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1、薄膜电子学的应用,金 浩 Oct. 28, 2011,纲要,透明导电薄膜（TCO） 薄膜太阳能电池 SAW及FBAR器件,纲要,透明导电薄膜（TCO） 薄膜太阳能电池 SAW及FBAR器件,透明导电薄膜 (TCO) 之原理及其应用发展,1. ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍 透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO) 2. TCO的导电原理 3. TCO的光学性质 4. TCO 薄膜之市场应用及发展,Outline,1. ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍 透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO) 2.
2、 TCO的导电原理 3. TCO的光学性质 4. TCO 薄膜之市场应用及未来发展,什么是透明导电薄膜 ?,在可见光波长范围内具有可接受之透光度 以flat panel display 而言透光度愈高愈好 以solar cell 而言太阳光全波长范围之透光度及热稳定性 具有导电特性 电阻率(resistivity) 越小越好，通常 10-4 cm 一般而言，导电性提高，透光度便下降，反之亦然。可见光范围具有80 % 以上的透光率，其电阻率低于110-4 cm，即是良好透明导电膜。,纯金属薄膜 Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh，在 10nm厚度的薄膜， 均有某种程度的可见光透光度
3、早期使用之透明电极 缺点：光的吸收度大、硬度低、稳定性差,透明导电薄膜,透明导电薄膜,金属化合物薄膜(TCO) 泛指具有透明导电性之氧化物、氮化物、氟化物 a. 氧(氮)化物：In2O3、SnO2、ZnO、CdO、TiN b. 掺杂氧化物：In2O3:Sn (ITO)、ZnO:In (IZO)、ZnO:Ga (GZO) ZnO:Al (AZO)、SnO2:F、TiO2:Ta c. 混合氧化物：In2O3-ZnO、CdIn2O4、Cd2SnO4、Zn2SnO4,History of TCO,1907年最早使用CdO材料为透明导电镀膜，应用在photovoltaic cells. 1940年代，以
4、Spray Pyrolysis及CVD 方式沉积SnOx于玻璃基板上. 1970年代，以Evaporation 及Sputtering 方式沉积InOx及ITO. 1980年代，磁控溅镀magnetron sputtering开发，为低温沉膜制程，不 论在玻璃及塑料基板均能达到低面阻值、高透性ITO薄膜. 1990年代，具有导电性之TCO陶瓷靶材开发，使用DC 磁控溅镀ITO，使 沉积制程之控制更趋容易，各式TCO材料开始广泛被应用. 2000年代，主要的透明导电性应用以ITO 材料为主，磁控溅镀ITO成为市 场上制程的主流.,透明导电薄膜主角- ITO,中文名称：铟锡氧化物 英文全名：Ind
5、ium Tin Oxide（ITO） 成分：掺杂锡之铟氧化物(Tin-doped Indium Oxide) 年代：1934年被美国铟矿公司最早合成出来 世界最大ITO薄膜制造国：日本 选用率：在TCO材料中，75%应用在平面显示器 主要应用：平面显示器、透明加热组件、抗静电膜、电 磁、防护膜、太阳能电池之透明电极、防反 光涂布及热反射镜(heat reflecting mirror)等 电子、光学及光电装置上。,ITO是么？,ITOIndium Tin Oxide(In2O3SnO2) ITO的成分90wt% In2O3与10wt% SnO2混合物,Why choose ITO ?,在TCO
6、材料中有最佳的导电性(电阻率低) 在可见光波段有良好的透光度 良好的耐候性，受环境影响小 大面积镀膜制程容易(成熟) 蚀刻制程容易(成熟) 成本低?,ITO之组成及特性,ITO 组成在In2O3/SnO2 = 90/10时 最低的电阻率及最高的光穿透率,ITO 组成在In2O3/SnO2 = 90/10时 最快的蚀刻速率,ITO成膜时基板温度：200C ITO成膜时基板温度：RT,ITO之组成及特性,铟(In)矿的主要应用,数据源：工研院经资中心,各种TCO材料- ZnO系透明导电膜,主要成员：ZnO (35 10-4 -cm) ZnO:In (IZO) (24 10-4 -cm )、 ZnO
7、:Ga(GZO) (1.210-4 -cm)、 ZnO:Al (AZO) (1.310-4 -cm)、 ZnO:Ti,特点：1. ZnO矿产产能大。 2. 价格比ITO 便宜( 200% cost saving) 。 3. 部分AZO靶材可在100% Ar环境下成膜，制程控制容易。 4. 耐化性比ITO 差，通常以添加Cr、Co 于ZnO系材料中来 提高其耐化性。,1. ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍 透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO) 2. TCO的导电原理 3. TCO的光学性质 4. TCO 薄膜之市场应用及未来发展,TCO薄膜的导
8、电原理 (n-type TCO)- ITO,In2O3为氧化物半导体，加入SnO2作为杂质参杂，可以产生一个导电电子 In2O3晶格中之氧缺陷(Oxygen vacancy)一个氧空缺，可以产生两个导电电子,Band gap (Eg) 3.5eV Crystallized at T 150 C,材料之导电率 = ne 其中n = 载子浓度 (就TCO材料包括电子及空洞) e：载子的电量 ：载子的mobility,TCO中导电性最好的ITO，载子浓度约10181019 cm-3 金属载子浓度约1022 1023 cm-3,TCO薄膜的导电原理,载子由掺杂物的混入及 离子的缺陷生成,TCO薄膜的导
9、电原理,载子的mobility () = e/om* ：relaxation time (载子移动时由此次散射到下一次散射的时间) m*：载子的有效质量 o：真空中之介电常数 要提升载子的mobility ：与TCO 薄膜的结构有关。TCO 薄膜的defect愈少， 。(extrinsic effect) m*：取决于TCO 材料。(intrinsic effect),TCO薄膜的导电原理,电阻率(又称体阻抗, ) 反比于导电率(conductivity, ) = 1/ Ohm-cm 平面显示器中探讨的薄膜的导电性有别于半导体的导电性。 通常，面电阻(surface resistance, )
10、 or (sheet resistance, Rs) 被定义为薄膜表面之电阻,电阻 R = (L/DW) Ohm 设定Rs = /D (单位：Ohm/ ) 则R = Rs (L/W), L/W表示有几个方块 假设在一个L = W 之平方面积中，R= Rs,TCO薄膜的导电,比较ITO及银薄膜的面电阻及穿透度,鱼与熊掌不可兼得, = /D ITO薄膜的导电性要好(面电阻低) ，膜厚要增大， 因此薄膜的穿透度会降低,1. ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍 透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO) 2. TCO的导电原理 3. TCO的光学性质 4.
