FR3016463A1 - Micro-ecran d'affichage a forte luminance. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un écran d'affichage (100) comprenant une matrice de diodes électroluminescentes (110), couplée à une matrice active (120) pour piloter les diodes électroluminescentes. Chaque diode électroluminescente de la matrice de diodes électroluminescentes (110) correspond à un plot (111). L'écran selon l'invention comprend une structure réfléchissante (130) s'étendant entre les plots (111), et présentant des surfaces réfléchissantes (131) qui s'étendent face à des parois latérales (115) des plots. Les surfaces réfléchissantes (131) permettent de dévier, du côté d'un plot opposé à la matrice active, des rayons lumineux émergeant des parois latérales de ce plot. L'écran d'affichage présente ainsi une grande luminosité et de faibles interférences entre pixels voisins. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un tel écran.

Description

MICRO-ECRAN D'AFFICHAGE A FORTE LUMINANCE. DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine des écrans d'affichage, notamment des écrans d'affichage nommés « micro-écrans ». Les micro-écrans se caractérisent par des dimensions réduites, par exemple entre 0,5 cm et 2 cm de diagonale, et présentent un intérêt particulier pour des applications nomades (appareils portatifs avec écran d'affichage intégré). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On connaît dans l'art antérieur les micro-écrans comprenant une matrice de diodes électroluminescentes organiques (OLED, pour l'anglais « Organic Light- Emitting Diode »), pilotée par une matrice active formée généralement par un circuit intégré en silicium CMOS. Chaque diode électroluminescente constitue un point image ou pixel. Une distance entre les centres de deux diodes électroluminescentes voisines définit un pas de pixel ou pas de matrice. De tels micro-écrans offrent à la fois des dimensions réduites, une bonne qualité d'image, et une luminance relativement élevée, de l'ordre de 1000 Cd/m2 en monochrome. La bonne qualité d'image correspond notamment à une Fonction de Transfert de Modulation (FTM) de bonne qualité. La FTM de l'écran traduit sa capacité à transcrire fidèlement en une image affichée sur l'écran (signal lumineux), une commande de pilotage émise par la matrice active (signal électrique). Pour certaines applications, une luminance de 1000 Cd/m2 peut s'avérer insuffisante. Par exemple, pour des appareils de vision à réalité augmentée dans lesquels on visualise la superposition d'un paysage extérieur et d'une image affichée sur l'écran, ou pour un projecteur compact et lumineux, on souhaite atteindre des luminances de l'ordre de 105 Cd/m2 ou plus. On parvient à atteindre de telles luminances à l'aide d'un micro-écran comprenant une matrice de diodes électroluminescentes en matériau semi- conducteur de type III-nitrure, pilotée par une matrice active CMOS. Un semiconducteur de type III-nitrure est un semi-conducteur composé d'un élément de la colonne III du tableau périodique des éléments et d'azote. Un tel micro-écran est décrit par Jacob Day et al., dans « Ill-Nitride full-scale high-resolution microdisplays », Applied Physics Letters, 99, 031116 (2011). Dans cet article, chaque diode électroluminescente présente la forme d'un carré de 12 um de côté, et l'espace entre deux diodes électroluminescentes voisines est de 3 um, soit un pas de matrice de 15 um. Un tel micro-écran présente cependant un rendement lumineux médiocre lié à une extraction lumineuse limitée. Ce problème s'accentue encore lorsque l'on diminue le pas de matrice, par exemple pour le porter à 10 um, voire 6 um. Un objectif de la présente invention est de proposer un écran d'affichage qui offre une luminance élevée et une bonne qualité d'image, et ce même pour un petit pas de pixel.

Un autre objectif de la présente invention est de proposer un écran d'affichage qui offre une luminance élevée, une bonne qualité d'image, et une grande résolution. En particulier, un objectif de la présente invention est de proposer un écran d'affichage qui offre à la fois une luminance au moins égale à 105 Cd/m2, et une qualité d'image au moins égale à celle du micro-écran décrit par Jacob Day et al., pour un pas de pixel plus petit. Un objectif de la présente invention est également de proposer un procédé de fabrication d'un tel écran d'affichage.

EXPOSÉ DE L'INVENTION Cet objectif est atteint avec un écran d'affichage comprenant une matrice de diodes électroluminescentes, couplée à une matrice active pour piloter les diodes électroluminescentes de la matrice de diodes électroluminescentes, dans lequel : - la matrice de diodes électroluminescentes présente un agencement, dit mésa, dans lequel chaque diode électroluminescente correspond à un plot formé sur un socle commun ; et la matrice active et la matrice de diodes électroluminescentes sont superposées l'une sur l'autre du côté des plots. Selon l'invention, l'écran d'affichage comprend en outre une structure réfléchissante s'étendant entre les plots de la matrice de diodes électroluminescentes, et présentant des surfaces réfléchissantes qui s'étendent face à des parois latérales des plots et qui sont agencées de façon à dévier, du côté d'un plot opposé à la matrice active, des rayons lumineux émergeant des parois latérales de ce plot. La structure réfléchissante forme de préférence un maillage entourant latéralement chacun des plots, et chaque plot est entouré latéralement par une surface réfléchissante. Les surfaces réfléchissantes sont avantageusement en métal. Les surfaces réfléchissantes peuvent s'étendre en outre sur une région en contact avec le socle commun de la matrice de diodes électroluminescentes, de façon à former un maillage de lignes conductrices s'étendant entre les plots.

De préférence, la structure réfléchissante comprend un support en matériau électriquement isolant, disposé directement sur des parois latérales des plots, transparent à une longueur d'onde d'émission de la matrice de diodes électroluminescentes, et recouvert au moins partiellement d'un revêtement réfléchissant formant lesdites surfaces réfléchissantes.

