автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка тонкопленочных электролюминесцентных излучателей с активной подложкой из сегнетоэлектрической керамики на основе титаната бария

^ НАЩОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

БОЙКО ВОЛОДИМИР ГРИГОРОВИЧ

УДК 621.315.592: 535.376

РОЗРОБКА ТОНКОШПВКОВИХ ЕЛЕКТРОЛЮМІНЕСЦЕНТНИХ ВИПРОМІНЮВАЧІВ З АКТИВНОЮ ПІДКЛАДИНКОЮ ІЗ СЕГНЕТОЕЛЕКТРИЧНОЇ КЕРАМІКИ НА ОСНОВІ ТИТАНАТУ

БАРЖ)

(05.27. 01 - твердотільна електроніка)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

/

КИЇВ - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної Академії Наук України, м. Київ

Науковий керівник кандидат фізико-математичних наук Родіонов Валерій Євгенович,

зав. відділом Інституту фізики напівпровідників НАН України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Деркач Валерій Павлович провідний науковий співробітник Інституту кібернетики ім.В.М.Глушкова НАН України

кандидат фізико-математичних наук Пирятинський Юрій Петрович старший науковий співробітник Інституту фізики НАН України

Провідна організація: Одеський державний політехнічний університет, радіотехнічний факультет, м. Одеса

Захист відбудеться ’’ 1998 р. о ^ годині на засіданні

Спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою: 252650, Київ-28, проспект Науки, 45.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України, м. Київ.

Автореферат розісланий “^<3. ” квітня 1998 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук

Рудько Г. Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТИ

Актуальність теми. Стрімкий розвиток інформатики і обчислювальної техніки вимагає для своїх потреб високонадійних, добротних, економічних, малогабаритних пристроїв відображення інформації. Такі пристрої, без перебільшення, можна сказати, є невід'ємною частиною технічного прогресу.

Серед різних типів пристроїв відображення інформації (електронно-променевих, світлодіодних, рідиннокристалічних, вакуумно-флуоресцентних, плазмових) електролюмінесцентні (ЕЛ) займають одне з провідних місць завдяки безпосередньому перетворенню електричної енергії в світло, твердотільній плоскій конструкції, швидкодії, широкому куту огляду і широкому діапазону робочих температур.

В області розробки і побудови даних приладів за останні два десятиріччя був виконаний значний обсяг робіт. На провідних фірмах, таких як “Sharp К. К.” (Японія), “Planar Systems” (США), “Lohja Corp.” (Фінляндія) та ін. був налагоджений їх випуск. Однак, і досі актуальними залишаються проблеми оптимального вибору складу і розташування шарів в структурі, нейтралізації впливу зовнішніх факторів на її параметри, підвищення електричної надійності і довговічності структур. Це стосується, передусім, можливості виникнення мікрспробоїв в тонких плівках тонкоплівкових електролюмінесцентних структур (ТПЕЛС), що руйнують ці прилади.

В той же час, застосування керамічних матеріалів в розробці і виготовленні таких структур, обмежувалося винятково пасивними иідкладинками, що не несуть функціонального навантаження. Ідея введення до складу структури масивного сегнетоелектричного керамічного шару -підкладинки не пропонувалась та не розглядалась. Здатність товстого шару сегнетскераміки виявляти різноманітні електрофізичні властивості в ЕЛ -структурі не вивчалась. Науковий інтерес являє також дослідження різноманітних типів таких структур та їх конструктивних особливостей. Важливим є пошук рішень, що дозволяють покращити світлотехнічні та інші характеристики тонкоплівкових електролюмінесцентних випромінювачів (ТПЕЛВ), проведення порівняльного їх аналізу з відомими структурами. Крім наукового це має і практичний інтерес з точки зору подальшого використання індикаторів.

Вшцеозначене обумовлює актуальність, предмет та мету даного гщсертаційного дослідження.

Предметом дисертаційного дослідження є тонкоплівков електролюмінесцентні випромінювачі з підкладинкою з сегнетоелектрично кераміки, що сама є складовою частиною структури (активна підкладинка) перспективність яких зумовлюється здатністю сегнетоелектричної керамікі виявляти різноманітні електрофізичні властивості.

Мстою дисертаційного дослідження була розробка новш конструктивно-технологічних засобів побудови тонкоплівковш електролюмінесцентних випромінювачів на основі сегнетоелектричної кераміки з підвищеним запасом електричної міцності, відповідною надійніспс та іншими характеристиками, а також розширення меж використання сегнетоелектриків в оптоелектронних приладах.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

-вивчити вплив сегнетоелектричної кераміки на такі характеристики ТПЕЛВ, як електрична міцність, яскравість, напруга збудження, ефективність та встановити взаємозв'язок між ними та іншими параметрами даних приладів;

-дослідити специфічні властивості, що виявляють масивні шари сегнетоелектричної кераміки в складі ТПЕЛВ, вплив конструкції і технології виготовлення таких випромінювачів на створення кольорових, різнокольорових та інших різновидів індикаторів та їх характеристики;

-знайти конструктивні і технологічні рішення, направлені на отримання структур з оптимальними для практичного застосування електрооптичними характеристиками;

-відшукати і розробити нові структури моно - і багатокольорових випромінювачів.

