第八章透明导电薄膜.ppt

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1、第八章 透明导电薄膜(TCO),1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介紹透明导电氧化物(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紹透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide,TCO)2.TCO的导电原理3.TCO的光学性质4.TCO 薄膜之市场应用与发展,什么是透明导电薄膜?,在可见光波長范围內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 而言太阳光全波長范围

2、之透光度及热稳定性具有导电特性电阻率(resistivity)愈小愈好，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过率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、TiNb.摻杂氧化物：In2O3:Sn(ITO)、ZnO:

3、In(IZO)、ZnO:Ga(GZO)ZnO:Al(AZO)、SnO2:F、TiO2:Tac.混合氧化物：In2O3-ZnO、CdIn2O4、Cd2SnO4、Zn2SnO4,History of TCO,1907年最早使用CdO材料为透明导电膜，应用在photovoltaic cells.1940年代，以Spray Pyrolysis及CVD 方式沉积SnOx在玻璃基板上.1970年代，以Evaporation 及Sputtering 方式沉积InOx及ITO.1980年代，磁控溅射magnetron sputtering开发，不论在玻璃及塑胶板均能达到低面阻值、高透光性ITO薄膜.1990年

4、代，具有导电性之TCO陶瓷靶材开发，使用DC 磁控溅射ITO，使沉积过程更容易，各式TCO材料开始被广泛应用.2000年代，主要的透明导电性应用以ITO 材料为主，磁控溅射ITO成为市场上制作的主流.,透明导电薄膜主角-ITO,中文名称：铟锡氧化物英文全名：Indium Tin Oxide（ITO）成分：摻杂锡之铟氧化物(Tin-doped Indium Oxide)年代：1934年被美国铟矿公司最早合成出來世界最大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、透明加热元件、抗靜电膜、电磁、防护膜、太阳能电池之透明电极、防反光涂层及热反射镜(heat

5、 reflecting mirror)等电子、光学及光电裝置上。,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受性，受环境影响小大面积镀膜工艺容易(成熟)刻蚀过程容易(成熟)成本低?,ITO之结构及特性,ITO 结构在In2O3/SnO2=90/10时具有最低的电阻率及最高的光穿透率,ITO 结构在In2O3/SnO2=90/10时最快的刻蚀速率,ITO成膜时基板溫度：200C ITO成膜时基板溫度：

6、RT,ITO之结构及特性,铟(In)矿的主要应用,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:Ga(GZO)(1.210-4-cm)、ZnO:Al(AZO)(1.310-4-cm)、ZnO:Ti,特点：1.ZnO矿产丰富。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，工艺控制容易。4.耐化性比ITO 差，通常以添加Cr、Co 于ZnO系材料中來 提高其耐化性。,1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介紹透明导电氧化物(Transparent Condu

7、ctive 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薄膜的导电原理(n-type TCO)-ITO,In2O3为氧化物半导体，加入SnO2作为杂质，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)3.5eVCrystallized at T 150 C,材料之电导率=ne其中n=载流子浓度(就TCO材料包括电子及空穴)e：载流子的电量：载流子的mobility,TCO中导电性最好的ITO，载流子浓度約10181019 cm-3金属载流子浓度約10

8、22 1023 cm-3,TCO薄膜的导电原理,由掺杂物的混入及离子的缺陷生成,TCO薄膜的导电原理,载流子的mobility()=e/om*：relaxation time(载流子移动时由此次散射到下次散射的时间)m*：载流子的有效质量o：真空中之介电常数 要提升载流子的mobility：与TCO 薄膜的结构有关。TCO 薄膜的defect愈少，。(extrinsic effect)m*：取決于TCO 材料。(intrinsic effect),TCO薄膜的导电原理,电阻率()反比於导电率(conductivity,)=1/ohm-cm平面显示器中探讨的薄膜的导电性有別于半导体的导电性。通常

9、，面电阻(surface resistance,)or(sheet resistance,Rs)被定义为薄膜便面电阻,面电阻Rs=(L/DW)ohms设定=/D(单位：ohms/)则Rs=(L/W)假设在一个L=W 之平方面积中，Rs=,TCO薄膜的导电,比较ITO及银薄膜的表面电阻及穿透度,魚与熊掌不可兼得,=/DITO薄膜的导电性要好(表面电阻低)，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紹透明导电氧化物(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的

10、光学性质,TCO在短波长的透光范围：由能隙(energy gap)決定 在长波长的透光范围：由等离子体频率(p，plasma frequence)決定,紫外線區,由等离子体频率決定的波长(此一波长随载流子浓度而移动),入射光將价带的电子激发到导帶,为降低In2O3、SnO2、ZnO等透明导体的电阻率，通常加入Sn、Al、Sb等杂质以提高载流子密度。载流子密度增加会影星透明性=(4ne2/m*)1/2,载流子浓度n增加，变大，光吸收范围向可见光扩展,其中，n：载流子浓度e：载流子电量 m*：传导有效质量,TCO的光学性质,以ZnO为例，=(4ne2/m*)1/2=4x4.3x1019x(1.6x

11、10-19)2 0.24x0.91x10-30=2/=789nm,1/2,AZO(antimony doped tindioxide),Sb2O5析出，造成光的散射,掺杂物(载流子)密度对透光度的影响,Sb掺杂在SnO2中,电阻率最小3.98 10-3-cm,Sb,电阻率=表面电阻x 膜厚(=x D),低表面电阻ITO玻璃薄膜，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,穿透度低的話(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.低电阻率以较低的薄膜厚度得到较佳的导电性性3.膜厚均勻

12、性4.良好的附著力5.刻蚀过程容易6.耐受性佳，受环境影响小7.无Pin hole8.无Hill lock,TCO薄膜之品质需求,1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介紹透明导电氧化物(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,Display 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 PDP,Touch Panel,Solar cell,Electrochromic Window（电致变色玻璃),常用TCO之应用,ITO及TCO 薄膜未來需求之课题,高透光率ITO玻璃极低表面电阻&高穿透率之研究超平坦透明导电膜在塑料基板成膜(室溫成膜)靶材回收,