En variante, la structure réfléchissante peut comprendre un support disposé directement sur la matrice active, et recouvert au moins partiellement d'un revêtement réfléchissant formant lesdites surfaces réfléchissantes. Au moins une partie des surfaces réfléchissantes forme avantageusement des pyramides à sommet tronqué et à base rectangulaire, chaque pyramide entourant un plot et présentant des faces latérales, inclinées, relativement à la base, d'un angle compris entre 35° et 55°. En variante, au moins une partie des surfaces réfléchissantes peut former des couvercles à sommet tronqué, chaque couvercle entourant un plot et présentant une section courbe dans un plan orthogonal au plan de la matrice de diodes électroluminescentes. La matrice de diodes électroluminescentes est de préférence une matrice en matériau semi-conducteur de type III-V. La matrice de diodes électroluminescentes comprend avantageusement du nitrure de gallium. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un écran d'affichage selon l'invention, comprenant les étapes suivantes : - dépôt d'une couche intermédiaire sur la matrice de diodes électroluminescentes ou la matrice active ; structuration de la couche intermédiaire ; puis dépôt d'un revêtement réfléchissant sur au moins une partie de la couche intermédiaire structurée, formant ainsi les surfaces réfléchissantes. Selon un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention : - la couche intermédiaire est en matériau électriquement isolant, et elle est déposée sur la matrice de diodes électroluminescentes ; - l'étape de structuration comprend une gravure de la couche intermédiaire, entre les plots de la matrice de diodes électroluminescentes ; et le revêtement réfléchissant est déposé entre les plots, sur des interfaces gravées de la couche intermédiaire. Dans ce cas : l'étape de gravure peut réaliser des ouvertures traversantes dans la couche intermédiaire, ouvertes sur le socle commun de la matrice de diodes électroluminescentes ; et le revêtement réfléchissant peut être déposé en outre dans ces ouvertures.

Selon un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention : la couche intermédiaire est en matériau polymère ; et l'étape de structuration comprend une nano-impression de la couche intermédiaire.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 illustre de manière schématique une vue de dessus d'un premier mode de réalisation d'écran d'affichage selon l'invention ; la figure 2 illustre de manière schématique une vue en coupe du premier mode de réalisation d'écran d'affichage selon l'invention ; les figures 3A et 3B illustrent des vues de détail d'une première variante, et respectivement d'une deuxième variante, d'un écran d'affichage selon le premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4A illustre une répartition d'intensité lumineuse dans un écran d'affichage selon l'art antérieur, représenté de façon schématique en figure 4B; - la figure 5A illustre une répartition d'intensité lumineuse dans un écran d'affichage selon l'invention, représenté de façon schématique en figure 5B; - la figure 6A illustre de manière schématique une vue de dessus d'un deuxième mode de réalisation d'écran d'affichage selon l'invention ; - la figure 6B illustre une vue en perspective d'un détail de la structure réfléchissante de l'écran d'affichage de la figure 6A ; - la figure 7 illustre de manière schématique une vue en coupe d'un troisième mode de réalisation d'écran d'affichage selon l'invention ; - la figure 8 illustre de manière schématique une vue en coupe d'un quatrième mode de réalisation d'écran d'affichage selon l'invention ; - la figure 9 illustre un premier mode de réalisation d'un procédé selon l'invention ; - les figures 10A et 10B illustrent un deuxième mode de réalisation d'un procédé selon l'invention ; et - la figure 11 illustre un troisième mode de réalisation d'un procédé selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 illustre de manière schématique une vue de dessus d'un écran d'affichage 100 selon l'invention. L'écran d'affichage selon l'invention est en particulier un micro-écran tel que défini en introduction. L'écran d'affichage 100 comprend une matrice de diodes électroluminescentes présentant un agencement dit mésa, c'est-à-dire dans laquelle chaque diode électroluminescente est une diode électroluminescente en forme de plot 111, dite diode électroluminescente mésa. Entre les plots 111 s'étend une structure réfléchissante 130, représentée hachurée sur la figure 1. Dans l'exemple représenté en figure 1, la structure réfléchissante 130 forme un maillage entourant latéralement chacun des plots 111. On peut prévoir de nombreuses variantes, par exemple une structure réfléchissante qui s'étend en lignes parallèles entre les plots. La figure 2 illustre de manière schématique une vue en coupe de l'écran d'affichage représenté en figure 1. On voit en figure 2 que l'écran d'affichage 100 comprend une matrice active 120 superposée à la matrice de diodes électroluminescentes 110, du côté de la face de la matrice comportant des plots 111. La matrice de diodes électroluminescentes 110 comprend, comme précisé ci-avant, une pluralité de plots 111 correspondant chacun à une diode électroluminescente. Les plots 111 sont formés sur un socle commun 112, situé lui-même sur un substrat 113. Le substrat 113 est par exemple en Corindon (sapphire, en anglais) de formule A1203, ou tout autre matériau pouvant servir de support à des structures épitaxiées semi-conductrices. Ce matériau peut être transparent à une longueur d'onde d'émission de la matrice de diodes électroluminescentes. Il peut aussi être opaque dans la mesure où il peut être retiré en fin de fabrication. Les plots 111 et le socle commun 112 sont réalisés dans un matériau semi-conducteur. Chaque plot 111 reçoit une jonction PN, c'est-à-dire une frontière entre une région dopée N et une région dopée P. Par exemple, chaque plot 111 présente une région 111B dopée P du côté du sommet du plot. Le socle commun 112 et la partie inférieure de chaque plot forment une région 111A dopée N. Dans chaque plot, la région 111A et une région 111B sont séparées par une succession de couches formant des multi-puits quantiques. Ces structures, en général obtenues par épitaxie, sont des structures standards de diodes électroluminescentes. En variante, la région 111B est dopée N et la région 111A est dopée P.

