Interprétation des caractéristiques « courant

J. Chim. Phys. (1998) 95, 1445-1448
© EDP Sciences, Les Ulis
Interprétation des caractéristiques « courant-tension »
dans les structures métal/polymère conducteur/métal
1
12
1
K. Lmimouni *, C. Legrand , O. Tharaud et A. Chapoton
1
' IEMN, DHS, USTL-UMR 9929 du CNRS, avenue Poincaré,
BP 69, 59652 Villeneuve-d'Ascq cedex, France
LEMCEL, Université du Littoral, rue Louis David,
BP. 689, 62228 Calais cedex, France
2
* Correspondance
et tirés-à-part.
RÉSUMÉ
Le travail présenté concerne l'interprétation des caractéristiques couranttension dans les diodes électroluminescentes à couche active polymères
conducteurs réalisées à partir du poly(N-butylcarbazole) (PBuC) et du poly (Noctylthiophène) (P30T). La caractérisation électrique de ces diodes est effectuée
en fonction de différents paramètres (épaisseur et température) pour le PBuC et
en régime dynamique pour le P30T. A température ambiante et au dessus, le
courant dans les structures PBuC s'interprète par le modèle d'émission-diffusion
Richardson-Schottky au dessus de la barrière ITO/PBuC. A basse température,
les résultats correspondent à une émission de type tunnel. Avec les structures
P30T, le courant est limité par l'interface P30T/A1 qui se comporte comme un
contact Schottky.
Mots-clés : diodes électroluminescentes, polymères conducteurs, interface
métal/polymère.
ABSTRACT
In this paper, current-voltage characteristics are investigated in LED formed
with active layers of conducting polymers : poly(N-butylcarbazole) (PBuC) and
poly(N-octylthiophene) (P30T). We measure current versus voltage for different
parameters (thickness and temperature) with the PBuC LED. Measurements are
made with ac current on P30T. At room and lower temperatures, emissiondiffusion Richardson-Schottky model can explain the PBuC LED current above
ITO/PBuC gate. At low temperatures, the results are in agreement with a
tunneling effect With P30T LED, the current is limited by P30T/AI interface
that acts like Schottky diode.
Key words : light-emitting diodes, conducting polymers, metal/polymer contact.
K. Lmimouni et al.
1446
INTRODUCTION
Cet article concerne l'étude et la réalisation de diodes élecîroluminescentes
organiques, leur caractérisation électrique et une première interprétation des
résultats obtenus [l].
1-REALISATION DES DIODES [2]
Pour la réalisation de la couche active des diodes électroluminescentes deux
types de polymères conjugués ont été utilisés : le poly(N-butylcarbazole) (PBuC)
synthétisé par voie électrochimique au LRPME de Cergy Pontoise et le poly(Noctylthiophène) (P30T) d'origine commerciale (AC&T à grenoble).
La structure des diodes élecîroluminescentes
AhmiIliun
A
est donnée sur la figure 1. Le film polymère est
déposé à la tomette par eenûifugation. Son
Fhpoh-L=/
épaisseur varie de 40 à 300nm. Sa structure est
contrôlée par MEB et AFM, et sa conductivité
est mesurée.
Figurez :Structure des diaies
2-CARACTERISATION ELECTRIQUE DES DIODES
Nous donnons la caractéristique directe et inverse J-V (V>O sur ITO) dans le
cas des diodes au PBuC (fig2). Une étude en fonction de l'épaisseur de la couche
active et à large gamme de température a été effectuée (fig3).
Figrtre 2 :('aracrt;ri.stiq~re
J- l 'de
la J~<de
!'Bu('
Courant dans les diodes à base de polymères conducteurs
1447
Pour les diodes au P30T, une caractéristique J-V du même type est obtenue.
3-INTERPRETATION DES RESULTATS
Pour interpréter nos résultats, nous utilisons différents modèles théoriques
proposés dans la littérature pour des diodes inorganiques [3].
12
Figure4 : Vénficntiondu modéle
Richardson-Schottky
J (m~/rnm')
I
r
1
-
Figure 5 :Comparaison théorieexpérience
Les études en fonction de l'épaisseur et de la température des diodes au PBuC
montrent qu'à température ambiante et pour des températures supérieures, le
courant correspond à une émission de trous de type Richardson-Schottky à
l'interface ITO-PBuC dont l'équation s'écrit :
=qNc@
40
PE
mec: /l
constante. E champ électrique.
(') p mobilité, q charge de I'électrmi. N,
densité d'état, et (o hauteur de barrikre
exp(--) kT exp(-) kT
En effet, nous obtenons une évolution linéaire de log VV en fonction de @-' sur
plusieurs ordres de grandeur et à différentes températures (fig4). A partir de la
pente de cette droite, nous pouvons déduire la permittivité du matériau ~ , = 2 . 3et
la hauteur de barrière h 4 . 5 e V . A l'aide de ces données et en supposant une
nous
~
mobilité des trous p = l ~ 4 c m z / ~et. s une densité d'état ~ , = 2 . 1 0 ' ~ / c m
obtenons un bon accord théorie-expérience (fig5). A basse température, l'effet
thennoionique devient négligeable et le courant dans la diode, indépendant de la
température
J Chim. Phys
(fig3),
correspond
à
une
émission
de
type
tunnel.
K. Lmimouni ef al.
1448
Ces résultats sont en désaccord avec ceux obtenus par Parker [4] pour des diodes
a base de MEH-PPV dans lesquelles, le courant est de type tunnel sur une large
Dans le cas des diodes au P30T, le redressement
gamme de température.
n'est observé que pour une électrode métallique
1
d'Al, l'utilisation d'une électrode en or montre en
'O
effet un comportement ohmique. Nous pouvons
donc déduire que la limitation du courant est
essentiellement liée à l'interface P 3 0 T M qui se
-1
-0.5
0.5
O
Figure 6 :Comportement en dynamique
de la diode au P 3 0 T
comporte comme un contact Schottky classique.
L'expression du courant en fonction de la
tension de polarisation s'écrit :
[
9v
J = J , exp(--)-II
nkT
4,
mec J , = ~ ~ ' e x p ( - - )
kT
(2)
avec A et k respectivement les constantes de Richardson et de Boltzmann, n le
facteur d'idéalité, J, le courant de saturation et & la hauteur de barrière
polymère/métal. Nous en déduisons Is=4OnA, n=6.3 et &=0.8eV. Ce
comportement est confirmé par l'étude en régime dynamique des diodes aux
P30T effectuée dans la gamme de fréquence (5Hz-13MHz). En effet, nous
obtenons une variation linéaire de
1/c2 (C étant la capacité de la structure
ITO/P30T/AI) en fonction de la tension de polarisation V comme le prévoit le
modèle (fig6). Nous pouvons déduire de la pente l'énergie de difision P3OTlAJ
et la densité de charges dans la zone désertée : $,~=0.57eVet ~~=3.610"/cm'.A
p h r du diagramme de bande de la structure, ces résultats montrent que le P30T
est un semi-conducteur de type P.
REFERENCES
1 Lmimouni K, (1 997), Thèse d'université, Lillel
2 Lmimouni K,Tharaud O, Legand C, Chapoton A ( 1 996r/PC7Limoges
3 Sze S. M. ( 1981),Physics of semiconductordevices. Willey J, 2ème éd.
4 Parker I.D. (1994),./. App1. f'hy.~.Vol 75-3, pi 650-1 666.