L'invention concerne un dispositif optoélectronique organique et une matrice de tels dispositifs, de type OLED (acronyme anglais de Organic Light- Emitting Diode pour diode électroluminescente organique).

Les diodes électroluminescentes organiques présentent des avantages en termes de flexibilité, de coût de fabrication et de compacité pour des applications d' affichage. Certaines applications des OLED, telles que la réalisation d'écrans d' affichage ou de diodes laser organiques, peuvent nécessiter des luminances élevées, de l'ordre de la centaine de cd.m ^"2 .

Une augmentation de la densité de courant imposée à une OLED permet d' augmenter sa luminance. Pour une forte densité de courant, la zone d'émission lumineuse d'une OLED comprend une très forte densité d'excitons, entraînant des annihilations d'excitons et ainsi une diminution de l'efficacité du dispositif. De manière générale, une annihilation d'excitons peut être entraînée par des interactions entre deux excitons singulets, entre un exciton singulet et un exciton triplet, entre un exciton singulet et polaron et entre exciton singulet et la chaleur.

Hayashi, Kyohei, et al. ("Suppression of roll-off characteristics of organic light-emitting diodes by narrowing current injection/transport area to 50 nm. " Applied Physics Letters 106.9, 2015 : 093301) ont apporté une solution à ce problème en diminuant la taille des OLED, permettant d'identifier deux régions : une région de courant de porteurs de charge, de recombinaison et de formation des excitons, et une région de désintégration des excitons.

La figure 1 illustre schématiquement la coupe d'un dispositif réalisé selon l' art antérieur par Hayashi, Kyohei, et al. Le dispositif 1 comporte une première électrode 4, par exemple fabriquée en oxyde d'indium-étain (ITO), déposée sur un substrat (non représenté), par exemple en verre. Une couche électriquement isolante 8, par exemple en résine, est déposée selon un motif sur la première électrode 4. Le motif est par exemple réalisé par lithographie à faisceau d'électrons. Une couche d'injection des trous 5, une couche d'émission 7 (adaptée pour émettre un rayonnement lumineux) et une couche d'injection des électrons 6 sont successivement déposées sur la première électrode 4 et sur la couche électriquement isolante 8. Enfin, une seconde électrode 3 est déposée sur l'ensemble des couches.

La zone dans laquelle la couche électriquement isolante 8 est gravée correspond à une zone active 1 1 , dans laquelle le transport de porteurs de charge et la formation des excitons sont majoritairement confinés.

La figure 2 illustre la densité d'exciton en fonction de la largeur de l' OLED (ou composant), pour une OLED typique. La largeur du composant est définie comme la largeur de la zone active 11 , c'est-à-dire la distance représentée par la double flèche correspondant à la zone active 11 dans la figure 1. Typiquement, la largeur d'une OLED peut être de 4 mm. La figure 2 illustre le confinement des excitons à l'intérieur de la zone active 1 1. Les excitons sont dans ce cas confinés dans une zone correspondant à la zone de courant de porteurs de charge, de recombinaison et de formation des excitons.

La figure 3 illustre la densité d'exciton dans une OLED divulguée par Hayashi, Kyohei, et al. La largeur de l' OLED est de 50 nm. La réalisation d'une OLED de cette taille peut-être obtenue en gravant, le long d'une ligne d'une largeur de 50 nm, la couche électriquement isolante 8 par lithographie à faisceau d'électrons. Le courant de porteurs de charge, la recombinaison et la formation des excitons ont lieu dans la zone active 1 1. Mais dans ce cas, les excitons singulets générés diffusent dans la couche d'émission 7 pendant leur durée de vie, en partie en dehors de la zone active 11. La densité d'exciton (diffuse) est aussi représentée dans la figure 1 par les différents niveaux de gris de la couche d'émission 7. Ainsi, une quantité significative d'excitons se trouve en dehors de la zone active 11. La figure 4 illustre l'efficacité quantique externe r| _ext de différentes OLED selon l' art antérieur. Les courbes (a), (b), (c), (d), (e), (f) et (g) correspondent respectivement à des OLED dont la largeur de la zone active 1 1 est de 2 mm, 1 μιη, 400 nm, 200 nm, 100 nm, 50 nm et 50 nm. La courbe (a) illustre la diminution de l'efficacité quantique externe d'une OLED typique (de largeur égale à 2 mm) lors de l' augmentation de la densité de courant imposée par une tension entre une première électrode 4 et une seconde électrode 3. L'extrémité droite de la courbe (a) correspond à une rupture de l' OLED. Cette rupture, à une densité de courant élevée, peut être attribué à la fusion des couches organiques 5, 6, 7. En effet, la résistance des couches organiques entraîne une augmentation de leur température par effet Joule lors d'une augmentation de la densité de courant. Pour une efficacité quantique externe de 1 %, une OLED dont la largeur est de 50 nm est caractérisée par une densité de courant égale 10 ⁴ mA/cm ² tandis qu'une OLED de référence, d'une largeur de 2 mm, est caractérisée par une densité de courant inférieure de plusieurs ordres de grandeur et égale à 350 mA/cm ² .

