ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО С МАТРИЧНОЙ АДРЕСАЦИЕЙ И ЭЛЕКТРОДНАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ ЭТОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2006 года по МПК H01L31/00 H01L31/02 G11C11/42 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к оптоэлектронному устройству с матричной адресацией, содержащему функциональную среду в виде активного материала, обладающего оптоэлектронными свойствами и находящегося в форме цельного слоя между первой и второй электродными решетками. Каждая из этих электродных решеток снабжена взаимно параллельными полосковыми электродами, причем электроды второй электродной решетки ориентированы под углом к электродам первой электродной решетки. В объемных зонах активного материала, соответствующих взаимному наложению электродов первой электродной решетки и электродов второй электродной решетки, находящихся в контакте с активным материалом, сформированы функциональные элементы.

В результате образован набор функциональных элементов с матричной адресацией. Каждый функциональный элемент в активном материале может быть активирован подачей напряжения на скрещивающиеся электроды, определяющие данный элемент, с получением излучающего, поглощающего, отражающего или поляризующего пиксела в дисплейном устройстве. Альтернативно, функциональный элемент может быть возбужден падающим на него оптическим излучением с получением пиксела фотоприемника, выходное напряжение или выходной ток которого поступает на электроды, скрещивающиеся в зоне данного пиксела. В любом из этих вариантов в качестве активного материала выбирается неорганический или органический материал, способный, будучи активированным приложением к нему напряжения, испускать, поглощать, отражать или поляризовать оптическое излучение в соответствии с заданной функцией или, будучи возбужденным падающим на него оптическим излучением, генерировать напряжение или ток. Возможно выполнение функциональным элементом функций обоих типов. Адресация пиксела в любом из вариантов происходит по схеме матричной адресации, причем электроды, по меньшей мере, одного электродного набора выполнены из полностью прозрачного или из частично прозрачного (просвечивающего) материала.

Настоящее изобретение относится также к электродным решеткам для использования в оптоэлектронном устройстве с матричной адресацией, содержащем тонкопленочный электродный слой с электродами в форме параллельных полосковых проводников. При этом электродный слой выполнен на изолирующей поверхности объединительной платы.

Уровень техники

Настоящее изобретение, в первую очередь, относится к устройствам и аппаратам, содержащим функциональные элементы, образующие планарный набор, в котором адресация функциональных элементов осуществляется через первую электродную решетку с параллельными полосковыми электродами, контактирующими с одной стороной функциональных элементов, и через вторую электродную решетку с аналогичными электродами, которые ориентированы, однако, перпендикулярно электродам первой электродной решетки и контактируют с противоположной стороной функционального элемента. В результате образуется так называемое устройство с матричной адресацией. Подобные устройства с матричной адресацией могут содержать функциональные элементы, например, в форме логических ячеек, ячеек памяти или, в случае настоящего изобретения, пикселы дисплея или фотоприемника. Функциональные элементы могут иметь в своем составе один или более активных переключающих средств. В таком случае устройство с матричной адресацией именуется устройством с активной матричной адресацией. Альтернативно, функциональные элементы могут содержать только пассивные (резистивные или емкостные) средства. В этом случае устройство с матричной адресацией именуется устройством с пассивной матричной адресацией.

Последнее из названных устройств рассматривается как наиболее эффективное в отношении адресации, в частности, применительно к запоминающим устройствам, поскольку для образования ячейки памяти не требуется каких-либо переключающих элементов, например, транзисторов. При этом желательно достичь максимально возможной емкости запоминающего устройства. Однако известные принципы конструирования, которые определяют нижний предел размеров ячейки памяти, ограничивают также и коэффициент заполнения, определяемый площадью активного материала в устройстве с матричной адресацией, которая может быть реально использована для образования активных элементов.

Известное оптоэлектронное устройство с пассивной матричной адресацией, показанное на фиг.1а, содержит, по существу, планарный цельный слой активного материала 3 (т.е. активного материала, обладающего оптоэлектронными свойствами). Данный слой расположен между первой электродной решеткой ЕМ1, содержащей параллельные полосковые электроды 1 с шириной w, расположенные на расстоянии d друг от друга, и схожей второй электродной решеткой ЕМ2, содержащей параллельные полосковые электроды 2 с той же шириной w. При этом данные электроды 2 расположены перпендикулярно электродам 1 первой электродной решетки ЕМ1. Зона цельного слоя активного материала 3, соответствующая взаимному наложению электродов 1, 2 соответствующих электродных решеток, задает в активном материале 3 пиксел 5. При подаче напряжения на электроды 1, 2, взаимно налагающиеся (скрещивающиеся) в данной зоне, пиксел 5 начинает испускать оптическое излучение (если устройство сконфигурировано в качестве дисплея). Если устройство сконфигурировано в качестве фотоприемника, при подаче на пиксел 5 оптического излучения на электродах 1, 2 будет появляться детектируемый ток.

На фиг.1b известное оптоэлектронное устройство по фиг.1а представлено в сечении плоскостью Х-Х для того, чтобы проиллюстрировать расположение электродов 1, 2 и находящегося между ними цельного слоя активного материала 3, а также пикселов 5. Свойства активного материала 3 обычно таковы, что подача напряжения на скрещивающиеся электроды 1, 2 будет влиять только на пиксел 5, находящийся в зоне скрещивания, но не на смежные пикселы или ячейки, расположенные в зонах скрещивания соседних электродов. Такое свойство может быть реализовано путем придания активному материалу свойства анизотропной проводимости для того, чтобы электрическая проводимость могла иметь место только в направлении, перпендикулярном поверхности активного материала, и только между взаимно налагающимися электродами, при отсутствии тока, протекающего через цельный слой к другим пикселам.

