Электролюминесцентное светоизлучающее устройство

Полезная модель относится к области низкоразмерной нанотехнологии и высокодисперсным материалам и может быть использована для создания электролюминесцентных источников света.
Светоизлучающие электролюминесцентные панели на основе порошков и тонких пленок электролюминофоров нашли широкое применение, в основном, в устройствах символьного отображения информации, панелях подсветки рекламных конструкций. Одним из основных недостатков таких устройств является использование для их работы высокочастотных (до 400 Гц) и высоковольтных (до 1000 В) источников питания переменного тока.
Основными материалами для электролюминесцентных источников света являются легированные медью, хлором, марганцем и другими элементами порошки и пленки сульфида цинка. Установлено, что от концентрации и типа легирующего элемента зависят длина волны и интенсивность излучения, то есть существуют условия, при которых возможно создание источника излучения белого света. Но наряду с несомненными достоинствами электролюминесцентных источников света имеются и существенные недостатки, о которых говорилось выше (высокое энергопотребление и необходимость специфических источников питания), а также малое время их работы (до 1000 часов, по сравнению со светодиодами, которые являются практически «вечными»). Это происходит вследствие деградации рабочего слоя из-за специфического принципа работы таких устройств в экстремально высоких электрических полях (предпробойная люминесценция).
Известно электролюминесцентное светоизлучающее устройство (по патенту RU 2269876), снабженное прозрачными контактами и контактами основы, между которыми расположен электролюминесцентный слой из органического полупроводника. Подложка выполнена из стального листа, например из малоуглеродистой стали, которая несет тонкий слой, представляющий собой сплав цинка и алюминия, служащий отрицательным электродом. Слой соответствующего органического электролюминесцентного полупроводника наложен на отрицательный электрод в виде раствора, из которого затем выпаривают растворитель при атмосферном давлении или в неглубоком вакууме, или путем выпаривания - конденсации в вакууме олигомеров со слегка повышенной молекулярной массой. Со стороны, удаленной от подложки, нанесен прозрачный положительный электрод, для защиты которого предусмотрен слой прозрачного защитного покрытия из оксида кремния, на наружную сторону стального листа наносится изоляция в виде слоя электрически изолирующей краски.
Его недостатком является то, что использование подложки из стали существенно повышает массу изделия, а использование органических люминофоров ограничивает интервал рабочих температур. Кроме того, для создания данного устройства используются методики, несовместимые с традиционными методами микроэлектроники, что делает невозможным создание светоизлучающего устройства и элементов
электроники на одной подложке, как это может потребоваться при разработке портативных устройств. Устройство характеризуется низкой эффективностью и низкой интенсивностью излучения.
Технической задачей полезной модели является повышение технологичности изготовления электролюминесцентного светоизлучающего устройства. Другой задачей является повышение эффективности и увеличение интенсивности излучения, за счет создания когерентно излучающего массива пространственно-упорядоченных наноструктур полупроводников в диэлектрических матрицах.
Технический результат достигается в электролюминесцентном светоизлучающем устройстве (далее - устройство), снабженном прозрачным контактом и контактом основы, буферными диэлектрическими слоями, между которыми расположен массив наноструктурных элементов, образующих электролюминесцентный полупроводниковый слой (далее люминофор). Массив наноструктурных элементов образован в порах матрицы оксида алюминия с диаметром пор от 4 0 до 150 нм. Электролюминесцентный полупроводниковый слой выполнен из ZnS, легированного Cu, Mn или Cl. В качестве контакта основы используется никель или серебро или алюминий Al, в качестве прозрачного контакта используется пленка из оксидов индия-олова. Используется электролюминесцентный полупроводниковый слой толщиной 5-20 мкм.
Полезная модель поясняется рисунками:
фиг. 1 - получение пористого оксида алюминия методом двухстадийного анодного окисления;
2
3
фиг. 2 - пленка пористого AlO на поверхности алюминия;
фиг. 3 - осаждение в поры матрицы материала люминофора: сульфид цинка, легированный медью, марганцем или хлором методом термического напыления;
2
3
фиг. 4 - пленка пористого AlO на поверхности алюминия с заполненными люминофором порами;
фиг. 5 - осаждение диэлектрика (оксид кремния или оксид алюминия) на поверхность нанокомпозита методом магнетронного напыления для формирования буферного слоя;
2
3
фиг. 6 - пленка пористого AlO на поверхности алюминия с заполненными люминофором порами и буферным диэлектрическим слоем;
фиг. 7 - осаждение прозрачного проводящего слоя (оксид сплава индий-олово) методом магнетронного напыления для формирования прозрачного контакта;
2
3
фиг. 8 - пленка пористого AlO на поверхности алюминия с заполненными люминофором порами, буферным диэлектрическим слоем и прозрачным проводящим слоем;
фиг. 9 - схема подключения устройства к источнику питания переменного тока.
Позиции на рисунках:
1 - контакт основы, алюминиевая пластина,
2
3
2 - пористый AlO,
3 - пора,
4 - молекулярный поток легированного ZnS,
5 - тигель с испаряемым веществом,
6 - массив наноструктурных элементов, образующих электролюминесцентный полупроводниковый слой,
7 - магнетрон с мишенью диэлектрика для формирования буферного диэлектрического слоя,
8 - молекулярный пучок осаждаемого вещества,
9 - буферный диэлектрический слой,
95
5
10 - магнетрон с мишенью сплава InSn,
11 - молекулярный пучок осаждаемого вещества,
12 - прозрачный контакт.