Au sommet de chaque plot se trouve un élément de contact électrique 114. Ainsi, chaque région 111B dopée P est reliée à un élément de contact électrique 114 dédié. La région 111A dopée N est reliée, en périphérie de matrice, à un ou plusieurs éléments de contact électrique (non représentés). Ces différents éléments de contact électrique permettent de polariser les jonctions PN de la matrice de diodes électroluminescentes. L'élément de contact électrique 114 est par exemple en aluminium ou en nickel. La matrice de diodes électroluminescentes 110 est réalisée dans un matériau semi-conducteur, notamment un matériau semi-conducteur de type III- V. Un matériau semi-conducteur de type III-V est un alliage comprenant au moins un élément de la colonne III du tableau périodique des éléments, et au moins un élément de la colonne V du tableau périodique des éléments. On choisira par exemple le nitrure de gallium (GaN), ou un alliage ternaire comprenant du nitrure de gallium, par exemple le nitrure de gallium-indium (InGaN). En variante, on pourra utiliser une matrice de diodes électroluminescentes en phosphore d'indium (InP), arséniure de gallium (GaAs), arséniure de gallium-aluminium (AIGaAs), ou tout autre matériau semi-conducteur émettant un rayonnement lumineux dans le visible (longueur d'onde comprise entre 400 nm et 800 nm) ou l'infrarouge (longueur d'onde comprise entre 800 nm et 3 um pour l'infrarouge proche), ou bien encore l'ultra-violet (50 à 400 nm). La matrice active 120 est par exemple réalisée en technologie CMOS, dans un circuit en silicium. On la nomme aussi « circuit d'adressage ». Elle comprend une pluralité de connecteurs 121 répartis sur sa surface, du côté des plots 111. Chaque connecteur 121 est en contact électrique avec un élément de contact électrique 114, par exemple par l'intermédiaire d'une bille métallique 140. Il y a aussi une connexion (non représentée) entre la matrice active 120 et le ou les éléments de contact électrique (contact N) présents en périphérie de la matrice de diodes électroluminescente 110. Chaque diode électroluminescente émet un signal lumineux en réaction à un signal électrique transmis, par la matrice active, à l'élément de contact électrique 114 correspondant. Ainsi, la matrice active 120 pilote chaque diode électroluminescente de façon à former une image prédéterminée du côté du substrat 113. Sur la figure 2, la structure réfléchissante 130 est également représentée hachurée. Elle s'étend, entre deux plots voisins, et présente des surfaces réfléchissantes 131 (représentées en trait épais). Les surfaces réfléchissantes 131 s'étendent face aux parois latérales 115 des plots. Elles s'étendent notamment face à la jonction PN de chaque diode électroluminescente, et sur au moins la moitié de la hauteur du plot correspondant, de préférence au moins deux tiers de cette hauteur, en regard d'une zone d'émission lumineuse de chaque diode électroluminescente. Dans l'exemple représenté en figure 2, chaque plot est entièrement entouré latéralement par une surface réfléchissante 131. On pourra cependant prévoir de nombreuses variantes dans lesquelles les plots ne sont pas entièrement entourés par des surfaces réfléchissantes. Les surfaces réfléchissantes 131 sont par exemple en métal (par exemple un alliage titane et or) ou en matériau diélectrique formant un miroir de Bragg (empilement multicouche de matériaux diélectriques, par exemple un empilement de couches de silice Si02 et de nitrure de silicium Si3N4). Chaque surface réfléchissante 131 entourant un plot 111 permet de dévier des rayons lumineux émergeant des parois latérales du plot, du côté de ce plot opposé à la matrice active 120. En d'autres termes, un rayon lumineux émergeant du plot 111, incident sur la surface réfléchissante 131, est réfléchi en direction du substrat 113. Pour ce faire, la surface réfléchissante 131 entourant un plot est inclinée en direction du sommet de ce plot 111. On détaille en référence aux figures 3A et 3B deux exemples particuliers de forme de la surface réfléchissante 131 entourant un plot. Ainsi, l'ensemble des rayons lumineux émis par cette diode électroluminescente forme un faisceau lumineux sensiblement collimaté se propageant dans une direction D, dite d'observation. Le faisceau sensiblement collimaté présente par exemple un angle de divergence inférieur à 20°, et même inférieur à 10°. La structure réfléchissante 130 forme donc un guide de lumière. La structure réfléchissante 130 selon l'invention permet que l'ensemble des rayons lumineux émis par une diode électroluminescente soit dirigé dans cette direction d'observation. On augmente ainsi l'efficacité optique de l'écran d'affichage, c'est-à-dire le rapport entre le nombre de photons émis par les diodes électroluminescentes et le nombre de photons émergeant de l'écran d'affichage du côté de la matrice de diodes électroluminescentes et qui participent à la formation d'une image. En d'autres termes, on améliore le couplage optique à l'intérieur de l'écran d'affichage. On diminue ainsi la consommation énergétique requise pour l'affichage d'une image avec une luminance prédéterminée. La direction d'observation est par exemple orthogonale au plan de la matrice de diodes électroluminescentes (axe vertical). On peut aussi réaliser des formes et angles de surfaces réfléchissantes 131 pour orienter le plus possible de rayons non pas vers la direction orthogonale à la surface de la matrice 110, mais vers une autre direction d'observation (par exemple définie par un angle compris entre 0° à 45° par rapport à la verticale). Une diode électroluminescente émet des rayons lumineux dans des directions variables. La structure réfléchissante 130 selon l'invention forme une barrière physique évitant que des rayons lumineux émis par une diode électroluminescente traversent une diode électroluminescente voisine. On évite ainsi des phénomènes d'interférence entre diodes voisines qui dégradent la qualité de l'image produite par un écran d'affichage. Ces phénomènes d'interférence sont nommés « cross talk horizontal ». Grâce à la structure réfléchissante 130, on peut rapprocher les diodes les unes des autres, tout en évitant ces phénomènes d'interférence. On obtient ainsi un écran d'affichage présentant à la fois : une luminance élevée, l'éclairement étant produit par des diodes électroluminescentes à semi-conducteur, et étant avantageusement supérieur à 105 Cd/m2 du fait de l'extraction améliorée et une bonne qualité d'image et une grande résolution, grâce à la 5 structure réfléchissante 130 qui permet de rapprocher les diodes électroluminescentes les unes des autres sans risquer des phénomènes d'interférence entre elles. La figure 3A illustre une vue de détail d'une première variante de l'écran 10 d'affichage représenté aux figures 1 et 2. Selon cette variante, un plot 111 est un parallélépipède rectangle à base carrée ou rectangulaire, entouré par une surface réfléchissante 131 formant une pyramide à base carrée ou rectangulaire, tronquée du côté de son sommet. En particulier, la pyramide est tronquée selon un plan parallèle au plan de la matrice de diodes électroluminescentes. Chaque 15 face latérale 132A de la pyramide est inclinée d'un angle a relativement au segment 132C reliant l'apex de la pyramide et le centre de la base 132B. L'angle a est typiquement compris entre 35° et 55°, par exemple égal à 45°. L'angle (3 formé entre une face latérale 132A et la base 132B est le complémentaire de l'angle a, donc également compris entre 35° et 55°, par exemple égal à 45°. 20 La figure 3B illustre une vue de détail d'une deuxième variante de l'écran d'affichage représenté aux figures 1 et 2. Selon cette variante, un plot 111 est entouré par une surface réfléchissante 131 en forme d'un couvercle tronqué du côté du sommet des plots. En particulier, le couvercle est tronqué selon un plan parallèle au plan de la matrice de diodes électroluminescentes. Un couvercle 25 désigne ici une forme concave au creux de laquelle se trouve le plot. La section de ce couvercle tronqué, dans un plan orthogonal au plan de la matrice de diodes électroluminescentes, est courbe. Cette section prend en particulier la forme de deux portions de courbe. La surface réfléchissante 131 entourant un plot 111 présente une forme optimisée pour renvoyer au mieux, sous le plot 111 et dans la direction d'observation, les rayons lumineux émergeant des parois latérales du plot. On va maintenant illustrer les résultats de simulations numériques. La figure 4A illustre une répartition d'intensité lumineuse dans un écran d'affichage selon l'art antérieur. Sur la figure 4B, on a représenté une vue en coupe d'un détail de cet écran d'affichage. On reconnaît un plot 111 qui fait saillie sur un socle 112, disposé lui-même sur un substrat 113. Le plot 111 est surmonté d'un élément de contact électrique 114. Sur la figure 4A, on a ajouté à cette vue en coupe des informations relatives à la distribution d'intensité lumineuse. On a entouré une région 401 comprenant un rayonnement lumineux qui émerge des parois latérales du plot dans une direction opposée à la direction d'observation D, c'est-à-dire vers une région située au-dessus du plot et non vers sa base. La figure 5A illustre une répartition d'intensité lumineuse dans un écran d'affichage selon l'invention. Sur la figure 5B, on a représenté une vue en coupe d'un détail de cet écran d'affichage. On reconnaît un plot 111 appartenant à une matrice de diodes électroluminescentes en GaN. Le plot 111 présente une largeur L comprise entre 5 um et 10 um, et une hauteur H2 de 0,5 um. Il fait saillie depuis le socle 112 présentant une hauteur H1 de 1,5 um. Une région non représentée, dopée P, du côté du sommet du plot, présente une hauteur de 100 nm. D'un côté du plot se trouve une structure réfléchissante 130 selon l'invention. La surface réfléchissante 131 est inclinée à 45° relativement à l'axe vertical Oz (axe orthogonal au plan de la matrice de diodes électroluminescentes), et elle présente une hauteur H3 de 2 um. On a entouré une région 501 comprenant un rayonnement lumineux qui émerge des parois latérales du plot dans une direction opposée à la direction d'observation, puis qui est réfléchi vers la direction d'observation D. La puissance lumineuse qui traverse le substrat 113 est augmentée de 7% relativement au cas des figures 4A et 4B. La figure 6A illustre de manière schématique une vue de dessus d'un deuxième mode de réalisation d'un écran d'affichage 100 selon l'invention. On reconnaît en figure 6A des plots 111 tels que décrits en référence aux figures 1 et 2, et une structure réfléchissante 130 représentée hachurée et comprenant des surfaces réfléchissantes. Dans l'exemple représenté sur la figure 6A, les surfaces réfléchissantes s'étendent non seulement face aux plots 111, mais également entre les plots 111 et en contact avec le socle commun 112 de la matrice de diodes électroluminescentes. En particulier, la structure réfléchissante 130 présente une base plate, faisant face à la matrice active. Les surfaces réfléchissantes s'étendent non seulement de part et d'autre de cette base, face aux plots, mais également sur cette base plate. La base plate dessine une grille carrée. Les portions de surface réfléchissante faisant face aux plots, et celles faisant office de lignes conductrices sont avantageusement réalisées d'un seul tenant. Elles présentent la même nature car formées lors d'un même dépôt. Les portions de surface réfléchissante en contact avec le socle commun 112 sont réalisées d'un seul tenant, et sont en contact électrique avec un élément de contact électrique 214 relié à la région 111A (voir figure 2) et situé en bord de matrice. En l'absence de précaution particulière, la résistance électrique entre une diode électroluminescente et l'élément de contact électrique 214 est élevée car le courant passe dans le semi-conducteur dopé N. De plus elle dépend fortement de la distance entre ces deux éléments. Cela donne lieu à un défaut d'uniformité de la luminance sur l'écran. Il est connu de pallier ce défaut grâce à un maillage de lignes conductrices s'étendant entre les diodes électroluminescentes. Dans l'exemple représenté en figure 6A, la nature métallique des surfaces réfléchissantes leur confère des propriétés conductrices d'électricité. Ainsi, ces surfaces réfléchissantes forment un tel maillage de lignes conductrices, s'étendant entre les plots 111. Ainsi, l'écran 100 selon l'invention présente une bonne uniformité de luminance, sans qu'il soit nécessaire de prévoir une structure supplémentaire, la structure réfléchissante 130 selon l'invention faisant également office de maillage de lignes conductrices. La figure 6B illustre une vue en perspective d'un détail de la structure réfléchissante 130 représentée en figure 6A. La structure réfléchissante 130 est un maillage carré de pyramides 1301 contigües, représentées ici renversées. Entre ces pyramides s'étend une base plate 1302 formant un maillage carré de lignes conductrices. La largeur des lignes conductrices est sous dimensionnée sur la figure 6B. On peut modéliser une matrice de diodes électroluminescentes par un modèle composé de résistances et de diodes à jonction, chaque élément étant défini par des propriétés électriques et une épaisseur. En résolvant la loi de courant de Kirchhoff, on peut estimer que la densité de courant baisse d'un facteur 0,7 à une distance de 51 um de l'élément de contact électrique 214, dans une matrice de diodes électroluminescentes courante dans le commerce. Le pas de pixel étant de l'ordre de 10 um, on en déduit que le maillage de lignes conductrices s'étendant entre les plots de la matrice de diodes électroluminescentes permet effectivement d'obtenir une luminance uniforme sur l'écran.