Размер и плотность размещения пикселов 5 будут зависеть от минимально достижимых размеров элемента, которые ограничиваются характеристиками используемого технологического процесса. Например, когда электроды формируются посредством нанесения слоя металла, которому затем придается заданный рисунок с использованием фотомикролитографического процесса с применением фотолитографических масок в сочетании, например, с травлением, минимальный достижимый размер f определяется свойствами маски. В свою очередь, свойства маски будут зависеть от длины волны используемого излучения. Другими словами, на современном уровне развития технологии указанный размер f будет составлять 0,15-0,2 мкм. Как следствие, ширина w электродов 1, 2 и расстояние между ними будут примерно того же порядка.

В этой связи можно отметить, что параметр 2f обычно называется шагом, а максимальное количество разрешаемых линий на единицу длины, достигаемое с применением известной технологии изготовления, задается параметром 0,5f. Соответственно, максимальное количество элементов на единицу площади задается коэффициентом 0,25f². Следовательно, если рассмотреть участок 4, показанный на фиг.1а, площадь пиксела 5, как это видно из фиг.1с (на которой участок 4 изображен более детально), составит f². При этом видно, что для каждого пиксела требуется пространство, соответствующее участку 4, площадь которого составляет 4f², т.е. в 4 раза превышает площадь f² поверхности пиксела. Из проведенного анализа ясно, что матрица, представленная на фиг.1, имеет коэффициент заполнения, равный 0,25 (т.е. f²/4f²). Следовательно, степень использования поверхности, сформированной слоем активного материала 3, является низкой. Для того чтобы достичь более высокого коэффициента заполнения или более высокой плотности расположения пикселов 5 в слое 3, представляется желательным либо увеличить коэффициент заполнения, либо добиться более высокого разрешения в процессе изготовления матрицы, т.е. перейти к размерам, меньшим чем 0,1 мкм. Однако во втором случае, хотя и появится возможность увеличить общее количество пикселов на той же площади, возможность повышения коэффициента заполнения не будет гарантирована.

Из патента США №5017515 известен процесс, обеспечивающий получение сублитографических расстояний между элементами интегральной схемы. Как показано на фиг.1 названного документа, известный процесс применим для формирования плотно расположенных параллельных полосковых электродов 13, 19, изолированных друг от друга посредством изолирующего элемента 14. Данный элемент свободен от каких-либо ограничений на размер, налагаемых использованием фотомикролитографического процесса. Как следствие данный элемент может быть выполнен очень тонким по сравнению с размерами проводников, т.е. электродов. В указанном патентном документе описано, каким образом электродные решетки, изготовленные предлагаемым способом, могут быть применены для формирования полосковых электродов для элементов с плавающим затвором в интегральной схеме. например, в полупроводником запоминающем устройстве, ячейки памяти которого содержат переключающую и запоминающую транзисторные структуры. При этом шины данных образованы соответствующим допированием подложки, очевидно, с применением для допирования той же фотомаски, которая применяется при формировании электродного слоя высокой плотности.

Раскрытие изобретения

С учетом приведенных соображений основная задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в том, чтобы обеспечить возможность повышения коэффициента заполнения в оптоэлектронном устройстве с матричной адресацией вышеописанного типа до значений, приближающихся к 1, и тем самым достичь максимального использования площади цельного слоя активного материала 3 в подобных устройствах. При этом на это использование не должны влиять ограничения, связанные с реальным или практичным значением минимального достижимого размера f, определяемого технологией. Действительно, коэффициент заполнения не будет изменяться при уменьшении размера f, хотя подобное уменьшение, разумеется, будет приводить к дальнейшему увеличению количества пикселов, которые можно сформировать в цельном слое активного материала 3.

Решение перечисленных задач, а также достоинства и свойства, обеспечиваемые настоящим изобретением, достигаются за счет оптоэлектронного устройства с матричной адресацией, которое характеризуется тем, что электроды каждой электродной решетки выполнены в соответствующем электродном слое. При этом все электроды в пределах одной электродной решетки имеют примерно одинаковую ширину w, тогда как электроды каждой электродной решетки электрически изолированы друг от друга посредством тонкой изолирующей пленки толщиной δ. Значение δ составляет долю указанной ширины w, причем минимальное значение для w сравнимо с минимальным достижимым размером f, определяемым технологическим процессом. При этом коэффициент заполнения применительно к пикселам в активном материале оптоэлектронного устройства близок к 1, а количество пикселов приближается к максимальному значению, определяемому общей площадью А активного материала, находящегося между электродными решетками, и указанным минимальным достижимым размером f. Другими словами, названное максимальное значение задается отношением A/f².

В соответствии с предпочтительным вариантом устройства по изобретению активный материал, обладающий оптоэлектронными свойствами, представляет собой органический материал с анизотропной проводимостью. Диодные домены этого материала контактируют с электродами, входящими в состав электродных решеток, а органический электропроводный материал может предпочтительно представлять собой излучающий или фотоэлектрический полимер с сопряженными связями. В этом случае оптоэлектронное устройство с матричной адресацией может функционировать в качестве дисплея или фотоприемника или и дисплея и фотоприемника.

В соответствии с данным предпочтительным вариантом устройства диодные домены могут обладать способностью испускать оптическое излучение, будучи активированы приложенным к ним напряжением. В этом случае оптоэлектронное устройство с матричной адресацией может функционировать в качестве дисплея.

Альтернативно, диодные домены могут обладать способностью генерировать ток или напряжение, будучи стимулированными к этому (т.е. возбуждены) падающим оптическим излучением. В таком случае оптоэлектронное устройство с матричной адресацией может функционировать в качестве фотоприемника.

