Brevet FR2551902A1 — publié le 19850315

/1 t 55190 Z ECRAN DE VISUALISATION A ADRESSAGE PAR ELEMENTS NON-LINEAIRES ET SON PROCEDE DE FABRICATION. La présente invention se rapporte à des écrans de visualisation comprenant une couche de matériau électrooptique, par exemple une couche de cristal liquide. Comme il est connu, ces écrans comportent généralement un grand 5 nombre d'éléments d'image de forme carrée ou rectangulaire Ces éléments d'image peuvent être adressés individuellement La définition de l'écran est fonction du nombre de points susceptibles de recevoir une information La commande de chaque point se fait par application d'un champ électrique. Pour la visualisation d'informations vidéo, il a été proposé des affichages de 10 type matriciel Chaque élément d'image est alors défini par l'intersection de deux réseaux de conducteurs orthogonaux appelés lignes et colonnes. L'adressage d'un élément d'image au moyen de tensions de commande appliquées à la ligne et à la colonne qui le concernent n'a pas besoin d'être maintenu si l'on adopte une technique de multiplexage temporel permettant par récurrence de rafraîchir l'état de l'écran Cette technique se fonde sur un effet de persistance qui peut être physiologique ou disponible au sein de l'élément de l'écran Dans le cas de dispositifs daffichage à cristaux liquides, on peut assimiler un élément d'image à un condensateur dont la constante de temps est suffisante pour maintenir la charge entre deux 20 adressages transitoires successifs Pour appliquer la tension de commande en un temps bref, on monte en série avec l'élément d'image une résistance non linéaire, c'est-à-dire un élément du type varistance qui est pratiquement isolant en-deçà d'un seuil de tension et qui devient de plus en plus conducteur au-delà de ce seuil Une façon commode de réaliser collective25 ment les éléments varistances consiste à utiliser comme substrat un bloc de matériau varistance qui occupe la même étendue que l'écran. De nombreux inconvénients sont inhérents à ce procédé Il introduit des capacités parasites non négligeables et, en outre, les matériaux présentant ces propriétés étant généralement opaques, ne permettent pas cd'utiliser 30 l'écran en transmission Les tensions de seuil ne sont pas uniformes sur l'ensemble de la surface active de l'écran et sont généralement élevées Il a 255 1902 été proposé dans un second mode de réalisation de l'art connu, décrit dans la demande de brevet français N 81 16 217, déposée le 25 Août 1981 au nom de la demanderesse, une structure distribuée de ces varistances Un agencement particulier des connexions de commande est retenu, permettant de 5 former sur celle-ci des plots de varistances assurant une commande à seuil des cellules à cristaux liquides. Actuellement, les exigences de la technique en matière d'écrans de visualisation portent, en particulier, sur une meilleure définition de l'image. Dans le cas des écrans du type à affichage matriciel, on est alors amené à 10 concevoir des dispositifs comportant un nombre élevé de lignes ou de colonnes d'adressage Leurs nombres peut aller jusqu'à 512 ou même 1024. Ceci augmente d'autant les éléments de commutation, donc le nombre de varistances dans la demande citée Pour les fabrications en série, il est nécessaire notamment dobtenir une bonne reproductibilité et une grande 15 stabilité de ces composants Il est en outre nécessaire d'adapter, et ce également avec une bonne reproductibilité, la capacité électrique du composant à celle de la cellule associée Or, les matériaux couramment utilisés, tels que des agglomérats de poudre d'oxyde de zinc, contenant des particules d'oxyde de bismuth et d'oxyde de manganèse ou autre matériau analogue, ne 20 permettent pas de satisfaire entièrement ces exigences La reproductibilité et la stabilité des varistances dépendent entre autre de la taille de grain et des techniques de passivation des joints de grains mis en oeuvre lors de la fabrication La capacité parasite de la varistance liée également aux joints de grains est difficilement contrôlable. D'autres éléments de commutation peuvent être utilisés Néanmoins, les écrans de visualisation à cristal liquide présentent généralement des défauts d'homogénéité du contraste suivant les éléments d'image, dus à une dispersion des caractéristiques des éléments de commutation qui peut être importante et qui est difficile à éliminer sur de grandes surfaces Ces 30 défauts peuvent également trouver leur origine, dans une moindre mesure, dans l'épaisseur de la couche de cristal liquide et dans sa couche d'accrochage. