Optical and electrical properties of doped In2O3 films

Abstract

Sn doped In2O3 films are electrically conductive and transparent in the visible range of the spectrum. Films with a plasma wavelength in the 1 μm region have been prepared by spraying a solution of InCl3 and SnCl4 onto a heated substrate. The free electron concentration is observed to increase with the Sn content up to a maximum. A tentative explanation of this maximum is presented. The optical constants of the films are compared with theoretical values obtained from electrical data. At long wavelengths the experimental results are in good agreement with the classical dispersion formula of a free electron gas. At wavelengths in the region of and shorter than the plasma wavelength the damping is found to be smaller than that predicted by classical theory. Films with a rough surface, typical dimensions of the roughness being 10−5 cm, exhibit an additional surface plasmon absorption. In conjunction with the shift of the plasma edge to shorter wavelengths with increasing free electron density, a shift of the UV-absorption edge to shorter wavelengths is observed, corresponding to the rise of the Fermi level within a parabolic conduction band. Consequences for the valence band structure are discussed. Sn-dotierte In2O3-Schichten sind elektrisch leitend und im Sichtbaren transparent. Schichten mit einer Plasmawellenlänge im 1 μm-Bereich wurden durch Sprühen einer Lösung von InCl3 und SnCl4 auf ein erhitztes Substrat hergestellt. Mit dem Sn-Gehalt steigt die Konzentration freier Elektronen bis zu einem Maximum, für welches eine mögliche Erklärung gegeben wird. Die optischen Konstanten der Schichten werden mit theoretischen Werten verglichen, die aus den elektrischen Daten zu erwarten sind. Bei großen Wellenlängen lassen sich die experimentellen Ergebnisse gut mit der klassischen Dispersionsformel für freie Elektronen wiedergeben. Im Wellenlängenbereich kleiner und gleich der Plasmawellenlänge findet man abweichend von der klassischen Theorie eine geringere Dämpfung. Schichten mit einer rauhen Oberfläche – typisch sind Dimensionen von 10−5 cm – zeigen zusätzlich eine Oberflächenplasmonen-Absorption. Gleichzeitig mit einer Verschiebung der Plasmakante zu kleineren Wellenlängen durch eine gesteigerte Dichte freier Elektronen wird eine Verschiebung der UV-Absorptionskante zu kleineren Wellenlängen beobachtet, was einem Anheben des Fermi-Niveaus in und innerhalb eines parabolischen Leitungsbandes entspricht. Konsequenzen für die Valenzbandstruktur werden hieraus abgeleitet.