Решение перечисленных задач, а также достоинства и свойства, обеспечиваемые настоящим изобретением, достигаются также за счет электродной решетки, которая характеризуется тем, что тонкопленочный электродный слой содержит первый набор полосковых электродов с шириной w_a и высотой (т.е. толщиной) h_a, расположенных на поверхности объединительной платы. При этом электроды первого набора отстоят друг от друга на расстояние d, равное или превышающее w_a. Электродная решетка содержит также второй набор полосковых электродов шириной w_b и высотой h_b, находящихся в пространствах между электродами первого набора и электрически изолированных от указанных электродов посредством тонкой пленки из электрически изолирующего материала толщиной δ. Данная тонкая пленка расположена, по меньшей мере, вдоль боковых краев параллельных электродов и образует между параллельными электродами изолирующую стенку толщиной δ. При этом значение δ выбрано существенно меньшим любого из значений w_a или w_b, а расстояние d между электродами первого набора составляет w_b+2δ. Электродный слой с наборами электродов и тонкая изолирующая пленка совместно образуют цельный планарный слой в составе электродной решетки, расположенной на поверхности объединительной платы.

В предпочтительном варианте выполнения электродной решетки в соответствии с изобретением изолирующие стенки между электродами первого набора и электродами второго набора образованы частями тонкой пленки изолирующего материала, нанесенной в виде слоя, покрывающего боковые края электродов первого набора вплоть до их верхней поверхности, а также объединительную плату в промежутках между электродами первого набора. При этом электроды второго набора образованы в углублениях между стенками и расположены над частями тонкой пленки, покрывающими объединительную плату. Верхние поверхности электродов второго набора находятся в одной плоскости с верхними кромками изолирующих стенок и с верхними поверхностями электродов первого набора. Высота h_b электродов второго набора составляет h_b=h_a-δ, а электродный слой, содержащий электроды первого и второго наборов, и тонкая пленка образуют цельный планарный слой с высотой h_a в составе электродной решетки, расположенный на ее объединительной плате.

По меньшей мере, в одной из электродных решеток, выполненных согласно изобретению и используемых в предлагаемом устройстве, электроды первого и второго наборов и объединительная плата выполнены из полностью или частично прозрачного материала.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1а-1с показано известное оптоэлектронное устройство с матричной адресацией, соответствующее типичному значению коэффициента заполнения, обеспечиваемому подобными устройствами.

На фиг.2а представлено, на виде сверху, оптоэлектронное устройство с матричной адресацией согласно изобретению.

На фиг.2b это устройство представлено в сечении плоскостью Х-Х, показанной на фиг.2а.

На фиг.2с приведена деталь устройства по фиг.2а, поясняющая получение высокого коэффициента заполнения.

На фиг.3, в сечении, показан первый вариант электродной решетки согласно изобретению.

На фиг.4, в сечении, показан второй вариант электродной решетки согласно изобретению.

На фиг.5, в сечении, схематично показан излучающий пиксел, используемый в устройстве по изобретению.

На фиг.6, в сечении, схематично показан приемный пиксел, используемый в устройстве по изобретению.

На фиг.7 схематично представлена предпочтительная структура активного материала, использованного в пикселе по фиг.5 или 6.

Осуществление изобретения

Далее со ссылками на фиг.2а, 2b и 2с будет приведено описание устройства по настоящему изобретению и электродной решетки, входящей в состав данного устройства. Из этого описания должно стать понятно, каким образом предложенная электродная решетка позволяет достичь в устройстве по изобретению коэффициента заполнения, близкого к 1. Структурно схожее устройство, но сконфигурированное в качестве ферроэлектрического запоминающего устройства с матричной адресацией является предметом параллельной международной заявки WO 03/041084, принадлежащей заявителю настоящего изобретения.

Устройство по изобретению, представленное, на виде сверху, на фиг.2а, соответствует варианту, реализующему конфигурацию с пассивной матричной адресацией. В этом варианте активный материал 3 (т.е. активный материал, обладающий оптоэлектронными свойствами) представляет собой цельный (единый) слой, расположенный между двумя электродными решетками ЕМ1, ЕМ2, выполненными согласно изобретению. Первая электродная решетка ЕМ1, которая может быть выполнена в соответствии с любым из вариантов, представленных на фиг.3 и 4, идентична второй электродной решетке ЕМ2. Однако эта вторая электродная решетка содержит параллельные полосковые электроды 2, ориентированные под углом (предпочтительно прямым) по отношению к соответствующим электродам 1 первой электродной решетки ЕМ1, как это показано на чертеже. Там, где имеет место взаимное наложение электродов 1, 2, в активном материале 3, расположенном между электродами, задается пиксел 5.

Пиксел 5 может представлять собой полупроводниковый неорганический или органический материал, способный под действием соответствующего стимула (т.е. приложенного напряжения в первом случае и падающего оптического излучения во втором случае), испускать оптическое излучение или генерировать фототок. В наиболее предпочтительном варианте активный материал представляет собой полимер с сопряженными связями, обладающий анизотропной электрической проводимостью, т.е. такой полимер, в котором электрическая проводимость будет иметь место только между скрещивающимися электродами 1, 2, причем только в направлении, перпендикулярном поверхности планарного слоя активного материала.

Для большей ясности драйверные контура, а также контура считывания и управления на фиг.2а не изображены. Однако в реальных вариантах осуществления они могут быть реализованы с применением КМОП-технологии на кремниевой основе. При этом они могут быть выполнены на объединительной плате 7, если она изготовлена из того же материала. В этом случае маршрутизация и соединение электродов 1, 2 с названными контурами будут реализованы хорошо известными для специалистов методами.

