FR3147422A1 - Ecran d’affichage présentant des éléments de symétrie - Google Patents
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Abstract
Titre : Ecran d’affichage présentant des éléments de symétrie L’invention concerne un écran d’affichage comprenant un réseau de pixels (1) s’étendant selon un plan défini par une première direction (x) et une deuxième direction (y), présentant un motif élémentaire (1000), qui est le plus petit motif géométrique comprenant différentes zones colorées dont la répétition par translation dans la première direction et dans la deuxième direction selon des pas respectivement égaux à une première dimension (L1) selon la première direction et à une deuxième dimension (L2) selon la deuxième direction du motif élémentaire permet d’obtenir le réseau de pixels dans son intégralité. Le motif élémentaire comprend au moins un premier pixel (100) et un deuxième pixel (200), comprenant chacun un premier sous-pixel (110, 210) d’une première couleur et un deuxième sous-pixel (120, 220) d’une deuxième couleur. Le contact entre les deux pixels définit en outre un plan de symétrie du motif élémentaire. Figure pour l’abrégé : Fig. 3
Description
La présente invention concerne notamment le domaine des technologies de la microélectronique et de l’optoélectronique. Elle trouve comme application particulièrement avantageuse mais non limitative les technologies d’affichage et notamment les systèmes d’affichage à base de LED (de l’anglais « Light-Emitting Diode », se traduisant en français par diode électroluminescente).
Un écran d’affichage comprend généralement une pluralité de pixels disposés sur un plan dit basal et émettant indépendamment les uns des autres. Chaque pixel de couleur comprend généralement au moins trois composants d’émission et/ou de conversion d’un flux lumineux, également appelés sous-pixels. Ces sous-pixels émettent chacun un flux lumineux sensiblement dans une seule couleur (typiquement le rouge, le vert et le bleu). La couleur d’un pixel perçue par un observateur vient de la superposition des différents flux lumineux émis par les sous-pixels.
Typiquement, une LED permet d’émettre le flux lumineux associé à un sous-pixel. Une LED peut notamment comprendre une pluralité de nanofils actifs arrangés en un cristal photonique périodique et émettant ledit flux lumineux à la longueur d’onde désirée. Ce cristal photonique se caractérise notamment par le diamètre des nanofils et le pas entre les nanofils. Les cristaux photoniques présentent donc des différences structurelles d’un sous-pixel à l’autre. Ces différences engendrent des difficultés de conception : la réalisation d’un écran d’affichage nécessite de fabriquer côte à côte des nanofils présentant des diamètres et des pas entre eux bien précis et surtout distincts. Les dimensions des zones sur lesquelles les propriétés structurelles du cristal photonique sont constantes, i.e. les sous-pixels, sont en outre très faibles. On comprend donc que la fabrication d’un écran d’affichage passe par une succession d’étapes technologiques à l’échelle d’un sous-pixel, ce qui présente des contraintes techniques importantes (nécessité d’une grande précision dans l’alignement des masques de lithographie…) et peut mener à défauts structurels (effets de bord…).
De plus, le type d’arrangement classique de sous-pixels au sein d’un pixel et sa répétition pixel après pixel par simple translation, illustré à la , permet une uniformité visuelle globale pixel à pixel mais ne présente pas des performances optimales.
Il existe donc un besoin pour optimiser la fabrication des écrans d’affichage ainsi que pour améliorer les performances des pixels auto-émissifs à base de nanofils.
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un écran d’affichage comprenant un réseau de pixels s’étendant principalement selon un plan défini par une première direction et une deuxième direction. Le réseau de pixels présente un motif élémentaire, qui est le plus petit motif géométrique comprenant différentes zones colorées dont la répétition par translation dans la première direction selon un premier pas égal à la valeur d’une première dimension du motif élémentaire selon la première direction et par translation dans la deuxième direction selon un pas égal à la valeur d’une deuxième dimension du motif élémentaire selon la deuxième direction permet d’obtenir le réseau de pixels dans son intégralité. Le réseau de pixels comporte une pluralité de pixels comprenant au moins un premier pixel et un deuxième pixel, chaque pixel de la pluralité de pixels comprenant au moins un premier sous-pixel d’une première couleur et un deuxième sous-pixel d’une deuxième couleur distincte de la première couleur. Chaque pixel parmi la pluralité de pixels est en contact avec au moins un autre pixel de la pluralité de pixels. L’écran d’affichage est en outre caractérisé en ce que le contact entre deux pixels en contact est défini par un plan de contact définissant un plan de symétrie du motif élémentaire.
Un enjeu important des technologies d’affichage concerne en effet les zones de transition entre pixels et sous-pixels adjacents. En effet, dans les écrans d’affichage, des sous-pixels de couleurs distinctes sont typiquement accolés les uns aux autres. Cependant, un sous-pixel d’une couleur donnée est typiquement formé par un cristal photonique présentant des caractéristiques structurelles (diamètre des nanofils, pas entre nanofils voisins…) différentes de celles d’un cristal photonique formant un sous-pixel voisin émettant dans une autre couleur. Des zones de transition abrupte séparent ces sous-pixels, comme illustré à la . La présence de ces zones de transition abrupte présente l’inconvénient de rompre la symétrie du réseau et, par conséquent, de créer des effets de bord préjudiciables lors de la croissance des nanofils. Par ailleurs, les dimensions des différents cristaux photoniques formant les différents sous-pixels correspondent aux dimensions de ces derniers et sont donc très réduites. Or, le niveau de performance d’un cristal photonique est très dépendant de la quantité de nanofils le constituant et de ses dimensions : un cristal photonique de taille réduite présente de moins bonnes performances qu’un cristal photonique de plus grande taille. Ainsi, en l’état actuel, et notamment dans le cas des écrans monolithiques, dans lesquels les dimensions des sous-pixels sont typiquement très réduites, la qualité des cristaux photoniques formant les réseaux de photo-éléments est limitée.