Методика досліджень тонкоплівкових електролюмінесцентних випромінювачів полягала в вимірюваннях електричної міцності, напруги збудження, яскравості свічення розроблених випромінювачів, в проведенні профілографічних досліджень поверхні підкладинки, термо - і рентгенографічних дослідженнях хімічної взаємодії фаз матеріалів, що осаджуються, та проведенні необхідних розрахунків.

Наукова новизна роботи визначається тим, що:

1 .Показана можливість застосування сегнетоелектричної підкладинки в ТПЕЛВ в якості струмообмежуючого діелектричного шару, що дозволяє створювати структури, які по ряду характеристик (запас електричної міцності

по напрузі, яскравість, напруга збудження, контрастність) переважають відомі.

2.Розвинуті фізичні уявлення про вплив діелектричних втрат сегнетоелектричної кераміки на характеристики “напруга-яскравість” (ВЯХ) тонкоплівкових електролюмінесцентних структур. Показано, що збільшенням питомої ємності сегнетоелектричної кераміки можливо частково компенсувати негативний вплив діелектричних втрат, що призводить до підвищення яскравості, крутизни ВЯХ і зменшення напруги збудження. Запропоновано теоретичний критерій вибору діелектрика в структурі, який дозволяє оптималіним чином враховувати тангенси кутів втрат діелектріків.

З.Запропоновані нові конструкції структур тонкоплівкових електролюмінесцентних випромінювачів та індикаторів з застосуванням сегнетоелектричної кераміки різного кольору випромінювання і розроблені засоби для їх практичної реалізації.

4.Встановлено взаємозв'язки рельєфу поверхні підкладинки з сегнетоелектричної кераміки та температури її високотемпературного відпалу / вакумі з значеннями інтегральної яскравості, питомого поверхневого опору зерхніх прозорих електродів, питомою ємністю та діелектричними втратами :егнетоелектричної кераміки в структурі. Розроблена методика обробки серамічних підкладинок.

5.Виконані дослідження асиметричних ЕЛ - структур. Показано, що >ізка асиметрія хвиль яскравості може бути використана при розробці сольорових випромінювачів.

Практична цінність роботи полягає в тому, що:

1.Вперше розроблена конструкція і технологія виготовлення іипромінювачів і індикаторів на основі сегнетоелектричної кераміки з ¡еликою діелектричною проникністю.

2.3апропоновані електролюмінесцентні джерела світла на активній ¿електричній підкладинці, що живляться від промислової мережі.

3.Результати роботи можуть бути використані при виборі нових егнетоелектричних та діелектричних матеріалів для електролюмінесцентних груктур.

4.Розроблені конструктивно-технологічні засоби виготовлення онкоплівкових електролюмінесцентних випромінювачів дозволяють ідвищити їхню надійність та довговічність.

5.3апропоновано новий електролюмінесцентний датчик-іидикатор емператури навколишнього середовища.

Положення, що виносяться на захист:

1 .Застосування керамічної підкладинки з високою діелектричною проникністю в МДНДМ - структурі (метал - діелектрик -напівпровідник -діелектрик - метал) дозволяє створити ЕЛВ, які по ряду параметрів (запас електричної міцності, порогова напруга, контрастність) переважають відомі структури.

2.Комплекс конструктивно-технологічних рішень, направлених на вдосконалення електролюмінесцентних випромінювачів, що забезпечує підвищення їхніх експлуатаційних характеристик.

3.Виявлено, що шорсткість поверхні, високотемпературний відпал, відсутність герметизації можуть суттєво впливати на характеристики ТПЕЛВ.

4.Встановлена значна асиметрія хвиль яскравості (порядку ЗО разів) в ТПЕЛВ з одним сегнетоелектричним керамічним діелектриком, що призводить до зменшення крутизни залежності інтегральної яскравості від прикладеної напруги і ефективності ТПЕЛВ.

5.Теоретично встановлений взаємозв'язок між питомою ємністю діелектриків в електролюмінесцентній структурі і їхніми струмами витоку, що дозволяє оптимальним чином вибрати діелектрик в структурі.

Результати дисертаційної роботи використовуються в Інституті фізики напівпровідників НАН України; СКТБ з ДВ Інституту фізики напівпровідників НАН України; НДІ радіотехнічних матеріалів НВО їм. С. П. Корольоза (м. Київ); на ВО “Электроавтоматика” (м. Санкт-Петербург) шляхом передачі розроблених ТПЕЛВ для перепрограмуємих кнопок, клавіш і пультів; на ВО “Катіон” (м. Хмельницький) шляхом передані технології виготовлення окремих шарів; НДІ Авіації (м. Жуковский) шляхом передачі обладнання по використанню створених індикаторів в авіаційно-космічних комплексах; ВО “Термінал” (м. Вінниця) шляхом передачі зразків електролюмінесцентних випромінювачів для подальшого використання.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися на Всесоюзному семінарі “Електролюмінесцентні пристрої відображення інформації” (Київ, 1988), 'Міжнародній конференції з некристалічних напівпровідників, (Ужгород, 1988), III Республіканській школі конференції молодих вчених “Актуальні проблеми фізики напівпровідників” (Алушта, 1989), Всесоюзному семінарі “Електролюмінесцентні пристрої відображення інформації” (Київ, 1991), Науково-технічній конференції “Перспективні матеріали і технології для засобів відображення інформації” (Росія,

Кисловодськ, 1996), обговорювалися на наукових семінарах Інституту фізики напівпровідників НАН України.

