J. Phys. France 51, 1489-1499 (1990)
DOI: 10.1051/jphys:0199000510130148900

Evidence for a linear low-voltage space-charge-limited current in organic thin films. Film thickness and temperature dependence in alpha-conjugated sexithienyl

Gilles Horowitz¹, Denis Fichou¹, Xuezhou Peng¹ et Philippe Delannoy<sup>2

1</sup>  Laboratoire des Matériaux Moléculaires, CNRS, 2 rue Henry Dunant, 94320 Thiais, France
²  Groupe de Physique des Solides, Université Paris 7, 2 place Jussieu, 75251 Paris, France

Abstract
The current-voltage (I-V) characteristics of Au/α-sexithienyl/Au sandwich structures have been measured. The I-V curves present two regimes : at high voltages, the square law corresponding to the space-charge-limited current (SCLC) is observed ; the linear variation occurring at low voltages is generally attributed to the ohmic current due to bulk free-carriers. A study of the linear current as a function of the sample thickness shows that two behaviors are encountered. The standard model is followed on thick films, where the conductivity calculated from the slope of the I-V curve does not depend on the thickness. In thin films (less than 2 μm), a thickness dependent conductivity is obtained. This is explained within the frame of the model developed by Bonham and co-workers, in which the diffusion of carriers thermally injected is taken into account. The bulk density of these injected carriers increases when the thickness is reduced, and may become higher than that of bulk free-carriers already present in the film. Experimental results are in good agreement with the predictions of the model. The effective mobility of α-sexithienyl (α-6T) could be calculated from the quadratic regime of the I-V curves. Measurements as a function of temperature were also carried out. The mobility is found to be thermally stimulated, which is interpreted as due to a shallow trap located 0.3 eV above valence band edge.

Résumé
Les caractéristiques courant-tension (I-V) de structures Au/α-sexithiényle/Au ont été mesurées. Les courbes I-V présentent deux régimes : à tensions élevées, on observe la loi en V2 correspondant au courant limité par la charge d'espace (CLCE) ; la variation linéaire à faible tension est généralement attribuée au courant ohmique dû aux porteurs libres en volume. Une étude du courant linéaire en fonction de l'épaisseur de l'échantillon montre deux comportements. Le modèle standard s'applique aux films épais, dont la conductivité calculée à partir de la pente des courbes I-V est indépendante de l'épaisseur. Dans les films minces (moins de 2 μm), on obtient une conductivité dépendante de l'épaisseur. Ceci s'explique dans le cadre du modèle développé par Bonham et coll., dans lequel on tient compte de la diffusion des porteurs injectés thermiquement. La densité en volume de ces porteurs injectés croit quand l'épaisseur est réduite, et peut devenir plus grande que celle des porteurs libres déjà présents dans le film. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les prédictions du modèle. On a pu calculer la mobilité effective du α-sexithiényle (α-6T) à partir du régime quadratique des courbes I-V. On a également effectué des mesures en fonction de la température. On trouve une mobilité thermiquement activée, ce que l'on interprète par l'existence d'un piège peu profond situé à 0,3 eV au-dessus du sommet de la bande de valence.

PACS
7220H - High-field and nonlinear effects.
7280L - Polymers; organic compounds (including organic semiconductors).
7361P - Polymers; organic compounds.

Key words
organic compounds -- organic semiconductors -- semiconductor thin films -- space charge limited conduction