Электролюминесцентное светоизлучающее устройство (фиг. 9) снабжено прозрачным контактом 12 и контактом основы 1, буферными диэлектрическими слоями 2, 9, между которыми расположен массив наноструктурных элементов 6, образующих электролюминесцентный полупроводниковый слой (люминофор).
Один из буферных диэлектрических слоев 2, вблизи поверхности алюминиевой подложки 1, образован оксидом алюминия, формирующимся в процессе роста пористого оксида алюминия. Второй буферный диэлектрический слой 9 наносится методом ВЧ-магнетронного осаждения оксида алюминия.
Буферные диэлектрические слои 2, 9 необходимы для накопления заряда вблизи границы раздела диэлектрик/проводник, благодаря чему создается большая напряженность электрического поля между проводящими обкладками. Чем более развита поверхность диэлектрика, тем больше напряженность создаваемого поля. Кроме того, диэлектрик, выполняя роль носителя наночастиц люминофора, может защитить материал от влияния внешних воздействий и тем самым повысить эксплуатационные характеристики устройства. Формируя большую площадь соприкосновения материала люминофора с диэлектриком, можно существенно повысить характеристики излучения.
5
6
В присутствии сильного электрического поля (W=10÷10 В/см) происходит ионизация (термическая, полевая, термополевая) примесей и дефектов структуры люминесцирующего слоя 6, а также состояний на границе раздела диэлектрик/полупроводник. Освобожденные электроны, ускоряясь полем, устремляются от контакта основы 1 к прозрачному контакту 12, заряженному в этот момент времени положительно. На своем пути они возбуждают атомы примеси и кристаллическую решетку сульфида цинка. Одновременно, дырки, возникающие при ионизации решетки, движутся к контакту основы 1. К завершению полупериода действия переменного электрического поля отрицательный заряд оказывается сосредоточенным на уровнях захвата у границы люминофор - диэлектрик. Положительный пространственный заряд, обусловленный ионизированными центрами и глубокими ловушками, захватившими дырки, локализован у катодной стороны пленки (у контакта основы 1).
Во время второго полупериода электрическое поле пространственного заряда складывается с внешним, значительно усиливая его. Электроны, освобождаясь из уровней захвата, устремляются обратно к контакту основы 1, являющемуся теперь уже анодом. При этом вновь происходит ионизация различных центров и атомов самой решетки, а также возбуждение ионов активатора. Часть электронов рекомбинирует с центрами, ионизированными за время первого полупериода, остальные захватываются состояниями на границе раздела люминофор - диэлектрик теперь уже со стороны контакта основы 1. После окончания второго полупериода процесс повторяется. Напряженность поля, необходимая для туннельного проникновения
электронов в слой люминофора, достаточна для начала ударных процессов в люминофоре. Свечение возникает вследствие возбуждения горячими электронами ионов примеси.
Массив наноструктурных элементов 6 образован в порах 3 матрицы 2 оксида алюминия с диаметром пор от 40 до 150 нм. Электролюминесцентный полупроводниковый слой 6 выполнен из ZnS, легированного Cu, Mn или Cl, полученного методом термического осаждения. Данные материалы обладают высокоинтенсивной и стабильной люминесценцией с длинами волн 452 нм (чистый ZnS), 595 нм (ZnS, легированный Mn), 517 нм (ZnS, легированный Cu), то есть светятся синим, желтым и зеленым цветами, соответственно. Одновременное легирование Mn и Cu приводит к появлению двух интенсивных максимумов: 457 и 595 нм. Отдельные наноструктурные элементы, из которых состоит электролюминофорный слой, представляют собой точечные источники света, излучение которых когерентно складывается, что позволяет существенно повысить интенсивность излучения.
В качестве контакта основы 1 используется никель или серебро или алюминий Al, в качестве прозрачного контакта 12 используется пленка из оксидов индия-олова. Используется электролюминесцентный полупроводниковый слой 6 толщиной 5-20 мкм. При толщинах менее 5 мкм будет происходить электрический пробой люминофорного слоя без возбуждения люминесценции, тогда как при толщинах более 20 мкм потребуется существенно большая напряженность электрического поля для ионизации примесей и дефектов структуры люминофора 6.
Для изготовления устройства используются простые и сравнительно недорогие методики, основанные на термическом осаждении люминесцентных материалов на основе легированного сульфида цинка в каналы пористых матриц анодного оксида алюминия с упорядоченным расположением вертикально-ориентированных от поверхности матрицы в объем пор (фиг. 1-8). Аналогичные способы описаны, например, в патентах RU 2460166, RU 2517802. Они представляют собой традиционные методики микроэлектроники, такие как термическое и магнетронное осаждение материалов, электрохимическое окисление алюминия для формирования его оксида. Использование указанных выше методов не требует дорогостоящего технологического оборудования и расходных материалов, кроме того, когерентное сложение излучения отдельных идентичных наноструктур, из которых состоит слой электролюминофора, существенно повышает интенсивность излучения, а варьирование состава материала люминофора позволяет создавать источники с различной длиной волны излучения, в том числе белого света.