Публікації'. Основні результати дисертації опубліковані в 14 друкованих роботах, з яких 4 авторські свідоцтва.

Особистий вклад автора. Дисертація є узагальненням досліджень, виконаних автором у співавторстві з колегами по роботі. Автор особисто виконав дослідження технологічних особливостей ТПЕЛС з сегнетоелектричною керамікою в якості ігідкладшші, провів основну частину електрофізичних вимірів розроблених структур, запропонував критерій вибору діелектрика в структурі з урахуванням його діелектричних втрат. Дисертанту належить істотна роль в інтерпретації отриманих результатів і написанні наукових робіт.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, огляду тітератури, методичної глави, трьох оригінальних глав, додатку, заключення і списку літератури, що цитується. Робота викладена на 199 сторінках, містить 56 малюнків, бібліографію з 196 найменувань, 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульована мета роботи, шкладена наукова новизна, практична значимість отриманих результатів та толоження, які виносяться на захист. У вступі також містяться відомості про іпробацію роботи та стисло викладено зміст роботи та особистий науковий інесок автора.

У першій главі міститься огляд літературних джерел, в яких висвітлено штання підвищення надійності електролюмінесцентних тонкоплівкових труктур змінного струму. Основна увага приділяється підвищенню лектричної надійності ТПЕЛС за рахунок вибору діелектричного шару, а акож зменшення робочої напруги. Розглянуто значення діелектричного шару і структурі, та головні існуючі критерії його вибору, опис властивостей тих (¿електричних матеріалів, які використовуються при виготовлені ТПЕЛС в еперішній час, та їх комбінацій. Також стисло викладено методи осадження ¿електричних і люмінесцентних плівок, суть цих методів, шляхи зменшення анімальної напруги на люмінесцентній структурі при якій починає рівномірно вітатися все робоче поле зразка (ипор) та шляхи підвищення ефективності ипромінювання структури. Показано, що використання сегнетоелектричних ¿електричних матеріалів (зокрема керамічних) з високими і надвисоким

значеннями діелектричної сталої в якості товстих (10 мкм і більш« діелектричних шарів в поєднані з іншими діелектриками є перспективни: технічним рішенням, направленим на зменшення робочої напруги ТПЕЛС т підвищення надійності і покращення ряду інших важливих параметрі! Звернуто увагу на те, що дослідження з використанням сегнетоелектрични матеріалів, на момент постановки даної роботи виконувались на тонки плівках, не було приділено уваги використанню товстих сегнетоелектрични шарів з надзвичайно високими значеннями діелектричної сталої (більш 20000), а також можливості використання таких шарів одночасно в якосі підкладинки. В заключенні розділу сформульовані головні задач дисертаційної роботи.

У другій главі наведено опис методик дослідження тонкоплівкови електролюмінесцентних структур змінного струму , які використовувались 1 роботі. Це вимірювання інтегральних характеристик "напруга-яскравість" температурних характеристик, визначення значень ємностей активного ті діелектричного шарів, та ефективності електролюмінесцентної структури Розглядаються блок-схеми установок, які звичайно застосовуються прі дослідженні електролюмінесцентних приладів. В роботі використовувало« стандартне вимірювальне устаткування, а також оригінальні прилади стробоскопічний вимірювач напруг (стробоскоп) і вимірювач спектру пробоіі ИТ-8502, розроблені в Тартуському державному університеті. Похибкг вимірювань не перевищувала 5-7 %.

Всі дослідження і роботи виконувались з використанням низькочастотно: конденсаторної сегнетокераміки на основі титанату барію (ВаТіОз). Скла; типів та марок кераміки, використаних в якості підкладинки для виготовлення ЕЛ-випромінювачів, їх основні властивості, а також умови відпалу у вигляді таблиць також представлені у цьому розділі.

Третя глава присвячена розробці електролюмінесцентних випромінювачів на підкладинці із сегнетоелектричної кераміки, яка (як було запропоновано) одночасно виконує в структурі функції діелектрика і підкладинки (активна підкладинка).

Спочатку приведено обгрунтування властивостей, які повинні мати активні підкладинки в МДНДМ-сгруктурі. За критерій вибору параметрів діелектричного шару-підкладинки взята питома ємність керамічного діелектрика, яка дорівнює питомій ємності тонкоплівкового діелектрика (за основу взятий окис ітрію - УгОз), що звичайно використовується при загальній товщині плівок 0,3 мкм.