La luminance surfacique d'une OLED est une fonction croissante, à efficacité quantique externe constante, de la densité de courant appliquée à l' OLED. La réalisation d'un système d' affichage comportant des OLED de dimension nanométrique peut donc théoriquement permettre une luminosité plus élevée par une unité de surface. En revanche, la taille d'un pixel, par exemple comprenant une OLED et un système d' adressage, ne convient pas à la réalisation d'un écran standard. L'invention vise à remédier aux inconvénients précités de l' art antérieur, et plus particulièrement à réaliser un dispositif optoélectronique matriciel, comprenant des OLED nanométriques, adapté à l' affichage.

Un objet de l'invention permettant d' atteindre ce but, partiellement ou totalement, est un dispositif optoélectronique comprenant : - une première électrode ; une couche déposée sur ladite première électrode selon un motif définissant une matrice de zones dites actives (1 1), dans lesquelles ladite couche 8 n'est pas déposée, une structure multicouche organique agencée au dessus de ladite première électrode et de ladite couche déposée sur ladite première électrode, ladite structure multicouche organique étant adaptée pour émettre un rayonnement lumineux ; une seconde électrode déposée au dessus de ladite structure multicouche organique ; un rapport d'une conductivité électrique de la première électrode sur une conductivité électrique de la couche déposée sur ladite électrode étant au moins supérieur à 5, la largeur minimale de chaque dite zone active étant inférieure ou égale à vingt fois une longueur caractéristique de diffusion des excitons dans ladite structure multicouche organique.

Selon un mode de réalisation la couche déposée sur la première électrode est électriquement isolante.

Selon un autre mode de réalisation la couche déposée sur la première électrode comprend un oxyde transparent conducteur.

Avantageusement la première électrode est métallique ou en ITO. Avantageusement, la largeur minimale de chaque dite zone active du dispositif est inférieure ou égale à 200 nm.

Avantageusement, la largeur minimale de chaque dite zone active du dispositif est inférieure ou égale à vingt fois la longueur caractéristique de diffusion des excitons singulets dans ladite structure multicouche organique. Avantageusement, la distance maximale entre deux dites zones actives voisines du dispositif est inférieure ou égale à vingt fois une longueur caractéristique de diffusion des excitons.

Avantageusement, la structure multicouche organique du dispositif comprend: - une couche d'injection des trous ; une couche d'injection des électrons ; une couche d'émission ; et ladite couche d'émission est agencée entre ladite couche d'injection des trous et ladite couche d'injection des électrons. Avantageusement, ladite couche d'injections de trous du dispositif est en contact avec ladite couche déposée sur la première électrode et avec ladite première électrode dans lesdites zones actives. Avantageusement, l' aire de l'ensemble des zones actives du dispositif est strictement supérieure à 10 % de l' aire de ladite première électrode et strictement inférieure à 90 % de l' aire de ladite première électrode.

Avantageusement, la géométrie du contour desdites zones actives du dispositif est choisie parmi une géométrie circulaire, rectangulaire, carrée, linéaire et hexagonale.

