https://doi.org/10.15407/iopt.2021.56.115

Optoelectron. Semicond. Tech. 56,115-122 (2021)

V. G. Boiko, M. S. Zayats


FEATURES OF SELECTING DIELECTRIC LAYERS FOR ELECTROLUMINESCENT STRUCTURES

The paper considers an equivalent scheme of a thin-film electroluminescent emitter (TFELE), taking into account dielectric leaks, and proposes a criterion for the optimal choice of a dielectric in the structure to increase its efficiency.

A calculation method is proposed for the optimal choice of material for dielectric films in an electroluminescent structure, taking into account their dielectric loss tangent. The algorithm for optimizing the parameters is based on the method of pairwise comparison of two dielectrics, provided that the charge flowing through the structure is constant or increased. The calculated data for materials are given in the form of a table according to the sequence of deterioration of their characteristics. The most attractive of the materials considered are PbTiO3, Ta2O5, Y2O3, as well as improved ceramics, which is confirmed by experiment.

The possibility of applying the proposed model to explain the dependence of the luminosity of electroluminescent emitters on their excitation voltage is shown. A comparative analysis of the results of the calculation and experiment of the dependence of brightness on the applied voltage (B-V) for three types of TFELE based on a luminescent layer ZnS : Mn (0.5%) with a thickness of 0.6 μm, placed between two dielectric layers with a thickness of about 0.3- 0.35 μm with Ta2O5, Sm2O3 and Y2O3, respectively. It is established that the threshold luminescence excitation voltage correlates with the value of εE, and the maximum brightness with the value of εE / tg (δ). The table also shows the calculated characteristics of NdAlO3 and AlN films deposited by high-frequency magnetron sputtering. Higher brightness values can be expected from electroluminescent structures with such a dielectric than from structures with dielectric films with Sm2O3 and Y2O3. The results of such studies are presented in the form of a graph and table.

This method can find practical application in the development of new materials and technologies for their production.

Keywords: thin-film electroluminescent emitter, ZnS: Mn phosphor, dielectric loss tangent, ceramics based on barium titanate BaTiO3, PbTi03, Ta205, Y203, NdAlO3 and AlN films.

References

1. Mozzhuhin D.D., Baranenkov I.V. Tonkoplyonochnye elektrolyuminescentnye ustrojstva. Zarubezhnaya radioelektronika. 1985. №7. S. 84 - 94.

2. Kozawaguchi H., Ohwaki J., Tsujiyama B. Thin film electroluminescent devices with low operating voltage and high brightness. Rev. Elec. Commun. Lab.1984.32, № 1. P. 71-77.

3. Pasynkov V.V. Materialy elektronnoj tehniki. Moskva: Vysshaya shkola. 1980. 406 s.

4. Vasilchenko V.P., Matizen L.L., Vojhanskij M.A. Izuchenie perenosa zaryada v elektrolyuminescentnyh strukturah na osnove ZnS. Uch. zap. TGU. Trudy po elektrolyuminescencii. Tartu. 1987. № 779. S.22 - 49.

5. R. Menn, R. Tyeta, P. Gabeloto at al. Значение и исследование диэлектрического слоя. Le vidio Canchers Mincent. 1984. 39. P. 205-212.

6. V.G. Krasnov, K.G. Marin, L.S. Ustyugova i dr. Materialy dlya tonko - i tolstoplyonochnoj tehnologii izgotovleniya GIS. Elektronnaya promyshlennost. 1980. Vyp. 8-9. S. 79 - 80.

7. N.M. Parfyonov, S.M Kokin, B.G. Bekker i dr. Vliyanie dielektrika na parametry tonkoplyonochnyh elektrolyuminescentnyh struktur. Izv. vuzov. Ser. fiz. 1986. 29, №4. S. 119 - 120.

8. Mach R., Muller G.O. Physical concepts of high-field electroluminescence devices. Phys. Stat. Sol. (a). 1982.69, №11. P.11-66.

https://doi.org/10.1002/pssa.2210690102

9. Pignolet A., Mohan Rao G., Krupanidhi S. B. Rapid thermal processed thin film of reactively sputtered Ta2O5.Thin Solid Films. 1995. 258. P.230 - 235.

https://doi.org/10.1016/0040-6090(94)06322-2

10. Guryanov G., Zayats M. Transparent conductive In2О3:Sn films technology. ICPTTF-IX, May 19-24, 2003, Ivano-Frankivsk, 2003. P. 65 - 67.

