D'AFFICHAGE COMPRENANT UNE PLURALITE DE TELLES DIODES

L'invention porte sur une diode électroluminescente organique (OLED), plus particulièrement du type à émission par le haut. Une telle diode peut être appliquée, en particulier, à l'affichage (écrans OLED) mais se prête également à d'autres applications telles que l'éclairage

L'invention porte également sur un dispositif d'affichage, tel qu'un écran OLED, comprenant une pluralité de telles diodes.

Une OLED est constituée d'un empilement de couches organiques semi-conductrices comprenant au moins une couche émissive, situé entre deux électrodes, très souvent métalliques. L'empilement organique est constitué au moins d'une couche de transport de trous, une couche d'émission (électroluminescente) et une couche de transport d'électrons. L'épaisseur de la zone organique est généralement fixée autour des 100 nm, de sorte à former une cavité Fabry-Pérot demi-onde pour le visible (l'indice optique des couches organiques est typiquement de l'ordre de 1 ,7). L'application d'une différence de potentiel entre les électrodes injecte dans l'empilement organique des électrons et trous qui se recombinent de manière radiative dans la couche émissive.

Les émetteurs sont à une distance assez faible des électrodes vis-à-vis de la longueur d'onde, ce qui engendre l'excitation de plasmons à la surface des électrodes, outre le mode Fabry-Pérot vertical radiatif utile. Ces plasmons sont des modes guidés planaires, totalement absorbés par le métal au bout d'une certaine distance de propagation latérale.

Le document WO 2014/191733 décrit une diode électroluminescente organique à émission par le haut (c'est-à-dire par la surface opposée à celle du substrat), dans laquelle l'électrode supérieure, à travers laquelle la lumière est émise, est structurée périodiquement de manière à former un réseau de diffraction. Le document US 2013/0153861 , quant à lui, décrit une diode électroluminescente organique à émission par le bas (c'est-à-dire à travers le substrat) dans laquelle c'est l'électrode inférieure qui est structurée. De même, le document WO 2014/069573 A1 décrit une diode électroluminescente organique à émission par le bas dans laquelle l'électrode inférieure comprend au moins une région en contact électrique avec l'empilement de couches organiques et la ou les régions en contact avec les couches organiques présentent une géométrie adaptée permettant l'excitation d'un mode plasmon à la longueur d'onde d'émission. Dans les trois cas, le couplage avec le réseau permet - d'une manière connue en soi - d'extraire les plasmons et les modes Fabry-Pérot, améliorant ainsi le rendement radiatif.

Cette approche permet d'extraire une partie de l'énergie des plasmons, mais pas d'éliminer complètement les pertes associées à ces derniers. Ainsi, le rendement reste bien inférieur à 50%. En outre, dans le cas d'une diode à émission par le haut (WO 2014/191733), la structuration de l'électrode supérieure risque de détériorer l'empilement organique.

L'invention vise à surmonter les inconvénients de l'art antérieur. Plus particulièrement, elle vise à procurer une diode électroluminescente organique, notamment à émission par le haut, présentant un rendement radiatif plus élevé de ce qui est rendu possible par l'art antérieur.

Conformément à l'invention ce but est atteint en utilisant un empilement organique aminci, incapable de supporter des modes de Fabry- Pérot à ses longueurs d'onde d'émission, et une électrode inférieure structurée sous forme de plots conducteurs de dimensions opportunes. Les plots conducteurs forment, avec l'électrode supérieure continue, des résonateurs pour les plasmons. Ainsi, au lieu d'avoir des plasmons qui se propagent à la surface d'une électrode non structurée jusqu'à être complètement absorbés, on génère des modes plasmons localisés (ondes stationnaires) qui sont diffractés par les bords des plots et se couplent avec des modes électromagnétiques rayonnés qui se propagent en dehors de l'OLED. On remarquera que le principe de fonctionnement est fondamentalement différent de celui d'une OLED conventionnelle, à cavité Fabry-Pérot et que les plasmons, au lieu d'être une source de pertes, sont à l'origine de l'émission lumineuse. Cela est rendu possible par le fait qu'il s'agit de plasmons localisés, et non propagatifs comme dans l'art antérieur.