Далі розглядається тип структури (вона являє собою інвертовану МДНМ-структуру) та технологія виготовлення експериментальних зразків, застосованих для досліджень, технологічні та конструктивні особливості процесів одержання структур на основі кераміки з ВаТіОз. Показано, що при нанесенні прозорого електроду на структури з керамічною підкладинкою поверхневий опір прозорих провідних плівок на кераміці значно вищий, ніж на склі. Встановлено, що величина нерівностей на підкладинках виготовлених з кераміки марки Т-4500 складає 1.6-3 мкм, а на склі марки ЛК-7 - 0.1 мкм. При додатковій обробці поверхні керамічних підкладинок, які зменшують ступінь нерівності на ній, час нанесення і опір плівки зменшувались. При розмірах нерівностей на кераміці близько 0.2-0.35 мкм час нанесення прозорої провідної плівки та її опір були приблизно такі, як на склі. Показано, що значення ємності та тангенса куга діелектричних втрат для конденсаторів з кераміки марки Т-4500 залежать від режимів високотемпературного відпалу в вакуумі. Ємність зменшується приблизно на 10 % при збільшенні температури відпалу з 450°С до 580°С. Встановлено, що високотемпературний відпал зразків на повітрі при температурах до 600°С ніяких змін вшцеозначених характеристик не викликає. Досліджено електричну міцность керамічного матеріалу марки ВС-1 в МДНМ-структурі. Вимірювання проводились на структурах з шарами кераміки завтовшки 40 мкм шляхом подачі на структуру постійної напруги, величина якої змінювалась з часом за лінійним законом і підрахунку кількості мікропробоїв, що виникали після цього (знімався спектр пробоїв). Показано, що така структура витримувала прикладену напругу приблизно в 4 рази більше, ніж звичайні ЕЛВ з двома шарами УгОз загальною товщиною 0,3 мкм, виготовлених в одному технологічному циклі. Крім того, в третій главі була зроблена оцінка значень пробивних напруг кераміки марки ВС-1 при тепловій та електротермомеханічній формах пробоїв за спрощеною розрахунковою формулою при тепловій формі пробою. Встановлено, що при збільшенні часу експлуатації і підвищенні робочої частоти такі типи пробою можуть мати місце.

У четвертій главі розглянуто результати досліджень електрофізичних характеристик тонкоплівкових електролюмінесцентних випромінювачів жовтого світла, одержаних на сегнетоелектричній керамічній підкладинці на основі ВаТіОз.

Спочатку, для кращого розуміння ТПЕЛ - МДНМ - структур з одним керамічним діелектриком - підкладинкою, були вивчені притаманні їм залежності “напруга-яскравість”, а саме хвилі люмінесценції (хвилі яскравості)

при збудженні структур імпульсами знакозмінної напруги. Досліджували^ структури з товщиною підкладинки 0.3 мм та 0.35 мм і, відповідно, з значеннями діелектричної сталої 11000 та 5000. Виявлено, що структурі демонструють різко відмінні хвилі яскравості. Різниця у значеннях яскравості при тривалості збуджуючого імпульсу 20 мкс та частоті слідування 500 Гц досягає близько 30 разів. Причому менша амплітуда яскравості відповіда( прикладеній напрузі зі знаком ”+” на металічному електроді з зворотньо' сторони керамічної підкладинки, тобто коли електрони рухаються в активномз шарі напівпровідника-люмінофору у напрямку до кераміки. Дані, одержані і дослідженнях, оригінальні, оскільки дослідження на відомих тонкоплівковш МДНДМ-структурах не давали повної інформації про поводження хвилі яскравості при значному підвищенні робочої напруги, оскільки структури пробивалися і ставали непридатними для досліджень (структури на кераміці витримували 500 В і більше). Слід відзначити, що в той же час форми хвиль яскравості можуть бути майже симетричними навіть в асиметричних МДНМ-структурах, які були виготовлені разом з МДНДМ-структурами. Крім того, це явище може бути використане для розробки різнокольорового випромінювача.

Далі представлено еквівалентну схему, якою можна описати дану МДНМ-структуру. Запропоновано механізм даного явища, який враховує бар'єр на межі метал-напівпровідник (ZnS:l% MnS). Показано, що наявність емісії з електроду зменшує квантовий вихід електролюмінесценції та приводить до пониження крутизни характеристики “напруга-яскравість”. В подальшому розгляді йде аналіз виду ВЯХ досліджуваних структур, залежності їх яскравості від частоти прикладеної біполярної напруги, способи симетрізації, а також зміну ВЯХ герметизованих і негерметизованих структур з часом. Встановлено, що запас електричної міцності структур - 2 рази і може бути більшим, вони мають мале значення порогової напруги (50-60 В) і відносно низьку крутизну ВЯХ: (< 10 кд/ м2-В), практично лінійну залежність яскравості від частоти збуджуючої напруги впритул до 500 Гц і великий динамічний діапазон по напрузі (-160 В). Інтегральна яскравість досягає значень більше 2000 кд/м2 при 2000 Гц. Низька крутизна зручна для здійснення амплітудної модуляції градацій яскравості для випромінювача.

Для зміни характеристик випромінювачів на керамічній підкладинці та їх симетризації були виготовлені МДДіНДіМ-структури з верхнім ізолюючим та буферними діелектричними (Ді) плівковими шарами. Наносилися плівкові шари окису алюмінію (АЬОз) та окису ітрію (Y2O3) завтовшки 700-800 А°. З метою симетризації структури використовувалась також оригінальна

конструкція випромінювача, в якій нижній металевий електрод виконаний у вигляді ізольованих одна від одної частин, котрі є електродами і до них прикладається напруга. Люмінофор покривається прозорим провідним шаром, який також може виконувати функцію електрода і може бути розташований над тонкою діелектричною плівкою, яка входить до складу ЕЛ - структури. При такому включенні товщина підкладинки практично подвоюється. Показано, що використання додаткових діелектричних шарів піднімає порогову напругу та крутизну характеристик приладів порівняно з МДНМ-структурою. З аналізу зміни ВЯХ герметизованих та негерметизованих структур впродовж 100 годин роботи встановлено, що у незахгацених структур різко зростали деградаційні процеси, а у герметизованих параметри навіть покращувались.