Les données utilisées sont les suivantes (voir figure 2 pour les références numériques 111A, 111B, et 112), soit Ls = kpct, + p t H1P - P) n te25 tn épaisseur de la couche 111A dopée N (cm) 2.10-4 tp épaisseur de la couche 111B dopée P (cm) 0,2.10-4 tc épaisseur de l'élément de contact électrique 214 (cm) 3.10-4 te épaisseur de la surface réfléchissante métallique en contact avec le socle 112 (cm) 0,1.10-4 Pn résistivité de la couche 111A dopée N (Q.cm) 0,011 Pp résistivité de la couche 111B dopée P (Q.cm) 2 Pc résistivité de l'élément de contact électrique 214 (Q.cm) 17 Pe résistivité de la surface réfléchissante métallique en contact avec le socle 112 (Q.cm) 2,5.10-3 L, Longueur d'atténuation à 1/e de la densité de courant d'injection 51 iim La figure 7 illustre de manière schématique une vue de dessus d'un troisième mode de réalisation d'un écran d'affichage 100 selon l'invention. Sur la figure 7, la structure réfléchissante 130 consiste en un support 730 disposé sur les parois latérales 115 de chaque plot 111. De son côté opposé à la matrice de diodes électroluminescentes, le support 730 est partiellement recouvert par un revêtement réfléchissant formant les surfaces réfléchissantes 131 telles que décrites en référence à la figure 2. Le support 730 est en matériau électriquement isolant, par exemple de la silice (5i02) ou du nitrure de silicium (SiNx). Il est transparent à la longueur d'onde d'émission de la matrice de diodes électroluminescentes. Un tel écran d'affichage présente avantageusement un pas de matrice inférieur à 15 iim, par exemple inférieur à 12 iim.

