EP0209535A1 - Dispositif d'affichage a effet memoire comprenant des couches minces electroluminescente et photoconductrice. - Google Patents

Dispositif d'affichage a effet memoire comprenant des couches minces electroluminescente et photoconductrice.

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EP0209535A1
EP0209535A1 EP86900157A EP86900157A EP0209535A1 EP 0209535 A1 EP0209535 A1 EP 0209535A1 EP 86900157 A EP86900157 A EP 86900157A EP 86900157 A EP86900157 A EP 86900157A EP 0209535 A1 EP0209535 A1 EP 0209535A1
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electroluminescent
photoconductive
light
layers
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    • G09G2360/14—Detecting light within display terminals, e.g. using a single or a plurality of photosensors
    • G09G2360/145—Detecting light within display terminals, e.g. using a single or a plurality of photosensors the light originating from the display screen
    • G09G2360/147—Detecting light within display terminals, e.g. using a single or a plurality of photosensors the light originating from the display screen the originated light output being determined for each pixel
    • G09G2360/148—Detecting light within display terminals, e.g. using a single or a plurality of photosensors the light originating from the display screen the originated light output being determined for each pixel the light being detected by light detection means within each pixel

Definitions

  • the present invention relates to a memory effect display device comprising thin electroluminescent and photoconductive layers.
  • a display device essentially comprises an electroluminescent layer (or a stack of layers comprising an electroluminescent layer which may be called “electroluminescent structure") interposed between two electrode systems, which are connected to addressing circuits.
  • a photoconductive layer can be arranged in series with the electroluminescent structure so as to establish, under the effect of an optical excitation, an electrical conduction between some of these electrodes. This conduction leads to the establishment of appropriate electrical potentials and the appearance of an excitation of the electroluminescent layer, which then emits radiation. This is used primarily for displaying information, but it also makes it possible to maintain the conduction of the photoconductive layer, even after cessation of optical addressing. There is therefore self-maintenance or, if you like, memory effect.
  • An electrode transparent 22 is connected to the electrodes 12 and 18 and an opaque electrode (A1) 24 is arranged in the electroluminescent material, so that the latter is interposed between, on the one hand, this electrode 24 and, on the other hand, the two electrodes 18 and 22.
  • a laser 26 is capable of emitting a light beam 28 which strikes the photoconductive material 16 in the area between the electrodes 12 and 14. The operation of this device is as follows. At rest, an alternating voltage is applied to the electrode 24 and to the electrode 14, but the laser 26 is stopped. Since the photoconductive material 16 is not optically excited, it behaves as an insulator. The electrodes 14 and 12 are therefore electrically isolated from each other and the potential of the electrode 12 is floating, as is that of the electrodes 18 and 22.
  • the electroluminescent material is not excited and therefore does not emit no light.
  • the excitation is controlled optically by the laser 26.
  • the latter emits a beam 28 which strikes the photoconductor 16 between the electrodes 12 and 14 making this zone electrically conductive.
  • the two electrodes 12 and 14 are then connected by a conductive channel (symbolically marked by the arrow 36) and the potential of the electrodes 12, 18 and 22 is established at the value fixed by the potential applied to the electrode 14.
  • a potential difference then appears between the electrode 24, on the one hand, and the electrodes 18 and 22, on the other hand. This causes the appearance of an electric field and the excitation of the electroluminescent material.
  • the radiation 30 emitted by the electroluminescent material towards the front of the device allows the display of information for an observer disposed at 32.
  • the rear part 34 of the emitted radiation it excites the photoconductor and maintains its photoconduction. Therefore, the laser 26 can be put to rest without ceasing
  • Electroluminescence We thus obtain a memory effect.
  • the display stops as soon as the electrical excitation is removed.
  • two electrode systems are required: one (such as 14) which are addressing electrodes, and the other, such as 18 and 22 which are excitation electrodes.
  • the actual light-emitting structure 20 consists of two similar light-emitting layers separated by an electrode 24 acting as an optical screen, this to isolate the photoconductive element from light ambient inci dent on the device from the observer's side.
  • This principle requires a set of electrodes on four distinct levels, imposing multiple additional stages of masking, etching and deposition in the manufacturing process.
  • an electroluminescent display device with a memory effect which comprises a layer of photoconductive material interposed between a first and a second layer of electroluminescent materials.
  • the first light emitting layer has a light emitting band which is included within the excitation band of the photoconductive layer.
  • the second electroluminescent layer has a light emission band which is outside these limits and which is in principle included in the visible part of the spectrum and which can be used for display purposes.
  • the electroluminescence emanating from these layers is relatively low due to the fact that it occurs a significant drop in the excitation voltage in the photoconductive layer, which has a high impedance due to the relatively low luminescence of the first light-emitting layer.
  • a switching voltage is applied, there is an increase in the light emission from the first light-emitting layer, which has the effect of exciting the photoconductive layer.
  • An electro-optical reaction is therefore obtained between the first electroluminescent layer and the photoconductive layer, the drop in the switching voltage which occurs in the rapidly decreasing photoconductive layer, while the voltage drop that occurs in the first and second light-emitting layers increases rapidly.
  • the device When the photoconductive material is in the state in which it is fully conductive, the device has passed to a stable active state and the maintenance voltage causes the generation, by the first light-emitting layer, of an electroluminescence sufficient for the photoconductive material remains fully conductive even when the switching voltage ceases to be applied.
  • the invention aims to further simplify these devices while improving their performance and their manufacturing conditions.
  • the invention provides for using an electroluminescent layer (or a stack of layers comprising an electroluminescent layer) and a photoconductive layer which are all thin layers, that is to say layers whose thickness is on the order of a micron or less, practically between 0.1 and 2 microns.
  • the thinness of the electroluminescent layer results in an interesting advantage which is as follows.
  • the thin electroluminescent layers deposited on a smooth and flat substrate are themselves smooth and flat and are then the seat of an effect commonly called optical guidance.
  • the levels of luminance extracted from the device are of the same order for devices based on thin films as for devices with necks not thin, that is to say "powder" (typically 100 to 1000 Cd / m 2 at 1 kHz excitation)
  • the internal light fluxes are much more intense in thin film structures (typically a factor 10) by optical guiding effect and the absence of ic diffusion.
  • the light emission from the active layer is almost entirely trapped ( ⁇ 90%) and transferred in large part to the photoconductive layer, hence a markedly enhanced memory effect.
  • a final advantage derived from the use of thin layers for the electroluminescent structure is that the light is not diffused by the layers and the rear photoconductive layer, of dark appearance, provides an excellent display contrast.
  • the photoconductive layer is deposited uniformly over the entire surface of the display and absorbs most of the incident ambient light, it therefore prevents the reflection of the latter on the network d generally 48 opaque and metallic electrodes. It thus contributes to significantly enhancing the contrast of the device of the invention.
  • the contrast is reduced for two reasons: first of all the electroluminescent material is based on powder and therefore very dif fusing, then the device consists of several networks of metal electrodes 12 and 24 not masked by the photoconductive layer and which will therefore reflect the incident ambient light.
  • the thinness of the photoconductive layer results in two properties:
  • the dark resistance of the photoconductive layer is large compared to the impedance relative to the capacity of the layer and has no influence on the voltage across the layer.
  • the photoconductive layer has a capacitive rather than a resistive electrical behavior, the latter then no longer depending on the resistivity of the material in the dark.
  • the device can therefore be switched to the on state by purely electrical means.
  • the hysteresis loop then becomes independent of the resistivity of the photoconductive material in the dark. The manufacture of the device is thereby facilitated and the obtaining of hysteresis is much more reproducible;
  • the electric field in the photoconductive layer is then a few 10 5 V / cm.
