Understanding of optical losses and contrast improvement of top-emissive OLEDs

Depuis leur découverte dans les années 80, les OLEDs (Diodes électroluminescentes organiques) se sont imposées comme une technologie incontournable pour les applications d’affichage. Leur utilisation permet notamment la réalisation d’écrans OLEDs flexibles ou transparents. Les semiconducteurs organiques étant intrinsèquement émissifs, ils ne nécessitent pas de rétroéclairage, contrairement aux écrans LCD, ce qui permet de fabriquer des dispositifs compacts et légers et d’accéder facilement à des très hautes résolutions, notamment pour la réalisation de de micro-écrans développés depuis de nombreuses années au CEA-LETI et utilisés dans les dispositifs d’affichage nomades (lunettes de réalité augmentée, ou RA).Cependant, les pertes optiques au sein des empilements OLEDs limitent fortement la puissance lumineuse utilisable et l’efficacité de ces dispositifs. Pour une OLED classique, 80% de la lumière émise au sein du dispositif est perdue. Or une luminance élevée, typiquement 10-20 cd/m², est nécessaire pour des applications en RA afin de contraster avec la luminosité ambiante extérieure tout autant qu’une haute efficacité afin de limiter au maximum le poids des batteries de tels dispositifs nomades.Au cours de cette thèse, un dispositif d’étude de modes d’émission a été créé afin de mesurer expérimentalement les sources de pertes optiques présentes dans les structures OLEDs top-émission utilisées dans les micro-écrans. Une structuration en surface a permis de créer un réseau nanométrique directement sur l’encapsulation fine-couche de l’OLED, réalisée à partir de la technologie de dépôt par couches atomiques (ALD). Ce réseau a permis d’observer deux modes guidés présents dans l’OLED en architecture top-émission, ce qui n’avait pas été réalisé jusqu’alors dans ces empilements émettant la lumière par le sommet de la structure. Une cathode absorbante a également été développée afin d’améliorer le contraste de ces mêmes OLEDs. Le matériau choisi est un cermet (céramique/métal) composé d’argent et d’oxyde de tungstène (Ag:WO3, épaisseur < 20 nm). Une étude des caractéristiques optiques, électriques et morphologiques de ce matériau a permis de réaliser des dispositifs OLEDs avec un contraste amélioré sans ajout de polariseur circulaire. L’absorption du cermet couplé à l’effet cavité de l’OLED permet de limiter fortement les réflexions dues à la luminosité ambiante.Since their discovery in the 80's, OLEDs (Organic Light Emitting Diodes) have established themselves as a key technology for display applications. They enable to achieve flexible or transparent OLED display panels. Organic semiconductors are intrinsically emissive and OLED therefore do not require backlighting unlike LCD monitors. This allows the fabrication of compact and lightweight devices and make very high display resolutions achievable. All these strengths are especially useful for the realization of micro-displays, developed for many years at CEA-LETI and used in nomadic display devices (augmented reality glasses, or AR).However, optical losses within the OLED stacks strongly limit the light power and the efficiency of these devices. For a conventional OLED, 80% of the light emitted within the device is lost. However, high luminance (typically 10-20 cd/m²) is required for AR applications to obtain a good contrast with the ambient outdoor light. The efficiency must also be as high as possible in order to minimize the battery weight of such mobile devices.A dedicated OLED device for studying emission modes has been created in this work in order to experimentally measure the sources of optical losses present in the top-emission OLED structures used in microdisplays. A nano-grating has been achieved by photolithography on top of the top-emitting OLED thin layer encapsulation, made by atomic layer deposition (ALD). This grating allowed to observe two of the guided modes contained in the microcavity of the OLED. It is the first time that such an observation is made on this kind of OLED which emits light from the top of the structure. An absorbing cathode has also been developed to improve the contrast of these OLEDs. The chosen material is a cermet (ceramic/metal) composed of silver and tungsten oxide (Ag:WO3 with a thickness < 20 nm). A study of the optical, electrical and morphological characteristics of this material allowed to realize OLEDs devices with improved contrast without adding a circular polarizer. The absorption of the cermet coupled with the cavity effect of the OLED strongly limits the reflections due to ambient luminosity