Le fait que le motif élémentaire du réseau de pixels présente un plan de symétrie permet de réduire le nombre de zones de transition abrupte. En effet, deux sous-pixels de même couleur sont formés par des cristaux photoniques présentant les mêmes propriétés structurelles. Aucune zone de transition abrupte ne les sépare donc. La juxtaposition de deux sous-pixels de même couleur induite par la symétrie permet donc de réduire le nombre de zones de transition abrupte.
De plus, cette juxtaposition permet de former un réseau de photo-éléments de dimensions au moins deux fois supérieures à celles d’un réseau formant un unique sous-pixel. Ce réseau formant deux sous-pixels voisins de même couleur peut être formé plus facilement que deux réseaux distincts correspondant à chacun des deux sous-pixels. L’existence d’une symétrie au sein du motif élémentaire permet donc d’optimiser la fabrication de l’écran d’affichage et de limiter l’apparition de défauts structurels.
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions ne sont pas représentatives de la réalité.
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
Selon un mode de réalisation, la pluralité de pixels comprend en outre un troisième pixel et un quatrième pixel.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel de la pluralité de pixels comprend en outre un troisième sous-pixel d’une troisième couleur.
Selon un exemple, la troisième couleur est distincte de la première couleur et de la deuxième couleur.
Selon un mode de réalisation, le premier sous-pixel du premier pixel et le premier sous-pixel du deuxième pixel d’une part et le deuxième sous-pixel du premier pixel et le deuxième sous-pixel du deuxième pixel d’autre part sont en contact au sein du motif élémentaire.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel comprend en outre un quatrième sous-pixel d’une quatrième couleur.
Selon un exemple, la quatrième couleur est distincte de la première couleur et de la deuxième couleur.
Selon un exemple, la quatrième couleur est distincte de la troisième couleur.
Selon un exemple, la troisième couleur est identique à l’une parmi la première couleur et la deuxième couleur et la quatrième couleur est identique à l’autre parmi la première couleur et la deuxième couleur.
Selon un mode de réalisation, le premier sous-pixel du premier pixel et le premier sous-pixel du deuxième pixel d’une part et le deuxième sous-pixel du premier pixel et le deuxième sous-pixel du deuxième pixel d’une part sont alimentés par des contacts électriques distincts.
Selon un mode de réalisation, le troisième sous-pixel du premier pixel et le troisième sous-pixel du deuxième pixel sont alimentés par des contacts électriques distincts.
Selon un mode de réalisation, le quatrième sous-pixel du premier pixel et le quatrième sous-pixel du deuxième pixel sont alimentés par des contacts électriques distincts.
Selon un mode de réalisation, le premier sous-pixel du premier pixel, le premier sous-pixel du deuxième pixel et le premier sous-pixel du troisième pixel sont alimentés par des contacts électriques distincts.
Selon un mode de réalisation, le premier sous-pixel du premier pixel, le premier sous-pixel du deuxième pixel, le premier sous-pixel du troisième pixel et le premier sous-pixel du quatrième pixel sont alimentés par des contacts électriques distincts.
Il est entendu que ce principe de contacts électriques distincts entre différents sous-pixels peut s’étendre mutatis mutandis à un nombre quelconque de pixels et de sous-pixels.
Selon un mode de réalisation avantageux, le réseau de pixels est formé par un ensemble de photo-éléments.
Selon un exemple avantageux, au sein du motif élémentaire, les premiers sous-pixels sont formés par un premier réseau de photo-éléments continu qui émet dans une première plage de longueurs d’ondes correspondant à la première couleur, et les deuxièmes sous-pixels sont formés par un deuxième réseau de photo-éléments continu qui émet dans une deuxième plage de longueurs d’ondes correspondant à la deuxième couleur.
Selon un exemple préféré, les photo-éléments sont configurés pour émettre un faisceau dont l’intensité selon une direction perpendiculaire à une face supérieure d’un substrat à partir duquel s’étendent lesdits photo-éléments est au moins 20% supérieure à l’intensité maximale d’une émission par une source lumineuse lambertienne dont le flux lumineux total sur 4π sr est égal au flux total sur 4π sr du faisceau émis par les photo-éléments.
Selon un exemple avantageux, le premier réseau de photo-éléments et le deuxième réseau de photo-éléments forment chacun un cristal photonique.
Selon un exemple, les photo-éléments sont des nanofils.
Selon un mode de réalisation avantageux, l’écran comprend un support monolithique portant l’intégralité des pixels du réseau de pixels. Ainsi, avantageusement, l’écran d’affichage a été réalisé à partir du support sans procéder à des découpages et collages successifs de ce dernier. L’écran d’affichage peut par exemple avoir été fabriqué entre autres par épitaxie de photo-éléments à partir de cet unique support monolithique.
Dans la présente invention, l’écran d’affichage est un seul et même écran continu présentant une face configurée pour afficher une image à un instant donné.
On entend par photo-élément un élément apte à émettre un faisceau lumineux. Un photo-élément peut par exemple être une structure 3D active, par exemple un fil ou nanofil actif.
Une structure 3D est dite active lorsqu’elle comprend une région active et qu’elle est connectée électriquement, lui permettant ainsi d’émettre un rayonnement lumineux.
On entend par fil ou par nanofil une structure 3D de forme allongée selon la direction longitudinale. La dimension longitudinale de la structure 3D, selon z sur les figures, est supérieure, et de préférence très supérieure, aux dimensions transverses de la structure 3D, dans le plan xy sur les figures. La dimension longitudinale est par exemple au moins cinq fois, et de préférence au moins dix fois, supérieure aux dimensions transverses. Un nanofil est un fil présentant des dimensions transverses inférieures à 2 µm (1 µm = 10-6m).