  • Significant nonlinear effects are then obtained in the conductivity of the photoconductor (as is the case in particular with amorphous Si, the electrical behavior of which is described in the article by I. Solomon et al "Space-charge-limited conduction for the determination of the midgap density of states in amorphous silicon: Theory and experiment ", Phys. rev. B30, p. 3422 (1984)).
  • the electrode systems used can be of various types depending on the application envisaged.
  • the electrode systems consist of two families of conductive strips, the strips of one of the systems being crossed with respect to the strips of the other system.
  • the volume delimited by each intersection between an electrode of one system and an electrode of the other constitutes a picture element.
  • An image can then be displayed on such a matrix screen by exciting a certain number of these image elements.
  • a well-known method of display for a matrix screen is the "one line at a time" technique by which the lines (one of the two electrode systems) are excited or addressed one after the other. only; the columns (the other electrode system) are addressed simultaneously at the same time.
  • the optical excitation which makes the photoconductive material is obtained by the light emitted by the electroluminescent layer itself under the effect of an electric excitation temporarily exceeding a certain threshold.
  • the addressing of the device thus being entirely electric.
  • the device may comprise a specific optical addressing device capable of causing the conduction of certain areas of the photoconductive layer.
  • This optical device can be a laser, an optical pencil or any other light source.
  • the addressing means may be an electron beam.
  • the device in question will be close to that described in the article entitled “Device Characterization of an Electron-Beam-Switched Thin-Film ZnS: Mn Electroluminescent Faceplate” published by 0. SAHNI et al in "IEEE Transactions on Electron Devices", vol ED 28, n ° 10, June 81, page 708.
  • the addressing means then consists of a single electroluminescent element covering the entire rear surface (electron gun side) of the front face of a cathode ray tube and fed independently of the gun .
  • the contribution of the invention lies in the addition of a photoconductive layer with the same surface area as the light-emitting layer or layers and interposed between the latter and the rear electrode in Al.
  • the photoconductive material As for the photoconductive material, its absorption spectrum must be adapted to the emission spectrum of the electroluminescent element to ensure that it has maximum sensitivity to this emitted electroluminescent ion. It can be constituted by the bodies already used in this kind of devices: CdS, CdSe, or CdS-CdSe, or even CdS: Cu, Cl. Thus, with CdS-CdSe, the inventor was able to obtain switching times of the order of a millisecond with electrical addressing; AH KITAI et al reported an electrical switching time of 20 ms.
  • FIG. 1, already described, represents a device according to the prior art
  • FIG. 2 shows, in section along a line electrode, a device of the invention in an embodiment where the addressing is entirely electrical
  • Figure 3 is a diagram which shows the electrical equivalent of a display point
  • - Figure 4 is a curve showing corn the luminance of a display point changes according to the applied electric voltage
  • FIG. 5 shows another embodiment where the addressing is optical
  • FIG. 6 shows, in section along a line electrode a device of the invention in an embodiment reversed from that of figure 2,
  • FIG. 7 shows three alternative embodiments of a stack of electroluminescent layer dielectric layers photoconductive layer.
  • the layers are not drawn to scale and this for clarity. It suffices to indicate again that the photoconductive layer and the electroluminescent layer as well as any other layers of the electroluminescent structure generally have a thickness of the order of a micron (practically between 0.1 and 2 microns).
  • the electrodes 42 they are conventionally produced by depositing a layer of indium tin oxide ("ITO") typically 0.2 microns thick.
  • ITO indium tin oxide
  • the insulating substrate may be glass, for example a glass 7059 of the Corning brand or an ordinary glass "soda-lime".
  • the electrodes 48 can be opaque and produced by deposition of aluminum, for example, or transparent and produced by deposition of ITO, for example.
  • the device represented in FIG. 2 comprises a transparent substrate 40, transparent in-line electrodes 42 (the cut shown is supposed to be made along one of these lines), a thin light-emitting layer 44, a thin photoconductive layer 46 and column electrodes 48.
  • the electroluminescent layer can be replaced placed by a stack of layers comprising an electroluminescent layer.
  • the other layers may be dielectric layers for an electroluminescent structure of the thin film type with alternating excitation or a resistive protective layer for a thin film structure with unidirectional excitation.
  • the electrode systems in rows and columns are permanently connected to an alternating voltage generator 50, the applied voltage is called the maintenance voltage.
  • the row electrodes 42 are connected to a row addressing circuit 52L and the column electrodes 48 to a row addressing circuit 52C. These circuits can be placed in parallel with the generator 50 as in FIG. 3 or in series. The observation is preferably carried out through the substrate 42, at 53.
  • the operation of this device can be explained using Figures 3 and 4.
  • the photoconductive layer 46 is electrically equivalent to a variable resistance R46 and to a fixed capacitor C46.
  • the electroluminescent layer 44 is equivalent to a variable resistance R44 and to a fixed capacity C44.
  • An additional capacitor C44 ′ represents the contribution of one or more dielectric layers generally deposited on and / or before the electroluminescent layer (as will be seen below with reference to FIG. 7).
  • the graph in FIG. 4 shows the variation of the luminance L emitted by a display point as a function of the voltage V applied between the electrodes which frame this point. Luminescence does not appear until this voltage has reached a value V1 which corresponds to a certain threshold of electric field necessary for obtaining the phenomenon of electroluminescence. From this value, the excited point emits light. The rear part of the light radiation emitted by the layer 44 strikes the photoconductor 46 which, insulating it was (strong resistance R46), becomes conductive (weak resistance R46). Almost all of the voltage is then applied to the electroluminescent layer 44 and the electric field applied to this layer increases suddenly. The voltage can therefore be reduced without stopping the electroluminescence.
  • the generator 50 can be a sinusoidal voltage generator. However, rectangular or pulse signal generators are also suitable.
  • FIG. 5 Such a device is shown in FIG. 5. As shown, it always comprises a substrate 40, row electrodes 42, a thin electrolum layer nescente 44, a thin photoconductive layer 46, column electrodes 48 and a generator 50, but the addressing means here consists of a laser 54 and a deflection device 56. The latter can be produced using a galvanometric mirror or a bundle of fibers.
  • the optical addressing means can also be an optical pencil.
  • the light beam 58 can be directed onto any of the display points defined by the overlap of two electrodes of the systems 42 and 48.
  • the optical excitation of one of the points makes the layer 46 conductive in this area, which causes the fall of the equivalent resistance R46.
  • the voltage of the source 50 being always equal to V3, the electroluminescent material is excited by a field whose value exceeds the electroluminescence threshold, which causes the emission of electroluminescense and the switching of the point in the on state. For all the other points, the voltage V3 will be insufficient to cause electroluminescence.
  • the device shown in FIG. 6 is similar to that of FIG. 2 except that the thin light-emitting layer or the stack of thin layers comprising an light-emitting layer 44 is located on the thin photoconductive layer 46 and that the column electrodes 48 are transparent. necessarily. The observation is preferably carried out through the electrodes 48 at 53b. Such a structure may be necessary if, for example, the conditions under which the photoconductive thin layer is deposited are such as to degrade the characteristics of the layer or layers making up the electroluminescent element, it is then preferable to deposit these second .
  • FIG. 7 is to show that, in practice, the electroluminescent and photoconductive layers can be associated with - dielectric layers.
  • the photoconductive layer 64 can be a-Si-H of index 3.4 approximately.
  • the index of the glass substrate and of the transparent electrodes is typically 1.5.
  • ⁇ PC is the illumination of the photoconductive layer induced by the emission ⁇ Z of ZnS, we have:
  • L will have a typical value of 300 Cd / m 2 at an excitation frequency of 1 kHz for from ZnS: Mn.
  • the illumination ⁇ PC received by the photoconductive layer will therefore be ⁇ 7,300 lux.
  • the typical ambient lighting of an indoor workstation is around 400 lux, which is much lower than ⁇ PC .