La figure 8 illustre de manière schématique une vue de dessus d'un quatrième mode de réalisation d'un écran d'affichage 100 selon l'invention. Sur la figure 8, la structure réfléchissante 130 consiste en un support 830 disposé directement sur la matrice active 120. De son côté opposé à la matrice active, le support 830 est partiellement recouvert par un revêtement réfléchissant formant les surfaces réfléchissantes 131 telles que décrites en référence à la figure 2. La matrice active 120 et le support 830 sont solidaires l'un de l'autre. Un tel écran d'affichage présente avantageusement un pas de matrice inférieur à 10 um, par exemple inférieur à 6 um. On va maintenant décrire différents exemples de procédés pour réaliser un écran d'affichage selon l'invention. On pourra prévoir de réaliser des structures réfléchissantes simplement par dépôt et gravure d'un métal. Un tel procédé ne permet pas forcément de réaliser un écran d'affichage présentant un pas de pixel suffisamment faible. On présente donc dans la suite des procédés selon l'invention permettant de réaliser un écran hautement résolu spatialement. La figure 9 illustre un premier mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, pour obtenir un écran d'affichage tel que représenté en figure 7. On dispose initialement d'une matrice de diodes électroluminescentes 110 comprenant une couche de matériau semi-conducteur disposée sur un substrat 113, et prenant la forme de plots 111 disposés sur un socle commun 112. Sur chaque plot 111 se trouve un élément de contact électrique 114. Dans une première étape 901, on dépose sur la matrice de diodes électroluminescentes 110, du côté des plots 111, une couche dite couche intermédiaire 910, en matériau électriquement isolant. La couche intermédiaire est par exemple en résine, telle que la résine dite SU-8, ou de l'oxyde de silicium. Elle présente une épaisseur par exemple comprise entre 0,5 um et 1 um. Dans une deuxième étape 902, on structure la couche intermédiaire, pour former le support tel que décrit en référence à la figure 7. Cette étape de structuration comprend une gravure de la couche intermédiaire 910, entre les plots 111, et au-dessus des éléments de contact électrique 114. La gravure peut mettre en oeuvre : un dépôt d'une résine de masquage, une gravure d'ouverture dans la résine de masquage, puis une gravure par plasma, en utilisant des gaz consommant à la fois la résine de masquage restante et la couche intermédiaire 910 là où la résine de masquage a été ouverte.

On réalise ainsi dans la couche intermédiaire 910 des ouvertures traversantes 911 libérant notamment des portions de la surface supérieure du socle 112, entre deux plots voisins. Les ouvertures présentent des bords 912 nommés « interfaces gravées ». Les bords 912 présentent une inclinaison relativement à l'axe vertical Oz. Cette inclinaison peut être maîtrisée, et dépend de l'inclinaison des bords d'une ouverture correspondante dans la résine de masquage, et de la sélectivité de gravure entre la résine de masquage et la couche intermédiaire gravée. Au cours d'une étape 903, on dépose un revêtement réfléchissant 913 sur au moins une partie de la couche intermédiaire 910 précédemment structurée. Le revêtement réfléchissant est par exemple une couche de métal, par exemple de l'aluminium ou de l'or ou un alliage aluminium et or, de 100 nm d'épaisseur. On réalise ainsi les surfaces réfléchissantes précédemment décrites. Sur la figure 9, le revêtement réfléchissant est représenté en trait épais. Il s'étend entre les plots sur les bords des ouvertures 911 situées entre les plots, et au fond de ces ouvertures 911 sur le socle 112. La partie de revêtement réfléchissant disposée sur les bords des ouvertures forme les surfaces réfléchissantes qui s'étendent face aux parois latérales des plots. La partie de revêtement réfléchissant disposée au fond des ouvertures forme le maillage de lignes conductrices tel que décrit en référence à la figure 6A. L'ensemble comprenant la couche intermédiaire 910 structurée et le revêtement réfléchissant 913 forme une structure réfléchissante selon l'invention. Dans une dernière étape 904, on connecte électriquement une matrice active 120 à l'ensemble précédemment réalisé comprenant la matrice de diodes électroluminescentes et la structure réfléchissante. La connexion électrique est réalisée à l'aide de billes métalliques 140, disposées chacune entre un élément de contact électrique 114 sur le dessus d'un plot 111 et un connecteur 121 de la matrice active. L'écran ainsi réalisé correspond à l'écran décrit en référence à la figure 7, excepté que les surfaces réfléchissantes s'étendent également entre les plots et au contact du socle 112. La distance entre deux plots voisins est comprise par exemple entre 6 um et 10 um. Le pas de pixel est alors supérieur à 10 um, par exemple compris entre 12 um et 14 um. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté pour réaliser des surfaces réfléchissantes planes.