On entend par diamètre d’un nanofil la dimension transverse la plus grande de ce nanofil. Dans la présente invention, les structures 3D ne présentent pas nécessairement une section transverse circulaire. Les structures 3D peuvent notamment présenter une section transverse hexagonale ou polygonale. En particulier, dans le cas de structures 3D à base de GaN, cette section peut être hexagonale. Le diamètre correspond alors à un diamètre moyen calculé à partir du diamètre d’un cercle inscrit dans le polygone de la section transverse et du diamètre d’un cercle circonscrit de ce polygone.
Dans la présente demande de brevet, les termes « diode électroluminescente », « LED » ou simplement « diode » sont employés en synonymes. Une « LED » peut également s’entendre d’une « micro-LED ». Une « micro-LED » est une LED dont les dimensions n’excèdent pas 1 mm (1 mm = 10-3m).
Dans la suite, les abréviations suivantes relatives à un matériau M sont éventuellement utilisées :
M-i réfère au matériau M intrinsèque ou non intentionnellement dopé, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le suffixe -i.
M-n réfère au matériau M dopé N, N+ ou N++, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le
suffixe -n.
suffixe -n.
M-p réfère au matériau M dopé P, P+ ou P++, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le
suffixe -p.
suffixe -p.
On entend par un substrat, une couche, un dispositif, « à base » d’un matériau M, un substrat, une couche, un dispositif comprenant ce matériau M uniquement ou ce matériau M et éventuellement d’autres matériaux, par exemple des éléments d’alliage, des impuretés ou des éléments dopants. Ainsi, une structure 3D à base de nitrure de gallium (GaN) peut par exemple comprendre du nitrure de gallium (GaN ou GaN-i) ou du nitrure de gallium dopé (GaN-p, GaN-n). Une région active à base de nitrure de gallium-indium (InGaN) peut par exemple comprendre du nitrure de gallium-aluminium (AlGaN) ou du nitrure de gallium avec différentes teneurs en aluminium et en indium (GaInAlN). Dans le cadre de la présente invention, le matériau M est généralement cristallin.
Un repère, de préférence orthonormé, comprenant les axes x, y, z est représenté sur les figures annexées.
Les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient, lorsqu’ils se rapportent à une valeur, « à 10% près » de cette valeur ou, lorsqu'ils se rapportent à une orientation angulaire, « à 10° près » de cette orientation. Ainsi, une direction sensiblement normale à un plan signifie une direction présentant un angle de 90±10° par rapport au plan.
Pour déterminer la géométrie des structures 3D et les compositions des différents éléments (fil, région active, collerette par exemple) de ces structures 3D, on peut procéder à des analyses de Microscopie Electronique à Balayage (MEB) ou de Microscopie Electronique en Transmission (MET ou TEM pour l’acronyme anglais de « Transmission Electron Microscopy ») ou encore ou de Microscopie Electronique en Transmission à Balayage STEM (acronyme anglais de « Scanning Transmission Electron Microscopy »).
Le TEM ou le STEM se prêtent notamment bien à l’observation et à l’identification des puits quantiques – dont l’épaisseur est généralement de l’ordre de quelques nanomètres – dans la région active. Différentes techniques listées ci-après de façon non exhaustive peuvent être mises en œuvre : l’imagerie en champ sombre (dark field) et en champ clair (bright field), en faisceau faible (weak beam), en diffraction aux grands angles HAADF (acronyme anglais de « High Angle Annular Dark Field »).
Les compositions chimiques des différents éléments peuvent être déterminées à l’aide de la méthode bien connue EDX ou X-EDS, acronyme de « energy dispersive x-ray spectroscopy » qui signifie « analyse dispersive en énergie de photons X ».
Cette méthode est bien adaptée pour analyser la composition de dispositifs optoélectroniques de petites tailles tels que des LED 3D. Elle peut être mise en œuvre sur des coupes métallurgiques au sein d’un Microscope Electronique à Balayage (MEB) ou sur des lames minces au sein d’un Microscope Electronique en Transmission (MET).
Les propriétés optiques des différents éléments, et notamment les longueurs d’onde principales d’émission des LED 3D axiales à base de GaN et/ou des régions actives à base d’InGaN, peuvent être déterminées par spectroscopie.
Les spectroscopies de cathodoluminescence (CL) et de photoluminescence (PL) sont bien adaptées pour caractériser optiquement les structures 3D décrites dans la présente invention.
Les techniques mentionnées ci-dessus permettent notamment de déterminer si un dispositif optoélectronique à structure 3D axiale sous forme de fil comprend des puits quantiques à base d’InGaN formés au sommet d’un fil à base de GaN, et une couche de masquage indicatrice d’une mise en œuvre d’un dépôt de type MOVPE.
On entend par support monolithique un support unique, réalisé d’un seul tenant.
Un écran d’affichage selon un premier mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1, 6 et 7.
L’écran d’affichage s’étend principalement selon le plan xy représenté sur la . Ce plan est défini par une première direction x et une deuxième direction y, de préférence perpendiculaires entre elles.
L’écran d’affichage comprend un réseau de pixels 1 s’étendant lui aussi principalement selon le plan xy. Les pixels du réseau de pixels 1 comprennent chacun au moins deux sous-pixels dits premiers sous-pixels 110, 210 et deuxièmes sous-pixels 120, 220. Un sous-pixel se caractérise entre autres par la couleur qu’il peut émettre. Les premiers sous-pixels 110, 210 de chacun des pixels émettent une première couleur C1tandis que les deuxièmes sous-pixels 120, 220 émettent une deuxième couleur C2distincte de la première couleur C1.
La couleur d’un sous-pixel peut être rendue de différentes manières. Typiquement, un sous-pixel est formé, entre autres, par un réseau de photo-éléments 10, par exemple des structures 3D de type nanofils, configuré pour émettre un flux lumineux associé à la couleur en question.
