Transport properties of copper-doped indium oxide and indium tin oxide ceramics

Abstract

The transport properties of undoped and copper-doped indium oxide and indium tin oxide ceramics are investigated. The correlation between density, carrier concentration, and mobility is analysed. The density of IO ceramics can be considerably increased by copper doping and approaches that of single crystals for 5 mol% of CuO. The increase of density results in an enhancement of carrier mobility. However, a lowering of the electron concentration, as the copper concentration increases, occurs because a small amount of copper enters the lattice as Cu(I). The density of ITO is also enhanced by copper doping but, most interestingly, both the carrier concentration and carrier mobility increase as the copper content becomes more important. Results of optical absorbance are also reported and are discussed in relation with the transport properties. For IO:Cu ceramics, the absorbance in the free-carrier absorption region decreases as the CuO amount increases as a result of the lowering of the carrier concentration. As for ITO and ITO:Cu ceramics, the free-carrier absorption is stronger than for IO:Cu, because the carrier concentration is much higher. Die Transporteigenschaften von reinem und Cu-dotiertem Indiumoxyd und Indiumzinnoxyd-Keramiken werden untersucht. Die Beziehungzwischen Dichte, Trägerkonzentration und -beweglichkeit wird analysiert. Die Dichte der IO-Keramik wird durch die Cu-Dotierung beträchtlich erhöht und erreicht bei 5 Mol% CuO den Wert für Einkristalle. Die größere Dichte ergibt einen Anstieg der Trägerbeweglichkeit. Die Trägerkonzentration nimmt mit zunehmender Cu-Konzentration ab, weil ein kleiner Teil des Kupfers als Cu(I) ins Gitter eingebaut wird. Die Dichte von ITO nimmt mit der Cu-Dotierung ebenfalls zu, interessanterweise nehmen Trägerkonzentration und -beweglichkeit beide mit dem Cu-Gehalt zu. Die Ergebnisse optischer Absorptionsmessungen werden in Zusammenhang mit den Transporteigenschaften diskutiert. Für IO:Cu-Keramik nimmt mit wachsendem CuO-Gehalt die Absorption im Gebiet freier Ladungsträger aufgrund der sinkenden Trägerkonzentration ab. In ITO- und ITO:Cu-Keramiken ist wegen der viel höheren Trägerkonzentration die Absorption durch freie Ladungsträger stärker als in IO:Cu.