Brevet FR2938700A1 — publié le 20100521

Diode organique électroluminescente avec nervures électriquement conductrices au niveau de l'électrode inférieure, procédé de réalisation et panneau d'éclairage Domaine technique de l'invention L'invention est relative à une diode organique électroluminescente 10 comportant, sur une face d'un substrat, au moins un empilement avec au moins une couche organique électroluminescente, ledit empilement étant disposé entre une électrode inférieure et une électrode supérieure. 15 État de la technique Le domaine des panneaux d'éclairage de grande taille s'intéresse de plus en plus à la technologie des diodes organiques électroluminescentes. 20 Une diode organique électroluminescente comporte classiquement, comme illustré à la figure 1, un substrat 1 muni d'une première électrode, dite électrode inférieure 2, sur laquelle est réalisé un empilement 3 comportant au moins une couche organique électroluminescente. La diode est complétée 25 par une deuxième électrode, dite électrode supérieure 4, disposée sur l'empilement 3. Une diode organique peut être qualifiée de diode à émission vers le bas ou à émission vers le haut. Dans le cas d'une diode à émission vers le bas, l'électrode inférieure 2 doit être transparente et l'électrode supérieure 4 réflective. De manière opposée, pour une diode organique à 3o émission vers le haut, l'électrode inférieure 2 est réflective et l'électrode supérieure 4 transparente. Il existe également des diodes émettant5 simultanément vers le haut et vers le bas. Dans ce cas, les électrodes inférieure et supérieure sont au moins partiellement transparentes. Dans toutes les configurations, l'épaisseur des électrodes doit être optimisée pour maximiser l'extraction de lumière. Les contraintes liées à ces épaisseurs ainsi que la nature des matériaux utilisés ne permettent pas toujours d'atteindre une polarisation satisfaisante de la diode. Par ailleurs, des problèmes de luminance peuvent subvenir lors de la 1 o réalisation de panneaux de grande taille. En effet, que la diode organique soit à émission vers le haut ou vers le bas, la finesse des couches constituant les électrodes d'alimentation de la diode organique induit des pertes ohmiques importantes, qui, répercutées sur une grande surface, provoquent des différences de luminance inacceptables pour un utilisateur. 15 Objet de l'invention L'invention a pour but de réaliser une diode organique électroluminescente 20 de surface importante, tout en gardant une homogénéité de la luminance. Ce but est atteint par le fait que la face du substrat sur laquelle est disposé l'empilement comporte des tranchées, dans lesquelles sont disposées des nervures électriquement conductrices en contact avec l'électrode inférieure, 25 et que la surface de l'électrode inférieure en contact avec l'empilement est plane. Selon un développement de l'invention, les nervures ont une distribution aléatoire et/ou un tracé sinueux. 30 L'invention a aussi pour but un procédé de réalisation d'une telle diode organique et un panneau d'éclairage. Le procédé de réalisation de la diode organique comporte les étapes 5 successives suivantes : la gravure du substrat pour réaliser des tranchées correspondant à la distribution des nervures, le dépôt des nervures et de l'électrode inférieure, la réalisation de l'empilement et de l'électrode supérieure. 10 Selon un développement du procédé, la largeur des tranchées étant de deux fois l'épaisseur désirée de l'électrode inférieure, le dépôt des nervures et de l'électrode inférieure est réalisé par un dépôt conforme unique. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention 20 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 illustre, vue en coupe, une diode organique électroluminescente selon l'art antérieur. 25 La figure 2 illustre, en fonction de la longueur d'onde des rayonnements lumineux, trois courbes représentatives de la transmittance, en pourcentage, d'une électrode en argent ayant trois épaisseurs différentes (respectivement 10nm, 40nm et 60nm). La figure 3 illustre, vue en coupe, une diode organique électroluminescente 30 selon l'invention. 