Наноэлектроника лит-ра / dragunov

свойств до 650 С, при достаточно низкой стоимости. Подложки, позволяющие использовать технологии при более высоких температурах обычно на порядок дороже.

Первым слоем, наносимым на такую подложку, является прозрачный проводящий электрод. Наиболее часто для этой цели используются окислы индия и олова, имеющие сопротивление 5 Ом/квадрат для толщин в диапазоне 300…500 нм. Затем последовательно наносятся 250…500 нм прозрачного диэлектрика, 500…1000 нм полупроводникового люминофора и снова 250…500 нм прозрачного диэлектрика.

Повышенные требования к свойствам диэлектрика резко ограничивают число пригодных для ЭЛД материалов. Дело в том, что они должны обладать высокой диэлектрической проницаемостью и высоким пробивным напряжением одновременно. Но чаще всего в диэлектриках цифры, характеризующие эти параметры, обратно пропорциональны друг другу. Для удобства выбора годного в производстве ЭЛД материала за критерий оценки было принято произведение упомянутых параметров.

Диапазон значений выбранного параметра качества был выбран по оптимуму на уровне 3…25 мкС/см. Наиболее удачными на практике оказались материалы, для которых характерны цифры от 3 до 7 мкС/см.

Выбор полупроводниковых люминофоров, так же как и диэлектриков, ограничивается специфическими требованиями, налагаемыми конструкцией и режимами работы ЭЛД. Во-первых, ширина запрещенной зоны этих материалов должна быть больше энергии фотонов, генерируемых центрами люминесценции. Во-вторых, материал не должен поглощать видимый свет. Уже эти два требования не позволяют использовать материалы с запрещенной зоной уже 3,1 эВ. Третий важный параметр – напряжения пробоя. Исходя из того, что для возникновения ударной ионизации электрон должен достичь в электрическом поле энергии больше 1,5 эВ, напряжение пробоя должно быть не менее 1 МэВ.

Задачей ЭЛД является создание системы либо черно-белого, либо цветного изображения.

В первом случае в качестве люминофора наиболее часто используют ZnS:Mn. На рис. 2.35 приведен люминесцентный спектр такого материала.

Из рис. 2.35 видно, что эмиссионный спектр представляет собой широкий спектр с максимумом при 585 нм. Такой спектральный диапазон качественно работает в составе черно-белых дисплеев.

81

2.6.2. Материалы для цветных дисплеев

Перейдем теперь к описанию материалов, используемых для создания цветных дисплеев. Прежде всего отметим, что рассматривая рис. 2.35 можно увидеть, что красный эмиссионный спектр можно получить с помощью применения красного фильтра, изготовленного из CdSxSe1–x. Такой фильтр отрезает коротковолновую часть спектра и оставляет только красную составляющую.

Рис. 2.35. Электролюминесцентный спектр ZnS, легированный Mn (сплошная линия). Эмиссионный спектр, полученный с применением фильтра CdSxSe1–x, убирающего коротковолновую

часть Mn спектра (штриховая линия)

Из люминофоров, которые излучают красный свет, отметим ZnS, легированный: Sm и Cl, а также CdS, легированный Ew. На рис. 2.36 приведен спектр электролюминесценции для первого из них. Видно, что эмиссионный спектр состоит из трех основных пиков 568, 604, 651 нм, что вполне обеспечивает красную составляющую спектра.

Зеленый свет чаще всего получают, используя ZnS, легированный тербием (Tb). Как видно из рис. 2.37, зеленый свет обеспечивает присутствие в спектре наиболее интенсивной линии при 550 нм.

82

Относительная интенсивность (%)

Длина волны (нм)

Рис. 2.36. Спектр электролюминесценции от ZnS, легированного самарием и хлором. Преобладающая эмиссия при 6521нм обеспечивает красное свечение

Относительная интенсивность (%)

Длина волны (нм)

Рис. 2.37. Электролюминесцентный спектр для ZnS, легированного тербием (Tb)

83

Рис. 2.38. Спектр электролюминесценции для материалов типа мGa2S4, (м – Ca, Sr или Ba), легированных Се. Синий цвет обеспечивается максимальным излучением при ~ 450 нм

Синий цвет (рис. 2.38) обеспечивается люминофорами из таких материалов, как CaGa2S4:Ce; SrGa2S4:Ce и BaGa2S4:Ce. Из них наиболее глубокий синий цвет соответствует люминофору на основе стронция, а наибольшая интенсивность свойственна материалу с кальцием.

