Etude du transport et ingénierie de bandes dans les diodes

N° D'ORDRE 2004- Année 2004
Thèse
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DOCTEUR DE L'ECOLE CENTRALE DE LYON
Spécialité : Dispositifs de l'électronique intégrée
Etude du transport et ingénierie de bandes
dans les diodes organiques
électroluminescentes à hétérostructures
Mohamed Ben Khalifa
Soutenue le 17 Novembre 2004 devant la commission d'examen :
M. A. Deneuville Rapporteur
M. J. L. Fave Rapporteur
Mme N. Jaffrezic Examinateur
M. J. P. Parneix Examinateur
M. J. Tardy Directeur de thèse
Laboratoire d'Electronique, Optoélectronique et Micro-systèmes, LEOM, UMR CNRS 5512
36 Avenue Guy de Collongue 69134 Ecully cedex

Résumé
Ce travail porte sur l'étude du transport et l'ingénierie de bandes dans les diodes
électroluminescentes organiques (OLED) : confinement et dopage. Ces OLED constituent
l'élément de base pour les écrans à matrice passive en technologie OLED. La réalisation
d'OLED ayant des tensions de seuil faibles et une forte luminance reste l'élément le plus
important de ces dispositifs. L'étude de transport dans les OLED représente une étape
nécessaire pour améliorer leurs caractéristiques optoélectroniques. Nous étudions le mode de
transport dans des diodes à conduction par trous et dans des OLED double couche. Le
confinement des porteurs dans la couche active et le dopage des couches de transport sont
étudiés en détail.

Table des matières
Introduction Générale.....................................................................................1
Chapitre 1 : Généralités sur les OLED.........................................................3
1.1. Structure électronique des matériaux organiques ......................................6
1.1.1. Molécules......................................................................................6
1.1.2. Caractère semi-conducteur............................................................7
1.2. Transport de charges ................................................................................11
1.2.1. Sauts entre états localisés............................................................11
1.2.2. Mobilité....................................................................................... 12
1.3. Diodes électroluminescentes organiques .................................................12
1.3.1. Description....................................................................................12
1.3.1.1. Fonctionnement.......................................................................... 12
a. Structures à simple couche..........................................................15
b. Structures bicouches ...................................................................16
c. Structures multicouches .............................................................. 16
1.3.1.2. Rendement de luminescence...................................................... 17
1.3.2. Mécanismes internes dans les OLED ........................................... 18
1.3.2.1. Injection et transport de charges ................................................ 19
a. Structure d’interface....................................................................19
b. Choix des électrodes ................................................................... 22
1.3.2.2. Molécules utilisées pour les OLED ...........................................25
a. Matériaux d’injection de trous (HIL)..........................................26
b. Matériaux de transport de trous (HTL).......................................27
c. Matériaux de transport d’électrons (ETL) ..................................28
1.3.3. Dopage des couches organiques ...................................................29
a. Les effets de base de dopage dans les OLED.............................29
b. Dopage des couches de transport des électrons (type n) ............30
c. Dopage des couches de transport des trous (type p)...................30

Chapitre 2 : Modes de conduction dans les OLED....................................37
2.1. Introduction......................................................................................39
2.2. Courant limité par le volume ...........................................................41
2.2.1. Courant limité par la charge d’espace
(Space Charge Limited Current, SCLC)....................................... 42
2.2.2. SCLC avec une distribution exponentielle de piège
et une mobilité indépendante de champ électrique....................... 43
2.2.3. SCLC avec une distribution exponentielle de pièges
et une mobilité dépendante du champ électrique..........................45
2.3. Courant limité par l’injection...................................................................46
2.3.1. Modèle de Richardson Schottky...................................................47
a. Emission Thermoionique ............................................................47
b. Théorie de la diffusion................................................................ 48
2.3.3. Effet tunnel....................................................................................49
2.3. Modélisation des caractéristiques optoélectroniques dans OLED...........50
2.3.1. Modèles des structures monocouche ............................................50
a. Modèles des OLED unipolaires..................................................51
b. Modèles des OLED bipolaires....................................................52
2.3.2. Modèles des OLEDs multicouches............................................... 54
Chapitre 3 : Procédure expérimentale........................................................59
3.1. Anode ITO : gravure et traitement de surface..........................................61
3.2. Dépôt des couches organiques.................................................................64
a. Dépôt de PEDOT et de PVK à la tournette.................................64
b. Evaporation des matériaux organiques.......................................64
3.3. Caractérisation des OLED........................................................................66
3.3.1. Caractérisation courant-tension-luminance ..................................66
3.3.2. Caractérisation d’impédance......................................................... 68
Chapitre 4: Caractéristiques électriques et optiques des diodes
ITO/PVK/Al et ITO/PEDOT/PVK/Alq/MgAg .....................69
4.1. Diodes à courant des trous : ITO/PVK/Al............................................... 71
4.1.1. Structure de la diode ................................................................... 71

4.1.2. Caractéristiques courant- tension................................................73
4.1.3. Analyse des résultats................................................................... 73
4.1.3.1. Application de modèle d'émission thermoïonique................... 74
4.1.3.2. Application du modèle d'injection par effet tunnel..................75
4.1.3.3. Courant limité par la charge d'espace avec pièges...................77
4.1.3.4. Spectroscopie d'impédance......................................................78
4.2. Diodes ITO/PEDOT/PVK/Al...................................................................81
4.2.1. Structure de la diode ................................................................... 81
4.2.2. Caractéristiques Courant-Tension...............................................82
4.3. Diodes ITO/PEDOT/PVK/Alq
3
/MgAg....................................................88
4.3.1. Structure de la diode ................................................................... 88
4.3.2. Caractérisation courant- tension .................................................89
4.3.3. Caractéristiques d’électroluminescence...................................... 95
4.4. Conclusion..............................................................................................100
Chapitre 5 : Ingénierie des bandes et effets de dopage............................103
5.1. Influence de la couche de blocage des trous en BCP.............................105
5.1.1. Diode ITO/PEDOT/PVK/BCP/Alq/MgAg...............................105
a. Structure de la diode..................................................................105
b. Caractéristiques courant-luminance-tension ............................106
5.1.2. Diode ITO/PEDOT/PVK/Alq :DCM/BCP/Alq/MgAg............108
a. Structure de la diode..................................................................108
b. Influence de l’épaisseur de la couche de blocage des trous .....110
c. Effet de l’épaisseur de la couche active Alq :DCM (EML) .....114
5.2. Influence du dopage...............................................................................119
5.2.1. Dopage de type p.......................................................................119
a. Diode ITO/PEDOT/TPD/Alq/MgAg........................................119
b. OLED ITO/PEDOT/ TPD:F4-TCNQ/Alq:DCM/BCP/
Alq/MgAg .................................................................................123
5.2.2. Structure de type PiN................................................................127
a. OLED ITO/PEDOT/TPD:F4-TCNQ/Alq:DCM/BCP dopé/
Alq/MgAg..................................................................................127