15 La figure 4 illustre, vue en coupe, le substrat et l'électrode inférieure d'une diode organique électroluminescente selon une variante de réalisation. La figure 5 illustre, vue de dessus, un substrat comportant des nervures. Description de modes particuliers de réalisation Pour diminuer les pertes ohmiques d'une électrode de grande dimension, il a été proposé, dans d'autres domaines, d'augmenter l'épaisseur de l'électrode 10 ou d'ajouter des nervures électriquement conductrices en contact électrique avec l'électrode considérée. Ces nervures servent de renforts de la conductivité électrique pour permettre de limiter les pertes ohmiques. La première solution, par augmentation de l'épaisseur de l'électrode, n'est 15 pas transposable dans le cas d'une diode électroluminescente à émission vers le bas. En effet, l'augmentation de l'épaisseur de l'électrode inférieure rendrait l'électrode inférieure opaque, comme l'illustrent les courbes de transmittance de la figure 2, pour une électrode inférieure en argent ayant respectivement 10, 40 et 60nm d'épaisseur. On constate que la 20 transmittance diminue très fortement pour des longueurs d'onde élevées lorsque l'épaisseur augmente. L'extraction lumineuse peut, par ailleurs, ne plus être acceptable. Bien que la seconde solution, utilisant les nervures, soit facilement 25 transposable à l'électrode supérieure 4 d'une diode organique, l'ajout de nervures au niveau de l'électrode inférieure 2 peut créer des saillies formant des passages de marche au niveau de l'interface entre l'électrode inférieure 2 et l'empilement 3. Ces saillies, selon leur profil et leur hauteur, provoquent inévitablement des diminutions d'épaisseur des couches organiques formant 30 l'empilement 3. En effet, le dépôt des couches organiques est réalisé par évaporation de semi-conducteurs organiques. Or, ce dépôt n'est pas5 conforme. Il ne permet donc pas d'épouser le relief de manière à éviter la diminution d'épaisseur au sommet de la saillie, générant alors le passage de marche. Cette configuration peut, en fonction de la hauteur des nervures, créer des court-circuits entre les électrodes supérieure et inférieure. Afin d'éviter les court-circuits, la diode électroluminescente comporte, comme illustré à la figure 3, un substrat 1, une électrode inférieure 2 en contact avec une face du substrat 1, un empilement 3 et une électrode supérieure 4. L'empilement 3 comporte au moins une couche en matériau organique et il 1 o est disposé entre l'électrode inférieure 2 et l'électrode supérieure 4. Le substrat 1 présente une microstructure formant des tranchées réalisées au niveau de la face du substrat 1, qui est destinée à recevoir l'électrode inférieure 2. Les tranchées 1 sont comblées par des nervures 5 électriquement conductrices qui, de préférence, affleurent la surface du 15 substrat 1 et sont en contact électrique avec l'électrode inférieure 2. Ainsi, grâce à l'enterrement des nervures 5 dans le substrat 1, la surface de l'électrode inférieure 2 en contact avec l'empilement 3 est sensiblement plane, c'est-à-dire qu'elle ne présente pas de passages de marche dus à l'utilisation des nervures 5. Il est alors possible d'obtenir une diode organique 20 électroluminescente à émission vers le bas dont l'électrode inférieure 2 présente de bonnes propriétés de conductivité, tout en restant transparente. Les nervures 5 servent alors de renforts de conductivité électrique au niveau de l'électrode inférieure, limitant ainsi les pertes ohmiques. Dans le cas d'une diode organique à émission vers le bas, l'électrode supérieure 4 étant 25 réflective, il est possible, pour éviter ses pertes ohmiques, soit d'augmenter son épaisseur, soit de déposer des nervures au-dessus de l'électrode supérieure 4. Une uniformité acceptable de la luminance est obtenue si la résistance par 30 carré des électrodes est inférieure à 3 Q/carré pour un panneau d'éclairage de 15 cm par 15 cm ou inférieure à 15 S2/carré pour un panneau d'éclairage de 5 cm par 5 cm. À titre d'exemple, pour une électrode inférieure en ITO de résistivité de 15 0/carré, il est nécessaire pour obtenir une uniformité supérieure à 70% d'ajouter des nervures avec un pas périodique inférieur, de préférence, à 5 cm pour une nervure en cuivre ou en argent. De plus, en ajoutant un anneau de renfort de la conductivité autour du panneau d'éclairage, il est possible d'augmenter le pas des nervures étant donné que le courant ne sera pas injecté par un point mais de chaque côté du panneau à chaque extrémité des nervures. 