Крім того у главі 4 був проведений аналіз еквівалентної схеми ЕЛ-випромінювача сегнетоелектричним керамічним діелектриком. Особливістю цієї схеми є урахування діелектричних втрат, які характерні для діелектриків. Для сегнетоелктричної кераміки це актуально, оскільки вона характеризується додатковим класом діелектричних втрат порівняно з іншими діелектриками -гістерезісними діелектричними втратами. Значення ємності діелектрика та його діелектричних втрат впливає на нахил ВЯХ ЕЛ-структури. Аналіз еквівалентної схеми дав можливість теоретично розглянути питання про можливість компенсації струмів витоку збільшенням ємності діелектрика (кераміки) та використанням допоміжних діелектричних шарів. Показано, що в конкретних структурах існує можливість компенсації втрат діелектрика шляхом підвищення його ємності. Отримано критерій для вибору діелектрика в структурі у вигляді нерівності:

*2 ЕаЛДЄа Е\ к0+ка

1 ( о пор.П 2 Л1

де і^та- опори втрат двох діелектриків, що порівнюються; та^2 -

діелектричні сталі двох діелектриків, що порівнюються; £д - напруженість електричного поля при пробої для сульфіду цинку; єа - діелектрична стала сульфіду цинку; и - амплітуда імпульсів напруги знакозмінної форми, що подається на ТПЕЛВ; и - порогова напруга; - опір прозорого глектроду; Яа - опір люмінесцентного шару при пробої; сі^ - товщина шару діелектрику.

Якщо нерівність виконується, то в структурі краще використовував другий діелектрик.

Виділено фактори, які впливають на крутизну ВЯХ випромінювачів, ті відхилення їх від лінійності - залежність питомої ємності підкладинки вії значень напруги, яка до неї прикладена та вплив її рельєфу на яскравість Приведено відповідні залежності. Показано, що в діапазоні робочих напруг 50 100 В для кераміки ВС-1 відбувається ріст (приблизно в 2 рази) питомо ємності діелектрика. Вплив нерівностей підкладинки на яскравісп зафіксований при товщинах люмінофору менше 0,7-1мкм.

Показано, що випромінювачі з МДДіНДіМ-структурою на активнії! підкладинці товщиною 0,3 мм і Є = 16000 мають порогову напругу 90-100 В ефективність близько 1 лм/Вт, при збудженні напругою синусоїдальної форми частотою 500 Гц, що краще ніж у МДНМ-структур. При збудженні структур напругою 220 В з частотою 50 Гц отримана яскравість 80 кд/м2. Густина струму споживання приладів 0,5-0,7 тА/см2.

Оскільки для сегнетоелектриків притаманна різка залежність їх властивостей від температури, в роботі досліджувався вплив температури на характеристики випромінювачів. Показано, що температурні залежності яскравості (рис. 1а) повторюють температурні залежності діелектричної проникності Є, або зміну ємності (рис. 16) і відрізняються максимумами для різних типів кераміки. Виміри проводились на кераміках типів Т-4500 та Т-11000. Показано, що зміна інтенсивності люмінесценції випромінюючих елементів на кераміці зі зміною температури, може враховуватися при плануванні її температурної залежності.

На закінчення розділу 4 представлено результати досліджень МДіНДіМ-структур на скляній підкладинці та МДДіНДіМ-структур з товстим шаром (40 мкм) кераміки ВС-1 (Є=16000), що виконані в єдиному технологічному циклі (за винятком прозорого електроду). Товщина плівок 2п8:Мп складала 450 нм, а допоміжних шарів окису алюмінію (АЬОз) 70 нм. Встановлено, що звичайна структура руйнувалася при значеннях збуджуючої напруги 120 В, а структура з керамічною плівкою втримувала більше 300 В. Значення крутизни ВЯХ у структурі з товстою плівкою (—30) майже таке саме, як у стандартної тонкоплівкової, а порогова напруга зросла всього на 20-25 В і складала близько 100 В. Це підкреслює необхідність розробки керамічних матеріалів зі значеннями діелектричної сталої 100000 та більше.

100 150 200 250 300 350 400

т, к

Рис. 1а. Температурна залежність яскравості випромінювачів на підкладинках з кераміки марки Т-4500 (1) та Т-11000 (2)

100 150 200 250 300 350 400

Т,К

Рис. 16. Температурна залежність ємності діелектриків марки Т-4500 (1) та Т-11000 (2).

У п'ятій главі досліджена можливість отримання багатокольорових ипромінювачів на кераміці. Наведено результати по дослідженню ТПЕЛВ з ерамічним діелектриком зеленого кольору випромінювання зі структурою 'ІДНМ-типу та звичайних ТПЕЛВ зі структурою МДНДМ-типу. У ипромінювачів обох типів активним шаром був тонкий шар сульфіду цинку егований тербієм (TbF3, 5 ваг. %) товщиною 0,6 мкм. В якості діелектричного іару в МДНМД-структурі використовувались шари окису ітрію, а в МДНМ-груктурі керамічний діелектрик із матеріалу типу Т-4500 товщиною 0,3 мм.