Selon une variante moins préférée, on dépose la couche intermédiaire sur la matrice active. Les figures 10A et 10E3 illustrent un deuxième mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, pour obtenir une variante de l'écran d'affichage tel que représenté en figure 7.

Les premières étapes de ce procédé sont illustrées en figure 10A. On dispose initialement d'une matrice de diodes électroluminescentes 110 comprenant une couche de matériau semi-conducteur disposée sur un substrat 113, et prenant la forme de plots 111 disposés sur un socle commun 112. Dans une première étape 1001, on dépose sur la matrice de diodes électroluminescentes, du côté des plots 111, une couche intermédiaire 1010 en matériau polymère, par exemple du poly-méthacrylate de méthyle (PMMA), un polystyrène, un polycarbonate, une résine dite SU-8, etc. La couche intermédiaire 1010 est électriquement isolante et présente par exemple une épaisseur de 2 um. Dans une étape 1002, on structure la couche intermédiaire 1010 par nano- impression, à l'aide d'un moule 1011. La nano-impression désigne la pression d'un moule contre un substrat, ici la couche intermédiaire 1010, de façon à ce que cette couche intermédiaire prenne une forme sensiblement complémentaire de la forme du moule. La nano-impression est une technique bien connue par l'homme du métier, et ne sera donc pas décrite plus avant. L'homme du métier pourra notamment envisager de nombreux procédés de nano-impression mettant en oeuvre des moules durs ou des moules souples. On peut ajuster la forme de la couche intermédiaire par une gravure sèche ou un recuit adapté, notamment pour découvrir une portion de la surface du socle, entre les plots 111.

On peut ainsi réaliser un écran dans lequel les surfaces réfléchissantes s'étendent également au contact du socle, entre les plots. On réalise un moule souple par exemple par : - dépôt d'une couche de résine sur du silicium, et impression de la résine à l'aide d'un premier moule dur pressé contre la couche de résine ; - gravure sèche de la résine imprimée pour ajuster sa forme, de façon à réaliser in fine un moule souple présentant une forme souhaitée. Par exemple, on réalise des pyramides dont les faces latérales sont inclinées à 54,7° par rapport à l'axe horizontal, en vue d'obtenir in fine un moule souple prenant la forme de pyramides pour lesquelles cet angle vaut 45°. On réalise ainsi un masque de résine. ; - gravure du silicium à travers le masque de résine, la forme des creux gravés dans le silicium étant fonction de la forme du masque. On obtient ainsi un deuxième moule dur, en forme de pyramides dont les faces latérales sont inclinées à 45° par rapport à l'axe horizontal. ; - utilisation du deuxième moule dur pour imprimer un premier moule souple, par pression du deuxième moule dur contre une couche d'un matériau souple ; - selon que l'on souhaite disposer d'un moule souple en creux ou en bosses, éventuelle utilisation du premier moule souple ainsi obtenu pour imprimer un deuxième moule souple, par pression du premier moule souple contre une couche d'un matériau souple. Dans l'exemple des figures 10A et 10B selon lequel on réalise la nano-impression sur la matrice de diodes électroluminescentes, on utilise de préférence le premier moule souple pour la nano-impression de la couche intermédiaire. Les premier et deuxième moules souples prennent la forme de pyramides en creux ou en bosse, dont les faces latérales sont inclinées à 45° par rapport à l'axe horizontal. En variante, les étapes de gravure sèche de la résine imprimée et gravure du silicium à travers le masque de résine sont remplacées par une étape de recuit de la résine imprimée formant ainsi le deuxième moule dur. Au cours d'une étape 1003, on dépose, sur la couche intermédiaire structurée, une couche d'un revêtement réfléchissant 1013 qui recouvre l'ensemble de la surface de la couche intermédiaire, du côté opposé aux plots 111. Le revêtement réfléchissant 1013 correspond au revêtement 913 de la figure 9. On recouvre ensuite le revêtement réfléchissant 1013 d'une couche 1014 de planarisation de surface (étape 1004). La couche 1014 de planarisation de surface est par exemple un alliage dit SOG (pour l'anglais « Spin-On-Glass »), c'est-à-dire un mélange de Si02 et d'ions dopant. Ensuite, on distingue deux variantes, illustrées chacune en figure 10B. Une première variante comprend une étape 1025 de polissage chimique ou mécanique, de façon à obtenir un ensemble présentant une surface supérieure plane, et sur laquelle affleure la face supérieure des plots 111. Entre les plots, on distingue successivement une portion de la couche intermédiaire 1010, une portion du revêtement réfléchissant formant les surfaces réfléchissantes selon l'invention, et une portion de la couche 1014 de planarisation de surface. L'étape 1025 est suivie d'une étape 1026 de dépôt d'éléments de contact électrique 114 sur le dessus de chacun des plots 111, et de connexion d'une matrice active 120 comme décrit en référence à la figure 9 et à propos de l'étape 904. Une deuxième variante comprend une étape 1035 de lithographie UV conventionnelle mettant en oeuvre un dépôt d'une couche de résine et une gravure de cette couche de résine, pour former un masque de résine 1015 comprenant des ouvertures traversantes au-dessus des plots 111. L'étape 1035 est suivie par une étape 1036 de : - gravure sèche au travers du masque de résine 1015, de façon à découvrir les faces supérieures des plots 111; - dépôt d'éléments de contact électrique 114 sur le dessus de chacun des plots 111; et connexion d'une matrice active 120 comme décrit en référence à la figure 9 et à propos de l'étape 904 (la hauteur de la bille métallique 140 est exagérée sur la figure). Entre les plots de l'écran ainsi obtenu, on distingue successivement une portion de la couche intermédiaire 1010, une portion du revêtement réfléchissant formant les surfaces réfléchissantes selon l'invention, et une portion de la couche 1014 de planarisation de surface. La nano-impression permet de réaliser des structures réfléchissantes tridimensionnelles présentant une forme non plane souhaitée. On réalise de façon simple et rapide une pluralité d'écrans d'affichage, tous réalisés à partir d'un même moule. La forme complexe est réalisée une seule fois, lors de la fabrication du moule, ce qui simplifie le procédé global de réalisation de plusieurs écrans. La nano-impression permet également de réaliser des structures tridimensionnelles de faibles dimensions, donnant accès à des pas de pixel inférieurs à 10 iim, par exemple de l'ordre de 5µm. On réalise ainsi des écrans d'affichage présentant une résolution élevée. Enfin, la nano-impression permet de réaliser des surfaces réfléchissantes présentant une forme non plane, adaptée pour renvoyer le plus efficacement possible, en direction du substrat 113, le flux lumineux émis radialement par les plots 111. La forme souhaitée est prédite grâce aux méthodes connues de conception optique. La figure 11 illustre un troisième mode de réalisation d'un procédé selon l'invention. Le procédé de la figure 11 diffère des procédés des figures 9 et 10 en ce que la structure réfléchissante est réalisée sur la matrice active, et non sur la matrice de diodes électroluminescentes. On dispose initialement d'une matrice active 120 telle que décrite en référence à la figure 2, comprenant une pluralité de connecteurs électriques 121. La matrice active 120 est par exemple formée par un substrat en silicium de 200 mm d'épaisseur, sur lequel sont déposés des plots en alliage aluminium- cuivre, connectés électriquement aux connecteurs électriques 121 via des tubes de cuivre qui traversent une couche d'un oxyde. Les plots en alliage aluminium-cuivre sont par exemple des carrés de 2 um de côté répartis selon un maillage carré en deux dimensions présentant un pas de 10 um.