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention propose un écran de visualisation dont les éléments d'image sont adressés par des dispositifs non- linéaires du type à résistance dépendant de la tension et réalisés à partir de diodes semiconductrices placées en série et en oppostion et dont on a contrôlé le dopage de façon à disposer d'éléments de commutation possédant tous le même point de fonctionnement dans la caractéristique courant5 tension. L'invention a donc pour objet un écran de visualisation du type comprenant un matériau électrooptique placé entre deux lames dont l'une au moins est transparente, ledit écran comprenant des éléments non- linéaires déposés collectivement et associés en série avec les éléments dimage de 10 l'écran et permettant leur commande grâce à des potentiels distribués par des électrodes supportées par lesdites lames, ladite commande étant tributaire du point de fonctionnement de l'élément non- linéaire dans sa caractéristique courant-tension, les éléments non- linéaires étant constitués par deux diodes placées en série et en opposition'et possédant une couche 15 semiconductrice dopée commune, caractérisé en ce que le dopage de ladite couche est tel que sa conductivité soit supérieure à 10-2 l cm de manière que les éléments non- linéaires aient tous le même point de fonctionnement pour une tension de commande dun élément dimage. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication dun tel 20 écran de visualibafi on. L'invention sera mieux comprise et dautres caractéristiques et avantages apparattront à la lecture de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles: la figure 1 représente symboliquement un élément d'image dun écran 25 de visualisation; les figures 2 et 3 sont des schémas électriques; la figure 4 est un diagramme explicatif; la figure 5 illustre une structure de diode Schottky; la figure 6 représente un élément non-linéaire; les figures 7 et 8 sont des diagrammes explicatifs; les figures 9 et 10 sont des vues dun écran de visualisation. Les écrans de visualisation à accès matriciel sont constitués dun matériau électrooptique tel qu'une couche de cristal liquide comprise entre deux jeux d'électrodes croisées figurant les lignes et les colonnes de la matrice de visualisation L'intersection cdune ligne et cd'une colonne définit un élément d'image de l'écran. La figure I représente un schéma électrique équivalent à un élément d'image c Pun écran de visualisation L'intersection cd'une colonne 1 et dune 5 ligne 2 définit l'élément d'image représenté par la cellule élémentaire 3 symbolisée par un condensateur dont le diélectrique 5 serait le matériau électrooptique La cellule élémentaire 3 est associée à un élément nonlinéaire 4 Suivant la valeur de la différence de potentiel appliquée entre la colonne 1 et la ligne 2, on pourra ou non agir sur la cellule élémentaire 3 en 10 fonction de la tension de seuil de l'élément nonlinéaire. L'élément non-linéaire peut être réalisé par l'association en sérieopposition de deux diodes D 1 et D 2 Il existe deux dispositions possibles pour ces diodes comme le montrent les schémas électriques des figures 2 et 3 La figure 4 est un diagramme dont la courbe 6 donne lallure du courant I 15 traversant l'élément non-linéaire en fonction de la différence de potentiel VAB appliquée à ses bornes, dest-à-dire entre A et B On constate que la courbe 6 est fortement non linéaire et qu'elle possède une tension de seuil Vs Il est avantageux