  • the optical screen described in the article by G. OLIVE et al cited above and source of technological complications is therefore no longer necessary with the device of the invention. This is due to the excellent optical coupling between the electroluminescent layer and the photoconductive layer and also to the intense light flux emitted in the ZnS: Mn in a thin layer.
  • the optical coupling between electroluminescent layer and photoconductive layer can be further improved by choosing dielectrics with a high refractive index such as for example Ta 2 O 5 (n ⁇ 2,1) or ferroelectric materials like PbTiO 3 (n ⁇ 2 , 7).
  • dielectrics with a high refractive index such as for example Ta 2 O 5 (n ⁇ 2,1) or ferroelectric materials like PbTiO 3 (n ⁇ 2 , 7).
  • the electroluminescent layers 61 and photoconductive layers 64 are in contact with each other but the assembly is protected by a lower dielectric layer 62 and an upper dielectric layer 65.
  • the optical coupling between electroluminescent layer and photoconductive layer is maximum: the entire flux radiated by The electroluminescent layer and not extracted from the structure in air is recovered by The photoconductive layer.
  • a luminance L of 300 Cd / m 2 gives an illumination ⁇ PC of the photoconductive layer of approximately 18,000 Lux. The use of such a device without an optical screen and outdoors (illumination less than 10,000 Lux) then becomes possible.
  • the device shown is obtained from the device presented in b by inserting an additional dielectric layer 65.
  • This type of structure has several advantages. First of all, it is known that multilayer dielectrics have electrical and protective properties under strong field superior to those of a simple dielectric layer. Furthermore, the electrical properties of the electroluminescent structure (threshold voltage, threshold stiffness) are very sensitive to the nature and quality of the interfaces between the electroluminescent layer proper and the neighboring layers.
  • the dielectric of layer 65 will be chosen so as to optimize its interface with the electroluminescent layer. We can also choose a dielectric with a high refractive index to get as close as possible to the optimal optical coupling following the well known principle of anti-reflective layers.
  • a layer 65 thin enough to allow this coupling by evanescent waves is to deposit a layer 65 thin enough to allow this coupling by evanescent waves.
  • an evanescent wave is associated in layer 65, the wave function of which is characterized by: where k is the number of waves, ⁇ the length emission wave, n the index of layer 65 and n eff the effective index of the cavity formed by the light-emitting layer and layers 65 and 62: n eff ⁇ n Z.
  • the x-axis is normal to the plane of the layers and originates from the interface between the light-emitting layer and the layer 65.
  • the device of the invention offers another advantage in the field of display. It allows, in fact, to take better advantage of the memory effect that is encountered in certain electroluminescent devices. It is known, in fact, that certain electroluminescent materials containing manganese exhibit a memory effect (independently of the presence of any photoconductive material).
  • the inherent memory effect is only obtained at high manganese concentrations (typically more than 1% by weight). But these concentrations are located beyond the optimum value for which the efficiency of electrolumination is the greatest; this yield then falls to a third or even up to a tenth of its maximum value.
  • the combination of electroluminescent material and photoconductive material according to the invention by separating the luminescence and memorization functions, makes it possible to adopt for the manganese the optimum concentration with regard to the luminescence yield. A gain of an order of magnitude is thus possible on the luminance of the device. 3. With the invention, the memory effect can be obtained even if the dopant of the light-emitting layer is not manganese; so other colors than yellow (which corresponds to Mn) are possible.
  • a thinner photoconductive layer 46 for example less than 1 micron, is deposited and a large capacitive coupling takes place between the electrode on the photoconductive layer and the electroluminescent structure (coupling represented by the capacitor C46 in FIG. 3).
  • This coupling allows the device to be switched on even in total darkness, where the resistivity of the photoconductor is very high.
  • the value of such a capacity depends essentially on the thickness of the photoconductive layer and on the permittivity of the material. However, these quantities are perfectly uniform over the entire surface of a device and reproducible from one device to another. On the contrary, in a device of the prior art such as that of FIG.
  • the photoconductive element can have a photoresistor behavior in the sense that, at a given level of illumination, it will behave like a resistor - R 46 in FIG. 3 - and that its resistance R 46 will depend on the level of illumination only and no terminal voltage. It is recognized that it is difficult to ensure an excellent reproducibility of the resistivity of a photoconductor in the dark, the underlying mechanisms being generally poorly understood and unwanted impurities of a poorly known nature which can be example modify this resistivity.
  • the ignition of the device in the dark will be very difficult, the ignition voltage V 1 will have to be very high in certain cases, this voltage being found entirely at the terminals of the electroluminescent element after triggering of the latter, it may even lead to the destruction of the latter.
  • the voltage V 1 will also be very sensitive to stray light such as ambient lighting.
  • An original solution proposed in the invention is to use a photoconductor having a photodiode behavior. Such behavior can be achieved by adapting the process for producing the photoconductive layer to make it very resistive in the dark and by applying high fields to it.
  • a device comprising an electroluminescent structure and an a-Si: H photoconductive layer of type N + -IN + (I: intrinsic) and tested by the inventor showed properties similar to those of FIG. 4, the voltage of "avalanche" (v 1 ) at the terminals of the photoconductive layer in the dark being about 20 V for 2 ⁇ m of thickness of the photoconductive layer and corresponding to a field of the order of 10 V / cm. This field value is characteristic of the material and is reproducible from one sample to another.
  • a light-emitting-photoconductive device integrating a photodiode-type photoconductive element can be shown diagrammatically as in FIG. 3, but with a photoconductive element equivalent to 2 head-to-tail diodes of variable characteristics depending on the illumination, in the case - not restrictive - where l he electroluminescent element is of the alternating excitation type.
  • the width of the hysteresis V 1 -V 2 ( Figure 4) is at most equal to v 1 and it is reproducible.
  • the conduction of the photoconductor in v 1 is linked to mechanisms that resemble the avalanche phenomenon, which are not directly related to the photoconductivity of the material. The voltage v 1 is therefore not sensitive to low levels of lighting.
  • the voltage to be maintained across the photoconductor before the device is triggered is of the order of 20 to 50 V. Furthermore.
  • the electrical protection layers of the electroluminescent element like the dielectric layers for the electromuminescent type with thin layers with alternating excitation and like the resistive layer for the electroluminescent type with unidirectional excitation will effectively protect the photoconductive layer itself.
  • we can consider as a first approximation that to obtain the current necessary for the ignition of the electroluminescent element if the device is not switched on, it will be necessary to apply a voltage v 1 across the terminals of the photoconductive element; if the device is already on, a lower voltage v 2 will suffice.
  • the hysteresis width V 1 -V 2 is equal to v 1 -v 2 and that the photoconductive element is protected by the electroluminescent element, the latter acting as a current limiter, this protection being distributed over all the surface of the photoconductor in the case of the invention.

Abstract

Dispositif d'affichage électroluminescent à effet mémoire. Selon l'invention, la couche électroluminescente (44) et la couche photoconductrice (46) sont des couches minces. L'ensemble est intercalé entre deux systèmes d'électrodes (42, 48) reliées à une source de tension (50). Application à la réalisation d'écrans d'affichage.

Description

DISPOSITIF D'AFFICHAGE A E F F E T MEMOIRE COMPRENANT
DES COUCHES MINCES ELECTROLUMINESCENTE ET PHOTOCONDUCTRICE
La présente invention a pour objet un dispositif d'affichage à effet mémoire comprenant des couches minces électroluminescente et photoconductrice.
