Development of efficient permeation barriers based on hot-wire CVD grown silicon-nitride multilayers for organic devices deposited on flexible substrates
Développement de barrières de perméation constituées de multicouches de nitrure de silicium déposées par la technique filament chaud pour les dispositifs organiques sur substrats flexibles
Résumé
Efficient gas-diffusion (permeation) barriers are needed for organic optoelectronic devices because the presence of moisture or oxygen can cause strong degradation. In order for these devices to operate continuously during a long term, so to be commercialized, a reliable flexible thin film encapsulation is required, which is a major challenge. Very low water vapor transmission rates of the order of 10-5 g/m2.day are required. To reach this goal two ways have been adopted: on one hand fabricating SiNx:H / SiNx:H multilayer barriers separated by a specific Ar plasma treatment, on the other hand fabricating the conventional inorganic/organic hybrid multilayer moisture barriers. We have chosen hot-wire chemical vapor deposition (HW-CVD) as the main technique for depositing the inorganic layers and a large part of our efforts has been devoted to the complete study of the parameters controlling the plasma treatment: the energy of the ions impinging the inorganic surfaces was crucial. Several analytical (morphological, structural, optical, electrical) techniques have been necessary to assess qualitatively and quantitatively the different layers composing the moisture barriers. A physical interpretation of the plasma process treatment has been given, based on the interface atomic rearrangements induced by the low energy ions (< 40 eV). For each way of encapsulation, we have obtained very low water vapor transmission rates (4 to 7 × 10-5 g/m2.day). Combining above two encapsulation methods, we have achieved extremely low WVTR rate (6 × 10-6 g/m2.day), which seems sufficient for the utilization of organic electronic devices.
Les dispositifs optoélectroniques à base de matériaux organiques nécessitent la réalisation de couches barrière de perméation car l'oxygène et l'humidité dégradent fortement ces dispositifs. Afin d'augmenter leur durée de vie et ainsi les rendre commercialement attractifs, des couches d'encapsulation sont nécessaires, ceci représente un défi majeur surtout dans le cadre des substrats flexibles comme les plastiques. Des faibles valeurs du taux de perméation sont exigées, typiquement de l'ordre de 10-5 g/m2.jour dans le cadre de l'eau. Deux voies ont été étudiées, dans le cadre de cette thèse, pour atteindre cet objectif: d'une part en fabriquant des barrières multicouches à base de nitrure de silicium amorphe, chaque couche étant séparée de la suivante par un traitement plasma d'argon, d'autre part en fabriquant des barrières hybrides alternant des couches inorganiques avec des couches organiques. Nous avons choisi la technique de dépôt chimique en phase vapeur par filament chaud (HW-CVD) pour le dépôt des couches inorganiques et nos efforts ont porté sur l'étude approfondie des paramètres contrôlant le plasma. Il ressort que l'énergie des ions impactant la surface a été le paramètre déterminant. Diverses techniques d'analyse ont été nécessaires pour évaluer précisément la qualité des couches constituant les barrières de perméation. Une interprétation physique du procédé plasma a été proposée, basée sur le réarrangement atomique induit à chaque interface par les ions de faible énergie (< 40 eV). Pour chacune des voies choisies, des très faibles taux de perméation (4 à 7 × 10-5 g/m2.jour) ont été atteints. Avec la combinaison de ces deux méthodes d'encapsulation, nous avons atteint une valeur de WVTR extrêmement faible (6 × 10-6 g/m2.jour), ce qui semble suffisant pour l'utilisation dans des dispositifs organiques.
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