Как уже было упомянуто, активный материал 3 расположен между электродными решетками ЕМ1, ЕМ2, как это наиболее наглядно показано на фиг.2b, соответствующей сечению устройства по фиг.2а плоскостью Х-Х. В зоне взаимного наложения (скрещивания) электродов 1, 2 в активном материале 3 (который является излучающим или фотопроводным) задается пиксел 5. Электроды 1, 2 электродных решеток ЕМ1, ЕМ2 в любом случае разделены только очень тонкой пленкой 6 изолирующего материала. Толщина δ данной пленки составляет лишь малую часть ширины w электродов 1, 2, которая в наиболее предпочтительном случае соответствует минимально достижимому размеру f элемента, достигаемому в используемом технологическом процессе. В связи с этим должно быть понятно, что использование электродных решеток ЕМ согласно изобретению позволяет значительно повысить коэффициент заполнения, приблизив его значение к 1. В этой связи следует отметить, что в общем случае чередующиеся электроды ε_a, ε_b могут иметь различные значения ширины w_a, w_b. Однако, поскольку w_a≅w_b, то в реальных ситуациях можно считать, что они имеют одинаковую ширину w.

Преимущество от использования приведенных соотношений можно видеть при рассмотрении планарного участка 4, содержащего, как это показано на фиг.2с, четыре пиксела 5₁-5₄. Суммарная площадь участка, занимаемая изолирующими стенками 6а, находящимися между электродами и определяющими размеры пикселов, и самими электродами, входящими в состав электродных решеток ЕМ1, ЕМ2, описывается выражением 4f²+8fδ+4δ². Отсюда следует, что поскольку δ в устройстве по изобретению составляет лишь малую часть значения размера f или ширины w электродов 1, 2, коэффициент заполнения в устройстве по изобретению близок к 100%. Другими словами, практически вся площадь активного материала 3, заключенного между электродными решетками ЕМ1, ЕМ2, будет занята пикселами 5, т.е. среднее значение площади поверхности пиксела будет составлять f². Например, если принять значение f≅w за 1, a δ=0,01f, общая площадь рассматриваемого участка будет составлять 4+8·0,01+0,0004≅4,08. Коэффициент заполнения будет соответственно равен 4/4,08=0,98, т.е. 98%.

Если площадь доступной поверхности активного материала 3 равна А, то максимальное количество пикселов 5 в матрице устройства по изобретению составит в соответствии с изобретением A/f². Например, если из конструктивных соображений значение f выбрано равным 0,2 мкм, а площадь А участка активного материала 3, на котором можно разместить пикселы 5, равняется 10⁶ мкм², общее количество этих пикселов составит 0,98·10⁶/0,22=24,5·10⁶. Соответственно, плотность расположения пикселов будет около 25·10⁶ мм². В известных же устройствах, в которых электроды отстоят друг от друга на расстояние d, определяемое значением минимального достижимого размера f, такой же участок 4, что и показанный на фиг.2с, будет содержать только один пиксел 5, т.е. коэффициент заполнения будет равен 0,25 (т.е. 25%). Естественно, максимально достижимое количество пикселов составит лишь четвертую часть от количества, которое может быть достигнуто в устройстве по настоящему изобретению.

В том случае, когда устройство по изобретению, представленное на фиг.2а-2с, сконфигурировано как дисплейное устройство, его активный материал 3 должен обладать способностью испускать оптическое излучение, когда он активируется напряжением, приложенным к соответствующим скрещивающимся электродам 1, 2, входящим в состав электродных решеток ЕМ1, ЕМ2. Соответственно, пиксел 5, определяемый взаимным наложением соответствующих электродов 1, 2, будет представлять собой пиксел в составе дисплея. Поскольку коэффициент заполнения в любом случае будет близким к единице, становится возможным получить дисплей высокого разрешения, у которого почти вся поверхность А занята пикселами. Более того, повышение коэффициента заполнения, например, с 0,25 до значения, близкого к 1, позволит создать дисплей с соответственно повышенной поверхностной яркостью. Поскольку пикселы, по меньшей мере, с одной стороны дисплея должны быть обращены к окружающей среде, электроды, по меньшей мере, одной из электродных решеток ЕМ1, ЕМ2 должны быть полностью или частично прозрачны. Этому требованию должен удовлетворять также материал одной из объединительных плат 7. В варианте по фиг.2b объединительная плата 7 может быть снабжена вышеупомянутыми драйверными контурами, а также контурами считывания и управления. При этом противолежащая объединительная плата 7', изображенная штриховой линией, как и электроды 2, должна быть полностью или частично прозрачной для оптического излучения. Кроме того, изолирующий материал, используемый для получения тонкой изолирующей пленки 6, может в рассматриваемом случае также быть полностью или частично прозрачным. Электроды 2 в данном случае могут быть изготовлены, как это хорошо известно специалистам в данной области, из оксида индия и олова, который широко применяется в светодиодах.

На фиг.3 показан первый предпочтительный вариант выполнения электродной решетки ЕМ. В данном варианте электродная решетка ЕМ содержит множество полосковых электродов ε_a, ε_b, нанесенных на объединительную плату 7. Электроды ε_a могут рассматриваться как принадлежащие первому электродному набору и сформированные из первого цельного слоя электродного материала. Заданную конфигурацию электродов затем получают посредством фотолитографических операций с применением соответствующей маски. Соответственно, электроды ε_b, расположенные между электродами первого набора, могут рассматриваться как принадлежащие второму электродному набору, который формируют после создания изолирующей стенки 6а в углублениях, образованных между электродами ε_a в ходе выполнения упомянутых литографических операций. Расстояние между двумя смежными электродами ε_a и ширина этих электродов составляют соответственно d и w_a, тогда как ширина электродов ε_b равна w_b. При этом w_a, w_b и d имеют близкие значения, и наименьшее из этих значений задается минимальным достижимым размером f, задаваемым технологическим процессом, используемым для формирования электродов ε_a. В то же время толщина δ изолирующих стенок 6а не связана со значением f и может даже соответствовать диапазону нанометров. Единственное ограничение при выборе толщины тонкой изолирующей пленки состоит в том, что она должна предотвращать электрические дефекты и пробои между электродами ε_a, ε_b. Другими словами, при условии, что поверхность объединительной платы 7, обеспечивающей необходимую фиксацию взаимного положения электродов, также является электрически изолирующей, все параллельные полосковые электроды ε_a, ε_b будут электрически изолированы друг от друга. Следует отметить, что высота как электродов ε_a, ε_b, так и изолирующих стенок 6а равна h, причем выполняется соотношение d=w_b+2δ. При условии, что расстояние d между электродами определено как d=w_b+2δ, значения w_a, w_b для электродов ε_a, ε_b будут одинаковыми, т.е. могут быть обозначены как w. В этом случае все электроды ε_a, ε_b будут иметь одинаковое поперечное сечение. Если они при этом изготовлены из одного и того же электропроводного материала, то все они будут обладать одинаковыми свойствами в отношении проводимости.