Une OLED selon l'invention présente un spectre d'émission plus étroit que celui d'une diode conventionnelle comprenant une même couche électroluminescente, le pic d'émission dépendant de la géométrie des plots conducteurs.

Un objet de l'invention est donc une diode électroluminescente organique comprenant une première électrode, un empilement de couches organiques semi-conductrices, comprenant au moins une couche organique électroluminescente, déposé au-dessus de ladite première électrode et une seconde électrode déposée sur une surface dudit empilement opposée à ladite première électrode, la première et la deuxième électrode et l'empilement de couches organiques semi-conductrices formant une cavité optique de type Fabry-Pérot, caractérisée en ce que ledit empilement de couches organiques semi-conductrices présente une épaisseur insuffisante pour permettre l'existence d'un mode de Fabry-Pérot dans ladite cavité à au moins une longueur d'onde d'émission de ladite couche organique électroluminescente, et en ce que ladite première électrode comprend au moins une région en contact électrique avec l'empilement de couches organiques semi-conductrices, entourée par une ou plusieurs régions électriquement isolées dudit empilement, ladite ou chaque dite région en contact électrique avec l'empilement présentant une géométrie adaptée pour permettre l'excitation d'un mode plasmon localisé à ladite longueur d'onde d'émission de ladite couche organique électroluminescente.

Selon un mode de réalisation particulier d'une telle diode électroluminescente organique, ladite ou chaque dite région de la première électrode en contact électrique avec l'empilement de couches organiques semi-conductrices peut présenter au moins une dimension latérale égale à

X

/H + 1)— _; OÙ _{m es} t _{u n} entier supérieur ou égal à zéro, λ ladite

2n _

longueur d'onde et n _eff un indice de réfraction effectif pour des plasmons localisés entre les électrodes dans l'empilement de couches organiques semi- conductrices. Plus particulièrement, ladite dimension latérale peut être égale à λ

² Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une telle diode électroluminescente organique comprenant :

une étape de structuration d'une couche métallique constituant ladite première électrode, par gravure de la ou des régions destinées à être électriquement isolées dudit empilement de couches organiques semi-conductrices ;

une étape de dépôt d'une couche diélectrique au-dessus de la première électrode structurée ;

une étape de dégagement d'au moins une région non gravée de la première électrode, destinée à être en contact électrique avec ledit empilement de couches organiques semi-conductrices ; et

- une étape de dépôt dudit empilement de couches organiques semi-conductrices au-dessus de ladite première électrode, et de la seconde électrode sur une surface dudit empilement opposée à ladite première électrode.

Encore un autre objet de l'invention est un dispositif d'affichage comprenant une matrice de premières électrodes, un empilement de couches organiques semi-conductrices, comprenant au moins une couche organique électroluminescente, déposé au-dessus de ladite première électrode et une seconde électrode déposée sur une surface dudit empilement opposée à ladite matrice de premières électrodes, chaque première électrode formant, avec la deuxième électrode et l'empilement de couches organiques semi-conductrices, une cavité optique de type Fabry- Pérot, caractérisé en ce que :

ledit empilement de couches organiques semi- conductrices présente une épaisseur insuffisante pour permettre l'existence d'un mode de Fabry-Pérot dans lesdites cavités dans au moins une portion du spectre d'émission de ladite couche organique électroluminescente ; et

ladite matrice comprend une pluralité de familles de premières électrodes, les premières électrodes d'une même famille présentant des géométries adaptées pour permettre l'excitation d'un mode plasmon localisé à une même longueur d'onde dudit spectre d'émission de ladite couche organique électroluminescente, différente de celle des autres familles.

