文章编号:1000-582X(2002)08-0114-04ITO薄膜的光学和电学性质及其应用Ξ马勇,孔春阳(重庆师范学院物理系,重庆400047)摘要:介绍了氧化铟锡(ITO)薄膜的光学和电学性质及应用。优化的ITO薄膜有立方铁锰矿结构。掺杂的Sn替代In2O3晶格上的In原子,每个Sn原子可以看作给导带提供一个自由电子。ITO薄膜载流子浓度为～1020cm-3,电阻率为～10-4Ωcm,是高度简并半导体,其能带为抛物线型结构。由于Burstein-Moss效应,光学能隙加宽。除了紫外带间吸收和远红外的声子吸收,Drude理论与ITO的介电常数实际值符合得很好,说明自由电子对ITO薄膜的光学性质有决定性作用。由于ITO薄膜优异的光学和电学特性使它日益获得广泛应用。关键词:氧化铟锡(ITO)薄膜;结构;能带;光学和电学性质中图分类号:O484.4文献标识码:A氧化铟锡薄膜(ITO薄膜)类似于SnO2和CdIn2O4是一种透明导电薄膜[1～3]。由于它的极其广阔的实际应用背景,20多年来一直吸引人们对它的研究。透明导电薄膜的光、电机理又在一定程度上启发了制备高性能的光电能带调制材料[4],这也成为了研究ITO薄膜的动力。制备ITO薄膜的技术,如物理气相沉积中的电子束蒸发与磁控溅射、高密度等离子体增强蒸发与低压直流溅射,化学气相沉积中的原子层外延等都得到相应的发展,有的已产业化。ITO薄膜的性质已被广泛的研究[5],ITO薄膜的光学及电学性能主要决定于它们的结构和化学配比[6～8]。制备条件直接影响薄膜的结构和性质。由于其晶胞结构和掺杂机制的复杂,导致对薄膜的基本性质(导电机制、能带结构)的认识还有很大的差异[5,9～10],对ITO薄膜的性质和基本理论的研究仍受人们的关注。1晶体结构及能带In2O3有立方铁锰矿结构,晶格参数是1.0117nm,密度是7.12gΠcm3。In原子是六配位,O原子是四配位[5]。6个氧原子位于立方体的顶角,留下两个氧缺位。这样出现了不等价的两类阴离子,临近的和远离缺位的氧离子[11]。在还原气氛中,In2O3会失去电子,其结构可以表示它为In2O3-x(V�)xe′2x(1)其中x≤0101,V�表示一个带正电荷2e的氧空位,e′指为保持宏观电中性而需要的电子。当In2O3掺杂有Sn时,Sn以Sn4+的形式替代In3+而存在,可表示为In2-ySnyO3e′y(2)这里,我们已经忽略了氧空位。因为有百分之几的Sn时,氧空位就可以忽略[5]。每个Sn原子提供一个电子。文献[12]指出,低温沉积ITO薄膜中氧缺位是提供电子的主要来源,高温在位薄膜和退火薄膜中Sn4+对In3+的替代成为载流子的主要来源。由于In2O3晶胞有80个原子,结构复杂,使得对其能带结构的计算至今未能进行。因此,对ITO薄膜性能的理解,基本上只是基于抛物线能带结构假设[5]。未搀杂的In2O3能带结构如图1(a)所示,直接带隙Eg0=3.75eV。其导带电子的有效质量m3c≈0.35m,m是为自由电子的质量,价带电子的质量m3v[5]未知,费米能级EF位于导带和价带中间。在In2O3中掺入Sn之后,在导带底下面形成了n型杂质能级。随着掺入Sn的量增加,费米能级逐渐上移,当EF移至导带底时所对应的载流子浓度为临界值nc。临界值nc的大小由Mott’sCriterion得到n1/3ca30≈0125(3)2002年8月重庆大学学报(自然科学版)Vol.25No.8第25卷第8期JournalofChongqingUniversity(NaturalScienceEdition)Aug.2002Ξ收稿日期:2002-04-20作者简介:马勇(1955-),男,重庆人,重庆大学博士研究生。主要从事薄膜材料的研究。图1ITO的能带结构简图式中a30为有效玻尔半径,约为1.3nm,由此得出nc=7.1×1018/cm3。在临界密度以上,费米能级由导带的最高占据态决定,有EF=(∂2)2m3C)k2F(4)费米波数是kF=(3π2ne)1/3(5)其中ne是自由电子密度。由于ITO膜是重掺杂,其结果是导带中低能态被电子填充,根据Burstein-Moss效应,它的光学带宽变宽,实际吸收光谱向短波方向移动。另一方面,由于杂质原子的电子波函数发生显著重迭,孤立的杂质能级扩展成能带,它与导带底相连形成新的简并导带,其尾部深入到禁带中,这又使原来的禁带变窄。将以上两方面的效应综合在图1(b)[5,6]。Eg为ITO的禁带宽度,Egeff为ITO有效禁带宽度,Ec、Ev分别为导带底及价带顶的能量,∂ω为跃迁至价带顶的能量,在吸收峰附近,光子能量∂ω接近材料的禁带宽度。对于抛物状的能带结构,利用下面的关系就可以确定材料的禁带宽度α=α0(∂...