dutiliser des diodes Schottky en silicium amorphe qui présentent des caractéristiques inverses fortement non linéaires. La figure 5 illustre une structure de diode Schottky en silicium amorphe Typiquement, ce type de diode est obtenu par dépôt sur un substrat 10 d'une première couche 1 l en silicium amorphe à dopage de type n+, d'une seconde couche 12 en silicium amorphe non dopé et d'une couche superficielle 13 constituée par un métal et qui forme avec la couche sous25 jacente la jonction Schottky De façon usuelle, le métal est du platine mais le choix peut se porter sur des métaux ayant des propriétés analogues tels que le palladium ou l'or Afin d'assurer un bon contact métalsemiconducteur, la couche métallique 13 peut subir un traitement de manière à former un interface en siliciure de platine. Il est avantageux de réaliser les éléments non-linéaires selon une structure de type coplanaire La figure 6 illustre une telle configuration Sur un substrat isolant 20 qui peut être commun à -plusieurs dispositifs nonlinéaires, on a cd'abord déposé une couche 21 de silicium amorphe dopée n+, puis une couche 22 en silicium amorphe non dopée ou très peu dopée Les diodes D 1 et D 2 sont complétées par les plots de platine 23 et 24 La couche 21 dopée n+ assure la liaison électrique entre les diodes D 1 et D 2 Des connexions électriques 25 et 26 relient respectivement les diodes D 1 et D 2 à des bornes de contact 27 et 28 Entre ces bornes, on a donc réalisé un 5 élément non-lirnéaire formé de deux diodes placées en série et en opposition. Le dépôt des couches de silicium amorphe peut être réalisé par de nombreux procédés On préférera, pour la réalisation de dispositifs nonlinéaires pour écrans de visualisation, une méthode en phase gazeuse sous pression atmosphérique ou méthode CVD daprès la terminologie anglo10 saxonne (Chemical Vapor Deposition) Elle consiste en une décomposition thermique du silane Si H 4 qui est la source de silicium Le gaz vecteur utilisé est l'hydrogène Un dopage de type N est réalisé en introduisant de la phosphine PH 3 diluée dans l'hydrogène Le dopage de la couche n+ corres PH PH 3 _ -4 à 5 10-%_ ce qui repr-sente pond généralement à un rapport Si H 3 10 510, ce qui représente une conductivité de l'ordre de 106 à 10-5 S 1 cm L'épaisseur des couches déposées peut varier de 1000 à quelques milliers dangstro 6 ms. Les échantillons de silicium amorphe obtenus par dépôt CVD à 600 C 20 ont une densité importante de liaisons brisées Les états électroniques :correspondants à une liaison brisée sont profonds dans la bande interdite et donnent un matériel semi-isolant Par un traitement thermique dans un environnement d'hydrogène atomique, il est possible de passiver chimiquement les liaisons brisées par formation de liaisons Si-H Cette post25 hydrogénation est effectuée à une température d'environ 400 C dans un plasma d'hydrogène généré par microondeso Les différentes couches peuvent également être déposées par une méthode en phase gazeuse à basse pression ou méthode LPCVD d'après la terminologie anglo-saxonne (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) Dans 30 ce cas, les dépôts sont effectués sous une pression denviron 500 millitorrs et pour une température de l'ordre de 565 C. Les méthodes susmentionnées se prêtent particulièrement bien aux dépôts sur de grandes surfaces On pourra donc les utiliser pour réaliser des substrats supportant les éléments non-linéaires d'un écran de visualisation. 