка, между которыми размещен легированный слой сульфида цинка, содержит между слоями диэлектрика и слоями нелегированного сульфида цинка слой сульфида марганца, причем толщины слоев нелегированного сульфида цинка не превышают длины свободного пробега электрона, а толщина слоев сульфида марганца не превышает 10 . Таким образом, образуется активный слой из пяти участков, а именно: двух внутренних катодов (источников электронов) в виде тонких (до 10 ) прослоек сульфида марганца, двух областей ускорения носителей зарядов, представляющих собой прослойки неактивированного сульфида цинка, и области, где происходит возбуждение центров свечения ускоренными носителями заряда, представляющих собой слой легированного сульфида цинка. Сульфид цинка выбран по той причине, что в настоящее время этот материал, используемый в качестве основы тонкопленочных электролюминофоров, обеспечивает наивысшие светотехнические и эксплуатационные характеристики. Внутренний катод активного слоя предназначен для образования первичных носителей заряда (электронов). В соответствии с современными представлениями первичные носители в объеме активного слоя образуются путем туннелирования электронов из энергетических состояний, расположенных на границах между диэлектрическими и активным слоями. Известно также, что Мn, введенный либо в виде металла, либо в виде соединения (например, сульфида) образует в решетке ZnS центры, способные поставлять электроны. Ориентировочный расчет показывает, что при приемлемой яркости (≈5000 кд/м² при возбуждении синусоидальным напряжением частотой 5 КГц) одна волна активности тока через 1 см² активного слоя переносит ≈6·10¹² электронов. В приграничном монослое при обычно применяемой оптимальной концентрации Mn, равной 0,5 мол. (или 0,28 мас.), количество ионов Mn составляет примерно 5,5·10¹² см^-2. Это количество сопоставимо с количеством электронов, переносимых волной активного тока. Однако в силу различных причин использование приграничного электронного резервуара оказывается неполным. В их число входят: неоптимальная высота или толщина приграничного потенциального барьера, которая определяется взаимным расположением уровней Ферми в диэлектрике и активном слое, неполное использование первичных электронов из-за эффектов рассеяния и т.п. Количественную оценку коэффициента использования приграничных электронов произвести трудно, но очевидно, что колебания эффективности внутреннего катода могут в значительной мере изменять выходные параметры ТПЭЛС. Чтобы создать достаточно полный резервуар приграничных электронов, необходимо сформировать на границе между диэлектрическими и активным слоями тонкие прослойки с избыточной концентрацией Mn. Наиболее простой способ напыление многослойной пленки MnS (т.е. толщиной ≈3,8 ). Получить монослойную пленку обычными технологическими методами (кроме послойной атомной эпитаксии, которой отечественная промышленность не располагает) практически невозможно, однако вполне реально получить пленку ZnS Mn в пределах 10. При таких толщинах пленка еще не является сплошной, а представляет собой сетку из отдельных островков, благодаря чему она обладает резкой анизотропией электропроводности: ее электропроводимость в направлении, перпендикулярном направлению возбуждающего поля, ничтожно мала по сравнению с электропроводностью в направлении, параллельном полю. В одном монослое ZnS, замещенном монослоем MnS на площади 1 см², будет содержаться 3,1х х10¹⁵ атомов Mn. Для создания резервуара электронов, соизмеримого с вышеуказанным, при обычно применяемых концентрациях Mn потребовалось бы, как минимум, 560 монослоев стандартно легированного марганцем слоя сульфида цинка, или, в перерасчете на толщину, 2100 . Благодаря введению тонкой прослойки MnS происходит пространственное сжатие зоны катода, при этом электроны, попадающие в область поля, усиленного пространственным зарядом, оказываются извлеченными туннелированием из энергетических уровней примерно одной и той же глубины. Последнее приводит к когерентности электронного потока, что обеспечивает высокую крутизну ВЯХ. Пространственное сужение зоны катода приводит к уменьшению рассеяния электронов, к росту эффективности преобразования энергии электрического поля в световую энергию и, как следствие, к росту яркости. Носители зарядов, поставляемые внутренним катодом, претерпевают ускорение в электрическом поле, прежде чем достигают энергий, необходимых для возбуждения центров свечения. Оценим толщины прослоек, выполняющих функции зон разгона носителей. Обозначим величину энергии возбуждения центров свечения через Р.