Elaboration et caractérisation de microcavités optiques à base de semiconducteurs organiques

Fabrication and characterisation of organic semiconductor based optical microcavities

• Auteur / Autrice : Bruno Masenelli
• Direction : Jacques Joseph
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée, surfaces et interfaces
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique, d'optoélectronique et de microsystèmes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs organiques

Microcavités

Mots clés libres

Matériaux organiques à liaisons conjugués

Alq3

Microcavité

Confinement optique

Photoluminescence

Conjugated organic materials

Alq3

Microcavity

Optical confinement

Photoluminescence

Résumé

Elaboration et caractérisation de microcavités optiques à base de semiconducteurs organiques. Depuis plus de dix ans, une optoélectronique, basée sur la luminescence des matériaux organiques à liaisons conjuguées, s'est développée. Cependant, les critères imposés, concernant l'intensité rayonnée et la durée de vie des composants, sont sévères. Pour les satisfaire, trois axes de recherches sont étudiés. Le premier consiste à synthétiser de nouveaux matériaux. Le second est d'optimiser l'injection et le transport des charges. Le troisième axe, auquel nous nous sommes consacrés, est de contrôler les propriétés optiques par des structures à confinement lumineux. Dans un premier temps, nous avons déterminé les propriétés optiques (indices optiques et spectre de photoluminescence) du tri (8-hydroxyquinolate) d'aluminium (Alq3). Nous avons utilisé ce matériau organique comme couche active dans la réalisation de microcavités optiques planaires. Nous avons montré qu'il est possible de réaliser des miroirs de Bragg autour d'une couche organique sans la dégrader. Par photoluminescence angulaire, nous avons mis en évidence qu'une microcavité concentre le rayonnement monochromatique dans des lobes. Cette concentration conduit à une augmentation d'intensité selon la direction du lobe. La présente étude démontre aussi l'importance de la position de la couche émettrice au sein de la cavité. Pour une cavité dont la couche organique est placée près d'un ventre du champ électrique nous avons observé une émission selon la normale six fois plus intense que celle d'une cavité dont la couche organique est située près d'un nœud du champ. Nous avons modélisé ces résultats et mis en évidence que les cavités n'affectent pas le taux d'émission spontanée total. Enfin, nous avons réalisé des microcavités confinées selon deux directions perpendiculaires. Les miroirs latéraux ont été réalisés par photolithographie. Les mesures ont montré que le champ est peu sensible au confinement latéral. Ceci indique que la distance entre les miroirs latéraux, fixée par la technique de fabrication, reste grande devant la longueur d'onde. Cependant, bien que le comportement de ces structures soit relativement similaire à celui de cavités planaires, nous avons mis en évidence que la variation de longueur d'onde de résonance en fonction de l'angle, dans le plan de section, n'est pas celle attendue pour une cavité planaire. Ce résultat original est discuté et une explication est proposée.

Fabrication and characterisation of organic semiconductor based optical microcavities For about ten years, new optoelectronic devices have developed, exploiting the luminescence of conjugated organic materials. However, drastic criteria, concerning radiated intensity and lifetime, must be met. That is the reason why research progresses on three main axes. The first one consists in the synthesis of new materials. The second deals with the optimisation of charge injection and transport in the structures. The third one, on which we focused, consists in controlling the optical properties via light confirming structures. First, we determined the optical properties (optical indices, photoluminescent spectrum) of tri (8- hydroxyquinoline) aluminium (Alq3). We used this material as the active layer in the fabrication of planar optical microcavities. We showed that it is possible to fabricate Bragg mirrors without deteriorating the organic layer. Using angular resolved photoluminescence experiments, we demonstrated that a microcavity concentrates monochromatic emission into lobes. This concentration leads to an intensity enhancement in the lobe direction. This study demonstrates the importance of emitting layer position in the cavity. We observed an intensity enhancement along the normal direction of more than six times between a cavity with its active layer near a maximum of the electrical field and a cavity with its active layer near a node of the field. We modelled the results and calculated that the total spontaneous emission rate is not affected by the cavity. Finally, we fabricated microcavities confined along two perpendicular directions. Metallic lateral mirrors were made by photolithography. Measures showed that the electric field does not experience the lateral confinement, indicating that the distance between lateral mirrors, set by the fabrication technique remains large compared to the wavelength. While these structures behave quite similarly to planar microcavities, we observed that, in the section plane, the variation of the resonant wavelength with the angle does not correspond to that of a planar microcavity. This result is discussed and we propose an explanation for it.