Comme illustré à la , ces photo-éléments 10 sont typiquement fabriqués par épitaxie et s’étendent alors typiquement depuis un substrat 2 s’étendant selon le plan xy. Le substrat 2 présente une face supérieure 20 s’étendant elle aussi selon le plan xy. Le substrat 2 peut se présenter sous forme d’un empilement comprenant par exemple, selon la direction z, un support 21, une couche superficielle dite couche de nucléation 22 et une couche de masquage 23.
Le support 21 peut être notamment en saphir pour limiter le désaccord de paramètre de maille avec le GaN si les photo-éléments 10 sont à base de ce matériau, ou en silicium pour réduire les coûts et pour des problématiques de compatibilité technologique. Dans ce dernier cas, il peut se présenter sous forme d’un wafer de diamètre 200 mm ou 300 mm. Il sert notamment de support aux structures 3D.
La couche de nucléation 22 est de préférence à base de nitrures métalliques, par exemple d’AlN, GaN ou AlGaN. Elle peut être formée sur le support 21 en silicium par épitaxie, de préférence par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE (acronyme de « MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy »). De façon connue, une ou plusieurs couches tampon intermédiaires peuvent être disposées entre la couche de nucléation 22 et le support 21. Selon un exemple la couche de nucléation 22 présente une épaisseur comprise entre 1 nm et 10 µm. Elle présente de préférence une épaisseur de l’ordre de quelques centaines de nanomètres, par exemple environ 100 nm ou 200 nm, à quelques microns, par exemple de l’ordre de 2 µm. Elle peut également présenter une épaisseur inférieure à 100 nm. Une telle épaisseur permet de limiter l’apparition de défauts structuraux dans la couche de nucléation 22. En particulier, la croissance de cette couche de nucléation 22 peut être pseudomorphe, c’est-à-dire que les contraintes d’épitaxie liées notamment à la différence de paramètres de maille entre le support 21 et la couche de nucléation 22 peuvent être relâchées élastiquement pendant la croissance. La qualité cristalline de cette couche de nucléation 22 peut ainsi être optimisée.
La couche de masquage 23 est de préférence en un matériau diélectrique, par exemple en nitrure de silicium Si3N4. Elle peut être déposée par dépôt chimique en phase vapeur CVD (acronyme de « Chemical Vapor Deposition ») sur la couche de nucléation 22. Elle masque en partie la couche de nucléation 22 et comprend des ouvertures de préférence circulaires exposant des zones de la couche de nucléation 22. Ces ouvertures présentent typiquement différentes dimensions, par exemple différents diamètres, en fonction des zones considérées, notamment chacun des sous-pixels du réseau de pixels. Les ouvertures peuvent être distribuées de façon régulière au sein de chaque zone, par exemple sous forme d’un réseau ordonné. Différents pasd, i.e. la distance séparant les centres de deux ouvertures adjacentes, peuvent être définis en fonction desdites zones et notamment, comme cela sera décrit plus avant, en fonction des sous-pixels. Ces ouvertures peuvent être réalisées par exemple par lithographie UV ou DUV (acronyme de Deep UV), par lithographie par faisceau électronique ou par NIL (acronyme de Nanoinprint lithography). Une telle couche de masquage 23 permet une croissance localisée d’une structure 3D telle qu’un nanofil à partir de la couche de nucléation 22 et au niveau de chaque ouverture. La partie inférieure de la structure 3D prend alors appui sur la couche de nucléation du substrat 2 par l’intermédiaire de sa base. Les photo-éléments 10 se répartissent sur l’intégralité de l’écran dans ses dimensions selon les directions x et y.
Les dimensions et les limites d’un sous-pixel dans le plan xy sont typiquement définies par une zone du substrat 2, dite zone d’implantation, à partir de laquelle sont cru les photo-éléments 10 formant le réseau du sous-pixel.
On entend par « photo-élément » un élément actif, c’est-à-dire apte à émettre un rayonnement, mais il est entendu que chacun de ces éléments peut être électriquement alimenté ou non et ainsi être « allumé » ou « éteint ».
Un photo-élément actif 10 ou nanofil actif 10 comprend une région active 11 et est typiquement connecté électriquement. Cette région active 11 est le lieu de recombinaisons radiatives de paires électron-trou permettant d’obtenir un rayonnement lumineux présentant une longueur d’onde principale. La région active 11 comprend typiquement une pluralité de puits quantiques, par exemple formés par des couches émissives à base de GaN, InN, InGaN, AlGaN, AlN, AlInGaN, GaP, AlGaP, AlInGap, AlGaAs, GaAs, InGaAs, AlIlAs, ou d’une combinaison de plusieurs de ces matériaux.
Comme mentionné précédemment, un sous-pixel est typiquement formé par un réseau de photo-éléments 10 tel que venant d’être décrit. Un tel réseau est constitué d’un cristal photonique pouvant être décrit par plusieurs paramètres et notamment :
- la longueur d’onde d’émission,
- le pas de réseau,
- le taux de remplissage, aussi appelé taux d’ouverture ou densité, généralement compris entre 10 et 90%,
- le type de maille (hexagonal, carré…),
- l’indice de réfraction du matériau remplissant les espaces entre les photo-éléments 10, couramment appelé « filler » (terme anglais se traduisant par « remplisseur »), préférentiellement compris entre 1 et 1,7,
- les matériaux constitutifs des photo-éléments 10, et
- les dimensions des photo-éléments 10.
Les réseaux de photo-éléments 10 formant les premiers sous-pixels 110, 210 émettent dans une première plage de longueur d’ondes correspondant à la première couleur C1, tandis que les réseaux de photo-éléments 10 formant les deuxièmes sous-pixels 120, 220 émettent dans une deuxième plage de longueur d’ondes correspondant à la deuxième couleur C2.
