Diode électroluminescente organique en microcavité verticale à miroirs diélectriques multicouches

Organic light-emitting diode in a microcavity based on multilayer dielectric mirrors

• Auteur / Autrice : Anthony Coens
• Direction : Azzedine Boudrioua, Alexis Fischer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Lucas, Loïc Mager, Christian Chardonnet, Mahmoud Chakaroun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Vigneras, Georges Zissis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers en physique

Diodes électroluminescentes organiques

Résumé

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l’étude d’une hétérostructure organique de type OLED en microcavité dans le but de déterminer les paramètres optimaux nécessaires pour la réalisation d’une diode laser organique sous pompage électrique. Bien que de nombreux lasers organiques aient été réalisés sous pompage optique, le pompage électrique reste un challenge scientifique et technologique important. La difficulté scientifique réside dans la faible mobilité des semi-conducteurs organiques qui limite les densités de courants bien en dessous des seuils laser. Une difficulté technologique consiste à combiner des électrodes source de pertes par absorption et une microcavité laser à haut facteur de qualité susceptibles de réduire le seuil laser. Pour aborder ces problèmes, notre stratégie consiste à adapter une OLED à une microcavité. Après une étude bibliographique qui a permis de choisir le type de microcavité, nous avons utilisé un modèle informatique basé sur les matrices de transfert pour déterminer le dimensionnement des microcavités Fabry-Pérot à miroirs diélectriques multicouches dont le facteur de qualité peut atteindre 15 000. Pa la suite, nous avons effectués plusieurs études expérimentales sur l’optimisation des OLED en microcavités. Les résultats obtenus montrent que des OLED optimisées pour un fonctionnement en microcavité présentent une luminescence de 15000 cd/m² à 1500 mA/cm² en régime continu. Ces OLED sont ensuite placées en demi cavité c'est à dire sur un miroir diélectrique terminé par une anode transparente et conductrice. Des études sur l’épaisseur optimale et la nature (Al et Al/Ag) de la cathode ont été menées ; et un fort rétrécissement spectral jusqu'à 11 nm (FWHM) a été mesuré. En fin, en utilisant une cavité complète (deux miroirs diélectriques), l'émission de l'OLED présente un fort rétrécissement spectral de 4,6 nm (FWHM). L'excitation électrique avec des impulsions de 50 ns et des densités de courant jusqu'à 25 A/cm² présente une luminescence jusqu’à 1,7 106cd/m².

The main objective of this work is to study an organic hetero-structure (OLED) within a vertical micro-cavity in order to pave the way to the first organic laser diode under electrical pumping. The latter is still to be demonstrated whereas numerous optically pumped organic lasers have been reported. The issue deals with the low mobility of the organic semiconductors which limits the current density much below the laser threshold. It is also difficult to combine both high-quality-factor micro-cavities and electrodes inducing absorption losses. Our strategy consists in finding out the optimal parameter of an OLED structure to be used within a Fabry-Perot micro-cavity. After a bibliographic study that allow us to define the micro-cavity type to be used, we performed a numerical study, based on the transfer matrix method, in order to design and optimize dielectric multilayer mirrors for Fabry-Perot micro-cavity with quality factors as high as 15 000. Afterward, we experimentally, investigate OLED hetero-structures within Fabry-Perot micro-cavities. Our results indicate that a half wavelength thick OLED optimized for operation in a micro-cavity exhibits up to 15 000 Cd/m2 at 1500 mA/cm2 (DC). These OLEDs are then used with a half micro-cavity made with a bottom multilayer mirror ended semi-transparent and conductive anode. The absorption for different cathode thickness (Al and Al/Ag) has been investigated and an important spectral narrowing has been measured (11 nm FWHM). Finally, by using a full micro-cavity with two dielectric mirrors, the OLED emission exhibits a further spectral narrowing down to 4 nm. The electrical excitation of the OLED with 50 ns pulses results in current density up to 25 A/cm2 and luminescence up to 1,7. 106 Cd/m2.