透明导电薄膜(TCO)之原理及其应用发展.ppt

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1、透明導電薄膜(TCO)之原理及其應用發展,HW 2008/04/17,1.ITO及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物(Transparent Conductive Oxide,TCO)2.TCO的導電原理3.TCO的光學性質4.TCO 薄膜之市場應用及發展,Outline,1.ITO及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物(Transparent Conductive Oxide,TCO)2.TCO的導電原理3.TCO的光學性質4.TCO 薄膜之市場應用及未來發展,什麼是透明導電薄膜?,在可見光波長範圍內具有可接受之透光度以flat panel display 而言透光度愈高愈好以

2、solar cell 而言太陽光全波長範圍之透光度及熱穩定性具有導電特性電阻比(resistivity)愈小愈好，通常 10-4 cm 一般而言，導電性提高，透光度便下降，反之亦然。可見光範圍具有80%以上的透光率，其比電阻低於110-4 cm，即是良好透明導電膜。,純金屬薄膜 Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh，在 10nm厚度的薄膜，均有某種程度的可見光透光度早期使用之透明電極缺點：光的吸收度大、硬度低、穩定性差,透明導電薄膜,透明導電薄膜,金屬化合物薄膜(TCO)泛指具有透明導電性之氧化物、氮化物、氟化物a.氧(氮)化物：In2O3、SnO2、ZnO、CdO、TiNb.摻雜氧

3、化物：In2O3:Sn(ITO)、ZnO: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材料為透明導電鍍膜，應用在photovoltaic cells.1940年代，以Spray Pyrolysis及CVD 方式沉積SnOx於玻璃基板上.1970年代，以Evaporation 及Sputtering 方式沉積InOx及ITO.1980年代，磁控濺鍍magnetron sputtering開發，使低溫沉膜製程，不 論

4、在玻璃及塑膠基板均能達到低面阻值、高透性ITO薄膜.1990年代，具有導電性之TCO陶瓷靶材開發，使用DC 磁控濺鍍ITO，使 沉積製程之控制更趨容易，各式TCO材料開始廣泛被應用.2000年代，主要的透明導電性應用以ITO 材料為主，磁控濺鍍ITO成為市 場上製程的主流.,透明導電薄膜主角-ITO,中文名稱：銦錫氧化物英文全名：Indium Tin Oxide（ITO）成分：摻雜錫之銦氧化物(Tin-doped Indium Oxide)年代：1934年被美國銦礦公司最早合成出來世界最大ITO薄膜製造國：日本選用率：在TCO材料中，75%應用在平面顯示器主要應用：平面顯示器、透明加熱元件、抗

5、靜電膜、電磁、防護膜、太陽能電池之透明電極、防反光塗佈及熱反射鏡(heat reflecting mirror)等電子、光學及光電裝置上。,ITO是麼？,ITOIndium Tin Oxide(In2O3SnO2)ITO的成分90wt%In2O3與10wt%SnO2混合物,Why choose ITO?,在TCO材料中有最佳的導電性(電阻比低)在可見光波段有良好的透光度良好的耐候性，受環境影響小大面積鍍膜製程容易(成熟)蝕刻製程容易(成熟)成本低?,ITO之組成及特性,ITO 組成在In2O3/SnO2=90/10時最低的電阻比及最高的光穿透率,ITO 組成在In2O3/SnO2=90/10時

6、最快的蝕刻速率,ITO成膜時基板溫度：200C ITO成膜時基板溫度：RT,ITO之組成及特性,銦(In)礦的主要應用,資料來源：工研院經資中心,各種TCO材料-ZnO系透明導電膜,主要成員：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,特點：1.ZnO礦產產能大。2.價格比ITO 便宜(200%cost saving)。3.部分AZO靶材可在100%Ar環境下成膜，製程控制容易。4.耐化性比ITO 差，通常以添加Cr、Co 於ZnO系材料中來 提高其耐

7、化性。,1.ITO及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物(Transparent Conductive Oxide,TCO)2.TCO的導電原理3.TCO的光學性質4.TCO 薄膜之市場應用及未來發展,TCO薄膜的導電原理(n-type TCO)-ITO,In2O3為氧化物半導體，加入SnO2作為雜質參雜，可以產生一個導電電子In2O3晶格中之氧缺陷(Oxygen vacancy)一個氧空缺，可以產生兩個導電電子,Band gap(Eg)3.5eVCrystallized at T 150 C,材料之導電率=ne其中n=載子濃度(就TCO材料包括電子及電洞)e：載子的電量：載子的mobi