L'intérêt de combiner les propriétés des corps électroluminescents et des corps photoconducteurs a été aperçu depuis longtemps. Il réside dans la possibilité d'obtenir un effet mémoire qui peut être expliqué schématiquement de la manière suivante. Un dispositif d'affichage comprend essentiellement une couche électroluminescente (ou un empilement de couches comprenant une couche électroluminescente que l'on peut appeler "structure électroluminescente") intercalée entre deux systèmes d'électrodes, lesquelles sont connectées à des circuits d'adressage. Une couche photoconductrice peut être disposée en série avec la structure électroluminescente de manière à établir, sous l'effet d'une excitation optique, une conduction électrique entre certaines de ces électrodes. Cette conduction entraîne l'établissement de potentiels électriques appropriés et l'apparition d'une excitation de la couche électroluminescente, laquelle émet alors un rayonnement. Celui-ci est utilisé en premier lieu pour l'affichage des informations, mais il permet en outre d'entretenir la conduction de la couche photoconductrice, mime après cessation de l'adressage optique. Il y a donc auto-entretien ou, si l'on veut, effet mémoi re.
Dans un article intitulé "The use of photoconductive CdS:Cu-Cl films in a laser-addressed electroluminescent display screen" publié dans la revue "Thin Solid Films" 41 (1977) 151-160, 6. OLIVE et al ont décrit un tel dispositif dont on a reproduit sché matiquement la structure sur la figure 1 annexée. Sur un support isolant et transparent 10 sont déposées des électrodes opaques (Au) 12 et 14, une couche 16 de matériau photoconducteur, et une électrode transparente 18 reliée à l'électrode 12. Un matériau électroluminescent 20 recouvre l'électrode 18. Une électrode transparente 22 est reliée aux électrodes 12 et 18 et une électrode opaque (Al) 24 est disposée dans le matériau électroluminescent, de sorte que celui-ci se trouve intercalé entre, d'une part, cette électrode 24 et, d'autre part, les deux électrodes 18 et 22. Un laser 26 est capable d'émettre un faisceau lumineux 28 qui frappe le matériau photoconducteur 16 dans la zone située entre les électrodes 12 et 14. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Au repos, une tension alternative est appliquée sur l'électrode 24 et sur l'électrode 14, mais le laser 26 est à l'arrêt. Le matériau photoconducteur 16 n'étant pas excité optiquement, il se comporte comme un isolant. Les électrodes 14 et 12 sont donc isolées électriquement l'une de l'autre et le potentiel de l'électrode 12 est flottant, ainsi que celui des électrodes 18 et 22. Le matériau électroluminescent n'est pas excité et il n'émet donc aucune lumière. La commande de l'excitation s'effectue optiquement par le laser 26. Celui-ci émet un faisceau 28 qui frappe le photoconducteur 16 entre les électrodes 12 et 14 rendant cette zone électriquement conductrice. Les deux électrodes 12 et 14 se trouvent alors reliées par un canal conducteur (marqué symboliquement par la flèche 36) et le potentiel des électrodes 12, 18 et 22 s'établit à la valeur fixée par le potentiel appliqué à l'électrode 14. Une différence de potentiel apparaît alors entre l'électrode 24, d'une part, et les électrodes 18 et 22, d'autre part. Ceci provoque l'apparition d'un champ électrique et l'excitation du matériau électroluminescent. Le rayonnement 30 émis par le matériau électroluminescent vers l'avant du dispositif permet l'affichage d'information pour un observateur disposé en 32. Quant à la partie arrière 34 du rayonnement émis, elle vient exciter le photoconducteur et entretenir sa photoconduction. Dès lors, le laser 26 peut être mis au repos sans que cesse
I'électroluminescence. On obtient ainsi un effet mémoire. L'affichage cesse dès qu'on supprime l'excitation électrique.
Un dispositif analogue a été décrit par A. H. KITAI et al dans un article intitulé "Hysteretic Thin-Film EL Devices Utilizing Optical Coupling of EL Output to a Séries Photoconductor" et publié dans la revue SID 84 DIGEST, 255-256.
La complexité de ces dispositifs de l'art antérieur est en grande partie due au fait que la photoconduction est mise en oeuvre de manière longitudinale, ou si l'on veut, dans le plan des couches. C'est ce qui est souligné dans la figure 1 par la flèche 36.
II en résulte qu'il faut deux systèmes d'électrodes : les unes (comme 14) qui sont des électrodes d'adressage, et les autres, comme 18 et 22 qui sont des électrodes d'excitation.
Ces électrodes ne sont d'ailleurs pas de tailles identiques, puisque leurs fonctions sont différentes, les premières étant beaucoup plus étroites que les secondes, ce qui pose des problèmes de masques et d'alignement. Par ailleurs, dans le dispositif de G. Olive et al, la structure électroluminescente proprement dite 20 se compose de deux couches électroluminescentes similaires séparées d'une électrode 24 jouant un rôle d'écran optique, ceci pour isoler l'élément photoconducteur de la lumière ambiante inci dente sur le dispositif du côté de l'observateur. Ce principe nécessite un ensemble d'électrodes sur quatre niveaux distincts, imposant de multiples étapes supplémentaires de masquage, gravure et dépôt dans le procédé de fabrication.
On connaît par ailleurs, par le document FR-A-2 335 902, un dispositif d'affichage électroluminescent à effet mémoire qui comprend une couche de matériau photoconducteur intercalée entre une première et une seconde couches de matériaux électroluminescents. La première couche électroluminescente possède une bande d'émission de lumière qui est comprise dans les limites de la bande d'excitation de la couche photoconductrice. La seconde couche électroluminescente possède une bande d'émission de lumière qui se trouve en dehors de ces limites et qui est en principe comprise dans la partie visible du spectre et qui est utilisable aux fins d'affichage.
Lors de l'application d'une tension d'entretien relativement faible au travers de la première et de la seconde couches électroluminescentes qui entourent la couche photoconductrice, l'électroluminescence émanant de ces couches est relativement faible en raison du fait qu'il se produit une chute importante de la tension d'excitation dans la couche photoconductrice, laquelle présente une impédance élevée en raison de la luminescence relativement faible de la première couche électroluminescente. Lors de l'application d'une tension de commutation, il se produit une augmentation de l'émission lumineuse émanant de la première couche électroluminescente, ce qui a pour effet d'exciter la couche photoconductrice. Une réaction électro-optique est de ce fait obtenue entre la première couche électroluminescente et la couche photoconductrice, la chute de la tension de commutation qui se produit dans la couche photoconductrice diminuant rapidement, cependant que la chute de tension qui se produit dans les première et seconde couches électroluminescentes augmente rapidement. Lorsque le matériau photoconducteur se trouve dans l'état dans lequel il est pleinement conducteur, le dispositif est passé à un état actif stable et la tension d'entretien provoque la génération, par la première couche électroluminescente, d'une electroluminescence suffisante pour que le matériau photoconducteur reste pleinement conducteur, même lorsque la tension de commutation cesse d'être appliquée.
Bien que plus simples que les précédents, ces dispositifs sont encore complexes du fait de la présence de deux couches électroluminescentes et de la nécessité d'adopter pour ces couches des caractéristiques optiques différentes.
L'invention a pour but de simplifier encore ces dispositifs tout en améliorant leurs performances et leurs conditions de fabrication. Dans ce but l'invention prévoit d'utiliser une couche électroluminescente (ou un empilement de couches comprenant une couche électroluminescente) et une couche photoconductrice qui sont toutes des couches minces, c'est-à-dire des couches dont l'épaisseur est de l'ordre du micron ou moins, pratiquement entre 0,1 et 2 microns.
De la minceur de la couche électroluminescente résulte un avantage intéressant qui est le suivant. Les couches minces électroluminescentes déposées sur un substrat lisse et plan (substrat de verre par exemple) sont elles-mêmes lisses et planes et sont alors le siège d'un effet communément appelé guidage optique. Bien que les niveaux de luminance extraite du dispositif soient du même ordre pour les dispositifs à base de couches minces que pour les dispositifs à cou ches non minces, c'est-à-dire à "poudre" (typiquement 100 à 1000 Cd/m2 à 1 kHz d'excitation), les flux lumineux internes sont beaucoup plus intenses dans les structures en couches minces (typiquement un facteur 10) de par effet de guidage optique et l'absence de diffusion ique. Dans l'empilement d'une structure électroluminescente et d'une couche photoconductrice où la structure électroluminescente est une couche mince ou un empilement de couches minces, l'émission lumineuse de la couche active est quasi-intégralement piégée (≃90%) et transférée en bonne partie à la couche photoconductrice, d'où un effet mémoire nettement renforcé.