Un réseau de photo-éléments au sens de l’invention est continu, c’est-à-dire que les photo-éléments qui le composent sont disposés de façon régulière, selon un pas donné, éventuellement plusieurs pas donnés définis dans différentes directions de l’espace. Le fait qu’un réseau soit continu se caractérise également par le fait que tous les photo-éléments qui le composent sont à base du même matériau et présentent les mêmes dimensions (typiquement le même diamètre). En ce sens, on peut dire que les photo-éléments d’un même réseau sont homogènes et réguliers. Il est entendu que l’homogénéité et la régularité d’un réseau de photo-éléments est à évaluer en prenant en compte les marges d’erreur de fabrication de ces derniers. Par ailleurs, un réseau continu ne présente aucun mur en son sein.
L’émission de chacun des réseaux se fait de préférence principalement selon une direction perpendiculaire à la face supérieure 20 du substrat 2. Selon un exemple avantageux, les photo-éléments sont configurés pour émettre un faisceau dont l’intensité selon une direction perpendiculaire à la face supérieure 20 du substrat 2 (dite normale au substrat) est au moins 20% supérieure à l’intensité maximale d’une émission lumineuse lambertienne dont le flux lumineux total sur 4π sr est égal au flux total sur 4π sr du faisceau émis par les photo-éléments. Les intensités lumineuses en question sont typiquement exprimées en W.sr-1.
Avantageusement, le flux lumineux émis par chacun des réseaux dans un cône défini par un angle de sensiblement 30° par rapport à la normale au substrat 2 est deux fois plus élevé, de préférence trois fois plus élevé, et de façon très avantageuse quatre fois plus élevée, que si le faisceau provenait d’une source lambertienne. Avantageusement, l’intensité lumineuse émise par chacun des réseaux selon la normale au substrat 2 est deux fois plus élevée, de préférence quatre fois plus élevée, et de façon très avantageuse quinze fois plus élevée, que si le faisceau provenait d’une source lambertienne.
Une émission dirigée principalement perpendiculairement à la face supérieure 20 du substrat 2 permet d’éviter que les photo-éléments correspondant à un pixel ou sous-pixel n’éclairent les photo-éléments d’un pixel ou sous-pixel voisin. Ainsi, on garantit une isolation de l’éclairage des différents pixels ou sous-pixels sans avoir besoin de réaliser des murs entre ces éléments. On évite ainsi de rompre la continuité et la symétrie des cristaux photoniques formés par les réseaux de photo-éléments. En d’autres termes, le fait que les photo-éléments émettent principalement perpendiculairement à la face supérieure 20 du substrat 2 permet d’augmenter les dimensions des cristaux photoniques et donc d’en améliorer la qualité.
Les photo-éléments d’un même réseau présentent des diamètres sensiblement égaux à une valeur cible. Il est entendu que, du fait des imprécisions découlant des procédés de fabrication, les photo-éléments 10 d’un même réseau peuvent difficilement tous présenter un diamètre égal à cette valeur cible. Les variations de la valeur du diamètre d’un nanofil par exemple dues aux aléas de fabrication peuvent être estimées à environ 10% de la valeur cible. Il en va de même pour la valeur du pas entre deux photo-éléments voisins. Pour cette raison, tous les photo-éléments 10 n’émettent pas exactement à la même longueur d’onde. Les photos-éléments 10 d’un réseau de photo-éléments 10 émettent dans une plage de longueurs d’ondes caractérisant le réseau. On entend qu’un réseau de N photo-éléments émettant chacun un rayonnement lumineux caractérisé par une longueur d’onde λiavec 1≤i≤N, λi étant compris dans la plage d’émission du réseau, et tous avec une même intensité, émet un rayonnement global à une longueur d’onde de réseau λréseaudéfinie par :
Les longueurs d’onde dites de réseaux caractérisant les rayons lumineux émis par les réseaux formant les premiers sous-pixels 110, 210 (λ1) et les deuxièmes sous-pixels 120, 220 (λ2) sont notamment définies de cette façon. Bien entendu, si tous les photo-éléments 10 n’émettent pas avec la même intensité, les différentes composantes de la longueur d’onde de réseau, c’est-à-dire les longueurs d’ondes des rayonnements émis par chacun des photo-éléments 10, peuvent être pondérés par des coefficients relatifs à leurs intensités respectives.
Les premiers sous-pixels et les deuxièmes sous-pixels émettent des rayonnements correspondant à des couleurs C1et C2distinctes. On considère que les deux plages de longueurs d’ondes des deux réseaux 100, 200 sont distinctes si les longueurs d’onde de réseaux λ1, λ2les caractérisant vérifient la relation suivante :
En pratique, les longueurs d’onde λ1, λ2caractérisant les couleurs C1, C2des premiers sous-pixels et des deuxièmes sous-pixels respectivement appartiennent à des plages très éloignées. Par exemple, λ1se trouve dans une plage correspondant à une nuance de rouge (entre 620 à 800 nm), de vert (entre 520 à 565 nm) ou de bleu (entre 430 à 520 nm), et λ2dans une autre parmi ces plages. Ces plages se situent autour des longueurs d’onde fixées par la Commission Internationale de l’Eclairage (CIE) pour les trois couleurs primaires physiques : 700 nm pour le rouge, 536,1 nm pour le vert et 435,8 nm pour le bleu. Idéalement, les longueurs d’ondes émises par les réseaux de photo-éléments se rapprochent de ces valeurs.
