D’ORDRE 2003-19Année 2003
Thèse
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DOCTEUR DE L’ECOLE CENTRALE DE LYON
Spécialité : Dispositifs de l’électronique intégrée
Réalisation d’OLED à émission par la surface :
Optimisation de structures ITO / semiconducteurs organiques
Par David Vaufrey
Soutenue le 9 Juillet 2003 devant la commission d’Examen :
Jury M.M. :
P. Destruel Rapporteur
J.A. Roger Examinateur
J. Tardy Directeur de thèse
G. Veriot Examinateur
J.C. Vial Rapporteur
Laboratoire d’Electronique, Optoélectronique et Micro-systèmes
UMR CNRS 5512
résumé
Ce travail porte sur la réalisation de diodes électroluminescentes organiques (OLED) à émission par la
surface qui constituent l'élément de base pour les écrans à matrice active en technologie OLED. Le dépôt
d'une électrode supérieure transparente reste un des verrous technologiques de ces dispositifs. Nous
analysons en détail le dépôt par pulvérisation RF de couches d'Oxyde d'Indium et d'Etain (ITO) dans des
conditions douces et non invasives compatibles avec la préservation des couches organiques actives sous-
jacentes. Une procédure fiable et reproductible est proposée. Les propriétés de volume et d'interface des
films sont étudiées en détail. La alisation de diodes à conduction par trous seulement a permis de mettre
en évidence les excellentes propriétés d'injection de trous. Enfin, La alisation d'OLED valide notre
technologie. Un effort particulier a porté sur l'optimisation de la couche de protection déposée sous ITO.
abstract
This work reports on top-emitting organic LEDs which are the basic devices for flat displays in OLEDs
technology. The deposition of a transparent top electrode remains a major difficulty of this technology. In this
thesis an exhaustive investigation of RF sputtering of Indium Tin Oxide (ITO) under soft and non invasive
conditions so as to be compatible with the preservation of underlying organic layer is given. A reproducible
and reliable process is proposed. The films were fully characterized for the bulk and interface properties as
well. The realization of hole only devices evidences the excellent hole injection capabilities of our low
temperature ITO. OLED were processed and characterized to validate our technology. A particular attention
was paid to the optimization of an organic protection layer deposited below ITO.
Sommaire
Introduction 1
Chapitre I
1.Structure électronique des matériaux en chimie organique 6
1.1.Théorie des bandes en chimie 6
1.2.Différence avec les semiconducteurs minéraux classiques 7
1.3.Caractéristiques des matériaux organiques 8
1.4.Le dopage des couches 9
1.4.Tableau des matériaux que nous emploierons 10
2.Description des diodes organiques standards 11
2.1.Principe général des OLEDs 11
2.1.1.La balance de charge13
a) L’injection des trous13
b) L’injection des électrons14
c) Conséquences sur l'ingénierie de bande
des structures des OLEDs15
Diode à une seule couche15
Structure bicouche : simple hétéro jonction15
Structure avec double hétérojonction15
2.1.2.Le transport de charge16
2.1.3.L’efficacité des OLEDs17
2.2.Le rapport singulet/triplet 18
2.2.1.Singulets et Triplets18
2.2.3.Le rapport singulet triplet19
2.2.4.Le rendement de luminescence19
2.3.Le couplage optique 20
2.3.1.Réflexion interne totale et photons piégés20
2.3.2.Modélisation du couplage optique et
des effets de microcavités21
2.3.3.Méthodes d’accroissement du couplage optique22
3.Les OLEDs à émission par la surface 23
3.1.L’intérèt de cette structure 23
3.1.1.Haute résolution et Matrice active23
Matrice passive23
Matrice active24
Technologie couleur24
3.1.2.Principales caractéristiques des OLEDs à émission
par la surface25
Avantages de l’émission par la surface25
Affichage transparent25
Compatibilité avec la technologie silicium25
3.2.Les voies technologiques possibles 26
3.2.1.Electrodes semi-transparentes26
Conditions de semi-transparence26
Choix de la nature de l’électrode27
Inconvénients des électrodes semi-transparentes métalliques27
3.2.2.Les oxydes transparents conducteurs (OTC)28
Définition d’un OTC28
Choix d’un OTC28
3.2.3.Association d’un métal semi-transparent et d’un OTC29
4.Structures et interfaces 29
4.1.Interface semiconducteur/semiconducteur 30
4.1.1.Interface électrique30
4.1.2.Interface physique30
4.2.Interface métal/semi-conducteur 30
Les réactions chimiques31
Profondeur d’inter diffusion et ordre de dépôt31
Conclusion 32
Bibliographie 33
Chapitre II
1.Définition et caractéristiques générales de l’ITO 43
1.1.Propriétés électriques 43
1.2.Propriétés optiques 43
1.3.Caractéristiques structurales 44
1.4.Caractéristiques en fonction de l’épaisseur 44
1.5.Recuit de l’ITO 45
1.6.Traitement de surface 45
1.7.Gravure de l’ITO 45
1.8.Dépôt sur polymère (ou sur substrat souple) 46
2.Les techniques de dépôts d’ITO 47
2.1. Evaporation au canon à électrons 47
Principe47
Conditions d’expérience47
Résultats47
2.2.Spray pyrolyse 48
Principe48
Conditions d’expérience48
Résultats48
2.3.Dépôt en phase vapeur (Chemical vapor deposition CVD) 48
Principe et conditions d’expérience48
Résultats48
2.4.Sol-Gel 49
Principe et conditions d’expérience49
Résultats49
2.5.Ablation laser (Pulse Laser Deposition PLD) 49
Principe49
Conditions d’expérience50
Résultats50
2.6.Pulvérisation cathodique 50
Principe50
Conditions d’expérience51
Résultats51
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