10 Les nervures 5 et l'électrode inférieure 2 peuvent être réalisées dans des matériaux identiques ou différents. De préférence, les nervures 5 sont réalisées en métal, tel que le cuivre, l'argent, l'aluminium, ou en oxyde transparent conducteur. L'électrode inférieure 2 est, quant à elle, réalisée, de 15 préférence, en oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO), en dioxyde d'étain dopé antimoine (SnO2 dopé Sb), en oxyde transparent conducteur (OTC) ou en tout autre matériau transparent conducteur connu. Il est aussi possible d'utiliser des métaux proposant une transparence suffisante lorsqu'ils sont utilisés en couche mince, tout en gardant un bon compromis entre la 20 transparence de l'électrode et sa conductivité. À titre d'exemple, il est possible d'utiliser les métaux suivants : l'argent, l'aluminium ou le samarium dans des épaisseurs strictement inférieures à 30nm pour assurer une bonne transparence. On peut également utiliser un empilement de plusieurs couches, par exemple une bicouche composée d'une couche en oxyde 25 transparent conducteur (OTC), dont l'épaisseur est déterminée pour optimiser l'extraction du flux lumineux, et une couche métallique, dont l'épaisseur est suffisamment fine pour que cette couche reste transparente. Le procédé de réalisation d'une diode organique décrite ci-dessus comporte 30 tout d'abord la gravure, par exemple par gravure ionique (IBE : "ion beam etching" ou gravure par faisceau d'ions), du substrat 1 de base pour réaliser5 les tranchées correspondant à la distribution des nervures 5 électriquement conductrices que l'on souhaite ajouter. Pour une diode organique à émission vers le bas, le substrat 1 de base doit être transparent et il est, de préférence, réalisé en verre. Les tranchées ont, de préférence, une largeur de 1�m et une profondeur modulable. Les dimensions des nervures sont adaptées en fonction de la conductivité de l'électrode inférieure. Après formation des tranchées, le matériau constituant les nervures 5 peut être déposé. On procède ensuite avantageusement à un polissage mécanique et/ou mécano-chimique pour aplanir la surface. Le matériau des nervures ~o affleure alors la surface. L'électrode inférieure 2 peut alors être déposée et, éventuellement, planarisée. Les couches suivantes (empilement 3, électrode supérieure 4), sont ensuite déposées classiquement. Selon un développement illustré à la figure 4, il est possible d'effectuer un 15 dépôt simultané des nervures 5 et de l'électrode inférieure 2 lorsque ces deux éléments (5 et 2) doivent être réalisés dans un même matériau. Dans ce cas, la largeur L, de la tranchée sera sensiblement égale à deux fois l'épaisseur L2 désirée de l'électrode inférieure 2. Un dépôt conforme, par exemple par dépôt de couche atomique (ALD pour � atomic layer 20 deposition � en anglais), est alors réalisé. Ainsi, lorsque l'épaisseur souhaitée de l'électrode inférieure 2 est atteinte, les tranchées ont automatiquement été rebouchées par le dépôt conforme et l'électrode inférieure 2 présente une surface lisse, prête à recevoir l'empilement 3 et l'électrode supérieure 4. Une étape de planarisation peut éventuellement être 25 prévue avant le dépôt des couches organiques. La diode obtenue présente alors une conductivité renforcée par les nervures 5, fortement conductrices, disposées dans le substrat 1. 30 Selon un mode de réalisation particulier, la gravure du substrat est, de préférence, réalisée par gravure ionique et le motif de la gravure correspond à une distribution souhaitée des nervures 5. Les nervures 5 sont ensuite déposées par dépôt d'une couche de cuivre. Le dépôt de cuivre permet ensuite d'appliquer le procédé Damascène, très connu en microélectronique, permettant de mettre à plat le substrat 1 et les nervures 5 avant de déposer la couche correspondant à l'électrode inférieure 2 transparente. Ainsi, la surface obtenue par le procédé Damascène est plane et il n'y a plus de risques de court-circuit entre l'électrode inférieure 2 et l'électrode supérieure 4 dû au phénomène de passage de marche. Une telle diode peut être obtenue par d'autres méthodes classiques de la micro-électronique. À titre d'exemple, on peut utiliser la technique de décollement ("lift-off"). On dépose sur le substrat 1 une couche sacrificielle, puis on définit les motifs des tranchées correspondant aux nervures par gravure locale de la couche sacrificielle et du substrat sous-jacent. On dépose ensuite le matériau destiné à constituer les nervures sur l'ensemble de la surface, avec une épaisseur suffisante pour combler les tranchées formées dans le substrat. La couche sacrificielle est ensuite éliminée par décollement ("lift-off"), entraînant l'élimination du matériau destiné à constituer les nervures disposé sur cette couche sacrificielle. Il ne reste alors du matériau destiné à constituer les nervures qu'au niveau des tranchées. Une étape de polissage peut avantageusement être prévue à ce stade. L'électrode inférieure est ensuite déposée en pleine plaque et éventuellement aplanie. La distribution des nervures dans le substrat est