255 190 Cependant, comme il a été dit plus haut, c'est la dispersion des caractéristiques courant-tension de ces éléments qui pose de gros problèmes, en particulier pour le contrôle du contraste. La figure 7 est un diagramme donnant l'allure du courant I traversant 5 les éléments non-linéaires en fonction de la tension V appliquée aux bornes de ces éléments Les éléments considérés sont du type représenté à la figure 6 Trois courbes 30, 31 et 32 ont été tracées correspondant à trois éléments non-linéaires identiques réalisés sur le même substrat au cours de la même opération L'axe des ordonnées est gradué en ampère selon une échelle 10 logarithmique et l'axe des abscisses est gradué en volts L'allure de ces courbes est à peu près linéaire dans sa plus grande partie pour une échelle des ampères logarithmique Ces courbes sont particulièremnet révélatrices de la dispersion des caractéristiques courant-tension En particulier, l'écart en courant entre les courbes 30 et 32 pour une tension de 12 volts est de 15 A I = 7,6 10-8 ampère et cet écart ne diminue pas notablement pour des tensions supérieures à 12 volts Les valeurs correspondantes des courants sont I 1 = 9 10-8 ampère pour la courbe 32 et I 2 = 1,4 10-8 ampère pour la courbe 30 On voit que le courant I 1 a une valeur qui est 6,4 fois plus élevée que le courant 12 On comprend l'influence néfaste de cette dispersion sur le 20 contraste de l'écran. L'invention propose de réaliser les éléments non-linéaires de telle manière qu'ils possèdent tous le même point de fonctionnement couranttension pour la commande de la couche de cristal liquide Ceci est obtenu par une limitation de la caractéristique courant-tension à un même niveau 25 de courant pour la tension de commande appliquée Cette limitation est introduite par le contrôle du dopage de la couche n+ arrière commune aux deux diodes de l'élément non-linéaire Les caractéristiques I(V) des ensembles formés par deux diodes placées en série et en opposition sont rendues homogènes en contrôlant la valeur de la résistance série de la couche dopée 30 n+ au cours du dépôt Ce résultat peut être obtenu avec un dopage de la PH 3 couche n+ qui correspond à Si H 3 10-3 ce qui représente une conducti vit de ordre de 101 cm 4 l On estime qu'un dopage provoquant une vité de l'ordre de 10-1 n Z cm On estime qu'un dopage provoquant une 2551 902 conductivité supérieure à 10-2 ç-l cm 1 est satisfaisant pour homogénéiser les caractéristiques. La figure 8 est un diagramme donnant l'allure du courant I traversant les éléments non-linéaires en fonction de la tension V appliquée aux bornes 5 de ces éléments Les éléments considérés sont, comme dans le cas de la figure 7, du type représenté à la figure 6 Trois courbes 40, 41 et 42 ont été tracées correspondant à trois éléments non-linéaires identiques réalisés sur le même substrat au cours de la même opération -L'axe des ordonnées est gradué en ampère selon une échelle logarithmique et l'axe des abscisses est 10 gradué en volts On voit sur la figure 8 que les courbes 40, 41 et 42 qui étaient distinctes pour de faibles valeurs de V, tendent à se confondre lorsque V augmente et sont pratiquement confondues pour des tensions supérieures à 12 V Il est facile de constater à partir de cette figure que, pour des tensions de commande suffisamment élevées, la couche de cristal 15 liquide sera uniformément commandée en chaque point. Il est également possible d'homogénéiser les caractéristiques couranttension des dispositifs non-linéaires par contrôle des caractéristiques géométriques des diodes composant les éléments nonlinéaires En particulier, la résistance présentée par la couche dopée n+ peut être réduite en 20 diminuant l'épaisseur de la couche ou en augmentant la surface des jonctions. Les figures 9 et 10 représentent des vues partielles en coupe dun écran de visualisation à cristal liquide selon l'invention La figure 10 est une vue de dessus de la figure 9 selon l'axe XX' Les éléments non-linéaires sont 25 du type représenté à la figure 6 On a dabord déposé sur une lame ou substrat 50 les couches de silicium amorphe désirées, par la méthode CVD décrite plus haut Une attaque chimique a permis disoler les uns des autres les futurs éléments non-linéaires associés aux éléments dimage Puis, on a déposé par évaporation les contacts métalliques afin de compléter les 30 éléments non-linéaires qui portent la référence 51 Chaque élément nonlinéaire 51 comprend donc des contacts 52 et 53 formant avec la couche semiconductrice qui les supporte des jonctions Schottky Le substrat 50 supporte également des connexions de colonne 54 destinées à véhiculer les potentiels de commande, et des électrodes 55 dont les surfaces (par exemple ? 