Le couplage entre les matériaux électroluminescent et photoconducteur étant ainsi nettement renforcé, le dispositif devient pratiquement insensible à la lumière ambiante. La complication du dispositif selon FR-A 2 335 902 devient inutile.
Un dernier avantage tiré de l'utilisation de couches minces pour la structure électroluminescente est que la lumière n'est pas diffusée par les couches et la couche photoconductrice arrière, d'aspect sombre, procure un contraste d'affichage excellent.
Un autre avantage à porter au crédit de l'invention est que la couche photoconductrice est déposée uniformément sur toute la surface de l'afficheur et absorbe la majeure partie de la lumière ambiante incidente, elle empêche donc la réflexion de cette dernière sur le réseau d'électrodes 48 généralement opaques et métalliques. Elle contribue ainsi à renforcer notablement le contraste du dispositif de l'invention. Dans les dispositifs de l'art antérieur, tels que celui de G. OLIVE et al, le contraste est réduit pour deux raisons : tout d'abord le matériau électroluminescent est à base de poudre donc très dif fusant, ensuite le dispositif est constitué de plusieurs réseaux d'électrodes métalliques 12 et 24 non masqués par la couche photoconductrice et qui réfléchiront donc la lumière ambiante incidente. De la minceur de la couche photoconductrice résultent deux propriétés :
- tout d'abord, pour une couche très mince, d'épaisseur inférieure à 0,5 micron typiquement, dans l'état éteint du dispositif, la résistance d'obscurité de la couche photoconductrice est grande devant l'impédance relative à la capacité de la couche et n'a pas d'influence sur la tension aux bornes de la couche. En d'autres termes, la couche photoconductrice a un comportement électrique capacitif plutôt que résistif, celui-ci ne dépendant alors plus de la résistivité du matériau dans l'obscurité. Le dispositif pourra donc être commuté à l'état allumé par un moyen purement électrique. Mieux, la boucle d'hystérésis devient alors indépendante de la résistivité du matériau photoconducteur dans l'obscurité. La fabrication du dispositif s'en trouve facilitée et l'obtention de l'hystérésis est beaucoup plus reproductible ;
- ensuite, pour une épaisseur de couche photoconductrice inférieure à 1 à 2 μm, et pour une tens ion dans l'obscurité aux bornes de la couche photoconductrice requise de 20 à 50V, le champ électrique dans la couche photoconductrice est alors de quelques 105 V/cm. On obtient alors des effets non linéaires importants dans la conductivité du photoconducteur (comme c'est le cas notamment avec le Si amorphe dont le comportement électrique est décrit dans l'article de I. Solomon et al "Space-charge-limited conduction for the détermination of the midgap density of states in amorphous silicon : Theory and experiment", Phys. rev. B30, p. 3422 (1984)). Ces effets ressemblent à un effet avalanche (bien qu'en pratique il se s'agisse pas d'une "avalanche" au sens strict), et l'on peut les comparer à l'effet obtenu avec 2 diodes mises tête-bêche. Plus précisément, le courant de conduction dans la couche photoconductrice, de faible valeur audessous d'un certain seuil en tension, augmente brutalement au-dessus de ce seuil. L'intérêt pratique est que la. tension aux bornes de la couche photoconductrice dans l'obscurité est en fait la tension de seuil de l'"avalanche" qui s'avère être beaucoup moins dépendante des paramètres de fabrication que la résistivité à faible champ électrique (cas par exemple des couches photoconductrices épaisses) et donc être parti culièrement reproductible. Un grand avantage commun aux deux cas précédents est que, la couche photoconductrice étant très résistive, on évite un couplage parasite entre éléments d'image voisins par conduction planaire dans la couche photoconductrice, même à des résolutions élevées (typiquement jusqu'à 10 points/mm).
Quant aux systèmes d'électrodes utilisés ils peuvent être de divers types selon l'application envisagée. Dans le cas d'un écran d'affichage matriciel, les systèmes d'électrodes sont constitués par deux familles de bandes conductrices, les bandes d'un des systèmes étant croisées par rapport aux bandes de l'autre système. Le volume délimité par chaque intersection entre une électrode d'un système et une électrode de l'autre constitue un élément d'image. Une image peut alors être affichée sur un tel écran matriciel en excitant un certain nombre de ces éléments d'image. Une méthode bien connue d'affichage pour écran matriciel est la technique "une ligne à la fois" par laquelle on excite ou adresse les lignes (un des deux systèmes d'électrodes) l'une après l'autre sé quentiellement; les colonnes (l'autre système d'électrodes) sont adressées simultanément dans le même temps.
Dans une telle variante, l'excitation optique qui rend le matériau photoconducteur est obtenue par la lumière émise par la couche électroluminescente elle-même sous l'effet d'une excitation électrique excédant momentanément un certain seuil. l'adressage du dispositif étant ainsi tout électrique. Mais selon une autre variante, le dispositif peut comprendre un dispositif d'adressage optique spécifique apte à provoquer la conduction de certaines zones de la couche photoconductrice.
Ce dispositif optique peut être un laser, un crayon optique ou tout autre source de lumière.
Selon une autre variante encore, le moyen d'adressage pourra être un faisceau d'électrons. Le dispositif en question sera proche de celui décrit dans l'article intitulé "Device Characterization of an Electron-Beam-Switched Thin-Film ZnS:Mn Electroluminescent Faceplate" publié par 0. SAHNI et al dans "IEEE Transactions on Electron Devices", vol ED 28, n° 10, Juin 81, page 708. Le moyen d'adressage consiste alors en un seul élément électroluminescent recouvrant toute la surface arrière (côté canon à électrons) de la face avant d'un tube cathodique et alimenté indépendamment du canon. L'apport de l'invention réside dans l'addition d'une couche photoconductrice de même surface que la ou les couches électroluminescentes et intercalée entre ces dernières et l'électrode arrière en Al.
Quant au matériau photoconducteur, son spectre d'absorption doit être adapté au spectre d'émission de l'élément électroluminescent pour assurer à celui-là une sensibilité maximale à cette émis sion électroluminescente. Il peut être constitué par les corps déjà utilisés dans ce genre de dispositifs : CdS, CdSe, ou CdS-CdSe, ou encore CdS:Cu,Cl. Ainsi, avec le CdS-CdSe, l'inventeur a pu obtenir des temps de commutation de l'ordre de la milliseconde avec adressage électrique; A.H. KITAI et al ont rapporté un temps de commutation électrique de 20 ms.
Mais, selon l'invention, on peut utiliser aussi un autre corps, dont la photoconductivité a déjà été reconnue mais qui n'a jamais été utilisé dans les dispositifs électroluminescents à mémoire, probablement pour cette raison que cette photoconductivité est très inférieure à celle des corps précédents, ce qui le rendait inutilisable dans les dispositifs de l'art antérieur, pour lesquels la conduction est dans le plan des couches. Il s'agit du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). L'intérêt de ce matériau tient dans sa rapidité de réponse et son aptitude à résister aux champs électriques élevés, comme l'ont montré les études intensives menées sur ce matériau pour la réalisation de cellules solaires et celle de transistors en couches minces. Les travaux récents de l'inventeur montrent qu'on pourrait réduire le temps de commutation à 0,1 ms. Cette réduction du temps de commutation est très importante car elle signifie que, pour un écran d'affichage à 250 lignes excitées séquentiellement, il faudra 250 x 0,1 = 25 ms pour adresser un écran, ce qui devient compatible avec les cadences des systèmes vidéo, ce qui n'était, pas le cas avec les dispositifs de l'art antérieur.
