第5期 《现代技术陶瓷》 Advanced Ceramics,2016,37(5):303-3 Muffin-Tin轨道法( FLMTO)对纯In2O3和IO的电子能带结构进行了计算 3To薄膜的光电性能 3.1ITo薄膜的电学性能 半导体的导电性可归因于外电场作用下高浓度载流子的定向运动。IO薄膜为掺杂型n型半导 体氧化物材料,载流子为自由电子,主要来源于沉积过程中薄膜化学计量比的偏离或掺杂而形成的 施主杂质。薄膜的沉积通常为非热力学平衡过程,IO薄膜在制备过程中会形成氧缺位或填隙金属 离子等组份缺陷,这些缺陷的引入可在导带附近形成浅施主能级或杂质能级,并提供自由电子。氧 空位的形成浓度一般在10°cm3以上,其离子式为 理论上每个氧空位(正电中心)可弱束缚两个自由电子,其化学反应式为 l2O3→n2(m22)o0x+2O2个 另外,高价阳离子Sn对低价In3的替位式掺杂将形成弱束缚一个自由电子的正电中心,掺杂反应 为: nO3+s→n2n+)o3+xn+↑ 掺杂Sn后的In2O3可表示为lnSn4·O3。当有外加电场作用于Io薄膜时,薄膜中的自由 电子在电场的作用下定向移动即形成电流 rO薄膜的电导率决定于薄膜中的载流子浓度及载流子迁移率: 式中σ为直流电导率,N为载流子浓度,e为电子电量,μ为载流子迁移率。载流子迁移率取决于 电子的弛豫时间τ和有效质量m* 电子的弛豫时间与电子的漂移速率及平均自由程密切相关,后两者受各种散射机制的限制。常 规手段制备的IO薄膜中存在多种散射机制,载流子迁移率由这些散射机制共同决定: 其中,最主要的散射机制为离化杂质散射、中性杂质散射及晶格散射(图8) (1)离化杂质散射:离化杂质散射是ITo薄膜中对电荷输运影响最大的散射机制。研究表明, 离化杂质散射与载流子浓度密切相关,当薄膜内载流子浓度超过100cm3时,载流子迁移率会受到 离化杂质散射限制而存在上限。 在重掺杂半导体薄膜中,离化杂质散射对迁移率的影响体s可表示为: =4(zN 式中h为 Planck常量,N为薄膜内载流子浓度。第 5 期 《现代技术陶瓷》 Advanced Ceramics, 2016, 37 (5): 303324  309  Muffin-Tin 轨道法 (FLMTO) 对纯 In2O3 和 ITO 的电子能带结构进行了计算。 3 ITO 薄膜的光电性能 3.1 ITO 薄膜的电学性能 半导体的导电性可归因于外电场作用下高浓度载流子的定向运动。ITO 薄膜为掺杂型 n 型半导 体氧化物材料，载流子为自由电子，主要来源于沉积过程中薄膜化学计量比的偏离或掺杂而形成的 施主杂质。薄膜的沉积通常为非热力学平衡过程，ITO 薄膜在制备过程中会形成氧缺位或填隙金属 离子等组份缺陷，这些缺陷的引入可在导带附近形成浅施主能级或杂质能级，并提供自由电子。氧 空位的形成浓度一般在 1019 cm3 以上，其离子式为： x x x e 2 3- O 2 In O (V )  (1) 理论上每个氧空位 (正电中心) 可弱束缚两个自由电子，其化学反应式为：         2 2- 3- 3 3 2 3 2- O 2 In O In In 2 O x e x x x x (2) 另外，高价阳离子 Sn4+ 对低价 In3+ 的替位式掺杂将形成弱束缚一个自由电子的正电中心，掺杂反应 为：           3 3 3 4 2- 4 2 3 In O xSn In Sn e O xIn x x (3) 掺杂 Sn 后的 In2O3 可表示为 3 3 4 In2 Sn  O   x x 。当有外加电场作用于 ITO 薄膜时，薄膜中的自由 电子在电场的作用下定向移动即形成电流。 ITO 薄膜的电导率决定于薄膜中的载流子浓度及载流子迁移率[43]：   Ne (4) 式中  为直流电导率，N 为载流子浓度，e 为电子电量，μ 为载流子迁移率。载流子迁移率取决于 电子的弛豫时间 τ 和有效质量 m*： m* e   (5) 电子的弛豫时间与电子的漂移速率及平均自由程密切相关，后两者受各种散射机制的限制。常 规手段制备的 ITO 薄膜中存在多种散射机制，载流子迁移率由这些散射机制共同决定：    i i e m    1 * 1 1 (6) 其中，最主要的散射机制为离化杂质散射、中性杂质散射及晶格散射 (图 8)。 (1) 离化杂质散射：离化杂质散射是 ITO 薄膜中对电荷输运影响最大的散射机制。研究表明， 离化杂质散射与载流子浓度密切相关，当薄膜内载流子浓度超过 1020 cm3 时，载流子迁移率会受到 离化杂质散射限制而存在上限。 在重掺杂半导体薄膜中，离化杂质散射对迁移率的影响 HS可表示为[44]： 2 / 3 1/ 3 HS 3 4         N h e   (7) 式中 h 为 Planck 常量，N 为薄膜内载流子浓度