11. V.E. Rodionov. Elektrolyuminescentnye indikatory s keramicheskim dielektrikom. Kiev: NAN Ukrainy, 2010. 228 s. ISBN 978-966-02-5657-6.

12. Boyko V. G., Zayats N. S. The application of ferroelectrics to create electroluminescent indicators of the temperature. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2012. 15, № 2. P. 162 ‑ 165.

https://doi.org/10.15407/spqeo15.02.162

13. V.G. Bojko, S.N. Guryanov, N.S. Zayats i dr. Otrabotka tehnologii polucheniya oksidnyh plyonok dlya razlichnyh struktur optoelektroniki na promyshlennoj ustanovke magnetronnogo tipa «Katod -1M». OPT. 2005. Vyp.40. S. 143 - 148.

14. N.S. Zayats, V.G. Bojko, N.I. Klyuj i dr. Nizkotemperaturnaya ionno-plazmennaya tehnologiya formirovaniya nanostrukturirovannyh sloev nitrida alyuminiya. V kn. Nanorazmernye sistemy i nanomaterialy: issledovaniya v Ukraine. Redkol.: A.G. Naumovec (glav. red.). Kiyiv: Akademperiodika, 2014. 768 s.


В. Г. Бойко, М. С. Заяць

ОСОБЛИВОСТІ ВИБОРУ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ШАРІВ ДЛЯ ЕЛЕКТРОЛЮМІНЕСЦЕНТНИХ СТРУКТУР

У представленій роботі розглянуто еквівалентну схему тонкоплівкового електролюмі­несцент­ного випромінювача (ТПЕЛВ) з урахуванням витоків діелектрика та запропоновано критерій щодо оптимального вибору діелектрика в структурі для підвищення ефективності її роботи.

Запропоновано методику розрахунку за оптимальним вибором матеріалу діелектричних плівок в електролюмінесцентній структурі з урахуванням їх тангенса діелектричних втрат. В основу алгоритму оптимізації параметрів покладено спосіб попарного порівняння двох діелектриків за умови сталості або збільшення заряду, що протікає через структуру. Розрахункові дані для матеріалів наведені у вигляді таблиці згідно з черговістю погіршення їхніх характеристик. Найбільш привабливими з розглянутих матеріалів є PbTiO3, Ta2O5, Y2O3, а також вдосконалені кераміки, що підтверджується експериментом.

Показана можливість застосування запропонованої моделі для пояснення залежності яскравості свічення електролюмінесцентних випромінювачів від напруги їхнього збудження. Проведений порівняльний аналіз результатів розрахунку та експерименту залежності яскравості від прикладеної напруги ВЯХ (B-V) для трьох типів ТПЕЛВ на основі люмінесцентного шару ZnS : Mn (0,5%) товщиною 0,6 мкм, розміщеного між двома діелектричними шарами товщиною близько 0,3-0,35 мкм з Ta2O5, Sm2O3 і Y2O3 відповідно.

Встановлено, що порогова напруга збудження люмінесценції корелює зі значенням εE, а максимальна яскравість зі значенням εE/tg (δ). У таблиці також наведені розрахункові характеристики плівок з NdAlO3 і AlN, нанесених методом високочастотного магнетронного розпилення. Від електролюмінесцентних структур з такими діелектриками можна очікувати більш високих значень яскравості, ніж від структур з діелектричними плівками з Sm2O3 і Y2O3.Результати таких досліджень наведені у вигляді графіка та таблиці.

Цей метод може знайти практичне застосування в розробці нових матеріалів і технологій їхнього отримання.

Ключові слова: тонкоплівковий електролюмінесцентний випромінювач, люмінофор ZnS: Mn, тангенс кута діелектричних втрат, кераміка на основі титанату барію (BaTiO3), плівки PbTi03, Ta205,Y203, NdAlO3 і AlN.