L'entretien de l'état allumé pour un po i n t d'affichage commuté doit être réalisé d'une alternance à l'autre de la tension d'entretien. Il peut être obtenu de deux manières non exclusives l'une de l'autre. Si le temps de déclin du centre dopant émetteur de lumière est suffisamment lent pour permettre un recouvrement des impulsions lumineuses d'une alternance à l'autre de la tension d'entretien, la couche photoconductrice sera encore soumise à la queue de luminescence de l'impression lumineuse précédente à la nouvelle alternance ou impulsion électrique et le dispositif restera dans l'état allumé. Si le temps de déclin du centre émetteur est trop court ou la fréquence de la tension d'entretien trop basse, il faudra alors choisir un matériau photoconducteur ayant un temps de réponse suffisamment lent pour permettre l'entretien de l'état allumé du dispositif.
On voit donc que, en choisissant le matériau photoconducteur et les conditions de réalisation adaptées, on pourra réaliser des dispositifs à temps de commutation rapide permettant de fonctionner à la cadence vidéo sur un grand nombre de lignes ou au contraire, des dispositifs fonctionnant à basse fréquence d'entretien et donc d'une consommation électrique faible. Un autre matériau pourrait aussi être utilisé avantageusement, c'est le monoxyde de zinc (ZnO).
De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, représente un dispositif selon l'art antérieur,
- la figure 2 représente, en coupe le long d'une électrode ligne, un dispositif de l'invention dans un mode de réalisation où l'adressage est tout électrique, la figure 3 est un schéma qui montre l'équivalent électrique d'un point d'affichage, - la figure 4 est une courbe montrant corn ment la luminance d'un point d'affichage change en fonction de la tension électrique appliquée,
- la figure 5 montre un autre mode de réalisation où l'adressage est optique, - la figure 6 représente, en coupe le long d'une électrode ligne un dispositif de l'invention dans un mode de réalisation inversé par rapport à celui de la figure 2,
- la figure 7 montre trois variantes de réalisation d'un empilement couche électroluminescentecouches diélectriques-couche photoconductrice.
Sur celles des figures qui représentent le dispositif de l'invention en coupe transversale, les couches ne sont pas dessinées à l'échelle et ceci pour plus de clarté. Il suffit d'indiquer à nouveau que la couche photoconductrice et la couche électroluminescente ainsi que les éventuelles autres couches de la structure électroluminescente possèdent généralement une épaisseur de l'ordre du micron (pratiquement entre 0,1 et 2 microns). Quant aux électrodes 42, elles sont classiquement réalisées par dépôt de couche d'oxyde d'indium-étain ("ITO") de 0,2 micron d'épaisseur typiquement. Le substrat isolant peut être du verre, par exemple un verre 7059 de la marque Corning ou un ve r r e ordinaire "soda-lime". Les électrodes 48 peuvent être opaques et réalisées par dépôt d'aluminium par exemple ou transparentes et réalisées par dépôt d'ITO par exemple.
Le dispositif représenté sur la figure 2 comprend un substrat transparent 40, des électrodes transparentes en ligne 42 (la coupe représentée est supposée être effectuée le long d'une de ces lignes), une couche mince électroluminescente 44, une couche mince photocondùctrice 46 et des électrodes en colonnés 48. La couche électroluminescente peut être rem placée par un empilement de couches comprenant une couche électroluminescente. Les autres couches peuvent être des couches diélectriques pour une structure électroluminescente du type couches minces à excitation alternative ou une couche résistive de protection pour une structure en couches minces à excitation unidirectionnelle. Les systèmes d'électrodes en lignes et en colonnes sont reliés en permanence à un générateur de tension alternative 50, la tension appliquée est dite tension d'entretien. Par ailleurs, les électrodes en lignes 42 sont reliées à un circuit d'adressage ligne 52L et les électrodes en colonnes 48 à un circuit d'adressage colonne 52C. Ces circuits peuvent être placés en parallèle avec le générateur 50 comme sur la figure 3 ou en série. L'observation s'effectue de préférence à travers Le substrat 42, en 53.
Le fonctionnement de ce dispositif peut être expliqué à l'aide des figures 3 et 4. Sur la première, on voit le schéma électrique équivalent d'un point d'affichage, c'est-à-dire du volume parallélépipédique compris entre une électrode ligne et une électrode colonne. La couche photoconductrice 46 est électriquement équivalente à une résistance variable R46 et à une capacité fixe C46. La couche électroluminescente 44 équivaut à une résistance variable R44 et à une capacité fixe C44. Une capacité supplémentaire C44' représente la contribution d'une ou de plusieurs couches diélectriques généralement déposées sur et/ou avant la couche électroluminescente (comme on le verra plus loin à propos de la figure 7).
Le graphique de la figure 4 montre La variation de la luminance L émise par un point d'affichage en fonction de la tension V appliquée entre les électrodes qui encadrent ce point. La luminescence n'apparaît pas tant que cette tension n'a pas atteint une valeur V1 qui correspond à un certain seuil de champ électrique nécessaire pour l'obtention du phénomène d 'électroluminescence. A partir de cette valeur, le point excité émet de la lumière. La partie arrière du rayonnement lumineux émis par la couche 44 frappe le photoconducteur 46 qui, d'isolant qu'il était (résistance R46 forte), devient conducteur (résistance R46 faible). La quasi-totalité de la tension est alors appliquée à la couche électroluminescente 44 et le champ électrique appliqué à cette couche augmente brusquement. La tension peut donc être réduite sans que cesse l'électroluminescence. Celle-ci ne disparaîtra que lorsque le champ sera retombé sous la valeur de seuil, ce qui correspond à une tension V2 inférieure à V1. Si la tension appliquée aux électrodes est égale à une valeur V3 comprise entre V1 et V2, l'affichage sera maintenu. C'est le générateur 50 qui délivre cette tension V3 appliquée en permanence aux électrodes. Le rôle,, des circuits d'adressage 52L et 52C est d'apporter, pendant un temps court, au point que l'on veut exciter, un surcroît de tension, d'amplitude égale ou supérieure à V1-V3. Pour éteindre un point luminescent, il suffit d'appliquer une impulsion d'effacement qui ramène pendant un court instant, la tension en-dessous de V2.
Le générateur 50 peut être un générateur de tension sinusoïdale. Mais des générateurs de signaux rectangulaires ou d'impulsions conviennent également.
Le dispositif qui vient d'être décrit présente la particularité d'être à adressage uniquement électrique. Mais des dispositifs à adressage optique entrent aussi dans le cadre de l'invention. Un tel dispositif est représenté sur la figure 5. Tel que représenté, il comprend toujours un substrat 40, des électrodes en lignes 42, une couche mince électrolumi nescente 44, une couche mince photoconductrice 46, des électrodes en colonnes 48 et un générateur 50, mais le moyen d'adressage est ici constitué par un laser 54 et un dispositif de déflexion 56. Ce dernier peut être réalisé à l'aide d'un miroir galvanométrique ou un faisceau de fibres. Le moyen d'adressage optique peut aussi être un crayon optique. Le faisceau lumineux 58 peut être dirigé sur l'un quelconque des points d'affichage définis par le recouvrement de deux électrodes des systèmes 42 et 48. L'excitation optique d'un des points rend conductrice la couche 46 dans cette zone, ce qui provoque la chute de la résistance équivalente R46. La tension de la source 50 étant toujours égale à V3, le matériau électroluminescent est excité par un champ dont la valeur excède le seuil d'électroluminescence, ce qui provoque l'émission d'électroluminescense et la commutation du point en l'état allumé. Pour tous les autres points, la tension V3 sera insuffisante pour provoquer l'électroluminescence. L'image totale étant affichée, on pourra supprimer celle-ci en ouvrant un interrupteur 51, ce qui fait cesser l'excitation d'entretien.