8、lity,TCO中導電性最好的ITO，載子濃度約10181019 cm-3金屬載子濃度約1022 1023 cm-3,TCO薄膜的導電原理,載子由摻雜物的混入及 離子的缺陷生成,TCO薄膜的導電原理,載子的mobility()=e/om*：relaxation time(載子移動時由此次散射到下一次散射的時間)m*：載子的有效質量o：真空中之介電常數 要提昇載子的mobility：與TCO 薄膜的結構有關。TCO 薄膜的defect愈少，。(extrinsic effect)m*：取決於TCO 材料。(intrinsic effect),TCO薄膜的導電原理,電阻比(又稱體阻抗,)反比於導電率

9、(conductivity,)=1/ohm-cm平面顯示器中探討的薄膜的導電性有別於半導體的導電性。通常，面電阻(surface resistance,)or(sheet resistance,Rs)被定義為薄膜表面之電阻,面電阻Rs=(L/DW)ohms設定=/D(單位：ohms/)則Rs=(L/W)假設在一個L=W 之平方面積中，Rs=,TCO薄膜的導電,比較ITO及銀薄膜的面電阻及穿透度,魚與熊掌不可兼得,=/DITO薄膜的導電性要好(面電阻低)，膜厚要增大，因此薄膜的穿透度會降低,1.ITO及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物(Transparent Conductive Ox

10、ide,TCO)2.TCO的導電原理3.TCO的光學性質4.TCO 薄膜之市場應用及未來發展,TCO的光學性質,TCO在短波長的透光範圍：由能隙(energy gap)決定 在長波長的透光範圍：由電漿頻率(p，plasma frequence)決定,紫外線區,由電漿頻率決定的波長(此一波長隨載子濃度而移動),入射光將價帶的電子激發到導帶,為降低In2O3、SnO2、ZnO等透明導體的電阻率，通常加入Sn、Al、Sb等摻雜物以提高載子密度。載子密度增加會影響透明性電漿頻率=(4ne2/m*)1/2,載子濃度n增加，變大，光吸收範圍向可見光擴展,其中，n：載子濃度e：載子的電量 m*：傳導有效質量

11、,TCO的光學性質,以ZnO為例，=(4ne2/m*)1/2=4x4.3x1019x(1.6x10-19)2-30=2/=789nm,1/2,AZO(antimony doped tindioxide),Sb2O5析出，造成光的散射,摻雜物(載子)密度對透光度的影響,Sb摻雜在SnO2中,電阻率最小3.98 10-3-cm,Sb,電阻比=面阻值x 膜厚(=x D),低面阻值ITO玻璃鍍膜，電阻比越低越好考慮高穿透率，膜厚的設計必須避免建設性的干涉，所以nd=(2m+1)/4，m=1,2,3,4.。,ITO的光學性質,D,穿透度低的話(膜的厚薄)，反射率相對提高，就易造成干涉。,1.高穿透度、吸

12、收小2.低電阻比以較低之薄膜厚度得到較佳之導電性3.膜厚均勻性4.良好的附著力5.蝕刻製程容易6.耐候性佳，受環境影響小7.無Pin hole8.無Hill lock,TCO薄膜之品質需求,1.ITO及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物(Transparent Conductive Oxide,TCO)2.TCO的導電原理3.TCO的光學性質4.TCO 薄膜之市場應用及未來發展,TCO 薄膜之市場應用ITO 之應用,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,

13、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(電致變色玻璃),常用TCO之應用,ITO及TCO 薄膜未來需求之課題,高透光率ITO玻璃極低面電阻&高穿透率之研究超平坦透明導電膜在塑膠基板成膜(室溫成膜)靶材回收,參考文獻,工業材料雜誌256期，廖鎔榆/工研院材化所 材料最前線/材料世界網，吳金寶/工研院材化所 工業材料雜誌第255期，劉秀琴、張志祥/工研院材化所 儀科中心簡訊 85 期，真空技術組潘漢昌。氧化鋅-鋁多層膜之結構與光電特性研究，林正偉。http:/以濺射共沉積法成長Cu2O：Al 之P 型透明導電膜研究，邱俞翔、施佑杰、戴淵竣、包正綱。,