О

2

4

Показано, що для структур МДНМ-типу характерні похилі ВЯ' значення порогової напруги для них на 100 В нижче відповідних величин МДНДМ-сгруктур. Вони зберігали свою працездатність до напруг більш . 350 В, в той час як МДКДМ прилади руйнувались при напрузі менш як 320 В.

Також приведені спектральні залежності інтенсивності випромінювані означених структур, які були одержані за допомогою спектрального комплек КСВУ-23 при збудженні структур знакозмінною імпульсною напругою 280 В, кГц. Виявлено, що спектри структур МДНМ- та МДНДМ-типу відрізняють мало. В спектрах випрмінювання МДНМ-структур спостерігається 8 смуг, МДНДМ-структур 5 смуг. Ці відмінності пояснюються нами в рамках тео{ кристалічного поля впливом поверхні керамічного діелектрика на власгивос шару люмінофору, який на ній вирощується.

Далі в розділі 5 наведено дані про вплив питомої ємності підкладинки, також концентрації легуючої домішки на характеристики МДДіНДіК структур на основі гпБ'.ТЬРз. Показано, що структури з підкладинкою у які £•=16000, а концентрація домішки дорівнює 7% ваг. ТЬРз, мають найбільц яскравість та ефективність. Крім того, у розділі 5 представлено оригінальї конструкції багатокольорових випромінювачів на активній керамічні підкладинці, в яких кожний елемент різного кольору випромінювана розміщується в одній площині, а також з послідовним їх розміщення?, Характерною ознакою таких структур є технологічність та підвщценн електричної надійності, а отже довговічності.

В кінці розділу представлені експериментальні результати п дослідженню взаємодії сульфідів кадмію (СсІБ) та цинку з фторидам рідкісноземельних елементів (Бт, ТЬ, Тш, Се, УЬ, Ег) в процесі їх спільнот нагрівання в діапазоні температур 20-650 °С. Термоаналітичні дослідженн вказаних композицій проводились на деріватографі ОД-ЮЗ. Виявлено, що досліджуваному діапазоні температур 20-650 °С і до 1200 °С хімічної взаємод фаз досліджуваних зразків не відбувається. Отримані результати допомагают глибше зрозуміти процеси, які відбуваються при високотемпературном відпалі плівок люмінофору, а також вплив вакуумних методів нанесення плівої на їх структурні властивості.

У додатку наводяться деякі графічні залежності електрофізични: властивостей титанату барію, які були використані для виконання необхіднії; теоретичних розрахунків та документи, що підтверджують впровадженні результатів дисертації.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1.Вивчений вплив рельєфу поверхні сегнетоелектричної кераміки на поверхневий опір прозорого електроду і яскравість електролюмінесцентних структур. Показано, що величина нерівностей на необробленій поверхні сегнетоелектричної кераміки складає 1.6-3 мкм і більш, а на тій, що оброблялася, - 0.2-0.35 мкм. Встановлено, що питомий поверхній опір плівок прозорого електроду на основі Іі^ОзгБп, які нанесені на оброблену сегнетоелектричну кераміку приблизно в 4 рази нижчий від опору нанесених на необроблену поверхню, а величина яскравості відповідно в 2... З рази вище.

2.Проведене дослідження впливу високотемпературного відпалу в вакуумі на властивості сегнетоелектричної кераміки показало, що питома ємність і величини діелектричних втрат керамічного матеріалу не змінюються до 450 °С. При більш високих температурах (до 600 °С) спостерігалася незначна зміна (біля 10%) означених величин в сторону зменшення, а також зміни кольору сегнетоелектричної кераміки.

3.Досліджені характеристики електричних пробоїв в залежності від прикладеної напруги для структур з плівками з сегнетоелектричної кераміки на прикладі марки ВС-1 товщиною 40 мкм. Встановлено, що такі структури не зазнавали будь-яких мікропробоїв до напруги 350 В. Показано, що застосування товстих (біля 40 мкм) сегнетоелектричних плівок, дозволяє збільшити крутизну характеристики “напруга - яскравість” і величину лтегральної яскравості.

4.Проведені експериментальні дослідження тонкоплівкових шектролюмінесцентних випромінювачів з одним діелектричним шаром з :егнетоелектричної кераміки, що, водночас, служить підкладинкою в структурі, показали наявність різко асиметричних хвиль яскравості при юбочих напругах до 200 В. Із подальшим збільшенням збуджуючої напруги, зідмінності в хвилях яскравості зменшуються. Асиметрія хвиль яскравості іризводить до зменшення крутизни залежності інтегральної яскравості від ірикладеної напруги. Однак, перевага таких структур з товстим керамічним паром в якості діелектрика полягає в великому діапазоні їх робочих напруг, іначним (300 %) запасом електричної міцності по напрузі, малим значенням юрогової напруги (<50 В), а також відносно швидким встановленням таціонарної яскравості (к50-10-6сек).

5.Теоретичне вивчення процесу переносу заряду в ТПЕЛВ з урахуванням целектричних втрат діелектрика показало, що існує можливість компенсації

впливу втрат діелектрика шляхом збільшення його ємності. Запропоновані критерій вибору діелектрика в структурі, який дозволяє оптимальним ЧИНОІ враховувати тангенси кутів втрат діелектріків.