Dans une première étape 1101, on dépose sur la matrice active 120, du côté des connecteurs électriques 121, une couche intermédiaire 1110 correspondant à la couche intermédiaire 1010 décrite en référence aux figures 10A et 10B. Dans une étape 1102, on structure la couche intermédiaire 1110 par nano- impression, à l'aide d'un moule 1111, et comme décrit en référence à la figure 10A et à propos de l'étape 1002. On ajuste la forme de la couche intermédiaire par une gravure sèche, de façon à découvrir les connecteurs 121. Le moule 1111 est par exemple le deuxième moule souple tel que mentionné précédemment. La couche intermédiaire structurée forme un support tel que décrit en référence à la figure 8. Ensuite, au cours d'une étape 1103, on réalise des micro-tubes 1112 qui vont permettre ultérieurement de connecter la matrice active 120 à une matrice de diodes électroluminescentes. Ces micro-tubes 1112 sont une alternative à l'utilisation de billes métalliques telle que mentionnée ci-avant.

On recouvre ensuite d'un revêtement réfléchissant 1113 l'ensemble formé par les micro-tubes 1112 et la matrice active recouverte d'une couche intermédiaire structurée (étape 1104). Le revêtement réfléchissant 1113 est gravé localement pour séparer des portions de matériau réfléchissant recouvrant les micro-tubes 1112, et des portions de matériau réfléchissant recouvrant la couche intermédiaire structurée, entre les connecteurs 121, et formant les surfaces réfléchissantes selon l'invention. En variante, on dépose directement des micro-tubes métalliques sur les connecteurs 121 et après réalisation des surfaces réfléchissantes selon l'invention.

Au cours d'une étape 1105, on connecte électriquement les connecteurs 121 de l'ensemble comprenant une matrice active et la structure réfléchissante ainsi réalisée, à une matrice de diodes électroluminescentes 110. La connexion électrique est réalisée grâce aux micro-tubes 1112 recouverts de métal, reliant les connecteurs 121 de la matrice active et des éléments de contact électrique 114 de la matrice de diodes électroluminescentes. L'écran ainsi réalisé correspond à l'écran décrit en référence à la figure 8, excepté que les surfaces réfléchissantes s'étendent également entre les plots et au contact du socle 112. On va maintenant décrire plus en détail la mise en oeuvre d'une nano- impression dans un procédé selon l'invention. Ces détails ne sont donnés qu'à titre nullement limitatif. La fabrication d'un premier moule dur peut mettre en oeuvre les étapes suivantes : utilisation d'un wafer en silicium dopé P+, de résistivité comprise entre 14 et 20 mO.cm ; oxydation thermique du wafer (sur 500 nm d'épaisseur) ; dépôt de 820 nm de la résine photosensible ; exposition par lithographie UV de la résine photosensible (dose mJ/cm2), et développement de la résine exposée ; gravure sèche de la couche d'oxyde, et arrêt sur le silicium ; suppression de la résine ; immersion du wafer dans un bain de TMAH, pour graver le wafer à travers le masque formé par la couche d'oxyde gravée ; dissolution de l'oxyde restant avec une solution d'acide fluorhydrique ; traitement du wafer gravé par une monocouche anti-adhésive d'OPTOOL. On utilise ce premier moule dur pour réaliser un deuxième moule dur, en mettant en oeuvre les étapes suivantes : dépôt sur un wafer silicium, de 2 um de résine SU-8 ; le premier moule dur et le wafer recouvert de SU-8 sont introduits dans la chambre d'une presse ; la chambre est pompée sous vide : le premier moule dur et le wafer recouvert de SU-8 sont chauffés à 120°C puis pressés l'un contre l'autre à 40 bar pendant 5 minutes ; - après refroidissement de l'ensemble à 40°C, le wafer recouvert de la résine imprimée, dit wafer imprimé, est séparé du premier moule dur avec un scalpel ; on recouvre l'ensemble obtenu avec une monocouche anti-adhésive d'OPTOOL.

