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Article

1 - TECHNOLOGIE ALD POUR L’ENCAPSULATION

2 - TECHNOLOGIE ALD POUR L’ENCAPSULATION DES OLED

3 - TECHNOLOGIE ALD POUR L’ENCAPSULATION DES MICROBATTERIES

4 - TECHNOLOGIE MLD

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : RE261 v1

Technologie ALD pour l’encapsulation
Encapsulation des diodes organiques électroluminescentes et microbatteries par ALD

Auteur(s) : Tony MAINDRON, Messaoud BEDJAOUI

Date de publication : 10 oct. 2016

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RÉSUMÉ

Le problème des diodes électroluminescentes organiques (OLED) et des microbatteries à base d’une technologie lithium réside en leur dégradation rapide en présence des gaz oxydants de l’atmosphère, eau et oxygène. Des technologies d’encapsulation avancées sont donc développées afin de proposer des niveaux barrière aux gaz très élevés et permettre la réalisation de dispositifs de nouvelle génération : plus fiables, flexibles ou conformables et moins chers. La technologie ALD (Atomic Layer Deposition) est très bien adaptée à la réalisation de couches barrières pour ces circuits.

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ABSTRACT

Thin film barriers by ALD for OLED and microbatteries

One of the major problems with organic light-emitting diodes (OLEDs) and microbatteries lies in their rapid degradation when in contact with oxidising gases in the atmosphere, water and oxygen. Efficient encapsulation processes are therefore needed to achieve sufficient reliability and lifetime. To overcome these problems, new encapsulation processes have been developed to achieve reliable, low-cost, flexible, conformable and less brittle products. The atomic layer deposition (ALD) technology is one of the most promising ways to achieve high quality barrier layers to protect these devices.

Auteur(s)

  • Tony MAINDRON : Chercheur CEA-LETI - MINATEC Campus-Univ. Grenoble Alpes, 17 rue des Martyrs, Grenoble, France.

  • Messaoud BEDJAOUI : Chercheur CEA-LETI - MINATEC Campus-Univ. Grenoble Alpes, 17 rue des Martyrs, Grenoble, France.

INTRODUCTION

Les applications des circuits en couches minces sont nombreuses aujourd’hui et touchent toutes les disciplines de la microélectronique : les OLED (Organic Light Emitting Diode) pour l’affichage et l’éclairage, les OPV (Organic PhotoVoltaics) pour la récupération d’énergie solaire, ou les OPD (Organic PhotoDiode) pour la photodétection, les OTFT (Organic Thin Film Transistor) pour l’électronique ou encore les microbatteries pour le stockage d’énergie. Quel que soit le dispositif visé, basé sur l’intégration de semi-conducteurs organiques ou inorganiques, un des problèmes majeurs réside dans la grande sensibilité des composants à l’atmosphère respirable, notamment à l’oxygène et la vapeur d’eau.

L’encapsulation de produits commerciaux est réalisée grâce à l’emploi de capots en verre scellés hermétiquement sous gaz inerte autour des dispositifs par le biais d’un frittage laser du verre. Toutefois, cette solution revêt de nombreux défauts tels que le coût, la logique du procédé, ou la perte de flexibilité. Les technologies employant des couches minces barrières aux gaz ont donc été développées afin de remplacer les capots rigides. La technologie ALD fait partie des technologies permettant d’accéder à des niveaux barrières très élevés, caractérisés par des WVTR (Water Vapour Transmission Rates) très faibles. Le présent article décrit l’application de la technologie ALD pour l’encapsulation de dispositifs OLED puis des microbatteries. Les spécificités liées à chacun des dispositifs électroniques seront ainsi abordées.

Un tableau de sigles est présenté en fin d’article.

Points clés

Domaine : Technologies d’affichage et génération d’électricité

Degré de diffusion de la technologie : Croissance

Technologies impliquées : OLED, Microbatteries, Couches minces, ALD

Domaines d’application : Affichage (display), Éclairage, Énergie

Principaux acteurs français :

  • Pôles de compétitivité : Minalogic

  • Centres de compétence : CEA-LETI

  • Industriels : MicroOLED, Astron-Fiamm Safety, ST MicroElectronics

Autres acteurs dans le monde :

Samsung, LG, Merck, Panasonic, Novaled, Sumitomo, Universal Display Corporation, Osram, Konica Minolta, Sony

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KEYWORDS

lithium microbatteries   |   ultra-high barrier   |   atomic layer deposition

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re261


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1. Technologie ALD pour l’encapsulation

1.1 Systèmes d’encapsulation UHB

La figure 1 donne une illustration des deux types de dispositifs en couches minces traités dans ce document : les dispositifs OLED et les microbatteries.

L’obtention de propriétés Ultra Haute Barrière (UHB) nécessite la mise en œuvre de structures multicouches hybrides (figure 2), avec une alternance de couches inorganiques denses (de type oxyde ou nitrure métalliques) et de couches polymères de faibles épaisseurs. Cette architecture permet de découpler les défauts inhérents à chaque couche inorganique. Sans cette architecture hybride intercalant ces couches organiques, le dépôt direct d’une deuxième couche dense inorganique impliquerait la prolongation des défauts de la première couche inorganique déposée, jusqu’à la surface. L’amélioration des propriétés barrières par l’utilisation des dépôts alternés résulte de l’allongement du chemin de diffusion du gaz dans ces structures hybrides (principe du chemin tortueux). La diminution du coefficient de diffusion qui en résulte réduit considérablement le flux transmis par le matériau et augmente également le temps nécessaire (lag time) pour atteindre le régime stabilisé.

Le principe de découplage des défauts de couches inorganiques par intercalage d’une couche polymère peut être mis en évidence en s’intéressant à l’énergie d’activation du processus de perméabilité, ΔEp . Ainsi, pour un substrat de PET recouvert d’une simple couche mince barrière de type SiOx avec des défauts du type pinholes, l’énergie d’activation pour O2Ep = 29 kJ/mol) est identique à celle du même substrat sans barrière. Cela traduit un processus dominé par la diffusion à travers le substrat polymère,...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - TROPSHA (Y.G.), HARVEY (N.G.) -   Activated Rate Theory Treatment of Oxygen and Water Transport through Silicon Oxide/Poly(ethylene terephthalate) Composite Barrier Structures.  -  The Journal of Physical Chemistry B, 101, p. 2259-2266 (1997).

  • (2) - AFFINITO (J.D.), GROSS (M.E.) et al -   À new method for fabricating transparent barrier layers.  -  Thin Solid Films, 290-291, p. 63-67 (1996).

  • (3) - MANDLIK (P.), GARTSIDE (J.) et al -   À single-layer permeation barrier for organic light-emitting displays.  -  Applied Physics Letters, 92, p. 103309 (2008).

  • (4) - HONG (S.), YOO (J.) et al -   Technologies for Flexible AMOLEDs.  -  Information Display, 31, p. 6-11 (2015).

  • (5) - TANG (C.W.), VANSLYKE (S.A.) -   Organic electroluminescent diodes.  -  Applied Physics Letters, 51, p. 913 (1987).

  • (6)...

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