В варианте выполнения электродной решетки ЕМ, представленном на фиг.4, заданная конфигурация электродов ε_а, как и в предыдущем варианте, формируется из цельного слоя электродного материала, после чего наносится цельный слой тонкой изолирующей пленки 6, который покрывает полностью как подложку (т.е. объединительную плату) 7, так и электроды ε_a. Затем наносят электропроводный материал, покрывающий изолирующий слой 6b и заполняющий углубления между электродами ε_a. Затем на следующей операции (операции планаризации) производят удаление части изолирующей пленки 6, покрывающей электроды ε_a, вместе с избытком материала, образовавшимся при нанесении электродов ε_b. В результате верхние поверхности электродов ε_a, ε_b, образующие поверхность электродного слоя, оказываются открытыми и лежащими на одном уровне с верхним краем стенки 6а. Таким образом, все электроды ε_a, ε_b, имеющие открытую поверхность, могут формировать омический контакт с любым активным материалом 3, обладающим оптоэлектронными свойствами, который наносится на них сверху. Однако в рассматриваемом примере, когда активный материал является диэлектриком, например жидкокристаллическим материалом, может быть обеспечена емкостная связь, причем в данном случае на верхнюю поверхность электродов может быть нанесена тонкая изолирующая пленка 6. Сказанное полностью относится к варианту изобретения, представленному на фиг.4. Приведенные выше сведения в отношении минимальной ширины w_a, w_b электродов ε_a, ε_b также полностью применимы к этому варианту.

При этом можно видеть, что высота h_a электрода ε_a отличается от высоты h_b на величину δ, соответствующую толщине части 6b тонкой изолирующей пленки 6, покрывающей подложку 7. В этом случае подразумевается, что расстояние d между электродами ε_a в процессе формирования электродов должно быть увеличено таким образом, чтобы обеспечить (если это представляется желательным) получение электродов ε_a, ε_b с одинаковой площадью поперечного сечения, т.е. с одинаковыми электропроводными свойствами (в случае, когда электроды ε_a, ε_b выполнены из одного материала или из материалов с одинаковой проводимостью).

Для осуществления планаризации электродного слоя электродной решетки ЕМ согласно вариантам изобретения по фиг.3, 4 можно использовать любые подходящие для этого средства, например, химико-механическое полирование, управляемое травление или управляемый микроабразивный процесс. Более подробные сведения в отношении получения электродных решеток согласно изобретению типа представленных на фиг.3, 4, в том числе о способах ее изготовления, могут быть найдены в международной заявке WO 03/041084.

Что касается материалов для электродной решетки ЕМ, используемой в устройстве по настоящему изобретению, то, как уже упоминалось, возможно применение любых подходящих электропроводных материалов, в частности, металлов типа титана или алюминия, которые широко используются в электронных приборах.

Материалом для электродов могут служить также органические материалы, например, электропроводные полимеры. В любом случае эти материалы должны быть совместимыми с процессом формирования изолирующего тонкопленочного слоя или с любым процессом, применяемым для частичного удаления этого слоя. Очевидно также, что электроды, по меньшей мере, одной из электродных решеток ЕМ должны быть полностью или частично прозрачными для оптического излучения, поскольку это является условием функционирования устройства в качестве дисплея или фотоприемника.

Должно быть понятно, что ширина w электродов, входящих в состав электродной решетки ЕМ согласно изобретению, должна быть минимальной и определяться минимально достижимым размером f. Однако следует учитывать, что в первом из рассмотренных примеров данное ограничение касается только ширины электродов ε_a, образующих первый набор электродов, который формируют литографическим методом, а также расстояний между этими электродами. Электроды ε_b могут наноситься методами, которые не имеют указанного ограничения, свойственного литографическим или аналогичным методам формирования электродов. Это относится, разумеется, и к нанесению тонкой изолирующей пленки, которое может быть осуществлено, например, путем оксидирования, осаждения из паров или распыления из жидкой или твердой фазы с получением размеров, соответствующих почти моноатомным слоям. Единственное требование, которому должна удовлетворять данная пленка, - это создание необходимой электрической изоляции между смежными электродами ε_a и ε_b, входящими в соответствующие наборы электродов в электродных решетках ЕМ. В обычных фотолитографических технологиях значение f обычно лежит у 0,2 мкм или имеет несколько меньшее значение, причем в настоящее время идет освоение или разработка других технологий, соответствующих диапазону нанометров. Эти технологии, в частности, направлены на получение электродов с шириной порядка нескольких десятков нанометров, а также на осуществление необходимой планаризации, которая обеспечит высокую степень плоскостности верхней поверхности электродной решетки ЕМ при том, что все компоненты, т.е. электроды ε_a и ε_b, а также тонкая изолирующая пленка 6 будут находиться на одном уровне, соответствующем верхней поверхности электродной решетки ЕМ.