Avantageusement, une dite matrice de dites zones actives du dispositif est agencée selon un réseau choisi parmi un réseau orthorhombique et un réseau hexagonal.

Un autre objet de l'invention est un dispositif optoélectronique matriciel, comprenant un substrat, une pluralité de dispositifs agencés sur ledit substrat et disposés en matrice, et un réseau de parois diélectriques également agencées sur ledit substrat séparant lesdites premières électrodes desdits dispositifs. Avantageusement, le dispositif optoélectronique matriciel comprend une couche d'encapsulation déposée sur chaque dite seconde électrode.

Avantageusement, ledit substrat du dispositif optoélectronique matriciel comprend un circuit électrique adapté à adresser individuellement un potentiel électrique à chaque dite première électrode.

L'invention sera mieux comprise et d' autres avantages, détails et caractéristiques de celle-ci apparaîtront au cours de la description explicative qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 5 illustre schématiquement un dispositif optoélectronique selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 6 illustre schématiquement, en vue de dessus, différentes configurations d'une matrice de zones actives d'un dispositif optoélectronique ; la figure 7 illustre schématiquement une section d'un dispositif optoélectronique matriciel comprenant une matrice de dispositifs optoélectroniques ; - la figure 8 illustre schématiquement, en vue de dessus, un dispositif optoélectronique matriciel.

La figure 5 illustre schématiquement un dispositif optoélectronique 13 selon un mode de réalisation de l'invention. Le panneau A de la figure 5 illustre une section du dispositif optoélectronique 13. Le panneau B de la figure 5 illustre une vue de dessus d'un dispositif optoélectronique 13. La ligne en pointillés du panneau B correspond au plan de section de l'illustration du panneau A de la figure 5. Le dispositif optoélectronique 13 selon le mode de réalisation de l'invention illustré comprend une première électrode 4. Cette première électrode peut être supportée par un substrat 2 (non illustré dans la figure 5). Le matériau d'une première électrode 4 peut être un métal, tel que l' argent, ou un matériau optiquement transparent, comme de l'oxyde d'indium-étain (ITO) par exemple.

Une couche 8 est déposée sur la première électrode 4, selon un motif définissant une matrice de zones dites zones actives 11 , dans lesquelles la couche 8 n'est pas déposée.

Selon un premier mode de réalisation la couche 8 est électriquement isolante.

Cette couche 8 peut être réalisée en résine photoréticulable et peut être gravée par lithographie à faisceau d'électrons, de manière à permettre la réalisation de motifs nanométriques. En variante, la couche électriquement isolante 8 est réalisée en un matériau diélectrique comme de l' alumine (A1 ₂ 0 ₃ ), Ti02, Hf02, Ta205. Ces diélectriques peuvent être notamment déposés par PECVD ou ALD.

Selon un deuxième mode de réalisation la couche 8 est en matériau (faiblement) conducteur, comme un oxyde transparent conducteur, tel AZO, ZnO ou Sn0 ₂ . Préférentiellement une couche 8 en oxyde transparent conducteur est associée à une électrode 4 métallique.

Un avantage du dispositif 13 présentant une couche 8 en oxyde transparent conducteur est que l'on perd moins de luminance que lorsque la couche 8 est dans un matériau diélectrique non transparent, toute la surface restant émissive.

L'épaisseur de la couche 8 peut être comprise entre 0,5 nm et 50 nm, préférentiellement entre 0.5 nm et 20 nm, et plus préférentiellement entre 0.5 et 5 nm. Une très faible épaisseur de la couche 8 limite les perturbations de la structure organique 17 déposée par dessus. Les zones dans lesquelles la couche 8 n'est pas déposée sur la première électrode 4 correspondent aux contours des zones actives 1 1 dans le plan principal du dispositif optoélectronique 13. Dans une direction normale à ce plan, une zone active 1 1 s'étend sur l'ensemble des couches du dispositif optoélectronique 13. Ces zones 1 1 sont illustrées par des rectangles en pointillés dans le panneau A de la figure 5 et par des carrés gris clair dans le panneau B de la figure 5. La surface en gris foncé dans le panneau B de la figure 5 correspond à la zone dans laquelle est déposée la couche 8.