2.6.3. Конструкция многоцветных дисплеев

Конструкция многоцветных электролюминесцентных дисплеев приведена на рис. 2.39.

Из рис. 2.39, а видно, что каждый пиксель состоит из трех первичных «подпикселей», эмиттирующих один из основных цветов. Эти полоски люминофоров образуются в результате процессов фотолитографии для каждого из них по мере последовательного нанесения на диэлектрик.

Преимущество этой схемы заключается в наиболее эффективном использовании свечения от каждого индивидуального люминофора без

84

применения дополнительных фильтров и при довольно простой схеме управления. В то же время необходимо отметить, что это достигается довольно сложной технологией получения полосок люминофоров на пикселе и обеспечением высокой эффективности люминофоров с целью высокой освещенности и контрастности.

Рис. 2.39. Схематичное расположение элементов управления в пикселе многоцветного электролюминесцентного дисплея:

а – с использованием цветных люминофоров; б – с использование цветных фильтров

Устройство многоцветного дисплея с использованием люминофора с широким спектром излучения (рис. 2.39, б) мало отличается по конструкции от черно-белого варианта. Добавляется только система фильтров для получения излучения трех основных цветов. Это, в свою очередь, заставляет «инвертировать» всю конструкцию относительно наблюдателя изображения из-за того, что свет, прежде чем попасть на выход прибора, должен пройти через фильтр. Основным преимуществом такой конструкции является большая простота производства, хорошая согласованность между цветами и прекрасная контрастность, так как большая часть фонового светового потока поглощается фильтрами. Главной же трудностью этого варианта является сложность получения высокой интенсивности свечения широкозонного люминофора. Это обусловлено очень маленькой эффективностью фильтров, поглощающих до 80 % падающего света.

85

2.6.4. Жидкокристаллические дисплеи

Принцип действия жидкокристаллического дисплея (ЖКД), как это следует из названия, основан на свойствах материала с одноименным названием.

Жидкими кристаллами (ЖК) называют особое состояние некоторых органических веществ, в котором они, обладая некоторыми свойствами жидкости (например, текучесть), сохраняют определенную упорядоченность в расположении молекул. В соответствии с этим ЖК обладают анизотропией ряда физических свойств, которая характерна обычно для кристаллов. Чаще всего вещества, обладающие свойствами ЖК, состоят из молекул, имеющих удлиненную «палочкообразную» форму. Такая форма молекул и определяет приблизительную параллельность их взаимного расположения. Такое расположение является одним из основных признаков структуры ЖК.

Для устройства ЖК дисплея обычно используются нематические жидкие кристаллы (рис. 2.40).

Рис. 2.40. Структура нематического жидкого кристалла

Как видно из рис. 2.40, удлиненные молекулы такого кристалла параллельны, но сдвинуты вдоль своих осей одна относительно другой на произвольное расстояние. Такой ЖК помещается между двумя стеклянными пластинами, которые имеют специальный рельеф (бороздки), задающий направленность молекул в двух крайних слоях ЖК. Уточним, что бороздки расположены таким образом, что все они параллельны друг другу на одной пластине, но перпендикулярны таковым на второй подложке. Бороздки нужны для того, чтобы молекулы в

86

первом слое ЖК, соприкасаясь с ним, получили одинаковую начальную ориентацию во всех пикселях. Они стараются «улечься» вдоль этого направления. Но из-за того что направления бороздок на обкладках ортогональны друг другу, молекулы плавно поворачиваются на 90 по мере удаления от одной обкладки к другой. Можно образно сказать, что молекулы ЖК «скручиваются» по спирали в промежутке между двумя пластинами и соответственно поворачивается плоскость поляризации падающего на пластину излучения.

Иначе говоря, молекулы ЖК нематика обладают способностью поворачивать вектор поляризации световой волны на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной распространению луча. Полученную конструкцию, в свою очередь, помещают между соответственно сориентированными и тоже скрещенными поляризаторами. В этом случае плоскость поляризации света, проходящего через ЖК, также «скручивается», и излучение свободно проходит через выходной поляризатор

(рис. 2.41, а).

