Conception et réalisation de cavités à cristaux photoniques à base d’ITO pour des applications dans le domaine de la photonique organique

Design and construction of cavities ITO-based photonic crystals for applications in the field of organic photonics

• Auteur / Autrice : Jeanne Solard
• Direction : Azzedine Boudrioua
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Doctorat de physique
• Date : Soutenance le 12/01/2021
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des lasers (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Christian Seassal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Charrier, Samir Farhat, Mahmoud Chakaroun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Seassal, Frédérique de Fornel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pompage optique

Cristaux photoniques

Semiconducteurs organiques

Diodes électroluminescentes organiques

Oxyde d'indium-étain

Mots clés libres

Cavité à cristal phonique

ITO (Indium Tin Oxide)

OLED (Organic Lght Emitting Diode)

Diode laser organique

Pompage électrique

Photonic crystal cavity

Organic laser diode

Electrically pumped

Résumé

Le projet de thèse de Mme Solard porte sur la fabrication et l'étude de micro cavités lasers à base de cristaux photoniques 2D dans l'ITO. L'objectif est, d'une part, de mettre au point un processus technologique efficace pour la structuration de couches minces d'ITO et, d'autres part, d'obtenir des micros cavités qui peuvent être utilisées avec des OLED afin d'étudier l'effet laser. L'objectif final serait l'étude et la réalisation d'une diode laser organique sous pompage électrique impulsionnel. A savoir que les couches minces d'ITO sont couramment utilisées comme électrode transparente dans les OLEDs. De ce fait, il sera possible d'utiliser cette couche comme une électrode et une micro cavité, à la fois. Ce projet comprend plusieurs aspects novateur:- le développement d'un procédé technologique en salle blanche pour structurer des couches d'ITO;- la fabrication de micro cavités à base de cristaux photoniques 2D;- la combinaison d'une OLED avec un cristal photonique d'ITO;- l'étude de l'effet laser dans les structures obtenues, sous pompage électrique.

This PhD thesis concerns the design, realization and optical study of aphotonic crystal cavity in a thin layer of ITO (Indium Tin Oxide) corresponding to theanode of the OLED (Organic Light Emitting Diode). The ultimate goal is to use this originalarchitecture to study and develop an electrically pumped organic laser diode. Theuse of a photonic crystal cavity should overcome the limitations of organic materials toachieve the electrically pumped laser effect by the combination of high quality factor andlow modal volume. The design part consists in optimizing the geometric parameters of thestructure and the cavity using 3D-FDTD simulations. The realization of photonic crystalcavities in ITO has given rise to a significant technological development. The fabricationof 210 nm deep holes in the ITO, with a diameter of 220 nm and a pitch of 290 nm wasobtained by the use of three successive masks : aPMMAmask (polymethyl methacrylate), ametal mask aluminum foil and a SiOx hard mask via the combination of sputtering, scanningelectron lithography and ICP-RIE etching. The optical study of these cavities havedemonstrated for some of them a spectral modification of their emission spectrum due tocavity effect. This encouraging result prove that the utilization of this architecture can beconsidered to obtain the organic laser diode under electric pumping.