Les parties restantes de la couche 8 définissent des plots situés sur l'électrode 4, qui reste uniforme en épaisseur et sensiblement plane. Une structure multicouche organique 17 est déposée sur la première électrode 4 et sur la couche 8. La structure multicouche organique 17 est commune à l'ensemble du dispositif optoélectronique 13. La structure multicouche organique 17 comprend par exemple une couche de collection des électrons 5, une couche d'injection des électrons 6 et une couche d'émission 7. La couche d'émission 7 est agencée entre la couche d'injection de trous 5 et la couche d'injection des électrons 6. La couche d'émission 7 est une couche organique adaptée pour émettre un rayonnement lumineux, par exemple par recombinaison d'excitons en photons. Des couches complémentaires de transport de trous et/ou de transport d'électrons peuvent également être prévues entre les couches d'injection et la couche d'émission. La structure multicouche organique 17 peut être déposée par enductions successives de matériaux organiques dans un solvant. Une seconde électrode 3 est déposée sur la structure multicouche organique 17. Cette seconde électrode 3 peut être transparente. La couche d' injection de trous 5 peut être directement déposée (c'est-à-dire en contact direct) sur la couche 8 et sur la première électrode 4, dite dans ce cas anode. Cet agencement définit une structure dite directe du dispositif optoélectronique 13. La couche d' injection des électrons 6 peut être directement déposée sur la couche 8 et sur la première électrode 4, dite dans ce cas cathode. Cet agencement définit une structure dite inverse du dispositif optoélectronique 13.

Préférentiellement la conductivité électrique de la première électrode 4 est très supérieure à la conductivité électrique de la couche 8 formant les plots : un rapport de la conductivité électrique de la première électrode 4 sur la conductivité électrique de la couche 8 est au moins supérieur à 5, préférentiellement supérieur à 10 ou 100 ce qui permet la création d'une alternance de zones à fort champ électrique (au niveau des zones actives) et de zones de champ électrique plus faible (au niveau des plots restant de la couche 8) favorisant la diffusion latérale des excitons dans ces zones à plus faible champ, et ce d' autant plus que l' écart de champ est important. Une matrice de pixels passifs est définie par la structure des modes de réalisations illustrés en figure 5 : chaque zone active 1 1 , ou pixel passif, correspond à une OLED individuelle, dans laquelle un courant électrique peut traverser la zone 1 1 entre la première électrode 4 et la seconde électrode 3. Des excitons peuvent diffuser en dehors d'une zone active 1 1 , comme illustré dans la figure 3. Cette diffusion peut être caractérisée par une longueur de diffusion. La diffusion des excitons singulets est par exemple décrite par l' équation suivante : dans laquelle D _S = L ² _D /T et R = J /( qd) , D _s étant la constante de diffusion d'un exciton singulet, x la longueur suivant un axe compris dans le plan principal du dispositif optoélectronique 13, [S ] la densité d' exciton singulet, [T ] la densité d' exciton triplet, L _D la longueur de diffusion caractéristique des excitons singulets dans la couche d' émission 7, τ la durée de vie caractéristique d'un exciton singulet, R le taux de génération d' exciton, q la charge électrique, d l' épaisseur de la zone de recombinaison, k _r le taux de désexcitation radiative, k _nr le taux de désexcitation non radiative, k _isc le taux d' échange intersystème, k _risc le taux d'échange intersystème inverse, k _tta le taux d' annihilation exciton triplet- exciton triplet, J la densité surfacique de courant électrique. Ces paramètres sont dépendants des matériaux utilisés pour la réalisation d'un dispositif optoélectronique 13 et peuvent être mesurés par l'homme du métier selon les méthodes divulguées dans Hofmann, Simone, et al., "Singlet exciton diffusion length in organic light-emitting diodes. " Physical Review B 85.24 (2012), 245209.