Le deuxième moule dur ainsi obtenu est utilisé pour réaliser un premier moule souple, à l'aide des étapes suivantes : - dépôt sur le deuxième moule dur d'une couche de polymère silicone (h-PDMS), puis retrait du polymère imprimé ; - traitement du polymère imprimé par une monocouche anti-adhésive d'OPTOOL. Selon que l'on souhaite un moule en creux ou en bosse, on peut réaliser plutôt un deuxième moule souple : - dépôt sur le deuxième moule dur, de 2 um de résine SU-8, puis retrait de la résine imprimée ; - dépôt sur la résine imprimée d'une couche de polymère silicone (hPDMS), puis retrait du polymère imprimé ; traitement du polymère imprimé par une monocouche anti-adhésive d'OPTOOL. Ensuite, on utilise un moule souple par exemple pour mettre en oeuvre une nano-impression sur la matrice active (voir ci-dessus, à propos de la figure 11) : - dépôt sur la matrice active, de 2 um de résine SU-8 ; - le deuxième moule souple et la matrice active recouverte de SU-8 sont introduits dans la chambre d'une presse ; la chambre est pompée sous vide : le deuxième moule souple et la matrice active recouverte de SU-8 superposés sont chauffés à 120°C puis pressés à 40 bar pendant 5 minutes ; après refroidissement de l'ensemble à 40°C, la matrice active recouverte de SU-8 imprimée est séparée du deuxième moule souple avec un scalpel ; - la matrice active recouverte de SU-8 imprimée est placée sous UV pendant 5 min puis recuite à 90°C pendant 10 min ; on grave une épaisseur résiduelle dans la couche de résine SU-8.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Ecran d'affichage (100) comprenant une matrice de diodes électroluminescentes (110), couplée à une matrice active (120) pour piloter les diodes électroluminescentes de la matrice de diodes électroluminescentes, dans lequel : - la matrice de diodes électroluminescentes (110) présente un agencement, dit mésa, dans lequel chaque diode électroluminescente correspond à un plot (111) formé sur un socle commun (112) ; et - la matrice active (120) et la matrice de diodes électroluminescentes (110) sont superposées l'une sur l'autre du côté des plots (111) ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre une structure réfléchissante (130) s'étendant entre les plots (111) de la matrice de diodes électroluminescentes, et présentant des surfaces réfléchissantes (131) qui s'étendent face à des parois latérales (115) des plots et qui sont agencées de façon à dévier, du côté d'un plot opposé à la matrice active, des rayons lumineux émergeant des parois latérales de ce plot.
2. 2. Ecran d'affichage (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure réfléchissante (130) forme un maillage entourant latéralement chacun des plots (111), et en ce que chaque plot est entouré latéralement par une surface réfléchissante (131).
3. 3. Ecran d'affichage (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces réfléchissantes (131) sont en métal.
4. 4. Ecran d'affichage (100) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les surfaces réfléchissantes (131) s'étendent en outre sur une région en contact avec le socle commun (112) de la matrice de diodes électroluminescentes, defaçon à former un maillage de lignes conductrices s'étendant entre les plots (111).
5. 5. Ecran d'affichage (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la structure réfléchissante (130) comprend un support (730) en matériau électriquement isolant, disposé directement sur des parois latérales des plots, transparent à une longueur d'onde d'émission de la matrice de diodes électroluminescentes (110), et recouvert au moins partiellement d'un revêtement réfléchissant formant lesdites surfaces réfléchissantes (131).
6. 6. Ecran d'affichage (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la structure réfléchissante (130) comprend un support (830) disposé directement sur la matrice active (120), et recouvert au moins partiellement d'un revêtement réfléchissant formant lesdites surfaces 1 5 réfléchissantes (131).
7. 7. Ecran d'affichage (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins une partie des surfaces réfléchissantes (131) forme des pyramides à sommet tronqué et à base rectangulaire (132B), chaque 20 pyramide entourant un plot (111) et présentant des faces latérales (132A), inclinées, relativement à la base, d'un angle (13) compris entre 35° et 55°.
8. 8. Ecran d'affichage (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins une partie des surfaces réfléchissantes (131) 25 forme des couvercles à sommet tronqué, chaque couvercle entourant un plot (111) et présentant une section courbe dans un plan orthogonal au plan de la matrice de diodes électroluminescentes.
9. 9. Ecran d'affichage (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la matrice de diodes électroluminescentes (110) est une matrice en matériau semi-conducteur de type III-V.
10. 10. Ecran d'affichage (100) selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matrice de diodes électroluminescentes (110) comprend du nitrure de gallium.
11. 11. Procédé de fabrication d'un écran d'affichage (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : dépôt (901; 1001 ; 1101) d'une couche intermédiaire (910 ; 1010 ; 1110) sur la matrice de diodes électroluminescentes (110) ou la matrice active (120) ; structuration (902 ; 1002 ; 1102) de la couche intermédiaire ; puis dépôt (903 ; 1003 ; 1104) d'un revêtement réfléchissant (913 ; 1013 ; 1113) sur au moins une partie de la couche intermédiaire structurée, formant ainsi les surfaces réfléchissantes.
12. 12. Procédé selon la revendication 11, pour fabriquer un écran d'affichage (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que : - la couche intermédiaire (910) est en matériau électriquement isolant, et elle est déposée sur la matrice de diodes électroluminescentes (110) ; - l'étape de structuration comprend une gravure (902) de la couche intermédiaire, entre les plots de la matrice de diodes électroluminescentes ; et le revêtement réfléchissant (913) est déposé entre les plots, sur des interfaces gravées (912) de la couche intermédiaire.
13. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que :l'étape de gravure (902) réalise des ouvertures traversantes (911) dans la couche intermédiaire (910), ouvertes sur le socle commun (112) de la matrice de diodes électroluminescentes ; et - le revêtement réfléchissant (913) est déposé en outre dans ces ouvertures.
14. 14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que : la couche intermédiaire (1010 ; 1110) est en matériau polymère ; et l'étape de structuration (1002 ; 1102) comprend une nano-impression de la couche intermédiaire.