Р=e l E, где е заряд электрона, l длина пробега электрона до того, как он без столкновений наберет энергию Р, Е электрическое поле в прикатодной области. Обычно величина Е лежит в пределах (1,5-2)·10⁶ В/см. Величина энергии возбуждения Р определяется типом центра. Если в качестве лиганда применяется Mn, Р= 2, 5 эВ и тогда l=110-170. Взяв верхний предел этой величины, приходим к выводу, что прослойки нелегированного сульфида цинка, отделяющие внутренние катоды от центров свечения, должны быть толщиной по 170 каждая. Уменьшение рассеивания из-за отсутствия в зонах разгона ионов легирующей примеси приводит к более эффективному использованию электронов и, как следствие, к росту яркости при том же возбуждающем напряжении. К тому же импеданс нелегированных прослоек ZnS выше, чем импеданс легированных, что приводит к возрастанию относительной доли напряжения на нелегированных прослойках и к повышению напряженности поля у катода, что, в свою очередь, улучшает эффективность ТПЭЛС. Сущность изобретения иллюстрируется фиг. 1-3. На фиг. 1 представлено схематическое изображение элементов конструкции ТПЭЛС. На фиг. 2 представлена концентрированная зависимость яркости ТПЭЛС, активный слой которой выполнен термическим испарением ZnS Mn из двух автономных источников. Для указанных основы и активатора максимум яркости соответствует концентрации 0,25-0,35 вес. На фиг. 3 показаны ВЯХ ТПЭЛС, активные слои которых выполнены равномерным легированием Mn по объему (группа ВЯХ (а)) и активные слои которых выполнены в соответствии с конструкцией фиг. 1, т. е. с применением неоднородного легирования по объему слоя (группа ВЯХ (б)). Из фиг. 3 видно, что в последнем случае яркость возросла в 1,5-2 раза, а крутизна ВЯХ в 3-5 раз. Предлагаемая ТПЭЛС (фиг. 1) содержит стеклянную подложку 1, первый прозрачный электрод 2, диэлектрические слои 3, например, из окислов алюминия, кремния, тантала, редкоземельных элементов, прослойки MnS толщиной 10 4, примыкающие к диэлектрическим слоям, прослойки 5 нелегированного ZnS толщиной по 170±35, примыкающие к прослойкам. MnS, прослойку G легированного сульфида цинка (в конкретном случае ZnS Mn) толщиной 5000-7000 и второй электрод пленку алюминия. Структура, изображенная на фиг. 1, функционирует следующим образом. Под действием электрического поля электроны туннелированием извлекают с глубоких уровней, создаваемых ионами Mn в тонкой прослойке 4 фиг. 1, расположенной на какой-либо из границ между слоем диэлектрика и активным слоем. Затем электроны ускоряют полем в участке 5 и при достижении определенной энергии возбуждают центры в зоне "мишени" 6. Определенная доля этих центров сопровождается излучением, выходящим через прозрачный электрод 2 и стеклянную подложку 1. При перемене полярности электрического поля вышеуказанные явления происходят у противоположной границы 4 между слоем диэлектрика и активным слоем. Приведем пример технологической реализации предлагаемого способа формирования ТПЭЛС. На стеклянную подложку, покрытую пленкой (толщиной 0,2 мкм), представляющую собой смесь окислов SnO₂ и In₂O₃ и наносимую катодно-реактивным распылением, наносят диэлектрический слой, состоящий из двух подслоев: НfO₂ толщиной 0,2-0,4 мкм, наносимого электронно-лучевым испарением, и SiO_хN_y толщиной 0,05-0,15 мкм, наносимого ВЧ-магнетронным распылением. Затем термическим испарением из автономного источника с контролем парового потока наносят прослойку MnS с толщиной 10, при этом указанное значение толщины реализуется с минусовым допуском с точностью, которую обеспечивает устройство контроля парового потока, т.е. 20% На прослойку MnS термическим испарением из другого автономного источника напыляют слой ZnS толщиной 170 с точностью, которую обеспечивает устройство контроля парового потока, т.е. ±20% Затем из двух автономных источников термическим испарением одновременно напыляют слой ZnS Mn, выбирая относительные скорости паровых потоков ZnS и Mn такими, чтобы в слое ZnS Mn обеспечить концентрацию Mn 0,25-0,35 мас. в соответствии с зависимостью, показанной на фиг. 2. Толщину слоя ZnS Mn выбирают равной 5000-7000, реализуя выбранную величину с точностью, которую обеспечивает устройство оптического контроля, т.е. ±10% На слой ZnS Mn cнова наносят слой ZnS толщиной 170, поверх которого так же, как и ранее, формируют прослойку MnS толщиной до 10. Далее наносят диэлектрический слой, состоящий из двух подслоев: SiO_xN_y (толщиной 0,05-0,15 мкм) и HfO₂ (толщиной 0,2-0,4 мкм). Завершает конструкцию пленка алюминия толщиной 0,15-0,2 мкм. Предложенный способ применим для промышленного производства ТПЭЛС, поскольку достаточно простой и высокопроизводительный метод нанесения активного слоя из двух автономных источников позволяет осуществить неоднородное легирование активного слоя.

Формула изобретения

ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ СТРУКТУРА, содержащая прозрачную диэлектрическую подложку, прозрачный и непрозрачный электроды, два диэлектрических слоя, два слоя, выполненные из нелегированного сульфида цинка, между которыми размещен слой легированного сульфида цинка, отличающаяся тем, что, с целью повышения яркости при одновременном увеличении крутизны вольт-яркостной характеристики, между слоями диэлектрика и нелегированного сульфида цинка размещены слои, выполненные из сульфида марганца, причем толщина слоев нелегированного сульфида цинка не превышает длины свободного пробега электрона, а толщина слоев сульфида марганца не превышает

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000

Извещение опубликовано: 20.10.2000        

---