551902 de l'ordre de 1 mm 2) définissent les éléments dimage Comme on le voit, en particulier sur la figure 10, les éléments non-linéaires 51 assurent les liaisons entre connexions de colonne et électrodes 55 Une méthode d'évaporation sous vide permet d'obtenir une bonne continuité électrique entre les 5 connexions 54 et les contacts 52 d'une part et entre les électrodes 55 et les contacts 53 dautre part Si l'écran est destiné à être utilisé en réflexion les électrodes 55 doivent être réfléchissantes On préférera alors les concevoir en aluminium Si l'écran est destiné à être utilisé en transmission, on emploiera par exemple de l'oxyde mixte d'étain et dindium Les connexions 10 54 sont suffisamment minces pour ne pas poser de problèmes Une seconde lame 56 est disposée en vis-à-vis de la lame 50 à une distance typiquement dune quinzaine de micromètres définie par des cales d'épaisseur non représentées Elle supporte des connexions de ligne 57 Celles-ci ont la même largeur que les électrodes 55 Elles sont réalisées en un matériau 15 conducteur transparent tel que l'oxyde mixte d'étain et dindium. L'espace situé entre les deux lames 50 et 56 est rempli dune couche de cristal liquide 58 par exemple du type comprenant une phase nématique. On a ainsi réalisé un écran de visualisation dont chaque élément d'image est commandé par un élément non-linéaire et qui peut être utilisé 20 en transmission ou en réflexion Les diodes Schottky composant les éléments non-linéaires permettent le passage de courants relativement importants, typiquement de l'ordre de 100 microampères, cdest-à-dire au moins dix fois supérieurs aux courants transitant par des transistors en couche mince de surface comparable On peut obtenir des teintes de gris en faisant varier la 25 largeur des impulsions de tension vidéo qui sont appliquées suivant les cas aux impulsions de lignes ou de colonnes. REVENDICATIONS 1 Ecran de visualisation du type comprenant un matériau électrooptique ( 58) placé entre deux lames ( 50 et 56) dont lune au moins est transparente, ledit écran comprenant des éléments non-linéaires ( 51) déposés collectivement et associés en série avec les éléments dimage de l'écran 5 et permettant leur commande grâce à des potentiels distribués par des électrodes ( 54, 57) supportées par lesdites lames, ladite commande étant tributaire du point de fonctionnement de l'élément nonlinéaire dans sa caractéristique courant-tension, les éléments nonlinéaires étant constitués par deux diodes (DI, D 2) placées en série et en opposition et possédant une 10 couche semiconductrice dopée commune ( 21), caractérisé en ce que le dopage de ladite couche ( 21) est tel que sa conductivité soit supérieure a -2 l cm-1 de manière que les éléments non-linéaires aient tous le même point de fonctionnement pour une même tension de commande d'un élément dimage. 2 Ecran de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les diodes formant l'élément non-linéaire sont des diodes Schottky. 3 Ecran de visualisation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit matériau électrooptique ( 58) est un cristal liquide. 4 Ecran de visualisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les électrodes ( 54, 57) supportées par lesdites lames définissent un réseau matriciel. Procédé de fabrication dun écran de visualisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments non25 linéaires sont élaborés à partir de couches semiconductrices ( 11, 12) déposées sur un substrat. 6 Procédé de fabrication d'un écran de visualisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dépôt desdites couches semiconductrices est effectué par une méthode en phase gazeuse sous pression atmosphérique 30 (CVD). 7 Procédé de fabrication dun écran de visualisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dépôt desdites couches semiconductrices est effectué par une méthode en phase gazeuse à basse pression (LPCVD).