Comme mentionné précédemment, l’émission par les premiers sous-pixels 110, 210 et les deuxièmes sous-pixels 120, 220 des couleurs C1et C2respectivement est notamment permise par le dimensionnement de leurs réseaux respectifs de photo-éléments 10. Comme illustré à la , les photo-éléments 111, 211 formant les premiers sous-pixels 110, 210 présentent des premiers diamètres cibles d10et sont espacés d’un premier pas cible p10. De la même façon, les photo-éléments 121, 221 formant les deuxièmes sous-pixels 120, 220 présentent des deuxièmes diamètres cibles d20et sont espacés d’un deuxième pas cible p20.
Le réseau de pixels 1 présente la particularité de pouvoir être défini par un motif élémentaire 1000 dont la répétition dans la première direction x et dans la deuxième direction y permet de reconstituer l’intégralité du réseau.
Plus précisément, comme représenté sur la , on définit selon la première direction x une première dimension L1du motif élémentaire 1000 et selon la deuxième direction y une deuxième dimension L2du motif élémentaire 1000. Le réseau de pixels 1 est alors constitué d’une répétition du motif élémentaire 1000 selon un premier pas d’une valeur de L1selon la première direction x et selon un deuxième pas d’une valeur de L2selon la deuxième direction y. En d’autres termes, le réseau de pixels 1 peut être obtenu par répétition du motif élémentaire 1000 au niveau de chaque nœud d’un réseau dont les vecteurs de base sont définis par les formules suivantes :
Le motif élémentaire 1000 se caractérise non seulement par sa forme géométrique mais également par les zones colorées, correspondant à des sous-pixels, qu’il comporte. Ainsi, dans la définition du motif élémentaire 1000, on considère que deux zones sont identiques uniquement si elles présentent la même forme et peuvent émettre la même couleur.
Le motif élémentaire 1000 comprend au moins un premier pixel 100 et un deuxième pixel 200, comme représente en . Le premier pixel 100 comprend au moins un premier sous-pixel 110 de la première couleur C1et un deuxième sous-pixel 120 de la deuxième couleur C2. Le deuxième pixel 200 comprend lui aussi au moins un premier sous-pixel 210 de la première couleur C1et un deuxième sous-pixel 220 de la deuxième couleur C2. Le premier pixel 100 et le deuxième pixel 200 sont en contact direct. Par « contact entre deux pixels » on entend le contact au niveau du substrat 2 entre les zones d’implantation définissant les limites dans le plan xy de chacun des deux pixels. Il n’y a typiquement pas de contact physique entre des photo-éléments 111,121 formant le premier pixel 100 et des photo-éléments 211, 221 formant le deuxième pixel.
Le contact entre le premier pixel 100 et le deuxième pixel 200 se fait selon un plan dit plan de contact 12. Ce plan de contact 12 définit un plan de symétrie du motif élémentaire 1000. En effet, comme représenté à la , le premier sous-pixel du premier pixel 110 et le premier sous-pixel du deuxième pixel 210 d’une part et le deuxième sous-pixel du premier pixel 120 et le deuxième sous-pixel du deuxième pixel 220 d’autre part sont symétriques par rapport au plan de contact 12, et ce aussi bien du point de vue géométrique que des couleurs émises par chacun des sous-pixels.
Du fait de cette symétrie, des sous-pixels émettant une même couleur – sur la : le premier sous-pixel du premier pixel 110 et le premier pixel du deuxième sous-pixel 210, tous deux émettant la première couleur C1– se trouvent en contact. Ainsi, deux réseaux de photo-éléments 111, 211 présentant des caractéristiques structurelles sensiblement identiques – ici un premier diamètre cible d10et un premier pas ou espacement cible p10– se trouvent en contact. On forme donc de cette façon un réseau de photo-éléments 111, 211 aux dimensions deux fois supérieures à celles d’un réseau de photo-éléments formant un unique sous-pixel 110, 210.
En outre, par définition du motif élémentaire 1000, ce dernier est répété selon un pas L1selon la première direction x et selon un pas L2selon la deuxième direction y. Cela implique, du fait de la symétrie interne du motif élémentaire 1000, le contact d’autres réseaux présentant les mêmes caractéristiques structurelles. On remarque par exemple sur la que, du fait de la répétition du motif élémentaire 1000 dans la deuxième direction y, les deuxièmes sous-pixels 120, 220 sont en contact avec des sous-pixels d’autres pixels émettant la même couleur et donc dimensionnés de façon similaire. Par ailleurs, si, comme c’est le cas dans l’illustration de la , les sous-pixels s’étendent dans la première direction x sur toute la dimension L1du motif élémentaire 1000, alors, du fait de la répétition du motif élémentaire 1000 dans cette même première direction x, chacun des sous-pixels est en contact avec des sous-pixels de pixels adjacents selon x présentant les mêmes caractéristiques structurelles. On remarque sur cette même que l’on forme ainsi des réseaux de photo-éléments similaires s’étendant d’un bout à l’autre de l’écran d’affichage selon la première direction x. Les mêmes considérations peuvent s’appliquer mutatis mutandis au cas où le plan de contact 12 définissant la symétrie du motif élémentaire 1000 s’étend parallèlement au plan yz plutôt qu’au plan xz.
Ces adjacences de réseaux similaires (au sein du motif élémentaire 1000 ou entre deux répétitions du motif élémentaire 1000) présentent de nombreux avantages. Tout d’abord, cela permet de réduire le nombre de zones de transition abrupte 5 entre réseaux photoniques distincts. On réduit donc le nombre de zones créant des ruptures de symétrie. Ces zones étant responsables de défauts de croissance et de pertes en qualité optique, on améliore la qualité du réseau de photo-éléments 10 et finalement celle de l’écran d’affichage. De plus, la formation des photo-éléments 10 est facilitée. En effet, cette dernière se fait par des étapes successives de masquage et dépôt, qui sont d’autant plus complexes à réaliser que les réseaux de photo-éléments identiques sont de faibles dimensions. Notamment, plus les dimensions des zones d’implantation sont faibles, plus il est nécessaire que les masques de photolithographie soient alignés avec précision. En outre, augmenter les dimensions d’un cristal photonique continu de photo-éléments 10, et donc le nombre de photo-éléments qui le composent, permet d’améliorer sa capacité à discriminer les ondes en fonction de leur longueur d’onde. En d’autres termes, plus le cristal photonique est étendu, meilleur est le contrôle des longueurs d’ondes s’y propageant. Par ailleurs, l’augmentation des dimensions du cristal photonique permet d’améliorer sa capacité à assurer une bonne directionnalité d’émission. Cela a un rôle important notamment dans la possibilité de se passer de murs entre sous-pixels et/ou pixels adjacents.