Selon un mode de réalisation particulier d'un tel dispositif d'affichage, ladite ou chaque dite première électrode peut présenter au moins

À

une dimension latérale égale à i)— _{; ou m es} t _{u n} entier

2n _

supérieur ou égal à zéro, λ ladite longueur d'onde et n _eff un indice de réfraction effectif pour des plasmons localisés entre les électrodes dans l'empilement de couches organiques semi-conductrices. Plus

λ

particulièrement, ladite dimension latérale peut être égale à _

2n _

Encore un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un tel dispositif d'affichage comprenant :

une étape de structuration par gravure d'une couche métallique, définissant des régions non gravées constituant lesdites premières électrodes ;

une étape de dépôt d'une couche diélectrique au-dessus de la couche métallique structurée ;

une étape de dégagement desdites premières électrodes ; et

- une étape de dépôt dudit empilement de couches organiques semi-conductrices au-dessus desdites premières électrodes, et de la seconde électrode sur une surface dudit empilement opposée auxdites premières électrodes. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :

la figure 1 , une OLED selon l'art antérieur ;

- la figure 2, un graphique du rendement radiatif de l'OLED de la figure 1 en fonction de la longueur d'onde d'émission ;

la figure 3, une OLED selon un mode de réalisation de l'invention ;

la figure 4, un graphique du rendement radiatif de l'OLED de la figure 3 à la longueur d'onde de 550 nm en fonction de l'épaisseur de son empilement de couches organiques semi-conductrices ;

la figure 5, un graphique du rendement radiatif de l'OLED de la figure 3 en fonction de la longueur d'onde d'émission ; et

la figure 6, un dispositif d'affichage selon un autre mode de réalisation de l'invention.

La diode électroluminescente organique de la figure 1 (qui n'est pas à l'échelle) comprend, en partant du bas :

Un substrat SUB qui peut être par exemple en verre ou silicium.

- Une électrode inférieure EL1 , en alliage AlCu, déposée

(par exemple, par dépôt physique par phase vapeur - PVD de l'anglais « Physical Vapor Déposition ») au-dessus d'une surface du substrat. Cette électrode est opaque et peut être relativement épaisse (plusieurs centaines de nanomètres, voire quelques micromètres).

- Une couche tampon CT en TiN, déposée par exemple par

PVD, PECVD (de l'anglais « Plasma-Enhanced Chemical Vapor Déposition », dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma) ou ALD (de l'anglais « Atomic Layer Déposition », dépôt de couches atomiques), présentant une épaisseur avantageusement inférieure à 10 nm pour éviter une absorption trop forte et perdre la quantité de lumière réfléchie sur l'électrode EL1 , typiquement de l'ordre de 5 nm. Un empilement organique EO, déposé par exemple par voie liquide ou PVD, d'épaisseur comprise typiquement entre 80 et 300nm, par exemple 100 nm. Au centre de cet empilement se trouve une couche électroluminescente, présentant une émission centrée à la longueur d'onde de 550 nm. La figure ne montre pas cette couche, mais seulement un émetteur ponctuel (un point de la couche) EP. La référence RE représente le rayonnement lumineux émis par l'émetteur ponctuel et se propageant selon une direction sensiblement normale à la surface du substrat. Comme cela a été expliqué plus haut, l'épaisseur de l'empilement EO est choisie égale à λ/2η ₀ ι_Εϋ, où λ est une longueur d'onde appartenant au spectre d'émission de la couche électroluminescente (de préférence la longueur d'onde centrale, ou correspondant au pic d'émissivité) et n ₀ i_ED l'indice de réfraction moyen de l'empilement à cette longueur d'onde. De cette façon, l'empilement forme une cavité de Fabry-Pérot pour le rayonnement émis.

La référence PL désigne les plasmons guidés par les interfaces entre l'empilement organique et les électrodes inférieure et supérieure, sources de pertes.

Une électrode supérieure EL2, déposée au-dessus de l'empilement organique, en Ag et ayant une épaisseur de 10 nm - suffisamment faible pour être sensiblement transparente.