Итак, в общем случае использование электродных решеток ЕМ в устройстве по настоящему изобретению, в котором активная среда расположена между двумя электродными решетками на основе параллельных полосковых электродов, расположенных под углом друг к другу (предпочтительно взаимно перпендикулярно) с образованием дисплея или фотоприемника с матричной адресацией, позволяет получить коэффициент заполнения, близкий к 1, и максимальное количество задаваемых пикселов. Количество пикселов ограничивается только конструктивными ограничениями, накладываемыми технологическим процессом формирования заданного рисунка электродов.

На фиг.5 схематично представлена структура единичного пиксела в варианте осуществления, согласно которому устройство по изобретению представляет собой дисплей. Между электродом 1 первой электродной решетки ЕМ1 и электродом 2 второй электродной решетки ЕМ2 находится активный материал 3, обладающий оптоэлектронными свойствами, т.е. содержащий домены 10, испускающие оптическое излучение и предпочтительно представляющие собой полимерные светодиоды. Рабочее напряжение V_E подается на полимерные светодиоды 10 с помощью электродов 1, 2, которые подсоединены к источнику 8 питания. Должно быть понятно, что на фиг.5 показаны только части полосковых электродов 1, 2, входящих в состав электродных решеток ЕМ1, ЕМ2, причем электрод 2 предпочтительно ориентирован перпендикулярно электроду 1. Светодиоды 10 могут быть перестраиваемыми по длинам волн. В таком случае активный материал 3 будет включать в себя светодиоды, длина волны испускания которых настраивается путем варьирования напряжения, как это описано, например, в международной заявке WO 95/031515.

Следует отметить, что устройство по изобретению может представлять собой и неизлучающий дисплей, т.е. дисплей, пикселы которого, в качестве отклика на приложенное напряжение, могут отражать, поглощать или поляризовывать оптическое излучение. Подобные дисплеи, соответствующие использованию в качестве активного материала жидкокристаллического материала, разумеется, хорошо известны в данной области техники. При использовании в них электродных решеток, предусмотренных настоящим изобретением, эти дисплеи обладают теми же преимуществами, что варианты дисплеев, пикселы которых являются излучающими. Поскольку жидкокристаллический материал является диэлектриком, верхние контактные поверхности электродов, входящих в состав электродных решеток, могут быть, как это уже упоминалось, покрыты тонкой изолирующей пленкой 6. В этой связи можно сослаться также на вышеупомянутую международную заявку WO 03/041084, в которой описан также релевантный альтернативный вариант выполнения электродных решеток.

На фиг.6 схематично изображен пиксел 5 в варианте, в котором устройство по настоящему изобретению представляет собой фотоприемник. Активный материал 3, обладающий оптоэлектронными свойствами, аналогичен излучающему материалу, использованному в варианте по фиг.5. Активный материал 3 находится между электродами 1, 2 и ориентирован относительно них аналогичным образом. Когда активный материал 3 под воздействием возбуждающего падающего оптического излучения генерирует ток или напряжение, электроды 1, 2 передают напряжение V_D сигнала на считывающий усилитель 9.

Разумеется, должно быть понятно, что, по меньшей мере, один из электродов 1, 2 на фиг.5 или 6 должен быть прозрачным. Это требование относится и к неизображенной объединительной плате 7, на которой сформированы названные электроды. Как уже упоминалось, активный материал 3 может соответствовать либо светодиодам, либо фотодиодам. В особо предпочтительном случае диоды являются органическими диодами на основе полимера с сопряженными связями, которые уже были упомянуты выше и которые описаны в документе WO 95/031515. Следует в этой связи отметить, что подобные излучающие полимерные диоды могут настраиваться по длинам волн и испускать свет на нескольких длинах волн за счет варьирования рабочего напряжения, приложенного к диоду. В том случае, когда такие диоды обладают также фотоэлектрическими свойствами и, следовательно, пригодны для применения в качестве пиксела фотоприемника (см. фиг.6), следует учитывать, что длина волны, соответствующая максимальной чувствительности, будет отличной от длины волны, соответствующей пику испускания, и смещенной относительно этой длины волны в сторону более коротких длин волн. Это явление, называемое стоксовым сдвигом (или смещением), хорошо известно специалистам в данной области. Диоды на основе активного материала, обладающего оптоэлектронными свойствами, могут быть изготовлены в виде тонкой полимерной пленки с доменами в виде полимеров с сопряженными связями и с толщиной порядка нескольких десятков нанометров или даже менее. Размеры индивидуальных диодов также не должны существенно превышать это значение.

Пиксел может содержать некоторое количество физически разделенных излучающих или поглощающих излучение доменов 10, 10', как это показано на фиг.7. На данной фигуре схематично представлен в сечении один пиксел из входящих в состав устройства по изобретению. Разумеется, слой активного материала 3 представляет собой цельный слой, имеющийся в устройстве, домены 10, 10' в составе которого относятся только к одному конкретному типу излучающего или поглощающего полимера, которые имеют различные интервалы длин волн испускания или поглощения. При этом тонкая пленка, содержащая полимер с сопряженными связями, может обладать анизотропной электропроводностью. В таком случае ток, приложенный к слою активного материала, находящегося между электродами 1, 2, будет протекать только между электродами, задающими каждый отдельный пиксел 5, но не в поперечном направлении. Для того, чтобы полностью реализовать эффект испускания оптического излучения или фотоэлектрический эффект, все домены 10, 10', как испускающие, так и поглощающие излучение, должны находиться в контакте с электродами 1, 2. При этом должно быть понятно, что в устройстве по изобретению, использующем электродные решетки ЕМ при коэффициенте заполнения, близком к 1, данное условие выполняется. В результате устройство по изобретению, в зависимости от его назначения, обеспечивает создание либо дисплея с максимальной поверхностной яркостью, либо фотоприемника с максимальной чувствительностью.