optimisée pour limiter les pertes ohmiques de l'électrode inférieure. Cette distribution peut se présenter sous la forme d'un quadrillage ou de toute autre répartition limitant les pertes ohmiques. so L'introduction de nervures 5 au niveau de l'électrode inférieure 2 transparente peut générer des problèmes de diffraction des ondes lumineuses au niveau de l'électrode inférieure 2. Pour limiter ce phénomène, il est recommandé de pratiquer une distribution aléatoire (non périodique) et/ou présentant un tracé sinueux (non rectiligne) des tranchées dans le substrat 1. Cet enseignement, bien que non appliqué aux diodes organiques, est décrit dans la demande de brevet internationale W02007/029117. En effet, selon le matériau utilisé pour réaliser les nervures, chaque nervure sera plus ou moins opaque à la lumière générée par la couche d'émission de la diode organique. Une nervure 5 diffracte la lumière dans un plan perpendiculaire à la direction longitudinale de cette dernière. Ainsi, pour diminuer l'intensité de la diffraction dans un plan donné, les nervures 5 peuvent se présenter selon un tracé sinueux, comme illustré à la figure 5, lorsque l'on regarde le substrat 1 de dessus avant de déposer l'électrode inférieure. Chaque segment diffracte alors la lumière dans une direction différente permettant à un usager de ne pas ressentir le phénomène de diffraction. Bien entendu, l'empilement 3 peut comporter, classiquement la succession de couches suivantes : une couche d'insertion d'électrons, une couche de blocage de trous, la couche organique électroluminescente, une couche de blocage d'électrons et une couche d'insertion de trous. Cette succession peut être inversée en fonction du type de l'électrode inférieure. En effet, si l'électrode inférieure est une anode, alors la couche d'injection de trous sera en contact avec l'électrode inférieure, tandis que si l'électrode inférieure est une cathode, la couche d'injection d'électrons sera en contact avec l'électrode inférieure. Ainsi, la diode organique décrite dans la présente demande peut servir d'élément constitutif d'un panneau d'éclairage présentant de bonnes qualités d'homogénéité de l'éclairage. Un tel panneau comporte alors au moins une diode organique telle que décrite. Revendications1. Diode organique électroluminescente comportant, sur une face d'un substrat (1), au moins un empilement (3) avec au moins une couche organique électroluminescente, ledit empilement étant disposé entre une électrode inférieure (2) et une électrode supérieure (4), diode caractérisée en ce que ladite face du substrat (1) comporte des tranchées, dans lesquelles sont disposées des nervures (5) électriquement conductrices en contact avec l'électrode inférieure (2), et en ce que la surface de l'électrode inférieure (2) en contact avec l'empilement (3) est plane. 2. Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode inférieure (2) et les nervures (5) sont réalisées dans des matériaux différents. 3. Diode selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'électrode inférieure (2) est formée par une couche en matériau transparent conducteur et/ou une couche métallique ayant une épaisseur suffisamment faible pour être transparente. 4. Diode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les nervures (5) sont en cuivre. 5. Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les matériaux 25 constituant l'électrode inférieure (2) et les nervures (5) sont identiques. 6. Diode selon la revendication 5, caractérisée en ce que les tranchées ont une largeur (L,) égale à deux fois l'épaisseur (L2) de l'électrode inférieure (2). 30 7. Diode selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les nervures (5) ont une distribution aléatoire et/ou un tracé sinueux. 10 20.11 8. Diode selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le substrat(1) est en verre. 9. Procédé de réalisation d'une diode selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes : la gravure du substrat (1) pour réaliser des tranchées correspondant à la distribution des nervures (5), le dépôt des nervures (5) et de l'électrode inférieure (2), io la réalisation de l'empilement (3) et de l'électrode supérieure (4). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la largeur des tranchées étant de deux fois l'épaisseur désirée de l'électrode inférieure (2), le dépôt des nervures (5) et de l'électrode inférieure (2) est réalisé par un 15 dépôt conforme unique. 11. Panneau d'éclairage comportant au moins une diode organique électroluminescente selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.