Une structure d'encapsulation SE recouvrant l'électrode supérieure afin de protéger l'empilement organique de l'oxygène atmosphérique et plus généralement de toute contamination. Dans le dispositif de la figure 1 , cette structure d'encapsulation est constituée d'une couche en SiO _x (x<2), fabriquée par exemple par PVD, présentant une épaisseur de 25 nm. D'autres modes de réalisation peuvent comprendre des structures d'encapsulation multicouches, plus performantes. Par exemple, il peut être avantageux de prévoir, au-dessus de la couche en SiO ₂ , une deuxième couche en TiO ₂ ou AI ₂ O ₃ réalisée par dépôt de couches atomiques (ALD, de l'anglais « Atomic Layer Déposition ») pouvant présenter une épaisseur aussi faible que 5 nm. Une telle couche, très compacte, améliore sensiblement l'étanchéité de l'encapsulation. La figure 2 est un graphique du rendement radiatif η _ταά de l'OLED de la figure 1 en fonction de la longueur d'onde d'émission λ. Le rendement radiatif est défini comme le rapport entre la puissance rayonnée Prad et la somme de cette même puissance rayonnée et de la puissance P _a bs absorbée par les électrodes métalliques :

_ Prad

Vrad

^" rad ^" abs

On peut constater que, même dans la région spectrale où il est le plus élevé (550 - 600 nm), ce rendement dépasse à peine 10%. Cela est en grande partie dû aux pertes induites par les plasmons PL.

La figure 3 montre une vue en coupe d'une OLED selon un mode de réalisation de l'invention. Elle se différencie de celle de la figure 1 par deux caractéristiques principales :

L'épaisseur de l'empilement organique EO est réduite de 100 à 50 nm. Cela a deux conséquences : d'une part, cette épaisseur est insuffisante pour permettre l'existence de modes de Fabry-Pérot dans le spectre visible, où se situe l'émission de la couche électroluminescente ; d'autre part, les électrodes supérieure et inférieure sont suffisamment proches pour que leurs modes plasmons soient fortement couplés.

L'électrode inférieure EL1 est structurée en un ensemble de plots conducteurs PC, séparés par des régions isolantes - en pratique des cavités ou sillons obtenus par gravure de l'électrode - et de la couche tampon la recouvrant - et remplis d'un matériau diélectrique tel que SiO ₂ ou une résine.

La géométrie des plots conducteurs PC est choisie de telle façon qu'un mode plasmon localisé PLL peut être confiné entre un plot et la portion d'électrode supérieure EL2 directement en regard. En pratique, les plots ont souvent une forme circulaire ou carrée, voire polygonale ; dans ce cas, ils doivent présenter une dimension latérale L (côté dans le cas d'un carré, diamètre pour un cercle, distance entre deux côtés opposés pour un polygone...) égale à la moitié d'un multiple impair d'une longueur d'onde λ du spectre d'émission de la couche électroluminescente, divisée par un indice de réfraction effectif :

avec m entier supérieur ou égal à 0. L'indice effectif n _eff est plus élevé mais proche de l'indice moyen de l'empilement organique. La configuration optimale consiste au choix m=0. En effet, c'est la diffraction par les bords des plots qui permet aux modes plasmons localisés de « fuir » par couplage avec des modes radiatifs émis RE ; augmenter l'ordre m, et donc la taille du plot, ne fait qu'augmenter l'absorption des plasmons localisés, et donc les pertes.

En considérant un indice effectif de l'ordre de 1 ,7, la largeur d'un plot optimisé pour une émission à 550 nm est d'environ 200nm.

Il est important de comprendre que les résonateurs plasmoniques formés par les plots sont indépendants entre eux. En d'autres termes, il n'y a pas d'effet de réseau : la séparation entre plots n'est pas critique, du moment où elle est suffisante pour éviter un couplage entre les plasmons localisés au niveau de différents plots ; typiquement elle sera supérieure ou égale à 20% de la largeur des plots. Ainsi, il n'est pas nécessaire que la structuration soit périodique, et à la limite l'OLED peut comprendre un seul plot (bien entendu, cela implique une émission lumineuse très concentrée sur une très petite surface, et donc une faible luminosité totale).

Le procédé de fabrication du dispositif de la figure 3 est proche de celui d'une OLED conventionnelle, sauf en ce qu'il comprend également une étape de structuration de l'électrode inférieure et le dépôt d'une couche organique plus mince.