Кроме того, должно быть понятно, что достижение высокого коэффициента заполнения благодаря применению изолирующего материала, который имеет малую толщину δ, составляющую малую долю ширины электрода, позволяет обеспечить высокую плотность расположения пикселов при приближении площади поверхности, занимаемой пикселами, к суммарной площади А поверхности цельного слоя активного материала 3. Кроме того, разрешение, соответствующее общему количеству пикселов, которое может быть реализовано в устройстве, будет составлять максимальное значение, определяемое минимальным достижимым размером f, свойственным используемой технологии. Все приведенные соображения подтверждают скачкообразное повышение рабочих характеристик, которые становятся достижимыми в устройстве по настоящему изобретению независимо от того, сконфигурировано оно в качестве дисплея или фотоприемника.

Будучи сконфигурировано как дисплей, устройство способно функционировать в качестве и монохромного, и цветного дисплея. В последнем случае активный материал может содержать диодные домены 10, 10', испускающие излучение на различных длинах волн в зависимости от приложенного рабочего напряжения V_E. Например, повышение V_E приведет к смещению пика испускания в сторону коротких длин волн при условии, что длины волн, соответствующие пику испускания для диодных доменов 10, 10', лежат соответственно, например, в красной и синей областях оптического спектра. Другими словами, настройка по длинам волн единственного пиксела в этом случае производится изменением напряжения V_E, прикладываемого к указанным доменам через электроды 1, 2, находящиеся в контакте с пикселом.

Как уже упоминалось, активный материал может представлять собой жидкокристаллический материал. В этом случае пикселы под действием возбуждения могут становиться отражающими, поглощающими или поляризующими оптическое излучение, как это хорошо известно специалистам.

Будучи сконфигурировано как фотоприемник, устройство может быть эффективно использовано в качестве детектора в черно-белой оптоэлектронной камере или, с соответствующими изменениями, в цветной камере. В последнем случае диодные домены 10, 10' должны иметь различную спектральную чувствительность и генерировать отклик в форме тока или напряжения V_D с компонентами отклика, зависящими от длины волны падающего оптического излучения. Высокое разрешение, обеспечиваемое устройством по изобретению, можно сравнить с разрешением традиционной фотопленки формата 24×36 мм. В зависимости от применяемой фотоэмульсии количество пикселов на пленке может превышать 3·10⁷, что соответствует линейному разрешению порядка 5 мкм. Фотоприемник в соответствии с изобретением, содержащий приемный чип 1,2×1,2 мм, изготовленный при f=0,20 мкм, обеспечит такие же показатели, что и пленка форматом 24×36 мм. Однако в случае использования устройства по изобретению в качестве фотоприемника в электронной камере необходимо учитывать, что эффективный размер пиксела должен быть совместим с длиной λ волны падающего излучения, составляя, например, 0,5λ. Следовательно, для того, чтобы перекрыть спектральный интервал от ближней УФ области до ближней ИК области, размер пиксела должен составлять от 0,1 до 1 мкм. Это, естественно, означает, что для того, чтобы получить разрешение, сравнимое с разрешением имеющихся фотоэмульсий, необходимо соответствующим образом подбирать эффективную площадь активного материала и размер фотоприемника.