Un cristal photonique peut fonctionner comme tel à partir de trois rangées de photo-éléments. Plus le nombre de rangées de photo-éléments formant le cristal photonique est grand, plus on obtiendra un cristal photonique de bonne qualité. Ainsi, avantageusement, les cristaux photoniques sont chacun formés par au moins 10 rangées, de préférence 20 rangées, et de préférence encore 50 rangées de photo-éléments.
Les figures 2 à 5B illustrent d’autres modes de réalisation de la présente invention. Tous se caractérisent par le fait que le motif élémentaire 1000 présente au moins un plan de symétrie. Dans chacun de ces exemples, l’existence de ce plan ou ces plans de symétrie et la répétition du motif élémentaire 1000 dans le plan xy permettent la réduction du nombre de zones de transition abrupte 5 et l’optimisation de la fabrication des réseaux de photo-éléments 10.
La illustre un mode de réalisation dans lequel chacun des deux pixels 100, 200 du motif élémentaire 1000 comprend en outre un troisième sous-pixel 130, 230 émettant une troisième couleur C3 avantageusement distincte de la première couleur C1et de la deuxième couleur C2. Dans cet exemple, au sein du motif élémentaire 1000, seuls le premier sous-pixel du premier pixel 110 et le premier pixel du deuxième pixel 210 sont en contact. Dans le mode de réalisation illustré à la , le deuxième sous-pixel du premier pixel 120 et le deuxième sous-pixel du deuxième pixel 220 sont eux aussi en contact selon le plan de contact 12.
Un autre mode de réalisation va maintenant être décrit en référence à la . Dans cet exemple, le motif élémentaire 1000 comprend en outre un troisième pixel 300 et un quatrième pixel 400. Chaque pixel 100, 200, 300, 400 comprend un premier sous-pixel 110, 210, 310, 410, un deuxième sous-pixel 120, 220, 320, 420, un troisième sous-pixel 130, 230, 330, 430 et un quatrième sous-pixel 140, 240, 340, 440, émettant respectivement la première couleur C1, la deuxième couleur C2, une troisième couleur C3et une quatrième couleur C4. Dans ce mode de réalisation, les quatre couleurs C1, C2, C3et C4sont distinctes les unes des autres. Les réseaux de photo-éléments formant les troisièmes sous-pixels 130, 230, 330, 430 présentent un troisième diamètre cible d30et un troisième espacement p30, tandis que les réseaux de photo-éléments formant les quatrièmes sous-pixels 140, 240, 340, 440 présentent un quatrième diamètre cible d40et un quatrième espacement p40.
On définit les plans de contact suivants :
- Un premier plan de contact 12 entre le premier pixel 100 et le deuxième pixel 200, définissant un premier plan de symétrie du motif élémentaire 1000,
- Un deuxième plan de contact 23 entre le deuxième pixel 200 et le troisième pixel 300, définissant un deuxième plan de symétrie du motif élémentaire 1000,
- Un troisième plan de contact 34 entre le troisième pixel 300 et le quatrième pixel 400, définissant un troisième plan de symétrie du motif élémentaire 1000,
- Un quatrième plan de contact 14 entre le premier pixel 100 et le quatrième pixel 400, définissant un quatrième plan de symétrie du motif élémentaire 1000.
On note sur la que, du fait de ces symétries internes au motif élémentaire 1000, on forme, à partir des quatre troisièmes sous-pixels 130, 230, 330, 430, un réseau de photo-éléments émettant la troisième couleur C3aux dimensions quatre fois supérieures à celles d’un réseau de photo-éléments formant un unique troisième sous-pixel 130, 230, 330, 430. On remarque également que, du fait de la répétition du motif élémentaire 1000 dans le plan xy, les autres sous-pixels sont également en contact avec des sous-pixels similaires (c’est-à-dire émettant la même couleur), mais appartenant cette fois à des motifs élémentaires voisins.
La illustre un mode de réalisation très similaire à celui de la , mais dans lequel les couleurs sont identiques deux à deux (aux légères nuances dues aux défauts de fabrication près). Dans l’exemple illustré, la première couleur C1et la troisième couleur C3d’une part et la deuxième couleur C2et la quatrième couleur C4sont identiques.
Dans un mode de réalisation illustré à la , le motif élémentaire 1000 comprend deux pixels 100, 200 comprenant eux-mêmes chacun quatre sous-pixels deux à deux de même couleur. Les deux sous-pixels 100, 200 sont en contact selon un plan de contact 12 définissant un plan de symétrie du motif élémentaire 1000. Là encore, la symétrie au sein du motif élémentaire 1000 et la répétition du motif élémentaire 1000 dans le plan xy assurent l’adjacence de sous-pixels identiques deux à deux.
Il est à noter que le choix du nombre de sous-pixels au sein des pixels, de leur disposition et des couleurs qu’ils émettent dépend des applications d’affichage visées.