6.Встановлена температурна кореляція залежності яскравосі електролюмінесцентного випромінювача з сегнетоелектричним керамічнш діелектриком від величини ємності діелектрика.

7.На підставі проведених досліджень запропоновані нові конструкці електролюмінесцентних випромінювачів, особливістю яких є формуванн електродів з одного боку підкладинки, а також структури багатокольорови випромінювачів, в яких всі елементи різного кольору випромінюванії розміщені в одній площині, або з послідовним їхнім розміщенням один на, іншім.

8.Експериментально встановлено, що у структур, які герметизувалися зміна порогової напруги в бік збільшення за 100 годин роботи менш; (приблизно в 6 разів) ніж у негерметизованих структур, що вказує н; необхідність їх герметизації.

9.Проведені дослідження вольт-яскравістних і спектральних залежностеі випромінювання тонкоплівкових електролюмінесцентних МДНДМ-структур плівковим діелектриком Y2O3, МДНМ-структур з сегнетоелектричшп діелектриком (з ВаТіОз) і люмінофором на основі ZnS:TbF3 дозволиш встановити, що МДНМ-структури мають більш низькі порогові напруги більш пологі ВЯХ ніж у МДНДМ-структур. Спектральні залежност випромінювання у МДНМ-структур характеризуються більшим числом смуг деяким їхнім зміщенням, що пов'язується з особливостями кристалічно структури плівок ZnS:TbF3, вирощених на сегнетоелектричній підкладинці.

Ю.Запропоновано ряд практичних розробок, що використовуюті результати проведених досліджень: датчик - індикатор температури

електролюмінесцентні джерела світла, що живляться від промислової мережі випромінювачі з розташуванням електродів з однієї сторони підкладинки.

Основні результати дисертації опубліковано в таких роботах:

1. Бойко В.Г., Атдаев Б.С., Кравченко А.Ф., Родионов В.Е. Техно логические особенности создания злектролюминесцентньїх индикаторов Ні керамической основе // Оптозлектроника и полупроводниковая техника. Киев: Наукова Думка. - 1996. - Вьіп.ЗО. - С. 145-150.

2. Бойко В.Г., Птицын В.Ю., Родионов В.E., Скоморохов Н.В. Исследование волн яркости тонкопленочных электролюминесцентных структур с одним керамическим диэлектриком // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - Киев: Наукова Думка. - 1991. - Вып.19. - С.37-41.

3. Васильченко В.П., Матизен Л.Л., Родионов В.Е., Рахлин М.Я., Бойко В.Г. Тонкопленочные электролюминесцентные структуры с одним циэлектриком на базе сегнетоелектрической керамики // Учен. зап. Тартуск. ун-га. - 1989. - Вып.867. - С.25-31.

4. Бойко В.Г., Кравченко А.Ф., Родионов В.Е. Исследование эсобенностей работы тонкопленочных электролюминесцентных излучателей с :егнетоэлектричесхим диэлектриком // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - Киев: Наукова Думка. - 1997. - Вып.ЗО. - С.155-159.

5. Рахлин МЛ., Родионов В.Е., Бойко В.Г. Тонкопленочные электролюминесцентные зеленые излучатели с керамическими диэлектриком // ЖТФ. - 1989. - Т. 15. - Вып. 17. - С.67-71.

6. Рахлин МЛ., Родинов В.Е., Люцко В.А., Ляхов А.И., Бойко В.Г., Буковский В.E., Хотенко И.Н. Исследование взаимодействия сульфидов садмия и цинка с фторидами редкоземельных элементов // Оптоэлектроника и толупроводниковая техника. - Киев: Наукова Думка. - 1992. - Вып.23. - С.70-74.

7. Бойко В.Г., Забарский A.B., Красников Н.И., Родионов В.E., Гимошенко Ю.С. Разработка тонкопленочных электролюминесцентных шдикаторов для радиоизмерительной аппаратуры // Техника средств связи научно-технический сборник). Серия радиоизмерительная техника. - Москва: Экое. - 1988. - Вып.6-7. - С.28-34.

8. A.c. 1545925 СССР, МКИ Н 05 В 33/24. Электролюминесцентный илучатель / В.Г. Бойко, М.Я. Рахлин, В.Е. Родионов, Г.Ф. Гордиенко, В.К. Скоморохов, Н.А.Штыпуляк (СССР). - № 4323404/31 - 25, 4323678/31 - 25. -1аявлено 02.11.87; - Опубл. 22.10.89

9. A.c. 1545924 СССР, МКИ Н 05 В 33/22. Цветной

шектролюминесцентный индикатор / М.Я. Рахлин, В.Е. Родионов, Г.Ф.

’ордиенко, В.К. Скоморохов, В.Г. Бойко (СССР). - № 432396/31 - 25. -¡аявлено 02.11.87; - Опубл. 22.10.89.

10. A.c. 1567100 СССР, МКИ Н 05 В 33/14. Цветной

лектролюминесцентный индикатор / М.Я. Рахлин, В.Е. Родионов, Г.Ф.

’ордиенко, В.И. Скоморохов, В.Г. Бойко (СССР).- №4323408/31-25, 4323411/25, 1323407/25. - Заявлено 02.11.87; - Опубл. 22.01.90.