Если теперь к прозрачным электродам, нанесенным на подложки, приложить электрическое напряжение определенной величины, то молекулы ЖК выстроятся по полю, вращение плоскости поляризации не

V

Электрическое напряжение на электродах отсутствует

Рис. 2.41. Принцип действия ячейки дисплея на основе тонкого слоя ЖК, заключенного между скрещенными поляризатором и анализатором (на каждый из них нанесен прозрачный электрод для подачи модулирующего напряжения)

87

будет иметь места, и свет не сможет пройти через систему (рис. 2.41, б). Этот процесс взаимодействия электрического поля с ЖК называется «твистнематическим полевым эффектом» (twisted nematic field effect). Понятно, что меньшие по сравнению с запирающими напряжения лишь уменьшат угол поворота поляризации, и тогда только определенная часть светового потока сможет пройти через описанную систему.

Следовательно, изменение напряжения может в любых пределах модулировать интенсивность проходящего света, пропорционального уровню информационного сигнала. Изменения поляризационного состояния ЖК полностью обратимы. При снятии электрического напряжения материал возвращается в исходное состояние, причем с достаточно большой скоростью.

Для получения сложной информации в виде текста или изображения надо на обкладках описанной конструкции расположить большое количество изолированных друг от друга электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных выбранных по программе точках.

В качестве элемента, управляющего напряжением на прозрачных электродах, наиболее широко в настоящее время используются матрицы тонкопленочных полевых транзисторов (ТПТ) с изолированным затвором. На рис. 2.42, а приведена схематическая структура одной из возможных конструкций такого прибора, встроенного в общую схему пикселя для модуляции проходящего света, где можно видеть поперечный разрез отдельной ячейки ЖКД, где кроме описанных ранее элементов включен еще и управляющий ТПТ.

На стеклянной подложке, объединенной с поляризатором, нанесен тонкий слой аморфного или поликристаллического кремния, в котором формируется МДП-транзистор. Он состоит, как обычно, из металлического затвора, диэлектрика, отделяющего его от полупроводника, и двух электродов к истоку и стоку, формируемых в полупроводнике.

На рис. 2.42, б изображена принципиальная схема включения тонкопленочного транзистора в систему управления состоянием ЖК ячейки.

Тонкопленочный полевой транзистор, как было сказано, формируется в аморфном либо поликристаллическом полупроводнике на стеклянной подложке. Получение поликристаллического кремния из аморфного, нанесенного на стекло, производится отжигом. В этом случае, так же как и для люминесцентного дисплея, наиболее существен вопрос о температуре процесса кристаллизации. Самым прогрессивным можно считать применение метода лазерной кристаллизации [12–14].

88

Рис. 2.42. В нижней части рисунка (а) изображена структура тонкопленочного полевого транзистора в составе ячейки ЖКД; б – схема соединения элементов ТПТ с контактными линиями, по которым подается внешний информаци-

онный сигнал

В этом случае удается получить текстурированные пленки поликремния даже на стеклянных подложках с температурой размягчения ниже

350С.

Вработе [14] описан также новый тип жидкокристаллического ма-

териала – жидкокристаллический композит. Он представляет собой закапсулированные в полимерную матрицу различные типы ЖК (КПЖК). Полученные пленки позволяют упростить технологию ЖКД за счет отказа от поляризаторов, а возможно и цветных фильтров [15, 16].

Каждый ТПТ соединен с контактными линиями истока и затвора. Контакт стока подключен к прозрачному электроду, играющему роль обкладки конденсатора, диэлектриком которого служит ЖК. Когда на линии истока или затвора приходит информационный сигнал, то соответствующая конденсаторная ячейка быстро заряжается током, протекающим через транзистор, и пропускание света модулируется.

Топологическое расположение перечисленных элементов пикселя показано на рис. 2.43, откуда ясно, что сам ТПТ занимает очень малую часть его рабочей площади, а все остальное занято полупрозрачным модулирующим электродом.

89

ТПТ

Шина затвора

Истоковая шина

Стоковый

электрод

Рис. 2.43. Топология ячейки ЖКД:

а – схема расположения элементов пикселя; б – фотография фрагмента матрицы ЖКД и отдельного пикселя. Шаг расположения пикселей

120…150 мкм

В случае изготовления цветных ЖКД к описанной конструкции прибавляются еще и цветные фильтры на каждый пиксель, как это было и в случае электролюминесцентных дисплеев. Расположение таких фильтров в общей схеме ЖКД показано на рис. 2.44.

Для полноты картины необходимо напомнить, что заполнение жидкокристаллическим веществом межэлектродного пространства требует сохранения параллельности подложек, на которых формируется вся инфраструктура ЖКД. Это осуществляется расположением между

Рис. 2.44. Разрез ЖКД, показывающий схему взаимного расположения элементов

90