Les dimensions des zones actives 1 1 sont adaptées à reproduire l'effet technique d'une OLED divulguée dans Hayashi, Kyohei, et al. Dans l'ensemble des modes de réalisation de l'invention, la largeur minimale de chaque zone active 1 1 est inférieure ou égale à vingt fois une longueur caractéristique de diffusion des excitons. Cette largeur minimale des zone active 1 1 permet une séparation, au moins partielle, d'une région de courant de porteurs de charge, de recombinaison et de formation des excitons, et d'une région de désintégration des excitons. Avantageusement, la largeur minimale de chaque zone active 11 d'un dispositif 13 est inférieure ou égale à 200 nm, préférentiellement inférieure ou égale à 100 nm, et préférentiellement inférieure ou égale à 50 nm. Dans un dispositif OLED de référence (dont la largeur minimale d'une zone active est par exemple de 2mm) et pour une efficacité quantique externe r| _ext de 1 , la densité surfacique de courant est typiquement de 350 mA/cm ² . A r| _ext constant, la densité surfacique de courant d'une OLED de largeur minimale de 50 nm est typiquement de 10 000 mA/cm ² . Le rapport de la luminance par unité de surface entre une OLED de largeur minimal de 50 nm et une OLED de référence est donc 28 à r| _ext constant. En considérant que les zones actives 1 1 couvrent 50 % de la surface d'un plan principal du dispositif optoélectronique 13, la luminance d'un dispositif optoélectronique 13 peut être 14 fois supérieure, à surface de dispositif égale, à celle d'une OLED de référence, lorsque la couche 8 est isolante. Les inventeurs ont découvert que pour une surface de dispositif égale, un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, dont la surface de l'ensemble des zones actives 11 est inférieure à la surface d'un dispositif de référence, peut émettre plus de lumière. Dans le cas où la couche 8 est conductrice, on obtient un résultat intermédiaire : la surface émissive est plus grande que dans le cas où la couche 8 est isolante (elle correspondant alors à toute la surface du dispositif optoélectronique 13) mais l'effet de dilution des excitons est moins important et donc la luminance par unité de surface dans les zones actives est plus faible que dans le cas où la couche 8 est isolante en restant néanmoins plus grande qu'en l' absence de la couche 8.

Les flèches noires de la figure 5 illustrent des émissions lumineuses dirigées vers le haut du dispositif optoélectronique 13 provenant de la structure multicouche organique 17 de différentes zones actives 1 1. Dans le mode de réalisation de l'invention illustré, les différentes couches agencées au dessus de la structure multicouche organique 17 sont aptes à transmettre une émission lumineuse. Les émissions lumineuses de la structure multicouche organique 17 d'une zone active 11 peuvent aussi être dirigées vers le bas du dispositif optoélectronique 13. Un substrat 2 transparent, par exemple en verre, permet dans ce cas de transmettre les émissions lumineuses.