Настоящее изобретение относится к устройствам и аппаратам, содержащим функциональные элементы, образующие планарный набор, в котором адресация функциональных элементов осуществляется через первую электродную решетку с параллельными полосковыми электродами, контактирующими с одной стороной функциональных элементов, и через вторую электродную решетку с аналогичными электродами, которые ориентированы перпендикулярно электродам первой электродной решетки и контактируют с противоположной стороной функционального элемента. В результате образуется так называемое устройство с матричной адресацией. Предложено оптоэлектронное устройство с матричной адресацией, содержащее функциональную среду в виде активного материала (3), обладающего оптоэлектронными свойствами и находящегося в виде цельного слоя между первой и второй электродными решетками (ЕМ1, ЕМ2), каждая из которых содержит параллельные полосковые электроды (1, 2). Электроды (2) второй электродной решетки (ЕМ2) ориентированы под углом к электродам (1) первой электродной решетки (ЕМ1), а в объемных зонах активного материала (3), соответствующих взаимному наложению электродов (1) первой электродной решетки (ЕМ1) и электродов (2) второй электродной решетки (ЕМ2), находящихся в контакте с активным материалом (3), сформированы функциональные элементы (5) с образованием набора функциональных элементов с матричной адресацией. В зависимости от используемого активного материала эти функциональные элементы соответствуют оптически активным пикселам (5) дисплея или пикселам (5) фотоприемника. В каждой из электродных решеток (ЕМ1, ЕМ2) электроды (1, 2) расположены в виде плотной параллельной конфигурации и взаимно изолированы посредством тонкой пленки (6), толщина которой составляет лишь долю ширины электродов. Технический результат - повышение коэффициента заполнения активного материала (3) пикселами (5) до значения, близкого к 1, и достижение соответственно высокого разрешения. В результате может быть получен либо дисплей с высокой поверхностной яркостью и высоким разрешением, либо фотоприемник с высокой чувствительностью и высоким разрешением. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Оптоэлектронное устройство с матричной адресацией, содержащее функциональную среду в виде активного материала (3), обладающего оптоэлектронными свойствами и находящегося в форме цельного слоя между первой и второй электродными решетками (ЕМ1, ЕМ2), каждая из которых содержит параллельные полосковые электроды (1, 2), причем электроды (2) второй электродной решетки (ЕМ2) ориентированы под углом к электродам (1) первой электродной решетки (ЕМ1), а в объемных зонах активного материала (3), соответствующих взаимному наложению электродов (1) первой электродной решетки (ЕМ1) и электродов (2) второй электродной решетки (ЕМ2), находящихся в контакте с активным материалом (3), сформированы функциональные элементы (5) с образованием набора функциональных элементов с матричной адресацией, при этом каждый функциональный элемент (5) в активном материале может быть либо активирован приложением напряжения к скрещивающимся электродам (1, 2), находящимся в контакте с активным материалом, с образованием элемента, составляющего излучающий, поглощающий, отражающий или поляризующий пиксел дисплейного устройства, либо возбужден воздействием оптического излучения с образованием пиксела в фотоприемнике, выходное напряжение или выходной ток которого поступает на электроды (1, 2), скрещивающиеся в зоне данного пиксела, причем активный материал (3) является неорганическим или органическим и обладает способностью в зависимости от заданной функции, будучи активированным приложением к нему напряжения, испускать, поглощать, отражать или поляризовать оптическое излучение и/или, будучи возбужденным падающим на него оптическим излучением, генерировать напряжение или ток, при этом адресация пиксела (5) осуществляется по схеме матричной адресации, а электроды (1, 2), по меньшей мере, одной из электродных решеток (ЕМ1, ЕМ2) выполнены из полностью или частично прозрачного материала, отличающееся тем, что электроды (1, 2) каждой электродной решетки (ЕМ1, ЕМ2) выполнены в соответствующем электродном слое, причем все электроды (1, 2) электродных решеток (ЕМ1, ЕМ2) имеют примерно одинаковую ширину w, минимальное значение которой сопоставимо с минимальным достижимым размером f, определяемым применяемой технологией, тогда как электроды (1, 2) каждой электродной решетки (ЕМ1, ЕМ2) изолированы друг от друга посредством тонкой изолирующей пленки (6) с толщиной δ, составляющей долю ширины w электродов, при этом коэффициент заполнения активного материала (3) пикселами (5) близок к 1, а количество пикселов (5) приближается к максимальному количеству, определяемому соотношением A/f², т.е. общей площадью А поверхности активного материала (3), находящегося между электродными решетками (ЕМ1, ЕМ2), и указанным минимальным достижимым размером f.2. Оптоэлектронное устройство по п.1, отличающееся тем, что активный материал (3) с оптоэлектронными свойствами представляет собой анизотропный электропроводный органический материал с диодными доменами (10, 10'), находящимися в контакте с электродами (1, 2) электродных решеток (ЕМ1, ЕМ2).3. Оптоэлектронное устройство по п.2, отличающееся тем, что электропроводный органический материал является полимером с сопряженными связями, обладающим излучающими и/или фотоэлектрическими свойствами, а оптоэлектронное устройство способно функционировать в качестве дисплея, фотоприемника или в качестве и дисплея, и фотоприемника.4. Оптоэлектронное устройство по п.2, отличающееся тем, что, будучи активированными посредством приложенного напряжения, диодные домены способны испускать оптическое излучение с функционированием оптоэлектронного устройства в качестве дисплея.5. Оптоэлектронное устройство по п.2, отличающееся тем, что при возбуждении посредством падающего оптического излучения диодные домены способны генерировать ток или напряжение с функционированием оптоэлектронного устройства в качестве фотоприемника.6. Оптоэлектронное устройство по п.1, отличающееся тем, что активный материал (3) с оптоэлектронными свойствами является жидкокристаллическим материалом, а оптоэлектронное устройство способно функционировать в качестве дисплея с отражающими, поглощающими или поляризующими пикселами (5).7. Электродная решетка (ЕМ) для использования в оптоэлектронном устройстве с матричной адресацией в соответствии с п.1, содержащая тонкопленочный электродный слой с электродами в форме параллельных полосковых проводников, сформированный на изолирующей поверхности объединительной платы, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью использования в оптоэлектронном устройстве с матричной адресацией в соответствии с п.1, при этом тонкопленочный электродный слой содержит первый набор электродов (ε_а) с шириной w_a и высотой h_a, расположенных на объединительной плате (7) и отстоящих друг от друга на расстояние d, равное их ширине w_a или превышающее ее, второй набор полосковых электродов (ε_b) с шириной w_b и высотой h_b, находящихся в промежутках между электродами (ε_а) первого набора и электрически изолированных от них посредством тонкой пленки (6) из электрически изолирующего материала толщиной δ, расположенной, по меньшей мере, вдоль боковых краев параллельных электродов (ε_а, ε_b) первого и второго наборов с формированием между указанными электродами изолирующей стенки (6а) толщиной δ, существенно меньшей ширины w_a или ширины w_b, причем расстояние d между электродами (ε_а) первого набора составляет w_b+2δ, a электродный слой с наборами электродов (ε_а, ε_b) и тонкая изолирующая пленка (6) совместно образуют цельный планарный слой в составе электродной решетки (ЕМ), расположенный на поверхности объединительной платы (7).8. Электродная решетка (ЕМ) по п.7, отличающаяся тем, что изолирующие стенки (6а) между электродами (ε_a) первого набора и электродами (ε_b) второго набора образованы частями тонкой пленки (6) изолирующего материала, нанесенной в виде слоя, покрывающего боковые края электродов (ε_а) первого набора вплоть до их верхней поверхности, а также объединительную плату (7) в промежутках между электродами первого набора, причем электроды (ε_b) второго набора образованы в углублениях между стенками (6а) и расположены над частями (6b) тонкой пленки (6), покрывающими объединительную плату (7), тогда как верхние поверхности электродов (ε_b) второго набора находятся в одной плоскости с верхними кромками изолирующих стенок (6а) и с верхними поверхностями электродов (ε_а) первого набора, а высота электродов (ε_b) второго набора составляет h_b=h_a-δ, при этом электродный слой, содержащий электроды (ε_а, ε_b) первого и второго наборов, и тонкая пленка (6) образуют цельный планарный слой с высотой h_a в составе электродной решетки (ЕМ), расположенный на объединительной плате электродной решетки (ЕМ).9. Электродная решетка (ЕМ) по п.7, отличающаяся тем, что электроды (ε_а, ε_b) первого и второго наборов и объединительная плата (7) выполнены из полностью или частично прозрачного материала.