11、TCO 薄膜之市场应用及未来发展,TCO的光学性质,TCO在短波长的透光范围：由能隙(energy gap)决定 在长波长的透光范围：由等离子频率(p，plasma frequence) 决定,紫外線區,由等离子频率决定的波长 (此一波长随载子浓度而移动),入射光将价带的 电子激发到导带,等离子媒介可看成高通滤波器,为降低In2O3、SnO2、ZnO等透明导体的电阻率， 通常加入Sn、Al、Sb等掺杂物以提高载子密度。 载子密度增加会影响透明性 电浆频率p = (4ne2/m*)1/2,载子浓度n增加，变大，光吸收范围向可见光扩展,TCO的光学性质,以ZnO为例， = (4ne2/m*)1/2
12、 = 4 4.3 1019 (1.6 10-19)2 0.24 0.91 10-30 = =2/ = =789 nm,1/2,其中: n：载子浓度 e：载子的电量 m*：传导有效质量,AZO (antimony doped tindioxide),Sb2O5析出， 造成光的散射,掺杂物(载子)密度对透光度的影响,Sb(锑)摻雜在SnO2中,電阻率最小 3.98 10-3-cm,Sb,电阻率= 面阻值 膜厚 ( = D),低面阻值ITO玻璃镀膜，电阻率越低越好 考虑高穿透率，膜厚的设计必须避免建设性的干涉， 所以nd=(2m+1)/4，m=1,2,3,4.。,ITO的光学性质,D,穿透度低的话(
13、膜的厚薄)， 反射率相对提高，就易造成干涉。,1. 高穿透度、吸收小 2. 低电阻率以较低之薄膜厚度得到较佳之导电性 3. 膜厚均匀性 4. 良好的附着力 5. 蚀刻制程容易 6. 耐候性佳，受环境影响小 7. 无Pin hole 8. 无Hill lock,TCO薄膜之质量需求,1. ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍 透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO) 2. TCO的导电原理 3. TCO的光学性质 4. TCO 薄膜之市场应用及未来发展,TCO 薄膜之市场应用ITO 之应用,Display Application PM LCD,Disp
14、lay Application AM LCD,偏光板,TFT,彩色濾光片,玻璃基板,透明電極,液晶,信號電極,掃描電極,TFT,玻璃基板,透明電極,偏光板,Display Application OLED,Display Application AMOLED,Display Application PDP,Touch Panel,Solar cell,Electrochromic Window (电致变色玻璃),常用TCO之应用,ITO及TCO 薄膜未来需求之课题,高透光率ITO玻璃 极低面电阻&高穿透率之研究 超平坦透明导电膜 在塑料基板成膜(室温成膜) 靶材回收,纲要,透明导电薄膜（TCO
15、） 薄膜太阳能电池 SAW及FBAR器件,薄膜太阳能电池介绍,薄膜太阳电池可以使用价格低廉的基板来制造，形成可产生电压的薄膜，厚度仅需数m。,薄膜太阳能电池分类,表一：薄膜太阳能电池分类,薄膜太阳能电池优势,表二：硅晶圆太阳能电池与薄膜太阳能电池的比较,薄膜在a-Si thin film solar cells 的应用,a-Si薄膜太阳能电池结构,根据光入射方向可概略分为Superstrate和Substrate结构两种。,图(a) Superstrate结构,图(b) Substrate结构,a-Si薄膜太阳能电池结构,LIGHT,图(c)： a-Si薄膜太阳能电池Superstrate结构
16、示意图。,薄膜应用,LIGHT,抗反射层：主要是用来使透光率提升而不被反射。,1.抗反射层,薄膜应用,2.TCO层(Transparent conductive oxide),TCO层：需具有高光穿透率、极佳导电特性，用来当透明电极。,薄膜应用,3.非晶硅层,非晶硅层：主要是经由光电效应产生光电流。,薄膜应用,.背反射层,背反射层：使还没利用到的光反射再次进入光吸收层，需具有高的反射率。,a-Si薄膜太阳能电池小结,在非晶硅薄膜太阳能电池中，溅镀或以其他方式在玻璃或金属基板上生成薄膜的生产方式成熟，成本相对比硅晶圆低廉许多，使得发展空间增大。 优化的薄膜层，如镀在玻璃上的抗反射层，TCO层，背反射层，可使光在光吸收层的路径增加，以提高效率。,55,薄膜在CIGS thin film solar cells 的應用,56,Outline