La figure 6 illustre schématiquement, en vue de dessus, différentes configurations d'une matrice de zones actives 1 1 d'un dispositif optoélectronique 13. Le panneau A de la figure 6 illustre schématiquement un agencement de zones actives 1 1 selon un réseau orthorhombique primitif. Dans cet exemple, chaque zone active 1 1 est délimitée par un contour carré dans un plan principal du dispositif optoélectronique 13. Les zones actives 1 1 correspondent aux carrés gris clair et la zone dans laquelle est déposée une couche 8 correspond à la zone gris foncé. Le panneau B de la figure 6 illustre schématiquement un agencement de zones actives 1 1 selon un réseau hexagonal primitif. Dans cet exemple, chaque zone active 1 1 est délimitée par un contour carré dans un plan principal du dispositif optoélectronique 13. Le panneau C de la figure 6 illustre schématiquement un agencement de zones actives 11 selon un réseau orthorhombique primitif. Dans cet exemple, chaque zone active 1 1 est délimitée par un contour circulaire dans un plan principal du dispositif optoélectronique 13. Le panneau D de la figure 6 illustre schématiquement un agencement de zones actives 1 1 selon un réseau hexagonal primitif. Dans cet exemple, chaque zone active 1 1 est délimitée par un contour circulaire dans un plan principal du dispositif optoélectronique 13. Dans des variantes, la géométrie du contour des zones actives 1 1 peut être choisie parmi d' autres formes : elle peut être ovale, rectangulaire, linéaire ou hexagonale. Avantageusement, le pas d'un réseau régulier de zones actives 1 1 et l' aire de chacune des zones actives 1 1 peuvent être optimisés pour maximiser la luminance d'un dispositif optoélectronique 13. Par exemple, pour une géométrie et une aire données d'une zone active 1 1 et pour une matrice de zones actives 11 sensiblement identiques, on peut trouver un pas optimisant la luminance du dispositif optoélectronique 13. Ainsi, la distance maximale entre deux zones actives 11 voisines peut être avantageusement inférieure ou égale à vingt fois une distance caractéristique de diffusion des excitons, préférentiellement inférieure ou égale à dix fois et préférentiellement inférieure ou égale à 5 fois une distance caractéristique de diffusion des excitons. Une variation du pas du réseau et de l' aire d'une zone active 11 entraîne une variation de l' aire de l'ensemble des zones actives 11 du dispositif optoélectronique 13. L' aire de l'ensemble des zones actives 1 1 est avantageusement strictement supérieure à 10 % de l' aire de la première électrode 4 (c'est-à-dire de l' aire du dispositif optoélectronique 13) et préférentiellement strictement supérieure à 30 % de l' aire de la première électrode 4. De plus, l' aire de l'ensemble des zones actives 11 est avantageusement strictement inférieure à 90 % de l' aire de la première électrode 4, et préférentiellement inférieure à 80 % de l' aire de la première électrode 4. Dans une variante, la géométrie du contour des zones actives 11 n'est pas identique. Des zones actives 11 de différentes géométries peuvent être agencées en matrice de manière à optimiser la luminance du dispositif optoélectronique 13.

Les zones actives 11 peuvent aussi être agencées de manière aléatoire, c'est-à-dire que le réseau de zones actives 1 1 n'est pas un réseau régulier. La largeur minimale d'une zone active 11 peut aussi être variable ou polydispersée.

La figure 7 illustre schématiquement une section d'un dispositif optoélectronique matriciel 14 comprenant une matrice de dispositifs optoélectroniques 13. Dans ce mode de réalisation de l'invention, une pluralité de dispositifs optoélectroniques 13 sont agencés sur un substrat 2 et disposés en matrice. Un réseau de parois diélectriques 12 est également agencé sur le substrat 2 et sépare les premières électrodes 4 de chaque dispositif optoélectronique 13. Les parois diélectriques 12 permettent d'isoler électriquement les premières électrodes 4 les unes des autres. Le substrat 2 comprend un circuit électrique 16 adapté à adresser individuellement un potentiel électrique à chaque première électrode 4. Cet adressage peut être réalisé, pour chaque dispositif optoélectronique 13, par un circuit électrique (non illustré) comprenant une ligne de données, une ligne de sélection, un ou plusieurs transistors et une ou plusieurs capacités. L'ensemble comprenant un dispositif optoélectronique 13 et un circuit électrique d' adressage individuel définit un pixel actif. Le dispositif optoélectronique matriciel 14 correspond à une matrice de pixels actifs individuellement adressables, chaque pixel actif comprenant une matrice passive de zones actives 1 1. Une couche d'encapsulation 15 peut être avantageusement déposée sur la ou les secondes électrodes 3 pour protéger les autres couches du dispositif 14.

Les différentes couches de la structure multicouche organique 17 peuvent être communes à l'ensemble du dispositif optoélectronique matriciel 14 comme illustré dans la figure 7. Ces couches peuvent être déposées par enduction centrifuge.

La figure 8 illustre schématiquement en vue de dessus un dispositif optoélectronique matriciel 14. La ligne noire en pointillés correspond à la section illustrée en figure 7. Le dispositif optoélectronique matriciel 14, selon le mode de réalisation de l'invention illustré, comprend une matrice de dispositifs optoélectroniques 13 agencés selon un réseau orthorhombique primitif. Chacun des dispositifs optoélectroniques 13 comporte une matrice de zones actives 1 1 de contours carrés, agencées selon un réseau orthorhombique primitif.