La structuration s'effectue en plusieurs étapes. La première est une gravure de la couche métallique et de la couche tampon CT la recouvrant. A l'issu de cette gravure on effectue le dépôt d'une couche épaisse de diélectrique, typiquement Si0 ₂ , suffisamment épaisse pour remplir les trous entre les parties métalliques. Enfin pour venir dégager les contacts électriques de l'électrode EL1 , on effectue une planarisation, par exemple de type mécano-chimique (CMP de l'anglais « Chemical-Mechanical Planarization »). Ensuite on procède, de manière conventionnelle, au dépôt de l'empilement organique EO (mais en veillant à ce que son épaisseur prenne la valeur voulue, bien plus faible que selon l'art antérieur), de la seconde électrode et de la structure d'encapsulation.

La figure 4 est un graphique du rendement radiatif à λ=550 nm d'une OLED selon l'invention en fonction de l'épaisseur h ₀ ied de l'empilement organique EO, c'est-à-dire de la distance entre électrodes. Les calculs ont été effectués en prenant des plots de largeur L=200 nm. On observe que le rendement est maximisé pour h _O ied=50 nm, où il atteint 55% - supérieur de presque un facteur 5 au cas de l'OLED conventionnelle de la figure 1 - et varie très peu entre 40 et 60 nm.

La figure 5 est un graphique du rendement radiatif à λ=550 nm d'une OLED selon l'invention en fonction de la longueur d'onde λ. Les calculs ont été effectués en prenant des plots de largeur L=200 nm et une distance inter-électrodes h _O i _ed =50 nm. Une comparaison avec la figure 2 permet de noter que l'amélioration du rendement radiatif se produit principalement autour de la longueur d'onde utilisée pour le dimensionnement des plots (550 nm). Ainsi, le spectre d'émission est plus étroit que dans l'art antérieur.

Ce rétrécissement du spectre d'émission est avantageux dans certaines applications, notamment à l'affichage. On peut en effet réaliser un dispositif comprenant une pluralité d'électrodes inférieures individuelles en forme de plots, commandées individuellement et présentant des dimensions différentes de manière à obtenir des spectres d'émission centrés à des longueurs d'onde différentes. Dans le mode de réalisation de la figure 6, le dispositif comprend une matrice d'électrodes inférieures appartenant à deux familles : les électrodes EL1 a présentent une première dimension latérale La, et sont adaptées pour permettre l'émission d'un premier rayonnement REa ; les électrodes ELb présentent une seconde dimension latérale Lb, supérieure à La, et sont adaptées pour permettre l'émission d'un second rayonnement REb de longueur d'onde centrale supérieure à celle de REa. Ces électrodes, sont déposées sur un même substrat SUB et séparées par des régions isolées RI ; elles sont recouvertes d'un empilement organique commun EO (les références EPa, EPb représentent des émetteurs ponctuels à l'intérieur de cet empilement), d'une électrode supérieure commune EL2 et d'une couche d'encapsulation, comme l'OLED de la figure 3. En pratique, on utilisera plutôt des dispositifs d'affichage comprenant des agencements réguliers d'électrodes inférieures de trois familles différentes ou plus. Par exemple, on pourra utiliser des électrodes optimisées pour émettre un rayonnement à dominante rouge, verte et bleue, respectivement, de manière à réaliser un écran RVB dans lequel chaque électrode individuelle correspond à un sous-pixel. Les couleurs obtenues conformément à l'invention sont insuffisamment saturées pour permettre d'éviter le recours à un filtrage coloré des sous-pixels ; cependant l'invention permet de réduire les contraintes sur ce filtrage et/ou d'améliorer le rendu des couleurs.

L'invention a été décrite principalement en référence aux modes de réalisation des figures 3 et 6, mais de nombreuses variantes sont possibles.

L'empilement organique, la deuxième électrode et la structure d'encapsulation sont des éléments conventionnels et peuvent être modifiés de manière connue.

L'électrode inférieure sert généralement de cathode et l'électrode supérieure d'anode, mais l'inverse est également possible.

Les épaisseurs des différentes couches ne sont pas critiques, pourvu que l'empilement organique soit suffisamment mince.

Les plots conducteurs peuvent présenter des formes plus complexes que celles considérées jusqu'ici, par exemple des formes ne pouvant pas être simplement caractérisées par une dimension latérale. Ce qui compte, est qu'elles puissent supporter un mode plasmon localisé à au moins une longueur d'onde d'émission de la couche électroluminescente de l'OLED.