Le dispositif représenté figure 6 est analogue à celui de la figure 2 à ceci près que la couche mince électroluminescente ou l'empilement de couches minces comportant une couche électroluminescente 44 est située sur la couche mince photoconductrice 46 et que les électrodes en colonnes 48 sont transparentes obligatoirement. L'observation s'effectue de préférence à travers les électrodes 48 en 53b. Une telle structure peut s'imposer si, par exemple, les conditions dans lesquelles la couche mince photoconductrice est déposée sont de nature à dégrader les caractéristiques de la ou des couches composant l'élément électroluminescent, il est alors préférable de déposer ces dernières en second. La figure 7 a pour but de montrer que, dans la pratique, les couches électroluminescente et photoconductrice peuvent être associées à des - couches diélectriques. En a la couche électroluminescente 61 est encadrée par des couches diélectriques 62 et 63, la couche photoconductrice 64 étant déposée sur la couche diélectrique supérieure 63. Ces couches ont des indices de réfraction sensiblement différents en pratique, provoquant des effets importants de guidage optique. On peut préciser ces effets sur un cas concret. La couche électroluminescente 61 peut être du ZnS d'indice nZ =2, 3 environ. Les couches diélectriques 62 et 63 peuvent être du Y2O3 d'indice nD=1,9 environ. La couche photoconductrice 64 peut être du a-Si-H d'indice 3,4 environ. L'indice du substrat de verre et des électrodes transparentes est typiquement de 1,5. L'application de la loi de la réfraction (conservation du produit n.sinθ d'un milieu à un autre) donne les résultats suivants. Si ΦZ est le flux lumineux émis à l'intérieur du ZnS et L la Luminance mesurée dans l'air normalement au plan du substrat côté observateur, on calcule que :
Si ΦPC est l'éclairement de la couche photoconductrice induit par l'émission ΦZ du ZnS, on a :
La seule quantité aisément mesurable est L ;on déduit de (1) et (2) :
Dans Le cas précis envisagé, on obtient :
ΦPC(lux) ≃ 7,8 πL(Cd/m2) (4)
Dans une structure du type de celle de l'invention et en supposant une absorption complète de la lumière incidente sur la couche photoconductrice par cette dernière, L aura une valeur typique de 300 Cd/m2 à une fréquence d'excitation de 1 kHz pour du ZnS:Mn. L'éclairement ΦPC reçu par la couche photoconductrice sera donc de ≃ 7.300 lux. L'éclairement ambiant typique d'un poste de travail en intérieur est de 400 lux environ, ce qui est nettement inférieur à ΦPC. L'écran optique décrit dans L'article de G. OLIVE et al cité plus haut et source de complications technologiques n'est donc plus nécessaire avec le dispositif de l'invention. Ceci est dû à l'excellent couplage optique entre la couche électroluminescente et la couche photoconductrice et aussi au flux lumineux intense émis dans le ZnS:Mn en couche mince. Le couplage optique entre couche électroluminescente et couche photoconductrice peut encore être amélioré en choisissant des diélectriques à haut indice de réfraction comme par exemple le Ta2O5 (n≃2,1) ou les matériaux ferro-électriques comme PbTiO3 (n≃2,7).
Si l'on revient à la figure 7b, en b, les couches électroluminescente 61 et photoconductrice 64 sont au contact l'une de l'autre mais l'ensemble est protégé par une couche diélectrique inférieure 62 et une couche diélectrique supérieure 65. Dans ce cas. le couplage optique entre couche électroluminescente et couche photoconductrice est maximal : l'intégralité du flux rayonné par La couche électroluminescente et non extrait de la structure dans l'air est récupéré par La couche photoconductrice. On calcule que :
et
Dans l'exemple d'une couche électroluminescente en ZnS et de couches diélectriques en Y2O3, on obtient :
Une luminance L de 300 Cd/m2 donne un éclairement ΦPC de la couche photoconductrice de 18000 Lux environ. L'utilisation d'un tel dispositif sans écran optique et en extérieur (éclairement inférieur à 10.000 Lux) devient alors possible.
En c, le dispositif représenté est obtenu à partir du dispositif présenté en b en intercalant une couche diélectrique supplémentaire 65. Ce type de structure comporte plusieurs avantages. Tout d'abord, il est connu que des diélectriques multicouches ont des propriétés électriques et de protection sous fort champ supérieures à celles d'une couche diélectrique simple. Par ailleurs, Les propriétés électriques de la structure électroluminescente (tension de seuil, raideur de seuil) sont très sensibles à la nature et à la qualité des interfaces entre la couche électroluminescente proprement dite et les couches voisines. On choisira le diélectrique de la couche 65 de manière à optimiser son interface avec la couche électroluminescente. On pourra de plus choisir un diélectrique à haut indice de réfraction pour se rapprocher autant que possible du couplage optique optimal suivant le principe bien connu des couches anti-reflet. Un autre moyen original et plus simple à réaliser pour obtenir le couplage optique maximal est de déposer une couche 65 assez mince pour permettre ce couplage par ondes évanescentes. Ainsi, à une onde lumineuse émise dans la couche électroluminescente et ayant un angle d'incidence avec l'interface entre la couche électroluminescente et la couche 65 supérieur à l'angle critique défini par la loi de la réfraction, on associe une onde évanescente dans la couche 65 dont La fonction d'onde est caractérisée par : avec où k est le nombre d'ondes, λ la longueur d'onde d'émission, n l'indice de la couche 65 et neff l'indice effectif de la cavité formée par la couche électroluminescente et les couches 65 et 62 : neff≃nZ. L'axe des x est normal au plan des couches et a pour origine l'interface entre la couche électroluminescente et la couche 65. Pour une couche électroluminescente en ZnS et une couche 65 en Y 2O3 , on calcule :
avec l = 500 Å.
Si donc l'on choisit une couche 65 en Y2O3 d'épaisseur 0,05 micron environ, une fraction de la puissance lumineuse incidente sur l'interface entre la couche électroluminescente et la couche 65 est transmise à chaque réflexion à la couche photoconductrice. On a ainsi un transfert quasi intégral de l'onde lumineuse de la couche électroluminescente à la couche photoconductrice après quelques réflexions, ceci malgré l'indice relativement bas de la couche 65 en Y2 O3. Le dispositif de l'invention offre un autre avantage dans le domaine de l'affichage. Il permet en effet, de tirer un meilleur parti de l'effet mémoire que l'on rencontre dans certains dispositifs électroluminescents. On sait, en effet, que certains matériaux électroluminescents contenant du manganèse, présentent un effet mémoire (indépendamment de' la présence de tout matériau photoconducteur). Cet effet a été décrit dans un article intitulé "Character Display using Thin-Film EL Panel with Inhérent Memory" publié par CHUJI SUZUKI et al dans SID 76 DIGEST, p. 50-51. Mais cet effet mémoire est beaucoup plus difficile à maîtriser que celui qui est mis en oeuvre dans la présente invention, et cela pour les raisons suivantes : 1.Dans les dispositifs antérieurs à mémoire inhérente, la largeur de la couche d'hystérésis n'est pas facilement ajustée. En outre, l'effet d'hystérésis disparaît progressivement après un fonctionnement prolongé. Dans le cas de la cellule de l'invention, le photoconducteur est seul responsable de l'hystérésis (cf. courbe de la figure 6) de sorte que ses propriétés peuvent être optimisées séparément de la couche électroluminescente. 2. L'effet mémoire inhérent n'est obtenu qu'aux fortes concentrations de manganèse (supérieures à 1% en poids typiquement). Mais ces concentrations sont situées au-delà de la valeur optimale pour laquelle le rendement d' élect rolumi nescence est le plus grand ; ce rendement tombe alors au tiers ou même jusqu'au dixième de sa valeur maximale. La combinaison matériau électroluminescent-matériau photoconducteur selon l'invention, en séparant les fonctions luminescence et mémorisation, permet d'adopter pour le manganèse l'optimum de concentration en ce qui concerne le rendement de luminescence. Un gain d'un ordre de grandeur est ainsi possible sur la Luminance du dispositif. 3. Avec l'invention, l'effet mémoire peut être obtenu même si le dopant de la couche électroluminescente n'est pas le manganèse ; ainsi d'autres couleurs que le jaune (qui correspond à Mn) sont possibles. On sait que l'effet mémoire permet d'exciter l'élément électroluminescent avec une tension d'entretien de fréquence nettement supérieure à la fréquence de rafraîchissement d'un écran électroluminescent sans mémoire : classiquement 1 kHz à comparer à 100 Hz pour le deuxième cas. Ce gain d'un ordre de grandeur en fréquence et donc en luminance sera d'autant plus apprécié que les rendements électroluminescents des corps émettant dans d'autres couleurs que le jaune sont beaucoup plus faibles.