Comme illustré en , l’écran d’affichage comprend avantageusement des contacts électriques 3 permettant d’alimenter électriquement les photo-éléments 10. Ces contacts électriques 3 peuvent être communs à une pluralité de photo-éléments 10. De préférence, des photo-éléments 10 appartenant à des réseaux formant des sous-pixels distincts sont alimentés séparément. Ainsi, même si les réseaux formant deux sous-pixels voisins ont été formés simultanément et forment un ensemble continu de photo-éléments similaires, les deux sous-pixels restent indépendants d’un point de vue électrique. Il peut en effet aussi bien être nécessaire pour le rendu de l’image que les deux sous-pixels soient allumés, que les deux sous-pixels soient éteints, ou que l’un seulement soit allumé.
Ces contacts électriques 3 sont reliés à une électronique de commande 4 permettant de commander l’allumage ou l’extinction des photo-éléments 10 en fonction des besoins d’affichage. La représentation à la de l’électronique de commande 4 est uniquement illustrative. Notamment, l’affectation des différents transistors aux différents photo-éléments ainsi que leurs branchements ne sont en rien limitatifs. Par exemple, les photo-éléments sont en outre typiquement reliés au niveau d’un autre pôle à une connexion électrique non représentée pour des questions de clarté.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par l’invention.
Claims (16)
- Ecran d’affichage comprenant un réseau de pixels (1) s’étendant principalement selon un plan défini par une première direction (x) et une deuxième direction (y), présentant un motif élémentaire (1000), qui est le plus petit motif géométrique comprenant différentes zones colorées dont la répétition par translation dans la première direction (x) selon un premier pas égal à la valeur d’une première dimension (L1) du motif élémentaire (1000) selon la première direction (x) et par translation dans la deuxième direction (y) selon un pas égal à la valeur d’une deuxième dimension (L2) du motif élémentaire (1000) selon la deuxième direction (y) permet d’obtenir le réseau de pixels (1) dans son intégralité, comportant une pluralité de pixels comprenant au moins un premier pixel (100) et un deuxième pixel (200), chaque pixel de la pluralité de pixels comprenant au moins un premier sous-pixel (110, 210) d’une première couleur et un deuxième sous-pixel (120, 220) d’une deuxième couleur distincte de la première couleur et chaque pixel parmi la pluralité de pixels étant en contact avec au moins un autre pixel de la pluralité de pixels, caractérisé en ce que le contact entre deux pixels en contact est défini par un plan de contact définissant un plan de symétrie dudit motif élémentaire (1000).
- Ecran d’affichage selon la revendication précédente dans lequel la pluralité de pixels comprend en outre un troisième pixel (300) et un quatrième pixel (400).
- Ecran d’affichage selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel chaque pixel de la pluralité de pixels comprend en outre un troisième sous-pixel (130, 230) d’une troisième couleur.
- Ecran d’affichage selon la revendication précédente dans lequel la troisième couleur est distincte de la première couleur et de la deuxième couleur.
- Ecran d’affichage selon la revendication précédente dans lequel le premier sous-pixel du premier pixel (110) et le premier sous-pixel du deuxième pixel (210) d’une part et le deuxième sous-pixel du premier pixel (120) et le deuxième sous-pixel du deuxième pixel (220) d’autre part sont en contact au sein du motif élémentaire (1000).
- Ecran d’affichage selon l’une quelconque des trois revendications précédentes dans lequel chaque pixel comprend en outre un quatrième sous-pixel (140, 240) d’une quatrième couleur.
- Ecran d’affichage selon la revendication précédente dans lequel la quatrième couleur est distincte de la première couleur et de la deuxième couleur.
- Ecran d’affichage selon la revendication précédente en combinaison avec l’une quelconque des revendications 3 à 5 dans lequel la quatrième couleur est distincte de la troisième couleur.
- Ecran d’affichage selon la revendication 6 dans lequel la troisième couleur est identique à l’une parmi la première couleur et la deuxième couleur et la quatrième couleur est identique à l’autre parmi la première couleur et la deuxième couleur.
- Ecran d’affichage selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier sous-pixel du premier pixel (110) et le premier sous-pixel du deuxième pixel (210) d’une part et le deuxième sous-pixel du premier pixel (120) et le deuxième sous-pixel du deuxième pixel (220) d’autre part sont alimentés par des contacts électriques distincts.
- Ecran d’affichage selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le réseau de pixels (1) est formé par un ensemble de photo-éléments.
- Ecran d’affichage selon la revendication précédente dans lequel, au sein du motif élémentaire (1000), les premiers sous-pixels (110, 210) sont formés par un premier réseau de photo-éléments continu qui émet dans une première plage de longueurs d’ondes correspondant à la première couleur, et les deuxièmes sous-pixels (120, 220) sont formés par un deuxième réseau de photo-éléments continu qui émet dans une deuxième plage de longueurs d’ondes correspondant à la deuxième couleur.
- Ecran d’affichage selon l’une quelconque des deux revendications précédentes dans lequel les photo-éléments sont configurés pour émettre un faisceau dont l’intensité selon une direction perpendiculaire à une face supérieure (20) d’un substrat (2) à partir duquel s’étendent lesdits photo-éléments est au moins 20% supérieure à l’intensité maximale d’une émission par une source lumineuse lambertienne dont le flux lumineux total sur 4π sr est égal au flux total sur 4π sr du faisceau émis par les photo-éléments.
- Ecran d’affichage selon l’une quelconque des trois revendications précédentes dans lequel le premier réseau de photo-éléments et le deuxième réseau de photo-éléments forment chacun un cristal photonique.
- Ecran d’affichage selon l’une quelconque des quatre revendications précédentes dans lequel les photo-éléments sont des nanofils.
- Ecran d’affichage selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant un support monolithique portant l’intégralité des pixels du réseau de pixels (1).
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| FR (1) | FR3147422A1 (fr) |
| WO (1) | WO2024200646A1 (fr) |
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- 2024-03-28 WO PCT/EP2024/058476 patent/WO2024200646A1/fr unknown
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