11. A.c. 1713380 СССР, МКИ Н 01 G 4/12, С 23 С 14/30. Способ нанесеш диэлектрической пленки ка подложку / С.И. Власкина, В.Е. Родионов, В. Бойко (СССР). - № 4705242/21. - Заявлено 14.06.89; - Опубл. 15.10.91.

12. Технологические особенности создания электролюминесцентнь индикаторов на керамической основе / Бойко В.Г., Золотовский А .А Кравченко А.Ф., Родионов В.E.; Институт физики полупроводников НАНУ. Киев, 1996. - 16 с. Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 22.04.96, № 995. - Ук.96. Бібліограф, в реф. ж. Депоновані наукові роботи, № 1, 1997.

13. Исследование эффективности работы электролюминесцентнь излучателей на сегнетокерамической подложке / Бойко В.Г., Золотовский А .А Кравченко А.Ф., Родионов В.E.; Институт физики полупроводников НАНУ. Киев, 1996. - 15 с. Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 22.04.96, № 994. Ук.96. Бібліограф, в реф. ж. Депоновані наукові роботи, № 1, 1997.

14. Бойко В. Г., Родионов В. Е. Получение электролюминес-центнь излучателей на основе керамических диэлектриков // III Республикански школа-конференция молодых ученых "Актуальные проблемы физик полупроводников". - Киев: ИП АН УССР. - 1989. - С. 10.

АНОТАЦІЯ

Бойко В.Г. Розробка тонкоплівкових електролюмінесцентна випромінювачів з активною підкладинкою з сегнетоелектричної кераміки н основі титанату барію. - Рукопис. .

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук з спеціальністю 05.27.01- твердотільна електроніка. Інститут фізик напівпровідників НАН України, Київ, 1998.

Дисертація присвячена розробці та дослідженню тонкоплівкови електролюмінесцентних випрмінювачів (ТПЕЛВ) та індикаторів підкладинкою із сегнетоелектричної кераміки на основі титанату барію, як сама є складовою частиною структури (активна підкладина). Така конструкці пропонується та розглядається вперше. Встановлено, що така конструкції завдяки дуже великим значенням діелектричної сталої підкладинки (близьк 20000) і можливості її варіювання, дозволяє виготовити прилад із значниі запасом електричної міцності по напрузі (більше 300 %), малим значення] порогової напруги (< 50 В) і високими значеннями яскравості (більше 200 кд/м2). Запропоновано електролюмінесцентний датчик-індикатор температур* нові конструкції одно- та багатокольорових випромінювачів, теоретични

критерій вибору діелектрика в структурі. Результати роботи знайшли промислове впровадження при розробці ТГІЕЛВ для кнопок, що перепрограмуготь, клавіш та пультів при проведенні науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт.

Ключові слова: тонкоплівковий електролюмінесцентний випромінювач, сегнетоелектрична кераміка, активна підкладинка, титанат барію, МДНДМ-структура.

АННОТАЦИЯ

Бойко В.Г. Разработка тонкопленочных электролюминесцентных излучателей с активной подложкой из сегнетоэлектрической керамики на эснове титаната бария. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по лгециальности 05.27.01. - твердотельная электроника. Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 1998.

Диссертация посвящена разработке и исследованию тонкопленочных электролюминесцентных излучателей (ТПЭЛИ) и индикаторов с подложкой из :егнетоэлектрической керамики на основе титаната бария, которая является юставной частью структуры (активная подложка). Указанная конструкция тредлагается и рассматривается впервые. Установлено, что данная сонструкция, благодаря очень высоким значениям диэлектрической тостоянной подложки (около 20000) и возможности ее вариации, позволяет ізготовить прибор с повышенным запасом электрической прочности (более Ю0%), малыми значениями порогового напряжения (< 50 В) и высокими іначениями яркости (более 2000 кд/м2). Предложены электролюминесцентный іатчик-индикатор температуры, новые конструкции одно- и многоцветных ізлучателей, теоретический критерий выбора диэлектрика в структуре.

Результаты работы были внедрены в промышленное производство при шработке ТПЭЛИ для перепрограмируемых кнопок, клавши и пультов при фоведении научно-исследовательских и экспериментально- конструкторских >абот.

Ключевые слова: тонкопленочный электролюминесцентный излучатель, егнетоэлектрическая керамика, активная подложка, титанат бария, МДНДМ-труктура.

ABSTRACT

Boiko Vladimir G. Development of thin film electroluminescent emitters wil ferroelectric barium titanate active substrate. Manuscript.

The technical sciences candidate (Ph.D.) thesis by of speciality 05.27.01- soli state electronics. Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Scieno of the Ukraine, Kyiv, 1998.

The dissertation work is devoted to development and investigation of thin fill electroluminescent emitters (TFEE) with ferroelectric barium titanate actn substrate. Such construction is proposed and analyzed for the first time. It has bee established that on the base of the proposed structure a device having extremely hig supply of electric strength (more than 300 %), low threshold voltage (< 50 V), an high brightness (> 2000 cd/m2) can be constructed. The new electroluminescei temperature sencor, constructions of single- and multi-colour emitters, an theoretical criterion for dielectric choosing have been proposed. The results of th work were used for the development of TFEE for programming buttons, keys, an control panels during fulfilment of scientific, design and experimental works.

Key words: thin film electroluminescent emitters, ferroelectric ceramics, acth substrate, barium titanate, MDSDM-structure.