4. Pour des raisons qui ne sont pas encore parfaitement élucidées, certaines technologies ne permettent pas d'obtenir un effet mémoire propre à la couche électroluminescente. Ainsi, il n'a jamais été rapporté à la connaissance de l'inventeur d'effet mémoire inhérent au ZnS:Mn quand celui-ci est déposé par évaporation par effet Joule, par pulvérisation cathodique ou encore par la méthode "Atomic Layer Epitaxy" développée par LOHJA (Finlande). L'invention permet de pallier cet inconvénient en apportant un moyen spécifique d'introduction de cet effet. II faut souligner à nouveau un autre avantage de l'invention. Si le matériau photoconducteur utilisé est suffisamment résistant aux champs électriques élevés, on dépose une couche photoconductrice 46 plus mince, par exemple inférieure à 1 micron, et un couplage capacitif important a lieu entre l'électrode sur la couche photoconductrice et la structure électroluminescente (couplage représenté par le condensateur C46 sur la figure 3). Ce couplage permet un allumage du dispositif même dans l'obscurité totale, là où la résistivité du photoconducteur est très élevée. La valeur d'une telle capacité dépend essentiellement de l'épaisseur de la couche photoconductrice et de la permittivité du matériau. Or, ces grandeurs sont parfaitement uniformes sur toute la surface d'un dispositif et reproductibles d'un dispositif à l'autre. Au contraire, dans un dispositif de l'art antérieur comme celui de la figure 1, il est beaucoup plus difficile d'assurer l'uniformité sur une grande surface et la reproductibilité de la résistivité du photoconducteur dans l'obscurité ; dans ce cas, il existe une très grande dispersion dans les tensions de commande. C'est la raison pour laquelle on a recours le plus souvent à un moyen d'adressage optique (laser 26 de la figure 1). Dans l'invention, au contraire, un écran à adressage tout électrique est parfaitement fiable.
L'élément photoconducteur peut avoir un comportement de photorésistance en ce sens que, à un niveau d'éclairement donné, il se comportera comme une résistance - R 46 de la figure 3 - et que sa résistance R 46 dépendra du niveau d'éclairement uniquement et pas de la tension aux bornes. Il est reconnu qu'il est difficile d'assurer une excellente reproduct ibili té de la résistivité d'un photoconducteur dans l'obscurité, les mécanismes sous-jacents étant en général mal connus et des impuretés non désirées et de nature mal connue pouvant par exemple modifier cette résistivité. Sans couplage capacitif ajouté à la résistance R 46 de l'élément photoconducteur, l'allumage du dispositif dans l'obscurité sera très difficile, la tension V1 d'allumage devra être très élevée dans certains cas, cette tension se retrouvant intégralement aux bornes de l'élément électroluminescent après déclenchement de ce dernier, elle pourra même entraîner la destruction de celui-ci. La tension V1 sera aussi très sensible aux éclairements parasites comme l'éclairage ambiant.
Une solution originale proposée dans l'invention est d'utiliser un photoconducteur ayant un comportement de photodiode. Un tel comportement peut être réalisé en adaptant le procédé de réalisation de la couche photoconductrice pour la rendre très résistive dans l'obscurité et en appliquant des champs élevés à celle-ci. Ainsi, un dispositif comprenant une structure électroluminescente et une couche photoconductrice en a-Si:H de type N+ -I-N+ (I: intrinsèque) et testé par l'inventeur a montré des propriétés similaires à celles de la figure 4, la tension d'"avalanche" (v1) aux bornes de la couche photoconductrice dans l'obscurité étant d'environ 20 V pour 2 μm d'épaisseur de la couche photoconductrice et correspondant à un champ de l'ordre de 10 V/cm. Cette valeur de champ est caractéristique du matériau et est reproductible d'un échantillon à l'autre. Un dispositif électroluminescent-photoconducteur intégrant un élément photoconducteur de type photodiode peut être schématisé comme sur la figure 3, mais avec un élément photoconducteur équivalent à 2 diodes tête-bêche de caractéristiques variables suivant l'éclairement, dans le cas - non restrictif - où l'élément électroluminescent est du type à excitation alternative. La largeur de l'hystérésis V1-V2 (figure 4) est au maximum égale à v1 et elle est reproductible. La conduction du photoconducteur en v1 est liée à des mécanismes qui ressemblent au phénomène d'avalanche, qui ne sont pas directement reliés à la photoconductivité du matériau. La tension v1 n'est donc pas sensible à de faibles niveaux d'éclai rement. En pratique, la tension à maintenir aux bornes du photoconducteur avant déclenchement du dispositif est de l'ordre de 20 à 50 V. Par ailleurs. Les couches de protection électrique de l'élément électroluminescent comme les couches diélectriques pour le type élect romuminescent à couches minces à excitation alternative et comme la couche résistive pour le type électroluminescent à excitation unidirectionnelle protégeront efficacement la couche photoconductrice elle-même. Ainsi, on peut considérer en première approximation que pour obtenir le courant nécessaire à l'allumage de l'élément électroluminescent, si le dispositif n'est pas allumé, il faudra appliquer une tension v1 aux bornes de l'élément photoconducteur ; si le dispositif est déjà allumé, une tension v2 plus faible suffira. On montre ainsi que la largeur d'hystérésis V1-V2 est égale à v1-v2 et que l'élément photoconducteur est protégé par l'élément électroluminescent, ce dernier agissant en limiteur de courant, cette protection étant répartie sur toute la surface du photoconducteur dans le cas de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'affichage électroluminescent à effet mémoire comprenant, sur un support isolant (40), une couche électroluminescente (44) et une couche photoconductrice (46) empilées l'une sur l'autre, l'ensemble de ces deux couches étant intercalé entre deux systèmes d'électrodes (42, 48), celles-ci étant connectées à une source de tension électrique (50) permettant l'excitation de certaines zones de la couche électroluminescente, ce dispositif étant caractérisé par le fait que la couche électroluminescente (44) et la couche photoconductrice (46) sont des couches minces dont l'épaisseur est de l'ordre du micron.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche électroluminescente est un empilement d'une couche mince électroluminescente et de couches minces diélectriques.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche photoconductrice est placée entre la couche électroluminescente et une couche diélectrique.
4. Dispositif selon La revendication 1, caractérisé par le fait qu'une couche diélectrique mince est intercalée entre la couche photoconductrice et la couche électroluminescente.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'excitation optique qui rend initialement le matériau photoconducteur conducteur est obtenue par la lumière émise par la couche mince électroluminescente elle-même sous l'effet d'une excitation électrique suffisante appliquée aux deux systèmes d'électrodes, l'adressage du dispositif étant ainsi tout électrique (52C, 52L).
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau photoconducteur est en silicium amorphe hydrogéné.
7. Dispositif selon La revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau photoconducteur est en CdS, CdSe ou en ZnO.
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